JP5928884B2 - 内燃機関の排ガス浄化装置 - Google Patents
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Description
このような排ガス浄化装置では、尿素水を排ガス中に供給するのが一般的であり、尿素水インジェクタなどを用いて排ガス中に尿素水を噴射する。尿素水インジェクタから排ガス中に噴射された尿素水は排ガスの熱により加水分解し、その結果生成されるアンモニアが還元触媒に供給される。こうして還元触媒に供給されたアンモニアと排ガス中のNOxとの間の脱硝反応が還元触媒によって促進されることによりNOxが還元されて排ガスが浄化される。
前記尿素水供給手段から前記排ガス通路に供給された尿素水に含まれる供給尿素量を算出する供給尿素量算出手段と、
前記還元触媒で浄化されたNOx量を算出するNOx量算出手段と、前記NOx量算出手段により算出されたNOx量の浄化に必要な有効尿素量を算出する有効尿素量算出手段と、
前記供給尿素量算出手段により算出された供給尿素量に対する前記有効尿素量算出手段により算出された有効尿素量の割合である尿素利用比率を算出する尿素利用比率算出手段と、
前記尿素利用比率算出手段により算出された尿素利用比率の値の経時的な変化率を算出し、当該変化率の値に基づいて前記排ガス通路への尿素の堆積を判定する堆積判定手段と、
前記尿素利用比率算出手段により算出された尿素利用比率の値に基づいて前記還元触媒の劣化を判定する劣化判定手段と、を備えることを特徴とする。
また、NOxの浄化に必要なアンモニアを発生させるために、排ガス通路内に尿素を供給すると、尿素の一部が還元触媒に到達する前に排ガス通路に堆積する場合がある。本発明の排ガス浄化装置は、堆積判定手段を備えているため、排ガス通路内に供給された供給尿素量及び実際に還元触媒でNOxの浄化に使用された有効尿素量に基づいて尿素利用比率を算出して、尿素利用比率の値の経時的な変化率に基づいて尿素の堆積を検出することができる。
そして、劣化判定手段を備えているため、尿素利用比率の値に基づいて還元触媒の劣化を検出することができる。
前記尿素利用比率算出手段により算出された尿素利用比率の値の経時的な変化率を算出し、当該変化率の値が第1閾値以上の場合に尿素が前記排ガス通路内に堆積していると判定することとしてもよい。
そして、堆積判定手段にて変化率の値が第1閾値以上か否かを判定することで、尿素の堆積を短時間で精度良く検出するこができる。これにより、尿素の堆積によって還元触媒に供給されるアンモニアの量が不足して排ガス浄化率が低下することを防止できる。また、尿素が堆積して排ガス通路が閉塞することを防止できる。なお、本明細書では、経時的とは時間の経過及び車両の走行距離の増加を含むものとする。
前記尿素利用比率算出手段により算出された尿素利用比率の値が第2閾値以下の場合に前記還元触媒が劣化していると判定することとしてもよい。
そして、劣化判定手段にて尿素利用比率の値が第2閾値以下か否かを判定することで、還元触媒の劣化を短時間で精度良く検出することができる。
前記尿素利用比率の値が所定回数以上連続して前記第2閾値以下となる場合に前記還元触媒が劣化していると判定することとしてもよい。
図1は、本発明の実施形態に係る排ガス浄化装置が適用されたエンジンシステムの概略全体構成図である。また、図2は、判定ユニットの各部にて算出される算出結果及びその出力先を示す図である。
図1及び図2に示すように、ディーゼルエンジン(以下、エンジン1という)の排ガス浄化装置2は、前段酸化触媒4と、パティキュレートフィルタ(以下フィルタ6という)と、SCR(Selective Catalytic Reduction)触媒8と、後段酸化触媒10と、を備えている。
Control Unit)12によって電子制御されており、かかる噴射時期及び噴射量にて燃焼室5毎に設けられた燃料噴射弁3から、燃焼室5内に燃料が噴射される。
ECU12は、図示しない中央処理装置(CPU)、制御プログラムや制御マップ等を格納する記憶装置、走行距離カウンタ及びタイマカウンタ等を備えている。そして、ECU12は、エンジン1の運転条件や運転者の要求に応じてエンジン1の運転状態を制御する。
排ガス通路16は、ターボチャージャ7のタービン7aを経由して排ガス浄化装置2に接続されている。また、タービン7aはコンプレッサ7bと機械的に連結されており、タービン7aが排ガス通路16内を流動する排気を受けてコンプレッサ7bを駆動する。
フィルタ6は、排ガス中のPM(Paticulate Matter:粒子状物質)を捕集する。このフィルタ6はハニカム型のセラミック体からなり、上流側と下流側とを連通する通路が多数並設されると共に、この通路の上流側開口と下流側開口とが交互に閉鎖されており、エンジン1の排ガスが内部を流通することによって排ガス中のPMが捕集される。
そして、SCR用ケーシング18よりも下流の排ガス通路16には、後段酸化触媒10を収容するための筒状の下流側ケーシング38が設けられている。
そして、尿素水流量計23による計測結果は、尿素水流量計23から尿素水制御部22及び判定ユニット13へ向けて出力される。なお、本実施形態では、尿素水供給用ポンプ25から供給される尿素水の流量を計測する尿素水流量計23を設けた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、尿素水の供給量を計測可能なメータリングユニットを備えた尿素水供給用ポンプを用いてもよい。要は、尿素水供給用ポンプから供給される尿素水の流量を計測できる機能を備えていればよい。
使用すべき正規の尿素水の濃度は、予め定められており、本実施形態では、尿素の飽和状態である32.5%とした。以下、濃度32.5%を規定濃度という。なお、本実施形態では、規定濃度を32.5%としたが、この値に限定されるものではなく、32.5%未満としてもよいが、尿素水の消費量が増加するため、32.5%に近い値であることが望ましい。
判定ユニット13は、ECU12内に備えられている。そして、判定ユニット13は、NOx量算出部15、消費アンモニア量算出部30及び有効尿素量算出部17を備えている。
なお、本実施形態では、エンジン1の運転状態から第1NOx量を定める場合について説明したが、この方法に限定されるものではなく、例えば、タービン7aの直上流の排ガス通路16の部分にNOxセンサを設け、当該NOxセンサにより計測された計測値に、単位時間当たりの排ガス流量を乗算して、エンジン1から排出される単位時間当たりの第1NOx量を算出してもよい。
浄化NOx量=第1NOx積算量−第2NOx積算量・・・式(1)
この浄化NOx量は、所定の走行距離毎に算出される。
Nn=(浄化NOx量/46)×17 ・・・式(2)
ここで、Nnは消費アンモニア量(g)であり、浄化NOx量は上記式(1)から算出される値(g)である。また、値46はNO2の分子量(g)、値17はNH3の分子量(g)である。
そして、算出された消費アンモニア量は、消費アンモニア量算出部30から有効尿素量算出部17へ向けて出力される。
An=(Nn/(17×2))×60×β ・・・式(3)
ここで、Anは有効尿素量(g)であり、Nnは上記式(2)から算出される消費アンモニア量(g)である。また、値17はNH3の分子量(g)、値2はモル数、値60は尿素の分子量(g)である。さらに、βは実験等から求められる係数である。係数βの値は予め決定されている。
なお、本実施形態では、上記式(2)から算出した消費アンモニア量Nnに基づいて有効尿素量Anを算出した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば有効尿素量算出部17は、上記式(1)により算出された浄化NOx量を還元するのに必要な有効尿素量を直接、算出してもよい。具体的に1モルの尿素は、2モルのNO2と反応して浄化される(即ち、尿素1モルに対してNO22モルが1当量となる)ため、有効尿素量Anを、次式(4)により算出してもよい。
An=(浄化NOx量/(46×2))×60×β ・・・式(4)
ここで、Anは有効尿素量(g)であり、浄化NOx量は上記式(1)から算出される値(g)である。また、値46はNO2の分子量(g)、値2はモル数、値60は尿素の分子量(g)である。そして、βは実験等から求められる係数である。
Un=An×(1/0.325) ・・・式(5)
ここで、Unは、必要尿素水量(g)であり、値0.325は、尿素水の規定濃度である。算出された有効尿素量An及び必要尿素水量Unは、有効尿素量算出部17からそれぞれ尿素利用比率算出部33(後述する)及び尿素水制御部22に向けて出力される。
排ガス中に供給された尿素水は霧化し、排ガスの熱により加水分解してNH3となってSCR触媒8に供給される。SCR触媒8は、NH3と排ガス中のNOxとの脱硝反応を促進することにより、NOxを還元して無害なN2とする。なお、このときNH3がNOxと反応せずにSCR触媒8から流出した場合には、このNH3が後段酸化触媒10によって排ガス中から除去される。
尿素水濃度センサ11による計測値は、尿素水濃度センサ11から後述する供給アンモニア量算出部27へ向けて出力される。
SAn=((Wu×Cu)/60)×2×17 ・・・式(6)
ここで、SAnは供給アンモニア量(g)であり、Wuは排ガス通路16内に供給された尿素水量(g)であり、尿素水流量計23により計測された値である。また、Cuは尿素水濃度センサ11により計測された値(%/100)である。そして、値60は尿素の分子量(g)、値2はモル数、値17はNH3の分子量(g)である。
算出した供給アンモニア量SAnは、供給アンモニア量算出部27から供給尿素量算出部19に向けて出力される。
具体的に1モルの尿素から2モルのNH3が生成されるため、上記式(6)により算出された供給アンモニア量SAnを生成するのに必要な供給尿素量Qnを、次式(7)により算出する。
Qn=(SAn/(17×2))×60 ・・・式(7)
ここで、Qnは供給尿素量(g)であり、SAnは上記式(6)により算出された供給アンモニア量(g)である。また、値17はNH3の分子量(g)、値2はモル数、値60は尿素の分子量(g)である。
なお、尿素水濃度センサ11により計測された尿素水濃度から供給尿素量Qnを算出する過程において、式(6)及び式(7)をそれぞれ計算した場合について説明したが、次式(8)にて、供給尿素量Qnを算出してもよい。
Qn=Wu×Cu ・・・式(8)
算出された供給尿素量Qnは、供給尿素量算出部19から後述する尿素利用比率算出部33に向けて出力される。
Ru =An/Qn ・・・式(9)
ここで、Ruは供給尿素量Qnに対する有効尿素量Anの割合である。また、Qnは供給尿素量算出部19より算出された供給尿素量(g)であり、Anは有効尿素量算出部17より算出された有効尿素量(g)である。
堆積判定部34は、尿素利用比率算出部33により算出された尿素利用比率Ruに基づいて、総走行距離と尿素利用比率Ruとの関係を示すマップを作成するとともに、尿素利用比率Ruの値の変化率を算出する。
そして、互いに隣接する総走行距離情報に対応する尿素利用比率Ru同士の変化率αを算出する。具体的には、変化率αを次式(10)により算出する。
α =|(Y2−Y1)/(X2−X1)| ・・・式(10)
ここで、Y2及びY1は、それぞれ互いに隣接する総走行距離情報のうち、総走行距離情報が長い方の尿素利用比率Ru及び短い方の尿素利用比率Ruである。また、X2及びX1は、それぞれ互いに隣接する総走行距離情報のうち、総走行距離情報の長い方及び短い方の値(km)である。なお、本実施形態では、互いに隣接する総走行距離情報同士の2点の変化率αを算出する場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、移動平均値や移動加重平均値等を求め、当該移動平均値や当該移動加重平均値を変化率αとしてもよい。
次に、SCR触媒8の劣化の判定方法について説明する。
劣化判定部35は、尿素利用比率算出部33により算出された尿素利用比率Ruに基づいて、総走行距離と尿素利用比率Ruとの関係を示すマップを作成するとともに、尿素利用比率Ruが第2閾値Rth以下か否かを判定する。
そして、尿素利用比率Ruが第2閾値Rthよりも大きい場合、SCR触媒8が正常であるとして、この判定結果を記憶装置に格納する。判定結果は、対応する総走行距離情報に紐付けられて格納される。なお、第2閾値Rthは、NOxの平均浄化率に基づいて設計等により決定される値である。
そして、劣化判定部35は、判定回数Naが予め設定された所定回数Nth(例えば、4回)以上になったら、運転席付近に設置された触媒劣化警告ランプ37を点滅又は点灯させて、SCR触媒8が劣化していることを運転手に警告する。
次に、上述した構成からなる排ガス浄化装置2を用いた尿素の堆積判定フロー及びSCR触媒8の劣化判定フローについて図5を用いて説明する。
そして、算出された浄化NOx量は、NOx量算出部15から消費アンモニア量算出部30に向けて出力される。
そして、算出された消費アンモニア量は、消費アンモニア量算出部30から有効尿素量算出部17にむけて出力される。
有効尿素量算出部17は、消費アンモニア量算出部30により算出された消費アンモニア量に基づいて上記式(3)より、当該消費アンモニア量を生成するのに必要な有効尿素量を算出する(ステップS8)。
そして、算出された有効尿素量は有効尿素量算出部17から尿素利用比率算出部33に向けて出力される。
そして、算出された供給アンモニア量は供給アンモニア量算出部27から供給尿素量算出部19に向けて出力される。
供給尿素量算出部19は、供給アンモニア量算出部27により算出された供給アンモニア量に基づいて上記式(7)より、当該供給アンモニア量を生成するのに必要な供給尿素量を算出する(ステップS10)。
そして、算出された供給尿素量は供給尿素量算出部19から尿素利用比率算出部33に向けて出力される。
続いて、算出された尿素利用比率Ruは尿素利用比率算出部33から堆積判定部34及び劣化判定部35に向けてそれぞれ出力される。
そして、堆積判定部34は、算出された変化率αが第1閾値αth以上か否かを判定する(ステップS16)。
堆積判定部34は、変化率αが第1閾値αth未満である場合、尿素は堆積していないと判定して、再び、ステップS4を実施する。
一方、堆積判定部34は、変化率αが第1閾値αth以上である場合、尿素が堆積していると判定する。そして、運転席付近に設置された尿素堆積警告ランプ36を点滅又は点灯させて、尿素が堆積していることを表示する(ステップS18)。
劣化判定部35は、尿素利用比率Ruが第2閾値Rthよりも大きい場合、SCR触媒8が正常であると判定する。続いて、劣化判定部35は、判定回数Naをリセットして0(ゼロ)とする(ステップS22)。その後、再び、ステップS4を実施する。
劣化判定部35は、判定回数Naが所定回数Nth以上であると判定した場合、運転席付近に設置された触媒劣化警告ランプ37を点滅又は点灯させて、SCR触媒8が劣化していることを表示する(ステップS28)。
一方、劣化判定部35は、判定回数Naが所定回数Nth未満であると判定した場合、再び、ステップS4を実施する。
上述したように、本実施形態に係る排ガス浄化装置2によれば、NOx量算出部15と、消費アンモニア量算出部30とを備えているため、SCR触媒8にて消費された消費アンモニア量を算出することができる。そして、有効尿素量算出部17を備えているため、SCR触媒8で実際に浄化されたNOx量の浄化に必要な有効尿素量を正確に算出することができる。
また、尿素水濃度センサ11を備えているため、尿素水の濃度を正確に検出することができる。そして、計測値を常時、監視することで、尿素水の濃度低下を直ちに検出することができる。また、供給アンモニア量算出部27を備えているため、尿素水濃度センサ11による計測値に基づいて排ガス中に供給した供給アンモニア量を算出することができる。さらに、供給尿素量算出部19により排ガス中に供給された供給尿素量を算出するので、排ガス通路16内に供給した尿素量を正確に算出することができる。
そして、尿素利用比率算出部33と、堆積判定部34とを備えているため、尿素利用比率を算出するとともに、当該尿素利用比率の変化率を算出し、当該変化率の値が第1閾値以上の場合に尿素が堆積していると判定することができる。これにより、尿素が堆積したことを直ちに検出することができるため、尿素の堆積によってNH3量が不足して排ガス浄化率が低下したり、尿素が堆積して排ガス通路16が閉塞したりすることを防止できる。
さらに、劣化判定部35を備えているため、尿素利用比率に基づいてSCR触媒8の劣化を判定することができる。SCR触媒8の還元能力は、排ガス流量、排ガス温度、供給される尿素水の濃度等により変動する。このため、供給尿素量に対する有効尿素量の割合である尿素利用比率の値が、所定回数以上連続して第2閾値以下となる場合に、SCR触媒8が劣化していると判定することで、SCR触媒8の劣化を正確に判定することができる。
そして、NOx量算出部15は、エンジン1の直下流のNOx量からSCR触媒8の直下流のNOx量を減算して算出するため、正確なNOx量を取得することができる。
さらに、尿素が堆積していること示す尿素堆積警告ランプ36及びSCR触媒8の劣化を示す触媒劣化警告ランプ37を備えているため、運転者は、尿素堆積やSCR触媒8劣化の点検等をすることなく、異常を検知することができる。
かかる場合には、堆積判定部34は、図6に示すように、総走行距離と尿素未利用比率との関係を示すマップを作成するとともに、互いに隣接する総走行距離情報に対応する尿素未利用比率Puの値同士の変化率αを算出する。そして、変化率αが第3閾値未満である場合、尿素は堆積していないと判定し、変化率αが第3閾値以上である場合、尿素が堆積していると判定することとしてもよい。
さらに、劣化判定部35は、図7に示すように、マップを作成するとともに、尿素未利用比率が第4閾値以上か否かを判定する。尿素未利用比率が第4閾値よりも小さい場合、SCR触媒8が正常であると判定し、尿素未利用比率が第4閾値以上の場合、SCR触媒8が劣化していると判定することとしてもよい。
なお、第3閾値及び第4閾値は、予め設計等により決定される値とする。
2 排ガス浄化装置
3 燃料噴射弁
4 前段酸化触媒
5 燃焼室
6 フィルタ
7 ターボチャージャ
7a タービン
7b コンプレッサ
8 SCR触媒
9 排気マニホールド
10 後段酸化触媒
11 尿素水濃度センサ
12 ECU
13 判定ユニット
14 上流側ケーシング
15 NOx量算出部
16 排ガス通路
17 有効尿素量算出部
18 SCR用ケーシング
19 供給尿素量算出部
20 噴射装置
21 制御弁
22 尿素水制御部
23 尿素水流量計
24 尿素水インジェクタ
25 尿素水供給用ポンプ
26 尿素水タンク
27 供給アンモニア量算出部
28 温度センサ
29 ミキシングチャンバー
30 消費アンモニア量算出手段
33 尿素利用比率算出部
34 堆積判定部
35 劣化判定部
36 尿素堆積警告ランプ
37 触媒劣化警告ランプ
38 下流側ケーシング
46 NOxセンサ
Claims (8)
- 内燃機関の排ガス通路に設けられ、排ガスに含まれるNOxを還元する還元触媒と、
前記排ガス通路の前記還元触媒よりも上流の部分に尿素水を供給する尿素水供給手段と、
前記尿素水供給手段から前記排ガス通路に供給された尿素水に含まれる供給尿素量を算出する供給尿素量算出手段と、
前記還元触媒で浄化されたNOx量を算出するNOx量算出手段と、
前記NOx量算出手段により算出されたNOx量の浄化に必要な有効尿素量を算出する有効尿素量算出手段と、
前記供給尿素量算出手段により算出された供給尿素量に対する前記有効尿素量算出手段により算出された有効尿素量の割合である尿素利用比率を算出する尿素利用比率算出手段と、
前記尿素利用比率算出手段により算出された尿素利用比率の値の経時的な変化率を算出し、当該変化率に基づいて前記排ガス通路への尿素の堆積を判定する堆積判定手段と、
前記尿素利用比率算出手段により算出された尿素利用比率の値に基づいて、前記還元触媒の劣化を判定する劣化判定手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。 - 前記堆積判定手段は、
前記尿素利用比率算出手段により算出された尿素利用比率の値の経時的な変化率を算出した当該変化率の値が第1閾値以上の場合に尿素が前記排ガス通路内に堆積していると判定することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。 - 前記劣化判定手段は、
前記尿素利用比率算出手段により算出された尿素利用比率の値が第2閾値以下の場合に前記還元触媒が劣化していると判定することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。 - 前記劣化判定手段は、
前記尿素利用比率の値が所定回数以上連続して前記第2閾値以下となる場合に前記還元触媒が劣化していると判定することを特徴とする請求項3に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。 - 前記NOx量算出手段により算出されたNOx量の浄化に必要な消費アンモニア量を算出する消費アンモニア量算出手段を更に備え、
前記有効尿素量算出手段は、
前記消費アンモニア量算出手段により算出された消費アンモニア量の生成に必要な尿素量を加水分解反応のモル比に応じて算出して前記有効尿素量とすることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。 - 前記NOx量算出手段は、前記内燃機関の直下流のNOx量から前記還元触媒よりも下流のNOx量を減算して前記還元触媒で浄化されたNOx量を算出することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
- 前記堆積判定手段によって前記尿素が堆積していると判定された際及び前記劣化判定手段によって前記還元触媒が劣化していると判定された際の少なくとも何れか一方に、運転者に対して警報を発する警告手段を更に備えることを特徴とする請求項1〜6のうち何れか一項に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
- 内燃機関の排ガス通路に設けられ、排ガスに含まれるNOxを還元する還元触媒と、前記排ガス通路の前記還元触媒よりも上流の部分に尿素水を供給する尿素水供給手段と、
前記尿素水供給手段から前記排ガス通路に供給された尿素水に含まれる供給尿素量を算出する供給尿素量算出手段と、
前記還元触媒で浄化されたNOx量を算出するNOx量算出手段と、
前記NOx量算出手段により算出されたNOx量の浄化に必要な有効尿素量を算出する有効尿素量算出手段と、
前記供給尿素量算出手段により算出された供給尿素量に対する当該供給尿素量から前記有効尿素量算出手段により算出された有効尿素量を減算した値の割合である尿素未利用比率を算出する尿素未利用比率算出手段と、
前記尿素未利用比率算出手段により算出された尿素未利用比率の値の経時的な変化率を算出し、当該変化率に基づいて前記排ガス通路への尿素の堆積を判定する堆積判定手段と、
前記尿素未利用比率算出手段により算出された尿素未利用比率の値に基づいて、前記還元触媒の劣化を判定する劣化判定手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。
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