(57)【要約】【課題】本発明は、排気の流れ方向に沿って直列に配置された２つのＳＣＲ触媒を具備する排気浄化装置の劣化を診断するシステムにおいて、下流側ＳＣＲ触媒より下流の排気通路にＮＯＸセンサを配置せずに、排気浄化装置の劣化状態を診断することを課題とする。【解決手段】本発明は、上流側ＳＣＲ触媒、及び該上流側ＳＣＲ触媒より下流に配置される下流側ＳＣＲ触媒を具備する排気浄化装置の劣化診断システムにおいて、上流側ＳＣＲ触媒のＮＯＸ浄化率である上流側ＮＯＸ浄化率が前記上流側ＳＣＲ触媒及び前記下流側ＳＣＲ触媒の全体で達成すべきＮＯＸ浄化率の下限値より小さく、且つ前記上流側ＳＣＲ触媒の単独で達成すべきＮＯＸ浄化率の下限値より大きい場合に、前記添加装置から所定量の添加剤を添加させ、その添加前後における上流側ＮＯＸ浄化率の変化量が所定の閾値未満であれば、前記排気浄化装置が劣化していると診断する。【選択図】図２
2016118140.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配置され、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯＸを還元する上流側ＳＣＲ触媒、及び該上流側ＳＣＲ触媒より下流の排気通路に配置され、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯＸを還元する下流側ＳＣＲ触媒を具備する排気浄化装置の劣化診断システムにおいて、
前記排気浄化装置より上流の排気通路に配置され、アンモニア又はアンモニアの前駆体である添加剤を排気中に添加する添加装置と、
前記上流側ＳＣＲ触媒と前記下流側ＳＣＲ触媒との間の排気通路に配置され、排気中のＮＯＸ濃度を測定するＮＯＸセンサと、
前記ＮＯＸセンサの測定値に基づいて、前記上流側ＳＣＲ触媒へ流入するＮＯＸの量に対する前記上流側ＳＣＲ触媒で還元されるＮＯＸの量の比率である上流側ＮＯＸ浄化率を演算する演算手段と、
前記演算手段により算出される上流側ＮＯＸ浄化率が前記上流側ＳＣＲ触媒及び前記下流側ＳＣＲ触媒の全体で達成すべきＮＯＸ浄化率の下限値より小さく、且つ前記上流側ＳＣＲ触媒の単独で達成すべきＮＯＸ浄化率の下限値より大きい場合に、前記添加装置から所定量の添加剤を添加させ、その添加前後に前記演算手段によって算出される上流側ＮＯＸ浄化率の差が所定の閾値未満であれば、前記排気浄化装置が劣化していると診断する診断手段と、
を備える排気浄化装置の劣化診断システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つのＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒が直列に配置された
排気浄化装置の劣化を診断する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気浄化システムとして、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯＸを還元する２つのＳＣＲ触媒を排気の流れ方向に沿って直列に配置したものが知られている。このような排気浄化装置の劣化を診断する方法として、上流側ＳＣＲ触媒から流出するアンモニア量が閾値以上で、且つ下流側ＳＣＲ触媒におけるＮＯＸ浄化率が閾値以下の場合に、排気浄化装置が劣化していると診断する方法が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１８１６６８号公報
【特許文献２】国際公開第２０１０／０９５２２１号
【特許文献３】特開２００８−２９１７３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記した従来の方法は、下流側ＳＣＲ触媒より下流の排気通路にＮＯＸセンサが配置され、そのＮＯＸセンサの測定値を用いることが前提となっている。そのため、下流側ＳＣＲ触媒より下流の排気通路にＮＯＸセンサが配置されない構成においては、排気浄化装置の劣化を診断することができない。
【０００５】
本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、排気の流れ方向に沿って直列に配置された２つのＳＣＲ触媒を具備する排気浄化装置の劣化を診断するシステムにおいて、下流側ＳＣＲ触媒より下流の排気通路にＮＯＸセンサを配置せずに、排気浄化装置の劣化状態を診断することができる技術の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記した課題を解決するために、以下のような手段を採用した。すなわち、本発明は、排気通路に配置されてアンモニアを還元剤として排気中のＮＯＸを還元する上流側ＳＣＲ触媒、及び該上流側ＳＣＲ触媒より下流の排気通路に配置されてアンモニアを還元剤として排気中のＮＯＸを還元する下流側ＳＣＲ触媒を具備する排気浄化装置の劣化診断システムにおいて、前記排気浄化装置より上流の排気通路に配置されてアンモニア又はアンモニアの前駆体である添加剤を排気中に添加する添加装置と、前記上流側ＳＣＲ触媒と前記下流側ＳＣＲ触媒との間の排気通路に配置されて排気中のＮＯＸ濃度を測定するＮＯＸセンサと、前記ＮＯＸセンサの測定値に基づいて前記上流側ＳＣＲ触媒へ流入するＮＯＸの量に対する前記上流側ＳＣＲ触媒で還元されるＮＯＸの量の比率である上流側ＮＯＸ浄化率を演算する演算手段と、前記演算手段により算出される上流側ＮＯＸ浄化率が前記上流側ＳＣＲ触媒及び前記下流側ＳＣＲ触媒の全体で達成すべきＮＯＸ浄化率の下限値より小さく、且つ前記上流側ＳＣＲ触媒の単独で達成すべきＮＯＸ浄化率の下限値より大きい場合に、前記添加装置から所定量の添加剤を添加させ、その添加前後に前記演算手段によって算出される上流側ＮＯＸ浄化率の差が所定の閾値未満であれば、前記排気浄化装置が劣化していると診断する診断手段と、を備えるようにした。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、排気の流れ方向に沿って直列に配置された２つのＳＣＲ触媒を具備する排気浄化装置の熱劣化を診断するシステムにおいて、下流側ＳＣＲ触媒より下流の排気通路にＮＯＸセンサを設けずに、排気浄化装置の劣化を診断することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明を適用する内燃機関とその排気系の概略構成を示す図である。
【図２】排気浄化装置の劣化を診断する際にＥＣＵが実行する処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図３】上流側ＳＣＲ触媒のＮＯＸ浄化率の変化量（ΔＮＯＸ浄化率）と排気浄化装置全体のＮＯＸ浄化率との相関を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００１０】
図１は、本発明を適用する内燃機関とその排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、軽油を燃料とする圧縮着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）である。ただし、本発明に係る内燃機関は、ディーゼルエンジンに限られるものではなく、リーン空燃比の混合気を燃焼して運転可能な火花点火式内燃機関であってもよい。
【００１１】
内燃機関１には排気管２が接続されている。排気管２の途中には、酸化触媒又は三元触媒を収容した第一触媒ケーシング３が配置される。第一触媒ケーシング３より下流の排気管２には、第二触媒ケーシング４と第三触媒ケーシング５とが直列に配置される。第二触媒ケーシング４は、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯＸを還元するＳＣＲ触媒（上流側ＳＣＲ触媒）を収容する。また、第三触媒ケーシング５は、第二触媒ケーシング４と同様に、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯＸを還元するＳＣＲ触媒（下流側ＳＣＲ触媒）を収容する。ここで、第二触媒ケーシング４と第三触媒ケーシング５の組合せは、本発明に係わる「排気浄化装置」に相当する。
【００１２】
第一触媒ケーシング３と第二触媒ケーシング４との間の排気管２には、添加弁６が配置される。添加弁６は、ポンプ６０によりタンク６１から汲み上げられる還元剤を排気中に添加する装置である。タンク６１内に貯蔵される還元剤は、アンモニア又はアンモニアの前駆体であり、例えば、アンモニアガス、又は尿素水溶液である。なお、本実施例では、還元剤として、尿素水溶液を用いるものとする。
【００１３】
添加弁６から排気中に添加された尿素水溶液は、排気の熱を受けて熱分解され、又はＳＣＲ触媒において加水分解される。尿素水溶液が熱分解又は加水分解されると、アンモニアが生成される。このようにして生成されたアンモニアは、上流側ＳＣＲ触媒及び下流側ＳＣＲ触媒に吸着される。上流側ＳＣＲ触媒及び下流側ＳＣＲ触媒に吸着されたアンモニアは、排気中に含まれるＮＯＸと反応して窒素や水を生成する。つまり、アンモニアは、ＮＯＸの還元剤として機能する。ここで、添加弁６、ポンプ６０、及びタンク６１の組合せは、本発明に係わる「添加装置」に相当する。
【００１４】
第一触媒ケーシング３と第二触媒ケーシング４との間の排気管２には、第一ＮＯＸセンサ９が配置される。第一ＮＯＸセンサ９は、第二触媒ケーシング４の上流側ＳＣＲ触媒へ流入する排気に含まれるＮＯＸの濃度を測定するセンサである。また、第二触媒ケーシング４と第三触媒ケーシング５との間の排気管２には、第二ＮＯＸセンサ１０が配置される。第二ＮＯＸセンサ１０は、第二触媒ケーシング４の上流側ＳＣＲ触媒から流出する排気
（言い換えると、第三触媒ケーシング５の下流側ＳＣＲ触媒へ流入する排気）に含まれるＮＯＸの濃度を測定するセンサである。
【００１５】
このように構成される内燃機関１には、電子制御ユニット（ＥＣＵ）８が併設されている。ＥＣＵ８は、前述した第一ＮＯＸセンサ９及び第二ＮＯＸセンサ１０に加え、クランクポジションセンサ１１、アクセルポジションセンサ１２、及びエアフローメータ１３等の各種センサと電気的に接続され、それら各種センサの出力信号が入力されるようになっている。なお、クランクポジションセンサ１１は、内燃機関１の出力軸（クランクシャフト）の回転位置を測定するセンサである。アクセルポジションセンサ１２は、アクセルペダルの操作量（アクセル開度）を測定するセンサである。エアフローメータ１３は、内燃機関１へ吸入される空気量（吸入空気量）を測定するセンサである。
【００１６】
ＥＣＵ８は、前記各種センサの測定値に基づいて、内燃機関１の運転状態や添加弁６等を制御する。例えば、ＥＣＵ８は、第一ＮＯＸセンサ９の測定値に基づいて第一触媒ケーシング３の上流側ＳＣＲ触媒に吸着されているアンモニアの量（以下、「ＮＨ３吸着量」と称する）を推定し、そのＮＨ３吸着量が予め定められた目標ＮＨ３吸着量となるように、添加弁６から供給される尿素水溶液の量を制御する。なお、本実施例では、第二触媒ケーシング４へ流入する排気のＮＯＸ濃度は第一ＮＯＸセンサ９によって検出可能であるが、内燃機関１から排出される排気のＮＯＸ濃度は、内燃機関１の運転状態に相関することから、内燃機関１の運転状態に基づいて推定されてもよい。このように検出又は推定されるＮＯＸ濃度に応じて、ＥＣＵ８は添加弁６から供給される尿素水溶液の目標値（基本添加量）を決定し、その基本添加量に従って添加弁６を制御する。また、ＥＣＵ８は、第二ＮＯＸセンサ１０の測定値に基づいて第三触媒ケーシング５の下流側ＳＣＲ触媒のＮＨ３吸着量を推定し、そのＮＨ３吸着量が予め定められた目標ＮＨ３吸着量となるように、添加弁６から供給される尿素水溶液の量を制御する。
【００１７】
上記した基本添加量を決定するにあたり、ＥＣＵ８は、先ず上流側ＳＣＲ触媒及び下流側ＳＣＲ触媒のそれぞれのＮＨ３吸着量を推定する。各ＳＣＲ触媒のＮＨ３吸着量は、各ＳＣＲ触媒へ供給されるＮＨ３（尿素水溶液が熱分解又は加水分解されて生成されるＮＨ３）の量から、各ＳＣＲ触媒において消費されるＮＨ３の量（ＮＯＸの還元に消費されるＮＨ３の量）とＮＨ３スリップ量（ＳＣＲ触媒をすり抜けるＮＨ３の量）とを減算した値を積算することによって推定される。
【００１８】
ここで、各ＳＣＲ触媒において消費されるＮＨ３の量は、各ＳＣＲ触媒へ流入するＮＯＸの量（以下、「ＮＯＸ流入量」）と各ＳＣＲ触媒のＮＯＸ浄化率とをパラメータとして演算される。その際、ＮＯＸ流入量は、第一ＮＯＸセンサ９又は第二ＮＯＸセンサ１０の測定値に排気流量（単位時間あたりの吸入空気量と単位時間あたりの燃料噴射量との総量）を乗算することにより求められる。一方、各ＳＣＲ触媒のＮＯＸ浄化率は、各ＳＣＲ触媒へ流入する排気の流量と各ＳＣＲ触媒の温度とをパラメータとして求められる。なお、各ＳＣＲ触媒のＮＯＸ浄化率は、排気流量が多くなるほど低くなり、且つ各ＳＣＲ触媒の温度が高くなるほど高くなる特性を有するため、そのような特性に基づいて各ＳＣＲ触媒のＮＯＸ浄化率を求めることができる。
【００１９】
また、ＮＨ３吸着量の推定に用いられるＮＨ３スリップ量は、ＮＨ３吸着量の前回の推定値と、各ＳＣＲ触媒の温度と、排気の流量と、をパラメータとして求められる。ここで、排気の流量が一定であれば、各ＳＣＲ触媒から流出する排気のＮＨ３濃度は、ＮＨ３吸着量が多くなるほど高くなり、且つ各ＳＣＲ触媒の温度が高くなるほど高くなる特性を有する。また、各ＳＣＲ触媒から流出する排気のＮＨ３濃度が一定であれば、排気の流量が多くなるほど、単位時間あたりのＮＨ３スリップ量が多くなる。よって、先ず各ＳＣＲ触媒のＮＨ３吸着量と各ＳＣＲ触媒の温度とをパラメータとして各ＳＣＲ触媒から流出する
排気のＮＨ３濃度を求め、次いで該ＮＨ３濃度と排気の流量とを乗算することにより、各ＳＣＲ触媒のＮＨ３スリップ量を求めることができる。
【００２０】
上記した方法により各ＳＣＲ触媒のＮＨ３吸着量が推定されると、ＥＣＵ８は、そのＮＨ３吸着量と目標ＮＨ３吸着量との差（目標ＮＨ３吸着量からＮＨ３吸着量の推定値を減算した値）を演算し、その差に相当する尿素水溶液の量を基本添加量に定める。なお、ここでいう目標ＮＨ３吸着量は、一定量（例えば、各ＳＣＲ触媒のＮＨ３吸着速度とＮＨ３脱離速度とが平衡状態になるときのＮＨ３吸着量）であってもよい。また、目標ＮＨ３吸着量は、各ＳＣＲ触媒のＮＯＸ浄化率を一定とするために、ＮＯＸ流入量に応じて変更されてもよい。
【００２１】
次に、ＥＣＵ８は、第二触媒ケーシング４及び第三触媒ケーシング５を含めた排気浄化装置の劣化診断を行う。以下、本実施例において排気浄化装置の劣化診断を実行する手順について図２に沿って説明する。図２は、排気浄化装置の劣化診断を行う際にＥＣＵ８が実行する処理ルーチンを示すフローチャートである。この処理ルーチンは、予めＥＣＵ８のＲＯＭに記憶されており、内燃機関１の運転期間中にＥＣＵ８によって所定の周期で繰り返し実行される。
【００２２】
図２の処理ルーチンでは、ＥＣＵ８は、先ずＳ１０１の処理において第一ＮＯＸセンサ９の測定値と第二ＮＯＸセンサ１０の測定値とを読み込む。次いで、Ｓ１０２の処理では、ＥＣＵ８は、前記Ｓ１０１の処理で読み込まれた測定値に基づいて、上流側ＳＣＲ触媒のＮＯＸ浄化率（上流側ＮＯＸ浄化率）を演算する。詳細には、ＥＣＵ８は、先ず第二触媒ケーシング４のＮＯＸ流入量と、該第二触媒ケーシング４から流出するＮＯＸの量（以下、「ＮＯＸ流出量」と称する）とを演算する。ＮＯＸ流入量は、前述したように、第一ＮＯＸセンサ９の測定値に排気の流量を乗算することにより求められる。また、ＮＯＸ流出量は、第二ＮＯＸセンサ１０の測定値に排気の流量を乗算することにより求められる。次いで、ＥＣＵ８は、前記ＮＯＸ流入量と前記ＮＯＸ流出量とを下記の式（１）に代入することにより、上流側ＮＯＸ浄化率を演算する。
（上流側ＮＯＸ浄化率）＝（（ＮＯＸ流入量）−（ＮＯＸ流出量））／（ＮＯＸ流入量）・・・（１）
【００２３】
Ｓ１０３の処理では、ＥＣＵ８は、前記Ｓ１０２の処理で算出された上流側ＮＯＸ浄化率が第一閾値以下であるか否かを判別する。ここでいう「第一閾値」は、上流側ＳＣＲ触媒及び下流側ＳＣＲ触媒の全体で達成すべきＮＯＸ浄化率の下限値に相当し、上流側ＳＣＲ触媒及び下流側ＳＣＲ触媒の全体のＮＯＸ浄化率が該下限値を下回ると、排気浄化装置が劣化していると考えられる値である。該Ｓ１０３の処理において否定判定された場合は、上流側ＳＣＲ触媒の単独で前記第一閾値以上のＮＯＸ浄化率を達成することが可能であるため、ＥＣＵ８は、Ｓ１１０の処理へ進み、排気浄化装置が劣化していない（正常）と判定する。一方、該Ｓ１０３の処理において肯定判定された場合は、ＥＣＵ８は、Ｓ１０４の処理へ進む。
【００２４】
Ｓ１０４の処理では、ＥＣＵ８は、前記Ｓ１０２の処理で算出された上流側ＮＯＸ浄化率が第二閾値以上であるか否かを判別する。ここでいう「第二閾値」は、前記第一閾値より小さい値であって、上流側ＳＣＲ触媒の単独で達成すべきＮＯＸ浄化率の下限値に相当する。つまり、上流側ＳＣＲ触媒の単独のＮＯＸ浄化率である上流側ＮＯＸ浄化率が該第二閾値を下回ると、上流側ＳＣＲ触媒及び下流側ＳＣＲ触媒の全体のＮＯＸ浄化率を前記第一閾値以上にすることができないと考えられる値である。なお、第二閾値以上且つ第一閾値以下の範囲が本発明に係わる「所定の範囲」に相当する。該Ｓ１０４の処理で否定判定された場合は、上流側ＳＣＲ触媒及び下流側ＳＣＲ触媒の全体のＮＯＸ浄化率を前記第一閾値以上にすることができないため、ＥＣＵ８は、Ｓ１１０の処理へ進み、排気浄化装
置が劣化していると判定する。一方、該Ｓ１０４の処理において肯定判定された場合は、ＥＣＵ８は、Ｓ１０５の処理へ進む。
【００２５】
Ｓ１０５の処理では、ＥＣＵ８は、所定量の尿素水溶液が排気中に添加されるように前記添加弁６を制御する。ここでいう「所定量」は、予め定められた固定量であってもよいが、上流側ＮＯＸ浄化率の低下分を下流側ＳＣＲ触媒で補うために必要となる尿素水溶液の量とすることが好ましい。詳細には、ＥＣＵ８は、前記ＮＯＸ流入量と前記第一閾値とをパラメータとして、上流側ＳＣＲ触媒及び下流側ＳＣＲ触媒の全体のＮＯＸ浄化率を前記第一閾値以上とするために必要なＮＯＸ浄化量（以下、「要求ＮＯＸ浄化量」と称する）を演算する。次いで、ＥＣＵ８は、前記要求ＮＯＸ浄化量から上流側ＳＣＲ触媒におけるＮＯＸ浄化量を減算することで、下流側ＳＣＲ触媒で浄化すべきＮＯＸの量（以下、「目標ＮＯＸ浄化量」と称する）を求める。そして、ＥＣＵ８は、前記目標ＮＯＸ浄化量のＮＯＸを浄化するために必要となるアンモニアの量を演算し、その演算値と下流側ＳＣＲ触媒のＮＨ３吸着量との差に相当する還元剤の量を前記所定量に定めればよい。
【００２６】
Ｓ１０６の処理では、ＥＣＵ８は、第一ＮＯＸセンサ９及び第二ＮＯＸセンサ１０の測定値を再度読み込み、それらの測定値に基づいて前記所定量の添加剤が添加された後における上流側ＮＯＸ浄化率を演算する。なお、ＥＣＵ８が前記Ｓ１０２の処理、及び前記Ｓ１０６の処理を実行することにより、本発明に係わる「演算手段」が実現される。
【００２７】
Ｓ１０７の処理では、ＥＣＵ８は、前記Ｓ１０６の処理で算出された上流側ＮＯＸ浄化率から前記Ｓ１０２の処理で算出された上流側ＮＯＸ浄化率を減算することで、所定量の添加剤の添加前後における上流側ＮＯＸ浄化率の変化量（ΔＮＯＸ浄化率）を演算する。
【００２８】
Ｓ１０８の処理では、ＥＣＵ８は、前記Ｓ１０７の処理で算出された上流側ＮＯＸ浄化率の変化量（ΔＮＯＸ浄化率）が所定値α以上であるか否かを判別する。ここでいう所定値αは、前記変化量（ΔＮＯＸ浄化率）が該所定値α以上であれば、添加弁６から添加される尿素水溶液を増量（言い換えると、下流側ＳＣＲ触媒の目標ＮＨ３吸着量を増量）させることで、上流側ＳＣＲ触媒及び下流側ＳＣＲ触媒の全体のＮＯＸ浄化率を前記第一閾値以上にすることができると考えられる値であり、本発明に係わる「所定の閾値」に相当する。ここで、図３に示すように、前記変化量（ΔＮＯＸ浄化率）と上流側ＳＣＲ触媒及び下流側ＳＣＲ触媒の全体におけるＮＯＸ浄化率との相関を予め実験的に求めておき、上流側ＳＣＲ触媒及び下流側ＳＣＲ触媒の全体のＮＯＸ浄化率が前記第一閾値と等しくなるときの変化量（ΔＮＯＸ浄化率）を所定値αに定めればよい。
【００２９】
前記Ｓ１０８の処理において肯定判定された場合は、ＥＣＵ８は、Ｓ１０９の処理へ進み、上流側ＳＣＲ触媒及び下流側ＳＣＲ触媒を含む排気浄化装置が正常であると判定する。一方、前記Ｓ１０８の処理において否定判定された場合は、ＥＣＵ８は、Ｓ１１０の処理へ進み、上流側ＳＣＲ触媒及び下流側ＳＣＲ触媒を含む排気浄化装置が劣化していると判定する。なお、ＥＣＵ８が前記Ｓ１０７乃至Ｓ１１０の処理を実行することにより、本発明に係わる「診断手段」が実現される。
【００３０】
以上述べた手順によって排気浄化装置の劣化診断が実行されると、第三触媒ケーシング５より下流の排気管２にＮＯＸセンサを配置しなくても、上流側ＳＣＲ触媒及び下流側ＳＣＲ触媒を含む排気浄化装置の全体の劣化状態を診断することができる。
【符号の説明】
【００３１】
１     内燃機関
２     排気管
３     第一触媒ケーシング
４     第二触媒ケーシング
５     第三触媒ケーシング
６     添加弁
８     ＥＣＵ
９     第一ＮＯＸセンサ
１０   第二ＮＯＸセンサ
２６   エアフローメータ
【図１】
2016118140.tif 000003
【図２】
2016118140.tif 000004
【図３】
2016118140.tif 000005