(57)【要約】【課題】廉価な方法で尿素水の濃度を検出する。【解決手段】機関排気通路内にＮＯX選択還元触媒１５と酸化触媒１２とを配置する。ＮＯX選択還元触媒１５に尿素水を供給するための第１の尿素水供給弁１７に加え、酸化触媒１２に尿素水を供給するための第２の尿素水供給弁２１を設ける。第２の尿素水供給弁２１から尿素水を供給したときに酸化触媒１２から流出するＮＯXおよびアンモニアをＮＯXセンサ４０により検出し、このＮＯXセンサ４０の検出値から尿素水の濃度を検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関排気通路内にＮＯX選択還元触媒を配置し、尿素水タンク内に貯留された尿素水を該ＮＯX選択還元触媒に供給して該尿素水から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯXを選択的に還元するようにした内燃機関の排気浄化装置において、機関排気通路内に酸化機能を有する触媒を配置すると共に、上記ＮＯX選択還元触媒に尿素水を供給するための第１の尿素水供給弁に加え、該酸化機能を有する触媒に尿素水を供給するための第２の尿素水供給弁を具備しており、該第２の尿素水供給弁から尿素水を供給したときに上記酸化機能を有する触媒から流出するＮＯXおよびアンモニアをＮＯXセンサにより検出して該ＮＯXセンサの検出値から尿素水の濃度を検出するようにした内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
上記酸化機能を有する触媒が上記ＮＯX選択還元触媒の上流に配置されており、上記ＮＯXセンサが該酸化機能を有する触媒と該ＮＯX選択還元触媒との間に配置されている請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
上記酸化機能を有する触媒が酸化触媒からなり、上記第２の尿素水供給弁から該酸化触媒に尿素水が供給される請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
上記酸化機能を有する触媒が酸化触媒を担持したパティキュレートフィルタと、該パティキュレートフィルタの上流に配置された酸化触媒からなり、上記第２の尿素水供給弁から該パティキュレートフィルタに尿素水が供給される請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
上記ＮＯX選択還元触媒の下流にＮＯX浄化率を検出するための別のＮＯXセンサが配置されている請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
上記第２の尿素水供給弁および上記酸化機能を有する触媒が上記ＮＯX選択還元触媒の下流に配置されており、上記ＮＯXセンサによって尿素水の濃度に加え、ＮＯX浄化率が検出される請求項１の記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
上記酸化機能を有する触媒の温度が、上記第２の尿素水供給弁から供給された尿素水をＮＯXセンサでは検出しえない成分に変化させる温度領域にあるときには尿素水の濃度の検出を禁止する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
機関排気通路内にＮＯX選択還元触媒を配置し、尿素水タンク内に貯留された尿素水をＮＯX選択還元触媒に供給して尿素水から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯXを選択的に還元するようにした内燃機関の排気浄化装置において、尿素水の異常を検出するために尿素水タンク内に尿素水濃度センサを配置した内燃機関が公知である（例えば特許文献１を参照）。
【特許文献１】特開２００５−８３２２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながらこの尿素水濃度センサは高価であり、より廉価な他の方法を使用したいのが現状である。
本発明は、廉価でかつ確実に尿素水の異常を検出することのできる排気浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明によれば、機関排気通路内にＮＯX選択還元触媒を配置し、尿素水タンク内に貯留された尿素水をＮＯX選択還元触媒に供給して尿素水から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯXを選択的に還元するようにした内燃機関の排気浄化装置において、機関排気通路内に酸化機能を有する触媒を配置すると共に、ＮＯX選択還元触媒に尿素水を供給するための第１の尿素水供給弁に加え、酸化機能を有する触媒に尿素水を供給するための第２の尿素水供給弁を具備しており、第２の尿素水供給弁から尿素水を供給したときに酸化機能を有する触媒から流出するＮＯXおよびアンモニアをＮＯXセンサにより検出してＮＯXセンサの検出値から尿素水の濃度を検出するようにしている。
【発明の効果】
【０００５】
ＮＯXセンサを用いた廉価な方法でもって尿素水の濃度を検出することができ、従って廉価な方法でもって尿素水の異常を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。
図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドを夫々示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結され、コンプレッサ７ａの入口は吸入空気量検出器８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁１０が配置され、更に吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１１内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
【０００７】
一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結され、排気タービン７ｂの出口は酸化機能を有する触媒１２に連結される。図１の示される実施例ではこの酸化機能を有する触媒１２は酸化触媒からなる。酸化触媒１２の下流には酸化触媒１２に隣接して排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するためのパティキュレートフィルタ１３が配置され、このパティキュレートフィルタ１３の出口は排気管１４を介してＮＯX選択還元触媒１５の入口に連結される。このＮＯX選択還元触媒１５の出口には酸化機能を有する触媒１６が連結される。図１に示される実施例ではこの酸化機能を有する触媒１６は酸化触媒からなる。
【０００８】
ＮＯX選択還元触媒１５上流の排気管１４内にはＮＯX選択還元触媒１５に尿素水を供給するための第１の尿素水供給弁１７が配置され、この第１の尿素水供給弁１７は供給管１８、供給ポンプ１９を介して尿素水タンク２０に連結される。尿素水タンク２０内に貯蔵されている尿素水は供給ポンプ１９によって第１の尿素水供給弁１７から排気管１４内を流れる排気ガス中に噴射され、尿素から発生したアンモニア（（ＮＨ2）2ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→２ＮＨ3＋ＣＯ2）によって排気ガス中に含まれるＮＯXがＮＯX選択還元触媒１５において還元される。
【０００９】
また、図１に示されるように第１の尿素水供給弁１７に加え、酸化触媒１２の上流には第２の尿素水供給弁２１が設けられており、この第２の尿素水供給弁２１は供給管１８、供給ポンプ１９を介して尿素水タンク２０に連結されている。この第２の尿素水供給弁２１にも供給ポンプ１９によって尿素水タンク２０内の尿素水が供給され、この尿素水は第２の尿素水供給弁２１から酸化触媒１２に供給される。
【００１０】
一方、排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路２２を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２２内には電子制御式ＥＧＲ制御弁２３が配置される。また、ＥＧＲ通路２３周りにはＥＧＲ通路２３内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２４が配置される。図１の示される実施例では機関冷却水が冷却装置２４内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管２５を介してコモンレール２６に連結され、このコモンレール２６は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２７を介して燃料タンク２８に連結される。燃料タンク２８内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ２７によってコモンレール２６内に供給され、コモンレール２６内に供給された燃料は各燃料供給管２５を介して燃料噴射弁３に供給される。
【００１１】
電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。パティキュレートフィルタ１３下流の排気管１４内には第１のＮＯXセンサ４０が配置されており、酸化触媒１６の下流には第２のＮＯXセンサ４１が配置されている。また、図１に示される実施例では酸化触媒１２の温度を検出するために酸化触媒１２に温度センサ４２が取付けられている。
【００１２】
これら第１のＮＯXセンサ４０、第２のＮＯXセンサ４１、温度センサ４２および吸入空気量検出器８の出力信号は夫々対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、アクセルペダル４５にはアクセルペダル４５の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４６が接続され、負荷センサ４６の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４７が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０の駆動用ステップモータ、第１の尿素水供給弁１７、供給ポンプ１９、第２の尿素水供給弁２１、ＥＧＲ制御弁２３および燃料ポンプ２７に接続される。
【００１３】
酸化触媒１２は例えば白金のような貴金属触媒を担持しており、パティキュレートフィルタ１３も白金のような貴金属触媒からなる酸化触媒を担持している。従ってパティキュレートフィルタ１３は酸化機能を有する触媒であるとも言える。一方、ＮＯX選択還元触媒１５は低温で高いＮＯX浄化率を有するアンモニア吸着タイプのＦｅゼオライトから構成することもできるし、アンモニアの吸着機能がないチタニア・バナジウム系の触媒から構成することもできる。酸化触媒１６は例えば白金からなる貴金属触媒を担持しており、この酸化触媒１６はＮＯX選択還元触媒１５から漏出したアンモニアを酸化する作用をなす。
【００１４】
次に図２について説明すると、図２において実線ＮＯXは第１のＮＯXセンサ４０および第２のＮＯXセンサ４１の出力電圧Ｖと排気ガス中のＮＯX濃度との関係を示しており、実線ＮＨ3は第１のＮＯXセンサ４０および第２のＮＯXセンサ４１の出力電圧Ｖと排気ガス中のアンモニアＮＨ3の濃度との関係を示している。図２に示されるように各ＮＯXセンサ４０，４１の出力電圧Ｖは排気ガス中のＮＯX濃度およびアンモニア濃度に比例しており、従って各ＮＯXセンサ４０，４１は排気ガス中に含まれるＮＯXおよびアンモニアＮＨ3を共に検出していることがわかる。
【００１５】
さて、図１に示される実施例では排気ガス中に含まれるＮＯXは第１の尿素水供給弁１７からＦ1で示されるようにＮＯX選択還元触媒１５に向けて噴射された尿素水によりＮＯX選択還元触媒１５において還元される。このとき尿素水から生成されたアンモニアＮＨ3の一部がＮＯX選択還元触媒１５をすり抜けたとしてもこのすり抜けたアンモニアＮＨ3は酸化触媒１６において酸化される。これに対し、排気ガス中に含まれるＮＯXの一部がＮＯX選択還元触媒１５をすり抜けるとこのＮＯXは酸化触媒１６もすり抜ける。このときＮＯX選択還元触媒１５をすり抜けたＮＯXの量は第２のＮＯXセンサ４１により検出される。
【００１６】
ところで機関の運転状態が定まると機関から排出されるＮＯX量、正確に言うと機関から単位時間当り排出されるＮＯX量が定まり、従ってＮＯX選択還元触媒１５に単位時間当り流入するＮＯX量が定まる。これに対し、第２のＮＯXセンサ４１により検出されたＮＯX濃度に単位時間当りの排気ガス量、即ち単位時間当りの吸入空気量を乗算するとこの乗算結果はＮＯX選択還元触媒１５から浄化されることなく単位時間当り排出されるＮＯX量となる。従って第２のＮＯXセンサ４１によりＮＯX選択還元触媒１５によるＮＯX浄化率を検出できることになる。
【００１７】
さて、本発明による実施例では使用すべき正規の尿素水が予め定められており、この正規の尿素水の濃度は例えば３２．５％の一定値とされている。一方、上述した如く機関の運転状態が定まると機関から排出されるＮＯX量は定まり、第１の尿素水供給弁１７からは機関から排出されるＮＯXを還元するのに必要な量の尿素水、即ち機関から排出されるＮＯX量に対して当量比＝１となる量の尿素水が供給される。このとき、正規の尿素水が使用され、ＮＯX量に対して当量比＝１となる量の尿素水が供給され、ＮＯX選択還元触媒１５が劣化していない限り、ＮＯX選択還元触媒１５によるＮＯX浄化率は一定値、例えば９０％となる。
【００１８】
このような状態で例えば正規の尿素水が使用されず、正規の尿素水よりも濃度の低い尿素水が使用され、このとき正規の尿素水の供給時と同じ量の尿素水が供給されたとすると第２のＮＯXセンサ４１により検出されるＮＯX浄化率が低下する。ところがＮＯX選択還元触媒１５が劣化したときにも第２のＮＯXセンサ４１により検出されるＮＯX浄化率が低下する。従って第２のＮＯXセンサ４１により検出されるＮＯX浄化率が低下したからと言ってただちに尿素水の濃度が低下したと判断することができない。
【００１９】
そこで本発明では尿素水の濃度を正確に検出するために、機関排気通路内に酸化機能を有する触媒、例えば酸化触媒１２を配置すると共に、ＮＯX選択還元触媒１５に尿素水を供給するための第１の尿素水供給弁１７に加え、この酸化機能を有する触媒１２に尿素水を供給するための第２の尿素水供給弁２１を具備しており、第２の尿素水供給弁２１から尿素水を供給したときに酸化機能を有する触媒１２から流出するＮＯXおよびアンモニアを第１のＮＯXセンサ４０により検出してこの第１のＮＯXセンサ４０の検出値から尿素水の濃度を検出するようにしている。
【００２０】
なお、図１に示される実施例では酸化機能を有する触媒、即ち酸化触媒１２およびパティキュレートフィルタ１３がＮＯX選択還元触媒１５の上流に配置されており、第１のＮＯXセンサ４０がこれら酸化機能を有する触媒１２，１３とＮＯX選択還元触媒１５との間に配置されている。また、第２の尿素水供給弁２１からはＦ2で示されるように酸化触媒１２に向けて尿素水が噴射される。
【００２１】
第２の尿素水供給弁２１から噴射された尿素水は酸化触媒１２において酸化されてアンモニアＮＨ3又はＮＯXとなり、これらアンモニアＮＨ3およびＮＯXの濃度が第１のＮＯXセンサ４０により検出される。この場合、機関から排出される排気ガス中にはＮＯXが含まれているので第１のＮＯXセンサ４０により検出されたアンモニアＮＨ3およびＮＯXの濃度の増大分が供給された尿素水によるものである。
【００２２】
このアンモニアＮＨ3およびＮＯXの濃度の増大分に単位時間当りの排気ガス量、即ち吸入空気量を乗算すると単位時間当り増大したアンモニアＮＨ3およびＮＯX量となり、この単位時間当り増大したアンモニアＮＨ3およびＮＯX量を積算するとこの積算値は供給された尿素水中に含まれている尿素量を表している。従ってこの積算値と尿素水の供給量から尿素水の濃度を算出できることになる。
【００２３】
ところで酸化触媒１２の温度が高いとき、例えば３００℃以上のときには上述した如く供給された尿素水はアンモニアＮＨ3又はＮＯXに酸化されるが、酸化触媒１２の温度が低いとき、例えば２００℃前後のときには生成されたアンモニアＮＨ3によりＮＯXが選択還元されてＮ2Ｏが生成される。しかしながらこのＮ2ＯはＮＯXセンサ４０，４１では検出することができず、従ってこのようなＮ2Ｏが生成されると第１のＮＯXセンサ４０の検出値から尿素水の濃度を正確に検出しえなくなる。
【００２４】
そこで本発明による一実施例では酸化機能を有する触媒、例えば酸化触媒１２の温度が、第２の尿素水供給弁２１から供給された尿素水を第１のＮＯXセンサ４０では検出しえない成分、例えばＮ2Ｏに変化させる温度領域にあるとき、例えば３００℃以下のときには尿素水の濃度の検出を禁止するようにしている。
【００２５】
図３に尿素水濃度の検出方法の一例を示す。この尿素水濃度の検出は機関の運転が開始されてから終了するまでの間において検出条件が成立したときに例えば一回だけ行われる。図３に示されるように検出条件が成立すると、例えば温度センサ４２により検出された酸化触媒１２の温度が３００℃よりも高くなると第１のＮＯXセンサ４０の出力電圧Ｖが基準値Ｖbとして読込まれる。基準値Ｖbが読込まれると図３に示されるように第２の尿素水供給弁２１から尿素水が噴射される。
【００２６】
第２の尿素水供給弁２１から尿素水が噴射されると第１のＮＯXセンサ４０の出力電圧Ｖは図３においてＶsで示されるように変化し、このとき図３においてＶbとＶsとで囲まれたハッチングで示す領域の面積が尿素水中に含まれる尿素量を表わしている。従って図３に示される例では図３のハッチングで示される領域の面積を求めるために検出条件が成立するとその後一定期間ＴＸが経過するまでの間、ＶsとＶbとの差が積算される。
【００２７】
図４は図３に示される例を実行するための尿素水濃度の検出ルーチンを示している。
図４を参照するとまず初めにステップ５０において検出条件が成立しているか否かが判別される。検出条件が成立したときにはステップ５１に進んで第１のＮＯXセンサ４０の出力電圧Ｖが取込まれ、ステップ５２においてこの出力電圧Ｖが基準値Ｖbとされる。次いでステップ５３では尿素水供給量Ｑと図３に示される一定期間ＴＸが取込まれる。次いでステップ５４では第２の尿素水供給弁２１から尿素水が量Ｑだけ噴射される。
【００２８】
次いでステップ５５では一定期間ＴＸが経過したか否かが判別される。一定期間ＴＸが経過していないときはステップ５６に進んで第１のＮＯXセンサ４０の出力電圧Ｖが取込まれ、次いでステップ５７においてこの出力電圧ＶがＶsとされる。次いでステップ５８ではＶsと基準値Ｖbとの差（Ｖs−Ｖb）が積算値ΣＶに加算される。次いでステップ５９では出力電圧Ｖの取込み間隔を表す予め定められた一定時間Δｔが経過するまで待ち、ステップ５５に戻る。ステップ５５において一定期間ＴＸが経過したと判断されたときにはステップ６０において積算値ΣＶに定数Ｃを乗算することによって尿素水中の尿素量ＤＤ（＝Ｃ・ΣＶ）が算出される。次いでステップ６１では尿素水供給量Ｑと尿素量ＤＤから尿素水の濃度が算出される。
【００２９】
図５に図１の変形例を示す。図５に示される変形例では、酸化機能を有する触媒が酸化触媒を担持したパティキュレートフィルタ１３と、パティキュレートフィルタ１３の上流に配置された酸化触媒１２からなり、第２の尿素水供給弁２１からパティキュレートフィルタ１３の尿素水が供給される。また、この変形例では温度センサ４２がパティキュレートフィルタ１３に取付けられる。この変形例では検出条件が成立したとき、例えばパティキュレートフィルタ１３の温度が３００℃以上になったときに第２の尿素水供給弁２１から尿素水が供給される。
【００３０】
図６（Ａ）に別の実施例を示す。図６（Ａ）に示される実施例では第２の尿素水供給弁２１および酸化機能を有する触媒、例えば酸化触媒１６がＮＯX選択還元触媒１５の下流に配置されている。更にこの実施例では温度センサ４２が酸化触媒１６に取付けられており、また酸化触媒１６の下流にＮＯXセンサ４０が一つだけ設けられている。図６（Ｂ）は図６（Ａ）に示される実施例の変形例を示しており、図６（Ｂ）に示される変形例ではパティキュレートフィルタ１３が酸化触媒１６の下流に配置されている。
【００３１】
図６（Ａ）に示される実施例および図６（Ｂ）に示される変形例では検出条件が成立したとき、例えば酸化触媒１６の温度が３００℃を越えたときに第２の尿素水供給弁２１から尿素水が供給され、この尿素水は酸化触媒１６においてアンモニアＮＨ3又はＮＯXに酸化される。このときこのアンモニアＮＨ3又はＮＯXの濃度はＮＯXセンサ４０により検出され、このＮＯXセンサ４０の検出値から尿素水の濃度が検出される。
【００３２】
ところで図６（Ａ）および（Ｂ）に示される例ではＮＯX選択還元触媒１５においてＮＯXの除去された排気ガスが酸化触媒１６に送り込まれる。従ってこれらの例では尿素水の濃度の算出時に基準値Ｖbの検出誤差の影響を受けなくなり、従って尿素水の濃度の検出精度を高めることができるという利点がある。また、図６（Ａ）および（Ｂ）に示される例では一つのＮＯXセンサ４０によって尿素水の濃度に加え、ＮＯX浄化率を検出することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】圧縮着火式内燃機関の全体図である。
【図２】ＮＯXセンサの出力電圧Ｖを示す図である。
【図３】尿素水の濃度の検出方法を説明するためのタイムチャートである。
【図４】尿素水の濃度を検出するためのフローチャートである。
【図５】図１の一部について別の実施例を示す図である。
【図６】図１の一部について更に別の実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
４    吸気マニホルド
５    排気マニホルド
１２，１６    酸化触媒
１３    パティキュレートフィルタ
１５    ＮＯX選択還元触媒
１７    第１の尿素水供給弁
２１    第２の尿素水供給弁
４１，４１    ＮＯXセンサ
【図１】
2009167940.tif 000003
【図２】
2009167940.tif 000004
【図３】
2009167940.tif 000005
【図４】
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【図５】
2009167940.tif 000007
【図６】
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