JP4894765B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気浄化装置に関する。

従来から内燃機関、例えばディーゼル機関等の排気中のＮＯｘを浄化するために、排気系にＮＯｘ吸蔵触媒を配し、定期的なリッチ運転などによりＮＯｘ吸蔵触媒へ還元剤を供給することにより、リーン運転期間中に吸蔵したＮＯｘを放出又は還元する排気浄化装置が知られている。

そして、このような排気浄化装置の内、ＮＯｘ吸蔵触媒に還元剤を供給する方法として、内燃機関の筒内でのリッチ燃焼に因らず、内燃機関の排気ポートからＮＯｘ吸蔵触媒の入口までの排気管中に排気管インジェクタを有する還元剤供給手段を配して還元剤（例えば、燃料等）を供給する排気浄化装置が知られている。

また、上述した排気管インジェクタを有する排気浄化装置における排気管インジェクタの異常を判定する技術として、ＮＯｘ吸蔵触媒の下流に排気管中の酸素濃度に相関した出力が得られるセンサ（例えば、Ｏ２センサ）等を配して、排気管インジェクタが正常なときのセンサ出力値から所定値以上の偏差が生じる場合に排気管インジェクタの目詰まり等による異常として検出する異常検出装置を有する排気浄化装置が知られている。このような従来の排気浄化装置の一例が下記特許文献１に開示されている。

特開２００２−８９３２７号公報

上述した従来の排気浄化装置において、排気管インジェクタは排気管に形成した排気管インジェクタの取付部に設置されるが、この取付部近傍にはデポジットの堆積が生じる場合がある。これは例えば、排気管インジェクタから噴射された還元剤の内、噴射空間を形成する壁面に付着した微量の還元剤が気化せずに排気中の粒子状物質（ＰＭ）を壁面に固定するバインダーとなることにより、デポジットの堆積が発生してしまうためである。

また、このデポジットの堆積は、還元剤の噴射形状が噴射空間を形成する壁面に直接に接することがなくても、還元剤噴射時に生じる負圧により還元剤噴射方向とは逆方向に巻き込まれる還元剤が噴射空間を形成する壁面に付着することによっても発生する虞がある。

図４は、排気管インジェクタにより還元剤が噴射される噴射空間を形成する壁面にデポジットが堆積する様子を示した図である。図４（ａ）に示すように、噴射空間５１のような狭小な空間において排気管インジェクタ５０から噴射した還元剤５２によって図４（ａ）中に矢印Ｒで示すように高速の流れが作られると、その閉空間内の気体も図４（ａ）中に矢印Ｂで示すような粘性により引かれて図４（ａ）中に破線で示す位置に負圧が生じ、この負圧に貫徹力の弱い飛散した還元剤５２が図４（ａ）中に矢印Ｃで示すように引き寄せられると、図４（ｂ）に示すように、噴射空間５１を形成する壁面に飛散した還元剤５２が付着してデポジット５３として堆積してしまうためである。

しかしながら、上述した従来の排気浄化装置における異常検出方法では、排気管インジェクタの噴射流量低下を検出することにより、排気管インジェクタの目詰まり等の異常を検出することは可能であるが、排気管に形成した排気管インジェクタの取付部近傍にデポジットの堆積が生じる場合の異常を検出、判別することは困難である。

また、排気管インジェクタの噴射流量低下時と排気管インジェクタの取付部近傍へのデポジットの堆積時とでは修理対応方法が異なるが、従来の排気浄化装置における異常検出方法では、目詰まり等の排気管インジェクタ異常（噴射流量低下）と排気管インジェクタの取付部近傍へのデポジットの堆積による異常とを判別することがでないため、効率よく修理を行うことができない。

以上のことから、本発明は、排気管インジェクタの取付部近傍へのデポジットの堆積による異常を検出することが可能な排気浄化装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための第１の発明に係る排気浄化装置は、内燃機関の気筒の排気ポートに接続され該気筒内から排出された排気を導出する排気管と、該排気管に設置され排気ガスを浄化する浄化手段と、前記浄化手段の上流に配置され該触媒に添加剤を供給する添加剤供給手段と、該添加剤供給手段から添加剤が噴射される噴射空間を有し該添加剤供給手段が取り付けられる取付部と、前記浄化手段の下流に配置され排気ガス中の成分を検出する排気ガス濃度検出手段と、前記添加剤供給手段の駆動開始時と駆動終了時の前記排気ガス濃度検出手段の変化に応じて該添加剤供給手段近傍の前記取付部の内壁面にデポジットが堆積する異常を判定するデポジット堆積判定手段とを備えることを特徴とする。

上記の課題を解決するための第２の発明に係る排気浄化装置は、第１の発明に係る排気浄化装置において、前記内燃機関の制御目標排気ガス濃度を算出し、前記排気ガス濃度検出手段により検出した検出排気ガス濃度が前記制御目標排気ガス濃度に近づくよう前記内燃機関を制御する制御手段を備え、前記デポジット堆積判定手段は、前記添加剤供給手段駆動開始から所定時間が経過した時点において前記検出排気ガス濃度と前記制御目標排気ガス濃度との差が所定値を上回り、かつ、前記添加剤供給手段駆動終了から所定時間が経過した時点において前記制御目標排気ガス濃度と前記検出排気ガス濃度との差が所定値を上回ったとき、前記添加剤供給手段近傍の前記取付部の内壁面にデポジットが堆積する異常が発生したものと判定することを特徴とする。

上記の課題を解決するための第３の発明に係る排気浄化装置は、第１の発明又は第２の発明に係る排気浄化装置において、所定期間内に前記還元剤供給手段駆動開始から所定時間が経過した時点において前記検出排気ガス濃度と前記制御目標排気ガス濃度との差が所定値を上回り、かつ、所定期間内に前記添加剤供給手段駆動終了から所定時間が経過した時点において前記制御目標排気ガス濃度と前記検出排気ガス濃度との差が所定値を上回らなかったとき、前記添加剤供給手段に噴射流量が低下する異常が発生したものと判定する噴射流量低下判定手段をさらに備えることを特徴とする。

上記の課題を解決するための第４の発明に係る排気浄化装置は、第１の発明に係る排気浄化装置において、前記内燃機関の制御目標排気ガス濃度を算出し、前記排気ガス濃度検出手段により検出した検出排気ガス濃度が前記制御目標排気ガス濃度に近づくよう前記内燃機関を制御する制御手段を備え、前記デポジット堆積判定手段は、少なくとも前記添加剤供給手段駆動終了から所定時間が経過した時点において前記制御目標排気ガス濃度と前記検出排気ガス濃度との差が所定値を上回ったとき、前記添加剤供給手段近傍の前記取付部の内壁面にデポジットが堆積する異常が発生したものと判定することを特徴とする。

本発明によれば、排気管インジェクタ近傍の取付部の内壁面へのデポジットの堆積による異常を判定することが可能である。

以下、本発明に係る排気浄化装置の一実施形態について図１〜図３を用いて説明する。ここで、図１は本発明の一実施形態に係る排気浄化装置における異常判定方法の動作フローを示した図、図２は正常時、デポジット堆積時及び目詰まり時の還元剤供給手段（添加剤供給手段）駆動開始及び終了後における検出Ａ／Ｆの変化の様子を示した図、図３は本発明の一実施形態に係る排気浄化装置の装置構成を示した模式図である。

始めに、本発明の一実施形態に係る排気浄化装置の装置構成について説明する。図３（ａ）に示すように、内燃機関１における気筒の排気ポート２には、排気を導出する排気管３ａ，３ｂが接続されている。この排気管３ａ，３ｂの中間には、排気中のＮＯｘを吸蔵して排気を浄化する浄化手段としてＮＯｘ吸蔵触媒４が設置されている。

排気ポート２とＮＯｘ吸蔵触媒４との間の排気管３ａには、燃料等の還元剤（添加剤）を供給する排気管インジェクタ５が配置される。また、排気管インジェクタ５から還元剤が噴射される噴射空間を有する排気管インジェクタ５の取付部６が排気管３ａに突出して形成されている。そして、前記排気管インジェクタ５は取付部６に設置されている。

ＮＯｘ吸蔵触媒４の下流の排気管３ｂにはリニア特性で空燃比（以下、Ａ／Ｆという）を検出する排気ガス検出手段であるリニア空燃比センサ（以下、空燃比センサという）７が設置されている。なお、排気管インジェクタ５には還元剤を供給するポンプ等（図示省略）が取り付けられ、これら排気管インジェクタ５やポンプ等により還元剤供給手段が構成されている。

空燃比センサ７はＥＣＵ８（制御手段）と電気的に接続され、空燃比センサ７において検出したＡ／Ｆ（以下、検出Ａ／Ｆという）はＥＣＵ８に出力される。また、ＥＣＵ８には排気管インジェクタ５が電気的に接続され、ＥＣＵ８は検出Ａ／Ｆ等に基き、還元剤供給手段を駆動し、排気管インジェクタ５から還元剤を供給する。

なお、ＥＣＵ８は、中央演算処理装置やＲＡＭやＲＯＭ等を有し、種々の処理や記憶を行うことが可能である。そして、ＥＣＵ８は、内燃機関１の制御目標Ａ／Ｆを算出し、検出Ａ／Ｆを制御目標Ａ／Ｆに近づけるように制御している。このため、排気管インジェクタ５が正常に機能している場合には検出Ａ／Ｆと制御目標Ａ／Ｆとは近い値となっている。

また、上述した排気浄化装置の装置構成の他にも、図３（ｂ）に示すように、排気管１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄに排気ポート２側から順にディーゼル用酸化触媒（以下、酸化触媒という）又はＮＯｘ吸蔵触媒１１、ＮＯｘ吸蔵触媒１２、ディーゼルパティキュレートフィルター１３を設置する場合、酸化触媒又はＮＯｘ吸蔵触媒１１とＮＯｘ吸蔵触媒１２との間の排気管１０ｂ、ＮＯｘ吸蔵触媒１２とパティキュレートフィルタ１３との間の排気管１０ｃ、パティキュレートフィルタ１３の下流の排気管１０ｄの内、一箇所又は複数箇所に空燃比センサ１４，１５，１６を設置する構成とすることも可能である。

次に、本発明に係る排気浄化装置における異常判定方法の原理について説明する。
図２に示すように、排気管インジェクタ５に目詰まり等の噴射流量が低下する異常が発生した場合、排気管インジェクタ５が正常に機能している正常時よりも単位時間当たりの噴射流量が低下してしまう。

このため、排気管インジェクタ５に目詰まり等の噴射流量が低下する異常が発生した場合、図２中に実線で示す正常時に比べ、図２中に一点鎖線で示すように還元剤供給手段の駆動開始Ｓ後、速やかにリッチ化するものの正常時の検出Ａ／Ｆまではリッチ化せず、還元剤供給手段の駆動終了Ｅ後、速やかに正常時の値までリーン化する。

これに対し、排気管インジェクタ５近傍の取付部６の内壁面にデポジットの堆積が生じる異常の場合、正常時と単位時間当たりの噴射流量は同じではあるが、噴射した還元剤がデポジットに付着、流下するなどして還元剤が排気中に適切に噴射されなくなってしまう。

このため、図２中に実線で示す正常時に比べ、図２中に破線で示すように還元剤供給手段の駆動開始Ｓ後、リッチ化するものの正常時の検出Ａ／Ｆまでリッチ化せず、還元剤供給手段の駆動終了Ｅ後、速やかにリーン化することなく、正常時の検出Ａ／Ｆまでリーン化するのに時間がかってしまう。

このように、排気管インジェクタ５に目詰まり等の噴射流量が低下する異常が発生した場合と、排気管インジェクタ５近傍の取付部６の内壁面にデポジットの堆積が生じる異常の場合とでは、上述したように検出Ａ／Ｆのとる値が異なる。このため、この差異に着目することで排気管インジェクタ５に目詰まり等の噴射流量が低下する異常と排気管インジェクタ５近傍の取付部６の内壁面にデポジットの堆積が生じる異常とを判別することが可能となる。なお、正常時の検出Ａ／ＦはＥＣＵ８による制御目標Ａ／Ｆと近い値となり、後述する実際の異常判定処理時には上述した正常時の検出Ａ／Ｆに替え、制御目標Ａ／Ｆを用いて異常判定処理を行う。

次に、本発明の一実施形態に係る排気浄化装置における異常判定方法の動作フローについて説明する。
図１に示すように、異常判定処理の開始後、ステップＳ１において、ＥＣＵ８は、還元剤供給手段を駆動する。ＥＣＵ８は、ステップＳ１を実行後、ステップＳ２を実行する。

ステップＳ２において、ＥＣＵ８は、図２中に示した還元剤供給手段の駆動開始時Ｓから所定時間Ｔが経過した時点において、検出Ａ／Ｆと制御目標Ａ／Ｆとの差をΔＡ／Ｆ（Ｓ＋Ｔ）としたときに、「ΔＡ／Ｆ（Ｓ＋Ｔ）＞所定値Ｘ」の状態が所定回数Ｎ回（Ｎ≧１）成立したかどうか判断する（この条件を条件Ａとする）。なお、条件Ａは、「ΔＡ／Ｆ（Ｓ＋Ｔ）＞所定値Ｘ」が過去に所定回数Ｎ回成立したかにより判断してもよいし、所定回数Ｎ回に亘り連続して成立したかにより判断してもよいし、所定の期間内に所定回数Ｎ回成立したかにより判断してもよい。

ＥＣＵ８は、条件Ａが成立した場合、ステップＳ３を実行する。また、ＥＣＵ８は、条件Ａが成立しなかった場合、異常判定処理を終了する。なお、所定時間Ｔ及び所定値Ｘは内燃機関１の種類等によって適切な値が異なるため、内燃機関１の種類等に応じて適宜設定するようにする。また、所定回数Ｎの回数を増やすことにより、異常判定の精度を高め、誤判定を防止することもできる。

ステップＳ３において、ＥＣＵ８は、図２中に示した還元剤供給手段の駆動終了時Ｅから所定時間ｔが経過した時点において、制御目標Ａ／Ｆと検出Ａ／Ｆとの差をΔＡ／Ｆ（Ｅ＋ｔ）としたときに、「ΔＡ／Ｆ（Ｅ＋ｔ）＞所定値Ｙ」の状態が所定回数Ｎ回（Ｎ≧１）成立したかどうか判断する（この条件を条件Ｂとする）。なお、条件Ｂは、「ΔＡ／Ｆ（Ｅ＋ｔ）＞所定値Ｘ」が過去に所定回数Ｎ回成立したかにより判断してもよいし、所定回数Ｎ回に亘り連続して成立したかにより判断してもよいし、所定の期間内に所定回数Ｎ回成立したかにより判断してもよい。

ＥＣＵ８は、条件Ｂが成立した場合、ステップＳ４を実行する。また、ＥＣＵ８は、条件Ｂが成立しなかった場合、ステップＳ５を実行する。なお、所定時間ｔ及び所定値Ｙは内燃機関１の種類等によって適切な値が異なるため、内燃機関１の種類等に応じて適宜設定するようにする。また、所定回数Ｎの数値を増やすことにより、異常判定の精度を高め、誤判定を防止することもできる。

ステップＳ４において、ＥＣＵ８は、排気管インジェクタ５近傍の取付部６の内壁面にデポジットの堆積が生じる異常が発生したことを運転者等に警告する。この警告は、例えばインストルメントパネルにインジケータ等を設け、このインジケータを点灯させることにより行う。

また、ＥＣＵ８は、排気管インジェクタ５近傍の取付部６の内壁面にデポジットの堆積が生じる異常が発生した時刻等の情報を記憶する。このように、異常が発生した時刻等の情報を記憶しておくことにより、修理時に的確に効率よく修理を行うことができる。ＥＣＵ８は、ステップＳ４を実行後、異常判定処理を終了する。

ステップＳ５において、ＥＣＵ８は、排気管インジェクタ５に目詰まり等の噴射流量が低下する異常が発生したことを運転者等に警告する。この警告は、例えばインストルメントパネルにインジケータ等を設け、このインジケータを点灯させることにより行う。

また、ＥＣＵ８は、排気管インジェクタ５に目詰まり等の噴射流量が低下する異常が発生した時刻等の情報を記憶する。このように、異常が発生した時刻等の情報を記憶しておくことにより、修理時に的確に効率よく修理を行うことができる。ＥＣＵ８は、ステップＳ５を実行後、異常判定処理を終了する。

以上のように、本発明に係る排気浄化装置によれば、排気管インジェクタ５近傍の取付部６の内壁面へのデポジットの堆積による異常を判定することが可能である。また、目詰まり等の噴射流量が低下する異常と排気管インジェクタ５近傍の取付部６の内壁面へのデポジットの堆積が生じる異常とを判別することが可能である。

なお、上記実施形態では、添加剤として燃料を用いて説明したが、触媒に供給するものであれば燃料に限らず、尿素やアンモニア等の還元剤や空気等の二次エアでもよい。
また、上記実施形態では、浄化手段としてＮＯｘ吸蔵触媒で説明したが、浄化手段としては、三元触媒や酸化触媒、またはパティキュレートフィルタ等、添加剤が供給されるものであればよい。
また、上記実施形態では、排気ガス検出手段として空燃比センサで説明したが、排気ガス検出手段としては、添加剤に応じてＮＯｘセンサやＮＨ３センサでもよい。

本発明は、例えば内燃機関、特にディーゼルエンジンに設置される排気浄化装置の異常判定に利用することが可能である。

本発明の一実施形態に係る排気浄化装置における異常判定方法の動作フローを示した図である。 正常時、デポジット堆積時及び目詰まり時の還元剤供給手段駆動開始及び終了後における検出Ａ／Ｆの変化の様子を示した図である。 本発明の一実施形態に係る排気浄化装置の装置構成を示した模式図である。 排気管インジェクタにより還元剤が噴射される噴射空間を形成する壁面にデポジットが堆積する様子を示した図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 排気ポート
３ａ，３ｂ 排気管
４ ＮＯｘ吸蔵触媒
５ 排気管インジェクタ
６ 排気管インジェクタ取付部
７ 空燃比センサ
８ ＥＣＵ
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ 排気管
１１ 酸化触媒又はＮＯｘ吸蔵触媒
１２ ＮＯｘ吸蔵触媒
１３ パティキュレートフィルタ
１４，１５，１６ 空燃比センサ

Claims (4)

1. 内燃機関の気筒の排気ポートに接続され該気筒内から排出された排気を導出する排気管と、
   該排気管に設置され排気ガスを浄化する浄化手段と、
   前記浄化手段の上流に配置され該触媒に添加剤を供給する添加剤供給手段と、
   該添加剤供給手段から添加剤が噴射される噴射空間を有し該添加剤供給手段が取り付けられる取付部と、
   前記浄化手段の下流に配置され排気ガス中の成分を検出する排気ガス濃度検出手段と、
   前記添加剤供給手段の駆動開始時と駆動終了時の前記排気ガス濃度検出手段の変化に応じて該添加剤供給手段近傍の前記取付部の内壁面にデポジットが堆積する異常を判定するデポジット堆積判定手段と
   を備える
   ことを特徴とする排気浄化装置。
2. 前記内燃機関の制御目標排気ガス濃度を算出し、前記排気ガス濃度検出手段により検出した検出排気ガス濃度が前記制御目標排気ガス濃度に近づくよう前記内燃機関を制御する制御手段を備え、
   前記デポジット堆積判定手段は、
   前記添加剤供給手段駆動開始から所定時間が経過した時点において前記検出排気ガス濃度と前記制御目標排気ガス濃度との差が所定値を上回り、
   かつ、前記添加剤供給手段駆動終了から所定時間が経過した時点において前記制御目標排気ガス濃度と前記検出排気ガス濃度との差が所定値を上回ったとき、
   前記添加剤供給手段近傍の前記取付部の内壁面にデポジットが堆積する異常が発生したものと判定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 所定期間内に前記還元剤供給手段駆動開始から所定時間が経過した時点において前記検出排気ガス濃度と前記制御目標排気ガス濃度との差が所定値を上回り、
   かつ、所定期間内に前記添加剤供給手段駆動終了から所定時間が経過した時点において前記制御目標排気ガス濃度と前記検出排気ガス濃度との差が所定値を上回らなかったとき、
   前記添加剤供給手段に噴射流量が低下する異常が発生したものと判定する噴射流量低下判定手段をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の排気浄化装置。
4. 前記内燃機関の制御目標排気ガス濃度を算出し、前記排気ガス濃度検出手段により検出した検出排気ガス濃度が前記制御目標排気ガス濃度に近づくよう前記内燃機関を制御する制御手段を備え、
   前記デポジット堆積判定手段は、
   少なくとも前記添加剤供給手段駆動終了から所定時間が経過した時点において前記制御目標排気ガス濃度と前記検出排気ガス濃度との差が所定値を上回ったとき、
   前記添加剤供給手段近傍の前記取付部の内壁面にデポジットが堆積する異常が発生したものと判定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。

Images