CN102869863A - 发动机的排气净化装置 - Google Patents

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Abstract

由向SCR转化器的排气上游喷射的尿素水溶液的添加流量和排气温度，推定在位于比尿素水溶液的喷射地点靠排气下游的位置的排气系统中析出的每单位时间的尿素结晶的析出量，并且将其依次累计，由此推定堆积于排气系统的尿素结晶的堆积量。另外，根据排气温度推定从排气系统脱离的每单位时间的尿素结晶的脱离量，将其从尿素结晶的堆积量中依次减去，由此推定残留于排气系统的尿素结晶的堆积量。并且，当尿素结晶的堆积量为规定值以上时，判定为使堆积于排气系统的尿素结晶强制性地脱离的时期到来，使警告灯点亮，并且执行使得排气温度上升到比尿素结晶的脱离温度高的强制脱离处理。

Description

发动机的排气净化装置
技术领域
本发明涉及对发动机的排气所包含的氮氧化物(NOx)进行选择还原净化的排气净化装置。
背景技术
作为对发动机的排气所包含的NOx进行净化的排气净化系统，提出了特开2009-127472号公报(专利文献1)所记载的排气净化装置。该排气净化装置向配设于发动机的排气管中的选择性催化还原(SCR：Selective Catalytic Reduction)转化器的排气上游喷射与发动机运转状态相应的尿素水溶液，使用由水解生成的氨，在SCR转化器中使NOx进行选择还原反应，将其净化处理为无害成分。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特开2009-127472号公报
发明内容
发明要解决的问题
在这样的排气净化装置中，当排气温度低于尿素水溶液的水解温度的状态持续时，尿素水溶液的水解就变得不充分，在位于比其喷射地点靠排气下游的位置的排气管和SCR转化器等排气系统中会附着尿素水溶液的液滴。并且，在排气系统中附着了尿素水溶液的液滴的状态下，例如，当排气温度为溶剂(水)的沸点(约100℃)以上且低于溶质(尿素)的沸点(约135℃)时，就有如下可能：作为溶剂的水从尿素水溶液蒸发，尿素的结晶析出到排气系统。当尿素的结晶析出到排气系统时，排气流路的截面积就减小，因此会引起例如因排压上升而导致的输出和燃油效率的降低等。另外，当尿素水溶液的结晶析出到SCR转化器时，SCR转化器中的排气的接触面积就减小，因此NOx净化率会降低。
因此，本发明鉴于现有技术的问题，目的在于提供一种发动机的排气净化装置，该发动机的排气净化装置通过推定在位于比尿素水溶液的喷射地点靠排气下游的位置的排气系统中堆积的尿素结晶的堆积量，能把握例如执行尿素结晶的强制脱离处理的时期等。
用于解决问题的方案
因此，发动机的排气净化装置具有：SCR转化器，其配设于发动机的排气管，使用从尿素水溶液生成的氨对NOx进行选择还原净化；还原剂喷射装置，其向SCR转化器的排气上游喷射与发动机运转状态相应的流量的尿素水溶液；温度传感器，其检测还原剂喷射装置的排气上游的排气的温度；以及控制单元，其内置有计算机。并且，控制单元基于由温度传感器检测到的排气的温度和还原剂喷射装置喷射的尿素水溶液的流量，推定在位于比尿素水溶液的喷射地点靠排气下游的位置的排气系统中析出的每单位时间的尿素的析出量，基于由温度传感器检测到的排气的温度，推定从排气系统脱离的每单位时间的尿素结晶的脱离量，基于尿素结晶的每单位时间的析出量和脱离量，推定堆积于排气系统的尿素结晶的堆积量。
发明效果
能够推定在位于比尿素水溶液的喷射地点靠排气下游的位置的排气系统中堆积的尿素结晶的堆积量。
附图说明
图1是示出排气净化装置的一例的整体构成图。
图2是示出控制程序的一例的流程图。
图3是推定每单位时间的尿素结晶的析出量的析出量映射图的说明图。
图4是推定每单位时间的尿素结晶的脱离量的脱离量映射图的说明图。
具体实施方式
以下，参照附图，对用于实施本发明的实施方式进行详细说明。
图1示出排气净化装置的一例。
在连接到柴油发动机10的进气歧管12的进气管14中沿着进气流通方向按顺序配设有过滤进气中的尘埃等的空气滤清器16、使进气增压的涡轮增压器18的压缩机18A、冷却通过涡轮增压器18而成为高温的进气的中冷器20。
另一方面，在连接到柴油发动机10的排气歧管22的排气管24中沿着排气流通方向按顺序配设有涡轮增压器18的涡轮18B、连续再生式的柴油机微粒过滤器(DPF；Diesel Particulate Filter)装置26、喷射尿素水溶液的还原剂喷射装置28、使用由水解从尿素水溶液生成的氨对NOx进行选择还原净化的SCR转化器30、以及使通过SCR转化器30的氨氧化的氧化催化转化器32。连续再生式DPF装置26至少包含使一氧化氮(NO)向二氧化氮(NO2)氧化的柴油氧化催化(DOC；Diesel Oxidation Catalyst)转化器26A和捕集/除去排气中的颗粒状物质(PM；Particulate Matter)的DPF26B而构成。此外，也能取代DPF26B而使用在其表面担载有催化剂(活性成分和添加成分)的CSF(Catalyzed Soot Filter：催化烟尘过滤器)。还原剂喷射装置28具有储藏尿素水溶液的罐、从罐中吸起并压送尿素水溶液的泵、控制尿素水溶液的喷射流量的流量控制阀、向排气管24喷射尿素水溶液的喷嘴等，但未详细地图示出。
另外，在柴油发动机10中安装有排气再循环(EGR；Exhaust GasRecirculation)装置34，排气再循环装置34通过将排气的一部分导入到进气使其再循环，由此利用燃烧温度的降低使NOx减少。EGR装置34具有：EGR管34A，其用于将流过排气管24的排气的一部分向进气管14导入；EGR冷却器34B，其冷却流过EGR管34A的排气；以及EGR控制阀34C，其用于控制向进气管14导入的排气的EGR率。
作为排气净化装置的控制系统，在连续再生式DPF装置26的DPF26B与还原剂喷射装置28之间安装有温度传感器36，温度传感器36检测还原剂喷射装置28的排气上游中的排气的温度(排气温度)T。温度传感器36的输出信号被输入到内置有计算机的控制单元38。另外，作为柴油发动机10的运转状态的一例，检测旋转速度Ne的旋转速度传感器40和检测负荷Q的负荷传感器42的输出信号也被输入到控制单元38。在此，作为柴油发动机10的负荷Q，例如，能应用例如燃料供应量、进气流量、进气压力、增压压力、油门开度、节流阀开度等与转矩密切关联的状态量。此外，可以使得柴油发动机10的旋转速度Ne和负荷Q通过CAN(Controller AreaNetwork：控制器局域网)等从对柴油发动机10进行电子控制的发动机控制单元(未图示)读入。
并且，控制单元38执行存储于ROM(Read Only Memory：只读存储器)等非易失性存储器的控制程序，由此基于温度传感器36、旋转速度传感器40以及负荷传感器42的各输出信号，判定在还原剂喷射装置28的排气下游，即在位于比尿素水溶液的喷射地点靠排气下游的位置的排气系统中，是否堆积了超出允许值的尿素结晶。另外，控制单元38当判定为在排气系统中堆积了超出允许值的尿素结晶时，为了使排气温度升温来使尿素结晶强制脱离，对安装于柴油发动机10的燃料喷射装置输出燃料增量指令，并且使附设于组合仪表的警告灯44(通知装置)点亮。在此，“排气系统”是指至少包含排气管24和SCR转化器30的系统。
图2示出以柴油发动机10起动为契机，控制单元38按每单位时间(例如1秒)反复执行的控制程序的内容。此外，控制单元38按照与图2所示的控制程序不同的控制程序，根据发动机运转状态等分别对还原剂喷射装置28和EGR控制阀34C进行电子控制。
在步骤1(在图中省略记载为“S1”。以下同样。)中，控制单元38运算与发动机运转状态相应的尿素水溶液的添加流量(每单位时间的喷射量)，即，控制单元38参照设定有与旋转速度和负荷对应的添加流量的映射图(未图示)，运算与由旋转速度传感器40检测到的旋转速度Ne和由负荷传感器42检测到的负荷Q对应的尿素水溶液的添加流量。此外，尿素水溶液的添加流量也可以从对还原剂喷射装置28进行电子控制的模块读入。
在步骤2中，控制单元38基于排气温度和尿素水溶液的添加流量，推定析出到排气系统的每单位时间的尿素结晶的析出量。即，如图3所示，控制单元38参照设定有与排气温度和添加流量对应的析出量的析出量映射图(第1映射图)，推定与由温度传感器36检测到的排气温度T及尿素水溶液的添加流量对应的尿素结晶的析出量。此外，与排气温度和添加流量对应的析出量通过例如模拟、实验等求出即可(以下同样)。
在步骤3中，控制单元38例如利用“堆积量＝堆积量+析出量”的公式，推定堆积于排气系统的尿素结晶的堆积量。
在步骤4中，控制单元38基于由温度传感器36检测到的排气温度T，推定从排气系统脱离的每单位时间的尿素结晶的脱离量。在此，“脱离”是指堆积于排气系统的尿素结晶通过溶解或者气化，从排气系统消失。即，如图4所示，控制单元38参照设定有与排气温度对应的脱离量的脱离量映射图(第2映射图)，推定与排气温度T对应的尿素结晶的脱离量。此外，在脱离量映射图中，在排气温度为尿素结晶的脱离温度T0以下的区域，设定为尿素结晶不能脱离的“0”。
在步骤5中，控制单元38例如利用“堆积量＝堆积量-脱离量”的公式，推定残留于排气系统的尿素结晶的堆积量。
在步骤6中，控制单元38判定尿素结晶的堆积量是否为规定值以上。在此，规定值是用于判定是否应执行堆积于排气系统的尿素结晶的强制脱离处理的阈值，例如，保持比排气系统所允许的尿素结晶的容许堆积量稍低的值。并且，控制单元38如果判定为尿素结晶的堆积量为规定值以上，则使处理向步骤7推进(是)，而如果判定为尿素结晶的堆积量小于规定值，则结束处理(否)。
在步骤7中，控制单元38为了通知堆积于排气系统的尿素结晶的强制脱离处理正在执行，使附设于组合仪表的警告灯44点亮。此外，可以取代警告灯44，而使作为通知装置的一例的蜂鸣器等进行动作。
在步骤8中，控制单元38为了通过使排气温度上升到比尿素结晶的脱离温度高来使堆积于排气系统的尿素结晶强制脱离，对安装于柴油发动机10的燃料喷射装置输出燃料供应量的增量指令。此外，为了使排气温度升高，也可以执行进气节流阀或者排气节流阀的开闭控制、可变涡轮增压器的叶片开度控制、后喷射等公知的强制脱离处理。
在这样的排气净化装置中，柴油发动机10的排气经由排气歧管22、涡轮增压器18的涡轮18B导入到连续再生式DPF装置26的DOC转化器26A。导入到DOC转化器26A的排气的一部分NO向NO2氧化并且流向DPF26B。在DPF26B中，排气中的PM被捕集/除去，并且使用由DOC转化器26A所生成的NO2氧化PM，由此同时进行PM的捕集/除去和再生。
另外，以与发动机运转状态相应的流量从还原剂喷射装置28喷射的尿素水溶液使用排气热和排气中的水蒸气而水解，向作为还原剂而执行功能的氨转化。已知如下情况：该氨在SCR转化器30中与排气中的NOx选择性地还原反应，向作为无害成分的水(H2O)和氮气(N2)净化。另一方面，利用配设于其排气下游的氧化催化转化器32使通过SCR转化器30的氨氧化，所以能抑制氨原样地被释放到大气中。
在这样的排气净化过程中，依次累计从尿素水溶液的添加流量和排气温度推定的尿素结晶的析出量，并且从该累计值依次减去与排气温度对应的尿素结晶的脱离量，由此能够推定在位于比尿素水溶液的喷射地点靠排气下游的位置的排气系统中堆积的尿素结晶的堆积量。此时，着眼于堆积于排气系统的尿素结晶在排气温度比尿素结晶的脱离温度高的区域中减少的特性，不仅考虑尿素结晶的析出量，而且也考虑其脱离量，由此能够使尿素结晶的堆积量的推定精度提高。并且，当尿素结晶的堆积量为规定值以上时，附设于组合仪表的警告灯44点亮，并且执行尿素结晶的强制脱离处理。
在此，在位于比尿素水溶液的喷射地点靠排气下游的位置的排气系统中堆积的尿素结晶的堆积量也可以由控制单元38在发动机停止时写入非易失性存储器，而在发动机起动时从非易失性存储器读出。这样的话，尿素结晶的堆积量不会由于发动机停止而重置，所以能继续使用在此之前所运算的值，能抑制尿素结晶的堆积量的推定精度降低。
另外，在修配厂等，考虑到进行SCR转化器30、氧化催化转化器32的检查/清扫等，也可以设置如下功能：响应来自外部的指示，强制性地重置尿素结晶的堆积量。而且，可以使得尿素结晶的强制脱离处理不是自动地，而是根据发现警告灯44点亮的司机等的指示而执行。
附图标记说明
10柴油机发动机
24排气管
28还原剂喷射装置
30SCR转化器
36温度传感器
38控制单元
40旋转速度传感器
42负荷传感器
44警告灯

Claims (9)

1.一种发动机的排气净化装置，其特征在于，
具有：
选择性催化还原转化器，其配设于发动机的排气管，使用从尿素水溶液生成的氨对氮氧化物进行选择还原净化；
还原剂喷射装置，其向上述选择性催化还原转化器的排气上游喷射与发动机运转状态相应的流量的尿素水溶液；
温度传感器，其检测上述还原剂喷射装置的排气上游的排气的温度；以及
控制单元，其内置有计算机，
上述控制单元基于由上述温度传感器检测到的排气的温度和上述还原剂喷射装置喷射的尿素水溶液的流量，推定在位于比上述尿素水溶液的喷射地点靠排气下游的位置的排气系统中析出的每单位时间的尿素结晶的析出量，
上述控制单元基于由上述温度传感器检测到的排气的温度，推定从上述排气系统脱离的每单位时间的尿素结晶的脱离量，
上述控制单元基于上述尿素结晶的每单位时间的析出量和脱离量，推定堆积于上述排气系统的尿素结晶的堆积量。
2.根据权利要求1所述的发动机的排气净化装置，其特征在于，
上述控制单元还在上述尿素结晶的堆积量为规定值以上时，判定为使堆积于上述排气系统的尿素结晶强制性地脱离的时期到来。
3.根据权利要求2所述的发动机的排气净化装置，其特征在于，
上述控制单元还在判定为使上述尿素结晶强制性地脱离的时期到来时使通知装置进行动作。
4.根据权利要求2所述的发动机的排气净化装置，其特征在于，
上述控制单元还在判定为使上述尿素结晶强制性地脱离的时期到来时执行使得流入到上述排气系统的排气的温度上升到比尿素结晶的脱离温度高的强制脱离处理。
5.根据权利要求1所述的发动机的排气净化装置，其特征在于，
上述控制单元还在发动机停止时将上述尿素结晶的堆积量写入非易失性存储器，而在发动机起动时从上述非易失性存储器读出尿素结晶的堆积量。
6.根据权利要求1所述的发动机的排气净化装置，其特征在于，
上述控制单元还响应来自外部的指示，强制性地重置上述尿素结晶的堆积量。
7.根据权利要求1所述的发动机的排气净化装置，其特征在于，
上述控制单元参照设定有与排气的温度及尿素水溶液的喷射流量对应的析出量的第1映射图，推定上述尿素结晶的析出量。
8.根据权利要求1所述的发动机的排气净化装置，其特征在于，
上述控制单元参照设定有与排气的温度对应的脱离量的第2映射图，推定上述尿素结晶的脱离量。
9.根据权利要求1所述的发动机的排气净化装置，其特征在于，
上述控制单元依次累计上述尿素结晶的每单位时间的析出量，并且从该累计值依次减去尿素结晶的每单位时间的脱离量，由此推定上述尿素结晶的蓄积量。
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