JP2011017250A

JP2011017250A - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2011017250A
Application number: JP2009160553A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Tsumagari; 一郎津曲
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2009-07-07
Filing date: 2009-07-07
Publication date: 2011-01-27

Abstract

【課題】簡単かつ安価な構成でありながら、排気に添加した還元剤が固体化して堆積し還元剤添加系を含む排気系に悪影響を及ぼす惧れを回避する。
【解決手段】本発明は、内燃機関（１）から排出される排気に対して還元剤添加手段（４、４Ａ）を介して還元剤（例えば尿素水）を添加して選択還元型触媒５により排気中の特定成分（例えばＮＯｘ）を選択的に還元する排気処理装置を備えた内燃機関の制御装置であって、還元剤添加手段（４、４Ａ）の排気上流側に加熱手段（１０）が配設され、当該加熱手段（１０）により、少なくともディーゼルパティキュレートフィルタ（３）の再生サイクルより短い所定サイクルで、還元剤添加手段（４、４Ａ）或いはその近傍を３６０°Ｃ以上に加熱して、還元剤に起因する析出物を除去することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関から排出され種々の排出物質を含む気体（排気）を処理する排気処理装置を備えた内燃機関の制御装置に関する。

燃焼装置からの排気を浄化して環境汚染の拡大を抑制することは重要な課題であるが、例えば、ディーゼル燃焼機関に関しては、排気中のＰＭ（パティキュレートマター：粒子状物質＝主に黒煙（スス）、ＳＯＦと称される燃え残った燃料や潤滑油の成分、サルフェートと称される軽油燃料中の硫黄分から生成される成分、その他の固体物質を含む）の大気への排出を抑えるために、例えば、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤｉｅｓｅｌＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＦｉｌｔｅｒ）やＣＳＦ（ＣａｔａｌｙｚｅｄＳｏｏｔＦｉｌｔｅｒ：触媒化フィルタ）を排気通路に介装し、排気をディーゼルパティキュレートフィルタやＣＳＦを通過させることで排気中のＰＭを捕集する一方、ディーゼルパティキュレートフィルタやＣＳＦを種々の方法により再生することが行われている。

また、例えば、排気に含まれるＮＯｘとＰＭの同時低減を実現するために、ディーゼルパティキュレートフィルタやＣＳＦを排気通路に介装すると共に、その下流側に、ＮＯｘ低減に有効な尿素ＳＣＲ（ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＣａｔａｌｙｔｉｃＲｅｄｕｃｔｉｏｎ）を介装することが提案されている。なお、尿素ＳＣＲとは、酸素共存下においても選択的にＮＯｘを還元剤と反応させることができる特性を備えた選択還元型ＮＯｘ触媒であって、毒性のない尿素水を排気に添加してアンモニアと炭酸ガスに熱分解し、この生成されたアンモニアを還元剤として用いて選択還元型ＮＯｘ触媒上で排気中のＮＯｘを還元して浄化しようとするものである。

このような尿素ＳＣＲを介装した排気処理装置においては、排気に尿素水を添加（噴射）供給するための尿素水添加装置が排気通路に介装されると共に、その下流側に尿素ＳＣＲが介装されるが、排気通路の温度状況（排気通路内壁の温度が例えば１３５°Ｃ以下となるような場合など）や尿素水の噴霧の状況などによっては、排気通路に付着した尿素水が固体成分として析出する惧れがあり、これが、例えば、尿素水添加装置を構成する尿素水噴射ノズルの噴孔付近や排気通路に堆積する惧れがあるため、尿素水添加系を含む排気系に悪影響を及ぼす惧れがある。

このようなことから、例えば、特許文献１には、尿素水が固体成分として析出しないように排気通路の下方から上方に向けて尿素水を噴射するようにしたシステムが記載されている。

また、例えば、特許文献２には、尿素の析出を抑制するために尿素水を均一に分散させて噴射するようにしたシステムが提案されている。

更に、例えば、特許文献３には、尿素の分解を助けるために、尿素が接触する部位に加水分解機能のある材料を塗布して、尿素の析出を抑制するようにしたシステムが記載されている。
特許第４１３７８８０７号公報特開２００７−０３２４７２号公報特開２００６−１６７５７６号公報

ところで、尿素ＳＣＲの活性化温度は約１６０°Ｃであるため、このような比較的低い温度から尿素水を排気に添加して排気中のＮＯｘを還元して浄化しようとすると、局所的に尿素が析出してしまう状況となる惧れが高く、特許文献１〜３に記載のシステムでは、十分であるとは言えないのが実情である。

また、ディーゼルパティキュレートフィルタの再生の際の再生熱により、析出し堆積した尿素を分解することはある程度期待できるが、再生インターバルが比較的長いため、尿素水噴射ノズルの噴孔付近や排気通路に堆積した固形物による排気中への尿素の均一な分配等への悪影響、延いてはＮＯｘ浄化特性への悪影響などを十分に抑制できるものではないのが実情である。

本発明は、かかる実情に鑑みなされたもので、簡単かつ安価な構成でありながら、排気に添加した還元剤（例えば尿素水）が固体化して堆積し還元剤添加系を含む排気系に悪影響を及ぼす惧れなどを確実に回避することができる選択還元型触媒を有する排気処理装置を備えた内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

このため、本発明に係る内燃機関の制御装置は、
内燃機関から排出される排気に対して還元剤添加手段を介して還元剤を添加して選択還元型触媒により排気中の特定成分を選択的に還元する排気処理装置を備えた内燃機関の制御装置であって、
前記還元剤添加手段の排気上流側に加熱手段が配設され、当該加熱手段により、少なくともディーゼルパティキュレートフィルタの再生サイクルより短い所定サイクルで、還元剤添加手段或いはその近傍を３６０°Ｃ以上に加熱して、還元剤に起因する析出物を除去することを特徴とする。

本発明は、前記加熱手段が、燃焼装置であることを特徴とすることができる。

本発明は、前記所定サイクルが、内燃機関の始動毎であることを特徴とすることができる。

本発明は、前記還元剤添加手段により添加された還元剤に起因する析出物の析出量を推定すると共に、前記加熱手段により除去された析出物の除去量を推定し、これらに基づいて、加熱手段による加熱状態を制御することを特徴とすることができる。

本発明によれば、簡単かつ安価な構成でありながら、排気に添加した還元剤（例えば尿素水）が固体化して堆積し還元剤添加系を含む排気系に悪影響を及ぼす惧れなどを確実に回避することができる選択還元型触媒を有する排気処理装置を備えた内燃機関の制御装置を提供することができる。

本発明の一実施の形態に係る排気処理装置を備えた内燃機関の構成例を示す図である。同上実施の形態において実行される析出物除去制御を説明するためのフローチャートである。図２のステップ１において実行される析出物の析出量の積算ルーチン（サブルーチン）を説明するフローチャートである。図２のステップ４において実行される析出物除去制御ルーチン（サブルーチン）を説明するフローチャートである。雰囲気温度（排気温度）と、尿素水に起因する析出物量と、の関係を示す図である。除去温度設定マップ（尿素水に起因する析出物量と、加熱手段の発熱量の目標値と、の関係を示すテーブル）の一例を示す図である。本発明に係る排気処理装置を備えた内燃機関の他の構成例を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態を、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

本発明の一実施の形態を、図１に基づいて説明する。
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る排気処理装置は、例えばディーゼル燃焼機関等の内燃機関１の排気通路２の最上流側の排気温度の比較的高い位置に再生効率等の観点よりディーゼルパティキュレートフィルタ３（酸化触媒付きのタイプであってもよい）を介装し、その下流側に尿素水添加装置４、尿素ＳＣＲ触媒５が介装されている。なお、尿素ＳＣＲ触媒５の排気下流側に、尿素ＳＣＲ触媒５からリークしてくる余剰のアンモニア（ＮＨ_３）を酸化処理するためのアンモニア酸化触媒６を介装することもできる。

前記尿素水添加装置４は、本発明に係る還元剤添加手段に相当するもので、図示しないエンジン制御ユニット（ＥＣＵ：ＥｎｇｉｎｅＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）からの信号に基づいて、排気に対して還元剤としての尿素水を所定のタイミングで噴射供給する尿素水噴射ノズル４Ａと、尿素水を貯留する尿素水タンク４Ｂと、当該尿素水タンク４Ｂに貯留されている尿素水を排気に対して噴射供給する前記尿素水噴射ノズル４Ａへ所定圧力をもって圧送供給する供給ポンプ４Ｃと、を含んで構成されている。

ここで、発明者等の知見によれば、図５に示すように、尿素水添加装置４を構成する尿素水噴射ノズル４Ａから排気に噴射添加した尿素水は、排気温度（雰囲気温度）が約１３５°Ｃ以下である場合には、ほとんどが尿素の固形物として析出してしまう特性がある。
また、図５に示したように、１３５°Ｃより高い温度状態であっても、３６０°Ｃより低い温度状態においては、噴射添加した尿素水は、シアヌル酸及び中間物（シアヌル酸が生成されるまでの中間生成物）として析出することが解明されている。
そして、図５に示したように、３６０°Ｃ以上となるような比較的高温な温度状態においては、噴射添加した尿素水に起因する析出物がほとんど確認されないことが実験等により確認された。

本発明は、かかる特性に着目して、図１に示すように、尿素水噴射ノズル４Ａより排気上流側に、加熱手段としてのバーナー１０を配設し、当該バーナー１０により発生される熱により、尿素水噴射ノズル４Ａ及びその近傍（排気通路２など）を、３６０°Ｃ以上に加熱することで、噴射添加した尿素水に起因する析出物が析出して尿素水噴射ノズル４Ａや排気通路２に堆積することによる悪影響、例えば、排気中への尿素の均一な分配等への悪影響、延いてはＮＯｘ浄化特性への悪影響などを抑制するようにする。

ここで、本実施の形態に係るエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）は、図２に示すようなフローチャートを実行して、析出物除去のためのバーナー１０の加熱制御（析出物除去制御）を実行する。

なお、本ルーチンは、内燃機関１の運転状態に拘わらず、キーオン（例えば冷間始動）後所定時間毎に実行可能である。

Ｓ（ステップ、以下同様）１では、前回当該制御を実行してから現在までの尿素水噴射ノズル４Ａからの尿素水の噴射量や噴射時間、排気温度、内燃機関１の負荷などの履歴等に基づいて、尿素水噴射ノズル４Ａから排気に対して噴射添加した尿素水に起因する析出物の析出量を積算する。

Ｓ２では、予め設定されている析出物の析出量の制限値を取得する。

Ｓ３では、Ｓ１で取得した析出物の析出量の積算値と、Ｓ２で取得した制限値と、を比較する。積算値＞制限値であればＳ４へ進み、Ｎｏであれば、未だ析出物除去制御を実行しなくて良いとして、本フローを終了する。

Ｓ４では、積算値＞制限値であり、噴射添加した尿素水に起因する析出物が析出して尿素水噴射ノズル４Ａや排気通路２に堆積することによる悪影響が生じる惧れが高いと判断して、図４のフローチャートに示すような析出物除去制御を実行する。そして、当該析出物除去制御の実行が終了したら、Ｓ５へ進む。

Ｓ５では、Ｓ４での析出物除去制御が終了したとして、積算値をリセットして、Ｓ６へ進む。

Ｓ６では、尿素水噴射装置４の尿素水添加制御の状態などに基づいて本ルーチンを終了するか否かを判断し、Ｎｏであれば、Ｓ１へ戻り、Ｙｅｓであれば、本フローを終了し次回ルーチンに備える。

次に、図２のフローチャートのＳ１において実行される析出物の析出量の積算ルーチンを、図３に示すフローチャート（サブルーチン）に従って説明する。なお、本ルーチンは、キーオン後所定時間毎に実行される。

Ｓ１１では、前回ルーチン実行時にＲＯＭ等に記憶した析出量の積算値を読み込む。

Ｓ１２では、前回ルーチン実行時に析出量の積算値がリセットされたか否かを判断する（例えば、前回ルーチン実行時に図２のＳ５でリセットされたか否かを判断する）。ＹＥＳであれば、Ｓ１３へ進み、積算値に０をセット（積算値＝０）した後、Ｓ１４へ進む。Ｎｏであれば、Ｓ１３をバイパスしてＳ１４へ進む。

Ｓ１４では、予め記憶してある尿素析出マップ等を参照して、現在までの析出量を求める。例えば、今回ルーチン実行中の尿素水の供給量（単位時間当たりの供給量、供給時間などから算出することもできる）、排気温度や触媒温度（尿素ＳＣＲ触媒５の触媒温度）などに基づいて設定されたテーブルをルックアップして、尿素水噴射ノズル４Ａ付近における尿素に起因する析出物の析出量を取得する。

Ｓ１５では、Ｓ１４で取得した析出量と、前回ルーチン終了時の積算値である前回値と、を合計して、積算値を求める（積算値＝前回値＋析出量）。

Ｓ１６では、Ｓ１５で取得した積算値を、新たな前回値としてセットして（前回値＝積算値として）、本フローを終了する。

次に、図２のフローチャートのＳ４において実行される析出物の除去制御ルーチンを、図４に示すフローチャート（サブルーチン）に従って説明する。

Ｓ２１では、尿素水噴射装置４の尿素水添加制御を停止する。尿素水噴射装置４が尿素水添加制御を実行中であれば、尿素水噴射装置４へ尿素水添加停止信号を送り、尿素水噴射ノズル４Ａからの尿素水の噴射供給を停止させる。

Ｓ２２では、析出物の積算量、ディーゼルパティキュレートフィルタ３の容量などに基づいて除去温度設定マップを参照し、バーナー１０で発生させる発熱量の目標値を設定する。例えば、当該バーナー１０により発生される熱により、尿素水噴射ノズル４Ａ及び排気通路２を、３６０°Ｃ以上に所定時間加熱することができるように、当該目標値は設定されることができる。
なお、除去温度設定マップは、例えば、図６のように設定することができ、当該マップにより取得された目標温度を達成できるようにバーナー１０の発熱量が設定されることになる。

Ｓ２３では、Ｓ２２で設定された発熱量を達成するようにバーナー１０を作動させる。

Ｓ２４では、予め記憶してある析出物分解マップを参照して、分解され除去された析出物の除去量を取得する。例えば、分解され除去（消失）された析出物の除去量は、今回ルーチン実行中における、実際の排気温度や触媒温度（尿素ＳＣＲ触媒５の触媒温度）或いはバーナー１０の発熱量、及びバーナー１０の運転時間などに基づいて予め設定されたテーブルをルックアップすることで取得することができる。

Ｓ２５では、前回ルーチン実行時の積算値から、Ｓ２４で取得した除去量を減算して、新たな積算値を求める（積算値＝前回積算値−除去量）。

Ｓ２６では、析出物の除去が完了したか否かを判断するための終了値を読み込む。

Ｓ２７では、Ｓ２５で取得した積算値と、Ｓ２６で取得した終了値と、を比較する。積算値＜終了値であればＳ２８へ進み、Ｎｏであれば、未だ析出物を所定に除去できていないとして、Ｓ２３へ戻り、析出物が所定に除去されるまで繰り返す。

Ｓ２８では、積算値＜終了値であり、噴射添加した尿素水に起因する析出物を所定に除去できたと判断して、バーナー１０による析出物除去制御を停止する一方で、排気中のＮＯｘを浄化すべく尿素水噴射装置４の尿素水添加制御の開始を許可して、本フローを終了する。

このように、本実施の形態に係る析出物除去制御は、キーオンの際に、或いは内燃機関１の始動の際に、バーナー１０により、尿素水噴射ノズル４Ａ及び尿素水に起因する析出物が堆積する排気通路２を、３６０°Ｃ以上に所定時間加熱するようにしたので、排気に添加した尿素水に起因して排気通路等に析出し堆積した析出物を効果的に除去することができるため、尿素水噴射ノズル４Ａや排気通路２に析出物が堆積することによる悪影響、例えば、排気中への尿素の均一な分配等への悪影響、延いてはＮＯｘ浄化特性への悪影響を効率良く確実に回避することができる。

なお、本実施の形態では、加熱手段として燃焼装置であるバーナー１０を採用したが、本発明の加熱手段はこれに限定されるものではなく、電気式ヒータ等とすることもできる。但し、バーナー１０による燃焼熱を利用する構成の場合は、電気式ヒータ等により排気を昇温させる手法に比べて、簡単かつ安価な構成でありながら、短時間で大量の熱量を発生させることができるため、短時間で析出物を除去することができる。
従って、析出物除去制御の実行時間を短縮化できるため、排気中のＮＯｘ浄化のための尿素水添加制御の停止時間を極力短くすることができ、以って大気へのＮＯｘ排出量を低く抑えることができる。

ところで、本実施の形態に係る図２のフローチャートでは、Ｓ２２〜Ｓ２７により、実際の析出量と、バーナー１０によって実際に除去された除去量と、を推定して、これらを比較することによって、バーナー１０の発熱量や加熱時間を、実際の析出状態や除去状態に応じて正確に管理することで、精度の高い析出物除去制御を実行できるようにしているが、例えば、Ｓ２２〜Ｓ２７を省略して、Ｓ２２において、予め実験等により取得した結果等に基づいて、析出物を所望に除去可能なバーナー１０の発熱量と加熱時間を設定し、タイマー等によりバーナー１０の発熱制御を管理するような構成とすることも可能である。

なお、本発明は、図１に示した構成に限定されるものではなく、例えば、図７に示すように、ディーゼルパティキュレートフィルタ３の直下に酸化触媒７を介装する構成とすることもできる。また、例えば、ディーゼルパティキュレートフィルタ３及び酸化触媒７を省略した構成とすることもできる。

なお、上記各実施の形態において、内燃機関１は、例えばディーゼル燃焼を行うディーゼルエンジンとすることができるが、これに限定されるものではなく、ガソリンその他の物質を燃料とする内燃機関とすることができ、更に移動式・定置式の内燃機関とすることができる。

以上で説明した各実施の形態は、本発明を説明するための例示に過ぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更を加え得ることは可能である。

１内燃機関
２排気通路
３ディーゼルパティキュレートフィルタ
４尿素水添加装置（還元剤添加手段に相当）
４Ａ尿素水噴射ノズル
４Ｂ尿素水タンク
４Ｃ供給ポンプ
５尿素選択還元型ＮＯｘ触媒（選択還元型触媒に相当）
６アンモニア酸化触媒（ＮＨ_３スリップ防止触媒）
７酸化触媒
１０バーナー（加熱手段、燃焼装置に相当）

Claims

内燃機関から排出される排気に対して還元剤添加手段を介して還元剤を添加して選択還元型触媒により排気中の特定成分を選択的に還元する排気処理装置を備えた内燃機関の制御装置であって、
前記還元剤添加手段の排気上流側に加熱手段が配設され、当該加熱手段により、少なくともディーゼルパティキュレートフィルタの再生サイクルより短い所定サイクルで、還元剤添加手段或いはその近傍を３６０°Ｃ以上に加熱して、還元剤に起因する析出物を除去することを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記加熱手段が、燃焼装置であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
前記所定サイクルが、内燃機関の始動毎であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
前記還元剤添加手段により添加された還元剤に起因する析出物の析出量を推定すると共に、前記加熱手段により除去された析出物の除去量を推定し、これらに基づいて、加熱手段による加熱状態を制御することを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１つに記載の内燃機関の制御装置。