JP2016173038A - 排出ガス浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】パージ制御に際して選択触媒還元型ＮＯｘ触媒の温度上昇を促進させる。【解決手段】本発明に係る排出ガス浄化システムは、エンジン１の排気通路４に設けられた選択触媒還元型ＮＯｘ触媒２３と、エンジンのＥＧＲ通路３１に設けられたＥＧＲクーラ３２と、ＥＧＲ通路に設けられＥＧＲガスの流量を調節するためのＥＧＲ弁３７と、ＥＧＲクーラ３２をバイパスするバイパス通路３３と、バイパス通路３３を開閉するためのバイパス弁３６と、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化能力を回復させるためのパージ制御の実行要求があり、かつ選択触媒還元型ＮＯｘ触媒２３の温度がパージ制御に必要な所定温度より低いとき、バイパス通路３３を開放するようにバイパス弁３６を制御する制御ユニット１００とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は排出ガス浄化システムに係り、特にエンジン（内燃機関）の排気ガスを浄化するためのシステムに関する。

圧縮着火式内燃機関すなわちディーゼルエンジンの排気通路には、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するための選択触媒還元型ＮＯｘ触媒（SCR：Selective Catalytic Reduction）が設置されている。またディーゼルエンジンには通常ＥＧＲ装置が備えられ、ＥＧＲ装置には、ＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラが設置されている。

例えば特許文献１には、排気ガスの温度を温度センサで検知し、検知した温度が基準温度より低いときは、ＥＧＲ通路に介装したＥＧＲクーラをバイパスしてＥＧＲガスをエンジンに供給し、それによって排気ガス温度を上昇させることが記載されている。

特開２００５−２９７５号公報

燃料に含まれる硫黄（Ｓ）分に起因して、排気ガス中の硫黄成分が硫酸塩の形でＮＯｘ触媒内部に堆積し、ＮＯｘ触媒が硫黄被毒（Ｓ被毒）することがある。Ｓ被毒が生じるとＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化能力が低下する。そこで硫黄成分をＮＯｘ触媒から強制的に脱離（パージ）させ、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化能力を回復させる目的で、パージ制御が実行される。

また、選択触媒還元型ＮＯｘ触媒には尿素水が供給されるが、尿素水に含まれる尿素が固体の結晶（白色の生成物質）となってＮＯｘ触媒内部に堆積することがある。この固体尿素堆積が生じてもＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化能力が低下する。そこで固体尿素をＮＯｘ触媒から強制的に脱離（パージ）させ、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化能力を回復させる目的で、パージ制御が実行される。

パージ制御に際して、パージを高効率で行うためには、ＮＯｘ触媒が、硫黄成分や固体尿素の脱離に適した十分な高温となっている必要がある。しかし、ＥＧＲガスがＥＧＲクーラを通過すると、ＥＧＲガスが冷却されてしまい、これにより排気ガスの温度も低下し、パージ制御に必要な温度にまで触媒温度を上昇させることが困難となる。

そこで本発明は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、パージ制御に際して選択触媒還元型ＮＯｘ触媒の温度上昇を促進させることができる排出ガス浄化システムを提供することにある。

本発明の一の態様によれば、エンジンの排気通路に設けられた選択触媒還元型ＮＯｘ触媒と、ＥＧＲガスを吸気通路内に還流させるためのＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路に設けられ前記ＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラと、前記ＥＧＲ通路に設けられ前記ＥＧＲガスの流量を調節するためのＥＧＲ弁と、前記ＥＧＲクーラをバイパスするバイパス通路と、前記バイパス通路を開閉するためのバイパス弁と、前記ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化能力を回復させるためのパージ制御の実行要求があり、かつ前記ＮＯｘ触媒の温度が前記パージ制御に必要な所定温度より低いとき、前記バイパス通路を開放するように前記バイパス弁を制御する制御ユニットと、を備えたことを特徴とする排出ガス浄化システムが提供される。

前記パージ制御は、前記ＮＯｘ触媒の内部に付着した固体尿素を脱離するためのものであってもよい。

本発明によれば、パージ制御に際して選択触媒還元型ＮＯｘ触媒の温度上昇を促進させることができるという、優れた効果が発揮される。

本発明の実施形態に係る排出ガス浄化システムの概略図である。 本実施形態における制御ルーチンを示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る排出ガス浄化システムの概略図である。エンジン（内燃機関）１は、車両に搭載された多気筒の圧縮着火式内燃機関、すなわちディーゼルエンジンである。

エンジン１は、エンジン本体２と、エンジン本体２に接続された吸気通路３および排気通路４と、燃料噴射装置５とを備える。エンジン本体２は、周知のように、シリンダヘッド、シリンダブロック、クランクケース等の構造体と、構造体の内部に収容されたピストン、クランクシャフト、動弁機構等とを含む。

燃料噴射装置５は、コモンレール式燃料噴射装置からなり、各気筒に設けられた燃料噴射弁すなわちインジェクタ７と、インジェクタ７に接続されたコモンレール８とを備える。インジェクタ７は、シリンダ９内に燃料を直接噴射する。コモンレール８は、インジェクタ７から噴射される燃料を高圧状態で貯留する。

吸気通路３は、エンジン本体２（特にシリンダヘッド）に接続された吸気マニホールド１０と、吸気マニホールド１０の上流端に接続された吸気管１１とにより主に画成される。吸気マニホールド１０は、吸気管１１から送られてきた吸気を各気筒の吸気ポートに分配供給する。吸気管１１には、上流側から順に、エアクリーナ１２、エアフローメータ１３、ターボチャージャ１４のコンプレッサ１４Ｃおよび電子制御式スロットルバルブ１６が設けられる。エアフローメータ１３は、エンジン１の単位時間当たりの吸入空気量（吸気流量）を検出するためのセンサ（吸気量センサ）である。

排気通路４は、エンジン本体２（特にシリンダヘッド）に接続された排気マニホールド２０と、排気マニホールド２０の下流側に配置された排気管２１とにより主に画成される。排気マニホールド２０は、各気筒の排気ポートから送られてきた排気ガスを集合する。排気管２１、もしくは排気マニホールド２０と排気管２１の間には、ターボチャージャ１４のタービン１４Ｔが設けられる。タービン１４Ｔより下流側の排気管２１には、上流側から順に、酸化触媒２２およびＮＯｘ触媒２３が設けられる。ＮＯｘ触媒２３は選択触媒還元型ＮＯｘ触媒（SCR：Selective Catalytic Reduction）からなる。

酸化触媒（DOC：Diesel Oxidation Catalyst）２２は、排気ガス中の未燃成分（炭化水素ＨＣおよび一酸化炭素ＣＯ）を酸化して浄化する。酸化触媒２２は、ＨＣ，ＣＯの酸化時に生じた熱で排気ガスを加熱、昇温する機能を有する。また酸化触媒２２は、排気ガス中のＮＯをＮＯ₂に酸化する機能をも有する。

選択触媒還元型ＮＯｘ触媒２３は、還元剤が添加されたときに、排気ガス中の窒素酸化物ＮＯｘを連続的に還元する。ＮＯｘ触媒２３の上流側、特に入口近傍の排気通路４には、還元剤としての尿素水をＮＯｘ触媒２３に添加する添加弁２５が設けられる。ＮＯｘ触媒２３は、その触媒温度（触媒床温）が活性温度域（例えば２００〜４００℃）にあり、且つ、尿素水が添加されているときにＮＯｘを還元浄化する。尿素水が添加されると、触媒上で尿素水が加水分解され、アンモニアが生成される。このアンモニアが触媒内でＮＯｘと反応してＮＯｘが還元される。

なお、ＮＯｘ触媒２３の下流側にパティキュレートフィルタ（DPF：Diesel Particulate Filter）を設けるのが好ましい。パティキュレートフィルタは、排気ガス中に含まれる粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）を捕集して除去するものである。パティキュレートフィルタは、その内壁にＰｔ等の貴金属（触媒物質）を担持させた所謂連続再生式触媒付きＤＰＦからなるのが好ましい。

エンジン１はＥＧＲ装置３０をも備える。ＥＧＲ装置３０は、排気通路４内（特に排気マニホールド２０内）の排気ガスの一部（「ＥＧＲガス」という）を吸気通路３内（特に吸気マニホールド１０内）に還流させるためのＥＧＲ通路３１と、ＥＧＲ通路３１を流れるＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ３２とを備える。ＥＧＲ通路３１には、ＥＧＲガスの流量を調節するためのＥＧＲ弁３７が設けられる。

また本実施形態において、制御ユニットもしくはコントローラをなす電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」と称す）１００が設けられる。ＥＣＵ１００はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポートおよび記憶装置等を含む。ＥＣＵ１００は、インジェクタ７、スロットルバルブ１６、およびＥＧＲ弁３７を制御する。

センサ類に関して、上述のエアフローメータ１３の他、エンジンの回転速度（ｒｐｍ）を検出するための回転速度センサ４０、アクセル開度を検出するためのアクセル開度センサ４１が設けられる。また、酸化触媒２２およびＮＯｘ触媒２３の上流側ないし入口近傍の排気温度を検出するための排気温センサ４２，４３がそれぞれ設けられている。これらセンサ類の出力信号はＥＣＵ１００に送られる。

ＥＣＵ１００は、排気温センサ４２，４３により検出された排気温度に基づき酸化触媒２２およびＮＯｘ触媒２３の温度をそれぞれ推定する。なお酸化触媒２２およびＮＯｘ触媒２３の各々に設けられた温度センサにより各温度を直接検出しても構わないし、推定と検出を組み合わせてもよい。これら推定と検出を総称して取得という。

本実施形態においては特に、ＥＧＲクーラ３２をバイパスするバイパス通路３３が設けられている。バイパス通路３３は、ＥＧＲクーラ３２の上流側のＥＧＲ通路３１に接続する上流端３４と、ＥＧＲクーラ３２の下流側のＥＧＲ通路３１に接続する下流端３５とを有する。

また、バイパス通路３３を開閉するためのバイパス弁３６が設けられている。バイパス弁３６は、バイパス通路３３の上流端３４とＥＧＲ通路３１との接続位置に設置された三方電磁弁からなる。バイパス弁３６は、ＥＧＲガスをＥＧＲクーラ３２側にのみ流し、かつバイパス通路３３側に流さないクーラ位置Ａと、ＥＧＲガスをバイパス通路３３側にのみ流し、かつＥＧＲクーラ３２側に流さないバイパス位置Ｂとの間で連続的に可変である。バイパス弁３６はＥＣＵ１００により制御される。

バイパス弁３６がクーラ位置Ａにあるとき、ＥＧＲクーラ３２側のＥＧＲ通路３１は全開とされ、バイパス通路３３は全閉とされる。よって便宜上、このときのバイパス弁３６およびバイパス通路３３の開度を全閉すなわち０％とする。バイパス弁３６がバイパス位置Ｂにあるとき、ＥＧＲクーラ３２側のＥＧＲ通路３１は全閉とされ、バイパス通路３３は全開とされる。よって便宜上、このときのバイパス弁３６およびバイパス通路３３の開度を全開すなわち１００％とする。バイパス弁３６の開度は０％から１００％の間で連続的に可変である。バイパス弁３６の開度が大きくなるほど、ＥＧＲクーラ３２側のＥＧＲ通路３１の開度は減少し、ＥＧＲクーラ３２を流れるＥＧＲガスの流量は減少する。そしてバイパス通路３３の開度は増大し、バイパス通路３３を流れるＥＧＲガスの流量は増大する。つまりバイパス通路３３を流れるＥＧＲガスの流量割合が、ＥＧＲクーラ３２を流れるＥＧＲガスの流量割合に対し増大していく。バイパス弁３６の開度が０％のとき以外、バイパス通路３３は開放状態にある。但し通常、バイパス弁３６の開度は０％とされる。なお、ＥＧＲ弁３７は、バイパス通路３３の下流端３５が接続された接続部の下流に設けられるが、これに限定されるものではなく、バイパス通路３３の上流端３４が接続された接続部の上流に設けることもできる。ＥＧＲ弁３７は、エンジン１の負荷に応じて吸気通路３に流れるＥＧＲガスの流量を調節する。

次に、本実施形態の制御の内容を説明する。

前述したように、燃料に含まれる硫黄Ｓ分に起因して、排気ガス中の硫黄成分がＢａＳＯ₄などの硫酸塩の形でＮＯｘ触媒内部に付着もしくは堆積し、ＮＯｘ触媒２３が硫黄被毒（Ｓ被毒）してしまうことがある。このＳ被毒が生じるとＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ浄化能力が低下する。そこで硫黄成分をＮＯｘ触媒から強制的に脱離（パージ）させ、ＮＯｘ触媒２３のＮＯｘ浄化能力を回復する目的で、パージ制御が実行される。

また、ＮＯｘ触媒２３には添加弁２５から尿素水が供給されるが、尿素水に含まれる尿素が固体の結晶（白色の生成物質）となってＮＯｘ触媒内部および排気管２１内部に付着もしくは堆積することがある。この固体尿素堆積がＮＯｘ触媒２３に生じてもＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化能力が低下する。そこで固体尿素をＮＯｘ触媒から強制的に脱離（パージ）させ、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化能力を回復させる目的で、パージ制御が実行される。

パージ制御の実行中には、例えばインジェクタ７によりポスト噴射等のマルチ噴射が実行され、酸化触媒２２の上流側における排気ガスの空燃比が一時的にリッチ化される。なお代替的に、排気通路４に別途設置された排気インジェクタにより排気通路４内に直接燃料噴射してもよい。

すると、この排気ガスに比較的多く含まれる未燃成分（特にＨＣ）が酸化触媒２２中で酸化、燃焼され、これによって高温となった排気ガスがＮＯｘ触媒２３に供給され、ＮＯｘ触媒２３が昇温される。ＮＯｘ触媒２３の温度が、パージ制御に必要な所定温度、すなわち硫黄成分や固体尿素を脱離させるのに必要な最低温度（例えば５００〜６００℃程度の値）以上に上昇すると、硫黄成分や固体尿素が脱離される。

なお脱離した硫黄成分（硫酸塩）は触媒内で硫黄酸化物（ＳＯｘ）に分解される。固体尿素は昇華して脱離される。硫黄成分の脱離と固体尿素の脱離とは同等レベルの触媒温度で行われる。

パージ制御を高効率で行うためには、ＮＯｘ触媒２３の温度を、パージ制御に必要な上記所定温度以上にする必要がある。この所定温度は、ＮＯｘ触媒２３の活性開始温度、すなわちＮＯｘ触媒２３の活性温度域の最小温度（例えば２００℃）よりも著しく高い温度である。以下便宜上、この所定温度を「パージ温度」という。

ＥＣＵ１００は、ＮＯｘ触媒２３の温度がパージ温度以上のときにパージ制御を行う。パージ温度は予め実験的に求められ、ＥＣＵ１００に記憶される。

またＥＣＵ１００は、パージ制御が必要なタイミングになったと判断したとき、パージ制御の実行要求があるとして、前記触媒温度条件の成立を条件としてパージ制御を実行する。この判断は、公知方法を含め、任意の方法で実行可能である。例えば、車両の走行距離やエンジンの運転時間が所定の閾値以上になったとき、パージ制御が必要なタイミングになったと判断してもよい。あるいは、別途行われるＮＯｘ触媒２３の劣化診断の結果により、パージ制御が必要なタイミングになったと判断してもよい。

ところで、こうしたパージ制御の実行要求があるときに触媒温度条件が成立していないと、実質的にパージ制御を行うことができず、あるいはパージ制御を行ったとしてもそれを高効率で行うことができない。

そこでＥＣＵ１００は、パージ制御の実行要求があるときに触媒温度条件が成立していない場合には、バイパス通路３３を開放するようにバイパス弁３６を制御する。これにより、ＥＧＲガスがバイパス通路３３を流れることが可能となり、ＥＧＲガスがＥＧＲクーラ３２を通過し冷却されること、ひいてはＥＧＲガスの温度が低下することを抑制できる。そして温度が低下したＥＧＲガスが吸気マニホールド１０内に環流することによる吸気の温度低下を抑制できる。これによって、ＮＯｘ触媒２３の温度上昇を促進させることができ、触媒温度をパージ温度まで早期に上昇させることができる。

特に本実施形態においてＥＣＵ１００は、パージ制御の実行要求があり且つ触媒温度条件が成立していない場合、ＥＧＲクーラ３２側のＥＧＲ通路３１を全閉とし且つバイパス通路３３を全開とするよう、バイパス弁３６をバイパス位置Ｂに制御し、バイパス弁３６の開度を１００％に制御する。これにより、ＥＧＲガスがＥＧＲクーラ３２を通過することを阻止し、ＥＧＲガスをバイパス通路３３にのみ流すことができる。そしてＮＯｘ触媒２３の温度上昇効果を最大限得ることができる。

次に、本実施形態における制御ルーチンを図２を参照して説明する。図示するルーチンはＥＣＵ１００により所定の演算周期τ（例えば１０ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。

まずステップＳ１０１では、パージ制御の実行要求があるか否かが判断される。実行要求がない場合にはルーチンが終了される。

実行要求がある場合、ステップＳ１０２において、推定されたＮＯｘ触媒２３の触媒温度Ｔｃがパージ温度Ｔｃｓ未満か否かが判断される。

触媒温度Ｔｃがパージ温度Ｔｃｓ未満のときには、ステップＳ１０３において、バイパス弁３６がバイパス位置Ｂに制御される。これにより触媒温度Ｔｃをパージ温度Ｔｃｓまで早期に上昇させることができる。他方、触媒温度Ｔｃがパージ温度Ｔｃｓ以上のときには、ステップＳ１０４において、バイパス弁３６が通常のクーラ位置Ａに制御される。

このルーチンによれば、パージ制御の実行要求があり且つ触媒温度Ｔｃがパージ温度Ｔｃｓ未満のとき、バイパス弁３６がバイパス位置Ｂに制御されるので、触媒温度Ｔｃをパージ温度Ｔｃｓまで早期に上昇させることができる。そして触媒温度Ｔｃがパージ温度Ｔｃｓに達したならば、別ルーチンにてパージ制御が開始もしくは実行され、ＮＯｘ触媒内部に付着もしくは堆積した硫黄成分や固体尿素が脱離される。なお触媒温度Ｔｃがパージ温度Ｔｃｓに達した後はバイパス弁３６がクーラ位置Ａに制御される。

以上、本発明の基本実施形態を詳細に述べたが、本発明は以下のような他の実施形態も可能である。

（１）前述の基本実施形態においては、パージ制御の実行要求がありかつ触媒温度Ｔｃがパージ温度Ｔｃｓ未満のとき、バイパス弁３６をバイパス位置Ｂに制御すると共に、パージ制御を実行しないで触媒温度Ｔｃがパージ温度Ｔｃｓ以上になるのを待ち、触媒温度Ｔｃがパージ温度Ｔｃｓ以上になったらパージ制御を実行し、併せてバイパス弁３６をクーラ位置Ａに制御した。

これに対し、この他の実施形態においては、パージ制御の実行要求がありかつ触媒温度Ｔｃがパージ温度Ｔｃｓ未満のとき、バイパス弁３６をバイパス位置Ｂに制御すると共にパージ制御を実行し、触媒温度Ｔｃがパージ温度Ｔｃｓ以上になったらパージ制御を継続して実行し、併せてバイパス弁３６をクーラ位置Ａに制御する。

こうすると、触媒温度Ｔｃがパージ温度Ｔｃｓ未満のとき、パージ制御の実行により排気ガスがリッチ化されるが、触媒温度Ｔｃがパージに必要な高温となっていないため、高いパージ効率を得ることが困難である。しかしながらそれでも、パージ制御の実行により、バイパス弁３６をバイパス位置Ｂに制御するだけの場合に比べ、触媒温度Ｔｃをより早くパージ温度Ｔｃｓまで上昇させることができる。よってパージ制御に必要な触媒温度をより早期に実現でき、より早いタイミングからパージ制御を高効率で行えるようになる。

（２）バイパス弁３６の設置位置や構成等は任意である。例えば、バイパス通路３３の下流端３５とＥＧＲ通路３１との接続位置に、前記同様の三方電磁弁からなるバイパス弁３６を設置してもよい。また、バイパス弁３６をより単純にバイパス通路３３のみ開閉するものとしてもよい。但しこの場合、ＥＧＲクーラ３２側のＥＧＲ通路３１を閉止する機能がないので、バイパス弁３６を開弁しても幾分、ＥＧＲガスがＥＧＲクーラ３２を流れるようになる。バイパス弁３６を、上記三方電磁弁の代わりに、二つの二方電磁弁で構成し、上記三方電磁弁と同様に機能するものとしてもよい。

（３）バイパス弁３６を開弁するとき、バイパス弁３６を０％より大きく１００％より小さい中間開度に制御してもよい。こうしてもＥＧＲクーラ３２を流れるＥＧＲガスの流量を減少し、ＮＯｘ触媒２３の温度上昇効果を得られるからである。

前述の各実施形態の構成は、特に矛盾が無い限り、部分的にまたは全体的に組み合わせることが可能である。本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１ エンジン
３ 吸気通路
４ 排気通路
２３ ＮＯｘ触媒
３２ ＥＧＲクーラ
３３ バイパス通路
３６ バイパス弁
１００ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (2)

1. エンジンの排気通路に設けられた選択触媒還元型ＮＯｘ触媒と、
   ＥＧＲガスを吸気通路内に還流させるためのＥＧＲ通路と、
   前記ＥＧＲ通路に設けられ前記ＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラと、
   前記ＥＧＲ通路に設けられ前記ＥＧＲガスの流量を調節するためのＥＧＲ弁と、前記ＥＧＲクーラをバイパスするバイパス通路と、
   前記バイパス通路を開閉するためのバイパス弁と、
   前記ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化能力を回復させるためのパージ制御の実行要求があり、かつ前記ＮＯｘ触媒の温度が前記パージ制御に必要な所定温度より低いとき、前記バイパス通路を開放するように前記バイパス弁を制御する制御ユニットと、
   を備えたことを特徴とする排出ガス浄化システム。
2. 前記パージ制御が、前記ＮＯｘ触媒の内部に付着した固体尿素を脱離するためのものである
   ことを特徴とする請求項１に記載の排出ガス浄化システム。

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