JP2018044470A - 排気浄化装置及び排気浄化方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】排気ガスの昇温中にエンジンが走行状態からアイドル運転に移行した場合に、触媒が過昇温となることを防止すること。【解決手段】内燃機関の排気通路と吸気通路とを連通する循環通路に設けられ、前記排気通路から前記吸気通路に循環させる排気ガスの流量を制御する第1の流量制御部と、前記排気通路の排気ガス後処理装置よりも下流側に設けられ、前記排気通路を流れる排気ガスの流量を制御する第2の流量制御部と、前記排気ガス後処理装置を通過する前記排気ガスの温度を検出する温度検出部と、前記排気ガスの温度を上昇させる昇温制御中に、前記排気ガス後処理装置を通過する前記排気ガスの流量が減少した場合に、前記温度検出部によって検出された前記排気ガスの温度が予め定められた目標温度に一致するように、前記第1の流量制御部及び前記第2の流量制御部のうち少なくとも一方を制御する過昇温対策制御を実行する制御部とを備える。【選択図】図3

Description

本発明は、排気浄化装置及び排気浄化方法に関する。
従来、ディーゼルエンジンの排気通路にDPF(ディーゼル・パーティキュレート・フィルタ)を設け、排気ガス中に含まれるPM(微粒子物質)を捕集するとともに、排気ガスを昇温して捕集したPMを燃焼除去する、いわゆるフィルタ再生を行う技術が知られている(特許文献1)。
特許文献1では、DPFのフィルタ再生が行われている時にエンジンが走行状態からアイドル運転に移行した場合、吸気制御弁及び排気絞り弁の開度を増大させている。これにより、排気流量を増大させ、DPFの過昇温を防止している。
特開2006−274982号公報
特許文献1では、DPFのフィルタ再生を目的として排気ガスを昇温しているが、排気ガスの昇温は、DPFのフィルタ再生を目的とする以外にも、排気浄化装置における触媒の活性化等を目的として行われる場合がある。そして、触媒の活性化等、DPFのフィルタ再生以外を目的とした排気ガス昇温の場合であっても、排気ガスが過昇温になると、排気浄化装置に悪影響を及ぼす可能性がある。
特許文献1は、フィルタ再生時にDPFの過昇温を防止しようとするものであり、特許文献1には、DPFのフィルタ再生以外を目的とした排気ガス昇温時に、如何にして排気ガスの過昇温を防止するかは開示されていない。
本発明の目的は、排気ガスの昇温中にエンジンが走行状態からアイドル運転に移行した場合に、排気ガスの過昇温を防止することができる排気浄化装置及び排気浄化方法を提供することである。
本発明に係る排気浄化装置は、内燃機関の排気通路と吸気通路とを連通する循環通路に設けられ、前記排気通路から前記吸気通路に循環させる排気ガスの流量を制御する第1の流量制御部と、前記排気通路の排気ガス後処理装置よりも下流側に設けられ、前記排気通路を流れる排気ガスの流量を制御する第2の流量制御部と、前記排気ガス後処理装置を通過する前記排気ガスの温度を検出する温度検出部と、前記排気ガスの温度を上昇させる昇温制御中に、前記排気ガス後処理装置を通過する前記排気ガスの流量が減少した場合に、前記温度検出部によって検出された前記排気ガスの温度が予め定められた目標温度に一致するように、前記第1の流量制御部及び前記第2の流量制御部のうち少なくとも一方を制御する過昇温対策制御を実行する制御部と、を備える。
また、本発明に係る排気浄化方法は、内燃機関の排気通路と吸気通路とを連通する循環通路に設けられ、前記排気通路から前記吸気通路に循環させる排気ガスの流量を制御する第1の流量制御部と、前記排気通路の排気ガス後処理装置よりも下流側に設けられ、前記排気通路を流れる排気ガスの流量を制御する第2の流量制御部と、前記排気ガス後処理装置を通過する排気ガスの温度を検出する温度検出部と、を備える排気浄化装置における排気浄化方法であって、前記排気ガスの温度を上昇させる昇温制御中に、前記排気ガス後処理装置を通過する前記排気ガスの流量が減少した場合に、前記温度検出部によって検出された前記排気ガスの温度が予め定められた目標温度に一致するように、前記第1の流量制御部及び前記第2の流量制御部のうち少なくとも一方を制御する。
本発明によれば、排気ガスの昇温中にエンジンが走行状態からアイドル運転に移行した場合に、排気ガスの過昇温を防止することができる。
本実施の形態における排気浄化装置を示す全体構成図 本実施の形態における制御ブロック図 過昇温対策制御処理を示すフローチャート 過昇温対策制御の具体的な内容を示すフローチャート 本実施の形態におけるタイムチャート
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は一例であり、本発明はこの実施の形態により限定されるものではない。
まず、図1を参照して、本実施の形態における排気浄化装置について説明する。図1に示すように、ディーゼルエンジン(以下、単に「エンジン」という。)10の吸気マニホールド10aには、空気をエンジン10に導入するための吸気通路11が設けられている。
エンジン10の排気マニホールド10bには、エンジン10から排出された排気ガスを導出するための排気通路12が設けられている。排気通路12の最上流には、排気マニホールド10bから吸気マニホールド10aへ排気ガスを循環させるためのEGR通路13が設けられている。
EGR通路13には、排気ガスを冷却するEGRクーラ13aと、EGR量を調節するためのEGR弁13bとが設けられている。EGR弁13bは、例えばバタフライバルブであり、電気的に接続されたECU(電子制御ユニット)40から入力される指示信号に応じて開度が制御される。なお、EGR弁13bは、本発明の「第1の流量制御部」に相当する。
排気通路12におけるEGR通路13よりも下流には、上流側から順に、前段後処理装置20及び後段後処理装置30が設けられている。前段後処理装置20は、触媒ケース20a内に上流側から順にDOC(酸化触媒)21及びDPF22が配置されて構成されている。
排気通路12におけるDOC21よりも上流には、燃料添加弁23が設けられている。燃料添加弁23は、電気的に接続されたECU40から入力される指示信号に応じて、DOC21よりも上流側の排気通路12に燃料を噴射する。なお、DOC21よりも上流側の排気通路12に燃料を噴射する方法として、燃料添加弁23による排気管噴射に代えて、エンジン10の筒内へのポスト噴射を行ってもよいし、排気管噴射とポスト噴射を組み合わせて行うようにしてもよい。
DOC21は、例えば、ハニカム構造体等のセラミック製担体表面に触媒成分を坦持して形成されている。DOC21は、燃料添加弁23によって燃料が供給されると、これを酸化して排気ガスの温度を上昇させる。
DPF22は、多孔質性の隔壁で区画された多数のセルを排気ガスの流れ方向に沿って配置し、これらセルの上流側と下流側とを交互に目封止して形成されている。DPF22は、排気ガス中のPMを隔壁の細孔又は表面で捕集する。
DPF22では、PMの堆積量が所定量に達すると、PMを燃焼除去するフィルタ再生が実行される。フィルタ再生は、燃料添加弁23によってDOC21に燃料を供給し、DPF22に流入する排気ガスの温度をPMの燃焼温度まで昇温することで行われる。
排気通路12における燃料添加弁23の近傍には、排気通路12を流れる排気ガスの流量を検出する流量センサ24が設けられている。流量センサ24で検出された排気ガスの流量は、流量センサ24と電気的に接続されたECU40に送信される。流量センサ24は、本発明の「流量関連パラメータ検出部」に相当する。なお、排気ガスの流量を検出する方法として、流量センサ24で排気ガスの流量を直接検出するのに代えて、エンジン10への吸入空気量、燃料噴射量等から演算により求めるようにしてもよい。
DPF22の下流側には、排気ガスの温度を検出する温度センサ25が設けられている。温度センサ25で検出された排気ガスの温度は、電気的に接続されたECU40に送信される。なお、温度センサ25は、本発明の「温度検出部」に相当する。
後段後処理装置30は、ケース30a内に上流側から順にSCR触媒31及びアンモニアスリップ触媒32が配置されて構成されている。SCR触媒31よりも上流側の排気通路12には、尿素水噴射弁33が設けられている。
尿素水噴射弁33は、電気的に接続されたECU40から入力される指示信号に応じて、SCR触媒31よりも上流側の排気通路12に尿素水を噴射する。噴射された尿素水が排気ガスの熱により加水分解されることでアンモニアが生成され、このアンモニアはSCR触媒31に還元剤として供給される。
SCR触媒31は、例えば、ハニカム構造体等のセラミック製担体表面にゼオライト等を坦持して形成されており、多孔質性の隔壁で区画された多数のセルを備えて構成されている。SCR触媒31は、還元剤として供給されるアンモニアを吸着するとともに、吸着したアンモニアによって、SCR触媒31を通過する排気ガス中からNOxを選択的に還元浄化する。
アンモニアスリップ触媒32は、例えば、ハニカム構造体等のセラミック製担体表面に白金等の触媒成分を坦持して形成されている。アンモニアスリップ触媒32は、SCR触媒31においてNOxの還元に用いられなかったアンモニアを酸化することで、窒素に変換して無害化する。
図1に示すように、排気通路12には、前段後処理装置20の上流側に排気ブレーキ60が設けられ、後段後処理装置30の下流側に排気スロットル70が設けられている。排気ブレーキ60は、例えばバタフライバルブであり、電気的に接続されたECU40から入力される指示信号に応じて開閉が制御される。排気スロットル70も、排気ブレーキ60と同様にバタフライバルブであり、電気的に接続されたECU40から入力される指示信号に応じて開閉が制御される。なお、排気スロットル70は、本発明の「第2の流量制御部」に相当する。
ECU40は、エンジン10、EGR弁13b、燃料添加弁23、尿素水噴射弁33、排気ブレーキ60、排気スロットル70等の各種制御を行うものであり、公知のCPU、ROM、RAM、入力ポート、出力ポート等を備えて構成されている。なお、ECU40は、本発明の「制御部」に相当する。
図2は、本実施の形態における過昇温対策制御の制御ブロック図である。図2に示すように、ECU40には、エンジン回転数センサ10cが検出したエンジン10の回転数、流量センサ24が検出した排気ガスの流量、温度センサ25が検出した排気ガスの温度が入力される。なお、エンジン回転数センサ10cは、本発明の「流量関連パラメータ検出部」に相当する。
ECU40は、エンジン回転数センサ10cが検出したエンジン10の回転数に基づいて、エンジン10の回転数の時間変化率(単位時間当たりのエンジン10の回転数の変化量)を演算する。また、ECU40は、流量センサ24が検出した排気ガスの流量に基づいて、排気ガスの流量の時間変化率(単位時間当たりの排気ガスの変化量)を演算する。
ECU40は、エンジン10の回転数の時間変化率又は排気ガスの流量の時間変化率に基づいて、過昇温対策制御を実行するか否かを判定する。また、ECU40は、排気ガスの許容上限温度T等に基づいて、過昇温対策制御における排気ガスの目標温度Tを算出し、排気ガスの温度が目標温度Tと一致するように、EGR弁13b及び排気スロットル70の開度を制御する。
ここで、EGR弁13b及び排気スロットル70の開度と、排気ガスの温度との関係について簡単に説明する。EGR弁13bの開度を大きくすると、排気ガスが循環して再度エンジン10の燃焼に利用されるため、排気通路12に流れ込む排気ガスの酸素濃度が低下する。その一方で、排気マニホールド10bから吸気マニホールド10aへ循環する排気ガスの流量が増加するため、排気通路12を通過する排気ガスの流量は減少する。
排気スロットル70の開度を大きくすると、排気通路12を通過する排気ガスの流量が増加する。そのため、EGR弁13b及び排気スロットル70の開度を制御することで、燃焼による発熱と、排気ガスによる熱の持ち去りのバランスを調整し、排気ガスの温度を調節することが可能となる。
次に、図3を用いて、過昇温対策制御処理について説明する。図3に示す過昇温対策制御処理は、所定周期で繰り返される。
まず、ステップS1で、ECU40は、排気ガス昇温中であるか否かを判断する。排気ガス昇温中か否かの判断には、公知の様々な手法を用いることができる。例えば、ECU40は、ECU40から燃料添加弁23に対して燃料噴射指示が出力されている場合に、排気ガス昇温中であると判断する。
ステップS1において、ECU40が排気ガス昇温中でないと判断した場合(ステップS1:NO)、ECU40は、過昇温対策制御を行う必要がないと判断して、処理を終了する。一方、ECU40が排気ガス昇温中であると判断した場合(ステップS1:YES)、処理はステップS2へ進む。
ステップS2で、ECU40は、排気ガスの流量が急減したか否かを判断する。具体的には、ECU40は、現在(時刻t)における排気ガスの流量Qを読み取り、前回の制御周期(時刻tn−1)における排気ガスの流量Qn−1からの時間変化率ΔQ/Δtを算出する。ここで、ΔQ/Δt=(Q−Qn−1)/(t−tn−1)である。そして、ΔQ/Δtを予めECU40に記憶してある第1の閾値と比較し、ΔQ/Δtが第1の閾値以下であるか否かを判断する。なお、第1の閾値は負の値である。
ステップS2において、排気ガスの流量の時間変化率が第1の閾値以下でない場合(ステップS2:NO)、ECU40は、排気ガスの流量の急激な減少が生じていないと判断し、ステップS2を繰り返す。
一方、排気ガスの流量の時間変化率が第1の閾値以下の場合(ステップS2:YES)、ECU40は、排気ガスの流量が急減したと判断して、処理はステップS3へ進む。そして、ステップS3で、ECU40は、過昇温対策制御を開始する。
続くステップS4で、ECU40は、エンジン10の回転数が第2の閾値以上か否かを判断する。エンジン10の回転数が第2の閾値以上でない場合(ステップS4:NO)、ECU40は、ステップS4を繰り返す。
一方、エンジン10の回転数が第2の閾値以上である場合(ステップS4:YES)、ECU40は、エンジン10の回転数の回復により過昇温対策制御を行わなくても十分な排気ガスの流量が得られると判断して、処理はステップS5へ進む。そして、ステップS5で、ECU40は、過昇温対策制御を終了する。
次に、図4を用いて、排気ガスの温度が目標温度Tと一致するようにEGR弁13b及び排気スロットル70の開度を制御する過昇温対策制御の具体的な内容について説明する。まず、ステップS11で、ECU40は、目標温度Tを設定する。具体的には、ECU40は、ECU40に記憶された、排気ガスの許容上限温度Tよりも所定温度低い温度を、目標温度Tとして設定する。
ステップS12で、ECU40は、現在の排気ガスの温度Tと、目標温度Tとの差ΔT(=T−T)を求め、ΔTがゼロとなるように、EGR弁13b及び排気スロットル70の開度をフィードフォワード制御する。
続くステップS13で、ECU40は、ΔTがΔT1以下(ΔT≦ΔT1)となったかを判定する。なお、ΔT1は、排気ガスの温度Tが十分に目標温度Tに近づいたことを判断するために設定される値であり、ΔT1としては、例えば、過昇温対策制御開始時におけるΔTの5%程度の値が設定される。
ΔTがΔT1以下となっていなければ、ECU40は、ステップS13を繰り返してフィードフォワード制御を継続する。一方、ΔTがΔT1以下となっていれば、処理はステップS14に進む。そして、ステップS14で、ECU40は、フィードフォワード制御からフィードバック制御に切り替える。
このように、過昇温対策制御の開始直後はフィードフォワード制御を行い、排気ガスの温度Tが十分に目標温度Tに近づいた時点でフィードバック制御に切り替えることで、排気ガスの温度Tを早期に目標温度Tに到達させることができる。
次に、図5のタイムチャートを用いて、図3の過昇温対策制御処理を行った場合の排気ガスの温度変化について説明する。図5において、横軸は、時間を示している。また、縦軸は、排気ガスの流量、排気ガスの流量の時間変化率、エンジン10の回転数、エンジン10の回転数の時間変化率、排気ガスの温度、過昇温対策制御の有無をそれぞれ示している。
時刻t0までは、EGR弁13b、排気スロットル70はともに全閉であり、エンジン10の回転数もほぼ一定であるので、排気ガスの流量はほぼ一定の値で推移している。
時刻t0において、エンジン10がドライブ運転からアイドル状態に変化して、排気ガスの流量が急減すると、過昇温対策制御が実行される。
これにより、排気ガスの温度が目標温度TとなるようにEGR弁13b及び排気スロットル70の開度が調節され、時刻t1において排気ガスの温度が十分に目標温度に近づく。なお、t0において過昇温対策制御が実行されないと、破線で示すように、排気ガスの流量はエンジン10の回転数の減少とともに減少し、それに伴い、排気ガスの温度は上昇を続け、許容上限温度Tを超えてしまう。
時刻t1から時刻t3まで、排気ガスの温度が目標温度Tに一致するように、EGR弁13b及び排気スロットル70の開度がフィードバック制御される。このうち、時刻t1から時刻t2までは、エンジン10の回転数は急減速の後、一定の回転数で推移しているため、EGR弁13b及び排気スロットル70の開度はほぼ一定に保たれる。
時刻t2以降、エンジン10の回転数が上昇すると、EGR弁13b及び排気スロットル70の開度を一定に保ったままでは、排気ガスの流量も増加し、それに伴って排気ガスの温度は低下することになる。
本実施の形態では、時刻t2以降も、排気ガスの温度が目標温度Tに一致するように、EGR弁13b及び排気スロットル70の開度が調節される。
時刻t3で、エンジン10の回転数が第2の閾値を超えると、過昇温対策制御が終了する。これにより、EGR弁13b、排気スロットル70はともに全閉とされる。
その後、エンジン10の回転数の上昇とともに排気ガスの流量は増加し、エンジン10が時刻t0以前と同じ回転数となる時刻t4で、排気ガスの流量も時刻t0以前と同じとなる。
以上説明したように、本実施の形態では、排気ガスの昇温中に、排気ガスの流量が急減した場合には、排気ガスの温度が、排気ガスの許容上限温度Tよりも所定温度低い目標温度Tと一致するように、EGR弁13b及び排気スロットル70の少なくとも一方を制御する過昇温対策制御を行うようにした。したがって、排気ガスの昇温中にエンジンが走行状態からアイドル運転に移行した場合に、排気ガスの過昇温を防止することができる。
また、本実施の形態では、過昇温対策制御開始後、排気ガスの温度が目標温度に近づくまではフィードフォワード制御を行い、目標温度に近づいたらフィードバック制御に切り替えるようにした。したがって、排気ガスの温度を早期に目標温度に一致させることができる。
(変形例)
上記の実施の形態では、過昇温対策制御開始後、排気ガスの温度が目標温度に近づくまではフィードフォワード制御を行い、目標温度に近づいたらフィードバック制御に切り替えるようにした。
これに対し、変形例は、過昇温対策制御開始後、排気ガスの温度が目標温度に近づくまでは排気スロットル70のみを制御し、目標温度に近づいたらEGR弁13bと排気スロットル70の両方を制御するようにしたものである。
具体的には、過昇温対策制御を開始すると、EGR弁13bを全閉とした状態で排気スロットル70を全開とする。そして、排気ガスの温度が目標温度に近づいたら、排気スロットル70の開度を所定開度で固定し、EGR弁13bの開度を調節する。こうすることで、排気ガスの温度を早期に目標温度に近づけることができるとともに、目標温度に近づいた後は、きめ細かな制御が可能となる。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
上記の実施の形態では、排気ガスの温度を検出し、検出した排気ガスの温度が目標温度となるように、EGR弁、排気スロットルを制御するものとしたが、これに限定されない。例えば、排気ガスが通過する触媒又はDPFの温度を検出し、検出した触媒又はDPFの温度が目標温度となるように制御を行ってもよい。
本発明に係る排気浄化装置は、ディーゼルエンジンを搭載したトラック等の大型車両に好適に用いられる。
10 エンジン
10a 吸気マニホールド
10b 排気マニホールド
10c エンジン回転数センサ
11 吸気通路
12 排気通路
13 EGR通路
13a EGRクーラ
13b EGR弁
20 前段後処理装置
20a 触媒ケース
21 DOC
22 DPF
23 燃料添加弁
24 流量センサ
25 温度センサ
30 後段後処理装置
30a ケース
31 SCR触媒
32 アンモニアスリップ触媒
33 尿素水噴射弁
40 ECU
60 排気ブレーキ
70 排気スロットル

Claims (7)

  1. 内燃機関の排気通路と吸気通路とを連通する循環通路に設けられ、前記排気通路から前記吸気通路に循環させる排気ガスの流量を制御する第1の流量制御部と、
    前記排気通路の排気ガス後処理装置よりも下流側に設けられ、前記排気通路を流れる排気ガスの流量を制御する第2の流量制御部と、
    前記排気ガス後処理装置を通過する前記排気ガスの温度を検出する温度検出部と、
    前記排気ガスの温度を上昇させる昇温制御中に、前記排気ガス後処理装置を通過する前記排気ガスの流量が減少した場合に、前記温度検出部によって検出された前記排気ガスの温度が予め定められた目標温度に一致するように、前記第1の流量制御部及び前記第2の流量制御部のうち少なくとも一方を制御する過昇温対策制御を実行する制御部と、
    を備える排気浄化装置。
  2. 前記排気ガス後処理装置を通過する前記排気ガスの流量に関連するパラメータを検出する流量関連パラメータ検出部を有し、
    前記制御部は、前記流量関連パラメータ検出部によって検出された前記パラメータが減少した場合に、前記排気ガスの流量が減少したと判断する、
    請求項1に記載の排気浄化装置。
  3. 前記制御部は、前記過昇温対策制御の実行中に、前記内燃機関の回転数が所定の回転数以上となった場合、前記過昇温対策制御を終了する、
    請求項1又は2に記載の排気浄化装置。
  4. 前記制御部は、前記過昇温対策制御の開始時には前記排気ガスの温度が前記目標温度に一致するようにフィードフォワード制御を行い、その後、フィードフォワード制御からフィードバック制御に切り替える、
    請求項1ないし3のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
  5. 前記パラメータは、前記排気ガスの流量である、
    請求項2ないし4のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
  6. 前記パラメータは、前記内燃機関の回転数である、
    請求項2ないし4のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
  7. 内燃機関の排気通路と吸気通路とを連通する循環通路に設けられ、前記排気通路から前記吸気通路に循環させる排気ガスの流量を制御する第1の流量制御部と、
    前記排気通路の排気ガス後処理装置よりも下流側に設けられ、前記排気通路を流れる排気ガスの流量を制御する第2の流量制御部と、
    前記排気ガス後処理装置を通過する排気ガスの温度を検出する温度検出部と、を備える排気浄化装置における排気浄化方法であって、
    前記排気ガスの温度を上昇させる昇温制御中に、前記排気ガス後処理装置を通過する前記排気ガスの流量が減少した場合に、前記温度検出部によって検出された前記排気ガスの温度が予め定められた目標温度に一致するように、前記第1の流量制御部及び前記第2の流量制御部のうち少なくとも一方を制御する、
    排気浄化方法。
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