JP2018119471A

JP2018119471A - 排ガス浄化装置及びその制御方法

Info

Publication number: JP2018119471A
Application number: JP2017011483A
Authority: JP
Inventors: 慶子柴田; Keiko Shibata; 和成山本; Kazunari Yamamoto
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2017-01-25
Filing date: 2017-01-25
Publication date: 2018-08-02

Abstract

【課題】エンジンの運転状態に影響を及ぼすことなく、排気管への尿素由来物質の堆積に起因するＮＯｘの浄化性能の低下を抑制することができる排ガス浄化装置及びその制御方法を提供する。【解決手段】噴射ノズル４の近傍における排ガスＧの温度及び外気の温度と、排ガスＧの流量と、一連の数式とに基づいて算出した排気管１の管壁温度Ｔｗが、予め設定されたしきい温度Ｔ１よりも高くなったときに、噴射ノズル４からの尿素水の噴射を開始する。【選択図】図１

Description

本発明は排ガス浄化装置及びその制御方法に関し、更に詳しくは、エンジンの運転状態に影響を及ぼすことなく、排気管への尿素由来物質の堆積に起因するＮＯｘの浄化性能の低下を抑制する排ガス浄化装置及びその制御方法に関する。

ディーゼルエンジンには、排ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去することを目的として、噴射ノズルから供給された尿素水が加水分解して生じたアンモニア（ＮＨ_３）を、選択還元型触媒（以下、「ＳＣＲ触媒」という。）の存在下で還元剤として作用させてＮＯｘを浄化する尿素ＳＣＲシステムが用いられている。

しかし、尿素ＳＣＲシステムには、寒冷地での冷間始動時などのように、排ガスの温度がＳＣＲ触媒の活性化温度以上であっても排気管が低温となるような場合には、シアヌル酸やビウレットなどの尿素由来物質が、噴射ノズルとＳＣＲ触媒との間の管壁に付着・堆積して、ＮＯｘの浄化性能を低下させてしまうという問題があった。

このような問題を解決するために、特許文献１は、排ガスの温度及び外気温度から算出した排気管の管壁温度と、尿素水の噴射量とに基づいて、排ガスの温度を上昇させる排ガス浄化システムを提案している。しかしながら、このような排ガス浄化システムでは、排ガスの温度を上昇させるためにディーゼルエンジンに負荷を加えるので、エンジンの運転状態に影響を及ぼすおそれがある。

特開２０１４−２２４４８５号公報

本発明の目的は、エンジンの運転状態に影響を及ぼすことなく、排気管への尿素由来物質の堆積に起因するＮＯｘの浄化性能の低下を抑制することができる排ガス浄化装置及びその制御方法を提供することにある。

上記の目的を達成する本発明の排ガス浄化装置は、ディーゼルエンジンの排ガスが流れる排気管に上流側から順に設置された尿素水を供給する噴射ノズル及び選択型還元触媒と、前記ディーゼルエンジン及び前記噴射ノズルを制御する制御装置と、を備えた排ガス浄化装置において、前記噴射ノズルの近傍における前記排ガスの温度及び外気の温度をそれぞれ測定する排ガス温度センサ及び外気温度センサを有し、前記制御装置は、前記排ガス温度センサの測定値Ｔａ及び前記外気温度センサの測定値Ｔｂと、該制御装置が取得した前記排ガスの流量ｕと、下記の（１）〜（３）式とに基づいて算出した前記排気管の管壁温度Ｔｗが、予め設定されたしきい温度Ｔ_１よりも高くなったときに、前記噴射ノズルからの前記尿素水の噴射を開始する制御を行うように構成されていることを特徴とする排ガス浄化装置。
ｑ＝ｈ×Ａ×Ｅ×（Ｔａ−Ｔｂ）---（１）
Ｅ＝１−ｅ−（ｈ×Ａ／ｕ×Ｃｐ）／（ｈ×Ａ／ｕ×Ｃｐ）---（２）
Ｔｗ＝ｑ／（Ｇ×Ｃｐ）---（３）
但し、ｑ：排気管の熱量、ｈ：排気管の熱伝達率、Ａ：排気管の表面積、Ｅ：熱効率、ｅ：ネイピア数、ｕ：排ガス量、Ｃｐ：排ガスの定圧比熱、Ｇ：排気管の質量を、それぞれ示す。

上記の目的を達成する本発明の排ガス浄化装置の制御方法は、ディーゼルエンジンの排ガスが流れる排気管に上流側から順に設置された尿素水を供給する噴射ノズル及び選択型還元触媒を備えた排ガス浄化装置の制御方法であって、前記噴射ノズルの近傍における前記排ガスの温度Ｔａ及び外気の温度Ｔｂと、前記排ガスの流量ｕと、下記の（１）〜（３）式とに基づいて算出した前記排気管の管壁温度Ｔｗが、予め設定されたしきい温度Ｔ_１よりも高くなったときに、前記噴射ノズルからの前記尿素水の噴射を開始することを特徴とする排ガス浄化装置の制御方法。
ｑ＝ｈ×Ａ×Ｅ×（Ｔａ−Ｔｂ）---（１）
Ｅ＝１−ｅ−（ｈ×Ａ／ｕ×Ｃｐ）／（ｈ×Ａ／ｕ×Ｃｐ）---（２）
Ｔｗ＝ｑ／（Ｇ×Ｃｐ）---（３）
但し、ｑ：排気管の熱量、ｈ：排気管の熱伝達率、Ａ：排気管の表面積、Ｅ：熱効率、ｅ：ネイピア数、ｕ：排ガス量、Ｃｐ：排ガスの定圧比熱、Ｇ：排気管の質量を、それぞれ示す。

本発明の排ガス浄化装置及びその制御方法によれば、エンジンに負荷を加えることなく、エンジンの運転状態に基づいて正確に算出した尿素水の噴射ノズルの近傍における管壁温度に基づいて、尿素水の噴射開始のタイミングを決定するようにしたので、エンジンの運転状態に影響を及ぼすことなく、排気管への尿素由来物質の堆積に起因するＮＯｘの浄化性能の低下を抑制することができる

本発明の実施形態からなる排ガス浄化装置の構成図である。本発明の実施形態からなる排ガス浄化装置の制御方法を説明するフロー図である。本発明の別の実施形態からなる排ガス浄化装置の制御方法を説明するフロー図である。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態からなる排ガス浄化装置を示す。

この排ガス浄化装置は、車両に搭載されており、ディーゼルエンジン（図示せず）の排ガスＧが流れる排気管１に、上流側から順に介設された第１触媒コンバーター２及び第２触媒コンバーター３を有している。それらの第１触媒コンバーター２と第２触媒コンバーター３とは、上流側の一端に尿素水の噴射ノズル４が設置された略Ｓ字状の連結管５（排気管１の一部）により、互いに並行に位置するように接続されている。

第１触媒コンバーター２内には、前段に酸化触媒（ＤＯＣ）６が配置されたＰＭ捕集フィルター７が格納されている。ＤＯＣ６は、排ガスＧの混合機能を有する構造に成形した金属製の担持体に、ロジウム、酸化セリウム、白金、酸化アルミニウム等を担持して形成される。また、ＰＭ捕集フィルター７は、多孔質セラミック製のハニカムのチャンネル（セル）の入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型のウオールフロータイプのフィルターから形成される。

第２触媒コンバーター３内には、後段にアンモニアスリップ防止触媒（ＡＳＣ）８が配置されたＳＣＲ触媒９が格納されている。ＳＣＲ触媒９は、コージェライトや酸化アルミニウムや酸化チタン等で形成されるハニカム構造等の担体に、鉄イオン交換アルミノシリケートや銅イオン交換アルミノシリケートなどのゼオライト触媒を担持して形成される。この第２触媒コンバーター３と噴射ノズル４とにより、尿素ＳＣＲシステムが構成される。

この排ガス浄化装置の機能は次のようになる。ディーゼルエンジンから排出された排ガスＧは、第１触媒コンバーター２へ流入すると、ＤＯＣ６において炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）を分解除去されてから、ＰＭ捕集フィルター７においてＰＭが除去される。第１触媒コンバーター２から流出した排ガスＧは、連結管５において噴射ノズル４から噴射された尿素水の噴霧１７が加水分解して生成したＮＨ_３を同伴して、第２触媒コンバーター３へ流入する。この噴射ノズル４からの尿素水の噴射量は、制御装置１８が収集したディーゼルエンジンの運転情報に基づいて規定される。

そして、ＳＣＲ触媒９においてＮＨ_３の還元作用によりＮＯｘが浄化されてから、ＡＳＣ８においてＮＯｘと反応しきれなかったＮＨ_３が酸化されてＮ_２と水とに分解される。第２触媒コンバーター３から流出した排ガスＧは、排出管（図示せず）を通じて外部へ放出される。

そして、噴射ノズル４の近傍の連結管５の管壁には、尿素水の噴霧１７の直近の排ガスＧの温度を測定する排ガス温度センサ１９が挿入されている。この排ガス温度センサ１９は、外気温度を測定する外気温度センサ２０とともに、信号線（一点鎖線で示す）を通じて制御装置１８に接続されている。

このような排ガス浄化装置の制御方法を、制御装置１８の機能として、図２に基づいて以下に説明する。

制御装置１８は、排ガス温度センサ１９の測定値Ｔａ及び外気温度センサ２０の測定値Ｔｂを入力する（Ｓ１０）。次に、制御装置１８は、ディーゼルエンジンの運転情報として入力した排ガスＧの流量ｕと、下記の（１）、（２）式とを用いて排気管１の熱量ｑを算出する（Ｓ２０）。
ｑ＝ｈ×Ａ×Ｅ×（Ｔａ−Ｔｂ）---（１）
Ｅ＝１−ｅ−（ｈ×Ａ／ｕ×Ｃｐ）／（ｈ×Ａ／ｕ×Ｃｐ）---（２）
但し、ｈ：排気管の熱伝達率、Ａ：排気管の表面積、Ｅ：熱効率、ｅ：ネイピア数、Ｃｐ：排ガスの定圧比熱を、それぞれ示す。

次に、制御装置１８は、下記の（３）式を用いて、噴射ノズル４の近傍における排気管１の管壁温度Ｔｗを算出する（Ｓ３０）。
Ｔｗ＝ｑ／（Ｇ×Ｃｐ）---（３）
但し、Ｇ：排気管の質量を示す

そして、制御装置１８は、管壁温度Ｔｗが予め設定されたしきい温度Ｔ_１よりも高いか否かを判定する（Ｓ４０）。このしきい温度Ｔ_１は、ディーゼルエンジンの仕様、運転状態及び排ガス浄化装置の仕様などに基づいて決定される。

制御装置１８は、管壁温度Ｔｗがしきい温度Ｔ_１超である場合には、管壁への尿素由来物質の堆積が発生しないものと判断して、噴射ノズル４からの尿素水の規定量での噴射を開始する（Ｓ５０）。その一方で、管壁温度Ｔｗがしきい温度Ｔ_１以下である場合には、
管壁へ尿素由来物質が堆積するおそれがあると判断して、上記のステップ１０へ戻る。

このように、ディーゼルエンジンに負荷を加えることなく、ディーゼルエンジンの運転状態に基づいて正確に算出した尿素水の噴射ノズル４の近傍における管壁温度Ｔｗに基づいて、尿素水の噴射開始のタイミングを決定するようにしたので、ディーゼルエンジンの運転状態に影響を及ぼすことなく、排気管１への尿素由来物質の堆積に起因するＮＯｘの浄化性能の低下を抑制することができるのである。

更に、制御装置１８は、図３に示すように、噴射ノズル４からの尿素水の噴射を開始後においても、上記のステップ１０〜４０と同様に、管壁温度Ｔｗを算出して、しきい温度Ｔ_１との比較を実施する（Ｓ６０〜９０）ことが望ましい。制御装置１８は、依然として管壁温度Ｔｗがしきい温度Ｔ_１超である場合には、噴射ノズル４からの尿素水の噴射を継続する（Ｓ１００）。その一方で、管壁温度Ｔｗがしきい温度Ｔ_１以下になった場合には、噴射ノズル４からの尿素水の噴射を停止し、又は噴射量を低減した（Ｓ１１０）後に、上記のステップ１０へ戻るようにする。

このように、噴射ノズル４からの尿素水の噴射を開始後においても、管壁温度Ｔｗを監視することにより、排気管１への尿素由来物質の堆積に起因するＮＯｘの浄化性能の低下をより抑制することができる。

１排気管
２第１触媒コンバーター
３第２触媒コンバーター
４噴射ノズル
５連絡官
９ＳＣＲ触媒
１８制御装置
１９排ガス温度センサ
２０外気温度センサ

Claims

ディーゼルエンジンの排ガスが流れる排気管に上流側から順に設置された尿素水を供給する噴射ノズル及び選択型還元触媒と、前記ディーゼルエンジン及び前記噴射ノズルを制御する制御装置と、を備えた排ガス浄化装置において、
前記噴射ノズルの近傍における前記排ガスの温度及び外気の温度をそれぞれ測定する排ガス温度センサ及び外気温度センサを有し、
前記制御装置は、前記排ガス温度センサの測定値Ｔａ及び前記外気温度センサの測定値Ｔｂと、該制御装置が取得した前記排ガスの流量ｕと、下記の（１）〜（３）式とに基づいて算出した前記排気管の管壁温度Ｔｗが、予め設定されたしきい温度Ｔ_１よりも高くなったときに、前記噴射ノズルからの前記尿素水の噴射を開始する制御を行うように構成されていることを特徴とする排ガス浄化装置。
ｑ＝ｈ×Ａ×Ｅ×（Ｔａ−Ｔｂ）---（１）
Ｅ＝１−ｅ−（ｈ×Ａ／ｕ×Ｃｐ）／（ｈ×Ａ／ｕ×Ｃｐ）---（２）
Ｔｗ＝ｑ／（Ｇ×Ｃｐ）---（３）
但し、ｑ：排気管の熱量、ｈ：排気管の熱伝達率、Ａ：排気管の表面積、Ｅ：熱効率、ｅ：ネイピア数、ｕ：排ガス量、Ｃｐ：排ガスの定圧比熱、Ｇ：排気管の質量を、それぞれ示す。
前記制御装置は、前記噴射ノズルからの前記尿素水の噴射を開始後に、前記管壁温度Ｔｗが前記しきい温度Ｔ_１以下になったときには、該尿素水の噴射を停止、又は該尿素水の噴射量を低下させる制御を行うように構成されている請求項１に記載の排ガス浄化装置。
ディーゼルエンジンの排ガスが流れる排気管に上流側から順に設置された尿素水を供給する噴射ノズル及び選択型還元触媒を備えた排ガス浄化装置の制御方法であって、
前記噴射ノズルの近傍における前記排ガスの温度Ｔａ及び外気の温度Ｔｂと、前記排ガスの流量ｕと、下記の（１）〜（３）式とに基づいて算出した前記排気管の管壁温度Ｔｗが、予め設定されたしきい温度Ｔ_１よりも高くなったときに、前記噴射ノズルからの前記尿素水の噴射を開始することを特徴とする排ガス浄化装置の制御方法。
ｑ＝ｈ×Ａ×Ｅ×（Ｔａ−Ｔｂ）---（１）
Ｅ＝１−ｅ−（ｈ×Ａ／ｕ×Ｃｐ）／（ｈ×Ａ／ｕ×Ｃｐ）---（２）
Ｔｗ＝ｑ／（Ｇ×Ｃｐ）---（３）
但し、ｑ：排気管の熱量、ｈ：排気管の熱伝達率、Ａ：排気管の表面積、Ｅ：熱効率、ｅ：ネイピア数、ｕ：排ガス量、Ｃｐ：排ガスの定圧比熱、Ｇ：排気管の質量を、それぞれ示す。