JP2018150833A - 内燃機関の排気浄化制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯｘの浄化率の低下を抑制しつつミキサへの堆積物の発生を抑制することができる排気浄化制御装置を提供する。【解決手段】ＣＰＵ４２は、ミキサ２８の温度が第１閾値以上であって且つ第２閾値以下である所定温度領域においてはミキサ２８に堆積物が生じやすいことに鑑み、ミキサ２８の温度が所定温度領域から外れるように尿素水の添加量を制御する。すなわち、ＣＰＵ４２は、排気中のＮＯｘの全てと反応できる反応等量の尿素水を要求添加量として算出し、要求添加量の尿素水を添加した場合のミキサ２８の温度を予測する。そしてＣＰＵ４２は、予測される温度が所定温度領域に入って且つＳＣＲ３０のアンモニア吸着量が少ないことを条件に、添加量を要求添加量に対して増量する。【選択図】図１

Description

本発明は、排気通路に、上流側から順に、排気中に還元剤を添加する添加弁、前記添加弁により添加された還元剤を拡散させるミキサ、および選択還元型触媒が設けられた内燃機関に適用される内燃機関の排気浄化制御装置に関する。

たとえば特許文献１には、尿素水の添加量を、ミキサに堆積物が生じない範囲で設定する制御装置が記載されている。詳しくは、選択還元型触媒に流入する排気中のＮＯｘと過不足なく反応する尿素水の添加量に、選択還元型触媒中の還元剤の吸着量を目標値に制御するための添加量を加算した値を添加量の要求値とし、これに対して、ミキサに堆積物が発生しない上限値によって上限ガード処理を施したものを、最終的な添加量としている。

特開２０１６−３７９０３号公報

上記制御装置の場合、上限ガード処理によって、要求値が減量補正されることにより、ＮＯｘの浄化率が低下するおそれがある。

上記課題を解決すべく、内燃機関の排気浄化制御装置は、排気通路に、上流側から順に、排気中に還元剤を添加する添加弁、前記添加弁により添加された還元剤を拡散させるミキサ、および選択還元型触媒が設けられた内燃機関に適用され、前記添加弁による前記還元剤の添加量の要求量である要求添加量を算出する要求添加量算出処理と、前記要求添加量の前記還元剤を添加した場合の前記ミキサの温度が所定温度領域に入ると予測して且つ前記選択還元型触媒への前記還元剤の吸着量が閾値未満であることを条件に、前記還元剤の添加量を前記要求添加量に対して増量する増量処理と、を実行する。

還元剤の添加量が多い場合には少ない場合と比較して還元剤がミキサから奪う熱量が多くなることに起因して、ミキサの温度が低下する傾向がある。そこで上記構成では、要求添加量の還元剤を添加した場合に予測されるミキサの温度が所定温度領域に入って且つ吸着量が閾値未満であることを条件に、添加量を要求添加量よりも増量する。これにより、還元剤の添加によって生じるミキサの温度を所定温度領域よりも低温に制御することができる。このため、所定温度領域を、ミキサに堆積物が顕著に生じる温度領域に設定することにより、ミキサへの堆積物が生じることが抑制される温度にミキサの温度を制御することができる。しかもこの制御は添加量を増量することによって実現されるものであるため、ＮＯｘと反応する還元剤が不足する事態が生じることが抑制され、ひいてはＮＯｘの浄化率の低下を抑制しつつミキサに堆積物が生じることを抑制することができる。
さらに、吸着量が閾値未満であることを条件に、添加量を増量するため、還元剤が選択還元型触媒において吸着されずに漏れ出ることを抑制することもできる。

一実施形態にかかる排気浄化制御装置および内燃機関を示す図。 同実施形態にかかるミキサの表面温度と堆積量との関係を示す図。 同実施形態にかかる排気温度と堆積量との関係を示す図。 同実施形態にかかる添加処理の手順を示す図。

以下、排気浄化制御装置にかかる一実施形態について図面を参照しつつ説明する。

図１に示す内燃機関１０において、吸気通路１２から吸入された空気は、各気筒の燃焼室１４に吸入される。燃焼室１４には、燃焼室１４に燃料（たとえば軽油）を噴射する燃料噴射弁１６が設けられている。燃焼室１４において燃料と空気との混合気が燃焼に供されると、燃焼に供された混合気は、排気として、排気通路１８に排出される。排気通路には、酸化触媒２０やディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ２２）が設けられている。そして、排気通路１８のうちＤＰＦ２２よりも下流には、尿素タンク２４内の尿素水を排気中に添加すべく尿素水を噴射する添加弁２６が設けられている。排気通路１８のうち添加弁２６の下流には、添加弁２６から噴射された尿素水を拡散させる板状部材であるミキサ２８が設けられている。そして、ミキサ２８の下流には、選択還元型触媒（ＳＣＲ３０）が設けられている。

制御装置４０は、内燃機関１０を制御対象とし、内燃機関１０の制御量（トルク、排気成分）を制御するために、燃料噴射弁１６や添加弁２６等のアクチュエータを操作する。この際、制御装置４０は、エアフローメータ５０によって検出される吸入空気量Ｇａや、ＮＯｘセンサ５２によって検出されるＳＣＲ３０上流の排気中のＮＯｘ濃度、排気温センサ５４によって検出される添加弁２６の上流の排気温Ｔｅｘ、尿素水温センサ５６によって検出される尿素水温Ｔｓを参照する。制御装置４０は、ＣＰＵ４２、ＲＯＭ４４およびＲＡＭ４６を備えており、ＲＯＭ４４に記憶されたプログラムをＣＰＵ４２が実行することにより上記制御量の制御を実行する。

制御装置４０は、上記制御量としての内燃機関１０の外部に排出される排気成分を制御すべく、添加弁２６を操作する。ここで、本実施形態では、ミキサ２８の表面温度が図２に示す第１閾値Ｔｍ１と第２閾値Ｔｍ２との間に入らないように添加弁２６を操作する。

図２に、ミキサ２８の表面温度と、ミキサ２８への堆積量との関係を示す。詳しくは、三角のプロットは、添加量が「８０ｇ／ｈ」の場合の関係を示し、四角のプロットは、「４０ｇ／ｈ」の場合の関係を示し、ひし形のプロットは、「２０ｇ／ｈ」の場合の関係を示す。

図２に示すように、ミキサ２８に堆積物が生じるか否かは、ミキサ２８の温度に大きく依存する。すなわち、添加弁２６による排気中への尿素水の添加量にかかわらず、堆積物が顕著に生じるミキサ２８の温度領域が存在する。本実施形態では、この温度領域の下限値を第１閾値Ｔｍ１とし上限値を第２閾値Ｔｍ２とする。ちなみに、添加弁２６から噴射された尿素水は、時間の経過とともに、ビウレット、トリウレット、シアヌル酸、アンメリド、アンメリン、メラミンへと変質し得る。ここで、シアヌル酸以降は、不溶性であるため、堆積物になりやすい。しかし、温度が低い場合には、シアヌル酸以降にまで変質しにくい。これが、第１閾値Ｔｍ１よりも低い温度領域において堆積量が多くなりにくい理由である。一方、温度が高い場合には、熱分解しやすいため、堆積物が生じにくい。これが、第２閾値Ｔｍ２よりも高い温度領域において堆積物が多くなりにくい理由である。

一方、図３に、排気温と堆積量との関係を示す。なお、三角のプロットは、添加量が「８０ｇ／ｈ」の場合の関係を示し、四角のプロットは、「４０ｇ／ｈ」の場合の関係を示し、ひし形のプロットは、「２０ｇ／ｈ」の場合の関係を示す。

図３に示すように、堆積物が顕著に生じる排気温の温度領域は添加量に依存する。このため、たとえば過渡運転状態等において、どのように添加条件を設定すれば堆積物の発生を抑制することができるのかを特定することが困難となる。本実施形態は、ミキサ２８の温度に着目することによって、堆積物の発生を抑制するうえで必要な制御を明確化した。すなわち、ミキサ２８の温度が第１閾値Ｔｍ１と第２閾値Ｔｍ２とによって特定される温度領域から外れるように添加量を設定することによって堆積物の発生の抑制を図る。

図４に、上記添加量の設定の処理手順を示す。図４に示す処理は、ＲＯＭ４４に記憶されたプログラムをＣＰＵ４２が所定周期で繰り返し実行することにより実現される。

図４に示す一連の処理において、ＣＰＵ４２は、まず、排気への尿素水の添加要求があるか否かを判定する（Ｓ１０）。ここでＣＰＵ４２は、ＳＣＲ３０によるＮＯｘ還元処理の要求があることを条件に、添加要求があると判定する。そしてＣＰＵ４２は、添加要求があると判定する場合（Ｓ１０：ＹＥＳ）、ミキサ２８の温度Ｔｍを取得する（Ｓ１２）。ミキサ２８の温度Ｔｍは、ＣＰＵ４２が、図２に示す処理とは別の処理によって算出するものである。具体的には、ＣＰＵ４２は、ミキサ２８の温度Ｔｍを、排気温Ｔｅｘと尿素水温Ｔｓとの間の値に算出する。詳しくは、ＣＰＵ４２は、添加をしていない時間が長くなるほど、温度Ｔｍを排気温Ｔｅｘに近づく値に算出する。また、ＣＰＵ４２は、添加と添加との間の間隔が同一である場合、添加量が多い場合に少ない場合よりも温度Ｔｍを尿素水温Ｔｓに近づける。

次にＣＰＵ４２は、尿素水の添加量の要求量である要求添加量Ｄａを算出する（Ｓ１４）。すなわち、ＣＰＵ４２は、吸入空気量Ｇａから排気量を把握し、排気量とＮＯｘ濃度とに基づき、排気中のＮＯｘ量を算出し、このＮＯｘ量のＮＯｘと過不足なく反応できる量の尿素水量を反応等量として算出し、これを要求添加量Ｄａとする。

次にＣＰＵ４２は、添加弁２６から要求添加量Ｄａの尿素水を添加した場合のミキサ２８の温度Ｔｍｅを予測する（Ｓ１６）。具体的には、ＣＰＵ４２は、温度Ｔｍｅを、排気温Ｔｅｘと尿素水温Ｔｓとの間の値に予測する。詳しくは、ＣＰＵ４２は、要求添加量Ｄａが同一である場合、排気温Ｔｅｘが高い場合に低い場合よりも温度Ｔｍｅを高い値に予測する。また、ＣＰＵ４２は、排気温Ｔｅｘが同一である場合、要求添加量Ｄａが多い場合に少ない場合よりも温度Ｔｍｅを低い値に予測する。

次にＣＰＵ４２は、ミキサ２８の現在の温度Ｔｍが第１閾値Ｔｍ１よりも低いか否かを判定する（Ｓ１８）。ＣＰＵ４２は、温度Ｔｍが第１閾値Ｔｍ１よりも低いと判定する場合（Ｓ１８：ＹＥＳ）、添加弁２６による尿素水の添加量を要求添加量Ｄａとする通常添加処理を実行する（Ｓ２０）。

一方、ＣＰＵ４２は、第１閾値Ｔｍ１以上であると判定する場合（Ｓ１８：ＮＯ）、温度Ｔｍが第２閾値Ｔｍ２以下であるか否かを判定する（Ｓ２２）。ＣＰＵ４２は、第２閾値Ｔｍ２以下であると判定する場合（Ｓ２２：ＹＥＳ）、予測した温度Ｔｍｅが第１閾値Ｔｍ１よりも低いか否かを判定する（Ｓ２４）。そして、ＣＰＵ４２は、第１閾値Ｔｍ１よりも低いと判定する場合（Ｓ２４：ＹＥＳ）、Ｓ２０の処理に移行する。これは、添加弁２６による尿素水の添加量を要求添加量Ｄａとする通常添加処理によって、ミキサ２８の温度が第１閾値Ｔｍ１よりも低い温度となると予測されることから、通常添加処理によって堆積物が顕著に生じることがないと予測されるためである。

これに対し、ＣＰＵ４２は、第１閾値Ｔｍ１以上であると判定する場合（Ｓ２４：ＮＯ）、ＳＣＲ３０におけるアンモニアの吸着量が閾値ＴＨ以上であるか否かを判定する（Ｓ２６）。この処理は、要求添加量Ｄａの尿素水を添加しなくても、ＳＣＲ３０に吸着されているアンモニアによって、排気中のＮＯｘを十分に還元できるか否かを判定するためのものである。ここで、吸着量は、図２に示す処理とは別の処理によってＣＰＵ４２に算出されるものである。ＣＰＵ４２は、添加量のうち上記反応等量を超過する量を算出することによって、吸着量を算出する。

ＣＰＵ４２は、吸着量が閾値ＴＨ以上であると判定する場合（Ｓ２６：ＹＥＳ）、尿素水の添加を停止する（Ｓ２８）。すなわち、ミキサ２８の温度が第１閾値Ｔｍ１以上であって第２閾値Ｔｍ２以下の領域に入る状態における尿素水の添加を回避する。これに対し、ＣＰＵ４２は、吸着量が閾値ＴＨ未満であると判定する場合（Ｓ２６：ＮＯ）、ミキサ２８の温度Ｔｍが第１閾値Ｔｍ１よりも低くなるように添加量を要求添加量Ｄａに対して増量する増量処理を実行する（Ｓ３０）。これは、吸着量が少ないため、添加を停止する場合には排気中のＮＯｘを十分に還元できないおそれがあることと、反応等量を超過した尿素水を添加してもＳＣＲ３０において過剰なアンモニアが吸着されることとに鑑みた処理である。

これに対し、ＣＰＵ４２は、ミキサ２８の温度Ｔｍが第２閾値Ｔｍ２よりも高いと判定する場合（Ｓ２２：ＮＯ）、予測した温度Ｔｍｅが第２閾値Ｔｍ２以下であるか否かを判定する（Ｓ３２）。そしてＣＰＵ４２は、温度Ｔｍｅが第２閾値Ｔｍ２よりも高いと判定する場合（Ｓ３２：ＮＯ）、通常添加処理に移行する（Ｓ２０）。これは、ミキサ２８の温度Ｔｍが第２閾値Ｔｍ２よりも高い状態で要求添加量Ｄａの尿素水を添加することができることから、堆積物が生じにくいことに鑑みたものである。

一方、ＣＰＵ４２は、温度Ｔｍｅが第２閾値Ｔｍ２以下であると判定する場合（Ｓ３２：ＹＥＳ）、予測した温度Ｔｍｅが第１閾値Ｔｍ１よりも低いか否かを判定する（Ｓ３４）。そしてＣＰＵ４２は、第１閾値Ｔｍ１よりも低いと判定する場合（Ｓ３４：ＹＥＳ）、通常添加処理に移行する（Ｓ２０）。これは、要求添加量Ｄａの尿素水を添加することによってミキサ２８の温度Ｔｍを第１閾値Ｔｍ１よりも低くすることができることから、堆積物が生じにくいことに鑑みたものである。

これに対しＣＰＵ４２は、予測した温度Ｔｍｅが第１閾値Ｔｍ１以上であると判定する場合（Ｓ３４：ＮＯ）、ＳＣＲ３０におけるアンモニアの吸着量が閾値ＴＨ以上であるか否かを判定する（Ｓ３６）。そしてＣＰＵ４２は、吸着量が閾値ＴＨ以上であると判定する場合（Ｓ３６：ＹＥＳ）、添加量を要求添加量Ｄａに対して減量し、ミキサ２８の温度が第２閾値Ｔｍ２を超える範囲で尿素水を添加する（Ｓ３８）。また、ＣＰＵ４２は、吸着量が閾値ＴＨ未満であると判定する場合（Ｓ３６：ＮＯ）、ミキサ２８の温度Ｔｍが第１閾値Ｔｍ１よりも低くなるように、尿素水の添加量を要求添加量Ｄａに対して増量する増量処理を実行する（Ｓ４０）。

なお、ＣＰＵ４２は、Ｓ２０，Ｓ２８，Ｓ３０，Ｓ３８，Ｓ４０の処理が完了する場合や、Ｓ１０において否定判定する場合には、図４に示す一連の処理を一旦終了する。
ここで本実施形態の作用を説明する。

ＣＰＵ４２は、ミキサ２８の現在の温度Ｔｍが第１閾値Ｔｍ１と第２閾値Ｔｍ２とによって定まる所定温度領域に入って且つ、要求添加量Ｄａを添加した場合に予測される温度Ｔｍｅも所定温度領域に入る場合、吸着量が閾値ＴＨ未満であることを条件に、添加量を増量させる。これにより、増量しない場合と比較してミキサ２８に衝突する尿素水の量が増え、ひいては尿素水がミキサ２８から奪う熱量が増えることから、増量しない場合よりもミキサ２８の温度が低下する。そしてこれにより、ミキサ２８の温度Ｔｍを、所定温度領域から外すことができる。

また吸着量が閾値ＴＨ以上である場合には、添加処理を停止することにより、増量しつつ添加をすることによってＳＣＲ３０に吸着しきれない量のアンモニアが流入しＳＣＲ３０の下流にアンモニアがスリップすることを抑制することができる。
以上説明した本実施形態によれば、さらに以下に記載する効果が得られる。

（１）ＣＰＵ４２は、ミキサ２８の温度Ｔｍが第２閾値Ｔｍ２を超える場合であって要求添加量Ｄａの添加をした場合に予測される温度Ｔｍｅが第１閾値Ｔｍ１と第２閾値Ｔｍ２との間に入る場合、吸着量が閾値ＴＨ未満であることを条件に、ミキサ２８の温度Ｔｍが添加によって第１閾値Ｔｍ１未満となるように、添加量を増量した。これにより、ミキサ２８の温度Ｔｍを堆積物が生じにくい温度としつつ尿素水を添加することができる。しかも、吸着量が少ないため、添加量の増量によって、ＳＣＲ３０に吸着しきれない量のアンモニアが流入し、ＳＣＲ３０の下流にアンモニアがスリップすることを抑制することができる。

（２）ＣＰＵ４２は、ミキサ２８の温度Ｔｍが第２閾値Ｔｍ２を超える場合であって要求添加量Ｄａの添加をした場合に予測される温度Ｔｍｅが第１閾値Ｔｍ１と第２閾値Ｔｍ２との間に入る場合、吸着量が閾値ＴＨ以上であることを条件に、ミキサ２８の温度Ｔｍが添加によっても第２閾値Ｔｍ２を超えた状態を維持できるように、添加量を減量した。これにより、増量しつつ添加をする場合のようにＳＣＲ３０に吸着しきれない量のアンモニアが流入しＳＣＲ３０の下流にアンモニアがスリップすることを抑制することができる。しかも、吸着量が閾値ＴＨ以上であるため、排気中のＮＯｘの全てと反応することができる量のアンモニアを確保することも可能となる。
＜対応関係＞

上記実施形態における事項と、上記「課題を解決するための手段」の欄に記載した事項との対応関係は、次の通りである。要求添加量算出処理は、Ｓ１４の処理に対応し、増量処理は、Ｓ３０の処理に対応し、排気浄化制御装置は、制御装置４０に対応する。
＜その他の実施形態＞
なお、上記実施形態の各事項の少なくとも１つを、以下のように変更してもよい。

・上記実施形態では、ミキサ２８の温度Ｔｍが第２閾値Ｔｍ２を超える場合であって予測される温度Ｔｍｅが第１閾値Ｔｍ１と第２閾値Ｔｍ２との間に入る場合、吸着量が閾値ＴＨ以上であるなら、予測される温度Ｔｍｅが第２閾値Ｔｍ２以上となるように添加量を減量したが、これに限らない。たとえば、添加処理を停止してもよい。

・図２のＳ２８の処理に代えて、添加量を要求添加量Ｄａに対して減量する処理としてもよい。この場合、ミキサ２８に到達する尿素水量が減量されることから、堆積物の発生を抑制することができる。また、予測される温度Ｔｍｅが第２閾値Ｔｍ２を超える場合には、堆積物の発生を十分に抑制することができる。

・図２の処理において、Ｓ１８の処理を削除してもよい。これにより、たとえば要求添加量Ｄａの尿素水を添加した場合に予測される温度Ｔｍｅが第１閾値Ｔｍ１未満となる場合と、第２閾値Ｔｍ２を超える場合とに限って通常添加処理を実行することとなる。したがって、たとえば過渡運転時等において、現在のミキサ２８の温度Ｔｍは第１閾値Ｔｍ１よりも低いものの、新たに算出された要求添加量Ｄａの尿素水の添加によってミキサ２８の温度Ｔｍが第１閾値Ｔｍ１を超える事態が生じる場合には、通常添加処理を回避することができる。

・上記実施形態では、温度Ｔｍを推定値としたが、これに限らず、たとえばＳＣＲ３０にサーミスタ等の温度センサを設けるなどして、ＳＣＲ３０の温度の検出値としてもよい。

・排気浄化制御装置としては、ＣＰＵ４２とＲＯＭ４４とを備えて、ソフトウェア処理を実行するものに限らない。たとえば、上記実施形態においてソフトウェア処理されたものの少なくとも一部を、ハードウェア処理する専用のハードウェア回路（たとえばＡＳＩＣ等）を備えてもよい。

１０…内燃機関、１２…吸気通路、１４…燃焼室、１６…燃料噴射弁、１８…排気通路、２０…酸化触媒、２２…ＤＰＦ、２４…尿素タンク、２６…添加弁、２８…ミキサ、３０…ＳＣＲ、４０…制御装置、４２…ＣＰＵ、４４…ＲＯＭ、４６…ＲＡＭ、５０…エアフローメータ、５２…ＮＯｘセンサ、５４…排気温センサ、５６…尿素水温センサ。

Claims (1)

1. 排気通路に、上流側から順に、排気中に還元剤を添加する添加弁、前記添加弁により添加された還元剤を拡散させるミキサ、および選択還元型触媒が設けられた内燃機関に適用され、
   前記添加弁による前記還元剤の添加量の要求量である要求添加量を算出する要求添加量算出処理と、
   前記要求添加量の前記還元剤を添加した場合の前記ミキサの温度が所定温度領域に入ると予測して且つ前記選択還元型触媒への前記還元剤の吸着量が閾値未満であることを条件に、前記還元剤の添加量を前記要求添加量に対して増量する増量処理と、を実行する内燃機関の排気浄化制御装置。

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