JP2019002286A - 内燃機関の排気浄化制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】遮蔽板への還元剤の付着を抑制できるようにした排気浄化制御装置を提供する。
【解決手段】添加弁４４は排気の上流側に還元剤を噴射する。添加弁４４から噴射された還元剤は、遮蔽板５０によってそれよりも上流側に流入することが抑制されている。遮蔽板５０には、ヒータ５２が設けられている。低排気流量且つ低排気温である場合、ヒータ５２の通電によって、遮蔽板の温度が、還元剤にライデンフロスト現象が生じる温度以上の温度に制御される。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に、触媒と、該触媒よりも上流側に配置されて排気に還元剤を添加する添加弁と、が設けられた排気浄化装置に適用される内燃機関の排気浄化制御装置に関する。

たとえば下記特許文献１には、触媒よりも上流側に配置された添加弁により、排気の上流側に向けて還元剤を噴射する排気浄化装置が記載されている。これは、タービンによって生成された排気の旋回乱流によって、還元剤の霧化や排気との混合を促進することを狙ったものである。

特開２００６−３０７７３４号公報

ところで、排気の上流側に向けて還元剤を噴射する場合、過給機等、添加弁の上流側の部品に還元剤が到達するおそれがある。このため、発明者は、添加弁の上流側に、還元剤がさらに上流へと到達することを抑制するための遮蔽板を配置することを考えた。しかし、その場合、遮蔽板に還元剤が当たり続けることにより、遮蔽板に還元剤の液膜が生じ、その液膜が触媒に流入することによって、触媒において局所的に還元剤の濃度が過度に濃くなる部分が生じるおそれがある。

上記課題を解決すべく、内燃機関の排気通路に、触媒と、該触媒よりも上流側に配置されて排気に還元剤を添加する添加弁と、が設けられた排気浄化装置に適用される内燃機関の排気浄化制御装置において、前記添加弁は、前記排気の上流側に向けて前記還元剤を噴射するものであり、前記添加弁の上流側には、該添加弁から噴射された前記還元剤がそれ以上上流側に移動することを抑制する遮蔽板が設けられており、前記排気浄化装置は、前記遮蔽板を加熱するヒータを備え、前記ヒータの通電制御によって前記遮蔽板の温度を、ライデンフロスト現象が生じる温度以上の温度に制御する加熱処理を実行する。

上記構成では、遮蔽板の温度を、還元剤にライデンフロスト現象が生じる温度以上の温度に制御する。これにより、遮蔽板の表面に還元剤の気体層が生じるため、遮蔽板に衝突しようとする還元剤の多くは、遮蔽板に付着することなくはじかれる。このため、遮蔽板に還元剤が一旦付着して蒸発する場合と比較すると、遮蔽板の温度を所定値に保つために必要なヒータへの通電電力を低減できる。なお、遮蔽板に付着することなくはじかれた還元剤は、排気と均質にまじりあって触媒に流入するため、触媒における還元剤の濃度分布のばらつきが抑制される。

第１の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排気浄化装置の構成を示す図。 同実施形態にかかる排気浄化制御装置が実行する処理の手順を示す流れ図。 同実施形態の効果を示す図。 第２の実施形態にかかる排気浄化装置の構成を示す図。 第３の実施形態にかかる排気浄化装置の構成を示す図。 同実施形態にかかる排気浄化制御装置が実行する処理の手順を示す流れ図。 第４の実施形態にかかる排気浄化装置の構成を示す図。

＜第１の実施形態＞
以下、内燃機関の排気浄化制御装置にかかる第１の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に吸入された空気は、過給機１４を介してスロットルバルブ１６の下流側に流入し、吸気弁１８の開動作に伴って、シリンダ２０およびピストン２２によって区画される燃焼室２４内に流入する。燃焼室２４には、燃料噴射弁２６が設けられており、燃料噴射弁２６から噴射された燃料と燃焼室２４内に流入した空気との混合気が圧縮着火によって燃焼に供される。混合気の燃焼エネルギは、ピストン２２を介してクランク軸２８の回転エネルギに変換される。燃焼室２４内において燃焼に供された混合気は、排気弁３０の開動作に伴って、排気として、排気通路３２に排出される。吸気通路１２と排気通路３２とは、ＥＧＲ通路４０によって接続されており、ＥＧＲ通路４０には、その流路断面積を調整するＥＧＲバルブ４２が設けられている。

排気通路３２には、過給機１４の下流に触媒３４が設けられている。触媒３４は、触媒担体に貴金属の触媒粒子が担持され、さらに、触媒担体に塩基性層が担持されたものである。ここで、触媒担体としては、たとえばアルミナ等を用いることができ、触媒粒子としては、たとえば白金およびロジウムを用いることができ、塩基性層としては、アルカリ金属やアルカリ土類金属等を用いることができる。触媒３４は、触媒３４に流入する排気中の炭化水素の濃度を、規定範囲（たとえば２００〜１００００ｐｐｍ）の振幅且つ規定範囲（たとえば０．３〜５秒）の時間間隔で振動させることによって、排気中のＮＯｘを還元し、時間間隔を規定範囲内の値よりも長くする場合、ＮＯｘ吸蔵量が増加する性質を有する。

触媒３４に流入する排気中の炭化水素の濃度を上記のように振動させると、触媒３４に流入する排気中のＨＣ濃度が低い期間の長さを制限し、排気中のＮＯが酸化されて活性を有する二酸化窒素が生成された後、硝酸塩の形で触媒３４内に吸蔵される前にＨＣ濃度を高くして触媒３４において還元性中間体を生成させることができる。そして、再度、ＨＣ濃度が低くなり、酸素濃度が高くなることにより、還元性中間体を、活性を有した二酸化窒素と反応させることによりＮＯｘを浄化することができる。なお、この制御およびＮＯｘ浄化のメカニズムについては、たとえば特許第４８９３８７６号に記載されている。
排気通路３２のうち触媒３４の上流であって過給機１４の下流には、還元剤（ここでは、軽油）を噴射する添加弁４４と、遮蔽板５０とが設けられている。

図２に、排気通路３２のうち遮蔽板５０の付近を拡大して示す。図２には、添加弁４４から噴射された還元剤の移動軌跡ＳＹを模式的に示している。図２に示すように、添加弁４４は、排気の上流側に還元剤を噴射する。ここで、排気の上流側に還元剤を噴射するとは、排気の流動方向Ｄｅｘと還元剤の噴射方向Ｄｓｙとのなす角度が鈍角となることとする。なお、還元剤の噴射方向Ｄｓｙは、還元剤の軌跡の重心の移動方向とすればよい。また、排気の流動方向Ｄｅｘは、移動軌跡ＳＹ部分における排気通路３２の延伸方向とすればよい。一方、遮蔽板５０は、添加弁４４よりも上流側に設けられている。これは、添加弁４４から噴射された還元剤が過給機１４に到達することを抑制することを狙ったものである。なお、遮蔽板５０のうち添加弁４４に対向する面には、ヒータ５２と、熱電対等の温度センサ７６とが設けられている。

図１に戻り、制御装置６０は、内燃機関１０を制御対象とし、スロットルバルブ１６や、燃料噴射弁２６、ＥＧＲバルブ４２、添加弁４４、ヒータ５２等の各種操作対象機器を操作することによって、制御量（トルク、排気成分）を制御する。たとえば、制御装置６０は、排気成分を制御すべく、触媒３４に流入する排気中の炭化水素の濃度が、上記規定範囲の振幅且つ上記規定範囲の時間間隔で振動するように添加弁４４を操作する。制御装置６０は、制御量の制御に際し、エアフローメータ７０によって検出される吸入空気量Ｇａや、排気温センサ７２によって検出される過給機１４から排出される排気の温度（排気温Ｔｅｘ）、クランク角センサ７４の出力信号Ｓｃｒ、上記温度センサ７６によって検出される遮蔽板温度Ｔｓを取り込む。制御装置６０は、ＣＰＵ６２、ＲＯＭ６４およびＲＡＭ６６を備えており、ＲＯＭ６４に記憶されたプログラムをＣＰＵ６２が実行することにより、上記制御量の制御を実行する。

図３に、制御量の制御のために、ＣＰＵ６２が実行する１処理の手順を示す。図３に示す処理は、ＲＯＭ６４に記憶されたプログラムをＣＰＵ６２が実行することにより実現される。なお、以下では、先頭に「Ｓ」が付与された数字によってステップ番号を表現する。

図３に示す一連の処理において、ＣＰＵ６２は、まず、吸入空気量Ｇａと燃料噴射弁２６から噴射される噴射量とに基づき、排気流量Ｇｅｘを算出する（Ｓ１０）。次にＣＰＵ６２は、排気温Ｔｅｘを取得する（Ｓ１２）。そしてＣＰＵ６２は、排気流量Ｇｅｘが、閾値Ｇｔｈ以下であるか否かを判定する（Ｓ１４）。この処理は、添加弁４４から噴射した還元剤が遮蔽板５０に付着する現象が顕在化するか否かを判定するためのものである。すなわち、添加弁４４から噴射された還元剤は、排気流量Ｇｅｘが小さい場合には排気とぶつかることによる微粒化の度合いが小さい。排気流量Ｇｅｘが小さい場合に微粒化される度合いが小さくなる現象は、排気温Ｔｅｘが低い場合に特に顕著となる。このため、低排気流量且つ低排気温度である場合には、添加弁４４から噴射された還元剤が遮蔽板５０に付着しやすい。なお、ＣＰＵ６２は、閾値Ｇｔｈを排気温Ｔｅｘが低い場合に高い場合よりも小さい値に設定する。

ＣＰＵ６２は、排気流量Ｇｅｘが閾値Ｇｔｈ以下であると判定する場合（Ｓ１４：ＹＥＳ）、ヒータ５２の通電制御によって遮蔽板５０を加熱処理する（Ｓ１６）。詳しくはＣＰＵ６２は、遮蔽板温度Ｔｓを、流入する還元剤にライデンフロスト現象が生じる温度以上の温度（たとえば２７０°Ｃ）にフィードバック制御する。なお、ＣＰＵ６２は、Ｓ１６の処理が完了する場合や、Ｓ１４において否定判定する場合には、図３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。

ＣＰＵ６２は、触媒３４に流入する排気中の炭化水素の濃度が、上記規定範囲の振幅且つ上記規定範囲の時間間隔で振動するように添加弁４４を操作する。添加弁４４により、還元剤は、排気の上流に噴射されることから、排気とぶつかることによって微粒化が促進され、また触媒３４に流入するときには排気に十分に均一に混ざり合った状態となる。ただし、低排気流量且つ低排気温度の場合には、微粒化される度合いが小さいことなどから、添加弁４４から噴射された還元剤は、大きな液滴のまま比較的遠くに到達し得る。ここで、過給機１４等、添加弁４４の上流側の部品に還元剤が付着すると、デポジットとなり部品の経年劣化を引き起こすことが懸念される。このため、遮蔽板５０を設けることによって、低排気流量且つ低排気温度であっても還元剤が過給機１４等に到達することを抑制している。

ただし、遮蔽板５０を設ける場合、低排気流量且つ低排気温度において、遮蔽板５０に還元剤の液膜が付着するおそれがある。遮蔽板５０に還元剤の液膜が付着すると、この液膜が液体のまま下流側に流動し、触媒３４に流入する。そしてこれにより触媒３４に局所的に還元剤の濃度が過度に高い領域が生じ、その領域の温度が過度に上昇することによって、触媒３４の劣化を招くおそれがある。

そこでＣＰＵ６２は、低排気流量且つ低排気温度の場合、遮蔽板５０を加熱処理することによって、遮蔽板５０に液膜が付着することを抑制する。特に、ＣＰＵ６２は、遮蔽板温度Ｔｓを、還元剤にライデンフロスト現象が生じる温度以上の温度に制御する。これにより、遮蔽板５０の表面に還元剤の気体層が生じるため、遮蔽板５０に衝突しようとする還元剤の多くは、遮蔽板５０に付着することなくはじかれる。このため、遮蔽板５０に還元剤が一旦付着して蒸発する場合と比較すると、遮蔽板温度Ｔｓを所定値に保つために必要なヒータ５２への通電電力を低減できる。なお、遮蔽板５０に付着することなくはじかれた還元剤は、排気と均質にまじりあって触媒３４に流入するため、触媒３４における還元剤の濃度分布のばらつきが抑制される。

図４に、触媒３４の局所的な床温の最大値および最小値の差（触媒床温の温度差）と、制御開始時の遮蔽板温度Ｔｓとの関係を示す。図４は、吸入空気量Ｇａが「２０ｍ／ｓ」であり、添加弁４４からの燃料の噴射圧が「０．７ＭＰａ」であり、添加弁４４からの噴射時間が「２０ｍｓ」である例を示した。図４は、遮蔽板温度Ｔｓがライデンフロスト現象が生じる温度である「２７０°Ｃ」以上の温度となることにより、温度差が十分に低下することを示す。これは、遮蔽板５０に還元剤が付着しにくくなったため、遮蔽板５０に付着した液膜が触媒３４に逆流して触媒３４の温度差を生じさせる現象が生じにくくなったためであると推察される。なお、図４において、ライデンフロスト現象が生じる温度よりも遮蔽板温度Ｔｓが低い場合に触媒３４の局所的な温度同士の差が大きくなるのは、遮蔽板５０に還元剤が付着することによって遮蔽板５０の温度が低下し、遮蔽板５０に還元剤の液膜が生じてこの液膜が触媒３４に流入したためである。ちなみに、ライデンフロスト現象が生じる温度よりも遮蔽板温度Ｔｓの目標値を低い温度に設定する場合において、遮蔽板温度Ｔｓが目標値に対して大きく落ち込むことを抑制するうえでは、ヒータ５２に対する通電電力を増大させる必要がある。このため、この場合には、触媒３４の局所的な温度同士の差を抑制できるものの、本実施形態と比較して消費電力が増大する。
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）排気流量が少なく排気温Ｔｅｘも低いことを条件にヒータ５２に通電することにより、ヒータ５２に通電をしないと仮定すると遮蔽板５０への還元剤の付着が顕在化することを条件にヒータ５２を通電することができる。
＜第２の実施形態＞
以下、第２の実施形態について、第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

図５に、本実施形態における排気通路３２のうち遮蔽板５０の付近を拡大して示す。なお、図５において、図２に示した部材に対応する部材については、便宜上、同一の符号を付している。

図５に示すように、遮蔽板５０のうち添加弁４４に対向する側の面に、撥油コーティング５４を施す。撥油コーティング５４は、たとえばフッ素樹脂や、ＳｉＯ等を材料とするものである。これにより、撥油コーティング５４がなされた遮蔽板５０の表面に還元剤が到達したとしても、還元剤が撥油コーティング５４がなされた遮蔽板５０の表面に付着することが抑制される。これにより、加熱処理との協働で遮蔽板５０への還元剤の付着をいっそう抑制することができる。
＜第３の実施形態＞
以下、第３の実施形態について、第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

図６に、本実施形態における排気通路３２のうち遮蔽板５０の付近を拡大して示す。なお、図６において、図２に示した部材に対応する部材については、便宜上、同一の符号を付している。

図６に示すように、本実施形態では、遮蔽板５０の付近に、遮蔽板５０付近の排気の流れを制御する気流制御弁８０を設ける。気流制御弁８０は、排気通路３２における遮蔽板５０付近の流路断面積を変更する部材である。特に、気流制御弁８０は、流路断面積を小さくする場合、気流制御弁８０と遮蔽板５０との距離を短くし、また図６に一点鎖線にて示すように、気流制御弁８０にぶつかる排気を遮蔽板５０側に案内する。これにより、気流制御弁８０が流路断面積を小さくする配置とされる場合（図６中、実線）、流路断面積を大きくする配置とされる場合（図６中、破線）と比較して、遮蔽板５０付近の排気流量が大きくなる。

図７に、制御量の制御のために、ＣＰＵ６２が実行する１処理の手順を示す。図７に示す処理は、ＲＯＭ６４に記憶されたプログラムをＣＰＵ６２が実行することにより実現される。

図７に示す一連の処理において、ＣＰＵ６２は、まず、吸入空気量Ｇａを取得する（Ｓ２０）。またＣＰＵ６２は、排気温Ｔｅｘを取得する（Ｓ２２）。次に、ＣＰＵ６２は、吸入空気量Ｇａが閾値Ｇａｔｈ以下であるか否かを判定する（Ｓ２４）。ここで、ＣＰＵ６２は、排気温Ｔｅｘが低い場合に高い場合よりも閾値Ｇａｔｈを小さい値に設定する。この処理は、図３のＳ１４の処理に対応する処理であり、本実施形態では、吸入空気量Ｇａを、排気流量Ｇｅｘに代えて用いている。

ＣＰＵ６２は、閾値Ｇａｔｈよりも大きいと判定する場合（Ｓ２４：ＮＯ）、図６に破線にて示したように気流制御弁８０による排気通路３２の流路断面積を大とする（Ｓ２６）。これに対し、ＣＰＵ６２は、閾値Ｇａｔｈ以下であると判定する場合（Ｓ２４：ＹＥＳ）、図６に実線にて示したように気流制御弁８０による排気通路３２の流路断面積を小とする（Ｓ２８）。そして、ＣＰＵ６２は、遮蔽板温度Ｔｓをライデンフロスト現象が生じる目標温度に制御すべくヒータ５２の通電操作をする（Ｓ３０）。
ここで、本実施形態の作用を説明する。

ＣＰＵ６２は、吸入空気量Ｇａが閾値Ｇａｔｈ以下であると判定する場合、気流制御弁８０によって排気通路３２の流路断面積を小とする。これにより、気流制御弁８０によって排気通路３２の流路断面積を大とする場合と比較して、遮蔽板５０付近の排気流量が増量されることから、添加弁４４から噴射された還元剤が遮蔽板５０へと到達することが抑制される。しかも遮蔽板５０に到達する還元剤は加熱され蒸発することにより、遮蔽板５０に付着することが抑制される。
＜第４の実施形態＞
以下、第４の実施形態について、第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

図８に、本実施形態における排気通路３２のうち遮蔽板５０の付近を拡大して示す。なお、図８において、図２に示した部材に対応する部材については、便宜上、同一の符号を付している。

図８に示すように、本実施形態では、遮蔽板５０に、排気の上流側の壁面および下流側の壁面間を貫通する孔５０ａを設ける。孔５０ａは、還元剤の噴霧の平均粒径以下の直径（たとえば、１００μｍ以下）を有する。これにより、孔５０ａを介して排気の上流側から下流側に排気が流通することから、孔５０ａを設けない場合と比較すると、遮蔽板５０のうち添加弁４４に対向する面付近の排気流量を増加させることができ、ひいては孔５０ａを設けない場合と比較して遮蔽板５０に還元剤が到達しにくくすることができる。これにより、加熱処理との協働で遮蔽板５０への還元剤の付着をいっそう抑制することができる。
＜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。排気浄化制御装置は、制御装置６０に対応し、加熱処理は、Ｓ１６，Ｓ３０の処理に対応する。
＜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。

・加熱処理を実行するか否かの判定処理としては、図３または図７に例示したものに限らない。たとえば、排気流量Ｇｅｘが閾値以下であることと、排気温Ｔｅｘが閾値温度以下であることとの論理積が真である場合に実行すると判定してもよい。
・加熱処理としては、遮蔽板温度Ｔｓを目標温度にフィードバック制御するものに限らず、開ループ制御するものであってもよい。

・遮蔽板５０への還元剤の付着を抑制すべく、加熱処理と組み合わせる構成または制御としては、上記第２〜第４の実施形態に例示したものに限らない。たとえば、上記第２〜第４の実施形態のそれぞれにおいて加熱処理と組み合わせる構成または制御のうち２つ以上を、加熱処理と組み合わせてもよい。

・還元剤の添加処理としては、上記実施形態で例示したものに限らない。たとえば触媒３４内にＮＯｘを吸蔵し、吸蔵したＮＯｘを触媒３４によって還元浄化する処理としてもよい。
・触媒３４としては、上述したものに限らず、たとえば選択還元型触媒であってもよい。この場合、還元剤を尿素水とすればよい。

・排気浄化制御装置としては、ＣＰＵ６２とＲＯＭ６４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…過給機、１６…スロットルバルブ、１８…吸気弁、２０…シリンダ、２２…ピストン、２４…燃焼室、２６…燃料噴射弁、２８…クランク軸、３０…排気弁、３２…排気通路、３４…触媒、４０…ＥＧＲ通路、４２…ＥＧＲバルブ、４４…添加弁、５０…遮蔽板、５０ａ…孔、５２…ヒータ、５４…撥油コーティング、６０…制御装置、６２…ＣＰＵ、６４…ＲＯＭ、６６…ＲＡＭ、７０…エアフローメータ、７２…排気温センサ、７４…クランク角センサ、７６…温度センサ、８０…気流制御弁。

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路に、触媒と、該触媒よりも上流側に配置されて排気に還元剤を添加する添加弁と、が設けられた排気浄化装置に適用される内燃機関の排気浄化制御装置において、
   前記添加弁は、前記排気の上流側に向けて前記還元剤を噴射するものであり、
   前記添加弁の上流側には、該添加弁から噴射された前記還元剤がそれ以上上流側に移動することを抑制する遮蔽板が設けられており、
   前記排気浄化装置は、前記遮蔽板を加熱するヒータを備え、
   前記ヒータの通電制御によって前記遮蔽板の温度を、ライデンフロスト現象が生じる温度以上の温度に制御する加熱処理を実行する内燃機関の排気浄化制御装置。