JP2019002363A - 排気ガス浄化システムおよび堆積量推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】排気通路における白色生成物の堆積量を推定することが可能な排気ガス浄化システムおよび堆積量推定方法を提供する。【解決手段】排気ガス浄化システムは、内燃機関の排気通路に、選択還元型触媒装置と、選択還元型触媒装置の上流側で還元剤を噴射する還元剤インジェクタとを備えて構成される。排気ガス浄化システムは、排気通路を通過する排気ガスの温度を取得する温度取得部と、排気ガスの流量を取得する流量取得部と、還元剤の噴射量を取得する噴射量取得部と、温度取得部により取得された温度と、流量取得部により取得された流量と、噴射量取得部により取得された噴射量とに基づいて、還元剤に由来する白色生成物の排気通路における堆積量を推定する堆積量推定部とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、排気ガス浄化システムおよび堆積量推定方法に関する。

トラックやバス等の車両に搭載されるディーゼルエンジンの排気ガス中のＮＯｘを浄化するための排気ガス浄化システムとして、尿素水等を還元剤として用いてＮＯｘを窒素と水に還元する選択触媒還元（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）システムが開発されている（例えば、特許文献１を参照）。

選択触媒還元システムは、尿素水タンクに貯留された尿素水を選択還元型触媒装置（ＳＣＲ装置）上流の排気管に供給し、排気ガスの熱で尿素を加水分解してアンモニアを生成し、このアンモニアによって選択還元型触媒装置内の触媒でＮＯｘを還元するものである。尿素水は、例えば排気通路（排気管）に設けられた尿素水インジェクタによって適量が噴射される。

特開２０００−３０３８２６号公報

しかしながら、排気管に噴射された尿素水が原因で以下のような不具合が生じる場合があった。すなわち、内燃機関の低負荷運転時など排気ガスの温度が低い場合（例えば、２００〜２５０℃）、尿素水の噴射量が異常に多い場合、排気ガスの流量が少ないのに尿素水の噴射が連続した場合などには、尿素水の加水分解が不十分となり、排気通路内の特に凹み部分に、尿素水が加水分解する際に生じるシアヌル酸などに代表される白色生成物が堆積する。排気通路内に白色生成物が堆積すると、例えば排気通路内が閉塞し、所望の排気ガス浄化処理が実施できないおそれがあるという問題があった。排気通路内に白色生成物がどれくらい堆積したかが分かれば、その堆積に対する改善策を講ずることが可能となるが、従来技術ではそのような白色生成物の堆積に関する考慮がなされていない。

本発明の目的は、排気通路における白色生成物の堆積量を推定することが可能な排気ガス浄化システムおよび堆積量推定方法を提供することである。

本発明に係る排気ガス浄化システムは、
内燃機関の排気通路に、選択還元型触媒装置と、前記選択還元型触媒装置の上流側で還元剤を噴射する還元剤インジェクタとを備えて構成される排気ガス浄化システムであって、
前記排気通路を通過する排気ガスの温度を取得する温度取得部と、
前記排気ガスの流量を取得する流量取得部と、
前記還元剤の噴射量を取得する噴射量取得部と、
前記温度取得部により取得された温度と、前記流量取得部により取得された流量と、前記噴射量取得部により取得された噴射量とに基づいて、前記還元剤に由来する白色生成物の前記排気通路における堆積量を推定する堆積量推定部と、
を備える。

本発明に係る堆積量推定方法は、
内燃機関の排気通路に、選択還元型触媒装置と、前記選択還元型触媒装置の上流側で還元剤を噴射する還元剤インジェクタとを備えて構成される排気ガス浄化システムにおける堆積量推定方法であって、
前記排気通路を通過する排気ガスの温度を取得し、
前記排気ガスの流量を取得し、
前記還元剤の噴射量を取得し、
取得された前記温度と、取得された前記流量と、取得された前記噴射量とに基づいて、前記還元剤に由来する白色生成物の前記排気通路における堆積量を推定する。

本発明によれば、排気通路における白色生成物の堆積量を推定することができる。

本実施の形態における車両の構成を示す図である。 本実施の形態における白色生成物の堆積量の時間変化を示す図である。 本実施の形態における堆積量推定処理を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態における車両１の構成を示す図である。図１に示すように、トラックやバス等の車両１には、内燃機関１０と、排気系２０と、制御部３０（具体的には、ＥＣＵ）とが搭載されている。排気系２０および制御部３０は、本発明の排気ガス浄化システムとして機能する。

まず、内燃機関１０の構成について説明する。内燃機関１０は、例えばディーゼルエンジンである。内燃機関１０の燃焼室１１において、燃料噴射インジェクタ１３は、燃焼室１１内に燃料を噴射する。なお、燃料噴射インジェクタ１３は、燃焼室１１の吸気ポートに燃料を噴射しても良い。燃料の噴射は、例えばＥＣＭ（図示せず）により制御される。また、燃焼室１１内の燃料は、ピストン１９の動作により圧縮されて燃焼する。

各バルブ１５，１７は開閉可能に構成される。吸気バルブ１５が開くことで、吸気用配管５０からの新気が燃焼室１１に吸入される。また、排気バルブ１７が開くことで、燃焼室１１で燃料が燃焼して生じた排気ガスが排気系２０（具体的には、排気管２１、本発明の排気通路に対応）に送り出される。

次に、排気系２０の構成について説明する。排気系２０は、排気管２１を有する。排気管２１は、主に金属製であり、例えば車両１の下部に設けられる。この排気管２１は、内燃機関１０において燃料の燃焼により生じた排気ガスを大気中（車外）に導く。

また、排気管２１の途中には、排気ガスを浄化（無害化）するために、様々な後処理装置が設けられている。本実施の形態では、後処理装置として、ＤＯＣ（酸化触媒）２３Ａと、ＤＰＦ２３Ｂと、ＳＣＲ２３Ｃ（本発明の選択還元型触媒装置に対応）と、ＲＤＯＣ２３Ｄとが設けられている。

ＤＯＣ２３Ａは、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。ＤＯＣ２３Ａは、排気ガスに含まれる炭化水素（ＨＣ）および一酸化炭素（ＣＯ）を分解除去する。また、ＤＯＣ２３Ａは、排気ガスに含まれるＮＯｘの大半を占める一酸化窒素（ＮＯ）を酸化して二酸化窒素（ＮＯ２）を生成する機能も有している。この機能を利用することで、ＤＰＦ２３Ｂに捕集されたＰＭの燃焼（ＰＭ再生）を促進することや、ＳＣＲ２３ＣのＮＯｘ浄化効率を向上することが可能になる。

排気管２１において、例えばＤＯＣ２３Ａの入口近傍には流量センサ２５が設けられている。この流量センサ２５は、排気ガスの流量を検出し、当該流量を示す信号を制御部３０に出力する。

ＤＰＦ２３Ｂ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フィルタから形成される。ＤＰＦ２３Ｂは、排気ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集除去する。

排気管２１において、ＤＰＦ２３Ｂよりも下流側（具体的には、排気ガスの流れ方向における下流側）であって、ＳＣＲ２３Ｃよりも上流側には、尿素水（本発明の還元剤に対応）を噴射するための尿素水インジェクタ２７（本発明の還元剤インジェクタに対応、ドージングバルブとも言う）が設けられている。

なお、尿素水インジェクタ２７は、ＤＰＦ２３ＢおよびＳＣＲ２３Ｃの間であっても、極力ＤＰＦ２３Ｂ寄りに配置されることがより好ましい。

排気管２１において、例えばＳＣＲ２３Ｃの入口近傍には温度センサ２９が設けられている。この温度センサ２９は、尿素水の噴射の制御等に用いられ、排気ガスの温度を検出し、当該温度を示す信号を制御部３０に出力する。

ＳＣＲ２３Ｃは、例えば円柱形状を有し、セラミックで作製されたハニカム担体を有する。ハニカム壁面には、例えばゼオライトやバナジウム等の触媒が担持またはコーティングされる。

上記のようなＳＣＲ２３Ｃは、排気管２１において、上記ＤＰＦ２３Ｂの下流側に配置される。また、排気管２１においてＤＰＦ２３ＢとＳＣＲ２３Ｃとの間には、還元剤としての尿素水が、尿素水インジェクタ２７により噴射され、ＤＯＣ２３ＡおよびＤＰＦ２３Ｂを通過した排気ガスに供給される。その結果、尿素水がアンモニアに加水分解される。アンモニアを含む排気ガスがＳＣＲ２３Ｃを通過中、触媒の作用により窒素酸化物（いわゆるＮＯｘ）が窒素と水に反応する（還元反応）。これにより、排気ガス中の窒素酸化物が浄化される。

ここで、加水分解は、ＳＣＲ２３Ｃを通過する排気ガスの温度が所定温度以上で起こる。したがって、尿素水インジェクタ２７は、ＳＣＲ２３Ｃに流入する排気ガスの温度が所定温度以上の場合に、尿素水を排気管２１内の排気ガスに供給することが好ましい。ここで、尿素水の噴射はＤＣＵ（図示せず）により制御される。なお、所定温度は、排気系２０の設計開発段階での実験・シミュレーション等により、アンモニアとＮＯｘとの反応温度等を考慮しつつ適宜適切に定められる。

ＲＤＯＣ２３Ｄは、後段酸化触媒であって、ＤＯＣ２３Ａと同様の構成を有しており、排気管２１においてＳＣＲ２３Ｃの直ぐ下流に配置される。

ＲＤＯＣ２３Ｄは、主として、ＳＣＲ２３Ｃにおいて還元反応に使用されずにスリップしてきたアンモニアが大気中に放出されないように、スリップしてきたアンモニアを酸化し除去する。それ以外にも、ＲＤＯＣ２３Ｄは、ＳＣＲ２３Ｃと同様の機能を有する場合もある。

以上の各後処理装置で排気ガスを処理して生成される水、窒素、二酸化炭素は、マフラー（図示せず）等を介して、大気中に排出される。

制御部３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、制御プログラムを格納したＲＯＭ（Read Only Memory）、および、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の作業用メモリ等を備える。ＣＰＵは、ＲＯＭから制御プログラムを読み出してＲＡＭに展開し、展開した制御プログラムと協働して各種処理の実行を制御する。

図１に示すように、制御部３０は、温度取得部３１、流量取得部３２、噴射量取得部３３、堆積量推定部３４および報知部３５を備える。

温度取得部３１は、温度センサ２９から出力された信号を入力し、排気管２１を通過する排気ガスの温度を取得する。

流量取得部３２は、流量センサ２５から出力された信号を入力し、排気管２１を通過する排気ガスの流量を取得する。

噴射量取得部３３は、尿素水インジェクタ２７により噴射される尿素水の噴射量を取得する。

堆積量推定部３４は、温度取得部３１により取得された温度と、流量取得部３２により取得された流量と、噴射量取得部３３により取得された噴射量とに基づいて、尿素水に由来する白色生成物の排気管２１における現時点の堆積量を推定する。尿素水に由来する白色生成物は、尿素水が加水分解する際に生じるシアヌル酸などである。

本実施の形態では、堆積量推定部３４は、排気ガスの温度、排気ガスの流量および尿素水の噴射量と、白色生成物の堆積量との関係を予め規定した堆積量マップ３６を参照して、所定時間あたりにおける白色生成物の堆積量を推定する。

堆積量マップ３６は、予め実験や試験により作成され、制御部３０のＲＡＭに記憶され、適宜読み出される。堆積量マップ３６において、排気ガスの温度が高いほど白色生成物の堆積量は少なくなる。また、堆積量マップ３６において、排気ガスの流量が多いほど白色生成物の堆積量は少なくなる。また、堆積量マップ３６において、尿素水の噴射量が多いほど白色生成物の堆積量は多くなる。本実施の形態では、各パラメータ（排気ガスの温度、排気ガスの流量および尿素水の噴射量）に対して、白色生成物の堆積への影響度合いを考慮して重み付けが行われている。

堆積量推定部３４は、所定時間あたりにおける白色生成物の堆積量を積算することにより、現時点の白色生成物の堆積量を推定する。

報知部３５は、堆積量推定部３４により推定された現時点の堆積量が所定量以上である場合、その旨を運転者に報知する。ここで、現時点の堆積量が所定量以上である場合とは、排気管２１に多量の白色生成物が堆積した結果、例えば排気管２１内が閉塞し、所望の排気ガス浄化処理が実施できないおそれがある場合である。

図２は、堆積量推定部３４により推定された現時点の白色生成物の堆積量についての時間変化を示す。図２に示すように、現時点の白色生成物の堆積量は、時間の経過に伴って増減し、ある時点以降で所定量以上となっている。

本実施の形態では、報知部３５は、運転席付近に設けられたインジケータ・ランプを点灯させることによって、運転者に対して車両速度の増大（例えば８０ｋｍ以上）による高負荷運転や、排気管２１に設けられたインジェクタ（図示せず）から燃料を排ガス中に噴射させてＰＭを強制的に燃焼させる手動再生を促す。なお、ＤＯＣ２３Ａが設けられていないバナジウムシステムの場合（つまり昇温デバイスがなく、定期的に排気ガスの温度が上昇しない場合）には、報知部３５は、運転者に対して高負荷運転のみを促しても良い。

次に、図３のフローチャートを参照し、本実施の形態における制御部３０の堆積量推定処理例について説明する。

まず、温度取得部３１は、温度センサ２９から出力された信号を入力し、排気管２１を通過する排気ガスの温度を取得する（ステップＳ１００）。次に、流量取得部３２は、流量センサ２５から出力された信号を入力し、排気管２１を通過する排気ガスの流量を取得する（ステップＳ１２０）。

次に、噴射量取得部３３は、尿素水インジェクタ２７により噴射される尿素水の噴射量を取得する（ステップＳ１４０）。次に、堆積量推定部３４は、温度取得部３１により取得された温度と、流量取得部３２により取得された流量と、噴射量取得部３３により取得された噴射量とに基づいて、尿素水に由来する白色生成物の排気管２１における現時点の堆積量を推定する（ステップＳ１６０）。

次に、報知部３５は、堆積量推定部３４により推定された現時点の堆積量が所定量より多いか否かについて判定する（ステップＳ１８０）。判定の結果、現時点の堆積量が所定量より多くない場合（ステップＳ１８０、ＮＯ）、制御部３０は、図３における処理を終了する。

一方、現時点の堆積量が所定量より多い場合（ステップＳ１８０、ＹＥＳ）、報知部３５は、堆積量推定部３４により推定された現時点の堆積量が所定量以上である旨を運転者に報知する（ステップＳ２００）。ステップＳ２００の処理が完了することによって図３における処理を終了する。

以上詳しく説明したように、本実施の形態では、排気ガス浄化システム（排気系２０および制御部３０）は、排気通路（排気管２１）を通過する排気ガスの温度を取得する温度取得部３１と、排気ガスの流量を取得する流量取得部３２と、尿素水の噴射量を取得する噴射量取得部３３と、温度取得部３１により取得された温度と、流量取得部３２により取得された流量と、噴射量取得部３３により取得された噴射量とに基づいて、尿素水に由来する白色生成物の排気通路における堆積量を推定する堆積量推定部３４とを備える。

このように構成した本実施の形態によれば、排気通路内に白色生成物がどれくらい堆積したかを推定できるので、その堆積に対する適切な改善策（例えば、高負荷運転や手動再生）を講ずることが可能となる。その結果、排気通路内が閉塞し、所望の排気ガス浄化処理が実施できないおそれを好適に防止することができる。

また、本実施の形態では、堆積量推定部３４は、排気ガスの温度、排気ガスの流量および尿素水の噴射量と、白色生成物の堆積量との関係を予め規定した堆積量マップ３６を参照して、白色生成物の堆積量を推定する。この構成により、白色生成物の堆積量を短時間かつ精度良く推定することができる。

また、本実施の形態では、報知部３５は、堆積量推定部３４により推定された堆積量が所定量以上である場合、その旨を報知する。この構成により、白色生成物の堆積量が所定量以上、すなわち所望の排気ガス浄化処理が実施できないおそれが生じたタイミングで運転者に報知することが可能となるため、その報知を受けた運転者は、高負荷運転や手動再生を迅速に行って、堆積している白色生成物を除去することができる。

なお、上記実施の形態では、堆積量推定部３４は、温度取得部３１により取得された温度と、流量取得部３２により取得された流量と、噴射量取得部３３により取得された噴射量とに基づいて、白色生成物の堆積量を推定する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、堆積量推定部３４は、温度取得部３１により取得された温度、流量取得部３２により取得された流量、噴射量取得部３３により取得された噴射量以外のパラメータ（例えば、走行距離、走行時間など）にも基づいて、白色生成物の堆積量を推定しても良い。予めの実験や試験により、走行距離や走行時間が長くなるほど、白色生成物の堆積量が多くなる傾向があるからである。

また、上記実施の形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本発明は、排気通路における白色生成物の堆積量を推定することが可能な排気ガス浄化システムおよび堆積量推定方法として有用である。

１ 車両
１０ 内燃機関
１１ 燃焼室
１３ 燃料噴射インジェクタ
１５ 吸気バルブ
１７ 排気バルブ
１９ ピストン
２０ 排気系
２１ 排気管
２３Ａ ＤＯＣ
２３Ｂ ＤＰＦ
２３Ｃ ＳＣＲ
２３Ｄ ＲＤＯＣ
２５ 流量センサ
２７ 尿素水インジェクタ（還元剤インジェクタ）
２９ 温度センサ
３０ 制御部
３１ 温度取得部
３２ 流量取得部
３３ 噴射量取得部
３４ 堆積量推定部
３５ 報知部
３６ 堆積量マップ
５０ 吸気用配管

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に、選択還元型触媒装置と、前記選択還元型触媒装置の上流側で還元剤を噴射する還元剤インジェクタとを備えて構成される排気ガス浄化システムであって、
   前記排気通路を通過する排気ガスの温度を取得する温度取得部と、
   前記排気ガスの流量を取得する流量取得部と、
   前記還元剤の噴射量を取得する噴射量取得部と、
   前記温度取得部により取得された温度と、前記流量取得部により取得された流量と、前記噴射量取得部により取得された噴射量とに基づいて、前記還元剤に由来する白色生成物の前記排気通路における堆積量を推定する堆積量推定部と、
   を備える排気ガス浄化システム。
2. 前記堆積量推定部は、排気ガスの温度、排気ガスの流量および還元剤の噴射量と、白色生成物の堆積量との関係を予め規定した堆積量マップを参照して、前記白色生成物の堆積量を推定する、
   請求項１に記載の排気ガス浄化システム。
3. 前記堆積量推定部により推定された前記堆積量が所定量以上である場合、その旨を報知する報知部を備える、
   請求項１または２に記載の排気ガス浄化システム。
4. 内燃機関の排気通路に、選択還元型触媒装置と、前記選択還元型触媒装置の上流側で還元剤を噴射する還元剤インジェクタとを備えて構成される排気ガス浄化システムにおける堆積量推定方法であって、
   前記排気通路を通過する排気ガスの温度を取得し、
   前記排気ガスの流量を取得し、
   前記還元剤の噴射量を取得し、
   取得された前記温度と、取得された前記流量と、取得された前記噴射量とに基づいて、前記還元剤に由来する白色生成物の前記排気通路における堆積量を推定する、
   堆積量推定方法。

Images