JP2019035370A - 排気浄化装置およびこれを備えた車両 - Google Patents

Abstract

【課題】酸化触媒の温度を所定温度範囲内に調整することができる排気浄化装置およびこれを備えた車両を提供する。【解決手段】ディーゼルエンジン１０の排気通路１２に設けられ、ＤＯＣ２１と、ＤＯＣ２１の上流側に設けられた尿素水噴射ノズル２４と、ＤＯＣ２１の入口部分における排気温度ＴＤＯＣが所定の目標温度Ｔｔａｒｇｅｔより高い場合に、排気温度ＴＤＯＣと目標温度Ｔｔａｒｇｅｔとの差分に基づいて決定した量の尿素水を噴射するように尿素水噴射ノズル２４を制御する制御装置２５と、を有する。【選択図】図２

Description

本開示は、排気ガスを浄化する排気浄化装置およびこれを備えた車両に関する。

従来、ディーゼルエンジンから排出された排気中の粒子状物質（ＰＭ）を浄化する排気浄化装置として、ＰＭ除去用のフィルタと、このフィルタよりも上流側に配置された酸化触媒とを有する排気浄化装置が知られている（例えば特許文献１参照）。このような排気浄化装置において、酸化触媒はその酸化触媒作用によって、排気中の一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ_２）に変化させる酸化反応を促進させる。この酸化触媒において生成された二酸化窒素によって、フィルタに堆積したＰＭを燃焼させて、二酸化炭素（ＣＯ_２）として排出させることができる。これにより、フィルタを再生させることができる。

特開２０１６−１８８５７９号公報

ところで、酸化触媒は、所定温度範囲内、例えば３００℃〜４００℃において、他の温度帯と比較して、二酸化窒素をより効率よく生成できる。このため、酸化触媒の温度をこのような所定温度範囲内に調整することができれば、酸化触媒で生成された二酸化窒素がフィルタに効果的に供給されるので、ＰＭがフィルタに堆積し難くなる。この結果、フィルタの強制再生処理の実行頻度を低減させることができ、燃費低減を図ることができる。

本開示の目的は、酸化触媒の温度を所定温度範囲内に調整することができる排気浄化装置およびこれを備えた車両を提供することである。

本開示の排気浄化装置は、ディーゼルエンジンの排気通路に設けられ、酸化触媒と、前記酸化触媒の上流側に設けられた尿素水噴射ノズルと、前記酸化触媒の入口部分における排気温度が所定の目標温度より高い場合に、前記排気温度と前記目標温度との差分に基づいて決定された量の尿素水を噴射するように前記尿素水噴射ノズルを制御する制御装置と、を有する。

本開示の車両は、上記排気浄化装置を備える。

本開示によれば、酸化触媒の温度を所定温度範囲内に調整することができる。

本開示の排気浄化装置が適用されたディーゼルエンジンシステムの構成を模式的に示す構成図 制御装置による排気温度調整処理を説明するためのフローチャート

以下、本開示の各実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明、例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明等は省略する場合がある。

＜構造＞
図１は、本開示の実施の形態に係る排気浄化装置２０が適用されたディーゼルエンジンシステム１の構成を模式的に示す構成図である。ディーゼルエンジンシステム１は、ディーゼルエンジン１０と、排気通路１２と、排気浄化装置２０とを備えている。また、ディーゼルエンジン１０は、複数の気筒１１を備えている。なお、本実施の形態において、ディーゼルエンジンシステム１は、車両、特に例えばトラックやバス等の大型の車両に搭載されることが想定されている。

排気通路１２は、ディーゼルエンジン１０から排出された排気Ｇが通過する通路であり、その上流側端部は複数本に分岐して各々の気筒１１の排気ポートに接続されている。

排気浄化装置２０は、排気通路１２の通路途中に配置されている。図１に示すように、排気浄化装置２０は、ＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）２１、ＤＰＦ（Diesel particulate filter）２２、ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）装置２３、尿素水噴射ノズル２４、制御装置２５を備えている。

ＤＯＣ２１は、例えば白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属触媒が担持された構成を有する。ＤＯＣ２１は、その貴金属触媒の酸化触媒作用によって、排気Ｇ中の未燃成分（炭化水素ＨＣおよび一酸化炭素ＣＯ）の酸化反応を促進させる。これにより、排気Ｇが浄化される。また、ＤＯＣ２１は、酸化触媒作用によって、排気Ｇ中の一酸化窒素ＮＯの酸化反応を促進させ、二酸化窒素ＮＯ_２を発生させる。

ＤＯＣ２１の入口部分には、排気Ｇの温度を計測する温度センサ２１１が設けられる。温度センサ２１１は、例えばサーミスタである。

ＤＰＦ２２は、排気Ｇ中に含まれるＰＭを捕集するフィルタである。ＤＰＦ２２は、排気浄化装置２０における、ＤＯＣ２１より下流側、ＳＣＲ装置２３より上流側に設けられている。ＤＰＦ２２に捕集されたＰＭは、ＤＯＣ２１において発生した二酸化窒素によって燃焼し、二酸化炭素ＣＯ_２として排出される。これにより、ＤＰＦ２２に堆積するＰＭの量が低減される。

ＳＣＲ装置２３は、排気Ｇ中の窒素酸化物ＮＯｘを浄化する装置であり、内部に選択還元触媒（ＳＣＲ触媒）を有する。ＳＣＲ装置２３は、還元剤としての尿素水が尿素水噴射ノズル２４から排気Ｇ中に噴射されると、尿素水が加水分解されて生成されたアンモニアと、排気Ｇ中のＮＯｘとの還元反応を促進する。この還元反応により、アンモニアと排気Ｇ中のＮＯｘとが窒素Ｎ_２と水（水蒸気）Ｈ_２Ｏとに還元されるので、排気ＧのＮＯｘが低減する。

尿素水噴射ノズル２４は、排気Ｇ中に尿素水を噴射するノズルである。尿素水噴射ノズル２４は、尿素水タンク（図示せず）に接続されている。尿素水噴射ノズル２４は、排気浄化装置２０の各構成のうち、排気流動方向における最も上流側に設けられている。

制御装置２５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有するマイクロコンピュータを備えており、排気浄化装置２０の各構成を制御する。制御装置２５は、温度センサ２１１から取得した排気Ｇの温度等の各種パラメータを用いて、尿素水噴射ノズル２４における尿素水の噴射量を制御することで、後述する排気温度調整処理を実行する。なお、本実施の形態において、制御装置２５は、排気浄化装置２０の構成要素として示されているが、例えばディーゼルエンジンシステム１全体を制御するＥＣＵ（Engine Control Unit）の処理能力のうち一部の流用により実現されてもよい。

＜動作概要＞
次に、上記説明した構成を有する排気浄化装置２０の動作概要について説明する。ディーゼルエンジン１０の燃焼により排出された排気Ｇは、排気通路１２を通って排気浄化装置２０に流入する。まず、排気浄化装置２０に流入した排気Ｇに対して、制御装置２５の制御に基づいて、尿素水噴射ノズル２４が所定量の尿素水を噴射（添加）する。排気Ｇ内に噴射された尿素水は蒸発し、尿素水に含まれていた尿素は、ＳＣＲ装置２３に至るまでに加水分解されてアンモニアとなる。ここで排気Ｇに噴射される尿素水の量は、制御装置２５の後述する排気温度調整処理において決定される。

次に、排気ＧはＤＯＣ２１に流入する。ＤＯＣ２１により、排気Ｇ中の未燃成分の酸化反応が促進されるとともに、排気Ｇ中の一酸化窒素が二酸化窒素に酸化される反応も促進される。

次に、排気ＧはＤＰＦ２２に流入する。ＤＰＦ２２により、排気Ｇ中のＰＭが捕集される。そして、ＤＯＣ２１にて生成された二酸化窒素により、ＤＰＦ２２に捕集されたＰＭが燃焼する。

最後に、排気ＧはＳＣＲ装置２３に流入する。ＳＣＲ装置２３により、尿素由来のアンモニアと窒素酸化物ＮＯｘとの還元反応が促進される。以上により、排気浄化装置２０によって、排気Ｇ中の未燃成分、ＰＭ、および窒素酸化物が除去または低減され、排気Ｇが浄化される。

＜排気温度調整処理＞
次に、制御装置２５による排気温度調整処理について詳細に説明する。図２は、制御装置２５による排気温度調整処理を説明するためのフローチャートである。なお、本明細書における尿素水の噴射量とは、単位時間当たり（例えば１秒当たり）の噴射量を意味する。

ステップＳ１において、制御装置２５は、排気Ｇ中のＮＯｘ量に基づく基本噴射量ｑ_ｂａｓｅを決定する。基本噴射量ｑ_ｂａｓｅは、制御装置２５が、例えば排気通路１２に設けられたＮＯｘセンサ（図示せず）によって測定された排気Ｇ中のＮＯｘ濃度を用いて、予め用意されたＮＯｘ−噴射量モデルマップを参照することにより決定されればよい。ＮＯｘセンサの設置位置については本開示では特に限定しないが、例えば尿素水噴射ノズル２４付近に設置されればよい。また、ＮＯｘ−噴射量モデルマップは、例えば制御装置２５に内蔵または接続された記憶媒体（図示せず）に予め記憶されていればよい。

ステップＳ２において、制御装置２５は、温度センサ２１１から取得した、ＤＯＣ２１の入口部分における現在の排気Ｇ温度Ｔ_ＤＯＣと、予め設定された目標温度Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}とを比較する。ここで、予め設定された目標温度Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}とは、ＤＯＣ２１において二酸化窒素が効率よく生成される温度範囲（３００℃〜４００℃）内の温度である。本実施の形態では、目標温度Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}は３５０℃に設定されているとするが、本開示はこれに限定されず、目標温度Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}は上記温度範囲内において適宜決定され得る。制御装置２５は、ステップＳ２における現在の排気Ｇ温度Ｔ_ＤＯＣと目標温度Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}との比較の結果、Ｔ_ＤＯＣの方が大きい場合（ステップＳ２：ＹＥＳ）には処理をステップＳ３に進め、そうでない場合（ステップＳ２：ＮＯ）には処理をステップＳ６に進める。

ステップＳ３において、制御装置２５は、ＤＰＦ２２が強制再生中であるか否かを判定する。ＤＰＦ２２の強制再生とは、ＤＰＦ２２に流入する排気Ｇの温度をＰＭ燃焼温度（例えば６００℃）以上に昇温させることにより、ＤＰＦ２２のフィルタ表面に捕集された堆積ＰＭを除去してＤＰＦ２２を強制的に再生することを意味する。なお、排気Ｇの昇温は、排気管噴射またはポスト噴射によってＤＯＣ２１内に未燃燃料を供給し、炭化水素を酸化させることにより行われる。ＤＰＦ２２の強制再生は、例えばディーゼルエンジンシステム１の運転を制御するＥＣＵ（図示せず）等により実行されており、制御装置２５は、ＤＰＦ２２の強制再生が行われているか否かを示す情報をＥＣＵから取得することで、本ステップＳ３における判定を行う。制御装置２５は、ステップＳ３の判定において、強制再生中ではないと判定した場合（ステップＳ３：ＮＯ）には処理をステップＳ４に進め、そうでない場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）には処理をステップＳ６に進める。

現在の排気Ｇ温度Ｔ_ＤＯＣの方が目標温度Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}より高く（ステップＳ２：ＹＥＳ）、かつＤＰＦ２２が強制再生中ではない（ステップＳ３：ＮＯ）場合、ステップＳ４において、制御装置２５は尿素水噴射量の増大分である追加噴射量ｑ_ａｄｄを算出する。

尿素水噴射ノズル２４から尿素水が噴射されると、尿素水は排気Ｇ中で蒸発するが、この蒸発の際、尿素水の蒸発熱（気化熱）による冷却作用のため周囲の排気Ｇの温度が低減される。蒸発熱の総量は蒸発する尿素水の量に依存するため、より多くの尿素水を噴射することで、排気Ｇの温度をより多く低減させることができる。ステップＳ４においては、排気Ｇの温度を目標温度Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}まで低減させるために必要な尿素水量を算出し、これを尿素水噴射量の増大分である追加噴射量ｑ_ａｄｄとしている。

追加噴射量ｑ_ａｄｄの具体的な算出方法は、例えば以下の通りである。

まず、制御装置２５は、ディーゼルエンジン１０の吸入空気量Ｍ_ＡＩＲ［ｇ／ｓｅｃ］と、ディーゼルエンジン１０における燃料噴射量ｑ_Ｆ［ｇ／ｓｅｃ］とに基づいて、下記式（１）により排気ガス量Ｇ_ＥＸＨ［ｇ／ｓｅｃ］を算出する。

次に、制御装置２５は、算出したＧ_ＥＸＨを用いて、下記式（２）により目標温度Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}時の排気Ｇ熱量と現在の排気Ｇ温度Ｔ_ＤＯＣ時の排気Ｇ熱量との熱量の差分ΔＱ_ＥＸＨ［Ｊ／ｓｅｃ］を算出する。

なお、式（２）においてＣ_ＥＸＨは排気Ｇの熱容量であり、既知の値（乾燥排気において１．００５［Ｊ／（ｇ・Ｋ）］）である。

次に、制御装置２５は、排気Ｇの熱量をΔＱ_ＥＸＨ分だけ低下させるために必要な尿素水の噴射量である追加噴射量ｑ_ａｄｄ［ｇ／ｓｅｃ］を、下記式（３）を用いて算出する。

なお、式（３）においてＣ_ｗは尿素水の熱容量（例えば４．１８６Ｊ／（ｇ・Ｋ））、Ｅ_ｗは尿素水の蒸発熱（例えば１００℃で２２５７Ｊ／ｇ）である。Ｔ_ｗ［℃］は尿素水噴射ノズル２４から噴射される尿素水の温度であり、例えば尿素水タンクに設けられた温度センサによって取得される。

ステップＳ５において、制御装置２５は、基本噴射量ｑ_ｂａｓｅと追加噴射量ｑ_ａｄｄとを加算して最終噴射量ｑ_{ｆｉｎａｌ}を決定する。最終噴射量ｑ_{ｆｉｎａｌ}は、制御装置２５が後段のステップＳ７において、尿素水噴射ノズル２４から尿素水を実際に噴射させる噴射量である。

一方、ステップＳ６において、制御装置２５は、最終噴射量ｑ_{ｆｉｎａｌ}を基本噴射量ｑ_ｂａｓｅに決定する。

ステップＳ７において、制御装置２５は、尿素水噴射ノズル２４から尿素水を最終噴射量ｑ_{ｆｉｎａｌ}だけ噴射させる。これにより、現在の排気Ｇ温度Ｔ_ＤＯＣの方が目標温度Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}より高く、かつＤＰＦ２２が強制再生中ではない場合には、基本噴射量ｑ_ｂａｓｅと追加噴射量ｑ_ａｄｄとを加算した量の尿素水が噴射されるので、尿素水噴射ノズル２４の近傍、すなわちＤＯＣ２１における排気Ｇの温度が好適に低減される。一方、現在の排気Ｇ温度Ｔ_ＤＯＣが目標温度Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}以下である場合、またはＤＰＦ２２が強制再生中である場合には、基本噴射量ｑ_ｂａｓｅのみ尿素水が噴射されるので、排気Ｇの温度が維持される。

なお、制御装置２５は、図２に示すステップＳ１〜Ｓ７の処理を、所定時間毎に繰り返し実行する。これにより、ＤＰＦ２２の強制再生が行われていない場合には、排気Ｇ温度が目標温度Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}付近に維持される。

また、図２においては、基本噴射量ｑ_ｂａｓｅだけ尿素水が噴射された場合には、尿素水の蒸発熱による排気Ｇ温度の低減効果が生じないことが想定されている。基本噴射量ｑ_ｂａｓｅだけ尿素水が噴射された場合の排気Ｇの温度低減効果も考慮する場合は、ステップＳ５において決定する最終噴射量ｑ_{ｆｉｎａｌ}を、ステップＳ４にて算出した追加噴射量ｑ_ａｄｄと同じ値とすればよい。

＜作用・効果＞
以上説明したように、本開示の実施の形態に係る排気浄化装置２０は、ディーゼルエンジン１０の排気通路１２に設けられ、ＤＯＣ２１と、ＤＯＣ２１の上流側に設けられた尿素水噴射ノズル２４と、ＤＯＣ２１の入口部分における排気温度Ｔ_ＤＯＣが所定の目標温度Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}より高い場合に、排気温度Ｔ_ＤＯＣと目標温度Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}との差分に基づいて決定した量の尿素水を噴射するように尿素水噴射ノズル２４を制御する制御装置２５と、を有する。

このような構成により、制御装置２５は、排気温度調整処理において現在の排気Ｇ温度Ｔ_ＤＯＣが目標温度Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}より高い場合に、現在の排気Ｇ温度Ｔ_ＤＯＣに基づいて排気Ｇ温度をＴ_{ｔａｒｇｅｔ}まで低減させるための噴射量（最終噴射量ｑ_{ｆｉｎａｌ}）を好適に決定することができる。これにより、ＤＰＦ２２の強制再生が行われていない場合には、排気Ｇ温度が目標温度Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}付近に維持されるので、ＤＯＣ２１において二酸化窒素が効率よく生成される。これにより、ＤＰＦ２２において捕集ＰＭが効率よく燃焼するので、ＤＰＦ２２におけるＰＭ堆積量が低減する。このため、ＤＰＦ２２の強制再生の回数を低減できるので、ディーゼルエンジンシステム１の燃費が改善する。

また、排気Ｇ温度は尿素水の蒸発熱によって低減されるため、尿素水が噴射されてから排気Ｇ温度が低減されるまでの時間が比較的短い。このため、排気Ｇ温度Ｔ_ＤＯＣが目標温度Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}より高くなった場合に、素早く排気Ｇ温度を目標温度Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}まで低減させることができる。

また、一般に排気通路１２の下流になればなるほど排気Ｇ温度が低くなるが、本開示の排気浄化装置２０では尿素水噴射ノズル２４を最も上流側に設けているため、尿素水噴射ノズル２４から噴射された尿素水は比較的高温の排気Ｇにより即座に蒸発する。このため、排気通路１２下流の排気Ｇ温度が比較的低い位置で噴射された場合に生じうる事態である、尿素が析出して排気通路１２やＳＣＲ装置２３に白色生成物が付着する事態や、排気通路１２内に尿素水が滞留する事態等を回避することができる。

また、本開示の排気浄化装置２０において、制御装置２５は、ＤＯＣ２１の下流側に設けられたＤＰＦ２２が強制再生中ではない場合に、決定した噴射量だけ尿素水噴射ノズル２４に尿素水を噴射させる。

すなわち、制御装置２５は、ＤＰＦ２２が強制再生中である場合には、排気Ｇ温度Ｔ_ＤＯＣを目標温度Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}まで低減させるだけの尿素水を噴射させないので、ＤＰＦ２２の強制再生に必要な温度まで上昇した排気Ｇ温度を低減させてしまう事態を回避することができる。これにより、好適にＤＰＦ２２の強制再生を行うことができる。

以上、図面を参照しながら各種の実施形態について説明したが、本開示はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。また、開示の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施の形態における各構成要素は任意に組み合わせてられてもよい。

上記した実施の形態において、図１に示すように、排気流動方向における上流側から尿素水噴射ノズル２４、ＤＯＣ２１、ＤＰＦ２２、ＳＣＲ装置２３の順に配置されていた。しかしながら、本開示はこれに限定されず、例えば上流側から尿素水噴射ノズル、ＤＯＣ、ＮＯｘ浄化触媒付きＤＰＦの順に配置されてもよい。

本開示は、排気ガスを浄化する排気浄化装置に有用である。

１ ディーゼルエンジンシステム
１０ ディーゼルエンジン
１１ 気筒
１２ 排気通路
２０ 排気浄化装置
２１ ＤＯＣ（酸化触媒）
２１１ 温度センサ
２２ ＤＰＦ
２３ ＳＣＲ装置
２４ 尿素水噴射ノズル
２５ 制御装置

Claims (3)

1. ディーゼルエンジンの排気通路に設けられ、
   酸化触媒と、
   前記酸化触媒の上流側に設けられた尿素水噴射ノズルと、
   前記酸化触媒の入口部分における排気温度が所定の目標温度より高い場合に、前記排気温度と前記目標温度との差分に基づいて決定された量の尿素水を噴射するように前記尿素水噴射ノズルを制御する制御装置と、
   を有する排気浄化装置。
2. 前記制御装置は、前記酸化触媒の下流側に設けられたＰＭ除去用のフィルタが強制再生中ではない場合に、前記決定された量の尿素水を噴射するように前記尿素水噴射ノズルを制御する、
   請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 請求項１または２に記載の排気浄化装置を有する、
   車両。

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