JP2020109289A - エンジンの触媒反応システム - Google Patents

Abstract

【課題】触媒入口における還元剤の均質化状態を維持可能な触媒反応システムを提供する。【解決手段】触媒反応システム１０は、エンジン９０の排気通路９１に設けられる触媒１１と、触媒１１の上流側に設けられるミキサ１２と、還元剤の液体を噴霧としてミキサ１２に向けて噴射する噴射装置１３と、ミキサ１２の下流側における噴霧の微粒化または気化が進むように、触媒設置通路部である排気通路９１の排気の状態に応じて噴射装置１３の噴射粒径および噴射速度を制御する噴霧制御部２４とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの触媒反応システムに関する。

従来、触媒を用いて例えば排気浄化や燃料改質などを行う触媒反応システムが知られている。例えば特許文献１に開示された触媒反応システムは、排気通路に設けられた触媒と、旋回流を形成し得るよう放射状に配置された複数枚のフィンを有するミキサと、ミキサに向けて尿素水を噴射するインジェクタとを備え、排気中の窒素酸化物を還元浄化する。

特開２０１４−１４８８９６号公報

特許文献１では、尿素水の噴霧がミキサの旋回流により排気通路の周方向において均質化する。ところが、噴霧が旋回流による遠心力で径方向の外側に偏り、所定以上の均質化を望めない場合がある。そのため、触媒入口におけるインジェクタからの噴射物の均質化状態を維持することが困難であった。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、触媒入口における噴射装置からの噴射物の均質化状態を維持可能な触媒反応システムを提供することである。

本発明のエンジン（９０）の触媒反応システムは、エンジンの排気系通路（９１、１０１）に設けられる触媒（１１、５１）と、触媒の上流側に設けられる攪拌部（１２）と、所定の液体を噴霧として攪拌部に向けて噴射する噴射装置（１３、５３）と、攪拌部の下流側における噴霧の微粒化または気化が進むように、触媒が設けられる触媒設置通路部の排気の状態に応じて噴射装置の噴射粒径および噴射速度の一方または両方を制御する噴霧制御部（２４、３４、４４、６４、７４、８４）と、を備える。

このような噴霧制御が行われることで、攪拌部の下流側の噴霧状態は旋回流による遠心力が抑制される状態になる。例えば、噴射粒径が小さくなることで噴霧の総表面積が大きくなり、排気からの受熱が促進され、噴霧の気化が進む。また、噴射速度が大きくなることで噴霧が壁面に勢いよくぶつかり、噴霧の微粒化および気化が進む。そのため、旋回流による遠心力が十分に小さくなることで噴霧が径方向外側に偏りにくくなるので、触媒入口における噴射装置からの噴射物の均質化状態を維持することができる。これにより、触媒反応が好適に行われる。

第１実施形態の触媒反応システムおよびそれが適用されたエンジンを示す模式図。 必要供給量算出マップを示す図。 目標噴射圧算出マップを示す図。 制御ユニットが実行する処理を説明するフローチャート。 制御ユニットが実行する処理を説明するサブフローチャート。 第２実施形態の触媒反応システムおよびそれが適用されたエンジンを示す模式図。 噴射粒径と噴射速度との関係を制御範囲と共に示す図。 噴射粒径と噴射速度との関係を制御範囲と共に示す図であって、排気流量が図７に示す状態と比べて大きい状態を示す図。 壁面温度と閾値との関係を示す図。 噴射粒径および噴射速度に対する噴霧の均質度を記憶したマップを示す図。 制御ユニットが実行する処理を説明するサブフローチャート。 第３実施形態の触媒反応システムおよびそれが適用されたエンジンを示す模式図。 要求噴射粒径とバルブリフト量との関係を示す図。 噴射圧と噴射速度との関係をバルブリフト量ごとに示す図。 噴射圧と噴射粒径との関係をバルブリフト量ごとに示す図。 噴射粒径と噴射速度との関係を制御範囲と共に示す図。 噴射粒径と噴射速度との関係を制御範囲と共に示す図であって、排気流量が図１６に示す状態と比べて大きい状態を示す図。 制御ユニットが実行する処理を説明するサブフローチャート。 第４実施形態の触媒反応システムおよびそれが適用されたエンジンを示す模式図。 燃料改質量算出マップを示す図。 第５実施形態の触媒反応システムおよびそれが適用されたエンジンを示す模式図。 第６実施形態の触媒反応システムおよびそれが適用されたエンジンを示す模式図。 他の実施形態において制御ユニットが用いるエンジン回転数とアクセル開度と必要供給量との関係を示す図。

以下、エンジンの触媒反応システムの複数の実施形態を図面に基づき説明する。実施形態同士で実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

［第１実施形態］
第１実施形態の触媒反応システムは、図１に示すエンジン９０に適用されている。触媒反応システム１０は、触媒１１と、ミキサ１２と、噴射装置１３と、制御ユニット１４とを備える。

触媒１１は、エンジン９０の排気通路９１の途中に設けられており、排気中の所定成分を還元浄化する。排気通路９１は、排気が流れる排気系通路であり、また、触媒１１が設けられる触媒設置通路部である。第１実施形態では、触媒１１は、還元剤としての尿素水と排気中の窒素酸化物（以下、ＮＯｘ）とを選択的に反応させ、ＮＯｘを窒素ガスＮ₂等に分解して無害化する機能を持つ。第１実施形態において、触媒反応システム１０は排気浄化システムである。

攪拌部としてのミキサ１２は、排気通路９１のうち触媒１１に対し上流側に設けられており、還元剤と排気とを攪拌して混ぜ合わせる。還元剤は、霧状態（すなわち噴霧）、ガス状態、またはそれらの混合状態でミキサ１２に供給される。

噴射装置１３は、尿素水を貯留するタンク１６と、タンク１６の尿素水を圧送するポンプ１７と、ポンプ１７から圧送された「所定の液体」としての尿素水を噴霧として排気通路９１内でミキサ１２に向けて噴射する噴射弁１８とを有する。噴射弁１８は、排気通路９１のうちミキサ１２に対し上流側に設けられている。

制御ユニット１４は、エンジン９０の制御部であるとともに、触媒反応システム１０の制御部でもある。制御ユニット１４には、アクセル開度センサ９３、エンジン回転数センサ９４、吸気量センサ９５、排気量センサ９６、排気温度センサ９７、ＮＯｘ濃度センサ９８、および触媒温度センサ９９等のセンサ、および図示しない他の制御部が接続されている。制御ユニット１４は、各センサの検出信号等に基づきプログラム処理を実行し、燃料添加弁９２、ポンプ１７および噴射弁１８等の駆動を制御する。排気量センサ９６、排気温度センサ９７およびＮＯｘ濃度センサ９８は、エンジン９０のすぐ下流に設置されているが、これに限らず、触媒１１やそのすぐ上流に設置されてもよい。

具体的には、制御ユニット１４は、情報取得部２１、温度判定部２２、供給量算出部２３および噴霧制御部２４を有する。

情報取得部２１は、各種センサの検出信号から、例えば触媒設置通路部の排気流量、排気温度、ＮＯｘ濃度、および触媒温度等の各種情報を取得する。

温度判定部２２は、触媒温度が「触媒１１においてＮＯｘの浄化反応がおこる温度」に達しているか否かを判定する。すなわち、触媒温度Ｔｃが閾値Ｔｘ以上か否かが判定される。触媒温度が閾値Ｔｘ以上ではない場合、浄化できないので、噴射装置１３による尿素水の噴射が行われない。

供給量算出部２３は、エンジン９０の運転状態に応じて、触媒１１でＮＯｘを浄化するために必要な尿素水の供給量（以下、必要供給量）を算出する。第１実施形態では、上記運転状態を示す情報として排気流量、排気温度、およびＮＯｘ濃度が用いられる。また、図２に示すような３次元マップが用いられ、排気流量Ｑ、排気温度Ｔ、およびＮＯｘ濃度Ｃに基づき尿素水の必要供給量Ｗが算出される。

噴霧制御部２４は、噴射装置１３が供給する噴霧の状態を制御可能である。噴霧制御部２４は、ミキサ１２の下流側における噴霧の微粒化または気化が進むように、排気通路９１の排気の状態に応じて噴射装置１３の噴射粒径および噴射速度を制御する。ミキサ１２後の旋回流にのせて噴霧を上手く混ぜるためには、噴霧の微粒化・気化が重要となる。噴霧制御部２４は、ミキサ１２出口において還元剤の最適な状態（すなわち高微粒化または高気化率）を作るために、噴射時の尿素水の液滴の状態を制御する。噴霧の微粒化または気化を進めるには、噴射装置１３の噴射粒径を比較的小さくすること、および、噴射装置１３の噴射速度を比較的速くすることが有効である。

具体的には、噴霧に対して起こる現象として排気からの受熱による気化が支配的な場合、噴射粒径が小さくなることで噴霧の総表面積が大きくなり、排気からの受熱が促進され、噴霧の気化が進む。そのため、この場合には、排気温度が低いほど及び排気流量が増加するほど微粒化が必要である。また、噴霧に対して起こる現象として壁面への衝突による微粒化および気化が支配的な場合、噴射速度が大きくなることで噴霧がミキサ１２の壁面に勢いよくぶつかり、噴霧の微粒化および気化が進む。そのため、この場合には、排気温度が低いほど噴射速度を大きくする必要があり、また、ある程度の噴射粒径があった方が良い。このようにフォーカスする現象毎に要求される噴射の仕方が違う。第１実施形態では、従来のように同じ噴霧を噴き続けるのではなく、排気の状態に応じて噴射粒径および噴射速度を制御することで、ミキサ１２出口の噴霧を最適化し、触媒１１入口における還元剤の均質化状態を維持する。

第１実施形態では、図３に示すようなマップが用いられ、排気温度Ｔおよび排気流量Ｑに基づき目標噴射圧Ｐが算出され、噴射装置１３の噴射圧を調節することで噴射粒径および噴射速度が同時に制御される。目標噴射圧Ｐは、触媒入口における還元剤の均質度の目標値（以下、目標均質度）を達成するために必要な噴射粒径および噴射速度となる噴射圧である。目標均質度は、排気通路９１の周方向および径方向における還元剤の所望の均質化状態に対応する。

制御ユニット１４の各機能部２１〜２４は、専用の論理回路によるハードウエア処理により実現されてもよいし、コンピュータ読み出し可能非一時的有形記録媒体等のメモリーに予め記憶されたプログラムをＣＰＵで実行することによるソフトウェア処理により実現されてもよいし、あるいは、両者の組み合わせで実現されてもよい。各機能部２１〜２４のうちどの部分をハードウエア処理により実現し、どの部分をソフトウェア処理により実現するかは、適宜選択可能である。この点については以降に記載する機能部についても同様である。

（制御ユニットが実行する処理）
制御ユニット１４は図４に示す各処理を実行する。図４のルーチンは、所定のタイミングで繰り返し実行される。以降、「Ｓ」はステップを意味する。

先ずＳ１０では、各種センサの検出信号から排気流量Ｑ、排気温度Ｔ、ＮＯｘ濃度Ｃ、および触媒温度Ｔｃが取得される。Ｓ１０の後、処理はＳ２０に移行する。

Ｓ２０では、触媒温度Ｔｃが閾値Ｔｘ以上か否かが判定される。触媒温度Ｔｃが閾値Ｔｘ以上である場合（Ｓ２０：ＹＥＳ）、処理はＳ３０に移行する。触媒温度Ｔｃが閾値Ｔｘよりも小さい場合（Ｓ２０：ＮＯ）、処理は図４のルーチンを抜ける。

Ｓ３０では、Ｓ１０で取得された情報に応じて必要供給量Ｗが算出される。Ｓ３０の後、処理はＳ４０に移行する。

Ｓ４０では、図５に示す噴霧制御のためのサブルーチンが呼び出されて実行される。図５のサブルーチンが開始されると、Ｓ１０１において、排気温度Ｔおよび排気流量Ｑに基づき噴射装置１３の目標噴射圧Ｐが算出される。Ｓ１０１の後、処理はＳ１０２に移行する。

Ｓ１０２では、噴射装置１３の噴射圧が目標噴射圧になるようにポンプ１７が制御される。Ｓ１０２の後、処理は図４のメインルーチンに戻る。

図３のＳ５０では、噴射弁１８が駆動されて還元剤が噴射される。Ｓ５０の後、処理は図４のルーチンを抜ける。

（効果）
以上説明したように、第１実施形態では、触媒反応システム１０は、エンジン９０の排気通路９１に設けられる触媒１１と、触媒１１の上流側に設けられるミキサ１２と、還元剤の液体を噴霧としてミキサ１２に向けて噴射する噴射装置１３と、ミキサ１２の下流側における噴霧の微粒化または気化が進むように、排気通路９１の排気の状態に応じて噴射装置１３の噴射粒径および噴射速度を制御する噴霧制御部２４とを備える。

このような噴霧制御が行われることで、ミキサ１２の下流側の噴霧状態は旋回流による遠心力が抑制される状態になる。例えば、噴射粒径が小さくなることで噴霧の総表面積が大きくなり、排気からの受熱が促進され、噴霧の気化が進む。また、噴射速度が大きくなることで噴霧が壁面に勢いよくぶつかり、噴霧の微粒化および気化が進む。そのため、旋回流による遠心力が十分に小さくなることで噴霧が径方向外側に偏りにくくなるので、触媒入口における還元剤の均質化状態を維持することができる。これにより、触媒１１での浄化反応が好適に行われる。

また、第１実施形態では、噴霧制御部２４は、噴射装置１３の噴射圧を調節して噴射粒径および噴射速度を同時に制御する。これにより、噴射粒径および噴射速度を比較的容易に制御することができる。

［第２実施形態］
第２実施形態では、図６に示す噴霧制御部３４は、噴射粒径および噴射速度の制御範囲を第１制御範囲と第２制御範囲との間で排気流量に応じて切り替える。図７に示すように、第１制御範囲Ａ１は、噴射粒径が比較的大きくなる制御範囲である。第２制御範囲Ａ２は、噴射粒径が比較的小さくなる制御範囲である。第１制御範囲Ａ１および第２制御範囲Ａ２は、触媒入口における還元剤の目標均質度を達成するために必要な噴射粒径と噴射速度との組合せを含む範囲である。

ミキサ１２後の旋回流にのせて噴霧を上手く混ぜるためには、微粒化・気化が重要となる。第２制御範囲Ａ２では、噴霧に対して起こる現象として、排気からの受熱による気化が支配的である。つまり、噴射粒径が小さくなることで噴霧の総表面積が大きくなり、排気からの受熱が促進され、噴霧の気化が進む。一方、第１制御範囲Ａ１では、噴霧に対して起こる現象として、壁面への衝突による微粒化および気化が支配的である。つまり、噴射速度が大きくなることで噴霧がミキサ１２の壁面に勢いよくぶつかり、噴霧の微粒化および気化が進む。

図７の実線Ｌｃは、噴射装置１３の噴射圧の調節により変化する噴射粒径および噴射速度を示している。図７では実線Ｌｃは第１制御範囲Ａ１および第２制御範囲Ａ２の両方を通っている。この場合には、第１制御範囲Ａ１および第２制御範囲Ａ２のどちらでも目標均質度を達成可能である。大粒径のままの方が少ないエネルギ（低速≒低噴射圧）で均質化が可能であることから、例えば、第１制御範囲Ａ１が用いられ、第１制御範囲Ａ１のなかで最も噴射速度が小さくなる組合せである点ｐ１が採用される。

一方、排気流量が図７に示す状態と比べて大きい状態を示す図８においては、実線Ｌｃは第２制御範囲Ａ２のみを通っている。この場合には、第２制御範囲Ａ２において目標均質度を達成可能である。例えば、第２制御範囲Ａ２のなかで最も噴射速度が小さくなる組合せである点ｐ２が採用される。

このように排気流量が所定値以上である場合には大粒径では目標均質度を達成できなくなるため、微粒化が実施される。以下、上記所定値のことを「閾値Ｑｄ」と記載する。図６の噴霧制御部３４は、排気流量が閾値Ｑｄ以上である場合に第２制御範囲Ａ２を用いる。

図６に示す情報取得部３１は、壁面温度センサ１９の検出信号からミキサ１２の壁面温度Ｔｍ（ミキサ１２の測定温度）を取得する。噴霧制御部３４は、図９に示すように壁面温度Ｔｍが低いほど閾値Ｑｄが小さくなるように補正する。なお、他の実施形態では、ミキサ１２の測定温度に限らず、他の値から推定されたミキサ１２の推定温度が用いられてもよい。

図６の噴霧制御部３４は、噴射粒径および噴射速度に対する、触媒入口における還元剤の均質度を示す図１０に示すような３次元マップを有する。噴霧制御部３４は、排気流量、排気温度、還元剤の噴射量ごとに上記３次元マップを複数有する。噴霧制御部３４は、上記３次元マップを用いて、目標均質度を達成可能な噴射粒径と噴射速度との組合せを算出し、噴射粒径および噴射速度を制御する。噴霧制御部３４は、排気流量が閾値Ｑｄ以上である場合、排気流量が大きいほど噴霧粒径を小さくする。また、噴霧制御部３４は、排気温度が低いほど噴霧粒径を小さくする。また、噴霧制御部３４は、壁面温度Ｔｍが低いほど噴霧粒径を小さくする。

（制御ユニットが実行する処理）
図４のＳ４０において呼び出される図１１のサブルーチンのＳ１１１において、壁面温度センサ１９の検出信号からミキサ１２の壁面温度Ｔｍが取得される。Ｓ１１１の後、処理はＳ１１２に移行する。

Ｓ１１２では、壁面温度Ｔｍに応じて排気流量に関する閾値Ｑｄが設定される。Ｓ１１２の後、処理はＳ１１３に移行する。

Ｓ１１３では、排気流量Ｑが閾値Ｑｄ以上であるか否かが判定される。排気流量Ｑが閾値Ｑｄ以上である場合（Ｓ１１３：ＹＥＳ）、処理はＳ１１４に移行する。排気流量Ｑが閾値Ｑｄよりも小さい場合（Ｓ１１３：ＮＯ）、デフォルトの噴射設定で目標達成可能であるので、処理は図１１のルーチンを抜ける。

Ｓ１１４では、図１０に示すような３次元マップが用いられ、目標均質度を達成可能な噴射粒径と噴射速度との組合せが算出される。Ｓ１１４の後、処理はＳ１１５に移行する。

Ｓ１１５では、Ｓ１１４で算出された噴射粒径および噴射速度を満たす噴射装置１３の目標噴射圧が算出される。Ｓ１１５の後、処理はＳ１１６に移行する。

Ｓ１１６の処理内容は図５のＳ１０２と同じである。Ｓ１１６の後、処理は図４のメインルーチンに戻る。

（効果）
以上説明したように、第２実施形態では、噴霧制御部３４は、噴射粒径および噴射速度の制御範囲を、噴射粒径が比較的大きくなる第１制御範囲と噴射粒径が比較的小さくなる第２制御範囲との間で排気流量に応じて切り替える。これにより、デフォルトの噴射設定では目標均質度を達成できない場合に第２制御範囲に切り替えることで噴霧の微粒化を実施する。

また、第２実施形態では、噴霧制御部３４は、排気流量が閾値Ｑｄ以上である場合、排気流量が大きいほど噴霧粒径を小さくする。また、噴霧制御部３４は、排気温度が低いほど噴霧粒径を小さくする。また、噴霧制御部３４は、壁面温度Ｔｍが低いほど閾値Ｑｄが小さくなるように補正する。また、噴霧制御部３４は、壁面温度Ｔｍが低いほど噴霧粒径を小さくする。このように噴射粒径を制御して排気および壁面からの受熱量を制御することで目標均質度を達成することができる。

［第３実施形態］
第３実施形態では、図１２に示す噴霧制御部４４は、噴射装置１３の噴射粒径と噴射速度とを互いに独立して制御可能である。例えば噴霧制御部４４は、噴射装置１３のバルブリフト量を調節して噴射粒径を制御する。具体的には、噴霧制御部４４は、図１３に示すように、要求される噴射粒径が小さいほど、バルブリフト量を比較的小さくする。バルブリフト量を小さくすることで、噴射弁１８内部における還元剤の横流れが強まり、乱れが強まることで微粒化が促進される。微粒化するほど噴霧の速度がすぐに減衰し、噴霧の貫徹力が小さくなる。そして、噴霧制御部４４は、要求される噴射粒径および噴射速度の両方を満たす噴射圧を図１４および図１５に示す関係から算出する。なお、他の実施形態では、噴射装置１３のバルブリフト時間の調節により噴射粒径が制御されてもよい。

図１２の噴霧制御部４４は、第１制御範囲Ａ１および第２制御範囲Ａ２のうち、触媒入口における還元剤の目標均質度をより低エネルギで達成する方を用いる。例えば図１６に示すように、バルブリフト量の３段階変化に応じて、噴射圧の調節により変化する噴射粒径と噴射速度との関係が３つの実線Ｌｃ１〜Ｌｃ３で示される場合について考える。実線Ｌｃ１〜Ｌｃ３の全てが第１制御範囲Ａ１および第２制御範囲Ａ２の両方を通る。この場合、実線Ｌｃ１上の点ｐ１を採用する方が、Ｌｃ２上の点ｐ２または実線Ｌｃ３上の点ｐ３を採用するよりも、目標均質度をより低エネルギで達成可能である。

一方、図１７では実線Ｌｃ３が第１制御範囲Ａ１および第２制御範囲Ａ２の両方を通るのに対して、実線Ｌｃ１、Ｌｃ２が第２制御範囲Ａ２のみを通る。この場合、実線Ｌｃ３上の点ｐ３を採用する方が、実線Ｌｃ１上の点ｐ１またはＬｃ２上の点ｐ２を採用するよりも、噴射速度が低速になり目標均質度をより低エネルギで達成可能である。

また、図１２の噴霧制御部４４は、目標均質度を達成可能な噴射粒径と噴射速度との組合せが複数あって、それらの組合せ同士で必要エネルギの差が所定値以内である場合、噴霧粒径がより小さくなる組合せを採用する。例えば、パーシャルリフトの有無、すなわちバルブリフト量の３段階変化のそれぞれにおいて目標均質度を達成可能な噴射粒径と噴射速度との組合せを抽出し、噴霧粒径がより小さくなる組合せが採用される。噴霧制御部４４は、噴射粒径および噴射速度に対する還元剤の均質度を示す３次元マップを、３段階のバルブリフト量ごとに複数有する。

（制御ユニットが実行する処理）
図４のＳ４０において呼び出される図１８のサブルーチンのＳ１２１において、壁面温度センサ１９の検出信号からミキサ１２の壁面温度Ｔｍが取得される。Ｓ１２１の後、処理はＳ１２２に移行する。

Ｓ１２２では、３次元マップが用いられ、バルブリフト量の３段階変化のそれぞれにおいて目標均質度を達成可能な噴射粒径と噴射速度との組合せが抽出される。Ｓ１２２の後、処理はＳ１２３に移行する。

Ｓ１２３では、Ｓ１２２で抽出された各組合せ同士で必要エネルギが比較され、目標均質度をより低エネルギで達成可能な組合せが採用される。必要エネルギの差が所定値以内である場合、噴霧粒径がより小さくなる組合せが採用される。Ｓ１２３の後、処理はＳ１２４に移行する。

Ｓ１２４では、要求される噴射粒径Ｄが所定値Ｄ２以上か否かが判定される。要求される噴射粒径Ｄが所定値Ｄ２以上である場合（Ｓ１２４：ＹＥＳ）、処理はＳ１２６に移行する。要求される噴射粒径Ｄが所定値Ｄ２よりも小さい場合（Ｓ１２４：ＮＯ）、処理はＳ１２５に移行する。

Ｓ１２５では、要求される噴射粒径Ｄに応じてバルブリフト量が変更される。Ｓ１２５の後、処理はＳ１２６に移行する。

Ｓ１２６では、要求される噴射粒径および噴射速度を満たす噴射装置１３の目標噴射圧が算出される。同様の関係を噴射周期に対しても保持し、より必要エネルギの小さい方が選択される。Ｓ１２６の後、処理はＳ１２７に移行する。

Ｓ１２７では、バルブリフト量が制御されるとともに、噴射装置１３の噴射圧が目標噴射圧になるようにポンプ１７が制御される。Ｓ１２７の後、処理は図４のメインルーチンに戻る。

（効果）
以上説明したように、第３実施形態では、噴霧制御部４４は、噴射装置１３の噴射粒径と噴射速度とを互いに独立して制御可能である。これにより噴射圧だけで噴射粒径および噴射速度を同時に制御する形態に比べて制御範囲が拡大し、より低エネルギで目標均質度を達成することができる。

また、第３実施形態では、噴霧制御部４４は、第１制御範囲Ａ１および第２制御範囲Ａ２のうち、触媒入口における還元剤の目標均質度をより低エネルギで達成する方を用いる。これにより、より低エネルギで目標均質度を達成することができる。

また、第３実施形態では、噴霧制御部４４は、触媒入口における還元剤の目標均質度を達成可能な噴射粒径と噴射速度との組合せが複数あって、それらの組合せ同士で必要エネルギの差が所定値以内である場合、噴霧粒径がより小さくなる組合せを採用する。微粒化した状態で噴射されるほど、液体のままミキサ１２に衝突する還元剤が減り、デポジットが形成されにくくなる。そのため、必要エネルギの許容する範囲で微粒化し、デポジットを抑制することができる。

また、第３実施形態では、噴霧制御部４４は、噴射装置１３のバルブリフト量を調節して噴射粒径を制御する。これにより噴射装置１３の噴射粒径と噴射速度とを互いに独立して制御可能である。

［第４実施形態］
第４実施形態では、触媒反応システム１０は、図１９に示すようにＥＧＲシステム（exhaust gas recirculation）１００が設けられたエンジン９０に適用されている。ＥＧＲシステム１００は、排気通路９１から分岐するＥＧＲ通路１０１を通じて排気の一部を再度吸気させるためのシステムであり、ＥＧＲバルブ１０２を用いて吸気側に送り込む排気の量を調節する。

第４実施形態では、触媒５１およびミキサ１２がＥＧＲ通路１０１の途中に設けられている点、噴射装置５３が「所定の液体」としての燃料を噴射する点、および上述の点に対応して制御ユニット５４が制御を行う点が第１実施形態とは異なるが、その他の構成は第１実施形態と同様である。ＥＧＲ通路１０１は、排気が流れる排気系通路であり、また、触媒５１が設けられる触媒設置通路部である。触媒５１は、排気熱を用いて燃料を反応させ、燃料改質を行う機能を持つ。第４実施形態において、触媒反応システム１０は燃料改質システムである。

情報取得部６１は、各種センサの検出信号から、例えば触媒設置通路部であるＥＧＲ通路１０１の排気流量、排気温度、および触媒温度等の各種情報を取得する。ＥＧＲ通路１０１の排気流量および排気温度は、例えばエンジン９０およびＥＧＲバルブ１０２などの運転条件から推定してもよいし、エンジン制御部の制御値から取得してもよい。

温度判定部６２は、触媒温度が「触媒５１において改質反応がおこる温度」に達しているか否かを判定する。すなわち、触媒温度Ｔｃが閾値Ｔｘ以上か否かが判定される。触媒温度が閾値Ｔｘ以上ではない場合、改質できないので、噴射装置５３による燃料の噴射が行われない。

供給量算出部６３は、現在の条件で改質可能な燃料の量（以下、改質燃料量）を算出する。第１実施形態では、上記条件を示す情報として排気流量、排気温度、およびエンジン９０の要求出力が用いられる。図２０に示すような３次元マップが用いられ、排気流量Ｑ、排気温度Ｔ、および要求出力に基づき改質燃料量Ｗが算出される。なお、出力維持のために必要な燃料が改質分だけでは不足する場合、その不足分が図示しない燃料改質装置から供給される。

噴霧制御部６４は、ミキサ１２の下流側における噴霧の微粒化または気化が進むように、ＥＧＲ通路１０１の排気の状態に応じて噴射装置５３の噴射粒径および噴射速度を制御する。これらの制御は、第１実施形態と同様に、図３に示すマップを用いて排気温度Ｔおよび排気流量Ｑに基づき目標噴射圧Ｐが算出され、噴射装置５３の噴射圧を調節することで行われる。

制御ユニット５４は、第１実施形態における図４と同様の処理を実行して、各種情報を取得し、触媒温度Ｔｃが閾値Ｔｘ以上である場合に燃料改質量Ｗを算出し、噴霧制御を行って燃料を噴射する。

第４実施形態では、触媒反応システム１０は、ミキサ１２の下流側における噴霧の微粒化または気化が進むように、触媒配置通路部であるＥＧＲ通路１０１の排気の状態に応じて噴射装置５３の噴射粒径および噴射速度を制御する噴霧制御部６４を備える。したがって、第４実施形態によれば、第１実施形態と同様に触媒入口における燃料の均質化状態を維持することができ、触媒１１での改質反応が好適に行われる。

［第５実施形態］
第５実施形態では、図２１に示すように触媒５１およびミキサ１２がＥＧＲ通路１０１の途中に設けられている点、噴射装置５３が「所定の液体」としての燃料を噴射する点、および上述の点に対応して制御ユニット５４が制御を行う点が第２実施形態とは異なるが、その他の構成は第２実施形態と同様である。情報取得部７１は、第２実施形態における情報取得部３１に対応する。

噴霧制御部７４は、噴射粒径および噴射速度の制御範囲を、噴射粒径が比較的大きくなる第１制御範囲と噴射粒径が比較的小さくなる第２制御範囲との間で排気流量に応じて切り替える。また、噴霧制御部７４は、排気流量が閾値Ｑｄ以上である場合、排気流量が大きいほど噴霧粒径を小さくする。また、噴霧制御部７４は、排気温度が低いほど噴霧粒径を小さくする。また、噴霧制御部７４は、壁面温度Ｔｍが低いほど閾値Ｑｄが小さくなるように補正する。また、噴霧制御部７４は、壁面温度Ｔｍが低いほど噴霧粒径を小さくする。したがって、第５実施形態によれば第２実施形態と同様の効果を得ることができる。

［第６実施形態］
第６実施形態では、図２２に示すように触媒５１およびミキサ１２がＥＧＲ通路１０１の途中に設けられている点、噴射装置５３が「所定の液体」としての燃料を噴射する点、および上述の点に対応して制御ユニット５４が制御を行う点が第３実施形態とは異なるが、その他の構成は第３実施形態と同様である。

噴霧制御部８４は、噴射装置１３の噴射粒径と噴射速度とを互いに独立して制御可能である。また、噴霧制御部８４は、第１制御範囲Ａ１および第２制御範囲Ａ２のうち、触媒入口における還元剤の目標均質度をより低エネルギで達成する方を用いる。また、噴霧制御部８４は、触媒入口における還元剤の目標均質度を達成可能な噴射粒径と噴射速度との組合せが複数あって、それらの組合せ同士で必要エネルギの差が所定値以内である場合、噴霧粒径がより小さくなる組合せを採用する。また、噴霧制御部８４は、噴射装置１３のバルブリフト量を調節して噴射粒径を制御する。したがって、第６実施形態によれば第３実施形態と同様の効果を得ることができる。

［他の実施形態］
他の実施形態では、浄化対象はＮＯｘに限らず、例えば一酸化二窒素Ｎ₂Ｏや二酸化炭素ＣＯ₂等であってもよい。また、還元剤は、尿素水に限らず、浄化対象よりも酸化しやすい例えば炭化水素やアルコールなどの有機物、過酸化水素水などが用いられてもよい。他の実施形態では、還元剤に限らず、還元剤の前駆体が供給されてもよい。

他の実施形態では、還元剤の必要供給量または燃料改質量を算出するとき、排気流量を例えば吸気量またはエンジン回転数等に置き換えてもよいし、排気温度を例えばアクセル開度または燃料噴射量等に置き換えてもよい。また、還元剤の必要供給量を算出するときＮＯｘ濃度を用いず、図２３に示すような２次元マップが用いられ、エンジン回転数Ｒおよびアクセル開度Ａに基づき尿素水の必要供給量Ｗが算出されてもよい。燃料改質量を算出するときも同様である。

他の実施形態では、排気流量および排気温度等の排気状態は、センサからの取得ではなく、エンジン運転条件などから推定されてもよい。

他の実施形態では、排気流量に代えて、吸気量を用いて制御が行われてもよい。その場合、燃料噴射量に応じて吸気量を多く見積もるように補正をかけてもよい。これにより燃料ガス分の体積増加を計算に加味し、より実際に近い様にすることが可能である。

他の実施形態では、現在の還元剤温度または燃料温度を計測し、その温度に応じて噴射粒径および噴射速度への要求を大粒径側および低速側に補正をかけてもよい。温度が高いほど気化し易いため、上記補正によっても目標均質度の達成が可能になる。

他の実施形態では、噴射装置は還元剤または燃料に熱または電荷を与える機構を持ち、熱または電荷を与えることで還元剤または燃料の表面張力を低下させ、微粒化を促進させてもよい。また、他の実施形態では、噴射装置は噴孔径を可変させる機構を持ち、噴孔径の可変により微粒化を制御してもよい。また、他の実施形態では、噴射装置は還元剤または燃料を予熱する機構を持ち、噴射時に即時気化するように還元剤または燃料を予熱することで、噴射粒径を制御してもよい。また、他の実施形態では、噴射装置は噴霧角の制御機構を持ち、噴霧角を調節することで周囲からの受熱量をコントロールし、疑似的に噴射粒径を制御するようにしてもよい。

他の実施形態では、触媒の劣化の推定手段が設けられ、触媒の劣化に合わせて浄化率または改質率をより向上するために、排気流量の閾値が低くなるような補正、または要求される噴射粒径が小さくなるような補正を行ってもよい。また、他の実施形態では、触媒後のＮＯｘ量をセンサで計測し、そのＮＯｘ量が多いほど排気流量の閾値が低くなるような補正、または要求される噴射粒径が小さくなるような補正を行ってもよい。

他の実施形態では、還元剤または燃料の噴射量に応じて周囲からの吸熱が変わることを考慮し、還元剤または燃料の噴射量に応じて排気流量の閾値が小さくなるように補正してもよい。

他の実施形態では、必要以上に噴射装置の噴射圧を下げることを避けるため、所定噴射圧以上の範囲内で噴霧制御を行うようにしてもよい。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。

本開示に記載の制御部及びその手法は、コンピュータプログラムにより具体化された一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリーを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。あるいは、本開示に記載の制御部及びその手法は、一つ以上の専用ハードウエア論理回路によってプロセッサを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。もしくは、本開示に記載の制御部及びその手法は、一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリーと一つ以上のハードウエア論理回路によって構成されたプロセッサとの組み合わせにより構成された一つ以上の専用コンピュータにより、実現されてもよい。また、コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されるインストラクションとして、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されていてもよい。

１１、５１：触媒
１２：ミキサ（攪拌部）
１３、５３：噴射装置
２４、３４、４４、６４、７４、８４：噴霧制御部
９０：エンジン
９１：排気通路（排気系通路）
１０１：ＥＧＲ通路（排気系通路）

Claims (15)

1. エンジン（９０）の排気系通路（９１、１０１）に設けられる触媒（１１、５１）と、
   前記触媒の上流側に設けられる攪拌部（１２）と、
   所定の液体を噴霧として前記攪拌部に向けて噴射する噴射装置（１３、５３）と、
   前記攪拌部の下流側における噴霧の微粒化または気化が進むように、前記触媒が設けられる触媒設置通路部の排気の状態に応じて前記噴射装置の噴射粒径および噴射速度の一方または両方を制御する噴霧制御部（２４、３４、４４、６４、７４、８４）と、
   を備えるエンジンの触媒反応システム。
2. 前記噴霧制御部（３４、４４）は、噴射粒径および噴射速度の制御範囲を、噴射粒径が比較的大きくなる第１制御範囲（Ａ１）と噴射粒径が比較的小さくなる第２制御範囲（Ａ２）との間で前記触媒設置通路部の排気流量に応じて切り替える請求項１に記載のエンジンの触媒反応システム。
3. 前記噴霧制御部は、前記触媒設置通路部の排気流量が閾値（Ｑｄ）以上である場合に前記第２制御範囲を用いる請求項２に記載のエンジンの触媒反応システム。
4. 前記噴霧制御部は、前記触媒設置通路部の排気流量が前記閾値以上である場合、排気流量が大きいほど噴霧粒径を小さくする請求項３に記載のエンジンの触媒反応システム。
5. 前記噴霧制御部は、前記触媒設置通路部の排気温度が低いほど噴霧粒径を小さくする請求項３または４に記載のエンジンの触媒反応システム。
6. 前記攪拌部の測定温度または推定温度を取得する温度取得部（３４）をさらに備え、
   前記噴霧制御部は、前記温度取得部が取得した温度が低いほど前記閾値が小さくなるように補正する請求項３〜５のいずれか一項に記載のエンジンの触媒反応システム。
7. 前記攪拌部の測定温度または推定温度を取得する温度取得部をさらに備え、
   前記噴霧制御部は、前記温度取得部が取得した温度が低いほど噴霧粒径を小さくする請求項３〜５のいずれか一項に記載のエンジンの触媒反応システム。
8. 前記噴霧制御部（４４）は、前記噴射装置の噴射粒径と噴射速度とを互いに独立して制御可能である請求項２に記載のエンジンの触媒反応システム。
9. 前記噴霧制御部は、前記第１制御範囲および前記第２制御範囲のうち、前記触媒入口における前記噴射装置からの噴射物の目標均質度をより低エネルギで達成する方を用いる請求項８に記載のエンジンの触媒反応システム。
10. 前記噴霧制御部は、前記触媒入口における前記液体の目標均質度を達成可能な噴射粒径と噴射速度との組合せが複数あって、それらの組合せ同士で必要エネルギの差が所定値以内である場合、噴霧粒径がより小さくなる組合せを採用する請求項８または９に記載のエンジンの触媒反応システム。
11. 前記噴霧制御部は、前記噴射装置のバルブリフト時間を調節して噴射粒径を制御する請求項８〜１０のいずれか一項に記載のエンジンの触媒反応システム。
12. 前記噴霧制御部は、前記噴射装置のバルブリフト量を調節して噴射粒径を制御する請求項８〜１０のいずれか一項に記載のエンジンの触媒反応システム。
13. 前記噴霧制御部（２４、３４）は、前記噴射装置の噴射圧を調節して噴射粒径および噴射速度を同時に制御する請求項１〜７のいずれか一項に記載のエンジンの触媒反応システム。
14. 前記液体は還元剤またはその前駆体であり、
    前記触媒は排気中の所定成分を還元浄化する請求項１〜１３のいずれか一項に記載のエンジンの触媒反応システム。
15. 前記液体は燃料であり、
    前記触媒は排熱を用いて燃料を反応させる請求項１〜１３のいずれか一項に記載のエンジンの触媒反応システム。

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