JP2020139418A - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、内燃機関の排気浄化システムに関し、加熱器による加熱に要するエネルギーのロスを抑制しつつ、筒内からのＮＯｘ排出量の変動に起因する高床温要求に速やかに対処できるようにする。【解決手段】内燃機関１の排気浄化システムは、内燃機関１の排気通路２に配置された選択還元型ＮＯｘ触媒１２と、選択還元型ＮＯｘ触媒１２を加熱するための加熱器２４と、加熱器２４を制御する制御装置２６と、を備える。制御装置２６は、選択還元型ＮＯｘ触媒１２の目標床温が実床温よりも高い場合に、選択還元型ＮＯｘ触媒１２に供給される熱量が増加するように加熱器２４を制御する触媒床温制御を実行する。制御装置２６は、触媒床温制御の実行中に、内燃機関１からのＮＯｘ排出増加量の予測値が大きい場合には、予測値が小さい場合と比べて高くなるように目標床温を変更する。【選択図】図４

Description

この発明は、内燃機関の排気浄化システムに関し、より詳細には、選択還元型ＮＯｘ触媒と、当該選択還元型ＮＯｘ触媒を加熱するための加熱器とを備える排気浄化システムに関する。

例えば、特許文献１には、選択還元型ＮＯｘ触媒と、この選択還元型ＮＯｘ触媒の床温を加熱するための加熱器（ヒータ）とを備える排ガス処理装置が開示されている。この排ガス処理装置によれば、加熱器を利用して選択還元型ＮＯｘ触媒を加熱することにより、当該ＮＯｘ触媒の床温を制御することができる。

国際公開第２０１１／１２０８３８号 特開２０１４−０８４７５９号公報 特開２００９−１３８５２２号公報

選択還元型ＮＯｘ触媒は、その床温を活性開始温度（例えば、１８０〜２００℃程度）よりも高温の所定温度（例えば、２５０℃程度）以上とすることで、高いＮＯｘ還元能力を発揮する。ここで、内燃機関（の筒内）からのＮＯｘ排出量は、例えばエンジン負荷が高いほど多くなる。そこで、エンジン負荷変動に伴うＮＯｘ排出量の変動に耐え得るようにするために、床温を上記の所定温度で高く保持することが考えられる。

その一方で、低負荷時のような低ＮＯｘ排出条件では、上記の所定温度よりも低い床温の下であっても、ＮＯｘを適切に還元処理することが可能である。したがって、ＮＯｘ排出量の変動に耐え得るようにするために、低ＮＯｘ排出条件（低負荷時）の下で床温を高く維持することとすると、加熱器による加熱に要するエネルギーのロスが大きくなることが懸念される。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものであり、加熱器による加熱に要するエネルギーのロスを抑制しつつ、筒内からのＮＯｘ排出量の変動に起因する高床温要求に速やかに対処できるようにした内燃機関の排気浄化システムを提供することを目的とする。

本発明に係る内燃機関の排気浄化システムは、
内燃機関の排気通路に配置された選択還元型ＮＯｘ触媒と、
前記選択還元型ＮＯｘ触媒を加熱するための加熱器と、
前記加熱器を制御する制御装置と、
を備える。
前記制御装置は、前記選択還元型ＮＯｘ触媒の目標床温が実床温よりも高い場合に、前記選択還元型ＮＯｘ触媒に供給される熱量が増加するように前記加熱器を制御する触媒床温制御を実行する。
前記制御装置は、前記触媒床温制御の実行中に、前記内燃機関からのＮＯｘ排出増加量の予測値が大きい場合には、前記予測値が小さい場合と比べて高くなるように前記目標床温を変更する。

本発明によれば、上記の予測値が大きい場合、つまり、筒内からのＮＯｘ排出量の増加が予測される場合には、当該予測がなされない場合と比べて、目標床温が高められる。このような手法によれば、エンジン負荷変動に伴うＮＯｘ排出量の変動に耐え得るようにするために床温を常時高く保持する例と比べて加熱器による加熱に要するエネルギー（熱量）のロスを抑制しつつ、筒内からのＮＯｘ排出量の変動に起因する高床温要求に速やかに対処できるようになる。そして、その結果として、エネルギーロスを抑制しつつ、高いＮＯｘ浄化性能を確保できるようになる。

本発明の実施の形態に係る内燃機関１の排気浄化システムの構成例を模式的に表した図である。 図１に示すＳＣＲ触媒に関する処理ＮＯｘ量とＳＣＲ温度（床温）とＮＯｘ浄化率との関係の一例を表したグラフである。 エンジン負荷の変更指令に対するＮＯ排出量の変化の遅れを説明するためのグラフである。 本発明の実施の形態に係る加熱器の制御に関する処理のルーチンを示すフローチャートである。 図４に示すルーチンの処理に従う加熱器の制御の動作例を説明するためのタイムチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

１．排気浄化システムの構成例
図１は、本発明の実施の形態に係る内燃機関１の排気浄化システム１０の構成例を模式的に表した図である。図１に示す排気浄化システム１０は、内燃機関１に適用されている。内燃機関１は、一例として、直列４気筒型のディーゼルエンジンである。しかしながら、本発明の対象となる内燃機関は、リーンバーン運転を行うものであれば、ディーゼルエンジンに代え、火花点火式エンジンであってもよい。また、本発明の対象となる内燃機関の気筒数及び気筒配置は、上記の例に限定されない。

排気浄化システム１０は、リーン雰囲気の下でＮＯｘを浄化するための選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒）１２を備えている。ＳＣＲ触媒１２は、内燃機関１の排気通路２に配置されている。また、排気浄化システム１０は、ＳＣＲ触媒１２に対して還元剤であるアンモニア（ＮＨ_３）の前駆体である尿素水を供給するための還元剤供給装置１４を備えている。なお、還元剤供給装置１４は、アンモニア（ＮＨ_３）自体をＳＣＲ触媒１２に対して供給してもよい。

還元剤供給装置１４は、主に、尿素水添加弁１６、尿素水タンク１８、尿素水流路２０、及び尿素水ポンプ２２を備えている。尿素水添加弁１６は、ＳＣＲ触媒１２の上流において尿素水を排気通路２内に添加（噴射）する。尿素水添加弁１６から排気通路２に噴射された尿素水は、加水分解されてＮＨ_３となり、ＳＣＲ触媒１２に供給される。ＳＣＲ触媒１２は、供給された尿素水由来のＮＨ_３を還元剤として、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元する。尿素水タンク１８は、尿素水を貯留している。尿素水流路２０は、尿素水添加弁１６と尿素水タンク１８とを接続している。尿素水ポンプ２２は、尿素水タンク１８内の尿素水を尿素水添加弁１６に向けて圧送する。

排気浄化システム１０は、さらに、ＳＣＲ触媒１２を加熱するための加熱器２４を備えている。加熱器２４は、ＳＣＲ触媒１２の上流側において排気通路２内に配置されている。加熱器２４は、一例として電気ヒータである。したがって、ＳＣＲ触媒１２と加熱器２４との組み合わせは、電気加熱式触媒（ＥＨＣ：Electrically Heated Catalyst）の一例に相当する。

排気浄化システム１０は、さらに、制御装置２６を備えている。制御装置２６は、還元剤供給装置１４（尿素水添加弁１６及び尿素水ポンプ２２）とともに、加熱器２４を制御する電子制御ユニット（ＥＣＵ）である。制御装置２６には、還元剤供給装置１４及び加熱器２４の制御に必要な各種情報を検出する各種センサが電気的に接続されている。ここでいう各種センサは、ＳＣＲ温度センサ２８と、加熱器流入ガス温度センサ３０と、アクセルポジションセンサ３２とを含む。ＳＣＲ温度センサ２８は、ＳＣＲ温度（ＳＣＲ触媒１２の床温）に応じた信号を出力する。加熱器流入ガス温度センサ３０は、加熱器２４に流入する排気ガスの温度に応じた信号を出力する。アクセルポジションセンサ３２は、内燃機関１を搭載する車両のアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）に応じた信号を出力する。

制御装置２６はプロセッサとメモリとを有する。メモリには、還元剤供給装置１４及び加熱器２４の制御に必要なプログラム及びマップが記憶されている。また、制御装置２６には、上記の各種センサから様々な情報が入力される。プロセッサは、これらの情報を利用しつつ、プログラムをメモリから読み出して実行することにより、各アクチュエータ（尿素水添加弁１６、尿素水ポンプ２２及び加熱器２４）の操作量を決定する。

２．加熱器の制御
２−１．前提とする触媒床温制御
制御装置２６は、ＳＣＲ触媒１２の床温を適切に管理するために、次のような触媒床温制御を実行する。すなわち、この触媒床温制御によれば、ＳＣＲ触媒１２の目標床温が実床温よりも高い場合に、加熱器２４に供給される電力（つまり、ＳＣＲ触媒１２に供給される熱量）が増加するように加熱器２４が制御される。

２−２．触媒床温制御に関する課題
図２は、図１に示すＳＣＲ触媒１２に関する処理ＮＯｘ量とＳＣＲ温度（床温）とＮＯｘ浄化率との関係の一例を表したグラフである。図２に示す例では、ＳＣＲ触媒１２の活性は、１８０〜２００℃程度の床温の下で開始される。ここでいう処理ＮＯｘ量とは、ＳＣＲ触媒１２による還元処理を必要とするＮＯｘ量、すなわち、内燃機関１（の筒内）からのＮＯｘ排出量のことである。このＮＯｘ排出量は、例えばエンジン負荷が高いほど多くなる。図２中の処理ＮＯｘ量の範囲Ｒは、所定の低負荷域に対応する低ＮＯｘ排出条件の下で必要とされる処理ＮＯｘ量の範囲を示している。

図２に示す例では、床温が２３０℃以上であれば、上記の範囲Ｒ内の処理ＮＯｘ量に対処可能である。また、図２より、床温が２５０℃以上であると、範囲Ｒよりも処理ＮＯｘ量が多くなる高ＮＯｘ排出条件（すなわち、範囲Ｒに対応する低負荷域よりも高負荷域の使用時）のほとんどにおいて必要とされる処理ＮＯｘ量のＮＯｘを処理可能となることが分かる。

エンジン負荷は、内燃機関１の運転中に加減速等によって変動し、その結果として、筒内からのＮＯｘ排出量も変動する。そこで、このようなＮＯｘ排出量の変動に耐え得るようにするために、活性開始温度よりも高い所定温度（例えば、２５０℃）を保持するように加熱器２４を用いてＳＣＲ温度（床温）を制御することが考えられる。その一方、範囲Ｒを参照して説明した低ＮＯｘ排出条件では、上記の所定温度よりも低い床温（２３０℃）の下であっても、ＮＯｘを適切に還元処理することが可能である。したがって、ＮＯｘ排出量の変動に耐え得るようにするために（将来の加速等による高ＮＯｘ排出条件（高負荷時）に備えるために）、低ＮＯｘ排出条件（低負荷時）の下で床温を高く維持することとすると、加熱器２４による加熱に要するエネルギーのロスが大きくなることが懸念される。

より詳細には、加熱器２４として電気ヒータを利用する本実施形態では、加熱器２４の作動のための電力のロスが大きくなる。そして、本実施形態では、加熱器２４の作動のための電力は、内燃機関１の動力を利用して発電される。その結果、電力のロスは、燃費の悪化に繋がる。付け加えると、低負荷域では、排気温度が低いため、床温を上記の所定温度で維持することに伴うエネルギーロスが大きくなり易い。

２−３．本実施形態の加熱器の制御の特徴部の概要
図３は、エンジン負荷の変更指令に対するＮＯ排出量の変化の遅れを説明するためのグラフである。図３中の時点ｔ１は、車両のドライバによるアクセルペダルの踏み込み（加速のためのエンジン負荷の変更指令）が出された時点に相当する。時点ｔ２は、このエンジン負荷の変更指令に起因するＮＯｘ排出量（筒内からのＮＯｘ排出量）の変化が生じた時点に相当する。ここで、内燃機関１では、ドライバによるエンジン負荷の変更指令が出されると、エンジン燃焼状態が変化し、その結果として、排気の状態（ＮＯｘ排出量）が変化する。このため、エンジン負荷の変更指令に対するＮＯｘ排出量の変化には、図３に示すように遅れが生じる。この遅れは、各種のエンジン運転条件によるが、数秒程度となる。

一方、加熱器２４によるＳＣＲ温度（床温）の上昇（より詳細には、低ＮＯｘ排出条件でのＮＯｘ還元処理が可能な温度（図２に示す例では２３０℃）から上記所定温度（２５０℃）への上昇）は、数秒程度で行うことができる。より詳細には、この床温の上昇に要する時間は、厳密にはエンジン出力、ＳＣＲ触媒１２の熱容量及び排気ガス流量等の各種条件によるが、上述のＮＯｘ排出量の変化の遅れ時間と同等である。

本実施形態では、上記２−２．において説明した課題に鑑み、制御装置２６は、触媒床温制御の実行中に、内燃機関１からのＮＯｘ排出増加量の予測値が大きい場合には、この予測値が小さい場合と比べて高くなるように目標床温を変更するように構成されている。より詳細には、以下に説明する一例では、制御装置２６は、上記の予測値が所定の閾値以上となる場合には、この予測値が閾値未満である場合と比べて高くなるように目標床温を変更する。

２−４．制御装置の処理
図４は、本発明の実施の形態に係る加熱器２４の制御に関する処理のルーチンを示すフローチャートである。制御装置２６は、本ルーチンの処理をエンジン運転中に繰り返し実行する。

図４に示すルーチンでは、制御装置２６は、まず、ステップＳ１００において、内燃機関１からのＮＯｘ排出増加量の予測値が所定の閾値以上であるか否かを判定する。このＮＯｘ排出増加量の予測値は、ＮＯｘ排出量の増加を予測可能な信号に基づいて設定できる。ここでは、そのような信号の一例として、アクセルポジションセンサ３２に基づくアクセル開度が利用される。そして、上記の予測値は、一例として、加速のためのアクセルペダルの踏み込み時のアクセル開度の変化量が大きいほど大きくなるように設定される。なお、予測値の設定のために、アクセル開度に代え、例えば、燃料噴射量の指令値（アクセル開度に応じた値）が使用されてもよい。また、予測値の設定のために、アクセル開度又は燃料噴射量の指令値とともに、例えば、ＥＧＲ弁開度及び燃料噴射時期の少なくとも一方が用いられてもよい。

ステップＳ１００の判定結果が否定的である場合（予測値＜閾値）、つまり、ある量以上でのＮＯｘ排出量の増加が予測されない状況にあると判断できる場合には、処理はステップＳ１０２に進む。ステップＳ１０２では、制御装置２６は、ＳＣＲ温度（実床温）が第１目標床温以上であるか否かを判定する。実床温は、例えばＳＣＲ温度センサ２８を用いて取得できる。第１目標床温は、通常時の目標温度に相当する。

ステップＳ１０２の判定結果が否定的である場合（ＳＣＲ温度＜第１目標温度）には、処理はステップＳ１０４に進む。ステップＳ１０４では、ＳＣＲ温度が第１目標温度になるように、加熱器２４を作動させる。この加熱器２４の作動の結果としてステップＳ１０２の判定結果が肯定的となった場合（ＳＣＲ温度≧第１目標温度）には、処理はステップＳ１１０に進む。

一方、ステップＳ１００の判定結果が肯定的である場合（予測値≧閾値）、つまり、ある量以上でのＮＯｘ排出量の増加が予測される状況にあると判断できる場合には、処理はステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０６では、制御装置２６は、ＳＣＲ温度（実床温）が第２目標床温以上であるか否かを判定する。第２目標床温は、排気（ＮＯｘ）浄化要求が高いために床温をより高める高床温要求時（加速時等）に用いられる目標床温である。したがって、第２目標温度は、第１目標床温よりも高い。

ステップＳ１０６の判定結果が否定的である場合（ＳＣＲ温度＜第２目標温度）には、処理はステップＳ１０８に進む。ステップＳ１０８では、ＳＣＲ温度が第２目標温度になるように、加熱器２４を作動させる。この加熱器２４の作動の結果としてステップＳ１０６の判定結果が肯定的となった場合（ＳＣＲ温度≧第２目標温度）には、処理はステップＳ１１０に進む。このようなステップＳ１０６及びＳ１０８の処理によれば、予測値が閾値以上である場合に、予測値が閾値未満である場合と比べて高くなるように目標床温が変更される。そして、変更後の目標床温（第２目標床温）が得られるように、加熱器２４の出力（加熱器２４に供給される電力）が高められることになる。

ステップＳ１１０では、例えば加熱器流入ガス温度センサ３０を用いて取得可能な加熱器流入ガス温度が、所定の目標温度よりも低いか否かを判定する。この目標温度は、加熱器流入ガス温度が、加熱器２４の作動を停止すると現在の目標床温を維持できない温度域内にあるか否かを判断するための値である。

ステップＳ１１０の判定結果が肯定的である場合（加熱器流入ガス温度＜目標温度）、つまり、加熱器２４の作動を停止すると現在の目標床温を維持できないと判断できる場合には、処理はステップＳ１１２に進む。ステップＳ１１２では、制御装置２６は、床温の維持のために加熱器２４の作動を実行（継続）する。

一方、ステップＳ１１０の判定結果が否定的である場合（加熱器流入ガス温度≧目標温度）、つまり、加熱器２４の作動を停止しても現在の目標床温を維持可能と判断できる場合には、処理はステップＳ１１４に進む。ステップＳ１１４では、制御装置２６は、加熱器２４の作動を停止する。

３．作用効果
図５は、図４に示すルーチンの処理に従う加熱器２４の制御の動作例を説明するためのタイムチャートである。図５中のＳＣＲ温度に関し、細線は目標床温に対応し、太線は実床温に対応している。図５中の時点ｔ３は、通常時の目標床温（第１目標床温）となるように加熱器２４を用いて触媒床温制御を行っている場合にアクセルペダルの踏み込み（エンジン負荷の変更指令）が出された時点に相当する。

時点ｔ３の後の時点ｔ４は、ＮＯｘ排出増加量の予測値が上述の閾値以上となった時点（ドライバ指令変化トリガーＯＮ）に相当する。上述した図４に示すルーチンの処理によれば、この時点ｔ４において、ある量以上でのＮＯｘ排出量の増加が予測される状況にある（エンジン負荷が上がる予兆がある）と判断され、目標床温が第１目標床温からこれよりも高い第２目標床温に変更される。その結果、実床温が第２目標床温となるように加熱器２４の出力が高められる。なお、時点ｔ５は、その後に予測値が閾値以上となる状態が解消された時点に相当する。

図５中のＮＯｘ排出量の波形は、ＳＣＲ触媒１２の下流におけるＮＯｘ排出量に関する。そして、破線の波形は第２目標床温への目標床温の変更（増大）が行われない場合（比較例）に対応しており、実線の波形は第２目標床温への目標床温の変更（増大）が行われた場合（本実施形態）に対応している。本実施形態の加熱器２４の制御によれば、ＮＯｘ排出量の増加が予測された場合には、筒内からのＮＯｘ排出量が実際に増加するのに先立ち、第２目標床温に向けての床温の上昇が開始される。これにより、図５中のＮＯｘ排出量の波形を比較すると分かるように、その後に筒内からのＮＯｘ排出量（すなわち、必要とされる処理ＮＯｘ量）が実際に増加しても、ＮＯｘ還元能力が良好に高められたＳＣＲ触媒１２によってＮＯｘの還元処理を適切に行えるようになる。そして、このような制御によれば、ＮＯｘ排出量の増加が予測されない場合には加熱器２４の出力を必要最小限に抑えられる。

以上のように、本実施形態の排気浄化システム１０によれば、加熱器２４による加熱に要するエネルギー（熱量）のロスを抑制しつつ、筒内からのＮＯｘ排出量の変動に起因する高床温要求に速やかに対処できるようになる。その結果、エネルギーロスを抑制しつつ、高いＮＯｘ浄化性能を確保できるようになる。そして、内燃機関１の動力を利用して発電された電力で作動する電気ヒータを加熱器２４として用いる本実施形態では、高いＮＯｘ浄化性能と燃費悪化抑制との両立（排気エミッション低減と燃費低減とのトレードオフの改善）を図ることができる。付け加えると、リーン燃焼においてエンジン負荷により大きく変動するＮＯｘ排出量に適した触媒床温制御を実施できる。

４．目標床温の変更の仕方の他の例
上述した実施の形態においては、内燃機関１からのＮＯｘ排出増加量の予測値が所定の閾値以上となる場合には、この予測値が閾値未満である場合に用いられる第１目標床温と比べて高い第２目標床温に変更される。すなわち、目標床温が２段階で変更される。しかしながら、このような例に代え、３つ以上の目標温度を利用し、上記の予測値が大きいほど、目標床温が高められてもよい。

５．加熱器の他の例
上述した実施の形態においては、電気ヒータを利用する加熱器２４を例示した。しかしながら、本発明に係る「加熱器」は、電気ヒータに代え、例えば、バーナー又はマイクロ波を利用するものであってもよい。また、電気ヒータを利用する場合、加熱器は、必ずしも、加熱器２４のように選択還元型ＮＯｘ触媒の上流に配置されなくてもよく、例えば、選択還元型ＮＯｘ触媒の内部に配置されてもよい。換言すると、ＳＣＲ触媒がコートされた電気ヒータがＥＨＣとして用いられてもよい。そして、このように選択還元型ＮＯｘ触媒と一体的に構成された加熱器の例によれば、選択還元型ＮＯｘ触媒の上流に加熱器を備える例と比べて高い応答性で、床温を上昇させられるようになる。

１ 内燃機関
２ 排気通路
１０ 排気浄化システム
１２ 選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）
１４ 還元剤供給装置
１６ 尿素水添加弁
１８ 尿素水タンク
２０ 尿素水流路
２２ 尿素水ポンプ
２４ 加熱器
２６ 制御装置
２８ ＳＣＲ温度センサ
３０ 加熱器流入ガス温度センサ
３２ アクセルポジションセンサ

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路に配置された選択還元型ＮＯｘ触媒と、
   前記選択還元型ＮＯｘ触媒を加熱するための加熱器と、
   前記加熱器を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、前記選択還元型ＮＯｘ触媒の目標床温が実床温よりも高い場合に、前記選択還元型ＮＯｘ触媒に供給される熱量が増加するように前記加熱器を制御する触媒床温制御を実行し、
   前記制御装置は、前記触媒床温制御の実行中に、前記内燃機関からのＮＯｘ排出増加量の予測値が大きい場合には、前記予測値が小さい場合と比べて高くなるように前記目標床温を変更する
   ことを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。

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