JP2020180584A - 排気浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】排気の浄化性能を向上させる。【解決手段】排気浄化システムは、噴射弁５と、ＳＣＲ触媒４と、制御装置３とを備える。噴射弁５は、車両に搭載されたエンジン１の排気中に尿素水溶液を噴射する。ＳＣＲ触媒４は、噴射弁５で噴射された尿素水溶液を用いて排気中のＮＯｘを浄化するためのものである。制御装置３は、エンジン１の運転中にイグニッションスイッチ９がオフされた場合、噴射弁５による噴射を停止するとともに、ＳＣＲ触媒４内に残留した水分が排気によって除去されたことを推定するまでエンジン１の運転を継続させる。【選択図】図１

Description

本発明は、車両に搭載されたエンジンの排気を浄化するためのＳＣＲ触媒を備えた排気浄化システムに関する。

従来、尿素水溶液を還元剤として用いることで、エンジンの排気に含まれるＮＯｘをＳＣＲ触媒において浄化する排気浄化システムが知られている。排気浄化システムでは、タンク内に貯留された尿素水溶液が、配管を通じて噴射弁へと導かれた後、この噴射弁からＳＣＲ触媒よりも排気流れの上流側へと供給される。

このような排気浄化システムにおいて、エンジンの停止時に、前述した配管や噴射弁等で構成される還元剤の供給経路内に残留した尿素水溶液をタンク側に吸い戻すアフターラン制御を実施することが提案されている（例えば特許文献１参照）。このようなアフターラン制御によれば、エンジンの停止後に、尿素水溶液の凍結によって配管や噴射弁等が破損するのを防止できるとされている。

特開2013-170569号公報

しかしながら、前述したようなアフターラン制御では、還元剤の供給経路内に残留した尿素水溶液を回収することはできたとしても、ＳＣＲ触媒内に残留した尿素水溶液を回収することはできない虞がある。エンジンの始動時に尿素水溶液の水分がＳＣＲ触媒内に残留している場合、この水分が蒸発するまでＳＣＲ触媒の温度の上昇が阻害される。ＳＣＲ触媒は、その温度が低いと活性化しないことが知られている。このため、ＳＣＲ触媒内に多量の水分が残留している場合、ＳＣＲ触媒が活性化しにくくなることで排気の浄化の開始が遅れる。この結果、排気の浄化性能が低下する虞がある。

本件の排気浄化システムは、前述したような課題に鑑み創案されたものであり、排気の浄化性能を向上させることを目的の一つとする。

ここで開示する排気浄化システムは、車両に搭載されたエンジンの排気中に尿素水溶液を噴射する噴射弁と、前記噴射弁で噴射された前記尿素水溶液を用いて前記排気中のＮＯｘを浄化するためのＳＣＲ触媒と、前記エンジンの運転中にイグニッションスイッチがオフされた場合、前記噴射弁による噴射を停止するとともに、前記ＳＣＲ触媒内に残留した水分が前記排気によって除去されたことを推定するまで前記エンジンの運転を継続させる制御装置と、を備えたことを特徴とする。

これにより、エンジンの運転中にイグニッションスイッチがオフされた場合に、ＳＣＲ触媒内の水分量を排気によって適切に低減したうえで、エンジンの運転を停止できる。このため、エンジンの始動時に、ＳＣＲ触媒の温度上昇が阻害されにくくなる。よって、排気の浄化の開始が早期化されやすくなる。

開示の排気浄化システムによれば、排気の浄化性能を向上させることができる。

各実施形態に係る排気浄化システムの構成を説明するためのブロック図である。 第一実施形態に係る排気浄化システムで実施される制御の手順を例示したフローチャートである。 第二実施形態に係る排気浄化システムで実施される制御の手順を例示したフローチャートである。

図面を参照して、実施形態としての排気浄化システムについて説明する。以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることができる。

［１．第一実施形態］
［１−１．システム構成］
本実施形態に係る排気浄化システムは、図１に示すエンジン１の排気を浄化するものである。エンジン１は、ディーゼルエンジンであって、車両（例えばトラック）に搭載され、この車両の駆動源として機能する。

エンジン１には、その気筒１１内に燃料を噴射する燃料噴射弁２が設けられる。燃料噴射弁２の作動状態（噴射タイミングや噴射量など）は、制御装置３で制御される。エンジン１には、気筒１１内に吸気を導入する吸気通路１２と、気筒１１内で発生した燃焼ガス（排気）を外部に排出するための排気通路１３とがそれぞれ接続されている。

排気通路１３には、排気を浄化するためのＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒４と、ＳＣＲ触媒４に流入する排気中に尿素水溶液を噴射する尿素噴射弁５とが設けられる。以下、排気通路１３における排気の流れ方向を基準として、「上流」及び「下流」を定める

ＳＣＲ触媒４は、排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を、排気に供給される還元剤（ＮＨ_３）により窒素（Ｎ_２）に還元するためのものである。ＳＣＲ触媒４は、その温度が所定の閾温度Tth以上である場合に活性化し、その温度が閾温度Tth未満である場合には活性化しない。

尿素噴射弁５は、ＳＣＲ触媒４の上流側に設けられる。尿素噴射弁５の作動状態（噴射タイミングや噴射量など）は、制御装置３で制御される。

エンジン１には、エンジン１の回転数Ne（以下、「エンジン回転数Ne」ともいう）を検出する回転数センサ６が設けられる。さらに、車両には、アクセルペダルの踏み込み量（以下、「アクセル開度Ap」ともいう）を検出するアクセルセンサ７が設けられる。また、車両の運転席の近傍には、エンジン１を始動または停止させるためのイグニッションスイッチ９（以下、「ＩＧスイッチ９」ともいう）が設けられる。回転数センサ６及びアクセルセンサ７で検出された情報と、ＩＧスイッチ９のオン，オフ情報とは、制御装置３に伝達される。

制御装置３は、周知のマイクロプロセッサやＲＯＭ，ＲＡＭ等を集積したＬＳＩデバイスや組み込みデバイスとして構成された電子制御装置である。制御装置３は、エンジン１が搭載された車両に設けられ、車載ネットワークの通信ラインに接続されている。本実施形態の制御装置３は、前述したセンサ６，７及びＩＧスイッチ９から伝達される各種情報に基づいて、尿素噴射弁５及び燃料噴射弁２を制御する。

［１−２．制御構成］
本実施形態では、エンジン１の運転中にＩＧスイッチ９がオフされた場合に、尿素噴射弁５による噴射を停止するとともに、エンジン１の運転を継続させる継続制御について説明する。

一般に、尿素水溶液は、ＩＧスイッチがオフされる直前まで尿素噴射弁から噴射されている。このため、ＩＧスイッチがオフされた時点では、反応しなかった尿素水溶液がＳＣＲ触媒内に残留することがある。仮に、尿素水溶液がＳＣＲ触媒内に残留したままエンジンが停止されると、次回のエンジンの始動時（特にコールドスタート時）に、残留した尿素水溶液がＳＣＲ触媒の温度上昇を阻害する虞がある。ＳＣＲ触媒は、内部に残留する水分量（以下、「残留水分量」ともいう）が多いほど、温度が上昇しにくくなるため、エンジンの始動から活性状態になる（ＳＣＲ触媒の温度が閾温度Tth以上となる）までにかかる時間が長くなりやすい。

そこで、本実施形態では、ＩＧスイッチ９がオフされた場合に前述した継続制御を実施することで、残留水分量の低減を図る。継続制御では、エンジン１のアイドル運転により、ＳＣＲ触媒４に排気が流入するため、ＳＣＲ触媒４内の水分の蒸発が促進される。これにより残留水分量が低減されることから、次回のエンジン１の始動時に、ＳＣＲ触媒４の温度上昇が阻害されにくくなる。よって、エンジン１の始動時にＳＣＲ触媒４の温度が閾温度Tthに到達する時間が短縮されるため、ＳＣＲ触媒４を早期に活性化させることができる。

制御装置３は、下記の実施条件が成立した場合に継続制御を実施する。
＝実施条件＝
エンジン１の運転中にＩＧスイッチ９がオフされた。

制御装置３は、ＩＧスイッチ９から伝達される情報に基づいて実施条件の成否を判定する。具体的には、制御装置３は、ＩＧスイッチ９がオン状態からオフ状態に切り替えられた場合に実施条件が成立したと判定し、それ以外の場合に実施条件が成立しないと判定する。

なお、本実施形態の制御装置３は、ＩＧスイッチ９がオン状態である（実施条件が成立しない）場合には、車両の走行状態（運転状態）に応じて燃料噴射弁２及び尿素噴射弁５を制御する。この場合、制御装置３は、エンジン回転数Neとアクセル開度Ap（又はエンジントルク）とに基づいて、尿素水溶液の単位時間当たりの噴射量（以下、「尿素噴射量」ともいう）を決定し、決定した尿素噴射量が実現されるように尿素噴射弁５を制御する。

ここで、尿素噴射量の決定方法について説明する。本実施形態の制御装置３は、まず、回転数センサ６から伝達された回転数Neと、アクセルセンサ７から伝達されたアクセル開度Apから求められる燃料の指示噴射量とに基づき、その時点での運転状態で排出されるＮＯｘ量を推測する。そして、推測されたＮＯｘ量に応じて、全てのＮＯｘが還元されるように、尿素噴射量を決定する。なお、ＳＣＲ触媒４における尿素水溶液の消費効率は、その時点でのＳＣＲ触媒４の温度や排気流量によって変わることから、尿素噴射量は、ＳＣＲ触媒４の温度や排気流量を考慮して決定されることが好ましい。また、エンジン回転数Neと指示噴射量と前述したＮＯｘ量との関係は、実験やシミュレーション等により予め取得可能であることから、これらの関係を規定したマップを予め作成しておけば、このマップを参照することで前述したＮＯｘ量を容易に推測できる。

制御装置３は、実施条件が成立した場合には、尿素噴射弁５による尿素水溶液の噴射を停止するとともに、下記の停止条件が成立したと推定するまでエンジン１の運転を継続させる。本実施形態の制御装置３は、継続制御においてエンジン１をアイドル運転させる。したがって、制御装置３は、ＩＧスイッチ９がオフされた後も、下記の停止条件が成立したと推定するまで、エンジン１がアイドル状態となるように燃料噴射弁２の作動を継続させる。
＝停止条件＝
ＳＣＲ触媒４内の水分が排気によって除去された。

以下、停止条件の成否の推定方法について詳述する。本実施形態の制御装置３は、まず、ＩＧスイッチ９がオフされた時点におけるＳＣＲ触媒４の残留水分量を推測する。残留水分量は、例えば、ＩＧスイッチ９がオフされた時点よりも所定時間toだけ溯った時点における尿素噴射量と、ＳＣＲ触媒４の容量Qs（以下、「ＳＣＲ容量Qs」ともいう）とから推測される。

ここで、所定時間toは、尿素噴射弁５によって尿素水溶液が噴射されてから、この尿素水溶液がＳＣＲ触媒４に到達するまでに要する時間として予め算出，設定される。なお、所定時間toは、尿素噴射弁５からＳＣＲ触媒４までの距離（排気が流れる道のり）が長いほど長くなる。また、ＳＣＲ容量Qsは、ＳＣＲ触媒４に固有の値であることから、例えば車両の製造完了時に制御装置３内に予め記憶されている。

次いで、制御装置３は、推測した残留水分量に基づき、それを除去するのに必要な排気流量（以下、「必要流量」ともいう）を算出する。そして、制御装置３は、算出した必要流量が確保されるように、継続制御でエンジン１をアイドル運転させる時間ta（以下、「目標アイドル時間ta」ともいう）を設定する。なお、残留水分量と必要流量との関係は、実験やシミュレーション等により予め取得可能であることから、これらの関係を規定したマップを予め作成しておけば、このマップを参照することで必要流量を容易に算出できる。

そして、制御装置３は、継続制御で実施したアイドル運転の時間t（以下、「実アイドル時間t」ともいう）が目標アイドル時間taを越えた場合に、停止条件が成立したと推定する。制御装置３は、停止条件が成立したと推定した場合には、燃料噴射弁２による燃料の噴射を停止する。これにより、制御装置３は、エンジン１のアイドル運転（継続制御）を終了させる。

［１−３．フローチャート］
図２は、制御装置３で実施される継続制御の手順を例示したフローチャートである。このフローは、ＩＧスイッチ９がオン状態である場合に開始される。

まず、ＩＧスイッチ９から伝達された情報に基づいて、ＩＧスイッチ９がオフされたか否かが判定される（ステップＳ１）。この判定処理は、ＩＧスイッチ９がオフされるまで繰り返される。ＩＧスイッチ９がオフされた（ステップＳ１のYesルートに進んだ）場合は、尿素噴射弁５からの尿素水溶液の噴射が停止される（ステップＳ２）。

続いて、前述したように目標アイドル時間taが設定され（ステップＳ３）、エンジン１がアイドル運転させられる（ステップＳ４）。このアイドル運転は、実アイドル時間tが目標アイドル時間taを越えるまで継続される。そして、実アイドル時間tが目標アイドル時間taを越えた（ステップＳ５のYesルートに進んだ）場合は、ＳＣＲ触媒４内の水分が排気によって除去されたと推定されるため、燃料噴射弁２からの燃料の噴射が停止されてエンジン１が停止する（ステップＳ６）。これにより、継続制御が終了する。

［１−４．効果］
前述した排気浄化システムによれば、エンジン１の運転中にＩＧスイッチ９がオフされた場合、尿素噴射弁５による噴射を停止するとともに、ＳＣＲ触媒４内に残留した水分が排気によって除去されたことを推定するまでエンジン１の運転を継続させる。このため、ＳＣＲ触媒４の残留水分量を排気によって適切に低減したうえで、エンジン１の運転を停止させることができる。これにより、次回のエンジン１の始動時に、ＳＣＲ触媒４の温度上昇が阻害されにくくなるため、排気の浄化の開始を早期化できる。よって、排気の浄化性能を高めることができる。特に、前述した排気浄化システムによれば、エンジン１の始動時にＳＣＲ触媒４の温度が閾温度Tminに到達する時間が短縮され、ＳＣＲ触媒４を早期に活性化できるため、例えば極寒地においても、排気の浄化性能を高めることができる。

さらに、前述した排気浄化システムによれば、ＳＣＲ触媒４内に残留した尿素水溶液のうち、水分は排気によって除去されつつ、継続されるアイドル運転中のＮＯｘ量は、ＩＧスイッチ９がオフされる直前に噴射された尿素水溶液によって十分に除去される。また、アイドル運転停止後の反応しなかった尿素はＳＣＲ触媒４内に残留する。このため、次回のエンジン１の始動時に、残留していた尿素を排気の浄化に用いることができる。排気浄化システムによれば、この点においても排気の浄化性能を高めることができる。

なお、ＳＣＲ触媒４よりも下流側の排気温度（テールパイプ温度）は、ＳＣＲ触媒４よりも上流側の排気温度から推定される。よって、ＳＣＲ触媒４の残留水分量が多いほど、テールパイプ温度の推定誤差が大きくなる。一方、ＳＣＲ触媒４よりも下流側の排気通路１３に設けられるＮＯｘセンサやＰＭセンサ（いずれも不図示）は、推定されたテールパイプ温度に基づいて起動させられる。このため、テールパイプ温度の推定誤差が大きい場合、前述のセンサが適切に起動されなくなることで破損するリスクがある。これに対し、前述した排気浄化システムによれば、前述したようにＩＧスイッチ９のオフ後もエンジン１の運転が継続されることでＳＣＲ触媒４の残留水分量が低減されるため、テールパイプ温度の推定精度を高めることができる。よって、ＮＯｘセンサやＰＭセンサを破損しにくくすることができる。

本実施形態では、尿素噴射量に基づいてＳＣＲ触媒４の残留水分量が推測され、推測された残留水分量に基づいて目標アイドル時間taが設定される。このように設定された目標アイドル時間taを用いて停止条件の成否を推定することで、停止条件の成否をより精度よく推定できる。よって、前述した継続制御をより適切な時点で終了させることができる。

また、本実施形態では、ＩＧスイッチ９がオフされた時点よりも所定時間toだけ溯った時点における尿素噴射量に基づいて残留水分量が推測されるため、残留水分量の推測精度も高めることができる。これによっても、停止条件の成否の推定精度が高められることから、継続制御をより適切な時点で終了させることができる。したがって、ＳＣＲ触媒４内に残留した水分をより適切に除去でき、これにより排気の浄化性能をより向上させることができる。

［２．第二実施形態］
［２−１．構成］
第二実施形態に係る排気浄化システムについて、図１及び図３を参照して説明する。本実施形態に係る排気浄化システムは、第一実施形態に係る排気浄化システムに対して、停止条件の成否の推定方法が異なる。具体的には、本実施形態では、継続制御中にＳＣＲ触媒４に流入した排気の体積流量の積算値Qt（以下、「積算流量Qt」ともいう）に基づき、停止条件の成否が推定される。以下、第一実施形態で説明した要素と同一又は対応する要素に同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に二点鎖線で示すように、本実施形態の吸気通路１２には、吸気の流量Qa（以下、「吸気流量Qa」ともいう）を検出するエアフローセンサ８が設けられる。エアフローセンサ８で検出された情報は、制御装置３に伝達される。

以下、本実施形態における停止条件の成否の推定方法について詳述する。本実施形態の制御装置３は、積算流量QtがＳＣＲ容量Qsを超えた場合に、停止条件が成立したと推定する。すなわち、制御装置３は、前述した実施条件が成立してから、ＳＣＲ容量Qs分の排気がＳＣＲ触媒４を通過したことを以って、ＳＣＲ触媒４内に残留した水分が除去されたと推定する。

ここで、積算流量Qtは、例えば、エアフローセンサ８で検出された吸気流量Qaと、燃料噴射弁２による燃料の単位時間当たりの噴射量に基づいて算出される。制御装置３は、停止条件が成立したと推定した場合には、前述した第一実施形態と同様に、燃料噴射弁２による燃料の噴射を停止する。これにより、制御装置３は、エンジン１のアイドル運転（継続制御）を終了させる。なお、本実施形態の継続制御では、エンジン回転数Ne及びアクセル開度Apがいずれも不要であるが、回転数センサ６及びアクセルセンサ７が取り付けられていてもよい。

［２−２．フローチャート］
図３は、本実施形態の制御装置３で実施される継続制御の手順を例示したフローチャートである。このフローは、図２のフローと同様に、ＩＧスイッチ９がオン状態である場合に開始される。なお、図３では、第一実施形態で説明した手順と同一又は対応する手順（ステップ）に同一の符号を付している。

図３に示すように、本実施形態の継続制御でも、まず前述したステップＳ１，Ｓ２の各処理が実施される。続いて、エンジン１がアイドル運転させられ（ステップＳ３′）、前述した積算流量Qtが算出される（ステップＳ４′）。そして、算出された積算流量QtがＳＣＲ容量Qsを越える（Qs＜Qtとなる）まで、アイドル運転（ステップＳ３′）が継続されるとともに、積算流量Qtの算出（ステップＳ４′）が繰り返される。

積算流量QtがＳＣＲ容量Qsを越えた（ステップＳ５′のYesルートに進んだ）場合は、ＳＣＲ触媒４内の水分が排気によって除去されたと推定されるため、燃料噴射弁２からの燃料の噴射が停止されてエンジン１が停止する（ステップＳ６）。これにより、継続制御が終了する。

［２−３．効果］
本実施形態では、積算流量QtがＳＣＲ容量Qsを超えた場合に停止条件が成立したと推定されるため、第一実施形態のものと比べて、簡素な制御構成で停止条件の成否を推定できる。特に、アイドル運転中は吸気流量Qaと燃料噴射弁２による燃料の噴射量とがほぼ一定となるため、積算流量Qtを容易に算出できるとともに、ＳＣＲ容量Qsは固有値であるため、積算流量QtとＳＣＲ容量Qsとの大小関係も容易に判定できる。よって、本実施形態に係る排気浄化システムによれば、制御負荷および制御コストの低減を図ることができる。なお、本実施形態に係る排気浄化システムでも、前述した第一実施形態と同様の構成からは、同様の作用および効果を得ることができる。

［３．変形例］
前述した排気浄化システムの構成は一例である。燃料の指示噴射量とアクセル開度Apとエンジントルクとには相関関係があることから、例えば尿素噴射量を決定する際は、指示噴射量やアクセル開度Apに代えてエンジントルクが適用されてもよい。このエンジントルクは、トルクセンサで検出されてもよいし、制御装置３内で推定または演算されてもよい。前述したエンジン回転数Neも、回転数センサ６で検出されるものに限らず、例えば制御装置３内で推定または演算されてもよい。

１ エンジン
２ 燃料噴射弁
３ 制御装置
４ ＳＣＲ触媒
５ 尿素噴射弁
６ 回転数センサ
７ アクセルセンサ
８ エアフローセンサ
９ ＩＧスイッチ（イグニッションスイッチ）
１１ 気筒
１２ 吸気通路
１３ 排気通路
Ap アクセル開度
Ne エンジン回転数
t 実アイドル時間
ta 目標アイドル時間
to 所定時間
Tth 閾温度
Qa 吸気流量
Qs ＳＣＲ容量
Qt 積算流量

Claims (1)

1. 車両に搭載されたエンジンの排気中に尿素水溶液を噴射する噴射弁と、
   前記噴射弁で噴射された前記尿素水溶液を用いて前記排気中のＮＯｘを浄化するためのＳＣＲ触媒と、
   前記エンジンの運転中にイグニッションスイッチがオフされた場合、前記噴射弁による噴射を停止するとともに、前記ＳＣＲ触媒内に残留した水分が前記排気によって除去されたことを推定するまで前記エンジンの運転を継続させる制御装置と、
   を備えたことを特徴とする、排気浄化システム。

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