JP2021050701A - 堆積物検出方法及び排気浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、排気通路における白色生成物を精度良く検出できる方法及び装置を提供すること。【解決手段】内燃機関の排気管３０に、ＳＣＲ装置１０３と、ＳＣＲ装置１０３の上流側で尿素水を噴射する尿素水噴射装置１０４とを備えて構成される排気ガス浄化システム１００において、ＳＣＲ装置１０３の上流側に設けられたＮＯｘセンサー１０５ａにより得られたＮＯｘ濃度に基づいてＳＣＲ装置１０３においてＮＯｘ還元に必要な理想的尿素水噴射量を算出する理想的尿素水噴射量算出部と、尿素水噴射装置１０４から噴射される尿素水の噴射量と理想的尿素水噴射量とに基づいて尿素結晶の堆積を判定する堆積判定部と、を設ける。【選択図】図１

Description

本発明は、排気通路における白色生成物を検出する堆積物検出方法及び排気浄化システムに関する。

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型触媒（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）装置を用いたものが知られている（例えば、特許文献１を参照）。

この種の排気浄化システムは、選択還元型触媒装置（以下「ＳＣＲ装置」と呼ぶこともある）に対して上流の排気管に尿素水噴射装置によって尿素水を供給し、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ＳＣＲ装置内の触媒でＮＯｘを還元するものである。尿素水噴射装置は、ＳＣＲ装置におけるＮＯｘ浄化率が所望値となるような量の尿素水を噴射する。

ところで、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る。内燃機関の低負荷運転時など排気ガスの温度が低く（例えば、２００〜２５０［°Ｃ］）、排気ガスの流量が少ない状態で、尿素水の噴射を繰り返すと、尿素水の加水分解が不十分となり、排気通路内に、尿素結晶であ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。

特許文献２−４には、ＳＣＲ触媒の上下流における差圧を検出し、この差圧に基づいて白色生成物の堆積を検知する技術が開示されている。また、特許文献５には、排気温度と排気流量と尿素水噴射量とに基づいて、排気管内に生じる白色生成物の堆積量を推定する技術が開示されている。

特開２０００−３０３８２６号公報 特開２００９−０２４６５５号公報 特開２０１７−１２２４１１号公報 特開２０１７−１０６３９９号公報 特開２０１９−００２３６３号公報

ところで、特許文献２−４のように差圧を検出する方法では、差圧センサーを設ける必要があるので、その分だけ構成が複雑となり、製造コストの増加を招くので、低価格車や小型車への適用が敬遠されるおそれがある。また、特許文献５では、排気ガスの温度、排気ガスの流量及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を参照して、所定時間当たりにおける白色生成物の堆積量を推定する。このような方法では、白色生成物の堆積量の推定精度が、堆積量マップに大きく依存するので、堆積量マップが適切なものでないと推定精度が低下する懸念がある。

本発明の目的は、比較的簡易な構成で、排気通路における白色生成物を精度良く検出し得る堆積物検出方法及び排気浄化システムを提供することである。

本発明の堆積物検出方法の一つの態様は、
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尿素水を噴射する尿素水噴射装置とを備えて構成される排気浄化システムにおける堆積物検出方法であって、
前記選択還元型触媒装置の上流側に設けられたＮＯｘセンサーにより得られたＮＯｘ濃度に基づいて、前記選択還元型触媒装置においてＮＯｘ還元に必要な理想的尿素水噴射量として算出する理想的尿素水噴射量算出ステップと、
前記尿素水噴射装置から噴射される尿素水の噴射量と、前記理想的尿素水噴射量と、に基づいて、尿素結晶の堆積を判定する堆積判定ステップと、
を含む。

本発明の排気浄化システムの一つの態様は、
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尿素水を噴射する尿素水噴射装置とを備えて構成される排気ガス浄化システムであって、
前記選択還元型触媒装置の上流側に設けられたＮＯｘセンサーにより得られたＮＯｘ濃度に基づいて、前記選択還元型触媒装置においてＮＯｘ還元に必要な理想的尿素水噴射量を算出する理想的尿素水噴射量算出部と、
前記尿素水噴射装置から噴射される尿素水の噴射量と、前記理想的尿素水噴射量と、に基づいて、尿素結晶の堆積を判定する堆積判定部と、
を備える。

本発明によれば、比較的簡易な構成で、排気通路における白色生成物を精度良く検出できるようになる。

実施の形態の排気浄化システムの要部構成を示した図 ＥＣＵの構成のうち、堆積物推定に関わる部分を示したブロック図 他の実施の形態の排気浄化システムの構成を示す図

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

＜１＞排気浄化システムの構成
図１は、本実施の形態の堆積物検出方法が適用される排気浄化システム１００の要部構成を示した図である。本実施形態では、一例として、本発明の堆積物検出方法をディーゼルエンジン１０の排気浄化システム１００に適用した態様ついて説明する。ただし、本実施形態に係る堆積物検出方法は、ディーゼルエンジン１０の排気浄化システム１００に限らず、ガソリンエンジンの排気浄化システムにも適用し得る。

排気浄化システム１００は、例えば、トラック等の車両に搭載されており、エンジン１０の排気ガス中のＮＯｘを浄化する。

エンジン１０は、例えば、燃焼室、燃焼室内で燃料を噴射する燃料噴射装置、及び、燃料噴射装置を制御するエンジンＥＣＵ等（図示せず）を含んで構成される。エンジン１０は、燃焼室内で、燃料と空気の混合気を燃焼及び膨張させて、動力を発生する。エンジン１０には、燃焼室内に空気を導入する吸気管２０と、燃焼室から排出される燃焼後の排気ガスを、車両の外部に排出する排気管３０と、が接続されている。

排気浄化システム１００は、ＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）１０１、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）１０２、ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）装置１０３及び尿素水噴射装置１０４を有する。

また、排気浄化システム１００は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１１０及びＤＣＵ（Dosing Control Unit）１２０を有する。ＥＣＵ１１０は排気浄化システム１００の全体の動作を制御し、ＤＣＵ１２０は尿素水噴射装置１０４の動作を制御する。

ＤＯＣ１０１は、排気ガスの空燃比がリーンな状態において（つまりエンジン１０の通常燃焼時において）、排気ガス中のＣＯ及びＨＣを酸化し浄化する。

ＤＰＦ１０２は、排気に含まれる粒子状物質を捕集する。

ＳＣＲ装置１０３は、尿素水噴射装置１０４から供給される尿素水が加水分解してなるアンモニアを吸着すると共に、当該吸着したアンモニアによって排気ガス中からＮＯｘを選択的に還元浄化する。

ＥＣＵ１１０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、入力ポート、及び出力ポート等を含んで構成されている。ＥＣＵ１１０の後述する各機能は、例えば、ＣＰＵがＲＯＭ、ＲＡＭ等に記憶された制御プログラムや各種データを参照することによって実現される。但し、当該機能は、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア回路によっても実現できることは勿論である。

なお、ＥＣＵ１１０は、エンジン１０のエンジンＥＣＵ（図示せず）及びＤＣＵ１２０等と通信することで、これらを制御したり、これらの状態を取得したりする。またＥＣＵ１１０は、種々のセンサーからセンサー情報を取得し、当該センサー情報に基づいて、排気管３０を通流する排気ガスの状態や、ＤＯＣ１０１、ＤＰＦ１０２及びＳＣＲ装置１０３の状態等を検出する。

＜２＞堆積物の検出
次に、本実施の形態による堆積物の推定について説明する。

本実施の形態の場合、堆積物の推定処理は、ＥＣＵ１１０において行われる。ただし、堆積物推定処理は、ＥＣＵ１１０に限らず、例えば堆積物推定のための独立の処理ユニットを設けて行ってもよい。

図２は、ＥＣＵ１１０の構成のうち、堆積物推定に関わる部分を示したブロック図である。ＥＣＵ１１０は、理想的尿素水噴射量算出部１１１と、堆積判定部１１２と、制御部１１３と、を有する。

理想的尿素水噴射量算出部１１１は、ＳＣＲ装置１０３の上流側に設けられたＮＯｘセンサー１０５ａ（図１）により得られたＮＯｘ濃度に基づいて、ＳＣＲ装置１０３においてＮＯｘ還元に必要な理想的尿素水噴射量を算出する。

堆積判定部１１２は、尿素水噴射装置１０４から噴射される尿素水の噴射量と、理想的尿素水噴射量算出部１１１により得られた理想的尿素水噴射量と、に基づいて、尿素結晶の堆積を判定する。なお、実際上、尿素水噴射装置１０４から噴射される尿素水の噴射量は、ＤＣＵ１２０によって決められるので、堆積判定部１１２は、尿素水噴射装置１０４から噴射される尿素水の噴射量の情報をＤＣＵ１２０から受け取る。

制御部１１３は、堆積判定部１１２の判定結果に基づいて、排気を昇温させる等の制御を行う。例えば、制御部１１３は、堆積判定部１１２から、堆積物が存在する、或いは、所定量以上の堆積物が存在するといった判定結果を受けった場合に、排気管３０内を昇温させる制御を行う。例えば、排気管３０内に燃料を噴射して燃焼させることで尿素結晶である堆積物１（図１）の焼き出し処理を行わせる。尿素結晶からなる堆積物１を昇温によって焼き出しする技術自体は、従来から種々のものが提案されているので、ここでの説明は省略する。

理想的尿素水噴射量算出部１１１の具体的な処理について説明する。理想的尿素水噴射量算出部１１１は、次式により理想的尿素水噴射量を算出する。

（１）式における排ガス流量は、吸気センサー１０６からの吸気流量と燃料重量より求めることができる。（１）式におけるＳＣＲ入口のＮＯｘ濃度はＮＯｘセンサー１０５ａにより得ることができる。（１）式における、空気の分子量と、噴射した尿素から生成するＮＨ_３と、は決まった値なのでそれを代入すればよい。つまり、空気の分子量は、おおよそＮ_２が８０％、Ｏ_２が２０％であるとして、２８×０．８＋３２×０．２により求めることができる。また、噴射した尿素から生成するＮＨ_３は、尿素１分子から２分子のＮＨ_３が生成することと、尿素の分子量が６０．０６、尿素水の尿素濃度が０．３２５であることとから、（２×６０．０６）／０．３２５により求めることができる。

等量比とは、ＮＯｘを還元するＮＨ_３の比率である。つまり、化学反応によりＮＯｘを全て還元できるＮＨ_３が存在する場合、等量比は１である。また、ＮＯｘを全て還元するよりも過剰のＮＨ_３を噴射する場合には、等量比は１を超える。ここで、理想的尿素水噴射量とは、ＮＯｘを丁度還元できる量のＮＨ_３を含む尿素水の量（換言すれば、ＳＣＲ装置１０３に入るＮＯｘの量を過不足なく還元する尿素水噴射量）を意味する。よって、（１）式における等量比は１である。なお、理想的尿素水噴射量の定義は必ずしもこれに限らない。要は、理想的尿素水噴射量は、ＳＣＲ装置１０３に入るＮＯｘを既定の浄化率に浄化するために必要な計算上の尿素水噴射量である。

一方で、ＤＣＵ１２０は、所望の浄化率を実現できるように、尿素水噴射装置１０４の尿素水噴射量を制御している。具体的には、ＤＣＵ１２０は、ＳＣＲ装置１０３の上流側のＮＯｘセンサー１０５ａにより得られたＮＯｘ濃度と、ＳＣＲ装置１０３の下流側のＮＯｘセンサー１０５ｂにより得られたＮＯｘ濃度と、に基づいて、ＳＣＲ装置１０３におけるＮＯｘ浄化率が目標値となるように尿素水噴射装置１０４からの尿素水噴射量を制御している。

つまり、ＤＣＵ１２０は、フィードバック制御を行うことにより浄化率を維持している。具体的には、ＤＣＵ１２０は、ＮＯｘの浄化率が下がると尿素水噴射量を増やす制御を行う。ＤＣＵ１２０で決定される尿素水噴射量は、実際に尿素水噴射装置１０４から噴射されている尿素水噴射量であると言うことができる。

本実施の形態の場合、堆積判定部１１２は、尿素水噴射装置１０４から噴射される尿素水の噴射量（つまりＤＣＵ１２０からの尿素水噴射量の情報）から理想的尿素水噴射量（つまり理想的尿素水噴射量算出部１１１からの理想的尿素水噴射量の情報）を減算した値が所定閾値以上の場合に、尿素結晶が堆積していると判定する。

ここで、ＳＣＲ装置１０３内の堆積物１が増えてくると、ＤＣＵ１２０で計算され実際に尿素水噴射装置１０４から噴射される尿素水の量は浄化率を維持するために増加する。これに対して、理想的尿素水噴射量は堆積物１の量には依存しない。よって、堆積物１の量が多くなるほど、尿素水噴射装置１０４から噴射される尿素水の噴射量から理想的尿素水噴射量を減算した値は大きくなる。本実施の形態では、この関係を有効に活用して、堆積物１の堆積を判定する。

＜３＞まとめ
以上説明したように、本実施の形態によれば、内燃機関の排気管３０に、ＳＣＲ装置１０３と、ＳＣＲ装置１０３の上流側で尿素水を噴射する尿素水噴射装置１０４とを備えて構成される排気ガス浄化システム１００において、ＳＣＲ装置１０３の上流側に設けられたＮＯｘセンサー１０５ａにより得られたＮＯｘ濃度に基づいてＳＣＲ装置１０３においてＮＯｘ還元に必要な理想的尿素水噴射量を算出する理想的尿素水噴射量算出部１１１と、尿素水噴射装置１０４から噴射される尿素水の噴射量と理想的尿素水噴射量とに基づいて尿素結晶の堆積を判定する堆積判定部１１２と、を設けたことにより、簡易な構成で、排気通路における白色生成物を精度良く検出できるようになる。

上述の実施の形態は、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。

上述の実施の形態では、ＥＣＵ１１０とエンジンのＥＣＵ（図示せず）とＤＣＵ１２０とを別体とし、相互に通信するものとしたが、一体のコンピュータ（プロセッサ）で演算及び制御を行ってもよい。

上述の実施の形態では、理想的尿素水噴射量がＮＯｘを丁度還元できる量のＮＨ_３を含む尿素水の量である場合について述べたが、実際上、理想的尿素水噴射量はＤＣＵ１２０で目標としている浄化率に合わせることが好ましい。例えば、ＤＣＵ１２０の目標浄化率が９０％ならば、理想的尿素水噴射量算出部１１１で算出する理想的尿素水噴射量はこれに合わせてＮＯｘを９０％還元できる量のＮＨ_３を含む尿素水の量であることが好ましい。実際には、等量比の値を調整することで、このような理想的尿素水噴射量を算出することができる。

また、上述の実施の形態では、堆積判定部１１２が、尿素水噴射装置１０４から噴射される尿素水の噴射量から理想的尿素水噴射量を減算した値が所定閾値以上の場合に、尿素結晶が堆積していると判定する場合について述べたが、堆積判定部１１２の判定はこれに限らない。例えば、判定結果として減算値を制御部１１３に出力してもよい。そして、制御部１１３は、この減算値に応じた昇温制御等を行うようにしてもよい。例えば、減算値が大きいほど昇温温度を大きくしたり、昇温の頻度を多くするように制御してもよい。

さらに、図１との対応部分に同一符号を付して示した図３のように、排気浄化システム２００が、ＳＣＲ装置１０３の入口側と出口側の差圧を計測する差圧センサー２０１を有し、差圧センサー２０１の計測結果も用いて堆積判定を行うようにしてもよい。実際には、差圧センサー２０１の出力を堆積判定部１１２（図２）に入力し、堆積判定部１１２が上述した減算値に加えて、差圧センサー２０１の計測結果も加味して堆積判定を行う。

つまり、堆積物１の量が多くなるほど差圧が大きくなるので、堆積判定部１１２は例えば差圧が所定閾値以上の場合に、堆積物１が存在すると判定する。あるいは、差圧の大きさに基づいて堆積物１の量を推定してもよい。堆積判定部１１２が、上述した減算値と差圧の両方を加味して堆積物の有無あるいは量を推定することにより、より信頼性の高い堆積物の推定を実現できる。因みに、差圧の測定は、アイドリング時のような排ガス流量が少ない場合以外に行うことが好ましい。

ここで差圧センサー２０１を設けると、その分だけ構成が複雑となり、製造コストの増加を招くので、低価格車や小型車への適用が敬遠されるおそれがある。しかし、構成の複雑化を問題としない車両等に適用すれば問題が少なく、上述の実施の形態の構成と組み合わせることで、より信頼性の高い堆積物の推定を実現できるので好適である。

本発明は、排気通路における白色生成物を検出する堆積物検出方法及び排気浄化システムとして広く適用できる。

１０ エンジン
２０ 吸気管
３０ 排気管
１００、２００ 排気浄化システム
１０１ ＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）
１０２ ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）
１０３ ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）装置
１０４ 尿素水噴射装置
１０５ａ、１０５ｂ ＮＯｘセンサー
１０６ 吸気センサー
１１０ ＥＣＵ（Electronic Control Unit）
１１１ 理想的尿素水噴射量算出部
１１２ 堆積判定部
１１３ 制御部
１２０ ＤＣＵ（Dosing Control Unit）
２０１ 差圧センサー

Claims (9)

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尿素水を噴射する尿素水噴射装置とを備えて構成される排気浄化システムにおける堆積物検出方法であって、
   前記選択還元型触媒装置の上流側に設けられたＮＯｘセンサーにより得られたＮＯｘ濃度に基づいて、前記選択還元型触媒装置においてＮＯｘ還元に必要な理想的尿素水噴射量として算出する理想的尿素水噴射量算出ステップと、
   前記尿素水噴射装置から噴射される尿素水の噴射量と、前記理想的尿素水噴射量と、に基づいて、尿素結晶の堆積を判定する堆積判定ステップと、
   を含む堆積物検出方法。
2. 前記堆積判定ステップでは、
   前記尿素水噴射装置から噴射される尿素水の噴射量から前記理想的尿素水噴射量を減算した値が所定閾値以上の場合に、前記尿素結晶が堆積していると判定する、
   請求項１に記載の堆積物検出方法。
3. 前記堆積判定ステップで用いられる前記尿素水噴射装置から噴射される尿素水の噴射量は、
   前記尿素水噴射装置を制御する制御部が、前記選択還元型触媒装置の上流側及び下流側に設けられたＮＯｘセンサーにより得られたＮＯｘ濃度に基づいて、前記選択還元型触媒装置におけるＮＯｘ浄化率が目標値となるように算出され、前記尿素水噴射装置から実際に噴射される噴射量である、
   請求項１又は２に記載の堆積物検出方法。
4. 前記理想的尿素水噴射量算出量ステップは、
   前記ＮＯｘセンサーにより得られた前記ＮＯｘ濃度と、排ガス流量と、に基づいて、前記選択還元型触媒装置に流入するＮＯｘの量を算出するとともに、当該ＮＯｘの量を過不足なく還元する尿素水噴射量を前記理想的尿素水噴射量として算出する、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の堆積物検出方法。
5. 前記選択還元型触媒装置の入口側と出口側の差圧を検出するステップを、さらに含み、
   前記堆積判定ステップでは、前記尿素水噴射装置から噴射される尿素水の噴射量と、前記理想的尿素水噴射量と、に加えて、前記差圧を用いて尿素結晶の堆積を判定する、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の堆積物検出方法。
6. 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尿素水を噴射する尿素水噴射装置とを備えて構成される排気ガス浄化システムであって、
   前記選択還元型触媒装置の上流側に設けられたＮＯｘセンサーにより得られたＮＯｘ濃度に基づいて、前記選択還元型触媒装置においてＮＯｘ還元に必要な理想的尿素水噴射量を算出する理想的尿素水噴射量算出部と、
   前記尿素水噴射装置から噴射される尿素水の噴射量と、前記理想的尿素水噴射量と、に基づいて、尿素結晶の堆積を判定する堆積判定部と、
   を備える排気浄化システム。
7. 前記堆積判定部は、
   前記尿素水噴射装置から噴射される尿素水の噴射量から前記理想的尿素水噴射量を減算した値が所定閾値以上の場合に、前記尿素結晶が堆積していると判定する、
   請求項６に記載の排気浄化システム。
8. 前記堆積判定部による判定結果に基づいて排気ガスを昇温させる制御を行う制御部を、さらに備える、
   請求項６又は７に記載の排気浄化システム。
9. 前記選択還元型触媒装置の入口側と出口側の差圧を検出する差圧センサーを、さらに備え、
   前記堆積判定部は、前記尿素水噴射装置から噴射される尿素水の噴射量と、前記理想的尿素水噴射量と、に加えて、前記差圧センサーにより得られた前記差圧を用いて尿素結晶の堆積を判定する、
   請求項６から８のいずれか一項に記載の排気浄化システム。

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