JP2021113537A - 尿素ｓｃｒシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】白色生成物に起因する不具合が発生し難い尿素ＳＣＲシステムを提供する。【解決手段】排気中に尿素水を添加する尿素水インジェクタ１０１と、尿素水から生成されるアンモニアを排気中の窒素酸化物と化学反応させるＳＣＲ触媒１０２と、尿素水インジェクタ１０１の排気上流側の排気温を検出する排気上流側排気温センサ１０３と、尿素水インジェクタ１０１の排気下流側の排気温を検出する排気下流側排気温センサ１０４と、排気上流側排気温センサ１０３で検出される排気温を規定時間に亘って規定温度に維持するパージ運転を規定間隔で実施する制御装置１０５と、を備える尿素ＳＣＲシステム１００であって、制御装置１０５は、パージ運転中に排気下流側排気温センサ１０４で検出される排気温を基に、尿素水から生成される白色生成物の排気流路に於ける堆積量を推定し、堆積量を基に規定間隔及び／又は規定時間を設定する事で課題を解決する事が出来る。【選択図】図１
Description
内燃機関の排気を浄化する尿素ＳＣＲシステムに関する。
内燃機関の排気を浄化する尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムは、尿素水インジェクタで、尿素水を排気中に添加し、尿素水インジェクタの排気下流側に設置されるＳＣＲ触媒で、排気中の尿素水から生成されるアンモニアを排気中の窒素酸化物と化学反応させて窒素酸化物を窒素と水とに還元するものである。
尿素ＳＣＲシステムでは、排気中の尿素水が排気熱で加水分解されてアンモニアが生成されるが、排気温が低い場合は、尿素水がアンモニアに変化する過程で生成される白色生成物（中間生成物）が昇華され難いので、白色生成物が排気流路に堆積する虞が有る。
また、外気温が低い場合は、排気中で尿素水を攪拌して尿素水と排気との混合を促進するミキシングチャンバの壁面の温度も低く成り易いので、尿素水がミキシングチャンバの壁面に付着すると、白色生成物が昇華されず、白色生成物が排気流路に堆積する虞が有る。
白色生成物が排気流路に堆積すると、排気流路の断面積が減少し、内燃機関の性能への悪影響や触媒機能の低下が懸念されるので、尿素ＳＣＲシステムでは、排気温を規定時間に亘って規定温度に維持して白色生成物を昇華させるパージ運転が規定間隔で実施される。規定間隔や規定時間は、いくつかの運転条件を基に推定される白色生成物の堆積量に応じて設定される。
然し乍ら、実際の運転条件は様々であり、尿素水の添加量が過多である等で白色生成物の堆積量が所定の運転条件に基づいて事前に想定されていた値とズレる事が有り、白色生成物に起因する不具合が発生する虞が有った。
以上の事情に鑑み、白色生成物に起因する不具合が発生し難い尿素ＳＣＲシステムを提供する事を目的とする。
内燃機関の排気中に尿素水を添加する尿素水インジェクタと、前記尿素水インジェクタの排気下流側に設置され、前記排気中の前記尿素水から生成されるアンモニアを前記排気中の窒素酸化物と化学反応させて前記窒素酸化物を窒素と水とに還元するＳＣＲ触媒と、前記尿素水インジェクタの排気上流側に設置され、前記尿素水インジェクタの排気上流側の排気温を検出する排気上流側排気温センサと、前記尿素水インジェクタの排気下流側に設置され、前記尿素水インジェクタの排気下流側の排気温を検出する排気下流側排気温センサと、前記排気上流側排気温センサで検出される排気温を規定時間に亘って規定温度に維持するパージ運転を規定間隔で実施する制御装置と、を備える尿素ＳＣＲシステムであって、前記制御装置は、前記パージ運転中に前記排気下流側排気温センサで検出される排気温を基に、前記排気中の前記尿素水から生成される白色生成物の排気流路に於ける堆積量を推定し、前記堆積量を基に前記規定間隔及び／又は前記規定時間を設定する尿素ＳＣＲシステムを提供する。
また、内燃機関の排気中に尿素水を添加する尿素水インジェクタと、前記尿素水インジェクタの排気下流側に設置され、前記排気中の前記尿素水から生成されるアンモニアを前記排気中の窒素酸化物と化学反応させて前記窒素酸化物を窒素と水とに還元するＳＣＲ触媒と、前記尿素水インジェクタの排気上流側に設置され、前記尿素水インジェクタの排気上流側の排気温を検出する排気上流側排気温センサと、前記尿素水インジェクタの排気下流側に設置され、前記尿素水インジェクタの排気下流側の排気温を検出する排気下流側排気温センサと、前記排気中の前記尿素水から生成される白色生成物の排気流路に於ける堆積量を推定し、前記堆積量が閾値以上と成った場合に、前記排気上流側排気温センサで検出される排気温を規定時間に亘って規定温度に維持するパージ運転を実施する制御装置と、を備える尿素ＳＣＲシステムであって、前記制御装置は、前記パージ運転中に前記排気下流側排気温センサで検出される排気温を基に前記堆積量を推定する尿素ＳＣＲシステムを提供する。
前記制御装置は、前記パージ運転中に前記排気下流側排気温センサで検出される排気温が低い程、前記堆積量が多いと推定し、前記パージ運転中に前記排気下流側排気温センサで検出される排気温が高い程、前記堆積量が少ないと推定する事が望ましい。
前記制御装置は、前記パージ運転中に前記排気下流側排気温センサで検出される排気温に加え、前記尿素水の温度、前記尿素水の添加量、及び／又は外気温を基に前記堆積量を推定する事が望ましい。
前記制御装置は、前記パージ運転中に前記排気下流側排気温センサで検出される排気温の最大値を基に前記堆積量を推定する事が望ましい。
前記制御装置は、複数回の前記パージ運転中に前記排気下流側排気温センサで検出される排気温の経時変化を基に前記堆積量を補正する事が望ましい。
前記排気下流側排気温センサは、前記ＳＣＲ触媒の排気入口に設置される事が望ましい。
白色生成物に起因する不具合が発生し難い尿素ＳＣＲシステムを提供する事が出来る。
実施の形態を添付図面に順って説明する。
図１に示す様に、尿素ＳＣＲシステム１００は、尿素水インジェクタ１０１と、ＳＣＲ触媒１０２と、排気上流側排気温センサ１０３と、排気下流側排気温センサ１０４と、制御装置１０５と、を備える。
尿素水インジェクタ１０１は、内燃機関１０６の排気中に尿素水を添加するものである。排気中の尿素水が排気熱で加水分解されてアンモニアが生成される。アンモニアが生成される過程で白色生成物も生成される。白色生成物は、排気中の尿素水から生成されるので、排気中に尿素水が存在する尿素水インジェクタ１０１の排気下流側に位置する排気通路に堆積する。
ＳＣＲ触媒１０２は、尿素水インジェクタ１０１の排気下流側に設置され、排気中の尿素水から生成されるアンモニアを排気中の窒素酸化物と化学反応させて窒素酸化物を窒素と水とに還元するものである。
ＳＣＲ触媒１０２の排気上流側（例えば、ＳＣＲ触媒１０２の排気入口）には、排気中の窒素酸化物の含有量を検出する排気上流側窒素酸化物センサ１０７が設置される。排気上流側窒素酸化物センサ１０７で検出される含有量を基に尿素水の基本添加量（フィードフォワード値）が設定される。
ＳＣＲ触媒１０２の排気下流側（例えば、ＳＣＲ触媒１０２の排気出口）には、排気中の窒素酸化物の含有量を検出する排気下流側窒素酸化物センサ１０８が設置される。排気下流側窒素酸化物センサ１０８で検出される含有量を基に尿素水の補正添加量（フィードバック値）が設定される。
従って、尿素水の添加量は、排気上流側窒素酸化物センサ１０７で検出される含有量と排気下流側窒素酸化物センサ１０８で検出される含有量とを基に、排気中の窒素酸化物を過不足無く浄化する事が出来る量に調整される。
尿素水インジェクタ１０１の排気上流側には、排気中の尿素水を効率的に加水分解させると共にＳＣＲ触媒１０２の温度を効率的に触媒活性化温度とすべく、尿素水インジェクタ１０１の排気上流側の排気温を昇温させる排気昇温装置１０９が設置される。排気昇温装置１０９は、例えば、酸化触媒や電気ヒータである。
尿素水インジェクタ１０１とＳＣＲ触媒１０２との間には、排気中で尿素水を攪拌して尿素水と排気との混合を促進するミキシングチャンバ１１０が設置される。
排気上流側排気温センサ１０３は、尿素水インジェクタ１０１の排気上流側（例えば、排気昇温装置１０９の排気出口）に設置され、尿素水インジェクタ１０１の排気上流側の排気温を検出するものである。
排気下流側排気温センサ１０４は、尿素水インジェクタ１０１の排気下流側（例えば、ＳＣＲ触媒１０２の排気入口）に設置され、尿素水インジェクタ１０１の排気下流側の排気温を検出するものである。
ＳＣＲ触媒１０２の排気下流側（例えば、ＳＣＲ触媒１０２の排気出口）には、例えば、ＳＣＲ触媒１０２の内部温度分布を把握すべく、ＳＣＲ触媒１０２の排気下流側の排気温を検出する他の排気温センサ１１１が設置される。
制御装置１０５は、排気上流側排気温センサ１０３で検出される排気温を規定時間に亘って規定温度に維持するパージ運転を規定間隔で実施するものである。具体的には、制御装置１０５は、排気昇温装置１０９を制御したり、内燃機関１０６の運転状態（例えば、燃料噴射量）を制御したりする事で、排気温を昇温及び維持してパージ運転を実施する。即ち、制御装置１０５は、例えば、電子制御装置（ＥＣＵ）である。
前述される様に、従来は、規定間隔や規定時間が、製品開発時の運転条件を基に推定される白色生成物の堆積量に応じて設定されるが、実際に市場で製品を運転すると、尿素水の添加量が過多である等で白色生成物の堆積量が製品開発時とズレる事が有った。
従って、制御装置１０５は、パージ運転中に排気下流側排気温センサ１０４で検出される排気温を基に白色生成物の堆積量を推定し、白色生成物の堆積量を基に規定間隔及び／又は規定時間を設定する。
本発明者は、排気上流側排気温センサ１０３で検出される排気温が一定と成る様に内燃機関の運転条件を制御しても、排気下流側排気温センサ１０４で検出される排気温は必ずしも一定と成らない点に着目して研究を進め、排気下流側排気温センサ１０４で検出される排気温が白色生成物の堆積量に応じて変化する事を突き止めた。
具体的には、白色生成物の堆積量が多い程、排気が排気上流側排気温センサ１０３と排気下流側排気温センサ１０４との間に位置する排気流路１１２を通過する際に白色生成物の昇華に消費される熱エネルギが多く成る（排気上流側排気温センサ１０３と排気下流側排気温センサ１０４との間での排気温の低下が大きく成る）事が分かった。
また、白色生成物の堆積量が少ない程、排気が排気上流側排気温センサ１０３と排気下流側排気温センサ１０４との間に位置する排気流路１１２を通過する際に白色生成物の昇華に消費される熱エネルギが少なく成る（排気上流側排気温センサ１０３と排気下流側排気温センサ１０４との間での排気温の低下が小さく成る）事が分かった。
即ち、パージ運転中の様に、排気上流側排気温センサ１０３で検出される排気温が一定と成る様に内燃機関の運転条件を制御する場合は、排気下流側排気温センサ１０４で検出される排気温が低い程、白色生成物の堆積量が多く、排気下流側排気温センサ１０４で検出される排気温が高い程、白色生成物の堆積量が少ないと言える。
従って、制御装置１０５は、パージ運転中に排気下流側排気温センサ１０４で検出される排気温が低い程、白色生成物の堆積量が多いと推定し、パージ運転中に排気下流側排気温センサ１０４で検出される排気温が高い程、白色生成物の堆積量が少ないと推定する。
更に、制御装置１０５は、白色生成物の堆積量が多い程、規定間隔を短く設定し、白色生成物の堆積量が少ない程、規定間隔を長く設定する。また、制御装置１０５は、白色生成物の堆積量が多い程、規定時間を長く設定し、白色生成物の堆積量が少ない程、規定時間を短く設定する。
外乱要因が存在しない特殊な環境（例えば、外気温が一定である場合）では、各回のパージ運転を同一運転条件で実行する事が容易であるので、パージ運転中に排気下流側排気温センサ１０４で検出される排気温を基に白色生成物の堆積量を具体的に特定する事が出来る。
従って、外乱要因が存在しない特殊な環境では、パージ運転中に排気下流側排気温センサ１０４で検出される排気温を基に具体的に特定される白色生成物の堆積量に応じて規定間隔や規定時間を設定する事で、各回のパージ運転後の白色生成物の残留を極力減らす事が出来る。
逆に、外乱要因が存在する一般的な環境（例えば、外気温が一定でない場合）では、各回のパージ運転を同一運転条件で実行する事が困難であるので、パージ運転中に排気下流側排気温センサ１０４で検出される排気温を基に白色生成物の堆積量を具体的に特定する事は困難であるが、製品開発時の運転条件を基に推定される白色生成物の堆積量を基準とし、複数回のパージ運転中に排気下流側排気温センサ１０４で検出される排気温の経時変化を基に白色生成物の堆積量を補正する事で、外乱要因の影響を極力排除する事が出来る。
例えば、複数回のパージ運転中に排気下流側排気温センサ１０４で検出される排気温が上昇傾向であれば、白色生成物の堆積量を減少方向に補正すれば良く、複数回のパージ運転中に排気下流側排気温センサ１０４で検出される排気温が降下傾向であれば、白色生成物の堆積量を増加方向に補正すれば良い。
尚、排気下流側排気温センサ１０４で検出される排気温を基に白色生成物の堆積量を推定又は補正する際は、パージ運転中に排気下流側排気温センサ１０４で検出される排気温の最大値を基に白色生成物の堆積量を推定又は補正する事が望ましい。
パージ運転では、排気上流側排気温センサ１０３で検出される排気温を規定温度に維持するが、実際には、排気上流側排気温センサ１０３で検出される排気温はばらつくので、パージ運転中に排気下流側排気温センサ１０４で検出される排気温の最大値のみを基に白色生成物の堆積量を推定又は補正する事で、ばらつきに起因する推定又は補正誤差を減少させる事が出来る。
同様の理由から、パージ運転中に排気下流側排気温センサ１０４で検出される排気温の最大値に代え、パージ運転中に排気下流側排気温センサ１０４で検出される排気温の平均値を基に白色生成物の堆積量を推定又は補正しても良い。
また、制御装置１０５は、パージ運転中に排気下流側排気温センサ１０４で検出される排気温に加え、尿素水の温度、尿素水の添加量、及び／又は外気温を基に白色生成物の堆積量を推定する事が望ましい。
尿素水の温度が低い場合、尿素水の添加量が多い場合、又は外気温が低い場合は、排気下流側排気温センサ１０４で検出される排気温が当然に低く成るので、白色生成物の堆積量が実際よりも多めに推定される事が無い様に、白色生成物の堆積量を減少方向に補正して推定する必要が有るからである。
尚、尿素ＳＣＲシステム１００では、制御装置１０５がパージ運転を規定間隔で実施するが、制御装置１０５が白色生成物の堆積量を推定すると共に白色生成物の堆積量が閾値以上と成った場合にパージ運転（規定時間は各回で一定）を実施しても良い。
以上に説明される様に、尿素ＳＣＲシステム１００では、白色生成物の堆積量が製品開発時とズレる様な場合でも、実測値である排気温を基に白色生成物の堆積量を精度良く推定し、パージ運転を最適な条件で実施する事が出来るので、白色生成物に起因する不具合が発生し難い。
１００ 尿素ＳＣＲシステム
１０１ 尿素水インジェクタ
１０２ ＳＣＲ触媒
１０３ 排気上流側排気温センサ
１０４ 排気下流側排気温センサ
１０５ 制御装置
１０６ 内燃機関
１０７ 排気上流側窒素酸化物センサ
１０８ 排気下流側窒素酸化物センサ
１０９ 排気昇温装置
１１０ ミキシングチャンバ
１１１ 他の排気温センサ
１１２ 排気流路
１０１ 尿素水インジェクタ
１０２ ＳＣＲ触媒
１０３ 排気上流側排気温センサ
１０４ 排気下流側排気温センサ
１０５ 制御装置
１０６ 内燃機関
１０７ 排気上流側窒素酸化物センサ
１０８ 排気下流側窒素酸化物センサ
１０９ 排気昇温装置
１１０ ミキシングチャンバ
１１１ 他の排気温センサ
１１２ 排気流路
Claims (7)
- 内燃機関の排気中に尿素水を添加する尿素水インジェクタと、
前記尿素水インジェクタの排気下流側に設置され、前記排気中の前記尿素水から生成されるアンモニアを前記排気中の窒素酸化物と化学反応させて前記窒素酸化物を窒素と水とに還元するＳＣＲ触媒と、
前記尿素水インジェクタの排気上流側に設置され、前記尿素水インジェクタの排気上流側の排気温を検出する排気上流側排気温センサと、
前記尿素水インジェクタの排気下流側に設置され、前記尿素水インジェクタの排気下流側の排気温を検出する排気下流側排気温センサと、
前記排気上流側排気温センサで検出される排気温を規定時間に亘って規定温度に維持するパージ運転を規定間隔で実施する制御装置と、
を備える尿素ＳＣＲシステムであって、
前記制御装置は、前記パージ運転中に前記排気下流側排気温センサで検出される排気温を基に、前記排気中の前記尿素水から生成される白色生成物の排気流路に於ける堆積量を推定し、前記堆積量を基に前記規定間隔及び／又は前記規定時間を設定する
事を特徴とする尿素ＳＣＲシステム。 - 内燃機関の排気中に尿素水を添加する尿素水インジェクタと、
前記尿素水インジェクタの排気下流側に設置され、前記排気中の前記尿素水から生成されるアンモニアを前記排気中の窒素酸化物と化学反応させて前記窒素酸化物を窒素と水とに還元するＳＣＲ触媒と、
前記尿素水インジェクタの排気上流側に設置され、前記尿素水インジェクタの排気上流側の排気温を検出する排気上流側排気温センサと、
前記尿素水インジェクタの排気下流側に設置され、前記尿素水インジェクタの排気下流側の排気温を検出する排気下流側排気温センサと、
前記排気中の前記尿素水から生成される白色生成物の排気流路に於ける堆積量を推定し、前記堆積量が閾値以上と成った場合に、前記排気上流側排気温センサで検出される排気温を規定時間に亘って規定温度に維持するパージ運転を実施する制御装置と、
を備える尿素ＳＣＲシステムであって、
前記制御装置は、前記パージ運転中に前記排気下流側排気温センサで検出される排気温を基に前記堆積量を推定する
事を特徴とする尿素ＳＣＲシステム。 - 前記制御装置は、前記パージ運転中に前記排気下流側排気温センサで検出される排気温が低い程、前記堆積量が多いと推定し、前記パージ運転中に前記排気下流側排気温センサで検出される排気温が高い程、前記堆積量が少ないと推定する
請求項１又は２に記載の尿素ＳＣＲシステム。 - 前記制御装置は、前記パージ運転中に前記排気下流側排気温センサで検出される排気温に加え、前記尿素水の温度、前記尿素水の添加量、及び／又は外気温を基に前記堆積量を推定する
請求項１乃至３の何れか一項に記載の尿素ＳＣＲシステム。 - 前記制御装置は、前記パージ運転中に前記排気下流側排気温センサで検出される排気温の最大値を基に前記堆積量を推定する
請求項１乃至４の何れか一項に記載の尿素ＳＣＲシステム。 - 前記制御装置は、複数回の前記パージ運転中に前記排気下流側排気温センサで検出される排気温の経時変化を基に前記堆積量を補正する
請求項１乃至５の何れか一項に記載の尿素ＳＣＲシステム。 - 前記排気下流側排気温センサは、前記ＳＣＲ触媒の排気入口に設置される
請求項１乃至６の何れか一項に記載の尿素ＳＣＲシステム。
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| WO2016068347A1 (ja) * | 2015-11-25 | 2016-05-06 | 株式会社小松製作所 | 排気浄化装置 |
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