JP2022055022A - 排気浄化装置および内燃機関システム - Google Patents

Abstract

【課題】還元剤の供給量を速やかに増量することが可能な排気浄化装置および内燃機関システムを提供する。
【解決手段】排気浄化装置１は、内燃機関２の排気通路に配置されたＳＣＲ触媒１２と、排気通路におけるＳＣＲ触媒よりも排気上流側の供給位置に、還元剤を供給する還元剤供給部３０と、供給位置よりも排気上流側に配置される排気絞り弁６０と、還元剤の単位時間当たりの供給量を増やす場合、排気通路が絞られるように排気絞り弁を制御する制御部と、を備える。例えば、制御部は、排気通路が絞られることにより、還元剤供給部による還元剤の供給圧と供給位置における排気圧力との差圧が目標値になるように、排気絞り弁を制御する。
【選択図】図１

Description

本開示は、排気浄化装置および内燃機関システムに関する。

例えば、ディーゼルエンジンなどの内燃機関の排気通路に配置されるＳＣＲ触媒と、ＳＣＲ触媒の排気上流に尿素水を供給する供給部とを備え、尿素水の加水分解により生じるアンモニアによってＳＣＲ触媒上で窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元して浄化する排気浄化装置が開示されている（例えば、特許文献１を参照）。

また、尿素水の噴射量、ＳＣＲ触媒の温度、排気流量、排気中のＮＯｘ濃度、エンジンバラメータに基づいて、ＳＣＲ触媒が吸蔵しているアンモニアのストレージ量を推定し、推定されたストレージ量を目標ストレージ量に近づけるように、尿素水の供給量を制御する排気浄化装置が開示されている（例えば、特許文献２を参照）。以下の説明において、尿素水およびアンモニアを「還元剤」という。

特開２０１７－０２５８３０号公報 特開２０１２－００２０６３号公報

一般に、ＳＣＲ触媒がアンモニアを吸蔵できるストレージ量は排気温度（ほぼ触媒温度と等しい）が高い場合、少量となり、反対に、排気温度が低い場合、多量となる。また、ストレージ量が不足するとＮＯｘの浄化率が低下する。例えば、高い排気温度の運転状態でエンジンを停止し、触媒の温度が低下後に再始動した場合にストレージ量が不足し、還元剤の供給量を速やかに増量する必要がある。

また、推定された推定ストレージ量と目標ストレージ量との乖離が大きい場合、推定ストレージ量を排気温度などから決められる目標ストレージ量に迅速に近づけるように、還元剤の供給量を速やかに増量する必要がある。

排気中のＰＭ（Particulate Matter：粒子状物質）を捕集し、捕集したＰＭを燃焼して再生するＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）を備える排気浄化装置においては、ＤＰＦの再生で、排気温度が上昇し、ＤＰＦの再生後、排気温度が低下するため、ＤＰＦの再生後、推定ストレージ量と目標ストレージ量との乖離が大きくなる。つまり、ＤＰＦの再生後、還元剤の供給量を速やかに増量する必要がある。

しかし、例えば、還元剤の供給圧力と排気通路内の排気圧力との差圧が小さい場合、還元剤の供給量を速やかに増量することが困難となるという問題がある。

本開示の目的は、還元剤の供給量を速やかに増量することが可能な排気浄化装置および内燃機関システムを提供することである。

上記の目的を達成するため、本開示における排気浄化装置は、
内燃機関の排気通路に配置されたＳＣＲ触媒と、
前記排気通路における前記ＳＣＲ触媒によりも排気上流側の位置である供給位置に、還元剤を供給する還元剤供給部と、
前記供給位置よりも排気上流側に配置される排気絞り弁と、
前記還元剤の単位時間当たりの供給量を増やす場合、前記排気通路が絞られるように前記排気絞り弁を制御する制御部と、
を備える。

本開示における内燃機関システムは、
上記排気浄化装置を備える。

本開示によれば、還元剤の供給量を速やかに増量することができる。

図１は、本開示の実施の形態における内燃機関システムが搭載される車両を概略的に示す図である。 図２は、ＥＣＵによる制御の一例を示すフローチャートである。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
本実施の形態は、自動車に搭載されたディーゼルエンジン（内燃機関）に本発明を適用した場合について説明する。

まず、本実施の形態に係るディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）の概略構造について説明する。図１は、実施の形態に係るエンジンの排気系の一例を示す概略構成図である。なお、図１には、Ｘ軸が描かれている。以下の説明では、図１における左右方向をＸ方向又は排気方向といい、右方向を「＋Ｘ方向」、「排気下流方向」又は「排気下流側」、左方向を「－Ｘ方向」、「排気上流方向」又は「排気上流側」という。

本実施の形態に係る内燃機関システム１００は、図１に示すように、排気浄化装置１および排気管１０を備えている。排気管１０は、エンジン２の排気マニホールド３に連結されている。排気管１０にはエンジン２からの排気が流入する。排気浄化装置１は排気管１０内に設けられている。排気浄化装置１は、酸化触媒（Diesel Oxidation Catalyst：ＤＯＣ）１１およびＳＣＲ触媒１２を備えている。なお、以下の説明で、排気管１０を「排気通路」という場合がある。

ＤＯＣ１１は、燃料が供給された場合、これを酸化して排気を昇温させる。ＤＯＣ１１は、排気中の炭化水素（ＨＣ）および一酸化炭素（ＣＯ）を酸化することに加え、一酸化窒素（ＮＯ）を酸化させＮＯ_２にする。

ＳＣＲ触媒１２は、ＤＯＣ１１よりも排気下流側に配置され、還元剤により、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を窒素（Ｎ２）と水（Ｈ_２Ｏ）に還元して、ＮＯｘを低減する。

排気管１０には、排気圧力を検出する圧力センサ５１，５２が配置されている。圧力センサ５１は、ＳＣＲ触媒１２よりも排気上流側（－Ｘ方向）であって、排気絞り弁６０よりも下流側（＋Ｘ方向）における排気圧力を検出する。圧力センサ５２は、ＤＯＣ１１よりも排気上流側（－Ｘ方向）における排気圧力を検出する。なお、圧力センサ５２は、排気絞り弁６０よりも排気上流側（－Ｘ方向）における排気圧力を検出してもよい。以下の説明で、圧力センサ５１により検出された圧力を「アンモニアの供給位置における排気圧力」という場合がある。また、圧力センサ５２により検出された排気圧力を、単に「背圧」という場合がある。

排気通路におけるＳＣＲ触媒１２よりも排気上流側（－Ｘ方向）には、温度センサ５５が配置されている。温度センサ５５は、ＳＣＲ触媒１２よりも排気上流側における排気温度を検出する。

本実施形態に係る内燃機関システム１００は、図１に示すように、タンク２０および還元剤供給部３０を備えている。

タンク２０は、還元剤としての液化アンモニア（ＮＨ_３）を貯留する。

還元剤供給部３０は、図１に示すように、移送路３１、遮断弁３２、減圧弁３３および流量調整弁３５を有している。

移送路３１は、アンモニアが流通可能な流路である。移送路３１の上流側端は、タンク２０に接続されている。移送路３１の下流側端は、排気通路におけるＳＣＲ触媒１２よりも排気上流側の位置に接続されている。図１に、移送路３１の下流側端が排気通路に接続される接続位置ＳＰを示す。接続位置ＳＰを、アンモニアの供給位置という場合がある。

移送路３１には、上流側から順に、遮断弁３２、減圧弁３３および流量調整弁３５が配置されている。

遮断弁３２は、液化アンモニアが移送路３１を流通する状態と、流通しない状態とに切り替える。

減圧弁３３は、タンク２０から移送される液化アンモニアを気化させる。

流量調整弁３５は、アンモニアの流量を調整する。

移送路３１には、圧力センサ５３，５４が配置されている。圧力センサ５３は、タンク２０と遮断弁３２との間の移送路３１における内部圧力を検出する。圧力センサ５４は、減圧弁３３とアンモニアの供給位置（接続位置ＳＰ）との間の移送路３１における内部圧力を検出する。以下の説明で、圧力センサ５４により検出される圧力を「アンモニアの供給圧力」という場合がある。

本実施の形態に係る内燃機関システム１００は、制御部４０を備えている。制御部４０は、例えば、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等からなるマイクロコンピュータと入出力装置とを備えるＥＣＵ（Electronic control Unit）である。ＥＣＵ４０の入力回路には、圧力センサ５１，５２，５３，５４および温度センサ５５が接続されている。

ＥＣＵ４０は、圧力センサ５１，５２，５３，５４および温度センサ５５それぞれの検出結果を取得する。

ＥＣＵ４０は、例えば、温度センサ５５が検出した排気温度を用いて、ＳＣＲ触媒１２に吸蔵されているアンモニアのストレージ量を推定する。以下の説明で、推定されたストレージ量を「推定ストレージ量」という。なお、推定ストレージ量は、アンモニアセンサにより検出されるアンモニア濃度に基づいて、推定してもよい。

ＥＣＵ４０は、排気温度および排気流量等から、ＳＣＲ触媒１２に吸蔵させるアンモニアの目標ストレージ量を算出する。

ＥＣＵ４０は、推定ストレージ量を目標ストレージ量に近づけるように、流量調整弁３５を制御する。

ここで、比較例について説明する。比較例において、推定ストレージ量と目標ストレージ量との乖離が大きい場合、推定ストレージ量を目標ストレージ量に迅速に近づけるように、アンモニアの供給量を速やかに増量する必要がある。アンモニアの供給量を速やかに増量する必要がある。しかしながら、例えば、アンモニアの供給圧力（本実施の形態では圧力センサ５４により検出された圧力）と排気圧力（本実施の形態では圧力センサ５１により検出されたアンモニアの供給位置における排気圧力）との差圧が小さい場合、還元剤の供給量を速やかに増量することが困難となる。これにより、比較例においては、窒素酸化物の浄化率が急速に低下するおそれがある。

本実施の形態では、排気通路におけるアンモニアの供給位置（接続位置ＳＰ）よりも排気上流側において、排気通路を絞ることが可能な排気絞り弁６０を備えている。排気通路が絞られることにより、アンモニアの供給位置における排気圧力が下がるため、アンモニアの供給位置における排気圧力とアンモニアの供給圧力との差圧が大きくなる。これにより、還元剤の単位時間当たりの供給量を増量し易くなる。

ＥＣＵ４０は、アンモニアの単位時間当たりの供給量を増量する場合、排気通路が絞られるように排気絞り弁６０を制御する。

本実施の形態では、エンジンの停止（例えば、アイドリングストップ）後に再始動した後、アンモニアの単位時間当たりの供給量を増量する場合であるとして、排気通路が絞られるように排気絞り弁６０を制御する。

ところで、排気通路が絞られることにより、排気絞り弁６０よりも排気下流側の排気圧力（接続位置ＳＰにおける排気圧力）は下がる。これに対し、排気絞り弁６０よりも排気上流側の背圧は上がるため、燃費が低下するおそれがある。

本実施の形態では、ＥＣＵ４０は、排気絞り弁６０よりも排気上流側の排気圧力が所定値未満である場合、排気通路が絞られるように排気絞り弁６０を制御する。具体的には、ＥＣＵ４０は、アンモニア供給位置（接続位置ＳＰ）における排気圧力とアンモニアの供給圧力との差圧が所定の目標値になるように排気絞り弁６０を制御する。これにより、燃費の低下を抑えることが可能となる。なお、目標値は、実験やシミュレーションにより求めることが可能である。

次に、ＥＣＵ４０による制御の一例について図２を参照して説明する。図２は、ＥＣＵ４０による制御の一例を示すフローチャートである。本フローは、例えば、エンジンの始動により開始され、所定の周期で繰り返される。なお、本フローの開示時における排気絞り弁６０の状態は、排気通路は絞られてない状態である。

ステップＳ１００において、ＥＣＵ４０は、エンジンの運転状態（例えば、アイドリングストップ後の再始動）を取得する。

ステップＳ１１０において、ＥＣＵ４０は、排気絞り弁６０よりも排気上流側の排気圧力（背圧）を取得する。

ステップＳ１２０において、ＥＣＵ４０は、エンジンの運転状態に基づいて、アンモニアの単位時間当たりの供給量を増量する場合か否かについて判定する。アンモニアの単位時間当たりの供給量を増量する場合（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、処理はステップＳ１３０に遷移する。アンモニアの単位時間当たりの供給量を増量しない場合（ステップＳ１２０：ＮＯ）、図２に示すフローは終了する。

次に、ステップＳ１３０において、ＥＣＵ４０は、排気絞り弁６０よりも排気上流側の排気圧力（背圧）が所定値未満であるか否かについて判定する。背圧が所定値未満である場合（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、処理はステップＳ１４０に遷移する。背圧が所定値未満でない場合（ステップＳ１３０：ＮＯ）、図２に示すフローは終了する。

ステップＳ１４０において、ＥＣＵ４０は、排気通路が絞られるように排気絞り弁６０を制御する。具体的には、ＥＣＵ４０は、アンモニアの供給位置（接続位置ＳＰ）における排気圧力とアンモニアの供給圧力との差圧が所定の目標値になるように排気絞り弁６０を制御する。その後、図２に示すフローは終了する。

本開示の実施の形態における排気浄化装置１は、内燃機関の排気通路に配置されたＳＣＲ触媒１２と、排気通路におけるＳＣＲ触媒１２によりも排気上流側の位置である供給位置に、還元剤を供給する還元剤供給部３０と、供給位置よりも排気上流側に配置される排気絞り弁６０と、還元剤の単位時間当たりの供給量を増やす場合、排気通路が絞られるように排気絞り弁６０を制御するＥＣＵ４０とを備える。

上記構成により、ＥＣＵ４０は、アンモニアの供給位置よりも排気上流側において排気通路が絞られるように排気絞り弁６０を制御するため、供給位置における排気圧力が低下する。これにより、アンモニアの供給位置における排気圧力とアンモニアの供給圧力との差圧が大きくなるため、アンモニアの供給量を速やかに増量することが可能となる。

また、本実施の形態における排気浄化装置１では、ＥＣＵ４０は、排気通路が絞られることにより、アンモニアの供給位置における排気圧力とアンモニアの供給圧力との差圧が所定の目標値になるように、排気絞り弁６０を制御する。これにより、差圧が所定の目標値になるため、アンモニアの供給量を確実に増量することが可能となる。

また、本実施の形態における排気浄化装置１では、ＥＣＵ４０は、排気絞り弁６０よりも排気上流側の排気圧力が所定値未満である場合、排気通路が絞られるように排気絞り弁６０を制御する。これにより、排気通路が絞られた場合でも、排気絞り弁６０よりも排気上流側の排気圧力が過度に上がらないため、燃費悪化の影響を小さくすることが可能となる。

＜変形例＞
次に、本実施の形態の変形例に係る排気浄化装置１について説明する。なお、変形例の説明においては、上記実施の形態と異なる構成について主に説明し、同じ構成についてはその説明を省略する。

変形例に係る排気浄化装置１は、排気通路における排気絞り弁６０よりも排気上流側であって、かつ、ＤＯＣ１１よりも排気下流側に配置され、排気中の粒子状物質を捕集し、補集した粒子状物質を燃焼処理することにより再生可能な捕集フィルター（Diesel Oxidation Catalyst：ＤＰＦ）を備えている。

ＤＰＦが再生される場合、粒子状物質の燃焼により排気温度が上昇し、ＤＰＦの再生後、排気温度が低下するため、推定ストレージ量と目標ストレージ量との乖離が大きくなる。変形例においては、ＥＣＵ４０は、ＤＰＦの再生後、アンモニアの単位時間当たりの供給量を増量する場合であるとして、排気絞り弁６０を制御する。これにより、ＮＯｘの生成量の増加を抑えることが可能となる。

なお、上記実施の形態および変形例においては、還元剤の一例をアンモニアとしたが、本開示はこれに限らず、例えば、尿素水としてもよい。還元剤が尿素水である場合、還元剤供給部３０は、尿素水をＳＣＲ触媒１２の排気上流側に噴射する尿素水インジェクタを有する。噴射された尿素水は例えば排気熱により加水分解される。これにより、アンモニアが生成される。

また、上記実施の形態および変形例では、再始動後や、ＤＰＦの再生後を、還元剤の単位時間当たりの供給量を増量する場合としたが、本開示はこれに限らず、例えば、エンジンの高速運転後の低速運転時は、エンジンの高速運転で排気温度が上昇し、その後の低速運転で排気温度が低下するため、推定ストレージ量と目標ストレージ量との乖離が大きくなる。以上により、エンジンの高速運転後の低速運転時は、還元剤の単位時間当たりの供給量を増量する場合である。また、低速運転時においては、排気流量が比較的少ないため、排気絞り弁６０により排気流路が絞られた場合でも、排気圧力（背圧）の上昇を抑えることができる。これにより、燃費悪化の影響を小さくすることが可能となる。

その他、上記実施の形態は、何れも本開示の実施をするにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本開示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、本開示はその要旨、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。

本開示は、還元剤の供給量を速やかに増量することが要求される内燃機関システムを備えた内燃機関システムに好適に利用される。

１ 排気浄化装置
２ エンジン
３ 排気マニホールド
１０ 排気管
１１ ＤＯＣ
１２ ＳＣＲ触媒
２０ タンク
３０ 還元剤供給部
３１ 移送路
３２ 遮断弁
３３ 減圧弁
３５ 流量調整弁
４０ ＥＣＵ
５１，５２，５３,５４ 圧力センサ
５５ 温度センサ
６０ 排気絞り弁
１００ 内燃機関システム

Claims (7)

1. 内燃機関の排気通路に配置されたＳＣＲ触媒と、
   前記排気通路における前記ＳＣＲ触媒によりも排気上流側の位置である供給位置に、還元剤を供給する還元剤供給部と、
   前記供給位置よりも排気上流側に配置される排気絞り弁と、
   前記還元剤の単位時間当たりの供給量を増やす場合、前記排気通路が絞られるように前記排気絞り弁を制御する制御部と、
   を備える、
   排気浄化装置。
2. 前記制御部は、前記排気通路が絞られることにより、前記還元剤供給部による還元剤の供給圧と前記供給位置における排気圧力との差圧が目標値になるように、前記排気絞り弁を制御する、
   請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 前記制御部は、前記排気絞り弁よりも排気上流側の排気圧力が所定値未満である場合、前記排気通路が絞られるように排気絞り弁を制御する、
   請求項１または２に記載の排気浄化装置。
4. 前記制御部は、前記内燃機関の停止後に再始動した後、前記還元剤の単位時間当たりの供給量を増やす場合であるとして、前記排気絞り弁を制御する、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
5. 前記制御部は、前記内燃機関の高速運転後の低速運転時、前記還元剤の単位時間当たりの供給量を増やす場合であるとして、前記排気絞り弁を制御する、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
6. 前記排気通路における前記排気絞り弁よりも排気上流側に配置され、排気中の粒子状物質を捕集し、補集した前記粒子状物質を燃焼処理することにより再生可能な捕集フィルターを備え、
   前記制御部は、前記捕集フィルターの再生後、前記還元剤の単位時間当たりの供給量を増やす場合であるとして、前記排気絞り弁を制御する、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の排気浄化装置を備える、内燃機関システム。

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