JP2022055026A - 内燃機関システム、内燃機関システムの窒素酸化物監視装置および内燃機関システムの窒素酸化物監視方法 - Google Patents

Abstract

【課題】キャリブレーション値の管理工程を低減することが可能な内燃機関システム、内燃機関システムの窒素酸化物監視装置および内燃機関システムの窒素酸化物監視方法を提供する。
【解決手段】内燃機関システムは、内燃機関の排気が流れる排気管内に配置され、排気中の窒素酸化物を、還元剤を用いて浄化するＳＣＲ触媒と、窒素酸化物を検出する窒素酸化物検出部と、窒素酸化物検出部の出力値の収束速度を算出する収束速度算出部と、算出された収束速度に基づいて、予め定められた複数のキャリブレーション値の中から一つのキャリブレーション値を選定する選定部と、を備える。
【選択図】図１

Description

本開示は、内燃機関システム、内燃機関システムの窒素酸化物監視装置および内燃機関システムの窒素酸化物監視方法に関する。

例えば、内燃機関の排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する装置として、内燃機関の排気管に配置されるＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒と、ＳＣＲ触媒の排気上流に、尿素水を供給する尿素水供給部とを備え、尿素水の加水分解により生成されたアンモニアを用いて、ＳＣＲ触媒でＮＯｘを選択還元反応させて無害成分へ浄化する排気浄化装置が知られている。

また、このような排気浄化装置を備えた内燃機関システムでは、排気中の窒素酸化物量を検出する窒素酸化物検出部（ＮＯｘセンサ）と、窒素酸化物検出部の出力値に基づいて尿素水の噴射量を算出し、算出された尿素水の噴射量が供給されるように尿素水供給部を制御する制御部とが備えられる（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１４－１０５６４５号公報

ところで、同一の窒素酸化物検出部（ＮＯｘセンサ）であっても、車型により窒素酸化物検出部の取付位置が異なる場合、窒素酸化物検出部の出力値に偏りが発生する場合がある。そこで、例えば、窒素酸化物検出部の出力値を補正するためのキャリブレーション値を、車型（ＮＯｘセンサの取付位置）ごとに使い分ける必要がある。

しかし、車型ごとにキャリブレーション値を使い分けた場合、キャリブレーション値の管理工程が増えるという問題がある。

本開示の目的は、キャリブレーション値の管理工程を低減することが可能な内燃機関システム、内燃機関システムの窒素酸化物監視装置および内燃機関システムの窒素酸化物監視方法を提供することである。

上記の目的を達成するため、本開示における内燃機関システムは、
内燃機関の排気が流れる排気管内に配置され、前記排気中の窒素酸化物を、還元剤を用いて浄化するＳＣＲ触媒と、
前記窒素酸化物を検出する窒素酸化物検出部と、
前記窒素酸化物検出部の出力値の収束速度を算出する収束速度算出部と、
算出された前記収束速度に基づいて、予め定められた複数のキャリブレーション値の中から一つのキャリブレーション値を選定する選定部と、
を備える。

本開示における内燃機関システムの窒素酸化物監視装置は、
内燃機関の排気が流れる排気管内に配置され、前記排気中の窒素酸化物を、還元剤を用いて浄化するＳＣＲ触媒を備える内燃機関システムの窒素酸化物監視装置であって、
前記窒素酸化物を検出する窒素酸化物検出部と、
前記窒素酸化物検出部の出力値の収束速度を算出する収束速度算出部と、
算出された前記収束速度に基づいて、予め定められた複数のキャリブレーション値の中から一つのキャリブレーション値を選定する選定部と、
を備える、

本開示における内燃機関システムの窒素酸化物監視方法は、
内燃機関の排気が流れる排気管内に配置され、前記排気中の窒素酸化物を、還元剤を用いて浄化するＳＣＲ触媒を備える内燃機関システムの窒素酸化物監視方法であって、
前記窒素酸化物を検出値を取得し、
前記窒素酸化物検出部の検出値の収束速度を算出し、
算出された前記収束速度に基づいて、予め定められた複数のキャリブレーション値の中から一つのキャリブレーション値を選定する。

本開示によれば、キャリブレーション値の管理工程を低減することができる。

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。

図１は、排気管１０を簡略して示している。排気管１０は、排気方向（Ｘ方向）において一定の径を有する直管部１０ａと、徐々に拡径する拡径コーン部１０ｂ，１０ｃと、徐々に縮径する縮径コーン部１０ｄ，１０ｅとを有する。

ＤＯＣ１１は、拡径コーン部１０ｂと縮径コーン部１０ｄとの間に配置されている。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、拡径コーン部１０ｃと縮径コーン部１０ｅとの間に配置されている。ＳＣＲ触媒１２は、ＤＯＣ１１よりも排気下流側（＋Ｘ方向）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。

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、還元剤としての尿素水を貯留する。

還元剤供給部３０は、図１に示すように、移送路３１、ポンプ３３、ノズル３４を有している。

移送路３１は、尿素水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には、上流側から順に、ポンプ３３およびノズル３４が配置されている。

ポンプ３３は、タンク２０からの尿素水をノズル３４に供給する。ノズル３４を尿素インジェクタという場合がある。

ノズル３４は、排気管１０におけるＳＣＲ触媒１２よりも排気上流側（－Ｘ方向）の位置ＳＰに配置される。ノズル３４は、排気管１０内に尿素水を噴射する。

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、上流側ＮＯｘセンサ５１および下流側ＮＯｘセンサ５２を備えている。上流側ＮＯｘセンサ５１は、ＳＣＲ触媒１２よりも上流側に配置され、ＳＣＲ触媒１２に流入するＮＯｘ量（Ｎｏｘ濃度）を検出する。上流側ＮＯｘセンサ５１の出力値は、ＥＣＵ４０に出力される。本実施の形態においては、尿素インジェクタ３４よりも排気上流側に配置される。

下流側ＮＯｘセンサ５２は、ＳＣＲ触媒１２よりも下流側に配置され、ＳＣＲ触媒１２から流出するＮＯｘ量（Ｎｏｘ濃度）を検出する。本実施の形態においては、下流側ＮＯｘセンサ５２は縮径コーン部１０ｅに配置される。なお、例えば車型等によっては、下流側ＮＯｘセンサ５２は縮径コーン部１０ｅよりも排気下流側の直管部１０ａに配置される場合がある。

一般的に、ＮＯｘセンサの取付位置は、内燃機関システム１００が搭載される車両の違いに応じて異なる。例えば、縮径コーン部に配置されるＮＯｘセンサの応答性や出力値は、直管部に配置されるＮＯｘセンサの応答性や出力値と比較して低くなる。そのため、ＮＯｘセンサの出力値のキャリブレーション値を、ＮＯｘセンサの取付位置ごとに使い分ける必要がある。

以下の実施の形態では、上流側ＮＯｘセンサ５１の取付位置が直管部１０ａと粒子捕集フィルター（Diesel particulate filter：ＤＰＦ）の出口コーン部（不図示）とのいずれかであるかを特定し、キャリブレーション値を選定する方法と、下流側ＮＯｘセンサ５２の取付位置が直管部１０ａと縮径コーン部１０ｅとのいずれかであるかを特定し、キャリブレーションする方法とについて説明する。なお、これらの方法は、同じであるため、下流側ＮＯｘセンサ５２の取付位置を特定し、キャリブレーション値を選定する方法を代表して、説明し、上流側ＮＯｘセンサ５１の取付位置を特定し、キャリブレーション値を選定する方法についての説明を省略する。

本実施の形態に係る内燃機関システム１００は、制御装置４０を備えている。制御装置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、上流側ＮＯｘセンサ５１および下流側ＮＯｘセンサ５２のそれぞれが接続されている。制御装置４０は、ＥＣＵ４０は、取得部４１、収束速度算出部４２、判定部４３および選定部４４の各機能を有する。

ＥＣＵ４０の記憶部４５には、下流側ＮＯｘセンサ５２の取付位置である直管部１０ａに対応付けられてキャリブレーション値Ｃ１が記憶されている。また、記憶部４５には、下流側ＮＯｘセンサ５２の取付位置である縮径コーン部１０ｅに対応付けられてキャリブレーション値Ｃ２が記憶されている。ここで、キャリブレーション値Ｃ１，Ｃ２とは、例えば、下流側ＮＯｘセンサ５２の出力値と補正値との関係を表すパラメータである。

取得部４１は、上流側ＮＯｘセンサ５１の出力値を取得する。また、取得部４１は、下流側ＮＯｘセンサ５２の出力値を取得する。また、取得部は、速度センサ（不図示）から車速を取得する。

収束速度算出部４２は、下流側ＮＯｘセンサ５２の単位時間毎の出力値に基づいて、下流側ＮＯｘセンサ５２の出力値の収束速度を算出する。

判定部４３は、収束速度が所定値よりも遅いか否かを判定する。所定値は、下流側ＮＯｘセンサ５２の取付位置を判定する際の境界値であって、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。

車両が減速している場合（エンジン２へ燃料の供給が停止される場合）、排気中のＮＯｘ濃度は０に向かって下がっていくため、下流側ＮＯｘセンサ５２の出力値は低下する。選定部４４は、車両が減速している場合であって、収束速度が所定値よりも遅い場合、縮径コーン部１０ｅに対応するキャリブレーション値Ｃ２を選定する。車両が減速している場合とした理由は、車両が減速している場合に出力値が比較的速く収束することから、下流側ＮＯｘセンサ５２取付位置が直管部１０ａである場合と縮径コーン部１０ｅである場合とで、下流側ＮＯｘセンサ５２の出力値の収束速度の相違が顕著に表れるためである。そのため、キャリブレーション値を正確に選定することが可能となる。また、収束速度が所定値よりも遅いとした理由は、縮径コーン部１０ｅにおける排気のあたりが直管部１０ａにおける排気のあたりよりも弱く、収束速度が遅くなるためである。なお、直管部１０ａに対応するキャリブレーション値Ｃ１が初期値である場合において、収束速度が所定値よりも遅くない場合、キャリブレーション値Ｃ１は維持される。

以上のように、本開示の実施の形態においては、下流側ＮＯｘセンサ５２の取付位置が縮径コーン部１０ｅである場合、選定部４４が、下流側ＮＯｘセンサ５２の収束速度に基づいて、縮径コーン部１０ｅに対応付けられたキャリブレーション値に選定する。これにより、キャリブレーション値を下流側ＮＯｘセンサ５２の取付位置ごとに使い分ける必要がなく、キャリブレーション値の管理工程を低減することが可能となる。

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、車両の出荷時に実行される。ＥＣＵ４０は、取得部４１、収束速度算出部４２、判定部４３および選定部４４の各機能を実行するものとする。

ステップＳ１００において、ＥＣＵ４０は、下流側ＮＯｘセンサ５２の出力値を取得する。

ステップＳ１１０において、ＥＣＵ４０は、取得した下流側ＮＯｘセンサ５２の出力値に基づいて、出力値の収束速度を算出する。

次に、ステップＳ１２０において、ＥＣＵ４０は、取得した車速から、車両が減速しているか否かについて判定する。車両が減速している場合（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、処理はステップＳ１３０に移行する。車両が減速していない場合（ステップＳ１２０：ＮＯ）、図２に示すフローは終了する。

ステップＳ１３０において、ＥＣＵ４０は、算出した収束速度が所定値よりも遅いか否かについて判定する。収束速度が所定値よりも遅い場合（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、処理はステップＳ１４０に移行する。収束速度が所定値よりも遅くない場合（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、キャリブレーション値Ｃ２を選定する。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内燃機関システム１００は、エンジン２の排気が流れる排気管１０内に配置され、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を、尿素水を用いて浄化するＳＣＲ触媒１２と、ＮＯｘを検出する下流側ＮＯｘセンサ５２と、下流側ＮＯｘセンサ５２の出力値の収束速度を算出する収束速度算出部４２と、算出された収束速度が所定値よりも遅い場合、予め定められた複数のキャリブレーション値の中から一つのキャリブレーション値を選定する選定部４４と、を備える。

上記構成により、キャリブレーション値の選定が自動的に行われる。これにより、キャリブレーション値を車型（ＮＯｘセンサの取付位置）ごとに使い分ける必要がないため、キャリブレーション値の管理工程を低減することが可能となる。

また、本実施の形態における内燃機関システム１００では、選定部４４は、車両が減速している場合、キャリブレーション値を選定する。車両減速時に出力値が比較的速く収束することから、下流側ＮＯｘセンサ５２の取付位置が直管部１０ａである場合と拡径コーン部１０ｃである場合とで、下流側ＮＯｘセンサ５２の出力値の収束速度の相違が顕著に表れる。これにより、キャリブレーション値を正確に選定することが可能となる。

また、本実施の形態における内燃機関システム１００では、下流側ＮＯｘセンサ５２の取付位置が、直管部１０ａと縮径コーン部１０ｅとのいずれかである車両において、選定部４４は、下流側ＮＯｘセンサ５２の出力値の収束速度が所定値よりも遅い場合、取付位置が縮径コーン部１０ｅである下流側ＮＯｘセンサ５２の出力値を補正するキャリブレーション値Ｃ２を選定する。縮径コーン部１０ｅにおける排気のあたりが直管部１０ａにおける排気のあたりよりも弱く、収束速度が所定値よりも遅くなるため、また、その所定値は実験やシミュレーションにより求めることができるため、キャリブレーション値をさらに正確に選定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内燃機関システム１００について説明する。変形例においては、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。上記実施の形態に係る内燃機関システム１００では、選定部４４は、下流側ＮＯｘセンサ５２の出力値の収束速度に基づいて、キャリブレーション値を選定する。

ＳＣＲ触媒１２が十分に昇温しＮＨ_３吸蔵している状況においてはＳＣＲ触媒１２の浄化率は１００％となる。これにより、下流側ＮＯｘセンサ５２の出力値は０［ｐｐｍ］を示す。そのため、そもそも下流側ＮＯｘセンサ５２の応答性が見られず、下流側ＮＯｘセンサ５２の取付位置が例えば、直管部１０ａである下流側ＮＯｘセンサ５２の出力値と縮径コーン部１０ｅである下流側ＮＯｘセンサ５２の出力値との間で、相違が現れない。この課題を解決するために、例えば、ＳＣＲ触媒１２よりも排気上流側に、粒子状物質（Particulate Matter：ＰＭ）を補集し、除去する粒子捕集フィルター（Diesel particulate filter：ＤＰＦ）が配置される場合、補集したＰＭを燃焼するＤＰＦ再生時はＳＣＲ触媒１２の浄化率が大きく低下（例えば０－５０％）するため、下流側ＮＯｘセンサ５２の取り付け位置による出力値の収束速度の相違を検出することができる。なお、ＳＣＲ触媒１２の浄化率が所定値よりも低くなる例としては、ＤＰＦ再生時の他に、工場出荷時のＳＣＲ触媒１２がＮＨ_３を吸蔵する前などが挙げられる。

変形例に係る内燃機関システム１００では、上流側ＮＯｘセンサ５１の出力値および下流側ＮＯｘセンサ５２の出力値に基づいて、ＳＣＲ触媒１２の浄化率を検出する。ＥＣＵ４０は、検出したＳＣＲ触媒１２の浄化率が所定範囲である場合であって、収束速度が所定値よりも遅い場合、キャリブレーション値Ｃ２を選定する。ここでは、所定範囲とは、例えば、下流側ＮＯｘセンサ５２の取付位置が異なる場合、下流側ＮＯｘセンサ５２の出力値の収束速度の相違が顕著に表れる０％から５０％の範囲をいう。

変形例では、ＳＣＲ触媒１２の浄化率が所定範囲である場合、下流側ＮＯｘセンサ５２の取付位置を正確に判定することができるため、キャリブレーション値を正確に選定することが可能となる。

なお、上記実施の形態では、下流側ＮＯｘセンサ５２が取り付けられ得る取付位置が直管部１０ａ、縮径コーン部１０ｅの２箇所である場合、下流側ＮＯｘセンサ５２の出力値の収束速度に基づいて、キャリブレーション値を選定したが、本開示はこれに限らず、下流側ＮＯｘセンサ５２が取り付けられ得る取付位置が３箇所以上である場合、下流側ＮＯｘセンサ５２の出力値の収束速度に基づいて、キャリブレーション値を選定してもよい。例えば、下流側ＮＯｘセンサ５２の取付位置が３箇所（Ａ、Ｂ、Ｃ）である場合、第１所定値および第２所定値を設け（第１所定値＜第２所定値）、収束速度が第１所定値よりも遅い場合、下流側ＮＯｘセンサ５２が取付位置Ａに配置されるものとして、キャリブレーション値を選定し、収束速度が第１所定値よりも速く第２所定値よりも遅い場合、下流側ＮＯｘセンサ５２が取付位置Ｂに配置されるものとして、キャリブレーション値を選定し、収束速度が第２所定値よりも速い場合、下流側ＮＯｘセンサ５２が取付位置Ｃに配置されるものとして、キャリブレーション値を選定してもよい。

また、上記実施の形態では、下流側ＮＯｘセンサ５２に係るキャリブレーション値を選定したが、本開示はこれに限らず、例えば、上流側ＮＯｘセンサ５１の取付位置が異なる場合、上流側ＮＯｘセンサ５１の出力値の収束速度に基づいて、キャリブレーション値を選定してもよい。

また、上記実施の形態では、ＥＣＵ４０は、車両が減速している場合、キャリブレーション値を選定したが、本開示はこれに限らず、燃料が燃料供給部から供給されない状態である場合、キャリブレーション値を選定してもよい。

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、キャリブレーション値の管理工程を低減することが要求される内燃機関システムを備えた車両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
１０ａ 直管部
１０ｂ，１０ｃ 拡径コーン部
１０ｄ，１０ｅ 縮径コーン部
１１ ＤＯＣ
１２ ＳＣＲ触媒
２０ タンク
３０ 還元剤供給部
３１ 移送路
３３ ポンプ
３４ ノズル
４０ ＥＣＵ
４１ 取得部
４２ 収束速度算出部
４３ 判定部
４４ 選定部
４５ 記憶部
５１ 上流側ＮＯｘセンサ
５２ 下流側ＮＯｘセンサ
１００ 内燃機関システム

Claims (7)

1. 内燃機関の排気が流れる排気管内に配置され、前記排気中の窒素酸化物を、還元剤を用いて浄化するＳＣＲ触媒と、
   前記窒素酸化物を検出する窒素酸化物検出部と、
   前記窒素酸化物検出部の出力値の収束速度を算出する収束速度算出部と、
   算出された前記収束速度に基づいて、予め定められた複数のキャリブレーション値の中から一つのキャリブレーション値を選定する選定部と、
   を備える、
   内燃機関システム。
2. 前記選定部は、車両が減速している場合、前記キャリブレーション値を選定する、
   請求項１に記載の内燃機関システム。
3. 前記窒素酸化物検出部の取付位置が、前記排気管の内径が排気方向で一定な直管部と排気方向で広がるコーン部とのいずれかである車両において、
   前記選定部は、前記収束速度が所定値よりも遅い場合、前記取付位置が前記コーン部である前記窒素酸化物検出部の出力値を補正する前記キャリブレーション値を選定する、
   請求項１または２に記載の内燃機関システム。
4. 前記選定部は、前記ＳＣＲ触媒の浄化率が所定範囲である場合、前記キャリブレーション値を選定する、
   請求項３に記載の内燃機関システム。
5. 前記キャリブレーション値は、前記出力値を補正するためのパラメータである、
   請求項１から４のいずれかに記載の内燃機関システム。
6. 内燃機関の排気が流れる排気管内に配置され、前記排気中の窒素酸化物を、還元剤を用いて浄化するＳＣＲ触媒を備える内燃機関システムの窒素酸化物監視装置であって、
   前記窒素酸化物を検出する窒素酸化物検出部と、
   前記窒素酸化物検出部の出力値の収束速度を算出する収束速度算出部と、
   算出された前記収束速度に基づいて、予め定められた複数のキャリブレーション値の中から一つのキャリブレーション値を選定する選定部と、
   を備える、
   内燃機関システムの窒素酸化物監視装置。
7. 内燃機関の排気が流れる排気管内に配置され、前記排気中の窒素酸化物を、還元剤を用いて浄化するＳＣＲ触媒を備える内燃機関システムの窒素酸化物監視方法であって、
   前記窒素酸化物の検出値を取得し、
   前記窒素酸化物の検出値の収束速度を算出し、
   算出された前記収束速度に基づいて、予め定められた複数のキャリブレーション値の中から一つのキャリブレーション値を選定する、
   内燃機関システムの窒素酸化物監視方法。

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