JP5118442B2 - ハイブリッド電気自動車の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
このようなシリーズ式ハイブリッド電気自動車では、バッテリの充電率が低下した場合にエンジンを運転し、エンジンによって駆動された発電機の発電電力をバッテリに充電する。そして、発電機の発電電力によりバッテリの充電率が所定充電率まで復帰すると、エンジンが停止される。
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、シリーズ式ハイブリッド電気自動車におけるアンモニア選択還元型NOx触媒の排気浄化効率を向上可能なハイブリッド電気自動車の排気浄化装置を提供することにある。
このように構成されたハイブリッド電気自動車の排気浄化装置によれば、制御手段が吸着量増大運転を行う際には、吸着量増大運転を行う前よりもアンモニア選択還元型NOx触媒に流入する排気の温度を低下させることにより、アンモニア選択還元型NOx触媒へのアンモニアの吸着量を増大させる。
或いは、上記ハイブリッド電気自動車の排気浄化装置において、上記制御手段は、上記所定期間よりも前の状態に比して上記エンジンの負荷を低下させることにより上記アンモニア選択還元型NOx触媒に流入する排気の温度を低下させてもよい(請求項4)。
このように構成されたハイブリッド電気自動車の排気浄化装置によれば、制御手段はバッテリの充電が必要になるとエンジンを運転してバッテリの充電を行い、バッテリの充電が完了すると所定期間にわたって吸着量増大運転を行った後にエンジンを停止する。
図1は、本発明の一実施形態に係る排気浄化装置が適用されたシリーズ式のハイブリッド電気自動車1の全体構成図である。
ディーゼルエンジンであるエンジン2の出力軸は発電機4の回転軸に連結されており、エンジン2の出力は専ら発電機4の駆動に用いられる。エンジン2によって駆動される発電機4の発電電力は、インバータ6を介してバッテリ8に蓄えられる。インバータ6は、発電機4から供給される電力によってバッテリ8が適正に充電されるよう、発電機4とバッテリ8との間に流れる電流を制御することにより、発電機4の発電電力を調整する。また発電機4は、エンジン2が停止しているときにバッテリ8からインバータ6を介して電力が供給されることによりモータとして作動し、エンジン2をクランキングする機能も有している。
このように構成されたハイブリッド電気自動車1において運転者がアクセルペダル26を踏み込むと、HEV−ECU20はアクセル開度センサ28が検出したアクセルペダル26の操作量と、図示しない走行速度センサが検出した車両走行速度とに基づき、駆動輪18に伝達すべき駆動トルクを求め、この駆動トルクをモータ10が発生するようにインバータ6を制御する。これによりバッテリ8の電力がインバータ6を介してモータ10に供給され、モータ10が発生する駆動トルクが減速機12、差動装置14及び駆動軸16を介して左右の駆動輪18に伝達されて車両が走行する。
エンジンECU22は、HEV−ECU20からの指令に従ってエンジン2の運転制御を行い、バッテリ8の充電率が低下して充電が必要となったときにエンジン2を始動し、エンジン2による発電機4の駆動を行う。このとき、HEV−ECU20は所定回転数において所定発電電力が発電機4によって得られるようにインバータ6を制御し、これに対応してエンジンECU22は上記所定回転数を目標回転数として運転するようにエンジン2を制御する。そして、このときの所定回転数及び所定電力は、エンジン2の回転数及び負荷が、排気中のNOxの濃度を極力低くするような運転領域にあるように予め定められている。
図2に示すようにエンジン2は、気筒内において燃料を燃焼させることにより発電機4を駆動するための駆動力を発生するエンジン本体30と、燃料を燃焼させるための空気をエンジン本体30に供給するための吸気管32と、燃料の燃焼によって発生した排気を排出するための排気管(排気通路)34とを備えている。
一方、下流側ケーシング42内には、アンモニアを吸着し、吸着したアンモニアを還元剤として排気中のNOx(窒素酸化物)を選択還元して排気を浄化するアンモニア選択還元型NOx触媒(以下SCR触媒という)48が収容されると共に、このSCR触媒48の下流側にはSCR触媒48から流出したアンモニアを除去するための後段酸化触媒50が収容されている。この後段酸化触媒50は、フィルタ46の強制再生でパティキュレートが焼却される際に発生するCO(一酸化炭素)を酸化し、CO2(二酸化炭素)として大気中に排出する機能も有している。
エンジンECU22は、HEV−ECU20からの指令に対応してエンジン本体30や尿素水インジェクタ52の制御を行うものであって、CPU、メモリ、タイマカウンタなどから構成され、エンジン本体30の回転数を検出する回転数センサ58など、エンジン本体30に設けられた各種センサからの情報に基づき、エンジン本体30の各気筒への燃料供給量や尿素水インジェクタ52からの尿素水供給量などの様々な制御量の演算を行うと共に、その制御量に基づき各種デバイスの制御を行っている。
このフラグF1は、後述するエンジン2の運転モード及び尿素水インジェクタ52による尿素水の供給モードを切り換えるために用いられるものであって、HEV−ECU20はフラグF1の値をエンジンECU22に送出することによって、エンジン2の運転モード及び尿素水の供給モードをエンジンECU22に指令する。具体的には、フラグF1の値が0であるときには、エンジン2の運転モードが第1運転モードであると共に尿素水の供給モードが第1供給モードであることを示し、フラグF1の値が1であるときには、エンジン2の運転モードが第2運転モードであると共に尿素水の供給モードが第2供給モードであることを示す。なお、本実施形態では、エンジン2を第2運転モードで運転すると共に尿素水インジェクタ52から第2供給モードで尿素水の供給を行う状態が本発明の吸着量増大運転に相当するが、これら第1及び第2運転モード、並びに第1及び第2供給モードの詳細については後述する。
このフラグF2はバッテリ8の充電の要否を示すものである。バッテリ8の充電率が低下して充電が必要となった場合にはエンジン2を運転して発電機4を駆動する必要があることから、HEV−ECU20はフラグF2の値をエンジンECU22に送出することによって、エンジン2の運転又は停止を指令する。具体的には、フラグF2の値が0であるときにはバッテリ8の充電が不要であることを示す一方、フラグF2の値が1であるときにはバッテリ8の充電が必要であることを示す。
下限充電率SLはバッテリ8の充電の要否を判断するための判定値であって、バッテリ8の充電率SOCが下限充電率SLを下回っていない場合、HEV−ECU20は、充電を必要とするほどバッテリ8の充電率SOCが低下していないものと判断し、その制御周期を終了した後、次の制御周期で再びステップS1から処理を開始する。
ステップS5においてHEV−ECU20は、バッテリECU24によって検出されたバッテリ8の充電率SOCが所定の第1上限充電率SU1に達したか否かを判定する。そして、バッテリ8の充電率SOCが第1上限充電率SU1に達していない場合、HEV−ECU20はその制御周期を終了し、次の制御周期で再びステップS1から処理を開始する。
更に、バッテリ8の充電が進んで充電率SOCが第2上限充電率SU2に達すると、バッテリ8の充電が完了したものとして、後述のエンジン制御及び尿素水供給制御においてエンジン2が停止されると共に、尿素水インジェクタ52からの尿素水の供給が停止される。
始動スイッチのオン操作によってエンジン運転制御が開始されると、HEV−ECU20はステップS11でフラグF2の値が1であるか否かを判定する。フラグF2は、前述したようにバッテリ8の充電の要否を示すものであり、充電制御においてバッテリ8の充電率SOCが下限充電率SLを下回った場合に、バッテリ8の充電が必要であるとしてその値が1とされるものである。
次の制御周期において、HEV−ECU20は再びステップS11から処理を開始し、フラグF2の値が1であるか否かを判定する。従って、バッテリ8の充電率SOCが下限充電率SLを下回り、充電制御においてバッテリ8の充電が必要であるとしてフラグF2の値が1とされない限り、ステップS11乃至S13の処理が制御周期毎に繰り返され、エンジン2は停止状態に維持されることになる。
ステップS18において第1運転モードが選択されると、HEV−ECU20は発電機4がバッテリ8を効率良く充電すると共にエンジン2の排気中に含まれるNOxの濃度を極力低下可能な電力として予め定められた第1目標電力を、第1目標回転数N1のもとで発電するようにインバータ6を制御すると共に、第1運転モードでエンジン2を運転するようエンジンECU22に指令を送る。エンジンECU22はHEV−ECU20からの指令を受け、第1目標回転数N1のエンジン回転数でエンジン2が運転するようにエンジン2の運転制御を行う。
ステップS19において第2運転モードが選択されると、HEV−ECU20は第2目標回転数N2のもとで第2目標電力を発電するようにインバータ6を制御すると共に、第2運転モードでエンジン2を運転するようエンジンECU22に指令を送る。この第2目標回転数N2は第1運転モードが選択されているときの第1目標回転数N1よりも低く、第2目標電力は第1運転モードが選択されているときの第1目標電力よりも小さくなっている。エンジンECU22はHEV−ECU20からの指令を受け、第2目標回転数N2の回転数でエンジン2が運転するようにエンジン2の運転制御を行う。従って、エンジン2は第1運転モードの場合よりも低速低負荷の運転領域で運転されることになる。この結果、エンジン2から排出される排気の温度が第1運転モードの場合より低下すると共に、排気中に含まれるNOxの濃度も低下する。
ステップS12でHEV−ECU20は、エンジンECU22に対してエンジン2を停止するよう指令すると共に、インバータ6を制御して発電機4の発電を停止する。エンジンECU22は、HEV−ECU20からの指令を受け、エンジン2への燃料供給を中止することにより、エンジン2を停止させる。
そして、バッテリ8の充電が進み、充電率SOCが上昇して第1上限充電率SU1に達すると、エンジン2の運転状態が第2運転モードに切り換えられる。第2運転モードによるエンジン2の運転は、バッテリ8の充電率SOCが更に上昇して第2上限充電率SU2に達するまで継続し、エンジン2が第2運転モードで運転されている間は、エンジン2に駆動された発電機4が第1目標回転数N1より低い第2目標回転数N2で回転しながら、第1目標電力より小さい第2目標電力の発電を行うことにより、引き続きバッテリ8の充電が行われる。このとき、エンジン2は第1運転モードの場合よりも低速低負荷の運転領域で運転されることになるため、エンジン2から排出される排気の温度が第1運転モードの場合より低下すると共に、排気中に含まれるNOxの濃度も低下する。
始動スイッチのオン操作によって尿素水供給制御が開始されると、エンジンECU22はステップS21でフラグF3の値が1であるか否かを判定する。フラグF3は、前述したようにエンジン2が運転状態にあるか否かを示すものであり、エンジン2が運転状態にある場合に、その値が1とされるものである。
次の制御周期でエンジンECU22は、再びステップS21から処理を開始し、フラグF3の値が1であるか否かを判定する。従って、エンジン2が停止状態にある限り、ステップS21及びS22の処理が繰り返され、尿素水インジェクタ52からの尿素水の供給は停止された状態となる。
ステップS23でエンジンECU22は、排気温度センサ54によって検出されたSCR触媒48に流入する排気の温度Tcが所定温度Taに達したか否かを判定する。この所定温度Taは、尿素水インジェクタ52から排気中に噴射された尿素水に含まれる尿素が支障なく加水分解してアンモニアに転化可能な下限温度に基づいて、例えば200℃に設定される。そして、排気温度Tcが所定温度Taに達していない場合、エンジンECU22は尿素水インジェクタ52から尿素水を噴射することができないものと判断して処理をステップS22に進める。ステップS22では、上述のように尿素水インジェクタ52からの尿素水の供給が引き続き停止とされ、エンジンECU22はその制御周期を終了する。
従って、バッテリ8の充電が必要となりエンジン2が始動されても、エンジン2の排気温度が上昇して所定温度Taに達するまでの間は、ステップS21からステップS23を経てステップS22の処理が繰り返され、尿素水インジェクタ52からの尿素水の噴射が行われない。
フラグF1は、前述したようにエンジン2の運転モード及び尿素水インジェクタ52からの尿素水の供給モードを定めるものであり、バッテリ8の充電率SOCが上昇して第1上限充電率SU1に達するまでは充電制御において値が0とされ、バッテリ8の充電率SOCが第1上限充電率SU1に達してから第2上限充電率SU2に達するまでの期間においては値が1とされる。
このとき、フラグF1の値が1となっていることからエンジン2は第2運転モードで運転されており、前述したように第2運転モードにおけるエンジン2の負荷及び回転数は第1運転モードの場合より低下し、エンジン2は第1運転モードの場合よりも低速低負荷運転に移行している。そして、この第2供給モードにおいてエンジンECU22は、このようなエンジン2の運転状態に対応し、尿素水から生成されたアンモニアのSCR触媒48への吸着量を増大させるように尿素水インジェクタ52から尿素水の供給を行い、エンジン2の第2モードによる運転と併せ、吸着量増大運転を行う。
前述したように、エンジン2が第1運転モードより低速低負荷運転状態となる第2運転モードに移行することにより、エンジン2の排気温度は第1運転モードの場合より低下しており、ステップS23の判定に用いた所定温度Ta、即ち尿素水インジェクタ52から尿素水を噴射可能とする下限温度よりわずかに高い温度となっている。SCR触媒48における単位触媒容積あたりのアンモニアの最大吸着量は、図6に示すようにSCR触媒48の温度が低下するほど増加する傾向があり、エンジン2を第1運転モードで運転しているときの触媒温度T1におけるアンモニアの最大吸着量Q1に対し、第2運転モードで運転しているときの触媒温度T2におけるアンモニアの最大吸着量Q2の方が多くなる。
即ち、まずエンジン2が第2運転モードで運転されているときの単位時間あたりのNOx排出量から、このNOxの選択還元に必要なアンモニアの単位時間あたりの供給量を演算し、このアンモニア供給量に対応する単位時間あたりの尿素水供給量M2’を求める。
ステップS26では、このようにして設定した第2目標供給量M2の尿素水が排気中に供給されるよう、エンジンECU22が尿素水インジェクタ52を制御する。この結果、尿素水インジェクタ52から噴射された尿素水の尿素が加水分解してアンモニアが生成され、その一部がSCR触媒48におけるNOxの選択還元に消費されると共に、残部がSCR触媒48に吸着する。
そして再びバッテリ8の充電率SOCが低下して下限充電率SLを下回ると、エンジン2が始動されてフラグF3の値が1となり、エンジンECU22はステップS21の判定によって処理をステップS23に進める。この場合も、エンジン2を始動してからしばらくの間はエンジン2の排気温度が上昇しておらず、前述したように、エンジンECU22は排気温度センサ54によって検出されたSCR触媒48に流入する排気の温度Tcが所定温度Taに達したと判定するまでの間、ステップS23からステップS22に処理を進め、尿素水インジェクタ52からの尿素水の供給は行われない。
こうしてSCR触媒48に吸着しているアンモニアを用いて排気を浄化している間に、エンジン2の排気温度が上昇し、ステップS23で排気温度センサ54によって検出された排気温度Tcが所定温度Taに達したと判定すると、上述したようにして尿素水インジェクタ52から第1供給モードで尿素水の供給が行われる。
以上のようなHEV−ECU20による充電制御及びエンジン運転制御、並びにエンジンECU22による尿素水供給制御が行われたときの、エンジン2の目標回転数、SCR触媒48に流入する排気の温度、尿素水の目標供給量及び排気後処理装置36から排出されるNOxの濃度のそれぞれの時間的変化を図7に示す。
エンジン2の始動によってエンジン2の排気温度は徐々に上昇するが、エンジン2の始動当初の排気温度は、尿素水インジェクタ52から尿素水を供給可能となる所定温度Taよりは低くなっている。従って、尿素水インジェクタ52からの尿素水の目標供給量は設定されず、尿素水の供給は行われない。このため、前回行ったバッテリ8の充電の際に、上述したようなSCR触媒48へのアンモニアの吸着が行われない場合には、図7中に一点鎖線で示すように、エンジン2の始動当初に排気後処理装置36から排出される排気は浄化されることなく高いNOx濃度を有することになる。しかしながら、本実施形態では前回行ったバッテリ8の充電の際に、上述したように多量のアンモニアがSCR触媒48に吸着しているので、尿素水インジェクタ52から尿素水が供給されなくても、SCR触媒48に吸着したアンモニアを還元剤としてNOxの選択還元が行われ、図7に実線で示すように、エンジン2の始動当初から排気中のNOx濃度を低く抑えることができ、SCR触媒48の浄化効率の低下を防止することができる。なお、エンジン2の始動直後の短期間だけNOx濃度が上昇しているのは、エンジン2の始動時に行われる燃料供給量の増量、及びSCR触媒48の活性化に起因するものである。
以上で本発明の一実施形態に係るハイブリッド電気自動車の排気浄化装置についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
例えば、バッテリ8の充電率SOCが下限充電率SLを下回ってバッテリ8の充電を開始してからの経過時間をタイマにより計測し、この経過時間が所定時間に達したら、吸着量増大運転に移行するようにしてもよい。即ち、バッテリ8の充電を開始してからバッテリ8の充電率SOCが第2上限充電率に達して充電を完了するまでの期間は、第1運転モード及び第2運転モードにおけるエンジン2の運転条件がほぼ固定的となるため、ほぼ一定の長さとなるので、バッテリ8の充電開始及び終了については、上記実施形態と同様にバッテリ8の充電率SOCに基づいて判断し、吸着量増大運転への移行はタイマを用いて行うことが可能である。
2 エンジン
4 発電機
8 バッテリ
10 モータ
18 駆動輪
20 HEV−ECU(制御手段)
22 エンジンECU(制御手段)
34 排気管(排気通路)
48 SCR触媒(アンモニア選択還元型NOx触媒)
52 尿素水インジェクタ(尿素水供給手段)
Claims (7)
- エンジンを発電機の駆動専用とし、上記発電機で発電した電力をバッテリに蓄えると共に、上記バッテリから供給される電力で作動するモータにより駆動輪を駆動するようにしたハイブリッド電気自動車の排気浄化装置において、
上記エンジンの排気通路に介装され、アンモニアを還元剤として排気中のNOxを選択還元するアンモニア選択還元型NOx触媒と、
上記アンモニア選択還元型NOx触媒の上流側の排気中に尿素水を供給する尿素水供給手段と、
上記バッテリの充電状態に応じて上記エンジンを運転又は停止させると共に上記エンジンの運転状態に応じて上記尿素水供給手段を制御し、運転中の上記エンジンを停止させる場合には、エンジン停止前の所定期間にわたり、上記所定期間より前の状態よりも上記アンモニア選択還元型NOx触媒へのアンモニアの吸着量を増大させる吸着量増大運転を行った後に上記エンジンを停止させる制御手段と
を備えることを特徴とするハイブリッド電気自動車の排気浄化装置。 - 上記制御手段は、上記エンジンの運転中における上記所定期間よりも前の状態に比して上記アンモニア選択還元型NOx触媒に流入する排気の温度が低下するように上記エンジンを制御して上記吸着量増大運転を行うことを特徴とする請求項1に記載のハイブリッド電気自動車の排気浄化装置。
- 上記制御手段は、上記所定期間よりも前の状態に比して上記エンジンの回転数を低下させることにより上記アンモニア選択還元型NOx触媒に流入する排気の温度を低下させることを特徴とする請求項2に記載のハイブリッド電気自動車の排気浄化装置。
- 上記制御手段は、上記所定期間よりも前の状態に比して上記エンジンの負荷を低下させることにより上記アンモニア選択還元型NOx触媒に流入する排気の温度を低下させることを特徴とする請求項2に記載のハイブリッド電気自動車の排気浄化装置。
- 上記制御手段は、上記吸着量増大運転を行っているとき、上記アンモニア選択還元型NOx触媒におけるNOxの還元のためのアンモニア消費量と、上記アンモニア選択還元型NOx触媒に吸着させることが可能なアンモニアの最大吸着量とに基づき設定された目標供給量の尿素水が供給されるように、上記尿素水供給手段による尿素水供給量を制御することを特徴とする請求項1に記載のハイブリッド電気自動車の排気浄化装置。
- 上記制御手段は、上記エンジンを運転して上記バッテリの充電を開始した後、上記バッテリの充電率が所定の第1上限充電率に達してから、上記第1上限充電率より高い所定の第2上限充電率に達するまでの期間を上記所定期間とし、上記バッテリの充電率が上記第2上限充電率に達すると上記エンジンを停止することを特徴とする請求項1に記載のハイブリッド電気自動車の排気浄化装置。
- 上記制御手段は、上記バッテリの充電が必要となったときに上記エンジンを運転して上記バッテリの充電を開始し、上記バッテリの充電が完了したときから上記所定期間にわたり上記吸着量増大運転を行った後、上記エンジンを停止することを特徴とする請求項1に記載のハイブリッド電気自動車の排気浄化装置。
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