JP5749450B2

JP5749450B2 - Ｓｃｒシステム

Info

Publication number: JP5749450B2
Application number: JP2010112190A
Authority: JP
Inventors: 俊告若松; 龍山内; 泰信中島
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-05-14
Filing date: 2010-05-14
Publication date: 2015-07-15
Anticipated expiration: 2030-05-14
Also published as: JP2011241691A

Description

本発明は、ディーゼル車両の排気ガスに尿素水を噴射することで排ガス浄化を行うＳＣＲシステムに係り、エンジンの制御状態によらずアンモニアスリップが防止できるＳＣＲシステムに関する。

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ガス浄化システムとして、ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction；選択還元触媒）装置を用いたＳＣＲシステムが開発されている。

このＳＣＲシステムは、尿素水をＳＣＲ装置の排気ガス上流に供給し、排気ガスの熱でアンモニアを生成し、このアンモニアによって、ＳＣＲ触媒上でＮＯｘを還元して浄化するものである（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−３０３８２６号公報

エンジンの制御は、エンジンが安定して運転される状態において排ガス規制に対応して制御が行われる排ガス対応モードと、さまざまな環境（例えば、周囲が寒いとき、あるいは高地であることによる外気圧の低下）に対応してエンジンが支障なく稼動できるように制御が行われる環境対応モードとが切り替えられるようになっている。環境がエンジンの運転に不利な環境に変化すると、それに応じてモードが環境対応モードに切り替えられる。これにより、エンジンの運転に不利な環境であってもエンジンの運転を維持することができる。

しかし、エンジンの制御モードの切り替えに伴って、エンジンから出る排気ガスの状態が変化する。つまり、排ガス対応モードでは、排気ガス中のＮＯｘ量が少なくなるようにエンジンが制御されるので、排気管に排出される排気ガス中のＮＯｘ量が少ない。環境対応モードでは、エンジンが支障なく稼動することを優先してエンジンが制御されるので、エンジンから排気管に排出される排気ガス中のＮＯｘ量が増えるのはやむを得ない。

ところで、従来のＳＣＲシステムでは、排気ガス中のＮＯｘ量に応じてＮＯｘ還元用の尿素水量を算出し、この算出された量の尿素水をＳＣＲ装置の上流側に設置されたドージングバルブから噴射させている。尿素水に由来するアンモニアがＳＣＲ装置に一時的に蓄積され、この蓄積されたアンモニアがＮＯｘの還元に作用するので、ＳＣＲ装置のアンモニアを補充するだけの尿素水量がＮＯｘ還元用の尿素水量として算出される。

しかし、ＳＣＲ装置は、車内の限られたスペースにコンパクトに収納するため、あるいはコストパフォーマンスを向上させるために、有限の大きさに作られている。このため、ＳＣＲ触媒の面積は有限であり、よって、ＳＣＲ装置の中でアンモニアによって還元できる最大のＮＯｘ量は有限である。

したがって、前述のようにエンジンが環境対応モードで制御されて排気ガス中のＮＯｘ量が増加したとき、これに合わせて噴射する尿素水量を無制限に増やしたとしても、そのＳＣＲ装置のサイズ等で決まるところの、還元できる最大ＮＯｘ量を超えて還元できることはない。このためＳＣＲ装置の中で過剰となったアンモニアは、外気に排出される。これをアンモニアスリップと呼ぶ。アンモニアスリップは、アンモニア特有の臭いが発散されてしまうので、防止しなくてはならない。

例えば、エンジンの暖気が不十分な低水温時、エンジンは環境対応モードで制御され、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation；排気再循環）率をゼロまたは大幅に削減するＥＧＲ弁の開度制限が行われる。ＥＧＲ弁の開度制限が行われると、エンジンの吸気は酸素が豊富になるため、排気ガス中のＮＯｘ量が増加する。このとき、単に排気ガス中のＮＯｘ量に応じた量の尿素水を噴射すると、ＳＣＲ装置の中でアンモニアが過剰となり、アンモニアスリップが発生してしまう。

外気の温度が低い低外気温時も、同様にエンジンは環境対応モードとなってＥＧＲ弁の開度制限が行われて排気ガス中のＮＯｘ量が増加する。このときも、単に排気ガス中のＮＯｘ量に応じた量の尿素水を噴射すると、ＳＣＲ装置の中でアンモニアが過剰となり、アンモニアスリップが発生してしまう。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、エンジンの制御状態によらずアンモニアスリップが防止できるＳＣＲシステムを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、エンジンの排気管に設けられた選択還元触媒装置と、前記選択還元触媒装置の上流側で尿素水を噴射するドージングバルブと、前記選択還元触媒装置入口の排気ガス温度と前記エンジンの運転状況を示すエンジンパラメータとに基づいて算出される排気ガス中のＮＯｘ量に応じてＮＯｘ還元用の尿素水量を算出する尿素水量算出部と、エンジンの冷却水温度があらかじめ設定された下限値以下である低水温時、前記尿素水量算出部が算出した尿素水量に前記冷却水温度が低いほど小さい係数をかけて前記ドージングバルブからの尿素水噴射量を決定することにより、前記ドージングバルブからの尿素水噴射量が前記選択還元触媒装置で還元できる最大ＮＯｘ量に相当する尿素水量を超えないようにする噴射量制限部とを備えたものである。

前記噴射量制限部は、冷却水温度に応じて係数が設定された低水温係数マップを冷却水温度で参照して係数を得てもよい。

また、本発明は、エンジンの排気管に設けられた選択還元触媒装置と、前記選択還元触媒装置の上流側で尿素水を噴射するドージングバルブと、前記選択還元触媒装置入口の排気ガス温度と前記エンジンの運転状況を示すエンジンパラメータとに基づいて算出される排気ガス中のＮＯｘ量に応じてＮＯｘ還元用の尿素水量を算出する尿素水量算出部と、ブースト圧があらかじめ設定された下限値以下であることで判定される低外気温時、前記尿素水量算出部が算出した尿素水量に前記ブースト圧に応じて設定される所定の係数をかけて前記ドージングバルブからの尿素水噴射量を決定することにより、前記ドージングバルブからの尿素水噴射量が前記選択還元触媒装置で還元できる最大ＮＯｘ量に相当する尿素水量を超えないようにする噴射量制限部とを備えたものである。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）エンジンの制御状態によらずアンモニアスリップが防止できる。

本発明の一実施形態を示すＳＣＲシステムの要部構成図である。本発明の一実施形態を示すＳＣＲシステムを詳しく示した構成図である。図１のＳＣＲシステムの入出力構成図である。（ａ）は、エンジン制御のモードとＳＣＲ制御のモードを示す概念図、（ｂ）は、冷却水温に対するＮＯｘ量の特性グラフである。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１及び図２に示されるように、本発明に係るＳＣＲシステム１００は、エンジンＥの排気管１０２に設けられたＳＣＲ装置１０３と、ＳＣＲ装置１０３の上流側で尿素水を噴射するドージングバルブ１０４と、排気ガス中のＮＯｘ量に応じてＮＯｘ還元用の尿素水量を算出する尿素水量算出部１と、エンジンＥの冷却水温度があらかじめ設定された下限値以下である低水温時、またはブースト圧があらかじめ設定された下限値以下であることで判定される低外気温時、尿素水量算出部１が算出した尿素水量に所定の係数をかけてドージングバルブ１０４からの尿素水噴射量を決定することにより、ドージングバルブ１０４からの尿素水噴射量がＳＣＲ装置１０３で還元できる最大ＮＯｘ量に相当する尿素水量を超えないようにする噴射量制限部２とを備えたものである。

さらに、本実施形態では、ＳＣＲシステム１００は、冷却水温度に応じて係数が設定された低水温係数マップ３を備える。噴射量制限部２は、低水温係数マップ３を冷却水温度で参照して係数を得るようになっている。

ＳＣＲシステム１００は、エンジン制御が排ガス対応モードのときは、ＳＣＲモードで尿素水噴射を制御し、エンジン制御が環境対応モードのときは、オルタネイティブモードで尿素水噴射を制御するようになっている。ＳＣＲモードは、尿素水量算出部１が算出した尿素水量がドージングバルブ１０４から噴射されるモードであり、オルタネイティブモードは、噴射量制限部２で制限された尿素水量がドージングバルブ１０４から噴射されるモードである。

詳しくは、図２に示すように、ＳＣＲシステム１００は、エンジンＥの排気管１０２に設けられたＳＣＲ装置１０３と、ＳＣＲ装置１０３の上流側（排気ガスの上流側）で尿素水を噴射するドージングバルブ（尿素噴射装置、ドージングモジュール）１０４と、尿素水を貯留する尿素タンク１０５と、尿素タンク１０５に貯留された尿素水をドージングバルブ１０４に供給するサプライモジュール１０６と、ドージングバルブ１０４やサプライモジュール１０６等を制御するＤＣＵ（Dosing Control Unit）１２６とを主に備える。

エンジンＥの排気管１０２には、排気ガスの上流側から下流側にかけて、ＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst；酸化触媒）１０７、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）１０８、ＳＣＲ装置１０３が順次配置される。ＤＯＣ１０７は、エンジンＥから排気される排気ガス中のＮＯを酸化してＮＯ₂とし、排気ガス中のＮＯとＮＯ₂の比率を制御してＳＣＲ装置１０３における脱硝効率を高めるためのものである。また、ＤＰＦ１０８は、排気ガス中のＰＭ（Particulate Matter）を捕集するためのものである。

ＳＣＲ装置１０３の上流側の排気管１０２には、ドージングバルブ１０４が設けられる。ドージングバルブ１０４は、高圧の尿素水が満たされたシリンダに噴口が設けられ、その噴口を塞ぐ弁体がプランジャに取り付けられた構造となっており、コイルに通電することによりプランジャを引き上げることで弁体を噴口から離間させて尿素水を噴射するようになっている。コイルへの通電を止めると、内部のバネ力によりプランジャが引き下げられて弁体が噴口を塞ぐので尿素水の噴射が停止される。

ドージングバルブ１０４の上流側の排気管１０２には、ＳＣＲ装置１０３の入口における排気ガスの温度（ＳＣＲ入口温度）を測定する排気温度センサ１０９が設けられる。また、ＳＣＲ装置１０３の上流側（ここでは排気温度センサ１０９の上流側）には、ＳＣＲ装置１０３の上流側でのＮＯｘ濃度を検出する上流側ＮＯｘセンサ１１０が設けられ、ＳＣＲ装置１０３の下流側には、ＳＣＲ装置１０３の下流側でのＮＯｘ濃度を検出する下流側ＮＯｘセンサ１１１が設けられる。

サプライモジュール１０６は、尿素水を圧送するＳＭポンプ１１２と、サプライモジュール１０６の温度（サプライモジュール１０６を流れる尿素水の温度）を測定するＳＭ温度センサ１１３と、サプライモジュール１０６内における尿素水の圧力（ＳＭポンプ１１２の吐出側の圧力）を測定する尿素水圧力センサ１１４と、尿素水の流路を切り替えることにより、尿素タンク１０５からの尿素水をドージングバルブ１０４に供給するか、あるいはドージングバルブ１０４内の尿素水を尿素タンク１０５に戻すかを切り替えるリバーティングバルブ１１５とを備えている。ここでは、リバーティングバルブ１１５がＯＮのとき、尿素タンク１０５からの尿素水をドージングバルブ１０４に供給するようにし、リバーティングバルブ１１５がＯＦＦのとき、ドージングバルブ１０４内の尿素水を尿素タンク１０５に戻すようにした。

リバーティングバルブ１１５が尿素水をドージングバルブ１０４に供給するように切り替えられている場合、サプライモジュール１０６は、そのＳＭポンプ１１２にて、尿素タンク１０５内の尿素水を送液ライン（サクションライン）１１６を通して吸い上げ、圧送ライン（プレッシャーライン）１１７を通してドージングバルブ１０４に供給するようにされ、余剰の尿素水を、回収ライン（バックライン）１１８を通して尿素タンク１０５に戻すようにされる。

尿素タンク１０５には、ＳＣＲセンサ１１９が設けられる。ＳＣＲセンサ１１９は、尿素タンク１０５内の尿素水の液面高さ（レベル）を測定するレベルセンサ１２０と、尿素タンク１０５内の尿素水の温度を測定する温度センサ１２１と、尿素タンク１０５内の尿素水の品質を測定する品質センサ１２２とを備えている。品質センサ１２２は、例えば、超音波の伝播速度や電気伝導度から、尿素水の濃度や尿素水に異種混合物が混合されているか否かを検出し、尿素タンク１０５内の尿素水の品質を検出するものである。

尿素タンク１０５とサプライモジュール１０６には、エンジンＥを冷却するための冷却水を循環する冷却ライン１２３が接続される。冷却ライン１２３は、尿素タンク１０５内を通り、冷却ライン１２３を流れる冷却水と尿素タンク１０５内の尿素水との間で熱交換するようにされる。同様に、冷却ライン１２３は、サプライモジュール１０６内を通り、冷却ライン１２３を流れる冷却水とサプライモジュール１０６内の尿素水との間で熱交換するようにされる。

冷却ライン１２３には、尿素タンク１０５とサプライモジュール１０６に冷却水を供給するか否かを切り替えるタンクヒーターバルブ（クーラントバルブ）１２４が設けられる。なお、ドージングバルブ１０４にも冷却ライン１２３が接続されるが、ドージングバルブ１０４には、タンクヒーターバルブ１２４の開閉に拘わらず、冷却水が供給されるように構成されている。なお、図２では図を簡略化しており示されていないが、冷却ライン１２３は、尿素水が通る送液ライン１１６、圧送ライン１１７、回収ライン１１８に沿って配設される。

図３に、ＤＣＵ１２６の入出力構成図を示す。

図３に示すように、ＤＣＵ１２６には、上流側ＮＯｘセンサ１１０、下流側ＮＯｘセンサ１１１、ＳＣＲセンサ１１９（レベルセンサ１２０、温度センサ１２１、品質センサ１２２）、排気温度センサ１０９、サプライモジュール１０６のＳＭ温度センサ１１３と尿素水圧力センサ１１４、およびエンジンＥを制御するＥＣＭ（Engine Control Module）１２５からの入力信号線が接続されている。ＥＣＭ１２５からＤＣＵ１２６には、モードを表す信号、エンジンパラメータの信号が入力される。エンジンパラメータには、エンジン回転数、燃料噴射時期、外気圧、外気温、冷却水温度、ブースト圧、ＥＧＲ率などが含まれる。さらに、ＤＣＵ１２６には、ＮＯｘ量（流量、濃度）、排気ガス流量、排気ガスの劣化係数などが入力される。

また、ＤＣＵ１２６には、タンクヒーターバルブ１２４、サプライモジュール１０６のＳＭポンプ１１２とリバーティングバルブ１１５、ドージングバルブ１０４、上流側ＮＯｘセンサ１１０のヒータ、下流側ＮＯｘセンサ１１１のヒータ、への出力信号線が接続される。なお、ＤＣＵ１２６と各部材との信号の入出力に関しては、個別の信号線を介した入出力、ＣＡＮ（Controller Area Network）を介した入出力のどちらであってもよい。

ＤＣＵ１２６の尿素水量算出部１は、ＥＣＭ１２５からのエンジンパラメータの信号と、排気温度センサ１０９からの排気ガス温度とを基に、排気ガス中のＮＯｘの量を推定すると共に、推定した排気ガス中のＮＯｘの量を基にドージングバルブ１０４から噴射する尿素水量を決定するようにされ、さらに、ドージングバルブ１０４にて決定した尿素水量で噴射したとき、上流側ＮＯｘセンサ１１０の検出値に基づいてドージングバルブ１０４を制御して、ドージングバルブ１０４から噴射する尿素水量を調整するようにされる。

以下、本発明のＳＣＲシステム１００の動作を説明する。

図４（ａ）に示されるように、ＥＣＭ１２５は、エンジンＥが安定して運転できるエンジン状態では、排ガス対応モードでエンジンＥを制御し、低水温時、低外気温時、低外気圧時などエンジンＥの運転が容易でない環境下では、環境対応モードでエンジンＥを制御する。

エンジン制御のモードは、ＥＣＭ１２５からＤＣＵ１２６に通知される。ＤＣＵ１２６では、エンジン制御が排ガス対応モードのときは、ＳＣＲモードで尿素水噴射を制御し、エンジン制御が環境対応モードのときは、オルタネイティブモードで尿素水噴射を制御する。

ＤＣＵ１２６のモードがＳＣＲモードであるとき、尿素水量算出部１は、排気ガス中のＮＯｘ量に応じてＮＯｘ還元用の尿素水量を算出し、この算出された尿素水量がドージングバルブ１０４からの尿素水噴射量となる。

ＤＣＵ１２６のモードがオルタネイティブモードであるとき、噴射量制限部２は、ＥＣＭ１２５から入力された冷却水温度が下限値以下であることから、低水温時であることを認識し、ドージングバルブ１０４からの尿素水噴射量がＳＣＲ装置１０３で還元できる最大ＮＯｘ量に相当する尿素水量を超えないようにする制御を行う。具体的には、噴射量制限部２は、尿素水量算出部１が算出した尿素水量に所定の係数をかけてドージングバルブ１０４からの尿素水噴射量を決定する。係数としては、例えば、１より小さい値を用いるとよい。

具体例で説明すると、エンジンＥの暖気が不十分な低水温時（冷却水温度が下限値以下のとき）、エンジンＥは環境対応モードで制御され、ＥＧＲ率をゼロまたは大幅に削減するＥＧＲ弁の開度制限が行われる。ＥＧＲ弁の開度制限が行われると、エンジンＥの吸気は酸素が豊富になるため、排気ガス中のＮＯｘ量が増加する。このとき、尿素水量算出部１は、排気ガス中のＮＯｘ量に応じたＮＯｘ還元用の尿素水量を算出する。図４（ｂ）に示されるように、冷却水温度が低いほどＮＯｘ量が多いという傾向があるため、算出された尿素水量も、冷却水温度が低いほど多い。

しかし、ＳＣＲ装置１０３で還元できる最大ＮＯｘ量に相当する尿素水量を超えるような量の尿素水を噴射すると、ＳＣＲ装置１０３の中でアンモニアが過剰となり、還元されないＮＯｘ量に相当する量のアンモニアスリップが発生してしまう。

そこで、本発明では、噴射量制限部２は、尿素水量算出部１が算出した尿素水量に所定の係数をかける。このとき、低水温係数マップ３には、冷却水温度ごとに、還元できる最大ＮＯｘ量に相当する尿素水量を超えないよう、冷却水温度が低いほど小さい係数が設定されている。したがって、低水温係数マップ３を冷却水温度で参照して得られた係数を尿素水量算出部１が算出した尿素水量にかけると、尿素水噴射量はＳＣＲ装置１０３で還元できる最大ＮＯｘ量に相当する尿素水量を超えることがない。

このように、ドージングバルブ１０４から噴射される尿素水噴射量がＳＣＲ装置１０３で還元できる最大ＮＯｘ量に相当する尿素水量を超えないので、アンモニアスリップが防止される。

別の具体例で説明すると、外気の温度が低い低外気温時（ブースト圧が下限値以下のとき）、エンジンＥは環境対応モードで制御され、ＥＧＲ弁の開度制限が行われて排気ガス中のＮＯｘ量が増加する。外気温またはブースト圧とＮＯｘ量の関係は図示しないが、低外気温時のＮＯｘ量に応じて算出された尿素水量は、ＳＣＲ装置１０３で還元できる最大ＮＯｘ量に相当する尿素水量を超える。

このとき、噴射量制限部２は、尿素水量算出部１が算出した尿素水量に、所定の係数をかける。この場合も、係数は、尿素水噴射量がＳＣＲ装置１０３で還元できる最大ＮＯｘ量に相当する尿素水量を超えないように設定されているので、この係数を尿素水量算出部１が算出した尿素水量にかけると、尿素水噴射量はＳＣＲ装置１０３で還元できる最大ＮＯｘ量に相当する尿素水量を超えることがない。

以上説明したように。本発明のＳＣＲシステム１００によれば、エンジンＥの冷却水温度があらかじめ設定された下限値以下である低水温時、またはブースト圧があらかじめ設定された下限値以下であることで判定される低外気温時には、排気ガス中のＮＯｘ量に応じて算出した尿素水量に所定の係数をかけてドージングバルブ１０４からの尿素水噴射量を決定し、ドージングバルブ１０４からの尿素水噴射量がＳＣＲ装置１０３で還元できる最大ＮＯｘ量に相当する尿素水量を超えないようにするので、アンモニアスリップが防止される。

なお、本発明において、低外気温は、ブースト圧によって判定している。すなわち、外気温を直接、検出するのではなく、ブースト圧を外気温に換算して、あるいはブースト圧からマップで外気温を引き当て、低外気温かどうかを判定している。これは米国の法規において、低外気温をブースト圧によって判定することが義務づけられているからである。

１尿素水量算出部
２噴射量制限部
３低水温係数マップ
１００ＳＣＲシステム
１０２排気管
１０３ＳＣＲ装置
１０４ドージングバルブ
１２５ＥＣＭ
１２６ＤＣＵ

Claims

エンジンの排気管に設けられた選択還元触媒装置と、
前記選択還元触媒装置の上流側で尿素水を噴射するドージングバルブと、
前記選択還元触媒装置入口の排気ガス温度と前記エンジンの運転状況を示すエンジンパラメータとに基づいて算出される排気ガス中のＮＯｘ量に応じてＮＯｘ還元用の尿素水量を算出する尿素水量算出部と、
エンジンの冷却水温度があらかじめ設定された下限値以下である低水温時、前記尿素水量算出部が算出した尿素水量に前記冷却水温度が低いほど小さい係数をかけて前記ドージングバルブからの尿素水噴射量を決定することにより、前記ドージングバルブからの尿素水噴射量が前記選択還元触媒装置で還元できる最大ＮＯｘ量に相当する尿素水量を超えないようにする噴射量制限部とを備えたことを特徴とするＳＣＲシステム。
前記噴射量制限部は、冷却水温度に応じて係数が設定された低水温係数マップを冷却水温度で参照して係数を得ることを特徴とする請求項１記載のＳＣＲシステム。
エンジンの排気管に設けられた選択還元触媒装置と、
前記選択還元触媒装置の上流側で尿素水を噴射するドージングバルブと、
前記選択還元触媒装置入口の排気ガス温度と前記エンジンの運転状況を示すエンジンパラメータとに基づいて算出される排気ガス中のＮＯｘ量に応じてＮＯｘ還元用の尿素水量を算出する尿素水量算出部と、
ブースト圧があらかじめ設定された下限値以下であることで判定される低外気温時、前記尿素水量算出部が算出した尿素水量に前記ブースト圧に応じて設定される所定の係数をかけて前記ドージングバルブからの尿素水噴射量を決定することにより、前記ドージングバルブからの尿素水噴射量が前記選択還元触媒装置で還元できる最大ＮＯｘ量に相当する尿素水量を超えないようにする噴射量制限部とを備えたことを特徴とするＳＣＲシステム。