JP6067494B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
以下、内燃機関の排気浄化装置を具体化した第1実施形態について、図1〜図7を参照して説明する。
エンジン1には複数の気筒#1〜#4が設けられている。シリンダヘッド2には複数の燃料噴射弁4a〜4dが取り付けられている。これら燃料噴射弁4a〜4dは、各気筒#1〜#4の燃焼室にそれぞれ燃料を噴射する。また、シリンダヘッド2には新気を気筒内に導入するための吸気ポートと、燃焼ガスを気筒外へ排出するための排気ポート6a〜6dとが各気筒#1〜#4に対応して設けられている。
排気通路28の途中には、排気圧を利用して気筒に導入される吸入空気を過給するターボチャージャ11が設けられている。ターボチャージャ11の吸気側コンプレッサと吸気絞り弁16との間の吸気通路3にはインタークーラ18が設けられている。このインタークーラ18によって、ターボチャージャ11の過給により温度上昇した吸入空気の冷却が図られる。
これら各種センサ等の出力は制御装置80に入力される。この制御装置80は、中央処理制御装置(CPU)、各種プログラムやマップ等を予め記憶した読出専用メモリ(ROM)、CPUの演算結果等を一時記憶するランダムアクセスメモリ(RAM)、タイマカウンタ、入力インターフェース、出力インターフェース等を備えたマイクロコンピュータを中心に構成されている。
まず、ステップS160では、排気の目標昇温速度RTpが設定される。この目標昇温速度RTpは、フィルタ再生時における排気の昇温速度の目標値であり、フィルタ再生時におけるアンモニア濃度が所定値以下となるように排気の昇温速度を抑えるための目標値である。なお、この目標昇温速度RTpは、上述した通常のフィルタ再生時における昇温速度、つまり尿素デポジットが堆積しにくい状態のときに実行されるフィルタ再生時での排気の昇温速度よりも遅い速度に設定される。
一方、排気管壁温TWに対して排気温度TGが判定値D以上に高くなっているときには、上記ステップS150にて、温度差ΔTHが判定値D未満ではないと判定される(S150:NO)。なお、排気管壁温TWに対して排気温度TGが判定値D以下に低くなっているときも、ステップS150では否定判定されるのであるが、このような排気温度TGの低温時には、上記ステップS100にて否定判定される。そのため、ステップS150で否定判定されるときには、排気管壁温TWに対して排気温度TGが判定値D以上に高くなっている。そして、このように排気温度TGが高温状態になっている状態では、機関運転状態が中負荷以上の状態になっており、SCR触媒41は比較的安定した活性化状態になっていると判断される。
次に、本実施形態の作用を説明する。
(1)排気管壁温TWが判定値Cよりも低く排気通路28の壁面に尿素デポジットが堆積しやすい期間中には、排気管壁温TWが判定値C以上に高く尿素デポジットが堆積しにくい期間中と比べて、昇温処理実行時における排気の昇温を遅くする昇温抑制処理を行うようにしている。そのため、SCR触媒41及び尿素デポジットの双方からほぼ同時期にアンモニアが発生することは抑えられるようになる。従って、排気の昇温処理実行時において、排気中のアンモニア濃度が過度に増大することを抑えることができる。
・先の図2に示したステップS190の処理を省略し、ステップS150に否定判定されるときには、ステップS200以降の処理を行うようにしてもよい。
(第2実施形態)
次に、内燃機関の排気浄化装置を具体化した第2実施形態について、図9〜図15を参照して説明する。
壁面付着量HF=壁面付着係数K1×尿素添加量NT …(1)
次に、上述した排気管壁温TWに基づいて尿素デポジットの分解係数K2が算出される(S350)。分解係数K2は、排気通路28に付着した尿素デポジットのうちで熱分解される割合を示す値であり、「0≦K2≦1」の範囲で可変設定される。
熱分解量NB=分解係数K2×壁面付着量HF×尿素含有率NR …(2)
次に、次式(3)に基づいて尿素デポジットの増加量を示すデポジット増加量ΔDEが算出される(S370)。
デポジット増加量ΔDE=(壁面付着量HF×尿素含有率NR)−熱分解量NB…(3)
こうしてデポジット増加量ΔDEが算出されると、尿素デポジット堆積量DEが算出される(S380)。このステップS380では、前回の本処理実行周期で算出された尿素デポジット堆積量DEに対して、今回の本処理実行周期で算出された上記デポジット増加量ΔDEが加算されることにより、尿素デポジット堆積量DEが更新される。
図13に、尿素デポジット堆積量を能動的にコントロールするために設定される尿素デポジットの目標堆積量について、その目標堆積量を算出するための処理手順を示す。
次に、上述した尿素デポジット残量DERに対して、今回の本処理実行周期で算出された加算値DEAを加算した値が、目標堆積量DEpとして設定されて(S520)、本処理は、一旦終了される。
本処理が開始されると、まず、尿素添加中であるか否かが判定される(S600)。そして尿素添加中でないときには(S600:NO)、本処理は、一旦終了される。
次に、尿素デポジット堆積量DEが目標堆積量DEpを超えているか否かが判定される(S620)。そして、尿素デポジット堆積量DEが目標堆積量DEp以下であるときには(S620:NO)、本処理は一旦終了される。
超過堆積量ΔDEU=(壁面付着量HF×尿素含有率NR)−現在の熱分解量NB …(4)
そして、算出された壁面付着量HFを満たす尿素添加量NT及び壁面付着係数K1が上記式(1)から算出され、その算出された尿素添加量NTが、尿素添加補正量NTHとして設定される。また、算出された壁面付着係数K1に対応する吸入空気量GAが、吸入空気補正量GAHとして設定される。
次に、本実施形態の作用を説明する。
上述した尿素デポジットの堆積量が過剰に多くなると、排気の昇温処理を行っても、そうした尿素デポジットを十分に除去することが困難になる。ここで、上記式(1)に示したように、尿素添加量NTが多くなるに伴って、排気通路28の壁面に付着する尿素水の量は増大する。また、先の図11に示したように、吸入空気量GAが増大すると、吸気の流勢が強くなるため、排気通路28の壁面に付着する尿素水の量は減少する。従って、排気通路28における尿素デポジット堆積量DEは、吸入空気量GAや尿素添加量NTを調整することによりコントロールすることができる。そこで、尿素デポジット堆積量DEについてその目標値である目標堆積量DEpを設定するようにしている。そして、先の図15に示したステップS630〜ステップS650の処理を行うことにより、尿素デポジット堆積量DEが、設定された目標堆積量DEpとなるように、吸入空気量GA及び尿素添加量NTが補正される。従って、目標堆積量DEpを適切に設定することにより、排気の昇温処理だけで尿素デポジットを十分に除去することができるようになる。
(9)排気通路28における尿素デポジットの堆積量について目標堆積量DEpを設定し、尿素デポジット堆積量DEが目標堆積量DEpとなるように吸入空気量GA及び尿素添加量NTを調整するようにしている。従って、排気の昇温処理だけで尿素デポジットを十分に除去することができるようになる。
・尿素添加補正量NTH及び吸入空気補正量GAHの一方のみを算出し、その算出された補正量を使って尿素デポジット堆積量をコントロールするようにしてもよい。
(第3実施形態)
次に、内燃機関の排気浄化装置を具体化した第3実施形態について、図16〜図18を参照して説明する。
次に、本実施形態の作用を説明する。
(11)排気通路28内には、尿素添加弁230から添加された尿素水が付着する付着板300を設けるようにしている。そして、その付着板300は、排気通路28の内壁から離間させている。従って、尿素デポジット堆積量の増大を抑えることができるようになり、排気の昇温処理の実行時において、尿素デポジットから発生するアンモニア量を少なくすることができる。
・図19に示すように、付着板300の壁面に孔320を設けるようにしてもよい。この場合には、孔320に排気が流れ込むようになるため、排気から付着板300への熱移動が促進され、これにより付着板300の温度をより一層排気温度に近づけることができるようになる。ちなみに、そうした孔320は、排気上流から排気下流に向けて排気が流れ込むように、付着板300の壁面に対して斜め方向に形成することが好ましい。また、そうした孔320の数は、付着板300における尿素水の付着面積を十分に確保できる範囲内で、できる限り多く形成することにより、排気から付着板300への熱移動をより一層促進させることができる。
(第4実施形態)
次に、内燃機関の排気浄化装置を具体化した第4実施形態について、図23〜図30を参照して説明する。
L・tan|θ3|<R …(5)
図28に示すように、第2フィン部72bから第3フィン部72cの排気下流側端部SPまでの間においては、フィン72が湾曲されている。そして、その湾曲における曲率半径Rは、フィン72に付着した尿素水に対してコアンダ効果(粘性流体の噴流が近くの壁に引き寄せられる効果)が得られる程度に大きい曲率半径とされている。従って、尿素水がフィン72に付着・衝突したときには、フィン72の表面上に尿素水の液膜が形成されるのであるが、そうした液膜は、排気の流勢によってフィン72の表面を排気下流に向かって移動する。この液膜の移動に際して、上記コアンダ効果により、その液膜はフィン72の表面から剥離することなく、第3フィン部72cの排気下流側端部SPにまで達するようになる。従って、フィン72の表面からの尿素水の液膜剥離が抑えられるようになる。
フィン72に付着した尿素水は、排気の流勢によってフィン72の表面を移動し、フィン72の排気下流側端部SPから排気通路28内の空間に放出される。ここで、フィン72の排気下流側端部SPにおける接線が、SCR触媒41の前端面に向いているため、フィン72の排気下流側端部SPから放出された尿素水は、排気通路28の壁面ではなく、SCR触媒41の前端面に向かうようになる。従って、排気通路28の壁面における尿素水の付着量を抑えることができ、これにより排気通路28の壁面における尿素デポジットの堆積量増大が抑えられる。そしてこのように尿素デポジットの堆積量増大を抑えることができるため、排気の昇温処理の実行時において、尿素デポジットから発生するアンモニア量を少なくすることができるようになる。
図29に示すように、「第2角度θ2−第1角度θ1」の値を徐々に大きくしていくと、「第2角度θ2−第1角度θ1」の値が「35°」を超えたあたりからNOx浄化率が向上するようになり、さらに「40°」を超えたあたりからNOx浄化率が急激に向上することを、本発明者は実験により確認している。そして、「第2角度θ2−第1角度θ1」の値が「40°」を超えると、尿素水がフィン72に衝突したとき、フィン72の表面上に形成される尿素水の液膜は、尿素水がフィン72に衝突したときの衝突力によって十分に薄い状態になることも、本発明者は、確認している。このようにして尿素水の液膜が十分に薄い状態になると、液膜が厚い場合と比較して、フィン72から放出された尿素水の微粒化が進みやすくなるため、例えばNOxの浄化率が向上するようになる。
図30に示すように、「第2角度θ2≦第3角度θ3」とした場合には、尿素水の噴射方向D1に対してフィン72の表面が凹んだ形状になるため、フィン72に付着した尿素水の一部が、フィン72の表面上で滞留しやくなる。一方、本実施形態では、上述したように、「第2角度θ2>第3角度θ3」となるようにフィン72は形成されており、先の図26等に示したように、フィン72の表面には、尿素水の噴射方向D1に対して凹んだ部位が生じにくい。従って、「第2角度θ2≦第3角度θ3」とした場合に比較して、フィン72に付着した尿素水は、排気の流勢によってフィン72の表面を移動しやすくなる。その結果、フィン72の表面上に形成される尿素水の液膜が厚くなることを抑えることができ、フィン72から放出された尿素水の微粒化が促進される。
(12)分散板70に設けられたフィン72の排気下流側端部SPにおける接線が、SCR触媒41の前端面に向くようにフィン72を形成している。従って、排気通路28の壁面における尿素デポジットの堆積量増大を抑えることができ、これにより排気の昇温処理の実行時において、尿素デポジットから発生するアンモニア量を少なくすることができるようになる。
・先の図27等に示したように、上記実施形態では、第3フィン部72cが、排気流れ方向EXに対して反時計回りの方向に曲げられていた。つまり「第3角度θ3≧0」となっていた。この他、第3フィン部72cが、排気流れ方向EXに対して時計回りの方向に曲げる場合、つまり「第3角度θ3<0」とする場合においても、第3フィン部72cの排気下流側端部SPにおける接線について、その接線の延伸方向D3がSCR触媒41の前端面に向くように第3フィン部72cを曲げてもよい。この変形例の一例を図31に示す。
L・tan|θ3|<H …(6)
そして、こうした変形例においても、上記実施形態と同様な作用効果を得ることができる。
Claims (16)
- 尿素水由来のアンモニアを利用してNOxを還元する選択還元型の触媒と、前記尿素水を添加する尿素添加弁とを排気通路に備えるとともに、前記触媒の排気上流に機関燃料を供給することにより排気温度を所定温度にまで高める昇温処理を実行する内燃機関の排気浄化装置であって、
排気温度を所定温度にまで高める前記昇温処理を実行するに際し、排気通路の壁面が所定温度よりも低く排気通路の壁面に前記尿素水のデポジットが堆積しやすい期間中には、排気通路の壁面が所定温度以上に高く排気通路の壁面に前記デポジットが堆積しにくい期間中と比べて、前記昇温処理の実行時における排気の昇温を遅くする昇温抑制処理を行う
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 前記昇温抑制処理の実行時には、吸入空気量が少ないときほど排気の昇温はより遅くされる
請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 前記昇温抑制処理の実行時には、前記昇温処理の実行時に設定される目標排気温度と実際の排気温度との差が大きいときほど排気の昇温はより遅くされる
請求項1または2に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 前記昇温抑制処理の実行時には、前記触媒におけるアンモニア吸着量が多いときほど排気の昇温はより遅くされる
請求項1〜3のいずれか1項に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 前記昇温抑制処理の実行時には、前記壁面における前記デポジットの堆積量が多いときほど排気の昇温はより遅くされる
請求項1〜4のいずれか1項に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 前記昇温抑制処理は、前記デポジットが堆積しやすい期間中での排気の昇温速度が、前記デポジットが堆積しにくい期間中での排気の昇温速度よりも遅くなるように前記機関燃料の供給量を減少させる処理である
請求項1〜5のいずれか1項に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 前記昇温抑制処理は、前記所定温度よりも低い温度に排気温度を所定期間維持した後、排気温度を前記所定温度にまで高める処理である
請求項1〜5のいずれか1項に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 排気通路に前記デポジットが堆積しやすい期間中であっても、前記触媒が活性化しやすい状態のときには、前記昇温抑制処理の実行を禁止し、機関燃焼室からのNOx排出量を増大させた後に前記昇温処理を実行する
請求項1〜7のいずれか1項に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 排気通路の壁温に対して排気温度が所定値以上に高いときには、前記触媒が活性化しやすい状態であると判定する
請求項8に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 排気通路における前記デポジットの堆積量についてその目標値を設定し、前記デポジットの堆積量が前記目標値となるように吸入空気量及び前記尿素水の添加量のうちの少なくとも一方を調整する
請求項1〜9のいずれか1項に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 排気中の微粒子を捕集するフィルタを排気通路に備えており、前記昇温処理は、前記フィルタに捕集された微粒子の堆積量が所定量に達したときに実行される処理であり、前記フィルタにおける微粒子の堆積量が多いときほど前記目標値は大きくされる
請求項10に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 排気通路内には、前記尿素添加弁から添加された尿素水が付着する付着板が設けられており、同付着板は、排気通路の内壁から離間されている
請求項1〜11のいずれか1項に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 前記付着板には孔が設けられている
請求項12に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 前記尿素添加弁と前記触媒との間の排気通路内には、排気通路の下流に向けて傾斜するフィンを有した分散板が設けられており、
前記フィンの排気下流側端部における接線が前記触媒の前端面に向かうように前記フィンは形成されている
請求項1〜13のいずれか1項に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 排気通路内での排気の流れ方向と前記尿素添加弁から噴射される前記尿素水の噴射方向とがなす角を第1角度とし、
排気通路内での排気の流れ方向と前記フィンにおいて前記尿素水が衝突する面とがなす角を第2角度としたときに、
「第2角度−第1角度>40°」の関係を満たすように前記第1角度及び前記第2角度が設定されている
請求項14に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 排気通路内での排気の流れ方向と前記フィンにおいて前記尿素水が衝突する面とがなす角を第2角度とし、
排気通路内での排気の流れ方向と前記フィンの排気下流側端部における前記接線の延伸方向とがなす角を第3角度としたときに、
「第2角度>第3角度」の関係を満たすように前記第2角度及び前記第3角度が設定されている
請求項14または15に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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