JP6499921B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気浄化装置に関する。

従来の排気浄化装置としては、例えば特許文献１に記載されている装置が知られている。特許文献１に記載の排気浄化装置は、排気ガスが流通する排気管の途中に装備されたＮＯｘ還元触媒と、尿素水タンク内の尿素水をＮＯｘ還元触媒の上流側に添加する添加弁と、制御装置とを備えている。制御装置は、ＮＯｘ発生量の推定値に見合う尿素水の添加量を算出し、ＮＯｘ低減量の推定値に見合うアンモニア（ＮＨ_３）の消費量を算出し、尿素水の添加量の積算値からＮＨ_３の消費量の積算値を減算してＮＯｘ還元触媒に対するＮＨ_３の吸着量を推定し、そのＮＨ_３の吸着量に見合う補正係数で尿素水の添加量を補正し、その補正した尿素水の添加量を添加弁への添加指示値とする。

特開２００５−２２６５０４号公報

しかしながら、上記従来技術においては、例えばコールドスタート時にもＮＯｘ還元触媒によるＮＯｘ浄化率を高くするために、ＮＯｘ還元触媒に対するＮＨ_３吸着量を十分に確保する必要がある。このため、尿素水の消費量が多くなる。この場合には、例えばユーザが定期的に尿素水を補充する必要性が生じ、ランニングコストが増加するといった問題が発生する。

本発明の目的は、尿素水の消費量を低減することができる排気浄化装置を提供することである。

本発明の一態様は、車両のエンジンから排出される排気ガスを浄化する排気浄化装置において、排気ガスに含まれるＮＯｘを還元して浄化する選択還元触媒と、選択還元触媒に尿素水を添加する添加弁と、車両の運転状態に基づいて目標尿素水消費量を決定する目標決定部と、添加弁からの尿素水の添加量と目標尿素水消費量とを比較して、尿素水の消費を管理するための尿素水消費管理積算量を算出する積算量算出部と、尿素水消費管理積算量が予め決められた閾値以上になったときに、添加弁からの尿素水の添加量を減少させるように添加弁を制御する制御部とを備えることを特徴とする。

このような排気浄化装置においては、車両の運転状態に基づいて目標尿素水消費量を決定し、添加弁からの尿素水の添加量と目標尿素水消費量とを比較して尿素水消費管理積算量を算出し、尿素水消費管理積算量が閾値以上になったときに、添加弁からの尿素水の添加量を減少させる。これにより、過剰な尿素水の添加を抑制し、尿素水の消費量を低減することができる。

積算量算出部は、添加弁からの尿素水の添加量が目標尿素水消費量よりも多いときは、尿素水の添加量と目標尿素水消費量との差に対応する分を尿素水消費管理積算量に加算することで新たな尿素水消費管理積算量を算出し、添加弁からの尿素水の添加量が目標尿素水消費量よりも少ないときは、尿素水の添加量と目標尿素水消費量との差に対応する分を尿素水消費管理積算量から減算することで新たな尿素水消費管理積算量を算出してもよい。添加弁から選択還元触媒に尿素水が添加されると、選択還元触媒にアンモニアが吸着されるが、添加弁からの尿素水の添加量が減少すると、選択還元触媒に吸着されるアンモニア量が少なくなる。添加弁からの尿素水の添加量が目標尿素水消費量よりも少ないときは、尿素水の添加量と目標尿素水消費量との差に対応する分を尿素水消費管理積算量から減算することにより、尿素水消費管理積算量が閾値に達するまでの期間が長くなる。従って、選択還元触媒に対して所望のアンモニア吸着量が維持される期間を長くすることができる。

目標決定部は、車両の運転状態として車両の車速に基づいて目標尿素水消費量を決定してもよい。この場合には、車両が単位時間走行するときの目標尿素水消費量を高精度に求めることができる。

目標決定部は、車両の運転状態としてエンジンの状態量に基づいて目標尿素水消費量を決定してもよい。この場合には、特に車速情報が無くても、目標尿素水消費量を得ることができる。

本発明によれば、尿素水の消費量を低減することができる排気浄化装置が提供される。

第１実施形態に係る排気浄化装置を示す概略構成図である。 図１に示されたＥＣＵにより実行される尿素水添加制御処理の手順を示すフローチャートである。 図２に示された手順Ｓ１０３の詳細を示すフローチャートである。 図２に示されたフローチャートにより実行される尿素水添加制御処理のタイミングチャートを示すチャート図である。 第２実施形態に係る排気浄化装置を示す概略構成図である。 図５に示されたＥＣＵにより実行される尿素水添加制御処理において使用される目標尿素水消費量マップを示す表である。 図５に示されたＥＣＵにより実行される尿素水添加制御処理の手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面において、同一または同等の要素には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、第１実施形態に係る排気浄化装置を示す概略構成図である。図１において、本実施形態の排気浄化装置１は、車両２に搭載され、車両２のディーゼルエンジン３（以下、単にエンジン３という）から排出される排気ガスを浄化する。エンジン３は、燃焼室（図示せず）に燃料を噴射するインジェクタ４を有している。

排気浄化装置１は、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ：DieselOxidation Catalyst）５、ディーゼル排気微粒子除去フィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter）６、選択還元触媒（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）７及びアンモニアスリップ触媒（ＡＳＣ：Ammonia Slip Catalyst）８を備えている。ＤＯＣ５、ＤＰＦ６、ＳＣＲ７及びＡＳＣ８は、エンジン３に接続された排気通路９に上流側から下流側に向けて順に配設されている。

ＤＯＣ５は、排気ガスに含まれるＨＣ及びＣＯ等を酸化して浄化する。ＤＰＦ６は、排気ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）を捕集することで、排気ガスからＰＭを取り除く。ＳＣＲ７は、排気ガスに含まれるＮＯｘを還元して浄化する。ＡＳＣ８は、ＳＣＲ７を通過したアンモニア（ＮＨ_３）を酸化する。

また、排気浄化装置１は、排気通路９におけるＳＣＲ７の上流側、具体的にはＤＰＦ６とＳＣＲ７との間に配設された添加弁１０及びＮＯｘセンサ１１を備えている。添加弁１０は、供給管１０ａを介して尿素水タンク１２と接続され、ＳＣＲ７に尿素水Ａを添加する。尿素水タンク１２内の尿素水Ａは、ポンプ（図示せず）によって供給管１０ａを通って添加弁１０に供給される。ＮＯｘセンサ１１は、ＮＯｘ濃度を検出することにより、排気ガス中に含まれるＮＯｘ量を算出する。

添加弁１０により尿素水ＡがＳＣＲ７に添加されると、尿素水ＡがＮＨ_３となってＳＣＲ７に吸着され、そのＮＨ_３が排気ガス中のＮＯｘと反応することで、ＮＯｘが還元される。

さらに、排気浄化装置１は、車両２の車速を検出する車速センサ１３と、ＮＯｘセンサ１１及び車速センサ１３と接続されたＥＣＵ（Electronic Control Unit）１４とを備えている。ＥＣＵ１４は、ＮＯｘセンサ１１及び車速センサ１３の検出値に基づいて所定の処理を行い、その処理結果に応じて添加弁１０から尿素水Ａを添加させるように添加弁１０を制御する。ＥＣＵ１４は、目標決定部１５と、積算量算出部１６と、制御部１７とを有している。

目標決定部１５は、車両２の運転状態として車両２の車速に基づいて目標尿素水消費量を決定する。積算量算出部１６は、添加弁１０からの尿素水Ａの添加量と目標決定部１５により決定された目標尿素水消費量とを比較して、尿素水Ａの消費を管理するための尿素水消費管理積算量を算出する。制御部１７は、積算量算出部１６により算出された尿素水消費管理積算量が予め決められた閾値以上になったときに、添加弁１０からの尿素水Ａの添加量を減少させるように添加弁１０を制御する。

図２は、ＥＣＵ１４により実行される尿素水添加制御処理の手順を示すフローチャートである。なお、本処理の開始時は、尿素水消費管理フラグはＯＦＦとなっており、尿素水消費管理積算量はゼロとなっている。

図２において、ＥＣＵ１４は、まず車速センサ１３の検出値を入力する（手順Ｓ１０１）。続いて、ＥＣＵ１４は、車速センサ１３により検出された車速に基づいて目標尿素水消費量を算出する（手順Ｓ１０２）。具体的には、尿素水Ａの単位体積（１Ｌ）当たりの車両２の走行可能距離をＣ（例えば１０００）ｋｍ／Ｌとすると、尿素水Ａの比重は１０９０ｇ／Ｌであるため、車両２が１時間走行するときの目標尿素水消費量は下記式で表される。
目標尿素水消費量（ｇ）＝車速／（Ｃ／１０９０）

続いて、ＥＣＵ１４は、添加弁１０からの尿素水Ａの添加量（以下、単に尿素水添加量という）と手順Ｓ１０２で算出された目標尿素水消費量とを比較して、尿素水消費管理積算量を算出する（手順Ｓ１０３）。

尿素水添加量は、ＥＣＵ１４から添加弁１０に送られる添加量指令値から得られる。添加弁１０は、添加量指令値に応じた量の尿素水Ａを添加する。通常の添加量指令値は、排気ガスに含まれるＮＯｘの浄化に必要な分に相当する添加量設定値と、コールドスタート時におけるＳＣＲ７に対するＮＨ_３吸着量の維持に必要な分に相当する添加量設定値との加算値である。ＮＯｘの浄化に必要な分に相当する添加量設定値は、ＮＯｘセンサ１１により検出されたＮＯｘ量に基づいて算出される。なお、ＮＯｘ量は、エンジン３の回転数及びエンジン３の負荷等から推定してもよい。ＳＣＲ７に対するＮＨ_３吸着量の維持に必要な分に相当する添加量設定値は、予め決められている。

尿素水消費管理積算量は、下記式で表される。
尿素水消費管理積算量＝α×（尿素水添加量−目標尿素水消費量）＋前回値 ……（Ａ）

なお、係数αは、ＳＣＲ７の床温を引数とするマップ値でもよい。また、係数αは、尿素水添加量が目標尿素水消費量よりも大きいときと、尿素水添加量が目標尿素水消費量よりも小さいときとで、別マップを用いて設定してもよい。

尿素水消費管理積算量を算出する手順（手順Ｓ１０３）の詳細を図３に示す。図３において、ＥＣＵ１４は、まず尿素水添加量が目標尿素水消費量よりも多いかどうかを判断する（手順Ｓ２０１）。

ＥＣＵ１４は、尿素水添加量が目標尿素水消費量よりも多いときは、図４（ａ），（ｂ）に示されるように、上記（Ａ）式に従い、尿素水添加量と目標尿素水消費量との差に対応する分を前回得られた現在の尿素水消費管理積算量に加算することで、新たな尿素水消費管理積算量を算出する（手順Ｓ２０２）。

ＥＣＵ１４は、尿素水添加量が目標尿素水消費量よりも多くないときは、尿素水添加量が目標尿素水消費量よりも少ないかどうかを判断する（手順Ｓ２０３）。ＥＣＵ１４は、尿素水添加量が目標尿素水消費量よりも少ないときは、図４（ａ），（ｂ）に示されるように、上記（Ａ）式に従い、尿素水添加量と目標尿素水消費量との差に対応する分を前回得られた現在の尿素水消費管理積算量から減算することで、新たな尿素水消費管理積算量を算出する（手順Ｓ２０４）。

ＥＣＵ１４は、尿素水添加量が目標尿素水消費量よりも少なくない、つまり尿素水添加量が目標尿素水消費量と等しいときは、前回得られた現在の尿素水消費管理積算量をそのまま新たな尿素水消費管理積算量に設定する（手順Ｓ２０５）。

図２に戻り、手順Ｓ１０３が実行された後、ＥＣＵ１４は、尿素水消費管理積算量が予め決められたフラグＯＮ閾値以上であるかどうかを判断する（手順Ｓ１０４）。ＥＣＵ１４は、尿素水消費管理積算量がフラグＯＮ閾値以上であるときは、図４（ｂ），（ｃ）に示されるように、尿素水消費管理フラグをＯＮにする（手順Ｓ１０５）。

ＥＣＵ１４は、尿素水消費管理積算量がフラグＯＮ閾値以上でないときは、尿素水消費管理積算量が予め決められたフラグＯＦＦ閾値以下であるかどうかを判断する（手順Ｓ１０６）。フラグＯＦＦ閾値は、ゼロよりも大きく、且つフラグＯＮ閾値よりも小さい。ＥＣＵ１４は、尿素水消費管理積算量がフラグＯＦＦ閾値以下であるときは、尿素水消費管理フラグをＯＦＦにする（手順Ｓ１０７）。

ＥＣＵ１４は、尿素水消費管理積算量がフラグＯＦＦ閾値以下でない、つまり尿素水消費管理積算量がフラグＯＦＦ閾値よりも大きく且つフラグＯＮ閾値よりも小さいときは、尿素水消費管理フラグをそのままの状態に維持する（手順Ｓ１０８）。

ＥＣＵ１４は、手順Ｓ１０５，１０７，Ｓ１０８の何れかを実行した後、尿素水消費管理フラグがＯＮであるかどうかを判断する（手順Ｓ１０９）。

ＥＣＵ１４は、尿素水消費管理フラグがＯＮであるときは、図４（ｃ），（ｄ）に示されるように、尿素水添加制御モードを尿素水添加量減少モードとし、尿素水添加量を減少させるような添加量指令値を添加弁１０に送出し（手順Ｓ１１０）、手順Ｓ１０１に戻る。

このとき、ＥＣＵ１４は、ＮＯｘの浄化に必要な分に相当する添加量設定値を添加量指令値として添加弁１０に送出する。つまり、ＳＣＲ７に対するＮＨ_３吸着量の維持に必要な分に相当する添加量設定値は、添加量指令値には含まれない。ＥＣＵ１４は、例えば手順Ｓ１０２で得られた目標尿素水消費量を添加量指令値として設定する。

ＥＣＵ１４は、尿素水消費管理フラグがＯＮではなくＯＦＦであるときは、図４（ｃ），（ｄ）に示されるように、尿素水添加制御モードをＮＨ_３吸着量維持モードとし、ＳＣＲ７に対するＮＨ_３吸着量を維持するような添加量指令値を添加弁１０に送出し（手順Ｓ１１１）、手順Ｓ１０１に戻る。つまり、ＥＣＵ１４は、上述したように、ＮＯｘの浄化に必要な分に相当する添加量設定値と、ＳＣＲ７に対するＮＨ_３吸着量の維持に必要な分に相当する添加量設定値との加算値を、添加量指令値として添加弁１０に送出する。

以上において、目標決定部１５は、手順Ｓ１０１，Ｓ１０２を実行する。積算量算出部１６は、手順Ｓ１０３を実行する。制御部１７は、手順Ｓ１０４〜Ｓ１１１を実行する。

以上のように本実施形態においては、車両２の運転状態に基づいて目標尿素水消費量を決定し、尿素水添加量と目標尿素水消費量とを比較して尿素水消費管理積算量を算出し、尿素水消費管理積算量がフラグＯＮ閾値以上になったときに、尿素水添加量を減少させるように添加弁１０を制御する。これにより、過剰な尿素水Ａの添加を抑制し、尿素水Ａの消費量を低減することができる。その結果、尿素水Ａを補充するインターバルが長くなるため、ランニングコストを削減することが可能となる。

また、本実施形態では、尿素水添加量が目標尿素水消費量よりも多いときは、尿素水添加量と目標尿素水消費量との差に対応する分を現在の尿素水消費管理積算量に加算することで新たな尿素水消費管理積算量を算出し、尿素水添加量が目標尿素水消費量よりも少ないときは、尿素水添加量と目標尿素水消費量との差に対応する分を現在の尿素水消費管理積算量から減算することで新たな尿素水消費管理積算量を算出する。このように尿素水添加量が目標尿素水消費量よりも少ないときは、尿素水添加量と目標尿素水消費量との差に対応する分を減算するので、尿素水消費管理積算量がフラグＯＮ閾値に達するまでの期間が長くなる。従って、ＳＣＲ７に対して所望のＮＨ_３吸着量を維持する期間を長くすることができる。

また、車両２の運転状態として車両２の車速に基づいて目標尿素水消費量を決定するので、車両２が単位時間走行するときの目標尿素水消費量を高精度に求めることができる。

図５は、第２実施形態に係る排気浄化装置を示す概略構成図である。図５において、本実施形態の排気浄化装置２０は、第１実施形態における車速センサ１３に代えて、エンジン回転数センサ２１及びアクセル開度センサ２２を備えている。

エンジン回転数センサ２１は、エンジン３の回転数を検出する。アクセル開度センサ２２は、アクセル開度をエンジン３の負荷として検出する。エンジン３の回転数及びエンジン３の負荷は、エンジン３の状態量に含まれる。

また、排気浄化装置５０は、第１実施形態におけるＥＣＵ１４に代えて、ＥＣＵ２３を備えている。ＥＣＵ２３は、上記の目標決定部１５、積算量算出部１６及び制御部１７に加え、噴射量決定部２４を有している。噴射量決定部２４は、エンジン回転数センサ２１及びアクセル開度センサ２２の検出値に基づいてインジェクタ４からの燃料噴射量を決定する。燃料噴射量は、エンジントルクに相当する。

目標決定部１５には、図６に示すような目標尿素水消費量マップＭが記憶されている。目標尿素水消費量マップＭは、エンジン３の回転数とインジェクタ４からの燃料噴射量と目標尿素水消費量との関係を表すマップである。

図７は、ＥＣＵ２３により実行される尿素水添加制御処理の手順を示すフローチャートである。なお、本処理において、図２に示すフローチャートと同じ手順には、同じ符号を付している。

図７において、ＥＣＵ２３は、まずエンジン回転数センサ２１及びアクセル開度センサ２２の検出値を入力する（手順Ｓ１２１）。続いて、ＥＣＵ２３は、エンジン回転数センサ２１により検出されたエンジン３の回転数とアクセル開度センサ２２により検出されたアクセルの開度（エンジン３の負荷）とに基づいて、インジェクタ４からの燃料噴射量を求める（手順Ｓ１２２）。続いて、ＥＣＵ２３は、図６に示す目標尿素水消費量マップＭを用いて、エンジン３の回転数及び燃料噴射量に対応する目標尿素水消費量を求める（手順Ｓ１２３）。その後の手順については、図２に示すフローチャートと同様である。

ところで、車両の開発では、車両を台上モードで試験することで、車両の評価を実施することがある。このとき、乗用車は台上に載置可能であるため、車速情報を用いて各種試験を行うことができる。しかし、大型車は台上に載置不可能であるため、大型車のエンジンを台上に載せて、エンジンの評価を行う。この場合には、車速情報を用いた試験を行うことはできない。

本実施形態においては、車両２の運転状態としてエンジン３の状態量に基づいて目標尿素水消費量を決定するので、特に車速情報が無くても、目標尿素水消費量を得ることができる。その結果、エンジンを台上に載せての評価が基本となる大型車の開発が行いやすくなる。

なお、本実施形態では、エンジン３の回転数と燃料噴射量と目標尿素水消費量との関係を表した目標尿素水消費量マップＭを用いて、目標尿素水消費量を求めているが、特にそれには限られず、エンジン３の回転数及び燃料噴射量に加えて排気ガスの温度等を含む目標尿素水消費量マップを用いてもよいし、或いはエンジン３の回転数及び燃料噴射量に加えてギヤ比、デフ比及びタイヤ動半径等の車両の諸元またはシフト位置等を含む目標尿素水消費量マップを用いてもよい。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は上記実施形態には限定されない。例えば、上記実施形態では、積算量算出部１６は、新たな尿素水消費管理積算量を算出する際に、尿素水添加量が目標尿素水消費量よりも少ないときは、尿素水添加量と目標尿素水消費量との差に対応する分を現在の尿素水消費管理積算量から減算しているが、特にその形態には限られない。積算量算出部１６は、尿素水添加量が目標尿素水消費量よりも少ないときは、尿素水消費管理積算量を変えずにそのままとしてもよいし、或いは尿素水添加量が目標尿素水消費量よりも多いときに比べて尿素水消費管理積算量の増加率を小さくしてもよい。

また、上記実施形態は、ディーゼルエンジン３に接続された排気通路９に配設された選択還元触媒（ＳＣＲ）７を備えた排気浄化装置であるが、本発明は、排気ガスに含まれるＮＯｘを還元する選択還元触媒を備えていれば、いかなるエンジンにも適用可能である。

１…排気浄化装置、３…ディーゼルエンジン（エンジン）、７…選択還元触媒、１０…添加弁、１５…目標決定部、１６…積算量算出部、１７…制御部、２０…排気浄化装置、Ａ…尿素水。

Claims (5)

1. 車両のエンジンから排出される排気ガスを浄化する排気浄化装置において、
   前記排気ガスに含まれるＮＯｘを還元して浄化する選択還元触媒と、
   前記選択還元触媒に尿素水を添加する添加弁と、
   前記車両の運転状態に基づいて目標尿素水消費量を決定する目標決定部と、
   前記添加弁からの尿素水の添加量と前記目標尿素水消費量とを比較して、前記尿素水の消費を管理するための尿素水消費管理積算量を算出する積算量算出部と、
   前記尿素水消費管理積算量が予め決められた閾値以上になったときに、前記添加弁からの尿素水の添加量を減少させるように前記添加弁を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記尿素水消費管理積算量が前記閾値よりも小さいときは、前記排気ガスに含まれるＮＯｘの浄化に必要な分に相当する添加量設定値と前記車両のコールドスタート時における前記選択還元触媒に対するアンモニアの吸着量の維持に必要な分に相当する添加量設定値との加算値に応じた量の尿素水を前記添加弁が添加するように前記添加弁を制御し、前記尿素水消費管理積算量が前記閾値以上になったときは、前記排気ガスに含まれるＮＯｘの浄化に必要な分に相当する添加量設定値に応じた量の尿素水を前記添加弁が添加するように前記添加弁を制御することを特徴とする排気浄化装置。
2. 前記排気ガスに含まれるＮＯｘの量を検出するＮＯｘセンサを更に備え、
   前記制御部は、前記ＮＯｘセンサにより検出されたＮＯｘの量に基づいて、前記排気ガスに含まれるＮＯｘの浄化に必要な分に相当する添加量設定値を算出することを特徴とする請求項１記載の排気浄化装置。
3. 前記積算量算出部は、前記添加弁からの尿素水の添加量が前記目標尿素水消費量よりも多いときは、前記尿素水の添加量と前記目標尿素水消費量との差に対応する分を前記尿素水消費管理積算量に加算することで新たな尿素水消費管理積算量を算出し、前記添加弁からの尿素水の添加量が前記目標尿素水消費量よりも少ないときは、前記尿素水の添加量と前記目標尿素水消費量との差に対応する分を前記尿素水消費管理積算量から減算することで新たな尿素水消費管理積算量を算出することを特徴とする請求項１または２記載の排気浄化装置。
4. 前記目標決定部は、前記車両の運転状態として前記車両の車速に基づいて前記目標尿素水消費量を決定することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載の排気浄化装置。
5. 前記目標決定部は、前記車両の運転状態として前記エンジンの状態量に基づいて前記目標尿素水消費量を決定することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載の排気浄化装置。

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