JP7322769B2 - 尿素ｓｃｒシステム、尿素ｓｃｒシステムの制御装置、及び白色生成物の堆積量の推定方法 - Google Patents

尿素ｓｃｒシステム、尿素ｓｃｒシステムの制御装置、及び白色生成物の堆積量の推定方法 Download PDF

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Description

尿素ＳＣＲシステム、尿素ＳＣＲシステムの制御装置、及び白色生成物の堆積量の推定方法に関する。
内燃機関の排気を浄化する尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムは、尿素水インジェクタで、尿素水を排気中に添加し、尿素水インジェクタの排気下流側に設置されたＳＣＲ触媒により、排気中の尿素水から生成されたアンモニアを排気中の窒素酸化物と化学反応させる事で窒素酸化物を窒素と水とに還元するものである。
尿素ＳＣＲシステムでは、排気中の尿素水が排気の熱で加水分解される事でアンモニアに変化するが、排気の温度が低い場合や排気の流量が少ない場合は、排気中の尿素水がアンモニアに変化する過程で生成された白色生成物が昇華され難いので、排気流路に白色生成物が堆積する虞が有る。
排気流路に白色生成物が堆積すると、排気流路の断面積が減少したり、排気流路に設置されたセンサが埋没したりするので、内燃機関の性能への悪影響や触媒機能の低下が懸念される。
特開２０１９－２３６３号公報 特開２０１１－２２０２３２号公報
白色生成物の排気流路に於ける堆積量の推定に関して、従来の技術には改良の余地があった。
以上の事情に鑑み、白色生成物の排気流路に於ける堆積量を高精度に推定する事が可能な尿素ＳＣＲシステム、尿素ＳＣＲシステムの制御装置、及び白色生成物の堆積量の推定方法を提供する事を目的とする。
内燃機関の排気流路を通る排気中に尿素水を添加する尿素水インジェクタと、前記尿素水インジェクタの排気下流側に設置され、前記排気中の前記尿素水から生成されたアンモニアを前記排気中の窒素酸化物と化学反応させる事で前記窒素酸化物を窒素と水とに還元するＳＣＲ触媒と、前記排気中の前記尿素水から生成された白色生成物の前記排気流路に於ける堆積量を推定し、前記白色生成物の前記排気流路に於ける堆積量を基準にパージの実施を指示する制御装置と、を備える尿素ＳＣＲシステムであって、前記制御装置は、前記尿素水の添加量と前記排気の温度と前記排気の流量とを基に前記白色生成物の前記排気流路に於ける加算堆積量を決定し、前記白色生成物の前記排気流路に於ける現在の堆積量と前記排気の温度と前記排気の流量とを基に前記白色生成物の前記排気流路に於ける減算堆積量を決定し、前記白色生成物の前記排気流路に於ける現在の堆積量と前記白色生成物の前記排気流路に於ける加算堆積量と前記白色生成物の前記排気流路に於ける減算堆積量との和を前記白色生成物の前記排気流路に於ける新規の堆積量とする尿素ＳＣＲシステムを提供する。
前記制御装置は、前記排気の温度と前記排気の流量とを基に前記排気のエネルギを決定し、前記尿素水の添加量と前記排気のエネルギとを基に前記白色生成物の前記排気流路に於ける加算堆積量を決定する事が望ましい。
前記制御装置は、前記尿素水の添加量が多い程、及び前記排気のエネルギが小さい程、前記白色生成物の前記排気流路に於ける加算堆積量を増加させる事が望ましい。
前記制御装置は、前記排気の温度と前記排気の流量とを基に前記排気のエネルギを決定し、前記白色生成物の前記排気流路に於ける現在の堆積量と前記排気のエネルギとを基に前記白色生成物の前記排気流路に於ける減算堆積量を決定する事が望ましい。
前記制御装置は、前記白色生成物の前記排気流路に於ける現在の堆積量が多い程、及び前記排気のエネルギが小さい程、前記白色生成物の前記排気流路に於ける減算堆積量を減少させる事が望ましい。
前記制御装置は、前記白色生成物の前記排気流路に於ける堆積量が閾値以上である場合に通知する事が望ましい。
また、内燃機関の排気流路を通る排気中に尿素水を添加する尿素水インジェクタと、前記尿素水インジェクタの排気下流側に設置され、前記排気中の前記尿素水から生成されたアンモニアを前記排気中の窒素酸化物と化学反応させる事で前記窒素酸化物を窒素と水とに還元するＳＣＲ触媒と、を備える尿素ＳＣＲシステムを制御する制御装置であって、前記排気中の前記尿素水から生成された白色生成物の前記排気流路に於ける堆積量を推定し、前記白色生成物の前記排気流路に於ける堆積量を基準にパージの実施を指示すべく、前記尿素水の添加量と前記排気の温度と前記排気の流量とを基に前記白色生成物の前記排気流路に於ける加算堆積量を決定し、前記白色生成物の前記排気流路に於ける現在の堆積量と前記排気の温度と前記排気の流量とを基に前記白色生成物の前記排気流路に於ける減算堆積量を決定し、前記白色生成物の前記排気流路に於ける現在の堆積量と前記白色生成物の前記排気流路に於ける加算堆積量と前記白色生成物の前記排気流路に於ける減算堆積量との和を前記白色生成物の前記排気流路に於ける新規の堆積量とする制御装置を提供する。
更に、内燃機関の排気流路を通る排気中に尿素水を添加する尿素水インジェクタと、前記尿素水インジェクタの排気下流側に設置され、前記排気中の前記尿素水から生成されたアンモニアを前記排気中の窒素酸化物と化学反応させる事で前記窒素酸化物を窒素と水とに還元するＳＣＲ触媒と、を備える尿素ＳＣＲシステムで、前記排気中の前記尿素水から生成された白色生成物の前記排気流路に於ける堆積量を推定し、前記白色生成物の前記排気流路に於ける堆積量を基準にパージの実施を指示すべく、前記尿素水の添加量と前記排気の温度と前記排気の流量とを基に前記白色生成物の前記排気流路に於ける加算堆積量を決定し、前記白色生成物の前記排気流路に於ける現在の堆積量と前記排気の温度と前記排気の流量とを基に前記白色生成物の前記排気流路に於ける減算堆積量を決定し、前記白色生成物の前記排気流路に於ける現在の堆積量と前記白色生成物の前記排気流路に於ける加算堆積量と前記白色生成物の前記排気流路に於ける減算堆積量との和を前記白色生成物の前記排気流路に於ける新規の堆積量とする白色生成物の堆積量の推定方法を提供する。
白色生成物の排気流路に於ける堆積量を高精度に推定する事が可能な尿素ＳＣＲシステム、尿素ＳＣＲシステムの制御装置、及び白色生成物の堆積量の推定方法を提供する事が出来る。
尿素ＳＣＲシステムの構成を説明する図である。 尿素ＳＣＲシステムの動作を説明する図である。 尿素ＳＣＲシステムの動作を説明する図である。 尿素ＳＣＲシステムの動作を説明する図である。
図１に示す様に、尿素ＳＣＲシステム１００は、尿素水インジェクタ１０１と、ＳＣＲ触媒１０２と、制御装置１０３と、を備える。
尿素水インジェクタ１０１は、内燃機関１０４の排気流路１０５を通る排気中に尿素水を添加するものである。排気中の尿素水が排気の熱で加水分解される事でアンモニアが生成され、アンモニアが生成される過程で中間生成物である白色生成物が生成される。白色生成物は、排気中の尿素水から生成されるので、排気中に尿素水が存在する尿素水インジェクタ１０１の近傍に位置する排気流路１０５に於いて堆積する。また、尿素水インジェクタ１０１は、制御装置１０３により制御され、尿素水インジェクタ１０１による尿素水の添加量は、制御装置１０３により指示される。
尿素水インジェクタ１０１の排気上流側には、排気中の尿素水を効率的に加水分解させ、ＳＣＲ触媒１０２の温度を効率的に触媒活性化温度とすべく、尿素水インジェクタ１０１の排気上流側で排気の温度を昇温させる排気昇温装置１０６が設置される。排気昇温装置１０６は、例えば、酸化触媒である。
また、尿素水インジェクタ１０１の排気上流側には、尿素水インジェクタ１０１の排気上流側で排気の温度を検出する第一排気温度センサ１０７が設置され、尿素水インジェクタ１０１の排気下流側には、尿素水インジェクタ１０１の排気下流側で排気の温度を検出する第二排気温度センサ１０８が設置される。第一排気温度センサ１０７や第二排気温度センサ１０８によって検出された排気の温度は制御装置１０３に入力される。
ＳＣＲ触媒１０２は、尿素水インジェクタ１０１の排気下流側に設置され、排気中の尿素水から生成されたアンモニアを排気中の窒素酸化物と化学反応させる事で窒素酸化物を窒素と水とに還元するものである。
ＳＣＲ触媒１０２の排気上流側には、排気中の窒素酸化物の濃度を検出する排気上流側窒素酸化物濃度センサ１０９が設置される。排気上流側窒素酸化物濃度センサ１０９によって検出された窒素酸化物の濃度は制御装置１０３に入力され、制御装置１０３により、排気上流側窒素酸化物濃度センサ１０９によって検出された窒素酸化物の濃度を基に尿素水の基本添加量（フィードフォワード値）が設定される。
ＳＣＲ触媒１０２の排気下流側には、排気中の窒素酸化物の濃度を検出する排気下流側窒素酸化物濃度センサ１１０が設置される。排気下流側窒素酸化物濃度センサ１１０によって検出された窒素酸化物の濃度は制御装置１０３に入力され、制御装置１０３により、排気下流側窒素酸化物濃度センサ１１０によって検出された窒素酸化物の濃度を基に尿素水の補正添加量（フィードバック値）が設定される。
従って、尿素水インジェクタ１０１による尿素水の添加量は、排気中の窒素酸化物を過不足無く浄化すべく、制御装置１０３により、排気上流側窒素酸化物濃度センサ１０９によって検出された窒素酸化物の濃度と排気下流側窒素酸化物濃度センサ１１０によって検出された窒素酸化物の濃度とを基に最適な量に調整される。
また、ＳＣＲ触媒１０２の排気下流側には、ＳＣＲ触媒１０２の排気下流側で排気の温度を検出する第三排気温度センサ１１１が設置される。第三排気温度センサ１１１によって検出された排気の温度は制御装置１０３に入力され、第三排気温度センサ１１１によって検出された排気の温度は、例えば、ＳＣＲ触媒１０２の内部温度分布を把握すべく、第二排気温度センサ１０８によって検出された排気の温度と共に使用される。
尿素水インジェクタ１０１とＳＣＲ触媒１０２との間には、尿素水と排気との混合を促進すべく、排気中の尿素水を攪拌するミキシングチャンバ１１２が設置される。
制御装置１０３は、内燃機関１０４や内燃機関１０４が有する各種装置を制御するのに加え、排気中の尿素水から生成された白色生成物の排気流路１０５に於ける堆積量を推定し、白色生成物の排気流路１０５に於ける堆積量を基準にパージの実施を指示するものである。例えば、白色生成物の排気流路１０５に於ける堆積量が閾値以上である場合にパージの実施を指示する。パージは、制御装置１０３により内燃機関１０４や内燃機関１０４が有する各種装置を制御し、排気の温度を昇温させる事で白色生成物を昇華させるものである。
具体的には、制御装置１０３は、尿素水の添加量と排気の温度と排気の流量とを基に白色生成物の排気流路１０５に於ける加算堆積量（最小値はゼロ）を決定する。尿素水の添加量は、制御装置１０３が尿素水インジェクタ１０１を制御する際の指示値であるので、制御装置１０３によって当然に把握される。排気の温度は、白色生成物が堆積し易い位置の排気の温度であって、例えば、第二排気温度センサ１０８によって検出された排気の温度であり、制御装置１０３に入力される。排気の流量は、制御装置１０３によって内燃機関１０４の運転状態を基に推定されるか、不図示のＭＡＦ（Mass Air Flow）センサによって検出された吸気の流量と制御装置１０３が不図示の燃料インジェクタを制御する際の指示値である燃料の噴射量とを基に決定される。
図２に示す様に、制御装置１０３は、排気の温度と排気の流量とを基に排気のエネルギを決定し、尿素水の添加量と排気のエネルギとを基に白色生成物の排気流路１０５に於ける加算堆積量を決定する。排気のエネルギは、排気の温度と排気の流量とを変数とする関数によって表される。尿素水の添加量と排気のエネルギとを基に白色生成物の排気流路１０５に於ける加算堆積量を決定する際は、予め実験を経て作成された三次元マップデータを参照する事で決定する。
尚、制御装置１０３は、尿素水の添加量が多い程、及び排気のエネルギが小さい程、白色生成物の排気流路１０５に於ける加算堆積量を増加させる。尿素水の添加量が多い程、白色生成物の排気流路１０５に於ける加算堆積量を増加させる理由は、尿素水の添加量が多いと、白色生成物の生成量も多くなるので、白色生成物の排気流路１０５に於ける堆積量が増加すると考えられるからである。また、排気のエネルギが小さい程、白色生成物の排気流路１０５に於ける加算堆積量を増加させる理由は、排気のエネルギが小さいと、白色生成物が昇華され難くなり、白色生成物が排気流路１０５に堆積し易くなると考えられるからである。
また、制御装置１０３は、白色生成物の排気流路１０５に於ける現在の堆積量と排気の温度と排気の流量とを基に白色生成物の排気流路１０５に於ける減算堆積量（最大値はゼロ）を決定する。白色生成物の排気流路１０５に於ける堆積量は、製品出荷時や新品交換時にゼロリセットされ、制御装置１０３によって周期的に積算される。
図３に示す様に、制御装置１０３は、排気の温度と排気の流量とを基に排気のエネルギを決定し、白色生成物の排気流路１０５に於ける現在の堆積量と排気のエネルギとを基に白色生成物の排気流路１０５に於ける減算堆積量を決定する。白色生成物の排気流路１０５に於ける現在の堆積量と排気のエネルギとを基に白色生成物の排気流路１０５に於ける減算堆積量を決定する際は、予め実験を経て作成された三次元マップデータを参照する事で決定する。
尚、制御装置１０３は、白色生成物の排気流路１０５に於ける現在の堆積量が多い程、及び排気のエネルギが小さい程、白色生成物の排気流路１０５に於ける減算堆積量を減少させる。白色生成物の排気流路１０５に於ける現在の堆積量が多い程、白色生成物の排気流路１０５に於ける減算堆積量を減少させる理由は、白色生成物の排気流路１０５に於ける現在の堆積量が多いと、排気流路１０５の断面積の減少が大きくなり、排気に曝露される白色生成物の表面積も減少するので、白色生成物が昇華され難くなり、白色生成物の排気流路１０５に於ける堆積量が減少し難くなると考えられるからである。また、排気のエネルギが小さい程、白色生成物の排気流路１０５に於ける減算堆積量を減少させる理由は、排気のエネルギが小さいと、白色生成物が昇華され難いので、白色生成物の排気流路１０５に於ける堆積量が減少し難くなると考えられるからである。
図４に示す様に、制御装置１０３は、しかる後、白色生成物の排気流路１０５に於ける現在の堆積量と白色生成物の排気流路１０５に於ける加算堆積量と白色生成物の排気流路１０５に於ける減算堆積量との和を白色生成物の排気流路１０５に於ける新規の堆積量とする。白色生成物の排気流路１０５に於ける堆積量を更新するので、白色生成物の排気流路１０５に於ける新規の堆積量は、白色生成物の排気流路１０５に於ける堆積量を推定する次の周期では、白色生成物の排気流路１０５に於ける現在の堆積量となる。
更に、制御装置１０３は、白色生成物の排気流路１０５に於ける堆積量が閾値以上である場合に通知する。具体的には、内燃機関１０４を操作する操作者、内燃機関１０４を管理する管理者、及び／又は内燃機関１０４を整備する作業者に通知する。通知は、インターネットを通じて遠隔で行われても良い。
以上に説明された様に、白色生成物の排気流路１０５に於ける堆積量を高精度に推定する事が可能な尿素ＳＣＲシステム１００、尿素ＳＣＲシステム１００の制御装置１０３、及び白色生成物の堆積量の推定方法を提供する事が出来る。
１００ 尿素ＳＣＲシステム
１０１ 尿素水インジェクタ
１０２ ＳＣＲ触媒
１０３ 制御装置
１０４ 内燃機関
１０５ 排気流路
１０６ 排気昇温装置
１０７ 第一排気温度センサ
１０８ 第二排気温度センサ
１０９ 排気上流側窒素酸化物濃度センサ
１１０ 排気下流側窒素酸化物濃度センサ
１１１ 第三排気温度センサ
１１２ ミキシングチャンバ

Claims (6)

  1. 内燃機関の排気流路を通る排気中に尿素水を添加する尿素水インジェクタと、
    前記尿素水インジェクタの排気下流側に設置され、前記排気中の前記尿素水から生成されたアンモニアを前記排気中の窒素酸化物と化学反応させる事で前記窒素酸化物を窒素と水とに還元するＳＣＲ触媒と、
    前記排気中の前記尿素水から生成された白色生成物の前記排気流路に於ける堆積量を推定し、前記白色生成物の前記排気流路に於ける堆積量を基準にパージの実施を指示する制御装置と、
    を備える尿素ＳＣＲシステムであって、
    前記制御装置は、前記尿素水の添加量と前記排気の温度と前記排気の流量とを基に前記白色生成物の前記排気流路に於ける加算堆積量を決定し、前記白色生成物の前記排気流路に於ける現在の堆積量と前記排気の温度と前記排気の流量とを基に前記白色生成物の前記排気流路に於ける減算堆積量を決定し、前記白色生成物の前記排気流路に於ける現在の堆積量と前記白色生成物の前記排気流路に於ける加算堆積量と前記白色生成物の前記排気流路に於ける減算堆積量との和を前記白色生成物の前記排気流路に於ける新規の堆積量とし、
    前記制御装置は、前記排気の温度と前記排気の流量とを基に前記排気のエネルギを決定し、前記白色生成物の前記排気流路に於ける現在の堆積量と前記排気のエネルギとを基に前記白色生成物の前記排気流路に於ける減算堆積量を決定し、
    前記制御装置は、前記白色生成物の前記排気流路に於ける現在の堆積量が多い程、及び前記排気のエネルギが小さい程、前記白色生成物の前記排気流路に於ける減算堆積量を減少させる
    事を特徴とする尿素ＳＣＲシステム。
  2. 前記制御装置は、前記排気の温度と前記排気の流量とを基に前記排気のエネルギを決定し、前記尿素水の添加量と前記排気のエネルギとを基に前記白色生成物の前記排気流路に於ける加算堆積量を決定する
    請求項１に記載の尿素ＳＣＲシステム。
  3. 前記制御装置は、前記尿素水の添加量が多い程、及び前記排気のエネルギが小さい程、前記白色生成物の前記排気流路に於ける加算堆積量を増加させる
    請求項２に記載の尿素ＳＣＲシステム。
  4. 前記制御装置は、前記白色生成物の前記排気流路に於ける堆積量が閾値以上である場合に通知する
    請求項１乃至３の何れか一項に記載の尿素ＳＣＲシステム。
  5. 内燃機関の排気流路を通る排気中に尿素水を添加する尿素水インジェクタと、前記尿素水インジェクタの排気下流側に設置され、前記排気中の前記尿素水から生成されたアンモニアを前記排気中の窒素酸化物と化学反応させる事で前記窒素酸化物を窒素と水とに還元するＳＣＲ触媒と、を備える尿素ＳＣＲシステムを制御する制御装置であって、
    前記制御装置は、前記排気中の前記尿素水から生成された白色生成物の前記排気流路に於ける堆積量を推定し、前記白色生成物の前記排気流路に於ける堆積量を基準にパージの実施を指示すべく、前記尿素水の添加量と前記排気の温度と前記排気の流量とを基に前記白色生成物の前記排気流路に於ける加算堆積量を決定し、前記白色生成物の前記排気流路に於ける現在の堆積量と前記排気の温度と前記排気の流量とを基に前記白色生成物の前記排気流路に於ける減算堆積量を決定し、前記白色生成物の前記排気流路に於ける現在の堆積量と前記白色生成物の前記排気流路に於ける加算堆積量と前記白色生成物の前記排気流路に於ける減算堆積量との和を前記白色生成物の前記排気流路に於ける新規の堆積量とし、
    前記制御装置は、前記排気の温度と前記排気の流量とを基に前記排気のエネルギを決定し、前記白色生成物の前記排気流路に於ける現在の堆積量と前記排気のエネルギとを基に前記白色生成物の前記排気流路に於ける減算堆積量を決定し、
    前記制御装置は、前記白色生成物の前記排気流路に於ける現在の堆積量が多い程、及び前記排気のエネルギが小さい程、前記白色生成物の前記排気流路に於ける減算堆積量を減少させる
    事を特徴とする制御装置。
  6. 内燃機関の排気流路を通る排気中に尿素水を添加する尿素水インジェクタと、前記尿素水インジェクタの排気下流側に設置され、前記排気中の前記尿素水から生成されたアンモニアを前記排気中の窒素酸化物と化学反応させる事で前記窒素酸化物を窒素と水とに還元するＳＣＲ触媒と、を備える尿素ＳＣＲシステムで、前記排気中の前記尿素水から生成された白色生成物の前記排気流路に於ける堆積量を推定し、前記白色生成物の前記排気流路に於ける堆積量を基準にパージの実施を指示すべく、前記尿素水の添加量と前記排気の温度と前記排気の流量とを基に前記白色生成物の前記排気流路に於ける加算堆積量を決定し、前記白色生成物の前記排気流路に於ける現在の堆積量と前記排気の温度と前記排気の流量とを基に前記白色生成物の前記排気流路に於ける減算堆積量を決定し、前記白色生成物の前記排気流路に於ける現在の堆積量と前記白色生成物の前記排気流路に於ける加算堆積量と前記白色生成物の前記排気流路に於ける減算堆積量との和を前記白色生成物の前記排気流路に於ける新規の堆積量とし、
    前記排気の温度と前記排気の流量とを基に前記排気のエネルギを決定し、前記白色生成物の前記排気流路に於ける現在の堆積量と前記排気のエネルギとを基に前記白色生成物の前記排気流路に於ける減算堆積量を決定し、
    前記白色生成物の前記排気流路に於ける現在の堆積量が多い程、及び前記排気のエネルギが小さい程、前記白色生成物の前記排気流路に於ける減算堆積量を減少させる
    事を特徴とする白色生成物の堆積量の推定方法。
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