JP7392786B1 - 排気制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯｘ浄化触媒の上流側に二酸化窒素を生成可能な触媒等が配置されなくても、ＮＯｘ浄化触媒のスートを除去できる排気制御装置を提供すること。【解決手段】排気制御装置は、排気通路において、ターボチャージャのタービンの下流側にＮＯｘ浄化触媒が設けられ、タービンとＮＯｘ浄化触媒との間に二酸化窒素を生成可能な触媒が設けられていない排気系で用いられる。排気系は、ＮＯｘ浄化触媒の下流側に設けられた酸化触媒と、タービンを通過した排気を、ＮＯｘ浄化触媒を介さずに、酸化触媒の上流側へ導く第１分岐通路と、酸化触媒を通過した排気を、ＮＯｘ浄化触媒の上流側へ還流させる第２分岐通路と、を含む。排気制御装置は、酸化触媒の温度が第１設定温度以上であるか否かを判定する判定部と、酸化触媒の温度が第１設定温度以上である場合、タービンを通過した排気が第１分岐通路、酸化触媒、第２分岐通路の順に流れるように、バルブの開閉を制御する制御部と、を有する。【選択図】図２

Description

本開示は、排気制御装置に関する。

従来、エンジンから排出される排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する装置として、例えば、尿素水を還元剤として使用するＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、従来、エンジンの始動後なるべく早期にＳＣＲ触媒を昇温させるために、ＳＣＲ触媒をターボチャージャのタービンの下流側（例えば直下）に配置する構成が知られている。その構成において、より早期の昇温を実現するために、タービンとＳＣＲ触媒との間に酸化触媒(例えば、ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst)を配置しない構成も知られている。

特許第６２７０２４８号公報

エンジンからの排気には、スート（煤）が含まれている。このスートがＳＣＲ触媒に吸着すると、排気圧力の上昇を招き、燃料消費性能が悪化したり、エンジンストールによる走行停止が発生したりするという問題がある。

スートの除去には二酸化窒素が用いられ、二酸化窒素を生成可能な触媒（例えば、酸化触媒）も存在する。しかし、そのような触媒がＳＣＲ触媒の上流側に配置されない排気系（例えば、上述した従来の構成）では、上述した問題が起こりうる。

本開示の一態様の目的は、ＮＯｘ浄化触媒の上流側に二酸化窒素を生成可能な触媒等が配置されない構成であっても、ＮＯｘ浄化触媒におけるスートの除去を可能とする排気制御装置を提供することである。

本開示の一態様に係る排気制御装置は、エンジンからの排気が流れる排気通路において、ターボチャージャのタービンの下流側にＮＯｘ浄化触媒が設けられ、前記タービンと前記ＮＯｘ浄化触媒との間に二酸化窒素を生成可能な触媒が設けられていない排気系で用いられる排気制御装置であって、前記排気系は、前記ＮＯｘ浄化触媒の下流側に設けられた酸化触媒と、前記タービンを通過した排気を、前記ＮＯｘ浄化触媒を介さずに、前記酸化触媒の上流側へ導く第１分岐通路と、前記酸化触媒を通過した排気を、前記ＮＯｘ浄化触媒の上流側へ還流させる第２分岐通路と、を含み、前記排気制御装置は、前記酸化触媒の温度が第１設定温度以上であるか否かを判定する判定部と、前記酸化触媒の温度が前記第１設定温度以上である場合、前記タービンを通過した排気が前記第１分岐通路、前記酸化触媒、前記第２分岐通路の順に流れるように、前記第１分岐通路および前記第２分岐通路それぞれの上下流端と前記排気通路との接続部分に設けられたバルブの開閉を制御する制御部と、を有する。

本開示によれば、ＮＯｘ浄化触媒の上流側に二酸化窒素を生成可能な触媒等が配置されない構成であっても、ＮＯｘ浄化触媒におけるスートの除去を可能とする。

本開示の実施の形態に係るエンジンの構成例を模式的に示す図 本開示の実施の形態に係るエンジンの構成例を模式的に示す図 本開示の実施の形態に係る排気制御装置の構成例を模式的に示す図

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

まず、図１、図２を用いて、本実施の形態のエンジン１の構成について説明する。図１、図２は、本実施の形態のエンジン１の構成例を模式的に示す図である。詳細は後述するが、図１と図２とでは、タービン３２の下流側における排気の流れが異なる。

エンジン１は、移動体（例えば、自動車、船舶等）に搭載されてもよいし、定置式でもよい。

図１に示すように、エンジン１は、エンジン本体２のほかに、吸気通路１０と、排気通路２０と、ターボチャージャ３０と、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置４０と、を備える。なお、吸気通路１０および排気通路２０の中に図示した各矢印は、空気（吸気、排気）の流れを示している。

吸気通路１０へ吸入された空気は、ターボチャージャ３０のコンプレッサ３１により圧縮され、インタークーラ１１で冷却され、インテークスロットルバルブ１２によって流量を調整されて、インテークマニホールド１３を経てエンジン本体２に供給される。

図示は省略しているが、エンジン本体２には、各気筒に対して燃料の噴射（例えば、メイン噴射、アフター噴射等）を行う燃料噴射装置が設けられている。なお、本実施の形態では、エンジン本体２がディーゼルエンジンである場合を例に挙げて説明するが、これに限定されない。

エンジン本体２から排出された排気は、エキゾーストマニホールド２１から排気通路２０へ排出される。排気通路２０へ排出された排気の一部は、ＥＧＲ装置４０（具体的には、ＥＧＲ上流側通路４１）へ流入する。なお、以下では、ＥＧＲ装置４０へ流入した排気を「ＥＧＲガス」という。

ＥＧＲ装置４０は、ＥＧＲ上流側通路４１、ＥＧＲクーラ４２、ＥＧＲ下流側通路４３、ＥＧＲバルブ４４を含む。

上流側通路４１へ流入したＥＧＲガスは、ＥＧＲクーラ４２によって冷却された後、ＥＧＲ下流側通路４３を流れ、ＥＧＲバルブ４４によって流量を調整されて、吸気通路１０へ環流される。ＥＧＲ下流側通路４３と吸気通路１０とは、インテークスロットルバルブ１２よりも下流側において連通している。

一方、ＥＧＲ上流側通路４１へ分流しなかった排気は、ターボチャージャ３０のタービン３２へ流入し、タービン３２を回転駆動させる。

タービン３２の下流側の排気系（後処理システムと言ってもよい）は、第１排気通路２４、第２排気通路２５、第１分岐通路２６、第２分岐通路２７、ＳＣＲ触媒５０、ＤＯＣ５１、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）５２、バルブ６０～６３を備える。なお、第１排気通路２４、第２排気通路２５、第１分岐通路２６、および第２分岐通路２７は、排気通路２０のうち、タービン３２の下流側に設けられた通路に相当する。

第１排気通路２４は、上流端がタービン３２の出口側に接続され、下流端が大気に向けて開口した通路である。

第１排気通路２４には、ＳＣＲ触媒５０（ＮＯｘ浄化触媒の一例）が設けられている。

図示は省略しているが、タービン３２の下流側かつＳＣＲ触媒５０の上流側には、第１排気通路２４内に、還元剤としての尿素水を噴射する尿素水インジェクタが設けられている。第１排気通路２４内に噴射された尿素水からはアンモニアが発生し、このアンモニアがＳＣＲ触媒５０に供給される。これにより、ＳＣＲ触媒５０において、排気中のＮＯｘが窒素に還元される。

第１排気通路２４において、タービン３２とＳＣＲ触媒５０との間には、二酸化窒素を生成可能な触媒等（例えば、ＤＯＣ）は設けられていない。

第１排気通路２４には、後述する第２排気通路２５、第１分岐通路２６、第２分岐通路２７それぞれの一端が接続されている。

第２排気通路２５は、上流端が第１排気通路２４におけるＳＣＲ触媒５０の下流側に接続され、下流端が大気に向けて開口した通路である。

第２排気通路２５には、ＤＯＣ５１（酸化触媒の一例）とＤＰＦ５２が設けられている。なお、ＤＰＦ５２の下流側において、さらにＳＣＲ触媒等が設けられてもよい。

第１分岐通路２６は、上流端が第１排気通路２４におけるＳＣＲ触媒５０の上流側に接続され、下流端が第２排気通路２５におけるＤＯＣ５１の上流側に接続されている。

第１分岐通路２６は、タービン３２を通過した排気を、ＳＣＲ触媒５０を介さずに、ＤＯＣ５１の上流側へ導くために用いられる。

第２分岐通路２７は、上流端が第２排気通路２４におけるＤＯＣ５１の下流側に接続され、下流端が第１排気通路２４におけるＳＣＲ触媒５０の上流側に接続されている。

第２分岐通路２７は、ＤＯＣ５１を通過した排気を、ＳＣＲ触媒５０の上流側へ還流させるために用いられる。

バルブ６０は、第１分岐通路２６と第１排気通路２４との接続部分に設けられている。

バルブ６１は、第１分岐通路２６と第２排気通路２５との接続部分に設けられている。

バルブ６２は、第２分岐通路２７と第１排気通路２４との接続部分に設けられている。

バルブ６３は、第２分岐通路２７と第２排気通路２５との接続部分に設けられている。

バルブ６４は、第２排気通路２５と第１排気通路２４との接続部分に設けられている。

バルブ６０～６４の開閉は、後述する排気制御装置１００によって電気的に制御される。

図１では、第１排気通路２４と第１分岐通路２６との接続部分を塞ぐようにバルブ６０が制御されている。

また、第１排気通路２４と第２分岐通路２７との接続部分を塞ぐようにバルブ６２が制御されている。

また、第２排気通路２５と第１分岐通路２６との接続部分を塞ぐようにバルブ６１が制御されている。

また、第２排気通路２５と第２分岐通路２７との接続部分を塞ぐようにバルブ６３が制御されている。

また、第１排気通路２４のうち第２排気通路２５との接続部分の下流側を塞ぐようにバルブ６４が制御されている。

なお、上述した各制御（バルブ６０～６４を図１に示した状態にする制御）を、以下「第１制御」という。

第１制御の実行により、タービン３２から出た排気は、図１に示すように、第１排気通路２４を流れ、ＳＣＲ触媒５０を通過した後、第２排気通路２５へ流入する。その後、排気は、ＤＯＣ５１、ＤＰＦ５２を順に通過し、第２排気通路２５の下流端から大気中に放出される。

図２では、第１排気通路２４のうち第１分岐通路２６との接続部分の下流側を塞ぐとともに、第１排気通路２４と第１分岐通路２６との接続部分を開くようにバルブ６０が制御されている。

また、第１排気通路２４のうち第２分岐通路２７との接続部分の上流側を塞ぐとともに、第１排気通路２４と第２分岐通路２７との接続部分を開くようにバルブ６２が制御されている。

また、第２排気通路２５のうち第１分岐通路２６との接続部分の上流側を塞ぐとともに、第２排気通路２５と第１分岐通路２６との接続部分を開くようにバルブ６１が制御されている。

また、第２排気通路２５のうち第２分岐通路２７との接続部分の下流側を塞ぐとともに、第２排気通路２５と第２分岐通路２７との接続部分を開くようにバルブ６３が制御されている。

また、第１排気通路２４と第２排気通路２５との接続部分を塞ぐようにバルブ６４が制御されている。

なお、上述した各制御（バルブ６０～６４を図２に示した状態にする制御）を、以下「第２制御」という。

第２制御の実行により、タービン３２から出た排気は、図２に示すように、第１排気通路２４を介して第１分岐通路２６へ流入し、第２排気通路２５におけるＤＯＣ５１の上流側へ流入する。その後、排気は、ＤＯＣ５１を通過し、第２分岐通路２７へ流入し、第１排気通路２４におけるＳＣＲ触媒５０の上流側へ流入する。そして、排気は、ＳＣＲ触媒５０を通過し、第１排気通路２４の下流端から大気中に放出される。

以上、エンジン１の構成について説明した。

次に、図２を用いて、排気制御装置１００の構成について説明する。図２は、排気制御装置１００の構成例を模式的に示す図である。

なお、図示は省略するが、排気制御装置１００は、ハードウェアとして、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などの主記憶装置、コンピュータプログラムを格納したハードディスク、フラッシュメモリなどの補助記憶装置、それらを接続するバス等を有する。以下に説明する排気制御装置１００の機能は、ＣＰＵが補助記憶装置から読み出したコンピュータプログラムを主記憶装置のＲＡＭに展開して実行することにより実現される。

排気制御装置１００は、判定部１１０と、制御部１２０とを有する。

判定部１１０は、例えば図示しないセンサにより検知されたＤＯＣ５１の温度（以下、ＤＯＣ温度という）が予め定められた第１設定温度（例えば、２００度）以上であるか否かを判定する。

また、判定部１１０は、ＤＯＣ温度が第１設定温度以上となった場合、その後、ＤＯＣ温度が予め定められた第２設定温度（第１設定温度よりも高い温度。例えば、４００度）に到達したか否かを判定する。第２設定温度は、例えば、二酸化窒素の熱分解反応が進み、再び一酸化窒素に分解されるおそれがある下限の温度である。

制御部１２０は、ＤＯＣ温度が第１設定温度未満である場合、上述した第１制御を行う。これにより、図１に示したように、タービン３２を通過した排気は、第１分岐通路２６および第２分岐通路２７を流れることなく、ＳＣＲ触媒５０、ＤＯＣ５１、ＤＰＦ５２を順に流れる。

一方、制御部１２０は、ＤＯＣ温度が第１設定温度以上である場合、上述した第２制御を行う。これにより、図２に示したように、タービン３２を通過した排気は、第１分岐通路２６からＤＯＣ５１へ流入し、その後、第２分岐通路２７を介してＳＣＲ触媒５０へ流入する。

また、制御部１２０は、第２の制御の実行後、ＤＯＣ温度が第２設定温度に到達した場合、上述した第１制御を行う。これにより、排気の流れは、図２に示す状態から図１に示す状態に変更される。

以上、排気制御装置１００の構成について説明した。

以上説明したように、本実施の形態の排気制御装置１００は、エンジンからの排気が流れる排気通路２０において、ターボチャージャ３０のタービン３２の下流側にＳＣＲ触媒５０が設けられ、タービン３２とＳＣＲ触媒５０との間に二酸化窒素を生成可能な触媒が設けられていない排気系で用いられる制御装置であって、排気系は、ＳＣＲ触媒５０の下流側に設けられたＤＯＣ５１と、
タービン３２を通過した排気を、ＳＣＲ触媒５０を介さずに、ＤＯＣ５１の上流側へ導く第１分岐通路２６と、ＤＯＣ５１を通過した排気を、ＳＣＲ触媒５０の上流側へ還流させる第２分岐通路２７と、を含み、排気制御装置１００は、ＤＯＣ５１の温度が第１設定温度以上であるか否かを判定する判定部１１０と、ＤＯＣ５１の温度が第１設定温度以上である場合、タービン３２を通過した排気が第１分岐通路２６、ＤＯＣ５１、第２分岐通路２７の順に流れるように、第１分岐通路２６および第２分岐通路２７それぞれの上下流端と第１排気通路２４、第２排気通路２５それぞれとの接続部分に設けられたバルブ６０～６３（バルブ６４を含んでもよい）の開閉を制御する制御部１２０と、を有することを特徴とする。

この特徴により、ＤＯＣ５１で発生した二酸化窒素を含む排気がＳＣＲ触媒５０へ供給されるため、ＳＣＲ触媒５０の上流側に二酸化窒素を生成可能な触媒等（例えば、酸化触媒）が配置されない構成であっても、ＳＣＲ触媒５０におけるスートの除去が可能となる。なお、このとき、ターボチャージャ３０の直下に配置されたＳＣＲ触媒５０への尿素水の供給は停止される。その理由は、高濃度の二酸化窒素ガスをＳＣＲ触媒５０へ供給しながら尿素水由来のアンモニアガスが加わると、スートの燃焼に使用される予定の二酸化窒素がアンモニアと反応して消費され、上述した効果が低下してしまうためである。

また、一般的に、ＳＣＲ触媒に溜まったスートを排気中の酸素で再生させるには、例えば約５５０℃以上の排気温度が必要であるが、貴金属の担持されていないＳＣＲ触媒ではＤＯＣほど着火部から触媒全体に燃焼の広がる速度が遅く、局所の１０００度を超えるような高温によって溶損を発生しやすい問題がある。これに対し、本実施の形態では、高温の排気温度を必要とせずに、スートを除去することができるため、上述した溶損が発生することがない。

なお、本開示は、上記実施の形態の説明に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。以下、変形例について説明する。

［変形例１］
制御部１２０は、第１の制御を実行する場合、さらに、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）率を減少させるようにＥＧＲバルブ４４の開度を制御し、エンジン本体２の吸気量を増加させるようにインテークスロットルバルブ１２の開度を制御し、エンジン本体２において燃料噴射装置が行うメイン噴射のタイミングを進角させてもよい。

本変形例によれば、エンジン本体２において生成される一酸化窒素の量が増加するため、ＤＯＣ５１において生成される二酸化窒素の量も増加する。その結果、ＳＣＲ触媒５０により多くの二酸化窒素が供給されることになり、より効率的にスートを除去することが可能となる。

［変形例２］
判定部１１０は、さらに、ＳＣＲ触媒５０の上流側と下流側との差圧（例えば、図示しないセンサで検知された差圧）が、予め定められた差圧（以下、設定差圧という）以上であるか否かを判定してもよい。設定差圧は、例えば、ＳＣＲ触媒５０に蓄積されたスートの除去が必要とされる差圧である。そして、制御部１２０は、ＤＯＣ５１の温度が第１設定温度以上であり、かつ、差圧が設定差圧以上である場合、第１の制御を実行してもよい。

本変形例によれば、ＳＣＲ触媒５０において除去が必要なスートが溜まっていると推定されることが第１の制御の実行条件に追加されるので、より適切なタイミングでＳＣＲ触媒５０へ二酸化窒素を供給でき、スートの除去を実行できる。

以上、変形例について説明した。なお、上記変形例は、組み合わせてもよい。

本開示の排気制御装置は、ＮＯｘ浄化触媒におけるスートの除去に有用である。

１ エンジン
２ エンジン本体
１０ 吸気通路
１１ インタークーラ
１２ インテークスロットルバルブ
１３ インテークマニホールド
２０ 吸気通路
２１ エキゾーストマニホールド
２４ 第１排気通路
２５ 第２排気通路
２６ 第１分岐通路
２７ 第２分岐通路
３０ ターボチャージャ
３１ コンプレッサ
３２ タービン
４０ ＥＧＲ装置
４１ ＥＧＲ上流側通路
４２ ＥＧＲクーラ
４３ ＥＧＲ下流側通路
４４ ＥＧＲバルブ
５０ ＳＣＲ触媒
５１ ＤＯＣ
５２ ＤＰＦ
６０、６１、６２、６３ バルブ
１００ 排気制御装置
１１０ 判定部
１２０ 制御部

Claims (5)

1. エンジンからの排気が流れる排気通路において、ターボチャージャのタービンの下流側にＮＯｘ浄化触媒が設けられ、前記タービンと前記ＮＯｘ浄化触媒との間に二酸化窒素を生成可能な触媒が設けられていない排気系で用いられる排気制御装置であって、
   前記排気系は、
   前記ＮＯｘ浄化触媒の下流側に設けられた酸化触媒と、
   前記タービンを通過した排気を、前記ＮＯｘ浄化触媒を介さずに、前記酸化触媒の上流側へ導く第１分岐通路と、
   前記酸化触媒を通過した排気を、前記ＮＯｘ浄化触媒の上流側へ還流させる第２分岐通路と、
   を含み、
   前記排気制御装置は、
   前記酸化触媒の温度が第１設定温度以上であるか否かを判定する判定部と、
   前記酸化触媒の温度が前記第１設定温度以上である場合、前記タービンを通過した排気が前記第１分岐通路、前記酸化触媒、前記第２分岐通路の順に流れるように、前記第１分岐通路および前記第２分岐通路それぞれの上下流端と前記排気通路との接続部分に設けられたバルブの開閉を制御する制御部と、を有する、
   排気制御装置。
2. 前記判定部は、
   前記酸化触媒の温度が前記第１設定温度以上となった後、前記第１設定温度よりも高い第２設定温度に到達したか否かを判定し、
   前記制御部は、
   前記酸化触媒の温度が前記第２設定温度に到達した場合、前記タービンを通過した排気が、前記第１分岐通路および前記第２分岐通路を流れることなく、前記ＮＯｘ浄化触媒、前記酸化触媒の順に流れるように、前記バルブの開閉を制御する、
   請求項１に記載の排気制御装置。
3. 前記制御部は、
   前記タービンを通過した排気が前記第１分岐通路、前記酸化触媒、前記第２分岐通路の順に流れるようにする前記バルブの制御を実行する場合、
   さらに、
   ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）率を減少させるようにＥＧＲバルブの開度を制御し、
   前記エンジンの吸気量を増加させるようにインテークスロットルバルブの開度を制御し、
   前記エンジンにおける燃料のメイン噴射のタイミングを進角させる、
   請求項１に記載の排気制御装置。
4. 前記判定部は、さらに、
   前記ＮＯｘ浄化触媒の上流側と下流側との差圧が設定差圧以上であるか否かを判定し、
   前記制御部は、
   前記酸化触媒の温度が前記第１設定温度以上であり、かつ、前記差圧が前記設定差圧以上である場合、前記タービンを通過した排気が前記第１分岐通路、前記酸化触媒、前記第２分岐通路の順に流れるようにする前記バルブの制御を開始する、
   請求項１に記載の排気制御装置。
5. 前記ＮＯｘ浄化触媒は、
   ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒である、
   請求項１に記載の排気制御装置。

Images