WO2011033620A1 - 内燃機関の排気浄化装置及び排気浄化方法 - Google Patents

内燃機関の排気浄化装置及び排気浄化方法 Download PDF

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Abstract

 排気中に添加される添加剤により、センサの測定値に誤差が生じることを抑制する。内燃機関の排気通路に設けられ排気の状態を検出する検出手段と、排気通路内に添加剤を添加する添加手段と、検出手段及び前記添加手段よりも下流側に設けられ該添加手段から添加剤の供給を受ける触媒と、添加手段から添加される添加剤により検出手段の検出精度が低下するか否かを判定する判定手段と、判定手段により検出手段の検出精度が低下すると判定される場合に、検出手段による排気の状態の検出を停止させる停止手段と、を備える。

Description

内燃機関の排気浄化装置及び排気浄化方法
 本発明は、内燃機関の排気浄化装置及び排気浄化方法に関する。
 内燃機関の排気通路の上流側から順に、NOxセンサと、還元剤供給装置と、選択還元型NOx触媒と、を設ける技術が知られている(例えば、特許文献1参照。)。
 ここで、還元剤供給装置よりも上流側にNOxセンサを設けていても、排気の脈動等により、還元剤供給装置から供給された還元剤としての尿素水がNOxセンサ付近まで逆流する虞がある。尿素由来のアンモニア(NH)がNOxセンサに付着したり又はNOxセンサの近傍に存在したりしていると、該アンモニアがNOxと同様にしてNOxセンサに検出されることがある。一方、NOxセンサに付着したアンモニアがNOxを還元してNOx濃度を低下させることがある。そうすると、排気中のNOx濃度を正確に検出することが困難となる。
 また、温度センサを備えている場合には、液状の還元剤が温度センサに付着したり又は温度センサの近傍に存在したりしていると、還元剤が気化するときに温度センサ周辺の熱を奪うため、排気の温度を正確に検出することが困難となる。
 さらに、還元剤としてHCを用いる触媒を設けている場合において、還元剤供給装置からHCを添加する場合には、添加されるHCにより排気の空燃比を正確に検出することが困難となる。
 このように、排気中に添加される添加剤がセンサに付着したり、センサ近傍に存在したりしていると、該センサの検出値に誤差が生じる虞がある。
特開2007-170383号公報 特開2009-121413号公報 特開2009-024628号公報
 本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、排気中に添加される添加剤により、センサの検出値に誤差が生じることを抑制する技術の提供を目的とする。
 上記課題を達成するために本発明による内燃機関の排気浄化装置は、以下の手段を採用した。すなわち、本発明による内燃機関の排気浄化装置は、
 内燃機関の排気通路に設けられ排気の状態を検出する検出手段と、
 前記排気通路内に添加剤を添加する添加手段と、
 前記検出手段及び前記添加手段よりも下流側に設けられ該添加手段から添加剤の供給を受ける触媒と、
 前記添加手段から添加される添加剤により前記検出手段の検出精度が低下するか否かを判定する判定手段と、
 前記判定手段により前記検出手段の検出精度が低下すると判定される場合に、前記検出手段による排気の状態の検出を停止させる停止手段と、
 を備えることを特徴とする。
 検出手段は、排気の状態を検出するセンサとしても良く、排気中の特定の成分の濃度を検出するセンサとしても良い。添加手段は、添加剤として例えば還元剤または酸化剤を添加する。そして、この添加剤は、下流の触媒で反応する。触媒は、添加剤の供給を受けることにより、例えば排気を浄化したり、排気の温度を上昇させたり、または浄化能力が回復したりする。
 ここで、添加手段から添加される添加剤が検出手段に付着したり検出手段の近傍に存在していたりすると、検出手段が添加剤の影響を受けるため、該検出手段の検出精度が低下する虞がある。このような場合に停止手段は、検出手段による排気の状態の検出を停止させる。そうすると、検出手段による検出値に誤差が生じることを抑制できる。一方、検出手段が添加剤の影響を受けない場合には、検出手段による検出値に誤差が生じない。このため、検出手段の検出精度は低下しないので、検出手段による排気の状態の検出を許可する。
 そして、前記判定手段は、前記添加手段により添加剤が添加されているときに、前記検出手段の検出精度が低下すると判定することができる。これは、添加手段により添加剤が添加されていないときと比較して検出精度が低下していると判定している。
 ここで、添加手段により添加剤が添加されていると、該添加剤が検出手段に向かって流れる虞がある。たとえ添加手段よりも上流側に検出手段が設けられていても、排気の脈動により添加剤が検出手段に向かって流れることがある。この添加剤が検出手段に付着したり、検出手段の近傍に存在したりすると、検出手段の精度が低下する虞がある。このようなときに、検出手段の検出精度が低下すると判定して排気の状態の検出を停止させれば、検出手段による検出値に誤差が生じることを抑制できる。
 なお、添加手段と検出手段との距離が長いほど、添加手段から添加される添加剤が検出手段に到達するまでの時間が長くなる。そうすると、この時間の分、検出手段の検出精度が低下する時期がずれる。そこで、添加剤が添加されてから検出手段に到達するまでの時間に応じて、排気の状態の検出を停止させる時期を決定しても良い。この時間は、例えば、添加手段と検出手段との距離及び排気の流速の影響を受けるため、これらに基づいて排気の状態の検出を停止させる時期を決定しても良い。この場合、判定手段は、添加手段から添加剤が添加される期間に対し、添加手段から検出手段まで添加剤が移動するまでの時間だけ後の期間において検出手段の検出精度が低下すると判定する。
 また、検出手段に付着する添加剤の量が多いほど、該添加剤が全て蒸発するまでの時間が長くなる。そうすると、この時間の分、検出手段の検出精度が低下する時期がずれる。そこで、添加剤が検出手段に付着してから、全て蒸発するまでの時間に応じて、排気の状態の検出を停止させる時期を決定しても良い。この時間は、例えば、添加剤の供給時期及び供給量の影響を受けるため、これらに基づいて排気の状態の検出を停止させる時期を決定しても良い。この場合、判定手段は、添加手段から添加剤が添加される期間に対し、添加剤が全て蒸発するまでの時間を加えた期間において検出手段の検出精度が低下すると判定する。また、上記時間のずれを考慮しても良い。
 また、内燃機関の運転状態に基づいて該内燃機関の排気の状態を推定する推定手段を備え、
 前記停止手段により前記検出手段による排気の状態の検出が停止されている場合には、前記検出手段による排気の状態の検出に代えて、前記推定手段による排気の状態の推定を行なうことができる。
 そうすると、検出手段による排気の状態の検出を停止させているときであっても、推定手段を備えることにより排気の状態を取得することができる。例えば、排気の状態に応じて添加剤の添加量を決定する場合には、添加剤を添加している最中であっても推定値に応じて添加剤の添加量を決定することができる。なお、排気の状態は、例えば内燃機関の運転状態に応じて変化するため、該内燃機関の運転状態に基づいて排気の状態を推定することができる。
 また、前記触媒は排気を選択的に還元する選択還元型NOx触媒を含んで構成され、前記検出手段は排気中のNOx濃度を検出するNOxセンサを含んで構成され、前記添加手段はアンモニア由来の還元剤を添加しても良い。
 検出手段としてNOxセンサを採用する場合には、アンモニアが検出されることにより検出値に誤差が生じる虞がある。これに対し、NOxセンサの検出精度が低下すると判定される場合に、該NOxセンサによるNOx濃度の検出を停止させれば、検出値に誤差が生じることを抑制できる。還元剤には、尿素を含むことができる。
 また、前記検出手段は、排気の温度を検出する温度センサを含んで構成されても良い。
 検出手段として温度センサを採用する場合には、添加剤が排気や温度センサから熱を奪うため、検出値に誤差を生じる虞がある。これに対し、温度センサの検出精度が低下すると判定される場合に、該温度センサによる排気の温度の検出を停止させれば、検出値に誤差が生じることを抑制できる。
 上記課題を達成するために本発明による内燃機関の排気浄化方法は、以下の手段を採用した。すなわち、本発明による内燃機関の排気浄化方法は、 
 内燃機関の排気の状態を検出するときに、触媒へ添加する添加剤が存在することで排気の状態の検出精度が低下するか否かを判定する第1の工程と、
 排気の状態の検出精度が低下すると判定される場合には排気の状態の検出を停止させる第2の工程と、
 を含んで構成されることを特徴とする。
 なお、前記第1の工程では、添加剤が添加されているときに、排気の状態の検出精度が低下すると判定することができる。
 また、前記第2の工程において排気の状態の検出が停止されている場合には、排気の状態の検出に代えて、排気の状態の推定を行なう第3の工程を含んで構成されても良い。
 本発明によれば、排気中に添加される添加剤により、センサの測定値に誤差が生じることを抑制できる。
実施例1,2に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成を示す図である。 実施例1に係る制御フローを示したフローチャートである。 実施例2に係る制御フローを示したフローチャートである。 実施例3に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成を示す図である。
 以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置及び排気浄化方法の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。
 図1は、本実施例に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成を示す図である。図1に示す内燃機関1は、4つの気筒を有する水冷式の4サイクル・ディーゼルエンジンである。なお、以下の実施例は、ガソリンエンジンであっても同様に適用することができる。
 内燃機関1には、排気通路2が接続されている。排気通路2には、排気の流れ方向で上流側から順に、センサ4、添加弁5、触媒3が設けられている。
 また、センサ4は、排気の状態を検出するものであり、例えば排気中の特定の成分の濃度を検出する。センサ4には、例えば空燃比センサ、酸素濃度センサ、HCセンサ、またはNOxセンサを挙げることができる。また、例えば、排気の温度を検出する温度センサであっても良い。なお、本実施例においてはセンサ4が、本発明における検出手段に相当する。
 添加弁5は、還元剤または酸化剤等の添加剤を噴射する。添加剤には、例えば、燃料(HC)または尿素水等のアンモニア由来の還元剤を用いることができる。添加剤に何を用いるのかは、触媒3の種類に応じて決まる。そして、添加剤は、触媒3にて反応する。なお、本実施例においては添加弁5が、本発明における添加手段に相当する。
 触媒3には、例えば、吸蔵還元型NOx触媒、選択還元型NOx触媒、酸化触媒、または三元触媒を挙げることができる。また、これらの触媒を担持するか上流に備えるパティキュレートフィルタを備えていても良い。
 以上述べたように構成された内燃機関1には、該内燃機関1を制御するための電子制御ユニットであるECU10が併設されている。このECU10は、内燃機関1の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関1の運転状態を制御するユニットである。
 ECU10には、上記センサの他、運転者がアクセルペダル11を踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し機関負荷を検出可能なアクセル開度センサ12、及び機関回転数を検出するクランクポジションセンサ13が電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がECU10に入力されるようになっている。一方、ECU10には、添加弁5が電気配線を介して接続されており、該ECU10により添加弁5が制御される。
 なお、本実施例では、センサ4はNOxセンサとし、添加弁5は尿素水を添加するものとし、触媒3は選択還元型NOx触媒として説明する。そうすると、添加弁5から添加された尿素水は、排気の熱で加水分解されアンモニア(NH)となり、その一部又は全部が触媒3に吸着する。このアンモニアがNOxを選択的に還元させる。そして、触媒3にアンモニアを供給し、又は予め吸着させておき、触媒3をNOxが通過するときに該NOxを還元させる。
 そして、触媒3にアンモニアを予め吸着させておくために、添加弁5から尿素水を間欠的に添加している。例えばセンサ4によりNOx濃度を検出し、該NOx濃度と吸入空気量とからNOx量を算出する。このNOx量に応じて触媒3に吸着しているアンモニア量が減少するため、触媒3に吸着しているアンモニア量が規定量以下となったときに添加弁5から尿素水を添加する。なお、添加弁5から尿素水を添加する間隔を一定とし、センサ4により得られるNOx濃度に応じて添加弁5から添加する尿素水の量を決定しても良い。このように、尿素水は間欠的に添加される。
 ここで、添加弁5から排気中へ添加される尿素水は、排気の脈動によりセンサ4付近まで逆流する虞がある。NOxセンサでは該NOxセンサに塗布された触媒により、アンモニアもNOxと同じように検出されることもあるので、NOxセンサの周辺にアンモニアが存在すると、NOx濃度が実際よりも高く検出される虞がある。また、センサ4に尿素水が付着すると、該センサ4に塗布された触媒により排気中のNOxが還元されることがあるため、NOx濃度が実際よりも低く検出される虞がある。このように、尿素水の添加により、センサ4の検出値に誤差が生じることがある。これに対し本実施例では、添加弁5から排気中へ尿素水を添加しているときには、センサ4でのNOx濃度の検出を停止する。
 図2は、本実施例に係る制御フローを示したフローチャートである。本ルーチンは、ECU10により所定の時間毎に繰り返し実行される。
 ステップS101では、添加弁5から尿素水が添加されているか否か判定される。すなわち、センサ4の検出値に誤差が生じる虞のある状態であるか否か判定される。ステップS101で肯定判定がなされた場合にはステップS102へ進み、否定判定がなされた場合にはステップS103へ進む。なお、本実施例においてはステップS101を処理するECU10が、本発明における判定手段に相当する。また、本実施例においてはステップS101が、本発明における第1の工程に相当する。
 ステップS102では、センサ4によるNOx濃度の検出を停止する。また、ステップS103では、センサ4によるNOx濃度の検出を許可する。なお、本実施例においてはステップS102を処理するECU10が、本発明における停止手段に相当する。また、本実施例においてはステップS102が、本発明における第2の工程に相当する。
 このようにして、添加弁5から尿素水が添加されているときにはセンサ4によるNOx濃度の検出を停止し、尿素水が添加されていないときにはセンサ4によるNOx濃度の検出が許可される。
 なお、本実施例では、添加弁5から尿素水を添加している期間にセンサ4によるNOx濃度の検出を停止させているが、これに代えて、尿素水がセンサ4に実際に付着している期間または尿素水がセンサ4周辺に実際に存在している期間にセンサ4によるNOx濃度の検出を停止させても良い。すなわち、添加弁5から添加される尿素水がセンサ4に到達するまでにかかる時間を考慮したり、添加弁5に付着した尿素水が蒸発するまでにかかる時間を考慮したりしても良い。これらの期間は、例えば尿素水の添加量、添加時期、排気の流量、添加弁5からセンサ4までの距離と相関関係にあるため、これらの値に基づいて求めることができる。この関係は予め実験等により求めてマップ化しECU10に記憶しておいても良い。
 また、例えば、排気の流速が規定値以下のときであって添加弁5から尿素水を添加している期間に、センサ4によるNOx濃度の検出を停止しても良い。この場合、排気の流速が規定値を超えているときには、添加弁5から尿素水を添加している期間であっても、センサ4によるNOx濃度の検出を許可する。ここで、排気の流速が高くなるほど、尿素水がセンサ4に付着し難くなる。また、排気の流速が高くなるほど、尿素水が逆流し難くなる。そうすると、排気の流速によっては、尿素水を添加してもセンサ4の検出値に影響を及ぼさないこともある。このようなときには、尿素水を添加しているときであっても、NOx濃度の検出を許可することができる。これにより、必要の無いときまでNOx濃度の検出を停止させることを抑制できる。規定値は、尿素水がセンサ4に付着しないか又はセンサ4付近に存在しない流速として予め求めておく。なお、排気の流速に代えて、排気の流量又は空間速度(SV)を用いても良い。
 なお、センサ4が温度センサの場合には、添加弁5から添加される添加剤が蒸発するときに排気やセンサ4から熱を奪うため、排気の温度やセンサ4の温度を低下させる。このときにセンサ4により温度を検出していると、本来の排気の温度よりも低い温度が検出されてしまう。これに対し、添加弁5から添加剤を添加しているときにセンサ4による温度の検出を停止させれば、排気の温度の検出値に誤差が生じることを抑制できる。
 また、センサ4が空燃比センサで且つ添加剤がHCの場合には、添加弁5から添加されるHCが空燃比センサの検出値に影響を及ぼす。これに対し、添加弁5からHCを添加しているときに空燃比センサによる空燃比の検出を停止させれば、空燃比の検出値に誤差が生じることを抑制できる。そうすると、HCの添加量を適正化できるため、触媒3がHCにより被毒することや過熱することを抑制できる。また、空燃比が低くなりすぎることによる硫化水素の発生を抑制することができる。
 なお、本実施例では、添加弁5がセンサ4よりも排気の流れ方向で下流側に取り付けられているが、これに代えて、センサ4の上流側に添加弁5を取り付けている場合であっても同様に適用することができる。また、添加弁5は、センサ4と排気の流れ方向で差の無い位置に取り付けても良い。
 以上説明したように本実施例によれば、添加弁5から添加剤が添加されているときに、センサ4による排気の状態の検出を停止させるため、該センサ4による検出値に誤差が生じることを抑制できる。これにより、適量の添加剤を添加することができるため、添加剤の不足による排気浄化性能の低下を抑制することができる。また、添加剤が過剰になることにより該添加剤が触媒3をすり抜けることを抑制できる。
 本実施例では、添加弁5から添加剤が添加されているときに、センサ4による排気の状態の検出を停止させると共に、内燃機関1の運転状態から排気の状態を推定し、この推定値をセンサ4により得られる検出値に代えて用いる。その他の装置については実施例1と同じため説明を省略する。
 添加弁5から添加剤が添加されているときには、センサ4による排気の状態の検出を停止する。これは、実施例1と同様にして実行されるため説明を省略する。そして、排気の状態を以下のようにして推定する。なお、このときの推定対象は、センサ4の検出対象と同じである。
 ここで、排気の状態は、例えば、機関回転数、アクセル開度、燃料噴射量、燃料噴射時期、スロットル開度、吸気温度、吸入空気量、大気圧等から影響を受ける。また、排気の一部を吸気通路へ供給するEGR装置を備えている場合には、EGRガスの流量を調節するEGR弁の開度や、EGRガスの冷却を行なうEGRクーラの温度によっても影響を受ける。さらに、ターボチャージャを備えている場合には、過給圧、ターボチャージャの回転数の影響を受ける。可変容量型ターボチャージャを備えている場合には、ノズルベーンの開度の影響を受ける。なお、推定対象によっては影響を受けないものもある。
 すなわち、これらの値のなかで推定対象と相関関係があるものに基づいて、排気の状態を推定することができる。この関係は、予め実験等により求めてマップ化しておいても良い。
 図3は、本実施例に係る制御フローを示したフローチャートである。本ルーチンは、ECU10により所定の時間毎に繰り返し実行される。なお、センサ4はNOxセンサとし、添加弁5は尿素水を添加するものとし、触媒3は選択還元型NOx触媒として説明する。なお、図2に示したフローと同じ処理がなされるステップについては、同じ符号を付して説明を省略する。そして、図3に示すフローでは、ステップS201において、NOx濃度を推定している。このようにして推定されるNOx濃度に基づいて尿素水の添加量や添加時期を決定すれば、適正な量の添加剤を適正な時期に添加することができる。なお、本実施例においてはステップS201を処理するECU10が、本発明における推定手段に相当する。また、本実施例においてはステップS201が、本発明における第3の工程に相当する。
 以上説明したように本実施例によれば、添加弁5から添加剤が添加されているときには、センサ4による排気の状態の検出を停止させるため、該センサ4による検出値に誤差が生じることを抑制できる。また、このときには、推定により排気の状態を取得することができる。これにより、添加剤の添加量や添加時期の適正化を図ることができる。
 図4は、本実施例に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成を示す図である。主に、図1と異なる点について説明する。
 本実施例では、センサ4及び添加弁5よりも上流側の排気通路2に、上流側から順に酸化触媒21及びパティキュレートフィルタ22(以下、単にフィルタ22という。)が設けられている。フィルタ22は、排気中に含まれるPMを捕集する。そして、フィルタ22に捕集されているPMを酸化するときに、酸化触媒21へ例えばHCを供給することで、フィルタ22の温度が高められる。なお、酸化触媒21は、三元触媒または吸蔵還元型NOx触媒等の酸化機能を有する他の触媒であっても良い。また、フィルタ22に酸化触媒21等を担持しても良い。
 添加弁5及びセンサ4は、フィルタ22のすぐ下流の排気通路2に取り付けられている。添加弁5は、センサ4よりも排気の流れ方向で下流側か、センサ4と排気の流れ方向で差の無い位置に取り付けられる。すなわち、添加弁5よりもセンサ4が排気の流れ方向で下流側とならないように取り付けられる。また、添加弁5及びセンサ4は、フィルタ22における圧力損失を低減させるために通路断面積が比較的大きくされている箇所に取り付けられている。
 そうすると、添加弁5から触媒3までの距離を長くすることができ、且つ通路面積が縮小及び拡大するため、添加剤が広い範囲に分散するようになるので、添加剤の濃度を均一にすることができる。これにより、触媒3における排気の浄化を促進させることができる。
 しかし、添加弁5とセンサ4との距離が短くなるため、添加弁5から添加される添加剤の影響をセンサ4が受け易くなる。
 これに対し、実施例1と同様に、添加弁5から添加剤を添加するときには、センサ4にて排気の状態を検出することを停止する。また、実施例2と同様に、添加弁5から添加剤を添加するときには、センサ4による排気の状態の検出を停止させると共に、内燃機関1の運転状態から排気の状態を推定しても良い。このようにして、排気の浄化性能を高めつつ、センサ4の検出値に誤差が生じることを抑制できる。
1     内燃機関
2     排気通路
3     触媒
4     センサ
5     添加弁
10   ECU
11   アクセルペダル
12   アクセル開度センサ
13   クランクポジションセンサ
21   酸化触媒
22   パティキュレートフィルタ

Claims (8)

  1.  内燃機関の排気通路に設けられ排気の状態を検出する検出手段と、
     前記排気通路内に添加剤を添加する添加手段と、
     前記検出手段及び前記添加手段よりも下流側に設けられ該添加手段から添加剤の供給を受ける触媒と、
     前記添加手段から添加される添加剤により前記検出手段の検出精度が低下するか否かを判定する判定手段と、
     前記判定手段により前記検出手段の検出精度が低下すると判定される場合に、前記検出手段による排気の状態の検出を停止させる停止手段と、
     を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2.  前記判定手段は、前記添加手段により添加剤が添加されているときに、前記検出手段の検出精度が低下すると判定することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3.  内燃機関の運転状態に基づいて該内燃機関の排気の状態を推定する推定手段を備え、
     前記停止手段により前記検出手段による排気の状態の検出が停止されている場合には、前記検出手段による排気の状態の検出に代えて、前記推定手段による排気の状態の推定を行なうことを特徴とする請求項1または2に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4.  前記触媒は排気を選択的に還元する選択還元型NOx触媒を含んで構成され、前記検出手段は排気中のNOx濃度を検出するNOxセンサを含んで構成され、前記添加手段はアンモニア由来の還元剤を添加することを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  5.  前記検出手段は、排気の温度を検出する温度センサを含んで構成されることを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  6.  内燃機関の排気の状態を検出するときに、触媒へ添加する添加剤が存在することで排気の状態の検出精度が低下するか否かを判定する第1の工程と、
     排気の状態の検出精度が低下すると判定される場合には排気の状態の検出を停止させる第2の工程と、
     を含んで構成されることを特徴とする内燃機関の排気浄化方法。
  7.  前記第1の工程では、添加剤が添加されているときに、排気の状態の検出精度が低下すると判定することを特徴とする請求項6に記載の内燃機関の排気浄化方法。
  8.  前記第2の工程において排気の状態の検出が停止されている場合には、排気の状態の検出に代えて、排気の状態の推定を行なう第3の工程を含んで構成されることを特徴とする請求項6または7に記載の内燃機関の排気浄化方法。
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