JP2014012992A

JP2014012992A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2014012992A
Application number: JP2012149584A
Authority: JP
Inventors: Hirohiko Ota; 裕彦太田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-07-03
Filing date: 2012-07-03
Publication date: 2014-01-23
Also published as: EP2682581A1; EP2682581A8

Abstract

【課題】添加弁や同添加弁に添加剤を供給する供給通路内に残留する添加剤を的確に回収することのできる内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】内燃機関の排気浄化装置は、排気通路１に設けられた尿素水添加弁１０４と同添加弁１０４に尿素水を供給する供給通路１０２とを有している。この装置では、機関停止後に車載バッテリ２により電動式の尿素水ポンプ１０３を駆動して供給通路１０２内の添加剤を回収する回収処理を実行している。こうした内燃機関の排気浄化装置において、回収処理の実行時間を車載バッテリ２のバッテリ電圧に基づいて可変設定するようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

近年、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の浄化や、排気浄化触媒の再生等を目的として排気通路に液状の添加剤を添加する排気浄化装置が実用されている。こうした排気浄化装置としては、例えば尿素（（ＮＨ_２）_２ＣＯ）水を還元剤とした尿素ＳＣＲ（選択触媒還元：Selective Catalytic Reduction ）方式の排気浄化装置が知られている。この装置では、尿素水を添加する添加弁が排気通路に設置され、この添加弁に供給通路を介して尿素水タンクから尿素水が供給される。また、排気通路において添加弁よりも排気下流側にＳＣＲ触媒を坦持する担体が設置されている。

尿素ＳＣＲ式の排気浄化装置では、次のようにＮＯｘの浄化を行っている。すなわち、添加弁から排気通路に尿素水を添加すると、その尿素水は、排気中で熱分解、加水分解されてアンモニア（ＮＨ_３）に変化する。そして、排気中のＮＯｘとそのアンモニアとがＳＣＲ触媒において還元反応することで、排気中のＮＯｘが水と無害な窒素（Ｎ_２）に分解される。

ところで、こうした装置では、機関停止時等には添加剤の添加が行われない。そのため、添加弁や供給通路内には添加剤が残留した状態となる。そして、こうして残留した添加剤が冷間時等に凍結してその体積が膨張すると、添加弁や供給通路が破損するおそれがある。

そこで従来は、機関停止後に電動式のポンプを駆動して、添加弁や供給通路内に残留する尿素水を尿素水タンクに回収する回収処理を行うようにした装置等も提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２００８‐１０１５６４号公報

ところで、上記特許文献１に記載の装置では、上記回収処理の実行時間を一定時間に設定するようにしている。そのため、内燃機関を搭載する車両のバッテリ電圧が低下するようなことがあると、ポンプの駆動能力が低下して上記尿素水等の添加剤の回収量が減少し、供給通路内等に残留する添加剤を十分に回収することができなくなるおそれがある。

本発明はこうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、添加弁や同添加弁に添加剤を供給する供給通路内に残留する添加剤を的確に回収することのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、内燃機関の排気通路に設けられた添加弁と、前記添加弁に液状の添加剤を供給する供給通路とを有し、機関停止後に車載バッテリにより電動式のポンプを駆動して前記供給通路内の添加剤を回収する回収処理を実行する内燃機関の排気浄化装置において、前記回収処理の実行時間を前記車載バッテリのバッテリ電圧に基づいて可変設定することをその要旨とする。

上記構成によれば、車載バッテリのバッテリ電圧に基づいて回収処理の実行時間が可変設定される、換言すれば、電動式ポンプの駆動能力に応じて回収処理の実行時間を設定することができるようになる。そのため、添加弁や供給通路内に残留する添加剤の量を回収処理によって的確に回収することができるようになる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記バッテリ電圧が低いときほど前記回収処理の実行時間を長くすることをその要旨とする。
上記構成によれば、バッテリ電圧が低いときほど回収処理の実行時間が長くなるため、ポンプの駆動能力の低下に合わせて回収処理の実行時間を長くすることができる。そのため、ポンプの駆動能力の不足を回収処理の実行時間で補うことができ、供給通路内に残留する添加剤を十分に回収することができる。一方、バッテリ電圧が高く、ポンプの駆動能力が高いときには、回収処理の実行時間を短くすることができる。そのため、残留する尿素水が回収された後に必要以上にポンプを駆動することを抑制することができる。また、これにより、機関停止中のバッテリ電力消費量を低減させることもできる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記バッテリ電圧が所定値以下のときに、前記回収処理の実行時間を可変設定することをその要旨とする。
上記構成によれば、バッテリ電圧が所定値以下に低下して初めて回収処理の実行時間が可変設定されるため、機関停止中の必要以上のポンプ駆動をより的確に抑制することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発明において、前記添加剤が尿素水であり、当該尿素水を還元剤とした選択触媒還元によって排気中の窒素酸化物を浄化することをその要旨とする。

本発明は、添加剤として尿素水を添加する尿素ＳＣＲ方式の排気浄化装置への適用が特に望ましい。

本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置を具体化した第一実施形態について、その全体構成を模式的に示す略図。同実施形態による回収処理の実行手順を示すフローチャート。同実施形態において採用する回収処理の設定時間とバッテリ電圧との対応関係を示すグラフ。本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置を具体化した第二実施形態において、その回収処理の実行手順を示すフローチャート。同実施形態おいて採用する回収処理の実行時間とバッテリ電圧との対応関係を示すグラフ。回収処理の実行時間とバッテリ電圧との対応関係について他の関係例を示すグラフ。

（第一実施形態）
以下、本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置を具体化した第一実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。

まず、本実施形態にかかる内燃機関の排気浄化装置の構成について図１を参照して説明する。
図１に示すように、内燃機関の排気通路１には、排気通路１に尿素水を供給する尿素水供給装置１００が設けられている。尿素水供給装置１００には、尿素（（ＮＨ_２）_２ＣＯ）水が貯留された尿素水タンク１０１が設けられている。尿素水タンク１０１には、尿素水を配送するための供給通路１０２が接続されている。尿素水タンク１０１の内部には、尿素水ポンプ１０３が配設されている。尿素水ポンプ１０３は、車両に搭載されたバッテリ２から電圧が印加されており、その電圧によって駆動される電動式のポンプである。この電動式の尿素水ポンプ１０３が正回転駆動されることで、尿素水タンク１０１から供給通路１０２に尿素水が加圧吐出される。また、供給通路１０２の他端部は、排気通路１に設置された尿素水添加弁１０４に接続されている。尿素水添加弁１０４は、その開弁に応じて、供給通路１０２を通じて圧送された尿素水を排気通路１に噴霧する。

排気通路１において尿素水添加弁１０４の設置箇所の下流には、触媒コンバータ３が配設されている。触媒コンバータ３の内部には、尿素ＳＣＲ触媒が担持されたＳＣＲ触媒担体４と、アンモニアスリップ抑制触媒（以下、ＡＳＣ触媒という。）が坦持されたＡＳＣ触媒担体５が設けられている。これらの担体は、セラミクス等からなり、内部がハニカム構造とされた円筒形に形成されている。

また、内燃機関には、その機関運転状態を検出するための各種センサが取り付けられている。例えば、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルセンサ６、ブレーキ操作量を検出するブレーキセンサ７、車両の車速を検出する車速センサ８、車両の運転者による内燃機関の始動操作及び停止操作を検出するイグニッションスイッチ９等が設けられている。

これら各種センサ等の出力は電子制御装置１０に入力される。この電子制御装置１０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。

なお、こうした電子制御装置１０には、車両に搭載されたバッテリ２から電力が供給されている。また、バッテリ２は、電子制御装置１０、尿素水ポンプ１０３以外にも車両に搭載された電気系１１（例えば、ライト、オーディオ等）に電力を供給している。

そして、電子制御装置１０は、排気浄化制御の一つとして、尿素水添加弁１０４による尿素水の添加制御を行う。この制御では、排気中のＮＯｘを還元処理するために過不足の無い尿素水添加量が機関運転状態等に基づいて算出され、その算出された尿素水添加量が尿素水添加弁１０４から噴射されるように、同尿素水添加弁１０４の開弁状態が制御される。なお、ＮＯｘ還元のための尿素水添加は、機関運転中は継続して行われ、機関運転が停止されると停止される。

尿素水添加弁１０４から排気通路１内の排気中に尿素水が添加されると、その尿素水は、排気中で熱分解、加水分解されて、アンモニア（ＮＨ_３）に変化する。そして、そのアンモニアは、触媒コンバータ３の内部に流入する。触媒コンバータ３の内部に流入したアンモニアは、ＳＣＲ触媒担体４に坦持された尿素ＳＣＲ触媒上で、排気中のＮＯｘと還元反応する。そしてこれにより、排気中のＮＯｘが水と無害な窒素（Ｎ_２）に分解される。なお、このとき、反応されずにＳＣＲ触媒担体４を通り抜けたアンモニアは、その下流に設けられたＡＳＣ触媒担体５に坦持されたＡＳＣ触媒上で酸化され、水と窒素とに分解される。

また、電子制御装置１０では、尿素水添加弁１０４や供給通路１０２内に残留した尿素水が冷間時に凍結し、その体積が膨張することよって同添加弁１０４や供給通路１０２が破損してしまうことを抑制するために、機関停止時に尿素水ポンプ１０３を逆回転駆動して、供給通路１０２内に残留する尿素水を尿素水タンク１０１に回収する回収処理を行う。

ただし、上記尿素水の回収処理を実行する際に、車載バッテリ２のバッテリ電圧が低下しているようなことがあると、尿素水ポンプ１０３の駆動能力が低下する。そこで、本実施形態では、バッテリ電圧に応じて回収処理の実行時間を可変設定することにより、尿素水ポンプ１０３の駆動能力に応じて回収処理が的確に実行されるようにしている。

次に、図２のフローチャートを参照して、本実施形態の回収処理にかかる動作について詳細に説明する。なお、この処理は、機関停止がなされた後に電子制御装置１０によって一度だけ実行される処理である。

図２に示すように、本処理ではまず、機関停止されたか否かを判定する（ステップＳ１）。なお、この判定は、イグニッションスイッチ９からの信号に基づいて行うことができる。ここで、機関停止がされたと判定された場合（ステップＳ１＝ＹＥＳ）には、次にステップＳ２の処理に進む。ステップＳ２の処理では、車載バッテリ２のバッテリ電圧を取得する。なお、バッテリ電圧は、例えば、バッテリ２から給電される電子制御装置１０において算出してもよいし、電圧センサ等を設けてその情報を受けるようにしてもよい。そして、ステップＳ３の処理において、予め電子制御装置１０に記憶されたマップから、バッテリ電圧に対応した回収処理の設定時間αを演算する。ここで、回収処理の設定時間αとバッテリ電圧との対応関係を示すマップの一例を図３に示す。

図３に示すように、回収処理の設定時間αは、バッテリ電圧が低下するほど長くなるように設定されている。このマップは、バッテリ電圧、すなわち電動式の尿素水ポンプ１０３の駆動能力に対応させて、残留する尿素水を回収するために必要な回収処理の実行時間が設定されたものであり、実験等によって予め求められたものである。

そしてこうして回収処理の設定時間αがマップ演算されると、尿素水の回収処理が実行される（ステップＳ４）。この処理では、電動式の尿素水ポンプ１０３を逆回転駆動して、供給通路１０２から尿素水タンク１０１に尿素水を排出させる。このとき、供給通路１０２と尿素水添加弁１０４とは連通しているため、こうした回収処理によって供給通路１０２内の尿素水が排出されると、これに伴い尿素水添加弁１０４に残留する尿素水も回収される。

その後、ステップＳ５にて、回収処理が開始されてからの経過時間Ｔｑがカウントされる。
次に、こうしてカウントされた経過時間Ｔｑが上記設定時間α以上か否かを判定する（ステップＳ６）。この処理において、経過時間Ｔｑが設定時間α未満であると判定された場合（ステップＳ６＝ＮＯ）には、ステップＳ５、並びにステップＳ６の処理が繰り返し実行される。一方、経過時間Ｔｑが設定時間α以上であると判定された場合（ステップＳ６＝ＹＥＳ）には、ステップＳ７にその処理を移行して、回収処理が終了する。

こうした処理により、回収処理の実行時間がバッテリ電圧に応じて算出される設定時間αに設定される。
以上説明したように、第一実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。

（１）本実施形態では、車載バッテリ２のバッテリ電圧が低いときほど回収処理の設定時間αを長い値に設定し、回収処理の実行時間がこの設定時間α以上となるまで回収処理を実行するようにしている。換言すれば、回収処理の実行時間をバッテリ電圧が低いときほど長くなるようにしている。そのため、電動式の尿素水ポンプ１０３の駆動能力の低下に合わせて回収処理の実行時間を長くすることができ、供給通路１０２内に残留する添加剤を的確に回収することができる。したがって、尿素水添加弁１０４や供給通路１０２の破損をより好適に抑制することができる。

また、バッテリ電圧が高く、尿素水ポンプ１０３の駆動能力が高いときには、回収処理の実行時間を短くしている。そのため、残留する尿素水が回収された後に必要以上に尿素水ポンプ１０３を駆動することを抑制することができるとともに、機関停止中の電力消費量の低減を図ることができる。

（第二実施形態）
次に、本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置を具体化した第二実施形態について、図４及び図５を参照して説明する。本実施形態では、回収処理の実行時間の設定態様が上記第一実施形態のものと異なっている。なお、本実施形態において、第一実施形態と同様の構成については、共通の符号を付してその詳細な説明は省略する。

本実施形態では、バッテリ電圧が所定値以下であると判断されたときに、回収処理の実行時間を可変設定するようにしている。
こうした本実施形態の回収処理の動作について図４に示すフローチャートを参照して説明する。なお、図４において、ステップＳ１、Ｓ２、並びにステップＳ４〜Ｓ６の処理については第一実施形態と同様の処理である。また、この処理も、機関停止がなされた後に電子制御装置１０によって一度だけ実行される処理である。

図４に示すように、本処理ではまず、機関停止されたか否かを判定する（ステップＳ１）。機関停止がされたと判定された場合（ステップＳ１＝ＹＥＳ）には、次にステップＳ２の処理に進む。ステップＳ２の処理では、車載バッテリ２のバッテリ電圧を取得する。次に、ステップＳ８の処理において、算出されたバッテリ電圧が所定値Ｖｂ以下か否かを判定する。なお、この所定値Ｖｂは、標準の時間α０で尿素水の回収処理を実行した際に、供給通路１０２内に残留する尿素水を十分に回収することができなくなるバッテリ電圧の最大値が設定されている。この処理において、算出されたバッテリ電圧が所定値Ｖｂよりも大きいと判定された場合（ステップＳ８＝ＮＯ）、すなわち、回収処理を算出されたバッテリ電圧で標準の時間α０実行すれば、供給通路１０２内の尿素水を十分に回収できると判断された場合には、回収処理の設定時間αとして、標準の時間α０が設定される（ステップＳ１０）。なお、標準の時間α０は、回収処理において通常時に設定される実行時間であり、例えば、尿素水添加弁１０４や供給通路１０２の容積等により予め設定されている時間である。

一方、算出されたバッテリ電圧が所定値Ｖｂ以下であると判定された場合（ステップＳ８＝ＹＥＳ）、すなわち、回収処理を算出されたバッテリ電圧で標準の時間α０実行したとしても、供給通路１０２内の尿素水を十分に回収できないと判断された場合には、そのバッテリ電圧に応じて回収処理の設定時間αをマップ演算する（ステップＳ９）。なお、このマップは予め電子制御装置１０に記憶されており、設定時間αが標準の時間α０よりも長くなるよう設定されている（α＞α０）。また、設定時間αは、バッテリ電圧が低いときほど長くなるように設定されている。

そして、ステップＳ９又はステップＳ１０の処理により回収処理の設定時間αが演算されると、尿素水の回収処理が実行され（ステップＳ４）、続いて回収処理が開始されてからの経過時間Ｔｑがカウントされる（ステップＳ５）。

次に、こうしてカウントされた経過時間Ｔｑが上記設定時間α以上か否かを判定する（ステップＳ６）。この処理において、経過時間Ｔｑが設定時間α未満であると判定された場合（ステップＳ５＝ＮＯ）には、ステップＳ５、並びにステップＳ６の処理が繰り返し実行される。一方、経過時間Ｔｑが設定時間α以上であると判定された場合（ステップＳ６＝ＹＥＳ）には、ステップＳ７にその処理を移行して、回収処理が終了する。

次に、こうした処理により設定される回収処理の実行時間とバッテリ電圧との関係を図５を参照して説明する。
図５に示すように、バッテリ電圧が所定値Ｖｂよりも大きい場合には、回収処理の実行時間は標準の時間α０に設定される。一方、バッテリ電圧が所定値Ｖｂ以下のときには、バッテリ電圧が低いときほど実行時間が長くなるように設定される。このように、本実施形態では、バッテリ電圧が所定値Ｖｂ以下のときに、回収処理の実行時間を標準の時間α０よりも長くするようにしている。

以上説明したように、第二実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
（２）本実施形態では、バッテリ電圧が所定値Ｖｂ以下となり、回収処理を標準の時間α０実行したとしても残留する尿素水を十分に回収することができない場合に、回収処理の実行時間を標準の時間α０よりも長くするようにしている。そのため、通常設定されている時間内では尿素水を十分に回収できない場合に、その回収処理の実行時間を長くすることができ、供給通路１０２内に残留する尿素水を的確に回収することができる。

（３）本実施形態では、バッテリ電圧が所定値Ｖｂ未満となった際に、バッテリ電圧が低いときほど回収処理の実行時間を長くなるようにしている。そのため、電動式の尿素水ポンプ１０３の駆動能力の低下に合わせて回収処理の実行時間を長くすることができ、供給通路１０２内に残留する尿素水を的確に回収することができる。
（他の実施形態）
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施することもできる。

・上記第二実施形態では、バッテリ電圧が所定値Ｖｂよりも大きい場合に、回収処理の実行時間を標準の時間α０に設定し、バッテリ電圧が所定値Ｖｂ以下である場合に、バッテリ電圧が低下するほど回収処理の実行時間を長くするようにしていたが、回収処理の実行時間の設定態様は、これに限られるものではない。その一例を図６に示している。

図６に示すように、バッテリ電圧が所定値Ｖｂよりも大きいときには、回収処理の実行時間を標準の時間α０に設定するとともに、バッテリ電圧が所定値Ｖｂ以下のときには、標準の時間α０よりも長く且つ余裕をもった所定の時間α１を回収処理の実行時間に設定するようにしてもよい（α１＞α０）。また、標準の時間α０と所定の時間α１との２段階に設定するのではなく、３段階以上に回収処理の実行時間を設定するようにしてもよい。こうした構成によっても、上記（２）に記載の効果に準じた効果を得ることができる。

・上記各実施形態では、回収処理において、バッテリ電圧を取得してバッテリ電圧に応じた設定時間αをマップ演算した後に、回収処理を実行するようにした。尤も、回収処理の実行時間の設定態様はこれに限られるものではない。例えば、バッテリ電圧を常に監視し、回収処理の実行中においても、バッテリ電圧の変化に応じて回収処理の実行時間を変更するようにしてもよい。こうした構成によっても残留尿素水を的確に回収することができる。

・上記各実施形態では、機関停止されたか否かの判定をイグニッションスイッチ９からの信号に基づいて行っていたが、クランク角センサ等、他のセンサの検出値に基づいて判定するようにしてもよい。

・上記各実施形態では、添加剤として尿素水を供給する排気浄化装置に本発明を具体化したが、他の還元剤（例えば、アンモニア水）や、燃料等を添加する装置に本発明を適用してもよい。

１…排気通路、２…車載バッテリ、３…触媒コンバータ、４…ＳＣＲ触媒担体、５…ＡＳＣ触媒担体、６…アクセルセンサ、７…ブレーキセンサ、８…車速センサ、９…イグニッションスイッチ、１０…電子制御装置、１１…電気系、１００…尿素水供給装置、１０１…尿素水タンク、１０２…供給通路、１０３…尿素水ポンプ、１０４…尿素水添加弁。

Claims

内燃機関の排気通路に設けられた添加弁と、前記添加弁に液状の添加剤を供給する供給通路とを有し、機関停止後に車載バッテリにより電動式のポンプを駆動して前記供給通路内の添加剤を回収する回収処理を実行する内燃機関の排気浄化装置において、
前記回収処理の実行時間を前記車載バッテリのバッテリ電圧に基づいて可変設定する
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記バッテリ電圧が低いときほど前記回収処理の実行時間を長くする
請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記バッテリ電圧が所定値以下のときに、前記回収処理の実行時間を可変設定する
請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記添加剤が尿素水であり、当該尿素水を還元剤とした選択触媒還元によって排気中の窒素酸化物を浄化する
請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。