JP2021046814A - 排気浄化システム及び車両 - Google Patents
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Abstract
【課題】供給管内での還元剤の凍結を高精度に推定する。【解決手段】排気通路20を流れる排気ガスを尿素水で浄化させる排気浄化システムSは、尿素水を収容するタンク42と、尿素水を排気通路20に噴射する噴射部41と、タンク42から噴射部41へ向けて尿素水を送り出すポンプ44と、ポンプ44と噴射部41を繋いでおり、尿素水が流れる供給管43と、供給管43の周囲の温度、ポンプ44の温度、及びポンプ44による尿素水の送出量に基づいて、供給管43内の尿素水が凍結するか否かを推定する凍結推定部(制御装置100)とを備える。【選択図】図1
Description
本発明は、排気浄化システム及び車両に関する。
車両には、エンジンの排気ガス中のNOx(窒素酸化物)を浄化するために、排気ガスが流れる排気通路に還元剤(具体的には、尿素水)を噴射する排気浄化システムが搭載されている。還元剤は、収容部に収容されており、供給管を介して噴射部に供給される。還元剤は、例えば外気温が低温である場合には、凍結することがある。
従来、収容部内に設けたセンサ等の出力値に基づいて還元剤の凍結を判定していたが、経路が長い供給管内の還元剤の凍結については、上述したセンサ等の出力値から正確に判定することは困難であった。
そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、供給管内での還元剤の凍結を高精度に推定することを目的とする。
本発明の第1の態様においては、排気管を流れる排気ガスを還元剤で浄化させる排気浄化システムであって、前記還元剤を収容する収容部と、前記還元剤を前記排気管に噴射する噴射部と、前記収容部から前記噴射部へ向けて前記還元剤を送り出す送出部と、前記送出部と前記噴射部を繋いでおり、前記還元剤が流れる供給管と、前記供給管の周囲の温度、前記送出部の温度、及び前記送出部による前記還元剤の送出量に基づいて、前記供給管内の前記還元剤が凍結するか否かを推定する凍結推定部と、を備える、排気浄化システムを提供する。
また、前記凍結推定部は、前記送出部が単位時間当たりに送出した前記還元剤が前記供給管内にて凍結するか否かを推定することとしてもよい。
また、前記凍結推定部は、前記単位時間当たりに送出された前記還元剤が前記噴射部に到達する時間内に凍結するのに必要な熱量である凍結熱量と、前記単位時間当たりに送出された前記還元剤が前記噴射部に到着するまでに放出する熱量である放出熱量とを求め、前記放出熱量が前記凍結熱量よりも大きい場合には、前記単位時間当たりに送出された前記還元剤が凍結すると推定することとしてもよい。
また、前記凍結推定部は、前記供給管の前記噴射部との接続部側で前記還元剤が凍結するか否かを推定することとしてもよい。
本発明の第2の態様においては、内燃機関と、前記内燃機関の排気ガスが流れる排気管と、前記排気浄化システムとを有する車両を提供する。
本発明によれば、供給管内での還元剤の凍結を高精度に推定できるという効果を奏する。
<排気浄化システムの構成>
図1を参照しながら、本発明の一の実施形態に係る排気浄化システムSの構成について説明する。
図1を参照しながら、本発明の一の実施形態に係る排気浄化システムSの構成について説明する。
図1は、一の実施形態に係る排気浄化システムSの構成を示す模式図である。図1に示すように、排気浄化システムSは、エンジン10と、排気通路20と、DPF(Diesel Particulate Filter)30と、尿素水噴射装置40と、SCR(Selective Catalytic Reduction;選択還元触媒)装置50と、NOxセンサ60、65と、温度検出部70と、制御装置100とを有する。排気浄化システムSは、トラック等の車両に搭載されており、エンジン10の排気ガスを浄化する。ここでは、排気浄化システムSは、排気通路20を流れる排気ガスを還元剤である尿素水で浄化させる。
エンジン10は、燃料と吸気(空気)の混合気を燃焼、膨張させて、動力を発生させる内燃機関である。エンジン10は、ここでは4気筒のディーゼルエンジンであるが、これに限定されず、4気筒以外のエンジンであってもよい。
排気通路20は、エンジン10と接続された排気管であり、エンジン10の排気ガスを車両の外部へ排出させる。排気ガスが流れる排気通路20には、DPF30、尿素水噴射装置40及びSCR装置50が設けられている。
DPF30は、排気ガスに含まれる粒子状物質(PM)を捕集するフィルタである。DPF30は、例えば、金属やセラミックス製のハニカム体で構成されている。
尿素水噴射装置40は、DPF30とSCR装置50の間に設けられており、排気通路20内に尿素水を噴射する。尿素水噴射装置40が噴射した尿素水は、排気通路20を流れる排気ガスの熱によって加水分解し、アンモニアが生成される。アンモニアは、排気ガス中のNOxの還元反応を起こすために用いられる。
尿素水噴射装置40は、図1に示すように、噴射部41と、タンク42と、供給管43と、ポンプ44とを有する。
噴射部41は、尿素水を排気通路20内に噴射する。タンク42は、尿素水を収容する収容部である。供給管43は、タンク42と噴射部41を繋いでいる管であり、尿素水が流れる流路となっている。ポンプ44は、タンク42から噴射部41へ向けて尿素水を送り出す送出部である。ポンプ44は、供給管43の途中に設けられている。なお、タンク42内には、尿素水の温度や品質(濃度等)を検出するセンサが設けられている。
噴射部41は、尿素水を排気通路20内に噴射する。タンク42は、尿素水を収容する収容部である。供給管43は、タンク42と噴射部41を繋いでいる管であり、尿素水が流れる流路となっている。ポンプ44は、タンク42から噴射部41へ向けて尿素水を送り出す送出部である。ポンプ44は、供給管43の途中に設けられている。なお、タンク42内には、尿素水の温度や品質(濃度等)を検出するセンサが設けられている。
SCR装置50は、排気ガス中のNOxを還元反応によって無害な窒素に変換する装置である。SCR装置50は、アンモニアとNOxの還元反応を促進させる還元触媒52を有する。還元触媒52には、尿素水から生成されたアンモニアが吸着される。還元触媒52は、吸着したアンモニアによってNOxを窒素と水に還元し、NOxの排出を低減させる。
NOxセンサ60、65は、排気ガス中のNOxの濃度を検出する。NOxセンサ60は、排気通路20においてSCR装置50の上流側に設けられ、NOxセンサ65は、SCR装置50の下流側に設けられている。
温度検出部70は、尿素水噴射装置40の尿素水の凍結推定に用いる各種温度を検出する。例えば、温度検出部70は、供給管43の周囲の温度を検出する温度センサ72(図2)と、ポンプ44の温度を検出する温度センサ73(図2)とを含む。なお、供給管43の周囲の温度は、例えば外気の温度とほぼ同じ温度である。
制御装置100は、排気浄化システムSの動作を制御する。制御装置100は、尿素水の状態に応じて尿素水噴射装置40の動作を制御する。制御装置100は、詳細は後述するが、供給管43の周囲の温度、ポンプ44の温度、及びポンプ44の尿素水の送出量に基づいて、供給管43内の尿素水が凍結するか否かを推定する。これにより、供給管43内における尿素水の凍結の発生を高精度に推定できる。この結果、尿素水の凍結中に尿素水の供給・噴射等の動作を行うことを防止できる。
<制御装置の詳細構成>
図2を参照しながら、制御装置100の詳細構成の一例について説明する。
図2は、制御装置100の詳細構成を示すブロック図である。制御装置100は、記憶部110と、制御部120とを有する。
図2を参照しながら、制御装置100の詳細構成の一例について説明する。
図2は、制御装置100の詳細構成を示すブロック図である。制御装置100は、記憶部110と、制御部120とを有する。
記憶部110は、例えばROM(Read Only Memory)及びRAM(Random Access Memory)を含む。記憶部110は、制御部120が実行するためのプログラムや各種データを記憶する。例えば、記憶部110は、後述する尿素水の凍結推定処理に用いられる各種情報を記憶している。
制御部120は、例えばCPU(Central Processing Unit)である。制御部120は、記憶部110に記憶されたプログラムを実行することにより、排気浄化システムSの動作を制御する。本実施形態では、制御部120は、ポンプ制御部121と、温度取得部122と、凍結推定部123と、解凍制御部124として機能する。
ポンプ制御部121は、尿素水噴射装置40のポンプ44の動作を制御する。例えば、ポンプ制御部121は、ポンプ44の回転数を変更して、ポンプ44の尿素水の送出量を制御する。ポンプ制御部121は、ポンプ44の尿素水の送出量を特定して凍結推定部123に出力する。
温度取得部122は、供給管43の周囲の温度と、ポンプ44の温度とを取得する。具体的には、温度取得部122は、温度検出部70から、供給管43の周囲の温度及びポンプ44の温度を取得する。
凍結推定部123は、尿素水噴射装置40の尿素水の凍結の発生の有無を推定する。本実施形態では、凍結推定部123は、ポンプ44から吐出され噴射部41に向かう尿素水(別言すれば、供給管43内の尿素水)の凍結の発生の有無を推定する。通常、ポンプ44から送り出された尿素水の温度は、噴射部41に近づくにつれて低くなる。このため、供給管43において噴射部41との接続部側が、最も尿素水が凍結する蓋然性が高い箇所となる。そこで、凍結推定部123は、供給管43の噴射部41との接続部側で尿素水が凍結するか否かを推定する。
凍結推定部123は、供給管43の周囲の温度、ポンプ44の温度、及びポンプ44による尿素水の送出量に基づいて、供給管43内の尿素水が凍結するか否かを推定する。すなわち、凍結推定部123は、温度取得部122が取得した温度情報と、ポンプ制御部121が特定した送出量とに基づいて、供給管43内の尿素水が凍結するか否かを推定する。
凍結推定部123は、ポンプ44が単位時間当たりに送出した尿素水が供給管43内にて凍結するか否かを推定してもよい。具体的には、凍結推定部123は、ポンプ44が単位時間当たりに送出した量をひとかたまりとして、下記のように凍結の発生の有無を推定する。
まず、凍結推定部123は、単位時間当たりの尿素水が噴射部41に到達する時間内に凍結するのに必要な熱量である凍結熱量C1と、単位時間当たりの尿素水が噴射部41に到着するまでに放出する熱量である放出熱量C2とを求める。
尿素水の凍結熱量C1は、下記の式で求められる。
凍結熱量C1[J]=尿素水の凝固熱量C3[J]+尿素水の凝固温度までの必要熱量C4[J]
凍結熱量C1[J]=尿素水の凝固熱量C3[J]+尿素水の凝固温度までの必要熱量C4[J]
ここで、単位時間当たりの送出量は、単位時間当たりの尿素水のかたまりの体積と等しいので、凝固熱量C3及び必要熱量C4は、下記の式で求められる。
凝固熱量C3[J]=凝固潜熱[J/g]×かたまりの体積[m3]×比重[Kg/m3]×1000
必要熱量C4[J]=(ポンプ温度T1[K]−凝固温度T2[K])×尿素水比熱[J/(g・K)]×かたまりの体積[m3]×比重[Kg/m3]×1000
凝固熱量C3[J]=凝固潜熱[J/g]×かたまりの体積[m3]×比重[Kg/m3]×1000
必要熱量C4[J]=(ポンプ温度T1[K]−凝固温度T2[K])×尿素水比熱[J/(g・K)]×かたまりの体積[m3]×比重[Kg/m3]×1000
なお、上記の凝固潜熱、凝固温度T2及び尿素水比熱は、所定値である。また、ポンプ温度T1は、温度検出部70が検出したポンプ44の温度である。
尿素水の放出熱量C2は、下記の式で求められる。
放出熱量C2[J]=噴射部に到達する迄の時間T3[s]×外気への単位時間当たりの放熱量C5[W]
放出熱量C2[J]=噴射部に到達する迄の時間T3[s]×外気への単位時間当たりの放熱量C5[W]
ここで、放熱量C5は、下記の式で求められる。
放熱量C5[W]=供給管表面積S1[m2]×熱伝導率[W/(m2・K)]×(ポンプ温度T1[K]−凝固温度T2[K])
放熱量C5[W]=供給管表面積S1[m2]×熱伝導率[W/(m2・K)]×(ポンプ温度T1[K]−凝固温度T2[K])
なお、供給管表面積S1は、単位時間当たりに送出される尿素水が接する面積である。また、熱伝導率は、供給管表面積S1及び熱伝導率は、所定値である。
凍結推定部123は、求めた凍結熱量C1と放出熱量C2とを比較する。そして、凍結推定部123は、放出熱量C2が凍結熱量C1よりも大きい場合には、単位時間当たりの尿素水が凍結すると推定する。これにより、ポンプ44が送出した尿素水が噴射部41に至るまでに供給管43内にて凍結するか否かを高精度に推定できる。
解凍制御部124は、凍結した尿素水の解凍処理を行う。すなわち、解凍制御部124は、凍結推定部123によって尿素水の凍結が発生したと推定されると、尿素水の解凍処理を行う。例えば、解凍制御部124は、熱源としてエンジン10の冷却水によって、凍結した尿素水を解凍させる。ここで、エンジン10の冷却水が、供給管43に沿って設けられた冷却水管を流れることで、冷却水の熱によって尿素水が解凍される。上記では、熱源がエンジン10の冷却水であることとしたが、これに限定されない。例えば、解凍制御部124は、熱源とヒータを用いて、尿素水を解凍してもよい。
<尿素水の凍結推定処理>
尿素水の凍結推定処理時の制御装置100の動作例について、図3を参照しながら説明する。
尿素水の凍結推定処理時の制御装置100の動作例について、図3を参照しながら説明する。
図3は、尿素水の凍結推定処理の一例を説明するためのフローチャートである。凍結推定処理は、制御部120が記憶部110に記憶されたプログラムを実行することで、行われる。凍結推定処理は、所定間隔で繰り返し実行される。
まず、温度取得部122は、温度検出部70から、供給管43の周囲の温度(外気温度)とポンプ44の温度とを取得する(ステップS102)。また、ポンプ制御部121は、ポンプ44の回転数から、尿素水の送出量を特定する(ステップS104)。なお、ステップS102とS104の処理は、同時に行われてもよい。
次に、凍結推定部123は、ポンプ44が送出した尿素水が供給管43内で凍結しているか否かを推定する(ステップS106)。ここでは、凍結推定部123は、供給管43の周囲の温度と、ポンプ44の温度、及び尿素水の送出量に基づいて、尿素水が凍結しているか否かを推定する。例えば、凍結推定部123は、上述した放出熱量C2が凍結熱量C1よりも大きい場合には、尿素水が供給管43内にて凍結すると推定する。
そして、供給管43内の尿素水が凍結していると推定された場合には(ステップS108:Yes)、解凍制御部124は、凍結した尿素水を解凍する解凍制御を行う(ステップS110)。例えば、解凍制御部124は、エンジン10の冷却水を用いて尿素水を解凍させる。一方で、供給管43内の尿素水が凍結していないと推定された場合には(ステップS108:No)、解凍制御は行われない。
<本実施形態における効果>
上述した実施形態の排気浄化システムSは、尿素水噴射装置40の供給管43の周囲の温度、ポンプ44の温度、及びポンプ44の尿素水の送出量に基づいて、ポンプ44から噴射部41へ流れる供給管43内の尿素水が凍結するか否かを推定する。
上記の推定の場合には、タンク42内に設けたセンサで尿素水の温度等を検出して凍結の有無を推定する場合に比べて、供給管43内における尿素水の凍結の発生を高精度に推定できる。特に、供給管43の経路が長い場合には、本実施形態の凍結推定がより有効に奏される。
上述した実施形態の排気浄化システムSは、尿素水噴射装置40の供給管43の周囲の温度、ポンプ44の温度、及びポンプ44の尿素水の送出量に基づいて、ポンプ44から噴射部41へ流れる供給管43内の尿素水が凍結するか否かを推定する。
上記の推定の場合には、タンク42内に設けたセンサで尿素水の温度等を検出して凍結の有無を推定する場合に比べて、供給管43内における尿素水の凍結の発生を高精度に推定できる。特に、供給管43の経路が長い場合には、本実施形態の凍結推定がより有効に奏される。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の全部又は一部は、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を併せ持つ。
20 排気通路
41 噴射部
42 タンク
43 供給管
44 ポンプ
123 凍結推定部
S 排気浄化システム
41 噴射部
42 タンク
43 供給管
44 ポンプ
123 凍結推定部
S 排気浄化システム
Claims (5)
- 排気管を流れる排気ガスを還元剤で浄化させる排気浄化システムであって、
前記還元剤を収容する収容部と、
前記還元剤を前記排気管に噴射する噴射部と、
前記収容部から前記噴射部へ向けて前記還元剤を送り出す送出部と、
前記送出部と前記噴射部を繋いでおり、前記還元剤が流れる供給管と、
前記供給管の周囲の温度、前記送出部の温度、及び前記送出部による前記還元剤の送出量に基づいて、前記供給管内の前記還元剤が凍結するか否かを推定する凍結推定部と、
を備える、排気浄化システム。 - 前記凍結推定部は、前記送出部が単位時間当たりに送出した前記還元剤が前記供給管内にて凍結するか否かを推定する、
請求項1に記載の排気浄化システム。 - 前記凍結推定部は、
前記単位時間当たりに送出された前記還元剤が前記噴射部に到達する時間内に凍結するのに必要な熱量である凍結熱量と、前記単位時間当たりに送出された前記還元剤が前記噴射部に到着するまでに放出する熱量である放出熱量とを求め、
前記放出熱量が前記凍結熱量よりも大きい場合には、前記単位時間当たりに送出された前記還元剤が凍結すると推定する、
請求項2に記載の排気浄化システム。 - 前記凍結推定部は、前記供給管の前記噴射部との接続部側で前記還元剤が凍結するか否かを推定する、
請求項1から3のいずれか1項に記載の排気浄化システム。 - 内燃機関と、
前記内燃機関の排気ガスが流れる排気管と、
請求項1から4のいずれか1項に記載の排気浄化システムと、
を有する、車両。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019169262A JP2021046814A (ja) | 2019-09-18 | 2019-09-18 | 排気浄化システム及び車両 |
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JP2019169262A Pending JP2021046814A (ja) | 2019-09-18 | 2019-09-18 | 排気浄化システム及び車両 |
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- 2019-09-18 JP JP2019169262A patent/JP2021046814A/ja active Pending
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