JP2021046814A

JP2021046814A - 排気浄化システム及び車両

Info

Publication number: JP2021046814A
Application number: JP2019169262A
Authority: JP
Inventors: 一実山口; Kazumi Yamaguchi
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2019-09-18
Filing date: 2019-09-18
Publication date: 2021-03-25

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。

特開２０１０−１８５３３４号公報

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。

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。制御装置１００の詳細構成を示すブロック図である。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。

＜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。

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。

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］

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［ｍ^３］×比重［Ｋｇ／ｍ^３］×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［ｍ^３］×比重［Ｋｇ／ｍ^３］×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］

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［ｍ^２］×熱伝導率［Ｗ／（ｍ^２・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。

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。

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

Claims

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。