JP6112297B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの排気浄化装置に係り、詳しくは、選択還元型触媒と排気還流路を備えたエンジンの排気浄化装置に関する。

エンジンの排気通路には、排気を浄化するための排気浄化装置が備えられている。例えばディーゼルエンジンの排気通路には、ディーゼルパティキュレートフィルタが搭載され、排気中のＰＭ（粒子状物質）を捕集する機能を有する。更に、ディーゼルパティキュレートフィルタの上流側に酸化触媒を備え、酸化触媒に燃料を供給して燃焼させ、排気温度を上昇させ、ディーゼルパティキュレートフィルタに捕集されたＰＭを燃焼除去するものが知られている。更に、ディーゼルエンジンの排気通路には、尿素水等の還元剤を用いて排気中のＮＯx（窒素酸化物）を還元除去する選択還元型触媒が備えられているものもある。

また、エンジンからのＮＯxの排出量を低下させる方法として、排気還流装置が知られている。排気還流装置は、排気通路と吸気通路とを連通する連通路を備え、排気の一部を吸気通路に還流することで、燃焼温度を抑えてＮＯxの発生を抑える。
例えば特許文献１では、上記のように選択還元型触媒を備え、選択還元型触媒に尿素水（アンモニア前駆体）を供給して選択還元型触媒においてＮＯxを還元除去可能となっているとともに、選択還元型触媒が未活性状態である場合にＮＯxの発生を低減させるように、排気還流装置を備えている。

特許４００７０４６号公報

上記特許文献１では、エンジンの運転状態に基づいて、選択還元型触媒によるＮＯxの還元除去と、排気還流装置によるＮＯx発生低減とを使い分けるようにしている。例えば高回転高負荷時には、尿素水を用いて選択還元型触媒においてＮＯxを還元除去するとともに、低回転低負荷時には尿素水の供給を停止して、排気還流装置によりＮＯxの排出を低減させている。

しかしながら、上記特許文献１では、エンジンの運転状態に基づいて、尿素水供給によるＮＯｘの還元除去と排気還流装置によるＮＯx排出低減とのいずれか一方を選択的に用いるので、ＮＯｘの低減効果を十分に得られることができない虞がある。
また、過渡運転時のように、高回転高負荷運転状態であっても排気が低温である可能性もあり、排気通路内に供給した尿素水が十分に加水分解されずに選択還元型触媒に流入して、尿素が堆積してしまったり、車外へ排出されたりする虞もある。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、アンモニア前駆体の供給による排気浄化と排気還流による排気浄化の両方が可能なエンジンにおいて、排気浄化性能を確保した上で、アンモニア前駆体の無駄な供給を抑制することが可能なエンジンの排気浄化装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明では、エンジンの排気通路に設けられた選択還元型触媒と、選択還元型触媒の上流側にアンモニア前駆体を供給し、当該アンモニア前駆体を排気通路内で分解して発生させたアンモニアを選択還元型触媒に流入させ、選択還元型触媒にてエンジンの排気中の窒素酸化物を還元浄化するアンモニア前駆体供給手段と、排気通路から排気を導入し、エンジンの吸気通路に還流する排気還流路と、排気還流路を介して吸気通路に還流する排気の流量を制御する排気還流量制御手段と、エンジンの運転状態に基づいてアンモニア前駆体の供給量と排気の還流量との比率を設定し、当該比率に基づいてアンモニア前駆体供給手段及び排気還流量制御手段の作動を制御する制御手段と、を備えたエンジンの排気浄化装置であって、アンモニア前駆体供給手段と選択還元型触媒との間の排気通路内の排気温度を検出する排気温度検出手段と、排気温度検出手段により検出された排気温度が低下するに伴って、アンモニア前駆体の供給量を減少するとともに排気の還流量を増加するように、制御手段において設定されたアンモニア前駆体の供給量と排気の還流量との比率を変更する変更手段と、を備え、制御手段は、排気温度がアンモニア前駆体の加水分解可能な所定温度以上になるまでアンモニア前駆体の供給を待機させ、当該待機中に排気還流量制御手段により吸気通路に還流する排気の流量を増加させることを特徴とする。

また、請求項２の発明では、請求項１において、制御手段は、エンジンの回転速度と負荷が、排気還流路を介した排気の還流を行なう運転領域と、アンモニア前駆体の供給を行なう運転領域と、の間の所定の運転領域である際に、アンモニア前駆体の供給と排気還流路を介した排気の還流とを併用するように比率を設定し、変更手段は、所定の運転領域において、排気温度検出手段により検出された排気温度が低下するに伴って、アンモニア前駆体の供給量を減少するとともに排気の還流量を増加するように、比率を変更することを特徴とする。

また、請求項３の発明では、請求項２において、変更手段は、所定の運転領域において、排気還流路による排気の還流量を最大限界値に設定した上で、排気の還流による窒素酸化物の低減量の不足分をアンモニア前駆体の供給による排気浄化によって補うように、比率を変更することを特徴とする。

本発明のエンジンの排気浄化装置によれば、アンモニア前駆体供給手段と選択還元型触媒との間の排気通路内の排気温度が低下するに伴って、アンモニア前駆体の供給量を減少するとともに排気の還流量を増加させるので、アンモニア前駆体が分解されずに選択還元型触媒へ流入するようなアンモニア前駆体の無駄な供給を抑制することができる。これにより、アンモニア前駆体の選択還元型触媒より下流への排出や、選択還元型触媒及びその下流側の排気通路での尿素の堆積を抑制することができるとともに、アンモニア前駆体の消費量を抑制することができる。
また、排気温度がアンモニア前駆体の加水分解可能な所定温度以上になるまでアンモニア前駆体の供給を待機させ、当該待機中に排気還流量制御手段により吸気通路に還流する排気の流量を増加させるので、アンモニア前駆体が分解されずに選択還元型触媒へ流入することを防止することができるとともに、アンモニア前駆体の供給が停止していても窒素酸化物の排出を抑制することができる。

本発明の実施形態におけるディーゼルエンジンの吸排気系の概略構成図である。 本実施形態における排気浄化装置の使用領域を示す説明図である。 排気温度に基づく尿素水インジェクタ及び排気還流バルブの作動制御要領を示すフローチャートである。 排気温度に基づく尿素水インジェクタ及び排気還流バルブの作動制御要領を示すフローチャートである。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の排気浄化装置が適用された第１の実施形態のディーゼルエンジン（以下、エンジン１という）の吸排気系の概略構成図である。
エンジン１は、走行駆動源として車両に搭載されており、ターボチャージャ２３を備えた多気筒の筒内直接噴射式内燃機関（例えばコモンレール式ディーゼルエンジン）である。詳しくは、コモンレール２に蓄圧された高圧燃料を各気筒の燃料噴射ノズル３に供給し、任意の噴射時期及び噴射量で当該燃料噴射ノズル３から各気筒の燃焼室４内に噴射可能な構成を成している。

エンジン１の各気筒には、上下摺動可能なピストン５が設けられている。そして、当該ピストン５は、コンロッドを介してクランクシャフト６に連結されている。また、クランクシャフト６の一端部にはフライホイールが設けられている。
燃焼室４には、インテークポート７とエキゾーストポート８とが連通されている。
インテークポート７には、燃焼室４と当該インテークポート７との連通と遮断を行うインテークバルブ９が設けられている。また、エキゾーストポート８には、燃焼室４と当該エキゾーストポート８との連通と遮断とを行うエキゾーストバルブ１０が設けられている。

インテークポート７の上流には、吸入した空気を各気筒に分配するインテークマニフォールド１１が連通するように設けられている。そして、エキゾーストポート８の下流には、各気筒から排出される排気をまとめるエキゾーストマニフォールド１２が連通するように設けられている。
インテークマニフォールド１１とエキゾーストマニフォールド１２との間には、排気の一部を吸気へ戻す、即ち高温・高圧の排気を吸気に導入する高圧排気還流通路１５が設けられている。また、高圧排気還流通路１５には、高温・高圧の排気が吸気に戻る量を調整する排気還流バルブ１６が介装されている。また、高圧排気還流通路１５には、インテークマニフォールド１１に導入する排気を冷却する排気還流クーラ１７が設けられている。

インテークマニフォールド１１には、吸気通路である吸気管２０が接続され、吸気管２０には、上流側からインテークマニフォールド１１に向かって順番に、新気中のゴミを取り除くエアークリーナ２１と、新気の流量を調整しつつ、後述する低圧排気還流通路４５より導入される低圧の排気の流量を調整するための電子制御スロットルバルブ２２（排気還流量制御手段）と、ターボチャージャ２３のコンプレッサ２４と、コンプレッサ２３により圧縮され高温となった吸気を冷却するインタークーラ２５と、高圧排気還流通路１５より導入される排気の流量を調整するための電子制御スロットルバルブ２７が介装されている。

エキゾーストマニフォールド１２の下流の排気通路である排気管３０には、上流側より順番に、ターボチャージャ２２のタービン３１、排気中の被酸化成分を酸化する酸化触媒３２と、排気中の黒鉛を主成分とする微粒子状物資を捕集し燃焼させるディーゼルパティキュレートフィルタ３３及び排気中の窒素酸化物（以下、ＮＯｘ）をアンモニアを用いて還元浄化する選択還元型触媒３４が設けられている。なお、酸化触媒３２とディーゼルパティキュレートフィルタ３３は、同一のケーシング３５内に収納され、車両のエンジンルームに配設されている。また、選択還元型触媒３４は、４分割され、２つのケーシング３６、３７内に夫々２つずつ直列に配設されており、車両のフロア下に配設されている。

また、ディーゼルパティキュレートフィルタ３３と最上流に位置する選択還元型触媒３４との間の排気管３０には、尿素水（アンモニア前駆体）を噴射供給する尿素水インジェクタ４０（アンモニア前駆体供給手段）が設けられている。尿素水インジェクタ４０には、車両に搭載された図示しない尿素水タンクから尿素水が供給される。尿素水インジェクタ４０から排気管３０内に噴射された尿素水が排気の熱により十分に加水分解されてアンモニアを発生し選択還元型触媒３４に到達するように、尿素水インジェクタ４０の噴射位置が設定されている。

更に、電子制御スロットルバルブ２２とターボチャージャ２３のコンプレッサ２４との間の吸気管２０と、ディーゼルパティキュレートフィルタ３３と尿素水インジェクタ４０との間の排気管３０とを連通する低圧排気還流通路４５(排気還流路)が設けられている。低圧排気還流通路４５は、タービン３１、酸化触媒３２及びディーゼルパティキュレートフィルタ３３を通過した低温・低圧の排気の一部を吸気に導入する（還流する）機能を有する。

低圧排気還流通路４５には、吸気に戻す排気から異物を取り除く排気還流フィルタ４６、還流する排気を冷却する排気還流クーラ４７及び低圧排気還流通路４５を開閉する排気還流バルブ４８（排気還流量制御手段）が設けられている。
エアークリーナ２１と電子制御スロットルバルブ２２との間の吸気管２０には、吸入される空気（新気）の温度を検出する吸気温度センサ５０が設けられている。インテークマニフォールド１１には、エンジン１の燃焼室４に流入する吸気の温度を検出する吸気温度センサ５１及び吸気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ５２が設けられている。

タービン３１と酸化触媒３２との間の排気管３０には、排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ５３が設けられている。
ケーシング３５の酸化触媒３２の上流には、酸化触媒３２に流入する排気の温度を検出する排気温度センサ５４が設けられている。ケーシング３５の酸化触媒３２とディーゼルパティキュレートフィルタ３３との間には、酸化触媒３２から流出する排気の温度を検出する排気温度センサ５５が設けられている。また、ケーシング３５のディーゼルパティキュレートフィルタ３３の下流には、ディーゼルパティキュレートフィルタ３３から流出する排気の温度を検出する排気温度センサ５６が設けられている。

排気管３０から排気を導入する低圧排気還流通路４５の排気導入部４５ａと尿素水インジェクタ４０との間の排気管３０には、排気中のＮＯｘの濃度を検出するＮＯｘセンサ５７が設けられている。
尿素水インジェクタ４０の近傍の排気管３０には、尿素水インジェクタ４０と選択還元型触媒３４との間の排気の温度を検出する排気温度センサ５８が設けられている。

最下流に位置する選択還元型触媒３４の下流の排気管３０には、最下流の選択還元型触媒３４から流出する排気中のＮＯｘの濃度を検出するＮＯｘセンサ５９が設けられている。
そして、吸気温度センサ５０、５１、酸素濃度センサ５２、５３、排気温度センサ５４、５５、５６、５８及びＮＯxセンサ５７、５９の各センサと、燃料噴射ノズル３、電子制御スロットルバルブ２２、２７、排気還流バルブ１６、４８及び尿素水インジェクタ４０の各種機器は、エンジンコントロールユニット７０（制御手段、変更手段）に電気的に接続されている。

エンジンコントロールユニット７０は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、タイマ及び中央演算処理装置（ＣＰＵ）等を含んで構成され、上記各センサからの検出情報及びアクセル操作量等の情報を入力し、当該各種情報に基づいて、燃料噴射量、燃料噴射時期、電子制御スロットルバルブ２２、２７及び排気還流バルブ１６、４８の開度、尿素水噴射量、尿素水噴射時期を演算して、上記各種機器の作動制御を行うことで、エンジン１の運転制御を行う。

図２は、排気浄化装置の使用領域を示す説明図である。
図２に示すように、エンジンコントロールユニット７０は、エンジン１の運転状態（回転速度及び負荷）に基づいて、高圧排気還流通路１５による高圧排気還流、低圧排気還流通路４５による低圧排気還流及び尿素水供給による選択還元型触媒３４での排気浄化の３つの排気浄化装置を実行する。

例えば、低負荷低回転領域では上記３つの排気浄化装置のうち高圧排気還流のみ実施し、中負荷中回転領域では低圧排気還流のみ実施し、高負荷高回転領域では尿素水供給のみ実施する。また、低負荷低回転領域と中負荷中回転領域との間には高圧排気還流と低圧排気還流を併用する領域が設けられている。更に、中負荷中回転領域と高負荷高回転領域との間には、低圧排気還流と尿素水供給が併用される中間領域が設けられている。

更に、本実施形態では、上記中間領域において、排気温度に基づいて、尿素水インジェクタ４０、排気還流バルブ４８の作動制御を行う。
図３及び図４は、エンジンコントロールユニット７０における排気温度に基づく尿素水インジェクタ４０及び排気還流バルブ４８の作動制御要領を示すフローチャートである。
本制御は、上記中間領域において実行される。

始めに、ステップＳ１０では、排気温度センサ５８から排気温度Ｔを入力する。そして、ステップＳ２０に進む。
ステップＳ２０では、ステップＳ１０で入力した排気温度Ｔが所定温度Ｔ1以上であるか否かを判別する。所定温度Ｔ1は、尿素水インジェクタ４０から噴射された尿素水が十分にアンモニアに加水分解した上で最上流側の選択還元型触媒３４に到達するような排気温度に設定すればよい。排気温度Ｔが所定温度Ｔ1以上である場合には、ステップＳ４０に進む。排気温度Ｔが所定温度Ｔ1未満である場合には、ステップＳ３０に進む。

ステップＳ３０では、図４に示す尿素水噴射待機制御のサブルーチンを実行する。そして、ステップＳ４０に進む。
ステップＳ４０では、尿素水インジェクタ４０から尿素水を噴射供給する。そして、本ルーチンを終了する。
図４に示す尿素水噴射待機制御のサブルーチンについて説明する。

尿素水噴射待機制御のサブルーチンは、始めにステップＳ５０では、排気還流バルブ４８の開度を所定量増加する。そして、ステップＳ６０に進む。なお、このとき、低圧排気還流通路４５による排気環流量が増加するように電子制御スロットルバルブ２２の開度を減少させてもよい。
ステップＳ６０では、排気温度センサ５８から排気温度Ｔを入力する。そして、ステップＳ７０に進む。

ステップＳ７０では、ステップＳ６０で入力した排気温度Ｔが所定温度Ｔ1以上であるか否かを判別する。排気温度Ｔが所定温度Ｔ1以上である場合には、本サブルーチンを終了する。排気温度Ｔが所定温度Ｔ1未満である場合には、ステップＳ５０に戻る。
以上のように制御することで、本実施形態では、低圧排気還流と尿素水供給が併用される中間領域において、排気温度センサ５８によって検出する排気温度Ｔ、即ち、尿素水インジェクタ４０と選択還元型触媒３４との間の排気管３０内における排気の温度が、十分に加水分解可能な所定温度Ｔ1以上になるまで、尿素水インジェクタ４０からの尿素水供給が待機される。これにより、加水分解されない尿素水が選択還元型触媒３４に流入することを防止することができる。したがって、尿素水の車外への排出や、選択還元型触媒３４及びその下流の排気管３０での尿素の堆積を抑制することができる。また、尿素水の無駄な噴射供給を抑え尿素水の消費量を抑制することができる。

また、尿素水供給を待機しているときに、排気還流バルブ４８の開度を増加するので、低圧排気還流量が増加する。このように、尿素水の供給量と低圧排気還流量との比率を変更して、低圧排気還流量を増加させることで、尿素水供給が停止していてもＮＯｘ等の車外への排出を抑制することができる。また、選択還元型触媒３４で要求されるＮＯｘ浄化効率を低減させることができるので、選択還元型触媒３４の触媒容量を低減させコンパクト化することが可能となり、選択還元型触媒３４のコスト低減及び車両への搭載性の向上を図ることができる。

更には、選択還元型触媒３４の触媒温度を迅速に上昇させなくとも、低圧排気還流の増加により排気浄化性能を確保できるので、触媒温度を上昇すべく例えばポスト噴射を行う場合と比較して、燃費を向上させるとともにオイルダイリューションの低減を図ることができる。
更に、上記中間領域において、排気温度Ｔに基づいて低圧排気還流量を最大限界値に設定し、低圧排気環流による低減で不足する分のみ尿素水供給を行うように、尿素水の供給量と低圧排気還流量との比率を変更してＮＯｘを低減させるようにしてもよい。

このように、低圧排気還流と尿素水供給とを併用する領域では、低圧排気還流量を最大限界値に設定し、尿素水供給よりも低圧排気還流を優先して行うことで、尿素水の消費を抑えることができる。
なお、本願発明は、上記実施形態に限定するものではない。

以上の実施形態では、中間領域において、低圧排気還流と尿素水供給とを併用し、この中間領域において排気温度に基づいて低圧排気還流量と尿素水供給量の比率を変更しているが、中間領域以外でも、低圧排気還流量と尿素水供給量の比率を変更するようにしてもよい。例えば、排気温度Ｔが所定温度Ｔ1以上である場合には、エンジン１の運転状態が中回転中負荷以下、即ち尿素水噴射を行わないように設定される領域であっても、尿素水の供給を行ってもよい。このように、排気温度Ｔが高い場合には、例えエンジン１の運転状態が中回転中負荷以下であっても、尿素水供給によってＮＯｘの浄化が可能であるので、排気浄化効を向上させることができる。

また、エンジン１の運転状態が高回転高負荷、即ち排気還流を行わないように設定される領域であっても、排気還流を行ってもよい。このように高回転高負荷でも排気還流を行うことで、選択還元型触媒３４におけるＮＯｘの還元浄化量を抑制することができ、尿素水の消費量を低減させることが可能となるとともに、選択還元型触媒３４の容量を抑制して選択還元型触媒４０のコスト低減及び車両搭載性の向上を図ることができる。

以上のように、エンジン１の運転状態のみによって排気還流と尿素水供給を選択するのでなく、排気温度に基づいて排気還流と尿素水供給の選択を行うことで、特に過渡運転時のようにエンジン１の運転状態が変動する場合に、尿素水供給による排気浄化と排気還流による排気浄化を適切に実行して、排気浄化効率を向上させることができる。
また、本願発明は、エンジンの排気浄化装置として固体アンモニウム塩や実施形態で説明した尿素水などのアンモニア前駆体と選択還元型触媒とによる排気浄化装置と、排気還流装置の両方を備えたエンジンに広く適用することができる。

１ エンジン
２０ 吸気管（吸気通路）
２２ 電子制御スロットルバルブ（排気還流量制御手段）
３０ 排気管（排気通路）
３４ 選択還元型触媒
４０ 尿素水インジェクタ(アンモニア前駆体供給手段)
４５ 低圧排気還流通路(排気還流路)
４８ 排気還流バルブ（排気還流量制御手段）
７０ エンジンコントロールユニット（制御手段、変更手段）

Claims (3)

1. エンジンの排気通路に設けられた選択還元型触媒と、
   前記選択還元型触媒の上流側にアンモニア前駆体を供給し、当該アンモニア前駆体を前記排気通路内で分解して発生させたアンモニアを前記選択還元型触媒に流入させ、前記選択還元型触媒にて前記エンジンの排気中の窒素酸化物を還元浄化するアンモニア前駆体供給手段と、
   前記排気通路から排気を導入し、前記エンジンの吸気通路に還流する排気還流路と、
   前記排気還流路を介して前記吸気通路に還流する排気の流量を制御する排気還流量制御手段と、
   前記エンジンの運転状態に基づいて設定された前記アンモニア前駆体の供給量と前記排気の還流量との比率を設定し、当該比率に基づいて前記アンモニア前駆体供給手段及び前記排気還流量制御手段の作動を制御する制御手段と、を備えたエンジンの排気浄化装置であって、
   前記アンモニア前駆体供給手段と前記選択還元型触媒との間の排気通路内の排気温度を検出する排気温度検出手段と、
   前記排気温度検出手段により検出された前記排気温度が低下するに伴って、前記アンモニア前駆体の供給量を減少するとともに前記排気の還流量を増加するように、前記制御手段において設定された前記アンモニア前駆体の供給量と前記排気の還流量との比率を変更する変更手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記排気温度が前記アンモニア前駆体の加水分解可能な所定温度以上になるまで前記アンモニア前駆体の供給を待機させ、当該待機中に前記排気還流量制御手段により前記吸気通路に還流する排気の流量を増加させることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
2. 前記制御手段は、前記エンジンの回転速度と負荷が、前記排気還流路を介した前記排気の還流を行なう運転領域と、前記アンモニア前駆体の供給を行なう運転領域と、の間の所定の運転領域である際に、前記アンモニア前駆体の供給と前記排気還流路を介した前記排気の還流とを併用するように前記比率を設定し、
   前記変更手段は、前記所定の運転領域において、前記排気温度検出手段により検出された前記排気温度が低下するに伴って、前記アンモニア前駆体の供給量を減少するとともに前記排気の還流量を増加するように、前記比率を変更することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
3. 前記変更手段は、前記所定の運転領域において、前記排気還流路による前記排気の還流量を最大限界値に設定した上で、前記排気の還流による前記窒素酸化物の低減量の不足分を前記アンモニア前駆体の供給による排気浄化によって補うように、前記比率を変更することを特徴とする請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置。

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