JP6330444B2 - 排気浄化システム - Google Patents

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Description

本発明は、排気浄化システムに関し、特に、排気中のＮＯｘを還元浄化する選択的還元触媒（以下、ＳＣＲ）を備えた排気浄化システムに関する。
従来、尿素水から加水分解されて生成されるアンモニア（以下、ＮＨ３）を還元剤として排気中のＮＯｘを選択的に還元浄化するＳＣＲを備えた排気浄化システムが知られている。このような排気浄化システムでは、ＳＣＲの排気下流側に設けたＮＯｘセンサのセンサ値に基づいて、排気中のＮＯｘ値が目標値となるように尿素水噴射量をフィードバック制御している（例えば、特許文献１，２参照）。
特開２００３−２９３７３８号公報 特開２０１３−１８１４１１号公報
ところで、ＳＣＲのＮＨ３吸着可能量は、触媒温度の上昇に伴って低下する傾向がある。このため、ディーゼル・パティキュレイト・フィルタ（以下、ＤＰＦ）の強制再生等によって排気温度が急上昇すると、ＳＣＲからＮＨ３の一部が離脱して下流側に放出されるいわゆるＮＨ３スリップを引き起こす可能性がある。
一般的なＮＯｘセンサはＮＯｘとＮＨ３とを区別することができないため、ＮＨ３スリップが生じると、ＮＯｘセンサは高いＮＯｘ値を示すことになる。このため、尿素水噴射量をＮＯｘセンサのセンサ値に基づいてフィードバック制御するシステムでは、ＮＨ３スリップを過大なＮＯｘの排出と誤認識して尿素水噴射量を過剰に増加させる可能性があり、更なるＮＨ３スリップを引き起こす課題がある。また、ＮＯｘセンサのセンサ値に基づいて異常診断等を行うシステムでは、ＮＨ３スリップを過大なＮＯｘの排出と誤認識することで、尿素水噴射の停止や異常警報を発する等の誤診断を招く課題がある。
本発明の目的は、排気温度が急上昇した際のＮＨ３スリップや誤診断を効果的に防止することができる排気浄化システムを提供することにある。
上述の目的を達成するため、本発明の排気浄化システムは、内燃機関の排気通路に設けられて尿素水から生成されるアンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを浄化する選択的還元触媒と、該選択的還元触媒よりも下流側の排気通路に設けられたＮＯｘセンサと、該ＮＯｘセンサの検出値に基づいて前記選択的還元触媒への尿素水噴射量を制御すると共に異常診断を行う制御手段とを備える排気浄化システムであって、前記選択的還元触媒に流入する排気温度を取得する排気温度取得手段と、前記排気温度取得手段で取得される排気温度が所定の第１温度から該第１温度よりも高い所定の第２温度に到達するまでの温度上昇率を算出する温度上昇率算出手段と、前記温度上昇率算出手段で算出された温度上昇率が所定の判定閾値よりも高い場合に、前記制御手段による異常診断を禁止する禁止手段とを備えることを特徴とする。
また、前記排気温度取得手段で所定期間内に取得される排気温度を平均化した平均温度を算出すると共に、該平均温度が前記第１温度以下であれば低温安定と判定する低温判定手段をさらに備え、前記温度上昇率算出手段は、前記低温判定手段によって低温安定と判定され、且つ前記排気温度取得手段によって取得される排気温度が前記第１温度を超えると、前記温度上昇率の算出を開始することが好ましい。
また、前記温度上昇率算出手段で算出された温度上昇率が所定の判定閾値よりも高い場合に、前記制御手段による尿素水噴射量を低減する低減手段をさらに備え、前記禁止手段は、異常診断の禁止を前記平均温度に応じて設定される所定期間継続すると共に、前記低減手段は、尿素水噴射量の低減を前記平均温度に応じて設定される所定期間継続することが好ましい。
また、前記禁止手段は、所定の待機時間内に前記排気温度取得手段で取得される排気温度が前記第１温度から前記第２温度に到達しなかった場合は異常診断の禁止を実行せず、前記低減手段は、所定の待機時間内に前記排気温度取得手段で取得される排気温度が前記第１温度から前記第２温度に到達しなかった場合は尿素水噴射量の低減を実行しないことが好ましい。
また、前記第２温度は、前記選択的還元触媒に吸着されたアンモニアの少なくとも一部が離脱してスリップする温度よりも低い温度で設定されることが好ましい。
本発明の排気浄化システムによれば、排気温度が急上昇した際のＮＨ３スリップや誤診断を効果的に防止することができる。
本実施形態の排気浄化システムを示す模式的な全体構成図である。 本実施形態の電子制御ユニット（ＥＣＵ）を示す機能ブロック図である。 本実施形態の排気浄化システムによる低温判定、温度上昇率判定、尿素水噴射量の低減及び、異常診断の禁止を説明するタイムチャート図である。 本実施形態の排気浄化システムによる制御内容の一例を示すフロー図である。 従来の排気浄化システムにおいて、排気温度急上昇時に（Ａ）はＮＯｘセンサのセンサ値に基づいて尿素水噴射を継続させた場合、（Ｂ）はＮＯｘセンサが異常値を検出して尿素水噴射を停止させた場合を説明するタイムチャート図である。
以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係る排気浄化システムを説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称及び機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
図１に示すように、ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１０の排気マニホールド１０ｂには、排気を大気に導出する排気通路１１が接続されている。この排気通路１１には、排気上流側から順に、前段後処理装置３０、後段後処理装置４０等が設けられている。
前段後処理装置３０は、触媒ケース３０ａ内に上流側から順に酸化触媒（以下、ＤＯＣ）３１、ＤＰＦ３２を配置して構成されている。また、ＤＯＣ３１よりも上流側の排気通路１１には、燃料噴射装置（燃料添加弁）３３が設けられている。
燃料噴射装置３３は、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ）５０から入力される指示信号に応じて、排気通路１１内に未燃燃料（主にＨＣ）を噴射する。なお、エンジン１０の多段噴射によるポスト噴射を用いる場合は、この燃料噴射装置３３を省略してもよい。
ＤＯＣ３１は、例えば、コーディエライトハニカム構造体等のセラミック製担体表面に触媒成分を担持して形成されている。ＤＯＣ３１は、燃料噴射装置３３又はポスト噴射によってＨＣが供給されると、これを酸化して排気温度を上昇させる。
ＤＰＦ３２は、例えば、多孔質性の隔壁で区画された多数のセルを排気の流れ方向に沿って配置し、これらセルの上流側と下流側とを交互に目封止して形成されている。ＤＰＦ３２は、排気中のＰＭを隔壁の細孔や表面に捕集すると共に、ＰＭ堆積量が所定量に達すると、これを燃焼除去するいわゆる強制再生が実行される。強制再生は、燃料噴射装置３３又はポスト噴射によってＤＯＣ３１に未燃燃料（ＨＣ）を供給し、ＤＰＦ３２に流入する排気温度をＰＭ燃焼温度まで昇温することで行われる。
後段後処理装置４０は、ケース４０ａ内に収容されたＳＣＲ４１を備えて構成されている。また、ＳＣＲ４１よりも上流側の排気通路１１には、尿素水噴射装置６０及び、排気温度センサ２１が設けられ、ＳＣＲ４１よりも下流側の排気通路１１には、ＮＯｘセンサ２２が設けられている。
尿素水噴射装置６０は、ＥＣＵ５０から入力される指示信号に応じて尿素添加弁６１を開閉動作させることで、ＳＣＲ４１よりも上流側の排気通路１１内に、尿素水タンク６２内から尿素水ポンプ６３によって圧送される尿素水を噴射する。噴射された尿素水は排気熱により加水分解されてＮＨ３に生成され、下流側のＳＣＲ４１に還元剤として供給される。
ＳＣＲ４１は、例えば、ハニカム構造体等のセラミック製担体表面にゼオライト等を担持して形成されており、多孔質性の隔壁で区画された多数のセルを備えて構成されている。ＳＣＲ４１は、還元剤として供給されるＮＨ３を吸着すると共に、吸着したＮＨ３で通過する排気中からＮＯｘを選択的に還元浄化する。
排気温度センサ２１は、本発明の排気温度取得手段の一例であって、ＳＣＲ４１に流入する排気温度（以下、ＳＣＲ入口温度ＴＥＭＰ_IN）を検出する。ＮＯｘセンサ２２は、ＳＣＲ４１を通過した排気中のＮＯｘ値（以下、ＳＣＲ出口ＮＯｘ値ＮＯｘ_OUT）を検出する。これら各種センサ２１，２２のセンサ値は、電気的に接続されたＥＣＵ５０に送信される。
ＥＣＵ５０は、エンジン１０や燃料噴射装置３３、尿素水噴射装置６０等の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備えて構成されている。また、ＥＣＵ５０は、図２に示すように、ＮＯｘ浄化制御部５１と、低温安定判定部５２と、判定条件算出部５３と、温度上昇率算出部５４と、低減・禁止部５５とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、本実施形態では一体のハードウェアであるＥＣＵ５０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。
ＮＯｘ浄化制御部５１は、ＮＯｘセンサ２２から入力されるＳＣＲ出口ＮＯｘ値ＮＯｘ_OUTに基づいて尿素水噴射装置６０の尿素水噴射量をフィードバック制御する。また、ＮＯｘ浄化制御部５１は、ＳＣＲ４１のＮＯｘ浄化性能の大幅な低下や尿素添加弁６１の故障等によってＮＯｘセンサ２２が異常値を検出すると警報を発する異常診断も実行する。
低温安定判定部５２は、排気温度センサ２１から入力されるＳＣＲ入口温度ＴＥＭＰ_INに基づいて、ＳＣＲ４１に流入する排気温度が所定の低温状態で安定しているか否かを判定する。より詳しくは、低温安定判定部５２は、排気温度センサ２１が所定期間内に検出したＳＣＲ入口温度ＴＥＭＰ_INを平均化することで、当該所定期間内の平均温度ＴＥＭＰ_AVE（移動平均）をリアルタイムで算出する。そして、算出した平均温度ＴＥＭＰ_AVEが所定の低温判定温度ＴＥＭＰ_1以下であれば（図３の時刻Ｔ０〜Ｔ１参照）、ＳＣＲ４１に流入する排気温度を低温安定と判定する。なお、低温判定温度ＴＥＭＰ_1は、例えば約１９０〜２００℃の範囲で設定されることが好ましい。
判定条件算出部５３は、低温安定判定部５２によって低温安定と判定された際に、後述する高温判定や噴射量低減・診断禁止等に用いる（１）高温判定温度ＴＥＭＰ_2、（２）上限温度上昇率ＴＥＭＰ％_MAX、（３）最長待機時間ＴＩＭＥ_UP、（４）処理禁止時間ＴＩＭＥ_ACTを算出する。
高温判定温度ＴＥＭＰ_2は、ＳＣＲ４１でＮＨ３スリップが生じる直前の排気温度であって、平均温度ＴＥＭＰ_AVEに応じて算出される。上限温度上昇率ＴＥＭＰ％_MAXは、ＳＣＲ４１でＮＨ３スリップが発生する可能性のある排気温度上昇率であって、平均温度ＴＥＭＰ_AVEに応じて算出される。最長待機時間ＴＩＭＥ_UPは、排気温度が高温判定温度ＴＥＭＰ_2まで到達しなかった場合に、高温判定温度ＴＥＭＰ_2等を初期化するための待機時間であって、平均温度ＴＥＭＰ_AVEに応じて算出されるか、あるいは、予め定めた任意の時間として設定される。処理禁止時間ＴＩＭＥ_ACTは、排気温度の急上昇時に、更なるＮＨ３スリップや誤診断を防ぐために、尿素水噴射量を低減し、且つ異常診断を禁止するための時間であって、平均温度ＴＥＭＰ_AVEが低くなるほど長く設定される。
温度上昇率算出部５４は、排気温度センサ２１で検出されるＳＣＲ入口温度ＴＥＭＰ_INが低温判定温度ＴＥＭＰ_1から高温判定温度ＴＥＭＰ_2まで上昇した際の温度上昇率を算出する。より詳しくは、排気温度センサ２１で検出されるＳＣＲ入口温度ＴＥＭＰ_INが低温判定温度ＴＥＭＰ_1を超えた時点から高温判定温度ＴＥＭＰ_2に到達するまでの到達時間ＴＩＭＥ_1（図３の時刻Ｔ１〜Ｔ２参照）をＥＣＵ５０内蔵のタイマによって計時すると共に、高温判定温度ＴＥＭＰ_2から低温判定温度ＴＥＭＰ_1を減算した温度上昇幅ΔＴＥＭＰを到達時間ＴＩＭＥ_1で除算することで、実温度上昇率ＴＥＭＰ％_ACTを算出する。
低減・禁止部５５は、ＮＨ３スリップの発生の可能性がある場合に、ＮＯｘ浄化制御部５１による尿素水噴射量を低減させると共に異常診断を禁止する。より詳しくは、温度上昇率算出部５４で算出された実温度上昇率ＴＥＭＰ％_ACTがＮＨ３スリップを発生させる可能性がある上限温度上昇率ＴＥＭＰ％＿MAX以上であれば、ＳＣＲ入口温度ＴＥＭＰ_INが高温判定温度ＴＥＭＰ_2を超えた時点から処理禁止時間ＴＩＭＥ_ACTが経過するまで（図３の時刻Ｔ２〜Ｔ３参照）、尿素水噴射量を低減させると共に異常診断を禁止する。これにより、排気温度急上昇時のＮＨ３スリップや誤診断が効果的に防止される。
次に、図４に基づいて、本実施形態の排気浄化システムによる制御フローを説明する。なお、図４のフローは、ＮＯｘ浄化制御部５１による尿素水噴射制御及び異常診断と並行して実行される。
ステップ（以下、ステップを単にＳと記載する）１００では、所定期間内に排気温度センサ２１で検出されるＳＣＲ入口温度ＴＥＭＰ_INを移動平均した平均温度ＴＥＭＰ_AVEに基づいて、ＳＣＲ４１に流入する排気温度が所定の低温状態で安定しているか否かが判定される。平均温度ＴＥＭＰ_AVEが低温判定温度ＴＥＭＰ_1以下の場合（Ｙｅｓ）、ＳＣＲ４１に流入する排気温度は低温安定と判定されて、本制御はＳ１１０に進む。
Ｓ１１０では、Ｓ１００で算出された低温状態の平均温度ＴＥＭＰ_AVEに基づいて、高温判定等に用いる（１）高温判定温度ＴＥＭＰ_2、（２）上限温度上昇率ＴＥＭＰ％_MAX、（３）最長待機時間ＴＩＭＥ_UP、（４）処理禁止時間ＴＩＭＥ_ACTが算出される。
Ｓ１２０では、排気温度センサ２１で検出されるＳＣＲ入口温度ＴＥＭＰ_INが低温判定温度ＴＥＭＰ_1を超えたか否かが判定される。ＳＣＲ入口温度ＴＥＭＰ_INが低温判定温度ＴＥＭＰ_1を超えた場合（Ｙｅｓ）は、タイマによる計時を開始してＳ１３０に進む。
Ｓ１３０では、排気温度センサ２１で検出されるＳＣＲ入口温度ＴＥＭＰ_INが高温判定温度ＴＥＭＰ_2に達したか否かが判定される。ＳＣＲ入口温度ＴＥＭＰ_INが高温判定温度ＴＥＭＰ_2に達しない場合（Ｎｏ）は、Ｓ１４０に進む。
Ｓ１４０では、Ｓ１２０から開始されたタイマの計時時間ＴＩＭＥ_2が最長待機時間ＴＩＭＥ_UPに達したか否かが判定される。計時時間ＴＩＭＥ_2が最長待機時間ＴＩＭＥ_UPに達した場合（Ｙｅｓ）は、緩やかな温度上昇であってＮＨ３スリップが発生する可能性は低いため、本制御はＳ３００に進んでＳ１１０で算出した各種判定条件を初期化してリターンされる。
Ｓ１３０でＳＣＲ入口温度ＴＥＭＰ_INが高温判定温度ＴＥＭＰ_2に達した場合（Ｙｅｓ）はＳ２００に進む。Ｓ２００では、Ｓ１２０からＳ１３０までの温度上昇幅ΔＴＥＭＰ（＝ＴＥＭＰ２−ＴＥＭＰ１）をタイマによって計時した到達時間ＴＩＭＥ_1で除算することで、実温度上昇率ＴＥＭＰ％_ACTが算出される。
Ｓ２１０では、急激な温度上昇によってＳＣＲ４１でＮＨ３スリップが発生する可能性があるか否かの判定を実行する。Ｓ２００で算出した実温度上昇率ＴＥＭＰ％_ACTが上限温度上昇率ＴＥＭＰ％_MAX未満（Ｎｏ）であれば、緩やかな温度上昇であって、ＮＨ３スリップの可能性は低いため、本制御はＳ３００に進んでＳ１１０で算出した各種判定条件を初期化してリターンされる。一方、実温度上昇率ＴＥＭＰ％_ACTが上限温度上昇率ＴＥＭＰ％_MAX以上（Ｙｅｓ）であれば、ＮＨ３スリップの可能性が高いため、本制御はＳ２２０に進む。
Ｓ２２０では、急激な温度上昇に伴う過大なＮＨ３スリップの発生や誤診断を防止するために、Ｓ１３０の時点から処理禁止時間ＴＩＭＥ_ACTが経過するまで、ＮＯｘ浄化制御部５１による尿素水噴射量を低減させると共に異常診断を禁止する。その後、処理禁止時間ＴＩＭＥ_ACTが経過すると、本制御はＳ３００に進んでＳ１１０で算出した各種判定条件を初期化してリターンされる。
次に、本実施形態に係る排気浄化システムの作用効果を説明する。
ＤＰＦ強制再生の開始時等、排気温度が低温から高温に急上昇すると（図５（Ａ）の時刻Ｔ１〜Ｔ２参照）、ＳＣＲ４１のＮＨ３吸着能力の低下によってＮＨ３スリップが発生する（図５（Ａ）の領域Ａ参照）。ＮＯｘセンサ２２はＮＨ３とＮＯｘとを区別できないため、ＮＯｘセンサ２２のセンサ値に基づいて尿素水噴射量をフィードバック制御するシステムでは、実際のＮＯｘ値よりも高いＮＯｘ値と誤認識して尿素水噴射量を増加させ（図５（Ａ）の時刻Ｔ２〜Ｔ３参照）、更なるＮＨ３スリップを引き起こす可能性がある。
また、排気温度の急上昇によって過大なＮＨ３スリップが発生すると（図５（Ｂ）の領域Ａ参照）、ＮＨ３とＮＯｘとを区別できないＮＯｘセンサ２２は異常値を検出する（図５（Ｂ）のＢ点参照）。このため、ＮＯｘセンサ２２のセンサ値に基づいて異常診断を行うシステムでは、過大なＮＯｘが排出されているものと誤認識して、尿素水噴射の停止（図５（Ｂ）の時刻Ｔ３参照）や警報を発する等の誤診断を行う可能性がある。
本実施形態の排気浄化システムは、ＳＣＲ入口温度ＴＥＭＰ_INが低温判定温度ＴＥＭＰ_1から高温判定温度ＴＥＭＰ_2に到達するまでの実温度上昇率ＴＥＭＰ％_ACTがＮＨ３スリップの可能性を示す上限温度上昇率ＴＥＭＰ％_MAX以上であれば、処理禁止時間ＴＩＭＥ_ACTが経過するまで尿素水噴射量を低減させると共に異常診断を禁止するように構成されている。したがって、ＤＰＦ強制再生時等、排気温度急上昇時のＮＨ３スリップの発生及び誤診断を確実に防止することができる。また、尿素水の過剰噴射が防止されるため、尿素水付着等によって引き起こされる排気管腐食やＳＣＲ４１の性能劣化等を効果的に抑制することができる。
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
例えば、ＮＨ３スリップの可能性がある場合は尿素水噴射量を低減するものとしたが、ＳＣＲ４１のＮＨ３吸着量が吸着可能量に近い場合は尿素水噴射を一時的に中断するように構成してもよい。また、エンジン１０はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジン等の他の内燃機関にも広く適用することが可能である。
１０ エンジン
１１ 排気通路
２１ 排気温度センサ
２２ ＮＯｘセンサ
４０ 後段後処理装置
５０ ＥＣＵ
５１ ＮＯｘ浄化制御部
５２ 低温安定判定部
５３ 判定条件算出部
５４ 温度上昇率算出部
５５ 低減・禁止部

Claims (5)

  1. 内燃機関の排気通路に設けられて尿素水から生成されるアンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを浄化する選択的還元触媒と、該選択的還元触媒よりも下流側の排気通路に設けられたＮＯｘセンサと、該ＮＯｘセンサの検出値に基づいて前記選択的還元触媒への尿素水噴射量を制御すると共に異常診断を行う制御手段とを備える排気浄化システムであって、
    前記選択的還元触媒に流入する排気温度を取得する排気温度取得手段と、
    前記排気温度取得手段で取得される排気温度が所定の第１温度から該第１温度よりも高い所定の第２温度に到達するまでの温度上昇率を算出する温度上昇率算出手段と、
    前記温度上昇率算出手段で算出された温度上昇率が所定の判定閾値よりも高い場合に、前記制御手段による異常診断を禁止する禁止手段と、
    前記排気温度取得手段で所定期間内に取得される排気温度を平均化した平均温度を算出すると共に、該平均温度が前記第１温度以下であれば低温安定と判定する低温判定手段と、を備え、
    前記温度上昇率算出手段は、前記低温判定手段によって低温安定と判定され、且つ前記排気温度取得手段によって取得される排気温度が前記第１温度を超えると、前記温度上昇率の算出を開始する
    ことを特徴とする排気浄化システム。
  2. 前記温度上昇率算出手段で算出された温度上昇率が所定の判定閾値よりも高い場合に、前記制御手段による尿素水噴射量を低減する低減手段をさらに備え、
    前記禁止手段は、異常診断の禁止を前記平均温度に応じて設定される所定期間継続すると共に、前記低減手段は、尿素水噴射量の低減を前記平均温度に応じて設定される所定期間継続する
    請求項１に記載の排気浄化システム。
  3. 前記禁止手段は、所定の待機時間内に前記排気温度取得手段で取得される排気温度が前記第１温度から前記第２温度に到達しなかった場合は異常診断の禁止を実行せず、
    前記低減手段は、所定の待機時間内に前記排気温度取得手段で取得される排気温度が前記第１温度から前記第２温度に到達しなかった場合は尿素水噴射量の低減を実行しない
    請求項２に記載の排気浄化システム。
  4. 前記第２温度は、前記選択的還元触媒に吸着されたアンモニアの少なくとも一部が離脱してスリップする温度よりも低い温度で設定される
    請求項１から３の何れか一項に記載の排気浄化システム。
  5. 内燃機関の排気通路に設けられて尿素水から生成されるアンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを浄化する選択的還元触媒と、該選択的還元触媒よりも下流側の排気通路に設けられたＮＯｘセンサと、該ＮＯｘセンサの検出値に基づいて前記選択的還元触媒への尿素水噴射量を制御すると共に異常診断を行う制御手段とを備える排気浄化システムであって、
    前記選択的還元触媒に流入する排気温度を取得する排気温度取得手段と、
    前記排気温度取得手段で取得される排気温度が所定の第１温度から該第１温度よりも高い所定の第２温度に到達するまでの温度上昇率を算出する温度上昇率算出手段と、
    前記温度上昇率算出手段で算出された温度上昇率が所定の判定閾値よりも高い場合に、前記制御手段による異常診断を禁止する禁止手段と、を備え、
    前記第２温度は、前記選択的還元触媒に吸着されたアンモニアの少なくとも一部が離脱してスリップする温度よりも低い温度で設定される
    ことを特徴とする排気浄化システム。
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