JP6927765B2

JP6927765B2 - 内燃機関の排気浄化制御装置

Info

Publication number: JP6927765B2
Application number: JP2017127270A
Authority: JP
Inventors: 徹齊藤; 天野　典保; 典保天野; 隆徳中野; 土屋　富久; 富久土屋; 正憲坂井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-06-29
Filing date: 2017-06-29
Publication date: 2021-09-01
Anticipated expiration: 2037-06-29
Also published as: JP2019011685A

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に、選択還元型触媒と、該選択還元型触媒よりも上流側に配置されて排気に尿素水を添加する添加弁と、前記添加弁から噴射された尿素水を分散させる分散器と、が設けられた排気浄化装置に適用される内燃機関の排気浄化制御装置に関する。

たとえば下記特許文献１には、排気通路のうち尿素ＳＣＲ触媒（選択還元型触媒）の上流において、尿素水噴射ノズル（添加弁）からミキサ（分散器）に向けて尿素水を噴射することによって、尿素水と排気との混合を促進する排気浄化装置が記載されている。
なお、添加弁による尿素水の噴射量を排気中のＮＯｘ量と反応できる量とすることが周知である。

特開２００９−２２１３号公報

ところで、排気の温度が低い場合には、添加弁から噴射された尿素が分散器において尿素変性物となって堆積する。その後、排気の温度が高くなると、分散器に堆積している尿素変性物が分解してアンモニアとなる。このため、分散器に尿素変性物が堆積しているときに排気の温度が高くなる場合、添加弁による尿素水の噴射量を排気中のＮＯｘ量と反応できる量としたのでは、選択還元型触媒に流入するアンモニアの量が過剰となるおそれがある。

上記課題を解決すべく、内燃機関の制御装置は、内燃機関の排気通路に、選択還元型触媒と、該選択還元型触媒よりも上流側に配置されて排気に尿素水を添加する添加弁と、前記添加弁から噴射された尿素水を分散させる分散器と、が設けられた排気浄化装置に適用され、前記排気の温度が規定温度以上であるとき、前記分散器に堆積物が堆積している場合には堆積していない場合と比較して前記添加弁から噴射する尿素水量を低減する低減処理を実行する。

排気の温度が低い場合に添加弁から尿素水を噴射すると、その一部が分散器において尿素変性物として堆積する。分散器に堆積した尿素変性物は、排気の温度が高くなると、分解してアンモニアとして分散器から脱離する。そこで、上記構成によれば、規定温度をアンモニアが脱離する温度とすることにより、脱離したアンモニアが選択還元型触媒に流入するときに、低減処理を実行することによって添加弁から噴射する尿素水の量を低減することができる。これにより、選択還元型触媒に流入するアンモニアの量が過剰となることを抑制することができる。

第１の実施形態にかかる排気浄化制御装置および排気浄化装置を示す図。同実施形態にかかる尿素水の添加処理の手順を示す流れ図。第２の実施形態にかかる排気浄化制御装置および排気浄化装置を示す図。同実施形態にかかる尿素水の添加処理の手順を示す流れ図。第３の実施形態にかかる分散器の堆積物の堆積量を検出するための構成を示す図。

＜第１の実施形態＞

図１に示す内燃機関１０において、吸気通路１２に吸入された空気は、過給機１４を介してスロットルバルブ１６の下流側に流入し、吸気弁１８の開動作に伴って、シリンダ２０およびピストン２２によって区画される燃焼室２４内に流入する。燃焼室２４には、燃料噴射弁２６が設けられており、燃料噴射弁２６から噴射された燃料と燃焼室２４内に流入した空気との混合気が圧縮着火によって燃焼に供される。混合気の燃焼エネルギは、ピストン２２を介してクランク軸２８の回転エネルギに変換される。燃焼室２４内において燃焼に供された混合気は、排気弁３０の開動作に伴って、排気として、排気通路３２に排出される。吸気通路１２と排気通路３２とは、ＥＧＲ通路３４によって接続されており、ＥＧＲ通路３４には、その流路断面積を調整するＥＧＲバルブ３６が設けられている。

排気通路３２のうちの過給機１４の下流には、上流側から順に、酸化触媒３８およびディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ４０）が設けられている。また、ＤＰＦ４０の下流には、上流側から順に、選択還元型触媒（ＳＣＲ４２）および、アンモニアを酸化するアンモニア酸化触媒４４が設けられている。

さらに、ＳＣＲ４２とＤＰＦ４０との間には、排気に尿素水を添加する添加弁４６が設けられており、添加弁４６の下流には、尿素水を分散する分散器４８が設けられている。添加弁４６は分散器４８に向けて尿素水を噴射するものであり、これにより、分散器４８において尿素水が分散し、排気と尿素水との混合度合いが高められる。なお、添加弁４６には、タンク５０に貯蔵された尿素水がポンプ５２によって汲み上げられて供給される。

制御装置６０は、内燃機関１０を制御対象とし、スロットルバルブ１６や、燃料噴射弁２６、ＥＧＲバルブ３６、添加弁４６等の各種操作対象機器を操作することによって、制御量（トルク、排気成分）を制御する。制御装置６０は、制御量の制御に際し、エアフローメータ７０によって検出される吸入空気量Ｇａや、クランク角センサ７２の出力信号Ｓｃｒ、排気温センサ７４によって検出される過給機１４から排出される排気の温度（排気温Ｔｅｘ）を取り込む。また、制御装置６０は、上流側ＮＯｘセンサ７６によって検出される上流側のＮＯｘの濃度である上流側濃度ＮＯｘｕ、下流側ＮＯｘセンサ７８によって検出される下流側のＮＯｘの濃度である下流側濃度ＮＯｘｄを取り込む。制御装置６０は、ＣＰＵ６２、ＲＯＭ６４およびＲＡＭ６６を備えており、ＲＯＭ６４に記憶されたプログラムをＣＰＵ６２が実行することにより、上記制御量の制御を実行する。

図２に、添加弁４６を用いた排気浄化制御の処理手順を示す。図２に示す処理は、ＲＯＭ６４に記憶されたプログラムをＣＰＵ６２が所定周期で繰り返し実行することにより実現される。なお、以下では、先頭に「Ｓ」の付与された数字によってステップ番号を表現する。

図２に示す一連の処理において、ＣＰＵ６２は、まず、上流側濃度ＮＯｘｕと、排気流量とに基づき、排気中のＮＯｘ流量と過不足なく反応する尿素水量（等量比ＱＳＲ）を算出する（Ｓ１０）。ここで、ＣＰＵ６２は、排気流量を、吸入空気量Ｇａと、燃料噴射量とに基づき算出する。次に、ＣＰＵ６２は、下流側濃度ＮＯｘｄと排気流量とに基づき、添加弁４６から噴射する尿素水の量を等量比ＱＳＲに対して増量する増量補正量ΔＱを算出する（Ｓ１２）。具体的には、ＣＰＵ６２は、まず、下流側濃度ＮＯｘｄと排気流量とに基づきＳＣＲ４２の下流における排気中のＮＯｘ流量を算出する。次に、ＣＰＵ６２は、算出したＮＯｘ流量と過不足なく反応させることができる尿素水量を、ＳＣＲ４２の上流における排気中のＮＯｘ流量と過不足なく反応させることができる尿素水量に対する等量比ＱＳＲの不足量と見なし、この不足量を増量補正量ΔＱとする。なお、下流側濃度ＮＯｘｄがゼロである場合、増量補正量ΔＱはゼロである。そしてＣＰＵ６２は、添加弁４６からの単位時間当たりの尿素水の噴射量の指令値（噴射量指令値ＱＳ＊）を、等量比ＱＳＲを増量補正量ΔＱにて増量した値とする（Ｓ１４）。

次にＣＰＵ６２は、排気温Ｔｅｘが、規定温度Ｔｔｈ以上であるか否かを判定する（Ｓ１６）。ここで、規定温度Ｔｔｈは、分散器４８に堆積した尿素変性物の堆積物が分解する温度（たとえば４００°Ｃ）に設定されている。すなわち、排気温Ｔｅｘが低い場合（たとえば３５０°Ｃ以下の場合）には、添加弁４６から噴射された尿素水が分散器４８において尿素変性物となって堆積するものの、排気温Ｔｅｘが高くなる場合には、堆積した尿素変性物が分解されてアンモニアとして脱離する。Ｓ１６の処理では、分散器４８に堆積物が堆積していると仮定する場合に、堆積している尿素変性物が分解してアンモニアとして脱離する温度であるか否かを判定する。

ＣＰＵ６２は、規定温度Ｔｔｈ未満であると判定する場合（Ｓ１６：ＮＯ）、増量補正量ΔＱに基づき、ＳＣＲ４２の堆積物の堆積量の増加量ΔＤｉを算出する（Ｓ１８）。すなわち、Ｓ１０の処理によって定まった等量比ＱＳＲに応じて添加弁４６から尿素水を噴射する場合、噴射した尿素水の全てがＳＣＲ４２に到達するなら、下流側濃度ＮＯｘｄは無視できる値となると考えられる。このため、下流側濃度ＮＯｘｄがゼロよりも大きい値となり、増量補正量ΔＱがゼロよりも大きい値となる場合、添加弁４６から噴射した尿素水のうちの一部が分散器４８において尿素変性物として堆積し、ＳＣＲ４２に到達しなかったと考えられる。そして、分散器４８に堆積することによって、ＳＣＲ４２に到達しなかった量は、増量補正量ΔＱに一致すると考えられる。したがって、ＣＰＵ６２は、増加量ΔＤｉを、増量補正量ΔＱとする。

そしてＣＰＵ６２は、堆積量Ｄを、増加量ΔＤｉによって増量補正する（Ｓ２０）。次に、ＣＰＵ６２は、堆積量Ｄが、許容上限量Ｄｔｈ以下であるか否かを判定する（Ｓ２２）。そしてＣＰＵ６２は、許容上限量Ｄｔｈよりも多いと判定する場合（Ｓ２２：ＮＯ）、分散器４８の堆積物を分解してアンモニアとして脱離させるべく、排気温Ｔｅｘを所定温度（たとえば５００°Ｃ）以上に上昇させる処理を実行する（Ｓ２４）。これは、たとえば、燃料噴射弁２６による噴射時期を遅角させることによって実現できる。

一方、ＣＰＵ６２は、排気温Ｔｅｘが規定温度Ｔｔｈ以上であると判定する場合（Ｓ１６：ＹＥＳ）、堆積量Ｄと、排気温Ｔｅｘと、排気流量とに基づき、分散器４８からのアンモニアの脱離量ΔＤｄを算出する（Ｓ２６）。詳しくは、ＣＰＵ６２は、堆積物の温度として排気温Ｔｅｘを代用し、堆積物の温度が高い場合に低い場合よりも脱離速度が高くなることに鑑み、排気温Ｔｅｘが高い場合に低い場合よりも脱離量ΔＤｄを多く算出する。また、ＣＰＵ６２は、排気流量が多い場合に少ない場合よりも脱離量ΔＤｄを多く算出する。さらに、ＣＰＵ６２は、堆積量Ｄが多い場合に少ない場合よりも脱離量ΔＤｄを多く算出する。これは、たとえば堆積量Ｄ、排気温Ｔｅｘおよび排気流量を入力パラメータとし、脱離量ΔＤｄを出力パラメータとするマップデータを用いたマップ演算によって行うことができる。ここで、マップデータとは、入力変数の離散的な値と、入力変数の値のそれぞれに対応する出力変数の値と、の組データである。またマップ演算は、たとえば、入力変数の値がマップデータの入力変数の値のいずれかに一致する場合、対応するマップデータの出力変数の値を演算結果とし、一致しない場合、マップデータに含まれる複数の出力変数の値の補間によって得られる値を演算結果とする処理とすればよい。なお、アンモニアの脱離量ΔＤｄは、尿素水量に換算された値となっている。すなわち、脱離量ΔＤｄは、脱離したアンモニアを生成可能な尿素水量と等しい。

次にＣＰＵ６２は、噴射量指令値ＱＳ＊を、脱離量ΔＤｄによって減少補正する（Ｓ２８）。次にＣＰＵ６２は、堆積量Ｄを、脱離量ΔＤｄによって減少補正する（Ｓ３０）。

ＣＰＵ６２は、Ｓ２４，Ｓ３０の処理が完了する場合や、Ｓ２２において肯定判定する場合には、添加弁４６から単位時間当たりに噴射される尿素水の量が噴射量指令値ＱＳ＊となるように添加弁４６を操作すべく、添加弁４６に操作信号ＭＳを出力する（Ｓ３２）。
なお、ＣＰＵ６２は、Ｓ３２の処理が完了する場合には、図２に示す一連の処理を一旦終了する。
ここで本実施形態の作用を説明する。

ＣＰＵ６２は、等量比ＱＳＲに応じた噴射量指令値ＱＳ＊に基づき添加弁４６に尿素水を噴射させる。ここで、排気温Ｔｅｘが低い場合には、添加弁４６から噴射された尿素水の一部が分散器４８において尿素変性物として堆積するため、ＳＣＲ４２に到達する尿素水の量が排気中のＮＯｘと過不足なく反応する量に対して不足することがある。その場合、下流側濃度ＮＯｘｄに基づき、ＣＰＵ６２は、尿素水の不足を検知し、増量補正量ΔＱによって等量比ＱＳＲを増量補正する。また、ＣＰＵ６２は、増量補正量ΔＱに応じて分散器４８における堆積物の堆積量の増加量を把握する。そしてＣＰＵ６２は、排気温Ｔｅｘが上昇することにより、分散器４８に堆積していた尿素変性物が分解してアンモニアが脱離する場合、脱離量ΔＤｄだけ噴射量指令値ＱＳ＊を減少補正する。これにより、分散器４８から脱離したアンモニアと、添加弁４６から噴射された尿素水とがＳＣＲ４２に到達することにより、それらによってＮＯｘを十分に浄化することができる。このため、ＮＯｘを浄化する上で必要な量に対して過剰な量の尿素水を噴射することを抑制できる。
＜第２の実施形態＞
以下、第２の実施形態について、第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

図３に、本実施形態にかかる排気浄化制御装置および排気浄化装置を示す。なお、図３において、図１に示した部材に対応するものについては、便宜上、同一の符号を付している。
図３に示すように、本実施形態では、ＳＣＲ４２とアンモニア酸化触媒４４との間に、アンモニア濃度Ｄａを検出するアンモニアセンサ８０を備えている。

図４に、添加弁４６を用いた排気浄化制御の処理手順を示す。図４に示す処理は、ＲＯＭ６４に記憶されたプログラムをＣＰＵ６２が所定周期で繰り返し実行することにより実現される。なお、図４において、図２に示した処理に対応する処理については、便宜上、同一のステップ番号を付与する。

図４に示す一連の処理において、ＣＰＵ６２は、排気温Ｔｅｘが規定温度Ｔｔｈ以上であると判定する場合（Ｓ１６：ＹＥＳ）、排気流量とアンモニア濃度Ｄａとに基づき、脱離量ΔＤｄを算出する（Ｓ２６ａ）。詳しくは、ＣＰＵ６２は、排気流量が多い場合に少ない場合よりも脱離量ΔＤｄを大きい値に算出し、アンモニア濃度Ｄａが高い場合に低い場合よりも脱離量ΔＤｄを大きい値に算出する。具体的には、たとえばＲＯＭ６４に、アンモニア濃度Ｄａと排気流量とを入力変数とし脱離量ΔＤｄを出力変数とするマップデータを記憶しておき、ＣＰＵ６２がマップ演算を行うことにより脱離量ΔＤｄを算出すればよい。ＣＰＵ６２は、脱離量ΔＤｄを算出すると、Ｓ２８の処理に移行する。
＜第３の実施形態＞
以下、第３の実施形態について、第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

図５に、本実施形態にかかる内燃機関１０のうちの排気通路３２の一部を示す。なお、図５において、図１に示した部材に対応する部材については、便宜上、同一の符号を付している。

図５に示すように、分散器４８の上流側には、上流側排気圧Ｐｅｘｕを検出する上流側圧力センサ８２が配置されており、分散器４８の下流側には、下流側排気圧Ｐｅｘｄを検出する下流側圧力センサ８４が配置されている。

ＣＰＵ６２は、図２のＳ１８，Ｓ２０，Ｓ３０の処理に代えて、上流側排気圧Ｐｅｘｕと下流側排気圧Ｐｅｘｄとの差圧に基づき、堆積量Ｄを算出する。詳しくは、ＣＰＵ６２は、上流側排気圧Ｐｅｘｕが下流側排気圧Ｐｅｘｄを上回る量が大きい場合に小さい場合よりも堆積量Ｄを大きい値に算出する。具体的には、たとえばＲＯＭ６４に、上記差圧を入力変数とし堆積量Ｄを出力変数とするマップデータを記憶しておき、ＣＰＵ６２がマップ演算を行うことにより堆積量Ｄを算出すればよい。
＜対応関係＞

上記実施形態における事項と、上記「課題を解決するための手段」の欄に記載した事項との対応関係は、次の通りである。選択還元型触媒は、ＳＣＲ４２に対応し、低減処理は、Ｓ２８の処理に対応する。
＜その他の実施形態＞
なお、上記実施形態の各事項の少なくとも１つを、以下のように変更してもよい。

・堆積量Ｄの算出手法としては、上記実施形態において例示したものに限らない。たとえば、Ｓ１８の処理に代えて、排気温Ｔｅｘおよび排気流量に基づき、増加量ΔＤｉを算出してもよい。これは、排気温Ｔｅｘおよび排気流量を入力変数とし、増加量ΔＤｉを出力変数とするマップデータをＲＯＭ６４に記憶しておき、ＣＰＵ６２によりマップ演算を行うことで実現できる。ちなみに、ここでの排気流量は、尿素水量と正の相関を有するパラメータである。

・排気浄化制御装置としては、ＣＰＵ６２とＲＯＭ６４とを備えて、ソフトウェア処理を実行するものに限らない。たとえば、上記実施形態においてソフトウェア処理されたものの少なくとも一部を、ハードウェア処理する専用のハードウェア回路（たとえばＡＳＩＣ等）を備えてもよい。

１０…内燃機関、１２…吸気通路、１４…過給機、１６…スロットルバルブ、１８…吸気弁、２０…シリンダ、２２…ピストン、２４…燃焼室、２６…燃料噴射弁、２８…クランク軸、３０…排気弁、３２…排気通路、３４…ＥＧＲ通路、３６…ＥＧＲバルブ、３８…酸化触媒、４０…ＤＰＦ、４２…ＳＣＲ、４４…アンモニア酸化触媒、４６…添加弁、４８…分散器、５０…タンク、５２…ポンプ、６０…制御装置、６２…ＣＰＵ、６４…ＲＯＭ、６６…ＲＡＭ、７０…エアフローメータ、７２…クランク角センサ、７４…排気温センサ、７６…上流側ＮＯｘセンサ、７８…下流側ＮＯｘセンサ、８０…アンモニアセンサ、８２…上流側圧力センサ、８４…下流側圧力センサ。

Claims

内燃機関の排気通路に、選択還元型触媒と、該選択還元型触媒よりも上流側に配置されて排気に尿素水を添加する添加弁と、前記添加弁と前記選択還元型触媒との間に配置されて前記添加弁から噴射された尿素水を分散させる分散器と、が設けられた排気浄化装置に適用される内燃機関の排気浄化制御装置において、
前記添加弁は、前記分散器に向けて前記尿素水を噴射するものであり、
前記排気の温度が規定温度以上であるとき、前記分散器に尿素変性物の堆積物が堆積している場合には堆積していない場合と比較して前記添加弁から噴射する尿素水量を低減する低減処理を実行し、
前記低減処理は、排気流量が大きい場合に小さい場合よりも前記尿素水量の低減量を大きくする処理である内燃機関の排気浄化制御装置。
前記低減処理は、前記排気流量が大きい場合に小さい場合よりも前記尿素水量の低減量を大きくする処理であるとともに、前記堆積物の温度が高い場合に低い場合よりも前記尿素水量の低減量を大きくする処理であって且つ、前記堆積物の堆積量が多い場合に少ない場合よりも前記尿素水量の低減量を大きくする処理である請求項１記載の内燃機関の排気浄化制御装置。
前記低減処理は、前記排気流量が大きい場合に小さい場合よりも前記尿素水量の低減量を大きくする処理であるとともに、前記選択還元型触媒から流出する排気中のアンモニア濃度が高い場合に低い場合よりも前記尿素水量の低減量を大きくする処理である請求項１記載の内燃機関の排気浄化制御装置。