JP7420035B2 - 内燃機関システム、内燃機関システムの白色堆積量監視装置および内燃機関システムの白色堆積量監視方法 - Google Patents
内燃機関システム、内燃機関システムの白色堆積量監視装置および内燃機関システムの白色堆積量監視方法 Download PDFInfo
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Description
本開示は、内燃機関システム、内燃機関システムの白色堆積量監視装置および内燃機関システムの白色堆積量監視方法に関する。
例えば、内燃機関の排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する装置として、内燃機関の排気管に配置されるＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒と、ＳＣＲ触媒の排気上流に、尿素水を噴射し、加水分解により生成されたアンモニアを用いて、ＳＣＲ触媒でＮＯｘを選択還元反応させて無害成分へ浄化する排気浄化装置が知られている。
このような排気浄化装置を備える内燃機関システムでは、排気管に付着した尿素水が蒸発し、尿素が析出する場合がある。析出した尿素により、排気管の断面積が減少するため、排気圧力（背圧）が上昇し、燃費が低下するおそれがある。
例えば、特許文献１には、排気温度および尿素水量に基づいて、尿素の析出量を推定する技術が開示されている。以下の説明において、尿素の析出物を「白色堆積物」、尿素の析出量を「白色堆積量」という。
ところで、排気中の水蒸気が排気管を流れる過程で徐々に冷やされて凝縮し、その凝縮水が排気管内に溜まる。排気管内に溜まる凝縮水は、尿素水の蒸発に影響を与える。上記特許文献１に記載の技術においては、例えば、低温時などにおける凝縮水の影響を考慮していないため、尿素水の計算した蒸発時間と実際の蒸発時間とが異なる場合がある。これにより、推定された白色堆積量と実際の白色堆積量との間に誤差が生じるため、白色堆積量の推定精度が低下するという問題がある。
本開示の目的は、白色堆積量の推定精度を上げることが可能な内燃機関システム、内燃機関システムの白色堆積量管理装置および内燃機関システムの白色堆積量管理方法を提供することである。
上記の目的を達成するため、本開示における内燃機関システムは、
内燃機関の排気が流れる排気管に配置され、前記排気管に供給される尿素水を用いて、前記排気に含まれる窒素酸化物を浄化するＳＣＲ触媒と、
前記内燃機関から排出される前記排気に含まれる水蒸気が、前記排気管で凝縮した凝縮水の凝縮水量として、前記内燃機関を始動してから前記ＳＣＲ触媒の入口部の壁面温度が所定温度に達するまでに発生する単位時間あたりの凝縮水量を算出する凝縮水量算出部と、
算出された前記単位時間あたりの凝縮水量に基づいて、前記排気管の内側に堆積する白色堆積量として、式１により単位時間当たりの白色堆積量を推定する白色堆積量推定部と、
を備える、
内燃機関システム；
単位時間当たりの白色堆積量＝単位時間当たりの尿素水噴射量＊ｆ（壁面温度，排気流量）－白色堆積量前回値＊ｆ（壁面温度，排気流量）＊ｆ（単位時間当たりの凝縮水量、壁面温度）・・・（１）
壁面温度は、前記ＳＣＲ触媒の入口部の壁面温度であり、白色堆積量前回値は、前回の算出までに積算された白色堆積量の数値である。
内燃機関の排気が流れる排気管に配置され、前記排気管に供給される尿素水を用いて、前記排気に含まれる窒素酸化物を浄化するＳＣＲ触媒と、
前記内燃機関から排出される前記排気に含まれる水蒸気が、前記排気管で凝縮した凝縮水の凝縮水量として、前記内燃機関を始動してから前記ＳＣＲ触媒の入口部の壁面温度が所定温度に達するまでに発生する単位時間あたりの凝縮水量を算出する凝縮水量算出部と、
算出された前記単位時間あたりの凝縮水量に基づいて、前記排気管の内側に堆積する白色堆積量として、式１により単位時間当たりの白色堆積量を推定する白色堆積量推定部と、
を備える、
内燃機関システム；
単位時間当たりの白色堆積量＝単位時間当たりの尿素水噴射量＊ｆ（壁面温度，排気流量）－白色堆積量前回値＊ｆ（壁面温度，排気流量）＊ｆ（単位時間当たりの凝縮水量、壁面温度）・・・（１）
壁面温度は、前記ＳＣＲ触媒の入口部の壁面温度であり、白色堆積量前回値は、前回の算出までに積算された白色堆積量の数値である。
本開示における内燃機関システムの白色堆積量監視装置は、
内燃機関の排気が流れる排気管に配置され、前記排気管に噴射される尿素水により、前記排気に含まれる窒素酸化物を浄化するＳＣＲ触媒を備える内燃機関システムの白色堆積量監視装置であって、
前記内燃機関から排出される前記排気に含まれる水蒸気が、前記排気管で凝縮した凝縮水の凝縮水量として、前記内燃機関を始動してから前記ＳＣＲ触媒の入口部の壁面温度が所定温度に達するまでに発生する単位時間あたりの凝縮水量を算出する凝縮水量算出部と、
算出された前記単位時間あたりの凝縮水量に基づいて、前記排気管の内側に堆積する白色堆積量として、式１により単位時間当たりの白色堆積量を推定する白色堆積量推定部と、
を備える、
内燃機関システムの白色堆積量監視装置；
単位時間当たりの白色堆積量＝単位時間当たりの尿素水噴射量＊ｆ（壁面温度，排気流量）－白色堆積量前回値＊ｆ（壁面温度，排気流量）＊ｆ（単位時間当たりの凝縮水量、壁面温度）・・・（１）
壁面温度は、前記ＳＣＲ触媒の入口部の壁面温度であり、白色堆積量前回値は、前回の算出までに積算された白色堆積量の数値である。
内燃機関の排気が流れる排気管に配置され、前記排気管に噴射される尿素水により、前記排気に含まれる窒素酸化物を浄化するＳＣＲ触媒を備える内燃機関システムの白色堆積量監視装置であって、
前記内燃機関から排出される前記排気に含まれる水蒸気が、前記排気管で凝縮した凝縮水の凝縮水量として、前記内燃機関を始動してから前記ＳＣＲ触媒の入口部の壁面温度が所定温度に達するまでに発生する単位時間あたりの凝縮水量を算出する凝縮水量算出部と、
算出された前記単位時間あたりの凝縮水量に基づいて、前記排気管の内側に堆積する白色堆積量として、式１により単位時間当たりの白色堆積量を推定する白色堆積量推定部と、
を備える、
内燃機関システムの白色堆積量監視装置；
単位時間当たりの白色堆積量＝単位時間当たりの尿素水噴射量＊ｆ（壁面温度，排気流量）－白色堆積量前回値＊ｆ（壁面温度，排気流量）＊ｆ（単位時間当たりの凝縮水量、壁面温度）・・・（１）
壁面温度は、前記ＳＣＲ触媒の入口部の壁面温度であり、白色堆積量前回値は、前回の算出までに積算された白色堆積量の数値である。
本開示における内燃機関システムの白色堆積量監視方法は、
内燃機関の排気が流れる排気管に配置され、前記排気管に噴射される尿素水により、前記排気に含まれる窒素酸化物を浄化するＳＣＲ触媒を備える内燃機関システムの白色堆積量監視方法であって、
前記内燃機関から排出される前記排気に含まれる水蒸気が、前記排気管で凝縮した凝縮水の凝縮水量として、前記内燃機関を始動してから前記ＳＣＲ触媒の入口部の壁面温度が所定温度に達するまでに発生する単位時間あたりの凝縮水量を算出し、
算出された前記単位時間あたりの凝縮水量に基づいて、前記排気管の内側に堆積する白色堆積量として、式１により単位時間当たりの白色堆積量を推定する、
内燃機関システムの白色堆積量監視方法；
単位時間当たりの白色堆積量＝単位時間当たりの尿素水噴射量＊ｆ（壁面温度，排気流量）－白色堆積量前回値＊ｆ（壁面温度，排気流量）＊ｆ（単位時間当たりの凝縮水量、壁面温度）・・・（１）
壁面温度は、前記ＳＣＲ触媒の入口部の壁面温度であり、白色堆積量前回値は、前回の算出までに積算された白色堆積量の数値である。
内燃機関の排気が流れる排気管に配置され、前記排気管に噴射される尿素水により、前記排気に含まれる窒素酸化物を浄化するＳＣＲ触媒を備える内燃機関システムの白色堆積量監視方法であって、
前記内燃機関から排出される前記排気に含まれる水蒸気が、前記排気管で凝縮した凝縮水の凝縮水量として、前記内燃機関を始動してから前記ＳＣＲ触媒の入口部の壁面温度が所定温度に達するまでに発生する単位時間あたりの凝縮水量を算出し、
算出された前記単位時間あたりの凝縮水量に基づいて、前記排気管の内側に堆積する白色堆積量として、式１により単位時間当たりの白色堆積量を推定する、
内燃機関システムの白色堆積量監視方法；
単位時間当たりの白色堆積量＝単位時間当たりの尿素水噴射量＊ｆ（壁面温度，排気流量）－白色堆積量前回値＊ｆ（壁面温度，排気流量）＊ｆ（単位時間当たりの凝縮水量、壁面温度）・・・（１）
壁面温度は、前記ＳＣＲ触媒の入口部の壁面温度であり、白色堆積量前回値は、前回の算出までに積算された白色堆積量の数値である。
本開示によれば、白色堆積量の推定精度を上げることができる。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
本実施の形態は、自動車に搭載されたディーゼルエンジン（内燃機関）に本発明を適用した場合について説明する。
本実施の形態は、自動車に搭載されたディーゼルエンジン（内燃機関）に本発明を適用した場合について説明する。
まず、本実施の形態に係るディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）の概略構造について説明する。図１は、実施の形態に係るエンジンの排気系の一例を示す概略構成図である。なお、図１には、Ｘ軸が描かれている。以下の説明では、図１における左右方向をＸ方向又は排気方向といい、右方向を「＋Ｘ方向」、「排気下流方向」又は「排気下流側」、左方向を「－Ｘ方向」、「排気上流方向」又は「排気上流側」という。
本実施の形態に係る内燃機関システム１００は、図１に示すように、排気浄化装置１および排気管１０を備えている。排気管１０は、エンジン２の排気マニホールド３に連結されている。排気管１０にはエンジン２からの排気が流入する。排気浄化装置１は、酸化触媒（Diesel Oxidation Catalyst：ＤＯＣ）１１およびＳＣＲ触媒１２を備えている。
図１は、排気管１０を簡略して示している。ＤＯＣ１１は、排気管１０内に配置され、燃料が供給された場合、これを酸化して排気を昇温させる。ＤＯＣ１１は、排気中の炭化水素（ＨＣ）および一酸化炭素（ＣＯ）を酸化することに加え、一酸化窒素（ＮＯ）を酸化させＮＯ２にする。
ＳＣＲ触媒１２は、排気管１０内にＤＯＣ１１よりも排気下流側（＋Ｘ方向）に配置され、還元剤により、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を窒素（Ｎ２）と水（Ｈ２Ｏ）に還元して、ＮＯｘを低減する。
排気中の水蒸気は、排気管１０を流れる過程で徐々に冷やされ凝縮する。その凝縮水は、ＳＣＲ触媒１２の入口部１０ｆに溜まり易い。ここでは、排気管１０において、例えば、尿素水の噴射位置ＳＰ（後述する）とＳＣＲ触媒１２との間の領域をＳＣＲ触媒１２の入口部１０ｆとする。
温度センサ５５は、ＳＣＲ触媒１２の入口部１０ｆの壁面温度を検出する。
本実施形態に係る内燃機関システム１００は、図１に示すように、タンク２０および還元剤供給部３０を備えている。
タンク２０は、還元剤としての尿素水を貯留する。
還元剤供給部３０は、図１に示すように、移送路３１、ポンプ３３、ノズル３４を有している。
移送路３１は、尿素水が流通可能な流路である。移送路３１の上流側端は、タンク２０に接続されている。
移送路３１には、上流側から順に、ポンプ３３およびノズル３４が配置されている。
ポンプ３３は、タンク２０からの尿素水をノズル３４に供給する。
ノズル３４は、排気管１０におけるＳＣＲ触媒１２よりも排気上流側（－Ｘ方向）の位置ＳＰに配置される。ノズル３４は、排気管１０内に尿素水を噴射する。
噴射された尿素水のうち一部は、排気管１０内の壁面に付着する。壁面に残った尿素水は蒸発して壁面に尿素が析出する。本開示と比較すべき比較例においては、排気温度および尿素水量に基づいて白色堆積量を推定する。しかしながら、排気中の水蒸気が排気管１０を流れる過程で徐々に冷やされて凝縮する。その凝縮水は尿素水の蒸発に影響を与える。ところが、比較例においては、凝縮水に基づいては、白色堆積量を推定しないため、推定された白色堆積量と実際の白色堆積量との間に誤差が生じる場合があるため、白色堆積量の推定精度が低下する。
本開示の実施の形態では、尿素水が付着し、尿素が析出／堆積し易い場所として、ＳＣＲ触媒１２の入口部１０ｆを例に挙げて説明する。
本実施の形態に係る内燃機関システム１００は、制御装置４０を備えている。制御装置４０は、例えば、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等からなるマイクロコンピュータと入出力装置とを備えるＥＣＵ（Electronic control Unit）である。ＥＣＵ４０の入力回路には、温度センサ５５が接続されている。制御装置４０は、ノズル３４による尿素水の噴射水量（ｍｌ／ｍｉｎ）および噴射時期を制御する。ＥＣＵ４０は、取得部４１、凝縮水量算出部４２および白色堆積量推定部４３の各機能を有する。
取得部４１は、ＳＣＲ触媒１２の入口部１０ｆの壁面温度を取得する。また、取得部４１は、単位時間当たりの尿素水噴射量（ｇ／ｓ）を取得する。また、取得部４１は、排気流量（ｍｌ／ｍｉｎ）を取得する。
凝縮水量算出部４２は、入口部１０ｆの壁面温度、燃焼により発生する水分量、飽和水蒸気圧等に基づいて、エンジンを始動してからＳＣＲ触媒１２が所定温度に達するまでに発生する単位時間あたりの凝縮水量（ｇ／ｓ）を算出する。
白色堆積量推定部４３は、凝縮水量に基づいて、排気管１０内に堆積する白色堆積量を推定する。
具体的には、白色堆積量推定部４３は、単位時間当たりの尿素水噴射量（ｇ／ｓ）、排気流量（ｍｌ／ｍｉｎ）、白色堆積量前回値（ｇ）、単位時間当たりの凝縮水量（ｇ／ｓ）、壁面温度（℃）に基づいて、以下の式（１）から、単位時間当たりの白色堆積量（ｇ／ｓ）を算出する。
単位時間当たりの白色堆積量＝単位時間当たりの尿素水噴射量＊ｆ（壁面温度，排気流量）
－白色堆積量前回値＊ｆ（壁面温度，排気流量）＊ｆ（単位時間当たりの凝縮水量，壁面温度）…（１）
なお、上記の白色堆積量前回値は、前回の算出時までに積算された白色堆積量の数値である。
単位時間当たりの白色堆積量＝単位時間当たりの尿素水噴射量＊ｆ（壁面温度，排気流量）
－白色堆積量前回値＊ｆ（壁面温度，排気流量）＊ｆ（単位時間当たりの凝縮水量，壁面温度）…（１）
なお、上記の白色堆積量前回値は、前回の算出時までに積算された白色堆積量の数値である。
ＥＣＵ４０は、記憶部４４を有する。記憶部４４は、単位時間当たりの白色堆積量を記憶する
以上のように、本開示の実施の形態においては、ＥＣＵ４０は、白色堆積量に影響を与える凝縮水量に基づいて、白色堆積量を推定する。これにより、白色堆積量の推定精度を上げることが可能となる。
次に、ＥＣＵ４０による制御の一例について図２を参照して説明する。図２は、ＥＣＵ４０による制御の一例を示すフローチャートである。本フローは、例えば、エンジンの始動により開始され、所定の周期で繰り返される。ＥＣＵ４０は、取得部４１、凝縮水量算出部４２および白色堆積量推定部４３の各機能を実行するものとする。
ステップＳ１００において、ＥＣＵ４０は、ＳＣＲ触媒１２の入口部１０ｆの壁面温度を取得する。
ステップＳ１１０において、ＥＣＵ４０は、取得した入口部１０ｆの壁面温度に基づいて、凝縮水量を算出する。
ステップＳ１２０において、ＥＣＵ４０は、算出した凝縮水量に基づいて、白色堆積量を推定する。その後、図２に示すフローは終了する。
本開示の実施の形態における内燃機関システム１００は、エンジン２の排気が流れる排気管１０内に配置され、排気管１０に供給される尿素水を用いて、排気中の窒素酸化物を浄化するＳＣＲ触媒１２と、排気管１０内の凝縮水量を算出する凝縮水量算出部４２と、算出された凝縮水量に基づいて、排気管１０内に堆積する白色堆積量を推定する白色堆積量推定部４３とを備える。
上記構成により、白色堆積量推定部４３が、尿素水の蒸発に影響を与える凝縮水量に基づいて白色堆積量を推定するため、白色堆積量の推定精度を上げることが可能となる。
また、本実施の形態における内燃機関システム１００では、白色堆積量推定部４３は、排気管１０の壁面温度に基づいて、排気管１０内に堆積する白色堆積量を推定する。これにより、排気中の水蒸気が排気管１０を流れる過程で徐々に冷やされて排気管１０内で凝縮水となることを正確に算出できる。その結果、白色堆積量の推定精度を上げることが可能となる。
また、本実施の形態における内燃機関システム１００では、白色堆積量推定部４３は、ＳＣＲ触媒１２の入口部１０ｆの壁面温度に基づいて、入口部１０ｆ内に堆積する白色堆積量を推定する。排気管１０内に噴射された尿素水は、入口部１０ｆに付着し、白色堆積量が堆積し易い。入口部１０ｆの壁面温度に基づいて凝縮水量を算出するため、入口部１０ｆにおける凝縮水量を正確に算出できる。その結果、入口部１０ｆの白色堆積量の推定精度を上げることが可能となる。
上記実施の形態では、尿素水が付着し、尿素が析出／堆積し易い場所として、ＳＣＲ触媒１２の入口部１０ｆを一例に挙げ、その壁面温度に基づいて白色堆積量を推定したが、本開示はこれに限らず、入口部１０ｆの他に尿素が析出／堆積し易い場所がある場合、その場所の壁面温度に基づいて、白色堆積量を推定してもよい。
また、上記の実施の形態では、ＳＣＲ触媒１２の入口部１０ｆの壁面温度を温度センサ５５により検出したが、本開示はこれに限らず、例えば、入口部１０ｆの壁面温度は、入口部１０ｆ内の排気温度、排気流量、入口部１０ｆの壁部の熱伝達率等に基づいて、算出されてもよい。
その他、上記実施の形態は、何れも本開示の実施をするにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本開示の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本開示はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
本開示は、白色堆積量の推定精度を上げることが要求される内燃機関システムを備えた車両に好適に利用される。
１ 排気浄化装置
２ エンジン
３ 排気マニホールド
１０ 排気管
１０ｆ 入口部
１１ ＤＯＣ
１２ ＳＣＲ触媒
２０ タンク
３０ 還元剤供給部
３１ 移送路
３３ ポンプ
３４ ノズル
４０ ＥＣＵ
４１ 取得部
４２ 凝縮水量算出部
４３ 白色堆積量推定部
４４ 記憶部
５５ 温度センサ
１００ 内燃機関システム
２ エンジン
３ 排気マニホールド
１０ 排気管
１０ｆ 入口部
１１ ＤＯＣ
１２ ＳＣＲ触媒
２０ タンク
３０ 還元剤供給部
３１ 移送路
３３ ポンプ
３４ ノズル
４０ ＥＣＵ
４１ 取得部
４２ 凝縮水量算出部
４３ 白色堆積量推定部
４４ 記憶部
５５ 温度センサ
１００ 内燃機関システム
Claims (3)
- 内燃機関の排気が流れる排気管に配置され、前記排気管に供給される尿素水を用いて、前記排気に含まれる窒素酸化物を浄化するＳＣＲ触媒と、
前記内燃機関から排出される前記排気に含まれる水蒸気が、前記排気管で凝縮した凝縮水の凝縮水量として、前記内燃機関を始動してから前記ＳＣＲ触媒の入口部の壁面温度が所定温度に達するまでに発生する単位時間あたりの凝縮水量を算出する凝縮水量算出部と、
算出された前記単位時間あたりの凝縮水量に基づいて、前記排気管の内側に堆積する白色堆積量として、式１により単位時間当たりの白色堆積量を推定する白色堆積量推定部と、
を備える、
内燃機関システム；
単位時間当たりの白色堆積量＝単位時間当たりの尿素水噴射量＊ｆ（壁面温度，排気流量）－白色堆積量前回値＊ｆ（壁面温度，排気流量）＊ｆ（単位時間当たりの凝縮水量、壁面温度）・・・（１）
壁面温度は、前記ＳＣＲ触媒の入口部の壁面温度であり、白色堆積量前回値は、前回の算出までに積算された白色堆積量の数値である。 - 内燃機関の排気が流れる排気管に配置され、前記排気管に噴射される尿素水により、前記排気に含まれる窒素酸化物を浄化するＳＣＲ触媒を備える内燃機関システムの白色堆積量監視装置であって、
前記内燃機関から排出される前記排気に含まれる水蒸気が、前記排気管で凝縮した凝縮水の凝縮水量として、前記内燃機関を始動してから前記ＳＣＲ触媒の入口部の壁面温度が所定温度に達するまでに発生する単位時間あたりの凝縮水量を算出する凝縮水量算出部と、
算出された前記単位時間あたりの凝縮水量に基づいて、前記排気管の内側に堆積する白色堆積量として、式１により単位時間当たりの白色堆積量を推定する白色堆積量推定部と、
を備える、
内燃機関システムの白色堆積量監視装置；
単位時間当たりの白色堆積量＝単位時間当たりの尿素水噴射量＊ｆ（壁面温度，排気流量）－白色堆積量前回値＊ｆ（壁面温度，排気流量）＊ｆ（単位時間当たりの凝縮水量、壁面温度）・・・（１）
壁面温度は、前記ＳＣＲ触媒の入口部の壁面温度であり、白色堆積量前回値は、前回の算出までに積算された白色堆積量の数値である。 - 内燃機関の排気が流れる排気管に配置され、前記排気管に噴射される尿素水により、前記排気に含まれる窒素酸化物を浄化するＳＣＲ触媒を備える内燃機関システムの白色堆積量監視方法であって、
前記内燃機関から排出される前記排気に含まれる水蒸気が、前記排気管で凝縮した凝縮水の凝縮水量として、前記内燃機関を始動してから前記ＳＣＲ触媒の入口部の壁面温度が所定温度に達するまでに発生する単位時間あたりの凝縮水量を算出し、
算出された前記単位時間あたりの凝縮水量に基づいて、前記排気管の内側に堆積する白色堆積量として、式１により単位時間当たりの白色堆積量を推定する、
内燃機関システムの白色堆積量監視方法；
単位時間当たりの白色堆積量＝単位時間当たりの尿素水噴射量＊ｆ（壁面温度，排気流量）－白色堆積量前回値＊ｆ（壁面温度，排気流量）＊ｆ（単位時間当たりの凝縮水量、壁面温度）・・・（１）
壁面温度は、前記ＳＣＲ触媒の入口部の壁面温度であり、白色堆積量前回値は、前回の算出までに積算された白色堆積量の数値である。
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