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1. JP2009293513 - EXHAUST EMISSION CONTROL DEVICE FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE

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Description

Title of Invention 内燃機関の排気浄化装置 20101006 F01N 3/08 − 3/36 B01D 53/94 特開2000−240429(JP,A) 特開2003−083053(JP,A) 特開2002−038942(JP,A) 特開2001−059417(JP,A) 2009293513 20091217 20100112 亀田 貴志

Technical Field

0001  

Background Art

0002   0003   0004  

Disclosure of Invention

Technical Problem

0005   0006  

Technical Solution

0007   0008   0009   0010   0011   0012   0013   0014  

Best Mode for Carrying out the Invention

0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068  

Brief Description of Drawings

0069   0070  

Claims

1   2   3   4  

Drawings

1   2   3   4   5   6    

Description

内燃機関の排気浄化装置

20101006 F01N 3/08 − 3/36 B01D 53/94 patcit 1 : 特開2000−240429(JP,A)
patcit 2 : 特開2003−083053(JP,A)
patcit 3 : 特開2002−038942(JP,A)
patcit 4 : 特開2001−059417(JP,A)
2009293513 20091217 20100112 亀田 貴志

Technical Field

[0001]
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、特に還元剤としてのアンモニアにより排気中のNOx(窒素酸化物)を選択的に浄化する選択還元型触媒(SCR:Selective Catalytic Reduction)を採用した排気浄化システムに好適に適用されるものである。なお、本システムは、一般に還元剤として尿素水溶液が用いられることから、尿素SCRシステムとして知られている。

Background Art

[0002]
近年、自動車等に適用されるエンジン(特にディーゼルエンジン)において、排気中のNOxを高い浄化率で浄化する排気浄化システムとして、尿素SCRシステムの開発が進められており、一部実用化に至っている。尿素SCRシステムとしては次の構成が知られている。すなわち、尿素SCRシステムでは、エンジン本体に接続された排気管に選択還元型のNOx触媒が設けられるとともに、その上流側に、NOx還元剤としての尿素水(尿素水溶液)を排気管内に添加する尿素水添加弁が設けられている。
[0003]
上記システムにおいては、尿素水添加弁により排気管内に尿素水が添加されることで、NOx触媒上で排気中のNOxが選択的に還元除去される。NOxの還元に際しては、尿素水が排気熱で加水分解されることによりアンモニア(NH3)が生成され、そのアンモニアがNOx触媒に吸着するととともに同NOx触媒上にてアンモニアに基づく還元反応が行われることによってNOxが還元、浄化されることになる。
[0004]
また、NOx触媒でのNOx浄化性能を向上させるべく、尿素水添加弁から添加される還元剤について排気管内での蒸発及び拡散を促進させる技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。すなわち、特許文献1の発明では、NOx触媒の排気上流側における排気通路に遮蔽部材を設けるとともに、その遮蔽部材の下流側に浄化剤を噴射して、浄化剤の微粒化を促進させる構成としている。また、排気通路内に噴射された浄化剤を分散部材に衝突させて、浄化剤の微粒化を促進させる構成としている。
patcit 1 : 特開2007−255343号公報

Disclosure of Invention

Technical Problem

[0005]
しかしながら、上記特許文献1の発明では、排気通路内に遮蔽部材や分散部材を設けることに伴い排気通路内での圧力増加が生じる。この排気通路内での圧力増加は内燃機関の運転中に常に生じるため、燃費の悪化等、内燃機関の運転に関して悪影響が及ぶおそれがあった。すなわち、排気流量はエンジン運転状態に応じて変動する。このとき、例えば吸入空気量(排気流量)が多量となる高負荷運転状態では、排気通路内に設けられる遮蔽部材や分散部材が原因で排気での損失が大きくなり燃費低下が生じると考えられる。
[0006]
本発明は、内燃機関への影響を抑制しつつ好適なる還元剤の添加を行い、ひいてはNOx浄化率を向上させることができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを主たる目的とするものである。

Technical Solution

[0007]
以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について説明する。
[0008]
本発明の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられ還元剤により排気中のNOxを選択的に浄化するNOx触媒(SCR触媒)と、前記NOx触媒の排気上流側に液状の還元剤を添加する還元剤添加手段と、前記還元剤添加手段に供給される還元剤を加圧する加圧手段とを備える排気浄化システムに適用される。そして、請求項1に記載の発明では、NOx触媒の温度又はそれに相関する温度情報を計測又は推定により取得し、その触媒温度又は温度情報に基づいて、加圧手段により加圧される還元剤圧力を変更することで、還元剤添加手段により添加される還元剤の噴霧粒径を変更する。なお、加圧手段として、例えば加圧ポンプが用いられる。
[0009]
ここで、請求項 に記載したように、NOx触媒の温度が所定の低温域にある場合に、加圧手段により還元剤圧力を高圧化するとよい。還元剤圧力を高圧化することにより、還元剤の噴霧粒径を微細化できる。より具体的には、噴霧粒径の切替を行う温度しきい値を定めておき、触媒温度がその温度しきい値よりも低温になった場合に、還元剤圧力を高くする。
[0010]
要するに、本願発明者によれば、還元剤添加手段から添加供給される還元剤の粒径が相違すると、NOx触媒におけるNOx浄化性能に差異が生じることが確認された。詳しくは、図2に示すように、NOx触媒ではある温度(浄化率飽和温度)よりも高温になると、NOx浄化率が所定の高浄化率レベルに飽和するが、その飽和温度が還元剤の粒径に応じて相違し、粒径が小さいほど飽和温度が低いことが確認された。本発明では、こうした特性に着目し、触媒温度に応じて還元剤の噴霧粒径を変更するようにしたため、NOx触媒でのNOx浄化率が低くなりがちな場合において噴霧粒径の微細化によりNOx浄化率の向上を図ることができる。また、本発明では、必要に応じて還元剤の圧力を変更し、それにより還元剤の噴霧粒径を変更する構成としているため、排気通路内に遮蔽部材や分散部材を設ける従来構成とは異なり、内燃機関への影響を抑制できる。その結果、内燃機関への影響を抑制しつつ好適なる還元剤の添加を行い、ひいてはNOx浄化率を向上させることができる。
[0011]
さらに、還元剤の粒径を大小変更する場合においてそのうち粒径大である場合のNOx触媒の浄化率飽和温度を温度しきい値とし、その温度しきい値よりも低温側を所定の低温域であるとする(請求項 )。そして、触媒温度が所定の低温域にある場合に、還元剤の噴霧粒径を小さくするとよい。これにより、還元剤の粒径を大きくしたままではNOx触媒のNOx浄化率が飽和値に達しない場合に、還元剤を微粒化することでNOx浄化率を高めることができる。
[0012]
内燃機関の始動直後にはNOx触媒は低温状態にあり、内燃機関の始動後において排気熱により徐々に昇温される。そこで、請求項 に記載したように、内燃機関の始動時において還元剤の噴霧粒径を小さくし、所定時間の経過後に噴霧粒径を大きくするとよい。これにより、内燃機関の始動に伴う触媒温度の変化に合わせて好適なる還元剤添加を実施できる。
[0013]
還元剤の噴霧粒径は、還元剤の温度にも依存して変化すると考えられる。そこで、請求項 に記載したように、加圧手段による還元剤の加圧に加え、加熱手段による還元剤の加熱を実施することにより還元剤の噴霧粒径を変更するとよい。この場合、還元剤を加圧及び加熱することで、還元剤微粒化を一層促進できる。
[0014]
上記のとおり還元剤圧力が変更される構成では、その圧力の変更に伴い添加時間あたりの還元剤添加量(還元剤添加弁である場合の開弁時間あたりの還元剤添加量、「添加率」とも言える)が変わり、NOx触媒に導入される還元剤量が変動する。この点、請求項 に記載したように、還元剤の圧力を検出し、該検出した還元剤の圧力に応じて還元剤添加手段による還元剤添加の周期、及び1回あたりの添加時間の少なくともいずれかを可変に設定するとよい。これにより、還元剤圧力が可変設定される場合にも所望量の還元剤添加を実現できる。

Best Mode for Carrying out the Invention

[0015]
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、車両用の多気筒ディーゼルエンジンを制御対象としてエンジン制御システムを構築するものとしており、当該制御システムにおいては電子制御ユニット(以下、ECUという)を中枢としてエンジンの各種制御が実施される。また本実施形態では、燃料噴射システムとしてコモンレール式燃料噴射システムを採用するとともに、排気浄化システムとして尿素SCRシステムを採用することとしている。先ずは、本システムの全体概略を図1を用いて説明する。
[0016]
エンジン10は、レシプロエンジン構造を有するエンジン本体11を有しており、その基本構造として、シリンダ内を往復動するピストン12や、吸気側及び排気側の各ポートに設けられて各々個別に開閉動作する吸気弁13、排気弁14を備えている。ピストン12の往復動に伴いクランク軸15が回転する。また、シリンダヘッドには気筒ごとに燃料噴射弁16が設けられている。燃料噴射弁16によって燃焼室17内に燃料が直接噴射され、その噴射燃料が燃焼室17内で燃焼に供される。
[0017]
クランク軸15には、同クランク軸15の回転を検出するためのクランク角センサ18が設けられている。また、シリンダブロックには、エンジン冷却水の温度を検出するための水温センサ19が設けられている。
[0018]
燃料供給系の構成について簡単に説明する(ただし周知の構成のため、図示による説明は省略)。燃料供給系の構成として高圧ポンプとコモンレール(蓄圧配管)とが設けられており、高圧ポンプにより燃料タンク内の燃料が高圧化され、コモンレールに対して圧送される。コモンレール内には数10〜200MPa程度の高圧燃料が貯留され、この高圧燃料が各気筒の燃料噴射弁16に供給される。なお、コモンレール内の燃料圧力は都度のエンジン運転状態等に応じて適宜調整される。
[0019]
エンジン本体11の吸気ポートには吸気管(マニホールド部分を含む)21が接続され、排気ポートには排気管(マニホールド部分を含む)22が接続されている。吸気管21には、電気駆動式のスロットルバルブを有するスロットルアクチュエータ23が設けられている。また、吸気管21内の吸気通路と排気管22内の排気通路とはEGR通路24により接続されており、そのEGR通路24にはEGR弁25とEGRクーラ26とが設けられている。なお、吸気管21の最上流部にはエアクリーナ27が設けられており、そのエアクリーナ27にはエアフロメータ(吸気量センサ)28が設けられている。
[0020]
また、本システムには、過給装置としてターボチャージャ30が設けられている。ターボチャージャ30は、吸気管21に設けられた吸気コンプレッサ31と、排気管22に設けられた排気タービン32とを有しており、排気管22を流れる排気によって排気タービン32が回転し、その回転力がシャフト33を介して吸気コンプレッサ31に伝達される。そして、吸気コンプレッサ31により、吸気管21内を流れる吸入空気が圧縮されて過給が行われる。ターボチャージャ30にて過給された空気は、インタークーラ34によって冷却された後、吸気管21の下流側に給送される。
[0021]
その他、吸気管21には、吸気圧センサ、吸気温センサ等のセンサ類が設けられるが、便宜上説明を省略する。
[0022]
次に、排気系に設けられる排気浄化システムについて説明する。排気管22には、上流側から順に、酸化触媒41、SCR触媒(アンモニア選択還元触媒)42、アンモニアスリップ触媒43が配設されている。SCR触媒42が「NOx触媒」に相当する。また、排気管22において酸化触媒41とSCR触媒42との間には、還元剤としての尿素水(尿素水溶液)を排気管22内に添加供給するための尿素水添加弁44が設けられている。尿素水添加弁44は、既存の燃料噴射弁(電磁駆動式のインジェクタ)とほぼ同様の構成を有しており、電気的な制御指令に伴う開弁動作により尿素水添加弁44の先端噴孔部から尿素水が噴射(添加)される。
[0023]
尿素水添加弁44に対しては、尿素水タンク51から尿素水が逐次供給されるようになっており、次に、尿素水供給系の構成について説明する。
[0024]
尿素水タンク51は給液キャップ付きの密閉容器にて構成されており、その内部に所定濃度(32.5%)の尿素水が貯蔵されている。尿素水タンク51には尿素水配管52の一端が接続されており、その尿素水配管52の途中に加圧手段としての尿素水ポンプ53が設けられている。尿素水配管52の他端は尿素水添加弁44に接続されている。また、同じく尿素水配管52には、同配管内における尿素水の圧力を検出する圧力センサ54が設けられている。尿素水ポンプ53は、ECU60からの駆動信号により回転駆動される電動式ポンプであり、尿素水ポンプ53が回転駆動されることにより、尿素水タンク51内の尿素水が汲み上げられ尿素水配管52を通じて尿素水添加弁44側に吐出される。本実施形態では特に、尿素水ポンプ53による尿素水の圧送量(ポンプ圧送量)が可変調整できる構成となっており、その圧送量の変更により尿素水配管52内の尿素水圧力が変更可能になっている。なお、尿素水ポンプ53は、尿素水タンク51内に尿素水に浸漬した状態で設置されるインタンク式ポンプであってもよい。
[0025]
また、排気管22において酸化触媒41とSCR触媒42との間には、当該排気管22内を流れる排気に旋回流を生じさせるためのミキサ55が設けられている。ミキサ55は、例えば複数の羽根片を有する回転体からなる排気攪拌手段であり、排気の通過に伴い回転し、それに伴い排気が旋回しながらSCR触媒42に流れ込む構成となっている。
[0026]
上記構成の排気浄化システムでは、エンジン運転時において、尿素水添加弁44により排気管22内に尿素水が添加供給されると、排気管22内において排気と共に尿素水がSCR触媒42に供給され、SCR触媒42においてNOxの還元反応が行われることによってその排気が浄化される。
[0027]
詳しくは、尿素水添加弁44から噴射された尿素水は排気熱で加水分解され、その際、(NH2)2CO+H2O→2NH3+CO2 …(式1)
のような反応によりアンモニア(NH3)が生成される。そして、SCR触媒42を排気
が通過する際、アンモニアによって排気中のNOxが選択的に還元浄化される。その際、以下に示すような還元反応が行われることによって、NOxが還元浄化されることになる。
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O …(式2)
6NO2+8NH3→7N2+12H2O …(式3)
NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O …(式4)
このようにアンモニアによるNOxの還元浄化が行われる際、アンモニアがNOxと反応しきれずに余剰となると、その余剰アンモニアが排気に混じって排気下流側に放出される。かかる場合、余剰アンモニアは、SCR触媒下流側のアンモニアスリップ触媒43(例えば酸化触媒)により除去されるようになっている。
[0028]
また、排気管22において酸化触媒41とSCR触媒42との間には、酸素濃度センサ45と温度センサ46とが設けられており、これらの各センサの出力を基に排気中の酸素濃度や触媒温度が検出される。また、SCR触媒42の下流側には、SCR触媒通過後の排気を検出対象として同排気中のNOx量(NOx濃度)を検出するNOxセンサ47が設けられており、このNOxセンサ47の出力を基にSCR触媒42のNOx浄化率が検出されるようになっている。
[0029]
なお、図1では省略しているが、排気管22にはDPF(ディーゼルパティキュレートフィルタ)が設置されており、このDPFによって排気中のPM(パティキュレートマター)が捕集されるようになっている。
[0030]
ECU60は、CPU、ROM、RAM等からなる周知のマイクロコンピュータ(図示略)を備えて構成されており、このECU60には、上述した各種センサの検出信号や、その他コモンレール内の燃料圧力(レール圧)を検出するためのレール圧センサ、ドライバによるアクセル操作量(アクセル開度)を検出するためのアクセルセンサなどから検出信号が逐次入力される。そして、ECU60は、エンジン回転速度やアクセル操作量等のエンジン運転情報に基づいて、燃料噴射制御や燃料圧力制御(レール圧制御)等を実行する。これにより、燃料噴射弁16の燃料噴射動作や高圧ポンプによる燃料圧送動作が制御される。その他、ECU60は、都度のエンジン運転状態に基づいてスロットルアクチュエータ23やEGR弁25等の制御を適宜実行する。
[0031]
ECU60は、NOxセンサ47の出力に基づいて、SCR触媒42の下流側におけるNOx量を算出したり、NOx浄化率を算出したりする。また、NOx浄化率に基づいて尿素水添加量を制御する。ちなみに、NOx浄化率X1は、エンジンからのNOx排出量Y1とSCR触媒42の下流側におけるNOx量Y2とに基づいて算出される(X1=(Y1−Y2)/Y1)。このとき、NOx排出量Y1は、都度のエンジン運転状態(エンジン回転速度、燃料噴射量)に基づいてマップや数式により算出される。また、SCR触媒42の下流側におけるNOx量Y2はNOxセンサ出力により算出される。
[0032]
なお、尿素水添加量の制御に関し、SCR触媒42のアンモニア吸着量を算出し、そのアンモニア吸着量に基づいて尿素水添加量を制御する構成であってもよい。具体的には、SCR触媒42におけるアンモニア供給量とアンモニア消費量(アンモニア反応量)との収支に基づいて実際のアンモニア吸着量(実吸着量)を算出するとともに、その実吸着量と目標吸着量との偏差に基づいて尿素水添加量をフィードバック制御する。
[0033]
尿素水添加弁44の駆動に関して具体的には、ECU60からは尿素水添加弁44に対して所定周期の開弁指令パルスが出力され、そのパルス出力に伴い尿素水添加弁44の駆動部(ソレノイド部)に駆動電流が流れる。そして、その通電に伴い尿素水添加弁44が開弁され、尿素水が添加(噴射)される。このとき、開弁指令パルスの出力周期(又は出力周波数)を可変に調整することで尿素水添加量が増減されるようになっている。尿素水添加量を減量する場合、開弁指令パルスの出力周期を大きくする。また、尿素水添加量を増量する場合、開弁指令パルスの出力周期を小さくする。なお、尿素水添加量を減量する場合には、尿素水添加弁44の開弁駆動を一定期間で停止させるようにしてもよい。
[0034]
ところで、SCR触媒42におけるNOx浄化率とSCR触媒温度と尿素水の噴霧粒径とには相関があり、例えば図2の関係となることが本願発明者の実験により確認されている。図2は、尿素水の噴霧粒径を大小変更した場合についてSCR触媒温度とNOx浄化率との関係を示す図である。図2には、噴霧粒径を100μmとする場合(実線)と、噴霧粒径を20μmとする場合(二点鎖線)とを示しており、このうち前者は通常のポンプ駆動時の噴霧粒径、後者は通常駆動時に対して微細化した場合の噴霧粒径に相当する。
[0035]
図2では、SCR触媒温度が約220℃よりも高温であれば、噴霧粒径によるNOx浄化性能に差異はなく、NOx浄化率が所定の高浄化率レベル(図では約80%)に飽和するのに対し、約220℃よりも低温であれば、噴霧粒径が小さい方がNOx浄化性能が良いことが確認できる。これは、SCR触媒42が低温であれば、噴霧粒径が小さい方が雰囲気ガス(排気)から熱量を得られやすく、アンモニア生成が促進されるためであると考えられる。NOx浄化率の飽和温度は、粒径=100μmの場合には約220℃であり、粒径=20μmの場合には約200℃である。つまり、約220℃以下(粒径=100μmの場合の浄化率飽和温度以下)の低温域では微小粒径の尿素噴霧を用いることでNOx浄化率の向上が可能となる。
[0036]
ちなみに、通常の尿素水添加を行う場合(噴霧粒径=100μmでの尿素水添加)においてNOx浄化率が50%となる触媒温度がSCR触媒42の活性温度であり、本実施形態では約180℃である。
[0037]
また、尿素水添加弁44に供給される尿素水の圧力(尿素水圧力)と尿素水の噴霧粒径とには相関があり、例えば図3の関係となる。つまり、尿素水圧力が大きいほど尿素水の噴霧粒径が小さくなる。そこで本実施形態では、尿素水ポンプ53による尿素水圧送量を調整することで尿素水圧力を増減させ、それに伴い尿素水の噴霧粒径を変更することとしている。
[0038]
本実施形態では、SCR触媒42が比較的低温である場合(換言すれば、触媒活性の度合いが小さい場合)には、尿素水圧力を大きくした状態(高圧化した状態)で尿素水添加を実施し、SCR触媒42が比較的高温である場合(換言すれば、触媒活性の度合いが大きい場合)には、尿素水圧力を小さくした状態(高圧化しない状態)で尿素水添加を実施する。上記のように尿素水圧力を変更することにより、必要に応じて尿素水噴霧の微粒化が行われ、NOx浄化性能が高レベルのまま維持される。
[0039]
なお、SCR触媒42が所定の高温状態にある場合には、尿素水の噴霧粒径に依存せず(すなわち尿素水の高圧化に関係なく)NOx浄化性能が確保できる一方、尿素水圧力を小さくすることでポンプ負荷を小さくすることができる。これにより、車載バッテリの電力消費を低減させる等の効果が得られる。
[0040]
図4は、尿素水添加制御の手順を示すフローチャートであり、本処理はECU60により所定の時間周期で繰り返し実行される。
[0041]
図4において、ステップS11では、今現在のエンジン回転速度NEが所定値K1よりも大きいか否かを判定する。所定値K1は、エンジン10が運転状態であることを判定するためのしきい値であり、例えばK1=800rpmである。次に、ステップS12では、SCR触媒温度Tscrが所定値K2よりも大きいか否かを判定する。SCR触媒温度Tscrは、SCR触媒42の上流側に設けられた温度センサ46の出力に基づき算出されるものである。所定値K2は、SCR触媒42が活性完了状態にあるか未活性状態にあるかを判定するための温度しきい値であり、例えばK2=180℃である。この温度値(180℃)は、本実施形態のSCR触媒42においてNOx浄化率が50%となる触媒温度に相当する。
[0042]
そして、上記のステップS11,S12の少なくともいずれかがNOであればそのまま本処理を終了し、ステップS11,S12が共にYESであれば後続のステップS13に進む。
[0043]
ステップS13では、今現在の尿素水圧力Pnが所定値K3よりも大きいか否かを判定する。尿素水圧力Pnは、尿素水配管52に設けられた圧力センサ54の検出結果に基づいて算出された値である。所定値K3は、尿素水添加弁44による尿素水添加が可能となったことを判定するための圧力しきい値(添加可能最小圧力)であり、例えばK3=0.4MPaである。
[0044]
そして、Pn≦K3であればステップS14に進み、Pn>K3であればステップS15に進む。ステップS14では、尿素水ポンプ53を所定回転速度で駆動させる。つまり、尿素水圧力Pnを尿素水添加弁44による添加可能最小圧力以上とするべくポンプ駆動を実施する。
[0045]
また、ステップS15では、SCR触媒温度Tscrが所定値K4よりも大きいか否かを判定する。所定値K4は、尿素水噴霧を微粒化するか否かを判定するための温度しきい値であり、例えばK4=220℃である。所定値K4は、噴霧粒径=100μmの場合の浄化率飽和温度である(図2参照)。
[0046]
そして、Tscr>K4であればステップS16に進み、Tscr≦K4であればステップS17に進む。ステップS16では、第1目標圧力PT1を設定し、その第1目標圧力PT1に基づいて尿素水ポンプ53の駆動を制御する。また、ステップS17では、第2目標圧力PT2を設定し、その第2目標圧力PT2に基づいて尿素水ポンプ53の駆動を制御する。第1目標圧力PT1が通常の尿素水圧力であり、例えばPT1=0.5MPaである。これに対し、第2目標圧力PT2は、第1目標圧力PT1よりも高い圧力値であり、例えばPT2=5MPaである。このとき、尿素水圧力が図3に示す関係にあることからすれば、尿素水圧力を第1目標圧力PT1(0.5MPa)とすることで噴霧粒径が100μmとなり、尿素水圧力を第2目標圧力PT2(5MPa)とすることで噴霧粒径が20μmとなる。なお、第1目標圧力PT1は、添加可能最小圧力である所定値K3(0.4MPa)よりも大きい値となっている。
[0047]
その後、ステップS18では、尿素水圧力を検出する。また、ステップS19では、尿素水添加弁44の制御パラメータを決定する。具体的には、例えば図5の関係を用い、その時の尿素水添加量と尿素水圧力とに基づいて尿素水添加弁44の開弁時間(1回あたりの添加時間)を決定する。尿素水添加量は、都度のNOx浄化率又はアンモニア吸着量に基づいて算出されるものである。なお、尿素水添加弁44の制御パラメータとして、その時の尿素水圧力に基づいて尿素水の添加周期を決定することも可能である。尿素水圧力の検出値を用いて制御パラメータを算出する構成に代えて、都度の目標圧力(PT1,PT2)を用いて制御パラメータを算出する構成であってもよい。
[0048]
最後に、ステップS20では、ステップS19で決定した制御パラメータに基づいて尿素水添加弁44による尿素添加を実行する。
[0049]
図6は、本実施形態の尿素水制御をより具体的に説明するためのタイムチャートである。図6において(a)はエンジン回転速度の推移を、(b)はSCR触媒温度の推移を、(c)は尿素水圧力の推移をそれぞれ示している。
[0050]
図6において、タイミングt1ではエンジン10が始動され、t1〜t2の期間ではアイドル運転が行われる。エンジン始動後、排気熱によりSCR触媒温度が徐々に上昇する。
[0051]
その後、タイミングt2で加速操作等によりエンジン回転速度が上昇すると、SCR触媒温度が急上昇し、SCR触媒温度が所定値K2(180℃)に到達するタイミングt3では、尿素水ポンプ53の駆動が開始されて尿素水圧力が上昇する。そして、尿素水圧力が所定値K3(0.4MPa)よりも大きくなると、第2目標圧力PT2(5MPa)に基づく尿素水圧力の制御が開始される。つまり、尿素水圧力が高圧化され、尿素水噴霧を微粒化させて尿素水添加が行われる(t3〜t4の期間)。
[0052]
その後、タイミングt4でSCR触媒温度が所定値K4(220℃)に達すると、尿素水圧力の目標値が第2目標圧力PT2(5MPa)から第1目標圧力PT1(0.5MPa)に変更される。つまり、尿素水圧力が通常圧力とされ、尿素水噴霧を微粒化せず通常噴霧による尿素水添加が行われる(t4〜t5の期間)。
[0053]
以降、減速に伴いSCR触媒温度が低下し、タイミングt5で所定値K4(220℃)以下になると、再び尿素水圧力の目標値が第2目標圧力PT2(5MPa)に変更されて尿素水噴霧の微粒化が行われる(t5〜t8の期間)。ただし、t6〜t7の期間では、SCR触媒温度が触媒活性温度である所定値K2(180℃)以下となるため、同期間では、尿素水添加が一時的に停止されるとともに、尿素水ポンプ53の圧送量が微小量に変更されるようになっている。
[0054]
以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。
[0055]
都度のSCR触媒温度に基づいて、尿素水ポンプ53により加圧される尿素水圧力を変更し、それにより尿素水添加弁44から噴射される尿素水の噴霧粒径を変更する構成とした。特に、SCR触媒温度が所定の低温域にある場合に、尿素水圧力を高圧化して尿素水の噴霧粒径を微細化した。これにより、SCR触媒42でのNOx浄化率が低くなりがちな所定の低温域において、噴霧粒径の微細化によりNOx浄化率の向上を図ることができる。また、必要に応じて尿素水圧力を変更して尿素水の噴霧粒径を変更する構成であるため、排気通路内に遮蔽部材や分散部材を設ける従来構成とは異なり、エンジンへの悪影響を抑制できる。その結果、エンジンへの悪影響を抑制しつつ好適なる尿素水の添加を行い、ひいてはNOx浄化率を向上させることができる。
[0056]
また、噴霧粒径を微細化しない場合(尿素水圧力を高圧化しない場合)について言えば、尿素水圧力を高圧化しなくてよい分、尿素水ポンプ53への電源(バッテリ)からの通電量を減らすことができ、エネルギ低減を図ることができる。
[0057]
エンジン始動直後(冷間始動直後)には、SCR触媒42が低温状態にあり、NOx浄化率の上昇が遅れがちになるが、上記のように尿素水の噴霧粒径を微細化することにより、エンジン始動直後におけるNOx浄化率の上昇を早めることが可能となる。ゆえに、エンジン始動直後における排気浄化性能を向上できる。
[0058]
また、従来技術として説明したように排気通路内に遮蔽部材や分散部材を設ける場合、それら各部材が溶接等により通路壁(排気管壁)に取り付けられるためにそれら各部材の取付作業が煩雑であるという問題や、長期の使用により遮蔽部材や分散部材が破損するおそれがある信頼性の問題が懸念される。この点、本実施形態では、遮蔽部材や分散部材を要しないため、構成の簡素化を図るとともに取付作業の繁雑化を抑制できる。また、排気管内における遮蔽部材や分散部材の破損による不都合の発生も解消できる。
[0059]
また、尿素水の噴霧粒径を大小変更する場合においてそのうち粒径大である場合のNOx浄化率の飽和温度を温度しきい値(所定値K4=220℃)とし、その温度しきい値よりも低温側を所定の低温域であるとして尿素水噴霧の微細化を行う構成とした。これにより、尿素水の粒径が大きいままではSCR触媒42のNOx浄化率が飽和値に達しない場合に、尿素水を微粒化することでNOx浄化率を高めることができる。
[0060]
尿素水圧力に応じて尿素水添加弁44による尿素水添加の周期、又は1回あたりの添加時間の少なくともいずれかを可変に設定する構成としたため、尿素水圧力が大小変更される場合にも所望量の尿素水添加を実現できる。
[0061]
(他の実施形態)
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施されてもよい。
[0062]
・上記実施形態では、SCR触媒温度と温度しきい値(所定値K4)との比較の結果に基づいて尿素水圧力を変更し、それにより尿素水の噴霧粒径を小さくする構成としたが、これを変更し、エンジン始動直後の所定期間において時間の経過に応じて噴霧粒径の変更を行う構成であってもよい。つまり、エンジン始動時(特に冷間始動時)において、始動開始からの経過時間を計測し、その経過時間が所定時間になるまでは尿素水の噴霧粒径を小さくし、所定時間が経過したタイミングで噴霧粒径を大きくする。噴霧粒径大から噴霧粒径小への切替タイミングとなる時間しきい値は、実験等に基づいてあらかじめ定めておくか、エンジン始動時の暖機状態(例えばエンジン水温等)に応じて可変に設定するとよい。本構成においても、SCR触媒42の温度上昇に合わせて尿素水の噴霧粒径を変更することができ、好適なる尿素水添加を実施できる。
[0063]
・上記実施形態では、尿素水の噴霧粒径を2段階(100μm、20μm)で切り替える構成としたが、これを変更し、3段階以上で切り替える構成としてもよい。
[0064]
・尿素水の噴霧粒径を変更する場合に、SCR触媒温度以外に、都度の尿素水添加量を加味して噴霧粒径の変更を行う構成としてもよい。例えば、尿素水添加量が多い場合には、尿素水圧力を大きくして尿素水の噴霧粒径を小さくする。
[0065]
・尿素水の噴霧粒径は、尿素水圧力以外に尿素水温度にも依存して変化すると考えられる。そこで、尿素水ポンプ53による尿素水の加圧に加え、加熱手段による尿素水の加熱を実施することにより尿素水の噴霧粒径を小さくする構成としてもよい。この場合、尿素水配管52に加熱手段としてのヒータを設け、尿素水の噴霧粒径を小さくする際にヒータにより尿素水を加熱するとよい。この場合、尿素水を加圧及び加熱することで、尿素水噴霧の微粒化を一層促進できる。
[0066]
・上記実施形態では、SCR触媒42の上流側に設置した温度センサ46の出力によりSCR触媒温度Tscrを検出し、そのSCR触媒温度Tscrに基づいて尿素水の噴霧粒径を変更する構成としたが、これに代えて、エンジン排気温度をセンサ等により計測し、又はエンジン運転状態に基づいて演算により推定し、その排気温度に基づいて尿素水の噴霧粒径を変更する構成としてもよい。この場合、排気温度が「NOx触媒の温度情報」に相当する。
[0067]
また、エンジンの運転負荷とSCR触媒温度とには相関があることを利用して、都度のエンジン負荷に基づいて尿素水の噴霧粒径を変更する構成としてもよい。すなわち、エンジン負荷が低い場合には、排気温度が低くなることに伴いSCR触媒温度が低下する。したがって、エンジン負荷が所定値未満である場合には、尿素水の噴霧粒径を小さくする。なお、エンジン負荷は、エンジン回転速度、燃料噴射量、アクセル操作量、吸気流量、NOx排出量、排気温度などから推定できる。
[0068]
・本発明を、上述した尿素SCRシステム以外で具体化することも可能である。例えば、アンモニア発生源として固体の尿素を用いその尿素から還元剤としての尿素水又はアンモニア水を生成するシステム、アンモニア発生源として軽油などの燃料を用いるシステム、アンモニア水を排気通路に直接添加するシステム、アンモニア以外の還元剤(HC等)を用いるシステムなどにおいて具体化することも可能である。

Brief Description of Drawings

[0069]
[fig. 1] 発明の実施の形態におけるエンジン制御システムの概略を示す構成図。
[fig. 2] SCR触媒におけるNOx浄化率とSCR触媒温度と尿素水の噴霧粒径との関係を示す図。
[fig. 3] 尿素水圧力と尿素水の噴霧粒径との関係を示す図。
[fig. 4] 尿素水添加制御の処理手順を示すフローチャート。
[fig. 5] 尿素水添加量と尿素水圧力と尿素水添加弁の開弁時間との関係を示す図。
[fig. 6] 尿素水制御をより具体的に説明するためのタイムチャート。

符号の説明

[0070]
10…エンジン(内燃機関)、22…排気管、42…SCR触媒(NOx触媒)、44…尿素水添加弁(還元剤添加手段)、53…尿素水ポンプ(加圧手段)、60…ECU(取得手段、及び噴霧粒径制御手段)。

Claims

[1]
内燃機関の排気通路に設けられ還元剤により排気中のNOxを選択的に浄化するNOx触媒と、前記NOx触媒の排気上流側に液状の還元剤を添加する還元剤添加手段と、前記還元剤添加手段に供給される還元剤を加圧する加圧手段とを備え 、前記NOx触媒は、浄化率飽和温度よりも高温になると、NOx浄化率が所定の高浄化率レベルに飽和し、前記還元剤の粒径が小さいほど前記浄化率飽和温度が低いものである排気浄化システムに適用され、
前記NOx触媒の温度又はそれに相関する温度情報を計測又は推定により取得する取得手段と、
前記取得手段により取得した触媒温度又は温度情報に基づいて、前記加圧手段により加圧される還元剤圧力を 低圧と高圧の2段階で切り替えることで、前記還元剤添加手段から添加される還元剤の噴霧粒径を 大小の2段階で切り替える噴霧粒径制御手段と、を備え
前記噴霧粒径制御手段は、前記還元剤の粒径を大小切り替える場合においてそのうち粒径大である場合の前記NOx触媒の浄化率飽和温度を温度しきい値として、前記NOx触媒の温度が前記温度しきい値よりも高温側である場合に前記加圧手段により還元剤圧力を低圧にするとともに、前記NOx触媒の温度が前記温度しきい値よりも低温側である場合に前記加圧手段により還元剤圧力を高圧にすることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
[2]
前記噴霧粒径制御手段は、内燃機関の始動時において前記還元剤の噴霧粒径を小さくし、所定時間の経過後に噴霧粒径を大きくする請求項 1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
[3]
前記還元剤添加手段により添加される還元剤を加熱する加熱手段を備え、
前記噴霧粒径制御手段は、前記加圧手段による還元剤の加圧に加え、前記加熱手段による還元剤の加熱を実施することにより還元剤の噴霧粒径を変更する請求項 に記載の内燃機関の排気浄化装置。
[4]
前記還元剤の圧力を検出する手段と、
前記検出した還元剤の圧力に応じて前記還元剤添加手段による還元剤添加の周期、及び1回あたりの添加時間の少なくともいずれかを可変に設定する手段と、
を備える請求項1乃至 のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

Drawings

[ Fig. 1]

[ Fig. 2]

[ Fig. 3]

[ Fig. 4]

[ Fig. 5]

[ Fig. 6]