(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024043077
(43)【公開日】2024-03-29
(54)【発明の名称】排気制御装置
(51)【国際特許分類】
F01N 3/28 20060101AFI20240322BHJP
F01N 3/08 20060101ALI20240322BHJP
F01N 3/20 20060101ALI20240322BHJP
B01D 53/94 20060101ALI20240322BHJP
【FI】
F01N3/28 301D
F01N3/08 B ZAB
F01N3/20 F
B01D53/94 222
【審査請求】有
【請求項の数】5
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022148065
(22)【出願日】2022-09-16
(11)【特許番号】
(45)【特許公報発行日】2023-12-06
(71)【出願人】
【識別番号】000000170
【氏名又は名称】いすゞ自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002952
【氏名又は名称】弁理士法人鷲田国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】坂本 隆行
(72)【発明者】
【氏名】瀬戸 崇大
(72)【発明者】
【氏名】麝嶋 徹
(72)【発明者】
【氏名】西村 裕大
(72)【発明者】
【氏名】村田 康
【テーマコード(参考)】
3G091
4D148
【Fターム(参考)】
3G091AB02
3G091AB05
3G091AB13
3G091BA07
3G091CA12
3G091CA17
3G091EA18
3G091HA09
3G091HA15
3G091HB03
3G091HB06
4D148AA06
4D148AA14
4D148AB02
4D148AC03
4D148CC25
4D148CC32
4D148CC47
4D148CD05
4D148DA02
4D148DA06
(57)【要約】
【課題】NOx浄化触媒の上流側に二酸化窒素を生成可能な触媒等が配置されなくても、NOx浄化触媒のスートを除去できる排気制御装置を提供すること。
【解決手段】排気制御装置は、排気通路において、ターボチャージャのタービンの下流側にNOx浄化触媒が設けられ、タービンとNOx浄化触媒との間に二酸化窒素を生成可能な触媒が設けられていない排気系で用いられる。排気系は、NOx浄化触媒の下流側に設けられた酸化触媒と、タービンを通過した排気を、NOx浄化触媒を介さずに、酸化触媒の上流側へ導く第1分岐通路と、酸化触媒を通過した排気を、NOx浄化触媒の上流側へ還流させる第2分岐通路と、を含む。排気制御装置は、酸化触媒の温度が第1設定温度以上であるか否かを判定する判定部と、酸化触媒の温度が第1設定温度以上である場合、タービンを通過した排気が第1分岐通路、酸化触媒、第2分岐通路の順に流れるように、バルブの開閉を制御する制御部と、を有する。
【選択図】
図2
【特許請求の範囲】
【請求項1】
エンジンからの排気が流れる排気通路において、ターボチャージャのタービンの下流側にNOx浄化触媒が設けられ、前記タービンと前記NOx浄化触媒との間に二酸化窒素を生成可能な触媒が設けられていない排気系で用いられる排気制御装置であって、
前記排気系は、
前記NOx浄化触媒の下流側に設けられた酸化触媒と、
前記タービンを通過した排気を、前記NOx浄化触媒を介さずに、前記酸化触媒の上流側へ導く第1分岐通路と、
前記酸化触媒を通過した排気を、前記NOx浄化触媒の上流側へ還流させる第2分岐通路と、
を含み、
前記排気制御装置は、
前記酸化触媒の温度が第1設定温度以上であるか否かを判定する判定部と、
前記酸化触媒の温度が前記第1設定温度以上である場合、前記タービンを通過した排気が前記第1分岐通路、前記酸化触媒、前記第2分岐通路の順に流れるように、前記第1分岐通路および前記第2分岐通路それぞれの上下流端と前記排気通路との接続部分に設けられたバルブの開閉を制御する制御部と、を有する、
排気制御装置。
【請求項2】
前記判定部は、
前記酸化触媒の温度が前記第1設定温度以上となった後、前記第1設定温度よりも高い第2設定温度に到達したか否かを判定し、
前記制御部は、
前記酸化触媒の温度が前記第2設定温度に到達した場合、前記タービンを通過した排気が、前記第1分岐通路および前記第2分岐通路を流れることなく、前記NOx浄化触媒、前記酸化触媒の順に流れるように、前記バルブの開閉を制御する、
請求項1に記載の排気制御装置。
【請求項3】
前記制御部は、
前記タービンを通過した排気が前記第1分岐通路、前記酸化触媒、前記第2分岐通路の順に流れるようにする前記バルブの制御を実行する場合、
さらに、
EGR(Exhaust Gas Recirculation)率を減少させるようにEGRバルブの開度を制御し、
前記エンジンの吸気量を増加させるようにインテークスロットルバルブの開度を制御し、
前記エンジンにおける燃料のメイン噴射のタイミングを進角させる、
請求項1に記載の排気制御装置。
【請求項4】
前記判定部は、さらに、
前記NOx浄化触媒の上流側と下流側との差圧が設定差圧以上であるか否かを判定し、
前記制御部は、
前記酸化触媒の温度が前記第1設定温度以上であり、かつ、前記差圧が前記設定差圧以上である場合、前記タービンを通過した排気が前記第1分岐通路、前記酸化触媒、前記第2分岐通路の順に流れるようにする前記バルブの制御を開始する、
請求項1に記載の排気制御装置。
【請求項5】
前記NOx浄化触媒は、
SCR(Selective Catalytic Reduction)触媒である、
請求項1に記載の排気制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、排気制御装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、エンジンから排出される排気に含まれる窒素酸化物(NOx)を浄化する装置として、例えば、尿素水を還元剤として使用するSCR(Selective Catalytic Reduction)触媒が知られている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
また、従来、エンジンの始動後なるべく早期にSCR触媒を昇温させるために、SCR触媒をターボチャージャのタービンの下流側(例えば直下)に配置する構成が知られている。その構成において、より早期の昇温を実現するために、タービンとSCR触媒との間に酸化触媒(例えば、DOC:Diesel Oxidation Catalyst)を配置しない構成も知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
エンジンからの排気には、スート(煤)が含まれている。このスートがSCR触媒に吸着すると、排気圧力の上昇を招き、燃料消費性能が悪化したり、エンジンストールによる走行停止が発生したりするという問題がある。
【0006】
スートの除去には二酸化窒素が用いられ、二酸化窒素を生成可能な触媒(例えば、酸化触媒)も存在する。しかし、そのような触媒がSCR触媒の上流側に配置されない排気系(例えば、上述した従来の構成)では、上述した問題が起こりうる。
【0007】
本開示の一態様の目的は、NOx浄化触媒の上流側に二酸化窒素を生成可能な触媒等が配置されない構成であっても、NOx浄化触媒におけるスートの除去を可能とする排気制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本開示の一態様に係る排気制御装置は、エンジンからの排気が流れる排気通路において、ターボチャージャのタービンの下流側にNOx浄化触媒が設けられ、前記タービンと前記NOx浄化触媒との間に二酸化窒素を生成可能な触媒が設けられていない排気系で用いられる排気制御装置であって、前記排気系は、前記NOx浄化触媒の下流側に設けられた酸化触媒と、前記タービンを通過した排気を、前記NOx浄化触媒を介さずに、前記酸化触媒の上流側へ導く第1分岐通路と、前記酸化触媒を通過した排気を、前記NOx浄化触媒の上流側へ還流させる第2分岐通路と、を含み、前記排気制御装置は、前記酸化触媒の温度が第1設定温度以上であるか否かを判定する判定部と、前記酸化触媒の温度が前記第1設定温度以上である場合、前記タービンを通過した排気が前記第1分岐通路、前記酸化触媒、前記第2分岐通路の順に流れるように、前記第1分岐通路および前記第2分岐通路それぞれの上下流端と前記排気通路との接続部分に設けられたバルブの開閉を制御する制御部と、を有する。
【発明の効果】
【0009】
本開示によれば、NOx浄化触媒の上流側に二酸化窒素を生成可能な触媒等が配置されない構成であっても、NOx浄化触媒におけるスートの除去を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【
図1】本開示の実施の形態に係るエンジンの構成例を模式的に示す図
【
図2】本開示の実施の形態に係るエンジンの構成例を模式的に示す図
【
図3】本開示の実施の形態に係る排気制御装置の構成例を模式的に示す図
【発明を実施するための形態】
【0011】
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。
【0012】
まず、
図1、
図2を用いて、本実施の形態のエンジン1の構成について説明する。
図1、
図2は、本実施の形態のエンジン1の構成例を模式的に示す図である。詳細は後述するが、
図1と
図2とでは、タービン32の下流側における排気の流れが異なる。
【0013】
エンジン1は、移動体(例えば、自動車、船舶等)に搭載されてもよいし、定置式でもよい。
【0014】
図1に示すように、エンジン1は、エンジン本体2のほかに、吸気通路10と、排気通路20と、ターボチャージャ30と、EGR(Exhaust Gas Recirculation)装置40と、を備える。なお、吸気通路10および排気通路20の中に図示した各矢印は、空気(吸気、排気)の流れを示している。
【0015】
吸気通路10へ吸入された空気は、ターボチャージャ30のコンプレッサ31により圧縮され、インタークーラ11で冷却され、インテークスロットルバルブ12によって流量を調整されて、インテークマニホールド13を経てエンジン本体2に供給される。
【0016】
図示は省略しているが、エンジン本体2には、各気筒に対して燃料の噴射(例えば、メイン噴射、アフター噴射等)を行う燃料噴射装置が設けられている。なお、本実施の形態では、エンジン本体2がディーゼルエンジンである場合を例に挙げて説明するが、これに限定されない。
【0017】
エンジン本体2から排出された排気は、エキゾーストマニホールド21から排気通路20へ排出される。排気通路20へ排出された排気の一部は、EGR装置40(具体的には、EGR上流側通路41)へ流入する。なお、以下では、EGR装置40へ流入した排気を「EGRガス」という。
【0018】
EGR装置40は、EGR上流側通路41、EGRクーラ42、EGR下流側通路43、EGRバルブ44を含む。
【0019】
上流側通路41へ流入したEGRガスは、EGRクーラ42によって冷却された後、EGR下流側通路43を流れ、EGRバルブ44によって流量を調整されて、吸気通路10へ環流される。EGR下流側通路43と吸気通路10とは、インテークスロットルバルブ12よりも下流側において連通している。
【0020】
一方、EGR上流側通路41へ分流しなかった排気は、ターボチャージャ30のタービン32へ流入し、タービン32を回転駆動させる。
【0021】
タービン32の下流側の排気系(後処理システムと言ってもよい)は、第1排気通路24、第2排気通路25、第1分岐通路26、第2分岐通路27、SCR触媒50、DOC51、DPF(Diesel Particulate Filter)52、バルブ60~63を備える。なお、第1排気通路24、第2排気通路25、第1分岐通路26、および第2分岐通路27は、排気通路20のうち、タービン32の下流側に設けられた通路に相当する。
【0022】
第1排気通路24は、上流端がタービン32の出口側に接続され、下流端が大気に向けて開口した通路である。
【0023】
第1排気通路24には、SCR触媒50(NOx浄化触媒の一例)が設けられている。
【0024】
図示は省略しているが、タービン32の下流側かつSCR触媒50の上流側には、第1排気通路24内に、還元剤としての尿素水を噴射する尿素水インジェクタが設けられている。第1排気通路24内に噴射された尿素水からはアンモニアが発生し、このアンモニアがSCR触媒50に供給される。これにより、SCR触媒50において、排気中のNOxが窒素に還元される。
【0025】
第1排気通路24において、タービン32とSCR触媒50との間には、二酸化窒素を生成可能な触媒等(例えば、DOC)は設けられていない。
【0026】
第1排気通路24には、後述する第2排気通路25、第1分岐通路26、第2分岐通路27それぞれの一端が接続されている。
【0027】
第2排気通路25は、上流端が第1排気通路24におけるSCR触媒50の下流側に接続され、下流端が大気に向けて開口した通路である。
【0028】
第2排気通路25には、DOC51(酸化触媒の一例)とDPF52が設けられている。なお、DPF52の下流側において、さらにSCR触媒等が設けられてもよい。
【0029】
第1分岐通路26は、上流端が第1排気通路24におけるSCR触媒50の上流側に接続され、下流端が第2排気通路25におけるDOC51の上流側に接続されている。
【0030】
第1分岐通路26は、タービン32を通過した排気を、SCR触媒50を介さずに、DOC51の上流側へ導くために用いられる。
【0031】
第2分岐通路27は、上流端が第2排気通路24におけるDOC51の下流側に接続され、下流端が第1排気通路24におけるSCR触媒50の上流側に接続されている。
【0032】
第2分岐通路27は、DOC51を通過した排気を、SCR触媒50の上流側へ還流させるために用いられる。
【0033】
バルブ60は、第1分岐通路26と第1排気通路24との接続部分に設けられている。
【0034】
バルブ61は、第1分岐通路26と第2排気通路25との接続部分に設けられている。
【0035】
バルブ62は、第2分岐通路27と第1排気通路24との接続部分に設けられている。
【0036】
バルブ63は、第2分岐通路27と第2排気通路25との接続部分に設けられている。
【0037】
バルブ64は、第2排気通路25と第1排気通路24との接続部分に設けられている。
【0038】
バルブ60~64の開閉は、後述する排気制御装置100によって電気的に制御される。
【0039】
図1では、第1排気通路24と第1分岐通路26との接続部分を塞ぐようにバルブ60が制御されている。
【0040】
また、第1排気通路24と第2分岐通路27との接続部分を塞ぐようにバルブ62が制御されている。
【0041】
また、第2排気通路25と第1分岐通路26との接続部分を塞ぐようにバルブ61が制御されている。
【0042】
また、第2排気通路25と第2分岐通路27との接続部分を塞ぐようにバルブ63が制御されている。
【0043】
また、第1排気通路24のうち第2排気通路25との接続部分の下流側を塞ぐようにバルブ64が制御されている。
【0044】
なお、上述した各制御(バルブ60~64を
図1に示した状態にする制御)を、以下「第1制御」という。
【0045】
第1制御の実行により、タービン32から出た排気は、
図1に示すように、第1排気通路24を流れ、SCR触媒50を通過した後、第2排気通路25へ流入する。その後、排気は、DOC51、DPF52を順に通過し、第2排気通路25の下流端から大気中に放出される。
【0046】
図2では、第1排気通路24のうち第1分岐通路26との接続部分の下流側を塞ぐとともに、第1排気通路24と第1分岐通路26との接続部分を開くようにバルブ60が制御されている。
【0047】
また、第1排気通路24のうち第2分岐通路27との接続部分の上流側を塞ぐとともに、第1排気通路24と第2分岐通路27との接続部分を開くようにバルブ62が制御されている。
【0048】
また、第2排気通路25のうち第1分岐通路26との接続部分の上流側を塞ぐとともに、第2排気通路25と第1分岐通路26との接続部分を開くようにバルブ61が制御されている。
【0049】
また、第2排気通路25のうち第2分岐通路27との接続部分の下流側を塞ぐとともに、第2排気通路25と第2分岐通路27との接続部分を開くようにバルブ63が制御されている。
【0050】
また、第1排気通路24と第2排気通路25との接続部分を塞ぐようにバルブ64が制御されている。
【0051】
なお、上述した各制御(バルブ60~64を
図2に示した状態にする制御)を、以下「第2制御」という。
【0052】
第2制御の実行により、タービン32から出た排気は、
図2に示すように、第1排気通路24を介して第1分岐通路26へ流入し、第2排気通路25におけるDOC51の上流側へ流入する。その後、排気は、DOC51を通過し、第2分岐通路27へ流入し、第1排気通路24におけるSCR触媒50の上流側へ流入する。そして、排気は、SCR触媒50を通過し、第1排気通路24の下流端から大気中に放出される。
【0053】
以上、エンジン1の構成について説明した。
【0054】
次に、
図2を用いて、排気制御装置100の構成について説明する。
図2は、排気制御装置100の構成例を模式的に示す図である。
【0055】
なお、図示は省略するが、排気制御装置100は、ハードウェアとして、例えば、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)などの主記憶装置、コンピュータプログラムを格納したハードディスク、フラッシュメモリなどの補助記憶装置、それらを接続するバス等を有する。以下に説明する排気制御装置100の機能は、CPUが補助記憶装置から読み出したコンピュータプログラムを主記憶装置のRAMに展開して実行することにより実現される。
【0056】
排気制御装置100は、判定部110と、制御部120とを有する。
【0057】
判定部110は、例えば図示しないセンサにより検知されたDOC51の温度(以下、DOC温度という)が予め定められた第1設定温度(例えば、200度)以上であるか否かを判定する。
【0058】
また、判定部110は、DOC温度が第1設定温度以上となった場合、その後、DOC温度が予め定められた第2設定温度(第1設定温度よりも高い温度。例えば、400度)に到達したか否かを判定する。第2設定温度は、例えば、二酸化窒素の熱分解反応が進み、再び一酸化窒素に分解されるおそれがある下限の温度である。
【0059】
制御部120は、DOC温度が第1設定温度未満である場合、上述した第1制御を行う。これにより、
図1に示したように、タービン32を通過した排気は、第1分岐通路26および第2分岐通路27を流れることなく、SCR触媒50、DOC51、DPF52を順に流れる。
【0060】
一方、制御部120は、DOC温度が第1設定温度以上である場合、上述した第2制御を行う。これにより、
図2に示したように、タービン32を通過した排気は、第1分岐通路26からDOC51へ流入し、その後、第2分岐通路27を介してSCR触媒50へ流入する。
【0061】
また、制御部120は、第2の制御の実行後、DOC温度が第2設定温度に到達した場合、上述した第1制御を行う。これにより、排気の流れは、
図2に示す状態から
図1に示す状態に変更される。
【0062】
以上、排気制御装置100の構成について説明した。
【0063】
以上説明したように、本実施の形態の排気制御装置100は、エンジンからの排気が流れる排気通路20において、ターボチャージャ30のタービン32の下流側にSCR触媒50が設けられ、タービン32とSCR触媒50との間に二酸化窒素を生成可能な触媒が設けられていない排気系で用いられる制御装置であって、排気系は、SCR触媒50の下流側に設けられたDOC51と、
タービン32を通過した排気を、SCR触媒50を介さずに、DOC51の上流側へ導く第1分岐通路26と、DOC51を通過した排気を、SCR触媒50の上流側へ還流させる第2分岐通路27と、を含み、排気制御装置100は、DOC51の温度が第1設定温度以上であるか否かを判定する判定部110と、DOC51の温度が第1設定温度以上である場合、タービン32を通過した排気が第1分岐通路26、DOC51、第2分岐通路27の順に流れるように、第1分岐通路26および第2分岐通路27それぞれの上下流端と第1排気通路24、第2排気通路25それぞれとの接続部分に設けられたバルブ60~63(バルブ64を含んでもよい)の開閉を制御する制御部120と、を有することを特徴とする。
【0064】
この特徴により、DOC51で発生した二酸化窒素を含む排気がSCR触媒50へ供給されるため、SCR触媒50の上流側に二酸化窒素を生成可能な触媒等(例えば、酸化触媒)が配置されない構成であっても、SCR触媒50におけるスートの除去が可能となる。なお、このとき、ターボチャージャ30の直下に配置されたSCR触媒50への尿素水の供給は停止される。その理由は、高濃度の二酸化窒素ガスをSCR触媒50へ供給しながら尿素水由来のアンモニアガスが加わると、スートの燃焼に使用される予定の二酸化窒素がアンモニアと反応して消費され、上述した効果が低下してしまうためである。
【0065】
また、一般的に、SCR触媒に溜まったスートを排気中の酸素で再生させるには、例えば約550℃以上の排気温度が必要であるが、貴金属の担持されていないSCR触媒ではDOCほど着火部から触媒全体に燃焼の広がる速度が遅く、局所の1000度を超えるような高温によって溶損を発生しやすい問題がある。これに対し、本実施の形態では、高温の排気温度を必要とせずに、スートを除去することができるため、上述した溶損が発生することがない。
【0066】
なお、本開示は、上記実施の形態の説明に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。以下、変形例について説明する。
【0067】
[変形例1]
制御部120は、第1の制御を実行する場合、さらに、EGR(Exhaust Gas Recirculation)率を減少させるようにEGRバルブ44の開度を制御し、エンジン本体2の吸気量を増加させるようにインテークスロットルバルブ12の開度を制御し、エンジン本体2において燃料噴射装置が行うメイン噴射のタイミングを進角させてもよい。
【0068】
本変形例によれば、エンジン本体2において生成される一酸化窒素の量が増加するため、DOC51において生成される二酸化窒素の量も増加する。その結果、SCR触媒50により多くの二酸化窒素が供給されることになり、より効率的にスートを除去することが可能となる。
【0069】
[変形例2]
判定部110は、さらに、SCR触媒50の上流側と下流側との差圧(例えば、図示しないセンサで検知された差圧)が、予め定められた差圧(以下、設定差圧という)以上であるか否かを判定してもよい。設定差圧は、例えば、SCR触媒50に蓄積されたスートの除去が必要とされる差圧である。そして、制御部120は、DOC51の温度が第1設定温度以上であり、かつ、差圧が設定差圧以上である場合、第1の制御を実行してもよい。
【0070】
本変形例によれば、SCR触媒50において除去が必要なスートが溜まっていると推定されることが第1の制御の実行条件に追加されるので、より適切なタイミングでSCR触媒50へ二酸化窒素を供給でき、スートの除去を実行できる。
【0071】
以上、変形例について説明した。なお、上記変形例は、組み合わせてもよい。
【産業上の利用可能性】
【0072】
本開示の排気制御装置は、NOx浄化触媒におけるスートの除去に有用である。
【符号の説明】
【0073】
1 エンジン
2 エンジン本体
10 吸気通路
11 インタークーラ
12 インテークスロットルバルブ
13 インテークマニホールド
20 吸気通路
21 エキゾーストマニホールド
24 第1排気通路
25 第2排気通路
26 第1分岐通路
27 第2分岐通路
30 ターボチャージャ
31 コンプレッサ
32 タービン
40 EGR装置
41 EGR上流側通路
42 EGRクーラ
43 EGR下流側通路
44 EGRバルブ
50 SCR触媒
51 DOC
52 DPF
60、61、62、63 バルブ
100 排気制御装置
110 判定部
120 制御部