JP2008255942A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯ_x選択還元触媒のアンモニア吸着量を正確に検出する。
【解決手段】機関排気通路内にＮＯ_x選択還元触媒１５を配置し、ＮＯ_x選択還元触媒１５に尿素を供給してこの尿素から発生するアンモニアをＮＯ_x選択還元触媒１５に吸着させ、主にこの吸着されたアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯ_xを選択的に還元する。機関アイドリング運転時に排気ガスの再循環を停止することにより機関から排出されるＮＯ_x量を増大し、このときのＮＯ_x選択還元触媒１５によるＮＯ_x浄化率からＮＯ_x選択還元触媒１５に吸着されているアンモニア吸着量を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

機関排気通路内にＮＯ_x選択還元触媒を配置し、ＮＯ_x選択還元触媒に尿素を供給してこの尿素から発生するアンモニアをＮＯ_x選択還元触媒に吸着させ、この吸着されたアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯ_xを選択的に還元するようにした内燃機関が公知である（例えば特許文献１を参照）。ところでこのようにＮＯ_x選択還元触媒に吸着されたアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯ_xを選択的に還元するようにした場合にはＮＯ_x選択還元触媒に吸着しているアンモニア量を推定することが必要となる。

そこで上述の内燃機関ではＮＯ_x選択還元触媒の上流側と下流側に夫々ＮＯ_xセンサを配置して機関の運転状態が一定となる機関の定常運転状態のときにこれらＮＯ_xセンサの検出値からＮＯ_x選択還元触媒におけるＮＯ_x浄化率を求め、このＮＯ_x浄化率と機関からの排出ＮＯ_x量からＮＯ_x選択還元触媒においてＮＯ_xを還元するために消費される吸着アンモニア量を算出し、この吸着アンモニアの消費量と尿素の供給量からＮＯ_x選択触媒に吸着されている吸着アンモニア量を推定するようにしている。
特開２００３−３１４２５６号公報

このように上述の内燃機関では機関の運転状態が一定となる機関の定常運転状態のときにＮＯ_x浄化率を求めて吸着アンモニア量を推定しているがこの場合、機関の運転状態が最も一定となる機関の定常運転状態はアイドリング運転時である。しかしながらアイドリング運転時には機関からほとんどＮＯxが排出されないのでアイドリング運転時にＮＯ_x浄化率を求めるのは困難であり、従って吸着アンモニア量を推定するのは困難であるという問題がある。

上記問題を解決するために本発明によれば、機関排気通路内にＮＯ_x選択還元触媒を配置し、ＮＯ_x選択還元触媒に尿素を供給してこの尿素から発生するアンモニアをＮＯ_x選択還元触媒に吸着させ、主にこの吸着されたアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯ_xを選択的に還元するようにした内燃機関の排気浄化装置において、機関アイドリング運転時に機関から排出されるＮＯ_x量を増大し、このときのＮＯ_x選択還元触媒によるＮＯ_x浄化率からＮＯ_x選択還元触媒に吸着されているアンモニア吸着量を検出するようにしている。

機関アイドリング運転時に機関から排出されるＮＯ_x量を増大することによってアンモニア吸着量を検出することが可能となる。

図１に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。
図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドを夫々示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結され、コンプレッサ７ａの入口は吸入空気量検出器８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁１０が配置され、更に吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１１内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。

一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結され、排気タービン７ｂの出口は酸化触媒１２の入口に連結される。この酸化触媒１２の下流には酸化触媒１２に隣接して排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するためのパティキュレートフィルタ１３が配置され、このパティキュレートフィルタ１３の出口は排気管１４を介してＮＯ_x選択還元触媒１５の入口に連結される。このＮＯ_x選択還元触媒１５の出口には酸化触媒１６が連結される。

ＮＯ_x選択還元触媒１５上流の排気管１４内には尿素水溶液供給弁１７が配置され、この尿素水溶液供給弁１７は供給管１８、供給ポンプ１９を介して尿素水溶液タンク２０に連結される。尿素水溶液タンク２０内に貯蔵されている尿素水溶液は供給ポンプ１９によって尿素水溶液供給弁１７から排気管１４内を流れる排気ガス中に噴射され、尿素から発生したアンモニア（（ＮＨ₂）₂ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→２ＮＨ₃＋ＣＯ₂）によって排気ガス中に含まれるＮＯ_xがＮＯ_x選択還元触媒１５において還元される。

排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路２１を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２１内には電子制御式ＥＧＲ制御弁２２が配置される。また、ＥＧＲ通路２１周りにはＥＧＲ通路２１内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２３が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２３内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管２４を介してコモンレール２５に連結され、このコモンレール２５は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２６を介して燃料タンク２７に連結される。燃料タンク２７内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ２６によってコモンレール２５内に供給され、コモンレール２５内に供給された燃料は各燃料供給管２４を介して燃料噴射弁３に供給される。

電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。ＮＯ_x選択還元触媒１５にはＮＯ_x選択還元触媒１５の床温を検出するための温度センサ２８が取付けられ、更にＮＯ_x選択還元触媒１５の下流側には排気ガス中のＮＯ_x濃度を検出するためのＮＯ_xセンサ２９が配置される。これら温度センサ２８、ＮＯ_xセンサ２９および吸入空気量検出器８の出力信号は夫々対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。

一方、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０の駆動用ステップモータ、尿素水溶液供給弁１７、供給ポンプ１９、ＥＧＲ制御弁２２および燃料ポンプ２６に接続される。

酸化触媒１２は例えば白金のような貴金属触媒を担持しており、この酸化触媒１２は排気ガス中に含まれるＮＯをＮＯ₂に転換する作用と排気ガス中に含まれるＨＣを酸化させる作用をなす。一方、パティキュレートフィルタ１３としては触媒を担持していないパティキュレートフィルタを用いることもできるし、例えば白金のような貴金属触媒を担持したパティキュレートフィルタを用いることもできる。また、ＮＯ_x選択還元触媒１５は低温で高いＮＯ_x浄化率を有するアンモニア吸着タイプのＦｅゼオライトから構成されている。酸化触媒１６は例えば白金からなる貴金属触媒を担持しており、この酸化触媒１６はＮＯ_x選択還元触媒１５から漏出したアンモニアを酸化する作用をなす。

図２は飽和状態にあるＮＯ_x選択還元触媒１５へのアンモニア吸着量、即ち飽和吸着量Ｑｔを示している。本発明ではＮＯ_x選択還元触媒１５に吸着されたアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯ_xを選択的に還元するようにしており、この場合にはＮＯ_x選択還元触媒１５に吸着しているアンモニア量を飽和状態にしておくと最大のＮＯ_x浄化率が得られることが知られている。従って本発明による実施例ではこのアンモニアの飽和吸着量Ｑｔが目標アンモニア吸着量とされている。図２に示されるようにこの目標アンモニア吸着量ＱｔはＮＯ_x選択還元触媒１５の床温ＴＣの関数であり、床温ＴＣが高くなるほどこの目標アンモニア吸着量Ｑｔは低下する。本発明による実施例では通常はＮＯ_x選択還元触媒１５へのアンモニア吸着量がこの目標アンモニア吸着量Ｑｔとなるように尿素の供給が制御される。

そこでまず初めに図３を参照しつつ通常行われている機関の運転制御について説明する。なお、この運転制御は一定時間毎の割込みによって実行される。
図３を参照するとまず初めにステップ５０において燃料噴射弁３からの燃料噴射制御が行われる。次いでステップ５１ではＥＧＲ制御弁２２の開度を目標開度に制御するＥＧＲ制御が行われる。次いでステップ５２では燃焼室２から単位時間当り排出される排出ＮＯ_x量ＮＯＸＡが算出される。この排出ＮＯ_x量ＮＯＸＡは図４（Ａ）に示されるように要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

次いでステップ５３ではＮＯ_x選択還元触媒１５におけるＮＯ_x浄化率Ｒが算出される。このＮＯ_x浄化率Ｒは図４（Ｂ）に示されるようにＮＯ_x選択還元触媒１５の床温ＴＣの関数であり、更に排気ガス量、即ち吸入空気量Ｇａに応じて変化する。このＮＯ_x浄化率Ｒは図４（Ｃ）に示されるように吸入空気量ＧａおよびＮＯ_x選択還元触媒１５の床温ＴＣの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

次いでステップ５４では排出ＮＯ_x量ＮＯＸＡとＮＯ_x浄化率ＲからＮＯ_xを還元するために単位時間当り消費された吸着アンモニア量ＮＤが算出される。次いでステップ５５では尿素の形で単位時間当り供給される供給アンモニア量ＮＩが算出される。次いでステップ５６ではＮＯ_x選択還元触媒１５のアンモニア吸着量ΣＮＨ₃（ΣＮＨ₃＋ＮＩ−ＮＤ）が算出される。次いでステップ５７ではこのアンモニア吸着量ΣＮＨ₃が目標アンモニア吸着量Ｑｔよりも大きいか否かが判別される。ΣＮＨ₃＜Ｑｔのときにはステップ５８に進んで尿素が供給され、ΣＮＨ₃≧Ｑｔのときにはステップ５９に進んで尿素の供給が停止される。

さて、通常は上述の如くアンモニア吸着量ΣＮＨ₃が求められ、このアンモニア吸着量ΣＮＨ₃に基づいて尿素の供給制御が行われている。このアンモニア吸着量ΣＮＨ₃は計算上の値であり、従ってこのアンモニア吸着量ΣＮＨ₃が実際のアンモニア吸着量を正確に表しているか否かを時折チェックする必要がある。そこで本発明では機関の運転状態が最も一定となるアイドリング運転時にアンモニア吸着量を検出し、この検出されたアンモニア吸着量に基づいて算出されているアンモニア吸着量ΣＮＨ₃をチェックするようにしている。

ところでアンモニア吸着量を求めるには或る程度の量のＮＯ_xが機関から排出されていることが必要である。しかしながらアイドリング運転時には機関から少量のＮＯ_xしか排出されない。そこで本発明では機関アイドリング運転時に機関から排出されるＮＯ_x量を増大し、このときのＮＯ_x選択還元触媒１５によるＮＯ_x浄化率からＮＯ_x選択還元触媒１５に吸着されているアンモニア吸着量を検出するようにしている。

この場合、ＥＧＲガスの供給を停止すると燃焼温度が高くなって機関から排出されるＮＯ_x量が増大し、アイドリング時であってもアンモニア吸着量を検出するのに十分な量のＮＯ_xが機関から排出される。従って本発明による実施例では機関アイドリング運転時にＥＧＲガスの供給を停止、即ち排気ガスの再循環を停止することにより機関から排出されるＮＯ_x量を増大させるようにしている。

さて、アイドリング運転時においてＥＧＲガスの供給が停止された状態で機関の運転状態が予め定められた運転状態になると、例えば燃料噴射量が予め定められた噴射量となり、機関回転数が予め定められた機関回転数になると機関から排出されるＮＯ_x量は同じＮＯ_x量となる。従ってこのときのＮＯ_x選択還元触媒１５へのアンモニア吸着量とＮＯ_x選択還元触媒１５からの排出ＮＯ_x濃度との関係を予め実験により求めておけばＮＯ_x選択還元触媒１５からの排出ＮＯ_x濃度を検出することにより上述の関係からＮＯ_x選択還元触媒１５に吸着されているアンモニア吸着量を検出することができることになる。

そこで本発明では、機関アイドリング運転時においてＥＧＲガスの供給が停止された状態で機関の運転状態が予め定められた運転状態になったときのＮＯ_x選択還元触媒１５へのアンモニア吸着量とＮＯ_x選択還元触媒１５からの排出ＮＯ_x濃度との関係を予め記憶しておき、機関アイドリング運転時において機関の運転状態がこの予め定められた運転状態になったときにはＥＧＲガスの供給を停止してＮＯ_x選択還元触媒１５からの排出ＮＯ_x濃度を検出し、検出された排出ＮＯ_x濃度に基づき上述の関係からＮＯ_x選択還元触媒１５に吸着されているアンモニア吸着量を検出するようにしている。

ところでこの場合、アイドリング運転時における機関からの排出ＮＯ_x濃度は燃料噴射量でほぼ決まり、従って本発明による実施例では機関アイドリング運転時においてＥＧＲガスの供給が停止された状態で燃料噴射量が予め定められた目標値になったときのＮＯ_x選択還元触媒１５へのアンモニア吸着量とＮＯ_x選択還元触媒１５からの排出ＮＯ_x濃度との関係が予め記憶されている。なお、以下発明を理解しやすくするためにＮＯ_x選択還元触媒１５の床温がアンモニア脱離温度以下の場合を例にとって説明する。

図５（Ａ）は、機関アイドリング運転時においてＥＧＲガスの供給が停止された状態で燃料噴射量が予め定められた目標値になったときのＮＯ_x選択還元触媒１５へのアンモニア吸着量とＮＯ_x選択還元触媒１５によるＮＯ_x浄化率との関係を示している。なお、図５（Ａ）においてＴＣ₁〜ＴＣ₄はＮＯ_x選択還元触媒１５の床温を示しており、この床温はＴＣ₁＜ＴＣ₂＜ＴＣ₃＜ＴＣ₄の関係にある。従って図５（Ａ）からＮＯ_x浄化率はアンモニア吸着量が多いほど高くなり、ＮＯ_x選択還元触媒１５の床温が高くなるほど高くなることがわかる。

また、機関アイドリング運転時においてＥＧＲガスの供給が停止された状態で燃料噴射量が予め定められた目標値になったときには機関からの排出ＮＯ_x量は常に一定量となり、従ってこのときＮＯ_x浄化率が高くなればＮＯ_x選択還元触媒１５から排出される排出ＮＯ_x量は少なくなるのでこのときのＮＯ_x選択還元触媒１５へのアンモニア吸着量とＮＯ_x選択還元触媒１５からの排出ＮＯ_x濃度との関係は図５（Ｂ）に示されるようになる。即ち、図５（Ｂ）からわかるように排出ＮＯ_x濃度はアンモニア吸着量が多いほど低くなり、ＮＯ_x選択還元触媒１５の床温が高くなるほど低くなる。

本発明による実施例ではＮＯ_xセンサ２９によってＮＯ_x選択還元触媒１５からの排出ＮＯ_x濃度が検出され、この検出された排出ＮＯ_x濃度とＮＯ_x選択還元触媒１５の床温から図５（Ｂ）に示される関係に基づいてアンモニア吸着量が求められる。例えば図５（Ｂ）において検出された排出ＮＯ_x濃度がＮＤであり、このときＮＯ_x選択還元触媒１５の床温がＴＣ₃であったとするとアンモニア吸着量はＮＸとなる。一方、ＮＯ_x選択還元触媒１５の床温がアンモニア脱離温度よりも高いときにはアンモニア吸着量が減少するのでＮＯ_x浄化率は低下し、排出ＮＯ_x量は増大する。本発明による実施例ではあらゆる床温におけるＮＯ_x選択還元触媒１５へのアンモニア吸着量とＮＯ_x選択還元触媒１５からの排出ＮＯ_x濃度との関係が予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

図６にアンモニア吸着量の検出ルーチンを示す。
図６を参照するとまず初めにステップ６０においてアイドリング運転時であるか否かが判別される。アイドリング運転時であるときにはステップ６１に進んで燃料噴射量が目標値であるか否かが判別される。燃料噴射量が目標値であるときにはステップ６２に進んでＮＯ_x選択還元触媒１５の床温ＴＣがアンモニアをあまり吸着しえない上限温度ＴＣ₀よりも低いか否かが判別される。ＴＣ＜ＴＣ₀のときにはステップ６３に進む。

ステップ６３ではＥＧＲ制御弁２２が全閉せしめられ、それによってＥＧＲガスの供給が停止される。次いでステップ６４では尿素水溶液供給弁１７からの尿素の供給が停止される。次いでステップ６５ではＮＯ_xセンサ２９によりＮＯ_x選択還元触媒１５からの排出ＮＯ_x濃度が検出される。次いでステップ６６ではこの検出ＮＯ_x濃度に基づいてＲＯＭ３２内に記憶された関係からアンモニア吸着量が検出される。次いでステップ６７では図３に示す運転制御ルーチンにおいて用いられているアンモニア吸着量ΣＮＨ₃がステップ６６において検出されたアンモニア吸着量とされる。即ち、図３に示す運転制御ルーチンにおいて算出されたアンモニア吸着量が検出されたアンモニア吸着量によって更新せしめられる。

圧縮着火式内燃機関の全体図である。 アンモニアの飽和吸着量Ｑｔを示す図である。 機関の運転を制御するためのフローチャートである。 排出ＮＯ_x量ＮＯＸＡのマップ等を示す図である。 ＮＯ_x選択還元触媒へのアンモニア吸着量とＮＯ_x選択還元触媒からの排出ＮＯ_x濃度との関係等を示す図である。 アンモニア吸着量を検出するためのフローチャートである。

符号の説明

４ 吸気マニホルド
５ 排気マニホルド
７ 排気ターボチャージャ
１２，１６ 酸化触媒
１３ パティキュレートフィルタ
１５ ＮＯ_x選択還元触媒
１７ 尿素水溶液供給弁
２９ ＮＯ_xセンサ

Claims (6)

1. 機関排気通路内にＮＯ_x選択還元触媒を配置し、該ＮＯ_x選択還元触媒に尿素を供給して該尿素から発生するアンモニアをＮＯ_x選択還元触媒に吸着させ、主にこの吸着されたアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯ_xを選択的に還元するようにした内燃機関の排気浄化装置において、機関アイドリング運転時に機関から排出されるＮＯ_x量を増大し、このときのＮＯ_x選択還元触媒によるＮＯ_x浄化率からＮＯ_x選択還元触媒に吸着されているアンモニア吸着量を検出するようにした内燃機関の排気浄化装置。
2. 機関アイドリング運転時に排気ガスの再循環を停止することにより機関から排出されるＮＯ_x量が増大せしめられる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 機関アイドリング運転時において排気ガスの再循環が停止された状態で機関の運転状態が予め定められた運転状態になったときのＮＯ_x選択還元触媒へのアンモニア吸着量とＮＯ_x選択還元触媒からの排出ＮＯ_x濃度との関係が予め記憶されており、機関アイドリング運転時において機関の運転状態が該予め定められた運転状態になったときには排気ガスの再循環を停止してＮＯ_x選択還元触媒からの排出ＮＯ_x濃度が検出され、検出された該排出ＮＯ_x濃度に基づき上記関係からＮＯ_x選択還元触媒に吸着されているアンモニア吸着量が検出される請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 上記機関の運転状態が燃料噴射量であり、上記予め定められた運転状態が目標噴射量である請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. ＮＯ_x選択還元触媒下流の機関排気通路内にＮＯ_x選択還元触媒からの排出ＮＯ_x濃度を検出するためのＮＯ_xセンサが配置されている請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. ＮＯ_x選択還元触媒に吸着されているアンモニア吸着量を算出する算出手段を具備しており、該算出手段により算出されたアンモニア吸着量が上記検出されたアンモニア吸着量によって更新される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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