JP2015151929A - 排気浄化装置及び排気浄化装置の制御方法 - Google Patents

排気浄化装置及び排気浄化装置の制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】排気浄化装置に関し、ＮＯｘ浄化率の向上を図りつつ、ＮＨ3スリップを効果的に抑制する。【解決手段】内燃機関１０の排気通路１２に排気上流側からＬＮＴ３１とＳＣＲ３２とを配置した排気浄化装置であって、リッチ雰囲気下でＬＮＴ３１により生成されるアンモニア生成量を推定するＮＨ3生成量推定部４１と、リーン雰囲気下でＬＮＴ３１からＳＣＲ３２に流入するＮＯｘを還元するのに必要なアンモニア消費量を推定するＮＨ3消費量推定部４２と、アンモニア生成量とアンモニア消費量との差からＳＣＲ３２のアンモニア吸着量を推定するＮＨ3吸着量推定部４３と、アンモニア吸着量が所定のアンモニア上限吸着量以下となる範囲で排気空燃比をリッチ雰囲気に制御してＬＮＴ３１でアンモニアを生成させるＮＨ3生成制御部４４とを備えた。【選択図】図１

Description

本発明は、排気浄化装置及び排気浄化装置の制御方法に関し、特に、排気中に含まれる窒素化合物（以下、ＮＯｘ）の浄化に関する。
従来、排気中のＮＯｘを還元浄化する触媒として、ＮＯｘ吸蔵還元触媒（以下、ＬＮＴ）やＮＯｘ選択還元触媒（以下、ＳＣＲ）等が知られている。ＬＮＴは、リーン雰囲気下で排気中のＮＯｘを吸蔵すると共に、リッチ雰囲気下で放出したＮＯｘをＨＣやＣＯによって還元浄化させる。このＬＮＴでは、リッチ雰囲気下で排気中の窒素が水素と反応することでアンモニア（以下、ＮＨ3）が生成される。ＳＣＲは、ＮＨ3を吸着すると共に、吸着したＮＨ3を還元剤として排気中のＮＯｘを選択的に還元浄化させる。
このようなＮＯｘ触媒の特性に着目して、例えば特許文献１には、ＬＮＴの下流側にＳＣＲを配置し、リッチ雰囲気下でＬＮＴによって生成されるＮＨ3をＳＣＲに吸着させてＮＯｘを還元浄化する技術が開示されている。
特開２００４−２１１６７９号公報
ところで、ＳＣＲのＮＨ3吸着能力は触媒温度等に応じて変化する。そのため、リッチ雰囲気下でＬＮＴによって生成させるＮＨ3量が過多になると、ＳＣＲで吸着しきれなかったＮＨ3のスリップを招く可能性がある。また、ＮＨ3スリップを防止するために、ＮＨ3生成時（リッチ雰囲気時）の排気空燃比を浅く設定すると、下流側のＳＣＲに吸着されるＮＨ3量が低下して、ＮＯｘ浄化率の低下を招く可能性もある。
本発明の目的は、ＮＯｘ浄化率の向上を図りつつ、ＮＨ3スリップを効果的に抑制することができる排気浄化装置及びその制御方法を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明は、内燃機関の排気通路に排気上流側からＮＯｘ吸蔵還元触媒とＮＯｘ選択還元触媒とを配置した排気浄化装置であって、リッチ雰囲気下で前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒により生成されるアンモニア生成量を推定する生成量推定手段と、リーン雰囲気下で前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒から前記ＮＯｘ選択還元触媒に流入するＮＯｘを還元するのに必要なアンモニア消費量を推定する消費量推定手段と、前記アンモニア生成量と前記アンモニア消費量との差から前記ＮＯｘ選択還元触媒のアンモニア吸着量を推定する吸着量推定手段と、前記アンモニア吸着量が所定のアンモニア上限吸着量以下となる範囲で排気空燃比をリッチ雰囲気に制御して前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒でアンモニアを生成させるアンモニア生成制御手段とを備えることを特徴とする。
また、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒のＮＯｘ浄化率に基づいて前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の劣化度合を演算する劣化度合演算手段と、前記劣化度合に応じて前記アンモニア上限吸着量を上方に補正する補正手段と、をさらに備えてもよい。
また、本発明は、内燃機関の排気通路に排気上流側からＮＯｘ吸蔵還元触媒とＮＯｘ選択還元触媒とを配置した排気浄化装置の制御方法であって、リッチ雰囲気下で前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒により生成されるアンモニア生成量を推定し、リーン雰囲気下で前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒から前記ＮＯｘ選択還元触媒に流入するＮＯｘを還元するのに必要なアンモニア消費量を推定し、前記アンモニア生成量と前記アンモニア消費量との差から前記ＮＯｘ選択還元触媒のアンモニア吸着量を推定し、前記アンモニア吸着量が所定のアンモニア上限吸着量以下となる範囲で排気空燃比をリッチ雰囲気に制御して前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒でアンモニアを生成させることを特徴とする。
また、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒のＮＯｘ浄化率に基づいて前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の劣化度合を演算し、前記劣化度合に応じて前記アンモニア上限吸着量を上方に補正してもよい。
本発明の排気浄化装置及びその制御方法によれば、ＮＯｘ浄化率の向上を図りつつ、ＮＨ3スリップを効果的に抑制することができる。
本実施形態に係る排気浄化装置を示す模式的な全体構成図である。 本実施形態に係る電子制御ユニットを示す機能ブロック図である。 本実施形態に係るＮＨ3生成量マップの一例を示す図である。 本実施形態に係るＮＨ3消費量マップの一例を示す図である。 本実施形態に係るＮＨ3吸着可能量マップの一例を示す図である。 本実施形態に係る排気浄化装置及びその制御方法による作用効果を説明する図である。 他の実施形態に係る排気浄化装置を示す模式的な全体構成図である。
以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係る排気浄化装置及びその制御方法を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
図１に示すように、内燃機関（以下、単にエンジン）１０には、吸気マニホールド１０ａ及び排気マニホールド１０ｂが設けられている。吸気マニホールド１０ａには新気を導入する吸気通路１１が接続され、排気マニホールド１０ｂには排気を導出する排気通路１２が接続されている。また、排気マニホールド１０ｂ及び吸気マニホールド１０ａはＥＧＲ通路２０で連通され、このＥＧＲ通路２０にはＥＧＲクーラ２１及びＥＧＲバルブ２２が設けられている。
吸気通路１１には、吸気上流側から順に過給機のコンプレッサ１３、インタクーラ１４、吸気スロットルバルブ１５が設けられている。排気通路１２には、排気上流側から順に、過給機のタービン１６、燃料噴射弁１７、空燃比センサ５０、排気後処理装置３０が設けられている。
排気後処理装置３０は、排気上流側から順にＬＮＴ３１、ＳＣＲ３２、ディーゼル・パティキュレイト・フィルタ（以下、ＤＰＦ）３３を配置して構成されている。また、ＬＮＴ３１の入口部には第１排気温度センサ５１が設けられ、ＬＮＴ３１の出口部（ＳＣＲ３２の入口部）にはＮＯｘセンサ５２及び第２排気温度センサ５３がそれぞれ設けられている。
ＬＮＴ３１は、例えばセラミックハニカム構造等の担体表面にアルカリ金属や白金等の貴金属を担持して形成されている。このＬＮＴ３１は、リーン雰囲気下で排気中のＮＯｘを吸蔵すると共に、リッチ雰囲気下では吸蔵したＮＯｘを放出する。リッチ雰囲気下で放出されたＮＯｘは、排気中のＨＣやＣＯによって還元浄化される。また、ＬＮＴ３１では、リッチ雰囲気下において排気中の窒素が水素と反応することでＮＨ3が生成される。
ＳＣＲ３２は、例えばセラミックハニカム構造等の担体表面にゼオライト等を担持して形成されている。このＳＣＲ３２は、リッチ雰囲気下でＬＮＴ３１により生成されるＮＨ3を吸着すると共に、リーン雰囲気下では吸着したＮＨ3を還元剤として排気中からＮＯｘを選択的に還元浄化する。
ＤＰＦ３３は、例えば多孔質性の隔壁で区画された多数のセルを排気流れ方向に沿って配置し、これらセルの上流側と下流側とを交互に目封止して形成されている。ＤＰＦ３３は、排気中のＰＭを隔壁の細孔や表面に捕集すると共に、ＰＭ堆積量が所定量に達すると、これを燃焼除去するいわゆる強制再生が実行される。
電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ）４０は、エンジン１０等の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備えて構成されている。この各種制御を行うために、ＥＣＵ４０には各種センサ類５０〜５５のセンサ値が入力される。
また、ＥＣＵ４０は、図２に示すように、ＮＨ3生成量推定部４１と、ＮＨ3消費量推定部４２と、ＮＨ3吸着量推定部４３と、ＮＨ3生成制御部４４と、劣化度合演算部４５と、上限吸着量補正部４６とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、一体のハードウェアであるＥＣＵ４０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。
ＮＨ3生成量推定部４１は、詳細を後述するリッチスパイク制御によってＬＮＴ３１で生成されるＮＨ3の累積生成量Ａ1を推定する。より詳しくは、ＥＣＵ４０には、予め実験等により作成した空燃比λとＬＮＴ温度とをパラメータとする図３に示すＮＨ3生成量マップが記憶されている。ＮＨ3累積生成量Ａ1は、リッチスパイク制御の実行期間中にＮＨ3生成量マップから空燃比センサ５０及び第１排気温度センサ５１のセンサ値に対応するＮＨ3生成量を読み取って積算することで推定される。
ＮＨ3消費量推定部４２は、リーン雰囲気下でＬＮＴ３１からＳＣＲ３２に流入するＮＯｘの還元浄化によってＳＣＲ３２で消費されるＮＨ3消費量Ａ2を推定する。より詳しくは、ＥＣＵ４０には、予め実験等により作成したＳＣＲ３２へのＮＯｘ流入量とＮＨ3消費量との関係を規定する図４に示すＮＨ3消費量マップが記憶されている。ＮＨ3消費量Ａ2は、リーン雰囲気下において、ＮＨ3消費量マップからＮＯｘセンサ５２のセンサ値（又は、推定値）に対応する値を読み取って積算することで推定される。
ＮＨ3吸着量推定部４３は、現在のＳＣＲ３２内のＮＨ3吸着量Ａ3を推定する。このＮＨ3吸着量Ａ3は、ＮＨ3生成量推定部４１で推定されたＮＨ3累積生成量Ａ1からＮＨ3消費量推定部４２で推定されたＮＨ3消費量Ａ2を減算することで得られる（Ａ3＝Ａ1−Ａ2）。
ＮＨ3生成制御部４４は、排気空燃比を意図的にリッチ雰囲気にすることで、ＬＮＴ３１でＮＨ3を生成させるリッチスパイク制御を実行する。より詳しくは、ＥＣＵ４０には、予め実験等により作成したＳＣＲ３２の触媒温度とＮＨ3吸着量との関係を規定するＮＨ3吸着可能量マップが記憶されている。このＮＨ3吸着可能量マップ上には、ＳＣＲ３２の実際の吸着可能量ＡLよりも十分なマージンを確保した上限吸着量ＡM1が設定されている。リッチスパイク制御は、ＮＨ3吸着量Ａ3が上限吸着量ＡM1以下の範囲内で収まるように（Ａ3≦ＡM1）、排気空燃比を深めなリッチ雰囲気に調整することで実行される。なお、リッチスパイク制御は、例えば、燃料噴射弁１７による排気管内噴射や、エンジン１０のポスト噴射等を用いて行えばよい。
劣化度合演算部４５は、熱劣化や経年劣化等によるＬＮＴ３１の劣化度合ＤRを演算する。この劣化度合ＤRは、例えば、エンジン１０の運転状態（エンジン回転数、アクセル開度等）から推定されるエンジン出口ＮＯｘ値とＮＯｘセンサ５２で検出されるＬＮＴ出口ＮＯｘ値との比（現在のＮＯｘ浄化率）を、正常状態（例えば、新品時等）の基準浄化率で除算することで演算される。
上限吸着量補正部４６は、ＬＮＴ３１の劣化度合ＤRに応じて、図５に示すＮＨ3吸着可能量マップ上の上限吸着量ＡM1を吸着可能量ＡLよりも低い範囲内で上方に補正する（図５中のＡM2参照）。すなわち、ＬＮＴ３１の劣化が進みＮＯｘスリップ量が増加した場合は、ＮＨ3スリップの防止のために確保したマージン量を減らすことで、ＳＣＲ３２のＮＨ3吸着量を増加させるように構成されている。これにより、ＬＮＴ３１が劣化した際は、ＳＣＲ３２によるＮＯｘ還元割合が増加され、システム全体のＮＯｘ浄化率を効果的に維持することができる。なお、劣化度合ＤRに応じた補正量は、予め実験等により作成したマップや近似式等から求めればよい。
次に、本実施形態に係る排気浄化装置及びその制御方法による作用効果を説明する。
本実施形態では、リッチスパイク制御によって排気空燃比を意図的にリッチ雰囲気にすることで、ＬＮＴ３１で生成されるＮＨ3を下流側のＳＣＲに吸着させている。そして、リッチスパイク終了後のリーン運転時はＬＮＴ３１からスリップするＮＯｘをＳＣＲ３２に吸着させたＮＨ3で還元浄化させている。すなわち、図６（ａ）に示すように、リッチ雰囲気下においてＬＮＴ３１で生成されるＮＨ3はＳＣＲ３２に吸着するためＮＨ3スリップが確実に防止され、さらに、図６（ｂ）に示すように、リーン雰囲気下でＬＮＴ３１からスリップするＮＯｘはＳＣＲ３２に吸着させたＮＨ3を還元剤として確実に浄化されるように構成されている。
したがって、本実施形態の排気浄化装置及びその制御方法によれば、ＮＨ3スリップを確実に防止しつつ、ＮＯｘ浄化率を効果的に向上させることができる。また、ＮＨ3スリップやＨＣスリップの防止に酸化触媒等を用いる場合に比べて、貴金属を使用しないＳＣＲ３２を用いることで、装置全体のコストを効果的に抑えることもできる。また、ＬＮＴ３１のＮＯｘ浄化率が熱劣化や経年劣化等によって低下した場合は、ＳＣＲ３２へのＮＨ3吸着量を増加させるため、システム全体としてのＮＯｘ浄化率を効果的に維持することができる。その結果、ＬＮＴ３１の使用可能期間を延ばすこが可能となり、システム全体の耐久性及びメンテナンス性の向上を図ることができる。
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
例えば、ＳＣＲ３２及びＤＰＦ３３は別体に設ける必要はなく、図７に示すように、ＳＣＲをＤＰＦ担体にコートしたＳＣＲＦ３４として一体に設けることも可能である。このように構成することで、装置全体の省スペース化を図ることができる。
１０ 内燃機関（エンジン）
１２ 排気通路
１７ 燃料噴射弁
３０ 排気後処理装置
３１ ＬＮＴ（ＮＯｘ吸蔵還元触媒）
３２ ＳＣＲ（ＮＯｘ選択還元触媒）
４０ ＥＣＵ
４１ ＮＨ3生成量推定部
４２ ＮＨ3消費量推定部
４３ ＮＨ3吸着量推定部
４４ ＮＨ3生成制御部
４５ 劣化度合演算部
４６ 上限吸着量補正部

Claims (4)

  1. 内燃機関の排気通路に排気上流側からＮＯｘ吸蔵還元触媒とＮＯｘ選択還元触媒とを配置した排気浄化装置であって、
    リッチ雰囲気下で前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒により生成されるアンモニア生成量を推定する生成量推定手段と、
    リーン雰囲気下で前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒から前記ＮＯｘ選択還元触媒に流入するＮＯｘを還元するのに必要なアンモニア消費量を推定する消費量推定手段と、
    前記アンモニア生成量と前記アンモニア消費量との差から前記ＮＯｘ選択還元触媒のアンモニア吸着量を推定する吸着量推定手段と、
    前記アンモニア吸着量が所定のアンモニア上限吸着量以下となる範囲で排気空燃比をリッチ雰囲気に制御して前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒でアンモニアを生成させるアンモニア生成制御手段と、を備える
    ことを特徴とする排気浄化装置。
  2. 前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒のＮＯｘ浄化率に基づいて前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の劣化度合を演算する劣化度合演算手段と、
    前記劣化度合に応じて前記アンモニア上限吸着量を上方に補正する補正手段と、をさらに備える
    請求項１に記載の排気浄化装置。
  3. 内燃機関の排気通路に排気上流側からＮＯｘ吸蔵還元触媒とＮＯｘ選択還元触媒とを配置した排気浄化装置の制御方法であって、
    リッチ雰囲気下で前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒により生成されるアンモニア生成量を推定し、
    リーン雰囲気下で前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒から前記ＮＯｘ選択還元触媒に流入するＮＯｘを還元するのに必要なアンモニア消費量を推定し、
    前記アンモニア生成量と前記アンモニア消費量との差から前記ＮＯｘ選択還元触媒のアンモニア吸着量を推定し、
    前記アンモニア吸着量が所定のアンモニア上限吸着量以下となる範囲で排気空燃比をリッチ雰囲気に制御して前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒でアンモニアを生成させる
    ことを特徴とする排気浄化装置の制御方法。
  4. 前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒のＮＯｘ浄化率に基づいて前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の劣化度合を演算し、
    前記劣化度合に応じて前記アンモニア上限吸着量を上方に補正する
    請求項３に記載の排気浄化装置の制御方法。
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