JP4215808B2 - 排気浄化装置の制御装置及び制御方法並びに内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

排気浄化装置の制御装置及び制御方法並びに内燃機関の排気浄化装置 Download PDF

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Description

本発明は、排気浄化装置の制御装置及び制御方法並びに内燃機関の排気浄化装置に関するものである。特に、還元剤を用いて排気ガス中のＮＯXを選択的に還元させるＮＯX触媒を備えた排気浄化装置の制御装置及び制御方法、並びにそのような制御装置を備えた内燃機関の排気浄化装置に関するものである。
従来、ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気ガス中には、環境汚染を及ぼすおそれのある窒素酸化物（以下、ＮＯXと称する）が含まれている。このＮＯX（ＮＯやＮＯ2）を還元して排気ガスを浄化するために用いられる排気浄化装置として、尿素水溶液を還元剤として用いたＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムが知られている。
このＳＣＲシステムは、還元剤としての尿素水溶液をＮＯX触媒の上流側で排気通路内に供給し、尿素水溶液が加水分解して生成されるアンモニアをＮＯX触媒に吸着させて、ＮＯX触媒に流入してくるＮＯXとアンモニアとの還元反応を促進させ、窒素や水、二酸化炭素等に分解して放出するものである。
かかるＳＣＲシステムにおける還元剤の供給方法としては、例えば、貯蔵タンク内に貯蔵された尿素水溶液を還元剤供給ポンプによって圧送し、排気通路に噴孔を臨ませて配置された還元剤噴射弁によって排気通路内に供給する方法が知られている。
ここで、還元剤として尿素水溶液を使用する場合、排気ガス中に含まれるＮＯX量に対して還元剤の噴射量が少なすぎるとＮＯXの還元効率が低下し、ＮＯXが還元されずに放出されてしまうおそれがある。一方、還元剤の噴射量が多すぎると尿素水溶液が加水分解して生成されるアンモニアがＮＯX下流側へスリップすることになる。アンモニアは比較的毒性が高いことから、スリップしたアンモニアが大気中に放出されることを防ぐために、ＮＯX触媒の下流側に酸化触媒を配置してアンモニアを相対的に毒性の低いＮＯXに酸化還元することが行われている。すなわち、還元剤の噴射量が多すぎる場合においても結果としてＮＯXが放出されるおそれがあるとともに、還元剤の消費効率が低下することになる。
そこで、還元剤の供給量を最適な状態にする排気浄化装置の制御方法が提案されている。より具体的には、エンジン排気経路に組み込んであるＮＯX還元触媒の上流側へ還元剤を添加し、排気中のＮＯXの還元浄化を図る排気浄化装置の制御方法であって、触媒温度とＮＯX還元触媒への還元剤の飽和吸着量の関係を表わす飽和吸着量曲線を低温側へ移行させた目標吸着量曲線を設定したうえ、触媒温度に対応する還元剤の目標吸着量を算定し、ＮＯX還元触媒への還元剤の実吸着量を求め、ＮＯX還元触媒の上流側への還元剤の添加量を、実吸着量が目標吸着量に達したときに減らし、実吸着量が目標吸着量を下回ったときに増やすことを特徴とする排気浄化装置の制御方法が開示されている。また、当該制御方法の一態様として、所定時間後の触媒予測温度を求め、この触媒予測温度から目標吸着量曲線の移行量を補正する制御方法が開示されている（特許文献１参照）。
特開２００６−２２７２９号公報 （全文、全図）
ところで、ＮＯX触媒のアンモニアの飽和吸着量は、図２の実線Ａに示すように、触媒温度が低くなるにつれて増加するようになっている。そのため、ＮＯX触媒の温度が低温側にある場合に、ＮＯXの還元効率を上げるためにはより多くのアンモニアを吸着させる必要がある。しかしながら、ＮＯX触媒の温度が低温であればあるほど、還元剤が熱分解されにくくアンモニアが生成されにくいため、ＮＯX触媒の温度が低い場合にはアンモニアの実吸着量が少なくなるという問題がある。上記特許文献１では、このような問題については考慮されていない。
また、特許文献１に記載された排気浄化装置の制御方法は、求められるＮＯX触媒の予測温度のうちの最も高い温度に合わせて還元剤を噴射させるものであるため、例えば、内燃機関がアイドリング運転に移行する時や減速時、エンジンを停止させる時等、ＮＯX触媒の温度が継続して低下するような場合には、ＮＯX触媒のアンモニアの実吸着量が大幅に少なくなるおそれがある。その結果、次に触媒温度が上昇するまでの間、ＮＯXの還元効率が低下するおそれがある。
そこで、本発明の発明者らは鋭意努力し、ＮＯX触媒の温度が所定時間以上継続して低温側へ移行していくと予測されるときには目標吸着量の値を大きく設定して還元剤の噴射制御を行うことによりこのような問題を解決できることを見出し、本発明を完成させたものである。
すなわち、本発明の目的は、ＮＯX触媒の温度が所定時間以上継続して低温側へ移行する場合であってもアンモニアの実吸着量が飽和吸着量より過度に小さくなることを防ぎ、ＮＯX触媒の還元効率の低下を防止できる排気浄化装置の制御装置及び制御方法、並びにそのような制御装置を備えた内燃機関の排気浄化装置を提供することである。
本発明によれば、内燃機関の排気通路中に配置され内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯXを選択的に還元するためのＮＯX触媒の上流側で排気通路内に還元剤を噴射させるための排気浄化装置の制御装置であって、ＮＯX触媒の温度推移を予測しＮＯX触媒の温度が所定時間以上継続して低下するか否かを判定するための温度推移判定手段と、ＮＯX触媒の温度が所定時間以上継続して低下しないと判定された場合に、ＮＯX触媒の温度に対応する還元剤の飽和吸着量よりも小さい値の第１目標吸着量に応じて還元剤を噴射させるための第１の噴射制御手段と、ＮＯX触媒の温度が所定時間以上継続して低下すると判定された場合に、第１目標吸着量よりも大きくかつ飽和吸着量よりも小さい値の第２目標吸着量に応じて還元剤を噴射させるための第２の噴射制御手段と、を備えた内燃機関の排気浄化装置の制御装置が提供され、上述した問題を解決することができる。
また、本発明の排気浄化装置の制御装置を構成するにあたり、ＮＯX触媒の温度が基準温度以下のときに還元剤の噴射を停止させる噴射停止手段を備えることが好ましい。
また、本発明の排気浄化装置の制御装置を構成するにあたり、温度推移判定手段はＮＯX触媒の温度が所定時間以上継続して低下することにより基準温度以下になるか否かを判定することが好ましい。
また、本発明の別の態様は、内燃機関の排気通路中に配置され内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯXを選択的に還元するためのＮＯX触媒の上流側で排気通路内に還元剤を噴射させるための排気浄化装置の制御方法であって、ＮＯX触媒の温度推移を予測して、ＮＯX触媒の温度が所定時間以上継続して低下するか否かを判定し、ＮＯX触媒の温度が所定時間以上継続して低下しないと判定された場合には、ＮＯX触媒の温度に対応する還元剤の飽和吸着量よりも小さい値の第１目標吸着量に応じて還元剤を噴射させる一方、ＮＯX触媒の温度が所定時間以上継続して低下すると判定された場合には、第１目標吸着量よりも大きくかつ飽和吸着量よりも小さい値の第２目標吸着量に応じて還元剤を噴射させる内燃機関の排気浄化装置の制御方法である。
また、本発明の排気浄化装置の制御方法を実施するにあたり、内燃機関のアイドリング運転移行時、減速時、又はエンジン停止時に、ＮＯX触媒の温度が所定時間以上継続して低下すると判定されることが好ましい。
また、本発明のさらに別の態様は、内燃機関の排気通路中に配置され内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯXを選択的に還元するためのＮＯX触媒と、ＮＯX触媒の上流側で排気通路内に還元剤を噴射させるための還元剤供給装置と、を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、ＮＯX触媒の温度推移を予測しＮＯX触媒の温度が所定時間以上継続して低下するか否かを判定するための温度推移判定手段と、ＮＯX触媒の温度が所定時間以上継続して低下しないと判定された場合に、ＮＯX触媒の温度に対応する還元剤の飽和吸着量よりも小さい値の第１目標吸着量に応じて還元剤を噴射させるための第１の噴射制御手段と、ＮＯX触媒の温度が所定時間以上継続して低下すると判定された場合に、第１目標吸着量よりも大きくかつ飽和吸着量よりも小さい値の第２目標吸着量に応じて還元剤を噴射させるための第２の噴射制御手段と、を含む制御装置を備えた排気浄化装置である。
本発明の排気浄化装置の制御装置によれば、ＮＯX触媒の温度の推移を予測し、ＮＯX触媒の温度が所定時間以上継続して低下する場合には、通常モードでの還元剤の噴射量よりも多く還元剤を噴射させることができる。したがって、触媒温度が継続的に低下し、アンモニアが生成されにくく実吸着量が低下するような状態になる場合であっても、あらかじめ比較的多くのアンモニアを触媒に吸着させておくことができ、ＮＯXの還元効率が著しく低下することを防ぐことができる。
また、飽和吸着量が増加していく状態である触媒温度が継続的に低下する状態で還元剤の噴射量を増加するようになるため、アンモニアのスリップを生じさせることなく、ＮＯXの還元効率を向上させることができる。
また、本発明の排気浄化装置の制御装置において、触媒温度が基準温度以下のときに還元剤の噴射を停止させる噴射停止手段を備えることにより、還元剤が熱分解されることなくアンモニアが生成されない状態で還元剤が供給され、ＮＯX触媒に還元剤が付着することを防ぐことができる。
また、本発明の排気浄化装置の制御装置において、還元剤の噴射が停止される基準温度以下になると予測されるときに還元剤の噴射量を増加させることにより、噴射停止時には少なくとも目標吸着量以上のアンモニアを吸着させておくことができる。したがって、次に還元剤の噴射が開始されるまでの間のＮＯXの還元効率を向上させることができるとともに、次に還元剤の噴射が開始される時点でのアンモニアの吸着量も多くなり、その後のＮＯXの還元効率も向上するようになる。
また、本発明の排気浄化装置の制御方法によれば、ＮＯX触媒の温度が所定時間以上継続して低下すると予測される場合に、通常モードでの還元剤の噴射量よりも多く噴射するように制御される。したがって、触媒温度が継続的に低下し、アンモニアが生成されにくく実吸着量が低下するような状態になる場合であっても、あらかじめ比較的多くのアンモニアを触媒に吸着させておくことができ、ＮＯXの還元効率の低下を防ぐことができる。また、アンモニアの飽和吸着量が増加していく状態で行われる制御であるため、アンモニアのスリップを生じさせるおそれも低減される。
また、本発明の排気浄化装置の制御方法によれば、アイドリング運転移行時や減速時、エンジン停止時にＮＯX触媒の温度が低下して還元剤の供給が停止されるような場合であっても、アンモニアの実吸着量を比較的多くしておくことができ、ＮＯXの還元効率が著しく低下することを防ぐことができる。
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、ＮＯX触媒の温度が所定時間以上継続して低下する場合には、通常モードでの還元剤の噴射量よりも多く還元剤が噴射され、比較的多くのアンモニアを触媒に吸着させておくことができる。したがって、触媒温度が継続的に低下し、アンモニアが生成されにくく実吸着量が低下するような状態になる場合であっても、ＮＯXの還元効率が著しく低下することがない排気浄化装置を提供することができる。
また、飽和吸着量が増加していく状態、すなわち触媒温度が継続的に低下する状態で、還元剤の噴射量が増加するようになるため、アンモニアのスリップを生じさせるおそれが少なく、ＮＯXの還元効率を向上させることができる。
以下、図面を参照して、本発明の排気浄化装置及び排気浄化方法並びに内燃機関の排気浄化装置に関する実施形態について具体的に説明する。ただし、かかる実施形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の範囲内で任意に変更することが可能である。
なお、それぞれの図中、同じ符号を付してあるものは同一の部材を示しており、適宜説明が省略されている。
１．内燃機関の排気浄化装置（ＳＣＲシステム）
まず、本実施形態の排気浄化装置の制御装置（以下、「還元剤噴射制御装置」と称する。）を備えた内燃機関の排気浄化装置の構成例について図１を参照しつつ説明する。
図１に示す排気浄化装置１０は、還元剤として尿素水溶液が用いられ、ＮＯX触媒１１でＮＯXを選択的に還元する排気浄化装置１０である。この排気浄化装置１０は、内燃機関５に接続された排気通路１３の途中に配設され、排気ガス中に含まれるＮＯXを選択的に還元するためのＮＯX触媒１１と、ＮＯX触媒１１の上流側で排気通路１３中に還元剤を噴射するための還元剤供給装置２０とが備えられている。また、ＮＯX触媒１１の上流側には上流側ＮＯXセンサ１４及び上流側温度センサ１５が配置され、ＮＯX触媒１１の下流側には下流側ＮＯXセンサ１６及び下流側温度センサ１７が配置されている。さらに、ＮＯX触媒１１の下流側には酸化触媒１９が配置されている。
また、排気浄化装置１０は、還元剤供給装置２０からの還元剤の噴射量を制御するための制御装置（以下、「ＤＣＵ：Dosing Control Unit」と称する。）３０を備えている。このＤＣＵ３０は、ＣＡＮ（Controller Area Network）５１に接続されており、ＣＡＮ５１上に存在する情報を取り出すことができるようになっている。このＣＡＮ５１には、内燃機関の運転状態を制御するためのコントロールユニット（以下、「ＥＣＵ：Engine Control Unit」と称する場合がある。）５３が接続されており、燃料噴射量や噴射タイミング、回転数等をはじめとする内燃機関の運転状態に関する情報が入力されるようになっているだけでなく、排気浄化装置１０に備えられたあらゆるセンサ等の情報も入力されるようになっている。そして、ＤＣＵ３０は、後述するように、ＣＡＮ５１から出力される信号をもとにして、還元剤供給装置２０の駆動制御を行うようになっている。
なお、本実施形態では、ＥＣＵ５３とＤＣＵ３０とが別のコントロールユニットからなり、ＣＡＮ５１を介して情報のやり取りができるようにされているが、これらのＥＣＵ５３とＤＣＵ３０とを一つのコントロールユニットとして構成しても構わない。さらには、ＣＡＮ５１を介在させずに、あらゆる信号がＤＣＵ３０に対して直接入力されるように構成することもできる。
排気ガスを排出する内燃機関５としては、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンが典型的であるが、現状においてＮＯXの浄化が課題とされるディーゼルエンジンを対象とすることが適している。また、内燃機関５には回転数や燃料噴射量、燃料噴射タイミング等を検出する内燃機関の運転状態検出手段（図示せず）を備え、当該検出結果の信号がＥＣＵ５３に対して出力されるようになっている。
また、本発明の排気浄化装置１０に用いられるＮＯX触媒１１は、還元剤供給装置２０によって供給される還元剤のアンモニア成分を吸着し、流入してくる排気ガス中に含まれるＮＯXを選択的に還元する機能を持った触媒である。使用できるＮＯX触媒は、アンモニアを吸着する機能を備えているものであれば特に制限されるものではなく、例えば、ゼオライト系の材料で構成された触媒を用いることができる。
このようなアンモニア吸着機能を有するＮＯX触媒の触媒温度とアンモニアの飽和吸着量との関係を示す飽和吸着量曲線を図２に示す。図２中の実線Ａが飽和吸着量曲線を示しており、ＮＯX触媒の温度と飽和吸着量とが反比例の関係にあり、高温になるにつれて飽和吸着量が減少することが理解される。
また、図１に示すように、還元剤供給装置２０は、ＮＯX触媒１１において排気ガス中のＮＯXを還元するための還元剤をＮＯX触媒１１の上流側で排気通路１３内に噴射するための装置である。本実施形態で用いられる還元剤供給装置２０は、図３に示すように、還元剤噴射弁２１を含む噴射モジュール２３と、液体の還元剤が貯蔵された貯蔵タンク２５と、貯蔵タンク２５内の還元剤を還元剤噴射弁２１に対して圧送するポンプ２７を含むポンプモジュール２９とから構成されている。ポンプモジュール２９と噴射モジュール２３とは第１の供給経路２４によって接続され、貯蔵タンク２５とポンプモジュール２９とは第２の供給経路２６によって接続され、さらに、噴射モジュール２３と貯蔵タンク２５とは循環経路２８によって接続されている。
本実施形態の排気浄化装置に備えられた還元剤供給装置２０は、液体の還元剤を還元剤噴射弁２１によって噴射しつつ霧化するものであるが、本発明においては還元剤供給装置２０の構成は特に限定されるものではなく、例えば、高圧エアを用いて液体の還元剤を霧状にした上で排気通路内に供給する、エアアシスト式の還元剤供給装置とすることもできる。
また、還元剤としては、ＮＯX触媒に到達するまでにアンモニアが生成されるものであれば好適に使用することができ、代表的なものとしては尿素水溶液やアンモニア水溶液が挙げられる。
例えば、尿素水溶液を使用した場合には、排気通路中に噴射された尿素が排気ガス中の熱による熱分解のあと加水分解されてアンモニア（ＮＨ3）が生成され、ＮＯX触媒に吸着されるようになる。このＮＨ3が、ＮＯX触媒に流入してくる排気ガス中のＮＯXと反応することにより、窒素（Ｎ2）と二酸化炭素（ＣＯ2）と水（Ｈ2Ｏ）に分解されて放出される。
また、ＮＯX触媒１１の下流側に配置された酸化触媒１９は、主として、アンモニアがＮＯX触媒に吸着されずにスリップして下流側に流出した際に、アンモニアを酸化させて、相対的に毒性の低いＮＯXにして放出させるために用いられるものである。使用できる酸化触媒は特に制限されるものではなく、公知のもの、例えば、アルミナに白金を担持させたものに、所定量のセリウム等の希土類元素を添加したものを用いることができる。
また、上流側温度センサ１５及び下流側温度センサ１７は、それぞれの箇所での排気ガスの温度を測定するために用いられる。そして、ＤＣＵ３０では、これらの温度センサから出力される温度信号を利用して、ＮＯX触媒１１の温度を推定するようになっている。これらの温度センサについては、公知のものを使用することができる。
なお、ＮＯX触媒１１の上流側及び下流側の温度を演算によって推定する場合には、これらの温度センサを省略した構成とすることができる。
また、上流側ＮＯXセンサ１４及び下流側ＮＯXセンサ１６は、それぞれの箇所での排気ガス中のＮＯX濃度を測定するために用いられる。上流側ＮＯXセンサ１４の検出値によって内燃機関から排出されるＮＯX量が求められるため、ＤＣＵ３０では、排出ＮＯX量に応じて還元剤の噴射量が演算されるようになっている。この上流側ＮＯXセンサ１４を省略して、内燃機関５の運転状態から排出ＮＯX量を推定する構成とすることもできる。
また、下流側ＮＯXセンサ１６の検出値によって大気中に放出されるＮＯX量が求められるため、ＤＣＵ３０では、このＮＯX量が少なくなるように還元剤の噴射量が演算されるようになっている。
なお、ＮＯX触媒の上流側及び下流側のＮＯX濃度を演算によって推定する場合には、これらのＮＯXセンサを省略した構成とすることができる。
２．排気浄化装置の制御装置（ＤＣＵ）
本実施形態の排気浄化装置に備えられたＤＣＵ３０は、公知の構成からなるマイクロコンピュータを中心に構成されている。図４は、ＤＣＵ３０のうち、還元剤供給装置２０の噴射制御に関する部分について、機能的なブロックに表された構成例を示したものである。
すなわち、本実施形態におけるＤＣＵ３０は、ＣＡＮ情報取出生成部（図４では「CAN情報取出生成」と表記）と、ＮＯX触媒の温度を演算する触媒温度演算部（図４では「触媒温度演算」と表記）と、ＮＯX触媒の温度の推移を予測しＮＯX触媒の温度が継続的に低下していく状態か否かを判定する温度推移判定部（図４では「温度推移判定」と表記）と、ＮＯX触媒におけるアンモニアの実吸着量を演算する実吸着量演算部（図４では「実吸着量演算」と表記）と、還元剤の噴射量の制御を第１の目標吸着量に応じて行う第１の噴射制御部（図４では「第１噴射制御」と表記）と、還元剤の噴射量の制御を第２の目標吸着量に応じて行う第２の噴射制御部（図４では「第２噴射制御」と表記）と、ＮＯX触媒の温度が基準温度以下のときに噴射を停止させる噴射停止制御部（図４では「噴射停止制御」と表記）等を主要な構成要素として構成されている。これらの各部は、具体的にはマイクロコンピュータ（図示せず）によるプログラムの実行によって実現されるものである。また、ＤＣＵ３０には、ＮＯX触媒の温度情報や還元剤の噴射指示値等を記憶させておくＲＡＭ（Random Access Memory）が備えられている。
このうち、ＣＡＮ情報取出生成部は、ＤＣＵ３０が接続されたＣＡＮ５１上に存在する内燃機関の運転状態に関する信号や、各センサからの検出信号を取出して、他の各部に対して出力するようになっている。
また、触媒温度演算部では、ＣＡＮ情報取出生成部から出力されてくる上流側温度センサ及び下流側温度センサで検出された温度信号をもとに、ＮＯX触媒の温度を演算するようになっている。
また、本実施形態のＤＣＵ３０における温度推移判定部では、ＣＡＮ情報取出生成部から出力されてくる内燃機関の回転数信号やトルク信号をもとにしてＮＯX触媒の温度の推移を予測し、触媒温度が所定時間以上継続して低下する状態か否かが判定されるようになっている。このときの所定時間は任意に設定されるが、例えば、ＮＯX触媒の温度が、アンモニアが生成されにくいような基準温度まで下降するか否かを判断できる程度の時間に設定される。
例えば、内燃機関の回転数が所定のしきい値を下回る場合やトルクがマイナスになっている場合に、ＮＯX触媒の温度が継続的に低下すると予測される。これ以外にも、上流側温度センサによって検出される排気ガス温度信号や、触媒温度演算部で算出されるＮＯX触媒の温度を継続的に読み取り、その結果から温度推移を予測し判定するようにしてもよい。
また、噴射停止制御部では、触媒温度演算部で算出されたＮＯX触媒の温度が予め定められた基準温度以下となっているときに、還元剤供給装置に対して噴射停止の制御信号が送られるようになっている。この基準温度は、ＮＯX触媒の温度が、供給された還元剤が熱分解されてアンモニアが生成されにくくなるような温度状態となるように設定される。一例としては、１５０〜２００℃の範囲内の値である。したがって、ＮＯX触媒の温度が規定された基準温度以下の状態では還元剤が供給されずに、ＮＯX触媒におけるアンモニアの実吸着量は継続的に低下する状態となる。
また、実吸着量演算部では、例えば、実際に噴射された還元剤の量に対応するアンモニアの量から排気ガスに含まれるＮＯXの還元に使用されたアンモニアの量を引いた値を積算した値に、ＮＯX触媒にすでに吸着されているアンモニアの量を加算することによって、ＮＯX触媒におけるアンモニアの実吸着量が演算されるようになっている。
また、第１の噴射制御部では、温度推移判定部において、ＮＯX触媒の温度が所定時間以上継続して低下しない状態であると判定された場合に、ＮＯX触媒の飽和吸着量よりも小さい値である第１の目標吸着量に応じて還元剤の噴射量を決定し、還元剤供給装置の操作装置に対して制御信号を送るようになっている。すなわち、ＮＯX触媒の温度が継続して上昇する場合や上昇及び下降が細かく繰り返される場合には、この第１の噴射制御部によって通常モードでの噴射制御が行われるようになっている。
本実施形態のＤＣＵ３０における第１の噴射制御部は、触媒温度と第１の目標吸着量との関係を示す第１の目標吸着量曲線をもとに、温度推移判定時の触媒温度に対応する第１の目標吸着量を読み取り、実吸着量演算部によって算出されたアンモニアの実吸着量との差に値する量のアンモニアがＮＯX触媒に流入するように、還元剤の噴射量が演算されるように構成されている。
この第１の目標吸着量曲線は、図２中に破線Ｂで示すように、飽和吸着量に対して、例えば７０〜９０％程度の割合となるように設定することができる。第１の目標吸着量を飽和吸着量よりも小さくすることによって、ＮＯX触媒の飽和吸着量を超える量のアンモニアが供給され、ＮＯX触媒の下流側へ流出することを防ぐことができる。また、ＮＯX触媒の急激な温度上昇が起きた場合でも、ＮＯX触媒下流側へのアンモニアスリップを防ぐことができる。さらに、このような割合で第１の目標吸着量を設定した場合には、ＮＯXの還元効率が著しく低下することもない。
また、第２の噴射制御部では、温度推移判定部において、ＮＯX触媒の温度が所定時間以上継続して低下する状態であると判定された場合に、第１の目標吸着量よりも大きくかつ飽和吸着量よりも小さい値である第２の目標吸着量に応じて還元剤の噴射量を決定し、還元剤供給装置の操作装置に対して制御信号を送るようになっている。すなわち、内燃機関がアイドリング状態に移行する場合や減速時、内燃機関が停止される場合などにおいて、触媒温度が継続的に低下する場合には、この第２の噴射制御部によって増量モードでの噴射制御が行われるようになっている。
本実施形態のＤＣＵ３０における第２の噴射制御部は、触媒温度と第２の目標吸着量との関係を示す第２の目標吸着量曲線をもとに、温度推移判定時の触媒温度に対応する第２の目標吸着量を読み取り、実吸着量演算部によって算出されたアンモニアの実吸着量との差に値する量のアンモニアがＮＯX触媒に流入するように、還元剤の噴射量が演算されるように構成されている。
この第２の目標吸着量曲線は、図２中に一点鎖線Ｃで示すように、飽和吸着量に対して、例えば８５〜９５％程度の割合となるように設定することができる。第２の目標吸着量を第１の目標吸着量よりも大きい値とすることにより、飽和吸着量が継続的に増加する一方でアンモニアが生成されにくくなっていく状態においても、常に比較的多くのアンモニアを吸着させておくことができる。また、飽和吸着量が継続的に増加していく状態であれば、還元剤の噴射量を増量した場合であっても、ＮＯX触媒の飽和吸着量を超える量のアンモニアが供給され、ＮＯX触媒の下流側へ流出するおそれも少なくなる。
特に、本実施形態のように、ＮＯX触媒の温度が基準温度以下のときに還元剤の噴射が停止されるように構成されている場合には、触媒温度が低下して基準温度以下になるおそれがあるときには増量モードで噴射制御が行われ、還元剤の噴射が停止されるときまでに比較的多くのアンモニアをＮＯX触媒に吸着させておくことができるようになる。そのため、ＮＯX触媒の温度が低く、還元剤が熱分解されないような温度状態であっても、ＮＯXの還元効率が著しく低下することを防ぐことができる。さらに、エンジン停止後、次にエンジンを始動させた場合に、排気温度が上昇するまでの間においてもＮＯXの還元が効率的に行われるようになる。
３．排気浄化装置の制御方法
次に、これまで説明した図４の排気浄化装置の制御装置を用いて行われる排気浄化装置の制御方法のルーチンの一例について、図５のフローチャートを参照しつつ説明する。なお、このルーチンは、内燃機関の運転状態において常時実行されるようになっている。
まず、スタート後のステップＳ１１において、内燃機関の回転数NeやトルクTrを示す信号を読み取る。次いで、ステップＳ１２において、読み取った内燃機関の回転数Ne及びトルクTrが、あらかじめ規定されたしきい値Ne0、Tr0以下となっているか否かが判別される。内燃機関の回転数Ne及びトルクTrが、あらかじめ規定されたしきい値Ne0、Tr0を超える場合には、ステップＳ１２の判別においてＮＯと判定されてステップＳ２０に進む。
ステップＳ２０以降では通常モードによる還元剤の噴射制御が行われる。
まず、ステップＳ２０において、上流側温度センサ及び下流側温度センサによって検出される温度信号をもとに触媒温度Ttを演算した後、ステップＳ２１で、触媒温度Ttが所定の基準温度Tt0以上となっているか否かを判別する。このステップＳ２１は、ＮＯX触媒の温度Ttが、還元剤が熱分解されてアンモニアが生成される温度以上になっているか否かを判別するものである。触媒温度Ttが所定の基準温度Tt0よりも低い場合には、ステップＳ２１の判別においてＮＯと判定され、還元剤の噴射を行わずに終了する。一方、触媒温度Ttが所定の基準温度Tt0以上の場合には、ステップＳ２１の判別においてＹＥＳと判定され、ステップＳ２２で、第１の目標吸着量曲線NT1から、触媒温度Ttに対応するアンモニアの目標吸着量NTを求め、ステップＳ１６に進む。
一方、上述のステップＳ１２において、内燃機関の回転数Ne及びトルクTrが、あらかじめ規定されたしきい値Ne0、Tr0以下となっている場合には、ＹＥＳと判定されてステップＳ１３に進む。この場合には、ＮＯX触媒の温度Ttがこのまま継続的に低下して基準温度Tt0以下となるおそれがあるため、ステップＳ１３以降で増量モードによる還元剤の噴射制御が行われる。
まず、ステップＳ１３において、上流側温度センサ及び下流側温度センサによって検出される温度信号をもとに触媒温度Ttを演算した後、ステップＳ１４で、触媒温度Ttが所定の基準温度Tt0以上となっているか否かを判別する。このステップＳ１４は、ステップＳ２１と同様、ＮＯX触媒の温度Ttが、還元剤が熱分解されてアンモニアが生成される温度以上になっているか否かを判別するものである。触媒温度Ttが所定の基準温度Tt0よりも低い場合には、ステップＳ１４の判別においてＮＯと判定され、還元剤の噴射を行わずに終了する。一方、触媒温度Ttが所定の基準温度Tt0以上の場合には、ステップＳ１４の判別においてＹＥＳと判定され、ステップＳ１５で、第２の目標吸着量曲線Nt2から、触媒温度Ttに対応するアンモニアの目標吸着量NTを求め、ステップＳ１６に進む。
次いで、ステップＳ１６では、現在ＮＯX触媒に吸着されているアンモニアの実吸着量NRを演算する。例えば、ここまでに実際に噴射された還元剤の量に対応するアンモニアの量から排気ガスに含まれるＮＯXの還元に使用されたアンモニアの量を引いた値を積算した値に、ＮＯX触媒にすでに吸着されているアンモニアの量（前回値）を加算することによって、ＮＯX触媒におけるアンモニアの実吸着量NRが演算される。
次いで、ステップＳ１７では、ステップＳ１５又はステップＳ２２で求めたアンモニアの目標吸着量NTから、ステップＳ１６で求めたアンモニアの現在吸着量NRを引き、不足量ΔNを算出する。次いで、ステップＳ１８では、ステップＳ１７で求めたアンモニアの不足量ΔNの値が０以上となっているか否かを判別する。その結果、０未満となっている場合にはＮＯと判定され、アンモニアを新たに供給する必要がないために処理を終了する。一方、０以上である場合にはＹＥＳと判定されてステップＳ１９に進み、還元剤供給装置から噴射させる還元剤量の値である還元剤噴射指示値Uを演算する。
このステップＳ１９で行われる還元剤噴射指示値Uの演算のフローの一例を図６に示す。
この例では、まずステップＳ２１において、ステップＳ１７で算出したアンモニアの不足量ΔN分のアンモニアが生成されうる還元剤必要量U1を演算する。
次いで、ステップＳ２２で、内燃機関から排出される排気ガス流量Gfと上流側ＮＯXセンサで検出される排出ＮＯX濃度Ndとを示す信号を読み取った後、ステップＳ２３で、これらの排気ガス流量Gf及び排出ＮＯX濃度Ndから排出ＮＯX量Nfを演算する。そして、ステップＳ２４で、排出ＮＯX量Nf分のＮＯXを還元するために必要なアンモニアの量NCを演算し、ステップＳ２５で、アンモニアの量NC分のアンモニアが生成されうる還元剤必要量U2を演算する。
次いで、ステップＳ２６では、ステップＳ２１で算出された還元剤必要量U1とステップＳ２５で算出された還元剤必要量U2とを加算し、還元剤噴射指示値Uを算出する。
この図６の例では、そのときに流れている排出ＮＯX量Nfを求め、この排出ＮＯX量Nfに対応するアンモニア量NCを還元剤の噴射指示値U1に加算するようにしているが、ステップＳ２２〜ステップＳ２６を省略し、排出されるＮＯX量Nfを考慮せずに目標吸着量NTのみを考慮して、ステップＳ２１で算出される還元剤必要量U1をそのまま噴射指示値Uとしてもよい。
このようにして還元剤噴射指示値Uを算出した後、ステップＳ２０において、還元剤噴射指示値Uに応じた制御信号を還元剤供給装置２０に対して出力して処理を終了する。
本実施形態では、ステップＳ１１において、ＮＯX触媒の温度推移の予測を、内燃機関におけるエンジン回転数NeやトルクTrの値から予測しているが、この予測方法は種々考えられる。例えば、エンジン回転数やトルクの変化推移から予測したり、上流側温度センサによって検出される排気ガス温度の変化推移から予測したり、さらには、上流側温度センサ及び下流側温度センサによって演算されるＮＯX触媒の推定温度の変化推移から予測することができる。
本実施形態の内燃機関の排気浄化装置の構成例を示す図である。 ＮＯX触媒の飽和吸着量曲線、第１の目標吸着量曲線及び第２の目標吸着量曲線を示す図である。 還元剤供給装置の構成例を説明するための図である。 本実施形態の排気浄化装置の制御装置（ＤＣＵ）の構成例を示す図である。 本実施形態の排気浄化装置の制御方法を説明するためのフロー図である。 還元剤噴射指示値の演算方法の例を示すフロー図である。
符号の説明
５：内燃機関、１０：排気浄化装置（ＳＣＲシステム）、１１：ＮＯX触媒、１３：排気通路、１４：上流側ＮＯXセンサ、１５：上流側温度センサ、１６：下流側ＮＯXセンサ、１７：下流側温度センサ、１９：酸化触媒、２０：還元剤供給装置、２１：還元剤噴射弁、２３：噴射モジュール、２５：貯蔵タンク、２７：ポンプ、２９：ポンプモジュール、３０：制御装置（ＤＣＵ）、５１：ＣＡＮ、５３：ＥＣＵ

Claims (6)

  1. 内燃機関の排気通路中に配置され前記内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯXを選択的に還元するためのＮＯX触媒の上流側で前記排気通路内に還元剤を噴射させるための排気浄化装置の制御装置において、
    前記ＮＯX触媒の温度推移を予測し前記ＮＯX触媒の温度が所定時間以上継続して低下するか否かを判定するための温度推移判定手段と、
    前記ＮＯX触媒の温度が前記所定時間以上継続して低下しないと判定された場合に、前記ＮＯX触媒の温度に対応する還元剤の飽和吸着量よりも小さい値の第１目標吸着量に応じて前記還元剤を噴射させるための第１の噴射制御手段と、
    前記ＮＯX触媒の温度が前記所定時間以上継続して低下すると判定された場合に、前記第１目標吸着量よりも大きくかつ前記飽和吸着量よりも小さい値の第２目標吸着量に応じて前記還元剤を噴射させるための第２の噴射制御手段と、
    を備えることを特徴とする排気浄化装置の制御装置。
  2. 前記ＮＯX触媒の温度が基準温度以下のときに前記還元剤の噴射を停止させる噴射停止手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置の制御装置。
  3. 前記温度推移判定手段は前記ＮＯX触媒の温度が前記所定時間以上継続して低下することにより前記基準温度以下になるか否かを判定することを特徴とする請求項２に記載の排気浄化装置の制御装置。
  4. 内燃機関の排気通路中に配置され前記内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯXを選択的に還元するためのＮＯX触媒の上流側で前記排気通路内に還元剤を噴射させるための排気浄化装置の制御方法において、
    前記ＮＯX触媒の温度推移を予測して、前記ＮＯX触媒の温度が所定時間以上継続して低下するか否かを判定し、
    前記ＮＯX触媒の温度が前記所定時間以上継続して低下しないと判定された場合には、前記ＮＯX触媒の温度に対応する還元剤の飽和吸着量よりも小さい値の第１目標吸着量に応じて還元剤を噴射させる一方、
    前記ＮＯX触媒の温度が前記所定時間以上継続して低下すると判定された場合には、前記第１目標吸着量よりも大きくかつ前記飽和吸着量よりも小さい値の第２目標吸着量に応じて前記還元剤を噴射させることを特徴とする排気浄化装置の制御方法。
  5. 前記内燃機関のアイドリング運転移行時、減速時、又はエンジン停止時に、前記ＮＯX触媒の温度が前記所定時間以上継続して低下すると判定されることを特徴とする請求項４に記載の排気浄化装置の制御方法。
  6. 内燃機関の排気通路中に配置され前記内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯXを選択的に還元するためのＮＯX触媒と、前記ＮＯX触媒の上流側で前記排気通路内に還元剤を噴射させるための還元剤供給装置と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
    前記ＮＯX触媒の温度推移を予測し前記ＮＯX触媒の温度が所定時間以上継続して低下するか否かを判定するための温度推移判定手段と、
    前記ＮＯX触媒の温度が前記所定時間以上継続して低下しないと判定された場合に、前記ＮＯX触媒の温度に対応する還元剤の飽和吸着量よりも小さい値の第１目標吸着量に応じて前記還元剤を噴射させるための第１の噴射制御手段と、
    前記ＮＯX触媒の温度が前記所定時間以上継続して低下すると判定された場合に、前記第１目標吸着量よりも大きくかつ前記飽和吸着量よりも小さい値の第２目標吸着量に応じて前記還元剤を噴射させるための第２の噴射制御手段と、
    を含む制御装置を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
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