JP5126141B2

JP5126141B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP5126141B2
Application number: JP2009074183A
Authority: JP
Inventors: 清藤原
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2029-03-25
Also published as: JP2010223178A

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関の排出する排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する排気浄化装置として、尿素選択還元排気浄化装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この排気浄化装置は、排気通路に選択還元触媒（ＳＣＲ）を備える触媒コンバータと、その上流側に設けられた尿素水添加弁とを備える。選択還元触媒は、その触媒担体に、酸化バナジウムなどの触媒金属を担持している。排気通路に尿素水を添加すると、排気ガスの熱により、尿素水が加水分解されてアンモニアが生成され、このアンモニアとＮＯｘが選択還元触媒においてＮＯｘと脱硝反応して窒素と水が生成される。

特開２００３−３０１７３７号公報

ところで、従来において、選択還元触媒への尿素添加量は、例えば、選択還元触媒へ導入されるＮＯｘの浄化効率に応じた噴射量と、選択還元触媒に吸着させるべきアンモニアの目標吸着量に対して不足分を補うための噴射量とを算出し、これらの合計量を最終的な噴射量とする。

しかしながら、選択還元触媒へのアンモニアの吸着量が十分であったとしても、噴射量によっては触媒への分散性が異なる。例えば、少量噴射を続けると、尿素噴霧の分散性が悪く、触媒に対する吸着および反応も部分的となり、選択還元触媒全体では浄化効率が落ちることが実験結果から分かっている。一方、必要以上に尿素水の噴射量を増やすと、いわゆるアンモニアスリップが発生することがわかっている。このことは、特に、車両の急加速などの状況において顕著に現れる。

本発明の目的は、浄化効率を向上しつつアンモニアスリップの発生を抑制できる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられ、排気ガスに含まれるＮＯｘを尿素水が加水分解されて生成されるアンモニアを還元剤として選択的に還元する選択還元触媒と、前記排気通路の前記選択還元触媒の上流側から前記選択還元触媒に向けて尿素水を添加する尿素水添加弁と、前記選択還元触媒の状態に応じて、前記尿素水添加弁からの前記還元剤の噴射量を制御する制御手段と、を有し、前記制御手段は、前記還元剤の噴射量が所定量よりも少ない状態が所定時間継続された場合には、一時的に、前記所定量を超える量の前記還元剤を噴射させる、ことを特徴とする。

上記構成において、前記制御手段は、一時的に、前記所定量を超える量の前記還元剤を噴射させた直後における尿素水の噴射量を、当該噴射直後における前記選択還元触媒の還元剤の推定吸着量に基づいて補正する、ことができる。

本発明によれば、還元剤の噴射量を一時的に増加させることにより、選択還元触媒に対する還元剤の分散性を向上させることができ、その結果、浄化効率を高めることができる。また、一時的にのみ還元剤の噴射量を増量するので、いわゆるアンモニアスリップの発生も抑制できる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成を示す概略図である。ＥＣＵにおける処理の一例を示す機能ブロック図である。瞬時最大噴射量マップの一例を示す図である。瞬時最大噴射量噴射時間マップの一例を示す図である。分散性向上修正係数マップの一例を示す図である。瞬時最大噴射量マップの他の例を示す図である。

以下、本発明の好適一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成図である。
図１において、内燃機関１は、例えば、ディーゼルエンジンである。この内燃機関１の排気通路１０には、上流側から、酸化触媒コンバータ３０、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）４０、尿素水添加弁６２及び選択還元触媒コンバータ５０が設けられている。また、排気通路１０には、排気ガスＥＧ中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を検出するＮＯｘセンサ７０Ａ，７０Ｂが設けられている。ＮＯｘセンサ７０Ａは、尿素水添加弁６２の下流側でかつ選択還元触媒コンバータ５０の上流側に設けられている。ＮＯｘセンサ７０Ｂは、選択還元触媒コンバータ５０の下流側に設けられている。

酸化触媒コンバータ３０は、後段のＤＰＦ４０等に供給される排気ガスＥＧの温度を昇温させるために排気ガスＥＧ中の未燃燃料等を酸化する触媒金属等からなる酸化触媒を担持している。

ＤＰＦ４０は、排気ガスＥＧに含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集するフィルタである。ＤＰＦ４０の構造は、周知のように、例えば、金属やセラミクス製のハニカム体で構成されている。ＤＰＦ４０は、ＰＭが所定量堆積すると再生処理が必要である。具体的には、たとえば、酸化触媒コンバータ３０を昇温により活性化させ、酸化触媒コンバータ３０の酸化作用により昇温された排気ガスＥＧをＤＰＦ４０に供給する。これにより、捕集したＰＭが燃焼処理され、フィルタ機能が再生される。また、ＤＰＦ４０は、触媒金属からなる酸化触媒を担持する構成としてもよい。

尿素水添加弁６２は、尿素タンク６０に接続され、尿素タンク６０から供給された所定の濃度の尿素水６３を選択還元触媒コンバータ５０に向けて排気通路１０に添加する。尿素水添加弁６２は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）１００からの制御指令に応じた添加量を添加するようになっている。排気通路１０に添加された尿素水は、排気ガスＥＧの熱により、加水分解されてアンモニアが生成される。

選択還元触媒コンバータ５０は、尿素水添加弁６２から添加される尿素水から生成されるアンモニアを還元剤として用いて、排気ガスＥＧに含まれるＮＯｘを選択的に還元して窒素ガスと水にする。この選択還元触媒コンバータ５０は、周知の構造であり、例えば、Ｓｉ、Ｏ、Ａｌを主成分とすると共にＦｅイオンを含むゼオライトから構成されたものや、例えば、酸化アルミニウムアルミナからなる基材の表面にバナジウム触媒（Ｖ_２Ｏ_５）などの触媒金属を担持させたものなどを用いることができるが、特に、これらに限定されるわけではない。

ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electronically Erasable and Programmable Read Only Memory）等のバックアップ用メモリ、Ａ／Ｄ変換器やバッファ等を含む入力インターフェース回路、駆動回路等を含む出力インターフェース回路を含むハードウエアと所要のソフトウエアで構成される。このＥＣＵ１００には、ＮＯｘセンサ７０Ａ，７０Ｂの検出信号が入力されるとともに、尿素水添加弁６２に制御信号を出力する。なお、ＥＣＵ１００の処理内容については後述する。

次に、ＥＣＵ１００の処理の一例について図２を参照して説明する。
なお、図２は、通常時における、尿素水噴射量の決定処理の一例を示している。
先ず、ＮＯｘセンサ７０Ａから、内燃機関１から排出される排気ガス中のＮＯｘの濃度を取得する（Ｓ１）。このＮＯｘセンサ７０Ａと、内燃機関１の吸気系から吸入される吸入空気量Ｄ１から、選択還元触媒コンバータ５０に導入されるＮＯｘ量を算出する（Ｓ２）。次いで、ＮＯｘ量とアンモニア（ＮＨ_３）量とを変換するＮＯｘ／ＮＨ_３変換マップＤ２を用いて、ＮＯｘ浄化に必要なＮＨ_３量を算出する（Ｓ３）。

次いで、選択還元触媒コンバータ５０の状態に応じて当該選択還元触媒コンバータ５０の浄化効率を規定するＳＣＲ浄化効率マップＤ３を用いて、消費される消費ＮＨ_３量を算出する（Ｓ４）。

次いで、選択還元触媒コンバータ５０に吸着させるべきＮＨ_３量である目標吸着量Ｄ４を上記のＳ４で算出した消費ＮＨ_３量に加え、これを添加すべきＮＨ_３添加量とする（Ｓ５）。

次いで、Ｓ５で算出したＮＨ_３添加量をフィードバック補正する（Ｓ６）。フィードバック補正は、例えば、指令値に対する実際のＮＨ_３の添加量との偏差に基づいてＳ５で算出したＮＨ_３添加量を補正する。

次いで、補正後のＮＨ_３添加量を尿素水量に変換し（Ｓ７）、得られた尿素水量を最終指令噴射量として尿素水添加弁６２に出力する。

次に、尿素水添加弁６２からの尿素水の噴射が所定噴射量以下で継続された場合のＥＣＵ１００による処理の一例について説明する。
ここで、尿素水の指令噴射量をＱｖ（ｍｇ／ｓ）、所定噴射量をＱＬ（ｍｇ／ｓ）、所定噴射時間をＴＬ（ｓｅｃ）、触媒床温をＴＳＣＲ（℃）、空気量をＧａ（ｇ／ｓｅｃ）とする。
例としては、ＱＬ＝１０ｍｇ／ｓ、ＴＬ＝１０ｓｅｃである。

ＥＣＵ１００は、指令噴射量Ｑｖが所定噴射量ＱＬを下まわる状態が所定噴射時間ＴＬ以上継続した場合には、指令噴射量Ｑｖを図３に示す瞬時最大噴射量Ｑｍａｘのマップおよび図４に示す瞬時最大噴射量噴射時間ｔｍａｘのマップに基づいて、決定する。図３に示すマップは、触媒床温ＴＳＣＲと空気量Ｇａとに応じて瞬時最大噴射量Ｑｍａｘを規定しており、図４に示すマップは、触媒床温ＴＳＣＲと空気量Ｇａとに応じて瞬時最大噴射量Ｑｍａｘを規定しており、図５に示すマップは、触媒床温ＴＳＣＲと空気量Ｇａとに応じて瞬時最大噴射量噴射時間ｔｍａｘを規定している。これらのマップにしたがって決定された瞬時最大噴射量Ｑｍａｘの尿素水を瞬時最大噴射量噴射時間ｔｍａｘの間噴射する。なお、瞬時最大噴射量Ｑｍａｘは、所定噴射量ＱＬよりも大きい値である。また、指令噴射量Ｑｖが所定噴射量ＱＬを下まわる状態が所定噴射時間ＴＬ以上継続した場合には、尿素水の噴射が無い場合も含まれる。当然ながら、触媒床温ＴＳＣＲが活性化していない、噴射許容温度以下では、噴射量増量制御は実施しない。

また、選択還元触媒における尿素水（アンモニア）の分散性を高め、かつ、アンモニアスリップを抑制する観点からは、瞬時最大噴射量Ｑｍａｘは大きく、瞬時最大噴射量噴射時間ｔｍａｘは短いほど好ましい。好適な値としては、例えば、ＱＬ＝２５ｍｇ／ｓｅｃ、ＴＬ＝０．５ｓｅｃである。

次に、瞬時最大噴射量Ｑｍａｘの尿素水を瞬時最大噴射量噴射時間ｔｍａｘの間噴射した後の処理の一例について説明する。
瞬時最大噴射量Ｑｍａｘの尿素水を噴射した後には、選択還元触媒のアンモニアの推定吸着量に誤差が生じる。
ここで、修正推定吸着量をＬｍ（ｍｇ）、推定吸着量をＬａ（ｍｇ）、修正係数をＫｂとすると、修正推定吸着量Ｌｍは、次式（１）により規定される。なお、修正係数Ｋｂは、図５に示すようなマップから特定することができる。
Ｌｍ＝Ｌａ＋Ｋｂ×Ｑｍａｘ×ｔｍａｘ（１）

また、修正噴射量をＱｍ（ｍｇ／ｓ）、尿素添加弁６２の駆動パルス間隔をＴｆｒとすると、修正噴射量Ｑｍは次式（２）により規定される。
Ｑｍ＝Ｑｖ−Ｑｍａｘ×ｔｍａｘ／Ｔｆｒ（２）

なお、瞬時最大噴射量Ｑｍａｘの尿素水を噴射後の修正噴射量Ｑｍは、基本的には、０になると想定される。

選択還元触媒におけるアンモニアの吸着量の減少の原因は、第１に、導入されるＮＯｘに対してアンモニアが反応することである。第２に、触媒床温が高いと選択還元触媒に吸着されたアンモニアは自然に放出されるため、吸着量が減少する原因となる。

ここで、上記の２つの原因を考慮にいれた尿素水噴射量制御の一例について説明する。
例えば、図６に示すような、空気量Ｇａと触媒床温ＴＳＣＲとに応じて、最大吸着量Ｌｄｍａｘが規定されたマップをあらかじめ保持しておく。

通常時は、飽和吸着量を目標吸着量Ｌｄ、かつ、最大吸着量Ｌｄｍａｘとして、これ以上は吸着させない噴射量と設定する。

現在（ｔ１）の推定吸着量をＬａ１、加速後（ｔ２）の修正推定吸着量をＬａ２とする。走行状態により、触媒床温ＴＳＣＲが高くなると、吸着可能量が減少し、アンモニアスリップの発生につながる。このため、次式（３）により、修正推定吸着量Ｌａ２を求める。
Ｌａ２＝Ｌａ１＋ΔＬｄ＝２Ｌａ１−Ｌｄｍａｘ（３）

そして、（３）式により求めた修正推定吸着量Ｌａ２を修正目標吸着量とする。これにより、次回の尿素水の噴射は、修正推定吸着量Ｌａ２をベースに吸着量の計算を開始できる。

１…内燃機関
１０…排気通路
３０…酸化触媒コンバータ
４０…ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
５０…選択還元触媒コンバータ
６２…尿素水添加弁
７０Ａ，７０Ｂ…ＮＯｘセンサ

Claims

内燃機関の排気通路に設けられ、排気ガスに含まれるＮＯｘを尿素水が加水分解されて生成されるアンモニアを還元剤として選択的に還元する選択還元触媒と、
前記排気通路の前記選択還元触媒の上流側から前記選択還元触媒に向けて尿素水を添加する尿素水添加弁と、
前記選択還元触媒の状態に応じて、前記尿素水添加弁からの前記還元剤の噴射量を制御する制御手段と、を有し、
前記制御手段は、前記還元剤の噴射量がゼロではない所定量よりも少ない状態が所定時間継続された場合には、前記選択還元触媒における尿素水の分散性を高めつつ、アンモニアスリップを抑制するべく、一時的に、前記所定量を超える量の前記還元剤を噴射させ、
前記制御手段は、一時的に、前記所定量を超える量の前記還元剤を噴射させた直後における尿素水の噴射量を、当該噴射直後における前記選択還元触媒の還元剤の推定吸着量に基づいて補正する、ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。