JP5655348B2

JP5655348B2 - 内燃機関の排気浄化制御システム

Info

Publication number: JP5655348B2
Application number: JP2010083041A
Authority: JP
Inventors: 朝幸伊藤; 達夫益子
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2015-01-21
Anticipated expiration: 2030-03-31
Also published as: WO2011125421A1; JP2011214494A

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化制御システムに関するものである。

車両に搭載される内燃機関、例えばディーゼルエンジンの排気ガス中のＮＯｘを浄化する排気浄化制御システムの一つとして、例えばＳＣＲ（選択式触媒還元）システムが開発されている。このＳＣＲシステムは、液体還元剤（反応剤）である例えば尿素水をＳＣＲ触媒の上流に噴射して供給し、排気ガスの熱で尿素を加水分解してアンモニアを生成し、このアンモニアによってＳＣＲ触媒上でＮＯｘを還元して浄化するものである。

その浄化の際に、ＳＣＲ触媒には一部のアンモニアが吸着し、この吸着したアンモニアがＳＣＲ触媒上でＮＯｘを高反応に還元することができる。そこで、浄化率を向上させるために、アンモニアの吸着量を制御するようにした排気浄化制御システム（触媒の作動方法およびその方法を実施する装置）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

前記排気浄化制御システムは、ＮＯｘ浄化率からアンモニアの消費量を求め、アンモニアの供給量から前記消費量を差し引いた値を吸着量として算出し、この吸着量が目標吸着量になるように供給量を制御するものである（このように積算値による目標吸着量制御を積算値制御ともいう）。前記目標吸着量は、例えば温度の関数である飽和吸着量曲線から決定される。

特開２００６−１７１１５号公報

しかしながら、前記排気浄化制御システムにおいては、各パラメータを積算した値で制御しているため、誤差も積算され、真値とのずれが拡大しやすい。このような現象は、例えば上り坂走行時等の過渡的運転状況において発生しやすい。このため、アンモニアの供給不足（不足配量）による浄化率の低下やアンモニアの供給過多（過剰配量）によるアンモニアスリップが起きやすく、浄化率が大幅に悪化するという問題がある。このような問題を解消するには、尿素水の無噴射状態を一定時間設定するなどしてリセットを行う必要があり、手間がかかると共に、頻繁にリセットは行えないため、真値とのずれをなくすことは困難である。

本発明は、前記事情を考慮してなされたものであり、積算値制御の問題点である真値とのずれに起因する浄化率の悪化をなくすことができると共に、リセットを行う手間を省くことができる内燃機関の排気浄化制御システムを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は、内燃機関の排気通路に設けられ排気ガスを浄化する触媒と、該触媒よりも上流側に前記触媒の反応に必要な反応剤を供給する反応剤供給手段と、該反応剤供給手段による反応剤の供給量を制御する制御装置とを備えた内燃機関の排気浄化制御システムにおいて、前記制御装置が、内燃機関の運転状況から基本反応剤供給量を算出する工程と、前記内燃機関の運転状況であるエンジン回転数の変化量を用いて前記基本反応剤供給量に対する補正量を算出すると共に、前記エンジン回転数の増加量が大きいほど前記補正量が小さくなるように前記補正量を算出する工程と、前記基本反応剤供給量および前記補正量から目標反応剤供給量を算出する工程とを実行するように構成されていることを特徴とする。

前記触媒が排気ガス中のＮＯｘを浄化するＳＣＲ触媒であり、前記反応剤が尿素水であることが好ましい。

前記補正量を、アクセル開度の変化量を用いて算出することが好ましい。

本発明によれば、積算値制御の問題点である真値とのずれに起因する浄化率の悪化をなくし、リセットを行う手間を省くことができる。

本発明の実施形態に係る内燃機関の排気浄化制御システムの一例を概略的に示す図である。負荷一定時のアクセル開度と排気温度の関係を示すグラフである。アクセル開度一定時のエンジン回転数と排気温度の関係を示すグラフである。制御装置により行われる制御の工程を示すフローチャートである。

以下に、本発明を実施するための形態を添付図面に基いて詳述する。

本実施形態に係る内燃機関の排気浄化制御システムの一例を示す図１において、１は自動車用の内燃機関例えばディーゼルエンジンであり、２５はこのエンジン１の排気浄化制御システムである。このエンジン１は、複数のシリンダ、ピストン、シリンダブロックおよびクランクシャフト等を含むエンジン本体２を有し、このエンジン本体２には吸気マニホールド３および排気マニホールド４が設けられている。吸気マニホールド３は、吸気が流れる吸気通路（吸気管）５の下流端部を形成している。同様に排気マニホールド４は、排気ガスが流れる排気通路（排気管）６の上流端部を形成している。

エンジン本体２には、排気ガスの一部すなわちＥＧＲガスを吸気側に還流するためのＥＧＲ装置７が設けられている。このＥＧＲ装置７は、排気通路６内（特に排気マニホールド４内）の排気ガスの一部を吸気通路５内（特に吸気マニホールド３内）に還流させるためのＥＧＲ通路８と、このＥＧＲ通路８を流れるＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ９と、ＥＧＲ通路８の下流側に設けられ、ＥＧＲガスの流量を調節するＥＧＲ弁１０とを備えている。

前記排気通路６の途中には排気ガス浄化装置の一つであるＮＯｘ還元用のＳＣＲ装置（ＳＣＲユニットともいう。）１１が接続されていると共に、このＳＣＲ装置１１の上流（排気ガス上流）には液体還元剤（反応剤）である尿素水１２をＳＣＲ装置１１のＳＣＲ触媒１３に供給する液体還元剤供給手段（反応剤供給手段）３０を構成する噴射ノズル１４が設けられている。

前記反応剤供給手段３０は、尿素水を貯蔵した尿素水貯蔵タンク１６と、この尿素水貯蔵タンク１６から尿素水供給パイプ１５を介して供給される尿素水１２を排気通路６内に噴射する噴射ノズル１４とから主に構成されている。尿素水貯蔵タンク１６は、尿素水１２を尿素水供給パイプ１５を介して噴射ノズル１４に圧送するように構成されている。

前記ＳＣＲ装置１１は、ＳＣＲ触媒１３と、このＳＣＲ触媒１３を収容した円筒状の容器１７と、この容器１７の前端部と後端部に接続された漏斗状の排気ガス入口部材１７ａと排気ガス出口部材１７ｂから主に構成されている。

エンジン本体２にはエンジン回転数を検出するエンジン回転数センサ１８が設けられ、エンジン回転数を制御するアクセルにはアクセル開度を検出するアクセル開度センサ１９が設けられている。吸気通路５には吸気流量を検出する流量センサ２０が設けられている。排気通路６にはＳＣＲ装置１１の上流側と下流側にＮＯｘセンサ２１，２２が設けられていると共に、ＳＣＲ装置１１の下流側に排気温度を検出する排気温度センサ２３が設けられている。

前記排気浄化制御システム２５は、エンジン１の運転状況に基いて尿素水１２の供給量を制御する、すなわち前記噴射ノズル１４からの尿素水１２の噴射量を制御する制御装置２４を備えている。本実施形態のエンジン１の運転状況は、例えばエンジン回転数およびアクセル開度から求めることができる。制御装置２４は、図４に示すように、アクセル開度センサ１９を介してアクセル開度を、エンジン回転数センサ１８を介してエンジン回転数を読み込む工程（第１ステップ）Ｓ１と、これらアクセル開度およびエンジン回転数から基本尿素水噴射量（基本反応剤噴射量）Ｕｂを算出する工程（第２ステップ）Ｓ２と、運転状況の変化量例えばアクセル開度の変化量Ａおよびエンジン回転数の変化量Ｒを読み込む工程（第３ステップ）Ｓ３と、これらアクセル開度変化量Ａおよびエンジン回転数変化量Ｒから前記基本尿素水噴射量Ｕｂに対するアンモニアの吸着量、脱離量である補正量Ｎｃを算出する工程（第４ステップ）Ｓ４と、前記基本尿素水噴射量Ｕｂおよび前記補正量Ｎｃから目標尿素水噴射量を算出する工程（第５ステップ）Ｓ５とを実行するように構成されている。これにより、目標尿素水噴射量の尿素水が前記噴射ノズル１４から噴射供給される（第６ステップＳ６）。

基本尿素水噴射量Ｕｂ（ｍｇ）は、制御装置２４がアクセル開度とエンジン回転数からＮＯｘ排出量を算出し、必要尿素水噴射量を求めて決定する。この基本尿素水噴射量Ｕｂは、アクセル開度およびエンジン回転数の単位時間当たりの変化量（変化率）に応じて触媒へのアンモニア吸着・脱離量を推定して補正する。

すなわち、前記第３ステップＳ３および第４ステップＳ４においては、アクセル開度の単位時間（ｔ[ｍｓ]）当たりの変化量（変化率）Ａおよびこれに伴うエンジン回転数の単位時間（ｔ[ｍｓ]）当たりの変化量（変化率）Ｒに基いて補正量Ｎｃ（ｍｇ）を求める。この場合、下記の演算式により概算的に求めることもできる。ここで、「概算的に」とは、変化量が同値でも、ベース値は色々考えられ、厳密には一義的にＮｃ値は決められないので、一部の変化パターンで最良のキャリブレーションができなくなるのは無視して最大公約数的に値を決めること、すなわち、変化量Ａと変化量Ｒにそれぞれ補正係数を乗じ、これらを単純に足し合わせて決定することである。

単純に比例として考えて、Ｎｃ＝Ｃ０＋Ｃ１×Ａ＋Ｃ２×Ｒとし、この演算式から基本尿素水噴射量Ｕｂに対し増量もしくは減量する補正量Ｎｃを算出する。ここで、Ｃ０は初期値、Ｃ１は正（Ｃ１＞０）の補正係数、Ｃ２は負（Ｃ２＜０）の補正係数である。触媒に吸着されるアンモニアの初期値Ｃ０は、初期は、製造時の吸着量が０であると考えて最初に尿素水を噴射する際の目標吸着量を決定し、走行距離の増加に伴い例えばマイナスに増加させ、Ｃ０＝０ｍｇにする。次に、補正量Ｎｃ（ｍｇ）は、初期値Ｃ０に対してアクセル開度を増量した時には、脱離量を多く、逆にアクセル開度一定でエンジン回転数が増加したときには吸着量が多くなる関係から、Ｃ１×ＡとＣ２×Ｒの値で補正することができ、これにより、容易に補正量Ｎｃを求めることができる。

すなわち、負荷一定時のアクセル開度と排気温度の関係は、図２に示す通りであり、アクセル開度の上昇に伴って排気温度が上昇し、これによりアンモニアの脱離量も多くなる。一方、アクセル開度一定時のエンジン回転数と排気温度の関係は、図３に示す通りであり、エンジン回転数の上昇に伴って排気温度が低下し、これによりアンモニアの脱離量が低下する。また、燃焼温度が高くなるとＮＯｘの発生量は指数関数的に増加する。なお、燃焼温度と排気温度は等しい。そこで、ＮＯｘの排出量を正確に把握するために、エンジンの運転状況として、エンジン回転数だけでなく、アクセル開度も検出するようにしており、これによりＮＯｘの排出量を正確に把握することができる。

本実施形態の排気浄化制御システム２５によれば、前記制御装置２４が、エンジン１の運転状況例えばアクセル開度およびエンジン回転数から基本反応剤噴射量Ｕｂを算出する工程Ｓ２と、前記エンジン１の運転状況例えばアクセル開度およびエンジン回転数のそれぞれの単位時間当たりの変化量から前記基本反応剤噴射量Ｕｂに対する補正量Ｎｃを算出する工程Ｓ４と、前記基本反応剤噴射量Ｕｂおよび前記補正量Ｎｃから目標尿素水噴射量を算出する工程Ｓ５とを実行するように構成されているため、正確な目標尿素水噴射量の尿素水をＳＣＲ触媒１３に供給することができ、過渡的運転状況でも浄化率の向上が図れ、従来の積算値制御の問題点である真値とのずれによる浄化率の悪化をなくすことができると共に、リセットを行う手間を省くことができる。

以上、本発明の実施の形態を図面により詳述してきたが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲での種々の設計変更が可能である。例えば、前記補正量は、前記演算式の代わりに、実験から三次元マップを作成して算出する方法であってもよい。排気通路にはＳＣＲ触媒以外の他の排ガス浄化装置例えばＤＯＣ（ディーゼル用酸化触媒）等も設けられていてもよい。

１エンジン（内燃機関）
６排気通路
１２尿素水（反応剤）
１３ＳＣＲ触媒（触媒）
２４制御装置
２５排気浄化制御システム
３０液体還元剤供給手段（反応剤供給手段）

Claims

内燃機関の排気通路に設けられ排気ガスを浄化する触媒と、該触媒よりも上流側に前記触媒の反応に必要な反応剤を供給する反応剤供給手段と、該反応剤供給手段による反応剤の供給量を制御する制御装置とを備えた内燃機関の排気浄化制御システムにおいて、前記制御装置が、内燃機関の運転状況から基本反応剤供給量を算出する工程と、前記内燃機関の運転状況であるエンジン回転数の変化量を用いて前記基本反応剤供給量に対する補正量を算出すると共に、前記エンジン回転数の増加量が大きいほど前記補正量が小さくなるように前記補正量を算出する工程と、前記基本反応剤供給量および前記補正量から目標反応剤供給量を算出する工程とを実行するように構成されていることを特徴とする内燃機関の排気浄化制御システム。
前記触媒が排気ガス中のＮＯｘを浄化するＳＣＲ触媒であり、前記反応剤が尿素水であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化制御システム。
前記補正量を、アクセル開度の変化量を用いて算出することを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の排気浄化制御システム。