CN102812215A - 发动机的排气净化装置 - Google Patents

Abstract

发动机的排气净化装置包含如下部分而构成：选择还原型NO_x催化剂；在NO_x催化剂的上游侧设置的氧化催化剂；向发动机的排气添加NO_x的还原剂的还原剂添加装置；控制还原剂添加装置的控制装置；以及对流入NO_x催化剂的排气的NO₂比率进行推定运算的NO₂比率运算装置。利用对氧化催化剂中的NO的氧化反应进行算式化而成的催化剂反应模型，算出流入NO_x催化剂的排气的NO₂比率，并且利用对NO_x催化剂中的与NO_x的还原相关的化学反应进行算式化而成的催化剂反应模型，反映NO₂比率，算出NO_x催化剂中的氨吸附量。

Description

发动机的排气净化装置

技术领域

本发明涉及将氨用作还原剂来净化排气中的氮氧化物(以下简称为“NO_x”。)的发动机的排气净化装置，详细地说，涉及利用数值模型对吸附于NO_x催化剂的催化剂层的氨的量进行推定计算，根据算出的氨吸附量来控制向NO_x催化剂供给的氨的量的技术。

背景技术

在将氨用作还原剂来净化从以柴油发动机为代表的稀薄燃烧发动机排出的NO_x的催化剂系统中，对在氨的产生源中用作其前体的尿素水溶液(以下称为“尿素水”。)进行了研究(特开2000-027627号公报等)，并已经实际应用。

在使用这样的尿素水的催化剂系统(以下称为“尿素SCR”。)中，在发动机的排气通道设置选择还原型NO_x催化剂(以下，简单地称为“NO_x催化剂”。)，而且在该NO_x催化剂的上游侧设置向排气喷射供给尿素水的还原剂添加装置。由还原剂添加装置向排气供给的尿素水中的尿素利用排气热发生加水分解而产生氨，该氨在NO_x催化剂的催化剂层上与排气中的NO_x进行反应，由此还原净化NO_x。

在此，根据发动机的运转状态，有时存在不与NO_x进行反应而通过NO_x催化剂的氨(以下，将该现象称为“氨逃逸”。)。对于氨逃逸，在国土交通省自动车交通局制定的技术方针(“尿素选择还原型催化剂系统的技术方针”)中是有规定的，不只是要减小向大气中的NO_x放出量，而且极力抑制氨逃逸在尿素SCR的实际应用上也变得重要。

在沸石类催化剂等一般采用的NO_x催化剂中，利用其吸附能力在低温时预先使氨吸附于催化剂层，由此增加了氨和NO_x的接触机会，使NO_x净化率提高。但是，如果尽管在低温时已经吸附了接近饱和状态的量的氨，仍不考虑该情况地继续供给尿素水，则超过与吸附能力对应的上限的量的氨不会吸附于催化剂层，而会直接通过NO_x催化剂。另一方面，如果在加速时等增负荷运转时不考虑氨吸附量地持续供给尿素水，则排气温度的上升会导致产生所吸附的氨的脱离，从而成为助长氨逃逸的结果。因此，在尿素SCR中需要考虑吸附于NO_x催化剂的氨的量(以下称为“氨吸附量”。)来供给尿素水。在此，关于考虑了氨吸附量的尿素SCR，存在如下技术。

根据发动机的NO_x排出量和与NO_x催化剂的温度对应的NO_x净化率，算出NO_x的还原所消耗的氨的量，将其从上次算出的氨保持量减去，将减去后剩余的量作为现在的氨保持量来算出(下述专利文献1)。并且，以算出的氨保持量收于规定范围内的方式控制氨类溶液的供给量。在此，在NO_x净化率的算出中，一般是使用事先通过实验等设定的映射图。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：特开2008-261253号公报(段落号0053、0054)

发明内容

发明要解决的问题

如此，上述专利文献1记载的技术是使用事先设定的映射图来算出NO_x催化剂的氨吸附量，而不是利用数值模型来对此进行推定计算。

用于解决问题的方案

本发明是设计对在NO_x催化剂的内部发生的还原化学反应进行算式化而成的催化剂反应模型，将其编入与还原剂添加相关的控制装置，由此能推定准确的氨吸附量，兼顾NO_x净化率的提高和氨逃逸的抑制。

在本发明的一个方式中，发动机的排气净化装置包含如下部分而构成：在发动机的排气通道中设置的选择还原型NO_x催化剂；对发动机的排气在NO_x催化剂的上游侧添加氨或者其前体的还原剂添加装置；以及算出针对NO_x催化剂的氨供给量，根据算出的氨供给量来控制还原剂添加装置的控制装置。在此，上述控制装置包含如下部分而构成：存储了对将吸附于NO_x催化剂的催化剂层的氨作为有效还原剂的与NO_x的还原相关的化学反应进行算式化而成的第1催化剂反应模型的第1存储部；从第1存储部取得第1催化剂反应模型，对将NO_x催化剂的内部以在其轴方向上成串的方式分割而成的多个单元分别利用取得的第1催化剂反应模型来算出氨吸附量的氨吸附量算出部；以及基于氨吸附量算出部算出的各单元的氨吸附量中的与发动机的运转状态对应的规定单元的氨吸附量，算出氨供给量的氨供给量算出部。

在其它方式中，本发明是对于在发动机的排气通道中在NO_x催化剂的上游侧设置的氧化催化剂，构筑对其内部的NO(一氧化氮)的氧化反应进行算式化而成的第2催化剂反应模型，利用第2催化剂反应模型对流入NO_x催化剂的排气的NO₂(二氧化氮)比率进行推定计算，且使其反映到氨供给量的算出，由此能算出与实际的运转状态相符合的氨供给量。在此，对NO₂比率进行推定计算的NO₂比率运算装置包含如下部分而构成：存储了第2催化剂反应模型的第2存储部；和从第2存储部取得第2催化剂反应模型，对将氧化催化剂的内部以在其轴方向上成串的方式分割而成的多个单元分别利用取得的第2催化剂反应模型来算出通过各单元的排气的NO₂比率，将对上述多个单元中的位于最下游侧的单元算出的NO₂比率作为流入NO_x催化剂的排气的NO₂比率来算出的NO₂比率算出部，控制装置基于NO₂比率运算装置算出的NO₂比率，算出针对NO_x催化剂的氨供给量。

在除此以外的其它方式中，发动机的排气净化装置包含如下部分而构成：在发动机的排气通道中设置的选择还原型NO_x催化剂；在排气通道中在NO_x催化剂的上游侧设置的氧化催化剂；对发动机的排气在NO_x催化剂的上游侧添加氨或者其前体的还原剂添加装置；对流入NO_x催化剂的排气的NO₂比率进行推定计算的NO₂比率运算装置；以及基于NO₂比率运算装置算出的NO₂比率来算出针对NO_x催化剂的氨供给量，根据算出的氨供给量来控制还原剂添加装置的控制装置。在此，NO₂比率运算装置包含如下部分而构成：存储了第2催化剂反应模型的第2存储部；和从第2存储部取得第2催化剂反应模型，对将氧化催化剂的内部以在其轴方向上成串的方式分割而成的多个单元分别利用第2催化剂反应模型来算出通过各单元的排气的NO₂比率，将对上述多个单元中的位于最下游侧的单元算出的NO₂比率作为流入NO_x催化剂的排气的NO₂比率来算出的NO₂比率算出部。

发明效果

根据本发明，将对在NO_x催化剂的内部发生的还原化学反应进行算式化而成的催化剂反应模型(第1催化剂反应模型)编入与还原剂添加相关的控制装置，利用第1催化剂反应模型来算出NO_x催化剂的氨吸附量，由此能不使用映射图地推定准确的氨吸附量。并且，基于利用第1催化剂反应模型算出的氨吸附量，算出针对NO_x催化剂的氨供给量，而且在氨供给量的算出中使用与发动机的运转状态对应的规定单元的氨吸附量，由此能设定考虑了氨吸附量的催化剂轴方向分布的适当的氨供给量，能够兼顾NO_x净化率的提高和氨逃逸的抑制。

而且，根据本发明，对在NO_x催化剂的上游侧设置的氧化催化剂，构筑对其内部的NO(一氧化氮)的氧化反应进行算式化而成的第2催化剂反应模型，利用第2催化剂反应模型对流入NO_x催化剂的排气的NO₂比率进行推定计算，且使其反映到对NO_x催化剂的氨供给量的算出，由此能算出与实际的运转状态相符合的更适当的氨供给量。

关于本发明的其它目的和特征，根据参照附图的以下说明会变得清楚。

作为优先权主张的基础的日本专利申请第2010-069326号的全部内容作为本申请的一部分被编入，在以下的说明中参照。

附图说明

[图1]第1实施方式的柴油发动机及其排气净化装置的构成图

[图2]第1实施方式的还原剂添加控制单元的构成图

[图3]第1实施方式的NO_x催化剂的氨吸附量推定部位(单元)的说明图

[图4]第1实施方式的催化剂反应模型(第1催化剂反应模型)的说明图

[图5]示出第1实施方式的还原剂添加控制的基本程序的流程的流程图

[图6]示出图5的基本程序中的尿素水喷射量算出处理(S 108)的内容的流程图

[图7]第1实施方式的与映射图控制相比较的效果的说明图(尿素水喷射量)

[图8]第1实施方式的与映射图控制相比较的效果的说明图(SCR出口气体浓度)

[图9]第1实施方式的与映射图控制相比较的效果的说明图(SCR出口NO_x累计值、SCR出口NH₃累计值、尿素水喷射量累计值)

[图10]第1实施方式的与映射图控制相比较的效果的说明图(NO_x净化率)

[图11]与氨吸附量推定部位对应的排气净化性能、以及氨逃逸量(Total/Max)和尿素水消耗量的比较说明图

[图12]本发明的第2实施方式的柴油发动机的排气净化装置的构成图

[图13]第2实施方式的还原剂添加控制单元的构成图

[图14]第2实施方式的氧化催化剂的NO₂比率运算部位(单元)的说明图

[图15]第2实施方式的催化剂反应模型(第2催化剂反应模型)的说明图

[图16]示出第2实施方式的还原剂添加控制的基本程序的流程的基本流程图

[图17]示出图16的基本程序中的尿素水喷射量算出处理(S 108)的内容的流程图

[图18]示出第2实施方式的排气净化装置的增负荷运转时的动作的一个例子的说明图

[图19]示出增负荷运转时的氨吸附量的轴方向分布的时效变化的一个例子的说明图

[图20]第2实施方式的与映射图控制相比较的效果的说明图(尿素水喷射量)

[图21]第2实施方式的与映射图控制相比较的效果的说明图(SCR出口气体浓度)

[图22]第2实施方式的与映射图控制相比较的效果的说明图(NO_x净化率、SCR出口NH₃累计值)

具体实施方式

以下参照附图来说明本发明的实施的方式。

图1是本发明的第1实施方式的柴油发动机(以下，简单地称为“发动机”。)1及其排气净化装置2的构成图。

本实施方式的排气净化装置2具备：安装于发动机1的排气管101的选择还原型NO_x催化剂201；和在该NO_x催化剂201的上游侧设置为能向排气供给尿素水的尿素水喷射器202(相当于“还原剂添加装置”。)，将以尿素水喷射器202向排气供给的尿素水作为产生源的氨用作还原剂来还原净化发动机1排出的NO_x。虽未图示，但在本实施方式中，在NO_x催化剂201的上游侧设置氧化催化剂，利用该氧化催化剂使排气中的NO的一部分转换为NO₂，来谋求流入NO_x催化剂201的排气中的一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO₂)的平衡。

在排气管101中的NO_x催化剂201的上游侧(在本实施方式中，为NO_x催化剂201和未图示的氧化催化剂之间)设置有NO_x传感器211、温度传感器212、压力传感器213以及氧传感器214，另一方面，在下游侧设置有压力传感器215。NO_x传感器211检测NO_x催化剂201上游的排气的NO_x浓度(以下称为“SCR上游NO_x浓度”。)，温度传感器212检测NO_x催化剂201上游的排气温度(以下称为“SCR上游排气温度”。)，压力传感器213检测NO_x催化剂201上游的排气压力(以下称为“SCR上游排气压力”。)。并且，氧传感器214输出与NO_x催化剂201上游的排气的氧浓度(以下称为“SCR上游氧浓度”。)对应的电信号。压力传感器215在NO_x催化剂201的下游侧装配于其外壳，检测NO_x催化剂201出口附近的压力(以下称为“SCR出口压力”。)。NO_x传感器211、温度传感器212、压力传感器213、氧传感器214以及压力传感器215的检测信号输入到下面叙述的还原剂添加控制单元301(相当于“控制装置”，以下简称为“ECU”。)。除上述以外，在本实施方式中，还设置运转状态传感器111和112，利用这些传感器111、112检测作为表示发动机1的运转状态的指标的燃料流量和发动机旋转速度，向ECU301输入。

ECU301基于输入的各种传感器输出来算出针对NO_x催化剂201的氨供给量，控制尿素水喷射器202。

图2利用框图示出了本实施方式的尿素水添加控制单元(ECU)301的构成。

在本实施方式中，将对在NO_x催化剂201的内部发生的还原化学反应进行算式化而成的催化剂反应模型(相当于“第1催化剂反应模型”，以下称为“SCR催化剂反应模型”。)编入氨吸附量算出部316，根据尿素水喷射量Q_urea和排气净化装置2的动作条件，利用该SCR催化剂反应模型来算出NO_x催化剂201的氨吸附量。

平均值算出部311算出ECU301所输入的各种传感器输出的移动平均值(例如，10点移动平均值)。由此，缓和传感器输出的每时每刻的偏差给予氨吸附量的算出的影响。

尿素当量比算出部312和氨目标吸附量算出部313基于平均值算出部311算出的SCR上游NO_x浓度的平均值NOX_SCRin和SCR上游排气温度的平均值T_SCRin、以及NO_x催化剂201的空间速度GHSV，根据事先存储的响应曲面(Response Surface)算出尿素当量比

和氨目标吸附量S_{NH3_threshold}。在本实施方式中，在尿素当量比和氨目标吸附量的各响应曲面的设定中，使流入NO_x催化剂201的排气中的NO₂和NO的比率(摩尔比率)近似于1∶1。空间速度(各气体的空间速度)GHSV由空间速度算出部314算出，空间速度算出部314基于发动机1的运转状态(在本实施方式中，为燃料流量Qf和发动机旋转速度Ne)，算出空间速度GHSV。

尿素水喷射量算出部315基于尿素当量比算出部312和氨目标吸附量算出部313算出的尿素当量比

和氨目标吸附量S_{NH3_threshold}、下面叙述的氨吸附量算出部316算出的氨吸附量S_{NH3_i}(在本实施方式中，为后面叙述的S_{NH3_center})、以及SCR上游NO_x浓度NOX_SCRin和空间速度GHSV，算出尿素水喷射量Q_urea。尿素水喷射量Q_urea输出到氨吸附量算出部316，另一方面，被变换为对尿素水喷射器202的控制指令信号，输出到尿素水喷射器202的未图示的驱动单元。

氨吸附量算出部316基于尿素水喷射量算出部315算出的尿素水喷射量Q_urea、催化剂温度算出部317算出的NO_x催化剂201的催化剂层的温度Temp以及各种传感器输出，利用SCR催化剂反应模型来算出各单元的氨吸附量S_{NH3_i}。在本实施方式中，SCR催化剂反应模型存储于能以非易失性存储器(例如，闪存)等方式实现的存储部316a，在还原剂添加控制时由氨吸附量算出部316从存储部316a读出。算出的氨吸附量S_{NH3_i}中的与发动机1的运转状态对应的规定单元的氨吸附量S_{NH3_i}(在本实施方式中，为S_{NH3_center})输入到尿素水喷射量算出部315，在尿素水喷射量Q_urea的算出中使用。

在本实施方式中，尿素当量比算出部312、氨目标吸附量算出部313以及尿素水喷射量算出部315相当于“氨供给量算出部”，氨吸附量算出部316相当于“氨吸附量算出部”，存储部316a相当于“第1存储部”。

在此，说明本实施方式的催化剂反应模型。

在本实施方式中，设计对将吸附于NO_x催化剂201的催化剂层的氨(以下，特别称为“吸附氨”。)作为有效还原剂的NO_x的还原相关的一系列的化学反应进行算式化而成的催化剂反应模型(SCR催化剂反应模型)。所谓有效还原剂，是指将实际上有助于NO_x的还原的还原剂，将吸附于催化剂层的吸附部位或者活性点σ的状态的氨特别用化学记号σNH₃来表示。该吸附氨σNH₃是本实施方式的有效还原剂。以下示出在本实施方式中考虑的化学反应。NO_x的还原化学反应包括：氨的加水分解；氨的吸附和脱离；将吸附氨作为有效还原剂的NO_x的还原；以及吸附氨的氧化。

[算式1]

(NH₂)₂CO+H₂O →2NH₃+CO₂

NO+NO₂+2σNH₃→2N₂+3H₂O+2σ

4σNH₃+3O₂→2N₂+6H₂O+4σ

在本实施方式中，如图3所示，将NO_x催化剂201的内部分割为在催化剂轴方向上成串的多个单元(单元1～5)，对这些单元1～5分别使用SCR催化剂反应模型来算出氨吸附量S_{NH3_i}(i＝1～5)。并且，选择算出的5处的氨吸附量S_{NH3_i}中的与发动机1的运转状态对应的规定单元的氨吸附量，使其反映到尿素水喷射量Q_urea的算出。每1单元的氨吸附量S_{NH3_i}示出NO_x催化剂201的氨吸附率(或者覆盖率)。在本实施方式中，后面叙述的增负荷运转时的氨吸附量S_{NH3_i}采用位于NO_x催化剂201的轴方向中央部的单元3的氨吸附量S_{NH3_center}。

图4是SCR催化剂反应模型的说明图，该图(A)和(B)根据图中轴方向(z方向)的近似一维流动分别示出了对各单元考虑的质量平衡和能量平衡。下式(1)表示与NO_x的还原相关的化学物种X_i在气相中的质量平衡，下式(2)表示化学物种X_i在催化剂层中的质量平衡。下式(3)表示气相的能量平衡，下式(4)表示催化剂层的能量平衡。式中[X_i]_gas、[X_i]_cat分别表示化学物种X_i在气相或者催化剂层中的浓度。

[算式2]

$\frac{\∂{\left[X_i\right]}_{\mathrm{gas}}}{\∂t}+\frac{\∂u{\left[X_i\right]}_{\mathrm{gas}}}{\∂z}=h_i({\left[X_i\right]}_{\mathrm{cat}}-{\left[X_i\right]}_{\mathrm{gas}}){\mathrm{Sv}}_{\mathrm{gas}}\·\·\·\left(1\right)$

[算式3]

$\frac{\∂{\left[X_i\right]}_{\mathrm{cat}}}{\∂t}=-h_i({\left[X_i\right]}_{\mathrm{cat}}-{\left[X_i\right]}_{\mathrm{gas}}){\mathrm{Sv}}_{\mathrm{cat}}+\mathrm{\Σ}{\mathrm{\υ}}_{k,i}{k}_i\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Π}}}{\left[X_k\right]}_{\mathrm{cat}}^{{\mathrm{\α}}_{k,i}}\·\·\·\left(2\right)$

[算式4]

$\frac{\∂\left({\mathrm{\ρ}}_g{c}_g{T}_g\right)}{\∂t}+\frac{\∂\left({\mathrm{\ρ}}_g{\mathrm{uc}}_g{T}_g\right)}{\∂z}=\mathrm{\α}{\mathrm{Sv}}_{\mathrm{gas}}(T_c-T_g)\·\·\·\left(3\right)$

[算式5]

$\frac{\∂\left({\mathrm{\ρ}}_c{c}_c{T}_c\right)}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂z}\left({\mathrm{\λ}}_c\frac{\∂}{\∂z}{T}_c\right)-\mathrm{\α}{\mathrm{Sv}}_{\mathrm{gas}}(T_c-T_g)\·\·\·\left(4\right)$

式(1)的左边第2项是化学物种X_i的对流项(Convection)，式(1)的右边和式(2)的右边第1项是在气相和催化剂层之间的化学物种X_i的质量移动项(Mass transfer)。h_i表示物质移动系数，由下式(5)算出。Sv表示比表面积。式(2)的右边第2项是在催化剂层中的反应项(Reactions)，υ_k，i和α_k，i分别表示化学反应式k中的化学物种i的生成侧和消耗侧的化学计量比的差、反应次数。k_i是由下式(6)表示的化学物种i的反应速度常数。

h_i＝Sh_i×D_i/dp      …(5)

k_i＝Aexp{-E_a/(RT)}  …(6)

在此，式(5)的Sh_i是舍伍德(Sherwood)数，D_i是化学物种i的扩散系数，dp是水力直径。扩散系数D_i由斯莱特里-伯德(Slattery-Bird)公式算出。式(6)的A是反应频度因子，E_a是活性化能量，R和T分别是气体常数和温度。

式(3)的左边第2项是对流项(Convection)，式(3)的右边和式(4)的右边第2项是热移动项(Heat transfer)。式(4)的右边第1项是热传输项(Conduction)。u表示流速，α、ρ、c、T、λ分别表示热传输率、密度、比热、温度以及(催化剂层的)热传导率。下标g、c分别表示气相和催化剂层。

本实施方式的催化剂反应模型能够在MATLAB/Simulink上构筑。

图5是示出本实施方式的还原剂添加控制的基本程序的流程的流程图，图6详细地示出图5的基本程序中的尿素水喷射量算出处理(S108)的内容。

在S101中，读入SCR上游NO_x浓度NOX_SCRin等各种传感器输出。

在S102中，算出读入的传感器输出的10点移动平均值。

在S103中，基于发动机1的运转状态，算出NO_x催化剂201的空间速度GHSV。

在S104中，计算质量平衡式和能量平衡式的系数。在本实施方式中，将质量平衡式(2)的反应速度常数k_i作为对象，在NO_x催化剂201的催化剂层的温度高的条件下将系数k_i变更为较大的值。

在S105中，算出各单元的气相和催化剂层的温度。在本实施方式中，基于SCR催化剂反应模型的能量平衡式(3)和(4)，使用Simulink库的连续积分器来算出这些温度。作为更简易的方法，在NO_x催化剂201的上游侧和下游侧分别具备温度传感器的情况下，也能利用传感器输出的线性插值来算出。在此，能够使气相的温度和催化剂层的温度近似相等。

在S106中，从响应曲面算出尿素当量比

在本实施方式中，在S106和接下来的S107的处理中，使流入NO_x催化剂201的排气中的NO₂和NO的比率为1∶1。

在S107中，从响应曲面算出氨目标吸附量S_{NH3_threshold}。

在S108中，根据尿素当量比

氨目标吸附量S_{NH3_threshold}以及氨吸附量S_{NH3_center}，算出尿素水喷射量Q_urea。

在S109中，利用SCR催化剂反应模型来算出各单元的氨吸附量S_{NH3_i}，选择与发动机1的运转状态对应的规定单元的氨吸附量。在本实施方式中，选择对单元1～5中的位于NO_x催化剂201的轴方向中央部的单元3算出的氨吸附量S_{NH3_center}。

在图6中，在S201中判断是否处于发动机1的增负荷运转时。在处于增负荷运转时的情况下，进入S202，在不处于增负荷运转时的情况下，进入S205。

在S202中，判断SCR上游排气温度T_SCRin是否低于规定温度Xdeg.C。在低于规定温度Xdeg.C的情况下，进入S203，在其它情况下，进入S205。

在S203中，判断氨吸附量S_{NH3_center}是否超过了氨目标吸附量S_{NH3_threshold}。在超过了氨目标吸附量S_{NH3_threshold}的情况下，进入S204，在其它情况下，进入S205。

在S204中，停止尿素水喷射器202所进行的尿素水的供给。

在S205中，驱动尿素水喷射器202，向排气供给尿素水。在本实施方式中，对SCR上游NO_x浓度NOX_SCRin，以成为在S106中算出的尿素当量比

的方式设定尿素水喷射量Q_urea。

图7～10是示出本实施方式的发动机的排气净化装置2的作用和效果的说明图，将本实施方式的还原剂添加控制(以下，特别称为“基于模型的控制”。)与在NO_x排出量的算出中使用了映射图的例子(以下，特别称为“映射图控制”。)比较来示出。

在比较实验中，均使用排气量为9.2升、TCI(涡轮增压中冷)柴油发动机，在

(直径)为10.5×L(长度)为4英寸的NO_x催化剂201的上游侧设置

为10.5×L6英寸的氧化催化剂，并且在NO_x催化剂201的下游侧设置了排压形成用的假(Dummy)催化剂(

为10.5×L4英寸)。并且，按状态A：旋转速度80％和负荷40％、状态B：旋转速度80％和负荷60％、状态C：旋转速度40％和负荷60％的顺序使发动机的运转状态变化，取得了在使排气温度阶段性地上升的情况下(图7)的各评价参数的变化。在映射图控制中，根据发动机的运转状态参照映射图来算出发动机的NO_x排出量，将与此对应的量的尿素水供给到排气。

图7对基于模型的控制和映射图控制分别示出了尿素水喷射量。在基于模型的控制中，排气温度上升，但NO_x排出量减小，在较低的温度下的增负荷运转时(以下称为“低温增负荷时”。)，暂时停止尿素水的供给。

图8对基于模型的控制(图8的下段)和映射图控制(该图的上段)分别示出了在NO_x催化剂201的出口附近的NO_x和氨的各浓度。在利用映射图控制的情况下，在低温增负荷时也继续供给尿素水，因此对NO_x催化剂201供给过量的氨，而发生氨逃逸。1000s紧后出现的氨浓度的峰值示出了氨逃逸的发生。对此，在基于模型的控制中，在低温增负荷时停止尿素水的供给(图7)，由此能够抑制氨的过量供给导致的氨逃逸。在本实施方式中，在低温增负荷时从发动机1排出的NO_x会被吸附于催化剂层的氨还原。

图9对基于模型的控制和映射图控制分别示出了在NO_x催化剂201的出口附近的NO_x累计值和氨累计值、以及尿素水喷射量累计值。在基于模型的控制中，如已经叙述的那样抑制氨的过量供给，因此与利用映射图控制的情况相比，能够大幅减小在催化剂出口附近的氨累计值，削减尿素水喷射量。

图10对基于模型的控制和映射图控制分别示出了由NO_x催化剂201得到的NO_x净化率。解析该图所示的NO_x净化率的结果是，判明了在基于模型的控制中，相对于利用映射图控制的情况，模式中的NO_x净化率提高了大约3％。这意味着，根据基于模型的控制，不只是抑制氨逃逸，还能不伴有NO_x净化率的恶化地实现这一点。

图11对使氨吸附量S_{NH3_i}的选择对象为前面侧的单元1(A)、中央部的单元3(B)以及背面侧的单元5(C)的情况分别示出了在以与上一比较实验同样的条件运转发动机的情况下的NO_x净化率、全部氨逃逸量、尿素水消耗量以及最大氨逃逸量。可知，通过这样选择中央部的单元3作为低温增负荷时的选择对象，虽然在尿素水消耗量上与背面侧的单元5的情况相当，但在其它评价参数上得到良好的结果。

在以上的说明中，在NO_x催化剂201的上游侧设置了温度传感器212，将其检测的SCR上游排气温度视为NO_x催化剂201的入口温度。不依赖于这样的近似，而考虑从温度传感器212的位置(排气温度的测定点)至NO_x催化剂201的入口端面为止的经由排气管101的散热，由此也能够以更高的精度来进行利用SCR催化剂反应模型的吸附量推定。下式(7)和(8)表示该情况下的散热模型，由此，算出比温度测定点向下游侧偏离了距离L的催化剂入口端面的排气温度。下式(7)表示气相的能量平衡，下式(8)表示排气管101的能量平衡。

$\∂\left({\mathrm{\ρ}}_g{c}_g{V}_g{T}_g\right)/\∂t+\∂\left({\mathrm{\ρ}}_g{\mathrm{uc}}_g{V}_g{T}_g\right)/\∂z={\mathrm{\α}}_{\mathrm{gp}}{A}_g(T_p-T_g)\·\·\·\left(7\right)$

$\∂\left({\mathrm{\ρ}}_p{c}_p{V}_p{T}_p\right)/\∂t={\mathrm{\α}}_{\mathrm{gp}}{A}_g(T_p-T_g)+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{pa}}{A}_p(T_a-T_p)\·\·\·\left(8\right)$

α_gp＝Nuλ/D₁

Nu＝0.0027Re^0.8Pr^0.4

Re＝uD₁/μ

Pr＝μ(ρ_gc_g/λ_g)

A_g＝π(D₁/4)L

A_p＝π(D₂/4)L

α_gp：排气和排气管之间的热传输率

α_pa：排气管和外部气体之间的热传输率

Nu：努塞尔(Nusselt)数

Re：雷诺(Reynolds)数

Pr：普朗特(Prandtl)数

λ：排气管的热传导率

λ_g：气相的热传导率

μ：气体的粘性

u：流速

ρ：密度

c：比热

V：体积

T：温度

D₁、D₂：排气管的内径和外径

下标g、p、a分别表示气相、排气管101以及外部气体。

以下说明本发明的其它实施方式。

图12是本发明的第2实施方式的柴油发动机的排气净化装置2的构成图。在以下的说明中，对NO_x催化剂201等与第1实施方式同样的构成要素附上与图1相同的附图标记，省略重复的说明。

在本实施方式中，在发动机1的排气管101中的NO_x催化剂201的上游侧安装有氧化催化剂203，在NO_x催化剂201和该氧化催化剂203之间配置有尿素水喷射器(相当于“还原剂添加装置”。)202。在利用氧化催化剂203使排气中的NO(一氧化氮)的一部分转换为NO₂(二氧化氮)，来谋求流入NO_x催化剂201的排气中的NO和NO₂的平衡这一点上，与第1实施方式是同样的。在本实施方式中，如后所述，构筑对氧化催化剂203中的NO的氧化反应进行算式化而成的催化剂反应模型(相当于“第2催化剂反应模型”，以下称为“DOC催化剂反应模型”。)，使用该DOC催化剂反应模型对流入NO_x催化剂201的排气的NO₂比率进行推定计算，使其反映到对NO_x催化剂201的氨供给量(尿素水喷射量Q_urea)的计算。

而且，在本实施方式中，在氧化催化剂203的上游侧设置有NO_x传感器211、温度传感器212、压力传感器213以及氧传感器214，并且在NO_x催化剂201的下游侧设置有压力传感器215。在本实施方式中，NO_x传感器211检测氧化催化剂203上游的排气的NO_x浓度(以下称为“DOC入口NO_x浓度”。)，温度传感器212检测氧化催化剂203上游的排气温度(以下称为“DOC入口排气温度”。)，压力传感器213检测氧化催化剂203上游的排气压力(以下称为“DOC入口排气压力”。)，氧传感器214检测氧化催化剂203上游的排气的氧浓度(以下称为“DOC入口氧浓度”。)。压力传感器215在NO_x催化剂201的下游侧装配于其外壳，检测NO_x催化剂201出口附近的压力(SCR出口压力)。NO_x传感器211、温度传感器212、压力传感器213、氧传感器214和压力传感器215的检测信号、以及运转状态传感器111和112检测的燃料流量和发动机旋转速度输入到还原剂添加控制单元(在本实施方式中兼有作为“NO₂比率运算装置”和“控制装置”的功能，以下简称为“ECU”。)301。

ECU301基于输入的各种传感器输出来算出对NO_x催化剂201的氨供给量，控制尿素水喷射器202。

图13利用框图示出了本实施方式的尿素水添加控制单元(ECU)301的构成。

在本实施方式中，除了与第1实施方式同样地利用SCR催化剂反应模型来算出NO_x催化剂201的氨吸附量S_{NH3_i}以外，还将对氧化催化剂203中的NO的氧化反应进行算式化而成的催化剂反应模型(DOC催化剂反应模型)编入控制装置301(NO₂比率算出部411)，基于排气净化装置2的动作条件，利用该DOC催化剂反应模型对流入NO_x催化剂201的排气的NO₂比率RNO2_SCRin进行推定计算。算出的NO₂比率RNO2_SCRin输入到尿素当量比算出部312和氨目标吸附量算出部313，反映到使用了响应曲面的尿素当量比

和氨目标吸附量S_{NH3_threshold}的算出。在本实施方式中，将排气中的全部NO_x中的NO₂的摩尔比率作为“NO₂比率”。

NO₂比率算出部411基于平均值算出部311算出的DOC入口NO_x浓度的平均值

DOC入口排气温度的平均值T_DOCin、DOC入口排气压力的平均值P_DOCin、DOC入口氧浓度的平均值O2_DOCin以及SCR出口压力的平均值P_SCRout，利用DOC催化剂反应模型来算出通过了氧化催化剂203的排气的NO₂比率。在本实施方式中，DOC催化剂反应模型存储于能以非易失性存储器(例如，闪存)等方式实现的存储部411a，在还原剂添加控制时由NO₂比率算出部411从存储部411a读出。

尿素当量比算出部312和氨目标吸附量算出部313基于NO₂比率算出部411算出的NO₂比率RNO2_SCRin、氧化催化剂203下游的NO_x浓度(SCR上游NO_x浓度)NOX_SCRin和排气温度(SCR上游排气温度)T_SCRin、以及NO_x催化剂201的空间速度GHSV，从事先存储的响应曲面算出尿素当量比

和氨目标吸附量S_{NH3_threshold}。在本实施方式中，与第1实施方式不同，在尿素当量比和氨目标吸附量的各响应曲面的函数中设定有关于NO₂比率的项。

尿素水喷射量算出部315基于尿素当量比算出部312和氨目标吸附量算出部313算出的尿素当量比

和氨目标吸附量S_{NH3_threshold}、氨吸附量算出部316算出的氨吸附量S_{NH3_i}、SCR上游NO_x浓度NOX_SCRin和空间速度GHSV以及氨吸附量算出部316如后所述地算出的氨逃逸量NH3slip和NO_x净化率NOXconv，算出尿素水喷射量Q_urea。尿素水喷射量Q_urea输出到氨吸附量算出部316，另一方面，被变换为对尿素水喷射器202的控制指令信号，输出到尿素水喷射器202的驱动单元。

氨吸附量算出部316从存储部316a取得SCR催化剂反应模型，并且基于尿素水喷射量算出部315算出的尿素水喷射量Q_urea、催化剂温度算出部317算出的NO_x催化剂201的催化剂层的温度Temp以及各种传感器输出，利用取得的SCR催化剂反应模型来算出各单元的氨吸附量S_{NH3_i}。与第1实施方式同样，算出的氨吸附量S_{NH3_i}中的与发动机1的运转状态对应的规定单元的氨吸附量S_{NH3_i}(在本实施方式中，为S_{NH3_center})输入到尿素水喷射量算出部315，在尿素水喷射量Q_urea的算出中使用。而且，在本实施方式中，除了氨吸附量S_{NH3_i}以外，氨逃逸量NH3slip和NO_x净化率NOXconv也输出到尿素水喷射量算出部315，与氨吸附量S_{NH3_i}一同在尿素水喷射量Q_urea的算出中使用。氨逃逸量NH3slip作为从NO_x催化剂201流出的氨的量(例如，摩尔数)，NO_x净化率NOXconv例如作为NO_x催化剂201中的还原净化量相对于流入NO_x催化剂201的NO_x的量的比例，均能够根据氨吸附量S_{NH3_i}的推算结果来算出。

在本实施方式中，NO₂比率算出部411相当于“NO₂比率算出部”，存储部411a相当于“第2存储部”，尿素当量比算出部312、氨目标吸附量算出部313以及尿素水喷射量算出部315相当于“氨供给量算出部”，氨吸附量算出部316相当于“氨吸附量算出部”，存储部316a相当于“第1存储部”。

在此，说明DOC催化剂反应模型。

在本实施方式中，构筑对氧化催化剂203中的NO的氧化反应进行算式化而成的催化剂反应模型(DOC催化剂反应模型)。氧化催化剂203中的NO的氧化反应包括以下所示的一系列的化学反应，在各反应式中，对化学物种的分子记号附上σ来示出吸附于催化剂层的吸附部位或者活性点σ的状态(例如，对于吸附的NO，为σNO)。

[算式6]

而且，在本实施方式中，如图14所示，将氧化催化剂203的内部分割为在催化剂轴方向上成串的多个单元(在本实施方式中，为单元1～5)，对分别通过这些单元1～5的排气，使用DOC催化剂反应模型来算出NO₂比率RNO2_i(i＝1～5)。并且，将对位于最下游侧的单元5算出的NO₂比率RNO2₅作为流入NO_x催化剂201的排气的NO₂比率RNO2_SCRin而输出到尿素当量比算出部312和氨目标吸附量算出部313，使其反映到尿素当量比

和氨目标吸附量S_{NH3_threshold}的算出。

图15是DOC催化剂反应模型的说明图，该图(A)和(B)根据图中轴方向(z方向)的近似一维流动分别示出了对各单元考虑的质量平衡和能量平衡。下式(5)表示与氧化催化剂203中的氧化反应相关的化学物种X_i在气相中的质量平衡，下式(6)表示化学物种X_i在催化剂层中的质量平衡。下式(7)表示气相的能量平衡，下式(8)表示催化剂层的能量平衡。式中[X_i]_gas、[X_i]_cat分别表示化学物种X_i在气相或者催化剂层中的浓度。

[算式7]

$\frac{\∂{\left[X_i\right]}_{\mathrm{gas}}}{\∂t}+\frac{\∂u{\left[X_i\right]}_{\mathrm{gas}}}{\∂z}=h_i({\left[X_i\right]}_{\mathrm{cat}}-{\left[X_i\right]}_{\mathrm{gas}}){\mathrm{Sv}}_{\mathrm{gas}}\·\·\·\left(5\right)$

[算式8]

$\frac{\∂{\left[X_i\right]}_{\mathrm{cat}}}{\∂t}=-h_i({\left[X_i\right]}_{\mathrm{cat}}-{\left[X_i\right]}_{\mathrm{gas}}){\mathrm{Sv}}_{\mathrm{cat}}+\mathrm{\Σ}{\mathrm{\υ}}_{k,i}{k}_i\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Π}}}{\left[X_k\right]}_{\mathrm{cat}}^{{\mathrm{\α}}_{k,i}}\·\·\·\left(6\right)$

[算式9]

$\frac{\∂\left({\mathrm{\ρ}}_g{c}_g{T}_g\right)}{\∂t}+\frac{\∂\left({\mathrm{\ρ}}_g{\mathrm{uc}}_g{T}_g\right)}{\∂z}=\mathrm{\α}{\mathrm{Sv}}_{\mathrm{gas}}(T_c-T_g)\·\·\·\left(7\right)$

[算式10]

$\frac{\∂\left({\mathrm{\ρ}}_c{c}_c{T}_c\right)}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂z}\left({\mathrm{\λ}}_c\frac{\∂}{\∂z}{T}_c\right)-\mathrm{\α}{\mathrm{Sv}}_{\mathrm{gas}}(T_c-T_g)\·\·\·\left(8\right)$

式(5)～(8)的各项的意义和式中的变量与关于SCR催化剂反应模型的式(1)～(4)是同样的，DOC催化剂反应模型能够在MATLAB/Simulink上构筑。

在本实施方式中采用的SCR催化剂反应模型的算式与第1实施方式中的式(1)～(4)是同样的，但在本实施方式中，对应于能推算流入NO_x催化剂201的排气的NO₂比率RNO2_SCRin这一点，除了作为与NO_x的还原相关的化学反应而在第1实施方式中考虑的上述4个反应以外，还考虑由下面的3式表示的反应。由此，在氨吸附量S_{NH3_i}的计算中，能再现与NO₂相对于NO的实际比率对应的反应量的变化。

[算式11]

4NO+O₂+4σNH₃→4N₂+6H₂O

6NO₂+8σNH₃→7N₂+12H₂O

而且，此外，也能考虑下面的6式中的任意1个、或者任意的组合、或者全部。

[算式12]

(NH₂)₂CO→NH₃+HNCO

HNCO+H₂O→NH₃+CO₂

2NO₂+2σNH₃→N₂O+N₂+3H₂O

3N₂O+2σNH₃→4N₂+3H₂O

2NO+2σNO₂+4σNH₃→4N₂+6H₂O

图16是示出本实施方式的还原剂添加控制的基本程序的流程的流程图，图17是详细地示出图16的基本程序中的尿素水喷射量算出处理(S108)的内容。

在S101中，读入DOC入口NO_x浓度NOX_DOCin等各种传感器输出。

在S102中，算出读入的传感器输出的10点移动平均值。

在S111中，算出SCR入口NO₂比率RNO2_SCRin。在本实施方式中，利用DOC催化剂反应模型来算出通过各单元1～5(图14)的排气的NO₂比率，将对单元1～5中的位于最下游侧的单元5算出的NO₂比率作为SCR入口NO₂比率RNO2_SCRin。

在S103中，基于发动机1的运转状态，算出NO_x催化剂201的空间速度GHSV。

在S104中，计算质量平衡式和能量平衡式的系数k_i。

在S105中，算出各单元1～5的气相和催化剂层的温度。这些温度能基于DOC催化剂反应模型的能量平衡式(7)和(8)，使用Simulink库的连续积分器来算出。在除了具备温度传感器212以外，还在氧化催化剂203的下游侧具备温度传感器的情况下，也可以利用传感器输出的线性插值来算出。在此，能够使气相的温度和催化剂层的温度近似相等。

在S106中，从响应曲面算出尿素当量比

在本实施方式中，在响应曲面的函数中设定有关于NO₂比率的项，在S106和下面叙述的S107的处理中，应用在S111中算出的NO₂比率(SCR入口NO₂比率RNO2_SCRin)。

在S107中，从响应曲面算出氨目标吸附量S_{NH3_threshold}。在S108中，根据尿素当量比

氨目标吸附量S_{NH3_threshold}、氨吸附量S_{NH3_center}、氨逃逸量NH3slip以及NO_x净化率NOXconv，算出尿素水喷射量Q_urea。

在S112中，利用SCR催化剂反应模型来算出各单元1～5的氨吸附量S_{NH3_i}，选择与发动机1的运转状态对应的规定单元(在本实施方式中，为图3所示的轴方向中央部的单元3)的氨吸附量S_{NH3_center}。而且，在本实施方式中，算出氨逃逸量NH3slip和NO_x净化率NOXconv。

在图17中，在S201中判断是否处于发动机1的增负荷运转时。在处于增负荷运转时的情况下，进入S211，在不处于增负荷运转时的情况下，进入S205。

在S211中，判断氨逃逸量NH3slip是否减小了。在本实施方式中，算出氨逃逸量NH3slip的每单位时间的变化量(＝d(NH3slip)/dt)，判断其是否小于0，但也可以简易地判断当前时刻的氨逃逸量NH3slip是否比规定时间前的氨逃逸量(例如，上次的控制执行时的氨逃逸量NH3slip_n-1)减小了。氨逃逸量NH3slip会有偏差，在单纯的2个时刻间难以比较的情况下，作为各时刻的氨逃逸量NH3slip_t1、NH3slip_t2，也可以分别采用在时刻t1、t2的移动平均值(例如，单纯移动平均值)。例如，判断将分别在相继的2个时刻t1、t2的氨逃逸量的移动平均值的差(＝NH3slip_t2-NH3slip_t1)除以时间Δt(＝t2-t1)而得的值是否小于0。在S211的处理中，在氨逃逸量NH3slip减小了的情况下，进入S212，在其它情况下，进入S213。

在S212中，判断NO_x净化率NOXconv是否降低了。与S211同样，可以判断NO_x净化率NOXconv的每单位时间的变化量(＝d(NOXconv)/dt)是否小于0，为了简单，也可以判断当前时刻的NO_x净化率NOXconv是否比规定时间前的NO_x净化率(例如，上次的控制执行时的NO_x净化率NOXconv_n-1)降低了。在降低了的情况下，进入S205，在其它情况下，进入S213。与上述同样，能够优选采用NO_x净化率的移动平均值。

如此，在本实施方式中，在增负荷运转时停止对排气的尿素水的供给后(S204)，在检测出S211和212的处理使得氨逃逸量NH3slip和NO_x净化率NOXconv均减小或者降低了的情况下，使处理进入S205，重新开始尿素水的供给。由此，能抑制氨逃逸量的增大，并且避免NO_x净化率的过度降低。

在S213中，判断在NO_x催化剂201中位于上游侧的单元(在本实施方式中，为单元1和2)的氨吸附量的总计值(标记为“氨吸附量S_{NH3_1st+2nd}”。)是否小于规定的值A。在小于的情况下，进入S214，在其它情况下，进入S203。

在S214中，判断在NO_x催化剂201中位于上游侧的单元(在本实施方式中，为单元1和2)的氨吸附量的总计值S_{NH3_1st+2nd}是否大于位于下游侧的单元(在本实施方式中，为单元4和5)的氨吸附量的总计值(标记为“氨吸附量S_{NH3_4th+5th}”。)。在大于的情况下，进入S205，在其它情况下，进入S203。

在S203中，判断氨吸附量S_{NH3_center}是否超过了氨目标吸附量S_{NH3_threshold}。在超过了氨目标吸附量S_{NH3_threshold}的情况下，进入S204，在其它情况下，进入S205。

在S204中，停止尿素水喷射器202所进行的尿素水的供给。

在S205中，驱动尿素水喷射器202，向排气供给尿素水。与第1实施方式同样，对SCR上游NO_x浓度NOX_SCRin，以成为在S 106中算出的尿素当量比的方式，设定尿素水喷射量Q_urea。

在此，参照图18和19来说明图17所示的S213和214的处理。

图18示出了本实施方式的排气净化装置2在发动机1的增负荷运转时的动作，图19与图18所示的时刻t1～t5对应地示出了增负荷运转时的氨吸附量的轴方向分布的时效变化。

如图18所示，在发动机1的增负荷运转时，随着排气温度(SCR入口气体温度T_SCRin)的上升，氨逃逸量增大。可以认为这是由于温度上升导致吸附氨从催化剂层的脱离变得活跃所致。在本实施方式中，在NO_x催化剂201中的NO_x的还原净化变得活跃的高温条件下积极地进行尿素水的供给，但特别在氨逃逸急剧发生的期间(图18所示的时刻t1～t4的期间)，停止尿素水喷射器202所进行的尿素水的供给，防止过量的尿素水的供给。

在此，根据图19可知，相对于排气温度的上升，NO_x催化剂201中的吸附氨的分布从入口侧偏在型(入口侧吸附，时刻t1～t2)向出口侧偏在型(出口侧吸附，时刻t3～t4)过渡，在该分布形态的过渡期间(t1～t4)氨逃逸的发生变得急剧。因此，作为使尿素水的供给重新开始时的1个条件，需要考虑吸附氨的分布是入口侧偏在型这一点(例如，图17的S_{NH3_1st+2nd}＞S_{NH3_4th+5th})。在此，在增负荷运转开始紧后的时刻t1～t2的期间也考虑分布形态是入口侧偏在型这一点(例如，图17的S_{NH3_1st+2nd}＜A)。

如此，根据S213和214的处理，能够停止相对于温度上升而氨逃逸的发生变得急剧的期间中的尿素水的供给，抑制过量的尿素水的供给导致的氨逃逸量的增大。特别是，在本实施方式中，与仅监视排气温度的上升来判断尿素水供给的停止和重新开始的情况相比，能防止频繁的切换带来的NO_x净化率的恶化，并且还能应对排气温度急速上升的情况。例如，在图19所示的时刻t2，尽管温度上升导致氨逃逸急剧发生(氨逃逸量逐渐增大)，吸附氨的分布仍维持入口侧偏在型。这是由于，在分布形态从入口侧偏在型向出口侧偏在型的过渡中存在相对于温度上升的延迟。在仅利用温度的判断中，急速的温度上升会导致在时刻t2使尿素水的供给重新开始，但在本实施方式中，能够避免会反而助长这样的氨逃逸的判断。

图20～22是示出本实施方式的发动机的排气净化装置2的作用和效果的说明图，将本实施方式的还原剂添加控制(基于模型的控制)与在NO_x排出量的算出中使用了映射图的例子(映射图控制)比较来示出。

在比较实验中，与第1实施方式同样，使用排气量为9.2升、TCI(涡轮增压中冷)柴油发动机，在

(直径)为10.5×L(长度)为4英寸的NO_x催化剂201的上游侧设置有为10.5×L6英寸的氧化催化剂，并且在NO_x催化剂201的下游侧设置有排压形成用的假催化剂(

为10.5×L4英寸)。并且，取得了按状态A：旋转速度80％和负荷40％、状态B：旋转速度80％和负荷60％、状态C：旋转速度40％和负荷60％的顺序使发动机的运转状态变化，使排气温度阶段性地上升的情况下(图20)的各评价参数的变化。在映射图控制中，根据发动机的运转状态参照映射图来算出发动机的NO_x排出量，将与此对应的量的尿素水供给到排气。

图20对基于模型的控制和映射图控制分别示出了相对于运转状态的推移，DOC入口NO_x浓度、排气温度(DOC入口排气温度、SCR出口排气温度)以及尿素水喷射量的变化。如该图所示，在基于模型的控制中，在从状态A向状态B的增负荷运转时，尿素水的供给暂时停止，并且重新开始供给后的尿素水喷射量与利用映射图控制的情况相比增大了。

图21对基于模型的控制(图21的下段)和映射图控制(该图的上段)分别示出了在NO_x催化剂201的出口附近的NO_x和氨的各浓度。在基于模型的控制中，在增负荷运转时使尿素水的供给暂时停止(图20)，由此抑制了在利用映射图控制的情况下在1000s(秒)紧后显著出现的氨逃逸。除此以外，在本实施方式中，与利用映射图控制的情况相比，抑制了在2000s左右的从状态B向状态C的减速时发生的NO_x浓度(SCR出口NO_x浓度)的增大。可以认为这是由于：能准确地把握NO_x催化剂201的氨吸附量S_{NH3_i}，并对排气添加较适当的量的氨，由此，至向状态C的过渡为止，能够确保能应对伴随减速的NO_x排出量的增大的充分的量的吸附氨。

图22对基于模型的控制和映射图控制分别示出了在NO_x净化率和NO_x催化剂201的出口附近的氨累计值(SCR出口NH₃累计值)。根据该图所示的实验结果，可以看出，基于模型的控制对增负荷运转时的SCR出口NH₃累计值有减小效果。可以认为这是由于在增负荷紧后抑制了氨逃逸所致。而且，从上段所示的NO_x净化率的解析得出了如下结果：根据基于模型的控制，在整个实验时间内NO_x净化率提高了大约2％。如此，根据本实施方式，能够抑制氨逃逸，并且使NO_x净化率提高。在此，在2000s以后，在基于模型的控制和映射图控制之间SCR出口NH₃累计值发生了逆转。如图20所示，在基于模型的控制中，相对于伴随向状态C的过渡的NO_x排出量(DOC入NO_x浓度)的大幅增大，尿素水喷射量增大了(该NO_x排出量的增大是试验用发动机的特性导致的，而不是本来希望的增大)，但这有助长SCR出口NH₃累计值的增大的可能性。

本发明不限于以上说明的尿素SCR，也能应用于柴油微粒过滤器(DPF)和NO_x催化剂系统的组合，或者涂覆了NO_x催化剂层的DPF催化剂系统。

在以上的说明中，叙述了本发明的优选实施方式，但本发明的范围并不限于以上的说明，而是基于权利要求的记载，按照适用条款来判断。

附图标记说明

1：柴油发动机，101：排气管，111：燃料流量传感器，112：发动机旋转速度传感器，2：排气净化装置，201：NO_x催化剂，202：尿素水喷射器(还原剂添加装置)，203：氧化催化剂，301：尿素水添加控制单元(控制装置)，211：NO_x传感器，212：温度传感器，213：压力传感器，214：氧传感器，215：压力传感器。

Claims (20)

1.一种发动机的排气净化装置，

将氨用作还原剂来还原净化发动机排出的NO_x，

包含如下部分而构成：

在发动机的排气通道中设置的选择还原型NO_x催化剂；

对上述发动机的排气在上述NO_x催化剂的上游侧添加氨或者其前体的还原剂添加装置；以及

算出对上述NO_x催化剂的氨供给量，根据算出的氨供给量来控制上述还原剂添加装置的控制装置，

上述控制装置包含如下部分而构成：

存储了对将吸附于上述NO_x催化剂的催化剂层的氨作为有效还原剂的与上述NO_x的还原相关的化学反应进行算式化而成的第1催化剂反应模型的第1存储部；

从上述第1存储部取得上述第1催化剂反应模型，对将上述NO_x催化剂的内部以在其轴方向上成串的方式分割而成的多个单元分别利用上述取得的第1催化剂反应模型来算出氨吸附量的氨吸附量算出部；以及

基于上述氨吸附量算出部算出的各单元的氨吸附量中的与上述发动机的运转状态对应的规定单元的氨吸附量，算出上述氨供给量的氨供给量算出部。

2.根据权利要求1所述的发动机的排气净化装置，

上述第1催化剂反应模型包含表示与上述NO_x的还原相关的化学物种在气相和催化剂层各自中的质量平衡的算式而构成。

3.根据权利要求2所述的发动机的排气净化装置，

上述第1催化剂反应模型以轴方向的一维流动来近似上述NO_x催化剂内部的流动，包含表示上述化学物种在上述气相中的质量平衡的式(1)和表示上述化学物种在上述催化剂层中的质量平衡的式(2)而构成，而且，式(2)的系数k_i与反应频度因子A、活性化能量E_a、气体常数R以及温度T有关而由式(3)来表示，

[算式1]

$\frac{\∂{\left[X_i\right]}_{\mathrm{gas}}}{\∂t}+\frac{\∂u{\left[X_i\right]}_{\mathrm{gas}}}{\∂z}=h_i({\left[X_i\right]}_{\mathrm{cat}}-{\left[X_i\right]}_{\mathrm{gas}}){\mathrm{Sv}}_{\mathrm{gas}}\·\·\·\left(1\right)$

[算式2]

$\frac{\∂{\left[X_i\right]}_{\mathrm{cat}}}{\∂t}=-h_i({\left[X_i\right]}_{\mathrm{cat}}-{\left[X_i\right]}_{\mathrm{gas}}){\mathrm{Sv}}_{\mathrm{cat}}+\mathrm{\Σ}{\mathrm{\υ}}_{k,i}{k}_i\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Π}}}{\left[X_k\right]}_{\mathrm{cat}}^{{\mathrm{\α}}_{k,i}}\·\·\·\left(2\right)$

[算式3]

k_i＝Aexp{-E_a/(RT)}  …(3)。

4.根据权利要求3所述的发动机的排气净化装置，

进一步包含检测上述发动机的运转状态的运转状态检测机构而构成，

上述氨吸附量算出部根据上述运转状态检测机构检测出的运转状态而至少变更上述式(2)和(3)的系数k_i。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的发动机的排气净化装置，

算出上述氨吸附量的单元包含上述多个单元中的位于上述NO_x催化剂的轴方向中央部的单元。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的发动机的排气净化装置，

上述控制装置具有事先设定了相对于流入上述NO_x催化剂的NO_x的氨当量比和上述NO_x催化剂的氨目标吸附量的响应曲面，

上述氨供给量算出部从上述响应曲面算出氨当量比和氨目标吸附量，基于算出的氨当量比和氨目标吸附量以及上述规定单元的氨吸附量，算出上述氨供给量。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的发动机的排气净化装置，

上述控制装置进一步包含算出每1单元的氨目标吸附量的氨目标吸附量算出部而构成，在上述氨吸附量算出部算出的氨吸附量大于上述氨目标吸附量算出部算出的氨目标吸附量的情况下，停止上述还原剂添加装置所进行的氨或者前体的添加。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的发动机的排气净化装置，

上述控制装置进一步包含将上述NO_x催化剂的各单元中的催化剂层的温度作为第1催化剂温度来算出的第1催化剂温度算出部而构成，

上述氨吸附量算出部基于上述第1催化剂温度算出部算出的各单元的上述第1催化剂温度和上述氨供给量算出部算出的氨供给量，算出上述氨吸附量。

9.根据权利要求1至7中的任一项所述的发动机的排气净化装置，

进一步包含检测上述NO_x催化剂的上游侧的排气温度的排气温度检测机构而构成，

上述控制装置进一步包含根据上述排气温度检测机构检测出的排气温度算出考虑了经由上述发动机的排气管的散热特性的上述NO_x催化剂的入口温度的催化剂入口温度算出部，

上述氨吸附量算出部基于上述催化剂入口温度算出部算出的上述NO_x催化剂的入口温度，算出上述氨吸附量。

10.根据权利要求9所述的发动机的排气净化装置，

上述控制装置还包含基于上述催化剂入口温度算出部算出的上述NO_x催化剂的入口温度，将上述NO_x催化剂的各单元中的催化剂层的温度作为第1催化剂温度来算出的第1催化剂温度算出部而构成，

上述氨吸附量算出部基于上述第1催化剂温度算出部算出的第1催化剂温度和上述氨供给量算出部算出的氨供给量，算出上述氨吸附量。

11.根据权利要求8或10所述的发动机的排气净化装置，

上述第1催化剂反应模型除了包含上述式(1)和(2)以外，还包含表示上述气相和催化剂层各自的能量平衡的算式而构成，

上述第1催化剂温度算出部利用表示上述能量平衡的算式来算出各单元的上述第1催化剂温度。

12.根据权利要求11所述的发动机的排气净化装置，

上述第1催化剂反应模型包含表示上述气相的能量平衡的式(4)和表示上述催化剂层的能量平衡的式(5)而构成，

[算式4]

$\frac{\∂\left({\mathrm{\ρ}}_g{c}_g{T}_g\right)}{\∂t}+\frac{\∂\left({\mathrm{\ρ}}_g{\mathrm{uc}}_g{T}_g\right)}{\∂z}=\mathrm{\α}{\mathrm{Sv}}_{\mathrm{gas}}(T_c-T_g)\·\·\·\left(4\right)$

[算式5]

$\frac{\∂\left({\mathrm{\ρ}}_c{c}_c{T}_c\right)}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂z}\left({\mathrm{\λ}}_c\frac{\∂}{\∂z}{T}_c\right)-\mathrm{\α}{\mathrm{Sv}}_{\mathrm{gas}}(T_c-T_g)\·\·\·\left(5\right).$

13.根据权利要求1至12中的任一项所述的发动机的排气净化装置，

进一步包含如下部分而构成：

在上述排气通道中在上述NO_x催化剂的上游侧设置的氧化催化剂；

对流入上述NO_x催化剂的排气的NO₂比率进行推定计算的NO₂比率运算装置，

上述NO₂比率运算装置包含如下部分而构成：

存储了对上述氧化催化剂中的NO的氧化反应进行算式化而成的第2催化剂反应模型的第2存储部；以及

从上述第2存储部取得上述第2催化剂反应模型，对将上述氧化催化剂的内部以在其轴方向上成串的方式分割而成的多个单元分别利用上述第2催化剂反应模型来算出通过各单元的排气的NO₂比率，将对上述多个单元中的位于最下游侧的单元算出的NO₂比率作为上述流入的排气的NO₂比率来算出的NO₂比率算出部，

上述控制装置基于上述NO₂比率运算装置算出的NO₂比率，算出对上述NO_x催化剂的氨供给量。

14.根据权利要求13所述的发动机的排气净化装置，

上述第2催化剂反应模型包含表示上述氧化催化剂中的NO₂、NO以及O₂在气相和催化剂层各自中的质量平衡的算式而构成。

15.根据权利要求14所述的发动机的排气净化装置，

上述第2催化剂反应模型以轴方向的一维流动来近似上述氧化催化剂内部的流动，包含表示在上述气相中的质量平衡的(6)和表示在上述催化剂层中的质量平衡的式(7)而构成，而且，式(7)的系数k_i与反应频度因子A、活性化能量E_a、气体常数R以及温度T有关而由式(8)来表示，

[算式6]

$\frac{\∂{\left[X_i\right]}_{\mathrm{gas}}}{\∂t}+\frac{\∂u{\left[X_i\right]}_{\mathrm{gas}}}{\∂z}=h_i({\left[X_i\right]}_{\mathrm{cat}}-{\left[X_i\right]}_{\mathrm{gas}}){\mathrm{Sv}}_{\mathrm{gas}}\·\·\·\left(6\right)$

[算式7]

$\frac{\∂{\left[X_i\right]}_{\mathrm{cat}}}{\∂t}=-h_i({\left[X_i\right]}_{\mathrm{cat}}-{\left[X_i\right]}_{\mathrm{gas}}){\mathrm{Sv}}_{\mathrm{cat}}+\mathrm{\Σ}{\mathrm{\υ}}_{k,i}{k}_i\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Π}}}{\left[X_k\right]}_{\mathrm{cat}}^{{\mathrm{\α}}_{k,i}}\·\·\·\left(7\right)$

[算式8]

k_i＝Aexp{-E_a/(RT)}…(8)。

16.根据权利要求13至15中的任一项所述的发动机的排气净化装置，

上述NO₂比率运算装置进一步包含将上述氧化催化剂的各单元中的催化剂层的温度作为第2催化剂温度来算出的第2催化剂温度算出部而构成，

上述NO₂比率算出部基于上述第2催化剂温度算出部算出的第2催化剂温度，算出通过上述各单元的排气的NO₂比率。

17.根据权利要求16所述的发动机的排气净化装置，

上述第2催化剂反应模型除了包含上述式(6)和(7)以外，还包含表示上述气相和催化剂层各自的能量平衡的算式而构成，

上述第2催化剂温度算出部利用表示上述能量平衡的算式来对各单元算出上述第2催化剂温度。

18.根据权利要求17所述的发动机的排气净化装置，

上述第2催化剂反应模型包含表示上述气相的能量平衡的式(9)和表示上述催化剂层的能量平衡的式(10)而构成，

[算式9]

$\frac{\∂\left({\mathrm{\ρ}}_g{c}_g{T}_g\right)}{\∂t}+\frac{\∂\left({\mathrm{\ρ}}_g{\mathrm{uc}}_g{T}_g\right)}{\∂z}=\mathrm{\α}{\mathrm{Sv}}_{\mathrm{gas}}(T_c-T_g)\·\·\·\left(9\right)$

[算式10]

$\frac{\∂\left({\mathrm{\ρ}}_c{c}_c{T}_c\right)}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂z}\left({\mathrm{\λ}}_c\frac{\∂}{\∂z}{T}_c\right)-\mathrm{\α}{\mathrm{Sv}}_{\mathrm{gas}}(T_c-T_g)\·\·\·\left(10\right).$

19.一种发动机的排气净化装置，

将氨用作还原剂来还原净化发动机排出的NO_x，

包含如下部分而构成：

在发动机的排气通道中设置的选择还原型NO_x催化剂；

在上述排气通道中在上述NO_x催化剂的上游侧设置的氧化催化剂；

对上述发动机的排气在上述NO_x催化剂的上游侧添加氨或者其前体的还原剂添加装置；

作为对流入上述NO_x催化剂的排气的NO₂比率进行推定计算的、包含如下部分而构成的NO₂比率运算装置：

存储了对上述氧化催化剂中的NO的氧化反应进行算式化而成的第2催化剂反应模型的第2存储部；以及

从上述第2存储部取得上述第2催化剂反应模型，对将上述氧化催化剂的内部以在其轴方向上成串的方式分割而成的多个单元分别利用上述第2催化剂反应模型来算出通过各单元的排气的NO₂比率，将对上述多个单元中的位于最下游侧的单元算出的NO₂比率作为上述流入的排气的NO₂比率来算出的NO₂比率算出部；以及

基于上述NO₂比率运算装置算出的NO₂比率，算出对上述NO_x催化剂的氨供给量，根据算出的氨供给量来控制上述还原剂添加装置的控制装置。

20.根据权利要求19所述的发动机的排气净化装置，

上述第2催化剂反应模型包含表示上述氧化催化剂中的NO₂、NO以及O₂在气相和催化剂层各自中的质量平衡的第1算式和表示上述气相和催化剂层各自的能量平衡的第2算式而构成，

上述第1算式以轴方向的一维流动来近似上述氧化催化剂内部的流动，且对反应频度因子A、活性化能量E_a、气体常数R以及温度T，由式(13)来定义系数k_i，包含表示在上述气相中的质量平衡的式(11)和表示在上述催化剂层中的质量平衡的式(12)而构成，

上述第2算式包含表示上述气相的能量平衡的式(14)和表示上述催化剂层的能量平衡的式(15)而构成，

[算式11]

$\frac{\∂{\left[X_i\right]}_{\mathrm{gas}}}{\∂t}+\frac{\∂u{\left[X_i\right]}_{\mathrm{gas}}}{\∂z}=h_i({\left[X_i\right]}_{\mathrm{cat}}-{\left[X_i\right]}_{\mathrm{gas}}){\mathrm{Sv}}_{\mathrm{gas}}\·\·\·\left(11\right)$

[算式12]

$\frac{\∂{\left[X_i\right]}_{\mathrm{cat}}}{\∂t}=-h_i({\left[X_i\right]}_{\mathrm{cat}}-{\left[X_i\right]}_{\mathrm{gas}}){\mathrm{Sv}}_{\mathrm{cat}}+\mathrm{\Σ}{\mathrm{\υ}}_{k,i}{k}_i\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Π}}}{\left[X_k\right]}_{\mathrm{cat}}^{{\mathrm{\α}}_{k,i}}\·\·\·\left(12\right)$

[算式13]

k_i＝Aexp{-E_a/(RT)}…(13)

[算式14]

$\frac{\∂\left({\mathrm{\ρ}}_g{c}_g{T}_g\right)}{\∂t}+\frac{\∂\left({\mathrm{\ρ}}_g{\mathrm{uc}}_g{T}_g\right)}{\∂z}=\mathrm{\α}{\mathrm{Sv}}_{\mathrm{gas}}(T_c-T_g)\·\·\·\left(14\right)$

[算式15]

$\frac{\∂\left({\mathrm{\ρ}}_c{c}_c{T}_c\right)}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂z}\left({\mathrm{\λ}}_c\frac{\∂}{\∂z}{T}_c\right)-\mathrm{\α}{\mathrm{Sv}}_{\mathrm{gas}}(T_c-T_g)\·\·\·\left(15\right).$

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