JP2004156614A - エンジンの排気後処理システム及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】必要とされる還元剤の正確な量を判定することにより、NOx還元触媒のNOx変換効率を向上させる。
【解決手段】エンジン供給ガス中のNOxの定常状態量に基づき初期還元剤量を計算する工程600と、過渡NOx排出量を相殺するように初期還元剤量を調整する工程700とを含む。この相殺は、予想される加速又は減速のようなエンジン過渡状態に応答して、開始される。この方法は更に、車両の燃料経済性の向上につながる。
【選択図】図３

Description

本発明は、NOx還元触媒の性能を向上させるシステム及びその方法に関し、より具体的には、燃料経済性の低下を最小にしながら最適なNOx変換効率を得るような還元剤噴射量の制御に関する。

現在の排出規制は、エンジン動作中に発生する一酸化炭素（CO）、炭化水素（HC）及び窒素酸化物（NOx）を無害な排気へと変換するために、自動車の排気システム内で触媒を用いることを必要とさせる。ディーゼル又はガソリン・リーンバーン・エンジンを装備した車両は、燃料経済性の向上という利益をもたらす。そのような車両は、リーン排気後処理装置を装備していなければならない。例えば、アクティブ・リーンNOx触媒（Active Lean NOx Catalysts: ALNC）若しくは選択触媒還元反応（Selective Catalytic Reduction: SCR）触媒は、燃料（HC）又は尿素などの還元剤のこのような装置へ入る排気への能動的な噴射により、酸素リッチ雰囲気でさえも、連続的にNOx排出物を還元する（例えば、特許文献１参照）。更に、NOx変換効率を最大にするために、還元剤の量を正確に制御することが重要である。
特開２００１−１９３４４０号公報

本件発明者は、エンジン運転状態の過渡変化が、エンジンからのNOx発生量の変化を生じるということを認識した。例えば、NOx発生量は通常、エンジン加速中に増大し、減速中に減少する。還元剤噴射量は定常状態でのエンジン動作状態に基づき計算されるのが通常であるので、このような過渡的NOx量の変動の結果、還元剤噴射量が過大又は過少となり、燃料経済性と排出基準適合性に悪影響を及ぼす。

本発明によれば、NOx還元触媒に供給されるべき還元剤量を制御するシステム及び方法が提供される。この方法は、エンジン過渡状態の計測に基づき所望還元剤量を計算する工程と、NOx還元触媒へ上記計算された所望量の還元剤を噴射する工程とを含む。

本発明の第１の観点において、装置はALNCであり、還元剤は炭化水素である。別の観点において、装置はSCCR触媒であり、還元剤は尿素である。本発明の更に別の観点において、エンジン過渡状態の計測は、エンジン加速の計測である。

本発明の別の観点において、上記計測は更にエンジン減速の計測を含む。本発明の別の観点において、エンジン過渡状態の計測は、ペダル位置の変化率に基づく。本発明のまた別の観点において、エンジン過渡状態の計測は、エンジン燃料噴射量の変化率に基づく。本発明のまた別の観点において、エンジン過渡状態の計測は、エンジン速度の変化率に基づく。

本発明の別の観点において、内燃機関の下流に接続されたNOx還元触媒の効率を向上する方法が、予想されるエンジン過渡状態を表示する工程と、該予想エンジン過渡状態が起こすエンジンからのNOx発生量の変化を相殺するために、上記NOx還元触媒への還元剤噴射量を調整する工程とを含む。

本発明は、種々の利点を有する。具体的には、エンジンからのNOx発生量の過渡的な増加又は減少を相殺するために、噴射される還元剤量を調整することにより、NOx還元触媒のNOx変換効率が向上する。更に、ペダル位置の変化率を監視することにより、予想されるエンジン過渡状態と、それに伴うエンジンからのNOx発生量の変化を迅速かつ正確に表示する。このことで、還元剤噴射量が、NOx発生量の変化を相殺するのに適切な時期に調整され得る。本発明の別の利点は、還元剤使用量の最適化による、燃料経済性の向上である。例えば、エンジン減速が予想されるとき、エンジンからのNOx発生量の減少を相殺するように、還元剤噴射量を減少することができる。

上述のものなどの、本発明の目的、構成、効果などは、添付の図面と関連させるならば、以下の実施形態の詳細な説明から容易に明らかとなろう。

図１Ａにおいては、気筒は一つのみ示されているが、複数の気筒を有する内燃機関（ディーゼル・エンジン）10は電子エンジン制御器12により、制御されるように構成されている。内燃機関（ディーゼル・エンジン）10は、燃焼室30及び気筒壁32を、その中に配置されクランクシャフト40に接続されるピストン36と共に備えている。燃焼室30は、吸気マニフォールド44及び排気マニフォールド48へそれぞれ吸気弁52及び排気弁54を介して連通している。制御器12からのパルス幅信号FPWに比例して液体燃料を供給するために、燃料噴射弁80が吸気マニフォールドへ接続されている。信号FPWにより制御される燃料量と噴射時期は、調整可能である。燃料タンク、燃料ポンプ及び燃料レールを含む燃料システム（図示せず）により、燃料が供給される。

図１Ａにおいて、制御器12は、一般的なマイクロコンピューターとして示されており、マイクロプロセッサー・ユニット102、入出力（I/O）ポート104、読出し専用（ROM）メモリー106、ランダム・アクセス・メモリー（RAM）108そして通常のデータ・バスを備えている。制御器12は、エンジン10に接続されたセンサーからの各種信号を受けるように構成されている。各種信号には、前述のものに加えて、エンジン冷却スリーブ114に接続された温度センサー112からのエンジン冷媒温度（engine coolant temperature: ECT）、吸気マニフォールド44に接続された圧力センサー116からのマニフォールド圧力（MAP）の計測値、温度センサー117からのマニフォールド温度の計測値（AT）そしてクランクシャフト40に接続されたエンジン速度センサー118からのエンジン速度信号（RPM）が含まれる。

上記エンジン10下流の排気マニフォールド48には、酸化触媒13が接続され、この酸化触媒13は、好ましくは白金を含む貴金属触媒とすることができる。酸化触媒13の下流には、酸素リッチ雰囲気でNOxを還元することができるNOx還元触媒14が接続されている。好ましい実施形態においては、NOx還元触媒14は、白金又はパラジウムのような貴金属と、アルミナ及びシリカとを含有し、ゼオライトのような酸性担持金属を有するアクティブ・リーンNOx触媒（ALNC）である。代替実施形態において、NOx還元触媒14は、尿素系の選択触媒還元（SCR）触媒とすることができる。これは、ALNCの機能の一部又は全部を有し、還元剤として尿素などのアンモニア系化合物を使用するのに最適化された装置である。酸化触媒13は、エンジンからの流入排気中の炭化水素（HC）を燃焼させ発熱反応させて、NOx還元触媒14を迅速に暖機するための熱を供給する。酸化触媒13でのHCの燃焼の結果として生成される一酸化炭素（CO）が、NOx還元触媒14中のNOx還元反応を促進する。

上記酸化触媒13とNOx還元触媒14との間の排気マニフォールドには、還元剤供給システム16が接続されている。これは、図２以下においてより詳細に説明される。還元剤供給システム16は、還元剤をNOx還元触媒14へ供給することのできる当業者に公知のいかなるシステムとすることもできる。好ましい実施形態において、還元剤供給システム16は、燃料（炭化水素）をNOx還元触媒14へ入る排気混合気へ噴射する。また、還元剤供給システム16は、水性尿素をNOx還元触媒14へ供給するものであっても良い。

なお、図１Ｂには、エンジン10が、燃焼室（気筒）30へ燃料を直接噴射するように配置された噴射弁80を持つ直接噴射エンジンである場合の別の実施形態が示されている。

図２は、本発明による還元剤供給システム16の実施形態の一例を表すものである。この還元剤供給システム16は、細長い加熱要素22を収容する蒸発器ユニット21を有する。混合ユニット23は、還元剤流入部、空気流入部そして蒸発器ユニット21に接続された流出部24を有し、この流出部24を介して、還元剤と空気の混合気がハウジング内へ噴射され、その後、加熱要素22と接触する。空気と還元剤の両方を単一の流入部を通して噴射しても良い。還元剤は、燃料タンク又は貯蔵容器から混合ユニット23へ供給され得る。空気ポンプ25が、混合ユニット23へ加圧空気を供給し、それにより、還元剤と空気の混合気を生成する。流出部24は、還元剤と空気の混合気を加熱要素の表面の一つより多い領域へ送給するように構成されている。制御器12は、エンジン速度、負荷、排気温度等の運転状態に応じて、これらの領域への混合気の噴射を選択的に可能又は不能とする。例えば、高負荷状態におけるように、還元剤必要量が大きいときには、還元剤と空気の混合気の加熱要素の一つより多い領域への送給を可能とすることが必要となる。流出部24は、還元剤と空気の混合気を加熱要素表面の特定の領域へ送給するように構成され得る。

当業者には判るように、図３及び図４に記載のルーチンは、イベント・ドリブン（event-driven）、インターラプト・ドリブン（interrupt-driven）、マルチ・タスク（multi-tasking）、マルチ・スレッド（multi-threading）など各種処理法の一つ又は複数で表し得るものである。したがって、図示の各種ステップや関数は、図示の順番で並列に、若しくは場合によっては省略されて、実行され得る。同様に、処理の順番は、本発明の目的、構成及び利点を得るのに必ずしも必要とされるものではなく、容易に図示及び説明するためにそうされている。明確に図示されてはいないものの、当業者であれば、具体的に用いられる制御に応じて、図示のステップ又は関数の一つ又は複数を反復して実行することができる、ということを認識するであろう。

ここで、図３には、還元剤の排気流への噴射を制御するルーチンの例が示されている。最初にステップ500において、エンジン運転状態に基づき、装置に入る排気混合気中のNOxの量であるNOx_fgが推定される。上記運転状態には、エンジン速度、エンジン負荷、エンジン温度、排気後処理装置の温度、噴射時期、エンジン温度、そして、燃焼過程で生成されるNOxの量を表示するものとして当業者に公知の他のパラメーターが含まれる。排気混合気内のNOx量を計測するのに、NOxセンサーを用いることもできる。次に、ステップ600において、以下の式に基づき、定常状態での還元剤噴射量RA_inj-1が計算される。
(RA_fg + RA_inj-1) / NOx_fg = R_des
ここでRA_fgはエンジン10からの排気中の還元剤の量であり、これは、エンジン運転状態に基づき判定することができる。この初期還元剤量RA_inj-1は、定常状態で判定されており、エンジン速度と負荷の各点についての還元剤のベース噴射量を示す。この量は、供給還元剤とNOxとの一定の比であるR_desを得る様に調整される。この比は、NOx変換効率と還元剤噴射による燃料経済性低下との間の二律背反として得られるのが普通である。次にステップ700において、定常状態での還元剤のベース噴射量RA_inj-1が、エンジン冷媒温度T_c、排気温度T_ex、EGR弁位置EGR_pos、点火開始SOIそして他のパラメーターなどのエンジン運転状態を考慮して、以下のように調整される。

RA_inj-2 = RA_inj-1 × f₁(T_c) × f₂(T_ex) × f₃(SOI) × f₄(EGR_pos)

次いで、ルーチンはステップ800へ進み、そこで、ペダル位置の変化率が以下の様にして演算される。

pps＿diff(t) = (pps(t) - pps(t-1)) / T_s

ここでT_sはサンプリング・レート、pps(t)は時間tにおけるペダル位置を示す。次にステップ900において、ノイズ除去のためにローパス・フィルターが適用される。

pps＿diff＿lp(t) = (1 - k_f) × pps＿diff＿lp(t-1) + k_f × pps＿diff(t-1)

ここで、k_fがフィルター処理率を制御する。次いで、ルーチンはステップ1000へ進み、そこで、ペダル位置により表されるエンジン過渡状態を考慮して、還元剤量が更に以下のように修正される。

RA_inj-3 = RA_inj-2 × f₅(pps＿diff＿lp)

ここで関数f₅は、ペダル踏み込み時の還元剤の増量噴射と、ペダル開放時の還元剤の減少噴射とを可能とするようにされる。f₅の一例が、特に図４に示されている。エンジン速度の変化率、エンジン燃料噴射量の変化率、エンジン負荷の変化率、エンジンの要求燃料量変化率又はエンジン過渡状態を計測するのに当業者に公知の他のパラメーターを、RA_inj-3を得るのに用いることができる。そして、ルーチンは終了する。

図示しない代替実施形態において、ペダル位置の変化率が校正可能な所定の値よりも大きいときにのみ、ステップ700において計算されて修正された定常状態での還元剤噴射量RA_inj-2をエンジン過渡状態を考慮するように更に修正することができる。

それで、本発明によれば、より効率的なNOx還元触媒の性能を得るために、還元剤の噴射されるべき量が触媒へ入るNOxの量の増減を考慮して調整されるべきである。これは、エンジン過渡状態の計測を行なうことのできるエンジン・パラメーターを連続的に監視し、そしてこれらパラメーターの関数として還元剤の噴射されるべき量を連続的に調整することにより、なされる。NOx発生量は、アクセル・ペダル踏み込み時に増大し、解放時に減少するのが典型的であるので、そのような動作の結果は、前者の場合にはベース噴射量の増大となり、後者の場合にはベース噴射量の減少となる。例えば、ペダル位置の変化率、燃料噴射量変化率又はエンジン速度又は負荷の変化率などのエンジン過渡状態を非常に迅速に表示することのできるパラメーターを監視することにより、システムの応答を最適化することが可能であり、そして、エンジンからのNOx供給量の変化に応答して、最適な量の還元剤が適時に装置に噴射されるのを確実なものとすることができる。

本発明の詳細な説明を述べてきた。当業者であれば、これにより、本発明の思想及び範囲から逸脱することなしに、多くの変形例及び改良例を想到するであろう。

本発明が有利に用いられるエンジンの概略図である。 本発明が有利に用いられる別のエンジンの概略図である。 本発明が有利に用いられる還元剤供給システムの一例を示す概略図である。 本発明の一実施形態による排気後処理装置へ供給されるべき還元剤量を判定するルーチンのフローチャートである。 本発明の一実施形態による排気後処理装置へ供給されるべき還元剤量を判定するための修正曲線を示すグラフである。

符号の説明

１０ エンジン（内燃機関）
１２ 制御器（制御ユニット）
１４ NOx還元触媒
１６ 還元剤供給システム
８０ 燃料噴射弁（バルブ）
１１２ 温度センサー
１１６ 圧力センサー
１１７ 温度センサー
１１８ エンジン速度センサー

Claims (10)

1. 内燃機関の下流に接続されたNOx還元触媒を制御する方法であって、
   エンジン過渡状態の計測に基づき、還元剤の所望量を計算する工程と、
   リーン排気後処理装置へ上記計算された所望量の還元剤を噴射する工程とを有することを特徴とする方法。
2. 上記内燃機関がディーゼル・エンジンであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 上記NOx還元触媒がアクティブ・リーンNOx触媒であることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 上記還元剤が炭化水素であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 上記NOx還元触媒が選択触媒還元反応触媒であることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
6. 上記還元剤が尿素であることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 上記エンジン過渡状態の計測がエンジン減速計測を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
8. 上記エンジン過渡状態の計測がペダル位置の変化率に基づくことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
9. 上記エンジン過渡状態の計測がエンジン速度の変化率に基づくことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
10. ディーゼル・エンジンにより駆動される車両の排気中の過渡及び定常NOx排出物を還元するシステムであって、
    上記エンジン下流のNOx還元触媒と、
    液体炭化水素の供給源と、
    上記供給源から上記NOx還元触媒上流の排気中に命令信号に対応した所定量の炭化水素を導入するバルブと、
    上記エンジンの少なくとも一つの運転状態を表示するセンサー信号を生成し、上記エンジンの加速に先立ち該加速を予想する信号を生成する少なくとも一つの過渡状態センサーを含む複数の車両センサーと、
    上記複数のセンサー信号に応答して、上記エンジンを制御するプログラム・ルーチンを複数持つエンジン制御ユニットとを有し、
    上記プログラム・ルーチンが、上記エンジンが定常状態で発生するNOx排出物の一部を還元するのに十分な定常状態で動作中に、上記バルブを介して第１所定量の炭化水素を導入する第１命令信号を発生する第１ルーチンと、上記少なくとも一つの過渡状態センサーがエンジン加速を予想する信号を発生するときに作動させられる第２ルーチンとを含み、
    上記第２ルーチンが、上記エンジンが加速中の期間に生成されるNOx排出物の一部を還元するのに十分な炭化水素の第２量の計算と、上記エンジンが加速している期間の少なくとも一部において、上記バルブを介して上記第２所定量の炭化水素を導入するための第２命令信号の発生とを有することを特徴とするシステム。

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