JP2004156615A - 内燃機関の排気後処理システム - 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変換効率を向上する。
【解決手段】機関供給ガス中のNOxの定常状態量に基づき初期還元剤量を計算するステップ、及び、機関運転状態の変化に伴う過渡的なNOx排出量の変化を相殺するように初期還元剤量を調整するステップ、を含む。この相殺は、予想される加速又は減速のような機関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、リーン排気の後処理装置の性能を向上させるシステム及び方法に関し、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、機関（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。ディーゼル機関又はガソリン・リーンバーン機関を装備した車両は、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、このような装置へ入る排気への燃料（HC）又は尿素などの還元剤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。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。

本発明者は、機関運転状態の過渡変化が、該機関からの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、機関加速中に増大し、減速中に減少する。還元剤噴射量は定常状態での機関動作状態に基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、内燃機関に起きようとしている過渡状態を予測するステップ、並びに該予測に基いて上記NOx還元触媒への還元剤噴射量を調整するステップを含む。すなわち、上記予測に基づいて必要な還元剤量を計算するステップ、並びにNOx還元触媒へ上記計算量の還元剤を噴射するステップを含む。

本発明の第１の観点において、装置（NOx還元触媒）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SCR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、機関過渡状態の予測は、機関加速の予測である。

本発明の別の観点において、上記機関過渡状態の予測は更に機関減速の計測を含む。本発明の別の観点において、機関過渡状態の予測は、ペダル位置の変化率に基く。

本発明のまた別の観点において、機関過渡状態の予測は、機関燃料噴射量の変化率に基く。本発明のまた別の観点において、機関過渡状態の予測は、機関速度の変化率に基く。

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、予測される機関過渡状態を検出するステップ、及び、該機関過渡状態が起こす機関からの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ステップ、を含む。

本発明は、種々の利点を有する。具体的には、機関からの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、予測される機関過渡状態と、それに伴う機関からのNOx発生量の変化を迅速かつ正確に求める。それで、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、機関減速が予測されるとき、機関からのNOx発生量の減少を見越して還元剤噴射量を減少することが出来る。

上述の利点、その他の本発明の目的、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においては一つのみ示されているが複数の気筒を有する内燃機関10が、電子機関制御器12により、制御される。内燃機関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と共に含む。燃焼室30が、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を介して連通するのが示されている。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のも示されている。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。燃料は、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（不図示）により、供給される。

制御器12は、図1Aにおいては、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・バスを含むものである。制御器12が、機関（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ことが示されている。各種信号には、前述のものに加えて、機関冷却スリーブ114に接続された温度センサー112からの機関冷媒温度（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に接続された機関速度センサー118からの機関速度信号（RPM）が含まれる。

機関10下流の排気マニフォールド48に酸化触媒13が接続され、これは、好ましくは白金を含む貴金属触媒とすることが出来る。酸化触媒13の下流には触媒14が接続されており、この触媒14は酸素リッチ雰囲気でNOxを還元することが出来るNOx還元触媒である。好ましい実施形態においては、触媒14は、白金又はパラジウムのような貴金属を１種又は２種以上、並びにアルミナ及びシリカを含有するものや、ゼオライトのような酸性サポート材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、触媒14は、尿素系の選択触媒還元（SCR）触媒とすることが出来る。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、機関から流入する排気中の炭化水素（HC）を発熱反応で燃焼し、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、触媒14中のNOx還元反応を促進する。

酸化触媒とNOx還元触媒との間の排気マニフォールドに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還元触媒へ供給することの出来る当業者に公知のいかなるシステムとすることも出来る。好ましい実施形態において、還元剤供給システムは、触媒14へ入る排気混合気へ燃料（炭化水素）を噴射する。還元剤供給システム16はまた、水性尿素をNOx還元触媒へ供給するものであっても良い。

ここで図1Bには、機関10が、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を持つ直接噴射機関である、別の実施形態が示されている。

図２は、本発明に係る還元剤供給システムの実施形態の一例を表すものである。システムは、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、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２以上の領域へ送給するように構成される。制御器12は、機関速度、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とし、また不能とする。例えば、高負荷状態におけるような、還元剤必要量が大きいとき、還元剤と空気の混合気の加熱要素の一よりも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。そのようであるので、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出来る、ということを認識するであろう。

ここで、図３を参照すると、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、装置に入る排気混合気中のNOxの量であるNOx_fgが、機関運転状態に基づき推定される。これらの状態には、機関速度、機関負荷、機関温度、排気後処理装置の温度、噴射時期、機関温度、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出来る。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、機関からの排気中の還元剤の量であり、これは、機関運転状態に基づき判定することが出来る。この初期還元剤量RA_{inj_1}は、定常状態で判定されており、機関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いう二律背反の釣合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、機関冷媒温度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機関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)

ルーチンはそしてステップ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。ルーチンはそしてステップ100へ進み、そこで、還元剤量が、ペダル位置により表される機関過渡状態を考慮して、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。機関速度の変化率、機関燃料噴射量の変化率、機関負荷の変化率、機関の要求燃料量変化率又は機関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出来る。そして、ルーチンは終了する。

不図示の代替実施形態において、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、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、機関過渡状態を考慮するように、更に修正することが出来る。

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、機関過渡状態の計測を行なうことの出来る機関・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、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機関速度又は負荷の変化率などの機関過渡状態を非常に迅速に表示することの出来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、機関からの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可能である。

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。従って、本発明の範囲は、請求項により規定されることが意図される。

本発明が有利に用いられる機関の概略図である。 本発明が有利に用いられる別の機関の概略図である。 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 内燃機関
12 制御器
14 NOx還元触媒
16 バルブ

Claims (10)

1. 内燃機関の下流に接続されたNOx還元触媒の効率を向上させる方法であって、
   上記内燃機関に起きようとしている加速を検出するステップ、並びに
   上記内燃機関の加速により該内燃機関の供給NOx量に生ずる変動を相殺するために、上記NOx還元触媒への還元剤噴射量を調整するステップを有することを特徴とする内燃機関の触媒効率向上方法。
2. 請求項１において、
   上記機関がディーゼル機関であることを特徴とする内燃機関の触媒効率向上方法。
3. 請求項１又は請求項２において、
   上記NOx還元触媒が、該触媒に流入する排気に還元剤が噴射供給されて該排気中のNOxを還元するアクティブ・リーンNOx触媒である内燃機関の触媒効率向上方法。
4. 請求項３において、
   上記還元剤が炭化水素である内燃機関の触媒効率向上方法。
5. 請求項１において、
   上記NOx還元触媒が選択触媒還元反応触媒である内燃機関の触媒効率向上方法。
6. 請求項５において、
   上記還元剤が尿素である内燃機関の触媒効率向上方法。
7. 請求項１乃至請求項５のいずれか一において、
   上記内燃機関に起きようとしている加速の検出は、アクセルペダル位置の変化率に基づいて行なう内燃機関の触媒効率向上方法。
8. 請求項１乃至請求項５のいずれか一において、
   上記内燃機関に起きようとしている加速の検出は、該機関の速度の変化率に基づいて行なう内燃機関の触媒効率向上方法。
9. 請求項１乃至請求項５において、
   上記内燃機関に起きようとしている加速の検出は、該機関に対する燃料噴射量の変化率に基づいて行なう内燃機関の触媒効率向上方法。
10. ディーゼル機関により駆動される車両の排気中の過渡時及び定常時のNOx排出物を還元するシステムであって、
    上記機関下流に設けられたNOx還元触媒、
    液体炭化水素の供給源、
    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応じて所定量の炭化水素を導入するバルブ、
    上記機関の加速に先立ち該加速を予報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み、上記機関の少なくとも一つの運転状態を表わすセンサー信号を生成する複数の車両センサー、並びに
    該複数のセンサー信号に応答して、上記機関を制御するプログラム・ルーチンを複数持つ機関制御ユニットを有し、
    上記プログラム・ルーチンが、
    上記機関が定常状態で動作しているときに、該定常状態において発生するNOx排出物の一部を還元するのに十分な所定の第１炭化水素量を、上記バルブを介して導入するための第１命令信号を発生する第１ルーチン、並びに
    上記少なくとも一つの過渡状態センサーが上記機関の加速を予報する信号を発生するときに作動させられる第２ルーチンを含み、
    上記第２ルーチンが、
    上記機関の加速期間に生成されるNOx排出物の一部を還元するのに充分な第２炭化水素量の計算、並びに
    上記機関の加速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炭化水素量を導入するための第２命令信号の発生を行なうことを特徴とする内燃機関のNOx還元システム。
    

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