JP2004293489A

JP2004293489A - エンジンの排気浄化装置

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Publication number: JP2004293489A
Application number: JP2003089579A
Authority: JP
Inventors: Masanobu Hirata; 公信平田
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2004-10-21
Anticipated expiration: 2023-03-28
Also published as: JP3943044B2

Abstract

【課題】窒素酸化物還元触媒に吸着しきれなくなった還元剤がその下流に排出されないようにする。
【解決手段】エンジン１の排気通路２に介装され、還元剤を使用して排気中の窒素酸化物を還元除去する窒素酸化物還元触媒３と、還元剤を貯蔵する還元剤貯蔵タンク４と、還元剤貯蔵タンク４に貯蔵された還元剤を窒素酸化物還元触媒３の上流側に添加する還元剤添加装置５と、還元剤添加コントローラ１０と、を含んでエンジンの排気浄化装置を構成する。還元剤添加コントローラ１０は、エンジン１の運転状況に応じた還元剤の目標添加量を演算し、排気中に実際に添加された還元剤の実添加量から還元剤の目標添加量を減算した差を順次積算して、窒素酸化物還元触媒３に吸着されている還元剤の推定吸着量を演算する。そして、この還元剤の推定吸着量に基づいて、還元剤添加装置３による還元剤の添加量を制御する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気中に還元剤を添加して、窒素酸化物還元触媒にて窒素酸化物を還元除去するエンジンの排気浄化装置において、特に、還元剤の添加量を最適に制御する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンやリーンバーンガソリンエンジン等の機関から排出される排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）を還元除去する排気浄化装置として、特開２００２−２５０２２０号公報（特許文献１）に開示されるような排気浄化装置が提案されている。かかる排気浄化装置は、酸素過剰雰囲気で窒素酸化物を無害な窒素（Ｎ_２）、酸素（Ｏ_２）に還元除去すべく、エンジンの排気通路に窒素酸化物還元触媒が介装されている。また、窒素酸化物還元触媒における窒素酸化物の浄化効率を高めるべく、尿素（（ＮＨ_２）_２ＣＯ）等の還元剤を搭載し、窒素酸化物還元触媒の上流側の排気通路に還元剤を添加する構成が採用されている。そして、排気中の窒素酸化物が充分に還元除去されるように、窒素酸化物の排出量に見合った量の還元剤を添加するようにしている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２５０２２０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、添加された還元剤は、その全てが窒素酸化物と反応するのではなく、反応しきれなかった還元剤の一部は窒素酸化物還元触媒に吸着されてしまう。そして、窒素酸化物還元触媒に吸着された還元剤の量が所定量を超えると、過渡運転状況下において、応答遅れによる還元剤の過剰な添加や、触媒温度の変化による還元剤の吸着能力の変化により、窒素酸化物還元触媒に吸着しきれなくなった還元剤の一部が窒素酸化物還元触媒の下流に排出されてしまう。
【０００５】
なお、この還元剤は、アンモニア（ＮＨ_３）や、炭化水素（ＨＣ）であるので、大気中に排出されることは好ましくない。
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、窒素酸化物還元触媒に吸着されている還元剤の吸着量を演算により推定し、これに応じて還元剤の添加量を制御することによって、窒素酸化物還元触媒に吸着しきれなくなった還元剤が窒素酸化物還元触媒の下流に排出されないようにするエンジンの排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１記載の発明は、エンジンの排気通路に介装され、還元剤を使用して排気中の窒素酸化物を還元除去する窒素酸化物還元触媒と、前記還元剤を貯蔵する還元剤貯蔵手段と、前記還元剤貯蔵手段に貯蔵された還元剤を前記窒素酸化物還元触媒の上流側に添加する還元剤添加手段と、前記エンジンの運転状況に応じた還元剤の目標添加量を演算する目標添加量演算手段と、前記窒素酸化物還元触媒の上流側に実際に添加された還元剤の実添加量から前記目標添加量演算手段により演算された還元剤の目標添加量を減算した差を順次積算して、前記窒素酸化物還元触媒に吸着されている還元剤の推定吸着量を演算する推定吸着量演算手段と、前記推定吸着量演算手段により演算された還元剤の推定吸着量に基づいて、前記還元剤添加手段による還元剤の添加量を制御する制御手段と、を含んでエンジンの排気浄化装置が構成されることを特徴とする。
【０００７】
かかる構成によれば、還元剤の実添加量からエンジンの運転状況に応じた還元剤の目標添加量を減算した差を順次積算して、窒素酸化物還元触媒に吸着されている還元剤の推定吸着量が求められる。そして、この推定吸着量に基づいて、還元剤の添加量が制御されるので、還元剤の吸着量に見合った適正な量の還元剤が窒素酸化物還元触媒の上流側に添加される。
【０００８】
請求項２記載の発明は、吸気流量とエンジン回転速度と燃料供給量とに基づいて、窒素酸化物の排出量を演算する排出量演算手段と、前記窒素酸化物還元触媒の温度に基づいて、窒素酸化物還元触媒における窒素酸化物の浄化率を演算する浄化率演算手段と、を備え、前記目標添加量演算手段は、前記窒素酸化物の排出量及び浄化率に基づいて、前記還元剤の目標添加量を演算することを特徴とする。
【０００９】
かかる構成によれば、吸気流量とエンジン回転速度と燃料供給量とに基づいて演算された窒素酸化物の排出量と、窒素酸化物還元触媒の温度に基づいて演算された窒素酸化物の浄化率と、により、還元剤の目標添加量が演算されるので、エンジンの運転状況に応じた還元剤の目標添加量が求められる。
【００１０】
請求項３記載の発明は、前記制御手段は、前記還元剤の推定吸着量が第１の所定値未満かつ第２の所定値以上となるように、前記還元剤の添加量を制御することを特徴とする。
【００１１】
かかる構成によれば、還元剤の推定吸着量が第１の所定値未満かつ第２の所定値以上となるように還元剤の添加量が制御されるので、窒素酸化物還元触媒における窒素酸化物の吸着量が所定の範囲に保持される。
【００１２】
請求項４記載の発明は、前記エンジンは車両の走行用エンジンであり、前記制御手段は、前記車両の走行距離を積算した積算走行距離が第３の所定値に達する毎に、前記還元剤の推定吸着量を前記第１の所定値以上に設定することを特徴とする。
【００１３】
かかる構成によれば、車両の走行距離を積算した積算走行距離が第３の所定値に達する毎に、還元剤の推定吸着量が第１の所定値以上に設定されるので、還元剤の添加が停止或いは減量され、窒素酸化物還元触媒に吸着された還元剤が強制的に消費される。
【００１４】
請求項５記載の発明は、前記制御手段は、前記エンジンの運転時間を積算した積算運転時間が第４の所定値に達する毎に、前記還元剤の推定吸着量を前記第１の所定値以上に設定することを特徴とする。
【００１５】
かかる構成によれば、積算運転時間が第４の所定値に達する毎に、前記還元剤の推定吸着量が第１の所定値以上に設定されるので、還元剤の添加が停止或いは減量され、窒素酸化物還元触媒に吸着された還元剤が強制的に消費される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、本発明に係るエンジンの排気浄化装置の構成を示すブロック図である。
【００１７】
ディーゼルエンジンやリーンバーンエンジン等のように、酸素が過剰な条件で運転されるエンジン１の排気通路２には、窒素酸化物を還元除去する窒素酸化物還元触媒３が介装されている。
【００１８】
窒素酸化物還元触媒３は、セラミックのコーディライトやＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系の耐熱鋼からなるハニカム形状の横断面を有するモノリスタイプの触媒担体に、例えば、ゼオライト系の活性成分が担持された構成をなす。そして、触媒担体に担持された活性成分は、アンモニア、炭化水素等の還元剤の供給を受けて活性化し、窒素酸化物を効果的に無害物質に転化させる。
【００１９】
更に、還元剤を貯蔵する還元剤タンク４（還元剤貯蔵手段）が設けられている。そして、還元剤タンク４内に貯蔵された還元剤は、還元剤添加装置５（還元剤添加手段）にて、ポンプ６により圧縮された空気と混合し、窒素酸化物還元触媒３の上流側の排気通路２内に添加される。
【００２０】
ところで、エンジン１には、マイクロコンピュータを内蔵し、運転制御を行うエンジンコントローラ７が設けられている。このエンジンコントローラ７からは、吸気流量及びエンジン回転速度、燃料供給量及び走行距離の信号が出力可能になっている。更に、窒素酸化物還元触媒３の触媒温度を直接的又は間接的に検出する触媒温度センサ８が設けられている。また、還元剤添加装置５には、実際に排気通路２に添加された還元剤の実添加量を検出する添加流量センサ９が設けられている。なお、この還元剤の実添加量は還元剤添加装置５及びポンプ６の制御値より演算から求めてもよい。
【００２１】
排気浄化装置には、マイクロコンピュータを内蔵し、ソフトウエア的に目標添加量演算手段、推定吸着量演算手段、排出量演算手段及び浄化率演算手段を実現する還元剤添加コントローラ１０が設けられている。
【００２２】
還元剤添加コントローラ１０は、エンジンコントローラ７から入力した吸気流量、エンジン回転速度、燃料供給量及び走行距離と、触媒温度センサ８により検出された触媒温度と、添加流量センサ９により検出された実添加量と、に基づいて、ポンプ６及び還元剤添加装置５を制御する。
【００２３】
ここで、図２を用いて、還元剤添加コントローラ１０における制御方法を詳述する。まず、還元剤添加コントローラ１０は、キースイッチ等の電源スイッチＯＮにて電源が供給され、制御を開始する。始めにステップ１（図ではＳ１と表記する、以下同様）では、エンジンコントローラ７から出力された吸気流量と、エンジン回転速度と、燃料供給量と、に基づいて窒素酸化物の排出量を演算する。この演算は、あらかじめ還元剤添加コントローラ１０に、吸気流量、エンジン回転速度及び燃料供給量に対応した窒素酸化物の排出量を表したマップを記憶させておき、このマップから、吸気流量、エンジン回転速度及び燃料供給量に対応した窒素酸化物の排出量を読み出すことによって行われる。なお、ステップ１の処理は排出量演算手段に該当する。
【００２４】
ステップ２では、触媒温度センサ８により検出された触媒温度から、窒素酸化物還元触媒３における窒素酸化物の浄化率を演算する。この演算は、あらかじめ還元剤添加コントローラ１０に、窒素酸化物還元触媒３の触媒温度に対応した窒素酸化物の浄化率を表したマップを記憶させておき、このマップから触媒温度に対応した窒素酸化物の浄化率を読み出すことによって行われる。なお、ステップ２の処理は浄化率演算手段に該当する。
【００２５】
ステップ３では、窒素酸化物の排出量と窒素酸化物の浄化率とを乗算することにより、窒素酸化物還元触媒３にて還元除去可能な窒素酸化物の量を求める。
ステップ４では、還元除去可能な窒素酸化物の量より、還元剤の目標添加量を演算する。この演算は、あらかじめ還元剤添加コントローラ１０に、還元除去可能な窒素酸化物の量に対応した還元剤の目標添加量を表したマップを記憶させておき、このマップから還元可能な窒素酸化物の量に対応した還元剤の目標添加量を読み出すことによって行ってもよいし、還元除去可能な窒素酸化物の量から直接算出してもよい。なお、ステップ１〜４の一連の処理は目標添加量演算手段に該当する。
【００２６】
ステップ５では、還元剤の目標添加量を窒素酸化物還元触媒３の上流側の排気通路２に添加するように、還元剤添加装置５及びポンプ６を作動制御する。
ステップ６では、添加流量センサ９により検出された還元剤の実添加量から還元剤の目標添加量を減算した差を求め、この差を順次積算して、還元剤の推定吸着量を求める。但し、窒素酸化物還元触媒３に吸着されている還元剤の吸着量はマイナス或いは窒素酸化物還元触媒３に吸着可能な還元剤の限界吸着量を超えることはないので、この還元剤の推定吸着量がマイナスとなってしまった場合は０にし、限界吸着量を超えた場合には限界吸着量に設定する。なお、ステップ５の処理は推定吸着量演算手段に該当する。
【００２７】
ステップ７では、エンジンコントローラ７から出力された走行距離を順次積算し、積算走行距離を求める。
ステップ８では、積算走行距離が距離設定値（第３の所定値）以上か否かを判定する。積算走行距離が、距離設定値以上である場合は、ステップ９へ進む（ＹＥＳ）。積算走行距離が距離設定値未満である場合は、ステップ１１へ進む（ＮＯ）。なお、この距離設定値は、任意に設定可能とする。
【００２８】
ステップ９では、還元剤の推定吸着量を、窒素酸化物還元触媒３に吸着可能な還元剤の限界吸着量にする。
ステップ１０では、積算走行距離を０にする。そして、ステップ１２へ進む。
【００２９】
ステップ１１では、触媒温度センサ８により検出された触媒温度から、上限閾値を演算する。この演算は、あらかじめ還元剤添加コントローラ１０に図３の実線で示すような触媒温度に対応した上限閾値を表したマップを記憶させておき、このマップから触媒温度に対応した上限閾値を読み出すことによって行われる。上限閾値は、触媒温度に対応した窒素酸化物還元触媒３での還元剤の限界吸着量の略７０％に相当する値である。そして、還元剤の推定吸着量が上限閾値以上か否かを判定する。還元剤の推定吸着量が上限閾値以上である場合は、ステップ１２へ進む（ＹＥＳ）。還元剤の推定吸着量が上限閾値未満である場合は、ステップ１へ戻る（ＮＯ）。
【００３０】
ステップ１２では、還元剤の添加量が０になるように還元剤添加装置５及びポンプ６を作動制御する。または、還元剤の添加量が目標添加量より少なくなるように還元剤添加装置５及びポンプ６を作動制御する。
【００３１】
ステップ１３では、添加流量センサ９により検出された還元剤の実添加量を入力し、ステップ１〜４の一連の制御と同様にして求めた還元剤の目標添加量から還元剤の実添加量を減算して差を求める。そして、この差を窒素酸化物還元触媒３に吸着した還元剤のうち消費された分の還元剤量として、還元剤の推定吸着量から減算する。
【００３２】
ステップ１４では、触媒温度センサ８により検出された触媒温度から、下限閾値（第２の所定値）を演算する。この演算は、あらかじめ還元剤添加コントローラ１０に図３の破線で示すような触媒温度に対応した下限閾値を表したマップを記憶させておき、このマップから触媒温度に対応した下限閾値を読み出すことによって行われる。下限閾値は、触媒温度に対応した窒素酸化物還元触媒３での還元剤の限界吸着量の略３０％に相当する値である。そして、ステップ１３にて減算された還元剤の推定吸着量が下限閾値未満であるか否かを判定する。還元剤の推定吸着量が下限閾値未満である場合は、ステップ１へ戻る（ＹＥＳ）。還元剤の推定吸着量が下限閾値以上の場合は、ステップ１２へ戻る（ＮＯ）。なお、ステップ７〜１４の一連の制御は制御手段に該当する。
【００３３】
以上のようにして、窒素酸化物の排出量と窒素酸化物還元触媒３における窒素酸化物の浄化率とにより、窒素酸化物を還元除去するために必要な還元剤の目標添加量を演算し、この還元剤の目標添加量を窒素酸化物還元触媒３の上流側の排気通路２に添加して、窒素酸化物還元触媒３にて排気中の窒素酸化物を還元除去する。
【００３４】
そして、還元剤の実添加量から還元剤の目標添加量を減算した差を順次積算して、窒素酸化物還元触媒３に吸着された還元剤の推定吸着量を演算する。還元剤の推定吸着量が上限閾値以上である場合は、還元剤の添加を停止或いは減量させるとともに、還元剤の推定吸着量が下限閾値未満である場合は、還元剤の添加の停止或いは減量を中止し、窒素酸化物の排出量に基づく還元剤の添加を再開させるので、窒素酸化物還元触媒３に吸着された還元剤の吸着量は上限閾値及び下限閾値の間に保持される。
【００３５】
これにより、排気中の窒素酸化物と反応しきれなかった還元剤があったとしても、窒素酸化物還元触媒３に吸着して、下流に還元剤が排出されることが防止される。更に、窒素酸化物還元触媒３において還元剤が不足してしまった場合でも、窒素酸化物還元触媒３に吸着されている還元剤が用いられて窒素酸化物の還元除去が効率よく行なわれる。
【００３６】
また、還元剤添加コントローラ１０は、所定の積算走行距離毎に、還元剤の推定吸着量を還元剤の限界吸着量に設定するので、還元剤の添加が停止或いは減量され、窒素酸化物還元触媒３に吸着された還元剤が強制的に消費される。そして、還元剤の推定吸着量が下限閾値に達して還元剤の添加の停止或いは減量が中止されたときには、窒素酸化物還元触媒３に吸着されている還元剤の吸着量は下限閾値以下になる。これにより、窒素酸化物還元触媒３に吸着されている還元剤の吸着量と還元剤の推定吸着量とが相違しても、所定の積算走行距離毎に、窒素酸化物還元触媒３に吸着されている還元剤の吸着量と還元剤の推定吸着量との差は下限閾値以下になる。
【００３７】
なお、本実施例では、還元剤添加コントローラ１０における制御方法のステップ８において、積算走行距離が距離設定値以上か否かを判定したが、積算走行距離ではなく、エンジンの運転時間を順次積算した積算運転時間で判定してもよい。この場合、エンジンの積算運転時間が時間設定値（第４の所定値）以上である場合は、ステップ９に進み、エンジンの積算運転時間が時間設定値未満である場合はステップ１１へ進むように制御する。
【００３８】
また、本実施例では、還元剤添加コントローラ１０における制御方法のステップ１４において、下限閾値を触媒温度に対応した窒素酸化物還元触媒３での還元剤の限界吸着量の略３０％に相当する値に設定したが、下限閾値を０に設定してもよい。この場合、還元剤の吸着量が０である場合はステップ１に戻り、還元剤の吸着量が０でない場合はステップ１２に戻るように制御する。これにより、所定の積算走行距離毎に窒素酸化物還元触媒３に吸着されている還元剤の吸着量と還元剤の推定吸着量との差が０になる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、窒素酸化物還元触媒に吸着されている還元剤の推定吸着量に基づいて、還元剤の添加量が制御されるので、最適な量の還元剤が窒素酸化物還元触媒の上流側に添加される。これにより、窒素酸化物還元触媒において窒素酸化物を還元除去する際に還元剤が余剰となることがなく、還元剤が窒素酸化物還元触媒の下流に排出されることがない。また、窒素酸化物還元触媒において窒素酸化物が還元除去される際に還元剤が不足することもなく、窒素酸化物の還元除去を効率よく行える。
【００４０】
請求項２記載の発明によれば、吸気流量とエンジン回転速度と燃料供給量とに基づいて演算された窒素酸化物の排出量と、窒素酸化物還元触媒の温度に基づいて演算された窒素酸化物の浄化率と、により、還元剤の目標添加量が演算されるので、エンジンの運転状況に応じた還元剤の目標添加量が求められる。
【００４１】
請求項３記載の発明によれば、還元剤の推定吸着量が第１の所定値未満かつ第２の所定値以上となるように還元剤の添加量が制御されるので、窒素酸化物還元触媒における窒素酸化物の吸着量が所定の範囲に保持される。これにより、排気中の窒素酸化物と反応しきれなかった還元剤があったとしても窒素酸化物還元触媒に吸着するとともに、窒素酸化物還元触媒に吸着されている還元剤により還元剤の一時的な不足があった場合にも還元剤を補うことができる。
【００４２】
請求項４記載の発明によれば、車両の走行距離を積算した積算走行距離が第３の所定値に達する毎に、窒素酸化物還元触媒に吸着された還元剤が強制的に消費される。そして、還元剤の推定吸着量が第２の所定値になると、窒素酸化物還元触媒に吸着されている還元剤の吸着量は第２の所定値以下になるので、還元剤の推定吸着量と窒素酸化物還元触媒に吸着されている還元剤の吸着量との差は第２の所定値以下になる。例えば、第２の所定値を０にすると、積算走行距離が第３の所定値に達する毎に、還元剤の推定吸着量と窒素酸化物還元触媒に吸着されている還元剤の吸着量との差がなくなる。
【００４３】
請求項５記載の発明によれば、エンジンの運転時間を積算した積算運転時間が第４の所定値に達する毎に、窒素酸化物還元触媒に吸着された還元剤が強制的に消費される。そして、還元剤の推定吸着量が第２の所定値になると、窒素酸化物還元触媒に吸着されている還元剤の吸着量は第２の所定値以下になるので、窒素酸化物還元触媒に吸着されている還元剤の吸着量と還元剤の推定吸着量との差は第２の所定値以下になる。例えば、第２の所定値を０にすると、積算走行距離が第３の所定値に達する毎に、還元剤の推定吸着量と窒素酸化物還元触媒に吸着されている還元剤の吸着量との差がなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のエンジンの排気浄化装置の構成を示すブロック図
【図２】還元剤添加コントローラにおける制御内容を示すフローチャート
【図３】触媒温度に対応する上限及び下限閾値を示すマップの説明図
【符号の説明】
１エンジン
３窒素酸化物還元触媒
４還元剤タンク
５還元剤添加装置
７エンジンコントローラ
８触媒温度センサ
９添加流量センサ
１０還元剤添加コントローラ

Claims

エンジンの排気通路に介装され、還元剤を使用して排気中の窒素酸化物を還元除去する窒素酸化物還元触媒と、
前記還元剤を貯蔵する還元剤貯蔵手段と、
前記還元剤貯蔵手段に貯蔵された還元剤を前記窒素酸化物還元触媒の上流側に添加する還元剤添加手段と、
前記エンジンの運転状況に応じた還元剤の目標添加量を演算する目標添加量演算手段と、
前記窒素酸化物還元触媒の上流側に実際に添加された還元剤の実添加量から前記目標添加量演算手段により演算された還元剤の目標添加量を減算した差を順次積算して、前記窒素酸化物還元触媒に吸着されている還元剤の推定吸着量を演算する推定吸着量演算手段と、
前記推定吸着量演算手段により演算された還元剤の推定吸着量に基づいて、前記還元剤添加手段による還元剤の添加量を制御する制御手段と、
を含んで構成されることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
吸気流量とエンジン回転速度と燃料供給量とに基づいて、窒素酸化物の排出量を演算する排出量演算手段と、
前記窒素酸化物還元触媒の温度に基づいて、窒素酸化物還元触媒における窒素酸化物の浄化率を演算する浄化率演算手段と、
を備え、
前記目標添加量演算手段は、前記窒素酸化物の排出量及び浄化率に基づいて、前記還元剤の目標添加量を演算することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
前記制御手段は、前記還元剤の推定吸着量が第１の所定値未満かつ第２の所定値以上となるように、前記還元剤の添加量を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジンの排気浄化装置。
前記エンジンは車両の走行用エンジンであり、
前記制御手段は、前記車両の走行距離を積算した積算走行距離が第３の所定値に達する毎に、前記還元剤の推定吸着量を前記第１の所定値以上に設定することを特徴とする請求項３に記載のエンジンの排気浄化装置。
前記制御手段は、前記エンジンの運転時間を積算した積算運転時間が第４の所定値に達する毎に、前記還元剤の推定吸着量を前記第１の所定値以上に設定することを特徴とする請求項３に記載のエンジンの排気浄化装置。