JP2005226504A - 排気浄化装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯx還元触媒に対する還元剤の吸着量を推定して該還元剤の添加量を適切に制御し得るようにする。
【解決手段】排気管９の途中にＮＯx還元触媒１０を装備し且つ該ＮＯx還元触媒１０の上流側に尿素水添加手段１８（還元剤添加手段）により尿素水１７（還元剤）を添加してＮＯxを還元浄化するようにした排気浄化装置の制御方法に関し、ＮＯx発生量を推定し且つその推定値に見合う尿素水１７の添加量を決定する一方、ＮＯx低減量を推定し且つその推定値に見合うアンモニアの消費量を決定し、前記尿素水１７の添加量の積算値から消費量の積算値を減算してＮＯx還元触媒１０に対するアンモニアの吸着量を推定し、該吸着量に見合う補正係数を決定して該補正係数により尿素水１７の添加量を補正し、その補正した尿素水１７の添加量を前記尿素水添加手段１８への添加指示値とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気浄化装置の制御方法に関するものである。

従来より、ディーゼルエンジンにおいては、排出ガスが流通する排気管の途中に、酸素共存下でも選択的にＮＯxを還元剤と反応させる性質を備えたＮＯx還元触媒（選択還元型触媒）を装備し、該ＮＯx還元触媒の上流側に必要量の還元剤を添加して該還元剤をＮＯx還元触媒上で排出ガス中のＮＯx（窒素酸化物）と還元反応させ、これによりＮＯxの排出濃度を低減し得るようにしたものがある。

他方、プラント等における工業的な排煙脱硝処理の分野では、還元剤にアンモニア（ＮＨ₃）を用いてＮＯxを還元浄化する手法の有効性が既に広く知られているところであるが、自動車の場合には、アンモニアのような有毒な物質を搭載して走行することに関し安全確保が困難であるため、近年においては、毒性のない尿素水を還元剤として使用することが研究されている（例えば、特許文献１参照）。
特表２００２−５１３１１０号公報

即ち、尿素水をＮＯx還元触媒の上流側で排出ガス中に添加すれば、約１７０℃以上の温度条件下で前記尿素水がアンモニアと炭酸ガスに分解され、ＮＯx還元触媒上で排出ガス中のＮＯxがアンモニアにより良好に還元浄化されることになる。

しかしながら、先の特許文献１にも述べられている通り、この種のＮＯx還元触媒においては、その触媒材料としてゼオライトを使用する等してアンモニアの吸着性を高めた場合に、ＮＯx還元触媒上でのＮＯxとアンモニアとの反応性が良くなることが判明しているが、このようにアンモニアの吸着性を高めたＮＯx還元触媒に関し、そのアンモニアの吸着量を推定して尿素水の添加量を制御することまでは検討されていなかった。

このため、単純にＮＯxの発生量に応じて尿素水の添加量を増減するだけでは、既にＮＯx還元触媒に十分な量のアンモニアが吸着されているような場合に、尿素水の添加量が過剰となって反応に寄与しない余剰のアンモニアがＮＯx還元触媒を通過して車外へ排出されてしまうことが懸念された。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、ＮＯx還元触媒に対する還元剤の吸着量を推定して該還元剤の添加量を適切に制御し得るようにした排気浄化装置の制御方法を提供することを目的としている。

本発明は、排気管の途中にＮＯx還元触媒を装備し且つ該ＮＯx還元触媒の上流側に還元剤添加手段により還元剤を添加してＮＯxを還元浄化するようにした排気浄化装置の制御方法であって、ＮＯx発生量を推定し且つその推定値に見合う還元剤の添加量を決定する一方、ＮＯx低減量を推定し且つその推定値に見合う還元剤の消費量を決定し、前記還元剤の添加量の積算値から消費量の積算値を減算してＮＯx還元触媒に対する還元剤の吸着量を推定し、該吸着量に見合う補正係数を決定して該補正係数により還元剤の添加量を補正し、その補正した還元剤の添加量を前記還元剤添加手段への添加指示値とすることを特徴とするものである。

而して、このようにすれば、ＮＯx還元触媒に吸着されている還元剤の吸着量を推定し、その吸着量に見合う補正係数で還元剤の添加量を補正して還元剤添加手段への添加指示値としているので、既にＮＯx還元触媒に十分な量の還元剤が吸着されていたとしても、その吸着量を考慮した添加量に補正されて還元剤が添加されることになり、該還元剤の殆どがＮＯxの還元浄化反応に効率良く使用されて余剰しなくなるので、反応に寄与しなかった還元剤の余剰分がＮＯx還元触媒を通過して車外へ排出されてしまう事態が起こらなくなる。

更に、本発明において、ＮＯx発生量を推定するにあたっては、例えば、エンジンの運転状態に基づいて推定したり、或いは、ＮＯx還元触媒の入口側のＮＯx濃度に基づいて推定したりすることが可能であり、他方、ＮＯx低減量を推定するにあたっては、例えば、ＮＯx還元触媒の入口側のＮＯx濃度から出口側のＮＯx濃度を減算した差分値に基づいて推定したり、或いは、ＮＯx還元触媒の入口側のＮＯx濃度と触媒床温度とに基づいて推定したりすることが可能である。

また、本発明においては、還元剤の吸着量に飽和吸着量より少ない適宜な上限値を設定し、該上限値を超える吸着量が推定された時に還元剤の添加を停止することが好ましい。

即ち、ＮＯx還元触媒に対し飽和吸着量まで還元剤が吸着されてしまうと、エンジンの運転状態の過渡変化（ガス流速の変化、触媒床温度の変化）によりＮＯx還元触媒から還元剤が脱離し易くなって車外へ排出される虞れが高まるため、飽和吸着量より少ないところに設定した上限値を超える吸着量が推定された時点で還元剤の添加を積極的に停止し、ＮＯx還元触媒に吸着されている還元剤でＮＯxの還元浄化を賄うようにすれば、ＮＯx還元触媒に対し還元剤が飽和吸着量まで吸着されなくなる。

更に、本発明においては、尿素水を噴射しない状態で触媒床温度を昇温させてもＮＯx還元触媒の入口側と出口側とでＮＯx濃度に変化がない時に、還元剤の吸着量の推定量を零にリセットすることが好ましい。

即ち、尿素水を噴射しない状態で触媒床温度を昇温させてもＮＯx還元触媒の入口側と出口側とでＮＯx濃度に変化がない時には、ＮＯx還元触媒に還元剤が殆ど吸着していないためにＮＯxの還元浄化反応が全く起こっていないものと看做せるので、このような場合には、吸着量の推定量を零にリセットして還元剤の吸着量の推定をやり直した方が吸着量の推定精度が高くなる。

上記した本発明の排気浄化装置の制御方法によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

（Ｉ）ＮＯx還元触媒に対する還元剤の吸着量を推定して該還元剤の添加量を適切に制御することができるので、添加した還元剤の殆どをＮＯxの還元浄化反応に効率良く使用して余剰しないようにすることができ、反応に寄与しなかった還元剤の余剰分がＮＯx還元触媒を通過して車外へ排出されてしまう事態を防止することができる。

（ＩＩ）還元剤の吸着量に飽和吸着量より少ない適宜な上限値を設定し、該上限値を超える吸着量が推定された時に還元剤の添加を停止するようにすれば、ＮＯx還元触媒に対し還元剤が飽和吸着量まで吸着されてしまわないようにすることができるので、エンジンの運転状態の過渡変化（ガス流速の変化、触媒床温度の変化）によりＮＯx還元触媒から還元剤が脱離して車外へ排出されてしまう事態を防止することができる。

（ＩＩＩ）尿素水を噴射しない状態で触媒床温度を昇温させてもＮＯx還元触媒の入口側と出口側とでＮＯx濃度に変化がない時に、還元剤の吸着量の推定量を零にリセットするようにすれば、還元剤の吸着量の推定精度を高めることができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１〜図３は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１中における符号１はディーゼル機関であるエンジンを示し、ここに図示しているエンジン１では、ターボチャージャ２が備えられており、エアクリーナ３から導いた空気４が吸気管５を介し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへと送られ、該コンプレッサ２ａで加圧された空気４が更にインタークーラ６へと送られて冷却され、該インタークーラ６から図示しないインテークマニホールドへと空気４が導かれてエンジン１の各シリンダに導入されるようにしてある。

また、このエンジン１の各シリンダから排出された排出ガス７がエキゾーストマニホールド８を介し前記ターボチャージャ２のタービン２ｂへと送られ、該タービン２ｂを駆動した排出ガス７が排気管９を介し車外へ排出されるようにしてある。

そして、排出ガス７が流通する排気管９の途中には、ＮＯx還元触媒１０がケーシング１１により抱持されて装備されており、このＮＯx還元触媒１０は、図２に示す如きフロースルー方式のハニカム構造物として形成され、酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させ得るような性質を有している。

更に、ケーシング１１の上流側に電磁式の添加弁１３が配置されていると共に、該添加弁１３と所要場所に設けた尿素水タンク１４との間が供給ポンプ１６を有する尿素水供給ライン１５により接続されていて、該尿素水供給ライン１５の途中に装備した供給ポンプ１６の駆動により尿素水タンク１４内の尿素水１７（還元剤）を添加弁１３を介しＮＯx還元触媒１０の上流側に添加し得るようになっており、これら添加弁１３と尿素水タンク１４と尿素水供給ライン１５と供給ポンプ１６とにより尿素水添加手段１８（還元剤添加手段）が構成されている。

また、ケーシング１１の入口側と出口側に、排気管９内を流れる排出ガス７中のＮＯx濃度を検出するＮＯxセンサ１９，２０が装備されていると共に、ケーシング１１自体とその入口側に、ＮＯx還元触媒１０の触媒床温度を検出する温度センサ２１と、ＮＯx還元触媒１０の入口排気温度を検出する温度センサ２２とが装備されており、これらＮＯxセンサ１９，２０及び温度センサ２１，２２からの検出信号１９ａ，２０ａ，２１ａ，２２ａが、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置１２に対し入力されるようになっている。

他方、前記制御装置１２からは、添加弁１３と供給ポンプ１６に対し開弁指令信号１３ａと駆動指令信号１６ａが夫々出力されるようになっており、前記添加弁１３の開弁作動により尿素水１７の添加量が適切に制御され、その尿素水１７の添加時に必要な噴射圧力が前記供給ポンプ１６の駆動により適宜に得られるようになっている。

図３は前記制御装置１２における具体的な制御手順を示すもので、ステップＳ１にて図示しない回転センサからの検出信号に基づいて現在のエンジン１の回転数が検出される一方、ステップＳ２にて図示しないアクセルセンサ等からの検出信号に基づいて現在の負荷が換算され、これら現在のエンジン１の回転数及び負荷を基にステップＳ３にてマップから現在の運転状態におけるＮＯx発生量が読み出されて推定される。

ここで、本形態例における制御装置１２は、エンジン制御コンピュータを兼ねたものとなっているので、エンジン１の回転数や負荷は常に監視されているわけであるが、これ以外にも冷却水温度や燃料噴射量、吸入空気量等といった他の監視要素を加味してＮＯx発生量を推定することも可能である。

尚、特に本形態例では、ＮＯx還元触媒１０の入口側にＮＯxセンサ１９が装備されているので、このＮＯxセンサ１９により検出されるＮＯx濃度に基づいてＮＯx発生量を推定するようにしても良い。

次いで、ステップＳ４において、先のステップＳ３で得られたＮＯx発生量の推定値に見合う尿素水１７の添加量が算出されることになるが、この際、ステップＳ５にて温度センサ２１により検出された触媒床温度に応じて適宜に尿素水１７の添加量が補正され、更には、後述する尿素水１７の吸着量に見合う補正を加えられて最終的な尿素水１７の添加量が決定され、この最終的な尿素水１７の添加量は、次のステップＳ６で尿素水添加手段１８への添加指示値として出力される一方、ステップＳ７にも導かれて尿素水１７の添加量の積算値Ｘが算出される。

ここで、触媒床温度に応じて尿素水１７の添加量を補正しているのは、ＮＯx還元触媒１０におけるＮＯx低減率が触媒床温度（触媒活性）により大きく左右されるからであり、例えば、触媒床温度が低くて触媒活性が低下している条件下で単純にＮＯx発生量の推定値に見合う添加量で尿素水１７を添加しても使い切れないため、触媒床温度（触媒活性）に応じて使い切れるだけの適正な添加量に制限するべく補正しているのである。

また、ステップＳ８にてＮＯxセンサ１９からの検出信号１９ａに基づきＮＯx還元触媒１０の入口側のＮＯx濃度が検出される一方、ステップＳ９にてＮＯxセンサ２０からの検出信号２０ａに基づきＮＯx還元触媒１０の出口側のＮＯx濃度が検出され、次のステップＳ１０にてＮＯx還元触媒１０の入口側のＮＯx濃度から出口側のＮＯx濃度を減算した差分値に基づきＮＯx還元触媒１０で還元浄化されたＮＯx低減量が推定される。

尚、ＮＯx低減量を推定するにあたっては、ＮＯx還元触媒１０の入口側のＮＯx濃度から出口側のＮＯx濃度を減算した差分値に基づいて推定することに換えて、ＮＯx還元触媒１０の入口側のＮＯx濃度と触媒床温度とに基づいて推定することも可能である。

即ち、前述した通り、ＮＯx還元触媒１０におけるＮＯx低減率は、触媒床温度（触媒活性）により概ね決まるものであるため、温度センサ２１により触媒床温度が判れば、ＮＯx還元触媒１０におけるＮＯx低減率が推定でき、このＮＯx低減率をＮＯx還元触媒１０の入口側のＮＯx濃度に乗算すれば、ＮＯx還元触媒１０で還元浄化されたＮＯx低減量が推定される。

そして、ステップＳ１１において、先のステップＳ１０で得られたＮＯx低減量の推定値に見合うアンモニアの消費量が算出され、次のステップＳ１２にてアンモニアの消費量の積算値Ｙが算出される。

次いで、ステップＳ１３においては、先のステップＳ７で算出された尿素水１７の添加量の積算値Ｘから、ステップＳ１２で算出されたアンモニアの消費量の積算値Ｙが減算されてＮＯx還元触媒１０に対するアンモニアの吸着量Ｚが推定される。

ただし、尿素水１７の添加量の積算値Ｘとアンモニアの消費量の積算値Ｙは、ステップＳ１４にて尿素水１７を噴射しない状態で触媒床温度を昇温させてもＮＯx還元触媒１０の入口側と出口側とでＮＯx濃度に変化がない時に零にリセットされるようになっており、結果的にステップＳ１３におけるアンモニアの吸着量Ｚの推定量が零にリセットされるようになっている。

即ち、尿素水１７を噴射しない状態で触媒床温度を昇温させてもＮＯx還元触媒１０の入口側と出口側とでＮＯx濃度に変化がない時には、ＮＯx還元触媒１０にアンモニアが殆ど吸着していないためにＮＯxの還元浄化反応が全く起こっていないものと看做せるので、このような場合には、吸着量Ｚの推定量を零にリセットしてアンモニアの吸着量Ｚの推定をやり直すようにしている。

そして、先のステップＳ１３で推定されたアンモニアの吸着量Ｚが、ステップＳ１５にて吸着率０％に近い適宜な下限値Ａと飽和吸着量（吸着率１００％）より少ない適宜な上限値Ｂとの間（Ａ≦Ｚ≦Ｂ）に含まれると確認された場合に次のステップＳ１６へと進み、ＮＯx還元触媒１０の入口排気温度と触媒床温度とにより作成した係数マップＩから温度センサ２１，２２の検出信号２１ａ，２２ａに基づいて補正係数ｋ1が読み出され、この補正係数ｋ1が先のステップＳ４における尿素水１７の添加量の補正に用いられることになる。

即ち、ＮＯx還元触媒１０上でのＮＯxの還元浄化反応に寄与することになるアンモニアの吸着分を考慮し、前記ＮＯxの還元浄化反応に寄与しないアンモニアの余剰分が生じないように先のステップＳ４で推定した尿素水１７の添加量を補正するための補正係数ｋ1が係数マップＩから読み出される。

ここで、係数マップＩをＮＯx還元触媒１０の入口排気温度と触媒床温度とにより作成しているのは、尿素水１７から分解（アンモニアと炭酸ガスに熱分解）できるアンモニア分が入口排気温度に依存している点と、ＮＯx還元触媒１０の触媒活性が触媒床温度に依存している点を考慮したからである。

また、先のステップＳ１３で推定されたアンモニアの吸着量Ｚが、ステップＳ１７にて下限値Ａより少ない（Ｚ＜Ａ）と確認された場合には、次のステップＳ１８へと進んで前記係数マップＩとは別の係数マップＩＩから補正係数ｋ2が読み出され、この補正係数ｋ2が先のステップＳ４における尿素水１７の添加量の補正に用いられることになる。

尚、この係数マップＩＩも前記の係数マップＩと同様にＮＯx還元触媒１０の入口排気温度と触媒床温度とにより作成したものであるが、同じ温度条件下では補正係数ｋ1よりも補正係数ｋ2の方が大きな係数になるようにしてある。

即ち、ＮＯx還元触媒１０に吸着するアンモニアのいくらかは触媒の格子（バルク）の奥深くに吸着してＮＯxの還元浄化反応に寄与しないものとなるため、下限値Ａより少ない吸着量Ｚでは、先のステップＳ１５の場合よりも少し多めの添加量に補正するべく補正係数ｋ2が採用される。

更に、先のステップＳ１３で推定されたアンモニアの吸着量Ｚが、ステップＳ１９にて上限値Ｂを超えている（Ｚ＞Ｂ）と確認された場合には、次のステップＳ２０へと進んで尿素水１７の噴射停止が決定され、先のステップＳ４における尿素水１７の添加量が零に補正される。

即ち、ＮＯx還元触媒１０に対し飽和吸着量までアンモニアが吸着されてしまうと、エンジン１の運転状態の過渡変化（ガス流速の変化、触媒床温度の変化）によりＮＯx還元触媒１０からアンモニアが脱離し易くなって車外へ排出される虞れが高まるため、飽和吸着量より少ないところに設定した上限値Ｂを超える吸着量Ｚが推定された時点で尿素水１７の添加を積極的に停止し、ＮＯx還元触媒１０に吸着されているアンモニアでＮＯxの還元浄化を賄い、ＮＯx還元触媒１０に対しアンモニアが飽和吸着量まで吸着されないようにしている。

而して、このような制御装置１２により排気浄化装置の制御を行えば、ＮＯx還元触媒１０に吸着されているアンモニアの吸着量Ｚを推定し、その吸着量Ｚに見合う補正係数（ｋ1、ｋ2又は噴射停止）で尿素水１７の添加量を補正して尿素水添加手段１８への添加指示値としているので、既にＮＯx還元触媒１０に十分な量の尿素水１７が吸着されていたとしても、その吸着量Ｚを考慮した添加量に補正されて尿素水１７が添加されることになり、該尿素水１７の殆どがＮＯxの還元浄化反応に効率良く使用されて余剰しなくなるので、反応に寄与しなかったアンモニアの余剰分がＮＯx還元触媒１０を通過して車外へ排出されてしまう事態が起こらなくなる。

従って、上記形態例によれば、ＮＯx還元触媒１０に対するアンモニアの吸着量Ｚを推定して尿素水１７の添加量を適切に制御することができるので、添加した尿素水１７の殆どをＮＯxの還元浄化反応に効率良く使用して余剰しないようにすることができ、反応に寄与しなかったアンモニアの余剰分がＮＯx還元触媒１０を通過して車外へ排出されてしまう事態を防止することができる。

更に、アンモニアの吸着量Ｚに飽和吸着量より少ない適宜な上限値Ｂを設定し、該上限値Ｂを超える吸着量Ｚが推定された時に尿素水１７の添加を停止するようにしているので、ＮＯx還元触媒１０に対し尿素水１７が飽和吸着量まで吸着されてしまわないようにすることができ、これによって、エンジン１の運転状態の過渡変化（ガス流速の変化、触媒床温度の変化）によりＮＯx還元触媒１０からアンモニアが脱離して車外へ排出されてしまう事態を防止することができる。

また、尿素水１７を噴射しない状態で触媒床温度を昇温させてもＮＯx還元触媒１０の入口側と出口側とでＮＯx濃度に変化がない時に、アンモニアの吸着量Ｚの推定量を零にリセットするようにしているので、アンモニアの吸着量Ｚの推定精度を高めることができる。

尚、本発明の排気浄化装置の制御方法は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、還元剤の吸着量に見合う補正係数の決め方には、図３のフローチャートに示した以外の手法を用いても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。 図１のＮＯx還元触媒を部分的に切り欠いて示す斜視図である。 図１の制御装置の具体的な制御手順を示すフローチャートである。

符号の説明

７ 排出ガス
９ 排気管
１０ ＮＯx還元触媒
１２ 制御装置
１７ 尿素水（還元剤）
１８ 尿素水添加手段（還元剤添加手段）
１９ ＮＯxセンサ
２０ ＮＯxセンサ
２１ 温度センサ

Claims (7)

1. 排気管の途中にＮＯx還元触媒を装備し且つ該ＮＯx還元触媒の上流側に還元剤添加手段により還元剤を添加してＮＯxを還元浄化するようにした排気浄化装置の制御方法であって、ＮＯx発生量を推定し且つその推定値に見合う還元剤の添加量を決定する一方、ＮＯx低減量を推定し且つその推定値に見合う還元剤の消費量を決定し、前記還元剤の添加量の積算値から消費量の積算値を減算してＮＯx還元触媒に対する還元剤の吸着量を推定し、該吸着量に見合う補正係数を決定して該補正係数により還元剤の添加量を補正し、その補正した還元剤の添加量を前記還元剤添加手段への添加指示値とすることを特徴とする排気浄化装置の制御方法。
2. エンジンの運転状態に基づきＮＯx発生量を推定することを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置の制御方法。
3. ＮＯx還元触媒の入口側のＮＯx濃度に基づきＮＯx発生量を推定することを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置の制御方法。
4. ＮＯx還元触媒の入口側のＮＯx濃度から出口側のＮＯx濃度を減算した差分値に基づきＮＯx低減量を推定することを特徴とする請求項１、２又は３に記載の排気浄化装置の制御方法。
5. ＮＯx還元触媒の入口側のＮＯx濃度と触媒床温度とに基づきＮＯx低減量を推定することを特徴とする請求項１、２又は３に記載の排気浄化装置の制御方法。
6. 還元剤の吸着量に飽和吸着量より少ない適宜な上限値を設定し、該上限値を超える吸着量が推定された時に還元剤の添加を停止することを特徴とする請求項１、２、３、４又は５に記載の排気浄化装置の制御方法。
7. 尿素水を噴射しない状態で触媒床温度を昇温させてもＮＯx還元触媒の入口側と出口側とでＮＯx濃度に変化がない時に、還元剤の吸着量の推定量を零にリセットすることを特徴とする請求項１、２、３、４、５又は６に記載の排気浄化装置の制御方法。

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