JP2007262939A - 選択還元型ＮＯｘ触媒付きエンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】選択還元型ＮＯｘ触媒による排気浄化を適切に実施する選択還元型ＮＯｘ触媒付きエンジンの制御装置を提供する。
【解決手段】エンジン(2)の排気系にそれぞれ設けられ、排ガス中のパティキュレートを捕捉するパティキュレートフィルタ(40)、及びフィルタの下流側に配置されて還元剤の添加によって排ガス中のＮＯｘを浄化する選択還元型ＮＯｘ触媒(42)と、還元剤の添加量制御を実施するコントローラ(10)とを具備し、コントローラは、フィルタに捕捉されたパティキュレートの堆積量を検知してエンジンから排出されるＮＯｘ排出量を演算する演算手段(58)と、演算されたＮＯｘ排出量に応じて還元剤の添加量を決定する決定手段(60)とを含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、還元剤の添加によって排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元浄化させる選択還元型ＮＯｘ触媒と、排ガス中のパティキュレート（ＰＭ）を捕捉するパティキュレートフィルタとを備えたエンジンの制御装置に関する。

この種のエンジン、例えばディーゼルエンジンではリーン空燃比での燃焼が行われる。そして、燃料は気筒内の圧縮空気に向けて噴射され、自発火によって燃焼するため、ＮＯｘの発生が顕著になる。そこで、このＮＯｘから酸素（Ｏ_２）を奪って窒素（Ｎ_２）に還元する技術がある。一方、このエンジンでは、上述した燃焼が行われるが故に排ガス中に含まれるＰＭの浄化も要求される。そこで、このＰＭを捕捉し、強制的に焼却して浄化する技術がある。

これらの技術の一例としては、パティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）及びＮＯｘ吸蔵触媒を備えた排気浄化装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。そして、この装置では炭化水素（ＨＣ）を上記ＮＯｘ吸蔵触媒に向けて供給しており、未燃ＨＣの添加量制御には、ＰＭの堆積量から吸入空気量を把握し、この吸入空気量が反映されている。ＮＯｘ吸蔵触媒によるＮＯｘ浄化には理想的なＡ／Ｆを有する排ガスが必要になるが、吸入空気量はＰＭ堆積量に応じて変動するので、このＡ／Ｆを有する排ガスを得るためにはＰＭ堆積量を考慮しなければならないからである。
特開２００１−１９３４４０号公報

ところで、ＮＯｘをＮ_２に還元する技術の他の一例としては、尿素を還元剤として排ガス中のＮＯｘを選択還元する選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）がある。具体的には、排ガスにユリア水（尿素水）を添加すると、尿素がアンモニア（ＮＨ_３）に変化する。そして、ＳＣＲ触媒内ではこのＮＨ_３と排ガス中のＮＯｘとが結びついて水とＮ_２とに分解され、ＮＯｘを浄化する。

しかしながら、上述した吸入空気量を把握してもユリア水の添加量制御は行えない点に留意しなければならない。
当該ＳＣＲ触媒の機能を鑑みれば、ユリア水の添加量はＳＣＲ触媒の上流側に存在するＮＯｘ生成量に応じて決定すべきものであり、吸入空気量を把握してもこのＮＯｘ生成量は把握できないからである。よって、これではＮＯｘ生成量が少なくなってもユリア水は減量されないので、アンモニアスリップが発生するし、また、ＮＯｘ生成量が多くなってもユリア水は増量されないことから、ＳＣＲ触媒から排出されるＮＯｘ量が増加してしまうとの問題がある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、選択還元型ＮＯｘ触媒による排気浄化を適切に実施する選択還元型ＮＯｘ触媒付きエンジンの制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成すべく、請求項１記載の選択還元型ＮＯｘ触媒付きエンジンの制御装置は、エンジンの排気系にそれぞれ設けられ、排ガス中のパティキュレートを捕捉するパティキュレートフィルタ、及びこのフィルタの下流側に配置されて還元剤の添加によって排ガス中のＮＯｘを浄化する選択還元型ＮＯｘ触媒と、還元剤の添加量制御を実施するコントローラとを具備し、コントローラは、フィルタに捕捉されたパティキュレートの堆積量を検知してエンジンから排出されるＮＯｘの排出量を演算する演算手段と、この演算されたＮＯｘ排出量に応じて還元剤の添加量を決定する決定手段とを含むことを特徴としている。

また、請求項２記載の発明では、エンジンは、吸気通路と排気通路とを接続するＥＧＲ通路を備え、演算手段は、パティキュレートの堆積量の検知に伴って排気通路からＥＧＲ通路内に導入される排ガスの再循環量を検出し、ＮＯｘ排出量を演算することを特徴としている。
更に、請求項３記載の発明では、演算手段は、パティキュレートの堆積量の検知に伴って吸気通路内に導入される吸入空気量を検出し、ＮＯｘ排出量を演算することを特徴としている。

本発明は、選択還元型ＮＯｘ触媒を用いる場合には当該触媒の上流側に存在するＮＯｘ生成量を添加量制御に反映させなければならない点に着目したものである。
そして、請求項１記載の本発明の選択還元型ＮＯｘ触媒付きエンジンの制御装置によれば、パティキュレートの堆積量からエンジンから排出されるＮＯｘの排出量を把握し、このＮＯｘ排出量を還元剤の添加量制御に反映させている。よって、ＮＯｘ排出量に相応した還元剤の添加量制御が実施される結果、選択還元型ＮＯｘ触媒による排気浄化が適切に実施される。より詳しくは、還元剤がそのまま外部に放出され難くなるし、また、ＮＯｘが外部に放出され難くなる。

また、請求項２，３記載の発明によれば、演算手段は、パティキュレートの堆積量の検知に伴い、排ガスの再循環量や吸入空気量を検出してＮＯｘ排出量を演算している。よって、ＮＯｘ排出量に相応した還元剤の添加量がより一層高い精度で決定可能となる。

以下、図面により本発明の実施形態について説明する。
図１には一実施形態に係るエンジンの制御装置が示されており、当該エンジン２はコモンレール式のディーゼルエンジンである。このエンジン２には気筒毎に燃料インジェクタ４，４・・・が備えられ、各インジェクタ４は燃料通路６を介してコモンレール８に接続されている。

また、エンジン２は、吸気マニホールドに接続された吸気通路１２を含むエンジン吸気系と、排気マニホールドに接続された排気通路１４を含むエンジン排気系とを有している。吸気通路１２の適宜位置には、過給機１６のコンプレッサ１７、インタークーラ２０及び吸気スロットル弁２２が順次介装されている。このスロットル弁２２の開度は、車室内等に設置されたＥＣＵ（コントローラ）１０の制御下で動作するアクチュエータ２４によって可変に調節されている。

一方、排気通路１４の適宜位置には、過給機１６のタービン１８、排気ブレーキ弁２６、排ガス後処理装置３０及び図示しないマフラが順次介装されている。上記排気ブレーキ弁２６の開度は、ＥＣＵ１０の制御下で動作するアクチュエータ２８によって可変に調節されている。また、上記コンプレッサ１７とタービン１８とは、図示しない連結シャフトによって同期回転可能に連結され、エンジン２の各気筒から排出された排ガスの流れによってタービン１８の回転力を発生させる。そして、このタービン１８の回転力によってコンプレッサ１７を回転させて吸気を加圧し、この吸気がエンジン２に向けて供給されている。更に、この加圧された吸気はインタークーラ２０で冷却される。

また、上記エンジン吸気系とエンジン排気系との間はＥＧＲ通路３２にて接続されており、このＥＧＲ通路３２を介して排ガスの一部が再還流ガスとして各気筒内に向けて供給されている。ＥＧＲ通路３２の適宜位置には、再還流ガスを冷却して各気筒内へのガス充填密度を高めるＥＧＲクーラ３４、このガスの各気筒内への供給及び供給を遮断するＥＧＲ弁３６が設けられている。このＥＧＲ弁３６の開度は、ＥＣＵ１０の制御下で動作するアクチュエータ３８によって可変に調節される。

ここで、上記排ガス後処理装置３０では、排ガスに含まれるＮＯｘやＰＭを浄化する。詳しくは、本実施形態の排ガス後処理装置３０は、ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦという）４０と、その下流側に配された選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＳＣＲ触媒という）４２とを有している。
ＤＰＦ４０では排ガス中のＰＭを捕捉する。具体的には、ＤＰＦ４０の内部には、排ガスの上流側と下流側とを連通させる複数個の通路が並設されており、これら各通路の上流側の開口部分と下流側の開口部分とが交互に閉鎖されている。そして、ＤＰＦ４０では排ガスの昇温によって捕捉したＰＭの焼却が行われる。

また、ＳＣＲ触媒４２は尿素を用いて排ガス中のＮＯｘを選択還元する。より具体的には、還元剤の一例としてのユリア水（尿素水）がユリア水タンク４６に貯蔵されており、このタンク４６からユリア水添加装置４４に供給される。この添加装置４４では、ＥＣＵ１０からの指令に応じてユリア水とエアタンク４８からのエアとを混合してユリア水インジェクタ５０に供給する。このインジェクタ５０は、一例としてＳＣＲ触媒４２の上流側に開口部を有しており、排ガス中にユリア水を適宜添加する。これにより、上記尿素はＮＨ_３に変化し、ＳＣＲ触媒４２内にて該ＮＨ_３と排ガス中のＮＯｘとが結びついて水とＮ_２とに分解され、ＮＯｘの浄化が行われる。

ところで、上記ＥＣＵ１０には、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ，ＢＵＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）及びタイマカウンタ等を備えている。このＥＣＵ１０の入力側には、吸気通路１２内の吸入空気量を検出する流量センサ５、ＥＧＲ通路３２内のＥＧＲ量を検出する流量センサ３３、ＤＰＦ４０の上流側及び下流側の排ガス圧力をそれぞれ検出する圧力センサ３９，４１の他、エンジン２やＳＣＲ触媒４２の各状態を検出する各種センサが電気的に接続されている。これに対し、ＥＣＵ１０の出力側には、上述の燃料インジェクタ４やユリア水添加装置４４等の各種アクチュエータが電気的に接続されている。

そして、本実施形態のＥＣＵ１０では、エンジン２の気筒から排出されたＮＯｘ排出量、換言すれば、ＳＣＲ触媒４２の上流側に存在するＮＯｘ量が演算可能に構成されており、このＮＯｘ量に応じてＳＣＲ触媒４２に対するユリア水の添加量制御を実施している。
より具体的には、図２に示されるように、ＥＣＵ１０は、ＮＯｘ排出量演算部（演算手段）５８、最終添加量決定部（決定手段）６０、エンジン側制御部６２、及び触媒側制御部６４を備えている。

まず、ＮＯｘ排出量演算部５８では、圧力センサ３９，４１からの信号が入力され、ＤＰＦ４０内におけるＰＭ堆積量（実際値）を検知する。続いて、この実際値からＳＣＲ触媒４２の上流側に存在する現在のＮＯｘ排出量を把握する。そして、この現在のＮＯｘ排出量に基づいてユリア水の添加量に対する補正量を決定し、この補正量を最終添加量決定部６０に出力する。

また、このＮＯｘ排出量演算部５８では、ＮＯｘ排出量を把握する際に、流量センサ５，３３からの信号が入力されており、吸気通路１２内の吸入空気量やＥＧＲ通路３２内のＥＧＲ量を検出して現在のＮＯｘ排出量の把握をより一層確実にしている。例えば、ＰＭ堆積量が多くなると、排ガス圧力の増加によってＥＧＲ量が増加するとともに、吸入空気量が減少するからであり、これらＥＧＲ量の増加や吸入空気量の減少を検出すれば、現在のＮＯｘ排出量の減少が確実に把握可能となるからである。なお、逆にＰＭ堆積量が少なくなると、排ガス圧力の減少によってＥＧＲ量が減少するとともに、吸入空気量は増加するので、現在のＮＯｘ排出量の増加は確実に把握可能となる。

次に、最終添加量決定部６０では、ＮＯｘ排出量演算部５８からの信号が入力され、ユリア水の最終添加量を決定し、この最終添加量を触媒側制御部６４に出力する。続いて、触媒側制御部６４では、ユリア水添加装置４４を介してインジェクタ５０の開弁期間を制御してユリア水の添加量を調節する。なお、同図のエンジン側制御部６２では、ＮＯｘ排出量演算部５８からの現在のＮＯｘ排出量に応じてインジェクタ４の開弁時期等を適宜調節しても良い。

図３を参照すると、ＥＣＵ１０による還元剤の最終添加量を決定するフローチャートが示されている。以下、上記のように構成された制御装置の本発明に係る作用について説明する。
同図のステップＳ３０１〜Ｓ３０３はＮＯｘ排出量演算部５８に関する動作である。
まず、ステップＳ３０１では、ＤＰＦ４０の上流側の排ガス圧力と下流側の排ガス圧力との差からＰＭ堆積量（実際値）を検知してステップＳ３０２に進む。このステップＳ３０２では、この実際値とＰＭ堆積量の設定値とを比較して現在のＮＯｘ排出量を把握し、ステップＳ３０３に進む。

この設定値について詳述すると、図４に示されるように、上記記憶装置には、ＰＭ堆積量が少ない状態に対するＮＯｘ排出量、及びＰＭ堆積量が多い状態に対するＮＯｘ排出量の２つの設定値（図中、それぞれ●印で示す）が記憶されている。そして、検知されたＰＭ堆積量である実際値に対し、上記設定値の範囲内の内挿補間にてＮＯｘ排出量を求め、これら実際値と設定値との差分をＮＯｘ排出量の変化量と擬制し、現在のＮＯｘ排出量を把握している。なお、同図には、ＥＧＲ弁３６を同一開度にて維持した場合のＥＧＲ量の変動が例示されており、ＰＭ堆積量が多くなるに連れてＥＧＲ量が増加することが分かる。また、本実施形態では設定値が２つである故に上記設定値の範囲が直線にて示されているが、より多くの設定値を設けて曲線にて示されていても良い。

次に、ステップＳ３０３では、現在のＮＯｘ排出量に基づいてユリア水の添加量に対する補正量を決定する。この補正量については、図５に示されるように、上記記憶装置には、標準ＰＭ堆積量に対するＮＯｘ排出量（図中、点線で示す）が設定値として記憶されている。そして、上記現在のＮＯｘ排出量と当該設定値（補正量が零）とを比較し、現在のＮＯｘ排出量がこの設定値よりも大きい場合には、ユリア水の添加量を増加させる補正量を決定するのに対し、現在のＮＯｘ排出量がこの設定値よりも小さい場合には、ユリア水の添加量を減少させる補正量を決定してステップＳ３０４に進む。

続いて、このステップＳ３０４では、最終添加量決定部６０にて上記記憶装置に記憶されている添加量のマップを選択し、当該マップにて予め設定されたユリア水の添加量と上記補正量とを合わせてユリア水の最終添加量を決定し、一連のルーチンを抜ける。
以上のように、本発明は、ＳＣＲ触媒４２を用いる場合には、このＳＣＲ触媒４２の上流側でエンジンから排出されるＮＯｘ排出量をユリア水の添加量制御に反映させる必要がある点に着目したものである。

そして、本発明よれば、ＥＣＵ１０がユリア水の添加量制御を実施しており、ＮＯｘ排出量演算部５８が、ＤＰＦ４０内のＰＭの堆積量を検知してエンジンから排出されるＮＯｘ量を演算している。そして、最終添加量決定部６０が、演算された現在のＮＯｘ排出量に応じてユリア水の添加量を決定している。
つまり、ＰＭの堆積量からＳＣＲ触媒４２の上流側に存在する現在のＮＯｘ排出量を把握し、この現在のＮＯｘ排出量に相応したユリア水の添加量を得ている。この結果、ＳＣＲ触媒４２による排気浄化が適切に実施される。

より詳しくは、現在のＮＯｘ排出量が少なくなれば、この減少分に応じてユリア水も減量されるので、アンモニアスリップが回避され、ＮＨ_３がそのまま外部に放出され難くなる。また、現在のＮＯｘ排出量が多くなれば、この増加分に応じてユリア水も増量されることから、ＳＣＲ触媒４２の下流側のＮＯｘ量が減少してＮＯｘが外部に放出され難くなる。

また、ＮＯｘ排出量演算部５８は、ＰＭの堆積量の検知に伴い、ＥＧＲ量や吸入空気量を検出してＳＣＲ触媒４２の上流側に存在する現在のＮＯｘ排出量を演算している。よって、ＮＯｘ排出量に相応した還元剤の添加量がより一層高い精度で決定可能となる。
以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。

例えば、上述したＮＯｘ排出量演算部５８では、ユリア水の添加量に対する補正量を決定しているが、この補正量に代えて補正係数（上述の標準ＰＭ堆積量に対するＮＯｘ排出量に該当する場合には１になる）を決定し、最終添加量決定部６０が、マップにて予め設定されたユリア水の添加量に補正係数を乗じてユリア水の最終添加量を決定しても良く、この場合にも、上記と同様にＳＣＲ触媒４２による排気浄化が適切に実施されるとの効果を奏する。

更に、本発明のコントローラは、エンジン側を制御するエンジンＥＣＵと、触媒側を制御する触媒ＥＣＵとに分割されていても良い。更にまた、本発明は、過給機や排気ブレーキ弁等を省略しても良い。

本発明の一実施形態に係る選択還元型ＮＯｘ触媒付きエンジンの制御装置を示す概略図である。 図１のＥＣＵによるＮＯｘ浄化制御のブロック図である。 図１のＥＣＵによる還元剤の最終添加量を決定するフローチャートである。 図１のＥＣＵによるＮＯｘ排出量の把握に関する図である。 図１のＥＣＵによる還元剤の添加量の補正に関する図である。

符号の説明

２ エンジン
５ 流量センサ
１０ ＥＣＵ（コントローラ）
１２ 吸気通路
１４ 排気通路
３２ ＥＧＲ通路
３３ 流量センサ
３９ 圧力センサ
４０ ＤＰＦ（パティキュレートフィルタ）
４１ 圧力センサ
４２ ＳＣＲ触媒（選択還元型ＮＯｘ触媒）
５０ 添加インジェクタ
５８ ＮＯｘ排出量演算部（演算手段）
６０ 最終添加量決定部（決定手段）

Claims (3)

1. エンジンの排気系にそれぞれ設けられ、排ガス中のパティキュレートを捕捉するパティキュレートフィルタ、及び該フィルタの下流側に配置されて還元剤の添加によって排ガス中のＮＯｘを浄化する選択還元型ＮＯｘ触媒と、
   前記還元剤の添加量制御を実施するコントローラとを具備し、
   該コントローラは、
   前記フィルタに捕捉された前記パティキュレートの堆積量を検知して前記エンジンから排出されるＮＯｘの排出量を演算する演算手段と、
   該演算されたＮＯｘ排出量に応じて前記還元剤の添加量を決定する決定手段とを含む
   ことを特徴とする選択還元型ＮＯｘ触媒付きエンジンの制御装置。
2. 前記エンジンは、吸気通路と排気通路とを接続するＥＧＲ通路を備え、
   前記演算手段は、前記パティキュレートの堆積量の検知に伴って前記排気通路から前記ＥＧＲ通路内に導入される排ガスの再循環量を検出し、前記ＮＯｘ排出量を演算することを特徴とする請求項１に記載の選択還元型ＮＯｘ触媒付きエンジンの制御装置。
3. 前記演算手段は、前記パティキュレートの堆積量の検知に伴って前記吸気通路内に導入される吸入空気量を検出し、前記ＮＯｘ排出量を演算することを特徴とする請求項２に記載の選択還元型ＮＯｘ触媒付きエンジンの制御装置。

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