JP2008240716A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯ_X選択還元触媒のアンモニア吸着量が飽和したか否かを正確に検出する。
【解決手段】機関排気通路内にＮＯ_X選択還元触媒１５を配置し、ＮＯ_X選択還元触媒１５に尿素を供給してこの尿素から発生するアンモニアをＮＯ_X選択還元触媒１５に吸着させ、主にこの吸着されたアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを選択的に還元する。ＮＯ_X選択還元触媒１５下流の機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＮＯ_Xおよびアンモニアを検出可能なＮＯ_Xセンサ２９を配置し、減速運転時において機関への燃料の供給が停止されているときのＮＯ_Xセンサ２９の検出値に基づいてＮＯ_X選択還元触媒１５へのアンモニア吸着量が飽和しているか否かを判断する。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

機関排気通路内にＮＯ_X選択還元触媒を配置し、ＮＯ_X選択還元触媒に尿素を供給してこの尿素から発生するアンモニアをＮＯ_X選択還元触媒に吸着させ、主にこの吸着されたアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを選択的に還元するようにした内燃機関が公知である（例えば特許文献１を参照）。ところでこのようにＮＯ_X選択還元触媒に吸着されたアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを選択的に還元するようにした場合にはＮＯ_X選択還元触媒に吸着しているアンモニア量を飽和状態にしておくと最大のＮＯ_X浄化率が得られる。

そこで上述の内燃機関ではＮＯ_X選択還元触媒の上流側と下流側に夫々ＮＯ_Xセンサを配置してこれらＮＯ_Xセンサの検出値からＮＯ_X選択還元触媒におけるＮＯ_X浄化率を求め、このＮＯ_X浄化率と機関からの排出ＮＯ_X量からＮＯ_X選択還元触媒においてＮＯ_Xを還元するために消費される吸着アンモニア量を算出し、この吸着アンモニアの消費量と尿素の供給量からＮＯ_X選択触媒に吸着されている吸着アンモニア量を算出し、この吸着アンモニア量が飽和状態となるように尿素の供給を制御するようにしている。
特開２００５−１２７２５６号公報

しかしながらＮＯ_Xセンサは排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを検出するばかりでなく、排気ガス中に含まれるアンモニアをも検出し、従ってＮＯ_Xセンサの出力値は排気ガス中に含まれるＮＯ_Xの量を表しているのか、アンモニアの量を表しているのかわからない。従ってＮＯ_Xセンサの出力値に基いて尿素の供給量を制御すると吸着アンモニア量を目標量に正確に制御しえないという問題がある。

上記問題を解決するために本発明によれば、機関排気通路内にＮＯ_X選択還元触媒を配置し、ＮＯ_X選択還元触媒に尿素を供給してこの尿素から発生するアンモニアをＮＯ_X選択還元触媒に吸着させ、主にこの吸着されたアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを選択的に還元するようにした内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯ_X選択還元触媒下流の機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＮＯ_Xおよびアンモニアを検出可能なＮＯ_Xセンサを配置し、減速運転時において機関への燃料の供給が停止されているときのＮＯ_Xセンサの検出値に基づいてＮＯ_X選択還元触媒へのアンモニア吸着量が飽和しているか否かを判断するようにしている。

減速運転時において機関への燃料の供給が停止されているときに、即ち排気ガス中にＮＯ_Xが含まれていないときにＮＯ_Xセンサの検出値に基づいてＮＯ_X選択還元触媒へのアンモニア吸着量が飽和しているか否かを判断しているのでＮＯ_X選択還元触媒へのアンモニア吸着量が飽和しているか否かを正確に判断することができる。

図１に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。
図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドを夫々示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結され、コンプレッサ７ａの入口は吸入空気量検出器８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁１０が配置され、更に吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１１内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。

一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結され、排気タービン７ｂの出口は酸化触媒１２の入口に連結される。この酸化触媒１２の下流には酸化触媒１２に隣接して排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するためのパティキュレートフィルタ１３が配置され、このパティキュレートフィルタ１３の出口は排気管１４を介してＮＯ_X選択還元触媒１５の入口に連結される。このＮＯ_X選択還元触媒１５の出口には酸化触媒１６が連結される。

ＮＯ_X選択還元触媒１５上流の排気管１４内には尿素水溶液供給弁１７が配置され、この尿素水溶液供給弁１７は供給管１８、供給ポンプ１９を介して尿素水溶液タンク２０に連結される。尿素水溶液タンク２０内に貯蔵されている尿素水溶液は供給ポンプ１９によって尿素水溶液供給弁１７から排気管１４内を流れる排気ガス中に噴射され、尿素から発生したアンモニア（（ＮＨ₂）₂ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→２ＮＨ₃＋ＣＯ₂）によって排気ガス中に含まれるＮＯ_XがＮＯ_X選択還元触媒１５において還元される。

排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路２１を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２１内には電子制御式ＥＧＲ制御弁２２が配置される。また、ＥＧＲ通路２１周りにはＥＧＲ通路２１内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２３が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２３内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管２４を介してコモンレール２５に連結され、このコモンレール２５は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２６を介して燃料タンク２７に連結される。燃料タンク２７内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ２６によってコモンレール２５内に供給され、コモンレール２５内に供給された燃料は各燃料供給管２４を介して燃料噴射弁３に供給される。

電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。ＮＯ_X選択還元触媒１５の上流側および下流側には夫々温度センサ２８ａ、２８ｂが配置され、更にＮＯ_X選択還元触媒１５の下流側にはＮＯ_Xセンサ２９が配置される。これら温度センサ２８ａ，２８ｂ、ＮＯ_Xセンサ２９および吸入空気量検出器８の出力信号は夫々対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。

一方、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０の駆動用ステップモータ、尿素水溶液供給弁１７、供給ポンプ１９、ＥＧＲ制御弁２２および燃料ポンプ２６に接続される。

酸化触媒１２は例えば白金のような貴金属触媒を担持しており、この酸化触媒１２は排気ガス中に含まれるＮＯをＮＯ₂に転換する作用と排気ガス中に含まれるＨＣを酸化させる作用をなす。一方、パティキュレートフィルタ１３としては触媒を担持していないパティキュレートフィルタを用いることもできるし、例えば白金のような貴金属触媒を担持したパティキュレートフィルタを用いることもできる。また、ＮＯ_X選択還元触媒１５は低温で高いＮＯ_X浄化率を有するアンモニア吸着タイプのＦｅゼオライトから構成されている。酸化触媒１６は例えば白金からなる貴金属触媒を担持しており、この酸化触媒１６はＮＯ_X選択還元触媒１５から漏出したアンモニアを酸化する作用をなす。

図２に圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す。この実施例ではパティキュレートフィルタ１３が酸化触媒１６の下流に配置され、従ってこの実施例では酸化触媒１２の出口が排気管１４を介してＮＯ_X選択還元触媒１５の入口に連結される。

さて、ＮＯ_Xセンサ２９は本来的には排気ガス中のＮＯ_Xを検出するためのものである。ところが排気ガス中に含まれるアンモニアＮＨ₃もＮＯ_Xセンサ２９においてＮＯ_Xに酸化され、斯くしてＮＯ_Xセンサ２９は排気ガス中に含まれるＮＯ_Xおよびアンモニアを検出することになる。図３はＮＯ_Xセンサ２９の出力電圧Ｖと、排気ガス中のＮＯ_X濃度およびＮＨ₃濃度との関係を示している。図３からＮＯ_Xセンサ２９の出力電圧Ｖは排気ガス中のＮＯ_X濃度およびＮＨ₃濃度に比例していることがわかる。

図４（Ａ）においてＱｔは飽和状態にあるＮＯ_X選択還元触媒１５へのアンモニア吸着量、即ち飽和吸着量を示しており、本発明による実施例ではこのアンモニアの飽和吸着量Ｑｔが目標アンモニア吸着量とされる。図４（Ａ）に示されるようにこの目標アンモニア吸着量ＱｔはＮＯ_X選択還元触媒１５の床温ＴＣの関数であり、床温ＴＣが高くなるほどこの目標アンモニア吸着量Ｑｔは低下する。本発明による実施例では機関の使用が開始された当初はＮＯ_X選択還元触媒１５へのアンモニア吸着量が目標アンモニア吸着量Ｑｔとなるように尿素の供給が制御される。

ところで、アンモニアの飽和吸着量はＮＯ_X選択還元触媒１５毎に異なり、またこのアンモニアの飽和吸着量は使用期間が経過するにつれて変化する。従って目標アンモニア吸着量Ｑｔがアンモニアの飽和吸着量を越えてしまう場合が生じ、この場合には吸着しきれなかった多量のアンモニアがＮＯ_X選択還元触媒１５から排出されることになる。この場合、ＮＯ_X選択還元触媒１５からアンモニアが排出するのを阻止するためには目標アンモニア吸着量Ｑｔを低下させる必要がある。そこで本発明ではＮＯ_X選択還元触媒１５からのアンモニアの排出をＮＯ_Xセンサ２９により検出し、このＮＯ_Xセンサ２９の検出値に応じて目標アンモニア吸着量Ｑｔを減少方向に補正するようにしている。

次に図５を参照しつつこのＮＯ_Xセンサ２９によるアンモニアの排出の検出方法について説明する。図５は機関運転時において機関への燃料の供給が停止されたときを示している。即ち、アクセルペダル４０の踏込み量Ｌが零となって減速が開始されたときに機関回転数Ｎが復帰回転数ＮＺ、例えば８００ｒ．ｐ．ｍよりも高いときには燃料の供給が停止され、次いで機関回転数Ｎが復帰回転数ＮＺまで低下すると燃料の供給が再開される。

さて、ＮＯ_X選択還元触媒１５へのアンモニア吸着量が飽和吸着量を越えているときには減速運転時において燃料の供給が停止されているときにもアンモニアがＮＯ_X選択還元触媒１５から排出している。一方、燃料の供給が停止されているときには機関からはＮＯ_Xが排出されておらず、従ってこのときにはＮＯ_X選択還元触媒１５からアンモニアが排出されているか否かをＮＯ_Xセンサ２９により検出できることになる。そこで本発明では減速運転時において機関への燃料の供給が停止されているときのＮＯ_Xセンサ２９の検出値に基づいてＮＯ_X選択還元触媒１５へのアンモニア吸着量が飽和しているか否かを判断するようにしている。

ところでＮＯ_X選択還元触媒１５へのアンモニア吸着量が飽和吸着量を越えているときには減速運転開始前においてもＮＯ_X選択還元触媒１５からアンモニアが排出されている。しかしながらこのときアンモニアは排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを還元するために使用されているのでＮＯ_X選択還元触媒１５から排出されるアンモニア量は少量となる。また、このときＮＯ_X選択還元触媒１５から排出されるＮＯ_X量も少量となる。従って図５に示されるように通常、減速運転開始前におけるＮＯ_Xセンサ２９の出力値Ｖは低く、減速運転が開始されて燃料の供給が停止されると還元すべきＮＯ_Xが存在しなくなるためにＮＯ_Xセンサ２９の出力値Ｖは増大する。

減速運転時において燃料の供給が停止されているときには尿素の供給も停止されており、従ってこのときＮＯ_X選択還元触媒１５から排出されるアンモニア量は一旦上昇した後に飽和吸着量に対し余剰の吸着アンモニア量が減少するにつれて減少する。このとき飽和吸着量に対し余剰のアンモニア量はＮＯ_Xセンサ２９の検出値Ｖの最大値Ｖｍａｘに比例するか、又はＮＯ_Xセンサ２９の検出値Ｖの積分値ΣＶに比例するものと考えられる。ところで本発明による実施例では減速運転開始後、安定するまでの待ち時間Δｔを経過した後にＮＯ_Xセンサ２９による検出作用が開始される。従って最大値Ｖｍａｘは待ち時間Δｔ経過後のＮＯ_Xセンサ２９の検出値Ｖの最大値であり、積分値ΣＶは待ち時間Δｔ経過後、ｔＸ時間経過するまでのＮＯ_Xセンサ２９の検出値Ｖの積算値である。

さて、本発明ではＮＯ_Xセンサ２９の検出値に基づいてＮＯ_X選択還元触媒１５へのアンモニア吸着量が飽和していると判断されたときには目標アンモニア吸着量Ｑｔが減少方向に補正される。この場合、本発明ではＮＯ_Xセンサ２９の出力値と目標アンモニア吸着量Ｑｔの補正量ΔＱｔとの関係が予め記憶されており、この関係に基づいてＮＯ_Xセンサ２９の出力値から目標アンモニア吸着量Ｑｔの補正量ΔＱｔが算出される。

具体的に言うと本発明による実施例では目標アンモニア吸着量Ｑｔの補正値ΔＱｔｉｊｋが排気ガス量、即ち吸入空気量Ｇａと、ＮＯ_X選択還元触媒１５の床温ＴＣと、ＮＯ_Xセンサ２９の出力値Ｖの最大値Ｖｍａｘ又は積分値ΣＶとの関数として図４（Ｂ）に示すような三次元マップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。この場合、図４（Ｃ）に示されるように目標アンモニア吸着量Ｑｔの補正値ΔＱｔｉｊｋは最大値Ｖｍａｘ又は積分値ΣＶに正比例する。

目標アンモニア吸着量Ｑｔの補正量ΔＱｔｉｊｋが求まると目標アンモニア吸着量Ｑｔから補正量ΔＱｔｉｊｋを減算した減算結果（Ｑｔ−ΔＱｔｉｊｋ）が新たな目標アンモニア吸着量とされ、ＮＯ_X選択還元触媒１５へのアンモニア吸着量がこの新たな目標アンモニア吸着量（Ｑｔ−ΔＱｔｉｊｋ）となるように尿素の供給が制御される。次いでこのような状態で減速運転が行われたときにＮＯ_X選択還元触媒１５から再度アンモニアが排出されたときにはＮＯ_Xセンサ２９の検出値Ｖから再度補正量ΔＱｔｉｊｋが算出され、この補正量がこれまで使用されてきた補正量に加算されて新たな補正量ＫＱＴとされる。

新たな補正量ＫＱＴが求まると図４（Ａ）に示されるように目標アンモニア吸着量Ｑｔから補正量ＫＱＴを減算した減算結果（Ｑｔ−ＫＱＴ）が新たな目標アンモニア吸着量とされ、ＮＯ_X選択還元触媒１５へのアンモニア吸着量がこの新たな目標アンモニア吸着量（Ｑｔ−ＫＱＴ）となるように尿素の供給が制御される。図４（Ｂ）からわかるように補正量ΔＱｔｉｊｋ、即ちＫＱＴは吸入空気量ＧａおよびＮＯ_X選択還元触媒１５の床温ＴＣに応じて変化するので新たな目標アンモニア吸着量（Ｑｔ−ＫＱＴ）はＮＯ_X選択還元触媒１５の床温ＴＣに応じて変化するばかりでなく吸入空気量Ｇａに応じて変化する。

図６に機関の運転を制御するためのルーチンを示す。なお、このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。
図６を参照するとまず初めにステップ５０においてアクセルペダル４０の踏込み量Ｌが零であるか否かが判別される。アクセルペダル４０の踏込み量Ｌが零でないときにはステップ５１に進んで燃料噴射制御が行われる。次いでステップ５２では燃焼室２から単位時間当り排出される排出ＮＯ_X量ＮＯＸＡが算出される。この排出ＮＯ_X量ＮＯＸＡは図７（Ａ）に示されるように要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

次いでステップ５３ではＮＯ_X選択還元触媒１５におけるＮＯ_X浄化率Ｒが算出される。このＮＯ_X浄化率Ｒは図７（Ｂ）に示されるようにＮＯ_X選択還元触媒１５の床温ＴＣの関数であり、更に排気ガス量、即ち吸入空気量Ｇａに応じて変化する。このＮＯ_X浄化率Ｒは図７（Ｃ）に示されるように吸入空気量ＧａおよびＮＯ_X選択還元触媒１５の床温ＴＣの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

次いでステップ５４では排出ＮＯ_X量ＮＯＸＡとＮＯ_X浄化率ＲからＮＯ_Xを還元するために単位時間当り消費された吸着アンモニア量ＮＤが算出される。次いでステップ５５では尿素の形で単位時間当り供給される供給アンモニア量ＮＩが算出される。次いでステップ５６ではＮＯ_X選択還元触媒１５のアンモニア吸着量ΣＮＨ₃（ΣＮＨ₃＋ＮＩ−ＮＤ）が算出される。次いでステップ５７ではこのアンモニア吸着量ΣＮＨ₃が目標アンモニア吸着量（Ｑｔ−ＫＱＴ）よりも大きいか否かが判別される。ΣＮＨ₃＜（Ｑｔ−ＫＱＴ）のときにはステップ５８に進んで尿素が供給され、ΣＮＨ₃≧（Ｑｔ−ＫＱＴ）のときにはステップ５９に進んで尿素の供給が停止される。

一方、ステップ５０においてアクセルペダル４０の踏込み量Ｌが零のときにはステップ６０に進んで機関回転数Ｎが復帰回転数ＮＺ（図５）よりも低いか否かが判別される。Ｎ＞ＮＺのときにはステップ６１に進んで燃料の供給が停止され、次いでステップ６２では尿素の供給が停止される。次いでステップ６３では待ち時間Δｔを経過したか否かが判別され、待ち時間Δｔが経過したときには一対の温度センサ２８ａ、２８ｂの出力値の平均値からＮＯ_X選択還元触媒１５の床温ＴＣが検出され、更に吸入空気量ＧａとＮＯ_Xセンサ２９の出力値Ｖとが検出される。

次いでステップ６０においてＮ≦ＮＺであると判別されたときにはステップ６５に進んで前回の処理サイクルではＮ＞ＮＥであったか否かが判別される。Ｎ＞ＮＥであったときには、即ちＮ＞ＮＥからＮ≦ＮＥになったときにはステップ６６に進んで時間ｔＸ（図５）内における床温ＴＣと吸入空気量Ｇａの平均値が算出される。次いでステップ６７ではＮＯ_Xセンサ２９の出力値Ｖの最大値Ｖｍａｘ又は積分値ΣＶが算出される。

次いでステップ６８ではこれら床温ＴＣの平均値、吸入空気量Ｇａの平均値、および最大値Ｖｍａｘ又は積分値ΣＶに基づいて図４（Ｂ）に示す三次元マップから補正量ΔＱｉｊｋが算出される。次いでステップ６９において補正量ＫＱＴ（←ＫＱＴ＋ΔＱｉｊｋ）が更新される。一方、ステップ６５においてＮ＞ＮＥでなかったと判断されたときにはステップ５１に進んで燃料噴射が再開される。

圧縮着火式内燃機関の全体図である。 圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す全体図である。 ＮＯ_Xセンサの出力値を示す図である。 目標アンモニア吸着量Ｑｔおよびその補正量ΔＱｔｉｊｋ、ＫＱＴ等を示す図である。 ＮＯ_Xセンサの出力値の変化を示すタイムチャートである。 機関の運転を制御するためのフローチャートである。 排出ＮＯ_X量ＮＯＸＡのマップ等を示す図である。

符号の説明

４ 吸気マニホルド
５ 排気マニホルド
７ 排気ターボチャージャ
１２，１６ 酸化触媒
１３ パティキュレートフィルタ
１５ ＮＯ_X選択還元触媒
１７ 尿素水溶液供給弁
２９ ＮＯ_Xセンサ

Claims (3)

1. 機関排気通路内にＮＯ_X選択還元触媒を配置し、該ＮＯ_X選択還元触媒に尿素を供給して該尿素から発生するアンモニアをＮＯ_X選択還元触媒に吸着させ、主にこの吸着されたアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを選択的に還元するようにした内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯ_X選択還元触媒下流の機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＮＯ_Xおよびアンモニアを検出可能なＮＯ_Xセンサを配置し、減速運転時において機関への燃料の供給が停止されているときのＮＯ_Xセンサの検出値に基づいてＮＯ_X選択還元触媒へのアンモニア吸着量が飽和しているか否かを判断するようにした内燃機関の排気浄化装置。
2. ＮＯ_X選択還元触媒へのアンモニア吸着量が目標アンモニア吸着量となるように尿素の供給量を制御する尿素供給量制御手段を具備しており、ＮＯ_Xセンサの検出値に基づいてＮＯ_X選択還元触媒へのアンモニア吸着量が飽和していると判断されたときには上記目標アンモニア吸着量を減少方向へ補正するようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 上記ＮＯ_Xセンサの出力値と上記目標アンモニア吸着量の補正量との関係が予め記憶されており、該関係に基づいてＮＯ_Xセンサの出力値から目標アンモニア吸着量の補正量が算出される請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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