JP2009293605A - 排気処理装置の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単かつ安価な構成でありながら、還元剤の消費を抑制しつつ、効果的に排気中の特定成分を還元して浄化することができる排気処理装置の制御装置を提供する。
【解決手段】 内燃機関１から排出される排気に対して還元剤添加手段４を介して還元剤を添加して選択還元型触媒６により排気中の特定成分を選択的に還元する排気処理装置の制御装置であって、排気に添加する還元剤量を設定制御する制御部８が、前記還元剤添加手段４により排気に対して添加された還元剤の酸化度合いに基づいて、排気に添加する還元剤量を補正する補正手段を含んで構成されたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関から排出され種々の排出物質を含む気体（排気）を処理する排気処理装置の制御装置に関する。

燃焼装置からの排気を浄化して環境汚染の拡大を抑制することは重要な課題であるが、例えば、ディーゼル燃焼機関に関しては、排気中のＰＭ（パティキュレートマター：粒子状物質＝主に黒煙（スス）、ＳＯＦと称される燃え残った燃料や潤滑油の成分、サルフェートと称される軽油燃料中の硫黄分から生成される成分、その他の固体物質を含む）の大気への排出を抑えるために、例えば、ディーゼルパティキュレートフィルタ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）やＣＳＦ（Ｃａｔａｌｙｚｅｄ Ｓｏｏｔ Ｆｉｌｔｅｒ：触媒化フィルタ）を排気通路に介装し、排気をディーゼルパティキュレートフィルタやＣＳＦを通過させることで排気中のＰＭを捕集する一方、ディーゼルパティキュレートフィルタやＣＳＦを種々の方法により再生することが行われている。

また、排気に含まれるＮＯｘとＰＭの同時低減を実現するために、ディーゼルパティキュレートフィルタやＣＳＦを排気通路に介装すると共に、その下流側に、ＮＯｘ低減に有効な尿素ＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）を介装することが提案されている。なお、尿素ＳＣＲとは、酸素共存下においても選択的にＮＯｘを還元剤と反応させることができる特性を備えた選択還元型ＮＯｘ触媒であって、毒性のない尿素水を排気に添加してアンモニアと炭酸ガスに熱分解し、この生成されたアンモニアを還元剤として用いて選択還元型ＮＯｘ触媒上で排気中のＮＯｘを還元して浄化しようとするものである。
なお、尿素水を加熱すると、
ＣＯ（ＮＨ_２）_２＋Ｈ_２Ｏ→２ＮＨ_３＋ＣＯ_２
なる加水分解により、ＮＨ_３（アンモニア）が得られる。

ここで、本願出願人は、特許文献１において排気浄化装置の制御方法を提案しており、このものでは、図５に示すように、ディーゼル燃焼機関等の内燃機関の排気通路に、尿素水添加装置を介装し、その排気下流側に尿素ＳＣＲ触媒（選択還元型ＮＯｘ触媒）を介装し、尿素水添加装置から尿素ＳＣＲ触媒に供給する尿素水の量を、ＮＯｘの排出量に見合った量に制御するようにしている。

すなわち、尿素水の添加量が過多ならＮＨ_３が尿素ＳＣＲ触媒から排出される一方、添加量不足であればＮＯｘが尿素ＳＣＲ触媒から排出されることになるため、ＮＯｘ排出量に見合った量の尿素水を添加すべく、特許文献１に記載のものでは、内燃機関の運転状態等に従ってＮＯｘ排出量を求め、これに見合った尿素水添加量を算出すると共に、尿素ＳＣＲ触媒へのアンモニアの吸着量等を考慮して、前記算出した尿素水添加量に対して補正等を加えるようにしている。

特開２００６−２２７２９号公報

ここにおいて、アンモニア（ＮＨ_３）とＮＯｘの反応は、下式（Ｒ１）に表されるように、等量比で１：１である。
４ＮＨ_３ ＋ ２ＮＯ ＋ ２ＮＯ_２ → ４Ｎ_２ ＋ ６Ｈ_２Ｏ ・・・（Ｒ１）

この一方で、排気温度が、例えば３００°Ｃ程度以上となる状態においては、ＮＨ_３が排気中のＯ_２と酸化反応を起こし、ＮＯｘが生成されることが起こり得る。
ａＮＨ_３ ＋ ｂＯ_２ → ｃＮＯｘ（＝ＮＯ、ＮＯ_２、・・・、ＮＯｘ）＋ｄＨ_２Ｏ

このため、特許文献１に記載のもののように、アンモニア（ＮＨ_３）とＮＯｘとの等量比が１：１となるように尿素水（延いてはＮＨ_３）を添加したとしても、排気温度が所定の高温（例えば３００°Ｃ程度）以上となる状態においては、ＮＨ_３の添加量が過少な状態（不足した状態）となり、ＮＯｘ低減性能が低下することが想定される。

本発明は、かかる実情に鑑みなされたもので、簡単かつ安価な構成でありながら、還元剤の供給を過不足なく最適に制御して、効率良く排気中の特定成分（例えばＮＯｘ）を還元して浄化することができる選択還元型触媒を有する排気処理装置の制御装置を提供することを目的とする。

このため、本発明に係る排気処理装置の制御装置は、
内燃機関から排出される排気に対して還元剤添加手段を介して還元剤を添加して選択還元型触媒により排気中の特定成分を選択的に還元する排気処理装置の制御装置であって、
排気に添加する還元剤量を設定制御する制御部が、前記還元剤添加手段により排気に対して添加された還元剤の酸化度合いに基づいて、排気に添加する還元剤量を補正する補正手段を含んで構成されたことを特徴とする。

前記還元剤の酸化度合いは、排気温度に基づいていることを特徴とすることができる。

また、前記還元剤の酸化度合いは、排気流量に基づいていることを特徴とすることができる。

本発明によれば、簡単かつ安価な構成でありながら、還元剤の供給を過不足なく最適に制御して、効率良く排気中の特定成分（例えばＮＯｘ）を還元して浄化することができる選択還元型触媒を有する排気処理装置の制御装置を提供することを目的とする。

以下、本発明に係る一実施の形態を、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

本発明の一実施の形態に係る選択還元型触媒を有する排気処理装置の概略的な全体構成を、図１に基づいて説明する。
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る排気処理装置は、例えばディーゼル燃焼機関等の内燃機関１の排気通路の上流側の排気温度の比較的高い位置に、再生効率等の観点より、ヒータやバーナー等の昇温手段２、ディーゼルパティキュレートフィルタ３がこの順番で介装され、その下流側に尿素水添加装置４、尿素水添加装置４により添加供給される尿素水と排気との混合を促進するためのミキシング手段５、選択還元型触媒の一例としての尿素ＳＣＲ触媒６がこの順番で介装されると共に、更にその下流側に尿素ＳＣＲ触媒６からリークしてくる余剰のアンモニア（ＮＨ_３）を酸化処理するためのアンモニア酸化触媒７が介装されている。

前記尿素水添加装置４は、本発明に係る還元剤添加手段に相当するもので、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）８からの制御信号に基づいて制御され、排気に対して還元剤の一例としての尿素水を所定に調量しつつ噴射供給（添加）する尿素水噴射ノズル４Ａと、尿素水を貯留する尿素水タンク（図示せず）と、当該尿素水タンクに貯留されている尿素水を前記尿素水噴射ノズル４Ａへ所定圧力をもって圧送供給する供給ポンプ（図示せず）と、を含んで構成されている。なお、ＥＣＵ８が、本発明に係る制御部を含んで構成される制御装置に相当する。

ＥＣＵ８の制御部では、図示しないＮＯｘ濃度センサで得た尿素水噴射ノズル４Ａの排気上流側のＮＯｘ濃度、温度センサ（図示せず）で得た尿素ＳＣＲ触媒６の入口側の触媒入口温度、温度センサ（図示せず）で得た尿素ＳＣＲ触媒６の出口側の触媒出口温度、図示しないＮＯｘ濃度センサで得た尿素ＳＣＲ触媒６下流側のＮＯｘ濃度、エアフローセンサ（図示せず）から得た吸入空気流量、外気温度センサ（図示せず）で得た外気温度、エンジン回転数、及び燃料噴射量などに基づき、内燃機関１から排出されるＮＯｘ量を取得し、このＮＯｘを浄化するのに見合うように、尿素水噴射ノズル４Ａから尿素ＳＣＲ触媒６の排気上流側へ噴射すべき尿素水の量（基本添加量）を算出する。

なお、上述したセンサの全部或いは一部を備えることなく、例えばエンジン回転速度、負荷などの内燃機関１の運転状態に基づいて予め定められているテーブル等を参照して、当該基本添加量を取得することもできる。

また、ＥＣＵ８の制御部は、尿素ＳＣＲ触媒６へのアンモニアの実吸着量を算出する吸着量演算機能を有しており、当該吸着量演算機能は、尿素水噴射ノズル４Ａの排気上流側と尿素ＳＣＲ触媒６の排気下流側のＮＯｘ濃度の差から算出したＮＯｘ低減濃度と、及び吸入空気量と燃料噴射量などに基づき関数式から算出した排気流量と、に基づいて低減ＮＯｘ流量を求め、テーブル等よりエンジン回転速度と燃料噴射量からＨＣ値とＣＯ値を算出し、その結果から尿素ＳＣＲ触媒６のＮＯｘ低減率の変化度合いを取得し当該ＮＯｘ低減率の変化度合いを考慮して低減ＮＯｘ流量を補正し、当該補正後の低減ＮＯｘ流量に基づいて尿素水の消費量を算出し、更に尿素水の消費量を前述の尿素水の基本添加量から差し引き、この値を積算して尿素ＳＣＲ触媒６へのアンモニアの実吸着量を取得する。

更に、ＥＣＵ８の制御部は、取得したアンモニアの実吸着量に応じて尿素ＳＣＲ触媒６の排気上流側へ添加すべき尿素水の量を増減し得る尿素水添加機能を有しており、当該尿素水添加機能は、尿素ＳＣＲ触媒６の触媒温度と尿素ＳＣＲ触媒６へのアンモニアの飽和吸着量の関係を表わす飽和吸着量曲線を、低温側（例えば、２０°Ｃ低い位置）へ移動させた目標吸着量曲線を設定し（図２参照）、当該目標吸着量曲線に基づいて尿素ＳＣＲ触媒６の触媒温度に対応する尿素ＳＣＲ触媒６へのアンモニアの目標吸着量を取得する。

そして、この目標吸着量を、前述した吸着量演算機能により得たアンモニアの実吸着量が下回った場合に、前記基本添加量を増やすように増量補正を行う（例えば、後述する補正係数Ａを１より大きな値に設定する）ようになっている。

更に、ＥＣＵ８の制御部は、尿素ＳＣＲ触媒６から余剰のアンモニアが流出するのを抑制してアンモニア消費量を低減するためのアンモニア脱離防止機能を有しており、前述した尿素水添加機能と同様の手順により、尿素ＳＣＲ触媒６の触媒温度に対応する尿素ＳＣＲ触媒６へのアンモニアの目標吸着量を算定したうえ、前述した吸着量演算機能により得たアンモニアの吸着量が増加して目標吸着量に達した際に、前記基本添加量を減らす減量補正を行う（例えば、後述する補正係数Ａを１以下の値に設定する）ようになっている。

すなわち、「実際に尿素ＳＣＲ触媒６の排気上流側へ噴射すべき尿素水の量」＝「基本添加量」×「補正係数Ａ」により、実際に添加供給すべき尿素水量を、運転状態等（尿素ＳＣＲ触媒６のアンモニア吸着状態なども含む）に応じて制御するようになっている。

なお、ＮＯｘセンサにより検出される排気上流側や下流側の実際のＮＯｘ濃度と、目標のＮＯｘ濃度と、の偏差を縮小するための所謂フィードバック補正係数を前記補正係数Ａとは別に設けることもできるし、前記補正係数Ａの設定の際に所謂フィードバック補正係数としての機能を持たせるように設定することも可能である。

ところで、上述した各機能（尿素水添加機能、アンモニア脱離防止機能）のいずれも、触媒入口温度、触媒出口温度、外気温度、吸入空気量、及び尿素ＳＣＲ触媒６の熱容量などに基づいて、所定時間後（例えば２０秒後、６０秒後、１５分後というような３点）の触媒予測温度を求め、これら触媒予測温度が目標吸着量曲線よりも低温側へ外れている場合には、例えば３点の触媒予測温度のうちの最も高い値に合わせて目標吸着量曲線を低温側へ移行させるように構成してあり、これにより尿素水の添加量を適切に管理することができるようになっている。

ここで、排気温度が所定温度（例えば３００°Ｃ程度）以上の高温状態になると、アンモニア（ＮＨ_３）とＮＯｘとの等量比が１：１で反応している状態（（Ｒ１）式参照）から、ＮＨ_３が排気中のＯ_２と酸化反応を起こし、下式のように、ＮＯｘが生成されるようになる。
ａＮＨ_３ ＋ ｂＯ_２ → ｃＮＯｘ（＝ＮＯ、ＮＯ_２、・・・、ＮＯｘ）＋ｄＨ_２Ｏ

４ＮＨ_３ ＋ ２ＮＯ ＋ ２ＮＯ_２ → ４Ｎ_２ ＋ ６Ｈ_２Ｏ ・・・（Ｒ１）

このため、アンモニア（ＮＨ_３）とＮＯｘとの等量比が１：１となるように尿素水を添加したとしても、かかる高温状態においては、アンモニア（ＮＨ_３）の添加量が浄化するべきＮＯｘ量に対して過少となる状態（不足した状態）となり、ＮＯｘ浄化（低減）性能が低下する惧れがある。

図４に、排気温度が約４００°Ｃにおける等量比とＮＯｘ浄化性能との関係を排気流量毎に示す。
図４から、排気流量が高流量の運転状態においては、排気が排気通路に留まる時間が短いため、上記ＮＯｘが生成される酸化反応が十分に行われないため、等量比のＮＯｘ浄化性能に対する影響は比較的小さく、排気流量が低流量の運転状態においては、排気が排気通路に留まる時間が長くなり、上記ＮＯｘが生成される酸化反応が促進されて、等量比のＮＯｘ浄化性能に対する影響が大きくなることが理解される。

このため、本実施の形態に係るＥＣＵ８の制御部においては、高負荷時や昇温手段２によるディーゼルパティキュレートフィルタ３の再生時などの排気温度が所定の高温状態となる場合に、排気に添加された尿素水（アンモニア）の酸化反応の度合い（酸化度合い）、すなわち、排気温度や排気流量（排気の流速延いては排気通路に排気が滞留する滞留時間など）などを考慮して、尿素水添加量を、例えば前記等量比の１．０倍から２．０倍程度の範囲で増加させ、アンモニア（ＮＨ_３）の添加量が浄化すべきＮＯｘ量に対して過少となる状態を回避することで、良好にＮＯｘを還元して浄化することができるように構成されている。

例えば、ＥＣＵ８の制御部では、図３に示すようなマップを参照し、排気温度（例えば、尿素ＳＣＲ触媒６の入口側の触媒入口温度などを用いることもできる）と排気流量とに基づいて予め設定記憶されている尿素水添加量に対する補正係数Ｂを取得し、当該補正係数Ｂを用いて、
「実際に尿素ＳＣＲ触媒６の排気上流側へ噴射すべき尿素水の量」＝「基本添加量」×「補正係数Ａ」×「補正係数Ｂ」
などの演算式により、実際に尿素ＳＣＲ触媒６の排気上流側へ噴射すべき尿素水の量を算出し、当該算出された尿素水の量を尿素水噴射ノズル４Ａから尿素ＳＣＲ触媒６の排気上流側に添加供給する。なお、補正係数Ｂを用いずに、基本添加量や補正係数Ａの値を修正するような構成とすることもできる。

このように、本実施の形態によれば、排気温度が所定の高温状態となり、添加尿素から加水分解により発生したアンモニア（ＮＨ_３）の一部が排気中のＯ_２と反応してＮＯｘが生成され、以ってＮＯｘ低減反応におけるＮＨ_３／ＮＯｘ等量比のバランスが崩れてＮＯｘ過剰となる状態（尿素水（延いてはアンモニア）添加量が浄化すべきＮＯｘ量に対して不足した状態）において、例えば排気温度、排気流量に基づいてアンモニア（ＮＨ_３）がＮＯｘに酸化される割合を計算し、アンモニア（ＮＨ_３）不足分に相当する分だけ尿素水（延いてはアンモニア）添加量を増量させる制御を行うようにしたので、排気温度が所定の高温状態となっても、ＮＯｘ過剰となる状態（尿素水（延いてはアンモニア）添加量が浄化すべきＮＯｘ量に対して不足した状態）を回避することができ、以ってＮＨ_３／ＮＯｘ等量比を適正に維持することができ、延いてはＮＯｘ浄化性能を高いレベルに維持することができる。

なお、本実施の形態において、内燃機関１は、例えばディーゼル燃焼を行うディーゼルエンジンとすることができるが、これに限定されるものではなく、ガソリンその他の物質を燃料とする内燃機関とすることができ、更に移動式・定置式の内燃機関とすることができる。

また、本実施の形態では、選択還元型ＮＯｘ触媒（尿素ＳＣＲ触媒）へのアンモニアの吸着度合いを考慮した尿素水添加制御について説明したが、選択還元型ＮＯｘ触媒（尿素ＳＣＲ触媒）へのアンモニアの吸着度合いを考慮しない場合においても、本実施の形態に係る排気温度に応じたアンモニアの酸化反応（ＮＯｘ生成反応）に伴うアンモニア添加量不足を補うための尿素水添加量の補正制御を実行することは可能である。

以上で説明した実施の形態は、本発明を説明するための例示に過ぎず、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可能である。

本発明の一実施の形態に係る排気処理装置の全体構成例を概略的に示す図である。 選択還元型ＮＯｘ触媒（尿素ＳＣＲ触媒）の触媒温度と選択還元型ＮＯｘ触媒（尿素ＳＣＲ触媒）へのアンモニアの飽和吸着量の関係を表わす飽和吸着量曲線を、低温側（例えば、２０°Ｃ低い位置）へ移動させた目標吸着量曲線を示す図である。 排気温度と排気流量とに基づいて設定記憶されている補正係数Ｂを説明するためのマップである。 排気温度が約４００°Ｃにおける等量比とＮＯｘ浄化性能との関係を排気流量毎に示した図である。 従来の排気処理装置の一例を示す概略全体構成図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 昇温手段
３ ディーゼルパティキュレートフィルタ
４ 尿素水添加装置（還元剤添加手段の一例に相当）
４Ａ 尿素水噴射ノズル
５ ミキシング手段
６ 尿素ＳＣＲ触媒（選択還元型触媒の一例に相当）
７ アンモニア酸化触媒
８ エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (3)

1. 内燃機関から排出される排気に対して還元剤添加手段を介して還元剤を添加して選択還元型触媒により排気中の特定成分を選択的に還元する排気処理装置の制御装置であって、
   排気に添加する還元剤量を設定制御する制御部が、前記還元剤添加手段により排気に対して添加された還元剤の酸化度合いに基づいて、排気に添加する還元剤量を補正する補正手段を含んで構成されたことを特徴とする排気処理装置の制御装置。
2. 前記還元剤の酸化度合いは、排気温度に基づいていることを特徴とする請求項１に記載の排気処理装置の制御装置。
3. 前記還元剤の酸化度合いは、排気流量に基づいていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の排気処理装置の制御装置。