JP2011220145A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】大気中に排出されるアンモニア濃度を許容濃度以下に維持する。
【解決手段】機関排気通路内に、吸着したアンモニアによりＮＯXを還元するＮＯX選択還元触媒１３が配置される。ＮＯX選択還元触媒１３へのアンモニアの吸着状態として低温時に吸着したアンモニアの第１の吸着状態と高温時に吸着していたアンモニアの第２の吸着状態とが存在している。ＮＯX選択還元触媒１３の温度が上昇したときには第１の吸着状態から脱離するアンモニアの濃度を許容濃度以下に制御するために第１の吸着状態にあるアンモニア吸着量が制限され、ＮＯX選択還元触媒１３の温度が上昇したときには第２の吸着状態から脱離するアンモニアの濃度を許容濃度以下に制御するために第２の吸着状態にあるアンモニア吸着量が制限される。
【選択図】図３

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ＮＯx選択還元触媒を配置し、ＮＯx選択還元触媒に尿素水を供給して尿素水から発生するアンモニアをＮＯx選択還元触媒に吸着させ、主に吸着したアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯx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）。このように吸着したアンモニアによりＮＯxを還元するようにした場合において良好なＮＯxの還元作用を確保するためにはできる限り多量のアンモニアをＮＯx選択還元触媒に吸着させておくことが好ましい。そこでこの内燃機関ではアンモニアの飽和吸着量よりも若干低い目標アンモニア吸着量を予め定めておき、ＮＯx選択還元触媒へのアンモニア吸着量がこの目標アンモニア吸着量となるように尿素水の供給量を制御している。
特開２００３−２９３７３７号公報
ところでこのようなＮＯx選択還元触媒へのアンモニアの吸着作用について研究を重ねた結果、少くとも二つのアンモニア吸着状態があることが判明したのである。即ち、ＮＯx選択還元触媒の温度が例えば２００℃以下の低温側温度領域にあるときにＮＯx選択還元触媒に吸着しかつＮＯx選択還元触媒の温度が上昇したときは低温側温度領域において脱離量が最大となるアンモニアの第１の吸着状態と、ＮＯx選択還元触媒の温度が例えば２００℃以上の高温側温度領域にあるときにＮＯx選択還元触媒に吸着し又は既に吸着しておりかつＮＯx選択還元触媒の温度が上昇したときには高温側温度領域において脱離量が最大となるアンモニアの第２の吸着状態とが存在することが判明したのである。この場合、排気ガス中に含まれるＮＯXはいずれかの吸着状態にあるアンモニアによって還元される。
ところでこのＮＯX選択還元触媒では第１の吸着状態にあるアンモニアが脱離したとき、或いは第２の吸着状態にあるアンモニアが脱離したときにＮＯX選択還元触媒から流出するアンモニアの量が増大する場合がある。このとき、ＮＯX選択還元触媒から流出するアンモニアの量を減少させるには第１の吸着状態にあるアンモニアの脱離量、或いは第２の吸着状態にあるアンモニアの脱離量を抑制する必要があり、そのためには第１の吸着状態にあるアンモニアの吸着量および第２の吸着状態にあるアンモニアの吸着量を制御する必要がある。
しかしながらこの場合、上述の公知の内燃機関におけるようにアンモニア吸着量の全体量が目標吸着量となるように制御すると、第１の吸着状態にあるアンモニア吸着量と第２の吸着状態にあるアンモニア吸着量のいずれか一方が極度に高くなる場合がある。このような場合、例えば加速運転が行われてＮＯX選択還元触媒の温度が上述の低温側温度領域から上昇すると第１の吸着状態にあるアンモニア吸着量が極度に高い場合には第１の吸着状態にあるアンモニアが多量に脱離し、これに対し、第２の吸着状態にあるアンモニア吸着量が極度に高い場合には第２の吸着状態にあるアンモニアが多量に脱離することになる。その結果、多量のアンモニアがＮＯX選択還元触媒から流出するという問題を生ずる。
このような問題を解決するためには第１の吸着状態および第２の吸着状態にあるアンモニア吸着量を制御する必要があり、そのためには第１の吸着状態および第２の吸着状態にあるアンモニア吸着量を推定することが必要となる。
そこで本発明では、機関排気通路内にＮＯX選択還元触媒を配置し、ＮＯX選択還元触媒にアンモニアを供給してこのアンモニアをＮＯX選択還元触媒に吸着させ、主に吸着したアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯX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、ＮＯX選択還元触媒へのアンモニアの吸着状態として、ＮＯX選択還元触媒の温度が低温側温度領域にあるときにＮＯX選択還元触媒に吸着しかつＮＯX選択還元触媒の温度が上昇したときには低温側温度領域において脱離量が最大となるアンモニアの第１の吸着状態と、ＮＯX選択還元触媒の温度が低温側温度領域よりも高温の高温側温度領域にあるときにＮＯX選択還元触媒に吸着し又は既に吸着しておりかつＮＯX選択還元触媒の温度が上昇したときには高温側温度領域において脱離量が最大となるアンモニアの第２の吸着状態とが存在しており、第１の吸着状態にあるアンモニア吸着量を制御するために第１の吸着状態にあるアンモニア吸着量を推定すると共に、第２の吸着状態にあるアンモニア吸着量を制御するために第２の吸着状態にあるアンモニア吸着量を推定するようにしている。
第１の吸着状態および第２の吸着状態にあるアンモニア吸着量を推定することによって第１の吸着状態および第２の吸着状態にあるアンモニア吸着量を制御することができ、それによってＮＯX選択還元触媒からのアンモニアの流出量を抑制することができる。
圧縮着火式内燃機関の全体図である。 アンモニアの脱離量を示す図である。 本発明による目標アンモニア吸着量を示す図である。 機関からのＮＯx排出量ＮＯＸＡのマップ等を示す図である。 ＮＯx浄化処理を行うためのフローチャートである。 ＮＯx浄化処理を行うためのフローチャートである。 ＮＯx浄化処理を行うためのフローチャートである。 ＮＯx浄化処理を行うためのフローチャートの一部である。
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の出口は排気管１２を介してＮＯx選択還元触媒１３の入口に連結される。ＮＯx選択還元触媒１３の出口は排気管１４を介して酸化触媒１５に連結され、ＮＯx選択還元触媒１３上流の排気管１２内には尿素水供給弁１６が配置される。一方、尿素水供給弁１６下流の排気管１２内には尿素水を分散するための分散板１７が配置され、尿素水供給弁１６は供給管１８、供給ポンプ１９を介して尿素水タンク２０に連結される。尿素水タンク２０内に貯蔵されている尿素水は供給ポンプ１９によって尿素水供給弁１６から排気管１２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ＮＯxがＮＯx選択還元触媒１３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。ＮＯx選択還元触媒１３下流の排気管１４には排気ガス中のＮＯx濃度を検出するためのＮＯxセンサ２８と排気ガス温を検出するための温度センサ２９が配置され、これらＮＯxセンサ２８、温度センサ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、尿素水供給弁１６、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。
図１に示される実施例ではＮＯx選択還元触媒１３はアンモニアを吸着して高いＮＯx浄化能を有するＦｅゼオライトから構成されている。また、酸化触媒１５は例えば白金からなる貴金属を含んだ触媒を担持しており、この酸化触媒１５はＮＯx選択還元触媒１３から漏出したアンモニアを酸化する作用をなす。
さて、前述したように本発明者による研究により、ＮＯx選択還元触媒１３へのアンモニアの吸着状態として、ＮＯx選択還元触媒１３の温度が予め定められている低温側温度領域にあるときにＮＯx選択還元触媒１３に吸着しかつＮＯx選択還元触媒１３の温度が上昇したときには低温側温度領域において脱離量が最大となるアンモニアの第１の吸着状態と、ＮＯx選択還元触媒１３の温度がこの低温側温度領域よりも高温の予め定められている高温側温度領域にあるときにＮＯx選択還元触媒１３に吸着し又は既に吸着しておりかつＮＯx選択還元触媒１３の温度が上昇したときには高温側温度領域において脱離量が最大となるアンモニアの第２の吸着状態とが存在することが判明している。
図２はこのことを実証している一つの実験例を示している。この実験はＮＯx選択還元触媒にアンモニアＮＨ3を十分に吸着させた後、ＮＯx選択還元触媒の温度ＴＣを徐々に上昇させたときの脱離アンモニア量を示している。この実験例では上述のＮＯx選択還元触媒の予め定められた温度がほぼ２００℃となっており、低温側温度領域が２００℃以下となっており、高温側温度領域が２００℃以上となっている。また、２００℃以下の低温側温度領域のときに吸着したアンモニアが第１の吸着状態になっており、２００℃以上の高温側温度領域のときに吸着した又は既に吸着しているアンモニアが第２の吸着状態になっている。
図２に示されるようにＮＯx選択還元触媒の温度ＴＣが上昇すると脱離アンモニア量のピークが二つ現われる。第１のピークは低温側温度領域において現われ、第２のピークは高温側温度領域において現われる。ＮＯx選択還元触媒の温度が２００℃以上の高温側温度領域にあるときにアンモニアがＮＯx選択還元触媒に吸着すると又は既に吸着しているとこのときアンモニアは安定化した状態、即ち第２の吸着状態となる。このようにアンモニアが安定化した第２の吸着状態になるとアンモニアとＮＯX選択還元触媒との結合力が強くなるためにアンモニアの脱離温度は第１の吸着状態のときよりも高温側になるものと考えられ、従って図２に示されるように第２の吸着状態からのアンモニアの脱離量は高温側温度領域において最大となる。
ところで排気ガス中のＮＯxは、主としてＮＯx選択還元触媒１３に吸着されているアンモニアが脱離したときに脱離したアンモニアと反応して還元せしめられる。このときアンモニアが比較的高い温度で吸着している場合にはアンモニアが比較的低い温度で吸着している場合に比べてＮＯXに対するアンモニアの還元力が強くなる。上述したようにＮＯX選択還元触媒１３の温度が高温側温度領域にあるときにはアンモニアは比較的高い温度で吸着しており、即ち第２の吸着状態にあり、従ってこのときにはアンモニアがＮＯXに対して強い還元力を有している。
一方、ＮＯX選択還元触媒１３の温度が高温側温度領域にあるときには排気ガス中のＮＯXはＮＯX選択還元触媒１３から脱離したアンモニアと触媒上で反応する。この場合、ＮＯX選択還元触媒１３からアンモニアが脱離したとしてもこの脱離したアンモニア量がＮＯXの還元のために必要なアンモニア量に比べてそれほど多くない場合には多量のアンモニアがＮＯX選択還元触媒触媒１３から流出する危険性はない。
一方、ＮＯx選択還元触媒１３の温度が低温側温度領域にあるときにＮＯx選択還元触媒１３に吸着されたアンモニアは脱離してもほとんど活性化しておらず、従ってこのアンモニアは第１の吸着状態にある。しかしながらＮＯX選択還元触媒１３の温度が低温側温度領域にあるとき、ＮＯX選択還元触媒１３には第２の吸着状態にあるアンモニアも吸着している。即ち、ＮＯx選択還元触媒１３の温度を一旦高温側温度領域まで上昇させてアンモニアを安定化した状態で吸着させ、その後アンモニアの供給を停止してＮＯx選択還元触媒１３の温度を低温側温度領域まで低下させた場合には、ＮＯx選択還元触媒１３の温度が低温側温度領域にあったとしてもアンモニアが安定化した状態で吸着し続けていることが実験により確かめられている。即ち、吸着アンモニアは一旦安定化すると、即ち第２の吸着状態になるとその後ＮＯx選択還元触媒１３の温度が低温側温度領域になっても安定化している第２の吸着状態に維持されることが実験により確かめられている。
従ってＮＯX選択還元触媒１３の温度が低温側温度領域にあるときにはＮＯX選択還元触媒１３には第１の吸着状態にあるアンモニアと第２の吸着状態にあるアンモニアとが共に吸着されていることになる。この場合、第２の吸着状態にあるアンモニアの方が第１の吸着状態にあるアンモニアよりも脱離したときのＮＯXに対する還元力は強く、従ってＮＯX選択還元触媒１３の温度が低温側温度領域にあるときのＮＯX浄化率は第１の吸着状態にあるアンモニア量と第２の吸着状態にあるアンモニア量の比率に依存している。
さて、ＮＯx選択還元触媒１３の温度が低温側温度領域にあるときに脱離してもほとんど活性化していないアンモニア、即ち第１の吸着状態にあるアンモニアはＮＯx選択還元触媒１３の温度が上昇するとＮＯx選択還元触媒１３から脱離せしめられる。このアンモニアの脱離量は図２に示されるようにＮＯx選択還元触媒１３の温度が低温側温度領域において最大となる。この場合、排気ガス中に含まれるＮＯxはこの第１の吸着状態から脱離したアンモニアとはほとんど反応せず、従ってこのアンモニアはＮＯx選択還元触媒１３を素通りすることになる。このときＮＯx選択還元触媒１３を素通りしたアンモニアは酸化触媒１５において酸化されるが、アンモニア量が多かったり、酸化触媒１５が十分に活性化していないときには多量のアンモニアが大気中に排出されることになる。
一方、例えば加速運転が行われてＮＯX選択還元触媒１３の温度が急上昇すると図２において脱離ＮＨ3量がピークとなる高温側温度領域内の触媒温度ＴＣ付近において、第２の吸着状態にあるアンモニアが一気に脱離せしめられる。このとき第２の吸着状態にあるアンモニア量が多いと脱離せしめられるアンモニア量はＮＯXの還元のために消費されるアンモニア量もはるかに多くなり、その結果多量のアンモニアがＮＯX選択還元触媒１３を素通りして大気中に排出されることになる。
このように多量のアンモニアが大気中に排出されるのを阻止するためには第１の吸着状態にあるアンモニア吸着量を制御する必要があり、更に第２の吸着状態にあるアンモニア吸着量を制御する必要がある。そこで本発明では、第１の吸着状態にあるアンモニア吸着量を制御するために第１の吸着状態にあるアンモニア吸着量を推定すると共に、第２の吸着状態にあるアンモニア吸着量を制御するために第２の吸着状態にあるアンモニア吸着量を推定するようにしている。
ところでアンモニアの大気中への排出で問題になるのはアンモニアの排出濃度であり、実際問題としてはこのアンモニアの排出濃度を予め定められた許容濃度以下に制御することが必要となる。そこで本発明ではＮＯx選択還元触媒１３の温度が上昇したときに第１の吸着状態から脱離するアンモニアの濃度を予め定められた許容濃度以下に制御するために、推定された第１の吸着状態にあるアンモニア吸着量に基づいて第１の吸着状態にあるアンモニア吸着量を制限するようにし、ＮＯx選択還元触媒１３の温度が上昇したときに第２の吸着状態から脱離するアンモニアの濃度を予め定められた許容濃度以下に制御するために、推定された第２の吸着状態にあるアンモニア吸着量に基づいて第２の吸着状態にあるアンモニア吸着量を制限するようにしている。
もう少し具体的に言うと、本発明ではＮＯx選択還元触媒１３の温度が上昇したときに第１の吸着状態から脱離するアンモニアの濃度を予め定められた許容濃度以下にさせる第１の目標アンモニア吸着量が予め設定されており、第１の吸着状態にあるアンモニア吸着量がこの第１の目標アンモニア吸着量を越えないように尿素水供給弁１６からの尿素水の供給量、即ちアンモニアの供給量が制御される。更に本発明では、ＮＯx選択還元触媒１３の温度が上昇したときに第２の吸着状態から脱離するアンモニアの濃度を予め定められた許容濃度以下にさせる第２の目標アンモニア吸着量が予め設定されており、第２の吸着状態にあるアンモニア吸着量がこの第２の目標アンモニア吸着量を越えないように尿素水供給弁１６からの尿素水の供給量、即ちアンモニアの供給量が制御される。
次に図３を参照しつつこれら第１の目標アンモニア吸着量および第２の目標アンモニア吸着量について説明する。なお、図３の横軸はＮＯx選択還元触媒１３の温度ＴＣを示しており、図３の縦軸はＮＯx選択還元触媒１３へのアンモニア吸着量ΣＮＨ3を示している。図３を参照すると、ＮＸmaxは飽和状態にあるＮＯx選択還元触媒１３へのアンモニア吸着量、即ち飽和吸着量を示しており、図３からわかるようにこのアンモニアの飽和吸着量ＮＸmaxは触媒温度ＴＣが低くなるほど増大する。
さて、本発明による実施例では図３において破線で示されるように第１の吸着状態又は第２の吸着状態にある全吸着アンモニア量に対する主目標アンモニア吸着量ＮＸ（１＋２）が予め設定されていると共に、第１の吸着状態にある吸着アンモニア量に対する第１の目標アンモニア吸着量ＮＸ（１）および第２の吸着状態にある吸着アンモニア量に対する第２の目標アンモニア吸着量ＮＸ（２）が予め設定されている。この第１の目標アンモニア吸着量ＮＸ（１）が、上述した第１の吸着状態から脱離するアンモニアの濃度を予め定められた許容濃度以下にさせる目標アンモニア吸着量を示しており、この第２の目標アンモニア吸着量ＮＸ（２）が、上述した第２の吸着状態から脱離するアンモニアの濃度を予め定められた許容濃度以下にさせる目標アンモニア吸着量を示している。
図３からわかるように主目標アンモニア吸着量ＮＸ（１＋２）はあらゆる触媒温度ＴＣに対してアンモニアの飽和吸着量ＮＸmaxよりも若干少ないアンモニア吸着量ΣＮＨ3とされている。一方、第１の目標アンモニア吸着量ＮＸ（１）は同一の触媒温度ＴＣに対して主目標アンモニア吸着量ＮＸ（１＋２）よりも小さな値に設定されている。また、第２の目標アンモニア吸着量ＮＸ（２）も同一の触媒温度ＴＣに対して主目標アンモニア吸着量ＮＸ（１＋２）よりも小さな値に設定されている。
前述したように排気ガス中に含まれるＮＯxは主にＮＯx選択還元触媒１３から脱離した吸着アンモニアと反応して還元される。ただしこの場合、ＮＯxに対する還元力は第２の吸着状態にある吸着アンモニア由来のアンモニアの方が第１の吸着状態にある吸着アンモニア由来のアンモニアよりも強い。即ち、第１の吸着状態にある吸着アンモニアによるＮＯxの還元力はさほど強くない。しかしながら第１の吸着状態にある吸着アンモニアであっても吸着量が多ければ多いほどＮＯXに対する還元力は強くなる。従って第１の吸着状態又は第２の吸着状態にある全吸着アンモニアに対する主目標アンモニア吸着量ＮＸ（１＋２）はアンモニアの飽和吸着量ＮＸmaxにできる限り近い値とされ、基本的には全アンモニア吸着量が主目標アンモニア吸着量ＮＸ（１＋２）となるように尿素水の供給量、即ちアンモニアの供給量が制御される。
しかしながら第１の吸着状態にある吸着アンモニア量が第１の目標アンモニア吸着量ＮＸ（１）を越えるとアンモニアの脱離濃度が許容濃度を越えてしまい、従って第１の吸着状態にある吸着アンモニア量は第１の目標アンモニア吸着量ＮＸ（１）を越えないように制御される。また、第２の吸着状態にある吸着アンモニア量が第２の目標アンモニア吸着量ＮＸ（２）を越えるとアンモニアの脱離濃度が許容濃度を越えてしまい、従って第２の吸着状態にある吸着アンモニア量も第２の目標アンモニア吸着量ＮＸ（２）を越えないように制御される。即ち、本発明による実施例では第１の吸着状態にあるアンモニア吸着量が第１の目標アンモニア吸着量ＮＸ（１）を越えずかつ第２の吸着状態にあるアンモニア吸着量が第２の目標アンモニア吸着量ＮＸ（２）を越えないようにしつつ全吸着アンモニア量が主目標アンモニア吸着量ＮＸ（１＋２）となるように尿素水の供給量、即ちアンモニアの供給量が制御される。
本発明による実施例ではこの尿素水の供給量の制御がアンモニア吸着量の推定値に基づいて行われる。即ち、本発明による実施例では第１の吸着状態にあるアンモニア吸着量および第２の吸着状態にあるアンモニア吸着量が推定され、第１の吸着状態にあるアンモニア吸着量の推定値と第２の吸着状態にあるアンモニア吸着量の推定値とに基づいて尿素水の供給量、即ちアンモニアの供給量が制御される。
そこで次に図４を参照しつつアンモニア吸着量の推定方法について説明する。
本発明による実施例では一定の時間間隔をおいて次式に基づき第１の吸着状態にあるアンモニア吸着量の推定値ΣＮＨ3（１）nおよび第２の吸着状態にあるアンモニア吸着量の推定値ΣＮＨ3（２）nが繰返し算出される。
ΣＮＨ3（１）n←ΣＮＨ3（１）n-1＋Ｑ1−Ｍ1−Ｆ・・・（１）
ΣＮＨ3（２）n←ΣＮＨ3（２）n-1＋Ｑ2−Ｍ2＋Ｆ・・・（２）
上記（１）式においてΣＮＨ3（１）n-1は前回算出された第１の吸着状態にあるアンモニア吸着量の推定値を示しており、Ｑ1は前回の算出時から今回の算出時までの間に添加されたアンモニアのうちで第１の吸着状態でもって吸着するアンモニア吸着量を示しており、Ｍ1は前回の算出時から今回の算出時までの間にＮＯx浄化のために消費された第１の吸着状態にある吸着アンモニアの消費量を示している。
一方、上記（２）式においてΣＮＨ3（２）n-1は前回算出された第２の吸着状態にあるアンモニア吸着量の推定値を示しており、Ｑ2は前回の算出時から今回の算出時までの間に添加されたアンモニアのうちで第２の吸着状態でもって吸着するアンモニア吸着量を示しており、Ｍ2は前回の算出時から今回の算出時までの間にＮＯx浄化のために消費された第２の吸着状態にある吸着アンモニアの消費量を示している。
また上記（１）式および（２）式においてＦは前回の算出時から今回の算出時までの間に第１の吸着状態から第２の吸着状態に変化した吸着アンモニア量を示している。
まず初めにＱ1，Ｑ2について説明する。前回の算出時から今回の算出時までの間にアンモニアが添加量Ｑだけ添加されたとするとこのアンモニアはＮＯx選択還元触媒１３の温度ＴＣに応じて第１の吸着状態か第２の吸着状態のいずれかの状態でＮＯx選択還元触媒１３に吸着される。図４（Ｂ）に、このとき第１の吸着状態で吸着されるアンモニア吸着量Ｑ1の割合がＮ1で示されており、第２の吸着状態で吸着されるアンモニア吸着量Ｑ2の割合がＮ2で示されている。ここでＮ1＋Ｎ2＝１．０である。
触媒温度ＴＣが例えば２００℃以下の低温側温度領域では添加されたアンモニアの大部分が第１の吸着状態で吸着されるので図４（Ｂ）に示されるように低温側温度領域ではＮ2に比べてＮ1が大きくなり、触媒温度ＴＣが例えば２００℃以上の高温側温度領域では添加されたアンモニアの大部分が第２の吸着状態で吸着されるので図４（Ｂ）に示されるように高温側温度領域ではＮ1に比べてＮ2が大きくなる。
図４（Ｂ）に示されるＮ1，Ｎ2と触媒温度ＴＣとの関係は予めＲＯＭ３２内に記憶されており、この関係から第１の吸着状態で吸着されるアンモニア量Ｑ1（＝Ｎ1・Ｑ）と第２の吸着状態で吸着されるアンモニア量Ｑ2（＝Ｎ2・Ｑ）が算出される。
次に上記（１）式のＭ1と上記（２）式のＭ2について説明する。本発明による実施例ではＮＯx選択還元触媒１３によるＮＯx浄化率ＲがＮＯx選択還元触媒１３に流入する排気ガス中のＮＯx濃度ＤｉｎとＮＯx選択還元触媒１３から流出する排気ガス中のＮＯx濃度Ｄｏｕｔから算出される。この場合、本発明による実施例では機関から単位時間当り排出されるＮＯx量ＮＯＸＡが機関負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数として図４（Ａ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、このＮＯx量ＮＯＸＡと吸入空気量ＧＡからＮＯx濃度Ｄｉｎが算出され、ＮＯxセンサ２８の出力からＮＯx濃度Ｄｏｕｔが算出される。
ＮＯx浄化率Ｒが求まると排出ＮＯx量ＮＯＸＡとＮＯx浄化率とに基づいて前回の算出時から今回の算出時までにＮＯx浄化のために消費された吸着アンモニアの全消費量を算出することができる。このとき実際には第１の吸着状態にある吸着アンモニアと第２の吸着状態にある吸着アンモニアによってＮＯxが還元されるので第１の吸着状態にある吸着アンモニアの消費量Ｍ1と第２の吸着状態にある吸着アンモニアの消費量Ｍ2との和が吸着アンモニアの全消費量になる。
なお、この場合前述したようにＮＯxに対する還元力は第２の吸着状態にある吸着アンモニア由来のアンモニアの方が第１の吸着状態にある吸着アンモニア由来のアンモニアよりも強く、温度上昇による脱離量は第１の吸着状態にある吸着アンモニアの方が第２の吸着状態にある吸着アンモニアよりも多い。本発明による実施例ではこれらアンモニア消費量Ｍ1とアンモニア消費量Ｍ2との比η1：η2が予め実験により求められている。
次に上記（１）式および（２）式のＦについて説明する。ＮＯx選択還元触媒１３の温度ＴＣが上昇すると第１の吸着状態にある吸着アンモニアの一部が第２の吸着状態に変化する。このときの変化の割合を変更係数σと称すると第２の吸着状態に変化する吸着アンモニアの変化量Ｆは、前回算出された第１の吸着状態にあるアンモニア吸着量ΣＮＨ1（１）n-1に変更係数σを乗算した値（Ｆ＝σ・ΣＮＨ1（１）n-1）となる。
この変更係数σは図４（Ｃ）に示されるようにＮＯx選択還元触媒１３の温度ＴＣと吸入空気量ＧＡの関数となる。即ち、図４（Ｃ）に示されるように触媒温度ＴＣが高温側温度領域になると変更係数σは触媒温度ＴＣが高くなるにつれて大きくなる。また、吸入空気量ＧＡが増大すると、即ち排気ガスの流速が速くなるとＮＯx選択還元触媒１３の上流端に吸着している多量のアンモニア又は尿素が下流側に分散されるので活性化されるアンモニア量が増大し、従って図４（Ｃ）に示されるように変更係数σは同一触媒温度ＴＣに対して吸入空気量ＧＡが増大するほど大きくなる。図４（Ｃ）に示される変更係数σと触媒温度ＴＣおよび吸入空気量ＧＡとの関係は予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
このように本発明による実施例ではＮＯx選択還元触媒１３の温度ＴＣが上昇したときに第１の吸着状態から第２の吸着状態に変化する吸着アンモニアの変化量Ｆが推定され、この吸着アンモニアの変化量の推定値Ｆに基づいて第１の吸着状態にあるアンモニア吸着量の推定値ΣＮＨ3（１）nおよび第２の吸着状態にあるアンモニア吸着量の推定値ΣＮＨ3（２）nが修正される。
次に図５から図７を参照しつつＮＯx浄化処理ルーチンについて説明する。なお、このＮＯx浄化処理ルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。
図５を参照するとまず初めにステップ５０において吸入空気量検出器８により検出された吸入空気量ＧＡおよび温度センサ２９の検出信号から推定されるＮＯx選択還元触媒１３の温度ＴＣが読込まれる。次いでステップ５１ではＮＯxセンサ２８の出力が読込まれ、次いでステップ５２ではＮＯxセンサ２８の出力に基づいてＮＯx選択還元触媒１３から流出する排気ガス中のＮＯx濃度Ｄｏｕｔが算出される。
次いでステップ５３では図４（Ａ）に示すマップから単位時間当りの排出ＮＯx量ＮＯＸＡが算出される。次いでステップ５４では排出ＮＯx量ＮＯＸＡと吸入空気量ＧＡからＮＯx選択還元触媒１３に流入する排気ガス中のＮＯx濃度Ｄｉｎが算出される。次いでステップ５５ではＮＯx浄化率Ｒ（＝（Ｄｉｎ−Ｄｏｕｔ）／Ｄｉｎ）が算出される。
次いでステップ５６では前回の割込み時に算出された第１の吸着状態にあるアンモニア吸着量の推定値ΣＮＨ3（１）n-1と第２の吸着状態にあるアンモニア吸着量の推定値ΣＮＨ3（２）n-1が読込まれる。次いでステップ５７では尿素水の供給量に基づいて前回の割込み時から今回の割込み時の間に添加されたアンモニア添加量Ｑが読込まれる。次いでステップ５８では図４（Ｂ）に示す関係からＮ1およびＮ2が求められ、これらＮ1およびＮ2に基づいて、第１の吸着状態で吸着されるアンモニア量Ｑ1（＝Ｎ1・Ｑ）と第２の吸着状態で吸着されるアンモニア量Ｑ2（＝Ｎ2・Ｑ）が算出される。
次いでステップ５９では第１の吸着状態にある吸着アンモニアの消費量Ｍ1と第２の吸着状態にある吸着アンモニアの消費量Ｍ2とが算出される。即ち、図４（Ａ）に示すマップから求まる排出ＮＯx量ＮＯＸＡとＮＯx浄化率Ｒとに基づいて前回の算出時から今回の算出時までにＮＯx浄化のために消費された吸着アンモニアの全消費量が算出され、この吸着アンモニアの全消費量にη1を乗算することによって第１の吸着状態にある吸着アンモニアの消費量Ｍ1が算出されると共に、この吸着アンモニアの全消費量にη2を乗算することによって第２の吸着状態にある吸着アンモニアの消費量Ｍ2が算出される。
次いでステップ６０では図４（Ｃ）に示す関係から変更係数σが算出され、次いでステップ６１では前回算出された第１の吸着状態にあるアンモニア吸着量の推定値ΣＮＨ1（１）n-1に変更係数σを乗算することによって第１の吸着状態から第２の吸着状態に変化する吸着アンモニアの変化量Ｆ（＝σ・ΣＮＨ1（１）n-1）が算出される。
次いでステップ６２では次式に基づいて第１の吸着状態にあるアンモニア吸着量の推定値ΣＮＨ3（１）nが算出される。
ΣＮＨ3（１）n←ΣＮＨ3（１）n-1＋Ｑ1−Ｍ1−Ｆ
次いでステップ６３では次式に基づいて第２の吸着状態にあるアンモニア吸着量の推定値ΣＮＨ3（２）nが算出される。
ΣＮＨ3（２）n←ΣＮＨ3（２）n-1＋Ｑ2−Ｍ2＋Ｆ
次いでステップ６４では第１の吸着状態にあるアンモニア吸着量の推定値ΣＮＨ3（１）nと第２の吸着状態にあるアンモニア吸着量の推定値ΣＮＨ3（２）nとの和が全アンモニア吸着量ΣＮＨ3（＝ΣＮＨ3（１）n＋ΣＮＨ3（２）n）とされる。
次いでステップ６５では図３に示す関係から触媒温度ＴＣに応じた主目標アンモニア吸着量ＮＸ（１＋２）と第１の目標アンモニア吸着量ＮＸ（１）と第２の目標アンモニア吸着量ＮＸ（２）とが算出される。次いでステップ６６では全アンモニア吸着量ΣＮＨ3が主目標アンモニア吸着量ＮＸ（１＋２）よりも大きくなったか否かが判別される。ΣＮＨ3≦ＮＸ（１＋２）のときにはステップ６７に進んで第１の吸着状態にあるアンモニア吸着量の推定値ΣＮＨ3（１）nが第１の目標アンモニア吸着量ＮＸ（１）よりも大きくなったか否かが判別される。ΣＮＨ3（１）n≦ＮＸ（１）のときにはステップ６８に進んで第２の吸着状態にあるアンモニア吸着量の推定値ΣＮＨ3（２）nが第２の目標アンモニア吸着量ＮＸ（２）よりも大きくなったか否かが判別される。ΣＮＨ3（２）n≦ＮＸ（２）のときにはステップ６９に進んで予め定められた量Ｑのアンモニアが添加される。実際にはアンモニア量がＱとなる量の尿素水が供給される。
即ち、アンモニアを添加量Ｑだけ添加したときのアンモニア吸着量の推定値ΣＮＨ3（１）nおよびΣＮＨ3（２）nを求め、これら推定値の和である全アンモニア供給量ΣＮＨ3が主目標アンモニア吸着量ＮＸ（１＋２）を越えておらず、アンモニア吸着量の推定値ΣＮＨ3（１）nが第１の目標アンモニア吸着量ＮＸ（１）を越えておらず、アンモニア吸着量の推定値ΣＮＨ3（２）nが第２の目標アンモニア吸着量ＮＸ（２）を越えていないときにはアンモニアが添加量Ｑだけ添加せしめられる。アンモニアが添加量Ｑだけ添加せしめられるとステップ７０に進んでΣＮＨ3（１）nがΣＮＨ3（１）n-1とされ、次いでステップ７１ではΣＮＨ3（２）nがΣＮＨ3（２）n-1とされる。
一方、ステップ６６においてΣＮＨ3＞ＮＸ（１＋２）であると判別されたとき、或いはステップ６７においてΣＮＨ3（１）n＞ＮＸ（１）であると判別されたとき、或いはステップ６８においてΣＮＨ3（２）n＞ＮＸ（２）であると判別されたときにはステップ７２に進んでアンモニアの添加が停止される。アンモニアの添加が停止されるとＱ1およびＱ2は零になる。従ってこのときにはステップ７３に進んで第１の吸着状態にあるアンモニア吸着量の推定値ΣＮＨ3（１）nが次式から算出される。
ΣＮＨ3（１）n←ΣＮＨ3（１）n-1−Ｍ1−Ｆ
次いでステップ７４では第２の吸着状態にあるアンモニア吸着量の推定値ΣＮＨ3（２）nが次式から算出される。
ΣＮＨ3（２）n←ΣＮＨ3（２）n-1−Ｍ2＋Ｆ
次いでステップ７０に進む。
このように本発明による実施例では第１の吸着状態にあるアンモニア吸着量の推定値ΣＮＨ3（１）nが第１の目標アンモニア吸着量ＮＸ（１）よりも低くかつ第２の吸着状態にあるアンモニア吸着量の推定値ΣＮＨ3（２）nが第２の目標アンモニア吸着量ＮＸ（２）よりも低い限り、全アンモニア吸着量ΣＮＨ3が主目標アンモニア吸着量ＮＸ（１＋２）となるようにアンモニアが添加され、全アンモニア吸着量ΣＮＨ3が主目標アンモニア吸着量ＮＸ（１＋２）に達していなくても第１の吸着状態にあるアンモニア吸着量の推定値ΣＮＨ3（１）nが第１の目標アンモニア吸着量ＮＸ（１）を越えるか、或いは第２の吸着状態にあるアンモニア吸着量の推定値ΣＮＨ3（２）nが第２の目標アンモニア吸着量ＮＸ（２）を越えるとアンモニアの添加、即ち尿素水の供給が停止される。
次に、アンモニアの吸着状態を第１の吸着状態から第２の吸着状態に積極的に変化させることによって全アンモニア吸着量を増大しうるようにした実施例について説明する。
即ち、前述したようにＮＯx選択還元触媒１３の温度が上昇するとアンモニアの吸着状態が第１の吸着状態から第２の吸着状態に変化する。従ってこの実施例では、第１の吸着状態にあるアンモニア量が増大したときに第２の吸着状態にあるアンモニア量が少ないときには、即ち第２の吸着状態でもって更に多くのアンモニアを吸着する余裕があるときにはＮＯX選択還元触媒１３の温度が上昇せしめられ、それによって第１の吸着状態でもって吸着しているアンモニアの吸着状態が第２の吸着状態に変化せしめられる。それにより第１の吸着状態でもってアンモニアを吸着しうるようになり、斯くしてアンモニアの吸着量を増大することができる。
即ち、この実施例では、第１の吸着状態にある吸着アンモニア量の推定値が第１の目標アンモニア吸着量ＮＸ（１）に近づいて予め定められた第１の吸着量判定値を越えたときに第２の吸着状態にある吸着アンモニア量の推定値が予め定められた第２の吸着量判定値以下のときには第１の吸着状態にあるアンモニアを第２の吸着状態に変化させるためにＮＯX選択還元触媒１３が昇温せしめられる。具体的に言うと、第１の吸着状態にあるアンモニア吸着量の推定値ΣＮＨ3（１）nが第１の目標アンモニア吸着量ＮＸ（１）よりも一定量αだけ低い第１の吸着量判定値（ＮＸ（１）−α）を越えたときに、第２の吸着状態にあるアンモニアの吸着量の推定値ΣＮＨ3（２）nが副目標アンモニア吸着量ＮＸ（２）よりも一定量βだけ低い第２の吸着量判定値（ＮＸ（２）−β）以下のときには第１の吸着状態にあるアンモニアを第２の吸着状態に変化させるためにＮＯX選択還元触媒１３が昇温せしめられる。
この実施例によるＮＯx浄化処理は図６の破線で囲んだＡの部分を図８に示すように変更することによって実行される。即ち、この実施例では図８に示されるようにステップ６９におけるアンモニアの添加処理が完了するとステップ６９ａに進んで第１の吸着状態にあるアンモニア吸着量の推定値ΣＮＨ3（１）nが（ＮＸ（１）−α）よりも大きくなったか否かが判別される。ΣＮＨ3（１）n＞ＮＸ（１）−αになったときにはステップ６９ｂに進んで第２の吸着状態にあるアンモニア吸着量の推定値ΣＮＨ3（２）nが（ＮＸ（１）−β）よりも少ないか否かが判別され、ΣＮＨ3（２）n＜ＮＸ（１）−β）であるときにはステップ６８ｃに進んでＮＯx選択還元触媒１３の昇温制御が行われる。この昇温制御は、例えば燃料噴射弁３からの噴射時期を遅らせて排気ガス温を上昇させることにより行われる。
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
１３ ＮＯx選択還元触媒
１６ 尿素水供給弁

Claims (8)

  1. 機関排気通路内にＮＯX選択還元触媒を配置し、該ＮＯX選択還元触媒にアンモニアを供給して該アンモニアをＮＯX選択還元触媒に吸着させ、主に吸着したアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯX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、ＮＯX選択還元触媒へのアンモニアの吸着状態として、ＮＯX選択還元触媒の温度が低温側温度領域にあるときにＮＯX選択還元触媒に吸着しかつＮＯX選択還元触媒の温度が上昇したときには該低温側温度領域において脱離量が最大となるアンモニアの第１の吸着状態と、ＮＯX選択還元触媒の温度が該低温側温度領域よりも高温の高温側温度領域にあるときにＮＯX選択還元触媒に吸着し又は既に吸着しておりかつＮＯX選択還元触媒の温度が上昇したときには該高温側温度領域において脱離量が最大となるアンモニアの第２の吸着状態とが存在しており、第１の吸着状態にあるアンモニア吸着量を制御するために第１の吸着状態にあるアンモニア吸着量を推定すると共に、第２の吸着状態にあるアンモニア吸着量を制御するために第２の吸着状態にあるアンモニア吸着量を推定するようにした内燃機関の排気浄化装置。
  2. ＮＯX選択還元触媒の温度が上昇したときに上記第１の吸着状態から脱離するアンモニアの濃度を予め定められた許容濃度以下に制御するために上記推定された第１の吸着状態にあるアンモニア吸着量に基づいて第１の吸着状態にあるアンモニア吸着量を制限し、ＮＯX選択還元触媒の温度が上昇したときに上記第２の吸着状態から脱離するアンモニアの濃度を予め定められた許容濃度以下に制御するために上記推定された第２の吸着状態にあるアンモニア吸着量に基づいて第２の吸着状態にあるアンモニア吸着量を制限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. ＮＯX選択還元触媒の温度が上昇したときに上記第１の吸着状態から脱離するアンモニアの濃度を、予め定められた許容濃度以下にさせる第１の目標アンモニア吸着量が予め設定されていると共に、ＮＯX選択還元触媒の温度が上昇したときに上記第２の吸着状態から脱離するアンモニアの濃度を、予め定められた許容濃度以下にさせる第２の目標アンモニア吸着量が予め設定されており、上記第１の吸着状態にあるアンモニア吸着量が該第１の目標アンモニア吸着量を越えずかつ上記第２の吸着状態にあるアンモニア吸着量が該第２の目標アンモニア吸着量を越えないようにアンモニアの供給量が制御される請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 第１の吸着状態又は第２の吸着状態にある全吸着アンモニア量に対する主目標アンモニア吸着量が予め設定されており、同一のＮＯX選択還元触媒温度に対して上記第１の目標アンモニア吸着量および上記第２の目標アンモニア吸着量は主目標アンモニア吸着量よりも小さな値に設定されており、第１の吸着状態にある吸着アンモニア量および第２の吸着状態にある吸着アンモニア量が夫々上記第１の目標アンモニア吸着量および第２の目標アンモニア吸着量を越えないようにしつつ全吸着アンモニア量が主目標アンモニア吸着量となるようにアンモニアの供給量が制御される請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  5. 第１の吸着状態にある吸着アンモニア量の推定値が上記第１の目標アンモニア吸着量に近づいて予め定められた第１の吸着量判定値を越えたときに第２の吸着状態にある吸着アンモニア量の推定値が予め定められた第２の吸着量判定値以下のときには第１の吸着状態にあるアンモニアを第２の吸着状態に変化させるためにＮＯX選択還元触媒が昇温せしめられる請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  6. 第１の吸着状態にあるアンモニア吸着量および第２の吸着状態にあるアンモニア吸着量を推定する際に、ＮＯXの浄化のために消費される吸着アンモニアの消費量が算出される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  7. ＮＯX選択還元触媒の温度が上昇したときに第１の吸着状態から第２の吸着状態に変化する吸着アンモニアの変化量が推定され、該吸着アンモニアの変化量の推定値に基づいて第１の吸着状態にあるアンモニア吸着量の推定値および第２の吸着状態にあるアンモニア吸着量の推定値が修正される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  8. ＮＯX選択還元触媒に供給されるアンモニアの供給量と、ＮＯX選択還元触媒によるＮＯX浄化率と、ＮＯX選択還元触媒の温度から第１の吸着状態にあるアンモニア吸着量および第２の吸着状態にあるアンモニア吸着量が推定される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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