JP2012107536A - NOx浄化装置の制御方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】NOx触媒11の下流側に配設されたNOxセンサ21と、NOxセンサ21からの信号に基づいてNOx触媒11によるNOx浄化性能を算出する第1のNOx浄化性能算出手段33と、内燃機関からのNOx排出量を基にNOx触媒11のNOx浄化性能を算出する第2のNOx浄化性能算出手段37と、第1と第2のNOx浄化性能算出とを比較してNOxセンサ21の異常を判定する判定手段39を備えて、異常と判定したときに、第2のNOx浄化性能算出手段37により算出した浄化性能に基づいて還元剤の供給量を算出する。
【選択図】図2
Description
さらに高効率なNOx浄化性能を得るために、演算噴射量に加えてNOxおよびアンモニアに感応するセンサを用いて還元剤の実噴射量を補正することも行われている。
(1)還元剤からNH3を生成する以外の副反応が生じ、還元剤噴射ノズル周辺に還元剤の分解によって固形析出物を形成し配管を閉塞するおそれがある。
(2)還元触媒も同様に閉塞や、上流側で形成された固形析出物の飛来による触媒の破損のおそれがある。
(3)還元剤を無駄に消費するばかりでなく多量のNH3を還元触媒の後流に排出してしまう、所謂アンモニアスリップ量が増大するおそれがある。
排気通路の前記還元触媒の下流側に配設されたNOxセンサと、該NOxセンサからの信号に基づいて前記還元触媒によるNOx浄化性能を算出する第1のNOx浄化性能算出手段と、排ガス温度および内燃機関からのNOx排出量を基に前記還元触媒における触媒温度およびアンモニア吸着量を導出して還元触媒のNOx浄化性能を算出する第2のNOx浄化性能算出手段と、前記第1のNOx浄化性能算出手段と前記第2のNOx浄化性能算出手段とを比較して前記NOxセンサが異常であるか否かを判定する判定手段を備え、該判定手段によって異常であると判定したとき、前記第2のNOx浄化性能算出手段によって算出した浄化性能に基づいて前記排気ガス還元剤の供給量を算出する還元剤供給量制御手段を備えたこと特徴とする。
このように、NOxセンサが異常時には、還元剤の供給を停止することで、還元剤の無駄な消費や、還元触媒の下流側への多量のアンモニアの排出を確実に防止できる。
そして、異常と判定したときには、第2のNOx浄化性能算出手段、つまり排ガス温度および内燃機関からのNOx排出量を基に算出された還元触媒のNOx浄化性能に基づいて前記排気ガス還元剤の供給量を算出するので、NOxセンサの誤作動によって、過剰な還元剤噴霧を抑制することができる。
その結果、排気通路に設けられるNOx、温度センサ等の異常を検知するとともに、センサの異常時においても還元剤供給量を適正化してNOx浄化装置の性能維持を図ることができる。
図示しない車両に搭載されたディーゼルエンジン1の排気通路3には、排気上流側から、酸化触媒(以下DOCと略す)5と、排ガス中に含まれるパティキュレートマター(粒子状物質、PMと略す)を捕集するディーゼルパティキュレートフィルター(以下DPFと略す)7と、尿素SCRシステム9とが設けられている。
尿素SCRシステム9は、還元触媒のNOx触媒11と、NOx触媒11の上流側に還元剤である尿素水を排気通路3内に噴射する噴霧ノズル12を有する尿素水噴射手段(還元剤噴射手段)13と、尿素水噴射手段13へ尿素水を供給する尿素水タンク15によって構成されている。
(NH2)2CO+H2O→2NH3+CO2 (1)
その後、生成された、アンモニアは、排ガスとともに排気通路3内を流れて、NOx触媒11に到達する。なお、尿素水の一部は、アンモニアにならずに、尿素水のままNOx触媒11に到達する。そのため、NOx触媒11内でも式(1)の反応により、尿素水からアンモニアが生成される。NOx触媒11に到達したアンモニアは、排ガス中に含まれる窒素酸化物が反応して、窒素酸化物から酸素を取り除き、窒素に還元する。具体的には、以下の式(2)〜(4)に示す反応により窒素酸化物が還元されてN2を生成する。
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O (2)
2NH3+NO+NO2→2N2+3H2O (3)
8NH3+6NO2→7N2+12H2O (4)
制御装置20には、NOx触媒11の下流側に設置されたNOxセンサ21からの信号、NOx触媒11の下流側に配置された下流側温度センサ25からの信号、尿素水の噴霧ノズル12の上流側で、且つDPF7の下流側の位置に配置された上流側温度センサ27からの信号、さらに、DPF7の入口側に配置されたDPF入口温度センサ29からの信号、DOCの入口側に配置されたDOC入口温度センサ31からの信号が入力されている。
更に、エンジン1から運転状態に関するエンジン回転数、エンジン負荷、燃料噴射量等の信号が入力されている。
制御装置20の第1実施形態を、図2の構成ブロック図および図3−1、図3−2のフローチャートを参照して説明する。
図2に示すように、NOxセンサ21からの信号に基づいてNOx浄化性能を算出する第1のNOx浄化性能算出手段33と、エンジン運転状態算出手段35によってNOx排出量、排ガス温度を算出し、それに基づいてNOx浄化性能を算出する第2のNOx浄化性能算出手段37とを備えている。
また、第1のNOx浄化性能算出手段33と第2のNOx浄化性能算出手段37とからのそれぞれの算出結果を比較して、NOxセンサ21が異常か否かを判定する判定手段39を備えている。
これらの、上流側温度センサ27および下流側温度センサ25からの信号処理については第3実施形態で、尿素水濃度センサ47からの信号処理については第2実施形態で後述する。
まず、ステップS1で、エンジン運転状態を入力する。エンジン回転数(Ne)、エンジン負荷(Le)、燃料噴射量(Qf)等の信号をそれぞれ取り込む。
推定にはエンジン1の出口からNOx触媒11までの排気通路3の長さ、放熱等の要素を考慮した相関式を用いて算出する。考慮する要素としては、排気通路3での放熱量による温度低下、DOC5での熱容量による応答遅れ、DOC5での未燃燃料(CO、HC)の酸化反応による温度上昇、DPF7での熱容量による応答遅れ、DPF7での未燃燃料(CO、HC)の酸化反応による温度上昇、さらに、NOx触媒11での熱容量による応答遅れが考えられる。
図6に示すように、アンモニア吸着量が多いほど、NOx浄化率が高く、しかも図7のように、触媒温度が高いほど高浄化率を確保できる。このため、アンモニア吸着量を高く制御することが好ましいが、NOx触媒に吸着できるアンモニア吸着量には限界がある。 一定の温度、排ガス流量、排ガス濃度等の条件にて長時間運転した場合には、アンモニア吸着量は限界まで到達するが、運転状態に変化をともなう場合には触媒上でのアンモニア吸着反応及び脱着反応速度から触媒でのNH3吸着量が推定される。
図8のようなNH3吸着量特性マップや、ステップS3で推定した触媒温度(Tcat)等に基づいて目標触媒NOx浄化性能(ηtg)を求めて、目標触媒NOx浄化性能(ηtg)を設定する。
ステップS9では、NOx触媒11の下流側に設置されたNOxセンサ21からの信号を基に、出口NOx濃度(SNOxout)を算出する。
そして、ステップS11で、ステップS4で設定した目標触媒NOx浄化性能(ηtg)とステップS10で算出した触媒NOx浄化性能(ηb)とを比較し、実測値の浄化性能が、目標値の浄化性能より小さい時には、NOとなりステップS15に進んでアンモニア流量の増量補正を行う。
なお、濃度比でなく濃度偏差の絶対値|CNOxout−SNOxout|が所定閾値α'未満か否かとして判定してもよい。
ステップS14では、再度、ステップS4で設定した目標触媒NOx浄化性能(ηtg)とステップS10で算出した触媒NOx浄化性能(ηb)とが等しくなったかを判定して、等しくなった場合には終了し、等しくない場合には、ステップS11にリターンして同様の手順を繰り返す。
このように、安全係数としての補正係数β(0.5〜1未満の係数)を乗算して、過剰噴霧の抑制を確実にしている。
エンジンからのNOx排出量の増大にともなって、NOx触媒出口のNOx排出量も増大することがあるため、αを変化させ推定精度を向上させることで有害物質であるNOxを極力排出しないようにする。
また、NOx排出量の増大にともなって、NOx触媒出口のNOx排出量も増大することがあるため、過渡的な運転状態でNOxセンサの検出がエンジン回転数とトルクから算出されるNOx排出量より大きくなるような場合に、ステップS12でNOと判定してステップS16でNOxセンサの異常と誤判定してしまうことを防止して判定精度を向上する。
次に、制御装置20の第2実施形態を、図2の構成ブロック図および図4のフローチャートを参照して説明する。
第2実施形態は、図2において尿素水濃度センサ47を設けて、尿素水濃度を検出し、尿素水濃度の設定値と尿素水濃度センサ47の検出値とを比較し、例えば、偏差または濃度比が所定値より小さいときには、尿素水濃度が適正であると判定して、判定手段39での判定を実行する。図4において、第1実施形態に対してPの部分が追加されている。その他の構成で第1実施形態と同様の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
第2実施形態によれば、尿素水タンク15に設置した尿素水濃度センサ47により、尿素水濃度を検知して、尿素水タンク15に貯留した還元剤である尿素水が規格の濃度から外れた濃度でないときに、NOxセンサ21の異常判定を実行するので、第1実施形態でのNOxセンサ21の異常判定の精度を向上できる。
次に、制御装置20の第3実施形態を、図2の構成ブロック図および図5のフローチャートを参照して説明する。
第3実施形態は、図2において、NOx触媒11の上下流側に設置された上流側温度センサ27および下流側温度センサ25が設けられ、これらの信号を基にNOx触媒11の温度が推定されている。そして、これら温度センサからの信号を基に、温度センサに異常かあるかを判定する。この判定は温度センサ異常判定手段45で行われ、その結果が第2のNOx浄化性能算出手段37に入力される。
なお、図5において、第1実施形態に対してR1、R2の部分が追加されている。その他の構成で第1実施形態と同様の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
そして、ステップS32では、ステップS31で検出した触媒入口ガス温度(TIN)および触媒出口ガス温度(TOUT)の少なくとも一方の温度によって、触媒温度(Tcat)を算出する。この算出に際しては、所定の関係式または予め試験によって求められた触媒温度と触媒入口ガス温度(TIN)および触媒出口ガス温度(TOUT)との相関関係によって算出される。その後、ステップS3ではそのステップS32で算出された触媒温度を用いて以降の算出が進む。
第3実施形態においては、ステップS33で、上流側温度センサ27および下流側温度センサ25以外の温度センサ、例えば、DPF7の入口側に配置したDPF入口温度センサ29からの信号(TDPF)、DOC5の入口側に配置したDOC入口温度センサ31からの信号が入力(TDOC)、さらに、エンジン運転状態の情報を基に、データマップに用いてエンジン1から排出される排ガス温度(TEX)を用いて触媒温度(T'cat)を、それぞれ必要とする関係式を用いて算出する。この関係式は、例えば、排気通路3の長さ、放熱量等を考慮して設定される所定の関係式から算出する。
Yesの場合には、図3−2の[1]へ進み、NOの場合には、該偏差が所定の閾値γ以上であるので上流側温度センサ27および下流側温度センサ25はセンサ異常と判定する。
そして、ステップS36で、ステップS33で求めた触媒温度(T'cat)をステップS32の触媒温度Tcatとして、[3]に戻る。
3 排気通路
5 DOC(酸化触媒)
7 DPF(ディーゼルパティキュレートフィルター)
9 尿素SCRシステム
11 NOx触媒(還元触媒)
13 尿素水噴射手段(還元剤噴射手段)
15 尿素水タンク
20 NOx浄化装置の制御装置
21 NOxセンサ
25 下流側温度センサ
27 上流側温度センサ
29 DPF入口温度センサ
31 DOC入口温度センサ
33 第1のNOx浄化性能算出手段
35 エンジン運転状態算出手段
37 第2のNOx浄化性能算出手段
39 判定手段
43 還元剤供給量制御手段
45 温度センサ異常判定手段
47 尿素水濃度センサ(還元剤濃度センサ)
Claims (9)
- 内燃機関の排気通路に設けられた還元触媒の上流側に排気ガス還元剤の供給装置を備えたNOx浄化装置の制御装置において、
排気通路の前記還元触媒の下流側に配設されたNOxセンサと、
該NOxセンサからの信号に基づいて前記還元触媒によるNOx浄化性能を算出する第1のNOx浄化性能算出手段と、
排ガス温度および内燃機関からのNOx排出量を基に前記還元触媒における触媒温度およびアンモニア吸着量を導出して還元触媒のNOx浄化性能を算出する第2のNOx浄化性能算出手段と、
前記第1のNOx浄化性能算出手段と前記第2のNOx浄化性能算出手段とを比較して前記NOxセンサが異常であるか否かを判定する判定手段を備え、
該判定手段によって異常であると判定したとき、前記第2のNOx浄化性能算出手段によって算出した浄化性能に基づいて前記排気ガス還元剤の供給量を算出する還元剤供給量制御手段を備えたこと特徴とするNOx浄化装置の制御装置。 - 前記還元剤供給量制御手段は、前記第2のNOx浄化性能算出手段によって算出した浄化性能から算出される前記排気ガス還元剤量に安全係数である補正係数を乗算することを特徴とする請求項1記載のNOx浄化装置の制御装置。
- 排ガス還元剤の濃度を検出する還元剤濃度センサを備え、還元剤濃度の設定値と前記還元剤濃度センサの検出値とを比較して排ガス還元剤濃度が適正であるときに前記判定手段による判定を実行することを特徴とする請求項1記載のNOx浄化装置の制御装置。
- 前記還元触媒の温度を推定するために前記還元触媒の少なくとも上流側または下流側の一方に設置された温度センサによって検出された排ガス温度に基づいて算出された還元触媒温度と、前記温度センサ以外の他の排ガス温度センサによって検出された排ガス温度または内燃機関の運転状態から算出した排ガス温度に基づいて推定される還元触媒の温度とを比較して前記温度センサが異常か否かを判定する温度センサ異常判定手段を備えたことを特徴とする請求項1記載のNOx浄化装置の制御装置。
- 前記温度センサ異常判定手段によって温度センサが異常であると判定したときに、前記温度センサ以外の他の排ガス温度センサによって検出された排ガス温度または内燃機関の運転状態から算出した排ガス温度に基づいて還元触媒の温度を推定することを特徴とする請求項4記載のNOx浄化装置の制御装置。
- 内燃機関の排気通路に設けられた還元触媒の上流側に排気ガス還元剤の供給装置を備えたNOx浄化装置の制御方法において、
排気通路の前記還元触媒の下流側に配設されたNOxセンサからの信号に基づいて前記還元触媒によるNOx浄化性能を算出し、
排ガス温度および内燃機関からのNOx排出量を基に前記還元触媒における触媒温度およびアンモニア吸着量を導出して還元触媒のNOx浄化性能を算出し、
前記NOxセンサから算出したNOx浄化性能と、前記内燃機関からのNOx排出量を基に算出したNOx浄化性能とを比較して前記NOxセンサが異常であるか否かを判定し、
異常と判定したときに前記内燃機関からのNOx排出量を基に算出したNOx浄化性能に基づいて前記排気ガス還元剤の供給量を算出すること特徴とするNOx浄化装置の制御方法。 - 排ガス還元剤の濃度を検出する還元剤濃度センサからの検出値と、予め設定された排ガス還元剤の濃度とを比較して排ガス還元剤濃度が適正であるときに前記NOxセンサが異常であるか否かの判定を実行することを特徴とする請求項6記載のNOx浄化装置の制御方法。
- 前記還元触媒の少なくとも上流側または下流側の一方に設けられた温度センサによって検出された排ガス温度に基づいて算出された還元触媒の温度と、前記温度センサ以外の他の排ガス温度センサによって検出された排ガス温度または内燃機関の運転状態から算出した排ガス温度に基づいて推定される還元触媒の温度とを比較して前記温度センサが異常か否かを判定することを特徴とする請求項6記載のNOx浄化装置の制御方法。
- 前記NOxセンサが異常であると判定したときに、前記排気ガス還元剤の供給を停止することを特徴とする請求項6記載のNOx浄化装置の制御方法。
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