JP2012107607A - 窒素酸化物の量を予測する方法およびこれを用いた排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本排ガスに含まれている窒素酸化物の量を正確に予測することができる窒素酸化物の量を予測する方法およびこれを用いた排気装置を提供する。
【解決手段】吸入空気中の酸素（Ｏ２）量を検出するステップＳ３００と、エンジンの運転条件により吸入空気中の基準Ｏ２量を計算するステップＳ３１０と、エンジンの運転条件により排ガスに含まれている基準窒素酸化物（ＮＯｘ）の量を計算するステップＳ３２０と、検出された吸入空気中のＯ２量およびエンジンの運転条件による吸入空気中の基準Ｏ２量により基準ＮＯｘ量を１次的に補正するステップＳ３３０により窒素酸化物の量を予測する。吸入空気中のＯ２量は、エンジン燃焼室に投入される総空気量、ＥＧＲ率、エンジン回転数、酸素センサーのラムダ値および総燃料噴射量に基づいて検出された排ガス中のＯ２量および空気に含まれているＯ２量により算出されることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、窒素酸化物の量を予測する方法およびこれを用いた排気装置に係り、より詳しくは、エンジンから発生する排ガスに含まれている窒素酸化物の量を正確に予測する方法および前記窒素酸化物の量に対応して噴射される還元剤の量、及び燃焼雰囲気を調節する排気装置に関する。

一般に、エンジンから排気マニホールドを介して排出される排ガスは、排気パイプに連結された排ガスに含まれている汚染物質を浄化する触媒コンバータ（Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）に導入されて浄化され、マフラを通過しながら騒音が減殺された後にテールパイプを通って大気中に排出される。排気パイプの上には排ガスに含まれているパティキュレート（粒子状物質）（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒｓ：ＰＭ）を捕集するためのパティキュレートフィルタが装備される。

窒素酸化物低減触媒（Ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｃａｔａｌｙｓｔ；ＤｅＮＯｘ Ｃａｔａｌｙｓｔ）は、排ガスに含まれている窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する触媒コンバータの一種である。尿素（Ｕｒｅａ）、アンモニア（Ａｍｍｏｎｉａ）、一酸化炭素および炭化水素（Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ；ＨＣ）などの還元剤を排ガスと反応させれば、窒素酸化物低減触媒において、排ガスに含まれている窒素酸化物が前記還元剤との酸化−還元反応を通じて還元される。

最近は、この種の窒素酸化物低減触媒として、ＬＮＴ触媒（Ｌｅａｎ ＮＯｘ Ｔｒａｐ Ｃａｔａｌｙｓｔ）が用いられている。ＬＮＴ触媒は、エンジンが希薄（ｌｅａｎ）な雰囲気で作動すれば排ガスに含まれている窒素酸化物を吸着し、エンジンが濃厚（ｒｉｃｈ）な雰囲気で作動すれば吸着された窒素酸化物を脱離する。
また、窒素酸化物低減触媒として、選択的触媒還元（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ；ＳＣＲ）触媒も用いられる。選択的触媒還元（ＳＣＲ）触媒は、尿素（Ｕｒｅａ）、アンモニア（Ａｍｍｏｎｉａ）、一酸化炭素および炭化水素（Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ；ＨＣ）などの還元剤を酸素よりは窒素酸化物と一層活発に反応させるもので、この意味で、触媒コンバータは選択的触媒還元触媒と命名されている。

この種の窒素酸化物低減触媒を用いる場合、エンジンから発生する排ガスに含まれる窒素酸化物の量により排ガスに噴射される還元剤の量が決定される。このため、排ガスに含まれる窒素酸化物の量を正確に予測することが、浄化の効率を向上させる上で重要である。
排ガスに含まれる窒素酸化物の量を予測する従来の方法は、エンジンの各運転条件において発生する窒素酸化物の量が保存されているマップを利用するものである。すなわち、各時間ごとに運転条件において発生する窒素酸化物の量をマップから計算し、この窒素酸化物の量を積算して排ガスに含まれている窒素酸化物の量を予測する。

しかしながら、前記マップは、エンジンが正常状態（ｓｔｅａｄｙ ｓｔａｔｅ）であるときに作成されているため、各時間ごとにエンジンの運転条件が変化する遷移状態（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｓｔａｔｅ）において利用する場合は予測された窒素酸化物の量が正確でない。特に、エンジンは正常状態において作動する期間よりも、遷移状態において作動する期間の方が遥かに長いため、実際の窒素酸化物の量と予測された窒素酸化物の量との間の差が大きいという問題点があった。

排ガスに含まれている窒素酸化物の量を予測する従来の他の方法は、窒素酸化物低減触媒の上流側の排気パイプに装備されているＮＯｘセンサーを利用することである。すなわち、各時間ごとにＮＯｘセンサーにおいて測定される窒素酸化物の量を積算する。しかしながら、ＮＯｘセンサーは排ガスの温度が所定温度以上である場合に限って正常に作動するため、ＮＯｘセンサーが正常に作動するまでに発生した窒素酸化物の量は測定できない問題点があった。なお、ＮＯｘセンサーを用いても、実際の窒素酸化物の量と測定された窒素酸化物の量との間の測定誤差があまりにも大きい問題点があった。

特開２００３−３１４３２８号公報

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、マップから計算されたエンジンの運転条件による窒素酸化物の量を吸入空気に含まれているＯ２量および環境因子により補正することにより、排ガスに含まれている窒素酸化物の量を正確に予測することができる窒素酸化物の量を予測する方法を提供するところにある。
本発明の他の目的は、予測された窒素酸化物の量に対応して噴射される還元剤の量及び燃焼雰囲気を調節することにより、窒素酸化物の浄化効率を向上させることができる排気装置を提供するところにある。

本発明の窒素酸化物の量を予測する方法は、吸入空気中の酸素（Ｏ２）量を検出するステップと、エンジンの運転条件により吸入空気中の基準Ｏ２量を計算するステップと、エンジンの運転条件により排ガスに含まれている基準窒素酸化物（ＮＯｘ）の量を計算するステップと、検出された吸入空気中のＯ２量およびエンジンの運転条件による吸入空気中の基準Ｏ２量により基準ＮＯｘ量を１次的に補正するステップと、を含むことを特徴とする。

吸入空気中のＯ２量は、エンジン燃焼室に投入される総空気量、ＥＧＲ率、エンジン回転数、酸素センサーのラムダ値および総燃料噴射量に基づいて検出された排ガス中のＯ２量および空気に含まれているＯ２量により検出されることを特徴とする。

前記エンジンの運転条件は、エンジン回転数、現在係合されたギヤ段数、現在の燃料噴射量、エンジン燃焼室に投入される吸入空気の温度および冷却水温度を含むことを特徴とする。

環境因子により１次的に補正されたＮＯｘ量を２次的に補正するステップをさらに含み、環境因子により一次的に補正されたＮＯｘ量を２次的に補正するステップは、エンジン燃焼室に投入される総空気量と、エンジン回転数および現在の燃料噴射量による第１の補正係数を検出するステップと、前記第１の補正係数により一次的に補正されたＮＯｘ量を補正するステップと、を含むことを特徴とする。

環境因子により一次的に補正されたＮＯｘ量を２次的に補正するステップは、
エンジン回転数と、現在の燃料噴射量および冷却水温度による第２の補正係数を検出するステップと、前記第２の補正係数により一次的に補正されたＮＯｘ量を補正するステップと、を含むことを特徴とする。

環境因子により一次的に補正されたＮＯｘ量を２次的に補正するステップは、
エンジン回転数と、現在の燃料噴射量およびエンジン燃焼室に投入される吸入空気の温度による第３の補正係数を検出するステップと、前記第３の補正係数により一次的に補正されたＮＯｘ量を補正するステップと、を含むことを特徴とする。

また、本発明は、燃焼室内燃料を噴射する第１のインジェクターを有するエンジンにおいて発生する排ガスが流通する排気パイプと、前記排気パイプに装備されて還元剤を噴射する噴射モジュールと、前記噴射モジュールの下流側の排気パイプに装備されて前記噴射モジュールから噴射された還元剤を用いて排ガスに含まれている窒素酸化物を低減させる窒素酸化物低減触媒と、前記排ガスに含まれている窒素酸化物の量を予測し、この窒素酸化物の量に対応する還元剤の投入量及び燃焼雰囲気を調節する制御部と、を備え、前記制御部は、吸入空気中のＯ２量を検出し、エンジンの運転条件による吸入空気中の基準Ｏ２量を計算し、エンジンの運転条件による基準ＮＯｘ量を計算し、この基準ＮＯｘ量を吸入空気中のＯ２量および吸入空気中の基準Ｏ２量により１次的に補正することを特徴とする。

前記制御部は、１次的に補正された基準ＮＯｘ量を環境因子により２次的に補正することを特徴とする。

前記制御部は、一次的に補正された基準ＮＯｘ量を、環境因子による第１、第２および第３の補正係数を用いて２次的に補正することを特徴とする。

前記第１の補正係数は、エンジン燃焼室に投入される総空気量と、エンジン回転数および現在の燃料噴射量に基づいて計算されることを特徴とし、前記第２の補正係数は、エンジン回転数と、現在の燃料噴射量および冷却水温度に基づいて計算され、前記第３の補正係数は、エンジン回転数と、現在の燃料噴射量およびエンジン燃焼室に投入される吸入空気の温度に基づいて計算されることを特徴とする。

前記還元剤は燃料であり、前記噴射モジュールは第２のインジェクターであることを特徴とする。

前記還元剤は尿素またはアンモニアであることを特徴とする。

前記燃焼雰囲気は、エンジンの燃焼室に投入される空気への燃料の割合を制御することにより調節されることを特徴とする。

本発明によれば、排ガスに含まれている窒素酸化物の量を正確に予測することができるので、窒素酸化物の浄化効率が向上する。
また、本発明によれば、正確な窒素酸化物の量により還元剤の噴射量を調節したり燃焼雰囲気を調節することができるので、燃費が向上する。
さらに、本発明によれば、窒素酸化物の量を予測するためにセンサーを別に設置する必要がないので、コストが節減される。

本発明の窒素酸化物の量を予測する方法が適用可能な排気装置の一例を示す概略図である。 本発明の窒素酸化物の量を予測する方法に用いられる制御部における入出力関係を示すブロック図である。 本発明の窒素酸化物の量を予測する方法を行うためのフローチャートである。 本発明の窒素酸化物の量を予測する方法において、吸入空気中のＯ２量および基準Ｏ２量により基準ＮＯｘ量を一次的に補正する方法を行うためのフローチャートである。 本発明の実施の形態による、窒素酸化物の量を予測する方法において、環境因子により一次的に補正されたＮＯｘ量を２次的に補正する方法を行うためのフローチャートである。

以下、添付図面に基づき、本発明の実施例について詳述する。
図１は、本発明の窒素酸化物の量を予測する方法が適用可能な排気装置の一例を示す概略図である。
図１に示す如く、内燃機関の排気装置は、エンジン１０と、排気パイプ２０と、排ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ；ＥＧＲ）装置８０と、燃料分解触媒３２と、パティキュレートフィルタ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）３０と、窒素酸化物低減触媒４０と、制御部５０と、を備える。

エンジン１０は、燃料と空気が混合した混合気を燃焼させて、化学的エネルギーを機械的エネルギーに変換する。エンジン１０は吸気マニホールド１８に連通されて燃焼室１２の内部に空気が流入し、燃焼中に発生した排ガスは排気マニホールド１６に溜まった後にエンジンの外部に排出される。燃焼室１２には第１のインジェクター１４が装備されて燃料を燃焼室１２の内部に噴射する。
ここではディゼルエンジンを例示したが、希薄燃焼（ｌｅａｎ ｂｕｒｎ）のガソリンエンジンを用いてもよい。ガソリンエンジンを用いる場合、吸気マニホールド１８を介して混合気が燃焼室１２の内部に流入し、燃焼室１２の上部には点火のための点火プラグ（図示せず）が装備される。
また、様々な圧縮比、好ましくは、１６．５以下の圧縮比を有するエンジンを用いてもよい。

排気パイプ２０は排気マニホールド１６に連通されて排ガスを車両の外部に排出する。排気パイプ２０の上にはパティキュレートフィルタ３０および窒素酸化物低減触媒４０が装備されて排ガスに含まれている炭化水素、一酸化炭素、パティキュレートおよび窒素酸化物などを除去する。
排ガス再循環装置８０は排気パイプ２０の上に装備されて、エンジン１０から排出される排ガスの一部を排ガス再循環装置８０を介してエンジンに再供給する。また、排ガス再循環装置８０は吸気マニホールド１８に連通されて排ガスの一部を空気に混入して燃焼温度を制御する。このような燃焼温度の制御は、制御部５０の制御により吸気マニホールド１８に供給される排ガスの量を調節することにより行われる。

排ガス再循環装置８０の下流側の排気パイプ２０には第１の酸素センサー２５が装備されて、排ガス再循環装置８０を通過した排ガス内の酸素量を検出する。
第２のインジェクター９０は排ガス再循環装置８０の下流側の排気パイプ２０に装備され、制御部５０に電気的に接続されて制御部５０の制御により排気パイプ２０内への燃料の追加噴射を行う。
パティキュレートフィルタ３０は第２のインジェクター９０の下流側の排気パイプ２０に装備されている。パティキュレートフィルタ３０の上流側には燃料分解触媒（Ｆｕｅｌ Ｃｒａｃｋｉｎｇ Ｃａｔａｌｙｓｔ）が配設されている。この場合、燃料分解触媒３２は第２のインジェクター９０と窒素酸化物低減触媒４０との間に配置される。ここでは、パティキュレートフィルタ３０とは別に燃料分解触媒３２が配置されていることを例示したが、燃料分解触媒３２をパティキュレートフィルタ３０にコーティングしてもよい。

燃料分解触媒３２は、触媒反応を通じて燃料内に含まれている炭素化合物のチェーンリングを切断して分解させる。すなわち、燃料分解触媒３２は、熱分解（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｒａｃｋｉｎｇ）機能を通じて、炭化水素を構成するチェーンリングを切断して分解させる。これにより、追加噴射された燃料の有効反応表面積が増大して、高反応性酸素含有炭化水素（Ｏｘｙｇｅｎａｔｅｄ ＨＣ）、ＣＯ、Ｈ２などを生成する。

熱分解は、以下の手順で行われる。
Ｃ１６Ｈ３４ → ２ｎ−Ｃ８Ｈ１７＊ → ｎ−Ｃ６Ｈ１３＊ → ｎ−Ｃ４Ｈ９＊ → Ｃ２Ｈ５＊ → Ｃ２Ｈ４
Ｃ１６Ｈ３４ → ８Ｃ２Ｈ４＋Ｈ２
ここで、＊はラジカルを意味する。
ここで、炭化水素は、排ガスおよび燃料に含まれている炭素と水素とからなる化合物を言う。

燃料分解触媒３２の下流側には煤煙ろ過機能を有するパティキュレートフィルタ３０が装備されて、排気パイプ２０を介して排出される排ガスに含まれているパティキュレートを捕集する。ここで、パティキュレートフィルタ３０は煤煙ろ過を兼ねて用いられるが、他の種類のパティキュレートフィルタ３０（例えば、触媒煤煙フィルタ（ｃａｔａｌｙｚｅｄ ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ｆｉｌｔｅｒ：ＣＰＦ））が用いられてもよい。
また、パティキュレートフィルタ３０には酸化触媒（Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｃａｔａｌｙｓｔ）がコーティングされてもよい。かかる酸化触媒は、排ガスに含まれている炭化水素および一酸化炭素を二酸化炭素に酸化させ、排ガスに含まれている一酸化窒素を二酸化窒素に酸化させる。酸化触媒はパティキュレートフィルタ３０の所定部分に多量コーティングされていてもよく、パティキュレートフィルタ３０の全領域に亘って一様にコーティングされていてもよい。

燃料分解触媒３２の上流側の排気パイプには第１の温度センサー３５が装備されて燃料分解触媒３２の入口温度を測定し、燃料分解触媒３２の下流側には第２の温度センサー３６が装備されて燃料分解触媒３２の出口温度またはパティキュレートフィルタ３０の入口温度を測定する。
一方、排気パイプ２０には差圧センサー５５が装備されている。差圧センサー５５は、パティキュレートフィルタ３０の入口部と出口部との間の圧力差を測定し、これに対する信号を制御部５０に送信する。制御部５０は、差圧センサー５５において測定された圧力差が第１の所定圧力以上である場合にパティキュレートフィルタ３０を再生するように制御を行う。この場合、第１のインジェクター１４は燃料を後噴射することにより、パティキュレートフィルタ３０の内部に捕集されたパティキュレートを燃焼させることができる。これとは異なり、第２のインジェクター９０は燃料を追加噴射することにより、パティキュレートフィルタ３０を再生させることもできる。

窒素酸化物低減触媒４０はパティキュレートフィルタ３０の下流側の排気パイプ２０の上に装備されて排ガスに含まれている窒素酸化物を吸着し、燃料の追加噴射により吸着された窒素酸化物を脱離して還元反応を進めることにより排ガスに含まれている窒素酸化物を浄化する。
窒素酸化物低減触媒４０の上流側または下流側には第３の温度センサー６０および第４の温度センサー６５がそれぞれ装備されて、窒素酸化物低減触媒４０の入口部温度および出口部温度を測定する。ここで、窒素酸化物低減触媒４０は２分されている。これは、担体にコーティングされた金属の割合を変えることにより特定の機能を行わせるためである。例えば、窒素酸化物低減触媒４０のエンジン１０に近い第１の部分４０ではパラジウム（Ｐｄ）の割合を高めることにより耐熱機能を強化させ、テールパイプに近い第２の部分４０では白金（Ｐｔ）の割合を高めることにより炭化水素のスリップを防止させる。

これとは異なり、担体にコーティングされた金属の割合が全領域に亘って一様な窒素酸化物低減触媒４０が用いられてもよい。
また、窒素酸化物低減触媒４０の上流側の排気パイプ２０には第２の酸素センサー６２が装備され、窒素酸化物低減触媒４０の下流側の排気パイプ２０には第３の酸素センサー７０が装備されている。第２の酸素センサー６２は、窒素酸化物低減触媒４０に流入する排ガスに含まれている酸素量を測定し、これに対する信号を制御部５０に送信することにより、制御部５０が排ガスのリーン、リッチ制御（ｌｅａｎ、ｒｉｃｈ ｃｏｎｔｒｏｌ）を行うことを補助する。また、第３の酸素センサー７０は、本発明の実施の形態による内燃機関の排気装置が排ガスに含まれている有害物質を正常に除去しているかどうかをモニターリングするためのものである。ここでは、排気パイプ２０に第２の酸素センサー６２が付設されている。

しかしながら、排気パイプ２０に第２の酸素センサー６２を付設することなく、第１の酸素センサー２５および第３の酸素センサー７０の測定値、燃料消耗量およびエンジンの起動履歴のうち少なくとも一つに基づいて窒素酸化物低減触媒４０に流入する排ガスに含まれている酸素量を推定してもよい。
制御部５０は、各センサーにおいて検出された信号に基づいてエンジンの運転条件を判断し、エンジンの運転条件に基づいて燃料の追加噴射量および追加噴射時期を制御することにより、窒素酸化物低減触媒４０に吸着された窒素酸化物を脱離する。例えば、制御部５０は、窒素酸化物低減触媒４０に吸着された窒素酸化物の量が所定値以上である場合には燃料を追加噴射するように制御する。

また、制御部５０は、窒素酸化物低減触媒４０において窒素酸化物の還元反応が活性化するように、排ガス内における窒素酸化物への炭化水素の割合が所定の割合以上になるように制御する。所定の割合は５であってもよい。
一方、制御部５０は、エンジンの運転条件に基づいて窒素酸化物低減触媒４０に吸着された窒素酸化物の量、窒素酸化物低減触媒の後部における窒素酸化物のスリップ量、および窒素酸化物への炭化水素の割合を計算する。このような計算は、数多くの実験により決められたマップに基づいて行われる。
さらに、制御部５０は、エンジンの運転条件、エンジンの状態または窒素酸化物低減触媒の状態に応じて、第２のインジェクター９０からの燃料噴射パターンを変化させる。ここで、エンジンの状態はエンジンの作動期間を考慮して推定され、窒素酸化物低減触媒の状態は窒素酸化物低減触媒の劣化を考慮して推定される。

制御部５０は、パティキュレートフィルタ３０の再生を行う。
一方、制御部５０は、第２のインジェクター９０からの追加噴射を制御する代わりに、第１のインジェクター１４からの後噴射を制御することにより、窒素酸化物低減触媒４０における窒素酸化物の還元反応を活性化させることができる。この場合、燃料分解触媒３２において後噴射された燃料は高反応性還元剤に変換され、窒素酸化物低減触媒４０において窒素酸化物の還元反応を促進する。よって、この明細書および特許請求の範囲における追加噴射は後噴射を含むものである。

ここでは、窒素酸化物低減触媒４０としてＬＮＴ触媒が用いられた場合を例示したが、窒素酸化物低減触媒４０としてＳＣＲ触媒が用いられてもよい。この場合、排気パイプ２０上のパティキュレートフィルタ３０と窒素酸化物低減触媒４０との間には排ガスに還元剤を噴射する噴射装置（図示せず）が介設され、制御部５０は、排ガスに含まれている窒素酸化物の量により還元剤の噴射を制御する。なお、還元剤としては、尿素またはアンモニアが使用可能である。

以下、窒素酸化物低減触媒４０の一例について詳述する。
窒素酸化物低減触媒４０は、担体にコーティングされた第１および第２の触媒層を含む。第１の触媒層は排ガスの近くに配置され、第２の触媒層は担体の近くに配置される。
第１の触媒層は排ガスに含まれている窒素酸化物を酸化させ、酸化された窒素酸化物の一部を不燃燃料または排ガスに含まれている炭化水素との酸化−還元反応により還元させる。なお、酸化された窒素酸化物の残りの一部は第２の触媒層に拡散される。
第２の触媒層は第１の触媒層から拡散されてきた窒素酸化物を吸着し、追加噴射される燃料により吸着された窒素酸化物を脱離して第１の触媒層において還元させる。
第２の触媒層は吸着物質を含む。この吸着物質としては、弱塩基性酸化物が用いられる。

以下、窒素酸化物低減触媒４０の作動原理を詳述する。
燃料が第２のインジェクター９０から追加噴射されない場合には、排ガスに含まれている窒素酸化物は第１の触媒層において酸化される。酸化された窒素酸化物の一部は排ガスに含まれている炭化水素と酸化−還元反応をして窒素気体に還元される。この過程で、排ガスに含まれている炭化水素は二酸化炭素に酸化される。
また、酸化された窒素酸化物の残りの一部および排ガスに含まれている窒素酸化物は第２の触媒層に拡散されて吸着される。

燃料が第２のインジェクター９０から追加噴射される場合には、追加噴射された燃料が燃料分解触媒を通過し、この過程で燃料が低分子の炭化水素に変換される。なお、低分子の炭化水素の一部は酸素と結合した炭化水素に変換されて窒素酸化物低減触媒４０を通過する。
このとき、第２の触媒層においては、窒素酸化物が炭化水素との置換反応に通じて脱離される。また、第１の触媒層においては、脱離された窒素酸化物と炭化水素、酸素と結合した炭化水素との間の酸化−還元反応により窒素酸化物は窒素気体に還元され、炭化水素、酸素と結合した炭化水素は二酸化炭素に酸化される。
これにより、排ガスに含まれている窒素酸化物および炭化水素が浄化される。

図２は、本発明の窒素酸化物の量を予測する方法に用いられる制御部における入出力関係を示すブロック図である。
図２に示す如く、ギヤ段数検出部１００、ＥＧＲ率検出部１１０、エンジン回転数検出部１２０、燃料噴射量検出部１３０、吸入空気量検出部１４０、ＥＧＲ量検出部１５０、第１の酸素センサー２５、吸入空気温度検出部１６０および冷却水温度検出部１７０は制御部５０に電気的に接続されており、これらの検出値を制御部５０に送信される。
ギヤ段数検出部１００は、現在係合されているギヤ段数を検出する。
ＥＧＲ率検出部は、現在のＥＧＲ率（すなわち、吸入空気量へのＥＧＲ量の割合）を検出する。制御部５０は、ＥＧＲ弁（図示せず）をデューティ制御しているため、ＥＧＲ率は現在のデューティ値を読み取ることにより検出することができる。
エンジン回転数検出部１２０は、クランクシャフト（図示せず）の位相変化からエンジンの回転数を検出する。

燃料噴射量検出部１３０は、現在の燃料噴射量を検出する。最近、燃料は、主噴射およびパイロット噴射により噴射される。このため、燃料噴射量検出部１３０は、一周期中に噴射される主噴射量およびパイロット噴射量を検出する。なお、燃料噴射量は制御部５０によりデューティー制御されるため、現在のデューティ値を読み取ることにより検出することができる。
吸入空気量検出部１４０は、吸気通路の中を通る空気量を検出する。
ＥＧＲ量検出部１５０は、再循環されるガスの量を検出する。ＥＧＲ量は、吸入される空気量およびＥＧＲ率から計算可能である。
第１の酸素センサー２５は、排ガス再循環装置８０を通過した排ガス内の酸素量を検出する。第１の酸素センサー２５の検出値は、ラムダ値（λ_ｉｎ）で表わされる。

吸入空気温度検出部１６０は吸気通路に装備されて吸入される空気の温度を検出する。
冷却水温度検出部１７０は、冷却水の温度を検出する。
制御部５０においては、前記送信された値に基づいて、エンジンの運転条件、燃料の追加噴射量、追加噴射時期および追加噴射パターンを決定し、第２のインジェクター９０を制御するための信号を第２のインジェクター９０に出力する。 また、制御部５０は、差圧センサー５５において測定された値に基づいて、パティキュレートフィルタ３０の再生を制御する。上述したように、パティキュレートフィルタ３０の再生は、第１のインジェクター１４による後噴射あるいは第２のインジェクター９０による追加噴射により行われる。さらに、制御部５０は、排ガスに含まれている基準ＮＯｘ量を検出し、この基準ＮＯｘ量を吸入空気中のＯ２量、吸入空気中の基準Ｏ２量および環境因子により補正し、最終的なＮＯｘ量により燃料の追加噴射または還元剤の噴射を制御する。

一方、本発明による内燃機関の排気装置には、図２に示すセンサーに加えて多数のセンサーが装備されてもよいが、これらについての説明は、説明の便宜のために省略する。
図３は、本発明の窒素酸化物の量を予測する方法を行うためのフローチャートであり、図４は、本発明の窒素酸化物の量を予測する方法において、吸入空気中のＯ２量および基準Ｏ２量により基準ＮＯｘ量を一次的に補正する方法を行うためのフローチャートであり、図５は、本発明の窒素酸化物の量を予測する方法において、環境因子により一次的に補正されたＮＯｘ量を２次的に補正する方法を行うためのフローチャートである。

吸入空気量検出部１４０は吸入空気量を検出し、ＥＧＲ量検出部１５０はＥＧＲ量を検出し、制御部５０は吸入空気量にＥＧＲ量を加えることにより、エンジン燃焼室に投入される総空気量を検出する（Ｓ２１０）。また、ＥＧＲ率検出部１１０は実際の ＥＧＲ率を検出し（Ｓ２２０）、エンジン回転数検出部１２０はエンジンの回転数を検出し（Ｓ２３０）、第１の酸素センサー２５はラムダ値（λ_ｉｎ）を検出し（Ｓ２４０）、制御部５０は燃料噴射量検出部１３０において検出された燃料噴射量を積算することにより総燃料噴射量を検出する（Ｓ２５０）。

さらに、ギヤ段数検出部１００は現在係合されたギヤ段数を検出し（Ｓ２６０）、燃料噴射量検出部１３０は現在の噴射燃料量を検出し （Ｓ２７０）、吸入空気温度検出部１６０はエンジン燃焼室に供給される吸入空気の温度を検出し（Ｓ２８０）、冷却水温度検出部１７０は冷却水の温度を検出する（Ｓ２９０）。
制御部５０は、検出された前記値に基づいて吸入空気中のＯ２量を検出する（Ｓ３００）。吸入空気中のＯ２量は排ガス中のＯ２量および空気に含まれているＯ２量に基づいて検出される。空気に含まれているＯ２量は吸入される空気量に所定値（空気中の酸素の割合）を乗じて計算したり、吸気通路に酸素センサーを別設して検出する。なお、排ガス中のＯ２量（ψ_{Ｏ２、Ｅｘｈａｕｓｔ}）は、［数１］により検出される。

式中、ψ_{Ｏ２、Ａｉｒ}は空気に含まれているＯ２量であり、Ｌ_ｓｔは空燃比である。
すなわち、制御部５０は、排ガス中のＯ２量、空気に含まれているＯ２量およびＥＧＲ率により吸入空気中のＯ２量を検出する。
その後、制御部５０は、エンジンの運転条件（ギヤ段数、エンジン回転数、現在の燃料噴射量、エンジン燃焼室に供給される吸入空気の温度および冷却水温度）による吸入空気中の基準Ｏ２量を計算し（Ｓ３１０）、エンジンの運転条件により発生する基準ＮＯｘ値を計算する（Ｓ３２０）。
ステップＳ３１０およびＳ３２０は、所定のマップを用いて行われる。すなわち、エンジンの運転条件による吸入空気中の基準Ｏ２量およびエンジンの運転条件による基準ＮＯｘ値はマップに保存されている。

制御部５０は、吸入空気中の基準Ｏ２量に対する吸入空気中のＯ２量の割合と、排ガスに含まれている基準ＮＯｘ量に対する排ガスに含まれているＮＯｘ量の割合とを関連付ける相関指数（Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ Ｅｘｐｏｎｅｎｔ；ｘ）を決定する（Ｓ３３２）。この相関指数ｘはエンジンの種類により予め設定されている。
また、制御部５０は、１次的に補正される基準ＮＯｘ値の最大値および最小値を限定する（Ｓ３３４）。前記最大値および最小値は排ガスに含まれうる最大ＮＯｘ値および最小ＮＯｘ値であり、当業者が任意に設定することができる。

１次的に補正された基準ＮＯｘ値が前記最大値と最小値の範囲を外れた場合は、センサーまたは制御部５０が故障したと判断する。
その後、制御部５０は、前記吸入空気中のＯ２量（ψ_{Ｏ２、Ｉｎｔｋ}）、吸入空気中の基準Ｏ２量（ψ_{Ｏ２、Ｉｎｔｋ、Ｒｅｆ}）および相関指数ｘに基づいて排ガスに含まれている基準ＮＯｘ量（ψ_{ＮＯｘ、Ｅｘｈ、Ｒｅｆ}）を１次的に補正する（Ｓ３３０）。排ガスに含まれているＮＯｘ量の１次補正は、［数２］により行われる。

式中、ψ_{ＮＯｘ、Ｅｘｈ}は１次的に補正された基準ＮＯｘ量である。

その後、制御部５０は、１次的に補正された基準ＮＯｘ値を出力し（Ｓ３４０）、環境因子により１次的に補正された基準ＮＯｘ値を２次的に補正する。
図５に示す通り、制御部５０は、第１、第２および第３の補正係数を計算する（Ｓ３５０、Ｓ３６０、Ｓ３７０）。第１の補正係数はエンジンの燃焼室に投入される総空気量と、エンジン回転数および現在の燃料噴射量に基づいて計算され、第２の補正係数はエンジン回転数と、現在の燃料噴射量および冷却水温度に基づいて計算され、第３の補正係数はエンジン回転数と、現在の燃料噴射量およびエンジン燃焼室に投入される吸入空気の温度に基づいて計算される。第１、第２および第３の補正係数は所定のマップから検出される。

その後、制御部５０は、１次的に補正された基準ＮＯｘ値と、第１、第２および第３の補正係数とを用いて、基準ＮＯｘ値を２次的に補正する（Ｓ３８０、Ｓ３９０、Ｓ４００）。基準ＮＯｘ値の２次補正は、一次的に補正された基準ＮＯｘ値に第１、第２および第３の補正係数を乗じることにより計算される。
最後に、制御部５０は、環境因子により補正されたＮＯｘ値を出力する（Ｓ４１０）。
このようにして排ガスに含まれているＮＯｘ値が予測されれば、制御部５０は、ＮＯｘ値により燃料の追加噴射または還元剤の噴射を制御する。これとは別に、制御部５０は、ＮＯｘ値によりエンジン１０の燃焼室に投入される空気への燃料の割合を制御することにより、燃焼雰囲気を調節する。

以上、本発明に関する好ましい実施形態を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の属する技術範囲を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。

１０ エンジン
１２ 燃焼室
１４ 第１のインジェクター
１６ 排気マニホールド
１８ 吸気マニホールド
２０ 排気パイプ
２５ 第１の酸素センサー
３０ パティキュレートフィルタ
３２ 燃料分解触媒
３５ 第１の温度センサー
３６ 第２の温度センサー
４０ 窒素酸化物低減触媒
５０ 制御部
５５ 差圧センサー
６０ 第３の温度センサー
６２ 第２の酸素センサー
６５ 第４の温度センサー
７０ 第３の酸素センサー
８０ 排ガス再循環（ＥＧＲ）装置
９０ 第２のインジェクター
１００ ギヤ段数検出部
１１０ ＥＧＲ率検出部
１２０ エンジン回転数検出部
１３０ 燃料噴射量検出部
１４０ 吸入空気量検出部
１５０ ＥＧＲ量検出部
１６０ 吸入空気温度検出部
１７０ 冷却水温度検出部

Claims (18)

1. 吸入空気中の酸素（Ｏ２）量を検出するステップと、
   エンジンの運転条件により吸入空気中の基準Ｏ２量を計算するステップと、
   エンジンの運転条件により排ガスに含まれている基準窒素酸化物（ＮＯｘ）の量を計算するステップと、
   検出された吸入空気中のＯ２量およびエンジンの運転条件による吸入空気中の基準Ｏ２量により基準ＮＯｘ量を１次的に補正するステップと、
   を含むことを特徴とする窒素酸化物の量を予測する方法。
2. 吸入空気中のＯ２量は、エンジン燃焼室に投入される総空気量、ＥＧＲ率、エンジン回転数、酸素センサーのラムダ値および総燃料噴射量に基づいて検出された排ガス中のＯ２量および空気に含まれているＯ２量により検出されることを特徴とする請求項１に記載の窒素酸化物の量を予測する方法。
3. 前記エンジンの運転条件は、エンジン回転数、現在係合されたギヤ段数、現在の燃料噴射量、エンジン燃焼室に投入される吸入空気の温度および冷却水温度を含むことを特徴とする請求項１に記載の窒素酸化物の量を予測する方法。
4. 環境因子により１次的に補正されたＮＯｘ量を２次的に補正するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の窒素酸化物の量を予測する方法。
5. 環境因子により一次的に補正されたＮＯｘ量を２次的に補正するステップは、
   エンジン燃焼室に投入される総空気量と、エンジン回転数および現在の燃料噴射量による第１の補正係数を検出するステップと、
   前記第１の補正係数により一次的に補正されたＮＯｘ量を補正するステップと、
   を含むことを特徴とする請求項４に記載の窒素酸化物の量を予測する方法。
6. 環境因子により一次的に補正されたＮＯｘ量を２次的に補正するステップは、
   エンジン回転数と、現在の燃料噴射量および冷却水温度による第２の補正係数を検出するステップと、
   前記第２の補正係数により一次的に補正されたＮＯｘ量を補正するステップと、
   を含むことを特徴とする請求項４に記載の窒素酸化物の量を予測する方法。
7. 環境因子により一次的に補正されたＮＯｘ量を２次的に補正するステップは、
   エンジン回転数と、現在の燃料噴射量およびエンジン燃焼室に投入される吸入空気の温度による第３の補正係数を検出するステップと、
   前記第３の補正係数により一次的に補正されたＮＯｘ量を補正するステップと、
   を含むことを特徴とする請求項４に記載の窒素酸化物の量を予測する方法。
8. 燃焼室内燃料を噴射する第１のインジェクターを有するエンジンにおいて発生する排ガスが流通する排気パイプと、
   前記排気パイプに装備されて還元剤を噴射する噴射モジュールと、
   前記噴射モジュールの下流側の排気パイプに装備されて前記噴射モジュールから噴射された還元剤を用いて排ガスに含まれている窒素酸化物を低減させる窒素酸化物低減触媒と、
   前記排ガスに含まれている窒素酸化物の量を予測し、この窒素酸化物の量に対応する還元剤の投入量及び燃焼雰囲気を調節する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、吸入空気中のＯ２量を検出し、エンジンの運転条件による吸入空気中の基準Ｏ２量を計算し、エンジンの運転条件による基準ＮＯｘ量を計算し、この基準ＮＯｘ量を吸入空気中のＯ２量および吸入空気中の基準Ｏ２量により１次的に補正することを特徴とする排気装置。
9. 吸入空気中のＯ２量は、エンジン燃焼室に投入される総空気量、ＥＧＲ率、エンジン回転数、酸素センサーのラムダ値および総燃料噴射量に基づいて検出された排ガス中のＯ２量および空気に含まれているＯ２量により検出されることを特徴とする請求項８に記載の排気装置。
10. 前記エンジンの運転条件は、エンジン回転数、現在係合されたギヤ段数、現在の燃料噴射量、エンジン燃焼室に投入される吸入空気の温度および冷却水温度を含むことを特徴とする請求項８に記載の排気装置。
11. 前記制御部は、１次的に補正された基準ＮＯｘ量を環境因子により２次的に補正することを特徴とする請求項８に記載の排気装置。
12. 前記制御部は、一次的に補正された基準ＮＯｘ量を、環境因子による第１、第２および第３の補正係数を用いて２次的に補正することを特徴とする請求項１１に記載の排気装置。
13. 前記第１の補正係数は、エンジン燃焼室に投入される総空気量と、エンジン回転数および現在の燃料噴射量に基づいて計算されることを特徴とする請求項１２に記載の排気装置。
14. 前記第２の補正係数は、エンジン回転数と、現在の燃料噴射量および冷却水温度に基づいて計算されることを特徴とする請求項１２に記載の排気装置。
15. 前記第３の補正係数は、エンジン回転数と、現在の燃料噴射量およびエンジン燃焼室に投入される吸入空気の温度に基づいて計算されることを特徴とする請求項１２に記載の排気装置。
16. 前記還元剤は燃料であり、前記噴射モジュールは第２のインジェクターであることを特徴とする請求項８に記載の排気装置。
17. 前記還元剤は尿素またはアンモニアであることを特徴とする請求項８に記載の排気装置。
18. 前記燃焼雰囲気は、エンジンの燃焼室に投入される空気への燃料の割合を制御することにより調節されることを特徴とする請求項８に記載の排気装置。
    

Images