JP2012117511A - 窒素酸化物低減触媒に貯蔵される窒素酸化物の量を予測する方法及びこれを用いた排気装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、窒素酸化物低減触媒に貯蔵される窒素酸化物の量を計算するステップ、窒素酸化物低減触媒から熱的に脱着される窒素酸化物の量を計算するステップ、窒素酸化物低減触媒から化学的に脱着される窒素酸化物の量を計算するステップ、及び、窒素酸化物低減触媒に貯蔵される窒素酸化物の量、窒素酸化物低減触媒から熱的に脱着される窒素酸化物の量、及び窒素酸化物低減触媒から化学的に脱着される窒素酸化物の量を用いて、窒素酸化物低減触媒に実際に貯蔵される窒素酸化物の量を計算するステップ、を含む。
【選択図】図3
Description
本発明の他の目的は、予測された窒素酸化物の貯蔵量から、窒素酸化物低減触媒の再生時期及び還元剤投入量を正確に予測する排気装置を提供することにある。
排気ガスの体積速度に基づく基本の窒素酸化物貯蔵効率の一次補正は、排気ガスの体積速度及び触媒劣化度に基づいて第1補正係数を計算するステップと、基本の窒素酸化物貯蔵効率に第1補正係数をかけるステップと、を含む。
実際の二酸化窒素/窒素酸化物の比に基づく基本の窒素酸化物貯蔵効率の二次補正は、実際の二酸化窒素/窒素酸化物の比に基づいて第2補正係数を計算するステップと、一次補正された基本の窒素酸化物貯蔵効率に第2補正係数をかけるステップ、を含む。
制御部は、窒素酸化物低減触媒に貯蔵される窒素酸化物の量、窒素酸化物低減触媒から熱的に脱着される窒素酸化物の量、及び窒素酸化物低減触媒から化学的に脱着される窒素酸化物の量を計算し、窒素酸化物低減触媒に貯蔵される窒素酸化物の量から、窒素酸化物低減触媒から熱的に脱着される窒素酸化物の量と、窒素酸化物低減触媒から化学的に脱着される窒素酸化物の量と、を引くことによって、窒素酸化物低減触媒に貯蔵される窒素酸化物の量を予測する。
基本の窒素酸化物貯蔵効率は、実際の二酸化窒素/窒素酸化物の比に基づいて二次補正される。
制御部は、現在の窒素酸化物低減触媒の温度で最大貯蔵可能な窒素酸化物の量を計算し、現在の窒素酸化物貯蔵量から、現在の窒素酸化物低減触媒の温度で最大貯蔵可能な窒素酸化物の量を引いて、窒素酸化物低減触媒から熱的に脱着される窒素酸化物の量を計算する。
還元剤が、燃料であり、排気装置が、第2インジェクタと窒素酸化物低減触媒との間の排気パイプ上に装着され、燃料を分解する燃料分解触媒をさらに含んでいてもよい。
窒素酸化物低減触媒に貯蔵された窒素酸化物の正確な量に応じて窒素酸化物の再生時期及び還元剤の噴射量を調節することによって、燃費を向上することができる。
また、窒素酸化物低減触媒に実際に貯蔵される窒素酸化物の正確な量を予測できることから、窒素酸化物低減触媒の過大設計を抑制することができ、これによって窒素酸化物低減触媒に用いる貴金属の量を減らすことができる。
図1は、本発明の実施形態による窒素酸化物低減触媒に貯蔵される窒素酸化物の量を予測する方法が適用できる排気装置の一例を示す概略図である。
図1に示すように、内燃機関の排気装置は、エンジン10、排気パイプ20、排気ガス再循環(Exhaust Gas Recirculation;EGR)装置80、燃料分解触媒32、媒煙フィルタ(Particulate Filter)30、窒素酸化物低減触媒40、及び制御部50を含む。
また、多様な圧縮比、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。
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、排気ガス及び燃料に含まれている炭素と水素とから構成された全ての化合物を称する。
この場合、第1インジェクタ14で燃料を後噴射することによって、媒煙フィルタ30の内部に捕集された粒子状物質を燃焼させることができる。これとは異なり、第2インジェクタ90で燃料を追加噴射することによって、媒煙フィルタ30を再生させることもできる。
これは、担体にコーティングされた金属の比率を変えることによって特定の機能を遂行させるためのものである。例えば、エンジン10に近い第1部分は、パラジウム(Pd)の比率を高めることによって耐熱機能を強化し、テールパイプに近い第2部分は、白金(Pt)の比率を高めることによって炭化水素のスリップを防止するようにすることができる。これとは異なり、担体にコーティングされた金属比率が全領域において均一である窒素酸化物低減触媒40を用いても良い。
しかし、排気パイプ20に第2酸素センサ62を取り付けずに、第1酸素センサ25及び第3酸素センサ70の測定値、燃料消耗量、及びエンジンの可動ヒストリー(history)の少なくとも一つに基づいて、窒素酸化物低減触媒40に流入される排気ガスに含まれている酸素量を推定することもできる。本明細書では、第2酸素センサ62の測定値を触媒の入口部の空燃比(lambda)と称する。
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に吸着した窒素酸化物の量、窒素酸化物低減触媒の出口部からの窒素酸化物のスリップ量、及び窒素酸化物に対する炭化水素の比率を計算する。このような計算は、多くの実験によって求められたマップに基づいて行われる。
また、制御部50は、第2インジェクタ90での追加の噴射を制御する代わりに、第1インジェクタ14での後噴射を制御することによって、窒素酸化物低減触媒40で窒素酸化物の還元反応を活性化することができる。
この場合、後噴射された燃料は、燃料分解触媒32で高反応性の還元剤に変化し、窒素酸化物低減触媒40で窒素酸化物の還元反応を促進させる。したがって、本明細書及び特許請求の範囲における追加噴射は、後噴射を含むものと解釈すべきである。
ここでは、窒素酸化物低減触媒40としてLNT触媒を用いることを例示した。
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、2触媒層を含む。第1触媒層は排気ガスに近接して配置され、第2触媒層は担体に近接して配置される。
第1触媒層は、排気ガスに含まれている窒素酸化物を酸化し、酸化された窒素酸化物の一部を、未燃焼の燃料又は排気ガスに含まれている炭化水素との酸化還元反応によって還元する。また、酸化された窒素酸化物の他の一部は第2触媒層に拡散される。
第2触媒層は吸着性物質を含む。このような吸着性物質には弱塩基性酸化物が用いられる。弱塩基性酸化物には、具体的にはアルカリ又はアルカリ土類金属を含む酸化物が用いられ、より具体的にはバリウムを含む酸化物が用いられる。
第2インジェクタ90で燃料が追加噴射されていない場合、排気ガスに含まれている窒素酸化物は第1触媒層で酸化される。酸化された窒素酸化物の一部は、排気ガスに含まれている炭化水素と酸化還元反応を行い、窒素ガスに還元される。この過程で、排気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。
第2インジェクタ90で燃料が追加噴射された場合、追加噴射された燃料は燃料分解触媒32を通過する。この過程で、燃料は低分子の炭化水素に変換される。変換された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。
よって、排気ガスに含まれている窒素酸化物と炭化水素が除去される。
図2に示すように、NOx検出部100、NO2検出部110、硫黄被毒量検出部120、排気ガスの流量検出部130、第3温度センサ60、第4温度センサ65、エンジンの回転数センサ140、燃料噴射量検出部150、吸気流量検出部160、及び還元剤噴射量検出部170は、制御部50に電気的に連結されており、検出した値を制御部50に伝達する。
第3温度センサ60は、窒素酸化物低減触媒40の入口部の温度を検出する。
第4温度センサ65は、窒素酸化物低減触媒40の出口部の温度を検出する。
第3温度センサ60及び第4温度センサ65で検出された温度は、設定された計算により、窒素酸化物低減触媒40の温度を決定するのに用いられる。これとは別に、窒素酸化物低減触媒40の入口部の温度又は窒素酸化物低減触媒40の出口部の温度を窒素酸化物低減触媒40の温度を決定するのに用いることもできる。
燃料噴射量検出部150は、現在噴射している燃料噴射量を検出する。
最近は、燃料は主噴射とパイロット噴射とによって噴射される。したがって、燃料噴射量検出部150は、一周期において噴射される主噴射量とパイロット噴射量を検出する。また、燃料噴射量は、制御部50によってデューティ制御されるため、現在のデューティ値を読み取ることによって検出することができる。
還元剤噴射量検出部170は、現在噴射している還元剤の噴射量を検出する。還元剤の噴射量は、制御部50によってデューティ制御されるため、現在のデューティ値を読み取ることによって検出することができる。
また、制御部50は、差圧センサ55で測定された値に基づいて媒煙フィルタ30の再生を制御する。上述したように、媒煙フィルタ30の再生は、第1インジェクタ14による後噴射又は第2インジェクタ90による追加噴射によって行われる。
一方、本発明の実施形態による内燃機関の排気装置には、図2に記載されたセンサ以外に複数のセンサが取り付けられても良いが、説明の便宜のため省略する。
そして、還元剤噴射量検出部170は、排気ガスに噴射される還元剤の量を検出する(S290)。
また、制御部50は、排気装置の空燃比を計算する(S310)。つまり、第1酸素センサ25はエンジン出口の空燃比を検出し(S320)、第2酸素センサ62は触媒の入口部における空燃比(S330)を検出する。一方、第1酸素センサ25及び第2酸素センサ62の不正確性及び時間遅延の理由により、エンジン出口の空燃比及び触媒の入口部における空燃比は、次式により計算できる。
窒素酸化物低減触媒40の劣化度は、熱的老化及び硫黄被毒による老化を含む。
窒素酸化物低減触媒40の熱的老化は、高温で早く進行し、エンジンの運転時間及び窒素酸化物低減触媒40の温度による熱的老化が設定されたマップに保存されている。したがって、制御部50は、予め設定されたマップを用いて、窒素酸化物低減触媒40の熱的老化を計算する。一方、上述したように、硫黄被毒による老化は硫黄被毒量検出部120によって検出される。
窒素酸化物低減触媒40に貯蔵された窒素酸化物の量は、前回再生後に窒素酸化物低減触媒40に残存する窒素酸化物の量と、前回再生後に窒素酸化物低減触媒40に貯蔵された窒素酸化物と、の差から計算される。
図4に示すように、制御部50は、窒素酸化物低減触媒40の温度に応じた体積当たりの窒素酸化物貯蔵能力を計算する(S500)。窒素酸化物低減触媒40の温度に応じた体積当たりの窒素酸化物貯蔵能力は、予め設定されたマップに保存されている。
次に、制御部50は、実際の窒素酸化物貯蔵能力及び実際に貯蔵された窒素酸化物の量を用いて、相対の窒素酸化物貯蔵レベルを計算する(S520)。相対の窒素酸化物貯蔵レベルは、実際に貯蔵された窒素酸化物の量を実際の窒素酸化物貯蔵能力で割ることによって計算できる。
制御部50は、相対の窒素酸化物貯蔵レベルと窒素酸化物低減触媒40の温度から、基本の窒素酸化物貯蔵効率を計算する(S530)。相対の窒素酸化物貯蔵レベルと窒素酸化物低減触媒40の温度に応じた基本の窒素酸化物貯蔵効率は、設定されたマップに保存されている。
また、制御部50は、実際の二酸化窒素/窒素酸化物の比に基づき基本の窒素酸化物貯蔵効率を二次補正する(S550)。つまり、制御部50は、実際の二酸化窒素/窒素酸化物の比に基づいて第2補正係数を計算し、一次補正された基本の窒素酸化物貯蔵効率に第2補正係数を掛けることによって基本の窒素酸化物貯蔵効率を二次補正する。
その後、制御部50は、補正された窒素酸化物の貯蔵効率と排気ガス内の窒素酸化物の量を用いて、窒素酸化物低減触媒40に貯蔵される窒素酸化物の量を計算する(S560)。つまり、補正された窒素酸化物の貯蔵効率を排気ガス内の窒素酸化物の量に掛けることによって窒素酸化物低減触媒40に貯蔵される窒素酸化物の量を計算する。
図5に示すように、制御部50は、窒素酸化物低減触媒40の温度(T)を計算し(S300)、窒素酸化物低減触媒40に貯蔵された窒素酸化物の量を計算する(S360)。
その後、制御部50は、現在貯蔵されている窒素酸化物の量を最大の窒素酸化物貯蔵量とする窒素酸化物低減触媒40の温度(T’)を計算する(S610)。
制御部50は、TがT’を超えるか否かを判断する(S620)。
S620ステップで、TがT’を超えた場合は、制御部50は、現在貯蔵されている窒素酸化物の量から、現在の窒素酸化物低減触媒40の温度で貯蔵可能な最大の窒素酸化物量を引く(S640)。この値を、設定された時間(通常、窒素酸化物が完全に熱的に脱着されるのにかかる時間)で割ることによって、窒素酸化物低減触媒40から熱的に脱着される窒素酸化物の量を計算する。
S400ステップは、韓国特許出願10−2010−0121836に開示されているため、ここでは、詳細な説明を省略する。なお、韓国特許出願10−2010−0121836の明細書、図面、そして特許請求の範囲に記載された全ての内容は、この明細書に含まれるものと認めるべきである。
大気に排出される窒素酸化物の量 = 排気ガスに含まれている窒素酸化物の量 −(窒素酸化物低減触媒に貯蔵される窒素酸化物の量 − 窒素酸化物低減触媒から熱的に脱着される窒素酸化物の量)+ 窒素酸化物低減触媒からスリップされる窒素酸化物の量
また、制御部50は、窒素酸化物低減触媒40に貯蔵される窒素酸化物の量から、窒素酸化物低減触媒40から熱的に脱着される窒素酸化物の量と、窒素酸化物低減触媒40でスリップする窒素酸化物の量と、を引いた値を積分し(S460)、窒素酸化物低減触媒40の入口部と出口部との窒素酸化物の量の差を計算する(S470)。
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。
12 燃焼室
14 第1インジェクタ
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酸素センサ
30 媒煙フィルタ(媒煙濾過装置)
32 燃料分解触媒
35 第1温度センサ
36 第2温度センサ
40 窒素酸化物低減触媒
50 制御部
55 差圧センサ
60 第3温度センサ
62 第2酸素センサ
65 第4温度センサ
70 第3酸素センサ
80 排気ガス再循環装置
90 第2インジェクタ
100 NOx検出部
110 NO2検出部
120 硫黄被毒量検出部
130 排気ガスの流量検出部
140 エンジンの回転数センサ
150 燃料噴射量検出部
160 吸気流量検出部
170 還元剤噴射量検出部
Claims (17)
- 窒素酸化物低減触媒に貯蔵される窒素酸化物の量を計算するステップと、
前記窒素酸化物低減触媒から熱的に脱着される窒素酸化物の量を計算するステップと、
前記窒素酸化物低減触媒から化学的に脱着される窒素酸化物の量を計算するステップと、
前記窒素酸化物低減触媒に貯蔵される窒素酸化物の量、前記窒素酸化物低減触媒から熱的に脱着される窒素酸化物の量、及び前記窒素酸化物低減触媒から化学的に脱着される窒素酸化物の量を用いて、前記窒素酸化物低減触媒に実際に貯蔵される窒素酸化物の量を計算するステップと、
を含むことを特徴とする窒素酸化物低減触媒に貯蔵される窒素酸化物の量を予測する方法。 - 前記窒素酸化物低減触媒に貯蔵される窒素酸化物の量を計算するステップは、
触媒温度に応じた体積当たりの窒素酸化物貯蔵能力を計算するステップと、
前記体積当たりの窒素酸化物貯蔵能力と窒素酸化物低減触媒の有効体積を用いて、実際の窒素酸化物貯蔵能力を計算するステップと、
前記実際の窒素酸化物貯蔵能力と実際の窒素酸化物貯蔵量を用いて、相対の窒素酸化物貯蔵レベルを計算するステップと、
前記相対の窒素酸化物貯蔵レベルと窒素酸化物貯蔵触媒の温度から、基本の窒素酸化物貯蔵効率を計算するステップと、
前記基本の窒素酸化物貯蔵効率を補正するステップと、
補正された窒素酸化物の貯蔵効率と排気ガス内の窒素酸化物の量を用いて、前記窒素酸化物低減触媒に貯蔵される窒素酸化物の量を計算するステップと、
を含むことを特徴とする請求項1に記載の窒素酸化物低減触媒に貯蔵される窒素酸化物の量を予測する方法。 - 前記基本の窒素酸化物貯蔵効率は、排気ガスの体積速度に基づいて一次補正され、実際の二酸化窒素/窒素酸化物の比に基づいて二次補正されることを特徴とする請求項2に記載の窒素酸化物低減触媒に貯蔵される窒素酸化物の量を予測する方法。
- 排気ガスの体積速度に基づく前記基本の窒素酸化物貯蔵効率の一次補正は、
排気ガスの体積速度及び触媒劣化度に基づいて第1補正係数を計算するステップと、前記基本の窒素酸化物貯蔵効率に前記第1補正係数をかけるステップと、を含むことを特徴とする請求項3に記載の窒素酸化物低減触媒に貯蔵される窒素酸化物の量を予測する方法。 - 前記触媒劣化度は、熱的老化及び硫黄被毒による老化を含むことを特徴とする請求項4に記載の窒素酸化物低減触媒に貯蔵される窒素酸化物の量を予測する方法。
- 前記実際の二酸化窒素/窒素酸化物の比に基づく前記基本の窒素酸化物貯蔵効率の二次補正は、前記実際の二酸化窒素/窒素酸化物の比に基づいて第2補正係数を計算するステップと、一次補正された基本の窒素酸化物貯蔵効率に前記第2補正係数をかけるステップと、を含むことを特徴とする請求項3に記載の窒素酸化物低減触媒に貯蔵される窒素酸化物の量を予測する方法。
- 前記窒素酸化物低減触媒から熱的に脱着される窒素酸化物の量を計算するステップは、
現在の窒素酸化物貯蔵量を最大の窒素酸化物貯蔵量とする触媒温度を計算するステップと、
現在の窒素酸化物低減触媒の温度が、前記現在の窒素酸化物貯蔵量を最大の窒素酸化物貯蔵量とする触媒温度以下であるか否かを判断するステップと、
現在の窒素酸化物低減触媒の温度が、前記現在の窒素酸化物貯蔵量を最大の窒素酸化物貯蔵量とする触媒温度を超える場合は、前記現在の窒素酸化物貯蔵量から、前記現在の窒素酸化物低減触媒の温度での最大の窒素酸化物貯蔵量を引くステップと、
を含むことを特徴とする請求項1に記載の窒素酸化物低減触媒に貯蔵される窒素酸化物の量を予測する方法。 - 前記現在の窒素酸化物低減触媒の温度が、前記現在の窒素酸化物貯蔵量を最大の窒素酸化物貯蔵量とする触媒温度以下である場合は、前記窒素酸化物低減触媒から窒素酸化物が熱的に脱着されないことを特徴とする請求項7に記載の窒素酸化物低減触媒に貯蔵される窒素酸化物の量を予測する方法。
- 燃焼室内に燃料を噴射する第1インジェクタを有するエンジンで発生した排気ガスが流れる排気パイプと、
前記排気パイプに取り付けられ、還元剤を噴射する第2インジェクタと、
前記第2インジェクタの出口部の排気パイプに装着され、前記第2インジェクタから噴射される還元剤を用いて、排気ガスに含まれる窒素酸化物を低減させる窒素酸化物低減触媒と、
エンジンの運転条件に応じて前記窒素酸化物低減触媒に貯蔵される窒素酸化物の量を予測する制御部と、
を含み、
前記制御部は、窒素酸化物低減触媒に貯蔵される窒素酸化物の量、窒素酸化物低減触媒から熱的に脱着される窒素酸化物の量、及び窒素酸化物低減触媒から化学的に脱着される窒素酸化物の量を計算し、前記窒素酸化物低減触媒に貯蔵される窒素酸化物の量から、前記窒素酸化物低減触媒から熱的に脱着される窒素酸化物の量と、前記窒素酸化物低減触媒から化学的に脱着される窒素酸化物の量と、を引くことによって、前記窒素酸化物低減触媒に貯蔵される窒素酸化物の量を予測することを特徴とする排気装置。 - 前記制御部は、触媒温度に応じた体積当たりの窒素酸化物貯蔵能力と、窒素酸化物低減触媒の有効体積と、を用いて、窒素酸化物の貯蔵能力を計算し、前記窒素酸化物の貯蔵能力と実際の窒素酸化物貯蔵量を用いて、相対の窒素酸化物貯蔵レベルを計算し、前記相対の窒素酸化物貯蔵レベルと窒素酸化物貯蔵触媒の温度から、基本の窒素酸化物貯蔵効率を計算し、前記基本の窒素酸化物貯蔵効率と排気ガス内の窒素酸化物の量を用いて、前記窒素酸化物低減触媒に貯蔵される窒素酸化物の量を計算することを特徴とする請求項9に記載の排気装置。
- 前記基本の窒素酸化物貯蔵効率は、排気ガスの体積速度及び触媒劣化度に基づいて一次補正されることを特徴とする請求項10に記載の排気装置。
- 前記基本の窒素酸化物貯蔵効率は、実際の二酸化窒素/窒素酸化物の比に基づいて二次補正されることを特徴とする請求項11に記載の排気装置。
- 前記触媒劣化度は、熱的老化及び硫黄被毒による老化を含むことを特徴とする請求項11に記載の排気装置。
- 前記制御部は、現在の窒素酸化物低減触媒の温度で最大貯蔵可能な窒素酸化物の量を計算し、現在の窒素酸化物貯蔵量から、前記現在の窒素酸化物低減触媒の温度で最大貯蔵可能な窒素酸化物の量を引いて、窒素酸化物低減触媒から熱的に脱着される窒素酸化物の量を計算することを特徴とする請求項9に記載の排気装置。
- 前記現在の窒素酸化物貯蔵量から、前記現在の窒素酸化物低減触媒の温度で最大貯蔵可能な窒素酸化物の量を引いた値が、正数であれば、前記窒素酸化物低減触媒から熱的に脱着される窒素酸化物の量は、前記値を設定された時間で割った値であることを特徴とする請求項14に記載の排気装置。
- 前記現在の窒素酸化物貯蔵量から、前記現在の窒素酸化物低減触媒の温度で最大貯蔵可能な窒素酸化物の量を引いた値が、負数であれば、前記窒素酸化物低減触媒から熱的に脱着される窒素酸化物の量はないことを特徴とする請求項14に記載の排気装置。
- 前記還元剤は、燃料であり、
前記排気装置は、前記第2インジェクタと前記窒素酸化物低減触媒との間の前記排気パイプ上に装着され、燃料を分解する燃料分解触媒をさらに含むことを特徴とする請求項9に記載の排気装置。
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