JP2015110921A

JP2015110921A - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP2015110921A
Application number: JP2013252997A
Authority: JP
Inventors: 正内山; Tadashi Uchiyama; 英和藤江; Hidekazu Fujie; 直人村澤; Naoto Murasawa; 哲史塙; Tetsushi Hanawa
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2013-12-06
Publication date: 2015-06-18
Anticipated expiration: 2033-12-06
Also published as: JP6179378B2

Abstract

【課題】排気浄化装置に関し、ＳＣＲのＮＨ3吸着量を高精度に検出して、尿素水噴射量の最適化を図る。【解決手段】エンジン１０の排気系に設けられ尿素水から生成されるアンモニアを還元剤として排気中に含まれるＮＯｘを還元浄化するＳＣＲ２２と、ＳＣＲ２２に尿素水を噴射する尿素水噴射装置２１と、ＳＣＲ２２の静電容量を検出する電極２７と、電極２７から入力される静電容量に基づいてＳＣＲ２２のＮＨ3吸着量を演算するＮＨ3吸着量演算部５２と、所定の基準噴射量に基づいて尿素水噴射装置２１の尿素水噴射を制御する尿素水噴射制御部５３と、ＮＨ3吸着量演算部５２から入力されるＮＨ3吸着量に基づいて基準噴射量を補正する噴射量補正部５４とを備えた。【選択図】図２

Description

本発明は、排気浄化装置に関し、特に、排気中の窒素化合物を還元浄化する排気浄化触媒を備えた排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジン等の排気系に設けられる排気浄化触媒として、尿素水から加水分解されて生成されるアンモニア（ＮＨ₃）を還元剤として排気中の窒素化合物（ＮＯｘ）を選択的に還元浄化する選択的還元触媒（Selective Catalytic Reduction：ＳＣＲ）が知られている。

尿素水噴射量が過多となり、ＳＣＲのＮＨ₃吸着能力を超えると、余剰のＮＨ₃がＳＣＲからスリップして大気に放出されるため好ましくない。そのため、ＳＣＲに供給されるＮＨ₃量と、ＳＣＲ出口に設けられたＮＨ₃センサの検出値との差に基づいて、ＳＣＲ内のＮＨ₃吸着量を推定すると共に、推定したＮＨ₃吸着量に応じて尿素水噴射量を適宜調整する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−２９３７３７号公報

ところで、ＮＨ₃センサ等はＳＣＲの内部に直接的に設けることができないため、ＳＣＲ内のＮＨ₃吸着量を正確に把握できない課題がある。そのため、ＮＨ₃センサのセンサ値又は、ＮＯｘセンサのセンサ値からＮＨ₃吸着量を推定する技術では、ＳＣＲ内の化学反応遅れやセンサの応答遅れ、ＮＯｘセンサとＮＯｘ及びＮＨ₃との反応により、実際のＮＨ₃吸着量に応じた尿素水噴射量の最適な制御を運転領域によってはできない可能性がある。

本発明の目的は、ＳＣＲのＮＨ₃吸着量を高精度に検出して、尿素水噴射量の最適化を図ることにある。

上述の目的を達成するため、本発明の排気浄化装置は、内燃機関の排気系に設けられ、尿素水から生成されるアンモニアを還元剤として排気中に含まれる窒素化合物を還元浄化する選択的還元触媒と、前記選択的還元触媒に尿素水を噴射する尿素水噴射手段と、前記選択的還元触媒の静電容量を検出する静電容量検出手段と、前記静電容量検出手段から入力される静電容量に基づいて、前記選択的還元触媒の還元剤吸着量を演算する還元剤吸着量演算手段と、少なくとも前記内燃機関の運転状態に応じて設定される所定の基準噴射量に基づいて、前記尿素水噴射手段の尿素水噴射を制御する噴射制御手段と、前記還元剤吸着量演算手段から入力される還元剤吸着量に基づいて、前記基準噴射量を補正する噴射量補正手段とを備えることを特徴とする。

また、前記静電容量検出手段から入力される静電容量に基づいて、前記選択的還元触媒の内部温度を演算する内部温度演算手段をさらに備え、前記噴射量補正手段が、前記還元剤吸着量演算手段から入力される還元剤吸着量と、前記内部温度演算手段から入力される内部温度に応じた前記選択的還元触媒の還元剤吸着可能量との差に基づいて、前記基準噴射量を補正するものでもよい。

また、前記静電容量検出手段が、前記選択的還元触媒内に一個以上の隔壁を挟んで対向配置されてコンデンサを形成する少なくとも一対の電極で構成されてもよい。

本発明の排気浄化装置によれば、ＳＣＲのＮＨ₃吸着量を高精度に検出することが可能となり、尿素水噴射量の最適化を図ることができる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置を示す模式的な全体構成図である。本実施形態のＥＣＵを示す機能ブロック図である。本実施形態の静電容量・温度特性マップの一例を示す図である。本実施形態の静電容量・ＮＨ₃吸着量マップの一例を示す図である。本実施形態のＮＨ₃目標吸着量マップの一例を示す図である。本実施形態の制御内容を示すフローチャートである。

以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係る排気浄化装置を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１に示すように、ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１０には、吸気マニホールド１０ａと排気マニホールド１０ｂとが設けられている。吸気マニホールド１０ａには新気を導入する吸気通路１１が接続され、排気マニホールド１０ｂには排気を大気に放出する排気通路１２が接続されている。

吸気通路１１には、吸気上流側から順に、エアクリーナ１３、過給機１５のコンプレッサ１５ａ、インタークーラ１７等が設けられている。排気通路１２には、排気上流側から順に、過給機１５のタービン１５ｂ、排気後処理装置２０等が設けられている。なお、図１中において、符号１８はエンジン回転数センサ、符号１９はアクセル開度センサを示している。

排気後処理装置２０は、排気上流側から順に、尿素水噴射装置２１と、ケース２０ａ内に収容されたＳＣＲ２２とを備えて構成されている。

尿素水噴射装置２１は、本発明の尿素水噴射手段の一例であって、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ）５０から入力される指示信号に応じて、ＳＣＲ２２よりも上流側の排気通路１２内に、図示しない尿素水タンク内の尿素水を噴射する。噴射された尿素水は排気熱により加水分解されてＮＨ₃に生成され、下流側のＳＣＲ２２に還元剤として供給される。

ＳＣＲ２２は、例えば、ハニカム構造体等のセラミック製担体表面にゼオライト等を担持して形成されており、多孔質性の隔壁で区画された多数のセルを備えて構成されている。ＳＣＲ２２は、還元剤として供給されるＮＨ₃を吸着すると共に、吸着したＮＨ₃で通過する排気ガス中からＮＯｘを選択的に還元浄化する。

また、本実施形態のＳＣＲ２２には、少なくとも一個以上の隔壁を挟んで対向配置されてコンデンサを形成する複数本の電極２７が設けられている。これら複数本の電極２７は、本発明の静電容量検出手段の一例として好ましい。

ＥＣＵ５０は、エンジン１０や尿素水噴射装置２１等の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備えて構成されている。

また、ＥＣＵ５０は、図２に示すように、ＳＣＲ内部温度演算部５１と、ＮＨ₃吸着量演算部５２と、尿素水噴射制御部５３と、噴射量補正部５４とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、一体のハードウェアであるＥＣＵ５０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。

ＳＣＲ内部温度演算部５１は、本発明の内部温度演算手段の一例であって、電極２７間の静電容量Ｃに基づいて、ＳＣＲ２２の内部温度Ｔ_SCRを演算する。一般的に、電極２７間の静電容量Ｃは、電極２７間の媒体の誘電率ε、電極２７の面積Ｓ、電極２７間の距離ｄとする以下の数式１で表される。

数式１において、電極２７の面積Ｓ及び距離ｄは一定であり、誘電率εが排気温度の影響を受けて変化すると、これに伴い静電容量Ｃも変化する。すなわち、電極２７間の静電容量Ｃを検出すれば、ＳＣＲ２２の内部温度Ｔ_SCRを演算することができる。

ＥＣＵ５０には、予め実験等により求めた静電容量ＣとＳＣＲ内部温度Ｔとの関係を示す静電容量・温度特性マップ（例えば、図３参照）が記憶されている。ＳＣＲ内部温度演算部５１は、この静電容量・温度特性マップから電極２７間の静電容量Ｃに対応する値を読み取ることで、ＳＣＲ２２の内部温度Ｔ_SCRを演算する。なお、内部温度Ｔ_SCRの演算はマップに限定されず、予め実験等により作成した近似式等から求めてもよい。

ＮＨ₃吸着量演算部５２は、本発明の還元剤吸着量演算手段の一例であって、電極２７間の静電容量Ｃに基づいて、ＳＣＲ２２に吸着されているＮＨ₃実吸着量ＳＴ_NH3を演算する。ＮＨ₃は誘電率εが高いため、ＳＣＲ２２内にＮＨ₃の吸着が進むと、電極２７間の静電容量Ｃも増加する（数式１参照）。すなわち、電極２７間の静電容量Ｃを検出すれば、ＳＣＲ２２のＮＨ₃実吸着量ＳＴ_NH3を演算することができる。

ＥＣＵ５０には、予め実験等により求めた静電容量ＣとＮＨ₃実吸着量との関係を示す静電容量・ＮＨ₃吸着量マップ（例えば、図４参照）が記憶されている。ＮＨ₃吸着量演算部５２は、この静電容量・ＮＨ₃吸着量マップから電極２７間の静電容量Ｃに対応する値を読み取ることで、現在のＮＨ₃実吸着量ＳＴ_NH3を演算する。なお、ＮＨ₃実吸着量ＳＴ_NH3の演算はマップに限定されず、予め実験等により作成した近似式等から求めてもよい。

尿素水噴射制御部５３は、本発明の噴射制御手段の一例であって、エンジン１０の運転状態等に基づいて尿素水噴射装置２１の尿素水噴射量を制御する。より詳しくは、尿素水噴射制御部５３は、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑからエンジン１０のＮＯｘ排出量を演算すると共に、このＮＯｘ排出量に応じて必要になる尿素水の基本噴射量ＩＮＪ_{U_std}を設定する。この基本噴射量ＩＮＪ_{U_std}は、後述する噴射量補正部５４によって必要に応じて補正される。

噴射量補正部５４は、本発明の噴射量補正手段の一例であって、尿素水噴射制御部５３で設定された基本噴射量ＩＮＪ_{U_std}を、ＳＣＲ内部温度演算部５１から入力される内部温度Ｔ_SCR及び、ＮＨ₃吸着量演算部５２から入力されるＮＨ₃実吸着量ＳＴ_NH3に基づいて補正する。

より詳しくは、ＥＣＵ５０には、予め実験等により作成したＳＣＲ２２の内部温度Ｔ_SCRとＮＨ₃吸着可能量（以下、目標吸着量ＳＴ_{NH3_TAG}という）との関係を示すＮＨ₃目標吸着量マップ（例えば、図５参照）が記憶されている。

噴射量補正部５４は、ＮＨ₃目標吸着量マップから、現在の内部温度Ｔ_SCRに対応する目標吸着量ＳＴ_{NH3_TAG}と、現在のＮＨ₃実吸着量ＳＴ_NH3との吸着量偏差ΔＳＴ_NH3を読み取ると共に、この吸着量偏差ΔＳＴ_NH3に相当する噴射補正量ΔＩＮＪに基づいて、基本噴射量ＩＮＪ_{U_std}を増減補正する（ＩＮＪ_{U_exh}＝ＩＮＪ_{U_std}＋／−ΔＩＮＪ）。補正後の尿素水噴射は、尿素水噴射装置２１のインジェクタ（不図示）に印加される各噴射の通電パルス幅を増減させるか、あるいは噴射回数を増減させることで実行される。

次に、図６に基づいて、本実施形態の排気浄化装置による制御フローを説明する。なお、本制御はイグニッションキーのＯＮ操作と同時にスタートする。

ステップ（以下、ステップを単にＳと記載する）１００では、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑから演算されるエンジン１０のＮＯｘ排出量に応じて、尿素水の基本噴射量ＩＮＪ_{U_std}が設定される。

Ｓ１１０では、電極２７間の静電容量Ｃに基づいてＳＣＲ２２の内部温度Ｔ_SCRが演算され、さらに、Ｓ１２０では、電極２７間の静電容量Ｃに基づいて、ＳＣＲ２２のＮＨ₃実吸着量ＳＴ_NH3が演算される。

Ｓ１３０では、ＮＨ₃目標吸着量マップ（図５）から、Ｓ１１０で演算された内部温度Ｔ_SCRに対応する目標吸着量ＳＴ_{NH3_TAG}と及び、Ｓ１２０で演算されたＮＨ₃実吸着量ＳＴ_NH3との吸着量偏差ΔＳＴ_NH3が演算される。

Ｓ１４０では、Ｓ１３０で演算された吸着量偏差ΔＳＴ_NH3が所定の閾値よりも多いか否かが判定される。吸着量偏差ΔＳＴ_NH3が所定の閾値よりも多い場合（Ｙｅｓ）は、Ｓ１５０に進み、吸着量偏差ΔＳＴ_NH3に相当する噴射補正量ΔＩＮＪに基づいて、基本噴射量ＩＮＪ_{U_std}が増減補正される（ＩＮＪ_{U_exh}＝ＩＮＪ_{U_std}＋／−ΔＩＮＪ）。さらに、Ｓ１６０では、補正後の噴射量ＩＮＪ_{U_exh}に基づいて、尿素水噴射装置２１の尿素水噴射が実行される。

一方、Ｓ１４０で、吸着量偏差ΔＳＴ_NH3が所定の閾値未満の場合（Ｎｏ）は、Ｓ１７０に進み、補正を行うことなく、Ｓ１００で設定した基本噴射量ＩＮＪ_{U_std}に基づいて尿素水噴射装置２１の尿素水噴射が実行される。その後、上述のＳ１００〜１７０の各制御ステップは、イグニッションキーのＯＦＦ操作まで繰り返し実行される。

次に、本実施形態に係る排気浄化装置による作用効果を説明する。

従来、ＳＣＲのＮＨ₃スリップを抑制する技術として、ＳＣＲに供給されるＮＨ₃量と、ＳＣＲ出口のＮＨ₃センサの検出値とを比較して、ＳＣＲ内のＮＨ₃吸着量を推定すると共に、推定したＮＨ₃吸着量に応じて尿素水噴射量を調整する手法が知られている。しかしながら、ＮＨ₃センサのセンサ値から推定する手法では、ＳＣＲ内の実際のＮＨ₃吸着量を正確に把握できず、尿素水噴射量を最適に制御できない可能性がある。

これに対し、本実施形態の排気浄化装置では、電極２７間の静電容量Ｃに基づいて、ＳＣＲ２２内のＮＨ₃実吸着量を直接的に演算すると共に、正確なＮＨ₃実吸着量とＮＨ₃目標吸着量（吸着可能量）との差に応じて、尿素水噴射量を補正するように構成されている。

したがって、本実施形態の排気浄化装置によれば、尿素水噴射量をＳＣＲ２２のＮＨ₃実吸着量に応じて正確に制御することが可能となり、ＳＣＲ２２のＮＨ₃スリップを効果的に防止することができる。また、ＳＣＲ２２のＮＨ₃吸着量が目標値（吸着可能量）で効果的に維持されるため、ＮＯｘの還元浄化率を確実に向上することもできる。さらに、ＳＣＲ２２の下流側に余剰のＮＨ₃を酸化除去する酸化触媒等を配置する必要がなくなり、装置全体のコストや重量・サイズ等を効果的に低減することも可能になる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、電極２７の本数は少なくとも一対以上であればよく、図示例に限定されるものではない。また、エンジン１０はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジン等の他の内燃機関にも広く適用することが可能である。

１０エンジン
１２排気通路
１８エンジン回転数センサ
１９アクセル開度センサ
２０排気後処理装置
２１尿素水噴射装置
２２ＳＣＲ
２７電極
５０ＥＣＵ
５１ＳＣＲ内部温度演算部
５２ＮＨ₃吸着量演算部
５３尿素水噴射制御部
５４噴射量補正部

Claims

内燃機関の排気系に設けられ、尿素水から生成されるアンモニアを還元剤として排気中に含まれる窒素化合物を還元浄化する選択的還元触媒と、
前記選択的還元触媒に尿素水を噴射する尿素水噴射手段と、
前記選択的還元触媒の静電容量を検出する静電容量検出手段と、
前記静電容量検出手段から入力される静電容量に基づいて、前記選択的還元触媒の還元剤吸着量を演算する還元剤吸着量演算手段と、
少なくとも前記内燃機関の運転状態に応じて設定される所定の基準噴射量に基づいて、前記尿素水噴射手段の尿素水噴射を制御する噴射制御手段と、
前記還元剤吸着量演算手段から入力される還元剤吸着量に基づいて、前記基準噴射量を補正する噴射量補正手段と、を備える
ことを特徴とする排気浄化装置。
前記静電容量検出手段から入力される静電容量に基づいて、前記選択的還元触媒の内部温度を演算する内部温度演算手段をさらに備え、
前記噴射量補正手段が、前記還元剤吸着量演算手段から入力される還元剤吸着量と、前記内部温度演算手段から入力される内部温度に応じた前記選択的還元触媒の還元剤吸着可能量との差に基づいて、前記基準噴射量を補正する
請求項１に記載の排気浄化装置。
前記静電容量検出手段が、前記選択的還元触媒内に一個以上の隔壁を挟んで対向配置されてコンデンサを形成する少なくとも一対の電極で構成される
請求項１又は２に記載の排気浄化装置。