JP2017096192A - アンモニア吸着量推定装置、アンモニア吸着量推定方法、および内燃機関の排気浄化システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明では、SCRフィルタに供給されるアンモニア量と、SCR触媒におけるNOxの還元に消費されるアンモニア量と、SCR触媒から脱離するアンモニア量と、を積算することでアンモニア吸着量を算出する。このとき、フィルタPM堆積量の単位増加量当たりの差圧変換値の増加量を差圧変化率とする。そして、フィルタ温度および吸着量前回値が同一の場合、差圧変化率が所定の閾値より小さいときは、該差圧変化率が該所定の閾値以上のときよりも、アンモニア脱離量をより少ない量に算出する。
【選択図】図15
Description
のとき、SCRフィルタにおいては、先ず、隔壁内(すなわち、隔壁に形成された細孔内)にPMが堆積する。そして、隔壁内におけるPMの堆積量が上限値に達した後、隔壁の表面上にPMが堆積する。以下、SCRフィルタの隔壁内にPMが堆積することを「壁内PM堆積」と称し、壁内PM堆積が進行している期間を「壁内PM堆積期間」と称する場合もある。また、SCRフィルタの隔壁内におけるPMの堆積量を「壁内PM堆積量」と称する場合もある。また、SCRフィルタの隔壁の表面上にPMが堆積することを「表層PM堆積」と称し、表層PM堆積が進行している期間を「表層PM堆積期間」と称する場合もある。また、SCRフィルタの隔壁の表面上におけるPMの堆積量を「表層PM堆積量」と称する場合もある。
より小さいときは、該差圧変化率が該所定の閾値以上のときよりも、前記アンモニア脱離量をより少ない量に算出する。
図1は、本実施例に係る内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。図1に示す内燃機関1は、軽油を燃料とする圧縮着火式の内燃機関(ディーゼルエンジン)である。ただし、本発明は、ガソリン等を燃料とする火花点火式の内燃機関にも適用することができる。
よび尿素水添加弁53等の各種機器が電気的に接続されている。ECU10は、上記のような各センサの出力信号に基づいて、上記の各種機器を制御する。例えば、ECU10は、SCR触媒51aでのアンモニア吸着量を所定の目標吸着量に維持または調整すべく、尿素水添加弁53からの尿素水添加量を制御する。なお、所定の目標吸着量は、SCRフィルタ51において所望のNOx浄化率を確保でき、且つ、SCRフィルタ51からのアンモニアの流出量を許容範囲内に抑制することができる値として実験等に基づき予め定められた値である。
本実施例においては、ECU10によってフィルタPM堆積量が所定の演算周期で繰り返し算出される。図2は、ECU10におけるPM堆積量算出部の機能を示すブロック図である。PM堆積量算出部110は、フィルタPM堆積量を算出するための機能部であり、ECU10において所定のプログラムが実行されることによって実現される。なお、本実施例に係るPM堆積量算出部110は、後述する、差圧センサ59によって検出されるフィルタ差圧を排気流量が一定と仮定した場合の値に変換した変換値である差圧変換値を用いることなくフィルタPM堆積量を算出する。また、本実施例に係るPM堆積量算出部110においては、SCRフィルタ51のPM捕集機能が正常な状態であると仮定して、フィルタPM堆積量が算出される。
xセンサ57の出力値および排気流量に基づいて、排気中のNOx量を推定することができる。また、上流側温度センサ55の出力値に基づいて推定される酸化触媒50の温度、および、排気流量に基づいて、排気中におけるNOx量のうちのNO2量の割合を推定することができる。そして、これら排気中のNOx量、および、排気中におけるNOx量のうちのNO2量の割合の推定値等に基づいて、流入NO2濃度を推定することができる。さらに、PM酸化量算出部112には、前回の演算で算出されたフィルタPM堆積量(以下、「堆積量前回値」と称する場合もある。)が入力される。そして、PM酸化量算出部112においては、入力された、フィルタ温度、流入O2濃度、流入NO2濃度、および、堆積量前回値に基づいて、PM酸化量が算出される。
また、本実施例においては、ECU10によって、SCR触媒51aに吸着しているアンモニア量であるアンモニア吸着量が所定の演算周期で繰り返し算出される。図3は、ECU10における吸着量算出部の機能を示すブロック図である。吸着量算出部120は、SCR触媒51aでのアンモニア吸着量を算出するための機能部であり、ECU10において所定のプログラムが実行されることによって実現される。なお、本実施例に係る吸着量算出部120においては、SCRフィルタ51のNOx浄化機能が正常な状態であると仮定してアンモニア吸着量が算出される。
点においてSCR触媒51aにおいて発揮されると推定されるNOx浄化率(以下、「推定NOx浄化率」と称する場合もある。)が算出される。さらに、消費量算出部121では、入力された、流入NOx濃度と、排気流量と、に基づいて、第2所定期間中にSCRフィルタ51に流入するNOx量(以下、「流入NOx量」と称する場合もある。)が算出される。そして、算出された推定NOx浄化率および流入NOx量に基づいて、アンモニア消費量が算出される。
以下、本実施例に係る、脱離量算出部122でのアンモニア脱離量の算出方法の詳細について説明する。SCR触媒51aの状態が、アンモニアの吸着速度と脱離速度とが同一となる平衡状態であると仮定した場合、ラングミュアの吸着等温式に基づき、SCR触媒51aでのアンモニア吸着量とアンモニア脱離量との関係は下記式1で表すことができる。
dD:アンモニア脱離量
σ0:SCR触媒51aにおけるアンモニアの飽和吸着量
K:平衡定数
aの飽和吸着量は多くなる。
量を表しており、縦軸は差圧変換値を表している。
Ap=dP/Qg ・・・式3
Ap:差圧変換値
dP:フィルタ差圧(差圧センサ59の検出値)
Qg:排気流量
Rp=dAp/dQpm ・・・式4
Rp:差圧変化率
dAp:第3所定期間中における差圧変換値の増加量
dQpm:第3所定期間中におけるフィルタPM堆積量の増加量
ここで、第3所定期間の長さは、差圧変化率を算出するために演算周期に基づいて予め定められている。また、dApおよびdQpmは、同一時期における第3所定期間中の差圧変換値の増加量およびフィルタPM堆積量の増加量である。
dD:アンモニア脱離量
σ0:SCR触媒51aの飽和吸着量
K:平衡定数
α:補正係数
Rp≧Rp0のときはα=1
Rp<Rp0のときはα=αx(>1)
ここで、Rp0は、壁内PM堆積期間中であるか表層PM堆積期間中であるかを区別するための所定の閾値である。つまり、図14に示すように、差圧変化率Rpが所定の閾値Rp0以上であれば、壁内PM堆積期間中であると判断できる。また、差圧変化率Rpが所定の閾値Rp0より小さければ、表層PM堆積期間中であると判断できる。このような所定の閾値Rp0は、実験等に基づいて定めることができる。また、Rp<Rp0のときの補正係数αの値αxは、1より大きい所定値である。また、この所定値αxは、フィルタPM堆積量に関わらず一定の値である。
PM堆積期間中に用いられるマップでは、壁内PM堆積期間中に用いられるマップに比べて、同一のフィルタ温度および同一の吸着量前回値に対するアンモニア脱離量の値が小さくなっている。そして、アンモニア脱離量を算出する際に、差圧変化率Rpが所定の閾値Rp0以上であるか否かに応じて、その算出に用いるマップが選択される。このようにアンモニア脱離量を算出する際のマップを使い分けることで、上記式5を用いてアンモニア脱離量を算出した場合と同様の効果を得ることができる。
上述したように、本実施例においては、SCR触媒51aでのアンモニア吸着量を所定の目標吸着量に維持または調整すべく、ECU10によって尿素水添加弁53からの尿素水添加量が制御される。図17は、ECU10における添加量制御部の機能を示すブロック図である。添加量制御部130は、尿素水添加弁53からの尿素水添加量を制御するための機能部であり、ECU10において所定のプログラムが実行されることによって実現される。
図18は、本実施例の変形例に係るECU10における吸着量算出部の機能を示すブロック図である。本変形例に係る吸着量算出部120は、消費量算出部121および脱離量算出部122に加え、酸化量算出部123を有する。SCRフィルタ51に供給されSCR触媒51aに一旦吸着したアンモニアは、NOxの還元に消費される、または、NOxの還元には消費されずに脱離する他に、SCR触媒51aにおいて酸化される場合がある。そこで、本変形例に係る酸化量算出部123では、アンモニア吸着量の演算周期に応じた第2所定期間中にSCR触媒51aにおいて酸化されるアンモニア量であるアンモニア酸化量が算出される。
フィルタ温度が同一であれば、SCR触媒51aにおけるアンモニア吸着量が多いほどアンモニア酸化量が多くなる。
4・・・吸気通路
5・・・排気通路
50・・酸化触媒
51・・SCRフィルタ
51a・・SCR触媒
53・・尿素水添加弁
19・・差圧センサ
10・・ECU
Claims (4)
- 内燃機関の排気通路に設けられており、SCR触媒がフィルタに担持された構成のSCRフィルタであって、前記SCR触媒は、前記SCRフィルタよりも上流側の前記排気通路に設けられたアンモニア供給装置によって供給されるアンモニアを還元剤として排気中のNOxを還元する機能を有し、前記フィルタは、排気中の粒子状物質を捕集する機能を有する前記SCRフィルタにおける、前記SCR触媒でのアンモニア吸着量を推定するアンモニア吸着量推定装置であって、
前記アンモニア供給装置により前記SCRフィルタに供給されるアンモニア量であるアンモニア供給量と、前記SCR触媒におけるNOxの還元に消費されるアンモニア量であるアンモニア消費量と、前記SCR触媒から脱離するアンモニア量であるアンモニア脱離量と、を積算することで、前記SCR触媒に吸着しているアンモニア量であるアンモニア吸着量を算出する吸着量算出部であり、前回算出された前記SCR触媒でのアンモニア吸着量である吸着量前回値に対し、前記アンモニア供給量を加算し、且つ、前記アンモニア消費量とアンモニア脱離量とを減算することで、今回の前記SCR触媒でのアンモニア吸着量を算出する吸着量算出部を備えたアンモニア吸着量推定装置において、
前記アンモニア脱離量を算出する際の前記SCRフィルタの温度と、前記吸着量前回値と、に基づいて、前記アンモニア脱離量を算出する脱離量算出部をさらに備え、
前記SCRフィルタの上流と下流との間の排気圧力の差を前記SCRフィルタに流入する排気の流量が一定と仮定した場合の値に変換した変換値を差圧変換値とし、前記差圧変換値以外のパラメータに基づいて推定される前記SCRフィルタにおける粒子状物質の堆積量をフィルタPM堆積量としたときの、前記フィルタPM堆積量の単位増加量当たりの前記差圧変換値の増加量を差圧変化率とし、
前記脱離量算出部が、前記SCRフィルタの温度および前記吸着量前回値が同一の場合、前記アンモニア脱離量を算出する際の前記差圧変化率が所定の閾値より小さいときは、該差圧変化率が該所定の閾値以上のときよりも、前記アンモニア脱離量をより少ない量に算出するアンモニア吸着量推定装置。 - 前記アンモニア脱離量を算出する際の前記差圧変化率が前記所定の閾値より小さい状態のときは、前記脱離量算出部が、前記SCRフィルタの温度および前記吸着量前回値が同一であれば、前記フィルタPM堆積量に関わらず、前記アンモニア脱離量を一定量に算出する請求項1に記載のアンモニア吸着量推定装置。
- 前記SCRフィルタと、
前記アンモニア供給装置と、
請求項1または2に記載のアンモニア吸着量推定装置と、
前記アンモニア吸着量推定装置によって推定される前記SCR触媒でのアンモニア吸着量が所定の目標吸着量となるように前記アンモニア供給量を制御する制御部と、
を備えた内燃機関の排気浄化システム。 - 内燃機関の排気通路に設けられており、SCR触媒がフィルタに担持された構成のSCRフィルタであって、前記SCR触媒が、前記SCRフィルタよりも上流側の前記排気通路に設けられたアンモニア供給装置によって供給されるアンモニアを還元剤として排気中のNOxを還元する機能を有し、前記フィルタが、排気中の粒子状物質を捕集する機能を有する前記SCRフィルタにおける、前記SCR触媒でのアンモニア吸着量を推定するアンモニア吸着量推定方法であって、
前記アンモニア供給装置により前記SCRフィルタに供給されるアンモニア量であるアンモニア供給量と、前記SCR触媒におけるNOxの還元に消費されるアンモニア量であるアンモニア消費量と、前記SCR触媒から脱離するアンモニア量であるアンモニア脱離量と、を積算することで、前記SCR触媒に吸着しているアンモニア量であるアンモニア
吸着量を算出する吸着量算出工程であり、前回算出された前記SCR触媒でのアンモニア吸着量である吸着量前回値に対し、前記アンモニア供給量を加算し、且つ、前記アンモニア消費量とアンモニア脱離量とを減算することで、今回の前記SCR触媒でのアンモニア吸着量を算出する吸着量算出工程を含むアンモニア吸着量推定方法において、
前記アンモニア脱離量を算出する際の前記SCRフィルタの温度と、前記吸着量前回値と、に基づいて、前記アンモニア脱離量を算出する脱離量算出工程をさらに含み、
前記SCRフィルタの上流と下流との間の排気圧力の差を前記SCRフィルタに流入する排気の流量が一定と仮定した場合の値に変換した変換値を差圧変換値とし、前記差圧変換値以外のパラメータに基づいて推定される前記SCRフィルタにおける粒子状物質の堆積量をフィルタPM堆積量としたときの、前記フィルタPM堆積量の単位増加量当たりの前記差圧変換値の増加量を差圧変化率とし、
前記脱離量算出工程では、前記SCRフィルタの温度および前記吸着量前回値が同一の場合、前記アンモニア脱離量を算出する際の前記差圧変化率が所定の閾値より小さいときは、該差圧変化率が該所定の閾値以上のときよりも、前記アンモニア脱離量をより少ない量に算出するアンモニア吸着量推定方法。
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