JP2017110594A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より適正な量の還元剤をＮＯｘ触媒へ供給する。【解決手段】選択還元型ＮＯｘ触媒を担持し、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタと、選択還元型ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ浄化率を検出する検出部と、フィルタに粒子状物質が堆積していないときのＮＯｘ浄化率を基準ＮＯｘ浄化率として記憶する記憶部と、検出部により検出されるＮＯｘ浄化率と、基準ＮＯｘ浄化率と、の差が、増加量閾値よりも大きな場合には、増加量閾値以下の場合よりも、還元剤供給装置から供給する還元剤量を少なくする補正部と、を備える。【選択図】図１２

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

アンモニアを還元剤として使用することで、内燃機関からの排気中に含まれるＮＯｘを浄化する選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、単に「ＮＯｘ触媒」という。）が知られている。このＮＯｘ触媒よりも上流側には、排気中にアンモニア又はアンモニアの前駆体を添加する添加弁等が設置される。アンモニアの前駆体としては、尿素を例示できる。以下、アンモニアの前駆体またはアンモニアをまとめて「還元剤」ともいう。

ここで、ＮＯｘ触媒よりも上流側にフィルタを備えた構成において、フィルタに粒子状物質（以下、ＰＭともいう。）が捕集されている場合には、このＰＭによって排気中のＮＯ_２がＮＯに還元される。これにより、ＮＯｘを浄化するためにＮＯｘ触媒に供給する還元剤の適正量が変化する。このため、フィルタにおけるＰＭ堆積量に基づいてＮＯｘ触媒へ供給する還元剤量を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２００９−２９３６０６号公報 特開２００１−１９３４４０号公報

"Physico-Chemical Modeling of an Integrated SCR on DPF (SCR/DPF) System," SAE International Journal of Engines, August 2012 vol. 5 no. 3, 958-974

ここで、ＮＯｘ触媒を担持したフィルタが知られている。このＮＯｘ触媒を担持したフィルタにおいては、アンモニアの飽和吸着量が、ＰＭ堆積量以外が同じ条件であれば、フィルタの隔壁内（すなわち、隔壁に形成された細孔内）のＰＭ堆積量に応じては変化するが、フィルタの隔壁の表面上のＰＭ堆積量に応じては変化しないことが判明した。このため、単にＰＭ堆積量に応じて還元剤供給量を調整しても、ＰＭが堆積している場所によっては還元剤供給量が適正でない虞もある。一方、フィルタの壁内のＰＭ堆積量に基づいて還元剤供給量を調整することで適正量の還元剤を供給することが可能となるが、フィルタに堆積していたＰＭが酸化されることにより減少した場合には、フィルタの隔壁内のＰＭが減少したのか、または、フィルタの隔壁の表面上のＰＭが減少したのかを判断することが困難であるため、フィルタの壁内のＰＭ堆積量を求めることは困難である。

そこで本発明は、より適正な量の還元剤をＮＯｘ触媒へ供給することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、内燃機関の排気通路に設けられ該排気通路内にアンモニアの前駆体またはアンモニアを還元剤として供給する還元剤供給装置と、前記還元剤供給装置よりも下流の排気通路に設けられ、還元剤によりＮＯｘを選択還元する選択還元型ＮＯｘ触媒を担持し、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタと、前記選択還元型ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ浄化率を検出する検出部と、前記検出部により検出されるＮＯｘ
浄化率であって前記フィルタに粒子状物質が堆積していないときのＮＯｘ浄化率を基準ＮＯｘ浄化率として記憶する記憶部と、前記フィルタに堆積している粒子状物質の量以外の条件が同じ場合において、前記検出部により検出されるＮＯｘ浄化率と、前記基準ＮＯｘ浄化率と、の差が、増加量閾値よりも大きな場合には、前記増加量閾値以下の場合よりも、前記還元剤供給装置から供給する還元剤量を少なくする補正部と、を備える。

本発明によれば、より適正な量の還元剤をＮＯｘ触媒へ供給することができる。

実施例に係る内燃機関と、その吸気系及び排気系と、の概略構成を示す図である。 還元剤供給量を求めるためのブロック図である。 フィルタの隔壁内に堆積しているＰＭ量（壁内ＰＭ堆積量）と飽和吸着量との関係を示した図である。 フィルタの隔壁の表面上に堆積しているＰＭ量（表層ＰＭ堆積量）と飽和吸着量との関係を示した図である。 フィルタにＰＭが堆積していない場合における、ＮＯｘ触媒の総アンモニア吸着量と、フィルタから流出するアンモニアの濃度（流出アンモニア濃度）と、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率との推移を示したタイムチャートである。 フィルタの隔壁内にＰＭが堆積している場合における、ＮＯｘ触媒の総アンモニア吸着量と、フィルタから流出するアンモニアの濃度（流出アンモニア濃度）と、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率との推移を示したタイムチャートである。 触媒温度と飽和吸着量との関係を示した図である。 触媒温度、総アンモニア吸着量、流出アンモニア濃度の推移を示したタイムチャートである。 フィルタにおける総ＰＭ堆積量と、飽和吸着量と、の関係を示した図である。 基準ＮＯｘ浄化率からのＮＯｘ浄化率の増加量ＤＮＯｘと、触媒温度と、アンモニア脱離量を補正するための補正係数との関係を示した図である。 ＮＯｘ触媒における推定吸着量を求めるためのブロック図である。 実施例に係る還元剤供給量の補正係数を算出するフローを示したフローチャートである。 還元剤供給量を算出するためのフローを示したフローチャートである。 還元剤供給量を補正するためのブロック図である。 総ＰＭ堆積量と、ＮＯｘ浄化率の増加量ＤＮＯｘ、アンモニア脱離量の補正係数、総アンモニア吸着量、ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ浄化率、触媒温度が上昇した場合の流出アンモニア濃度と、の関係を示した図である。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（実施例）
図１は、本実施例に係る内燃機関と、その吸気系及び排気系と、の概略構成を示す図である。内燃機関１は車両駆動用のディーゼルエンジンである。ただし、内燃機関１はガソリンエンジンであってもよい。内燃機関１には排気通路２が接続されている。排気通路２には、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを選択還元する選択還元型ＮＯｘ触媒３
１（以下、「ＮＯｘ触媒３１」という。）を担持したフィルタ３が設けられている。フィルタ３は、排気中のＰＭを捕集するウォールフロー型のフィルタである。また、ＮＯｘ触媒３１は、アンモニアを吸着し、該アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを還元する。

また、ＮＯｘ触媒３１よりも上流の排気通路２には、還元剤を噴射する添加弁４が設けられている。還元剤には、アンモニア（ＮＨ_３）が用いられる。なお、添加弁４は、アンモニアに代えて、アンモニアの前駆体である尿素水を噴射してもよい。添加弁４から噴射された尿素水は、排気の熱またはＮＯｘ触媒３１からの熱により加水分解されてアンモニアとなり、ＮＯｘ触媒３１に吸着する。このアンモニアは、ＮＯｘ触媒３１において還元剤として利用される。すなわち、添加弁４からは、アンモニアに変化する物質、または、アンモニアを供給すればよい。なお、本実施例においては添加弁４が、本発明における還元剤供給装置に相当する。

さらに、添加弁４よりも上流の排気通路２には、フィルタ３に流れ込む排気中のＮＯｘを検出する上流側ＮＯｘセンサ１１が設けられている。また、フィルタ３よりも下流の排気通路２には、フィルタ３から流れ出る排気中のＮＯｘを検出する下流側ＮＯｘセンサ１２と、排気温度を検出する温度センサ１３と、が設けられている。さらに、排気通路２には、フィルタ３よりも上流側の排気の圧力とフィルタ３よりも下流側の排気の圧力との差であるフィルタ差圧を検出する差圧センサ１７が設けられている。

また、内燃機関１には、吸気通路６が接続されている。吸気通路６の途中には、内燃機関１の吸入空気量を調整するスロットル７が設けられている。また、スロットル７よりも上流の吸気通路６には、内燃機関１の吸入空気量を検出するエアフローメータ１６が取り付けられている。

そして、内燃機関１には電子制御ユニットであるＥＣＵ１０が併設されている。ＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転状態や排気浄化装置等を制御する。ＥＣＵ１０には、上述した上流側ＮＯｘセンサ１１、下流側ＮＯｘセンサ１２、温度センサ１３、エアフローメータ１６、差圧センサ１７の他、クランクポジションセンサ１４及びアクセル開度センサ１５が電気的に接続され、各センサの出力値がＥＣＵ１０に渡される。

ＥＣＵ１０は、クランクポジションセンサ１４の検知に基づく機関回転速度や、アクセル開度センサ１５の検知に基づく機関負荷等の内燃機関１の運転状態を把握可能である。なお、本実施例では、フィルタ３に流れ込む排気中のＮＯｘは上流側ＮＯｘセンサ１１によって検出可能であるが、内燃機関１から排出される排気（ＮＯｘ触媒３１に浄化される前の排気であり、すなわちフィルタ３に流れ込む排気）に含まれるＮＯｘは、内燃機関１の運転状態と関連性を有することから、上記内燃機関１の運転状態に基づいて、推定することも可能である。また、ＥＣＵ１０は、温度センサ１３によって検出される排気温度に基づいて、フィルタ３及びＮＯｘ触媒３１の温度を検出することが可能である。なお、フィルタ３とＮＯｘ触媒３１とは一体であるため、フィルタ３の温度とＮＯｘ触媒３１の温度は等しいものとみなすことができる。また、ＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転状態に基づいて、フィルタ３及びＮＯｘ触媒３１の温度を推定することも可能である。一方、ＥＣＵ１０には、添加弁４及びスロットル７が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ１０によりこれらの機器が制御される。

ＥＣＵ１０は、ＮＯｘ触媒３１のアンモニア吸着量が、ＮＯｘ触媒３１におけるアンモニア吸着量の目標値（以下、目標吸着量ともいう。）となるように、添加弁４から還元剤を供給する。この際、ＥＣＵ１０は、前回の還元剤の供給開始時点から今回の還元剤の供給開始時点までの期間（以下、供給間隔ともいう。）に、ＮＯｘ触媒３１においてＮＯｘ
を浄化するために消費されたアンモニア量（以下、アンモニア消費量ともいう。）と、ＮＯｘ触媒３１から脱離してＮＯｘを浄化することなく減少したアンモニア量（以下、アンモニア脱離量ともいう。）と、を補うことでＮＯｘ触媒３１のアンモニア吸着量が目標吸着量となるように、添加弁４から添加する還元剤量（以下、還元剤供給量ともいう。）を算出する。このため、ＥＣＵ１０は、フィルタ３に流入するＮＯｘ量（以下、流入ＮＯｘ量ともいう。）、ＮＯｘ触媒３１の温度（以下、触媒温度ともいう。）、ＮＯｘ触媒３１における目標吸着量に基づいて、供給間隔中に含まれる複数の演算周期毎に繰り返し還元剤供給量を算出し、供給間隔中に算出された還元剤供給量を積算していく。そして、還元剤の供給開始時点における還元剤供給量の積算値が、ＥＣＵ１０から添加弁４へ与えられる指令値となる。この還元剤供給量の指令値は、実際に添加弁４から供給するべき還元剤量である。還元剤供給量と添加弁４の開弁時間とには相関関係があるため、この関係を予め実験またはシミュレーション等により求めておけば、算出された還元剤供給量から添加弁４の開弁時間を決定することができる。ＥＣＵ１０は、還元剤供給量に応じた時間だけ添加弁４を開弁させることにより、還元剤を供給する。

図２は還元剤供給量を求めるためのブロック図である。この図２は、ＥＣＵ１０での処理で実現される機能をイメージ化したものである。アンモニア消費量は、流入ＮＯｘ量、触媒温度、目標吸着量に基づいて得ることができる。また、アンモニア脱離量は、触媒温度及び目標吸着量に基づいて得ることができる。ＥＣＵ１０の演算周期毎にＮＯｘ触媒３１に流入するＮＯｘ量は、排気のＮＯｘ濃度と排気の流量とに関連しており、排気の流量はエアフローメータ１６により検出される吸入空気量と関連している。したがって、上流側ＮＯｘセンサ１１の検出値及びエアフローメータ１６の検出値に基づいて、演算周期毎にＮＯｘ触媒３１に流入するＮＯｘ量を算出することができる。なお、上流側ＮＯｘセンサ１１の検出値及びエアフローメータ１６の検出値は、今回の演算時の値が前回の演算時から今回の演算時まで継続しているものとして扱うか、または、前回の演算時の値が前回の演算時から今回の演算時まで継続しているものとして扱う。また、前回の演算時から今回の演算時までの上流側ＮＯｘセンサ１１の検出値及びエアフローメータ１６の検出値の平均値を夫々求めて、この値が前回の演算時から今回の演算時まで継続しているものとして扱ってもよい。

また、触媒温度は、温度センサ１３により検出することができる。還元剤供給量を算出するときに用いる触媒温度には、前回の演算時のＮＯｘ触媒３１の温度、今回の演算時のＮＯｘ触媒３１の温度、または、前回の演算時から今回の演算時までのＮＯｘ触媒３１の温度の平均値を用いることができる。さらに、目標吸着量は、今回の演算時での内燃機関１の運転状態に基づいて決定されるアンモニア吸着量、または、前回の演算時での内燃機関１の運転状態に基づいて決定されるアンモニア吸着量を用いることができる。目標吸着量は、ＮＯｘ触媒３１において所望のＮＯｘ浄化率を確保でき、且つ、ＮＯｘ触媒３１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、予め実験またはシミュレーション等により求めることができる。アンモニア消費量は、触媒温度が高いほど多くなり、流入ＮＯｘ量が多いほど多くなり、目標吸着量が多いほど多くなる。アンモニア脱離量は、触媒温度が高いほど多くなり、目標吸着量が多いほど多くなる。そしてＥＣＵ１０は、演算周期毎に、ＮＯｘ触媒３１におけるアンモニア消費量と、ＮＯｘ触媒３１におけるアンモニア脱離量と、の総量を供給すべきアンモニア量として還元剤供給量を算出し、この値を積算していく。そして、還元剤の供給時期に至った時点での還元剤供給量の積算値が、還元剤供給量の指令値となる。

ところで、フィルタ３にＰＭが堆積している場合には、ＰＭが堆積していない場合よりも、ＮＯｘ触媒３１が吸着可能なアンモニア量（以下、飽和吸着量ともいう。）が増加することが見出された。ここで、図３は、フィルタ３の隔壁内に堆積しているＰＭ量（以下、壁内ＰＭ堆積量ともいう。）と飽和吸着量との関係を示した図である。一方、図４は、
フィルタ３の隔壁の表面上に堆積しているＰＭ量（以下、表層ＰＭ堆積量ともいう。）と飽和吸着量との関係を示した図である。ＰＭがフィルタ３の隔壁内に堆積している途中では、壁内ＰＭ堆積量が増加するにしたがって飽和吸着量も増加するが、ＰＭがフィルタ３の隔壁の表面上に堆積している途中では、表層ＰＭ堆積量が増加したとしても飽和吸着量は増加しない。なお、ＰＭがフィルタ３に堆積するときには、まずは隔壁内に堆積し、隔壁内へのＰＭの堆積が終了した後に、隔壁の表面上に堆積することが判明している。したがって、ＰＭが隔壁内に堆積している途中では、ＰＭの堆積量が増加するにしたがって飽和吸着量が増加するが、隔壁内へのＰＭの堆積が終了してＰＭが隔壁の表面上に堆積するようになると、ＰＭの堆積量が増加しても飽和吸着量は増加しない。

ここで、還元剤供給量が変化しない場合であっても、飽和吸着量が増加することにより、ＮＯｘ触媒３１に吸着されるアンモニアの総量（以下、総アンモニア吸着量ともいう。）が増加する。しかし、このように総アンモニア吸着量が増加した状態で触媒温度が上昇すると、ＮＯｘ触媒３１から脱離するアンモニア量が増加するため、ＮＯｘ触媒３１から流れ出るアンモニア量が多くなる虞がある。

ここで、図５は、フィルタ３にＰＭが堆積していない場合における、ＮＯｘ触媒３１の総アンモニア吸着量と、フィルタ３から流出するアンモニアの濃度（流出アンモニア濃度）と、ＮＯｘ触媒３１のＮＯｘ浄化率との推移を示したタイムチャートである。また、図６は、フィルタ３の隔壁内にＰＭが堆積している場合における、ＮＯｘ触媒３１の総アンモニア吸着量と、フィルタ３から流出するアンモニアの濃度（流出アンモニア濃度）と、ＮＯｘ触媒３１のＮＯｘ浄化率との推移を示したタイムチャートである。図５及び図６は、後述する本実施例に係る還元剤供給量の補正を実施していない場合であって、図５と図６とで同量の還元剤を供給した場合を示している。実線は実測値を示し、一点鎖線は目標値を示している。図５においては、実測値と目標値とは略等しい。また、総アンモニア吸着量における「制御目標値」は、総アンモニア吸着量の最終的な目標値を示している。

図５に示されるように、フィルタ３にＰＭが堆積していない場合には、総アンモニア吸着量、流出アンモニア濃度、ＮＯｘ濃度の何れも実測値と目標値とが略等しい。一方、図６に示されるように、フィルタ３にＰＭが堆積している場合には、ＮＯｘ触媒３１の飽和吸着量の増加により、総アンモニア吸着量の実測値が目標値よりも大きくなる。このため、流出アンモニア濃度が増加を始める時期が、フィルタ３にＰＭが堆積していない場合よりも遅れる。さらに、フィルタ３にＰＭが堆積している場合には、堆積していない場合よりも、流出アンモニア濃度が収束するまでの時間が長くなる。また、総アンモニア吸着量が増加することによりＮＯｘ浄化率が増加するため、ＮＯｘ浄化率が必要以上に高くなってしまう。ＮＯｘ浄化率が高くなると、消費されるアンモニア量が増加するため、流出アンモニア濃度が低くなる。

そして、ＮＯｘ触媒３１の温度が低温から高温へ変化した場合には、ＮＯｘ触媒３１からアンモニアが脱離するが、このときには総アンモニア吸着量が多いほど、ＮＯｘ触媒３１から脱離するアンモニア量が多くなる。ここで、図７は、触媒温度と飽和吸着量との関係を示した図である。実線はフィルタ３の隔壁内にＰＭが堆積している場合を示し、一点鎖線はフィルタ３にＰＭが堆積していない場合を示している。何れも触媒温度が低いほど、飽和吸着量が多くなるが、フィルタ３にＰＭが堆積している場合には、堆積していない場合よりも、低温側で飽和吸着量がより多くなる。すなわち、ＰＭが堆積している影響は、低温側ほど大きいといえる。したがって、触媒温度が低温から高温へ変化したときの飽和吸着量の変化量は、フィルタ３の隔壁内にＰＭが堆積している場合の方が、ＰＭが堆積していない場合よりも大きい。例えば、触媒温度が図７におけるＴＡからＴＢへ上昇した場合、フィルタ３の隔壁内にＰＭが堆積している場合には飽和吸着量がＧＡだけ減少し、フィルタ３にＰＭが堆積していない場合には飽和吸着量がＧＢだけ減少する。そして、Ｇ
ＢよりもＧＡのほうが大きい。このため、触媒温度がＴＡからＴＢに変化したときには、フィルタ３の隔壁内にＰＭが堆積している場合の方が、ＰＭが堆積していない場合よりも、飽和吸着量の減少量が大きくなるため、ＮＯｘ触媒３１からのアンモニア脱離量が大きくなり易い。

図８は、触媒温度、総アンモニア吸着量、流出アンモニア濃度の推移を示したタイムチャートである。実線はフィルタ３の隔壁内にＰＭが堆積している場合を示し、一点鎖線はフィルタ３にＰＭが堆積していない場合を示している。図８は、内燃機関１の運転状態の変化により触媒温度が上昇した場合を示しており、触媒温度の上昇度合いは、フィルタ３の隔壁内にＰＭが堆積している場合と、フィルタ３にＰＭが堆積していない場合とで等しい。そして、触媒温度の上昇にしたがって、飽和吸着量が減少するため、総アンモニア吸着量が減少する。ただし、フィルタ３にＰＭが堆積していない場合よりも、フィルタ３にＰＭが堆積している場合の方が、総アンモニア吸着量の減少量が大きくなる。このため、触媒温度が上昇したときの流出アンモニア濃度は、フィルタ３にＰＭが堆積していない場合よりも、フィルタ３にＰＭが堆積している場合の方が高くなる。

図９は、フィルタ３におけるＰＭ堆積量の総量（以下、総ＰＭ堆積量ともいう。）と、飽和吸着量と、の関係を示した図である。なお、図９は、ＰＭが途中で酸化されることなく堆積した場合における総ＰＭ堆積量と飽和吸着量との関係を示している。なお、ＰＭが酸化される場合には総ＰＭ堆積量が減少し、それに伴って飽和吸着量も変化するため、図９に示した関係にはならない。図９においてＧ１は、隔壁内へのＰＭの堆積が終了したときの総ＰＭ堆積量を示している。Ｇ１は、隔壁内においてＰＭが飽和したときの壁内ＰＭ堆積量である。したがって、総ＰＭ堆積量がＧ１以下の場合には、壁内ＰＭ堆積量が増加している状態であり、総ＰＭ堆積量がＧ１よりも多い場合には、表層ＰＭ堆積量が増加している状態である。図３に示したように、壁内ＰＭ堆積量が増加している途中、すなわち、総ＰＭ堆積量がＧ１以下の場合では、総ＰＭ堆積量が増加するにしたがって、飽和吸着量が増加する。一方、図４に示したように、表層ＰＭ堆積量が増加している途中、すなわち総ＰＭ堆積量がＧ１よりも多い場合には、総ＰＭ堆積量が増加したとしても、飽和吸着量は増加しない。したがって、壁内ＰＭ堆積量が増加している途中の場合と、表層ＰＭ堆積量が増加している途中の場合とで飽和吸着量が異なる値となる。そうすると、触媒温度が上昇したときの流出アンモニア濃度の上昇度合いも、壁内ＰＭ堆積量が増加している途中の場合と、表層ＰＭ堆積量が増加している途中の場合とで異なる。

このように触媒温度が低温から高温に変化したときに流出アンモニア濃度が増加する虞がある。そこで本実施例では、フィルタ３の隔壁内にＰＭが堆積している途中の場合よりも、フィルタ３の隔壁の表面上にＰＭが堆積している途中の場合のほうが、還元剤供給量が少なくなるように補正係数を用いて還元剤供給量を補正する。これにより、触媒温度が上昇したときにＮＯｘ触媒３１から脱離するアンモニア量を減少させる。ここで、図９に示したように、壁内ＰＭ堆積量が増加しているときには、飽和吸着量が増加するが、この詳細な関係は明らかになっていない。このため、壁内ＰＭ堆積量の増加量にしたがって還元剤供給量を減少させるのではなく、壁内ＰＭ堆積量が増加しているときには還元剤供給量の補正係数を一定とし、表層ＰＭ堆積量が増加しているときには、壁内ＰＭ堆積量が増加しているときよりも還元剤供給量が少なくなるように補正係数を設定している。

壁内ＰＭ堆積量が増加しているときには、飽和吸着量の増加によりＮＯｘ浄化率が徐々に高くなっていき、壁内へのＰＭの堆積が終了して表層ＰＭ堆積量が増加しているときにはＮＯｘ浄化率が高いまま一定の値となる。したがって、フィルタ３にＰＭが堆積していないときのＮＯｘ浄化率を基準ＮＯｘ浄化率として記憶しておき、検出されるＮＯｘ浄化率の基準ＮＯｘ浄化率からの増加量が増加量閾値を超えた場合には、フィルタ３の壁内へのＰＭの堆積が終了してフィルタ３の隔壁の表面上にＰＭが堆積していると判定すること
ができる。増加量閾値は、フィルタ３の隔壁内のＰＭの堆積が終了したときの基準ＮＯｘ浄化率からの増加量、若しくは、フィルタ３の隔壁内のＰＭの堆積が終了するＰＭ堆積量よりも余裕を持たせた少ないＰＭ堆積量のときの基準ＮＯｘ浄化率からの増加量として予め実験またはシミュレーション等により求めてＥＣＵ１０に記憶させておくことができる。なお、ＮＯｘ浄化率は、ＮＯｘ触媒３１に流入する排気中のＮＯｘ濃度に対する、ＮＯｘ触媒３１で減少するＮＯｘ濃度の比率であり、上流側ＮＯｘセンサ１１及び下流側ＮＯｘセンサ１２により検出することができる。

ここで、壁内ＰＭ堆積量の増加に応じてＮＯｘ触媒３１でのアンモニア吸着量が増加し易くなるのは、壁内ＰＭ堆積量が増加すると該ＮＯｘ触媒３１におけるアンモニアの飽和吸着量が増加し、それに伴って、該ＮＯｘ触媒３１から脱離するアンモニア量が減少するためだと考えられる。したがって、図２におけるアンモニア消費量及びアンモニア脱離量のうち、飽和吸着量の変化の影響を受けるのは、アンモニア脱離量に限られるため、上記の還元剤供給量を補正するときには、アンモニア脱離量を補正する。すなわち、図２に示したアンモニア脱離量に補正係数を乗算することにより、該アンモニア脱離量を補正する。この補正係数は、壁内ＰＭ堆積量が増加中のときよりも、表層ＰＭ堆積量が増加中のときに、補正係数が小さくなるように設定される。これにより、壁内ＰＭ堆積量が増加中のときよりも、表層ＰＭ堆積量が増加中のときに、アンモニア脱離量がより小さくなるように算出されるため、還元剤供給量が少なくなるように算出される。この補正後のアンモニア脱離量と、上記のアンモニア消費量との総量がＮＯｘ触媒３１に供給すべきアンモニア量となる。なお、飽和吸着量はＮＯｘ触媒３１の温度の影響を受けるため、アンモニア脱離量を補正する補正係数は温度が低いほど小さくなるようにしてもよい。また、本実施例では、フィルタ３の隔壁内にＰＭが堆積している途中のときには、還元剤供給量の補正を行わないために補正係数を１とする。

図１０は、基準ＮＯｘ浄化率からのＮＯｘ浄化率の増加量ＤＮＯｘと、触媒温度と、アンモニア脱離量を補正するための補正係数との関係を示した図である。ＮＯｘ浄化率の増加量ＤＮＯｘが増加量閾値を超えている場合には、補正係数は０よりも大きく且つ１よりも小さい値に設定され、さらに、触媒温度が低いほど小さい値に設定される。ここで、図７で説明したように、触媒温度が低いほど触媒温度が増加したときの影響が大きいため、触媒温度が低いほど、アンモニア脱離量が少なく計算されるように、補正係数を小さくしている。また、ＮＯｘ浄化率の増加量ＤＮＯｘが増加量閾値を超えている場合には、ＰＭ堆積量が増加しても飽和吸着量は変わらないため、補正係数はＰＭ堆積量によらない値となる。図１０に示した関係は、予め実験またはシミュレーション等により求める。一方、ＮＯｘ浄化率の増加量ＤＮＯｘが増加量閾値以下の場合には、補正係数が１に設定される。このようにして、ＮＯｘ浄化率の増加量ＤＮＯｘが増加量閾値を超えている場合、すなわち、表層ＰＭ堆積量が増加している途中の場合には、壁内ＰＭ堆積量が増加している途中の場合よりも、アンモニア脱離量が少なくなるように補正されるため、還元剤供給量が少なくなるように補正される。これにより、触媒温度上昇時にＮＯｘ触媒３１からアンモニアが流出することを抑制できる。

また、後述する図１２に示したフローチャートを実行するときに必要となるため、ＥＣＵ１０は、ＮＯｘ触媒３１のアンモニア吸着量を推定している。以下、この推定値を、推定吸着量と称する。推定吸着量も、厳密には、壁内ＰＭ堆積量の影響を受けるが、本実施例では、推定吸着量における壁内ＰＭ堆積量の影響が小さいものとして無視する。図１１は、ＮＯｘ触媒３１における推定吸着量を求めるためのブロック図である。この図１１は、ＥＣＵ１０での処理で実現される機能をイメージ化したものである。本実施例では、ＮＯｘ触媒３１におけるアンモニア吸着量の演算周期毎の変化量を積算することにより、推定吸着量を求める。ＮＯｘ触媒３１におけるアンモニア吸着量の演算周期毎の変化量は、アンモニア吸着量の演算周期毎の増加量から演算周期毎の減少量を減算することにより求
めることができる。ＮＯｘ触媒３１におけるアンモニア吸着量の演算周期毎の増加量は、添加弁４から添加される演算周期毎の還元剤量（図１１の「供給ＮＨ_３量」）とすることができる。また、ＮＯｘ触媒３１におけるアンモニア吸着量の演算周期毎の減少量は、ＮＯｘ触媒３１で消費される演算周期毎の還元剤量（図１１の「消費ＮＨ_３量」）、及び、ＮＯｘ触媒３１から脱離する演算周期毎の還元剤量（図１１の「脱離ＮＨ_３量」）とすることができる。そして、ＮＯｘ触媒３１におけるアンモニア吸着量の演算周期毎の変化量を積算することにより、現時点におけるアンモニア吸着量（図１１の「吸着量」）を算出する。

添加弁４から添加される演算周期毎の還元剤量（図１１の「供給ＮＨ_３量」）は、図２で説明したようにして知ることができる。ＮＯｘ触媒３１で消費される演算周期毎の還元剤量（図１１の「消費ＮＨ_３量」）は、ＮＯｘ触媒３１におけるＮＯｘ浄化率（図１１の「ＮＯｘ浄化率」）と、内燃機関１の演算周期毎の排気の流量（図１１の「排気流量」）と、ＮＯｘ触媒３１に流れ込む排気中のＮＯｘ濃度（図１１の「入ＮＯｘ濃度」）と、に関連しているため、これらの値に基づいて算出することができる。なお、排気流量は、吸入空気量と相関関係にあるため、エアフローメータ１６の検出値に基づいて算出することができる。

ＮＯｘ浄化率は、触媒温度と、排気流量と、ＮＯｘ触媒３１におけるアンモニア吸着量（図１１の「吸着量前回値」）と、に関連しているため、こられの値に基づいて算出することができる。ＮＯｘ触媒３１におけるアンモニア吸着量は、前回算出された値を用いる。ＮＯｘ触媒３１におけるＮＯｘ浄化率は、ＮＯｘ触媒３１の温度と、排気流量と、ＮＯｘ触媒３１におけるアンモニア吸着量と、相関関係にあるため、これらの関係を予め実験またはシミュレーション等により求めておくことで、ＮＯｘ浄化率を算出することができる。これらの関係を予めマップ化しておいてもよい。

また、ＮＯｘ触媒３１から脱離する演算周期毎の還元剤量（図１１の「脱離ＮＨ_３量」）は、ＮＯｘ触媒３１の温度（図１１の「温度」）と、ＮＯｘ触媒３１におけるアンモニア吸着量（図１１の「吸着量前回値」）と、関連しているため、これらの値に基づいて算出することができる。ＮＯｘ触媒３１の温度と、アンモニア吸着量と、脱離ＮＨ_３量と、の関係を予め実験またはシミュレーション等により求めておけば、ＮＯｘ触媒３１の温度及びアンモニア吸着量に基づいて、脱離ＮＨ_３量を求めることができる。これらの関係を予めマップ化しておいてもよい。

以上のようにして、ＮＯｘ触媒３１におけるアンモニア吸着量の演算周期毎の変化量を算出することができる。この値を積算することにより現時点におけるアンモニア吸着量を算出することができる。なお、ＥＣＵ１０の単位時間当たりのアンモニア吸着量の変化量を算出し、この変化量を積算することで、現時点におけるアンモニア吸着量を算出することもできる。

図１２は、本実施例に係る還元剤供給量の補正係数を算出するフローを示したフローチャートである。本フローチャートは、フィルタ３の再生処理が実施された後にＥＣＵ１０により所定の演算周期で実行される。フィルタ３の再生は、フィルタ３のＰＭ堆積量が堆積量閾値以上となったときに実施される。内燃機関１から排出されるＰＭ量は、内燃機関１の運転状態（機関回転速度及び機関負荷）と関連していることから、例えば、内燃機関１の運転状態により求められる演算周期毎のＰＭ排出量を積算することによりフィルタ３のＰＭ堆積量を求めることができる。この場合のＰＭ堆積量は、ＰＭが途中で酸化されないと仮定して求めてもよい。

ステップＳ１０１では、ＮＯｘ浄化率の算出条件が成立しているか否か判定している。
本ステップＳ１０１では、アンモニア吸着量の増加に応じてＮＯｘ浄化率が高くなる状態であるか否か判定している。これは、ＮＯｘ触媒３１において十分なＮＯｘ浄化性能を発揮できる状態であるか否か判定しているといえる。ＮＯｘ触媒３１において十分なＮＯｘ浄化性能を発揮できる状態でなければ、基準ＮＯｘ浄化率からのＮＯｘ浄化率の増加量ＤＮＯｘと、壁内ＰＭ堆積量との相関関係が変化してしまうため、補正係数を適正な値に設定することが困難となる。したがって、このような場合に算出されるＮＯｘ浄化率は、補正係数を設定するときには用いない。ＮＯｘ浄化率は、触媒温度、排気流量、アンモニア吸着量に応じて変化するため、触媒温度、排気流量、アンモニア吸着量の何れもが予め定めておいた範囲内の場合に、ＮＯｘ浄化率の算出条件が成立していると判定される。なお、アンモニア吸着量には、図１１で説明した推定吸着量が用いられる。ステップＳ１０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０２へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本フローチャートを終了させる。

ステップＳ１０２では、ＮＯｘ浄化率が算出される。ＮＯｘ浄化率は、上流側ＮＯｘセンサ１１及び下流側ＮＯｘセンサ１２の検出値に基づいて算出される。

ステップＳ１０３では、ＰＭ堆積量が所定堆積量よりも大きいか否か判定される。本ステップＳ１０３では、フィルタ３の壁内にＰＭが堆積しているか否か判定している。所定堆積量は、ＮＯｘ浄化率に影響を与えない程度のＰＭ堆積量である。フィルタ３の再生処理を実施した直後であれば、ＰＭ堆積量が所定堆積量以下となる。すなわち、ＰＭ堆積量が所定堆積量以下の場合に算出されるＮＯｘ浄化率が、ＰＭによる飽和吸着量の増加の影響を受けていないときのＮＯｘ浄化率であり、このときのＮＯｘ浄化率が基準ＮＯｘ浄化率となる。したがって、本ステップＳ１０３では、基準ＮＯｘ浄化率を求めるための判定を行っているといえる。ステップＳ１０３で肯定判定がなされた場合には、ステップＳ１０４へ進む。一方、ステップＳ１０５で否定判定がなされた場合には、ステップＳ１０５へ進んで、ステップＳ１０２で算出されたＮＯｘ浄化率が基準ＮＯｘ浄化率としてＥＣＵ１０に記憶される。すでに基準ＮＯｘ浄化率が記憶されている場合には、基準ＮＯｘ浄化率が更新される。

ステップＳ１０４では、基準ＮＯｘ浄化率からのＮＯｘ浄化率の増加量ＤＮＯｘが算出される。すなわち、今回のステップＳ１０２で算出されたＮＯｘ浄化率から、以前のステップＳ１０５で記憶された基準ＮＯｘ浄化率を減算することにより、ＮＯｘ浄化率の増加量ＤＮＯｘが算出される。

ステップＳ１０６では、ＮＯｘ浄化率の増加量ＤＮＯｘが増加量閾値よりも大きいか否か判定される。本ステップＳ１０６では、フィルタ３の隔壁内へのＰＭの堆積が完了しているか否か判定される。すなわち、還元剤供給量を補正する必要があるか否か判定している。ステップＳ１０６で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０７へ進んでアンモニア脱離量を補正するための補正係数が算出される。補正係数は、図１０の上段の関係にしたがって算出される。この関係は、予め実験またはシミュレーション等により求めてＥＣＵ１０に記憶させておく。

なお、本ステップＳ１０７において補正係数が算出された後に、該補正係数を用いて算出された還元剤供給量にしたがって還元剤を供給すると、実際のＮＯｘ浄化率が低下する。そうすると、次回にフローチャートを実施したときにステップＳ１０４において算出される増加量ＤＮＯｘが小さくなる。このため、次回に本フローチャートを実施すると、表層ＰＭ堆積量が増加しているのにもかかわらずステップＳ１０６において否定判定がなされてしまう。そうすると、補正係数が１に設定されてしまい、還元剤供給量が増加してしまう。したがって、本ステップＳ１０７が実行された後には、次のフィルタ３の再生処理が終了するまではＮＯｘ浄化率によらずに図１０の上段に示した関係を用いて補正係数を
算出する。これは、ステップＳ１０７が一度実施された後は、次回のフィルタ３の再生処理が終了するまで、本フローチャートのステップＳ１０７のみを繰り返し実施するともいえる。

一方、ステップＳ１０６で否定判定がなされた場合にはステップＳ１０８へ進んでアンモニア脱離量を補正するための補正係数が１に設定される。この場合、還元剤供給量は補正しないことになる。ステップＳ１０７またはステップＳ１０８の処理が終了すると本フローチャートが終了する。なお、本実施例においてはＥＣＵ１０がステップＳ１０２を処理することで、本発明における検出部として機能する。また、本実施例においてはＥＣＵ１０がステップＳ１０５を処理することで、本発明における記憶部として機能する。さらに、本実施例においてはＥＣＵ１０がステップＳ１０６、ステップＳ１０７、ステップＳ１０８を処理することで、本発明における補正部として機能する。

次に、図１３は、還元剤供給量を算出するためのフローを示したフローチャートである。本フローチャートは、ＥＣＵ１０により所定の演算周期で実行される。本フローチャートは、図１２に示したフローチャートに続けて実行してもよい。

ステップＳ２０１では、前回フローチャートが実施されてから今回のフローチャートが実施されるまでの期間、すなわち、演算周期におけるアンモニア消費量が算出される。本ステップＳ２０１では、流入ＮＯｘ量、触媒温度、目標吸着量に基づいてアンモニア消費量が算出される。ＥＣＵ１０は、本フローチャートとは別に、上流側ＮＯｘセンサ１１の検出値及びエアフローメータ１６の検出値に基づいて、演算周期毎にＮＯｘ触媒３１に流入するＮＯｘ量を算出値し、このＮＯｘ量を積算することにより、流入ＮＯｘ量を算出する。触媒温度は、例えば現時点の触媒温度である。目標吸着量は、現時点での内燃機関１の運転状態に応じて決定される。これらの関係は予めマップ化しておいてＥＣＵ１０に記憶させておいてもよい。

ステップＳ２０２では、演算周期におけるアンモニア脱離量が算出される。本ステップＳ２０２では、ＮＯｘ触媒３１の温度及び目標吸着量に基づいてアンモニア脱離量が算出される。これらの関係は予めマップ化しておいてＥＣＵ１０に記憶させておいてもよい。

ステップＳ２０３では、アンモニア脱離量が補正される。ステップＳ２０２で算出されるアンモニア脱離量に、ステップＳ１０７またはステップＳ１０８で求めた補正係数を乗算することでアンモニア脱離量を補正する。ここで図１４は、還元剤供給量を補正するためのブロック図である。この図１４は、ＥＣＵ１０での処理で実現される機能をイメージ化したものである。図２に示したブロック図に対して、アンモニア脱離量を補正する処理が追加されている。

ステップＳ２０４では、還元剤供給量が算出される。すなわち、ステップＳ１０５で算出されるアンモニア消費量と、ステップＳ１０７で算出される補正後のアンモニア脱離量と、を合算してアンモニアの供給量を算出する。添加弁４から尿素水を供給する場合には、算出されたアンモニアの供給量に応じて尿素水の供給量が算出される。このように演算周期毎に算出される還元剤供給量は積算される。そして、還元剤の供給時期が来ると、積算した還元剤供給量にしたがって添加弁４から還元剤を供給する。

図１５は、総ＰＭ堆積量と、ＮＯｘ浄化率の増加量ＤＮＯｘ、アンモニア脱離量の補正係数、総アンモニア吸着量、ＮＯｘ触媒３１におけるＮＯｘ浄化率、触媒温度が上昇した場合の流出アンモニア濃度と、の関係を示した図である。実線は本実施例に係る還元剤供給量の補正を行う場合を示し、一点鎖線は本実施例に係る還元剤供給量の補正を行わない場合を示している。図１５における流出アンモニア濃度は、図８に示したように、仮に触
媒温度が上昇した場合の流出アンモニア濃度を示している。

図１５におけるＧ１は図９におけるＧ１と同じＰＭ堆積量であり、隔壁内へのＰＭの堆積が終了したときの総ＰＭ堆積量を示している。したがって、総ＰＭ堆積量がＧ１以下の場合には、壁内ＰＭ堆積量が増加している状態であり、総ＰＭ堆積量がＧ１よりも多い場合には、表層ＰＭ堆積量が増加している状態である。壁内ＰＭ堆積量が増加している途中、すなわち、総ＰＭ堆積量がＧ１以下の場合では、総ＰＭ堆積量が増加するにしたがって、飽和吸着量が増加する。このため、総ＰＭ堆積量が増加するにしたがって、総アンモニア吸着量が増加し、これにより、ＮＯｘ浄化率が増加する。このときには、総アンモニア吸着量及びＮＯｘ浄化率は目標値よりも大きくなっているため、ＮＯｘ浄化率が過剰に高くなっている。したがって、総ＰＭ堆積量がＧ１以下の場合では、ＮＯｘ浄化率の増加量ＤＮＯｘは、総ＰＭ堆積量が増加するにしたがって大きくなる。

一方、表層ＰＭ堆積量が増加している途中、すなわち総ＰＭ堆積量がＧ１よりも多い場合には、総ＰＭ堆積量が増加したとしても、飽和吸着量は増加しない。本実施例に係る還元剤供給量の補正を行う場合には、総ＰＭ堆積量がＧ１を超えた場合に、補正係数が１よりも小さくされる。一方、本実施例に係る還元剤供給量の補正を行わない場合には、補正係数は１と考えることができる。この場合、飽和吸着量の増加にしたがって総アンモニア吸着量が過剰に多くなってしまい、ＮＯｘ浄化率も過剰に高くなってしまう。そして、還元剤供給量の補正を行わない場合には、ＮＯｘ触媒３１の温度が上昇したときの流出アンモニア濃度が高くなってしまう。これに対して、本実施例に係る還元剤供給量の補正を行う場合には、総アンモニア吸着量が過剰に多くなることを抑制できるため、ＮＯｘ浄化率を目標値に合わせることができる。さらには、触媒温度が上昇したとしても、流出アンモニア濃度の増加を抑制することができる。

なお、アンモニア脱離量の補正は以下のようにして行うこともできる。ＮＯｘ触媒３１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、ＮＯｘ触媒３１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。

ＡＤ：ＮＯｘ触媒３１でのアンモニア吸着量
ＤＤ：アンモニア脱離量
ＳＡ：ＮＯｘ触媒３１におけるアンモニアの飽和吸着量
Ｋ１：平衡定数

そして、上記式１を変換することで、アンモニア脱離量を算出するための式として下記式２を得ることができる。

ここで、ＮＯｘ触媒３１における飽和吸着量ＳＡおよび平衡定数Ｋ１は触媒温度に応じて変化する値である。すなわち、触媒温度が高いほどＮＯｘ触媒３１の飽和吸着量ＳＡは
少なくなる。また、触媒温度が高いほど平衡定数Ｋ１は小さくなる。そして、アンモニア脱離量ＤＤとＮＯｘ触媒３１でのアンモニア吸着量ＡＤとの間に上記式２で示すような相関関係が成立し、また、ＮＯｘ触媒３１の飽和吸着量ＳＡおよび平衡定数Ｋ１のそれぞれと、触媒温度と、が上記の相関関係を有することから、触媒温度およびＮＯｘ触媒３１でのアンモニア吸着量のそれぞれと、アンモニア脱離量との相関関係を夫々求めることができる。

本実施例では、壁内ＰＭ堆積量の増加中のときよりも表層ＰＭ堆積量の増加中のときのほうが飽和吸着量が増加することから、上記式２に対して飽和吸着量を補正係数で補正することによりアンモニア脱離量を補正してもよい。すなわち、上記式２を修正することで得られる下記式３を用いてアンモニア脱離量を算出することもできる。

ＡＤ：ＮＯｘ触媒３１でのアンモニア吸着量
ＤＤ：アンモニア脱離量
ＳＡ：ＮＯｘ触媒３１の飽和吸着量
Ｋ１：平衡定数
ＳＡ０：補正係数

アンモニア脱離量を算出する際には、上記式３におけるアンモニア吸着量ＡＤにはアンモニア脱離量の前回値が代入される。また、上記式３におけるＮＯｘ触媒３１の飽和吸着量ＳＡおよび平衡定数Ｋ１は、アンモニア脱離量を算出する際の触媒温度に基づいて定められる。また、上記式３における補正係数ＳＡ０は、ＮＯｘ浄化率の増加量ＤＮＯｘが増加量閾値よりも大きい場合には１よりも大きな値となり、ＮＯｘ浄化率の増加量ＤＮＯｘが増加量閾値以下の場合には１となる。

以上説明したように本実施例によれば、検出されるＮＯｘ浄化率と、記憶されているＮＯｘ浄化率と、の差が、増加量閾値以上の場合には、増加量閾値未満の場合よりも、還元剤供給装置から供給する還元剤量を少なくすることにより、ＮＯｘ触媒３１からのアンモニアの流出を抑制することができる。すなわち、フィルタ３の隔壁の表面上にＰＭが堆積している途中の場合には、フィルタ３の隔壁内にＰＭが堆積している途中のときよりも還元剤供給量を少なくすることにより、ＮＯｘ触媒３１からのアンモニアの流出を抑制することができる。このように、本実施例によれば、より適正な量の還元剤をＮＯｘ触媒３１へ供給することができる。

１ 内燃機関
２ 排気通路
３ フィルタ
４ 添加弁
６ 吸気通路
７ スロットル
１０ ＥＣＵ
１１ 上流側ＮＯｘセンサ
１２ 下流側ＮＯｘセンサ
１３ 温度センサ
１４ クランクポジションセンサ
１５ アクセル開度センサ
１６ エアフローメータ
１７ 差圧センサ
３１ 選択還元型ＮＯｘ触媒

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ該排気通路内にアンモニアの前駆体またはアンモニアを還元剤として供給する還元剤供給装置と、
   前記還元剤供給装置よりも下流の排気通路に設けられ、還元剤によりＮＯｘを選択還元する選択還元型ＮＯｘ触媒を担持し、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタと、
   前記選択還元型ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ浄化率を検出する検出部と、
   前記検出部により検出されるＮＯｘ浄化率であって前記フィルタに粒子状物質が堆積していないときのＮＯｘ浄化率を基準ＮＯｘ浄化率として記憶する記憶部と、
   前記フィルタに堆積している粒子状物質の量以外の条件が同じ場合において、前記検出部により検出されるＮＯｘ浄化率と、前記基準ＮＯｘ浄化率と、の差が、増加量閾値よりも大きな場合には、前記増加量閾値以下の場合よりも、前記還元剤供給装置から供給する還元剤量を少なくする補正部と、
   を備える内燃機関の排気浄化装置。

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