JP2018105236A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】NOx触媒においてアンモニアが酸化されることによってNOxが発生することを抑制しつつ、NOx触媒に対して還元剤を好適に供給する。【解決手段】NOx温度がアンモニアが酸化される所定温度以上の場合において、NOx触媒に流入する排気の空燃比が所定空燃比より大きいときには、該排気の空燃比が所定空燃比以下のときよりも、添加弁から排気中に添加するアンモニア又はアンモニアの前駆体の量を少なくする。【選択図】図7

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」ともいう。)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(以下、アンモニア又はアンモニアの前駆体を「添加剤」ともいう。)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。
ここで、排気温度が高温の場合には、アンモニアが酸化されてNOxが発生し得る。アンモニアが酸化されることでアンモニアが減少すると、NOx触媒においてアンモニアが不足するため、NOxの浄化が困難になり得る。そのため、排気温度が高温の場合に、排気温度及び排気流量に基づいてアンモニアの酸化度合いを算出し、この酸化度合いが大きいほど尿素の添加量を増加させる技術が知られている(例えば、特許文献1参照。)。
特開2009−293605号公報
NOx触媒の温度が高い場合には、NOx触媒においてアンモニアが酸化されてNOxが発生し得る。したがって、従来のように、排気温度が高温の場合に、アンモニアの酸化度合いが大きいほど、尿素の添加量を増加させると、NOx触媒で酸化されるアンモニアの量も増加し得る。そして、NOx触媒で多くのNOxが発生すると、NOx触媒から流出するNOxの量が増加してしまう。
そこで本発明は、NOx触媒においてアンモニアが酸化されることによってNOxが発生することを抑制しつつ、NOx触媒に対して還元剤を好適に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では、内燃機関の排気通路に設けられ、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触媒と、前記選択還元型NOx触媒よりも上流の前記排気通路に設けられ、排気中にアンモニア又はアンモニアの前駆体である添加剤を添加する添加弁と、前記選択還元型NOx触媒の温度を取得する温度取得装置と、前記選択還元型NOx触媒へ流入する排気の空燃比を取得する空燃比取得装置と、前記温度取得装置により取得される温度が、アンモニアが酸化される所定温度以上の場合において、前記空燃比取得装置により取得される空燃比が所定空燃比より大きいときには、前記所定空燃比以下のときよりも、前記添加弁から排気中に添加する添加剤の量を少なくする制御装置と、を備える。
ここで、NOx触媒の温度が所定温度以上の場合であっても、排気の空燃比が所定空燃比以下であれば、NOx触媒におけるアンモニアの酸化が抑制される。なお、所定空燃比は、NOx触媒の温度が所定温度以上の場合において、NOx触媒に供給されたアンモニアのうち、酸化されるアンモニアの割合が許容範囲内となる空燃比である。すなわち、N
Ox触媒の温度が所定温度以上の場合であって、排気の空燃比が所定空燃比より大きい場合において、添加剤の添加量を相対的に少なくすることにより、NOx触媒におけるアンモニアの酸化を抑制できる。このようにして、排気の空燃比が所定空燃比より大きいときに、NOx触媒でのアンモニアの酸化を抑制することにより、NOx触媒からNOxが流出することを抑制し得る。なお、NOx触媒に流入する排気の空燃比が所定空燃比より大きいときには、排気の空燃比が大きいほど、添加弁から排気中へ添加する添加剤の量を少なくしてもよい。この場合、添加剤の量を段階的に変化させてもよく、連続的に変化させてもよい。また、NOx触媒の温度が、アンモニアが酸化される所定温度以上の場合において、排気の空燃比が所定空燃比より大きいときには、添加弁から排気中に添加する添加剤の量を0にしてもよい。すなわち、添加剤の量を少なくすることには、添加剤の量を0にすることを含むことができる。
また、前記選択還元型NOx触媒は、第一NOx触媒と、前記第一NOx触媒よりも前記排気通路の下流側に設けられる第二NOx触媒と、を含んで構成され、前記温度取得装置は、前記第一NOx触媒の温度を取得するように構成され、前記空燃比取得装置は、前記第一NOx触媒へ流入する排気の空燃比を取得するように構成され、前記添加弁は、前記第一NOx触媒よりも上流の前記排気通路に設けられる第一添加弁であるように構成され、前記第一NOx触媒よりも下流且つ前記第二NOx触媒よりも上流の前記排気通路に設けられ排気中に添加剤を添加する第二添加弁を更に備え、前記制御装置は、前記温度取得装置により取得される前記第一NOx触媒の温度が前記所定温度以上の場合において、前記空燃比取得装置により取得される空燃比が前記所定空燃比よりも大きいときには、前記空燃比取得装置により取得される空燃比が前記所定空燃比以下のときよりも、前記第一添加弁及び前記第二添加弁から添加する添加剤の総量に対する前記第一添加弁から添加する添加剤の量の比を小さくすることができる。
ここで、第一NOx触媒のほうが第二NOx触媒よりも排気通路の上流側に配置されているため、第一NOx触媒の温度が第二NOx触媒の温度よりも高くなり易い。したがって、第一NOx触媒ではアンモニアが酸化されるような温度に達している場合であっても、第二NOx触媒ではアンモニアが酸化されるような温度に達していない場合もある。このような場合には、第二NOx触媒に添加剤を供給することにより、該第二NOx触媒においてNOxを浄化することができる。そして、添加剤が第一NOx触媒を通り抜けるように、第一NOx触媒にとって過剰な量の添加剤を第一添加弁から添加すれば、第二NOx触媒に添加剤を供給することができる。しかし、排気の空燃比が所定空燃比よりも大きいときには、第一NOx触媒においてアンモニアが酸化されてしまう。これに対して、排気の空燃比が所定空燃比より大きいときには、第一添加弁から添加する添加剤の量を減少させ、その分、第二添加弁から添加する添加剤の量を増加させることにより、添加剤を第二NOx触媒に供給することができ、且つ、第一NOx触媒でのアンモニアの酸化を抑制し得る。なお、制御装置は、第一NOx触媒の温度が所定温度以上の場合において、第一NOx触媒に流入する排気の空燃比が所定空燃比よりも大きいときには、第一添加弁から排気中に添加する添加剤の量を0にしてもよい。すなわち、第一添加弁から添加する添加剤の量の比を小さくすることには、添加剤の量の比を0にすることを含むことができる。
本発明によれば、NOx触媒においてアンモニアが酸化されることによってNOxが発生することを抑制しつつ、NOx触媒に対して還元剤を好適に供給することができる。
実施例1に係る内燃機関と、その排気系と、の概略構成を示す図である。 NOx触媒の温度と、アンモニアの酸化速度との関係を示した図である。 NOx触媒の温度が所定温度以上の場合における、NOx触媒に流入する排気の空燃比と、NOx触媒から流出する排気のNOx濃度との関係を示した図である。 NOx触媒の温度が所定温度以上の場合における、NOx触媒に流入する排気の空燃比と、本実施例において設定する当量比との関係を示した図である。 NOx触媒の温度が所定温度以上の場合における、NOx触媒に流入する排気の空燃比と、NOx触媒の温度と、当量比との関係を示した図である。 NOx触媒の温度が所定温度以上の場合における、NOx触媒の温度、NOx触媒に流入する排気の空燃比(内燃機関の気筒内の空燃比としてもよい)、当量比の推移を示したタイムチャートである。 実施例1に係る添加剤の添加制御のフローを示したフローチャートである。 実施例1に係る添加剤の添加制御の他のフローを示したフローチャートである。 実施例2に係る内燃機関と、その排気系と、の概略構成を示す図である。 第一NOx触媒の温度が所定温度以上の場合における、第一NOx触媒に流入する排気の空燃比と、第一添加弁の添加比との関係を示した図である。 第一NOx触媒の温度が所定温度以上の場合における、第一NOx触媒に流入する排気の空燃比と、第一NOx触媒の温度と、第一添加弁の添加比との関係を示した図である。 第一NOx触媒の温度が所定温度以上の場合における、第一NOx触媒の温度、第一NOx触媒に流入する排気の空燃比(内燃機関の気筒内の空燃比としてもよい)、第一添加弁の添加比、第二添加弁の添加比の推移を示したタイムチャートである。 実施例2に係る添加剤の添加制御のフローを示したフローチャートである。 実施例2に係る添加剤の添加制御の他のフローを示したフローチャートである。 第一NOx触媒に流入する排気の空燃比と、第一NOx触媒の温度と、第一NOx触媒におけるアンモニアの酸化速度と、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1)
図1は、本実施例に係る内燃機関と、その排気系と、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(以下、「NOx触媒3」という。)が設けられている。
NOx触媒3よりも上流の排気通路2には、排気中にアンモニアの前駆体である尿素水を添加する添加弁4が設けられている。添加弁4から添加された尿素水は、NOx触媒3において加水分解されてアンモニアとなり、NOx触媒3に吸着する。このアンモニアは、NOx触媒3において還元剤として利用される。なお、添加弁4は、尿素水に代えてアンモニアを添加してもよい。以下では、アンモニアの前駆体及びアンモニアを添加剤という。
さらに、添加弁4よりも上流の排気通路2には、NOx触媒3に流れ込む排気のNOx濃度を検出するNOxセンサ11と、NOx触媒3に流れ込む排気の空燃比を検出する空燃比センサ12と、NOx触媒3に流れ込む排気の温度を検出する温度センサ13と、が
設けられている。なお、本実施例においては温度センサ13が本発明における温度取得装置に相当し、空燃比センサ12が本発明における空燃比取得装置に相当する。また、内燃機関1には各気筒に夫々燃料を噴射する燃料噴射弁6が設けられている。
また、内燃機関1には、吸気通路7が接続されている。吸気通路7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23が取り付けられている。
そして、内燃機関1には制御装置として、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や排気浄化装置等を制御する。ECU10には、上述したNOxセンサ11、空燃比センサ12、温度センサ13、エアフローメータ23の他、クランクポジションセンサ21及びアクセル開度センサ22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21の検出に基づく機関回転速度や、アクセル開度センサ22の検出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、NOx触媒3に流れ込む排気中のNOxは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3に浄化される前の排気であり、すなわちNOx触媒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、NOx触媒3の温度を推定することが可能である。また、温度センサ13は、排気の温度に代えて、NOx触媒3の温度を検出するセンサであってもよい。なお、NOx触媒3の温度は、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、NOx触媒3の温度を推定することも可能である。また、ECU10は、エアフローメータ23の検出値及び燃料噴射弁6からの燃料噴射量に基づいて、排気の流量を算出することができる。一方、ECU10には、添加弁4及び燃料噴射弁6が電気配線を介して接続されており、該ECU10により添加弁4及び燃料噴射弁6が制御される。
ECU10は、以下の2通りの何れかの方法を用いることにより、添加弁4から添加剤を添加する。添加剤を添加する第一の方法は、NOx触媒3に流入するNOxの量を検出または推定し、そのNOxの量に応じた分だけの添加剤を添加する方法である。この第一の方法によって添加剤を添加する制御を以下では、当量比制御という。ここでいう当量比は、NOx触媒3に流入するNOxを過不足なく還元可能な添加剤量に対する、添加弁4から添加する添加剤量の比である。なお、以下で当量比といった場合には、この当量比を示すものとする。当量比制御は、NOx触媒3のアンモニア吸着量によらずに実施される制御である。本実施例においては、NOx触媒3の温度が比較的高いときに当量比制御を実施する。
例えば、NOx触媒3よりも上流の排気通路2に粒子状物質(PM)を捕集するためのフィルタを設けている場合には、フィルタに捕集されているPMを酸化させるために該フィルタの温度を上昇させる処理であるフィルタの再生処理が実施される。このときには、NOx触媒3の温度も上昇する。ここで、NOx触媒3の温度が高くなると、NOx触媒3において吸着可能なアンモニア量が減少するため、フィルタの再生処理を実施すると、NOx触媒3のアンモニア吸着量が減少する。また、例えば、NOx触媒3よりも上流の排気通路2に吸蔵還元型NOx触媒を設けている場合には、吸蔵還元型NOx触媒の硫黄被毒を回復させるための処理である硫黄回復処理が実施される。このときには、吸蔵還元型NOx触媒の温度が上昇されるため、NOx触媒3の温度も上昇するので、NOx触媒3のアンモニア吸着量が減少する。さらに、内燃機関1の高負荷運転時には、内燃機関1から温度の高いガスが排出されるため、NOx触媒3の温度が上昇する。そのため、NO
x触媒3のアンモニア吸着量が減少する。このように、NOx触媒3の温度が比較的高くなるときには、NOx触媒3に十分な量のアンモニアを予め吸着させておくことが困難になるため、NOx触媒3に流入するNOxの量に応じて添加剤を添加する当量比制御を実施する。
添加剤を添加する第二の方法は、NOx触媒3に飽和吸着量を超えない範囲でアンモニアを予め吸着させておき、NOxの還元等によりNOx触媒3に吸着されていたアンモニアが減少した場合、減少したアンモニアの量に応じた分だけ添加剤を供給する方法である。この第二の方法によって添加剤を添加する制御を以下では、吸着量制御という。この吸着量制御は、NOx触媒3のアンモニア吸着量に基づいて実施される制御である。本実施例においては、NOx触媒3の温度が比較的低いときに吸着量制御を実施する。
吸着量制御では、ECU10は、NOx触媒3のアンモニア吸着量が、NOx触媒3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から添加剤を添加する。この際、ECU10は、前回の添加剤の供給開始時点から今回の添加剤の供給開始時点までの期間に、NOx触媒3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3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3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から添加する添加剤量を算出する。アンモニア消費量は、NOx触媒3に流入するNOx量、NOx触媒3の温度、NOx触媒3における目標吸着量に基づいて算出される。アンモニア脱離量は、NOx触媒3の温度、NOx触媒3における目標吸着量に基づいて算出される。そして、アンモニア消費量及びアンモニア脱離量の総量に対応する量の添加剤を添加弁4から添加する。
なお、本実施例では、ECU10により、NOx触媒3の温度が所定温度よりも低い場合に吸着量制御を実施し、NOx触媒3の温度が所定温度以上の場合に当量比制御を実施する。ここでいう所定温度は、排気に十分な酸素が含まれるときにアンモニアの酸化速度が増加を始める温度(例えば500℃)である。ここで、図2は、NOx触媒3の温度と、アンモニアの酸化速度との関係を示した図である。NOx触媒3の温度が所定温度よりも低い場合にはアンモニアの酸化がほとんど起こらないため、所定温度は、アンモニアが酸化する温度(若しくはアンモニアの酸化が始まる温度)、または、アンモニアの酸化速度が所定速度以上になる温度としてもよい。NOx触媒3の温度が所定温度以上になると、温度の上昇と共に、アンモニアの酸化速度が大きくなる。この所定温度は、NOx触媒3の種類によって変わり、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。
ここで、NOx触媒3の温度が所定温度以上になると、NOx触媒3においてアンモニアが酸化されてNOxが発生し得る。このときには、排気の酸素濃度が高いほど、アンモニアが酸化され易い。したがって、NOx触媒3の温度が所定温度以上で且つ排気の酸素濃度が高いときに添加弁4から添加剤を添加すると、NOx触媒3においてアンモニアが酸化されてNOxが発生し得る。一方、NOx触媒3の温度が所定温度以上であっても排気の酸素濃度が低ければ、添加弁4から添加剤を添加したときに、NOx触媒3においてアンモニアが酸化することを抑制し得る。
そこで本実施例では、NOx触媒3の温度が所定温度以上の場合において、NOx触媒3に流入する排気の空燃比が所定空燃比より大きいときには、所定空燃比以下のときよりも、添加弁4から添加する添加剤量が少なくなるように当量比制御を実施する。すなわち、アンモニアが酸化され易い状態のときに添加剤の添加量をより少なくすることにより、アンモニアが酸化されることを抑制する。なお、所定空燃比は、NOx触媒3の温度が所定温度以上の場合において、NOx触媒3に供給されたアンモニアのうち、酸化されるア
ンモニアの割合が許容範囲内となる空燃比である。この所定空燃比は、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。また、NOx触媒3の温度が所定温度以上の場合において、NOx触媒3に流入する排気の空燃比が所定空燃比より大きいときには、添加弁4から添加剤を添加しない(添加弁4からの添加剤の添加量を0になるまで低減する)ようにしてもよい。
ここで、図3は、NOx触媒3の温度が所定温度以上の場合における、NOx触媒3に流入する排気の空燃比と、NOx触媒3から流出する排気のNOx濃度との関係を示した図である。実線は、当量比を0.5に設定した場合を示し、破線は、当量比を2に設定した場合を示している。排気の空燃比が例えば20よりも小さい場合には、当量比が0.5のときよりも当量比が2のときのほうが、NOx触媒3から流出する排気のNOx濃度が低い。すなわち、当量比が0.5の場合には、NOx触媒3に流入するNOxの量に対して、添加剤の量が不足している状態のため、NOx触媒3で還元しきれないNOxがNOx触媒3から流出する。一方、当量比が2の場合には、NOx触媒3に流入するNOxの量に対して、十分な量の添加剤が供給されている状態のため、NOx触媒3においてNOxが還元されるので、NOx触媒3から流出するNOxの量が少なくなる。この範囲の空燃比では、排気の酸素濃度が低いためにアンモニアの酸化が抑制されるため、アンモニアが酸化されることにより発生するNOxの量は少ない。したがって、この範囲の空燃比では、当量比が大きいほうが(すなわち、添加剤の添加量が多いほうが)、より多くのNOxが還元されるため、NOx触媒3よりも下流の排気のNOx濃度が低くなる。
一方、排気の空燃比が例えば20よりも大きい場合には、当量比が2のときよりも当量比が0.5のときのほうが、NOx触媒3から流出する排気のNOx濃度が低くなる。当量比が0.5の場合には、NOx触媒3に流入するNOxの量に対して、添加剤の量が不足している状態のため、NOx触媒3からNOxが流出する。一方、当量比が2のときには、十分な量の添加剤が添加されているのにも関わらず、NOx触媒3から流出する排気のNOx濃度が高い。これは、NOx触媒3においてアンモニアが酸化されてNOxが発生しているためである。当量比が0.5のときには、NOx触媒3に供給されるアンモニア量が少ないために、アンモニアが酸化されて発生するNOxの量も少ないので、排気のNOx濃度の増加が抑制されている。そこで本実施例では、前述の所定空燃比を例えば20に設定する。
図4は、NOx触媒3の温度が所定温度以上の場合における、NOx触媒3に流入する排気の空燃比と、本実施例において設定する当量比との関係を示した図である。このように、排気の空燃比が所定空燃比より大きい場合には、所定空燃比以下の場合よりも、当量比を小さくする。さらに、排気の空燃比が所定空燃比よりも大きい場合には、排気の空燃比が大きいほど、当量比を小さくする。排気の空燃比が所定空燃比以下の場合には、当量比を一定の値としてもよい。当量比を一定の値とすることにより、添加剤の添加量は、NOx触媒3に流入するNOxの量に比例した値になる。図4において、排気の空燃比が所定空燃比よりも大きな場合に設定される当量比は、添加剤の添加量が許容される範囲で、NOx触媒3から流出するNOx量が最小となるように設定される。図4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ておく。
なお、図4に示した関係に代えて、以下の図5に示した関係にしたがって当量比を設定してもよい。図5は、NOx触媒3の温度が所定温度以上の場合における、NOx触媒3に流入する排気の空燃比と、NOx触媒3の温度と、当量比との関係を示した図である。図5では、等しい当量比の箇所を結んだ線である等当量比線によって当量比分布を示している。図5において、空燃比が最も小さく且つ温度が最も低い領域における当量比が最も大きい。NOx触媒3の温度が同じ場合には、排気の空燃比が大きいほどアンモニアが酸化され易くなるため、当量比を小さくする。また、排気の空燃比が同じ場合には、NOx
触媒3の温度が高いほどアンモニアが酸化され易くなるため、当量比を小さくする。図5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ておく。
次に、図6は、NOx触媒3の温度が所定温度以上の場合における、NOx触媒3の温度、NOx触媒3に流入する排気の空燃比(内燃機関1の気筒内の空燃比としてもよい)、当量比の推移を示したタイムチャートである。図6は、例えばフィルタの再生処理が実施される場合の各種値の推移を示した図である。
T1は、フィルタの再生処理が開始される時点であり、T2は、NOx触媒3の温度が所定温度に達した時点である。T2からT3までの期間、T4からT5までの期間、T6からT7までの期間は、排気の空燃比が所定空燃比以下の期間である。一方、T3からT4までの期間、T5からT6までの期間、T7からT8までの期間は、排気の空燃比が所定空燃比よりも大きな期間である。フィルタの再生処理が実施されると、内燃機関1を所定空燃比よりも大きな空燃比で運転して、内燃機関1から温度の高いガスを排出することで、フィルタの温度が上昇される。このフィルタの再生処理が実施されているときであっても、加速時等には、内燃機関1を所定空燃比以下で運転する場合がある。そして、排気の空燃比が所定空燃比以下になっているときには、NOx触媒3に流入するNOx量に応じた当量比に設定している。一方、排気の空燃比が所定空燃比よりも大きいときには、排気の酸素濃度が高いためにアンモニアが酸化され易い。このような場合には、排気の空燃比が所定空燃比以下のときよりも、当量比を小さくしている。このため、排気の空燃比が所定空燃比より大きな場合において、酸化されるアンモニアの量を低減することができる。したがって、NOx触媒3から流出するNOx量を低減し得る。なお、T3からT4までの期間、T5からT6までの期間、及び、T7からT8までの期間に、当量比が0になるまで添加剤の添加量を低減させてもよい。
図7は、本実施例に係る添加剤の添加制御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により所定の時間毎に実行される。図7に示したフローチャートは、NOx触媒3の温度が所定温度以上の場合において、NOx触媒3に流入する排気の空燃比が所定空燃比より大きいときには、排気の空燃比が大きいほど、添加弁4から添加する添加剤量が少なくなるように当量比制御を実施した場合を示している。
ステップS101では、NOx触媒3の温度が読み込まれる。NOx触媒3の温度は、温度センサ13により検出される。なお、温度センサ13を用いることなく、内燃機関1の運転状態に基づいてNOx触媒3の温度を検出することもできる。
ステップS102では、ステップS101で読み込まれたNOx触媒3の温度が所定温度以上であるか否か判定される。本ステップS102では、当量比制御を実施するか否か判定している。ステップS102で肯定判定がなされた場合は、当量比制御を実施するためにステップS103へ進む。一方、ステップS102で否定判定がなされた場合には、ステップS108へ進んで吸着量制御が実施される。吸着量制御については、周知の技術を用いることができるため、説明を省略する。なお、ステップS108では、吸着量制御に代えて、排気の空燃比によらずに添加剤の添加を実施する他の制御を実施してもよい。
ステップS103では、NOx触媒3に流入する排気の空燃比が読み込まれる。この排気の空燃比は、空燃比センサ12により検出することができる。ECU10は、空燃比センサ12の検出値を読み込む。
ステップS104では、ステップS103で読み込まれた排気の空燃比が所定空燃比を超えているか否か判定される。本ステップS104では、NOx触媒3においてアンモニアが酸化されるか否か判定している。ステップS104で肯定判定がなされた場合にはス
テップS105へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップS106へ進む。
ステップS105では、ステップS103で読み込まれた排気の空燃比に基づいて、当量比が算出される。ECU10は、図4または図5の関係にしたがって当量比を算出する。一方、ステップS106でも、図4または図5の関係にしたがって当量比を算出してもよいが、これに代えて、予め実験またはシミュレーションで求めた一定の値を当量比としてもよい。
そして、ステップS107では、ステップS105又はステップS106で算出された当量比にしたがって添加弁4から添加剤が添加される。例えば、ECU10は、NOxセンサ11により検出されるNOx濃度と、排気の流量と、に基づいて、NOx触媒3に流入するNOx量を算出する。なお、排気の流量は、例えば、エアフローメータ23により検出される吸入空気量と、燃料噴射弁6からの燃料噴射量と、により求めることができる。そして、NOx触媒3に流入するNOx量に基づいて、NOx触媒3に流入するNOxを過不足なく還元可能な添加剤量を算出し、この添加剤量に当量比を乗算することにより、添加弁4から添加すべき添加剤量を求める。なお、本実施例においてはステップS104と、ステップS105またはステップS106と、ステップS107と、を処理するECU10が、本発明における制御装置に相当する。
また、図8は、本実施例に係る添加剤の添加制御の他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により所定の時間毎に実行される。図8に示したフローチャートは、NOx触媒3の温度が所定温度以上の場合において、NOx触媒3に流入する排気の空燃比が所定空燃比より大きいときには、添加弁4から添加剤を添加しないように当量比制御を実施した場合を示している。図7と同じ処理がなされるステップについては、同じ符号を付して説明を省略する。
図8に示したフローチャートでは、ステップS104で肯定判定がなされると、ステップS109へ進む。ステップS109では、添加弁4からの添加剤の添加が禁止される。すなわち、添加剤の添加量が0になるまで少なくしている。その後、本フローチャートを終了させる。なお、図8に示したフローチャートを実行することに代えて、図7に示したフローチャートを実行し、ステップS105において当量比を0に設定してもよい。
以上のように、空燃比が大きい場合であっても供給する添加剤の量を少なくすることにより、空燃比が大きいときに酸化されるアンモニアの量を減少させることができる。すなわち、アンモニアが酸化されることで発生するNOxが、NOx触媒3から流出することを抑制できる。また、空燃比が小さい場合にはNOx触媒3に流入するNOx量に応じて添加剤量を供給することによりNOxを十分に還元することができる。これらにより、NOx触媒3から流出するNOxの量を低減することができる。すなわち、NOx触媒3においてアンモニアが酸化されることによるNOxの発生を抑制しつつ、NOx触媒3に対して適正な量の添加剤を供給することにより、システム全体としてのNOx浄化率を向上させることができる。
(実施例2)
図9は、本実施例に係る内燃機関と、その排気系と、の概略構成を示す図である。図1に示した構成と異なる点について主に説明する。図9に示した構成では、選択還元型NOx触媒を排気通路2に2つ設けている。上流側のNOx触媒を第一NOx触媒31といい、下流側のNOx触媒を第二NOx触媒32という。
第一NOx触媒31よりも上流の排気通路2には、排気中に添加剤を添加する第一添加弁41が設けられている。また、第一NOx触媒31よりも下流且つ第二NOx触媒32
よりも上流の排気通路2には、排気中に添加剤を添加する第二添加弁42が設けられている。第一添加弁41及び第二添加弁42はECU10に電気配線を介して接続されており、該ECU10により第一添加弁41及び第二添加弁42が制御される。
ここで、内燃機関1の冷間始動時にNOx触媒の温度を速やかに上昇させるためには、NOx触媒を内燃機関1に近づけるように排気通路2の比較的上流側に設置するとよい。このように内燃機関1に近づけてNOx触媒を設置することにより、排気が持つ熱によってNOx触媒の温度が上昇し易くなる。しかし、内燃機関1の近くにNOx触媒を設置するための十分なスペースが存在しない場合もある。また、NOxを十分に浄化するためには、ある程度の容量を有するNOx触媒が必要となる。そこで、内燃機関1から離れた位置に第二のNOx触媒を設置することがある。
本実施例に係る第一NOx触媒31は内燃機関1に比較的近い位置に設置されているため、内燃機関1の冷間始動時に排気の熱により温度が上昇し易い。しかし、フィルタの再生処理時、硫黄被毒回復処理時、または高負荷運転時等においては、温度の高い排気が第一NOx触媒31に流入することにより、第一NOx触媒31の温度が高くなり過ぎてアンモニアの吸着が困難となり得る。一方、第二NOx触媒32は内燃機関1から比較的遠い位置に設置されているため、第一NOx触媒31に流入する排気の温度が高い場合であっても、排気の熱が第一NOx触媒31や排気通路2によって奪われるため、第二NOx触媒32に到達するまでに排気の温度が低下する。そのため、第二NOx触媒32の温度上昇は抑制される。したがって、第一NOx触媒31の温度が高くなりすぎてNOxの浄化が困難なときであっても、第二NOx触媒32ではNOxを十分に浄化可能な場合がある。このような場合には、第二NOx触媒32にアンモニアを供給すれば、このアンモニアを用いて第二NOx触媒32でNOxを浄化することができる。
第二NOx触媒32に添加剤を供給するためには、第二添加弁42から添加剤を添加するか、又は、第一NOx触媒31から添加剤を流出させるように第一添加弁41から添加剤を添加すればよい。第一NOx触媒31から添加剤を流出させるように第一添加弁41から添加剤を添加する場合には、第一NOx触媒31において吸着可能な添加剤の量よりも多い量の添加剤を第一添加弁41から添加する。しかし、第一NOx触媒31に添加剤を供給したときに、第一NOx触媒31の温度が所定温度以上の場合には、第一NOx触媒31においてアンモニアが酸化されてNOxが発生する虞がある。
そこで本実施例では、第一NOx触媒31の温度が所定温度以上の場合において、第一NOx触媒に流入する排気の空燃比が所定空燃比より大きいときには、所定空燃比以下のときよりも、第一添加弁41及び第二添加弁42から添加する添加剤の総量に対する、第一添加弁41から添加する添加剤の量の比(以下、第一添加弁41の添加比ともいう。)を小さくする。なお、以下では、第一添加弁41及び第二添加弁42から添加する添加剤の総量に対する、第二添加弁42から添加する添加剤の量の比を第二添加弁42の添加比ともいう。第一添加弁41の添加比を小さくした分、第二添加弁42の添加比が大きくなる。所定空燃比は、実施例1で説明した値と同じである。また、第一NOx触媒31の温度が所定温度以上の場合において、第一NOx触媒31に流入する排気の空燃比が所定空燃比より大きいときには、第一添加弁41から添加剤を添加しない(第一添加弁41の添加比を0にする)ようにしてもよい。
ここで、図10は、第一NOx触媒31の温度が所定温度以上の場合における、第一NOx触媒31に流入する排気の空燃比と、第一添加弁41の添加比との関係を示した図である。このように、排気の空燃比が所定空燃比以下の場合には、第一添加弁41の添加比を1に設定する。すなわち、第二添加弁42から添加剤を添加せず、第一添加弁41から添加剤を添加することで、第二NOx触媒32に添加剤を供給する。このときには、第一
NOx触媒31から添加剤が流出して第二NOx触媒32に添加剤を供給できるような当量比に設定される。なお、第一NOx触媒31から流出する添加剤量は、第一NOx触媒31の温度、第一NOx触媒31に流入するNOx量、第一NOx触媒31に流入する排気の空燃比、排気の流量、に応じて決まる。したがって、第二NOx触媒32のアンモニア吸着量に応じて、第一NOx触媒31から流出させる添加剤量を算出し、該第一NOx触媒31から流出させる添加剤量となるように、第一添加弁41からの添加剤の添加量を算出してもよい。
一方、第一NOx触媒31の温度が所定温度以上の場合、且つ、第一NOx触媒31に流入する排気の空燃比が所定空燃比よりも大きい場合には、排気の空燃比が大きいほど、第一NOx触媒31においてアンモニアが酸化され易くなる。このため、排気の空燃比が大きいほど、第一NOx触媒31に供給される添加剤の量が少なくなるように、排気の空燃比が大きいほど、第一添加弁41の添加比を小さくする。すなわち、第二添加弁42の添加比を大きくすることにより、第一NOx触媒31において酸化されるアンモニアの量を減少させつつ、第二NOx触媒32に供給する添加剤量を多くすることができる。図10において、排気の空燃比が所定空燃比よりも大きな場合に設定される第一添加弁41の添加比は、例えば、添加剤の添加量が許容される範囲で、第一NOx触媒31から流出するNOx量が最小となるように設定してもよい。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ておく。
また、図10に示した関係に代えて、以下の図11に示した関係にしたがって当量比を設定してもよい。図11は、第一NOx触媒31の温度が所定温度以上の場合における、第一NOx触媒31に流入する排気の空燃比と、第一NOx触媒31の温度と、第一添加弁41の添加比との関係を示した図である。図11では、第一添加弁41の添加比の等しい箇所を結んだ線である等添加比線によって第一添加弁41の添加比の分布を示している。図11において、空燃比が最も小さく且つ温度が最も低い領域における第一添加弁41の添加比が最も大きく、このときの第一添加弁41の添加比は例えば1である。第一NOx触媒31の温度が同じ場合には、排気の空燃比が大きいほど第一添加弁41の添加比を小さくする。また、排気の空燃比が同じ場合には、第一NOx触媒31の温度が高いほど、第一添加弁41の添加比を小さくする。図11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ておく。
また、図12は、第一NOx触媒31の温度が所定温度以上の場合における、第一NOx触媒31の温度、第一NOx触媒31に流入する排気の空燃比(内燃機関1の気筒内の空燃比としてもよい)、第一添加弁41の添加比、第二添加弁42の添加比の推移を示したタイムチャートである。図12は、例えばフィルタの再生処理が実施される場合の各種値の推移を示した図である。
T11は、フィルタの再生処理が開始される時点であり、T12は、第一NOx触媒31の温度が所定温度に達した時点である。T12からT15までの期間、T16からT17までの期間、T18からT20までの期間は、排気の空燃比が所定空燃比以下の期間である。一方、T15からT16までの期間、T17からT18までの期間、T20からT21までの期間は、排気の空燃比が所定空燃比よりも大きな期間である。図12に示すように、第一NOx触媒31の温度が所定温度以上の場合において、第一NOx触媒に流入する排気の空燃比が所定空燃比より大きいときには、所定空燃比以下のときよりも、第一添加弁41の添加比を小さくしている。なお、排気の空燃比が所定空燃比よりも大きな期間では、第一添加弁41の添加比が0になるまで添加剤の添加量を低減させ、且つ、第二添加弁42の添加比が1になるまで添加剤の添加量を増加させてもよい。また、排気の空燃比が所定空燃比よりも小さな期間では、第一添加弁41の添加比を1としているが、これに代えて、第一添加弁41の添加比を1よりも小さく0よりも大きな値としてもよい。
本実施例では、排気の空燃比が所定空燃比以下のときよりも、排気の空燃比が所定空燃比より大きいときのほうが、第一添加弁41の添加比が小さくなればよい。
図13は、本実施例に係る添加剤の添加制御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により所定の時間毎に実行される。なお、前述のフローチャートと同じ処理がなされるステップについては、同じ符号を付して説明を省略する。
図13に示したフローチャートでは、ステップS104で肯定判定がなされるとステップS201へ進む。ステップS201では、第一NOx触媒31に流入する排気の空燃比に基づいて、第一添加弁41の添加比が算出される。この場合、例えば、図10または図11に示した関係にしたがって、第一添加弁41の添加比が算出される。
一方、図13に示したフローチャートでは、ステップS104で否定判定がなされるとステップS202へ進む。ステップS202では、第一NOx触媒31に流入する排気の空燃比に基づくことなく、第一添加弁41の添加比が算出される。この場合、図10に示したように第一添加弁41の添加比を1としてもよい。また、第一NOx触媒31の温度に応じてアンモニアの酸化のされ易さが変化するため、第一NOx触媒31の温度に基づいて第一添加弁41の添加比を算出してもよい。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おく。
ステップS201またはステップS202の処理が終了すると、ステップS203へ進む。ステップS203では、ステップS201又はステップS202で算出された第一添加弁41の添加比となるように添加剤が添加される。このときには、第一NOx触媒31に流入するNOx量に基づいて、第一添加弁41及び第二添加弁42から添加する添加剤の総量が決まる。例えば、当量比が所定の当量比となるように、添加剤の総量を決定してもよい。所定の当量比は、予め実験またはシミュレーション等により求めておく。なお、本実施例においてはステップS104と、ステップS201またはステップS202と、ステップS203と、を処理するECU10が、本発明における制御装置に相当する。
また、図14は、本実施例に係る添加剤の添加制御の他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により所定の時間毎に実行される。図14に示したフローチャートは、NOx触媒3の温度が所定温度以上の場合において、NOx触媒3に流入する排気の空燃比が所定空燃比より大きいときには、第一添加弁41の添加比が0となるようにした場合を示している。前述のフローチャートと同じ処理がなされるステップについては、同じ符号を付して説明を省略する。
図14に示したフローチャートでは、ステップS104で肯定判定がなされると、ステップS204へ進む。ステップS204では、第一添加弁41の添加比が0に設定される。その後、ステップS203へ進む。なお、図14に示したフローチャートを実行することに代えて、図13に示したフローチャートを実行し、ステップS201において第一添加弁41の添加比を0に設定してもよい。
ここで、図15は、第一NOx触媒31に流入する排気の空燃比と、第一NOx触媒31の温度と、第一NOx触媒31におけるアンモニアの酸化速度と、の関係を示した図である。図14では、等しい酸化速度の箇所を結んだ線である等酸化速度線によって酸化速度の分布を示している。酸化速度は、第一NOx触媒31の温度が所定温度以上のときに急激に増加する。そして、第一NOx触媒31の温度が高いほど、酸化速度が大きくなる。また、排気の空燃比がある程度大きくなると、排気の空燃比が大きいほど、酸化速度が大きくなる。そのため、従来では、例えば、第一NOx触媒31の温度が所定温度以上になった場合に、添加剤を供給する添加弁を第一添加弁41から第二添加弁42に切り替え
ることがあった。すなわち、空燃比によらずに、第一NOx触媒31の温度に基づいて第一添加弁41の添加比を変えることがあった。
しかし、第一NOx触媒31の温度が所定温度以上であっても、排気の空燃比が小さい場合には、アンモニアの酸化が抑制される。したがって、従来ではアンモニアの酸化が抑制される空燃比の場合であっても、添加剤を供給する添加弁を第一添加弁41から第二添加弁42に切り替えていた。そのため、第一NOx触媒31でNOxを還元可能なときであっても、第一NOx触媒31に添加剤が供給されずに、NOxを還元することができなかった。
一方、本実施例では、第一NOx触媒31の温度が所定温度以上であっても、排気の空燃比が所定空燃比以下の場合には、第一添加弁41から添加剤を添加している。これにより、第一NOx触媒31においてもNOxを還元することが可能となる。また、第一NOx触媒31の温度が所定温度以上の場合、且つ、第一NOx触媒31に流入する排気の空燃比が所定空燃比よりも大きな場合には、第一添加弁41からの添加剤の添加量を相対的に少なくすることにより、第一NOx触媒31におけるアンモニアの酸化を抑制することができる。この際、排気の空燃比が大きくなるほど、第一添加弁41の添加比を小さくすることにより、必要以上に第一NOx触媒31への添加剤の供給量が少なくなることを抑制できる。これにより、第一NOx触媒31においてもNOxを好適に浄化することができる。以上より、システム全体としてのNOx浄化率を高くすることができる。
1 内燃機関
2 排気通路
3 選択還元型NOx触媒
4 添加弁
6 燃料噴射弁
7 吸気通路
10 ECU
11 NOxセンサ
12 空燃比センサ
13 温度センサ
21 クランクポジションセンサ
22 アクセル開度センサ
23 エアフローメータ
31 第一NOx触媒
32 第二NOx触媒
41 第一添加弁
42 第二添加弁

Claims (2)

  1. 内燃機関の排気通路に設けられ、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触媒と、
    前記選択還元型NOx触媒よりも上流の前記排気通路に設けられ、排気中にアンモニア又はアンモニアの前駆体である添加剤を添加する添加弁と、
    前記選択還元型NOx触媒の温度を取得する温度取得装置と、
    前記選択還元型NOx触媒へ流入する排気の空燃比を取得する空燃比取得装置と、
    前記温度取得装置により取得される温度が、アンモニアが酸化される所定温度以上の場合において、前記空燃比取得装置により取得される空燃比が所定空燃比より大きいときには、前記所定空燃比以下のときよりも、前記添加弁から排気中に添加する添加剤の量を少なくする制御装置と、
    を備える内燃機関の排気浄化装置。
  2. 前記選択還元型NOx触媒は、第一NOx触媒と、前記第一NOx触媒よりも前記排気通路の下流側に設けられる第二NOx触媒と、を含んで構成され、
    前記温度取得装置は、前記第一NOx触媒の温度を取得するように構成され、
    前記空燃比取得装置は、前記第一NOx触媒へ流入する排気の空燃比を取得するように構成され、
    前記添加弁は、前記第一NOx触媒よりも上流の前記排気通路に設けられる第一添加弁であるように構成され、
    前記第一NOx触媒よりも下流且つ前記第二NOx触媒よりも上流の前記排気通路に設けられ排気中に添加剤を添加する第二添加弁を更に備え、
    前記制御装置は、前記温度取得装置により取得される前記第一NOx触媒の温度が前記所定温度以上の場合において、前記空燃比取得装置により取得される空燃比が前記所定空燃比よりも大きいときには、前記空燃比取得装置により取得される空燃比が前記所定空燃比以下のときよりも、前記第一添加弁及び前記第二添加弁から添加する添加剤の総量に対する前記第一添加弁から添加する添加剤の量の比を小さくする請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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