JP2018145821A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ＮＯｘ触媒が高温のときに、ＮＯｘ触媒に対して還元剤を好適に供給する。
【解決手段】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、且つ、ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ浄化率が所定下限浄化率よりも小さい場合において、ＮＯｘ触媒に流入するＮＯｘの量に対する当量比を変えて添加剤の添加を少なくとも２回実施したときに、当量比を変化させたことに伴うアンモニアの酸化量の変化量よりも、当量比を変化させたことに伴うＮＯｘの還元量の変化量のほうが大きい場合には、小さい場合よりも、当量比制御における当量比を大きくする。
【選択図】図５

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。
このようなＮＯｘ触媒では、ＮＯｘ触媒の温度が高くなると、吸着していたアンモニアが脱離してＮＯｘ触媒からアンモニアが流出し得る。また、ＮＯｘ触媒の温度が高くなると、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。また、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。ここで、ＮＯｘ触媒が高温となる状態のときに、添加剤の添加量を通常量よりも間欠的に増加させることにより、ＮＯｘを浄化する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。添加剤の添加量が増量される期間にＮＯｘ触媒の表面におけるアンモニア吸着量が飽和に近づいても、次の通常量のアンモニアが添加される期間においては、ＮＯｘ触媒内部にアンモニアが移動したり、更にアンモニアとＮＯｘとが反応したりして、ＮＯｘ触媒の表面でのアンモニア吸着量に余裕ができる。これにより、ＮＯｘ触媒からのアンモニアの流出が抑制される。
特開２０１４−０２５３９８号公報
ＮＯｘ触媒が高温になると、ＮＯｘ触媒に含まれるＣｕＯ等の反応点においてアンモニアがＮＯｘに酸化される。このＣｕＯは、ＮＯｘ触媒の劣化の進行と共に増加する。すなわち、ＮＯｘ触媒の劣化が進行するほど、アンモニアがＮＯｘに酸化され易くなる。したがって、酸化により生成されたＮＯｘを浄化したり、酸化されたアンモニアを補充したりするためにアンモニアの添加量を増加させると、ＮＯｘ触媒において酸化されるアンモニア量が増加してしまう。このため、ＮＯｘ触媒からＮＯｘが流出する虞がある。また、アンモニアの添加量をむやみに増加させても、ＮＯｘ触媒が高温のときにはＮＯｘ触媒からアンモニアが脱離するため、ＮＯｘ触媒からアンモニアが流出し得る。そのため、アンモニアの消費量が増加してしまう。
そこで本発明は、ＮＯｘ触媒が高温のときに、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装置と、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触媒に流入するＮＯｘの量と当量比とに応じた量の
添加剤を前記添加装置から添加する当量比制御を実施する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記温度取得装置により取得される温度がアンモニアが酸化される所定温度以上の場合、且つ、前記選択還元型ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ浄化率が所定下限浄化率よりも小さい場合において、前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流入するＮＯｘの量に対する当量比を変えて前記添加装置からの添加剤の添加を少なくとも２回実施したときに、当量比を変化させたことに伴うアンモニアの酸化量の変化量よりも、当量比を変化させたことに伴うＮＯｘの還元量の変化量のほうが大きい場合には、小さい場合よりも、前記当量比制御における当量比を大きくする。
当量比制御は、ＮＯｘ触媒に流入するＮＯｘの量に応じた量の添加剤を添加する制御である。当量比は、ＮＯｘ触媒に流入するＮＯｘを理論上過不足なく還元可能な添加剤量に対する、添加装置から添加する添加剤量の比である。以下、当量比といった場合には、この当量比を示すものとする。当量比制御では、当量比が１以外の値にも設定され得る。所定下限浄化率は、許容範囲の下限値に相当するＮＯｘ浄化率である。ＮＯｘ触媒の温度が所定温度以上の場合には、添加装置から添加される添加剤が酸化される。これにより、ＮＯｘ浄化率が低下する。そして、ＮＯｘ触媒の劣化の度合いが大きいほど、ＮＯｘ触媒において酸化される添加剤の量が多くなってＮＯｘ浄化率がより低下する。ここで、アンモニアの酸化量とＮＯｘの還元量との関係が、ＮＯｘ触媒の劣化の度合いに応じた比例関係になることが見出された。すなわち、当量比を変えて添加剤の添加を少なくとも２回実施したときに、ＮＯｘ触媒の劣化の度合いに応じて、アンモニアの酸化量の変化量と、ＮＯｘの還元量の変化量と、の関係が変わる。そして、アンモニアの酸化量の変化量よりも、ＮＯｘの還元量の変化量のほうが大きい場合には、添加剤を増量することによりＮＯｘ浄化率が向上することが見出された。一方、アンモニアの酸化量の変化量よりもＮＯｘの還元量の変化量のほうが少ない場合には、添加剤を増量してしまうと、ＮＯｘ触媒からのＮＯｘの流出量が増加してしまう。この場合には、当量比を増加させないほうが良い。このような場合には、当量比を減少させることにより、ＮＯｘ触媒からのＮＯｘの流出量を減少させ得る。
また、前記制御装置は、前記アンモニアの酸化量の変化量よりも、前記ＮＯｘの還元量の変化量のほうが大きい場合には、前記当量比制御における当量比を１よりも大きくすることができる。
すなわち、アンモニアの酸化量の変化量よりもＮＯｘの還元量の変化量のほうが多い場合には、当量比を増加させたとしても、アンモニアの酸化量の増加量よりもＮＯｘの還元量の増加量のほうが多くなるため、ＮＯｘ浄化率が向上する。このような場合には、当量比を１よりも大きくしても、ＮＯｘ浄化率を向上させることができる。
また、前記制御装置は、前記アンモニアの酸化量の変化量よりも、前記ＮＯｘの還元量の変化量のほうが大きい場合には、前記選択還元型ＮＯｘ触媒から流出する排気のアンモニア濃度が所定上限濃度以下となるように、前記当量比制御における当量比を調整することができる。
ここで、当量比を大きくし過ぎると、ＮＯｘ触媒にアンモニアが吸着しきれなくなってＮＯｘ触媒からアンモニアが流出し得る。これに対して、ＮＯｘ触媒から流出する排気のアンモニア濃度が所定上限濃度以下となるように、制御装置が当量比を調整することにより、ＮＯｘ触媒から流出する排気のアンモニア濃度を低減できる。なお、所定上限濃度は、許容範囲の上限値に相当するアンモニア濃度である。
また、前記制御装置は、前記選択還元型ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ浄化率が前記所定下限浄化率以上となるように、前記当量比制御における当量比を調整することができる。
このようにして、ＮＯｘ浄化率が許容範囲内となるように当量比を調整することができる。
また、前記制御装置は、前記ＮＯｘの還元量の変化量が、前記アンモニアの酸化量の変化量以下の場合には、前記当量比制御における当量比を１以下にすることができる。
アンモニアの酸化量の変化量よりもＮＯｘの還元量の変化量のほうが小さい場合には、当量比を増加させてしまうと、ＮＯｘ触媒からのＮＯｘの流出量が増加し得る。このような場合には、当量比を１以下に調整することにより、ＮＯｘ触媒からのＮＯｘの流出量を低減することができる。この場合、当量比を０にしてもよい。
本発明によれば、ＮＯｘ触媒が高温のときに、ＮＯｘ触媒に対して還元剤を好適に供給することができる。
実施例に係る内燃機関と、その吸気系および排気系と、の概略構成を示す図である。 当量比を変化させて複数回の添加を実施した場合のアンモニア酸化量（ＮＨ３酸化量）とＮＯｘ還元量との関係を示した図である。 排気がＮＯｘ触媒を通過するときのＮＯｘ濃度の増減を説明するための図である。 排気がＮＯｘ触媒を通過するときのアンモニア濃度の増減を説明するための図である。 実施例に係る当量比制御のフローを示したフローチャートである。 特性線の傾きが１よりも大きな場合の各種値の推移を示したタイムチャートである。 当量比Ｅ１を算出する方法を説明するための図である。 当量比Ｅ１がＡ１のときの性能達成範囲Ｓ１と、当量比Ｅ１がＢ１のときの性能達成範囲Ｓ２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１と、その吸気系および排気系と、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（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、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もいう。なお、本実施例
においては添加弁４が、本発明における添加装置に相当する。
さらに、添加弁４よりも上流の排気通路２には、ＮＯｘ触媒３に流れ込む排気のＮＯｘ濃度を検出する第一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。一方、ＮＯｘ触媒３よりも下流の排気通路２には、ＮＯｘ触媒３から流れ出す排気のＮＯｘ濃度を検出する第二ＮＯｘセンサ１４と、ＮＯｘ触媒３から流れ出す排気のアンモニア濃度を検出するアンモニアセンサ１５と、が設けられている。なお、第二ＮＯｘセンサ１４がＮＯｘと同様にアンモニアも検出するタイプのものである場合には、第二ＮＯｘセンサ１４の検出値からアンモニアセンサ１５の検出値を減算することにより、ＮＯｘ触媒３から流れ出る排気のＮＯｘ濃度を検出することができる。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、上述した各種センサの他、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は第一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、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する。また、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。
また、ＥＣＵ１０は、ＮＯｘ触媒３の温度が比較的高いときに、ＮＯｘ触媒３に流入するＮＯｘの量を第一ＮＯｘセンサ１１の検出値及び排気の流量により算出し、そのＮＯｘの量に応じた量の添加剤を添加する制御である当量比制御を実施する。なお、当量比は、ＮＯｘ触媒３に流入するＮＯｘを理論上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。
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。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被毒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。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。
ここで、フィルタの再生処理や硫黄被毒回復処理を実施した場合、または、内燃機関１が高負荷で運転されている場合等によりＮＯｘ触媒３の温度が比較的高くなると、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、ＮＯｘ触媒３からアンモニアが脱離する。このため、ＮＯｘ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。一方、ＮＯｘ触媒３の温度が比較的低い場合には、例えば、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に、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。
また、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。なお、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。そして、所定温度はＮＯｘ触媒３からアンモニアが脱離する温度以上である。そのため、ＮＯｘ触媒３の温度が所定温度以上のときには、ＥＣＵ１０により当量比制御が実施されている。
ＮＯｘ触媒３の高温時におけるアンモニアの酸化のされ易さは、ＮＯｘ触媒３の劣化の度合いに関連していると考えられる。ここで、ＮＯｘ触媒３の劣化は以下のように推定することができる。まず、Ｈ２Ｏと熱によって、Ｈ＋酸点（ブレンステッド酸点）などからゼオライト破壊が起こる。すなわち、Ｈ２Ｏと熱によって酸点で格子欠陥が発生する。そして、格子欠陥から結晶破壊が起こる。これにより、イオン交換Ｃｕがゼオライト外へ遊離すると、活性点が減少する。すなわち、ＮＯｘ触媒３が劣化する。このような活性点の減少により、ＮＯｘ触媒３の温度に関わらず、ＮＯｘ触媒３のＮＯｘ浄化能力が低下する。また、ゼオライト外へ遊離したＣｕがＯ２と反応してＣｕＯが生成される。このＣｕＯは、高温時にアンモニアを酸化させてＮＯｘを生成する。すなわち、ＮＯｘ触媒３の劣化が進行してＣｕＯが増加するほど、高温時にアンモニアが酸化され易くなる。以上より、ＮＯｘ触媒３の高温時には、ＮＯｘ触媒３の劣化が進行するほど、アンモニアが酸化され易くなり、且つ、ＮＯｘが還元され難くなる。
ここで、当量比を変化させて複数回の添加を実施した場合に、アンモニアの酸化量とＮＯｘの還元量との関係が、ＮＯｘ触媒３の劣化の度合いに応じた比例関係になることが見出された。本実施例では、この知見に基づいて当量比を調整する。ここで、図２は、当量比を変化させて複数回の添加を実施した場合のアンモニア酸化量（ＮＨ３酸化量）とＮＯｘ還元量との関係を示した図である。実線Ｌ１はＮＯｘ触媒３の劣化の度合いが比較的小さい場合を示し、破線Ｌ２はＮＯｘ触媒３の劣化の度合いが比較的大きい場合を示している。なお、Ｌ１及びＬ２で示される直線を以下では、「特性線」ともいう。
Ｌ１及びＬ２上において、「Ｅ１＝Ａ１」で示される点は、当量比Ｅ１を比較的小さな値であるＡ１として添加剤を添加した場合の点であり、「Ｅ１＝Ｂ１」で示される点は、
当量比Ｅ１を比較的大きな値であるＢ１として添加剤を添加した場合の点を示している。このように、当量比Ｅ１を変化させた場合に、アンモニア酸化量とＮＯｘ還元量とで示される点は、その劣化の度合いによって決まる特性線上を移動する。この特性線の傾きは、劣化の度合いが大きいほど、小さくなる。なお、ＮＯｘ還元量及びアンモニア酸化量は図３及び図４に示した関係に基づいて、以下のようにして算出することができる。ここで、図３は、排気がＮＯｘ触媒３を通過するときのＮＯｘ濃度の増減を説明するための図である。図４は、排気がＮＯｘ触媒３を通過するときのアンモニア濃度の増減を説明するための図である。
ここで、ＮＯｘ触媒３に流入する排気のＮＯｘ濃度をＮＯｘ＿ＩＮ（ｐｐｍ）とし、アンモニア濃度をＮＨ３＿ＩＮ（ｐｐｍ）とする。また、ＮＯｘ触媒３から流出する排気のＮＯｘ濃度をＮＯｘ＿ＯＵＴ（ｐｐｍ）とし、アンモニア濃度をＮＨ３＿ＯＵＴ（ｐｐｍ）とする。当量比をＥ１として当量比制御を実施している場合には以下の式１が成り立つ。
ＮＨ３＿ＩＮ＝Ｅ１・ＮＯｘ＿ＩＮ・・・式１
図３において、ＮＯｘ触媒３に排気が流入すると、アンモニアが酸化されることによりＮＯｘ濃度が高くなる。すなわち、ＮＯｘ触媒３に流入する排気のＮＯｘ濃度ＮＯｘ＿ＩＮよりも、アンモニアの酸化により生成されるＮＯｘ濃度の増加分（アンモニア酸化量Ｙ１とする。）だけＮＯｘ濃度が高くなる。一方、ＮＯｘ触媒３から流出する排気のＮＯｘ濃度は、ＮＯｘ＿ＯＵＴであるため、ＮＯｘ触媒３でＮＯｘが還元されることにより減少するＮＯｘ濃度をＮＯｘ還元量Ｘ１とすると、以下の式２が成り立つ。
ＮＯｘ＿ＩＮ−ＮＯｘ＿ＯＵＴ＝Ｘ１−Ｙ１・・・式２
図４において、ＮＯｘ触媒３に流入したアンモニアは、ＮＯｘの還元及びアンモニアの酸化により濃度が減少する。そのため、以下の式３が成り立つ。
ＮＨ３＿ＩＮ−ＮＨ３＿ＯＵＴ＝Ｘ１＋Ｙ１・・・式３
式１、式２、式３から以下の式４、式５が成り立つ。
Ｘ１＝（Ｅ１・ＮＯｘ＿ＩＮ＋ＮＯｘ＿ＩＮ−ＮＯｘ＿ＯＵＴ−ＮＨ３＿ＯＵＴ）／２・・・式４
Ｙ１＝（Ｅ１・ＮＯｘ＿ＩＮ−ＮＯｘ＿ＩＮ＋ＮＯｘ＿ＯＵＴ−ＮＨ３＿ＯＵＴ）／２・・・式５
ここで、ＮＯｘ触媒３にアンモニアが吸着せず且つＮＯｘ触媒３においてアンモニアが酸化されないと仮定したときにＮＯｘ触媒３から流出する排気のアンモニア濃度をＳＬとする。ＳＬは、流入する排気のアンモニア濃度から、反応したＮＯｘ濃度を減少させた後の濃度に相当するため、以下の式６が成り立つ。
ＳＬ＝Ｅ１・ＮＯｘ＿ＩＮ−（ＮＯｘ＿ＩＮ−ＮＯｘ＿ＯＵＴ）・・・式６
ここで、ＮＯｘ触媒３から流出する排気の実際のアンモニア濃度はＮＨ３＿ＯＵＴであり、ＳＬとＮＨ３＿ＯＵＴとには差がある。この差をＮ１とすると、以下の式７が成り立つ。
Ｎ１＝ＳＬ−ＮＨ３＿ＯＵＴ＝Ｅ１・ＮＯｘ＿ＩＮ−（ＮＯｘ＿ＩＮ−ＮＯｘ＿ＯＵＴ）−ＮＨ３＿ＯＵＴ・・・式７
この差Ｎ１は、酸化に使われたアンモニア（Ｓ１とする）と、酸化したアンモニアを還元するために使われたアンモニア（Ｏ１とする）との合計であると考えられる。すなわち、以下の式８が成り立つ。
Ｎ１＝Ｓ１＋Ｏ１・・・式８
ここで、酸化したアンモニアは、全て別のアンモニアによって還元されていると仮定すると、以下の式９、式１０が成り立つ。
Ｘ１＝Ｎ１／２＝（Ｅ１・ＮＯｘ＿ＩＮ＋ＮＯｘ＿ＩＮ−ＮＯｘ＿ＯＵＴ−ＮＨ３＿ＯＵＴ）／２・・・式９
Ｙ１＝Ｎ１／２＋（ＮＯｘ＿ＩＮ−ＮＯｘ＿ＯＵＴ）＝（Ｅ１・ＮＯｘ＿ＩＮ−ＮＯｘ＿ＩＮ＋ＮＯｘ＿ＯＵＴ−ＮＨ３＿ＯＵＴ）／２・・・式１０
ＮＯｘ触媒３に流入する排気のＮＯｘ濃度ＮＯｘ＿ＩＮは、第一ＮＯｘセンサ１１により検出される。また、ＮＯｘ触媒３から流出する排気のＮＯｘ濃度ＮＯｘ＿ＯＵＴは、第二ＮＯｘセンサ１４及びアンモニアセンサ１５により検出される。さらに、ＮＯｘ触媒３から流出する排気のアンモニア濃度ＮＨ３＿ＯＵＴは、アンモニアセンサ１５により検出される。当量比Ｅ１は、ＥＣＵ１０により設定される。したがって、これらセンサの検出値及びＥＣＵ１０により設定される当量比Ｅ１と、式４または式９とに基づいて、ＮＯｘ還元量Ｘ１を算出することができる。また、これらセンサの検出値及びＥＣＵ１０により設定される当量比Ｅ１と、式５または式１０とに基づいて、アンモニア酸化量Ｙ１を算出することができる。
ここで、図２の特性線Ｌ１では、当量比を増加させたときに、アンモニア酸化量の増加量よりも、ＮＯｘ還元量の増加量のほうが大きい。すなわち、アンモニアの酸化により発生するＮＯｘの増加量よりも、ＮＯｘ触媒３で還元されることにより減少するＮＯｘ量のほうが多いために、アンモニアの酸化により発生するＮＯｘのほとんどをＮＯｘ触媒３において還元することができる。このような場合、当量比が大きくなるほど、より多くのＮＯｘを還元することができるようになる。すなわち、特性線の傾きが１より大きい場合には、当量比を大きくすることにより、ＮＯｘ浄化率が上昇する。なお、本実施例では、当量比を増加させた場合について説明するが、当量比を減少させた場合にも同様に考えることができる。すなわち、図２の特性線Ｌ１では、当量比を減少させたときに、アンモニア酸化量の減少量よりも、ＮＯｘ還元量の減少量のほうが大きいといえる。
一方、図２の特性線Ｌ２では、当量比を増加させたときに、ＮＯｘ還元量の増加量よりも、アンモニア酸化量の増加量のほうが大きい。このような場合、当量比を増加させたときに、アンモニアが酸化されることにより生成されるＮＯｘの増加量が、ＮＯｘ触媒３で還元されることにより減少するＮＯｘ量よりも多くなるため、ＮＯｘ浄化率が低下する。すなわち、特性線の傾きが１より小さい場合には、当量比を大きくすることによりＮＯｘ浄化率が下降する。
このように、当量比を増加させたときにＮＯｘ浄化率が大きくなるのか又は小さくなるのかは、図２における特性線の傾き（すなわち、アンモニア酸化量の増加量に対するＮＯｘ還元量の増加量の比）によって異なる。そして、ＮＯｘ触媒３の劣化が進行するにしたがって、特性線の傾きが小さくなっていく。
そこで、本実施例では、当量比を増加させたときに、アンモニア酸化量の増加量よりもＮＯｘ還元量の増加量が大きい場合（すなわち、アンモニア酸化量の増加量に対するＮＯｘ還元量の増加量の比が１よりも大きい場合）には、当量比を増加させる。この場合の当量比は、１よりも大きくなる。一方、アンモニア酸化量の増加量がＮＯｘ還元量の増加量以下の場合（すなわち、アンモニア酸化量の増加量に対するＮＯｘ還元量の増加量の比が１以下の場合）には、当量比を１以下に設定する。当量比を１以下に設定することには、当量比を０に設定すること、すなわち、添加剤の添加量を０に設定することも含む。
図５は、本実施例に係る当量比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繰り返し実行される。なお、本実施例においてはＥＣＵ１０が図５に示したフローチャートを実行することにより、本発明における制御装置として機能する。
ステップＳ１０１では、当量比制御を実施する前提条件が成立しているか否か判定される。例えば、ＮＯｘ触媒３の温度が所定温度以上のときに前提条件が成立していると判定される。さらに、本実施例では、ＮＯｘ触媒３のＮＯｘ浄化率が所定下限浄化率よりも小さい場合を前提条件とする。所定下限浄化率は、許容範囲の下限値に相当するＮＯｘ浄化率である。ここで、ＮＯｘ触媒３のＮＯｘ浄化率が所定下限浄化率以上であれば、当量比を調整しなくてもＮＯｘ触媒３は十分な浄化能力を発揮しているため、当量比を調整する必要がない。この場合、本フローチャートを実行する必要がない。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、当量比制御を実施する条件が成立しているか否か判定される。例えば、内燃機関１が定常運転中であるときに当量比制御を実施する条件が成立していると判定される。ステップＳ１０２で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０３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Ｓ１０３では、当量比Ｅ１をＡ１として当量比制御が実施される。このときの当量比Ａ１は、例えば１である。また、ステップＳ１０１及びステップＳ１０２において肯定判定がなされた場合には、すでにＥＣＵ１０により当量比制御が実施されている。このため、すでに実施されている当量比制御における当量比を本ステップＳ１０３における当量比Ｅ１として設定してもよい。すなわち、Ａ１はすでに設定されている当量比としてもよい。なお、Ａ１は、特性線の傾きを精度よく算出することができるように設定してもよい。
ステップＳ１０４では、ＮＯｘ還元量Ｘ１１及びアンモニア酸化量Ｙ１１が式９及び式１０を用いて算出される。本ステップＳ１０４では、ステップＳ１０３において当量比Ｅ１がＡ１に設定された後、十分な時間が経過した時点での各種センサの値を用いてＮＯｘ還元量Ｘ１１及びアンモニア酸化量Ｙ１１が算出される。
ステップＳ１０５では、当量比Ｅ１をＢ１として当量比制御が実施される。このＢ１は、Ａ１よりも大きな値である。すなわち、当量比を増加させている。Ｂ１は、特性線の傾きを精度よく算出することができるように設定される。なお、本実施例においては、ステップＳ１０３において当量比Ｅ１を比較的小さな値に設定し、その後の本ステップＳ１０５において当量比Ｅ１を比較的大きな値に設定しているが、これに代えて、ステップＳ１０３において当量比Ｅ１を比較的大きな値に設定し、その後の本ステップＳ１０５において当量比Ｅ１を比較的小さな値に設定してもよい。すなわち、特性線を算出できるように当量比Ｅ１を変化させればよい。
ステップＳ１０６では、ＮＯｘ還元量Ｘ１２及びアンモニア酸化量Ｙ１２が式９及び式１０を用いて算出される。本ステップＳ１０６では、ステップＳ１０５において当量比Ｅ１がＢ１に設定された後、十分な時間が経過した時点での各種センサの値を用いてＮＯｘ還元量Ｘ１２及びアンモニア酸化量Ｙ１２が算出される。
ステップＳ１０７では、ステップＳ１０４で算出されたＮＯｘ還元量Ｘ１１及びアンモニア酸化量Ｙ１１と、ステップＳ１０６で算出されたＮＯｘ還元量Ｘ１２及びアンモニア酸化量Ｙ１２に基づいて、特性線を示す式を算出する。
ステップＳ１０８では、ステップＳ１０７で算出した線の傾きが１よりも大きいか否か判定される。すなわち、アンモニア酸化量の増加量（Ｙ１２−Ｙ１１）よりも、ＮＯｘ還元量の増加量（Ｘ１２−Ｘ１１）のほうが大きいか否か判定される。本ステップでは、当量比を増加させることによりＮＯｘ浄化率が上昇するか否か判定しているといえる。ステップＳ１０８で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１１０へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０９へ進む。
ステップＳ１０９では、当量比Ｅ１が１以下に設定される。すなわち、ＮＯｘ触媒３の劣化が進行しているため、アンモニアの酸化を抑制するように、当量比は１以下に設定する。当量比は、１であってもよく、０であってもよい。また、当量比を０よりも大きく１よりも小さい値に設定してもよい。このときに設定される当量比は、アンモニアの酸化量の増加抑制と、ＮＯｘの還元量の低減抑制と、を考慮して、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、本フローチャートにより当量比Ｅ１が調整されるまでは、当量比Ｅ１を例えば１に設定して当量比制御が実施されている。この場合、本フローチャートとは別の当量比制御がＥＣＵ１０により実行され、そのときの当量比の目標値が例えば１に設定されている。
ステップＳ１１０では、当量比Ｅ１が算出される。このときの当量比Ｅ１は、予め実験またはシミュレーション等により求めておいてもよい。また、当量比Ｅ１は、固定値であってもよい。なお、本実施例では、このときに算出される当量比が、Ｂ１よりも大きくなるようにすることで、ＮＯｘ浄化率を向上させる。また、本ステップＳ１１０が実行される度に当量比Ｅ１を徐々に増加させていってもよいし、または、本ステップＳ１１０が一度実行された後は当量比Ｅ１を増加しないようにしてもよい。また、後述する図７で示すように、ＮＯｘ浄化率、及び、ＮＯｘ触媒３から流出する排気のアンモニア濃度が共に許容範囲内となるようにＥ１を設定してもよい。
ステップＳ１１１では、ステップＳ１１０で算出された当量比Ｅ１が上限値以下であるか否か判定される。この上限値は、添加弁４の仕様によって定まる条件であって、添加弁４が単位時間当たりに添加可能な添加剤量の最大値に基づいて設定される。ステップＳ１１１で肯定判定がなされた場合には、ステップＳ１１２へ進んで当量比Ｅ１がステップＳ１１０で算出された値に設定される。一方、ステップＳ１１１で否定判定がなされた場合には、ステップＳ１１３へ進んで当量比Ｅ１が上限値に設定される。
図６は、特性線の傾きが１よりも大きな場合の各種値の推移を示したタイムチャートである。上から順に、前提条件フラグ、実行条件フラグ、添加剤の添加量、ＮＯｘ濃度、アンモニア濃度（ＮＨ３濃度）を示している。前提条件フラグは、ステップＳ１０１における前提条件が成立している場合は１となり、成立していない場合は０となるフラグである。また、実行条件フラグは、ステップＳ１０２における当量比制御を実施する条件が成立している場合には１となり、成立していない場合は０となるフラグである。添加剤の添加量におけるＬ１１は、当量比Ｅ１がＡ１のときに対応する添加剤量であり、Ｌ１２は、当量比Ｅ１がＢ１のときに対応する添加剤量であり、Ｌ１３は添加弁４が添加可能な添加剤量の最大値である。また、ＮＯｘ濃度におけるＬ１４は、ＮＯｘ触媒３に流入する排気のＮＯｘ濃度を示しており、これは、第一ＮＯｘセンサ１１の検出値を示している。図６では、ＮＯｘ触媒３に流入する排気のＮＯｘ濃度は一定である。Ｌ１５は、ＮＯｘ触媒３から流出する排気のＮＯｘ濃度を示しており、これは、第二ＮＯｘセンサ１４の検出値を示している。アンモニア濃度（ＮＨ３濃度）は、ＮＯｘ触媒３から流出する排気のアンモニア濃度を示しており、これは、アンモニアセンサ１５の検出値を示している。
図６では、Ｔ１以前から当量比制御が実行されており、そのときの添加剤の添加量がＬ１１に設定されている。Ｔ１以前に前提条件フラグは１となっており、Ｔ１において実行
条件フラグが１になっている。これにより、Ｔ１から当量比Ｅ１がＡ１に設定されている。すなわち、当量比Ｅ１がＡ１となるように添加弁４からの添加剤の添加量が調整される。当量比Ｅ１がＡ１に設定されている状態は、Ｔ２まで継続する。Ｔ１からＴ２までの期間にＮＯｘ濃度及びアンモニア濃度が夫々検出されて、ＮＯｘ還元量Ｘ１１及びアンモニア酸化量Ｙ１１が算出される。Ｔ２から当量比Ｅ１がＢ１に設定されている。すなわち、当量比Ｅ１がＢ１となるように添加弁４からの添加剤の添加量が調整される。当量比Ｅ１がＢ１に設定されている状態は、Ｔ３まで継続する。Ｔ２からＴ３までの期間にＮＯｘ濃度及びアンモニア濃度が夫々検出されて、ＮＯｘ還元量Ｘ１２及びアンモニア酸化量Ｙ１２が算出される。そして、Ｔ３までの間に、特性線の傾きが求められる。図６では、傾きが１よりも大きい場合を示しており、そのため、Ｔ３以降の当量比Ｅ１は１よりも大きく、さらにはＡ１及びＢ１よりも大きくなるように設定されている。
次に図７は、当量比Ｅ１を算出する方法を説明するための図である。横軸はアンモニア酸化量であり、縦軸はＮＯｘ還元量である。Ｌ３１は特性線であり、Ｌ３２は目標浄化率線であり、Ｌ３３は当量比Ｅ１がＡ１のときのスリップ許容線である。目標浄化率線Ｌ３２は、目標となるＮＯｘ浄化率になるときのアンモニア酸化量とＮＯｘ還元量との関係を示す線である。また、スリップ許容線Ｌ３３は、ＮＯｘ触媒３から流出する排気のアンモニア濃度が許容範囲の上限値（所定上限濃度）となるときのアンモニア酸化量とＮＯｘ還元量との関係を示す線である。目標浄化率線Ｌ３２及びスリップ許容線Ｌ３３は、法規等による規制値によって定めてもよい。「Ｅ１＝Ａ１」で示される点は、当量比Ｅ１を比較的小さな値であるＡ１として添加剤を添加した場合の点であり、「Ｅ１＝Ｂ１」で示される点は、当量比を比較的大きな値であるＢ１として添加剤を添加した場合の点を示している。
目標浄化率線Ｌ３２よりも上の領域が、ＮＯｘ浄化率が許容範囲内となる領域である。また、スリップ許容線Ｌ３３よりも上の領域が、ＮＯｘ触媒３から流出する排気のアンモニア濃度が許容範囲内となる領域である。すなわち、図７のハッチングで示した範囲（以下、性能達成範囲という。）にアンモニア酸化量及びＮＯｘ還元量が入るように当量比Ｅ１を調整することにより、ＮＯｘ浄化率及びＮＯｘ触媒３から流出する排気のアンモニア濃度が共に許容範囲内となる。
ここで、ＮＯｘ浄化率の目標値をＮＯｘ＿ＴＲＧとすると、以下の式１１を満たす必要がある。
（（ＮＯｘ＿ＩＮ−ＮＯｘ＿ＯＵＴ）／ＮＯｘ＿ＩＮ）・１００≧ＮＯｘ＿ＴＲＧ・・・式１１
式２を用いて式１１を変形すると以下の式１２を導き出せる。
Ｙ１≧Ｘ１＋ＮＯｘ＿ＴＲＧ／１００・・・式１２
ＮＯｘ触媒３から流出する排気のアンモニア濃度の許容範囲の下限値をＣ１とすると、以下の式１３が成り立つ。
ＮＨ３＿ＯＵＴ≦Ｃ１・・・式１３
また、以下の式１４の関係がある。
Ｘ１＋Ｙ１＋ＮＨ３＿ＯＵＴ＝Ｅ１・ＮＯｘ＿ＩＮ・・・式１４
式１３と式１４とから、以下の式１５を導き出せる。
Ｙ１≧−Ｘ１＋（Ｅ１・ＮＯｘ＿ＩＮ−Ｃ１）・・・式１５
そして、式２及び式１５から、性能達成範囲を得ることができる。
ところで、式１５を見れば分かるように、図７に示した関係は当量比Ｅ１によって変わり得る。すなわち、図７のＬ３３で示されるスリップ許容線が、当量比によって変わるた
め、当量比Ｅ１によって性能達成範囲が変わる。ここで、図８は、当量比Ｅ１がＡ１のときの性能達成範囲Ｓ１と、当量比Ｅ１がＢ１のときの性能達成範囲Ｓ２との関係を示した図である。Ｌ３１は特性線、Ｌ３３は当量比Ｅ１がＡ１のときのスリップ許容線、Ｌ４１は当量比Ｅ１がＢ１のときのスリップ許容線、Ｌ３２は目標浄化率線、Ｓ１は当量比Ｅ１がＡ１のときの性能達成範囲、Ｓ２は当量比Ｅ１がＢ１のときの性能達成範囲を夫々示している。当量比Ｅ１がＡ１のときのスリップ許容線Ｌ３３よりも、当量比Ｅ１がＢ１のときのスリップ許容線Ｌ４１のほうが、ＮＯｘ還元量及びアンモニア酸化量が大きくなる側に位置する。そのため、当量比Ｅ１がＡ１のときの性能達成範囲Ｓ１よりも、当量比Ｅ１がＢ１のときの性能達成範囲Ｓ２のほうが、ＮＯｘ還元量及びアンモニア酸化量が大きくなる側（図８における上側）に位置する。このように、スリップ許容線は、当量比Ｅ１が大きくなるほど、ＮＯｘ還元量及びアンモニア酸化量が大きくなる側に移動する。そのため、性能達成範囲も、当量比が大きくなるほど、ＮＯｘ還元量及びアンモニア酸化量が大きくなる側に移動する。したがって、当量比Ｅ１を変化させたときに、特性線上を移動する点が、性能達成範囲に入るような当量比Ｅ１を求めることにより、ＮＯｘ触媒３におけるＮＯｘ浄化率及びＮＯｘ触媒３から流出する排気のアンモニア濃度を共に許容範囲内に収めることができる。
なお、上記のようにして設定した当量比Ｅ１をＥＣＵ１０に記憶させておき、次回の同条件のときには同じ当量比に設定する学習制御を実施してもよい。また、ＮＯｘ触媒３の劣化の度合いに応じて当量比を設定するために、内燃機関１を搭載する車両が所定の距離を走行する度に、当量比を設定してもよい。
以上説明したように本実施例によれば、ＮＯｘ触媒３が高温のときにＮＯｘ触媒３におけるＮＯｘ浄化率が所定下限浄化率よりも低い状態であったとしても、当量比を調整することにより、ＮＯｘ浄化率を向上させることができる。すなわち、ＮＯｘ触媒３に対して添加剤を好適に供給することができる。
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 第一ＮＯｘセンサ
１２ 空燃比センサ
１３ 温度センサ
１４ 第二ＮＯｘセンサ
１５ アンモニアセンサ
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

Claims (5)

  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装置と、
    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触媒に流入するＮＯｘの量と当量比とに応じた量の添加剤を前記添加装置から添加する当量比制御を実施する制御装置と、
    を備え、
    前記制御装置は、前記温度取得装置により取得される温度がアンモニアが酸化される所定温度以上の場合、且つ、前記選択還元型ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ浄化率が所定下限浄化率よりも小さい場合において、前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流入するＮＯｘの量に対する当量比を変えて前記添加装置からの添加剤の添加を少なくとも２回実施したときに、当量比を変化させたことに伴うアンモニアの酸化量の変化量よりも、当量比を変化させたことに伴うＮＯｘの還元量の変化量のほうが大きい場合には、小さい場合よりも、前記当量比制御における当量比を大きくする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 前記制御装置は、前記アンモニアの酸化量の変化量よりも、前記ＮＯｘの還元量の変化量のほうが大きい場合には、前記当量比制御における当量比を１よりも大きくする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 前記制御装置は、前記アンモニアの酸化量の変化量よりも、前記ＮＯｘの還元量の変化量のほうが大きい場合には、前記選択還元型ＮＯｘ触媒から流出する排気のアンモニア濃度が所定上限濃度以下となるように、前記当量比制御における当量比を調整する請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 前記制御装置は、前記選択還元型ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ浄化率が前記所定下限浄化率以上となるように、前記当量比制御における当量比を調整する請求項２または３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  5. 前記制御装置は、前記ＮＯｘの還元量の変化量が、前記アンモニアの酸化量の変化量以下の場合には、前記当量比制御における当量比を１以下にする請求項１から４の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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