JP3787913B2 - 内燃機関の排ガス浄化装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排ガス中に含まれる窒素酸化物を低減する内燃機関の排ガス浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジン等の酸素過剰下で燃料の燃焼が行われる内燃機関から排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するために、排気管内に触媒を設置し、炭化水素（一般に燃料）を還元剤として触媒に供給して窒素酸化物を浄化する技術がある。この触媒の浄化特性は、図２に示すように、炭化水素の浄化率は触媒温度が高くなるに従って高くなるが、窒素酸化物の浄化率は所定の活性温度範囲（例えばＰｔ触媒では２００℃から３００℃）においてのみ高いことが知られている。この窒素酸化物の浄化率を高くするには、触媒に還元剤である炭化水素（燃料）を供給すれば良いが、触媒温度が低い場合には、供給した炭化水素が未反応のまま排出されて、却ってエミッションが悪化したり、反対に、触媒温度が高い場合には、炭化水素の反応熱によって触媒温度が活性温度範囲を越えて上昇してしまい、却って窒素酸化物の浄化率が低下してしまう場合がある。
【０００３】
この問題に対して、特開平５−２６３６２４号公報では、エンジン毎に実験的に適合された炭化水素供給量マップと触媒入口の排ガス温度とから炭化水素供給量を算出する方法が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、実際には、内燃機関は様々な条件で運転されるため、触媒は様々な温度分布、活性状態で使用されることになり、触媒入口の排ガス温度が同じでも触媒の温度分布や活性状態は運転状態によって変化する。従って、上記公報のように、触媒入口の排ガス温度から一律に炭化水素供給量を算出したのでは、実際の触媒の温度分布、活性状態に対して、炭化水素供給量が多すぎたり、少なすぎたりする状態が起こりやすく、安定した窒素酸化物の浄化率が得られない。しかも、触媒に供給する炭化水素は燃料を使用するため、炭化水素供給量が多すぎれば、燃費が悪化することにもなる。
【０００５】
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、様々な運転条件下で、様々な温度分布、活性状態で使用される触媒に対して、常に適正量の炭化水素を供給することができて、窒素酸化物の浄化率を向上させることができると共に、未反応のまま排出される炭化水素を低減して燃費を向上することができる内燃機関の排ガス浄化装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１の内燃機関の排ガス浄化装置は、触媒に対して窒素酸化物の還元剤として炭化水素を供給する炭化水素供給手段を備え、触媒の複数位置の温度を触媒温度判定手段により検出または推定すると共に、内燃機関の運転状態を運転状態検出手段により検出する。そして、炭化水素供給手段を制御する制御手段は、触媒の複数位置の温度と内燃機関の運転状態とから、触媒の複数位置の窒素酸化物の還元浄化能力を推定し、上流側位置の窒素酸化物の還元浄化能力の寄与度を大きくするように重み付けを行って触媒全体の窒素酸化物の還元浄化能力を推定し、その推定値から触媒に供給すべき炭化水素供給量を求める。
【０００７】
ここで、上流側位置の窒素酸化物の還元浄化能力の寄与度を大きくするように重み付けを行う理由は、触媒内部の炭化水素の濃度が上流側ほど高くなり、窒素酸化物の選択還元性が高くなるためである。本発明のように、上流側位置の窒素酸化物の還元浄化能力の寄与度を大きくするように重み付けして触媒全体の窒素酸化物の還元浄化能力を推定すれば、触媒全体の窒素酸化物の還元浄化能力を精度良く推定することができる。従って、この推定値から炭化水素供給量を求めれば、様々な運転条件下で、様々な温度分布、活性状態で使用される触媒に対して、常に適正量の炭化水素を供給することができ、窒素酸化物の浄化率を向上させることができると共に、未反応のまま排出される炭化水素を低減して燃費を向上することができる。
【０００８】
この場合、請求項２では、前記触媒全体の窒素酸化物の還元浄化能力を推定する際に、上流側位置の窒素酸化物の還元浄化能力の寄与度を大きくするように重み付けを行った複数位置の窒素酸化物の還元浄化能力を合計して触媒全体の窒素酸化物の還元浄化能力を求める。このようにすれば、複数位置の窒素酸化物の還元浄化能力を合計するという簡単な処理で、触媒全体の窒素酸化物の還元浄化能力を精度良く推定することができる。
【０００９】
また、請求項３では、窒素酸化物の還元浄化能力を炭化水素供給量で表して演算する。このようにすれば、演算処理の途中で還元浄化能力を炭化水素供給量に変換する処理が不要となり、演算処理を簡略化できる。
【００１０】
また、請求項４では、窒素酸化物の還元浄化能力を触媒温度で表して演算し、上流側位置の触媒温度の寄与度を大きくするように重み付けを行って触媒全体を代表する温度（以下「触媒代表温度」という）を推定し、この触媒代表温度と運転状態検出手段の検出結果とに基づいて触媒に供給すべき炭化水素供給量を求める。この場合、重み付けを行って推定した触媒代表温度は、単に、触媒の熱エネルギ的な平均温度ではなく、触媒全体の窒素酸化物浄化特性を代表する温度となり、触媒全体の窒素酸化物の還元浄化能力を表す指標となる。従って、この触媒代表温度を用いても、上記の場合と同じく、触媒への炭化水素供給量を精度良く求めることができる。
【００１１】
ところで、排ガスの一部を吸気系へ還流させる排ガス還流装置（以下「ＥＧＲ装置」と略記する）を設けた内燃機関では、図１５に示すように、定常運転中は、ＥＧＲ率が大きくなり、それによって燃焼時の温度が低下して排ガス中の窒素酸化物が低減される。しかし、加速時には、定常運転状態から求まる目標ＥＧＲ率に対して、実際のＥＧＲ率が低くなり、窒素酸化物排出濃度は目標の濃度よりも実際の濃度が高い値になる。このように、加速時に目標ＥＧＲ率より実際のＥＧＲ率が低くなる原因は、ＥＧＲ装置のメカ的な作動応答遅れと、ＥＧＲ配管を通過するＥＧＲガスの流れの遅れと、ＥＧＲ制御安定性を保つための制御面での遅れによるものと考えられる。
【００１２】
そこで、請求項５では、炭化水素供給手段を制御する制御手段は、内燃機関を加速運転する時にＥＧＲ装置のＥＧＲ制御の遅れによる排ガス中の窒素酸化物の濃度増加に対応して触媒への炭化水素供給量を増量補正するように算出する。これにより、加速時にＥＧＲ制御の遅れによって排ガス中の窒素酸化物の濃度が増加しても、その窒素酸化物の濃度増加分に見合った量の炭化水素を増量して触媒に供給することができて、触媒での窒素酸化物浄化性能を向上することができ、窒素酸化物の排出量を低減できる。
【００１３】
更に、請求項６では、加速運転時に触媒への炭化水素供給量を増量補正する際に、加速開始時には増量割合を大きくし、加速開始から時間が経過するに従って増量割合を減少させるように補正する。つまり、加速開始から時間が経過するに従って、ＥＧＲ制御の遅れが少なくなって、実際の窒素酸化物排出濃度が低下する。従って、加速開始から時間が経過するに従って、炭化水素供給量の増量割合を減少させるように補正することで、加速開始後の時間経過による窒素酸化物の排出濃度の低下に対応して炭化水素供給量を適正に補正することができ、窒素酸化物の浄化率を向上させながら、未反応のまま排出される炭化水素を低減して燃費を向上することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
［実施形態（１）］
以下、本発明の実施形態（１）を図１乃至図９に基づいて説明する。内燃機関であるディーゼルエンジン１１の排気管１２（排ガス通路）の途中には、排ガス中の窒素酸化物（以下「ＮＯｘ」と表記する）を還元浄化する触媒１３（いわゆるＮＯｘ触媒）が設けられ、この触媒１３の上流側と中央と下流側には、それぞれ排ガス温度センサ１４，１５，１６が設置され、各排ガス温度センサ１４，１５，１６で検出した排ガス温度から触媒１３の複数位置の温度が判定される。従って、各排ガス温度センサ１４，１５，１６は、特許請求の範囲でいう触媒温度判定手段として用いられる。
【００１５】
上記触媒１３の上流には、触媒１３に還元剤として炭化水素（軽油等の燃料）を供給する炭化水素供給装置１７（炭化水素供給手段）が設けられている。この炭化水素供給装置１７には、燃料噴射ポンプ１８から中圧燃料配管１９を介して燃料が供給される。燃料噴射ポンプ１８は、ディーゼルエンジン１１の動力を駆動源とし、燃料タンク（図示せず）から吸い込んだ燃料を高圧化して高圧燃料配管２０を介してディーゼルエンジン１１の各気筒の燃料噴射ノズル２１に供給し、各燃料噴射ノズル２１から燃料を各気筒内に噴射して燃焼させる。
【００１６】
また、ディーゼルエンジン１１の排気管１２と吸気管２２との間には、排ガスの一部を吸気管２２に還流させるＥＧＲ配管２３が接続され、このＥＧＲ配管２３の途中にＥＧＲバルブ２４が設けられている。このＥＧＲバルブ２４は、制御バルブ２５によりバルブ開度が可変され、その開度調整によりＥＧＲ配管２３を通過するＥＧＲガス量を制御する。制御バルブ２５はエンジン運転状態に応じて制御回路２６により制御される。これらＥＧＲ配管２３、ＥＧＲバルブ２４及び制御バルブ２５からＥＧＲ装置（排ガス還流装置）３０が構成されている。
【００１７】
制御回路２６は、マイクロコンピュータを主体として構成され、アクセルセンサ２７、エンジン回転数センサ２８、車速センサ２９等の運転状態検出手段から出力されるエンジン運転状態の情報と排ガス温度センサ１４、１５、１６から出力される触媒１３の温度（分布）の情報を読み込み、これらの情報に基づいて後述する図７の炭化水素供給量演算ルーチンによって炭化水素供給量を算出し、それに応じて炭化水素供給装置１７を駆動して触媒１３への炭化水素供給量を制御する。
【００１８】
この場合、炭化水素供給量の算出方法は、触媒１３の複数位置の温度とエンジン運転状態から触媒１３の複数位置のＮＯｘの還元浄化能力を推定し、上流側位置のＮＯｘの還元浄化能力の寄与度を大きくするように重み付けを行って触媒１３全体のＮＯｘの還元浄化能力を推定し、その推定値から触媒１３に供給すべき炭化水素供給量を算出するものである。以下、この算出方法について考察する。
【００１９】
まず、触媒１３の温度分布とＮＯｘの浄化率との関係を詳細に調べた。代表例について図３から図６で説明する。図３は、ＮＯｘ浄化率を評価した３種類の温度分布ａ，ｂ，ｃを示すグラフであり、いずれの場合も、触媒内の最高温度がＮＯｘ浄化率が最高になる２５０℃となる。図３において、ａは触媒入口から触媒出口まで２５０℃で一定となる温度分布であり、ｂは触媒入口が２００℃で触媒出口が２５０℃となる温度分布、ｃは触媒入口が２５０℃で触媒出口が２００℃となる温度分布である。これら３種類の温度分布ａ，ｂ，ｃに対して炭化水素供給濃度を変えた時のＮＯｘ浄化率の測定結果を図４に示す。この図４において、炭化水素供給濃度が１０００ｐｐｍｃの時は、ｂ、ａ、ｃの順でＮＯｘ浄化率が高く、炭化水素浄化率は、ａ、ｃ、ｂの順で高くなるが、いずれも９０％以上であった。
【００２０】
次に、炭化水素供給濃度が１０００ｐｐｍｃの時に、触媒入口側よりも触媒出口側の温度が高くなる温度分布ｂのＮＯｘ浄化率が高い理由を説明する。炭化水素の反応活性化エネルギはＮＯｘの反応活性化エネルギより大きいため、低温ほど炭化水素によるＮＯｘの選択還元性が高い。従って、炭化水素の反応量一定（炭化水素浄化率は９０％以上でほぼ一定）のもとでは、触媒温度が低いほどＮＯｘ浄化率が高いことになる。一方、触媒に供給する炭化水素は、触媒を通過する過程で消費されるため、触媒内部の炭化水素の濃度分布は、触媒上流側ほど高く、下流側ほど低くなる。ｂは触媒上流側の温度が低く、且つ、炭化水素濃度が高いため、触媒上流側でのＮＯｘの選択還元性か高くなる。ｃは触媒下流側の温度が低いが、炭化水素濃度も低いため、ｂよりもＮＯｘ浄化率が低くなると考えられる。以上の試験結果から、触媒上流側のＮＯｘ浄化特性が触媒全体のＮＯｘ浄化特性に影響を及ぼす寄与度が大きいことが見い出せる。
【００２１】
一方、炭化水素供給濃度が３０００ｐｐｍｃの時は、ａ、ｃ、ｂの順でＮＯｘ浄化率が高く、炭化水素浄化率はａ、ｃに比較してｂは低い。ｂのＮＯｘ浄化率が低い理由は、低温ほど炭化水素によるＮＯｘの選択還元性が高くなるのであるが、それ以上に、炭化水素浄化率が低い分、炭化水素反応量が少なくなり、ＮＯｘ反応量が少なくなったためと考えられる。ｃは触媒下流側が低温であるが、触媒上流側の温度が高く、且つ、炭化水素濃度も高いため、触媒上流側のＮＯｘ浄化特性が触媒全体のＮＯｘ浄化特性に影響を及ぼす寄与度が大きくなり、ｂよりＮＯｘ浄化率が高くなると考えられる。
【００２２】
また、炭化水素供給濃度が５０００ｐｐｍｃの時は、ａ、ｃ、ｂの順でＮＯｘ浄化率が高く、特に、ｂはＮＯｘ浄化率が低い。炭化水素浄化率はａ、ｃに比較してｂは低い。ここで、ｂのＮＯｘ浄化率が低い理由は、触媒上流側の温度が低温であるため、供給した炭化水素（軽油）が触媒表面上を覆う、いわゆる触媒の低温被毒が発生し、触媒反応が阻害されてＮＯｘを還元浄化できなくなるためと考えられる。ｃは触媒下流側が低温であるが、触媒上流側の温度が高く、上流側での反応熱で温度上昇した排ガスが触媒下流に流れるため、触媒の低温被毒は起こりにくい。いずれにしても、触媒上流側のＮＯｘ浄化特性が触媒全体のＮＯｘ浄化特性に影響を及ぼす寄与度が大きいと考えられる。
【００２３】
次に、触媒内の最高温度がＮＯｘ浄化率がピークから低下する２７５℃になる温度分布で上述と同様の評価を行うために、図５に示した３種類の温度分布ｄ，ｅ，ｆを作り出した。ｄは触媒入口から触媒出口まで２７５℃で一定の温度分布であり、ｅは触媒入口が２２５℃、触媒中央がＮＯｘ浄化率が最高になる２５０℃、触媒出口が２７５℃となる温度分布であり、ｆは触媒入口が２７５℃、触媒中央がＮＯｘ浄化率が最高になる２５０℃、触媒出口が２２５℃の温度分布である。それぞれの温度分布ｄ，ｅ，ｆに対して炭化水素供給濃度を変えた時のＮＯｘ浄化率を図６に示す。
【００２４】
この図６において、炭化水素供給濃度が１０００ｐｐｍｃの時は、ｅ、ｄ、ｆの順でＮＯｘ浄化率が高く、炭化水素浄化率は、いずれも９０％以上であった。ここで、ｄ、ｆのＮＯｘ浄化率が低い理由は、触媒上流側が高温であるため、ＮＯｘの選択還元性が低いことと、ｆは触媒下流側が低温にも拘らず、高温の触媒上流側で炭化水素の反応が促進されてしまい、触媒下流側には少量の炭化水素しか供給されないためである。
【００２５】
一方、炭化水素供給濃度が３０００ｐｐｍｃの時は、ｅ、ｄ、ｆの順でＮＯｘ浄化率が高い。図４では、ｂは炭化水素浄化率が低下（炭化水素反応量が低下）して、ＮＯｘ浄化率が低下したが、図６では、触媒温度が全体的に上昇しているので、炭化水素反応量の大きな低下がないためである。
【００２６】
また、炭化水素供給濃度が５０００ｐｐｍｃの時は、ｄ、ｅ、ｆの順でＮＯｘ浄化率が高い。図４では、ｂは供給した炭化水素（軽油）が触媒表面上を覆う、いわゆる触媒の低温被毒が発生し、触媒反応が阻害されてＮＯｘが還元浄化できなくなるため、ＮＯｘ浄化率が大幅に低下したが、図６では、触媒温度が全体的に上昇しているので、ＮＯｘ浄化率の低下はない。ｆの浄化率がｄより高くなったのは、高温の触媒上流側で大量の炭化水素が反応し、その反応熱で温度上昇した排ガスが触媒下流に流れるが、ｆの方がｄより触媒下流の温度が低いため、ＮＯｘの選択還元性が高いからである。
【００２７】
以上の評価試験から見て、触媒に温度分布がある場合は、触媒内の１点の温度を触媒全体の代表温度として触媒全体のＮＯｘ浄化性能を推定すると、炭化水素供給量に過不足が生じる。従って、触媒の複数位置の温度から触媒全体のＮＯｘ浄化性能を推定する必要がある。更に、触媒上流側の触媒活性状態、特に、触媒上流側のＮＯｘ浄化特性が触媒全体のＮＯｘ浄化特性に影響を及ぼす寄与度が大きいため、触媒の複数位置でのＮＯｘの浄化能力から炭化水素供給量を算出する場合は、触媒上流側の位置でのＮＯｘの浄化能力の寄与度を大きくするよう重み付けを行い、複数位置でのＮＯｘの浄化能力から炭化水素供給量を算出すれば、様々な運転条件、様々な触媒の温度分布に対して炭化水素供給量を精度良く算出できることが判明した。
【００２８】
このような炭化水素供給量の算出は、制御回路２６によって図７の炭化水素供給量演算ルーチンに従って行われる。本ルーチンは、所定時間毎または所定クランク角度毎に起動される。本ルーチンが起動されると、まず、ステップ１０１で排ガス温度センサ１４，１５，１６とアクセルセンサ２７とエンジン回転数センサ２８から出力される信号を読み込む。そして、次のステップ１０２で、アクセルセンサ２７とエンジン回転数センサ２８の出力信号、すなわちアクセル開度とエンジン回転数に基づいて、マップ（図示せず）等からディーゼルエンジン１１からのＮＯｘ排出量を算出する。
【００２９】
この後、ステップ１０３で、排ガス温度センサ１４，１５，１６の出力信号から触媒１３の上流側温度ＴＡと中央温度ＴＢと下流側温度ＴＣを検出する。次のステップ１０４で、図８に示す基準ＮＯｘ排出量時（例えば１０グラム／時間）の炭化水素供給量マップから、触媒上流側温度ＴＡに相当する炭化水素供給量ＨＡ、触媒中央温度ＴＢに相当する炭化水素供給量ＨＢ、触媒下流側温度ＴＣに相当する炭化水素供給量ＨＣを算出する。このようにして求めたＨＡ、ＨＢ、ＨＣが触媒１３の各位置のＮＯｘの還元浄化能力を表す指標となる。ここで、図８に示す基準ＮＯｘ排出量時の炭化水素供給量マップは、触媒温度に対するＮＯｘ浄化特性が考慮され、ＮＯｘ浄化率が高い温度では炭化水素供給量を大きく設定し、ＮＯｘ浄化率が低い温度では炭化水素供給量を小さく設定されている。
【００３０】
そして、次のステップ１０５では、前記ステップ１０２で求めたＮＯｘ排出量とステップ１０４で求めた炭化水素供給量ＨＡ、ＨＢ、ＨＣから次のようにして最終炭化水素供給量ＨＣＴＯＴＡＬを算出する。まず、触媒上流側に相当する炭化水素供給量ＨＡに重み係数ｋ１を乗じ、触媒中央に相当する炭化水素供給量ＨＢに重み係数ｋ２を乗じ、触媒下流に相当する炭化水素供給量ＨＣに重み係数ｋ３を乗じて合計する（ｋ１×ＨＡ＋ｋ２×ＨＢ＋ｋ３×ＨＣ）。この合計値が触媒１３全体のＮＯｘの還元浄化能力を表す指標となる。ここで、例えば、ｋ１＝０．５、ｋ２＝０．３３、ｋ３＝０．１７（但し、ｋ１＋ｋ２＋ｋ３＝１）というように触媒上流側の重み係数ほど大きくする（ｋ１＞ｋ２＞ｋ３）。この理由は、前述したように、触媒上流側ほどのＮＯｘ浄化能力の寄与度が大きいためである。
【００３１】
このようにして重み係数を乗じて加算した値（ｋ１×ＨＡ＋ｋ２×ＨＢ＋ｋ３×ＨＣ）に、ステップ１０２で求めたＮＯｘ排出量と基準ＮＯｘ排出量との比を乗ずる。これは、基準ＮＯｘ排出量よりもＮＯｘ排出量が大きい時は、その比率に応じて最終炭化水素供給量を増量補正し、基準ＮＯｘ排出量よりもＮＯｘ排出量が小さい時は、その比率に応じて最終炭化水素供給量を減量補正するためである。
【００３２】
以上のようにして、ステップ１０５で算出された最終炭化水素供給量ＨＣＴＯＴＡＬに基づいて制御回路２６によって炭化水素供給装置１７を制御し、触媒１３に適量の炭化水素を供給する。これにより、様々な運転条件下で、様々な温度分布、活性状態で使用される触媒１３に対して、常に適正量の炭化水素を供給することができる。
【００３３】
次に、触媒１３に温度分布が生じる車両の加速、減速時に本制御を適用した場合の制御例を図９のタイムチャートを用いて説明する。車両がアイドル運転（車速ゼロ）から加速を始めると、触媒上流側温度ＴＡはすぐに昇温するが、触媒中央温度ＴＢは触媒１３の熱容量によりゆっくりと昇温し、触媒下流側温度ＴＣは更にゆっくりとしか昇温しないため、触媒１３は上流側が下流側よりも高温になる。図８に示す基準ＮＯｘ排出量時の炭化水素供給量マップにより算出した、各時刻のＴＡ、ＴＢ、ＴＣに対応する炭化水素供給量ＨＡ、ＨＢ、ＨＣは、加速の前半でＨＡがピーク値をとり、加速の中頃でＨＢがピーク値をとり、加速の後半でＨＣがピーク値をとる。最終炭化水素供給量は、ＨＡ、ＨＢ、ＨＣに触媒上流側ほど大きな重み係数を乗じて求められるため、ＨＡがピーク値をとる加速の前半では、最終炭化水素供給量が大きな値となる。ＨＢがピーク値をとる加速の中頃では、ＨＡがやや減少するため最終炭化水素供給量も減少する。ＨＣがピーク値をとる加速の後半では、ＨＡが更に減少するため最終炭化水素供給量も更に減少する。
【００３４】
車両が定速走行から減速を始めると、触媒上流側温度ＴＡはすぐに降温するが、触媒中央温度ＴＢは触媒１３の熱容量によりゆっくりと降温し、触媒下流側温度ＴＣは更にゆっくりとしか降温しないため、触媒１３は上流側が下流側より低温になる。図８に示す基準ＮＯｘ排出量時の炭化水素供給量マップより算出した、各時刻のＴＡ、ＴＢ、ＴＣに対応する炭化水素供給量ＨＡ、ＨＢ、ＨＣは、減速の前半でＨＡがピーク値をとり、減速の中頃でＨＢがピーク値をとり、減速の後半でＨＣがピーク値をとる。最終炭化水素供給量は、ＨＡ、ＨＢ、ＨＣに触媒上流側ほど大きな重み係数を乗じて求められるため、ＨＡがピーク値をとる減速の前半では、最終炭化水素供給量が大きな値となる。ＨＢがピーク値をとる減速の中頃では、ＨＡがやや減少するため最終炭化水素供給量も減少する。ＨＣがピーク値をとる減速の後半では、ＨＡはほぼゼロであるため最終炭化水素供給量も更に減少する。
【００３５】
このように、触媒１３の各位置の温度ＴＡ、ＴＢ、ＴＣに対応する炭化水素供給量ＨＡ、ＨＢ、ＨＣに触媒上流側ほど大きな重み係数を乗じて、最終炭化水素供給量を求めることで、様々な運転条件下で、様々な温度分布、活性状態で使用される触媒１３に対して、常に適正量の炭化水素を供給することができ、ＮＯｘの浄化率を向上させることができると共に、未反応のまま排出される炭化水素を低減して燃費を向上することができる。
【００３６】
［実施形態（２）］
図７の炭化水素供給量演算ルーチンでは、ステップ１０４で図８に示す基準ＮＯｘ排出量時の炭化水素供給量マップより炭化水素供給量ＨＡ、ＨＢ、ＨＣを求め、ステップ１０５で重み係数を乗じて加算して最終炭化水素供給量を求めるようにしているが、図１０に示す実施形態（２）では、予め炭化水素供給量に重み係数を乗じて設定された触媒上流側、触媒中央、触媒下流側の炭化水素供給量マップからＨＡ、ＨＢ、ＨＣを求め、次式により最終炭化水素供給量を求める。
最終炭化水素供給量＝（ＨＡ＋ＨＢ＋ＨＣ）×（ＮＯｘ排出量／基準ＮＯｘ排出量）
このようにしても、前記実施形態（１）と同じ効果を得ることができる。
【００３７】
［実施形態（３）］
上記実施形態（１），（２）では、触媒１３の各位置のＮＯｘの還元浄化能力を炭化水素供給量で表して演算したが、図１１及び図１２に示す実施形態（３）では、触媒１３の各位置のＮＯｘの還元浄化能力を触媒温度ＴＡ、ＴＢ、ＴＣで表して演算し、上流側の位置の触媒温度の寄与度を大きくするように重み付けを行って触媒１３全体を代表する温度（以下「触媒代表温度」という）を推定し、この触媒代表温度とエンジン運転状態とに基づいて最終炭化水素供給量を算出する。
【００３８】
このような最終炭化水素供給量の算出は、図１１の炭化水素供給量演算ルーチンに従って行われる。本ルーチンのステップ２０１からステップ２０３までの処理は実施形態（１）と同じであり、これらの処理によって、アクセル開度とエンジン回転数に基づいてディーゼルエンジン１１からのＮＯｘ排出量を算出すると共に、触媒１３の上流側温度ＴＡと中央温度ＴＢと下流側温度ＴＣを検出する。そして、次のステップ２０４で、触媒１３の各位置の温度ＴＡ、ＴＢ、ＴＣから触媒代表温度を次のようにして算出する。
【００３９】
まず、触媒上流側温度ＴＡに重み係数ｋ１を乗じ、触媒中央温度ＴＢに重み係数ｋ２を乗じ、触媒下流温度軽油供給量ＴＣに重み係数ｋ３を乗じ、これらを合計して触媒代表温度を算出する。
触媒代表温度＝ｋ１×ＴＡ＋ｋ２×ＴＢ＋ｋ３×ＴＣ
ここで、例えばｋ１＝０．５、ｋ２＝０．３３、ｋ３＝０．１７（但し、ｋ１＋ｋ２＋ｋ３＝１）というように触媒上流側の重み係数ほど大きく設定する。この触媒代表温度が触媒１３全体のＮＯｘの還元浄化能力を表す指標となる。
【００４０】
そして、次のステップ２０５では、図８に示す基準ＮＯｘ排出量時の炭化水素供給量マップから、触媒代表温度に相当する炭化水素供給量ＨＣo算出する。この後、ステップ２０６で、炭化水素供給量ＨＣoにステップ２０２で求めたＮＯｘ排出量と基準ＮＯｘ排出量の比を乗じて最終炭化水素供給量ＨＣＴＯＴＡＬを算出する。
ＨＣＴＯＴＡＬ＝ＨＣo×（ＮＯｘ排出量／基準ＮＯｘ排出量）
【００４１】
次に、触媒１３に温度分布が生じる車両の加速、減速時に本実施形態（３）の制御を適用した場合の制御例を図１２のタイムチャートを用いて説明する。車両がアイドル運転（車速ゼロ）から加速を始めると、触媒上流側温度ＴＡはすぐに昇温するが、触媒中央温度ＴＢは触媒の熱容量によりゆっくりと昇温し、触媒下流側温度ＴＣは更にゆっくりとしか昇温しないため、触媒１３は上流側が下流側より高温になる。触媒代表温度は、比較的速やかに昇温し、最終炭化水素供給量も速やかに増加していく。
【００４２】
車両が定速走行から減速を始めると、触媒上流側温度ＴＡはすぐに降温するが、触媒中央温度ＴＢは触媒１３の熱容量によりゆっくりと降温し、触媒下流側温度ＴＣは更にゆっくりとしか降温しないため、触媒１３は上流側が下流側より低温になる。触媒上流側温度ＴＡが低温になっても、触媒中央温度ＴＢや触媒下流側温度ＴＣはまだ温度が高いため、触媒代表温度は、触媒上流側温度ＴＡよりもゆっくりと降温し、最終炭化水素供給量もゆっくりと減少していく。
【００４３】
以上説明した実施形態（３）によれば、上流側位置での触媒温度の寄与度を大きくするよう重み付けを行うことで触媒代表温度を算出する。これにより、単に熱エネルギ的な平均触媒温度ではなく、触媒１３全体のＮＯｘ浄化特性を代表する温度を算出することができ、この触媒代表温度とエンジン運転状態から最終炭化水素供給量を決定することで、前記実施形態（１），（２）の場合と同じく、様々な運転条件下で、様々な温度分布、活性状態で使用される触媒１３に対して、常に適正量の炭化水素を供給することができ、ＮＯｘの浄化率を向上させることができると共に、未反応のまま排出される炭化水素を低減して燃費を向上することができる。
【００４４】
［実施形態（４）］
上記各実施形態（１）〜（３）は、触媒温度分布に応じて炭化水素供給量を適正化したものであるが、図１３及び図１４に示す実施形態（４）は、加速時のＥＧＲ制御（排ガス還流制御）の遅れによるＮＯｘ排出量の増加に応じて炭化水素供給量を適正化したものである。
【００４５】
まず、図１５を用いてエンジン過渡運転時のＥＣＲ制御について説明する。車両がアイドル運転（車速ゼロ）から加速を始めると、定常運転状態から求まる目標ＥＧＲ率に対して、実際のＥＧＲ率は低くなるため、ＮＯｘ排出濃度は目標の濃度よりも実際の濃度が高い値になる。このように、加速時に目標ＥＧＲ率より実際のＥＧＲ率が低くなる原因は、図１に示したＥＧＲ装置３０の制御バルブ２５とＥＧＲバルブ２４の作動応答遅れや、ＥＧＲ配管２３を通過するＥＧＲガスの流れの遅れとＥＧＲ制御安定性を保つための制御面での遅れによるものと考えられる。一方、減速時には実際のＥＧＲ率はやや遅れるもののほぼ目標ＥＧＲ率であるゼロに制御されている。これは、ＥＣＲバルブ２４を遮断する応答遅れだけであるためと考えられる。従って、減速時にはＥＧＲ制御の遅れによるＮＯｘ排出量増加はほとんどなく、加速時のＥＧＲ制御の遅れによるＮＯｘ排出量増加が問題になる。
【００４６】
そこで、実施形態（４）では、図１３に示す炭化水素供給量演算ルーチンによって、加速時にＥＧＲ装置３０のＥＧＲ制御の遅れによる排ガス中のＮＯｘの濃度増加に対応して炭化水素供給装置１７の炭化水素供給量を増量補正するように算出するものであり、更に、増量補正の精度を向上させるために、加速開始時には増量割合を大きくし、加速開始から時間が経過するに従って増量割合を減少させるように補正する。これは、加速開始から時間が経過するに従って、ＥＧＲ制御の遅れが少なくなって、実際のＮＯｘ排出濃度が低下することを考慮したものである。
【００４７】
以下、この増量補正を行う図１３の炭化水素供給量演算ルーチンの処理内容を説明する。本ルーチンも、所定時間毎または所定クランク角度毎に起動される。本ルーチンが起動されると、まずステップ３００で、図７又は図１１のルーチンを実行し、触媒１３の複数位置のＮＯｘの還元浄化能力を推定し、上流側位置のＮＯｘの還元浄化能力の寄与度を大きくするように重み付けを行って触媒１３全体のＮＯｘの還元浄化能力を推定し、その推定値から触媒１３に供給すべき炭化水素供給量（最終炭化水素供給量ＨＣＴＯＴＡＬ）を算出する。尚、前記実施形態（２）の方法によって最終炭化水素供給量を算出しても良い。
【００４８】
そして、次のステップ３０１では、エンジン回転数センサ２８の信号の変化率から回転数上昇率Ｗを算出し、続くステップ３０２で、加速状態にあるか否かを判定するために回転数上昇率Ｗを所定の回転数上昇率Ｗo と比較し、Ｗ≦Ｗo であれば、加速状態でないと判断し、以降の処理を行うことなく、本ルーチンを終了する。もし、ステップ３０２で、Ｗ＞Ｗo であれば、加速状態にあると判断してステップ３０３に進み、後述する増量補正時間計測用のタイマーが作動中か否かを判定し、作動中ならば、ステップ３０５に進み、作動中でなければ、ステップ３０４でＷ1 ＝Ｗとした上で、ステップ３０５に進む。
【００４９】
このステップ３０５では、加速開始による炭化水素供給量の増量補正開始後に、より急な加速が行われているか否かを判定するため、回転数上昇率ＷをＷ1 と比較し、Ｗ≦Ｗ1 ならば、より急な加速が行われていないと判断してステップ３０６に進み、増量補正時間計測用のタイマーをスタートしまたは既にタイマーがスタートしていれば、その計時動作を継続し、ステップ３０９に進む。もし、ステップ３０５で、Ｗ＞Ｗ1 ならば、より急な加速が行われていると判定して、ステップ３０７でＷ1 ＝Ｗとセットした上で、ステップ３０８でタイマーをリセットし、再スタートさせてステップ３０９に進む。これにより、増量補正開始後に、より急な加速が行われた場合には、その加速が開始された時点から増量補正時間を計測する。
【００５０】
上記ステップ３０９では、加速時の増量補正が必要な時間を経過したか否かを判定するため、増量補正時間計測用のタイマーが所定時間を経過したか否かを判定し、所定時間を経過していれば、最終炭化水素供給量の増量補正は不要と判断してステップ３１０に進み、増量補正時間計測用のタイマーをストップして本ルーチンを終了する。
【００５１】
一方、ステップ３０９で、増量補正時間計測用のタイマーが所定時間を経過していない場合（つまりタイマー作動中の場合）には、ステップ３１１に進み、前記ステップ３００で求められた最終炭化水素供給量ＨＣＴＯＴＡＬに補正係数ｋ５を乗じて、最終炭化水素供給量ＨＣＴＯＴＡＬを増量補正する。ここで、増量補正係数ｋ５は、例えば図１４に示すように増量補正時間が経過するに従って減少していき、約３秒後には１．０（つまり補正なし）になる特性に設定されている。この理由は、ＥＧＲ制御の遅れは、加速開始直後が一番大きく、その後減少していくからである。上記ステップ３１１で最終炭化水素供給量の補正を行った後は、本ルーチンを終了する。
【００５２】
以上説明した実施形態（４）によれば、ディーゼルエンジン１１が低回転から高回転に加速される運転状態では、ＥＧＲ装置３０のＥＧＲ制御の遅れによる排ガス中のＮＯｘの濃度増加に対応して炭化水素供給装置１７による触媒１３への炭化水素供給量を増量側に補正する。これにより、エンジン加速時にＥＧＲ制御の遅れによりディーゼルエンジン１１からのＮＯｘ排出濃度が増加しても、そのＮＯｘの排出濃度増加分に見合った量の炭化水素を増量して触媒１３に供給することができて、触媒１３でのＮＯｘ浄化性能を向上でき、排出されるＮＯｘを低減できる。しかも、加速開始から時間が経過するに従って、炭化水素供給量の増量割合を減少させるように補正するので、加速開始後の時間経過によるＮＯｘの排出濃度の低下に対応して炭化水素供給量を適正に補正することができ、ＮＯｘの浄化率を向上させながら、未反応のまま排出される炭化水素を低減して燃費を向上することができる。
【００５３】
尚、図１３の制御では、ステップ３００で、実施形態（１）〜（３）のいずれかの算出方法で触媒温度分布に応じた炭化水素供給量を算出するようにしたが、例えば、触媒１３の入口温度または出口温度等、いずれか１点の触媒温度に基づいて炭化水素供給量を算出するようにしても良い。この場合でも、加速時に発生するＥＧＲ制御の遅れによるＮＯｘ排出濃度の増加に対して、炭化水素供給量の増量補正で有効に対処でき、加速時に排出されるＮＯｘを従来より低減することができる。
【００５４】
［その他の実施形態］
前記各実施形態では、触媒１３の上流側と中央と下流側の３箇所で触媒温度を検出するようにしたが、上流側と下流側の２箇所のみ、或は４箇所以上で触媒温度を検出するようにしても良い。また、前記各実施形態では、アクセル開度とエンジン回転数に基づいて、ディーゼルエンジン１１からのＮＯｘ排出量を算出するようにしたが、アクセル開度とエンジン回転数の他に、吸気量や吸気管圧力、燃料噴射量等のエンジン運転状態パラメータを用いてＮＯｘ排出量を算出するようにしても良い。また、前記各実施形態では、触媒１３に供給する炭化水素として燃料（軽油）を用いたが、灯油等の液状の炭化水素や、プロパン等のガス状の炭化水素を用いるようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態（１）を示す排ガス浄化システム全体の構成図
【図２】触媒温度と炭化水素浄化率及び窒素酸化物浄化率との関係を示す特性図
【図３】試験に用いた触媒ａ，ｂ，ｃの温度分布を示す図
【図４】試験に用いた触媒ａ，ｂ，ｃについて、炭化水素供給濃度とＮＯｘ浄化率との関係を測定したグラフ
【図５】試験に用いた触媒ｄ，ｅ，ｆの温度分布を示す図
【図６】試験に用いた触媒ｄ，ｅ，ｆについて、炭化水素供給濃度とＮＯｘ浄化率との関係を測定したグラフ
【図７】実施形態（１）の炭化水素供給量演算ルーチンの処理の流れを示すフローチャート
【図８】実施形態（１）の基準ＮＯｘ排出量時の触媒温度と炭化水素供給量との関係を規定するマップの概念図
【図９】実施形態（１）の制御例を示すタイムチャート
【図１０】実施形態（２）の基準ＮＯｘ排出量時の触媒温度と炭化水素供給量との関係を規定するマップの概念図
【図１１】実施形態（３）の炭化水素供給量演算ルーチンの処理の流れを示すフローチャート
【図１２】実施形態（３）の制御例を示すタイムチャート
【図１３】実施形態（４）の炭化水素供給量演算ルーチンの処理の流れを示すフローチャート
【図１４】増量補正係数ｋ５の経時的変化を示す図
【図１５】エンジン過渡運転時のＥＧＲ制御の挙動を示すタイムチャート
【符号の説明】
１１…ディーゼルエンジン（内燃機関）、１２…排気管（排ガス通路）、１３…触媒、１４，１５，１６…排ガス温度センサ（触媒温度判定手段）、１７…炭化水素供給装置（炭化水素供給手段）、１８…燃料噴射ポンプ、２１…燃料噴射ノズル、２２…吸気管、２３…ＥＧＲ配管、２４…ＥＧＲバルブ、２５…制御バルブ、２６…制御回路（制御手段）、２７…アクセルセンサ（運転状態検出手段）、２８…エンジン回転数センサ（運転状態検出手段）、２９…車速センサ（運転状態検出手段）、３０…ＥＧＲ装置（排ガス還流装置）。

Claims (6)

1. 内燃機関の排ガス通路に配設され、排ガス中の窒素酸化物を還元浄化する触媒と、
   前記触媒の複数位置の温度を検出または推定する触媒温度判定手段と、
   前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
   前記触媒に対して窒素酸化物の還元剤として炭化水素を供給する炭化水素供給手段と、
   前記触媒温度判定手段と前記運転状態検出手段とから得られる情報に基づいて前記触媒の複数位置の窒素酸化物の還元浄化能力を推定し、上流側位置の窒素酸化物の還元浄化能力の寄与度を大きくするように重み付けを行って触媒全体の窒素酸化物の還元浄化能力を推定し、その推定値から前記触媒に供給すべき炭化水素供給量を求めて前記炭化水素供給手段を制御する制御手段と
   を備えていることを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。
2. 前記制御手段は、前記触媒全体の窒素酸化物の還元浄化能力を推定する際に、上流側位置の窒素酸化物の還元浄化能力の寄与度を大きくするように重み付けを行った複数位置の窒素酸化物の還元浄化能力を合計して前記触媒全体の窒素酸化物の還元浄化能力を求めることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
3. 前記制御手段は、前記窒素酸化物の還元浄化能力を炭化水素供給量で表して演算することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
4. 前記制御手段は、前記窒素酸化物の還元浄化能力を触媒温度で表して演算し、上流側位置の触媒温度の寄与度を大きくするように重み付けを行って前記触媒全体を代表する温度（以下「触媒代表温度」という）を推定し、この触媒代表温度と前記運転状態検出手段の検出結果とに基づいて前記触媒に供給すべき炭化水素供給量を求めることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
5. 内燃機関の排ガスの一部を吸気系へ還流させる排ガス還流装置と、
   前記内燃機関の排ガス通路に配設され、排ガス中の窒素酸化物を還元浄化する触媒と、
   前記触媒に対して窒素酸化物の還元剤として炭化水素を供給する炭化水素供給手段と、
   前記炭化水素供給手段から前記触媒に供給する炭化水素供給量を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記内燃機関を加速運転する時に前記排ガス還流装置の排ガス還流制御の遅れによる排ガス中の窒素酸化物の濃度増加に対応して前記触媒への炭化水素供給量を増量補正するように算出することを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。
6. 前記制御手段は、加速運転時に前記触媒への炭化水素供給量を増量補正する際に、加速開始時には増量割合を大きくし、加速開始から時間が経過するに従って増量割合を減少させるように補正することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。

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