JP5333664B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
内燃機関の排気通路に上流から順に酸化触媒、還元剤添加弁、選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＳＣＲ触媒という）を配置し、ＳＣＲ触媒に流入する排気中のＮＯｘの量及びＳＣＲ触媒床温に応じて還元剤添加弁からの還元剤の添加を制御することが特許文献１に開示されている。特許文献１では、還元剤の添加方法として、２通りの方法を用いることが開示されている。
第１の方法としては、内燃機関から排出されてＳＣＲ触媒に流入するＮＯｘの量を推定し、そのＮＯｘ量に応じた分だけ（例えば当量比１）の還元剤を継続的に添加する方法である。この場合には、還元剤の供給制御の応答遅れ、還元剤から加水分解してＮＨ３になるまでの遅れ等から、内燃機関からＮＯｘの排出量が急激に変化した場合に対応が間に合わず、最適な添加量とすることが困難である。そのため、還元剤の添加過多によるＳＣＲ触媒の下流へのＮＨ３のすり抜けや、還元剤の添加不足によるＮＯｘ浄化率の低下が起こり得る。
第２の方法としては、ＳＣＲ触媒のＮＨ３を吸着する機能を利用し、予め飽和吸着量を超えない範囲でＮＨ３をＳＣＲ触媒に吸着させて保持させておき、ＮＯｘの還元によりＳＣＲ触媒に保持されていたＮＨ３が消費され次第、消費されたＮＨ３の量に応じた分だけ還元剤を供給する方法である。この場合には、第１の方法に比して、応答遅れがなく、ＮＯｘの量の急激な変化に対応し易いため、従来においては主に第２の方法が採用されていた。ここで、第２の方法では、特許文献４に開示されているように、ＳＣＲ触媒へ吸着させておくＮＨ３の量は、飽和吸着量を超えない限りにおいて、できるだけ多い方がよいと考えられていた。
特開２００８−２６１２５３号公報 特開２００９−２９３４４４号公報 特開２００５−２２６５０４号公報 特開２００５−１２７２５６号公報
しかしながら、本発明者らの知見によると、ＮＯｘ浄化に必要なＮＨ３をＳＣＲ触媒に予め吸着させておき、その後還元剤の添加を停止する場合には、ＮＨ３が吸着していても、継続的に還元剤を添加する場合に比して、ＮＯｘ浄化率が低下することを見出した。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、内燃機関の排気浄化装置において、選択還元型ＮＯｘ触媒の下流へのＮＨ３のすり抜けを回避しつつ、還元剤を可及的に継続して添加し、ＮＯｘ浄化率の低下を回避する技術を提供することを目的とする。
本発明にあっては、以下の構成を採用する。すなわち、本発明は、
内燃機関の排気通路に配置された選択還元型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配置され、前記選択還元型ＮＯｘ触媒へＮＨ３を供給するための還元剤を添加する還元剤添加部と、
を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、
前記選択還元型ＮＯｘ触媒は、ＮＨ３を用いてＮＯｘを浄化する活性点と、ＮＨ３を吸着する吸着サイトと、を有しており、
前記吸着サイトには、前記活性点の近傍に位置する近傍サイトと、前記活性点の遠方に位置する遠方サイトと、が存在し、
前記近傍サイトは前記遠方サイトよりも前記活性点にＮＨ３を受け渡し易く、前記近傍サイトのＮＨ３の離脱速度が前記遠方サイトのＮＨ３の離脱速度よりも速いものであり、
前記近傍サイトのＮＨ３の離脱速度に基づいて、前記近傍サイトに吸着したＮＨ３を存在させ続けるように前記還元剤添加部からの還元剤の添加を制御する制御部を備えた内燃機関の排気浄化装置である。
本発明者らの知見によると、ＮＯｘ浄化に必要なＮＨ３を選択還元型ＮＯｘ触媒に予め吸着させておき、その後還元剤の添加を停止する場合には、ＮＨ３が吸着していても、継続的に還元剤を添加する場合に比して、ＮＯｘ浄化率が低下することを見出した。
これは、以下の理由によると考えられる。選択還元型ＮＯｘ触媒には、ＮＨ３を用いてＮＯｘを浄化する活性点が点在していると共に、ＮＨ３を吸着する吸着サイトが存在している。吸着サイトのうち活性点近傍の近傍サイトでは、活性点遠方の遠方サイトよりも活性点にＮＨ３を受け渡し易い。このため、ＮＨ３を活性点に受け渡すことによる近傍サイトのＮＨ３の離脱速度が遠方サイトのＮＨ３の離脱速度よりも速い。つまり、活性点で用いられるＮＨ３の多くは近傍サイトに吸着したＮＨ３であり、遠方サイトに吸着したＮＨ３は活性点で用いられ難くＮＯｘの浄化に寄与し難い。よって、還元剤を継続的に添加して近傍サイトにＮＨ３を供給し続ける方が、遠方サイトに吸着したＮＨ３を離脱させて用いるよりもＮＯｘを浄化し易い。このため、継続的に還元剤を添加する場合の方が、ＮＯｘ浄化に必要なＮＨ３を選択還元型ＮＯｘ触媒に予め吸着させておき、その後還元剤の添加を停止する場合よりも、ＮＯｘ浄化率が高くなると考えられる。
そこで、本発明では、近傍サイトのＮＨ３の離脱速度に基づいて、近傍サイトに吸着したＮＨ３を存在させ続けるように還元剤添加部からの還元剤の添加を制御する。つまり、近傍サイトが活性点にＮＨ３を受け渡して近傍サイトからＮＨ３が離脱しても直ぐに新たなＮＨ３を近傍サイトに吸着させておくことができるように、還元剤添加部から還元剤を可及的に継続して添加する。これによると、近傍サイトにＮＨ３を可及的に存在させ続けるので、近傍サイトに吸着したＮＨ３を活性点に常に受け渡してＮＯｘを浄化することができる。よって、高いＮＯｘ浄化率を維持することができる。
ここで、本発明では、近傍サイトのＮＨ３の離脱速度に着目している。近傍サイトのＮＨ３の離脱速度とは、近傍サイトにＮＨ３を吸着させてから吸着したＮＨ３を活性点に受け渡すまでの速度であり、近傍サイトでのＮＨ３の消費速度ともいえる。近傍サイトのＮＨ３の離脱速度に対してＮＨ３の供給が遅ければ、近傍サイトにＮＨ３を吸着していない状態となり、ＮＯｘを浄化できなくなり、ＮＯｘ浄化率が低下してしまう。一方、近傍サイトのＮＨ３の離脱速度に対してＮＨ３の供給が速ければ、近傍サイトだけでなく遠方サイトもＮＨ３を吸着してしまい、選択還元型ＮＯｘ触媒のＮＨ３の吸着量の飽和を招き、選択還元型ＮＯｘ触媒の下流へのＮＨ３のすり抜けが生じてしまう。このため、近傍サイトのＮＨ３の離脱速度に対してＮＨ３の供給速度が最適となり、近傍サイトにＮＨ３が存在し続けるように、近傍サイトのＮＨ３の離脱速度を考慮して還元剤を添加させる。
本発明によると、還元剤を可及的に継続して添加し、ＮＯｘ浄化率の低下を回避することができる。また、継続して添加する量は、近傍サイトに吸着したＮＨ３を存在させ続けるだけの添加量であり、過剰に還元剤を添加するわけではないので、選択還元型ＮＯｘ触媒の下流へのＮＨ３のすり抜けをも回避することができる。
また本発明によると、近傍サイトに吸着したＮＨ３が存在し続けるので、還元剤の供給制御の応答遅れ、還元剤から加水分解してＮＨ３になるまでの遅れ等を近傍サイトに吸着したＮＨ３で吸収できる。このため、内燃機関からＮＯｘの排出量が急激に変化した場合でも対応が間に合い、最適な添加量とすることができる。そのため、還元剤の添加過多による選択還元型ＮＯｘ触媒の下流へのＮＨ３のすり抜けや、還元剤の添加不足によるＮＯｘ浄化率の低下が起こり難い。
前記制御部は、前記選択還元型ＮＯｘ触媒のＮＨ３の吸着量が飽和に近付くまでは、還元剤を添加し続けるとよい。
これによると、選択還元型ＮＯｘ触媒のＮＨ３の吸着量が飽和に近付き、選択還元型ＮＯｘ触媒の下流へのＮＨ３のすり抜けが生じるおそれがあるまでは、近傍サイトにＮＨ３を供給し続けることで高いＮＯｘ浄化率を維持することができる。
前記制御部は、前記近傍サイトにＮＨ３が未吸着の場合には、前記近傍サイトに吸着したＮＨ３を存在させ続ける場合よりも、還元剤を増量して添加するとよい。
これによると、近傍サイトにＮＨ３が未吸着の場合には、添加する還元剤を増量することにより、近傍サイトに還元剤の加水分解を促進して早期にＮＨ３を確保させることができ、ＮＯｘ浄化率を高めることができる。
前記近傍サイトのＮＨ３の離脱速度及び前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流入するＮＯｘの量に基づいて、前記還元剤添加部から添加する還元剤の、前記近傍サイトに吸着したＮＨ３を存在させ続ける所定当量比添加量を算出する添加量算出部を備え、
前記制御部は、前記添加量算出部が算出した所定当量比添加量に基づいて、前記近傍サイトにＮＨ３が未吸着である場合には所定当量比添加量よりも多い還元剤を添加し、前記近傍サイトに吸着したＮＨ３を存在させ続ける場合には所定当量比添加量の還元剤を添加し、前記選択還元型ＮＯｘ触媒のＮＨ３の吸着量が飽和に近付いた場合には所定当量比添加量よりも少ない還元剤を添加する又は還元剤の添加を停止するとよい。
ここで、所定当量比添加量は、近傍サイトのＮＨ３の離脱速度と、選択還元型ＮＯｘ触媒に流入するＮＯｘの量と、を考慮することにより、選択還元型ＮＯｘ触媒でＮＯｘを浄化しつつ近傍サイトに吸着したＮＨ３を存在させ続けるようにできる添加量である。例えば、所定当量比添加量としては、ＮＯｘの物質量に対して反応するＮＨ３の物質量の比である当量比が当量比１周辺やその他の値となる還元剤の添加量である。所定当量比添加量は、選択還元型ＮＯｘ触媒に流入するＮＯｘの量に対して相対的に当量比が固定される量でもよいし、ＮＯｘの量や触媒状態等の状況に応じて当量比が変更される量でもよい。
これによると、近傍サイトに吸着したＮＨ３を存在させ続ける所定当量比添加量が算出されるので、近傍サイトに吸着したＮＨ３を存在させ続ける場合に所定当量比添加量という最適な量の還元剤を添加し続けることができ、高いＮＯｘ浄化率を維持することができる。また、近傍サイトにＮＨ３が未吸着の場合には、所定当量比添加量よりも多い還元剤を添加して、近傍サイトにＮＨ３を早期に吸着させることができ、ＮＯｘ浄化率を高めることができる。また、選択還元型ＮＯｘ触媒のＮＨ３の吸着量が飽和に近付いた場合には、所定当量比で添加し続けて早期に添加停止するよりも、少ない量でも継続時間を長くする方が、長期にわたってＮＯｘ浄化率を維持できるので、所定当量比添加量よりも少ない還元剤を添加する、又は還元剤の添加を停止して、選択還元型ＮＯｘ触媒の下流へのＮＨ３のすり抜けを回避することができる。
前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気中のＮＯｘ濃度を取得する第１ＮＯｘ濃度取得部と、
前記選択還元型ＮＯｘ触媒から流出する排気中のＮＯｘ濃度を取得する第２ＮＯｘ濃度取得部と、
前記第１ＮＯｘ濃度取得部及び前記第２ＮＯｘ濃度取得部により取得されたＮＯｘ濃度から前記選択還元型ＮＯｘ触媒でのＮＯｘ浄化率を算出するＮＯｘ浄化率算出部と、
前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度を検出する触媒温度検出部と、
前記ＮＯｘ浄化率算出部により算出されたＮＯｘ浄化率と前記触媒温度検出部により検出された触媒温度とに基づいて、前記選択還元型ＮＯｘ触媒におけるＮＨ３の吸着量を推定する吸着量推定部と、
前記近傍サイトのＮＨ３の離脱速度、及び、前記第１ＮＯｘ濃度取得部により取得されたＮＯｘ濃度と空気量とから算出される前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流入するＮＯｘの量に基づいて、前記還元剤添加部から添加する還元剤の、前記近傍サイトに吸着したＮＨ３を存在させ続ける所定当量比添加量を算出する添加量算出部と、
を備え、
前記選択還元型ＮＯｘ触媒における前記近傍サイトにＮＨ３が未吸着か前記近傍サイトにＮＨ３が吸着しているかの閾値となる第１目標吸着量と、第１目標吸着量よりも多い吸着量であって前記選択還元型ＮＯｘ触媒におけるＮＨ３の吸着量が飽和に近付いていないか吸着量が飽和に近付いているかの閾値となる第２目標吸着量と、を設定し、
前記制御部は、前記添加量算出部が算出した所定当量比添加量に基づいて、前記吸着量推定部が推定した吸着量が第１目標吸着量未満の場合には、所定当量比添加量よりも多い還元剤を添加し、前記吸着量推定部が推定した吸着量が第１目標吸着量以上第２目標吸着量未満の場合には、所定当量比添加量の還元剤を添加し、前記吸着量推定部が推定した吸着量が第２目標吸着量以上の場合には、所定当量比添加量よりも少ない還元剤を添加する又は還元剤の添加を停止するとよい。
これによると、近傍サイトに吸着したＮＨ３を存在させ続ける所定当量比添加量が算出されるので、近傍サイトに吸着したＮＨ３を存在させ続ける、吸着量推定部が推定した吸着量が第１目標吸着量以上第２目標吸着量未満の場合に、所定当量比添加量という最適な量の還元剤を添加し続けることができ、高いＮＯｘ浄化率を維持することができる。また、近傍サイトにＮＨ３が未吸着である、吸着量推定部が推定した吸着量が第１目標吸着量未満の場合には、所定当量比添加量よりも多い還元剤を添加して、近傍サイトにＮＨ３を早期に吸着させることができる。また、選択還元型ＮＯｘ触媒のＮＨ３の吸着量が飽和に近付いた、吸着量推定部が推定した吸着量が第２目標吸着量以上の場合には、所定当量比添加量よりも少ない還元剤を添加する又は還元剤の添加を停止して、選択還元型ＮＯｘ触媒の下流へのＮＨ３のすり抜けを回避することができる。
本発明にあっては、
内燃機関の排気通路に配置された選択還元型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配置され、前記選択還元型ＮＯｘ触媒へＮＨ３を供給するための還元剤を添加する還元剤添加部と、
を備えた内燃機関の排気浄化装置における還元剤添加方法であって、
前記選択還元型ＮＯｘ触媒は、ＮＨ３を用いてＮＯｘを浄化する活性点と、ＮＨ３を吸着する吸着サイトと、を有しており、
前記吸着サイトには、前記活性点の近傍に位置する近傍サイトと、前記活性点の遠方に位置する遠方サイトと、が存在し、
前記近傍サイトは前記遠方サイトよりも前記活性点にＮＨ３を受け渡し易く、前記近傍サイトのＮＨ３の離脱速度が前記遠方サイトのＮＨ３の離脱速度よりも速いものであり、
前記近傍サイトのＮＨ３の離脱速度に基づいて、前記近傍サイトに吸着したＮＨ３を存在させ続けるように前記還元剤添加部からの還元剤の添加を制御する還元剤添加方法である。
本発明においても、選択還元型ＮＯｘ触媒の下流へのＮＨ３のすり抜けを回避しつつ、還元剤を可及的に継続して添加し、ＮＯｘ浄化率の低下を回避することができる。
本発明によれば、内燃機関の排気浄化装置において、選択還元型ＮＯｘ触媒の下流へのＮＨ３のすり抜けを回避しつつ、還元剤を可及的に継続して添加し、ＮＯｘ浄化率の低下を回避することができる。
本発明の実施例１に係る内燃機関の概略構成を示す図である。 ＳＣＲ触媒におけるＮＨ３の吸着量とＮＯｘ浄化率との関係を示す図である。 ＳＣＲ触媒における近傍サイトにＮＨ３が吸着している状態を示す図である。 ＳＣＲ触媒における近傍サイトにＮＨ３が吸着していない状態を示す図である。 実施例１に係るＥＣＵ内の制御ブロックを示す図である。 実施例１に係る尿素水添加制御ルーチンを示すフローチャートである。 実施例１に係るＳＣＲ触媒床温とＳＣＲ触媒のＮＨ３の吸着量との関係から尿素水添加制御を示す図である。 実施例１に係る尿素水添加制御を実行した場合のＳＣＲ触媒のＮＨ３の吸着量の経時変化を示す図である。 実施例１の他の例に係る尿素水添加制御ルーチンを示すフローチャートである。
以下、本発明の具体的な実施例について説明する。
＜実施例１＞
（内燃機関）
図１は、本発明の実施例１に係る内燃機関の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、４つの気筒を有する車両駆動用の４ストロークサイクル・ディーゼルエンジンである。内燃機関１には、内燃機関１から排出された排気を流通させる排気通路２が接続されている。
排気通路２の途中には、選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＳＣＲ触媒という）３が配置されている。ＳＣＲ触媒３は、ＮＨ３（アンモニア）を用いて排気中のＮＯｘを還元浄化する。例えば、ＮＯは、４ＮＯ＋４ＮＨ３＋Ｏ２→４Ｎ２＋６Ｈ２Ｏのような反応によって、Ｎ２に還元される。ＮＯ２は、６ＮＯ２＋８ＮＨ３→７Ｎ２＋１２Ｈ２Ｏのような反応によって、Ｎ２に還元される。ＮＯ及びＮＯ２は、ＮＯ＋ＮＯ２＋２ＮＨ３→２Ｎ２＋３Ｈ２Ｏのような反応によって、Ｎ２に還元される。またＳＣＲ触媒３は、ＮＨ３を吸着する機能を有する。ＳＣＲ触媒３は、ゼオライト等で形成される。例えば、ゼオライトで形成されたＳＣＲ触媒３では、ＮＨ３を用いてＮＯｘを浄化する活性点であるアルミナと、ＮＨ３を吸着する吸着サイトを構成するシリカと、を１：２０の比率等で有する。なお、ゼオライト以外で形成されたＳＣＲ触媒３でも、活性点が複数の吸着サイトに囲まれて点在する。
ＳＣＲ触媒３よりも上流の排気通路２には、ＳＣＲ触媒３に供給するＮＨ３に加水分解される還元剤として尿素水溶液（以下、尿素水という）を添加する尿素水添加弁４が配置されている。尿素水添加弁４からは、尿素水タンク５に蓄えられた尿素水が指令に基づいて排気通路２内に噴射される。尿素水添加弁４が、本発明の還元剤添加部に対応する。還元剤としては、尿素水以外にもアンモニア水溶液等のアンモニア系溶液を用いることができる。
尿素水添加弁４の直上流の排気通路２には、ＳＣＲ触媒３に流入する排気中のＮＯｘ濃度を検出する第１ＮＯｘセンサ６が配置されている。第１ＮＯｘセンサ６が、本発明の第１ＮＯｘ濃度取得部に対応する。ＳＣＲ触媒３の直下流の排気通路２には、ＳＣＲ触媒３から流出する排気中のＮＯｘ濃度を検出する第２ＮＯｘセンサ７が配置されている。第２ＮＯｘセンサ７が、本発明の第２ＮＯｘ濃度取得部に対応する。ＳＣＲ触媒３には、ＳＣＲ触媒床温を検出する温度センサ８が配置されている。温度センサ８が、本発明の触媒温度検出部に対応する。
以上述べたように構成された内燃機関１には電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）９が併設されている。ＥＣＵ９には、第１ＮＯｘセンサ６、第２ＮＯｘセンサ７、及び温度センサ８、並びに不図示のクランクポジションセンサ及びアクセル開度センサが電気的に接続されている。これらの出力信号がＥＣＵ９に入力される。また、ＥＣＵ９には、尿素水添加弁４が電気的に接続されており、ＥＣＵ９によって尿素水添加弁４が制御される。
（尿素水添加制御）
従来、ＳＣＲ触媒３へ尿素水を添加する場合には、２通りの方法があった。主に従来用いられているのは、ＳＣＲ触媒３のＮＨ３を吸着する機能を利用し、予め飽和吸着量を超えない範囲でＮＨ３をＳＣＲ触媒３に吸着させて保持させておき、ＮＯｘの還元により保持されていたＮＨ３が消費され次第、消費されたＮＨ３の量に応じた分だけ尿素水を供給する方法である。
しかしながら、本発明者らの知見によると、上記方法により、ＮＯｘ浄化に必要なＮＨ３をＳＣＲ触媒３に予め吸着させておき、その後尿素水の添加を停止する場合には、ＮＨ３が吸着していても、継続的に尿素水を添加する場合に比して、ＮＯｘ浄化率が低下することを見出した。
図２は、ＳＣＲ触媒３におけるＮＨ３の吸着量とＮＯｘ浄化率との関係を表す図である。図２に示すように、上記方法でＮＯｘ浄化に必要なＮＨ３をＳＣＲ触媒３に予め吸着させておき、その後尿素水の添加を停止すると、ＮＯｘ浄化率は、尿素水を添加中よりも低下する。すなわち、ＳＣＲ触媒３に対してのＮＨ３の吸着量が同じであっても、尿素水添加中と添加停止中とではヒステリシスがありＮＯｘ浄化率が異なる。このようなヒステリシスを有するＳＣＲ触媒３の特性から、上記方法ではＮＯｘ浄化率が低下してしまう。
これは、以下の理由によると考えられる。ＳＣＲ触媒３には、ＮＨ３を用いてＮＯｘを浄化する活性点が点在していると共に、ＮＨ３を吸着する吸着サイトが活性点の周りに複数存在している。吸着サイトのうち活性点の近傍に位置する近傍サイトでは、活性点の遠方に位置する遠方サイトよりも活性点にＮＨ３を受け渡し易い。このため、ＮＨ３を活性点に受け渡すことによる近傍サイトのＮＨ３の離脱速度が遠方サイトのＮＨ３の離脱速度よりも速い。図３は、近傍サイトにＮＨ３が吸着している状態を示す図である。つまり、活性点で用いられるＮＨ３の多くは、排気の気相中又は近傍サイトに吸着したＮＨ３であり、図３に示すように近傍サイトに吸着したＮＨ３が活性点に受け渡されることで、活性点でＮＯｘがＮＨ３によって還元される。図４は、遠方サイトにＮＨ３が吸着しているが近傍サイトにＮＨ３が吸着していない状態を示す図である。図４に示すように遠方サイトに吸着したＮＨ３は近傍サイトに吸着したＮＨ３が無くなると近傍サイトに受け渡されるが、その動きは鈍く、活性点ではＮＨ３が無いことによってＮＯｘが浄化できなくなる。つまり、遠方サイトに吸着したＮＨ３は活性点で用いられ難くＮＯｘの浄化に寄与し難い。よって、尿素水を継続的に添加して近傍サイトにＮＨ３を供給し続ける方が、遠方サイトに吸着したＮＨ３を離脱させて用いるよりもＮＯｘを浄化し易い。このため、継続的に尿素水を添加する場合の方が、ＮＯｘ浄化に必要なＮＨ３をＳＣＲ触媒３に予め吸着させておき、その後尿素水の添加を停止する場合よりも、ＮＯｘ浄化率が高くなると考えられる。
また、継続的に尿素水を添加する場合でも、ＳＣＲ触媒３に流入するＮＯｘの量に対して少ない量の添加量、例えば、ＮＯｘの物質量に対するＮＨ３の物質量の比である当量比が当量比０．５の添加量であると、当量比１に比してＮＯｘ浄化率が低くなる。これは、当量比０．５の添加量であると、やはり近傍サイトに吸着したＮＨ３が存在し続けることができなくなり、近傍サイトが活性点にＮＨ３を受け渡すことが不十分となり、活性点でＮＯｘを還元するＮＨ３が足りず、ＮＯｘ浄化率が低下すると考えられる。
そこで、本実施例では、近傍サイトのＮＨ３の離脱速度に基づいて、近傍サイトに吸着したＮＨ３を存在させ続けるように尿素水添加弁４からの尿素水の添加を制御する。つまり、近傍サイトが活性点にＮＨ３を受け渡して近傍サイトからＮＨ３が離脱しても直ぐに新たなＮＨ３を近傍サイトに吸着させておくことができるように、尿素水添加弁４から尿素水を可及的に継続して添加する。これによると、近傍サイトにＮＨ３を可及的に存在させ続けるので、近傍サイトに吸着したＮＨ３を活性点に常に受け渡してＮＯｘを浄化することができる。よって、高いＮＯｘ浄化率を維持することができる。
ここで、本実施例では、近傍サイトのＮＨ３の離脱速度に着目している。近傍サイトのＮＨ３の離脱速度とは、近傍サイトにＮＨ３を吸着させてから吸着したＮＨ３を活性点に受け渡すまでの速度であり、近傍サイトでのＮＨ３の消費速度ともいえる。近傍サイトのＮＨ３の離脱速度に対してＮＨ３の供給が遅ければ、近傍サイトがＮＨ３を吸着していない状態となり、ＮＯｘを浄化できなくなり、ＮＯｘ浄化率が低下してしまう。一方、近傍サイトのＮＨ３の離脱速度に対してＮＨ３の供給が速ければ、近傍サイトだけでなく遠方サイトもＮＨ３を吸着してしまい、ＳＣＲ触媒３のＮＨ３の吸着量の飽和を招き、ＳＣＲ触媒３の下流へのＮＨ３のすり抜けが生じてしまう。このため、近傍サイトのＮＨ３の離脱速度に対してＮＨ３の供給速度が最適となり、近傍サイトに吸着したＮＨ３が存在し続け、かつ、遠方サイトにＮＨ３がなるべく吸着しないように、近傍サイトのＮＨ３の離脱速度を考慮して尿素水を添加する。
本実施例によると、尿素水を可及的に継続して添加し、ＮＯｘ浄化率の低下を回避することができる。また、継続して添加する量は、近傍サイトに吸着したＮＨ３を存在させ続けるだけの添加量であり、過剰に還元剤を添加するわけではないので、ＳＣＲ触媒３の下流へのＮＨ３のすり抜けをも回避することができる。
また本実施例によると、近傍サイトに吸着したＮＨ３を存在させ続けているので、尿素水の供給制御の応答遅れ、尿素水から加水分解してＮＨ３になるまでの遅れ等の一時的な応答遅れを近傍サイトに吸着したＮＨ３で吸収できる。このため、内燃機関１からＮＯｘの排出量が急激に変化した場合でも対応が間に合い、最適な添加量とすることができる。そのため、尿素水の添加過多によるＳＣＲ触媒３の下流へのＮＨ３のすり抜けや、尿素水の添加不足によるＮＯｘ浄化率の低下が起こり難い。
図５は、本実施例に係るＥＣＵ９内の制御ブロックを示す図である。図５を用いて、近傍サイトのＮＨ３の離脱速度に基づいて、近傍サイトに吸着したＮＨ３を存在させ続けるように尿素水添加弁４からの尿素水の添加を制御する具体的な構成について述べる。
図５に示すように、ＥＣＵ９は、第１ＮＯｘセンサ６及び第２ＮＯｘセンサ７により取得されたＮＯｘ濃度からＳＣＲ触媒３でのＮＯｘ浄化率を算出するＮＯｘ浄化率算出部９ａを有する。また、ＥＣＵ９は、ＮＯｘ浄化率算出部９ａにより算出されたＮＯｘ浄化率と温度センサ８により検出されたＳＣＲ触媒床温とに基づいて、ＳＣＲ触媒３におけるＮＨ３の吸着量を推定する吸着量推定部９ｂを有する。
一方、ＥＣＵ９は、近傍サイトのＮＨ３の離脱速度、及び、第１ＮＯｘセンサ６により取得されたＮＯｘ濃度と、内燃機関１の吸気通路に配置されるエアフローメータ１０が検出する空気量とから算出されるＳＣＲ触媒３に流入するＮＯｘの量に基づいて、尿素水添加弁４から添加する尿素水の、近傍サイトに吸着したＮＨ３を存在させ続ける所定当量比添加量を算出する添加量算出部９ｃを有する。
ここで、所定当量比添加量は、近傍サイトのＮＨ３の離脱速度と、ＳＣＲ触媒３に流入するＮＯｘの量と、を考慮することにより、ＳＣＲ触媒３でＮＯｘを浄化しつつ近傍サイトに吸着したＮＨ３を存在させ続けるようにできる添加量である。本実施例では、所定当量比添加量としては、ＮＯｘの物質量に対して還元反応するＮＨ３の物質量の比である当量比が当量比１となる尿素水の添加量として説明する。当量比１の尿素水の添加量とは、尿素水から加水分解されて発生するＮＨ３がＮＯｘと１対１で還元反応する量である。これは、近傍サイトでのＮＨ３の離脱速度が、活性点でのＮＨ３を用いたＮＯｘの還元反応速度と等しいものと想定するためである。
しかし、近傍サイトでのＮＨ３の離脱速度には、ＮＯｘの還元反応以外にも、近傍サイトに予め吸着させたＮＨ３の吸着量や近傍サイトのＮＨ３の吸着許容量等も考慮することができる。このため、所定当量比添加量としては、当量比１以外にも当量比１周辺や、場合によっては当量比０．５程度や当量比１．５程度の値となる尿素水の添加量であってもよい。ただし、当量比０．５程度の尿素水の添加量であると、近傍サイトへ吸着するＮＨ３が少なく低いＮＯｘ浄化率となってしまう場合がある。当量比１．５程度の尿素水の添加量であると、ＳＣＲ触媒３のＮＨ３の吸着量が早期に飽和してしまう。よって、当量比１周辺の値となる尿素水の添加量であると好ましい。
また本実施例の所定当量比添加量は、ＳＣＲ触媒３に流入するＮＯｘの量に対して相対的に当量比が固定されており、当量比１のまま維持される尿素水の添加量として説明する。しかし、所定当量比添加量としては、ＳＣＲ触媒３に流入するＮＯｘの量に対して相対的に当量比が固定される量以外にも、ＮＯｘの量やＳＣＲ触媒３の触媒状態等の状況に応じて当量比が変更される量でもよい。このため、例えばＳＣＲ触媒３の床温やＳＣＲ触媒３のＮＨ３の吸着量に応じて、所定当量比添加量を変更するものでもよい。
そして、ＥＣＵ９は、吸着量推定部９ｂで推定されたＳＣＲ触媒３におけるＮＨ３の吸着量と、添加量算出部９ｃで算出された所定当量比添加量と、に基づいて、尿素水添加弁４を制御して尿素水添加制御を行う制御部９ｄを有する。
ＥＣＵ９が行う尿素水添加制御ルーチンについて、図６に示すフローチャートに基づいて説明する。図６は、尿素水添加制御ルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンは、所定の時間毎、特に尿素水添加が継続するように繰り返しＥＣＵによって実行される。
図６に示すルーチンが開始されると、Ｓ１０１では、添加量算出部９ｃで所定当量比添加量ｐａａを算出する。本実施例では、近傍サイトのＮＨ３の離脱速度をＮＯｘ還元反応速度と等しいとし、第１ＮＯｘセンサ６により取得されたＮＯｘ濃度とエアフローメータ１０が検出する空気量とから算出されたＳＣＲ触媒３に流入するＮＯｘの量を用いることで、当量比１となる尿素水の添加量を算出する。
Ｓ１０２では、吸着量推定部９ｂでＳＣＲ触媒３におけるＮＨ３の吸着量ｅｎｌを推定する。
Ｓ１０３では、Ｓ１０２で推定したＳＣＲ触媒３におけるＮＨ３の吸着量ｅｎｌが、第１目標吸着量ｔｎｌ１以上か否か判別する。第１目標吸着量ｔｎｌ１は、ＳＣＲ触媒３における近傍サイトにＮＨ３が未吸着か近傍サイトにＮＨ３が吸着しているかの閾値となる吸着量であり、ＳＣＲ触媒床温に応じて変動するものである。第１目標吸着量ｔｎｌ１の特性曲線は、実験や検証等でマップとして予め定めておくことができる。このため、本ステップの処理の際には、温度センサ８で検出したＳＣＲ触媒床温を第１目標吸着量ｔｎｌ１の特性曲線のマップに取り込んで第１目標吸着量ｔｎｌ１を導出する。
Ｓ１０３において、推定したＳＣＲ触媒３におけるＮＨ３の吸着量ｅｎｌが第１目標吸着量ｔｎｌ１以上ではないと否定判定された場合には、Ｓ１０４へ移行する。Ｓ１０３において、推定したＳＣＲ触媒３におけるＮＨ３の吸着量ｅｎｌが第１目標吸着量ｔｎｌ１以上であると肯定判定された場合には、Ｓ１０５へ移行する。
Ｓ１０４では、制御部９ｄは、尿素水添加弁４から所定当量比添加量よりも増量した尿素水ｐａａ＋を添加する。ここでの所定当量比添加量よりも増量した尿素水ｐａａ＋は、例えば、所定当量比添加量よりも多い予め定められた添加量としたり、所定当量比添加量に予め定められた添加量を加えたりして増量される。所定当量比添加量よりも増量した尿素水ｐａａ＋は、近傍サイトに吸着したＮＨ３を存在させ続けるための所定当量比添加量と比較して多ければよく、所定当量比添加量とは関連しないものでもよい。つまり、当量比を考慮しないものでもよい。本ステップによると、近傍サイトにＮＨ３が未吸着の場合には、添加する尿素水を増量することにより、近傍サイトにＮＨ３を早期に吸着させることができ、ＮＯｘ浄化率を高めることができる。なお、近傍サイトにＮＨ３が未吸着の場合には、例えば内燃機関１の機関始動時等のＳＣＲ触媒３を使用開始する場合が含まれる。本ステップの処理の後、本ルーチンを一旦終了する。
Ｓ１０５では、Ｓ１０２で推定したＳＣＲ触媒３におけるＮＨ３の吸着量ｅｎｌが、第２目標吸着量ｔｎｌ２以上か否か判別する。第２目標吸着量ｔｎｌ２は、第１目標吸着量ｔｎｌ１よりも多い吸着量であってＳＣＲ触媒３におけるＮＨ３の吸着量が飽和に近付いていないか吸着量が飽和に近付いているかの閾値となる吸着量であり、ＳＣＲ触媒床温に応じて変動するものである。第２目標吸着量ｔｎｌ２の特性曲線は、実験や検証等でマップとして予め定めておくことができる。このため、本ステップの処理の際には、温度センサ８で検出したＳＣＲ触媒床温を第２目標吸着量ｔｎｌ２の特性曲線のマップに取り込んで第２目標吸着量ｔｎｌ２を導出する。
Ｓ１０５において、推定したＳＣＲ触媒３におけるＮＨ３の吸着量ｅｎｌが第２目標吸着量ｔｎｌ２以上ではないと否定判定された場合には、Ｓ１０６へ移行する。Ｓ１０５において、推定したＳＣＲ触媒３におけるＮＨ３の吸着量ｅｎｌが第２目標吸着量ｔｎｌ２以上であると肯定判定された場合には、Ｓ１０７へ移行する。
Ｓ１０６では、制御部９ｄは、尿素水添加弁４から所定当量比添加量ｐａａの尿素水を添加する。本実施例では、当量比１となる添加量で尿素水を添加する。本ステップによると、近傍サイトに吸着したＮＨ３を存在させ続ける場合に所定当量比添加量ｐａａという最適な量の尿素水を添加し続けることができ、高いＮＯｘ浄化率を維持することができる。本ステップの処理の後、本ルーチンを一旦終了する。
Ｓ１０７では、Ｓ１０２で推定したＳＣＲ触媒３におけるＮＨ３の吸着量ｅｎｌが、第３目標吸着量ｔｎｌ３以上か否か判別する。第３目標吸着量ｔｎｌ３は、第２目標吸着量ｔｎｌ２よりも多い吸着量であってＳＣＲ触媒３におけるＮＨ３の吸着量が飽和に近付いているか飽和吸着量となったかの閾値となる吸着量であり、ＳＣＲ触媒床温に応じて変動するものである。第３目標吸着量ｔｎｌ３の特性曲線は、実験や検証等でマップとして予め定めておくことができる。このため、本ステップの処理の際には、温度センサ８で検出したＳＣＲ触媒床温を第３目標吸着量ｔｎｌ３の特性曲線のマップに取り込んで第３目標吸着量ｔｎｌ３を導出する。
Ｓ１０７において、推定したＳＣＲ触媒３におけるＮＨ３の吸着量ｅｎｌが第３目標吸着量ｔｎｌ３以上ではないと否定判定された場合には、Ｓ１０８へ移行する。Ｓ１０７において、推定したＳＣＲ触媒３におけるＮＨ３の吸着量ｅｎｌが第３目標吸着量ｔｎｌ３以上であると肯定判定された場合には、Ｓ１０９へ移行する。
Ｓ１０８では、制御部９ｄは、尿素水添加弁４から所定当量比添加量よりも減量した尿素水ｐａａ−を添加する。ここでの所定当量比添加量よりも減量した尿素水ｐａａ−とは、例えば、所定当量比添加量よりも少ない予め定められた添加量としたり、所定当量比添加量に予め定められた係数を掛けたりして減量される。本ステップによると、ＳＣＲ触媒３のＮＨ３の吸着量が飽和に近付いた場合には、所定当量比添加量よりも少ない尿素水ｐａａ−を添加して、ＳＣＲ触媒３の下流へのＮＨ３のすり抜けを回避することができる。また、尿素水ｐａａを添加してしまい早期に添加を停止してしまうよりも、少ない量でも継続的に尿素水を添加し続けることで、長期にわたってＮＯｘ浄化率を維持することができる。本ステップの処理の後、本ルーチンを一旦終了する。
Ｓ１０９では、制御部９は尿素水添加弁４からの尿素水の添加を停止する。本ステップによると、ＳＣＲ触媒３のＮＨ３の飽和吸着量となった場合には、尿素水の添加を停止して、ＳＣＲ触媒３の下流へのＮＨ３のすり抜けを確実に回避することができる。本ステップの処理の後、本ルーチンを一旦終了する。
図７は、ＳＣＲ触媒床温とＳＣＲ触媒３のＮＨ３の吸着量との関係から本ルーチンによる尿素水添加制御を示す図である。図７に示すように、ＳＣＲ触媒３のＮＨ３の吸着量が第１目標吸着量ｔｎｌ１未満では、所定当量比添加量よりも増量した尿素水ｐａａ＋を添加する。ＳＣＲ触媒３のＮＨ３の吸着量が第１目標吸着量ｔｎｌ１以上、かつ、第２目標吸着量ｔｎｌ２未満では、所定当量比添加量の尿素水ｐａａを添加する。ＳＣＲ触媒３のＮＨ３の吸着量が第２目標吸着量ｔｎｌ２以上、かつ、第３目標吸着量ｔｎｌ３未満では、所定当量比添加量よりも減量した尿素水ｐａａ−を添加する。ＳＣＲ触媒３のＮＨ３の吸着量が第３目標吸着量ｔｎｌ３以上では、尿素水の添加を停止する。
図８は、本ルーチンによる尿素水添加制御を実行した場合のＳＣＲ触媒３のＮＨ３の吸着量の経時変化を示す図である。図８に示すように、まず内燃機関１が始動すると、ＳＣＲ触媒３のＮＨ３の吸着量が第１目標吸着量ｔｎｌ１未満であるので、所定当量比添加量よりも増量した尿素水ｐａａ＋を添加し、近傍サイトにＮＨ３を早期に吸着させる。ＳＣＲ触媒３のＮＨ３の吸着量が第１目標吸着量ｔｎｌ１以上となると、所定当量比添加量の尿素水ｐａａを添加し、近傍サイトに吸着したＮＨ３を存在させ続けるようにする。ＳＣＲ触媒３のＮＨ３の吸着量が第２目標吸着量ｔｎｌ２以上となると、所定当量比添加量よりも減量した尿素水ｐａａ−を添加し、ＳＣＲ触媒３の下流へのＮＨ３のすり抜けを回避する。しかしそれでもＳＣＲ触媒３のＮＨ３の吸着量が第３目標吸着量ｔｎｌ３以上となる場合には、尿素水の添加を停止し、ＳＣＲ触媒３の下流へのＮＨ３のすり抜けを確実に回避する。そして、吸着サイトに吸着したＮＨ３が離脱してＳＣＲ触媒３のＮＨ３の吸着量が低下した場合には、尿素水を再び添加する。
言い換えると、本制御は、尿素水の添加を開始すると、最初にＳＣＲ触媒３のＮＨ３の吸着量が飽和吸着量になる途中の近傍サイトにＮＨ３を吸着させるまでは、近傍サイトに吸着したＮＨ３を存在させ続ける量よりも多量の尿素水を添加する。近傍サイトにＮＨ３が吸着してからは、引き続き近傍サイトに吸着したＮＨ３を存在させ続ける量の尿素水を添加し続ける。ここでＳＣＲ触媒３のＮＨ３の飽和吸着量に近付く場合には、近傍サイトに吸着したＮＨ３を存在させ続ける量の尿素水を添加し続けていたものを、一旦、尿素水の添加量を削減したり、尿素水の添加を停止したりするものである。
以上説明した本ルーチンによると、尿素水を可及的に継続して添加し、ＮＯｘ浄化率の低下を回避することができる。
（その他）
なお、本実施例では、ＳＣＲ触媒３のＮＨ３の吸着量と比較する第３目標吸着量を設定した。しかしこれに限られない。図９は、尿素水添加制御ルーチンを示すフローチャートである。図９に示すように、第３目標吸着量は設定せず、ＳＣＲ触媒３のＮＨ３の吸着量が第２目標吸着量ｔｎｌ２以上となった場合には、Ｓ２０１で、尿素水添加弁４から所定当量比添加量よりも減量した尿素水ｐａａ−を添加するか、又は、尿素水の添加を停止するようにしてもよい。例えば、第２目標吸着量以上のＳＣＲ触媒３のＮＨ３の吸着量が多くなる程、尿素水の減量量を増やし、最終的には尿素水の添加を停止する方法等を採用することができる。
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えてもよい。
１：内燃機関
２：排気通路
３：ＳＣＲ触媒
４：尿素水添加弁
５：尿素水タンク
６：第１ＮＯｘセンサ
７：第２ＮＯｘセンサ
８：温度センサ
９：ＥＣＵ
９ａ：浄化率算出部
９ｂ：吸着量推定部
９ｃ：添加量算出部
９ｄ：制御部
１０：エアフローメータ

Claims (6)

  1. 内燃機関の排気通路に配置された選択還元型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配置され、前記選択還元型ＮＯｘ触媒へＮＨ３を供給するための還元剤を添加する還元剤添加部と、
    を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、
    前記選択還元型ＮＯｘ触媒は、ＮＨ３を用いてＮＯｘを浄化する活性点と、ＮＨ３を吸着する吸着サイトと、を有しており、
    前記吸着サイトには、前記活性点の近傍に位置する近傍サイトと、前記活性点の遠方に位置する遠方サイトと、が存在し、
    前記近傍サイトは前記遠方サイトよりも前記活性点にＮＨ３を受け渡し易く、前記近傍サイトのＮＨ３の離脱速度が前記遠方サイトのＮＨ３の離脱速度よりも速いものであり、
    前記近傍サイトのＮＨ３の離脱速度に基づいて、前記近傍サイトに吸着したＮＨ３を存在させ続けるように前記還元剤添加部からの還元剤の添加を制御する制御部を備えた内燃機関の排気浄化装置。
  2. 前記制御部は、前記選択還元型ＮＯｘ触媒のＮＨ３の吸着量が飽和に近付くまでは、還元剤を添加し続ける請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 前記制御部は、前記近傍サイトにＮＨ３が未吸着の場合には、前記近傍サイトに吸着したＮＨ３を存在させ続ける場合よりも、還元剤を増量して添加する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 前記近傍サイトのＮＨ３の離脱速度及び前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流入するＮＯｘの量に基づいて、前記還元剤添加部から添加する還元剤の、前記近傍サイトに吸着したＮＨ３を存在させ続ける所定当量比添加量を算出する添加量算出部を備え、
    前記制御部は、前記添加量算出部が算出した所定当量比添加量に基づいて、前記近傍サイトにＮＨ３が未吸着である場合には所定当量比添加量よりも多い還元剤を添加し、前記近傍サイトに吸着したＮＨ３を存在させ続ける場合には所定当量比添加量の還元剤を添加し、前記選択還元型ＮＯｘ触媒のＮＨ３の吸着量が飽和に近付いた場合には所定当量比添加量よりも少ない還元剤を添加する又は還元剤の添加を停止する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  5. 前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気中のＮＯｘ濃度を取得する第１ＮＯｘ濃度取得部と、
    前記選択還元型ＮＯｘ触媒から流出する排気中のＮＯｘ濃度を取得する第２ＮＯｘ濃度取得部と、
    前記第１ＮＯｘ濃度取得部及び前記第２ＮＯｘ濃度取得部により取得されたＮＯｘ濃度から前記選択還元型ＮＯｘ触媒でのＮＯｘ浄化率を算出するＮＯｘ浄化率算出部と、
    前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度を検出する触媒温度検出部と、
    前記ＮＯｘ浄化率算出部により算出されたＮＯｘ浄化率と前記触媒温度検出部により検出された触媒温度とに基づいて、前記選択還元型ＮＯｘ触媒におけるＮＨ３の吸着量を推定する吸着量推定部と、
    前記近傍サイトのＮＨ３の離脱速度、及び、前記第１ＮＯｘ濃度取得部により取得されたＮＯｘ濃度と空気量とから算出される前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流入するＮＯｘの量に基づいて、前記還元剤添加部から添加する還元剤の、前記近傍サイトに吸着したＮＨ３を存在させ続ける所定当量比添加量を算出する添加量算出部と、
    を備え、
    前記選択還元型ＮＯｘ触媒における前記近傍サイトにＮＨ３が未吸着か前記近傍サイトにＮＨ３が吸着しているかの閾値となる第１目標吸着量と、第１目標吸着量よりも多い吸着量であって前記選択還元型ＮＯｘ触媒におけるＮＨ３の吸着量が飽和に近付いていないか吸着量が飽和に近付いているかの閾値となる第２目標吸着量と、を設定し、
    前記制御部は、前記添加量算出部が算出した所定当量比添加量に基づいて、前記吸着量推定部が推定した吸着量が第１目標吸着量未満の場合には、所定当量比添加量よりも多い還元剤を添加し、前記吸着量推定部が推定した吸着量が第１目標吸着量以上第２目標吸着量未満の場合には、所定当量比添加量の還元剤を添加し、前記吸着量推定部が推定した吸着量が第２目標吸着量以上の場合には、所定当量比添加量よりも少ない還元剤を添加する又は還元剤の添加を停止する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  6. 内燃機関の排気通路に配置された選択還元型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配置され、前記選択還元型ＮＯｘ触媒へＮＨ３を供給するための還元剤を添加する還元剤添加部と、
    を備えた内燃機関の排気浄化装置における還元剤添加方法であって、
    前記選択還元型ＮＯｘ触媒は、ＮＨ３を用いてＮＯｘを浄化する活性点と、ＮＨ３を吸着する吸着サイトと、を有しており、
    前記吸着サイトには、前記活性点の近傍に位置する近傍サイトと、前記活性点の遠方に位置する遠方サイトと、が存在し、
    前記近傍サイトは前記遠方サイトよりも前記活性点にＮＨ３を受け渡し易く、前記近傍サイトのＮＨ３の離脱速度が前記遠方サイトのＮＨ３の離脱速度よりも速いものであり、
    前記近傍サイトのＮＨ３の離脱速度に基づいて、前記近傍サイトに吸着したＮＨ３を存在させ続けるように前記還元剤添加部からの還元剤の添加を制御する還元剤添加方法。
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