JP5653618B2 - 選択的触媒還元の制御 - Google Patents

Description

本発明は、自動車排気ガス中の窒素酸化物（ひとまとめにして、ＮＯ_xとして知られている）の還元に関し、特には、ＮＯ_xだけでなくアンモニア（ＮＨ₃）の排出量（exhaust emissions）を最小にするように、ＮＯ_xの還元を制御することに関する。

自動車の排気ガス中に存在するＮＯ_xが環境及び人々の健康に対して有害であることは、長年に亘って知られている。近年、有害な自動車排出物の削減を奨励しようとする動きが高まっており、自動車から排出され得るＮＯ_xなどの汚染物質の最大許容レベルに対し、様々な制限が課されている。加えて、消費者は、自動車の購入を検討する際、環境要因をますます考慮するようになっている。従って、ＮＯ_xに関する自動車排気ガスから大気中への流出許容量を制限しようとすることが望ましい。

ＮＯ_x排出量を削減する従来の方法は、通常、排気ガス再循環（ＥＧＲ）を含んでいる。しかしながら、排気ガスのこの再循環は、幾つかの欠点を有している。これらは、特には高負荷時の低下したエンジン性能と、問題含みの微粒子の増加とを含んでいる。更には、この技術によって可能なＮＯ_x排出削減のレベルには限界がある。

数年以内に、ＮＯ_x排出量に関する許容レベルを大幅に下げる自動車の排気ガスに関する新法が、世界中の様々な国において施行されるであろう。それにより、ＥＧＲ法は、事実上、この厳密なＮＯ_x排出規制を満たすことが可能でないため、これら方法の限られた有効性は、臨界的なものとなるであろう。

ＥＧＲに代わる、可能なＮＯ_x削減レベルを向上させる技術が開発されている。これは、尿素を用いた選択的触媒還元（ＳＣＲ）である。主に希薄な（predominantly lean）燃料／空気混合気で作動する、直噴ガソリン又はディーゼルエンジンなどの内燃機関において、ＳＣＲは、排気ガス中のＮＯ_x排出量を削減する最も有効な方法のうちの１つである。

ＳＣＲにおいて使用される触媒は、自動車の排気管内に、エンジンからの全ての排気ガスがこの触媒を通り抜けるように配置される。尿素水溶液は、排気ガス中であって、このＳＣＲ触媒の上流に注入される。排気ガス流における高温は、触媒の温度を上昇させ、尿素を加水分解させて、アンモニア関連化合物を経てアンモニア（ＮＨ₃）にし、これが触媒中でＮＯ_xを還元して、無害な生成物を製造する。

この方法で除去されるＮＯ_x排出量を最大にするためには、全てのＮＯ_xと反応するのに十分なアンモニアが利用可能であることが確実にされねばならない。少量過ぎるアンモニアは、排気時に高ＮＯ_x排出をもたらすであろうが、逆に、多量過ぎるアンモニアは、排気ガス中にアンモニア排出（アンモニアスリップと呼ばれる現象）をもたらすであろう。アンモニアの排出も、公害問題を引き起こすので、望ましくない。それ故、理想的なＳＣＲシステムでは、ＮＯ_xと反応させるのに利用されるＮＨ₃の量は、大気に排出されるべきＮＨ₃を残さずに有効ＮＯ_xと完全に反応するのに必要な正にその量である。

触媒においてＮＯ_xと反応するのに利用可能なＮＨ₃の量は、様々な要因に依存する。触媒における条件に依存して、尿素は、触媒において直接分解して、アンモニアになる場合もあるし、或いは、尿素又は他のＮＨ₃関連化合物が、触媒中に貯蔵され、後で分解する場合もある。触媒における尿素及び他のアンモニア関連化合物の貯蔵量、並びに触媒における尿素及びアンモニア関連化合物のアンモニアへの分解速度は、触媒における温度と、既に触媒中に貯蔵されている尿素の量とに依存する。最適な尿素注入速度は、これら異なる要因を考慮に入れなければならない。

元来、ＳＣＲは、発電所などの定常状態のシステムにおいて使用されており、ここでは、反応に利用するアンモニアの量及びこのアンモニアの量を得るのに必要とされる尿素注入速度を決定するのは、比較的簡単である。それ故、ＮＯ_xとＮＨ₃との双方の排出量を最小にすることは、このシステムにとってはさほど問題ではない。しかしながら、温度が変動する動的な自動車エンジンでは、利用可能なアンモニアの量を判定するのは複雑である。触媒温度が上昇すると共により多量のＮＨ₃が放出され、触媒温度が低下すると共により多量のＮＨ₃関連化合物が触媒中に貯蔵されるので、触媒におけるアンモニアの貯蔵量及び放出量は、触媒温度が変化するのに応じて、絶え間なく変化する。それ故、絶えず変化する適切な尿素注入速度を達成して、自動車ＳＣＲ触媒の性能を最適にすることは困難である。

自動車からの汚染物質を削減するための現在のＳＣＲ方法は、ＮＯ_xの全てとの反応に利用可能な少なくとも十分なアンモニアが常に存在していることを確実にするように尿素注入速度を変更することを試みることによってＮＯ_x排出量を最小にすることのみに専心したアプローチを採用する傾向にある。或る量のアンモニアスリップは、許容可能であると見なされる。

このようなシステムの一例は、米国特許第６９５９５４０号に記載されている。この刊行物は、ＳＣＲシステムを開示しており、そこでは、排気ガス温度が測定される。この触媒温度が、触媒によって尿素が貯蔵される範囲内にあるとき、尿素注入速度は増加され、エンジンへの負荷がＮＯ_x排出量を及びそれゆえ触媒温度を増加させるときに備えて、尿素が貯蔵される。これは、例えば、自動車の加速の際に、加速が始められるときに尿素注入速度を単純に増加させる場合よりも迅速なアンモニア製造を提供することをねらっている。

このシステムは、幾つかの欠点を有している。第１に、排気ガス温度のみが測定され、これは、関連する変数である実際の触媒温度とは関連していない。第２に、このシステムは、尿素注入速度を、温度範囲の大規模な変化に基づいて変更するだけであり、例えば、ペダルが踏み込まれた瞬間に起こる過渡的な変動などの、より詳細な温度の変化を考慮していない。これは、エンジンのＮＯ_x排出速度を正確に知ることが決して可能でないため、生成されるアンモニアを、発生するＮＯ_xと正確に釣り合わせることは、決して可能ではないであろうことを意味している。第３に、このシステムは、触媒による尿素貯蔵量及びアンモニア放出量の定量測定を考慮していない。第４に、低温時に貯蔵される過剰量の尿素を提供するための、試みを上回るアンモニア生成の速度の考慮がなく、アンモニアスリップの危険へと導く。特には、それは単純な開ループのルックアップ表に基づくアプローチに頼っているので、この開示されたシステムは、不正確且つ非効率であり、或る条件では、不十分なアンモニア生成を及びそれゆえ排気ガスからのＮＯ_x排出をもたらし、他の条件では、アンモニアの過剰生成及びそれに関連したアンモニアスリップをもたらす。

既知のシステムに伴う更なる問題は、ＮＯ_xセンサが、ＮＯ_xとＮＨ₃とを区別できないことにある。

本発明は、特許請求の範囲に記載されている。

本発明の例を、添付の図面を参照しながら説明する。

ＳＣＲ触媒の様々な部分での様々な質量速度（mass rate）を示した図。 触媒の転化率が温度に応じてどのように変化するかを示したグラフ。 アンモニア関連化合物（尿素及びアンモニア関連中間体化合物を含んでいる）に関する触媒の貯蔵容量が、温度に応じてどのように変化するかを示したグラフ。 過渡的なエンジン動作の影響を示した概念図。 本発明のフィードフォワード戦略の概略図。 エンジンから排出されるＮＯ_xを計算するための例示的なモデルを示した図。 フィードフォワード及びフィードバックの双方の戦略を含んだ、本発明に従う例示的システムの概略図。 例示的な第１フィードバックメカニズムを示した図。 適応学習モジュールの概略図。 例示的第２フィードバックメカニズムを示した図。 ＮＯ_x及びＮＨ₃から、ＮＯ_xにより得られる信号を示した図。

本発明は、ＳＣＲシステムを制御して、ＳＣＲ触媒を含んだ自動車が大気中へと排出する有害汚染物質、即ち、ＮＯ_x及びアンモニア（ＮＨ₃）の双方のレベルを最小限にする方法及びシステムに関する。

以下により詳細に論ずる触媒１の様々な部分における様々な成分の質量速度と併せて、ＳＣＲ触媒システムの概略図が図１に示されている。このシステムは、触媒１を含んでおり、これは、例えば、自動車の排気系５（図３参照）内であって、エンジン６から排出されて、触媒１を流れ抜けるＮＯ_xの量を最大にする位置に設置されている。液体注入器（図示せず）は、液体を触媒１の上流に注入できるように配置されている。コントローラ（図示せず）は、液体注入の速度を制御するべく、液体流入器へと接続されている。

動作中、アンモニア生成化合物を含んだ液体は、触媒の上流の位置で注入される。これは、通常、尿素水溶液であるが、他の適切な液体でも良い。ＮＯ_xは、３の位置に示された触媒に入る。

注入された尿素は、直ちに分解して、ビウレットなどのアンモニア関連中間体化合物を経て生成され得る、アンモニアを与え得る。或いは、尿素又はアンモニア関連中間体化合物（合わせて「アンモニア関連化合物」と呼ばれる）は、まず触媒中に貯蔵されて４、後に分解してアンモニアを与える場合もあり、分解／貯蔵のそれぞれの速度は、温度依存性である。アンモニアは、触媒において、ＮＯ_xとレドックス反応を起こし、無害な生成物を与え、その後、排気ガスから排出される。例えば、２ＮＨ₃＋ＮＯ＋ＮＯ₂→２Ｎ₂＋３Ｈ₂Ｏ。

触媒１におけるＮＯ_x還元の効率（転化率）は、アンモニア関係化合物の分解からの、触媒におけるアンモニアの生成速度と関連している。図２ａに示したように、１３２℃未満では、触媒／ＳＣＲ温度に依存し、殆どアンモニアは生成しない。１３２℃を超えると、転化率は、温度に比例して増加し始める。約４００℃を超えると、注入された全ての尿素が、直ちに分解して、アンモニアとなる。触媒１は、アンモニア関連化合物であって、ＮＯ_xを転化させるのに使用されない余剰なものを貯蔵する。従って、図２ｂに示したように、触媒１は、１３２℃未満では、注入された殆ど全ての尿素(物理的な上限まで)を貯蔵し、４００℃を超えると、注入された全ての尿素は、直ちに分解して、ＮＨ₃となる。これら２つの温度の間では、アンモニア関連化合物の混合物が貯蔵され、この貯蔵された特定のアンモニア関連中間体化合物と、尿素の割合を含む、混合物の組成全体とは、温度の変化と共に変化する。

自動車のエンジン６の動的なシステムにおいて、触媒１の温度は絶えず変化し、自動車の制動又は加速などの動作を原因として、多くの過渡的な温度変動が起こる。

概略において、図３に示すように、本発明の制御システムは、エンジン６の性能に関連した変数を入力として用いるフィードフォワードメカニズム７を具備している。これは、触媒の位置での尿素注入２の速度と、可能であれば、更にはエンジン６からのＮＯ_x排出速度とを制御する。フィードバックメカニズム８は、フィードフォワードメカニズムによって推算された尿素注入速度に対する補正を出力し得るものであり、このフィードバック補正は点９で行われる。

本発明のシステムは、アンモニア関連化合物の貯蔵及びアンモニアの放出の双方の異なる速度と、これらが触媒温度にどのように依存するかとを考慮に入れ、或る特定の時点でのＮＯ_xとの反応に利用されるＮＨ₃の量を判定するモデルを使用する。これは、ＮＯ_xの還元の所望速度にとって最適な尿素注入速度を決定するのを可能にする。本発明は、このモデルを組み込んだフィードフォワードアプローチを使用して、ＳＣＲ触媒１への尿素注入速度を絶えず最適にすることにより、利用されるアンモニアの量を、還元される必要があるＮＯ_xの量に、常に釣り合わせることができる。このフィードフォワードモデルにおけるエラーを補正すべく、様々な形態のフィードバックが使用され得る。使用されるモデルの詳細を、以下に論ずる。

まず、フィードフォワードモデルに関して、再度図１を参照すると、ＮＯ_xを還元するのに利用される尿素の量は、注入されて直ちに分解してＮＨ₃となる尿素と、触媒１により放出されるアンモニア関連化合物との和である。

Mu_avail＝X・Mu_inj_rate＋Mu_rel_rate ［１］
ここで、
Mu_avail＝ＮＯ_xを還元するのに利用される尿素の質量速度、
X＝注入されて直ちに分解してＮＨ₃となる尿素の割合、
Mu_inj_rate＝尿素の注入の質量速度、
Mu_rel_rate＝触媒から放出されるアンモニア関連化合物の質量速度。

或る触媒温度にある触媒１からのアンモニア関連化合物の放出の速度は、この触媒の「満状態」に比例すると仮定する。

Mu_rel_rate＝Mu_stored／Tau_rel ［２］
ここで、
Mu_stored＝（「満状態」の）触媒中に貯蔵されるアンモニア関連化合物の質量、
Tau_rel＝触媒からのアンモニア関連化合物の放出速度に関する時定数。触媒温度の関数である。

等式［１］と等式［２］を合わせると、尿素注入速度は、
Mu_inj_rate＝（Mu_avail−Mu_stored／Tau_rel）／X ［３］
となる。

最適な尿素注入速度は、それが、利用可能なＮＯ_xの全てを還元するのに正に十分なMu_availをもたらす場合に得られる。

Mu_inj_rate_opt＝（ku・Mnox_rate−Mu_stored/Tau_rel）／X ［４］
ここで、
Mu_inj_rate_opt＝注入に関して最適な尿素の質量速度、
ku＝尿素のＮＨ₃への分解と、ＮＨ₃によるＮＯ_xの還元についての化学量論的な検討との双方を含んだ、ＮＯ_xから尿素への転化を説明する換算係数、
Mnox_rate＝エンジンからのＮＯ_x排出の質量流量。

図４は、等式［４］が、本発明のフィードフォワード戦略においてどのように使用されるかを示している。第１因数を得るために、Mnox_rateは、以下に詳細に論ずるセンサ又はモデルから得られる。「ku」及び「X」は、ルックアップ表１０、１１から得られる。これらは、排気ガス５の温度Ｔ_exと、空気の質量流量ＭＡＦとに依存し得る。第２因数を得るために、Mu_stored、即ち「満状態」は、以下に詳細に説明する積分によって得られる。Tau_relは、触媒温度のモデル１３から計算される１２。このモデルは、触媒１の温度を、自動車排気ガス５の温度Ｔ_exhと、周囲の温度Ｔ_amb及び圧力Ｐ_ambと、自動車速度とに関連付ける。Ｔ_exhは、温度センサを用いて測定されるか、又はエンジン回転速度及び負荷に基づいたルックアップ表から得られる。以下は、触媒温度のモデルの基礎である。

触媒は、主に対流によって、排気ガスから熱を得る。

ヒートゲイン＝対流＊ＭＡＦ＊（Ｔ_exh−Ｔ_cat）
ここで、
ＭＡＦ＝空気の質量流量、
Ｔ_cat＝触媒温度。

熱は、対流と伝熱との組み合わせによって、触媒から周囲へと失われる。

熱損失＝（伝熱＋（周囲の空気流量＊対流）＊（Ｔ_cat−Ｔ_amb））
周囲空気流量＝Vehicle_speed＊Ｐ_amb／Ｔ_amb
ここで、
Ｔ_amb＝周囲空気温度、
Ｐ_amb＝周囲空気圧力。

触媒温度は、得られた熱と熱損失との差を積分することによって得られる。

Ｔ_cat＝Ｔ_cat＋（ヒートゲイン−熱損失）／熱容量。

ＳＣＲ触媒中に貯蔵されたアンモニア関連化合物の質量Mu_storedは、尿素の流動注入から追加されたアンモニア関連化合物の量と、予め貯蔵されていたアンモニア関連化合物のうち放出された量との差である。従って、これは、触媒中に貯蔵されたアンモニア関連化合物の変化の速度に関して、以下の等式を与える。
Δ（貯蔵されるアンモニア関連化合物）＝貯蔵へと追加されるアンモニア関連化合物−貯蔵から放出されるアンモニア関連化合物、
即ち、ΔMu_stored＝（１−X）＊Mu_inj_rate＊Δｔ−（Mu_stored／Tau_rel）＊Δｔ
ここで、Δｔは、貯蔵されるアンモニア関連化合物の貯蔵質量の変化が観察される短い時間間隔である。この式は、点２０ａ及び２０ｂの位置で作り上げられ（formed）、積分されて１４、任意の時間に貯蔵されるアンモニア関連化合物の量を得る。

Mnox_rate、又は、換言すると、還元される必要があるＮＯ_xの量は、図５に示されたようなモデルから得ることができる。気筒内のピーク温度の概算は、気筒燃焼の動的なモデルから得られる。これは、エンジン冷却剤温度（ＥＣＴ）、吸気温度（ＩＡＴ）、マニフォールド絶対圧（ＭＡＰ）、注入の開始（ＳＯＩ）、注入燃料質量（ＩＦＭ）、排気ガス再循環（ＥＧＲ）及びエンジン回転速度（ＲＰＭ）のうちの少なくとも幾つかであり得る様々な因子を考慮に入れる。これらの全ては、よく知られているように、適切なセンサ又は表（map）から得ることができる。定常状態のＮＯ_x排出速度は、この気筒内温度の概算とエンジンに対する負荷（即ち、トルク）要求とに基づいたルックアップ表から得られる。その後、例えば５に示したように、加速の開始によって生ずる過渡現象を原因とする定常状態からの逸脱を考慮に入れるべく、補正が適用される。得られたMnox_rateは、図４に示した点１５において、フィードフォワードシステム中に送られる。

図４から分かり得るように、コントローラは、以下のように、様々な因数を組み合わせる。点１５において、因数「ku」及びMnox_rateが互いに掛け合わされる。点１６において、触媒温度のモデルと、例えば、ルックアップ表１７から得られたTau_relとから求められた１／Tau_relが、上記のように得られたMu_storedに掛け合わされる。点１８において、点１６からの結果を、点１５からの結果から減じ、次に、点１９において、点１８からの結果に１／Ｘを掛けて、Mu_inj_rate_optを与える。

また、上で論じたように、本発明の制御システムは、フィードフォワード戦略におけるエラーを取り除くべく、様々なフィードバックメカニズムを具備し得る。２つのフィードバックメカニズムを含んだ例示的システムが、図６に示されており、これを、以下に、より詳細に論ずる。

図７に示された或るフィードバックメカニズムは、尿素についての所望された量と注入される量との間の不一致を取り除く。この図に示されているように、単純な比例積分（ＰＩ）コントローラが使用され得る。これは、２１において、エラーを或る時間に亘って積分して、ｋ_Ｉを与え、このエラーに或る定数を掛けて、ｋ_Pを与える。その次に、尿素注入速度に対する補正ｋ_fbが、ｋ_I＋ｋ_Pから、このコントローラによって計算される。また、ｋ_Iは、図６に示されており且つ図８において略記されているような、適応学習モジュール２２へと出力され得る。この適応学習モジュールは、尿素注入器の流量許容量、堆積物の貯蔵及び尿素の質の変化のうちの何れかを補償し得る。尿素注入流量の許容量（或る駆動信号でのより高い又はより低い流量）の影響、又は或るシステム構成要素のエージング（例えば、尿素注入ノズルへの堆積物の貯蔵）の影響は、ＮＯ_x検知信号による、より低い又はより高い読み（公称値からの逸脱）をもたらすであろう。ＰＩ閉ループコントローラの積分部分（Ｉ項）は、検知出力信号における逸脱をなくすのに有効である。従って、Ｉ項の値は、このモデルを「再較正」するために、適応項（adaptive term）として使用される。それ故、このシステムが正しく機能している場合には、Ｉ項は、ゼロになるべきである。

第２フィードバックメカニズムが、図９に示されている。下流のＮＯ_xセンサ２３及び可能であれば更に上流に位置するセンサ２４は、排出されるＮＯ_xについての所望される量と実際量との間の不一致を調節するために、ＮＯ_xを検知する。排出されるＮＯ_xの所望される量は、通常ゼロであるが、以下に説明するような、ＮＯ_xエンジン排出量を増加して、アンモニアスリップを防ぐ場合には、ゼロでなくても良い。

現在のＮＯ_x検知技術は、図１０に示したように、ＮＯ_xとＮＨ₃とを識別することができない。それ故に、フィードバック制御ループにおいてこのようなセンサを使用するために、前記戦略は、ＮＯ_xとＮＨ₃との識別が可能でなければならない。これは、図１０に示されたような、信号に関する異なる極性（polarities）を利用し、実測値に基づいて、導関数ｄ（Sensor_signal）／ｄ（Mu_inj_rate）を概算することによって為され得る。点２５において算出されたこの導関数の極性は、点２６において検知信号を補正するのに使用される。

或いは、ＮＯ_x検知信号の向きは、モデルが予測を終えたか又は予測の最中であるかを異なる方法で判定するのに使用され得る例えば、ＮＯ_xセンサがモデルの予測値よりも高い値を示す場合、センサはＮＯ_x及びＮＨ₃の双方を測定するので、ＮＯ_xスリップ又はＮＨ₃スリップの何れかが存在するという、２つの考えられる理由が存在するはずである。スリップがＮＯ_xか又はＮＨ₃であるかという識別は、尿素注入速度を増加することによって判定され得る。即ち、スリップがＮＯ_xである場合、ＮＯ_x検知信号は低下するが、スリップがＮＨ₃である場合、ＮＯ_x検知信号は増加する。また、尿素注入速度が低減される場合、逆が成り立つ。スリップがＮＯ_xである場合、ＮＯ_x検知信号は増加し、スリップがＮＨ₃である場合、ＮＯ_x検知信号は減少する。センサは、このように、エラーが高ＮＯ_xによるか高ＮＨ₃によるかに応じて、モデルを上下に補正することができる。

ＮＯ_xセンサがＳＣＲモデルを補正するのに使用され得る更なる方法は、ＳＣＲ触媒転化率に注目することによるものである。ＳＣＲ触媒転化率は、部分的にはＮＨ₃貯蔵レベルの関数であり、非常に低いＮＨ₃貯蔵レベルか又は非常に高いＮＨ₃貯蔵レベルの何れかにおいて、ＳＣＲ触媒の或る操作条件での最大貯蔵容量の関数としての準最適値（suboptimal）となるであろう。この情報は、このモデルを及びそれゆえ尿素投入レベルを補正して、向上した転化率を達成するのに使用され得る。

ＳＣＲモデルをＮＯ_xセンサによって補正する更に他の方法は、以下の通りである。尿素注入は、貯蔵されていたＮＨ₃が完全に使い果たされるまで停止され得る。これは、排気管でのＮＯ_xの突破を生じさせる効果を有し、これは、ＮＯ_xセンサによって測定され得る。突破の時点は、ＳＣＲモデルのＮＨ₃貯蔵レベルをゼロにし且つエラーを補正するのに使用され得る。

図６に示されたシステムは、図４に示されたフィードフォワードモジュール２８を備えたコントローラ２７を具備している。エンジンのＮＯ_x排出量の概算は、フィードフォワードモジュール２８へと入力される３２。これは、図５に示されたように得られる概算でも良いし、第２ＮＯ_xセンサ２４から得られても良い。点２９において、フィードフォワードモジュール２８の出力Mu_inj_rate_optが、図９に示されたフィードバックモジュール２９の出力と合わせられる。このフィードバックモジュール２９は、排気ガス５中のＮＯ_xレベルについてのＮＯ_xセンサ２３からの点３０における入力を有する。点３０における第２入力は、排気ガス５中の所望のＮＯ_xレベルについてのＮＯ_x設定値３１である。点２９における値は、尿素注入速度を与え得るし、又は、この値は、点３０において、図７及び８に関連して論じたフィードバックメカニズム及び適応学習に従って、更に補正されても良い。次に、尿素注入器３１は、点３１における値に従う尿素注入速度を生じさせるように制御される。次に、センサ２３は、得られたＮＯ_x排気量を検知し、上で論じたように、この情報をフィードバックモジュール２９へとフィードバックする。

本発明は、更に好ましくは、触媒の満状態Mu_storedを制御する。制御に関するこの側面の主な目的は、Mu_storedを所定の目標レベルに維持して、このモデルによって提供される概算からの、エンジンによるＮＯ_xの発生速度の逸脱及び触媒におけるＮＨ₃生成の速度の逸脱に備えたバッファを提供することにある。ねらいは、ＮＯ_x及びＮＨ₃の速度の不均衡がＮＯ_x排出をもたらさないことを確実にすることにある。

或る条件下では、この制御は、例えば、排気ガス温度の上昇が予測される負荷の増加によって、エンジンから発生するＮＯ_xを増加させることを含み得る。ＮＯ_x排出についての概算速度よりも高い速度でアンモニアが生成されるであろうことが予測される場合、エンジンからの増加したＮＯ_x排出物が、アンモニアを除去して、アンモニアスリップを避ける。このようにして、大気へのＮＯ_xとＮＨ₃との双方の放出は、最小にされる。

この制御は、ＥＧＲを使用して、エンジンからのＮＯ_xの排出量及び排気ガス温度を制御する。既に論じたように、これら要因は、触媒温度、触媒貯蔵容量及び最適な液体注入速度に影響を与える。上述の影響を組み合わせることによって、Mu_storedは目標レベルへと制御される。また、エンジンは、より高い熱効率条件での運転を許容されて、エンジンによって排出されるＮＯ_xを増加させるので、これは、燃料節約を向上させる。

この戦略は、減速の間に、続いて加速が行われることを予想する。このような条件下では、従来、尿素投入の速度を低減していたが、その代わりに、概算される触媒温度が低下すると共に増加する貯蔵容量に対応して、注入される量が増やされる。公称「定常状態」条件下での動作の際、アンモニア関連化合物の貯蔵量が目標値に達し始めたとき、ＥＧＲが増やされる。これは、排気ガス温度を下げ、次に、触媒を冷却し、それにより、尿素に対する貯蔵容量を高める。それ故、尿素注入の速度は、温度で定義されたこの新たな容量へと高められる。

反対に、エンジンから出るＮＯ_xが、触媒によって放出されるＮＨ₃よりも遥かに少ない条件（典型的には、これは、エンジン負荷の低減に伴って、触媒温度が徐々に上昇する際に起こるであろう。これは、過渡的な現象である）では、ＥＧＲは、ＮＯ_xレベルが過剰なＮＨ₃と反応するのに十分なレベルへと増加するまで低減される。

本発明は、主に希薄な燃料／空気混合気で動く任意の内燃機関と共に使用され得る。例えば、これは、ディーゼルエンジンか又は直噴石油エンジンでも良く、２サイクル若しくは４サイクルエンジンか又は他の任意の種類のエンジンでも良い。エンジンは非自動車のエンジンでも良い。ＳＣＲ触媒は、従来のＳＣＲ触媒でも良く、例えば、触媒材料（典型的には、鉄、バナジウム又は銅）で被覆された金属又はセラミック基材（典型的には、チタニア又はゼオライト）から得られるものでも良い。液体注入器は、従来の液体注入器である。

注入されるものとして尿素水溶液を上で論じてきたが、注入液体は、アンモニア生成化合物を含有した任意の他の適切な液体でも良い。コントローラは、ハードウェア又はソフトウェアにおいて提供されても良く、例えば、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）でも良い。ルックアップ表は、任意の従来のルックアップ表であり得る。例えば、この表は、エンジンの較正試運転から得ることができる。温度センサなどの任意のセンサが、従来のセンサであり得る。

本発明は、最先端の自動車ＳＣＲシステムを上回る著しい進歩を示す。なぜなら、アンモニア生成化合物の貯蔵及び放出という触媒の能力に関しての、温度による触媒挙動の変化についての詳細なモデリングが、触媒において、アンモニアのレベルを遥かにより正確にＮＯ_xのレベルに釣り合わせることを可能にするからである。それ故、ＮＯ_x削減の最大化と同時に、アンモニアスリップを最小限にすることができる。従来のＮＯ_xセンサは、各場合における検知信号の異なる極性を利用してＮＯ_xによる信号をＮＨ₃による信号と区別することにより、本発明のシステムへのフィードバックを提供するのに使用され得る。
以下に、本願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］触媒構成要素へのＮＯ _x 還元性物質又は前駆体の導入速度を制御する方法であって、前記触媒構成要素に入るＮＯ _x の量を得ることと、前記触媒構成要素中のＮＯ _x 還元性物質又は前駆体の量をモデリングすることと、ＮＯ _x 還元性物質又は前駆体の導入速度を制御してＮＯ _x を還元させることとを含んだ方法。
［２］［１］記載の方法であって、前記導入速度は、前記触媒構成要素に入る実質的に全ての前記ＮＯ _x が前記ＮＯ _x 還元性物質によって還元されるように制御される方法。
［３］［１］又は［２］記載の方法であって、前記導入速度は、前記触媒構成要素において実質的に全ての前記ＮＯ _x 還元性物質が使い果たされるように制御される方法。
［４］［１］乃至［３］の何れか１記載の方法であって、前記触媒構成要素に入るＮＯ _x の量を制御して、前記触媒構成要素中において実質的に全ての前記ＮＯ _x 還元性物質を使い果たす工程を更に含んだ方法。
［５］［４］記載の方法であって、前記触媒構成要素に入るＮＯ _x の量は、排気ガス再循環を変更することによって制御される方法。
［６］［１］乃至［５］の何れか１記載の方法であって、前記触媒構成要素に入るＮＯ _x の量は、エンジンから前記触媒構成要素に入るＮＯ _x 温度の測定及びエンジン負荷に基づいたモデルから得られる方法。
［７］［６］記載の方法であって、前記触媒構成要素に入るＮＯ _x の量は、温度及び負荷の関数として、ルックアップ表に蓄えられる方法。
［８］［６］又は［７］記載の方法であって、前記温度は、エンジン冷却剤温度、吸気温度、マニフォールド圧力、注入の開始、注入燃料質量、排気ガス再循環及びエンジン回転速度のうちの少なくとも１つから導出される気筒内ピーク温度を含んでいる方法。
［９］［６］乃至［８］の何れか１記載の方法であって、前記触媒構成要素に入るＮＯ _x の量は、過渡的な動作に対する補正に応じて更にモデリングされる方法。
［１０］［１］乃至［５］の何れか１記載の方法であって、前記触媒構成要素に入るＮＯ _x の量は、センサから得られる方法。
［１１］［１］乃至［１０］の何れか１記載の方法であって、ＮＯ _x 還元性物質又は前駆体の量をモデリングすることは、触媒構成要素の温度に応じて行われる方法。
［１２］［１１］記載の方法であって、ＮＯ _x 還元性物質又は前駆体の量をモデリングする工程は、導入されるＮＯ _x 還元性前駆体のうちＮＯx還元性物質へと転化される量を、触媒温度に応じてモデリングすることと、前記触媒構成要素中に貯蔵されるＮＯ _x 還元材料の量を、触媒構成要素の温度に応じてモデリングすることと、貯蔵されるＮＯ _x 還元性前駆体のうち放出される量を、前記触媒構成要素の温度に応じてモデリングすることとを更に含んでいる方法。
［１３］［１２］記載の方法であって、最適な液体注入速度Mu_inj_rate_optは、関係：Mu_inj_rate_opt＝（ku・Mnox_rate−Mu_stored/Tau_rel）／Xを満たし、ここで、Mu_inj_rate_optは、最適なＮＯ _x 還元性前駆体の注入質量速度であり、kuは、１モルのＮＯ _x を還元するのに必要なＮＯ _x 還元性物質の量であり、Mu_storedは、前記触媒に貯蔵されるＮＯ _x 還元性前駆体の質量であり、Tau_relは、前記触媒から放出されるＮＯ _x 還元性前駆体の速度に関する時定数であり、Mnox_rateは、前記触媒構成要素に入るＮＯ _x 排出物の質量流量である方法。
［１４］［１１］乃至［１３］の何れか１記載の方法であって、前記触媒構成要素の温度を、前記触媒構成要素に入るＮＯ _x の温度の測定に基づいてモデリングすることを更に含んだ方法。
［１５］［１］乃至［１４］の何れか１記載の方法であって、前記導入速度は、前記触媒構成要素中に貯蔵されるＮＯ _x 還元性前駆体の量を緩衝閾値よりも高く維持するように更に制御される方法。
［１６］［１］乃至［１５］の何れか１記載の方法であって、前記触媒構成要素から排出されるＮＯ _x の量を監視することを更に含んだ方法。
［１７］［１５］記載の方法であって、前記触媒構成要素に入るＮＯ _x のモデリングされた量を、前記監視される量に応じて補正することを更に含んだ方法。
［１８］［１５］又は［１６］記載の方法であって、ＮＯ _x 還元性物質又は前駆体についての前記導入速度を、前記監視される量に応じて制御することを更に含んだ方法。
［１９］［１５］乃至［１７］の何れか１記載の方法であって、監視される量の変化を前記触媒構成要素に入るＮＯ _x の量の変化と比較して勾配を得ることと、前記勾配の符号を識別して、ＮＯ _x の量の検出と前記触媒構成要素から排出されたＮＯ _x 還元性物質の量の検出とを区別することとを更に含んだ方法。
［２０］［１］乃至［１９］の何れか１記載の方法であって、前記ＮＯ _x 還元性物質は、アンモニアを含んでおり、前記ＮＯ _x 還元性前駆体は、尿素を含んでいる方法。
［２１］［１］乃至［２０］の何れか１記載の方法であって、前記触媒構成要素は、選択的触媒還元構成要素を含んでいる方法。
［２２］［１］乃至［２１］の何れか１記載の方法であって、前記前駆体は、尿素及び／又は１種以上のアンモニア関連中間体化合物を含んでいる方法。
［２３］ＮＯ _x センサにおいて、ＮＯ _x の量の検出とＮＯ _x 還元性物質の量の検出とを区別する方法であって、構成要素から出ていき、ＮＯ _x モニタによって監視される量の変化を、構成要素に入っていくＮＯ _x の量の変化と比較して勾配を得ることと、ＮＯ _x の量の監視とＮＯ _x 還元性物質の量の監視とを、前記勾配の符号に応じて区別することとを含んだ方法。
［２４］ＮＯ _x センサにおいて、ＮＯ _x の量の検出とＮＯ _x 還元性物質の量の検出とを区別する方法であって、ＮＯ _x 還元性物質の注入速度の増加又は減少に応じてＮＯ _x 検知信号が増加するか又は減少するかを判定することと、ＮＯ _x の量の監視とＮＯ _x 還元性物質の監視とを、前記ＮＯ _x 検知信号の判定に応じて区別することとを含んだ方法。
［２５］［１］乃至［２４］の何れか１記載の方法を実行するように構成された指示を含んだコンピュータプログラム。
［２６］［２５］記載のコンピュータプログラムを実施するように準備されたコンピュータ。
［２７］［２６］記載のコンピュータを具備したエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）。
［２８］触媒構成要素へのＮＯ _x 還元性物質又は前駆体の導入速度を制御するコントローラと、ＮＯ _x 還元性物質又は前駆体を導入する導入構成要素とを具備し、前記コントローラは、前記触媒構成要素に入るＮＯ _x の量を得て、触媒コンバータにおけるＮＯ _x 還元性物質又は前駆体の量をモデリングするように、及び、前記導入構成要素によるＮＯ _x 還元性物質又は前駆体の導入速度を制御して、ＮＯ _x を還元させるように準備されている装置。
［２９］［２８］記載の装置であって、前記コントローラは、［１］乃至［２４］の何れか１項記載の方法を実施するように構成された装置。
［３０］［２８］又は［２９］記載の装置であって、触媒構成要素を更に具備した装置。
［３１］［３０］記載の装置を具備したエンジン。
［３２］［３１］記載のエンジンを含んだ自動車。
［３３］図面を参照してここに実質的に説明された、方法、コンピュータプログラム、コンピュータ、ＥＣＵ、装置、エンジン又は自動車。

Claims (20)

1. 触媒構成要素へのＮＯ_x還元性物質又は前駆体の導入速度を制御する方法であって、前記触媒構成要素に入るＮＯ_xの量を検出することと、前記触媒構成要素中のＮＯ_x還元性物質又は前駆体の量をモデリングすることと、前記触媒構成要素中のＮＯ_x還元性物質又は前駆体のモデリングされた量に基づいて、前記ＮＯ_x還元性物質又は前駆体の導入速度を制御してＮＯ_xを還元させることとを含み、
   前記触媒構成要素中のＮＯ_x還元性物質又は前駆体の量をモデリングする工程が：
   導入されるＮＯ_x還元性前駆体のうちＮＯ_x還元性物質へと転化される量を、触媒構成要素の温度に応じてモデリングすることと；
   前記触媒構成要素中に貯蔵されるＮＯ_x還元性前駆体の量を、触媒構成要素の温度に応じてモデリングすることと；
   貯蔵されるＮＯ_x還元性前駆体のうち放出される量を、前記触媒構成要素の温度に応じてモデリングすることと
   を含み、
   前記ＮＯ_x還元性前駆体の最適な導入速度Mu_inj_rate_optは、関係：
   Mu_inj_rate_opt＝（ku・Mnox_rate−Mu_stored/Tau_rel）／X
   を満たし、ここで、
   Mu_inj_rate_optは、最適なＮＯ_x還元性前駆体の注入質量速度であり、
   kuは、１モルのＮＯ_xを還元するのに必要なＮＯ_x還元性物質の量であり、
   Mu_storedは、前記触媒構成要素に貯蔵されるＮＯ_x還元性前駆体の質量であり、
   Tau_relは、前記触媒構成要素から放出されるＮＯ_x還元性前駆体の速度に関する時定数であり、
   Mnox_rateは、前記触媒構成要素に入るＮＯ_x排出物の質量流量であり、
   Xは、注入されて直ちに分解してＮＨ ₃ となる尿素の割合である、方法。
2. 請求項１記載の方法であって、前記導入速度は、前記触媒構成要素に入る実質的に全ての前記ＮＯ_xが前記ＮＯ_x還元性物質によって還元されるように制御される方法。
3. 請求項１又は２記載の方法であって、前記導入速度は、前記触媒構成要素において実質的に全ての前記ＮＯ_x還元性物質が使い果たされるように制御される方法。
4. 請求項１乃至３の何れか１項記載の方法であって、前記触媒構成要素に入るＮＯ_xの量を制御して、前記触媒構成要素中において実質的に全ての前記ＮＯ_x還元性物質を使い果たす工程を更に含み、
   前記触媒構成要素に入るＮＯ_xの量は、排気ガス再循環における排気ガスの量を変更す
   ることによって制御される方法。
5. 請求項１乃至４の何れか１項記載の方法であって、前記触媒構成要素に入るＮＯ_xの量は、エンジンから前記触媒構成要素に入るＮＯ_x温度の測定及びエンジン負荷に基づいたモデルから得られる方法。
6. 請求項５記載の方法であって、前記触媒構成要素に入るＮＯ_xの量は、前記触媒構成要素に入るＮＯ_x温度及び前記エンジン負荷の関数として、ルックアップ表に蓄えられる方法。
7. 請求項５又は請求項６記載の方法であって、
   前記温度は、
   吸気温度又は注入の開始と、
   エンジン冷却剤温度、マニフォールド圧力、注入燃料質量、排気ガス再循環における排気ガスの量、及びエンジン回転速度、のうちの少なくとも１つと、
   から導出される気筒内ピーク温度である方法。
8. 請求項１乃至４の何れか１項記載の方法であって、前記触媒構成要素に入るＮＯ_xの量は、センサから得られる方法。
9. 請求項１乃至８の何れか１項記載の方法であって、前記触媒構成要素から排出されるＮＯ_xの量を監視することを更に含んだ方法。
10. 請求項９記載の方法であって、前記触媒構成要素に入るＮＯ_xのモデリングされた量を、前記監視される量に応じて補正することを更に含んだ方法。
11. 請求項９記載の方法であって、ＮＯ_x還元性物質又は前駆体についての前記導入速度を、前記監視される量に応じて制御することを更に含んだ方法。
12. 請求項９又は１０記載の方法であって、監視される量の変化を前記触媒構成要素に入るＮＯ_xの量の変化と比較して勾配を得ることと、前記勾配の符号を識別して、ＮＯ_xの量の検出と前記触媒構成要素から排出されたＮＯ_x還元性物質の量の検出とを区別することとを更に含んだ方法。
13. 請求項１乃至１２の何れか１項記載の方法であって、前記ＮＯ_x還元性物質は、アンモニアを含んでおり、前記ＮＯ_x還元性前駆体は、尿素を含んでいる方法。
14. 請求項１乃至１３の何れか１項記載の方法であって、前記触媒構成要素は、選択的触媒還元構成要素を含んでいる方法。
15. 請求項１乃至１４の何れか１項記載の方法であって、前記前駆体は、尿素及び／又は１種以上のアンモニア関連中間体化合物を含んでいる方法。
16. 触媒構成要素へのＮＯ_x還元性物質又は前駆体の導入速度を制御するコントローラと、ＮＯ_x還元性物質又は前駆体を導入する導入構成要素と、前記触媒構成要素に入るＮＯ_xの量を検出するセンサとを具備する装置であって、
    前記コントローラは、前記センサから前記触媒構成要素に入るＮＯ_xの量を得て、前記触媒構成要素におけるＮＯ_x還元性物質又は前駆体の量をモデリングし、前記触媒構成要素におけるＮＯ_x還元性物質又は前駆体のモデリングされた量に基づいて、前記導入構成要素によるＮＯ_x還元性物質又は前駆体の導入速度を制御して、ＮＯ_xを還元させるように構成されており、
    前記触媒構成要素におけるＮＯ_x還元性物質又は前駆体の量をモデリングする工程が：
    導入されるＮＯ_x還元性前駆体のうちＮＯ_x還元性物質へと転化される量を、触媒構成要素の温度に応じてモデリングすることと；
    前記触媒構成要素中に貯蔵されるＮＯ_x還元性前駆体の量を、触媒構成要素の温度に応じてモデリングすることと；
    貯蔵されるＮＯ_x還元性前駆体のうち放出される量を、前記触媒構成要素の温度に応じてモデリングすることと
    を含むように、前記コントローラがプログラムされている、装置。
17. 請求項１６記載の装置であって、前記コントローラは、請求項１乃至１５の何れか１項記載の方法を実施するように構成された装置。
18. 請求項１６又は１７記載の装置であって、触媒構成要素を更に具備した装置。
19. 請求項１８記載の装置を具備したエンジン。
20. 請求項１９記載のエンジンを含んだ自動車。

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