JP6648552B2

JP6648552B2 - 内燃機関およびその制御方法

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Publication number: JP6648552B2
Application number: JP2016035173A
Authority: JP
Inventors: 弘司作本
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2016-02-26
Filing date: 2016-02-26
Publication date: 2020-02-14
Anticipated expiration: 2036-02-26
Also published as: JP2017150431A

Description

本発明は、内燃機関およびその制御方法に関し、より詳細には、内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物を浄化するための選択的還元触媒からの還元剤の排出を抑制しながら、選択的還元触媒における窒素酸化物の浄化率を向上する内燃機関およびその制御方法に関する。

エンジン（内燃機関）の排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するために、気筒から排出された排気ガスが通過する排気通路に上流側から下流側に向って順に、酸化触媒と選択的還元触媒とが配置されたエンジンがある。このエンジンにおいては、選択的還元触媒よりも上流側で、還元剤噴射弁から還元剤を排気ガスに添加し、この排気ガス中に添加された還元剤により選択的還元触媒で窒素酸化物を還元している。

これに関して、還元剤噴射弁から排気ガスに添加される還元剤の添加量を、選択的還元触媒の下流側の排気ガスに含有される窒素酸化物の含有量に基づいた閉ループ制御（フィードバック制御）により調節する装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、選択的還元触媒が不活化した状況でも、還元剤の添加量を閉ループ制御により調節すると、選択的還元触媒で還元剤による窒素酸化物の還元が十分にできず、下流側に窒素酸化物が流出するためさらに還元剤の添加量が増加されるため、還元剤が過剰となり、選択的還元触媒から還元剤が多量に排出されるという問題や、必要な時に還元剤が不足となり、選択的還元触媒における窒素酸化物の浄化率が低下するという問題があった。

特開２０１３−５１５８９７号公報

本発明の目的は、内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物を浄化するための選択的還元触媒からの還元剤の排出を抑制しながら、選択的還元触媒における窒素酸化物の浄化率を向上することができる内燃機関およびその制御方法を提供することである。

上記の目的を達成する本発明の内燃機関は、内燃機関の気筒からの排気ガスが通過する排気通路の上流側から下流側に向って順に、酸化触媒と選択的還元触媒とを備えるとともに、その選択的還元触媒よりも上流側で還元剤を排気ガスに添加する還元剤噴射弁と、を備えた内燃機関において、前記選択的還元触媒の活性化状況として前記選択的還元触媒の内部の触媒温度と前記選択的還元触媒を通過する排気ガスの空間速度とを監視し、前記触媒温度と前記空間速度とに基づいて前記還元剤噴射弁から排気ガスに添加される還元剤の添加量を調節する制御を行う制御装置を備え、前記制御装置が、前記触媒温度と前記空間速度とに基づいた領域マップデータを有し、この領域マップデータが、高温域側に配置されて前記選択的還元触媒が活性化している状況を示す第一領域と、低温域側に配置されて前記選択的還元触媒が不活化している状況を示す第二領域とを有し、前記第一領域が、さらに複数の領域に分割されており、それぞれの領域が、互いに異なる係数を有してなり、前記制御装置が、取得した前記触媒温度および前記空間速度と、前記領域マップデータとを比較して、前記選択的還元触媒の状況が、前記第一領域に存在するか、あるいは前記第二領域に存在するかを判定し、前記選択的還元触媒の状況が前記第一領域に存在する場合に、前記添加量が前記選択的還元触媒を通過前の排気ガスに含有される窒素酸化物の通過前含有量に基づいて算出された第一目標添加量に調節される開ループ制御と、前記添加量が前記選択的還元触媒を通過後の排気ガスに含有される窒素酸化物の通過後含有量と予め設定された目標含有量との差分をゼロにするように算出された値に前記係数を乗算して算出された第二目標添加量に調節される閉ループ制御との両方の制御により前記添加量を調節する制御を行う一方で、前記選択的還元触媒の状況が前記第二領域に存在する場合に、前記開ループ制御により前記添加量を調節する制御を行う構成にしたことを特徴とするものである。

また、上記の目的を達成する本発明の内燃機関の制御方法は、内燃機関の気筒からの排気ガスが通過する排気通路に酸化触媒、還元剤噴射弁、および選択的還元触媒が配置された内燃機関の制御方法において、前記選択的還元触媒の活性化状況として前記選択的還元触媒の内部の触媒温度と前記選択的還元触媒を通過する排気ガスの空間速度とを取得するとともに、前記選択的還元触媒を通過前の排気ガスに含有される窒素酸化物の通過前含有量、および、前記選択的還元触媒を通過後の排気ガスに含有される窒素酸化物の通過後含有量を取得するステップと、取得した前記触媒温度および前記空間速度と、前記触媒温度と前記空間速度とに基づいて設定され、高温域側に配置されて前記選択的還元触媒が活性化している状況を示す第一領域および低温域側に配置されて前記選択的還元触媒が不活化している状況を示す第二領域を有し、前記第一領域がさらに複数の領域に分割されており、それぞれの領域が、互いに異なる係数を有してなる領域マップデータとを比較して、前記選択的還元触媒の状況が、前記第一領域に存在するか、あるいは前記第二領域に存在するかを判定するステップと、前記選択的還元触媒の状況が前記第一領域に存在すると判定した場合に、前記還元剤噴射弁から排気ガスに添加される還元剤の添加量を、この添加量が前記通過前含有量に基づいて算出された第一目標添加量に調節される開ループ制御と、その添加量が前記通過後含有量と予め設定された目標含有量との差分をゼロにするように算出された値に前記係数を乗算して算出された第二目標添加量に調節される閉ループ制御との両方の制御により調節するステップと、前記選択的還元触媒の状況が前記第二領域に存在すると判定した場合に、前記添加量を前記開ループ制御のみで調節するステップと、を含むことを特徴とする方法である。

ここでいう選択的還元触媒の活性化状況とは、選択的還元触媒における窒素酸化物の還元が安定して行われる活性化している状態にあるか否かを示した状況のことである。詳しくは、この選択的還元触媒の活性化状況は、選択的還元触媒の内部の触媒温度と、選択的還元触媒における排気ガスの空間速度とに基づくものである。なお、空間速度は、単位時間あたりに排気ガスが選択的還元触媒に接触する時間の逆数、言い換えると、選択的還元触媒の充填体積あたりの排気ガス流量で表される。従って、選択的還元触媒の活性化状況は触媒温度と排気ガス流量に基づくものでもある。

つまり、選択的還元触媒が活性化している状況とは、例えば、選択的還元触媒の内部の触媒温度が高く、あるいは選択的還元触媒における排気ガスの空間速度が遅いことから、選択的還元触媒における窒素酸化物の還元が安定している状況のことをいう。一方、選択的還元触媒が不活化している状況とは、例えば、選択的還元触媒の内部の触媒温度が低く、あるいは選択的還元触媒における排気ガスの空間速度が速いことから、選択的還元触媒における窒素酸化物の還元が不安定な状況のことである。なお、この不安定な状況は、あくまで、触媒が十分活性していない為、窒素酸化物の還元が安定的でないことを示しており、選択的還元触媒における窒素酸化物の還元が全く無い状態のことではない。

従って、上記の内燃機関においては、それらの触媒温度および空間速度を取得する構成にすることが望ましく、上記の制御方法においては、それらを取得するステップを含むことが望ましい。

また、ここでいう選択的還元触媒の活性化状況、通過前含有量、および通過後含有量としては、センサの検出値やモデル予測による算出値を例示でき、その取得手段は限定されない。

例えば、選択的還元触媒の活性化状況を示す触媒温度としては、選択的還元触媒に配置された温度センサの検出値や、選択的還元触媒の入口の近傍の排気通路に配置された温度センサの検出値を例示できる。

また、選択的還元触媒の活性化状況を示す空間速度としては、気筒から排気通路に排出される排気ガス流量をモデル予測し、その排気ガス流量と予め求めておいた選択的還元触媒における充填体積とから算出した算出値を例示できる。

また、通過前含有量としては、選択的還元触媒の入口の近傍の排気通路に配置されたＮＯｘセンサの検出値や、気筒から排気通路に排出される排気ガスのＮＯｘ濃度と酸化触媒
での酸化反応によるＮＯｘ濃度の変化をモデル予測して算出した算出値を例示できる。

また、通過後含有量としては、選択的還元触媒よりも下流の排気通路に配置されたＮＯｘセンサの検出値や、モデル予測した通過前含有量から、さらに、選択的還元触媒における還元によるＮＯｘ濃度の変化をモデル予測して算出した算出値を例示できる。

また、ここでいう開ループ制御（オープンループ制御）とは、通過後含有量に対してフィードバックを行わずに、添加量を通過前含有量に基づいて算出された第一目標添加量に調節することで、通過後含有量を予め定められた目標含有量に近づける制御である。なお、この開ループ制御は、酸化触媒における酸化反応などを外乱とするとフィードフォワード制御と言い換えることもできる。

一方、ここでいう閉ループ制御（クローズドループ制御）とは、通過後含有量に対してフィードバックを行うことで、通過後含有量を目標含有量に近づける制御である。

この内燃機関およびその制御方法によれば、選択的還元触媒における活性化状況に応じて、還元剤の添加量を開ループ制御と閉ループ制御との両方の制御で調節する制御と、開ループ制御のみで調節する制御とを切り替えるようにしたことで、還元剤の添加量が過不足になることを回避できる。

例えば、選択的還元触媒が活性化している状況では、還元剤の添加量を開ループ制御と閉ループ制御との両方の制御で調節することで、選択的還元触媒における窒素酸化物の浄化率を向上できる。一方、選択的還元触媒が不活化している状況では、閉ループ制御を禁止して、還元剤の添加量を開ループ制御のみで調節することで、選択的還元触媒から還元剤が排出することを抑制できる。

このように、選択的還元触媒の活性化状況に応じて添加量を調節する制御を切り替えることにより、選択的還元触媒からの還元剤の排出を抑制しながら、選択的還元触媒における窒素酸化物の浄化率を向上することができる。

特に、上記の内燃機関およびその制御方法は、通過後含有量をモデル予測して還元剤の添加量を調節する場合に好適である。通過後含有量をモデル予測して閉ループ制御により還元剤の添加量を調節すると、窒素酸化物の浄化率を向上できるが、選択的還元触媒が不活化している状況ではその通過後含有量のモデル予測精度が低下するときがある。一方、上記の内燃機関およびその制御方法においては、選択的還元触媒が不活化している状況では閉ループ制御を禁止することで、モデル予測精度の低下に関係なく添加量を調節する。これにより、通過後含有量をモデル予測することによる窒素酸化物の浄化率の向上を、選択的還元触媒から還元剤が排出されるなどのばらつきの影響なく、達成することができる。

本発明の実施形態のエンジンを例示する構成図である。図１の制御装置を例示する構成図である。図２の領域マップデータである。本発明の実施形態のエンジンの制御方法を例示するフロー図である。図４の別形態を例示するフロー図である。図３の別形態を例示するマップデータである。

以下に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は本発明の実施形態からなるエンジン１０を例示している。このエンジン１０は、排気通路２０に酸化触媒２１と選択的還元触媒２３とを備え、その選択的還元触媒２３で還元剤噴射弁２４から排気ガスＧ１に添加された還元剤Ｒ１により窒素酸化物を還元するものである。

エンジン１０においては、吸気通路１１へ吸入された吸気Ａ１が、ターボチャージャー１２のコンプレッサ１２ａにより圧縮されて高温になり、インタークーラ１３で冷却される。その後、この吸気Ａ１は、インテークマニホールド１４から吸気バルブ１５を経て気筒１６に供給される。気筒１６に供給された吸気Ａ１は、燃料噴射弁１７から噴射された燃料と混合されて燃焼して熱エネルギーを発生させた後に、排気ガスＧ１となる。

そして、その排気ガスＧ１は、排気バルブ１８からエキゾーストマニホールド１９を経由して排気通路２０へ排気される。この排気された排気ガスＧ１は、ターボチャージャー１２のタービン１２ｂを駆動した後に酸化触媒２１、捕集フィルタ２２、および選択的還元触媒２３の順に通過して浄化されてから大気中へ放出される。

また、排気ガスＧ１の一部は、排気通路２０からＥＧＲ通路２５へ分岐し、ＥＧＲクーラー２６で冷却された後に、ＥＧＲバルブ２７からＥＧＲガスＧ２として吸気通路１１に還流される。

以下、排気ガスＧ１の浄化について詳しく説明する。排気通路２０には、この排気通路２０における上流側から下流側に向って順に、酸化触媒２１、捕集フィルタ２２、および選択的還元触媒２３が配置される。また、選択的還元触媒２３よりも上流側で還元剤Ｒ１を排気ガスＧ１に添加する還元剤噴射弁２４が配置される。

酸化触媒２１は、例えば、コージェライトハニカム等の多孔質のセラミックのハニカム構造体の担持体に、ロジウム、酸化セリウム、白金、酸化アルミニウム等が担持された状態で形成される。この酸化触媒２１は、排気ガスＧ１中に未燃燃料である炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等があるとこれを酸化し、この酸化で発生する熱により排気ガスＧ１を昇温して、この昇温した排気ガスＧ１で下流側の捕集フィルタ２２を昇温させる。

捕集フィルタ２２は、一般的に、多孔質のセラミックのハニカムのチャンネルの入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型ウォールフロータイプのフィルタ等で形成される。そして、このフィルタの部分に、白金や酸化セリウム等の酸化触媒やＰＭ酸化触媒が担持された状態が多い。この捕集フィルタ２２により、排気ガスＧ１中の粒子状物質（ＰＭ）は、多孔質のセラミックの壁で捕集される。

選択的還元触媒２３は、ハニカム構造体に、白金、バナジウム等の貴金属触媒や、バナジウム、銅、卑金属触媒が担持された状態で形成される。この選択的還元触媒２３では、一酸化窒素（ＮＯ）や二酸化窒素（ＮＯ_２）等の窒素酸化物（ＮＯｘ）を、還元反応により、窒素（Ｎ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）に還元する。このとき、ＮＯ：ＮＯ_２が５０：５０の場合に窒素酸化物を窒素に最も効率よく還元できる。

還元剤噴射弁２４としては、尿素水を噴射するドージングバルブを例示でき、還元剤Ｒ１としては、アンモニアを例示できる。ドージングバルブから噴射された尿素水から加水分解や熱分解によりアンモニアが生成され、このアンモニアが還元剤Ｒ１として選択的還元触媒２３に吸着される。

各装置が活性化している状態で、エンジン１０から排出された排気ガスＧ１が各装置を通過すると、酸化触媒２１では、排気ガスに含有される未燃の炭化水素、炭素酸化物、及
び窒素酸化物が酸化される。

次いで、捕集フィルタ２２では、担持された触媒によって窒素酸化物が酸化されると共に、排気ガスＧ１に含有される粒子状物質が捕集される。また、この捕集フィルタ２２では、捕集した粒子状物質と二酸化窒素とを反応させることで粒子状物質が酸化除去される（以下、パッシブ再生という）。

次いで、選択的還元触媒２３では、窒素酸化物が還元剤噴射弁２４から噴射された還元剤Ｒ１による還元反応によって還元される。この還元反応として代表的なものとして、「４ＮＯ＋４ＮＨ_３＋Ｏ_２→４Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ」、「６ＮＯ_２＋８ＮＨ_３→７Ｎ_２＋１２Ｈ_２Ｏ」、「ＮＯ＋ＮＯ_２＋２ＮＨ_３→２Ｎ_２＋３Ｈ_２Ｏ」を例示できる。

なお、上記のエンジン１０の構成は一例であり、例えば、捕集フィルタ２２を備えない構成にしてもよく、あるいは、選択的還元触媒２３の下流側に還元剤Ｒ１を吸着する触媒を備えてもよい。

このようなエンジン１０において、選択的還元触媒２３における活性化状況を監視し、その活性化状況に応じて還元剤噴射弁２４から排気ガスＧ１に添加される還元剤Ｒ１の添加量Ｑｒを調節する制御を行う制御装置３０を備えて構成される。

そして、この制御装置３０が、選択的還元触媒２３が活性化している状況の場合に、添加量Ｑｒを開ループ制御ＯＬＣと閉ループ制御ＣＬＣとの両方の制御により調節する制御を行うように構成される。また、この制御装置３０が、選択的還元触媒２３が不活化している状況の場合に、添加量Ｑｒを開ループ制御ＯＬＣにより調節する制御を行うように構成される。

制御装置３０は、各種処理を行うＣＰＵ、その各種処理を行うために用いられるプログラムが一時的に格納されるＲＯＭ、処理結果を読み書き可能なＲＡＭ、および各種インターフェースなどから構成される。この制御装置３０は、信号線を介して第一ＮＯｘセンサ３１、温度センサ３２、第二ＮＯｘセンサ３３、回転数センサ３４、および吸入空気量センサ３５などのそれぞれのセンサに接続される。また、この制御装置３０は、信号線を介して燃料噴射弁１７、還元剤噴射弁２４、およびＥＧＲバルブ２７に接続される。

図２は、制御装置３０の概略を例示している。この制御装置３０は、パラメータ取得部３６と、判定部３７と、制御部３８とを有して構成される。

パラメータ取得部３６は、パラメータとして、選択的還元触媒２３の活性化状況を示す触媒温度Ｔｘおよび空間速度Ｖｘと、通過前含有量ＣＢｘおよび通過後含有量ＣＡｘとをセンサの検出値やモデル予測による算出値として取得する。このパラメータ取得部３６は、パラメータが全て各種センサの検出値で取得できる場合には、ＲＡＭで構成され、一方、パラメータの一つでもモデル予測の算出値が必要な場合には、ＲＡＭとモデル予測プログラムとから構成される。モデル予測プログラムとは、各種センサの検出値とモデルとに基づいてパラメータをモデル予測するプログラムである。

触媒温度Ｔｘは、選択的還元触媒２３の内部の温度であり、この実施形態では、温度センサ３２の検出値である。温度センサ３２は、選択的還元触媒２３の入口の近傍の排気通路２０に配置されており、その入口の近傍を通過する排気ガスＧ１の温度を検出している。この温度センサ３２の検出値を触媒温度Ｔｘとして取得する場合には、予め実験や試験により温度センサ３２の検出値と実際の触媒温度Ｔｘとの関係を示すマップデータを求めておき、このマップデータで検出値を補正するとよい。なお、選択的還元触媒２３に配置
された温度センサで、直接的に触媒温度Ｔｘを取得してもよい。

空間速度Ｖｘは、選択的還元触媒２３を通過する排気ガスＧ１の空間速度であり、選択的還元触媒２３の充填体積あたりの排気ガス流量を示している。この実施形態では、予め実験や試験により選択的還元触媒２３の充填体積を求めておき、モデル予測プログラムで予測した排気ガス流量から充填体積を除算して求めている。このモデル予測プログラムとしては、排気ガス流量を予測できるものであればよく、回転数センサ３４の検出値と、吸入空気量センサ３５の検出値と、燃料噴射弁１７の制御値である燃料噴射量とに基づいて、予め設定されたマップデータを参照して排気ガス流量を予測するプログラムを例示できる。

なお、この空間速度Ｖｘに代えて、排気ガス流量を用いてもよい。但し、空間速度Ｖｘに基づくことで、より正確な選択的還元触媒２３の活性化状況を取得することができるので、好ましい。

通過前含有量ＣＢｘは、選択的還元触媒２３を通過前の排気ガスＧ１に含有される窒素酸化物の含有量であり、通過後含有量ＣＡｘは、選択的還元触媒２３を通過後の排気ガスＧ１に含有される窒素酸化物の含有量である。なお、含有量としては、体積濃度、質量濃度、および質量流量などを例示できるが、以下では、排気ガスＧ１に対する体積濃度として、単位をｐｐｍとする。この通過前含有量ＣＢｘは、第一ＮＯｘセンサ３１の検出値である。第一ＮＯｘセンサ３１は、捕集フィルタ２２と選択的還元触媒２３との間の排気通路２０に配置されており、酸化触媒２１および捕集フィルタ２２を通過後の排気ガスＧ１のＮＯｘ濃度を検出している。一方、通過後含有量ＣＡｘは、第二ＮＯｘセンサ３３の検出値である。第二ＮＯｘセンサ３３は、選択的還元触媒２３の下流側の排気通路２０に配置されており、選択的還元触媒２３を通過後の排気ガスＧ１のＮＯｘ濃度を検出している。

判定部３７および制御部３８は、実行プログラムであって、ＲＡＭに記憶される。これらの実行プログラムは、ＣＰＵによりＲＡＭからＲＯＭに読み出されることで、それぞれ予め指定された処理を行う。

判定部３７は、取得した触媒温度Ｔｘおよび空間速度Ｖｘと、後述する領域マップデータ４０とを比較して、選択的還元触媒２３の活性化状況が、第一領域４１に存在するか、あるいは第二領域４２に存在するかを判定するプログラムである。

領域マップデータ４０は、予め実験や試験により取得していた選択的還元触媒２３の内部の触媒温度Ｔと、同様に予め実験や試験により取得していた選択的還元触媒２３を通過する排気ガスＧ１の空間速度Ｖとに基づいたマップデータである。この領域マップデータ４０は、ＲＡＭに記憶されている。

図３は、この領域マップデータ４０を例示している。領域マップデータ４０は、選択的還元触媒２３の活性化状況を触媒温度Ｔと空間速度Ｖとに基づいて示している。この領域マップデータ４０は、第一領域４１と第二領域４２とを有している。第一領域４１は、領域マップデータ４０の高温域側に設定されており、選択的還元触媒２３が活性化している状況を示す領域である。一方、第二領域４２は、第一領域４１以外の領域であって、領域マップデータ４０の低温域側に設定されており、選択的還元触媒２３が不活化している状況を示す領域である。

この選択的還元触媒２３が活性化している状況とは、選択的還元触媒２３における窒素酸化物の還元が安定している状況のことをいう。例えば、触媒温度Ｔが温度Ｔａ以上では
、空間速度Ｖに依らずに選択的還元触媒２３における窒素酸化物の還元は安定する。また、触媒温度Ｔが温度Ｔｂ以上、温度Ｔａ未満では、空間速度Ｖが低速になるに連れて選択的還元触媒２３における窒素酸化物の還元は安定する。

一方、選択的還元触媒２３が不活化している状況とは、選択的還元触媒２３における窒素酸化物の還元が不安定な状況のことをいう。例えば、触媒温度Ｔが温度Ｔｂ未満では、空間速度Ｖに依らずに選択的還元触媒２３における窒素酸化物の還元は不安定になる。また、触媒温度Ｔが温度Ｔｂ以上、温度Ｔａ未満では、空間速度Ｖが高速になるに連れて選択的還元触媒２３における窒素酸化物の還元は不安定になる。なお、この不安定な状況は、あくまで、触媒が十分活性していない為、窒素酸化物の還元が安定的でないことを示しており、選択的還元触媒２３における窒素酸化物の還元が全く無い状態のことではない。

この温度Ｔａ、Ｔｂは、１００℃以上、２５０℃以下の値に設定されており、温度Ｔａとしては２００℃を、温度Ｔｂとしては１００℃を例示できる。

取得した触媒温度Ｔｘおよび空間速度Ｖｘが（Ｔ１、Ｖ１）と（Ｔ２、Ｖ２）との場合を例に説明する。判定部３７は、選択的還元触媒２３の活性化状況（Ｔ１、Ｖ１）が第一領域４１に存在していると判定し、この活性化状況（Ｔ１、Ｖ１）では、選択的還元触媒２３が活性化している状況と判定する。一方で、選択的還元触媒２３の活性化状況（Ｔ２、Ｖ２）が第二領域４２に存在していると判定し、この活性化状況（Ｔ２、Ｖ２）では、選択的還元触媒２３が不活化している状況と判定する。

制御部３８は、還元剤噴射弁２４から噴射され、排気ガスＧ１に添加される還元剤Ｒ１の添加量Ｑｒを調節するプログラムである。より詳しくは、この制御部３８は、開ループ制御ＯＬＣと閉ループ制御ＣＬＣとの二つの制御を有して、添加量Ｑｒを調節することで、通過後含有量ＣＡｘを予め設定された目標含有量Ｃａに近づけるプログラムである。

目標含有量Ｃａは、エンジン１０から外部へ排出される排気ガスＧ１に含有される窒素酸化物の含有量の目標値である。エンジン１０がディーゼルエンジンの場合には、この目標含有量Ｃａとしては、９５０ｐｐｍ以下の値を例示できる。

開ループ制御ＯＬＣは、通過後含有量ＣＡｘに対してフィードバックを行わずに、通過後含有量ＣＡｘを目標含有量Ｃａに近づける制御である。詳しくは、添加量Ｑｒが、通過後含有量ＣＡｘを目標含有量Ｃａにするように通過前含有量ＣＢｘに基づいて算出された第一目標添加量Ｑａに調節される制御である。

この開ループ制御ＯＬＣとしては、予め通過前含有量ＣＢｘに基づいた第一目標添加量Ｑａが設定されたマップデータを有して、添加量Ｑｒがそのマップデータに基づいて算出した第一目標添加量Ｑａになるように還元剤噴射弁２４を調節する制御を例示できる。なお、この第一目標添加量Ｑａは、通過前含有量ＣＢｘに対して正の相関となる。

閉ループ制御ＣＬＣは、通過後含有量ＣＡｘに対してフィードバックを行うことで、通過後含有量ＣＡｘを目標含有量Ｃａに近づける制御である。より詳しくは、添加量Ｑｒが通過後含有量ＣＡｘと目標含有量Ｃａとの差分ΔＣをゼロにするように算出された第二目標添加量Ｑｂに調節される制御である。

この閉ループ制御ＣＬＣとしては、予め差分ΔＣに基づいた第二目標添加量Ｑｂが設定されたマップデータを有して、添加量Ｑｒがそのマップデータに基づいて算出した第二目標添加量Ｑｂになるように還元剤噴射弁２４を調節する制御を例示できる。なお、この第二目標添加量Ｑｂは、差分ΔＣに対して正の相関となる。

以下、エンジン１０の制御方法について、図４のフロー図を参照しながら制御装置３０の機能として説明する。なお、この制御方法は、エンジン１０が始動してから停止するまで行われるものとする。

まず、ステップＳ１０では、制御装置３０が、パラメータ（触媒温度Ｔｘ、空間速度Ｖｘ、通過前含有量ＣＢｘ、通過後含有量ＣＡｘ）を取得する。詳しくは、制御装置３０が、温度センサ３２の検出値を触媒温度Ｔｘとして取得する。また、制御装置３０が、モデル予測プログラムで算出した算出値を空間速度Ｖｘとして取得する。また、制御装置３０が、第一ＮＯｘセンサ３１の検出値を通過前含有量ＣＢｘとして取得する。また、制御装置３０が、第二ＮＯｘセンサ３３の検出値を通過後含有量ＣＡｘとして取得する。

次いで、ステップＳ２０では、制御装置３０が、取得した選択的還元触媒２３の活性化状況（Ｔｘ、Ｖｘ）と領域マップデータ４０とを比較して、選択的還元触媒２３の活性化状況が第一領域４１の範囲内に存在するか否かを判定する。このステップＳ２０で、選択的還元触媒２３の活性化状況（Ｔｘ、Ｖｘ）が第一領域４１に存在する場合、つまり、選択的還元触媒２３が活性化している状況である場合には、ステップＳ３０へ進む。一方、選択的還元触媒２３の活性化状況（Ｔｘ、Ｖｘ）が第二領域４２に存在する場合、つまり、選択的還元触媒２３が不活化している状況である場合には、ステップＳ７０へ進む。

次いで、ステップＳ３０では、制御装置３０が、通過前含有量ＣＢｘに基づいて第一目標添加量Ｑａを算出する。次いで、ステップＳ４０では、制御装置３０が、添加量Ｑｒを第一目標添加量Ｑａに調節する。このステップＳ３０およびステップＳ４０が、開ループ制御ＯＬＣに相当する制御である。

次いで、ステップＳ５０では、制御装置３０が、通過後含有量ＣＡｘに基づいて第二目標添加量Ｑｂを算出する。次いで、ステップＳ６０では、制御装置３０が、添加量Ｑｒを第二目標添加量Ｑｂに調節する。このステップＳ５０およびステップＳ６０が、閉ループ制御ＣＬＣに相当する制御である。

このように、ステップＳ２０で、選択的還元触媒２３が活性化している状況と判定した場合に、開ループ制御ＯＬＣと閉ループ制御ＣＬＣとの両方の制御により添加量Ｑｒを調節するとスタートへ戻る。

一方、ステップＳ７０では、制御装置３０が、通過前含有量ＣＢｘに基づいて第一目標添加量Ｑａを算出する。次いで、ステップＳ８０では、制御装置３０が、添加量Ｑｒを第一目標添加量Ｑａに調節する。このステップＳ７０およびステップＳ８０が、開ループ制御ＯＬＣに相当する制御である。

このように、ステップＳ２０で、選択的還元触媒２３が不活化している状況と判定した場合に、開ループ制御ＯＬＣにより添加量Ｑｒを調節するとスタートへ戻る。

以上のような制御を行うようにしたことで、選択的還元触媒２３における活性化状況に応じて、還元剤Ｒ１の添加量Ｑｒを開ループ制御ＯＬＣと閉ループ制御ＣＬＣとの両方の制御で調節する制御と、開ループ制御ＯＬＣで調節する制御とを切り替えるようにしたことで、還元剤Ｒ１の添加量Ｑｒが過不足になることを回避できる。

つまり、取得した触媒温度Ｔｘおよび空間速度Ｖｘが領域マップデータ４０の第一領域４１に存在する場合では、還元剤Ｒ１の添加量Ｑｒを開ループ制御ＯＬＣと閉ループ制御ＣＬＣとの両方の制御で調節することで、選択的還元触媒２３における窒素酸化物の浄化
率を向上できる。一方、取得した触媒温度Ｔｘおよび空間速度Ｖｘが第二領域４２に存在する場合では、閉ループ制御ＣＬＣを禁止して、還元剤Ｒ１の添加量Ｑｒを開ループ制御ＯＬＣのみで調節することで、選択的還元触媒２３から還元剤Ｒ１が排出することを抑制できる。

このように、選択的還元触媒２３の活性化状況に応じて添加量Ｑｒを調節する制御を切り替えることにより、選択的還元触媒２３からの還元剤Ｒ１の排出を抑制しながら、選択的還元触媒２３における窒素酸化物の浄化率を向上することができる。

なお、上記の実施形態においては、触媒温度Ｔｘを温度センサ３２の検出値として取得する例を説明したが、モデル予測プログラムを用いた算出値として取得することもできる。例えば、燃料噴射量とエンジン回転数とから気筒１６から排出された排気ガスＧ１の温度をモデル予測し、さらに、酸化触媒２１や捕集フィルタ２２における酸化反応による上昇分と選択的還元触媒２３に到達するまでの下降分とをモデル予測して算出された算出値を用いてもよい。

また、通過前含有量ＣＢｘを第一ＮＯｘセンサ３１の検出値として取得する例を説明したが、モデル予測プログラムを用いた算出値として取得することもできる。例えば、燃料噴射量と吸入空気量センサ３５の検出した吸入空気量とＥＧＲバルブ２７の開度とから気筒１６から排出された排気ガスＧ１のＮＯｘ濃度をモデル予測し、さらに、酸化触媒２１および捕集フィルタ２２における酸化反応によるＮＯｘ濃度の変化をモデル予測して算出された算出値を用いてもよい。

上記のエンジン１０においては、制御装置３０が、選択的還元触媒２３が活性化している状況の場合に、添加量Ｑｒを、第一目標添加量Ｑａと第二目標添加量Ｑｂとを加算した目標添加量Ｑｃに調節する制御を行うように構成されることが望ましい。より具体的には、制御装置３０の制御部３８が、算出された第一目標添加量Ｑａと同じく算出された第二目標添加量Ｑｂとを加算して目標添加量Ｑｃを算出し、添加量Ｑｒをその目標添加量Ｑｃに調節するプログラムで構成されることが望ましい。

図５は、図４の制御方法の別形態を例示している。以下、このエンジン１０の制御方法について、図５のフロー図を参照しながら制御装置３０の機能として説明する。なお、図４と同様のステップにおいては、同符号を用いることとして、その説明は省略する。

この制御方法では、ステップＳ３０で、制御装置３０が、通過前含有量ＣＢｘに基づいて第一目標添加量Ｑａが算出すると、次いで、ステップＳ４０で、制御装置３０が、通過後含有量ＣＡｘに基づいて第二目標添加量Ｑｂを算出する。次いで、ステップＳ９０では、制御装置３０が、第一目標添加量Ｑａと第二目標添加量Ｑｂとを加算して、目標添加量Ｑｃを算出する。次いで、ステップＳ１００で、制御装置３０が、添加量Ｑｒを目標添加量Ｑｃに調節する。

以上のような制御を行うようにすると、添加量Ｑｒが調節される回数を低減することができる。これにより、制御の複雑化を回避しながら、還元剤噴射弁２４の作動による劣化を抑制できるので、還元剤噴射弁２４の耐久性の向上に有利になる。

第一領域４１においては、その領域内の低温域側と、高温域側とでは、選択的還元触媒２３の活性化状況が異なる。そのため、第一領域４１の低温域側と高温域側とで同様の制御にすると、低温域側で選択的還元触媒２３から排出される還元剤Ｒ１の排出量が増加したり、高温域側で選択的還元触媒２３における浄化率が低下したりするおそれがある。

そこで、上記のエンジン１０においては、第一領域４１が、さらに複数の領域４３、４４、４５に分割されており、それぞれの領域４３、４４、４５が、互いに異なる係数α１、α２、α３を有して構成されることが望ましい。

図６は、領域マップデータ４０の別形態を例示している。第一領域４１は、低温域側から高温域側に向って順に、第三領域４３、第四領域４４、および第五領域４５を有して構成される。そして、第三領域４３は係数α１を、第四領域４４は係数α２を、第五領域４５は係数α３を有して構成される。係数α１、α２、α３は、第二目標添加量Ｑｂを選択的還元触媒２３の活性化状況に応じて補正する値に設定されており、ゼロよりも大きく、かつ１以下の値に設定される。また、係数α１、α２、α３はこの順番で段階的に大きくなるように設定される。例えば、係数α１は０．３に、係数α２は０．５に、係数α３は１．０に設定される。

そして、制御装置３０が、閉ループ制御ＣＬＣでは、通過後含有量ＣＡｘと目標含有量Ｃａとの差分ΔＣをゼロにするように算出された値Ｑｄに係数α１、α２、またはα３を乗算して第二目標添加量Ｑｂを算出するように構成されることが望ましい。

以下、このエンジン１０の制御方法を制御装置３０の機能として説明する。図４および図５のステップＳ２０で、制御装置３０が、選択的還元触媒２３の活性化状況が第一領域４１に存在すると判定する。次いで、図示しないステップで、制御装置３０が、選択的還元触媒２３の活性化状況が、第三領域４３、第四領域４４、および第五領域４５のどの領域に存在するか否かを判定する。次いで、図４および図５のステップＳ５０で、添加量Ｑｒが通過後含有量ＣＡｘと目標含有量Ｃａとの差分ΔＣをゼロにする値Ｑｄを算出し、その値Ｑｄに係数α１、α２、α３のいずれかを乗算して第二目標添加量Ｑｂを算出する。

このような制御を行うようにすると、差分ΔＣに基づいた値Ｑｄを係数α１、α２、α３のいずれかで補正した第二目標添加量Ｑｂを算出するので、選択的還元触媒２３の活性化状況に応じたフィードバックを行える。これにより、選択的還元触媒２３からの還元剤Ｒ１の排出をより抑制できるとともに、選択的還元触媒２３における窒素酸化物の浄化率をより向上することができる。

なお、この実施形態では、第一領域４１を第三領域４３、第四領域４４、および第五領域４５の三つの領域に分割した例を説明したが、分割された領域の数は特に限定されない。但し、第一領域４１をより多くの領域に分割して、そのそれぞれに段階的に大きくなる係数をそれぞれ割り当てることで、差分ΔＣに応じた第二目標添加量Ｑｂをより精度良く算出することができる。

１０エンジン
２０排気通路
２１酸化触媒
２３選択的還元触媒
２４還元剤噴射弁
３０制御装置
４１第一領域
４２第二領域
Ｇ１排気ガス
ＣＡｘ通過後含有量
ＣＢｘ通過前含有量
ＣＬＣ閉ループ制御
ＯＬＣ開ループ制御
Ｑａ第一目標添加量
Ｑｂ第二目標添加量
Ｑｒ添加量
Ｒ１還元剤

Claims

内燃機関の気筒からの排気ガスが通過する排気通路の上流側から下流側に向って順に、酸化触媒と選択的還元触媒とを備えるとともに、その選択的還元触媒よりも上流側で還元剤を排気ガスに添加する還元剤噴射弁と、を備えた内燃機関において、
前記選択的還元触媒の活性化状況として前記選択的還元触媒の内部の触媒温度と前記選択的還元触媒を通過する排気ガスの空間速度とを監視し、前記触媒温度と前記空間速度とに基づいて前記還元剤噴射弁から排気ガスに添加される還元剤の添加量を調節する制御を行う制御装置を備え、
前記制御装置が、前記触媒温度と前記空間速度とに基づいた領域マップデータを有し、この領域マップデータが、高温域側に配置されて前記選択的還元触媒が活性化している状況を示す第一領域と、低温域側に配置されて前記選択的還元触媒が不活化している状況を示す第二領域とを有し、前記第一領域が、さらに複数の領域に分割されており、それぞれの領域が、互いに異なる係数を有してなり、
前記制御装置が、
取得した前記触媒温度および前記空間速度と、前記領域マップデータとを比較して、前記選択的還元触媒の状況が、前記第一領域に存在するか、あるいは前記第二領域に存在するかを判定し、
前記選択的還元触媒の状況が前記第一領域に存在する場合に、前記添加量が前記選択的還元触媒を通過前の排気ガスに含有される窒素酸化物の通過前含有量に基づいて算出された第一目標添加量に調節される開ループ制御と、前記添加量が前記選択的還元触媒を通過後の排気ガスに含有される窒素酸化物の通過後含有量と予め設定された目標含有量との差分をゼロにするように算出された値に前記係数を乗算して算出された第二目標添加量に調節される閉ループ制御との両方の制御により前記添加量を調節する制御を行う一方で、
前記選択的還元触媒の状況が前記第二領域に存在する場合に、前記開ループ制御により前記添加量を調節する制御を行う構成にしたことを特徴とする内燃機関。
前記係数が、低温域側から高温域側に向って段階的に高くなる請求項１に記載の内燃機関。
前記制御装置が、前記選択的還元触媒の状況が前記第一領域に存在する場合に、前記添加量を、前記第一目標添加量と前記第二目標添加量とを加算した目標添加量に調節する制御を行う構成にした請求項１または２に記載の内燃機関。
内燃機関の気筒からの排気ガスが通過する排気通路に酸化触媒、還元剤噴射弁、および選択的還元触媒が配置された内燃機関の制御方法において、
前記選択的還元触媒の活性化状況として前記選択的還元触媒の内部の触媒温度と前記選択的還元触媒を通過する排気ガスの空間速度とを取得するとともに、前記選択的還元触媒を通過前の排気ガスに含有される窒素酸化物の通過前含有量、および、前記選択的還元触媒を通過後の排気ガスに含有される窒素酸化物の通過後含有量を取得するステップと、
取得した前記触媒温度および前記空間速度と、前記触媒温度と前記空間速度とに基づいて設定され、高温域側に配置されて前記選択的還元触媒が活性化している状況を示す第一領域および低温域側に配置されて前記選択的還元触媒が不活化している状況を示す第二領域を有し、前記第一領域がさらに複数の領域に分割されており、それぞれの領域が、互いに異なる係数を有してなる領域マップデータとを比較して、前記選択的還元触媒の状況が、前記第一領域に存在するか、あるいは前記第二領域に存在するかを判定するステップと、
前記選択的還元触媒の状況が前記第一領域に存在すると判定した場合に、前記還元剤噴射弁から排気ガスに添加される還元剤の添加量を、この添加量が前記通過前含有量に基づいて算出された第一目標添加量に調節される開ループ制御と、その添加量が前記通過後含有量と予め設定された目標含有量との差分をゼロにするように算出された値に前記係数を乗算して算出された第二目標添加量に調節される閉ループ制御との両方の制御により調節するステップと、
前記選択的還元触媒の状況が前記第二領域に存在すると判定した場合に、前記添加量を前記開ループ制御のみで調節するステップと、を含むことを特徴とする内燃機関の制御方法。