JP7033138B2 - 選択的触媒還元システムのための方法 - Google Patents
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Description
本発明は，ディーゼルエンジンの排出ガスを処理するための選択的触媒還元（ＳＣＲ）システムに関する。特に，本発明は，ＳＣＲシステムの効率及び機能を改善させるための方法に関する。
選択的触媒還元（ＳＣＲ）システムは既知であり，一般的にディーゼルエンジンの排出系に含まれて該エンジンの排出ガス処理に供されている。このようなシステムは，エンジンの排出通路内を流れる排出ガスにディーゼル排出流体（ＤＥＦ）を導入するものである。ＤＥＦは尿素を含み，その尿素は排出通路内で加水分解及び熱分解することによりアンモニアを生成する。アンモニアはＳＣＲ触媒を通過し，その間に排出ガスと反応する。この場合，排出ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）は，排出系から大気中に放出される前に窒素に変換される。
排出通路内にＤＥＦを投与する多くのＳＣＲシステムが提案されている。このようなシステムは，ときには「ウェット・スプレー」とも称されており，水性尿素のスプレーを排出ガス中に噴射して分解させることによりアンモニアを生成するものである。かかるシステムの一例は，特許文献１：米国特許出願公開第２００８／３０７９６７号明細書に開示されている。特許文献１は，ＤＥＦが主排出通路の外側に配置された供給通路内で加水分解される配置を記載している。特に，ＤＥＦは加水分解触媒に投与され，アンモニアに加水分解される。そのアンモニアはＳＣＲ触媒の入口まで下流側に流れ，ここで反応してＮＯｘを還元させる。一般的に，ＳＣＲシステムにより行われる既知の制御プロセス，例えば特許文献１に開示されるプロセスは，ＮＯｘをアンモニアにより還元させるべき場合に，ＤＥＦを加水分解リアクタに投与するものである。
現在のＤＥＦ投与システムは，後処理システムの表面上にＤＥＦの堆積を生じさせずに放出することのできるＤＥＦの量により制約されている。このような堆積物は，ＳＣＲシステムの効率を大幅に低下させる。従って，ＤＥＦ投与量は，典型的には最大理論投与率よりも低い値に保たれる。しかしながら，エンジンの効率向上によってエンジン出口におけるＮＯｘレベルが増加しているため，より高いＮＯｘ変換が必要となり，その延長線上で，より高いＤＥＦ投与レベルが必要となっている。とは言え，一部には加水分解触媒におけるアンモニア生成の過渡特性に起因して，ＮＨ３は必ずしもＤＥＦ投与率の増加に比例して増加するものではない。
本発明の課題は，少なくとも，上述した欠点の幾つかに対処することである。
第１の態様において，本発明は，ディーゼル排出流体（ＤＥＦ）が投与される加水分解触媒を備える選択的触媒還元システムのための方法を提供する。この方法は：
加水分解触媒の数値モデルを準備するステップ；
前記数値モデルを評価して，前記加水分解触媒により生成されるアンモニアの予測濃度を導き出すステップ；並びに，
前記予測濃度に基づいて，前記加水分解触媒に対するＤＥＦ投与を制御するステップ；を備える。
加水分解触媒の数値モデルを準備するステップ；
前記数値モデルを評価して，前記加水分解触媒により生成されるアンモニアの予測濃度を導き出すステップ；並びに，
前記予測濃度に基づいて，前記加水分解触媒に対するＤＥＦ投与を制御するステップ；を備える。
ある実施例において，前記数値モデルは，複数の物質の各々についての複数の物質状態の特性をモデル化した多相モデルを備える。
ある実施例において，前記評価ステップは，複数の物質の各々についての複数の物質状態の各々に関連する複数の状態パラメータについての値を決定するステップを備える。
前記物質状態パラメータは：相変態；少なくとも１つの物質状態に関する化学反応パラメータ；複数の物質状態の間のエネルギバランス；及び，複数の物質状態の間の質量バランス；の少なくとも１つを代表するパラメータとすることができる。
ある実施例において，前記数値モデルは，モデル化すべき加水分解触媒の空間モデルを備え，該モデルは複数の離散的な空間ユニットに区分され，更に，前記評価ステップは，前記離散的な空間ユニットの各々における複数の物質の各々についての各物質状態の特性を評価するステップを備える。
第２の態様において，本発明は，排出通路内で排出ガスを処理するための選択的触媒還元システムを提供する。このシステムは：
加水分解触媒；
前記加水分解触媒にＤＥＦを噴射するためのＤＥＦ投与ユニット；；
前述した方法を実施するためのコントローラ；並びに，
前記コントローラに接続された複数のセンサ；を備える。
加水分解触媒；
前記加水分解触媒にＤＥＦを噴射するためのＤＥＦ投与ユニット；；
前述した方法を実施するためのコントローラ；並びに，
前記コントローラに接続された複数のセンサ；を備える。
ある実施例において，前記複数のセンサが：窒素酸化物センサ；入口温度センサ；出口温度センサ；及び，ＮＯｘセンサのうちの少なくとも１つを備える。
第３の態様において。本発明は，前述した方法を実施するためにエンジンにより読み取り可能な１つ又は複数のシーケンスを含むコンピュータプログラム製品を提供する。
第４の態様において，本発明は，前述した選択的触媒還元システムを備える，エンジン用の排出装置を提供する。
第５の態様において，本発明は，前述した選択的触媒還元システムを備えるエンジンを提供する。
本発明の更なる態様，特徴及び利点，並びに本発明の各種実施形態の構造及び機能は，添付図面を参照して以下に詳述する通りである。本発明が本明細書に記載する特定の実施形態に限定されるものでないことに留意されたい。そのような実施形態は，あくまでも例示にために開示されるものである。追加的な実施形態は，本明細書の教示に基づいて当業者にとって自明である。
以下，本発明の実施形態を，単なる例示として，添付図面を参照しながら記載する。なお，対応する参照符号は，対応する構成要素を表している。
選択的触媒還元システムを示す概略図である。
例示的な数値モデルの一態様を示す線図である。
選択的触媒還元システムのための例示的な方法を示す概略図である。
本発明の特定の実施形態について詳細に説明するに先立ち，本発明を適用し得る環境を例示しておくことが有益である。
図１は，例示的な選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム１０を示す。このシステムは，エンジン（図示せず）からの排出ガスを搬出する排出通路１２内に配置される。初めに，排出ガスは既知形式のディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ，図示せず）を通過し，この触媒は，その触媒作用により排出ガス中の炭化水素，窒素酸化物及び一酸化炭素の酸化反応を生じさせて二酸化炭素，二酸化窒素及び水を生成する。
ＤＯＣの下流側にはディーゼル排出流体（ＤＥＦ）投与ユニット１６が配置され，これは，排出通路１２内で加水分解触媒１８にＤＥＦを投与するように構成されている。ＤＥＦ）投与ユニット及び加水分解触媒は，いずれも既知形式のものである。加水分解触媒の下流側にはＳＣＲ触媒２０が配置され，これも既知形式のものである。システムは付加的な構成要素，例えばアンモニア・スリップ触媒又はディーゼル粒状物質フィルタを備えることができる。
システムはコントローラ２６を備え，このコントローラは，ＤＥＦ投与ユニットがＤＥＦを加水分解触媒に投与する投与率を制御するように構成されている。
システムは，コントローラに接続される複数のセンサを更に含む。特に，加水分解触媒の上流側には窒素酸化物（ＮＯｘ）センサ２８及び入口温度センサ３０が配置されている。加水分解触媒及びＳＣＲ触媒の間に加水分解触媒温度センサ３２が配置され，ＮＯｘセンサ３４がＳＣＲ触媒の下流側に配置されている。上記のセンサは，もっぱら例示として列挙したものであり，システムは付加的又は代替的なセンサを備えることもできる。これら各種のセンサは，コントローラに設けられている１つ以上の入力及び／又は出力に接続することができる。作動の間，コントローラは，部分的にはシステムにおける種々のセンサから受信した測定データに基づいてＤＥＦ投与率を調整する。
触媒システムを単一のコントローラ２６のみを有するものとして記載したが，原則的には複数の相互接続されたコントローラを使用することも可能である。代替的に，コントローラは，複数の個別的なサブコントローラ２６ａ，２６ｂを備えることができる。各サブコントローラは，特定の操作を行うことができる。例えば，第１のサブコントローラ２６ａはＳＣＲ触媒２０の性能に関連する操作を行うことができ，第２のサブコントローラ２６ｂは，加水分解触媒１８の性能に関連する操作を行うことができる。
前述したように，ＮＨ３生成は，既存のモデルでは予測が困難である。これに対処するため，本発明は，加水分解触媒の表面上における各種成分の挙動を正確にモデル化した数値モデルを提供することにより，特定の状況セットについてのＮＨ３生成を予測するものである。
このような数値モデルを選択的触媒勧化（ＳＣＲ）システムのコントローラに組み込めば，ＮＨ３生成の予測が可能となり，ＳＣＲシステムにおけるＮＯｘ変換の最適化が可能となる。
数値モデルは，多くのパラメータ及び／又は多くのメカニズムを考慮に入れて実現することができる。以下，多くの例示的なパラメータ及びメカニズムについて説明する。これらは，もっぱら例示を目的として列記するものであり，限定的であることを意図するものではない。また，付加的又は代替的なパラメータ及びメカニズムを考慮に入れた実施例も当業者が想起し得るところであり，そのような実施例は本発明の技術的範囲に含まれるものである。
実際問題として，加水分解触媒の表面上では複数の特定の化学反応が生じることがある。数値モデルの精度を確保するため，モデルは，これら反応の少なくともいくつかを考慮したものとすべきである。加水分解触媒の表面上で生じ得る化学反応は，次に列挙するとおりである。以下の化学反応リストは，あくまでも例示に過ぎず，限定的なものではない。
上述した各化学反応は，数値モデルに設定された適当な表示により評価することができる。幾つかの化学反応は互いにリンクしており，又は相互従属性を有する場合がある。
数値モデルは，複数の物質状態間での物質状態遷移及び関連効果を考慮に入れることができる。触媒システムにおける化学反応には，複数の物質状態を関与させることができる。例えば，（図１に関連して上述したように）排出システムに噴射されるＤＥＦは，典型的には液体状態で加水分解触媒に噴射される。加水分解触媒の表面上で，ＤＥＦは，蒸発し（気相への遷移），堆積物を形成し（固相への遷移），又はフィルム形態で集積する。
物質状態遷移は，排出システムの作動条件に直接的な影響を及ぼす場合がある。例えば，液体から気体状態に遷移する場合，相当量のエネルギが消費されて物質がその体積を増加させ，その結果として，例えば排出システム内における圧力又は温度に影響を及ぼすことがある。
発明者らは，数値モデルの精度を確保するために，そのような物質状態遷移をモデル化すると共に，これに関連する効果を考慮に入れる必要があることを見出した。ある実施例において，数値モデルは，少なくとも幾つかの物質状態について，触媒システムにおける種の質量バランスのモデル化を含むことができる。好適な実施例においては，物質の３状態（すなわち，固体，液体及び気体）について，複数の種の質量バランスがモデル化される。付加的又は代替的に，数値モデルは，少なくとも幾つかの物質状態について，触媒システムにおける種のエネルギバランスのモデル化を含むことができ，更に，フィルム運動量方程式を含むことができる。
図２は，加水分解触媒の表面の例示的な数値モデル２００を示す。この数値モデルは，複数の種の各々につき，複数の物質状態の特性をモデル化した多相モデルを含むことができる。本例においては，物質の３状態，すなわち気相２０４，液相２０６（例えば，ＤＥＦ）及び固相２０８（基体壁，ウォッシュコート又は堆積物）の特性がモデル化される。
図面は物質の３状態間でのエネルギバランス及びエネルギ伝達を示しているが，これは単なる例示であって，限定的なものではない。
加水分解触媒は，本例では，それぞれ加水分解触媒の有限セクションをモデル化した多数のモデル化ユニット２１０に区分されている。これにより，加水分解触媒の長さに沿う状態の変化をモデル化して考慮に入れ，モデル結果の精度を向上することができる。以下は加水分解触媒に関連して記載するものであるが，原理的には，後処理システムの任意の適当な構成要素についても適用可能である。
エネルギが物質の３状態間で伝達されるフィルムにおけるエネルギバランスは，例えば，次式で表すことができる。
気相及び固相（例えば，ウォッシュコート又は堆積物）における付加的なエネルギバランスは，ある実施例では，有利又は必要であり得る。更に，システムの特定の作動状態下では，上式における１つ以上の項が支配的となり，１つ以上の項が無視し得るものとなる場合がある。そのような状況下では，無視し得る項を無視して計算の複雑性を軽減し，モデルの速度を高めることができる。同様に，特定のパラメータを擬似定常状態と仮定して計算を単純化し，モデルの速度を高めることができる。
次に，上記のエネルギバランス方程式の個別的な熱流束について説明する。
方程式の左辺は，リルムの離散的モデル化ユニットにおける，時間従属性を有するエネルギ蓄積である。
エネルギバランス方程式の右辺のおける初めの２項，ｑconv ２１２及びｑcond ２１４は，フィルム内における特定の離散的モデル化ユニットと，フィルム内における隣接する１つ又は複数の離散的モデル化ユニットとの間の対流及び伝導によるエネルギ移動を記述する。
方程式の右辺における第５項は，固体とフィルムとの間の熱流束を記述する。フィルムの沸点に達したら，熱流束は対流（ｑhfcond ２１６ａ）から沸騰（ｑhfboil ２１６ｂ）に変化し，これは余剰温度に依存するものである。
ｑrxn ２１８は，フィルム内で生じ得る反応により吸収又は放出される熱を記述する。典型的に，大部分のエネルギは固相（例えば，熱分解及び堆積層内における尿素堆積種の形成や，ウォッシュコートにおける加水分解又は吸着）の間に吸収又は放出される。
ｑvap ２２０は，液相から気相への化合物の蒸発（すなわち，フィルムからの水）により生じるエネルギ伝達を記述する。
ｑdrop ２２２は，噴射されたＤＥＦ液滴のフィルムへの衝突によるエネルギ伝達を記述する。
ｑextconv ２２４は，気相及び液相の間における外的対流熱伝達によるエネルギ伝達を記述する。
エネルギバランス方程式には，付加的又は代替的な項を含めることもできる。更に，上記の方程式はフィルムにおけるエネルギバランスを決定するために使用されるものであるが，この方程式は，原理的には，他の相におけるエネルギバランス，並びに各相における対応する質量バランスをモデル化するために使用することもできる。
明確性を期するため，図２は，単一の離散的モデル化ユニットのみを示す。しかしながら，実際には，システムのおける正面の少なくとも一部をモデル化するために，複数の離散的モデル化ユニットを使用することができる。
次に，上述したモデルを使用することのできる例示的な方法につき，図３を参照して説明する。
第１ステップ３０１において，加水分解触媒の数値モデルを準備する。一実施例において，数値モデルは図２に関連して前述した例示的モデルと同一である。一実施例において，数値モデルは，モデル化すべき加水分解触媒，特に，複数の離散的空間ユニットに区分されている加水分解触媒の空間モデルを含み，更に，各離散的空間ユニットにおける複数の物質の各々につき，複数の物質状態の各々の評価特性を含む。他の実施例において，数値モデルは，代替的又は付加的な特性及びパラメータを含むことができる。
第２ステップ３０２において，数値モデルを評価して加水分解触媒により生成されるアンモニアの予測濃度を導き出す。数値モデルは，任意の適当な様式により評価することができる。ある実施例において，評価ステップは，複数の物質の各々につき，複数の物質の各々における複数の物質状態の各々に関連する複数の物質状態パラメータの値を決定するステップを含む。物質状態パラメータは，複数の適当な，又は関連する物理的性質又は効果を代表するパラメータとすることができる。一実施例において，物質状態パラメータは：物質状態の間の状態遷移；少なくとも１つの物質状態についての化学反応パラメータ；複数の物質状態の間のエネルギバランス；及び複数の物質状態の間の質量バランス；の少なくとも１つを代表するパラメータである。
ある実施例において，数値モデルは，ＳＣＲシステムの一部を構成する適当なプロセッサユニットに組み込み，かつ同ユニットにより評価する。他の実施例において，数値モデルは，ＳＣＲシステムから離隔させたプロセッサユニットにより評価する。
数値モデルは，任意の適当な様式により評価することができる。一実施例において，数値モデルは，ＳＣＲシステム（例えば，図１に示すシステム）の一部を構成するプロセッサユニットに組み込み，かつ同ユニットにより評価する。
第３ステップ３０３において，アンモニアの予測濃度を使用して加水分解触媒に対するＤＥＦ投与を制御する。このステップは，任意の適当な様式により実行することができる。
以上の記載は単なる例示を目的としており，限定的なものではない。すなわち，以下に記載する本発明の技術的範囲を逸脱することなく，本発明に修正を加え得ることは，当業者には明白である。
Claims (7)
- ディーゼル排出流体（ＤＥＦ）が投与される加水分解触媒を備える選択的触媒還元システムのための方法であって：
加水分解触媒の表面の数値モデルを準備するステップであって，前記数値モデルは，モデル化すべき加水分解触媒の多相空間モデルを備え，該モデルは複数の離散的な空間ユニットに区分され，前記数値モデルは，複数の物質の各々についての複数の物質状態の特性をモデル化する，ステップと；
複数の物質の各々についての複数の物質状態の各々に関連する複数の状態パラメータについての値を決定することにより前記数値モデルを評価して，前記加水分解触媒により生成されるアンモニアの予測濃度を導き出すステップであって，前記離散的な空間ユニットの各々における複数の物質の各々についての各物質状態の特性を評価する，ステップ；並びに，
前記予測濃度に基づいて，前記加水分解触媒に対するＤＥＦ投与を制御するステップ；を備える，方法。 - 請求項１に記載された方法であって，前記物質状態パラメータは：相変態；少なくとも１つの物質状態に関する化学反応パラメータ；複数の物質状態の間のエネルギバランス；及び，複数の物質状態の間の質量バランス；の少なくとも１つを代表するパラメータである，方法。
- 排出通路内で排出ガスを処理するための選択的触媒還元システムであって：
加水分解触媒；
前記加水分解触媒にＤＥＦを噴射するためのＤＥＦ投与ユニット；
請求項１又は２に記載された方法を実施するためのコントローラ；並びに，
前記コントローラに接続された複数のセンサ；
を備える，選択的触媒還元システム。 - 請求項３に記載された選択的触媒還元であって，前記複数のセンサが：窒素酸化物センサ；入口温度センサ；出口温度センサ；及び，ＮＯｘセンサのうちの少なくとも１つを備える，選択的触媒還元システム。
- 請求項１又は２に記載された方法を実施するためにエンジンにより読み取り可能な１つ又は複数のシーケンスを含むコンピュータプログラム製品。
- 請求項３又は４に記載された選択的触媒還元システムを備える，エンジン用の排出装置。
- 請求項３又は４に記載された選択的触媒還元システムを備えるエンジン。
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