JPWO2013190659A1 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Abstract

選択還元型ＮＯｘ触媒が吸着している還元剤の量をより高精度に推定する。このために、選択還元型ＮＯｘ触媒の温度に基づいて算出される、供給装置から還元剤を供給し続けたときの、選択還元型ＮＯｘ触媒が吸着する還元剤量の上限値と、選択還元型ＮＯｘ触媒が吸着している還元剤量と、から選択還元型ＮＯｘ触媒が吸着している還元剤量の所定時間における変化量を算出し、選択還元型ＮＯｘ触媒が吸着している還元剤量に、変化量を加算することで、所定時間経過後における選択還元型ＮＯｘ触媒が吸着している還元剤量を推定する。

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
特許文献１には、アンモニア（ＮＨ3）を吸着して排気中のＮＯｘを選択還元する選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＳＣＲ触媒ともいう。）を内燃機関の排気通路に設け、内燃機関からのＮＯｘ排出量とＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率とに基づいて、ＳＣＲ触媒におけるアンモニアの消費量を算出することが記載されている。そして、特許文献１には、このアンモニアの消費量及び還元剤の添加量に応じて、ＳＣＲ触媒におけるアンモニアの吸着量を算出し、この吸着量に応じて還元剤の添加量を調整することが記載されている。
ところで、ＳＣＲ触媒に吸着されているアンモニアは、ＮＯｘを浄化しなくても減少することがある。例えば、ＳＣＲ触媒の温度が高温になるとＳＣＲ触媒からアンモニアが脱着するので、ＳＣＲ触媒が吸着しているアンモニア量が減少する。このため、ＳＣＲ触媒に吸着されているアンモニア量の推定値が、実際の値よりも多くなり得る。このような推定値に従って還元剤の添加量を調整しても、還元剤の添加量が適切でない場合もある。
特開２００３−２９３７３７号公報
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、選択還元型ＮＯｘ触媒が吸着している還元剤の量をより高精度に推定することを目的とする。
上記課題を達成するために本発明による内燃機関の排気浄化装置は、
内燃機関の排気通路に設けられ還元剤を供給することでＮＯｘを選択還元する選択還元型ＮＯｘ触媒と、
前記選択還元型ＮＯｘ触媒よりも上流側から前記選択還元型ＮＯｘ触媒に還元剤を供給する供給装置と、
前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度を取得する温度取得装置と、
を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
前記温度取得装置により取得された前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度に基づいて、前記供給装置から還元剤を供給し続けたときの、前記選択還元型ＮＯｘ触媒が吸着する還元剤量の上限値を算出する上限値算出部と、
前記上限値算出部により算出される上限値と、前記選択還元型ＮＯｘ触媒が吸着している還元剤量と、から前記選択還元型ＮＯｘ触媒が吸着している還元剤量の所定時間における変化量を算出する変化量算出部と、
前記選択還元型ＮＯｘ触媒が吸着している還元剤量に、前記変化量算出部により算出される変化量を加算することで、前記所定時間経過後における前記選択還元型ＮＯｘ触媒が吸着している還元剤量を推定する推定部と、
を備える。
ここで、選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）に流入するＮＯｘを還元するために必要となる還元剤よりも多くの還元剤を供給すると、余剰の還元剤がＳＣＲ触媒に吸着される。そして、ＳＣＲ触媒へ還元剤を供給し続けると、単位時間当たりにＳＣＲ触媒に吸着される還元剤量と、単位時間当たりにＳＣＲ触媒から脱着する還元剤量と、が等しくなる。このときには、ＳＣＲ触媒に吸着される還元剤量と、ＳＣＲ触媒から脱着する還元剤量と、は平衡状態になる。そして、このときにＳＣＲ触媒が吸着している還元剤量は、同じ運転条件及び同じ還元剤供給量を維持する場合、ＳＣＲ触媒が吸着する還元剤量の上限値となる。
このように、ＳＣＲ触媒に吸着される還元剤量には上限があり、ＳＣＲ触媒が吸着している還元剤量が上限値に達した後は、還元剤を供給してもＳＣＲ触媒が吸着している還元剤量は増加せずに、ＳＣＲ触媒から還元剤が脱着する。また、ＳＣＲ触媒の温度が上昇することによっても、ＳＣＲ触媒から還元剤が脱着する。ＳＣＲ触媒から脱着した還元剤は、酸化された後にＳＣＲ触媒から流出したり、そのままＳＣＲ触媒から流出したりする。
なお、単位時間当たりにＳＣＲ触媒に吸着される還元剤量（以下、還元剤吸着速度ともいう。）は、単位時間当たりにＳＣＲ触媒に流入する還元剤量（以下、還元剤流入速度ともいう。）と、単位時間当たりにＳＣＲ触媒において消費される還元剤量（以下、還元剤消費速度ともいう。）と、に基づいて求めることができる。また、還元剤消費速度は、単位時間当たりにＳＣＲ触媒において還元されるＮＯｘ量と相関関係にある。そして、ＳＣＲ触媒が吸着している還元剤量が上限値に達していなければ、単位時間当たりにＳＣＲ触媒に吸着される還元剤量は、単位時間当たりにＳＣＲ触媒で余剰となる還元剤量と等しい。なお、ＳＣＲ触媒で余剰となった還元剤は、一旦ＳＣＲ触媒が全て吸着するものとする。
また、以下では、単位時間当たりにＳＣＲ触媒から脱着する還元剤量を「還元剤脱着速度」と称する。このＳＣＲ触媒から脱着する還元剤量は、ＮＯｘを還元することなくＳＣＲ触媒から脱着する還元剤量である。
また、ＳＣＲ触媒が吸着している全還元剤量を、還元剤吸着量と称し、還元剤吸着速度と還元剤脱着速度とが平衡状態にあるときにＳＣＲ触媒が吸着している全還元剤量を、平衡吸着量と称する。この平衡吸着量は、ＳＣＲ触媒が吸着する還元剤量の上限値である。
ここで、ＳＣＲ触媒では、還元剤吸着量が多いほど、還元剤吸着速度が小さくなり且つ還元剤脱着速度が大きくなる。一方、ＳＣＲ触媒では、還元剤吸着量が少ないほど、還元剤吸着速度が大きくなり且つ還元剤脱着速度が小さくなる。このため、還元剤の供給量を一定に維持したまま還元剤を供給し続けると、還元剤吸着速度と還元剤脱着速度とが徐々に平衡状態に近づく。
そして、ＳＣＲ触媒における還元剤の吸着のし易さ及び還元剤の脱着のし易さは、ＳＣＲ触媒の温度等の条件が同じであれば、いつでも同じになる。このため、還元剤を供給したときの平衡吸着量に至るまでの還元剤吸着量の推移を予め求めておけば、同じ条件のときに還元剤を供給したときの、還元剤吸着量の推移を推定することができる。このため、上限値算出部により算出される上限値と、ＳＣＲ触媒が吸着している還元剤量と、から、その後の還元剤吸着量の推移を推定することができる。したがって、変化量算出部は、上限値算出部により算出される上限値と、ＳＣＲ触媒が吸着している還元剤量と、からＳＣＲ触媒が吸着している還元剤量の所定時間における変化量を算出することができる。このときに、変化量算出部は、予め求められている情報に基づいて、還元剤の変化量を算出してもよい。また、予め求められている還元剤吸着量の推移に基づいて、還元剤吸着量の変化量を算出してもよい。また、所定期間は任意に設定することができ、たとえば、所定期間を単位時間または微小時間としてもよい。
このようにして、還元剤吸着量を逐次求めることにより、現時点での還元剤吸着量や、現時点よりも後の特定の時点における還元剤吸着量を推定できる。しかし、内燃機関の運転条件等が変化した場合には、平衡吸着量も変化し得る。そうすると、還元剤吸着量の推移も変化し得る。このときには、新たな条件に変化した時点で、新たな平衡吸着量を求めればよい。そして、新たに求めた平衡吸着量と、条件が変わる前の還元剤吸着量と、に基づいて、新たな条件における還元剤吸着量の推移を求めることができる。
このようにして、所定時間の還元剤吸着量の変化量を推定することができる。そして、この還元剤吸着量の変化量を積算していけば、還元剤吸着量を推定することができる。
また、本発明においては、前記変化量算出部は、前記上限値算出部により算出される上限値と、前記選択還元型ＮＯｘ触媒が吸着している還元剤量と、の差と、予め求められている前記供給装置から還元剤を供給し続けたときに前記選択還元型ＮＯｘ触媒が吸着する還元剤量の推移と、から前記変化量を算出することができる。
すなわち、供給装置から還元剤を供給し続けたときの還元剤吸着量の推移を予め求めておけば、任意の時点から所定時間経過後の還元剤吸着量の変化量を求めることができる。そして、平衡吸着量と還元剤吸着量との差が分かれば、予め求められている還元剤吸着量の推移のどの時点であるのか特定することができるので、該平衡吸着量と還元剤吸着量との差と、予め求められている還元剤吸着量の推移とから、還元剤吸着量の変化量を算出することができる。なお、平衡吸着量と還元剤吸着量との差を、平衡吸着量と還元剤吸着量との比に置き換えて、還元剤吸着量の変化量を算出することもできる。また、平衡吸着量と還元剤吸着量との差と、還元剤吸着量の変化量と、には相関関係があり、平衡吸着量と還元剤吸着量との差が小さくなるほど、変化量が小さくなる。このため、平衡吸着量と還元剤吸着量との差に所定値を乗算して、変化量を算出してもよい。
また、本発明においては、前記上限値算出部は、前記供給装置から供給される還元剤量から、前記選択還元型ＮＯｘ触媒においてＮＯｘを還元するときに消費される還元剤量を減算することで、前記選択還元型ＮＯｘ触媒で余剰となる還元剤量を算出し、
前記上限値算出部は、前記選択還元型ＮＯｘ触媒で余剰となる還元剤量、及び、前記温度取得装置により取得される温度に基づいて、前記供給装置から還元剤を供給し続けたときの前記選択還元型ＮＯｘ触媒が吸着する還元剤量の上限値を算出することができる。
すなわち、還元剤供給速度から還元剤消費速度を減算することにより、還元剤吸着速度を算出することができる。ここで、還元剤吸着速度が大きいほど、平衡吸着量が多くなる。すなわち、単位時間当たりに余剰となる還元剤量が多いほど、平衡吸着量が多くなる。また、ＳＣＲ触媒の温度が低くなるほど、平衡吸着量が多くなる。このように、還元剤吸着速度またはＳＣＲ触媒の温度は、平衡吸着量と相関関係にある。これらの関係を予め求めておけば、還元剤吸着速度及びＳＣＲ触媒の温度から、平衡吸着量を求めることができる。
また、本発明においては、前記上限値算出部により算出される上限値と、前記推定部により推定される前記選択還元型ＮＯｘ触媒が吸着している還元剤量と、の差が閾値未満のときには、前記選択還元型ＮＯｘ触媒から還元剤が流出すると判定する判定部を備えることができる。
ＳＣＲ触媒の温度が上昇すると、平衡吸着量が減少する。そして、還元剤吸着量は、平衡吸着量よりも多くならないので、還元剤吸着量と平衡吸着量とが等しくなるよりも更にＳＣＲ触媒の温度が上昇すると、ＳＣＲ触媒から還元剤が脱着する。このような状態になり得るときに、判定部は、ＳＣＲ触媒から還元剤が流出すると判定する。すなわち、ＳＣＲ触媒から還元剤が実際に流出する前に、ＳＣＲ触媒から還元剤が流出すると判定する。ここで、ＳＣＲ触媒の温度が変化した後、ＳＣＲ触媒から還元剤が脱着するまでには時間がかかる。このため、ＳＣＲ触媒の温度が変化した直後に平衡吸着量及び還元剤吸着量を算出すれば、ＳＣＲ触媒から還元剤が実際に流出する前に、ＳＣＲ触媒から還元剤が流出すると判定できる。
そして、この判定を行うために、上限値算出部により算出される上限値と、推定部により推定される還元剤吸着量と、の差に閾値を設けている。この閾値は、ＳＣＲ触媒から還元剤が流出するか否かの境となる平衡吸着量と還元剤吸着量との差としてもよい。また、閾値は、ＳＣＲ触媒から還元剤が流出しない場合の平衡吸着量と還元剤吸着量との差の下限値としてもよい。
本発明によれば、選択還元型ＮＯｘ触媒が吸着している還元剤の量をより高精度に推定することができる。
実施例に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成を示す図である。 ＳＣＲ触媒における還元剤吸着量の推移を示したタイムチャートである。 還元剤吸着速度と、平衡吸着量と、の関係をＳＣＲ触媒の温度毎に示した図である。 条件が変化したときと、条件が変化しないときと、のＳＣＲ触媒における還元剤吸着量の推移を示したタイムチャートである。 実施例１に係る還元剤吸着量の推定フローを示したフローチャートである。 実施例２に係る還元剤がＳＣＲ触媒から流出するか否か判定するフローを示したフローチャートである。
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。
＜実施例１＞
図１は、本実施例に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、ディーゼル機関であるが、ガソリン機関であってもよい。内燃機関１は、たとえば車両に搭載される。
内燃機関１には、吸気通路２及び排気通路３が接続されている。吸気通路２には、該吸気通路２を流通する吸気の量を検出するエアフローメータ１１が設けられている。一方、排気通路３には、排気の流れ方向の上流側から順に、噴射弁４と、選択還元型ＮＯｘ触媒５（以下、ＳＣＲ触媒５という。）と、が設けられている。
噴射弁４は、還元剤を噴射するときに開き、還元剤の噴射を停止するときに閉じる。還元剤には、アンモニア（ＮＨ3）が用いられる。なお、噴射弁４は、アンモニアを噴射してもよく、尿素水を噴射してもよい。噴射弁４から噴射された尿素水は、ＳＣＲ触媒５において加水分解されてアンモニアとなり、ＳＣＲ触媒５により吸着される。すなわち、噴射弁４からは、アンモニアを供給してもよく、最終的にアンモニアに変化する物質を供給してもよい。また、還元剤は、固体、液体、気体の何れの状態で供給してもよい。なお、本実施例においては噴射弁４が、本発明における供給装置に相当する。
また、ＳＣＲ触媒５は、吸着していた還元剤によりＮＯｘを選択還元する。したがって、ＳＣＲ触媒５に還元剤としてアンモニアを予め吸着させておけば、このアンモニアによりＮＯｘを還元させることができる。
ＳＣＲ触媒５よりも上流側の排気通路３には、排気の温度を検出する温度センサ１２が設けられている。温度センサ１２は、ＳＣＲ触媒５に流入する排気の温度を検出する。そして、この排気の温度に基づいて、ＳＣＲ触媒５の温度を推定することができる。なお、温度センサ１２の測定値を、ＳＣＲ触媒５の温度としてもよい。また、ＳＣＲ触媒５よりも下流側に温度センサを取り付けて、該温度センサの測定値をＳＣＲ触媒５の温度としてもよい。また、ＳＣＲ触媒５に温度センサを直接取り付けて、該ＳＣＲ触媒５の温度を測定してもよい。また、内燃機関１の運転条件に基づいて、ＳＣＲ触媒５の温度を推定することもできる。例えば、機関回転数、燃料噴射量、及び吸入空気量と、ＳＣＲ触媒５の温度と、には相関関係があるため、これらの関係を予め実験等により求めてマップ化しておいてもよい。なお、本実施例においては温度センサ１２が、本発明における温度取得装置に相当する。
また、ＳＣＲ触媒５よりも上流側の排気通路３には、排気中のＮＯｘ濃度を検出する第一ＮＯｘセンサ１３が設けられている。また、ＳＣＲ触媒５よりも下流側の排気通路３には、排気中のＮＯｘ濃度を検出する第二ＮＯｘセンサ１４が設けられている。第一ＮＯｘセンサ１３によれば、ＳＣＲ触媒５に流入する排気中のＮＯｘ濃度を測定することができる。また、第二ＮＯｘセンサ１４によれば、ＳＣＲ触媒５から流出する排気中のＮＯｘ濃度を測定することができる。そして、第一ＮＯｘセンサ１３及び第二ＮＯｘセンサ１４の測定値に基づいて、ＳＣＲ触媒５におけるＮＯｘ浄化率を算出することができる。ＮＯｘ浄化率は、ＳＣＲ触媒５に流入するＮＯｘ量に対する、ＳＣＲ触媒５で浄化されるＮＯｘ量の比である。したがって、第一ＮＯｘセンサ１３の測定値から第二ＮＯｘセンサ１４の測定値を減算した値を、第一ＮＯｘセンサ１３の測定値で除算することにより、ＮＯｘ浄化率を算出することができる。
なお、噴射弁４よりも上流側の排気通路３に、酸化触媒やパティキュレートフィルタを備えていてもよい。
以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御装置であるＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１を制御する。
ＥＣＵ１０には、上記センサの他、アクセルペダルの踏込量に応じた電気信号を出力し機関負荷を検出可能なアクセル開度センサ１５、及び、機関回転数を検出するクランクポジションセンサ１６が電気配線を介して接続され、これらセンサの出力信号がＥＣＵ１０に入力される。一方、ＥＣＵ１０には、噴射弁４が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ１０により噴射弁４が制御される。
そして、ＥＣＵ１０は、ＳＣＲ触媒５における還元剤吸着量を以下のようにして推定し、該還元剤吸着量に基づいて、例えば還元剤供給量を調整する。ＥＣＵ１０は、例えば、目標となるＮＯｘ浄化率を達成し、且つ、ＳＣＲ触媒５から還元剤が流出しないように、還元剤供給量を調整する。
ここで、図２は、ＳＣＲ触媒５における還元剤吸着量の推移を示したタイムチャートである。図２は、ＡからＢまでの時間における還元剤吸着量の推移を示しており、Ｂで示される時点において還元剤吸着量が平衡吸着量に達している。なお、還元剤吸着量は、夫々の時点においてＳＣＲ触媒５が吸着している還元剤量の総量である。
Ａで示される時点からＳＣＲ触媒５へ還元剤を供給し続けると、還元剤吸着量が、Ｂで示される時点において平衡吸着量に収束する。還元剤吸着量が平衡吸着量に収束しているときには、還元剤吸着速度と、還元剤脱着速度と、が等しくなっている。そして、還元剤吸着量が平衡吸着量に達した後は、還元剤の供給量や内燃機関１の運転条件が変わらなければ、還元剤を供給し続けても、還元剤吸着量は増加しない。還元剤吸着量が平衡吸着量と等しくなっているときには、還元剤吸着量がその時の条件における上限値に達している。
そして、内燃機関１の運転条件が同じであれば、還元剤を供給したときの還元剤吸着量の推移は毎回同じになる。例えば、還元剤吸着速度及びＳＣＲ触媒５の温度が同じであれば、平衡吸着量が毎回同じなり、平衡吸着量に至る還元剤吸着量の推移が毎回同じになる。したがって、これらの条件と関連付けて還元剤吸着量の推移を予め求めておけば、還元剤吸着量と、その時の条件とから、その後の還元剤吸着量の推移を推定することができる。
例えば、図２において、ＡからＢまでの時間において還元剤吸着量が変化するときに、Ｃで示される特定の時点における還元剤吸着量は、Ａで示される時点における還元剤吸着量と、ＡからＣまでの時間Ｔ１と、に基づいて算出することができる。そして、図２に示した関係は、予め実験等により求めることができる。この関係をマップ、モデル、または計算式としてＥＣＵ１０に記憶させておけば、還元剤吸着量の初期値及び経過時間から、平衡吸着量に達するまでの間の特定の時点における還元剤吸着量を算出することができる。なお、図２に示した還元剤吸着量の推移をマップ、モデル、または計算式にしたものを以下、「推移情報」という。推移情報は、還元剤吸着量を算出するときの情報として利用する。
また、平衡吸着量と還元剤吸着量との差と、推移情報と、に基づいて、還元剤吸着量の変化量を算出することができる。なお、還元剤吸着量の変化量は、単位時間当たりの還元剤吸着量の変化量としてもよい。この単位時間当たりの還元剤吸着量の変化量は、図２に示される還元剤吸着量の推移を示す曲線の接線の傾きである。そして、Ａで示される時点からの還元剤吸着量の変化量を積算していけば、特定の時点における還元剤吸着量を推定することができる。
ここで、還元剤を供給し続けると、平衡吸着量と、還元剤吸着量と、の差が、時間の経過と共に小さくなっていく。そして、還元剤吸着量が平衡吸着量に近づくほど、還元剤吸着量の単位時間当たりの上昇量が小さくなる。すなわち、還元剤吸着量が多いほど、還元剤吸着速度が小さくなり且つ還元剤脱着速度が大きくなる。一方、還元剤吸着量が少ないほど、還元剤吸着速度が大きく且つ還元剤脱着速度が小さい。このように、平衡吸着量と還元剤吸着量との差と、還元剤吸着量の変化量と、には相関関係がある。したがって、平衡吸着量と還元剤吸着量との差、及び、推移情報から、還元剤吸着量の変化量を求めることができる。同様に、平衡吸着量と還元剤吸着量との比と、還元剤吸着量の変化量と、には相関関係がある。したがって、平衡吸着量と還元剤吸着量との比、及び、推移情報から、還元剤吸着量の変化量を求めることができる。
なお、還元剤吸着量の初期値は０とする。ここで、ＳＣＲ触媒５の温度が高くなると、ＳＣＲ触媒５が吸着していた還元剤が脱着し、還元剤吸着量が減少する。例えば、排気通路３にフィルタを備えている場合には、フィルタの温度を上昇させて粒子状物質を除去するフィルタの再生が実施されるが、このときには、ＳＣＲ触媒５の温度も高くなり、還元剤吸着量が０となる。また、排気通路３に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を備えている場合には、該吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の硫黄被毒回復処理が実施される。この硫黄被毒回復処理が実施されると、ＳＣＲ触媒５の温度が高くなり、還元剤吸着量が０となる。また、内燃機関１が高負荷で長時間運転されても、ＳＣＲ触媒５の温度が高くなり、還元剤吸着量が０になる。このようにして、還元剤吸着量が０となったときから、還元剤吸着量の変化量を積算していけば、現時点における還元剤吸着量を推定することができる。また、現時点よりも後の還元剤吸着量を推定することもできる。
ところで、還元剤を供給しているときに、内燃機関１の運転条件が変化することもある。ここで、図３は、還元剤吸着速度と、平衡吸着量と、の関係をＳＣＲ触媒５の温度毎に示した図である。還元剤吸着速度は、単位時間当たりに余剰となる還元剤量である。つまり、還元剤吸着速度は、単位時間当たりに噴射弁４から供給される還元剤量（還元剤流入速度）から、単位時間当たりにＳＣＲ触媒５において消費される還元剤量（還元剤消費速度）を減算した値である。なお、余剰となった還元剤は、全てＳＣＲ触媒５が吸着するものとする。また、図３において「全酸点吸着」は、ＳＣＲ触媒５において還元剤を吸着する個所である酸点の全てに還元剤が吸着された場合の還元剤吸着量である。これは、ＳＣＲ触媒５に理論上最も多くの還元剤が吸着されたときの還元剤吸着量である。なお、ＨＮ3濃度を無限大とした場合、理論上いかなる温度であっても全酸点吸着となるため、平衡吸着量は全酸点吸着量と同じになるが、通常の運転条件や還元剤濃度では、図３のようになる。
図３に示されるように、ＳＣＲ触媒５の温度が同じであれば、還元剤吸着速度が大きくなるほど、平衡吸着量が大きくなる。また、還元剤吸着速度が同じであれば、ＳＣＲ触媒５の温度が高いほど、平衡吸着量が小さくなる。
このように、条件が変化することにより、平衡吸着量が変化し得る。例えば、内燃機関１の運転条件が変化して、排気の温度が変化することにより、ＳＣＲ触媒５の温度が変化すれば、平衡吸着量が変化し得る。また、内燃機関１の運転条件が変化して、排気中のＮＯｘ濃度が変化すると、還元剤吸着速度が変化するので、平衡吸着量が変化し得る。そして、平衡吸着量が変化すれば、還元吸着量の推移も変化する。
ここで、図４は、条件が変化したときと、条件が変化しないときと、のＳＣＲ触媒５における還元剤吸着量の推移を示したタイムチャートである。実線は、条件が変化した場合を示し、一点鎖線は、条件が変化しない場合を示している。また、図４のＡ，Ｂ，Ｃで示される時点は、図２のＡ，Ｂ，Ｃで示される時点と同じ時点である。そして、実線は、Ｃの時点において条件が変化している場合を示す。
また、Ｄで示される時点は、条件が変化したときに還元剤吸着量が平衡吸着量に達する時点であり、Ｅで示される時点は、条件が変化した時点Ｃから所定の時間Ｔ２が経過した時点である。
ＡからＣまでの時間Ｔ１が経過する前に条件が変化した場合には、Ｃで示される時点において、図３に示した関係から平衡吸着量を求めることができる。すなわち、Ｃで示される時点における還元剤吸着速度及びＳＣＲ触媒５の温度と、図３に示した関係と、から新たな条件における平衡吸着量を算出することができる。なお、図３に示した関係は、予め実験等により求めてＥＣＵ１０に記憶させておく。
そして、条件が変化したときには、Ａで示される時点において還元剤吸着量の変化量を算出したときと同様にして、Ｃで示される時点において還元剤吸着量の変化量を算出することができる。このように、平衡吸着量と、還元剤吸着量と、を逐次算出することにより、還元剤吸着量を連続的に求めることができる。
なお、平衡吸着量と、還元剤吸着量と、の差が小さいほど、還元剤吸着量が増加し難くなるので、所定時間における還元剤吸着量の変化量は小さくなる。そこで、平衡吸着量と、還元剤吸着量と、の差に応じた所定時間当たりの還元剤吸着量の変化量を予め求めておいてもよい。このようにして求めた変化量は、ＥＣＵ１０に、マップとして記憶しておいてもよいし、モデルとして記憶しておいてもよいし、計算式として記憶しておいてもよい。
そして、図２または図４において、ＡからＣまでの時間Ｔ１、または、ＣからＥまでの時間Ｔ２を短くすれば、還元剤吸着量の推定精度をより高めることができる。例えば、この時間を、単位時間、又は、微小時間としてもよい。また、例えば１秒としてもよい。
なお、還元剤吸着量が平衡吸着量に到達するまでの時間は、ＳＣＲ触媒５の温度、または、ＳＣＲ触媒５における空間速度（ＳＶ）に応じて変化し得る。例えば、ＳＣＲ触媒５の温度が高いほど、平衡吸着量に到達するまでの時間が短くなる。また、例えば、ＳＣＲ触媒５におけるＳＶが大きいほど、平衡吸着量に到達するまでの時間が短くなり得る。これらを考慮することで、還元剤吸着量の推定精度をさらに高めることができる。すなわち、ＳＣＲ触媒５の温度、または、ＳＶに応じて推移情報を複数記憶しておくことにより、還元剤吸着量の推定精度を高めることができる。
図５は、本実施例に係る還元剤吸着量の推定フローを示したフローチャートである。本ルーチンは、所定の時間毎にＥＣＵ１０により実行される。
ステップＳ１０１では、還元剤流入速度及び還元剤消費速度から還元剤吸着速度ＤＮＨ３が算出される。還元剤流入速度は、単位時間当たりにＳＣＲ触媒５に流入する還元剤量である。これは、噴射弁４から単位時間当たりに供給される還元剤量と等しい。噴射弁４から単位時間あたりに供給される還元剤量と、噴射弁４の開弁時間と、には相関関係があるため、この関係を予め実験等により求めておく。噴射弁４の開弁時間は、ＥＣＵ１０が決定する。したがって、ＥＣＵ１０は、噴射弁４の開弁時間から、単位時間当たりに供給される還元剤量を算出することができる。
また、還元剤消費速度は、ＳＣＲ触媒５において単位時間当たりに消費される還元剤量である。この還元剤消費速度は、単位時間当たりにＳＣＲ触媒５にて浄化されるＮＯｘ量と相関関係にある。単位時間当たりにＳＣＲ触媒５にて浄化されるＮＯｘ量は、ＮＯｘ浄化率及び排気の流量に基づいて算出することができる。そして、ＮＯｘ浄化率は、ＮＯｘ浄化率は、第一ＮＯｘセンサ１３により測定されるＮＯｘ濃度と、第二ＮＯｘセンサ１４により測定されるＮＯｘ濃度と、に基づいて算出することができる。また、排気の流量は、エアフローメータ１１により測定される吸入空気量と相関関係にあり、該吸入空気量に基づいて算出することができる。
したがって、還元剤消費速度は、第一ＮＯｘセンサ１３により測定されるＮＯｘ濃度と、第二ＮＯｘセンサ１４により測定されるＮＯｘ濃度と、エアフローメータ１１により測定される吸入空気量と、に基づいて算出される。これらの関係は、マップ化またはモデル化してＥＣＵ１０に記憶させておいてもよい。また、還元剤消費速度を求める算出式をＥＣＵ１０に記憶させておいてもよい。
また、第一ＮＯｘセンサ１３により測定されるＮＯｘ濃度と、そのときの条件におけるＮＯｘ浄化率のマップまたはモデルと、に基づいて、還元剤消費速度を求めることもできる。すなわち、第二ＮＯｘセンサ１４を備えていなくても、還元剤消費速度を求めることができる。さらに、内燃機関１からのＮＯｘの排出量をマップまたはモデルに基づいて推定し、このＮＯｘの排出量と、そのときの条件におけるＮＯｘ浄化率のマップ又はモデルと、に基づいて、還元剤消費速度を求めることもできる。この場合には、第一ＮＯｘセンサ１３及び第二ＮＯｘセンサ１４を備える必要がない。そして、ステップＳ１０１の処理が完了すると、ステップＳ１０２へ進む。
ステップＳ１０２では、還元剤吸着速度ＤＮＨ３と、ＳＣＲ触媒５の温度と、から平衡吸着量ＱＥＱが算出される。平衡吸着量ＱＥＱは、図３に示した関係に基づいて求めることができる。図３に示した関係は、予め実験等により求めてＥＣＵ１０に記憶させておく。ステップＳ１０２の処理が完了すると、ステップＳ１０３へ進む。なお、本実施例においてはステップＳ１０２を処理するＥＣＵ１０が、本発明における上限値算出部に相当する。
ステップＳ１０３では、平衡吸着量ＱＥＱと、還元剤吸着量ＱＮと、の差ＱＤが算出される。還元剤吸着量ＱＮの初期値は０である。還元剤吸着量ＱＮは、後述するステップＳ１０５において、逐次更新される。なお、本ステップで算出する還元剤吸着量ＱＮは、所定の時点における還元剤吸着量であってもよい。ステップＳ１０３の処理が完了すると、ステップＳ１０４へ進む。
ステップＳ１０４では、ステップＳ１０３で算出される差ＱＤと、ＥＣＵ１０に記憶されている推移情報と、から単位時間当たりの還元剤吸着量の変化量ΔＱが算出される。本ステップでは、図２で説明した時間Ｔ１や、図４で説明した時間Ｔ２を単位時間として変化量ΔＱを算出する。なお、本ステップでは、前回のルーチンから今回のルーチンまでの間の還元剤吸着量の変化量を求めてもよい。なお、推移情報は、予め実験等により求めてＥＣＵ１０に記憶される。
また、ステップＳ１０４では、平衡吸着量ＱＥＱと、還元剤吸着量ＱＮと、の差ＱＤが、単位時間当たりに所定の割合だけ減少すると考えて、単位時間当たりの還元剤吸着量の変化量ΔＱを算出してもよい。この所定の割合は、算出される還元剤吸着量の推移が、図２に示した還元剤吸着量の推移に可及的に近づくように、予め実験等により求めておく。そして、ステップＳ１０４の処理が完了すると、ステップＳ１０５へ進む。なお、本実施例においてはステップＳ１０４を処理するＥＣＵ１０が、本発明における変化量算出部に相当する。
ステップＳ１０５では、還元剤吸着量ＱＮに、ステップＳ１０４で算出される変化量ΔＱを加算して、新たな還元剤吸着量ＱＮとする。すなわち、還元剤吸着量ＱＮを更新する。ステップＳ１０５の処理が完了すると、本ルーチンを終了させる。なお、本実施例においてはステップＳ１０５を処理するＥＣＵ１０が、本発明における推定部に相当する。
このようにして、還元剤吸着量を逐次更新することにより、平衡吸着量に至る途中の還元剤吸着量を推定することができる。そして、本実施例では、平衡吸着量を用いて還元剤吸着量を推定しているので、ＳＣＲ触媒５から脱着するアンモニア量が考慮されている。このため、還元剤吸着量の推定精度が高い。これにより、還元剤の供給量を適正化できる。すなわち、還元剤の供給量が多すぎて、ＳＣＲ触媒５から還元剤が流出することを抑制できる。また、ＳＣＲ触媒５から還元剤が流出することを恐れてＮＯｘの浄化に必要な量よりも少ない量の還元剤を供給することを抑制できる。これにより、ＮＯｘ浄化率の低下を抑制できる。
＜実施例２＞
本実施例においては、還元剤がＳＣＲ触媒５から流出するか否か判定する。なお、本実施例で判定するのは、還元剤吸着量が平衡吸着量と等しくなることにより、還元剤がＳＣＲ触媒５から流出するか否かである。その他の装置等は実施例１と同じであるため、説明を省略する。
ここで、ＳＣＲ触媒５の温度が上昇することにより、還元剤が脱着し易くなるので、平衡吸着量が低下する。このようにして平衡吸着量が低下すると、例え還元剤吸着量が増加しなくても、還元剤吸着量と平衡吸着量とが等しくなり、ＳＣＲ触媒５から還元剤が流出する虞がある。
そこで、本実施例では、平衡吸着量と還元剤吸着量との差が閾値未満のときに、還元剤がＳＣＲ触媒５から流出すると判定する。この閾値は、ＳＣＲ触媒５から還元剤が脱着しない値の下限値、または、還元剤が脱着する虞のない値の下限値である。また、閾値は、還元剤の流出を抑制するために、ある程度の余裕を持たせた値としてもよい。また、閾値を例えば０としてもよい。
ここで、ＳＣＲ触媒５の温度が上昇してから、平衡吸着量が低下し、さらに還元剤がＳＣＲ触媒５から脱着するまでには時間がかかる。したがって、内燃機関１の運転条件が変化しても、ＳＣＲ触媒５から還元剤がすぐに脱着するわけではない。このため、ＳＣＲ触媒５の温度が変化してから、すぐに平衡吸着量を算出すれば、ＳＣＲ触媒５から還元剤が実際に流出する前に、還元剤がＳＣＲ触媒５から流出するか否か判定することができる。ここで、変化した後のＳＣＲ触媒５の温度と図３の関係とに基づいて平衡吸着量を算出することができる。また、実施例１で説明したように、還元剤吸着量の推移を求める。このようにして求めた平衡吸着量と還元剤吸着量との差と、閾値と、を比較して、還元剤がＳＣＲ触媒５から流出するか否か判定する。なお、平衡吸着量が、還元剤吸着量よりも少ないときに、還元剤がＳＣＲ触媒５から流出すると判定してもよい。このようにして、ＳＣＲ触媒５から還元剤が流出する前に、還元剤の供給量を調整することができる。
また、内燃機関１の運転条件が変化してから、実際にＳＣＲ触媒５の温度が変化するまでには時間がかかる。したがって、実際にＳＣＲ触媒５の温度が変化する前に、変化後のＳＣＲ触媒５の温度を推定し、この温度に基づいて、平衡吸着量を算出してもよい。例えば、内燃機関１の運転条件と、ＳＣＲ触媒５の温度と、には相関関係があるので、内燃機関１の運転条件に基づいて、ＳＣＲ触媒５の温度を予測できる。この予測したＳＣＲ触媒５の温度と図３の関係とに基づいて平衡吸着量を算出することができる。このようにして求めた平衡吸着量と還元剤吸着量との差と、閾値と、を比較して、還元剤がＳＣＲ触媒５から流出するか否か判定してもよい。
図６は、本実施例に係る還元剤がＳＣＲ触媒５から流出するか否か判定するフローを示したフローチャートである。本ルーチンは、所定の時間毎にＥＣＵ１０により実行される。なお、図５に示したフローと同じ処理がなされるステップについては、同じ符号を付して説明を省略する。
本ルーチンでは、ステップＳ１０５の処理が完了すると、ステップＳ２０１へ進む。ステップＳ２０１では、平衡吸着量ＱＥＱと、還元剤吸着量ＱＮと、の差ＱＤが算出される。還元剤吸着量ＱＮは、ステップＳ１０５で算出される値である。平衡吸着量ＱＥＱは、ステップＳ１０２で求められる値であり、条件が変化した場合には、変化した後の条件に基づいて求められる平衡吸着量である。なお、ＳＣＲ触媒５の温度が実際には変化していなくても、内燃機関１の運転条件が変わったことによりＳＣＲ触媒５の温度が変化することが予想される場合には、予想される変化後のＳＣＲ触媒５の温度に基づいて、平衡吸着量を算出してもよい。ステップＳ２０１の処理が完了すると、ステップＳ２０２へ進む。
ステップＳ２０２では、ステップＳ２０１で算出される差ＱＤが閾値未満であるか否か判定される。本ステップでは、ＳＣＲ触媒５から還元剤が流出するか否か判定している。この閾値は、ＳＣＲ触媒５から還元剤が脱着しない値の下限値、または、還元剤が脱着する虞のない値の下限値である。また、閾値は、０としてもよい。
なお、ステップＳ２０２では、現時点から所定の時間が経過したときの還元剤吸着量ＱＮを予測して、このときの平衡吸着量ＱＥＱと予測した還元剤吸着量ＱＮとの差が閾値未満であるか否か判定してもよい。
そして、ステップＳ２０２で肯定判定がなされた場合には、ステップＳ２０３へ進み、ＳＣＲ触媒５から還元剤が流出すると判定される。一方、ステップＳ２０２で否定判定がなされた場合には、ステップＳ２０４へ進み、ＳＣＲ触媒５から還元剤が流出しないと判定される。なお、本実施例においてはステップＳ２０２、２０３，２０４を処理するＥＣＵ１０が、本発明における判定部に相当する。そして、本ルーチンを繰り返し実行することにより、還元剤吸着量ＱＮを繰り返し算出し、その都度、平衡吸着量ＱＥＱと還元剤吸着量ＱＮとの差が閾値未満であるか否か判定する。
このように、平衡吸着量及び還元剤吸着量が変化する過程で、平衡吸着量と還元剤吸着量との差が閾値以上であれば、ＳＣＲ触媒５から還元剤が流出しないと判定できる。一方、平衡吸着量及び還元剤吸着量が変化する過程で、平衡吸着量と還元剤吸着量との差が閾値未満となれば、ＳＣＲ触媒５から還元剤が流出すると判定できる。
以上説明したように、本実施例によれば、ＳＣＲ触媒５から実際に還元剤が流出する前に、ＳＣＲ触媒５から還元剤が流出するか否か判定することができる。これにより、還元剤が流出する前に例えば還元剤の供給量を適正な値に調整することができる。
１ 内燃機関
２ 吸気通路
３ 排気通路
４ 噴射弁
５ 選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）
１０ ＥＣＵ
１１ エアフローメータ
１２ 温度センサ
１３ 第一ＮＯｘセンサ
１４ 第二ＮＯｘセンサ
１５ アクセル開度センサ
１６ クランクポジションセンサ

Claims (4)

  1. 内燃機関の排気通路に設けられ還元剤を供給することでＮＯｘを選択還元する選択還元型ＮＯｘ触媒と、
    前記選択還元型ＮＯｘ触媒よりも上流側から前記選択還元型ＮＯｘ触媒に還元剤を供給する供給装置と、
    前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度を取得する温度取得装置と、
    を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
    前記温度取得装置により取得された前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度に基づいて、前記供給装置から還元剤を供給し続けたときの、前記選択還元型ＮＯｘ触媒が吸着する還元剤量の上限値を算出する上限値算出部と、
    前記上限値算出部により算出される上限値と、前記選択還元型ＮＯｘ触媒が吸着している還元剤量と、から前記選択還元型ＮＯｘ触媒が吸着している還元剤量の所定時間における変化量を算出する変化量算出部と、
    前記選択還元型ＮＯｘ触媒が吸着している還元剤量に、前記変化量算出部により算出される変化量を加算することで、前記所定時間経過後における前記選択還元型ＮＯｘ触媒が吸着している還元剤量を推定する推定部と、
    を備える内燃機関の排気浄化装置。
  2. 前記変化量算出部は、前記上限値算出部により算出される上限値と、前記選択還元型ＮＯｘ触媒が吸着している還元剤量と、の差と、予め求められている前記供給装置から還元剤を供給し続けたときに前記選択還元型ＮＯｘ触媒が吸着する還元剤量の推移と、から前記変化量を算出する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 前記上限値算出部は、前記供給装置から供給される還元剤量から、前記選択還元型ＮＯｘ触媒においてＮＯｘを還元するときに消費される還元剤量を減算することで、前記選択還元型ＮＯｘ触媒で余剰となる還元剤量を算出し、
    前記上限値算出部は、前記選択還元型ＮＯｘ触媒で余剰となる還元剤量、及び、前記温度取得装置により取得される温度に基づいて、前記供給装置から還元剤を供給し続けたときの前記選択還元型ＮＯｘ触媒が吸着する還元剤量の上限値を算出する請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 前記上限値算出部により算出される上限値と、前記推定部により推定される前記選択還元型ＮＯｘ触媒が吸着している還元剤量と、の差が閾値未満のときには、前記選択還元型ＮＯｘ触媒から還元剤が流出すると判定する判定部を備える請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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