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1. (WO2008120649) 内燃機関の排気浄化装置
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明 細 書

内燃機関の排気浄化装置

技術分野

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

背景技術

機関排気通路内に N〇x選択還元触媒を配置し、 N O x選択還元触 媒に尿素を供給してこの尿素から発生するアンモニアを N〇x選択 還元触媒に吸着させ、 主にこの吸着されたアンモニアにより排気ガ ス中に含まれる N〇xを選択的に還元するようにした内燃機関が公 知である (例えば特開 2 0 0 5— 1 2 7 2 5 6号公報を参照)。と ころでこのように N O x選択還元触媒に吸着されたアンモニアによ り排気ガス中に含まれる N〇xを選択的に還元するようにした場合 には N〇x選択還元触媒に吸着しているアンモニア量を飽和状態に しておくと最大の N O x浄化率が得られる。

そこで上述の内燃機関では N〇x選択還元触媒の上流側と下流側 に夫々 N〇xセンサを配置してこれら N〇xセンサの検出値から N O X選択還元触媒における N〇x浄化率を求め、この N O x浄化率と機 関からの排出 N〇x量から N〇x選択還元触媒において N〇xを還元 するために消費される吸着アンモニア量を算出し、 この吸着アンモ ニァの消費量と尿素の供給量から N〇x選択触媒に吸着されている 吸着アンモニア量を算出し、 この吸着アンモニア量が飽和状態とな るように尿素の供給を制御するようにしている。

しかしながら N O xセンサは排気ガス中に含まれる N O xを検出す るばかりでなく、排気ガス中に含まれるアンモニアをも検出し、従 つて N〇xセンサの出力値は排気ガス中に含まれる N〇xの量を表し ているのか、アンモニアの量を表しているのかわからない。従って N O xセンサの出力値に基いて尿素の供給量を制御すると吸着アン モニァ量を目標量に正確に制御しえないという問題がある。

発明の開示

本発明の目的は、 N〇x選択還元触媒へのアンモニア吸着量が飽 和しているか否かを正確に判断することができる内燃機関の排気浄 化装置を提供することにある。

本発明によれば、機関排気通路内に N O x選択還元触媒を配置し 、 N O x選択還元触媒に尿素を供給してこの尿素から発生するァン モニァを N O x選択還元触媒に吸着させ、主にこの吸着されたアン モニァにより排気ガス中に含まれる N〇xを選択的に還元するよう にした内燃機関の排気浄化装置において、 N〇x選択還元触媒下流 の機関排気通路内に排気ガス中に含まれる N〇xおよびアンモニア を検出可能な N〇xセンサを配置し、減速運転時において機関への 燃料の供給が停止されているときの N〇xセンサの検出値に基づい て N O x選択還元触媒へのアンモニア吸着量が飽和しているか否か を判断するようにした内燃機関の排気浄化装置が提供される。

本発明では、減速運転時において機関への燃料の供給が停止され ているときに、即ち排気ガス中に N〇 xが含まれていないときに N O xセンサの検出値に基づいて N〇x選択還元触媒へのアンモニア吸 着量が飽和しているか否かを判断しているので N O x選択還元触媒 へのアンモニア吸着量が飽和しているか否かを正確に判断すること ができる。

図面の簡単な説明

図 1は圧縮着火式内燃機関の全体図、図 2は圧縮着火式内燃機関 の別の実施例を示す全体図、 図 3は N〇xセンサの出力値を示す図 、図 4は目標アンモニア吸着量 Q tおよびその補正量 Δ Q t i j k 、 K Q T等を示す図、図 5は N〇xセンサの出力値の変化を示す夕 ィムチヤ一ト、図 6は機関の運転を制御するためのフローチャート 、図 7は排出 N〇x量 N O X Aのマップ等を示す図である。

発明を実施するための最良の形態

図 1 に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。

図 1 を参照すると、 1は機関本体、 2は各気筒の燃焼室、 3は各 燃焼室 2内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、 4 は吸気マニホルド、 5は排気マニホルドを夫々示す。吸気マ二ホル ド 4は吸気ダクト 6を介して排気夕ーポチャージャ 7のコンプレツ サ 7 aの出口に連結され、コンプレッサ 7 aの入口は吸入空気量検 出器 8を介してエアクリーナ 9に連結される。吸気ダクト 6内には ステツプモ一夕により駆動されるス口ッ トル弁 1 0が配置され、更 に吸気ダク ト 6周りには吸気ダクト 6内を流れる吸入空気を冷却す るための冷却装置 1 1が配置される。図 1 に示される実施例では機 関冷却水が冷却装置 1 1内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気 が冷却される。

一方、排気マニホルド 5は排気ターボチャージャ 7の排気夕一ビ ン 7 bの入口に連結され、排気夕ービン 7 bの出口は酸化触媒 1 2 の入口に連結される。 この酸化触媒 1 2の下流には酸化触媒 1 2に 隣接して排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するためのパティ キユレ一トフィルタ 1 3が配置され、このパティキユレ一トフィル 夕 1 3の出口は排気管 1 4を介して N O x選択還元触媒 1 5の入口 に連結される。 この N〇x選択還元触媒 1 5の出口には酸化触媒 1 6が連結される。

NOx選択還元触媒 1 5上流の排気管 1 4内には尿素水供給弁 1 7が配置され、 この尿素水供給弁 1 7は供給管 1 8、供給ポンプ 1 9を介して尿素水タンク 2 0に連結される。尿素水タンク 2 0内に 貯蔵されている尿素水は供給ポンプ 1 9によって尿素水供給弁 1 7 から排気管 1 4内を流れる排気ガス中に噴射され、尿素から発生し たアンモニア ((NH2) 2 C O + H2〇→ 2 NH3 + C〇2) によつ て排気ガス中に含まれる NOxが N〇x選択還元触媒 1 5において還 元される。

排気マニホルド 5 と吸気マニホルド 4とは排気ガス再循環(以下 、 E G Rと称す)通路 2 1 を介して互いに連結され、 E G R通路 2 1内には電子制御式 E G R制御弁 2 2が配置される。また、 E G R 通路 2 1周りには E G R通路 2 1内を流れる E G Rガスを冷却する ための冷却装置 2 3が配置される。図 1 に示される実施例では機関 冷却水が冷却装置 2 3内に導かれ、機関冷却水によって E G Rガス が冷却される。一方、各燃料噴射弁 3は燃料供給管 2 4を介してコ モンレール 2 5に連結され、このコモンレール 2 5は電子制御式の 吐出量可変な燃料ポンプ 2 6を介して燃料タンク 2 7に連結される 。燃料タンク 2 7内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ 2 6によつ てコモンレール 2 5内に供給され、コモンレール 2 5内に供給され た燃料は各燃料供給管 2 4を介して燃料噴射弁 3に供給される。 電子制御ュニット 3 0はデジタルコンピュー夕からなり、双方向 性バス 3 1 によって互いに接続された R〇 M (リードオンリメモリ ) 3 2、 R AM (ランダムアクセスメモリ) 3 3、 C P U (マイク 口プロセッサ) 3 4、入力ポート 3 5および出力ポート 3 6を具備 する。 N〇x選択還元触媒 1 5の上流側および下流側には夫々温度 センサ 2 8 a、 2 8 bが配置され、更に NOx選択還元触媒 1 5の 下流側には N O xセンサ 2 9が配置される。これら温度センサ 2 8 a , 2 8 b 、 N〇xセンサ 2 9および吸入空気量検出器 8 の出力信 号は夫々対応する A D変換器 3 7を介して入力ポート 3 5に入力さ れる。

一方、アクセルペダル 4 0にはアクセルペダル 4 0の踏込み量 L に比例した出力電圧を発生する負荷センサ 4 1が接続され、負荷セ ンサ 4 1の出力電圧は対応する A D変換器 3 7を介して入力ポート 3 5に入力される。更に入力ポート 3 5にはクランクシャフトが例 えば 1 5 ° 回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ 4 2が接続される。 一方、出力ポート 3 6は対応する駆動回路 3 8を 介して燃料噴射弁 3、スロットル弁 1 0の駆動用ステップモー夕、 尿素水供給弁 1 7、供給ポンプ 1 9 、 E G R制御弁 2 2および燃料 ポンプ 2 6に接続される。

酸化触媒 1 2は例えば白金のような貴金属触媒を担持しており、 この酸化触媒 1 2は排気ガス中に含まれる N Oを N 0 2に転換する 作用と排気ガス中に含まれる H Cを酸化させる作用をなす。一方、 パティキユレ一トフィル夕 1 3としては触媒を担持していないパテ ィキユレ一卜フィル夕を用いることもできるし、 例えば白金のよう な貴金属触媒を担持したパティキュレートフィル夕を用いることも できる。また、 N〇x選択還元触媒 1 5は低温で高い N〇x浄化率を 有するアンモニア吸着タイプの F eゼォライ卜から構成されている 。酸化触媒 1 6は例えば白金からなる貴金属触媒を担持しており、 この酸化触媒 1 6は N〇x選択還元触媒 1 5から漏出したアンモニ ァを酸化する作用をなす。

図 2に圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す。 この実施例では パティキュレートフィル夕 1 3が酸化触媒 1 6の下流に配置され、 従ってこの実施例では酸化触媒 1 2の出口が排気管 1 4を介して N Ox選択還元触媒 1 5の入口に連結される。

さて、 N〇xセンサ 2 9は本来的には排気ガス中の NOxを検出す るためのものである。 ところが排気ガス中に含まれるアンモニア N H3も N〇xセンサ 2 9において N〇xに酸化され、斯くして NOxセ ンサ 2 9は排気ガス中に含まれる N〇xおよびアンモニアを検出す ることになる。図 3は N〇xセンサ 2 9の出力電圧 Vと、排気ガス 中の NOx濃度および NH3濃度との関係を示している。 図 3から N 〇xセンサ 2 9の出カ電圧 は排気ガス中の?^〇!(濃度ぉょび1^^^3 濃度に比例していることがわかる。

図 4 (A) において Q t は飽和状態にある N〇x選択還元触媒 1 5へのアンモニア吸着量、 即ち飽和吸着量を示しており、本発明に よる実施例ではこのアンモニアの飽和吸着量 Q tが目標アンモニア 吸着量とされる。図 4 ( A) に示されるようにこの目標アンモニア 吸着量 Q t は NOx選択還元触媒 1 5の床温 T Cの関数であり、床 温 T Cが高くなるほどこの目標アンモニア吸着量 Q t は低下する。 本発明による実施例では機関の使用が開始された当初は N〇x選択 還元触媒 1 5へのアンモニア吸着量が目標アンモニア吸着量 Q t と なるように尿素の供給が制御される。

ところで、アンモニアの飽和吸着量は NOx選択還元触媒 1 5毎 に異なり、またこのアンモニアの飽和吸着量は使用期間が経過する につれて変化する。従って目標アンモニア吸着量 Q tがアンモニア の飽和吸着量を越えてしまう場合が生じ、 この場合には吸着しきれ なかった多量のアンモニアが NOx選択還元触媒 1 5から排出され ることになる。この場合、 NOx選択還元触媒 1 5からアンモニア が排出するのを阻止するためには目標アンモニア吸着量 Q t を低下 させる必要がある。そこで本発明では N〇x選択還元触媒 1 5から のアンモニアの排出を NOxセンサ 2 9により検出し、この NOvセ ンサ 2 9の検出値に応じて目標アンモニア吸着量 Q t を減少方向に 補正するようにしている。

次に図 5を参照しつっこの N〇xセンサ 2 9によるアンモニアの 排出の検出方法について説明する。 図 5は機関運転時において機関 への燃料の供給が停止されたときを示している。 即ち、アクセルべ ダル 4 0の踏込み量 Lが零となって減速が開始されたときに機関回 転数 Nが復帰回転数 N Z、例えば 8 0 0 r . p . mよりも高いとき には燃料の供給が停止され、 次いで機関回転数 Nが復帰回転数 N Z まで低下すると燃料の供給が再開される。

さて、 N〇x選択還元触媒 1 5へのアンモニア吸着量が飽和吸着 量を越えているときには減速運転時において燃料の供給が停止され ているときにもアンモニアが N〇x選択還元触媒 1 5から排出して いる。一方、燃料の供給が停止されているときには機関からは N O Xが排出されておらず、従ってこのときには N〇x選択還元触媒 1 5 からアンモニアが排出されているか否かを N〇xセンサ 2 9により 検出できることになる。 そこで本発明では減速運転時において機関 への燃料の供給が停止されているときの N〇xセンサ 2 9の検出値 に基づいて N〇x選択還元触媒 1 5へのアンモニア吸着量が飽和し ているか否かを判断するようにしている。

ところで N O x選択還元触媒 1 5へのアンモニア吸着量が飽和吸 着量を越えているときには減速運転開始前においても N O x選択還 元触媒 1 5からアンモニアが排出されている。しかしながらこのと きアンモニアは排気ガス中に含まれる N〇xを還元するために使用 されているので N〇x選択還元触媒 1 5から排出されるアンモニア 量は少量となる。 また、このとき N O x選択還元触媒 1 5から排出 される N O x量も少量となる。従って図 5に示されるように通常、 減速運転開始前における N〇xセンサ 2 9の出力値 Vは低く、減速 運転が開始されて燃料の供給が停止されると還元すべき N〇xが存 在しなくなるために Ν〇χセンサ 2 9の出力値 Vは増大する。

減速運転時において燃料の供給が停止されているときには尿素の 供給も停止されており、 従ってこのとき ΝΟχ選択還元触媒 1 5か ら排出されるアンモニア量は一旦上昇した後に飽和吸着量に対し余 剰の吸着アンモニア量が減少するにつれて減少する。 このとき飽和 吸着量に対し余剰のアンモニア量は Ν〇χセンサ 2 9の検出値 Vの 最大値 Vm a xに比例するか、又は N〇xセンサ 2 9の検出値 Vの 積分値∑ Vに比例するものと考えられる。 ところで本発明による実 施例では減速運転開始後、 安定するまでの待ち時間 Δ t を経過した 後に N〇xセンサ 2 9による検出作用が開始される。従って最大値 Vm a xは待ち時間 Δ t経過後の NOxセンサ 2 9の検出値 Vの最 大値であり、積分値∑ Vは待ち時間 Δ t経過後、 t x時間経過する までの NOxセンサ 2 9の検出値 Vの積算値である。

さて、本発明では NOxセンサ 2 9の検出値に基づいて NOx選択 還元触媒 1 5へのアンモニア吸着量が飽和していると判断されたと きには目標アンモニア吸着量 Q tが減少方向に補正される。この場 合、本発明では NOxセンサ 2 9の出力値と目標アンモニア吸着量 Q t の補正量 t との関係が予め記憶されており、この関係に基 づいて NOxセンサ 2 9の出力値から目標アンモニア吸着量 Q tの 補正量 Δ Q tが算出される。

具体的に言うと本発明による実施例では目標アンモニア吸着量 Q t の補正値 A Q t i j kが排気ガス量、即ち吸入空気量 G aと、 N Ox選択還元触媒 1 5の床温 T Cと、 NOxセンサ 2 9の出カ値 の 最大値 Vm a X又は積分値∑ Vとの関数として図 4 (B) に示すよ うな三次元マップの形で予め R OM 3 2内に記憶されている。この 場合、図 4 (C) に示されるように目標アンモニア吸着量 Q tの補 正値 A Q t i j kは最大値 Vm a x又は積分値∑ Vに正比例する。 目標アンモニア吸着量 Q tの補正量 A Q t i j kが求まると目標 アンモニア吸着量 Q tから補正量 A Q t i j kを減算した減算結果 (Q t - Δ Q t i j k ) が新たな目標アンモニア吸着量とされ、 N 〇x選択還元触媒 1 5へのアンモニア吸着量がこの新たな目標アン モニァ吸着量 (Q t — A Q t i j k ) となるように尿素の供給が制 御される。次いでこのような状態で減速運転が行われたときに NO x選択還元触媒 1 5から再度アンモニアが排出されたときには NOx センサ 2 9の検出値 Vから再度補正量 A Q t i j kが算出され、こ の補正量がこれまで使用されてきた補正量に加算されて新たな補正 量 KQ t とされる。

新たな補正量 KQ tが求まると図 4 ( A) に示されるように目標 アンモニア吸着量 Q tから補正量 KQ t を減算した減算結果(Q t - KQ t ) が新たな目標アンモニア吸.着量とされ、 N〇x選択還元 触媒 1 5へのアンモニア吸着量がこの新たな目標アンモニア吸着量 (Q t - KQ t ) となるように尿素の供給が制御される。図 4 (B ) からわかるように補正量 A Q t i j k、即ち KQ t は吸入空気量 G aおよび N〇x選択還元触媒 1 5の床温 T Cに応じて変化するの で新たな目標アンモニア吸着量 (Q t — KQ t ) は N〇x選択還元 触媒 1 5の床温 T Cに応じて変化するばかりでなく吸入空気量 G a に応じて変化する。

図 6 に機関の運転を制御するためのルーチンを示す。なお、この ルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。

図 6 を参照するとまず初めにステップ 5 0においてアクセルぺダ ル 4 0の踏込み量 Lが零であるか否かが判別される。アクセルぺダ ル 4 0の踏込み量 Lが零でないときにはステップ 5 1 に進んで燃料 噴射制御が行われる。 次いでステップ 5 2では燃焼室 2から単位時 間当り排出される排出 NOx量 NO XAが算出される。 この排出 N Ox量 NOXAは図 7 ( A) に示されるように要求トルク T Qおよ び機関回転数 Nの関数としてマップの形で予め R〇 M 3 2内に記憶 されている。

次いでステップ 5 3では N〇x選択還元触媒 1 5における ^ 〇5;浄 化率 Rが算出される。この NOx浄化率 Rは図 7 ( B ) に示される ように N〇x選択還元触媒 1 5の床温 T Cの関数であり、更に排気 ガス量、即ち吸入空気量 G aに応じて変化する。この N〇x浄化率 Rは図 7 ( C ) に示されるように吸入空気量 G aおよび N〇x選択 還元触媒 1 5の床温 T Cの関数としてマップの形で予め R OM 3 2 内に記憶されている。

次いでステップ 5 4では排出 N〇x量 NO XAと NOx浄化率 Rか ら NOxを還元するために単位時間当り消費された吸着アンモニア 量 NDが算出される。 次いでステップ 5 5では尿素の形で単位時間 当り供給される供給アンモニア量 N Iが算出される。次いでステツ プ 5 6では N〇x選択還元触媒 1 5のアンモニア吸着量 ∑ NH3 (∑

N H 3 + N I - N D) が算出される。次いでステップ 5 7ではこの ァンモニァ吸着量∑ NH3が目標アンモニア吸着量 (Q t - K Q t

) よりも大きいか否かが判別される。∑ N H 3 < (Q t ― K Q t ) のときにはステップ 5 8に進んで尿素が供給され、∑ NH3≥ (Q t - K Q t ) のときにはステップ 5 9に進んで尿素の供給が停止さ れる。

一方、ステップ 5 0においてアクセルペダル 4 0の踏込み量 Lが 零のときにはステップ 6 0に進んで機関回転数 Nが復帰回転数 N Z (図 5 ) よりも低いか否かが判別される。 N〉N Zのときにはステ ップ 6 1に進んで燃料の供給が停止され、次いでステップ 6 2では 尿素の供給が停止される。 次いでステップ 6 3では待ち時間 Δ t を 経過したか否かが判別され、 待ち時間 Δ tが経過したとぎにはステ ップ 6 4に進んで一対の温度センサ 2 8 a , 2 8 bの出力値の平均 値から N〇x選択還元触媒 1 5の床温 T Cが検出され、更に吸入空 気量 G aと N〇xセンサ 2 9の出力値 Vとが検出される。

次いでステップ 6 0において N≤ N Zであると判別されたときに はステップ 6 5に進んで前回の処理サイクルでは N>N Eであった か否かが判別される。 N>N Eであったときには、 即ち N〉N Eか ら N≤ N Eになったときにはステップ 6 6に進んで時間 t X (図 5 ) 内における床温 T Cと吸入空気量 G aの平均値が算出される。次 いでステップ 6 7では N〇xセンサ 2 9の出力値 Vの最大値 Vm a X又は積分値∑ Vが算出される。

次いでステップ 6 8ではこれら床温 T Cの平均値、吸入空気量 G aの平均値、 および最大値 Vm a x又は積分値∑ Vに基づいて図 4 (B) に示す三次元マップから補正量 Δ Q i j kが算出される。次 いでステップ 6 9において補正量 KQ t (― KQ t + Δ Q i j k ) が更新される。一方、ステップ 6 5において N>N Zでなかったと 判断されたときにはステップ 5 1 に進んで燃料噴射が再開される。