JP5398372B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、尿素水溶液から生成されるアンモニアを使用して、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を選択的に還元浄化するエンジンの排気浄化装置に関する。

エンジンの排気中に含まれるＮＯｘを除去する触媒浄化システムとして、特開２００８−２６１２５３号公報（特許文献１）に記載されるような排気浄化装置が提案されている。この排気浄化装置は、エンジン排気管に配設されたＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒の排気上流に、エンジン運転状態に応じた流量のアンモニア系溶液を噴射供給し、ＳＣＲ触媒で排気中のＮＯｘを選択的に還元反応させることで、ＮＯｘを無害成分に浄化処理する。

特開２００８−２６１２５３号公報

ところで、エンジン運転状態によっては、排気中のＮＯｘと還元反応せずにＳＣＲ触媒に吸着するアンモニアや、排気中のＮＯｘと還元反応せずにＳＣＲ触媒を通過して大気中に放出されるアンモニアが存在する。ＳＣＲ触媒を通過したアンモニアは、その排気下流に配設された酸化触媒で酸化することで、大気中への放出を抑制することができる。しかし、従来提案技術では、ＳＣＲ触媒に吸着されているアンモニアを考慮せずに、その排気上流に噴射供給する尿素水溶液の流量を制御していたため、ＳＣＲ触媒におけるアンモニア吸着量が飽和状態であると、酸化触媒で酸化されるアンモニアが増加してしまう。このため、従来提案技術では、ＮＯｘ浄化に寄与しないアンモニアが多く、尿素水溶液が有効に活用されているとは言い難かった。

そこで、本発明は従来の問題点に鑑み、ＳＣＲ触媒に吸着されているアンモニア量を推定し、その推定結果に応じて尿素水溶液の添加制御を行うことで、尿素水溶液の有効活用を図ったエンジンの排気浄化装置を提供することを目的とする。

このため、本発明の第１形態に係るエンジンの排気浄化装置は、エンジンの排気管に配設され、尿素水溶液から生成されるアンモニアを使用してＮＯｘを選択還元浄化する選択還元触媒と、前記選択還元触媒の排気上流に尿素水溶液を添加する添加装置と、エンジン運転状態に応じた尿素水溶液の添加量から、１モルの尿素から２モルのアンモニアが生成されることを利用して、生成されるアンモニアの生成量を演算する生成量演算手段と、前記エンジンから排出される排気中の第１のＮＯｘ濃度、及び、前記選択還元触媒を通過した排気中の第２のＮＯｘ濃度に基づいて、前記選択還元触媒によるＮＯｘの浄化率を、浄化率＝（第１のＮＯｘ濃度−第２のＮＯｘ濃度）／第１のＮＯｘ濃度という式により、演算する浄化率演算手段と、前記生成量演算手段により演算されたアンモニアの生成量、及び、前記浄化率演算手段により演算されたＮＯｘの浄化率に基づいて、前記選択還元触媒に吸着されるアンモニアの吸着量を、アンモニアの吸着量＝アンモニアの生成量×（１−浄化率）という式により、推定演算する第１の吸着量推定演算手段と、エンジン運転状態に応じた尿素水溶液の添加量から、前記第１の吸着量推定演算手段により推定演算されたアンモニアの吸着量に相当する尿素水溶液の吸着量を減算することで、エンジン運転状態に応じた尿素水溶液の添加量を補正する第１の補正手段と、前記第１の補正手段により補正された尿素水溶液の添加量に基づいて、前記添加装置の作動を制御する第１の作動制御手段と、を含んで構成される。

本発明の第２形態に係るエンジンの排気浄化装置は、エンジンの排気管に配設され、尿素水溶液から生成されるアンモニアを使用してＮＯｘを選択還元浄化する選択還元触媒と、前記選択還元触媒の排気上流に尿素水溶液を添加する添加装置と、前記エンジンから排出される排気中の第１のＮＯｘ濃度、及び、前記選択還元触媒を通過した排気中の第２のＮＯｘ濃度に基づいて、前記選択還元触媒によるＮＯｘの浄化率を、浄化率＝（第１のＮＯｘ濃度−第２のＮＯｘ濃度）／第１のＮＯｘ濃度という式により、演算する浄化率演算手段と、エンジン運転状態に応じた尿素水溶液の添加量、及び、前記浄化率演算手段により演算されたＮＯｘの浄化率に基づいて、前記選択還元触媒に吸着されるアンモニアに相当する尿素水溶液の吸着量を、尿素水溶液の吸着量＝尿素水溶液の添加量×（１−浄化率）という式により、推定演算する第２の吸着量推定演算手段と、エンジン運転状態に応じた尿素水溶液の添加量から、前記第２の吸着量推定演算手段により推定演算された尿素水溶液の吸着量を減算することで、エンジン運転状態に応じた尿素水溶液の添加量を補正する第２の補正手段と、前記第２の補正手段により補正された尿素水溶液の添加量に基づいて、前記添加装置の作動を制御する第２の作動制御手段と、を含んで構成される。

本発明によれば、選択還元触媒にアンモニアが吸着されているときには、その分だけエンジン運転状態に応じた尿素水溶液添加量が補正されるため、選択還元触媒でＮＯｘ浄化に必要なアンモニアを確保しつつ、選択還元触媒を通過して大気中に放出されるアンモニアを抑制することができる。このため、尿素水溶液の有効活用を図ることができる。

本発明を具現化した排気浄化装置の一例を示す全体構成図 制御プログラムの一例を示すフローチャート 制御プログラムの他の例を示すフローチャート

以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、本発明を具現化した排気浄化装置の一実施形態を示す。
エンジン１０の排気マニフォールド１２に接続される排気管１４には、排気流通方向に沿って、一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ₂）へと酸化させる窒素酸化触媒１６と、尿素水溶液を噴射供給する噴射ノズル１８と、尿素水溶液から生成されるアンモニアを使用してＮＯｘを選択的に還元浄化するＳＣＲ触媒２０と、ＳＣＲ触媒２０を通過したアンモニアを酸化させるアンモニア酸化触媒２２と、がこの順番で配設される。また、還元剤タンク２４に貯蔵される尿素水溶液は、ポンプ及び流量制御弁が内蔵された還元剤添加ユニット２６を経由して、噴射ノズル１８に供給される。なお、噴射ノズル１８，還元剤タンク２４及び還元剤添加ユニット２６を含んで、添加装置が構成される。

ここで、還元剤添加ユニット２６としては、ポンプが内蔵されたポンプモジュールと、流量制御弁が内蔵されたドージングモジュールと、に２分割された構成であってもよい。
窒素酸化触媒１６の排気上流に位置する排気管１４には、エンジン１０から排出される排気中のＮＯｘ濃度Ｃuを測定するＮＯｘセンサ２８が取り付けられる。一方、アンモニア酸化触媒２２の排気下流に位置する排気管１４には、アンモニア酸化触媒２２を通過した排気中のＮＯｘ濃度Ｃdを測定するＮＯｘセンサ３０が取り付けられる。また、ＳＣＲ触媒２０の排気上流、具体的には、噴射ノズル１８とＳＣＲ触媒２０との間に位置する排気管１４には、ＳＣＲ触媒２０へと流れ込む排気の温度（排気温度）Ｔを測定する排気温度センサ３２が取り付けられる。なお、アンモニア酸化触媒２２が配設されない排気浄化装置では、ＮＯｘセンサ３０は、ＳＣＲ触媒２０を通過した排気中のＮＯｘ濃度Ｃdを測定する。

ＮＯｘセンサ２８及び３０並びに排気温度センサ３２の各測定信号は、コンピュータを内蔵した還元剤添加コントロールユニット３４に夫々入力される。また、還元剤添加コントロールユニット３４は、エンジン運転状態としての回転速度Ｎe及び負荷Ｑを適宜読み込み可能とすべく、ＣＡＮ（Controller Area Network）などを介して、エンジン１０を電子制御するエンジンコントロールユニット３６に接続される。

ここで、エンジン１０の負荷Ｑとしては、例えば、燃料噴射流量，吸気流量，吸気圧力，過給圧力，アクセル開度，スロットル開度などを適用することができる。また、エンジン１０の回転速度Ｎe及び負荷Ｑは、エンジンコントロールユニット３６から読み込む構成に限らず、公知のセンサによって測定するようにしてもよい。

そして、還元剤添加コントロールユニット３４は、ＲＯＭ（Read Only Memory）などに記憶された制御プログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じたアンモニアがＳＣＲ触媒２０に供給されるように、還元剤添加ユニット２６を電子制御する。

かかる排気浄化装置において、噴射ノズル１８から噴射供給（添加）された尿素水溶液は、排気熱及び排気中の水蒸気を使用して加水分解され、還元剤として機能するアンモニアへと転化される。このアンモニアは、ＳＣＲ触媒２０において排気中のＮＯｘと選択的に還元反応し、無害な水（Ｈ₂Ｏ）及び窒素（Ｎ₂）へと浄化されることは知られたことである。このとき、ＳＣＲ触媒２０におけるＮＯｘ浄化効率を向上させるべく、窒素酸化触媒１６によりＮＯがＮＯ₂へと酸化され、排気中のＮＯとＮＯ₂との比率が選択還元反応に適したものに改善される。一方、ＳＣＲ触媒２０を通過したアンモニアは、その排気下流に配設されたアンモニア酸化触媒２２により酸化されるので、アンモニアがそのまま大気中に放出されることが抑制される。

図２は、エンジン１０の始動を契機として、還元剤添加コントロールユニット３４で実行される制御プログラムの一例を示す。なお、制御プログラムを実行する還元剤添加コントロールユニット３４が、生成量演算手段，浄化率演算手段，第１の吸着量推定演算手段，第１の補正手段及び第１の作動制御手段を夫々具現化する。

ステップ１（図では「Ｓ１」と略記する。以下同様。）では、エンジン運転状態として、排気温度センサ３２から排気温度Ｔを読み込むと共に、エンジンコントロールユニット３６から回転速度Ｎe及び負荷Ｑを読み込む。

ステップ２では、エンジン運転状態に応じた尿素水溶液添加量を演算する。具体的には、排気温度，回転速度及び負荷に適合した尿素水溶液添加量が設定された制御マップを参照し、排気温度Ｔ，回転速度Ｎe及び負荷Ｑに応じた尿素水溶液添加量を求める。

ステップ３では、エンジン運転状態に応じた尿素水溶液が噴射ノズル１８から噴射供給されるべく、尿素水溶液添加量に応じて還元剤添加ユニット２６のポンプ及び流量制御弁を電子制御する。

ステップ４では、１モルの尿素から２モルのアンモニアが生成されることを利用して、尿素水溶液添加量から生成されるアンモニア生成量を演算する。
ステップ５では、ＮＯｘセンサ２８及び３０からＮＯｘ濃度Ｃu及びＣdを読み込む。

ステップ６では、「ＮＯｘ浄化率＝（ＮＯｘ濃度Ｃu−ＮＯｘ濃度Ｃd）／ＮＯｘ濃度Ｃu」という式を利用して、ＳＣＲ触媒２０によるＮＯｘ浄化率を演算する。
ステップ７では、「アンモニア吸着量＝アンモニア生成量×（１−ＮＯｘ浄化率）」という式を利用して、ＳＣＲ触媒２０に吸着するアンモニア吸着量を推定演算する。要するに、噴射ノズル１８から噴射供給された尿素水溶液のうちＮＯｘ浄化に寄与しない分が、アンモニア状態でＳＣＲ触媒２０に吸着されたと推定する。

ステップ８では、エンジン運転状態として、排気温度センサ３２から排気温度Ｔを読み込むと共に、エンジンコントロールユニット３６から回転速度Ｎe及び負荷Ｑを読み込む。

ステップ９では、ステップ２と同様な方法で、エンジン運転状態に応じた尿素水溶液添加量を演算する。
ステップ１０では、１モルのアンモニアは１／２モルの尿素から生成されることを利用して、ステップ７で推定演算したアンモニア吸着量に相当する尿素水溶液量を演算する。

ステップ１１では、尿素水溶液添加量から尿素水溶液量を減算することで、尿素水溶液添加量を補正する。即ち、ＳＣＲ触媒２０に吸着しているアンモニアは、排気中のＮＯｘ浄化に利用されることに着目し、その分だけ尿素水溶液添加量を減らすようにする。そして、尿素水溶液添加量の補正が完了したら、処理をステップ３へと戻す。

このような排気浄化装置によれば、エンジン運転状態に応じた尿素水溶液添加量をＳＣＲ触媒２０の排気上流に添加した結果、エンジン１０から排出される排気中のＮＯｘ濃度及びアンモニア酸化触媒２２を通過した排気中のＮＯｘ濃度に基づいて、ＳＣＲ触媒２０で選択的に還元浄化されるＮＯｘの浄化率が求められる。また、エンジン運転状態に応じた尿素水溶液添加量から求められるアンモニア生成量のうち、「１−ＮＯｘ浄化率」で表される分はＳＣＲ触媒２０に吸着されるアンモニア吸着量であるとみなす。そして、エンジン運転状態に応じた尿素水溶液添加量からアンモニア吸着量に相当する尿素水溶液量を減算して補正し、補正後の尿素水溶液添加量に基づいて尿素水溶液添加制御が行われる。要するに、ＳＣＲ触媒２０によるＮＯｘ浄化率に基づいてエンジン運転状態に応じた尿素水溶液添加量を補正し、補正後の尿素水溶液添加量をＳＣＲ触媒２０の排気上流に添加する。

従って、ＳＣＲ触媒２０にアンモニアが吸着されているときには、その分だけエンジン運転状態に応じた尿素水溶液添加量が減量補正されるため、ＳＣＲ触媒２０でＮＯｘ浄化に必要なアンモニアを確保しつつ、ＳＣＲ触媒２０を通過して大気中に放出されるアンモニアを抑制することができる。このため、尿素水溶液の有効活用を図ることができる。また、ＳＣＲ触媒２０に吸着されずにアンモニア酸化触媒２２へと導入されるアンモニア量が減ることから、アンモニア酸化触媒２２の小型化が可能となり、重量及びコストの低減も期待できる。

図３は、エンジン１０の始動を契機として、還元剤添加コントロールユニット３４で実行される制御プログラムの他の例を示す。ここで、図２に示す制御プログラムと共通する処理については、重複説明を排除することを目的として、その説明を簡単にする。なお、制御プログラムを実行する還元剤添加コントロールユニット３４が、浄化率演算手段，第２の吸着量推定演算手段，第２の補正手段及び第２の作動制御手段を夫々具現化する。

ステップ２１では、エンジン運転状態として、排気温度センサ３２から排気温度Ｔを読み込むと共に、エンジンコントロールユニット３６から回転速度Ｎe及び負荷Ｑを読み込む。

ステップ２２では、エンジン運転状態に応じた尿素水溶液添加量を演算する。
ステップ２３では、尿素水溶液添加量に応じて還元剤添加ユニット２６のポンプ及び流量制御弁を電子制御する。

ステップ２４では、ＮＯｘセンサ２８及び３０からＮＯｘ濃度Ｃu及びＣdを読み込む。
ステップ２５では、「ＮＯｘ浄化率＝（ＮＯｘ濃度Ｃu−ＮＯｘ濃度Ｃd）／ＮＯｘ濃度Ｃu」という式を利用して、ＳＣＲ触媒２０によるＮＯｘ浄化率を演算する。

ステップ２６では、「尿素水溶液吸着量＝尿素水溶液添加量×（１−ＮＯｘ浄化率）」という式を利用して、ＳＣＲ触媒２０に吸着するアンモニア吸着量に相当する尿素水溶液吸着量を推定演算する。

ステップ２７では、エンジン運転状態として、排気温度センサ３２から排気温度Ｔを読み込むと共に、エンジンコントロールユニット３６から回転速度Ｎe及び負荷Ｑを読み込む。

ステップ２８では、エンジン運転状態に応じた尿素水溶液添加量を演算する。
ステップ２９では、尿素水溶液添加量から尿素水溶液吸着量を減算することで、尿素水溶液添加量を補正した後、処理をステップ２３へと戻す。

このような排気浄化装置によれば、先の一例の作用及び効果に加え、尿素水溶液添加量の補正が尿素水溶液ベースで行われるため、制御の簡略化を図ることができる。
なお、ステップ７及びステップ２６で、アンモニア吸着量又はこれに相当する尿素水溶液吸着量を演算するとき、アンモニア酸化触媒２２の排気下流に位置する排気管１４に取り付けられたアンモニアセンサにより測定されたアンモニア濃度に基づいて、アンモニア吸着量又は尿素水溶液吸着量を補正するようにしてもよい。このようにすれば、アンモニア酸化触媒２２を通過したアンモニア量を考慮したアンモニア吸着量又は尿素水溶液吸着量が求められるため、制御精度を向上させることができる。そして、制御精度の向上を通して、尿素水溶液の有効活用をさらに促進させることができる。ここで、アンモニア酸化触媒２２が配設されない排気浄化装置では、アンモニアセンサは、ＳＣＲ触媒２０を通過した排気中のアンモニア濃度を測定する。

また、本提案技術は、排気管にＰＭ（粒子状物質）を捕集除去するＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）がさらに配設された排気浄化装置、又は、ＤＰＦにＳＣＲ触媒として機能する触媒成分が塗布された排気浄化装置などにも適用可能である。

１０ エンジン
１４ 排気管
１８ 噴射ノズル
２０ ＳＣＲ触媒
２４ 還元剤タンク
２６ 還元剤添加ユニット
２８ ＮＯｘセンサ
３０ ＮＯｘセンサ
３２ 排気温度センサ
３４ 還元剤添加コントロールユニット
３６ エンジンコントロールユニット

Claims (5)

1. エンジンの排気管に配設され、尿素水溶液から生成されるアンモニアを使用して窒素酸化物を選択還元浄化する選択還元触媒と、
   前記選択還元触媒の排気上流に尿素水溶液を添加する添加装置と、
   エンジン運転状態に応じた尿素水溶液の添加量から、１モルの尿素から２モルのアンモニアが生成されることを利用して、アンモニアの生成量を演算する生成量演算手段と、
   前記エンジンから排出される排気中の第１の窒素酸化物濃度、及び、前記選択還元触媒を通過した排気中の第２の窒素酸化物濃度に基づいて、前記選択還元触媒による窒素酸化物の浄化率を、浄化率＝（第１の窒素酸化物濃度−第２の窒素酸化物濃度）／第１の窒素酸化物濃度という式により、演算する浄化率演算手段と、
   前記生成量演算手段により演算されたアンモニアの生成量、及び、前記浄化率演算手段により演算された窒素酸化物の浄化率に基づいて、前記選択還元触媒に吸着されるアンモニアの吸着量を、アンモニアの吸着量＝アンモニアの生成量×（１−浄化率）という式により、推定演算する第１の吸着量推定演算手段と、
   エンジン運転状態に応じた尿素水溶液の添加量から、前記第１の吸着量推定演算手段により推定演算されたアンモニアの吸着量に相当する尿素水溶液の吸着量を減算することで、エンジン運転状態に応じた尿素水溶液の添加量を補正する第１の補正手段と、
   前記第１の補正手段により補正された尿素水溶液の添加量に基づいて、前記添加装置の作動を制御する第１の作動制御手段と、
   を含んで構成されたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
2. 前記第１の吸着量推定演算手段は、前記選択還元触媒を通過した排気中のアンモニア濃度に基づいて、前記アンモニアの吸着量をさらに補正することを特徴とする請求項１記載のエンジンの排気浄化装置。
3. エンジンの排気管に配設され、尿素水溶液から生成されるアンモニアを使用して窒素酸化物を選択還元浄化する選択還元触媒と、
   前記選択還元触媒の排気上流に尿素水溶液を添加する添加装置と、
   前記エンジンから排出される排気中の第１の窒素酸化物濃度、及び、前記選択還元触媒を通過した排気中の第２の窒素酸化物濃度に基づいて、前記選択還元触媒による窒素酸化物の浄化率を、浄化率＝（第１の窒素酸化物濃度−第２の窒素酸化物濃度）／第１の窒素酸化物濃度という式により、演算する浄化率演算手段と、
   エンジン運転状態に応じた尿素水溶液の添加量、及び、前記浄化率演算手段により演算された窒素酸化物の浄化率に基づいて、前記選択還元触媒に吸着されるアンモニアに相当する尿素水溶液の吸着量を、尿素水溶液の吸着量＝尿素水溶液の添加量×（１−浄化率）という式により、推定演算する第２の吸着量推定演算手段と、
   エンジン運転状態に応じた尿素水溶液の添加量から、前記第２の吸着量推定演算手段により推定演算された尿素水溶液の吸着量を減算することで、エンジン運転状態に応じた尿素水溶液の添加量を補正する第２の補正手段と、
   前記第２の補正手段により補正された尿素水溶液の添加量に基づいて、前記添加装置の作動を制御する第２の作動制御手段と、
   を含んで構成されたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
4. 前記第２の吸着量推定演算手段は、前記選択還元触媒を通過した排気中のアンモニア濃度に基づいて、前記尿素水溶液の吸着量をさらに補正することを特徴とする請求項３記載のエンジンの排気浄化装置。
5. 前記エンジン運転状態に応じた尿素水溶液の添加量は、前記エンジンの排気温度，回転速度及び負荷から演算されることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。

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