(57)【要約】【課題】アンモニアスリップを発生又は増長させることなく、アンモニアスリップの発生の有無を正確に判断する。【解決手段】酸素過剰のもとでアンモニアにより排気ガス中のＮＯｘを還元するのに適した触媒２７を機関排気通路内に配置する。触媒２７に添加制御弁３２から尿素水溶液を供給し、触媒２７に供給された尿素の一部を触媒２７内に貯蔵すると共に触媒２７内に貯蔵されている尿素から発生したアンモニアにより排気ガス中のＮＯｘを還元する。触媒２７から流出するＮＯｘ量を検出するために触媒２７下流の排気通路内にＮＯｘセンサ２９を配置する。機関制御を一時的に変更することにより流入ＮＯｘ量を一時的に減少させる。このとき、ＮＯｘセンサ２９により検出されたＮＯｘ量が減少しないときにはアンモニアスリップが発生していると判断し、検出ＮＯｘ量が減少したときにはアンモニアスリップが発生していないと判断する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素過剰のもとでアンモニアにより排気ガス中のＮＯｘを還元するのに適した触媒を機関排気通路内に配置し、該触媒にアンモニア発生化合物を含む液体又は固体を供給するための供給手段と、該液体又は固体の供給量を制御するための供給制御手段とを具備し、該触媒は、触媒に供給された該液体又は固体内に含まれるアンモニア発生化合物からアンモニアを発生して該発生したアンモニアにより排気ガス中のＮＯｘを還元する機能を有する内燃機関の排気浄化装置において、前記触媒から流出するＮＯｘ量を検出するために前記触媒下流の排気通路内に配置されたＮＯｘセンサと、前記触媒に流入するＮＯｘ量である流入ＮＯｘ量を一時的に増減させる流入ＮＯｘ量増減手段と、該流入ＮＯｘ量増減手段により前記流入ＮＯｘ量が一時的に増減されたときの、前記ＮＯｘセンサにより検出されたＮＯｘ量である検出ＮＯｘ量に基づきアンモニアスリップが発生しているか否かを判断する判断手段と、を具備した内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記判断手段は、前記流入ＮＯｘ量増減手段により前記流入ＮＯｘ量が一時的に減少されたときに、前記検出ＮＯｘ量が減少しないときにはアンモニアスリップが発生していると判断し、前記検出ＮＯｘ量が減少したときにはアンモニアスリップが発生していないと判断する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記判断手段は、前記流入ＮＯｘ量増減手段により前記流入ＮＯｘ量が一時的に増大されたときに、前記検出ＮＯｘ量が増大しないときにはアンモニアスリップが発生していると判断し、前記検出ＮＯｘ量が増大したときにはアンモニアスリップが発生していないと判断する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記供給制御手段は、前記判断手段によりアンモニアスリップが発生していると判断されたときには該液体又は固体の供給量を減量補正し、アンモニアスリップが発生していないと判断されたときには該液体又は固体の供給量を増量補正する請求項１から３までのいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記判断手段はアンモニアスリップが発生しているか否かの判断を機関定常運転時に行う請求項１から４までのいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸素過剰のもとでアンモニアにより排気ガス中のＮＯｘを還元するのに適した触媒を機関排気通路内に配置し、この触媒に尿素水溶液を供給し、触媒に供給された尿素の一部を触媒内に貯蔵すると共に触媒内に貯蔵されている尿素から発生したアンモニアにより排気ガス中のＮＯｘを還元するようにした内燃機関が公知である。
【０００３】
ところが、触媒内に貯蔵されている尿素量を正確に把握するのは困難であるので、尿素水溶液が触媒に過剰に供給される場合がありうる。その結果、アンモニアが過剰に発生し触媒に貯蔵されることなく触媒から排出されるいわゆるアンモニアスリップが発生するおそれがある。
【０００４】
そこで、触媒への尿素水溶液の供給量を一時的に増大し、このときの触媒のＮＯｘ浄化率が、尿素水溶液供給量の増大前のＮＯｘ浄化率以下のときに、アンモニアスリップが発生していると判断する内燃機関が公知である（特許文献１参照）。この内燃機関では更に、アンモニアスリップが発生していると判断されたときには触媒への尿素水溶液の供給が禁止又は低減される。
【０００５】
【特許文献１】特許第３９７９１５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、触媒への尿素水溶液の供給量を増大させると、アンモニアスリップが発生し又は増長されるおそれがあり、好ましくない。すなわち、アンモニアスリップが発生しているか否かを判断するための新たな方法が必要となっている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために本発明によれば、酸素過剰のもとでアンモニアにより排気ガス中のＮＯｘを還元するのに適した触媒を機関排気通路内に配置し、該触媒にアンモニア発生化合物を含む液体又は固体を供給するための供給手段と、該液体又は固体の供給量を制御するための供給制御手段とを具備し、該触媒は、触媒に供給された該液体又は固体内に含まれるアンモニア発生化合物からアンモニアを発生して該発生したアンモニアにより排気ガス中のＮＯｘを還元する機能を有する内燃機関の排気浄化装置において、前記触媒から流出するＮＯｘ量を検出するために前記触媒下流の排気通路内に配置されたＮＯｘセンサと、前記触媒に流入するＮＯｘ量である流入ＮＯｘ量を一時的に増減させる流入ＮＯｘ量増減手段と、該流入ＮＯｘ量増減手段により前記流入ＮＯｘ量が一時的に増減されたときの、前記ＮＯｘセンサにより検出されたＮＯｘ量である検出ＮＯｘ量に基づきアンモニアスリップが発生しているか否かを判断する判断手段と、を具備している。
【発明の効果】
【０００８】
アンモニアスリップを発生又は増長させることなく、アンモニアスリップの発生の有無を正確に判断することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は本発明を圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。なお、本発明はガソリン機関にも適用することができる。
【００１０】
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内にそれぞれ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それぞれ示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ｃの出口に連結され、コンプレッサ７ｃの入口はエアフローメータ８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６内には電気制御式スロットル弁１０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１１が配置される。一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｔの入口に連結され、排気タービン７ｔの出口は排気後処理装置２０に連結される。
【００１１】
排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気再循環（以下、ＥＧＲと称する。）通路１２を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１２内には電気制御式ＥＧＲ制御弁１３が配置される。また、ＥＧＲ通路１２周りにはＥＧＲ通路１２内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置１４が配置される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管１５を介してコモンレール１６に連結され、このコモンレール１６は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ１７を介して燃料タンク１８に連結される。燃料タンク１８内の燃料は燃料ポンプ１７によってコモンレール１６内に供給され、コモンレール１６内に供給された燃料は各燃料供給管１５を介して燃料噴射弁３に供給される。
【００１２】
排気後処理装置２０は排気管２１を介して排気タービン７ｔの出口に連結された上流側ケーシング２２と、排気管２３を介して上流側ケーシング２２に連結された下流側ケーシング２４とを具備する。上流側ケーシング２２内には、酸化触媒又は三元触媒２５と、排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタ２６とが収容され、パティキュレートフィルタ２６上には酸化触媒が担持されている。一方、下流側ケーシング２４内には、触媒２７と、酸化触媒又は三元触媒２８とが収容される。触媒２７は酸素過剰のもとでアンモニアにより排気ガス中のＮＯｘを還元するのに適したＮＯｘ選択還元触媒から構成される。また、触媒２７下流の下流側ケーシング２４内には、触媒２７から流出した排気ガス中のＮＯｘ量ないし濃度を検出するためのＮＯｘセンサ２９が取り付けられる。
【００１３】
一方、アンモニアを発生するアンモニア発生化合物を含む液体がタンク３０内に貯えられており、タンク３０内に貯えられているアンモニア発生化合物を含む液体は供給ポンプ３１及び電磁制御式添加制御弁３２を介して排気管２３内に供給される。
【００１４】
電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５及び出力ポート４６を具備する。エアフローメータ８は吸入空気量に比例した出力電圧を発生し、この出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。一方、ＮＯｘセンサ２９の出力信号は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。アクセルペダル４９にはアクセルペダル４９の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ５０が接続され、負荷センサ５０の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。さらに、入力ポート４５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５１が接続される。一方、出力ポート４６は対応する駆動回路４８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０駆動装置、ＥＧＲ制御弁１３、燃料ポンプ１７、供給ポンプ３１、及び添加制御弁３２に接続される。
【００１５】
さて、前述したように触媒２７上流の排気管２３内にはアンモニア発生化合物を含む液体が供給される。アンモニアを発生しうるアンモニア発生化合物については種々の化合物が存在し、したがってアンモニア発生化合物として種々の化合物を用いることができる。本発明による実施例ではアンモニア発生化合物として尿素を用いており、アンモニア発生化合物を含む液体として尿素水溶液を用いている。したがって以下、触媒２７上流の排気管２３内に尿素水溶液を供給する場合を例にとって本発明を説明する。
【００１６】
一方、前述したように触媒２７はＮＯｘ選択還元触媒からなり、図１に示す実施例ではこのＮＯｘ選択還元触媒としてチタニアを担体とし、この担体上に酸化バナジウムを担持した触媒Ｖ２Ｏ５／ＴｉＯ２（以下、バナジウム・チタニア触媒という。）、又はゼオライトを担体とし、この担体上に銅を担持した触媒Ｃｕ／ＺＳＭ５（以下、銅ゼオライト触媒という。）が用いられている。
【００１７】
過剰酸素を含んでいる排気ガス中に尿素水溶液を供給すると排気ガス中に含まれるＮＯは触媒２７上において尿素ＣＯ（ＮＨ２）２から発生するアンモニアＮＨ３により還元される（例えば２ＮＨ３＋２ＮＯ＋１／２Ｏ２→２Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ）。
【００１８】
すなわち、供給された尿素水溶液中の尿素はまず触媒２７上に付着する。このとき触媒２７の温度が例えばほぼ３５０℃以上のように高ければ尿素が一気に熱分解してアンモニアが発生される。
【００１９】
一方、触媒２７の温度がほぼ１３２℃からほぼ３５０℃までのときには尿素が触媒２７内にいったん貯蔵され、次いで触媒２７内に貯蔵されている尿素からアンモニアが少しずつ発生され放出される。この場合のアンモニア発生は触媒２７上において尿素が形態変化するためであると考えられている。すなわち、尿素はほぼ１３２℃においてビウレットに変化し、ビウレットはほぼ１９０℃においてシアヌル酸に変化し、シアヌル酸はほぼ３６０℃においてシアン酸又はイソシアン酸に変化する。あるいは、触媒２７内に貯蔵されてからの経過時間が長くなるにつれて尿素はビウレットに変化し、ビウレットはシアヌル酸に変化し、シアヌル酸はシアン酸又はイソシアン酸に変化する。このような形態変化の過程で少しずつアンモニアが発生するものと考えられている。
【００２０】
触媒２７の温度が尿素の熱分解温度であるほぼ１３２℃以下のときに触媒２７に尿素水溶液を供給すると尿素水溶液中の尿素は触媒２７内に貯蔵され、このとき貯蔵された尿素からはアンモニアはほとんど発生しない。
【００２１】
さて、本発明による実施例では、尿素水溶液の添加量Ｑが例えば次式から算出される。
Ｑ＝ＱＢ・（１＋Ｋ）
ここで、ＱＢは基本添加量を、Ｋは補正係数を、それぞれ表している。
【００２２】
触媒２７内に流入するＮＯｘ量を還元するのに必要なアンモニア量を要求量と称すると、基本添加量ＱＢは例えばアンモニアを要求量だけ発生させるのに必要な尿素水溶液量であり、機関運転状態例えば機関負荷及び機関回転数の関数としてあらかじめＲＯＭ４２内に記憶されている。
【００２３】
一方、補正係数Ｋは基本添加量ＱＢを補正するためのものである。補正係数Ｋを増大させると尿素水溶液添加量Ｑが増量補正され、補正係数Ｋを減少させると尿素水溶液添加量Ｑが減量補正される。補正する必要がないときには補正係数Ｋはゼロに設定される。
【００２４】
補正係数Ｋはアンモニアスリップの発生の有無に応じて設定される。すなわち、まずアンモニアスリップが発生しているか否かが判断される。アンモニアスリップが発生していないと判断されたときには、触媒２７に流入するＮＯｘ量すなわち流入ＮＯｘ量に対し、触媒２７で発生するアンモニア量すなわち発生アンモニア量が過剰でないと考えることができる。そこでこの場合には、補正係数Ｋが増大され、それによって尿素水溶液添加量Ｑが増量補正される。これに対し、アンモニアスリップが発生していると判断されたときには、流入ＮＯｘ量に対し発生アンモニア量が過剰であると考えることができる。そこでこの場合には、補正係数Ｋが減少され、それによって尿素水溶液添加量Ｑが減量補正される。その結果、ＮＯｘ浄化率を高く維持しつつアンモニアスリップの発生を抑制することができる。
【００２５】
したがって、本発明による実施例ではアンモニアスリップが発生しているか否かを正確に判断する必要がある。
【００２６】
この場合、例えばＮＯｘセンサ２９により検出されるＮＯｘ量である検出ＮＯｘ量が多いときには、流入ＮＯｘ量に対し発生アンモニア量が不足しておりしたがってアンモニアスリップが発生しておらず、検出ＮＯｘ量が少ないときには、流入ＮＯｘ量に対し発生アンモニア量が過剰でありしたがってアンモニアスリップが発生していると判断できるかに見える。
【００２７】
しかしながら、本発明による実施例のＮＯｘセンサ２９はアンモニアをＮＯｘとして誤検出するおそれがある。すなわち、本発明による実施例のＮＯｘセンサ２９は、触媒付きのジルコニアＺｒＯ２を具備し、触媒によるＮＯｘの分解により生ずる酸素量に応じた出力電圧を発生するセンサから構成される。ところが、このセンサはアンモニアを触媒によりＮＯｘに変換し次いでこのＮＯｘを分解し、その結果アンモニアをＮＯｘとして誤検出するおそれがある。
【００２８】
そうすると、触媒２７から排出されるＮＯｘ量が多い場合にも、触媒２７から排出されるアンモニア量が多い場合にも、検出ＮＯｘ量は多くなり、したがってアンモニアスリップの発生の有無を正確に判断することができない。
【００２９】
そこで本発明による実施例では、次のようにしてアンモニアスリップの発生の有無を判断するようにしている。
【００３０】
すなわち、本発明による実施例では、機関から排出されるＮＯｘ量が一時的に減少されしたがって流入ＮＯｘ量が一時的に減少されるように、機関制御例えばＥＧＲガス供給量又は燃料噴射時期が能動的ないし意図的に変更される。その上で、このように流入ＮＯｘ量が減少されたときの検出ＮＯｘ量に基づいてアンモニアスリップが発生しているか否かが判断される。このことを図２（Ａ），（Ｂ）を参照しながら説明する。
【００３１】
図２（Ａ），（Ｂ）は流入ＮＯｘ量ＮＯＸｉ、発生アンモニア量ＡＭＮ、及び検出ＮＯｘ量ＮＯＸｄを概略的に示している。この場合、尿素水溶液の添加量Ｑはほぼ一定に維持されており、したがって発生アンモニア量ＡＭＮはほぼ一定に維持されている。また、ＮＯｘセンサ２９がＮＯｘ及びアンモニアを等しく検出すると仮定すると、検出ＮＯｘ量ＮＯＸｄは流入ＮＯｘ量ＮＯＸｉと発生アンモニア量ＡＭＮとの差の絶対値Ｄに一致する。
【００３２】
図２（Ａ）に示されるように流入ＮＯｘ量ＮＯＸｉに対し発生アンモニア量ＡＭＮが不足している場合には、流入ＮＯｘ量ＮＯＸｉが一時的に減少されると、検出ＮＯｘ量ＮＯＸｄも一時的に減少する。これに対し、図２（Ｂ）に示されるように流入ＮＯｘ量ＮＯＸｉに対し発生アンモニア量ＡＭＮが過剰の場合には、流入ＮＯｘ量ＮＯＸｉが一時的に減少されると、検出ＮＯｘ量ＮＯＸｄは一時的に増大する。
【００３３】
そこで本発明による実施例では、流入ＮＯｘ量ＮＯＸｉが一時的に減少されたときに、検出ＮＯｘ量ＮＯＸｄが一時的に減少していないときにはアンモニアスリップが発生していると判断し、検出ＮＯｘ量ＮＯＸｄが一時的に減少したときにはアンモニアスリップが発生していないと判断するようにしている。その結果、ＮＯｘセンサ２９の誤検出にかかわらず、アンモニアスリップの発生の有無を正確に判断することができる。
【００３４】
なお、本発明による実施例では、このようなアンモニアスリップの発生の有無の判断は、触媒２７の温度又は触媒２７を通過するガス量がほぼ一定に維持されている機関定常運転時に行われる。また、出力トルクが目標トルクに維持されるように流入ＮＯｘ量ＮＯＸｉが変更される。さらに、出力トルクが急変しないように流入ＮＯｘ量ＮＯＸｉが徐々に変更される。
【００３５】
図３は本発明による実施例の補正係数Ｋの算出ルーチンを示している。このルーチンはあらかじめ定められた設定時間ごとの割り込みによって実行される。
【００３６】
図３を参照すると、ステップ１００では機関定常運転が行われているか否かが判別される。定常運転が行われていないときには処理サイクルを終了し、定常運転が行われているときには次いでステップ１０１に進み、流入ＮＯｘ量ＮＯＸｉが一時的に減少されるように機関制御が変更される。続くステップ１０２では、流入ＮＯｘ量ＮＯＸｉが減少されたことに対応して検出ＮＯｘ量ＮＯＸｄが減少したか否かが判別される。検出ＮＯｘ量ＮＯＸｄが減少したときにはアンモニアスリップが発生していないと判断し、次いでステップ１０３に進んで補正係数Ｋが増大補正される（Ｋ＝Ｋ＋ｑ）。これに対し、検出ＮＯｘ量ＮＯＸｄが減少していないときにはアンモニアスリップが発生していると判断し、次いでステップ１０４に進んで補正係数Ｋが減少補正される（Ｋ＝Ｋ−ｑ）。
【００３７】
図４は本発明による実施例の尿素水溶液の添加制御ルーチンを示している。このルーチンはあらかじめ定められた設定時間ごとの割り込みによって実行される。
【００３８】
図４を参照すると、ステップ２００では基本添加量ＱＢが算出される。続くステップ２０１では図３のルーチンで算出される補正係数Ｋが読み込まれる。続くステップ２０２では尿素水溶液添加量Ｑが算出される（Ｑ＝ＱＢ・（１＋Ｋ））。続くステップ２０３では尿素水溶液が添加制御弁３２から添加量Ｑだけ添加される。
【００３９】
次に、本発明による別の実施例を説明する。
本発明による別の実施例では、流入ＮＯｘ量が一時的に増大されるように機関制御が能動的ないし意図的に変更される。その上で、このように流入ＮＯｘ量が増大されたときの検出ＮＯｘ量に基づいてアンモニアスリップが発生しているか否かが判断される。このことを図５（Ａ），（Ｂ）を参照しながら説明する。
【００４０】
図５（Ａ），（Ｂ）は図２（Ａ），（Ｂ）と同様に、流入ＮＯｘ量ＮＯＸｉ、発生アンモニア量ＡＭＮ、及び検出ＮＯｘ量ＮＯＸｄを概略的に示している。
【００４１】
図５（Ａ）に示されるように流入ＮＯｘ量ＮＯＸｉに対し発生アンモニア量ＡＭＮが不足している場合には、流入ＮＯｘ量ＮＯＸｉが一時的に増大されると、検出ＮＯｘ量ＮＯＸｄも一時的に増大する。これに対し、図５（Ｂ）に示されるように流入ＮＯｘ量ＮＯＸｉに対し発生アンモニア量ＡＭＮが過剰の場合には、流入ＮＯｘ量ＮＯＸｉが一時的に増大されると、検出ＮＯｘ量ＮＯＸｄは一時的に減少する。
【００４２】
そこで本発明による別の実施例では、流入ＮＯｘ量ＮＯＸｉが一時的に増大されたときに、検出ＮＯｘ量ＮＯＸｄが一時的に増大していないときにはアンモニアスリップが発生していると判断し、検出ＮＯｘ量ＮＯＸｄが一時的に増大したときにはアンモニアスリップが発生していないと判断するようにしている。このようにしてもアンモニアスリップの発生の有無を正確に判断することができる。
【００４３】
図６は本発明による別の実施例の補正係数Ｋの算出ルーチンを示している。このルーチンはあらかじめ定められた設定時間ごとの割り込みによって実行される。なお、本発明による別の実施例でも図４のルーチンが実行される。
【００４４】
図６を参照すると、ステップ１００では機関定常運転が行われているか否かが判別される。定常運転が行われていないときには処理サイクルを終了し、定常運転が行われているときには次いでステップ１０１ａに進み、流入ＮＯｘ量ＮＯＸｉが一時的に増大されるように機関制御が変更される。続くステップ１０２ａでは、流入ＮＯｘ量ＮＯＸｉが増大されたことに対応して検出ＮＯｘ量ＮＯＸｄが増大したか否かが判別される。検出ＮＯｘ量ＮＯＸｄが増大したときにはアンモニアスリップが発生していないと判断し、次いでステップ１０３に進んで補正係数Ｋが増大補正される（Ｋ＝Ｋ＋ｑ）。これに対し、検出ＮＯｘ量ＮＯＸｄが増大していないときにはアンモニアスリップが発生していると判断し、次いでステップ１０４に進んで補正係数Ｋが減少補正される（Ｋ＝Ｋ−ｑ）。
【００４５】
なお、流入ＮＯｘ量の増減は機関制御の変更に限られない。例えば、排気ガスの一部が触媒２７を迂回するようにすることによって流入ＮＯｘ量を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】本発明による実施例を説明するためのタイムチャートである。
【図３】補正係数Ｋの算出ルーチンを示すフローチャートである。
【図４】尿素水溶液の供給制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図５】本発明による別の実施例を説明するためのタイムチャートである。
【図６】本発明による別の実施例の補正係数Ｋの算出ルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４７】
１    機関本体
２０    排気後処理装置
２７    触媒
２９    ＮＯｘセンサ
３２    添加制御弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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