(57)【要約】【課題】この発明は、排気浄化装置の入口に到達するガス成分の物理量分布が不均一であることを考慮しつつ、少ない演算負荷で排気浄化装置の状態を精度高く解析できる内燃機関の排気浄化解析装置を提供することを目的とする。【解決手段】各時刻における排気浄化装置入口のガス成分の物理量分布と排気条件とを関連付けた時刻歴データを記憶する。排気浄化装置を軸方向に平行に複数の棒状セルに仮想的に分割してなる計算モデルを有する。時刻歴データから、設定された排気条件に応じた各時刻のガス成分の物理量分布を読み込み、読み込んだ物理量分布から各棒状セルに入力される各時刻のガス成分の物理量をそれぞれ算出する。さらに、棒状セルに入力される各時刻のガス成分の物理量の履歴に基づいて、棒状セルから出力される現時刻のガス成分の物理量を算出する。【選択図】図５
2014015916.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配置される排気浄化装置の浄化能力が定常化するまでの各時刻における前記排気浄化装置入口のガス成分の物理量分布と、排気条件とを関連付けた時刻歴データを記憶する記憶部と、
前記排気浄化装置を軸方向に平行に複数の棒状セルに仮想的に分割してなる計算モデルと、
排気条件を設定する排気条件設定手段と、
前記時刻歴データから、設定された排気条件に応じた各時刻のガス成分の物理量分布を読み込み、読み込んだ物理量分布から各棒状セルに入力される各時刻のガス成分の物理量をそれぞれ算出する棒状セル入力物理量算出手段と、
棒状セルに入力される各時刻のガス成分の物理量の履歴に基づいて、棒状セルから出力される現時刻のガス成分の物理量を算出する棒状セル出力物理量算出手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化解析装置。
【請求項２】
前記時刻歴データのガス成分は、前記排気通路を流れる排ガスの成分と、排ガスに添加する還元剤の成分を含むこと、
を特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化解析装置。
【請求項３】
前記排気浄化装置は前記排気通路に直列に多段配置され、前段の排気浄化装置の各棒状セルからそれぞれ出力されるガス成分の物理量と、前段の排気浄化装置と後段の排気浄化装置との間の経路状態と、後段の排気浄化装置の各棒状セルに入力されるガス成分の物理量との関係を排気条件毎に定めた関係マトリックスと、
前記前段の排気浄化装置の各棒状セルからそれぞれ出力される各時刻のガス成分の物理量と、前記関係マトリックスとに基づいて、前記後段の排気浄化装置の各棒状セルに入力される各時刻のガス成分の物理量を算出する算出手段と、
を更に備えることを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の排気浄化解析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の排気浄化解析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１（特開平５−３０７５９０号公報）に開示されているように、空間的に分布する物理量を解析する３次元解析装置が知られている。しかし、３次元解析はコンピュータにかかる演算負荷が大きいことから、軸対象なパイプ等における流れの解析には、軸方向の流れ分布のみを考慮する１次元流れモデルが用いられることが多い。内燃機関の排気通路におけるガスの流れの解析にも用いることができる。
尚、出願人は、本発明に関連するものとして、上記の文献を含めて、以下に記載する文献を認識している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−３０７５９０号公報
【特許文献２】特開２００４−２２５６１８号公報
【特許文献３】特開２００７−２３８０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
内燃機関の排気通路には、触媒やフィルタ等の排気浄化装置が配置されている。また、排ガス中に還元剤を添加する場合もある。排気浄化装置内の排ガスの浄化率の予測計算は、１次元モデルを用いることで、短時間（時間オーダ）で可能となる。しかしながら、排気浄化装置の入口に分布する排ガスや還元剤の物理量は、排気浄化装置の上流に設けられるミキサーやコーンの形状による分散影響等を受けるため、均一ではない。そのため、均一に分布することを前提とする１次元モデルでは解析精度は十分とは言えない。一方、還元剤添加時の触媒の状態を３次元ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）ですべて予測するのでは、多大な計算時間（年オーダ）が必要となり実用的ではない。
【０００５】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、排気浄化装置の入口に到達するガス成分の物理量分布が不均一であることを考慮しつつ、少ない演算負荷で排気浄化装置の状態を精度高く解析できる内燃機関の排気浄化解析装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気浄化解析装置であって、
内燃機関の排気通路に配置される排気浄化装置の浄化能力が定常化するまでの各時刻における前記排気浄化装置入口のガス成分の物理量分布と、排気条件とを関連付けた時刻歴データを記憶する記憶部と、
前記排気浄化装置を軸方向に平行に複数の棒状セルに仮想的に分割してなる計算モデルと、
排気条件を設定する排気条件設定手段と、
前記時刻歴データから、設定された排気条件に応じた各時刻のガス成分の物理量分布を読み込み、読み込んだ物理量分布から各棒状セルに入力される各時刻のガス成分の物理量をそれぞれ算出する棒状セル入力物理量算出手段と、
棒状セルに入力される各時刻のガス成分の物理量の履歴に基づいて、棒状セルから出力される現時刻のガス成分の物理量を算出する棒状セル出力物理量算出手段と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記時刻歴データのガス成分は、前記排気通路を流れる排ガスの成分と、排ガスに添加する還元剤の成分を含むことを特徴とする。
【０００８】
また、第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記排気浄化装置は前記排気通路に直列に多段配置され、前段の排気浄化装置の各棒状セルからそれぞれ出力されるガス成分の物理量と、前段の排気浄化装置と後段の排気浄化装置との間の経路状態と、後段の排気浄化装置の各棒状セルに入力されるガス成分の物理量との関係を排気条件毎に定めた関係マトリックスと、
前記前段の排気浄化装置の各棒状セルからそれぞれ出力される各時刻のガス成分の物理量と、前記関係マトリックスとに基づいて、前記後段の排気浄化装置の各棒状セルに入力される各時刻のガス成分の物理量を算出する算出手段と、を更に備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
第１の発明によれば、排気浄化装置の入口に到達するガス成分の物理量分布が不均一であることを考慮しつつ、少ない演算負荷で排気浄化装置の状態を精度高く解析することができる。
【００１０】
第２の発明によれば、排ガスに添加する還元剤の物理量分布も考慮して、排気浄化装置の状態を精度高く解析することができる。
【００１１】
第３の発明によれば、多段配置された排気浄化装置において、関係マトリックスを用意することで、前段の排気浄化触媒出口のガス成分の物理量分布から、後段の排気浄化触媒入口のガス成分の物理量分布を算出することができる。そのため、後段の排気浄化触媒の状態の解析を前段の排気浄化触媒と同様の手法を用いて行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１の解析装置の解析対象である内燃機関の各種構成を説明するための図である。
【図２】触媒の出口におけるＮＯｘ浄化率が定常化するまでのＮＯｘ量、ＮＨ３量の時間的変化を説明するための図である。
【図３】図１に示す排気通路の一部を１次元的に表した図である。
【図４】本発明の実施の形態１の触媒モデルを説明するための図である。
【図５】各棒状セルにおけるＮＯｘ量、ＮＨ３量の変化を示す図である。
【図６】前段の触媒と後段の触媒の触媒モデルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００１４】
実施の形態１．
［実施の形態１の解析装置］
本実施の形態の解析装置は、記憶部および演算処理部を有するコンピュータと、ソフトウェアとからなる。以下に説明する解析装置の構成や機能はソフトウェアのプログラムがコンピュータで実行されるときに実現される。
【００１５】
図１は、本発明の実施の形態１の解析装置の解析対象である内燃機関の各種構成を説明するための図である。図１に示す各種構成は、解析装置が実行するプログラムが使用するデータとして定義される。
【００１６】
図１に示す解析対象は、内燃機関（以下、単にエンジンとも記す。）１２を備えている。図１に示す内燃機関１２はディーゼルエンジンであるが、本発明はこれに限定されるものではない。内燃機関１２には、筒内から排ガスを排出するための排気通路１４が接続されている。排気通路１４の途中には、フィルタ１６が配置されている。フィルタ１６として、例えばＰＭ（粒子状物質）を捕集するためのＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）が用いられる。フィルタ１６の下流には、排ガス中に還元剤を添加するための還元剤噴射弁１８が設けられている。還元剤として、例えば尿素水溶液（以下、尿素水と称する。）が用いられる。還元剤噴射弁１８の下流には、還元剤を排気ガス中に効率的に混合拡散させて、通過した還元剤の噴霧分布を定常化させるためのミキサー２０が配置されている。
【００１７】
ミキサー２０の下流の排気通路１４には、下流側ほど断面積が大きくなるコーン２２１が設けられている。コーン２２１の下流には排気浄化装置としての触媒２４ａが接続されている。触媒２４ａの下流には、下流側ほど断面積が小さくなるコーン２２２が接続されている。コーン２２２の下流の排気通路１４には、下流側ほど断面積が大きくなるコーン２２３が設けられている。コーン２２３の下流には排気浄化装置としての触媒２４ｂが接続されている。触媒２４ｂの下流には、下流側ほど断面積が小さくなるコーン２２４が接続されている。以下の説明において、コーン２２１〜２２４を区別しない場合は、単にコーン２２と記載し、触媒２４ａ、２４ｂを区別しない場合は、単に触媒２４と記載する。触媒２４として、例えば選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＳＣＲ触媒という）用いられる。
【００１８】
（触媒におけるＮＯｘ還元）
上述した構成において、還元剤噴射弁１８により排ガス中に尿素水がパルス噴射（例えば１秒間に数回噴射）される。噴射された尿素水は加水分解されて、ＮＨ３（アンモニア）が生成される。生成されたＮＨ３はＳＣＲ触媒に吸着される。ＳＣＲ触媒は、排ガス中のＮＯｘ（窒素化合物）をＮＨ３と反応させて、窒素と水に還元浄化する。
【００１９】
図２は、触媒２４の出口におけるＮＯｘ浄化率が定常化するまでのＮＯｘ量、ＮＨ３量の時間的変化を説明するための図である。触媒２４の入口からＮＯｘと、ＮＯｘ量に応じたＮＨ３が流れ込むと、上述したように、ＳＣＲ触媒はＮＨ３を吸着し、ＮＯｘをＮＨ３と反応させて還元する。ＮＯｘ浄化率が定常化するまでには、数十秒から数百秒（例えば２００秒程度）を要する。
【００２０】
触媒２４ａの入口面に到達するガス成分・量が均一に分布すると仮定すれば、図１に示す排気通路１４の一部を、図３のように１次元的に表すことができ、１次元ソフトによって短時間（時間オーダ）で図２に示す時間的変化を算出することができる。
【００２１】
しかしながら、実際には、排気通路１４、ミキサー２０、コーン２２の形状や、還元剤噴射弁１８の配置や噴射孔の数などの影響を受けるため、触媒２４ａの入口面に到達するガス成分・量の分布は不均一となる。また、排気条件によっても変化する。そのため、入力されるガス成分の物理量（ＮＯｘ量、ＮＨ３量）が不均一であることを考慮して解析精度を高めることが望まれる。
【００２２】
本実施の形態の解析装置は、上述の１次元ソフト、後述する時刻歴データ、触媒モデル、関係マトリックスを使用して内燃機関の排気通路に配置される触媒２４の状態を解析する。この解析装置を用い、排気通路１４、ミキサー２０、コーン２２の形状、還元剤噴射弁１８の配置や噴射孔の数を変えて触媒２４の状態を解析することで、排気系の最適設計が可能となる。
【００２３】
（時刻歴データ）
時刻歴データは、内燃機関１２の排気通路１４に配置される触媒２４ａの浄化能力が定常化するまでの各時刻における触媒２４ａ入口のガス成分の物理量分布と、排気条件とを関連付けたデータである。時刻歴データは記憶部に記憶される。ガス成分には、排ガスの成分と、排ガスに添加する還元剤の成分が含まれる。排気条件には、内燃機関１２から排出される排ガスの総流量や温度が含まれる。
【００２４】
各時刻に触媒２４ａの入口面に到達するガス成分の物理量分布を示す時刻歴データは、入力面に到達するガスの流れを３次元ＣＦＤによってシミュレートした結果から定める。所定の排気条件において時刻毎に触媒２４ａの入口面に到達する排ガス中のＮＯｘ量、還元剤中のＮＨ３量が含まれる。時刻歴データを取得する期間は、機関始動後からＮＯｘ浄化率が定常化するまでの数十秒〜数百秒の期間とする。
【００２５】
（触媒モデル）
触媒モデルは、内燃機関１２の排気通路１４に配置される触媒２４を複数のセルの集合体としてモデル化した計算モデルである。図４は、触媒モデルを説明するための図である。図４に示すように、触媒モデルは、触媒２４を軸方向に平行に複数の棒状セルに仮想的にＮ個に分割することにより形成されている。分割の態様は図４に示す態様に限られるものではない。例えばＮを３２や６４としたり、各棒状セルの断面積を略均等に分けたりしてもよい。
【００２６】
（棒状セル入力物理量算出部・棒状セル出力物理量算出部）
上述の時刻歴データと触媒モデルから棒状セル毎の時刻歴データを算出する。具体的には、時刻歴データから、設定された排気条件に応じた各時刻のガス成分の物理量分布を読み込み、読み込んだ物理量分布から各棒状セルに入力される各時刻のガス成分の物理量をそれぞれ算出する。そして、棒状セルに入力された各時刻のガス成分の物理量の履歴に基づいて、棒状セルから出力される現時刻のガス成分の物理量を算出する。各棒状セルから出力されるガス成分の物理量の計算は、上述した１次元ソフトを用いて短時間で計算可能である。図５は、各棒状セルにおけるＮＯｘ量、ＮＨ３量の変化を示す図である。図５に示すように、各時刻において各棒状セルに入力されるＮＯｘ量、ＮＨ３量は異なり、出力されるＮＯｘ量、ＮＨ３量も異なる。Ｎ分割された棒状セルから出力されるＮＯｘ量、ＮＨ３量、ＮＯｘ還元率を算出することで、棒状セルの束としての触媒の状態を算出することができる。
【００２７】
このような手法によれば、触媒２４ａの入口面に到達するガス成分・量が均一に分布しない場合でも精度高く触媒の状態を解析することができる。排気通路１４、ミキサー２０、コーン２２の形状、還元剤噴射弁１８の配置や仕様を変えて触媒の状態を解析することで、排気系の最適設計が可能となる。
【００２８】
［多段構成の触媒について］
ところで、図１に示すように、排気浄化装置が、触媒２４ａ、２４ｂのように多段構成されている場合、触媒２４ｂの入力面に到達するガス成分・量は、コーン２２２、２２３の形状、コーン間の排気通路１４の形状、温度等の経路状態の影響を受ける。
【００２９】
そこで、本実施形態の解析装置では、前段である触媒２４ａの各棒状セルからそれぞれ出力されるガス成分の物理量と、触媒２４ａと触媒２４ｂとの間の経路状態と、後段の触媒２４ｂの各棒状セルに入力されるガス成分の物理量との関係を排気条件毎に定めた関係マトリックスを用意する。用意した関係マトリックスを用いて、各時刻における後段の触媒２４ｂ入口面のガス成分の物理量分布を算出することができる。そのため、前段の触媒２４ａと同様の触媒モデル、計算手法を用いて後段の触媒２４ｂの状態を解析することができる。
【００３０】
（関係マトリックス）
図６は、前段の触媒２４ａと後段の触媒２４ｂの触媒モデルを示す図である。触媒２４ａ、２４ｂは同じ触媒モデルで表される。関係マトリックスは、触媒２４ａの棒状セルから出力されたガスが、触媒２４ｂ入口のどの棒状セル群に影響を与えるのかを示し、触媒２４ａ、２４ｂ間のガスの流れを３次元ＣＦＤによってシミュレートした結果から定めることができる。
【００３１】
式１は、前段の触媒２４ａから出力されるガス成分の物理量（φａ１〜φａｎ）と後段の触媒２４ｂに入力されるガス成分の物理量（φｂ１〜φｂｎ）との対応関係を示す式である。関係マトリックスＥは、ｎ次正方行列で表される。
【００３２】
2014015916.tif 000003
2014015916.tif 000004
【００３３】
式（１）により、前段の触媒２４ａの各棒状セルからそれぞれ出力される各時刻のガス成分の物理量と、関係マトリックスＥとに基づいて、後段の触媒２４ｂの各棒状セルに入力される各時刻のガス成分の物理量を算出することができる。関係マトリックスＥを用いることで、後段の触媒２４ｂにおいても、前段の触媒２４ａと同様の触媒モデル及び計算手法を用いて触媒２４ｂの状態を解析することが可能となる。さらに、３段以上の多段触媒であっても関係マトリックスＥを用意することで少ない演算負荷で精度の高い解析が可能となる。
【００３４】
ところで、上述した実施の形態１のシステムにおいては、排気浄化装置として、ＳＣＲ触媒を用い、還元剤噴射弁１８から尿素水を噴射することとしているが、これに限定されるものではない。例えば、排気浄化装置としてディーゼル用酸化触媒（ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst）を用い、還元剤噴射弁１８から軽油を噴射するものであっても良い。なお、本発明は、他の排気浄化装置、例えばＤＰＦ等のフィルタの状態を解析するためにも用いることができる。
【符号の説明】
【００３５】
１２  内燃機関
１４  排気通路
１６  フィルタ
１８  還元剤噴射弁
２０  ミキサー
２２１、２２２、２２３、２２４  コーン
２４ａ  前段の触媒
２４ｂ  後段の触媒
【図１】
2014015916.tif 000005
【図２】
2014015916.tif 000006
【図３】
2014015916.tif 000007
【図４】
2014015916.tif 000008
【図５】
2014015916.tif 000009
【図６】
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