(57)【要約】【課題】例えばのろのろ運転又は市街地運転であっても、このような運転に有利に働くように尿素を選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム中に噴射するための尿素噴射制御システムを提供する。【解決手段】ＳＣＲ触媒（１８）及び尿素を排気ライン中に噴射する尿素噴射器（１４）と流体連通状態にある排気ライン（１６）を備えた車両のための尿素噴射制御システム（１０）が、尿素噴射器のところの尿素噴射流量を制御する制御装置（１２）を含む。制御装置（１２）は、最適尿素流量（２０）を変動流量計算器により求められた変動尿素流量（２２）と比較する。制御装置（１２）は、最適尿素流量（２０）及び変動尿素流量（２２）のうちの最小値を選択し、尿素を最小値で噴射するよう尿素噴射器を制御する。【選択図】図１
2011038521.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ラインのための尿素噴射制御システムであって、前記排気ラインは、ＳＣＲ触媒と尿素を排気ライン中に噴射する尿素噴射器と流体連通状態にあり、前記尿素噴射制御システムは、
前記尿素噴射器のところの尿素噴射流量を制御する制御装置を有し、前記制御装置は、最適尿素流量を変動尿素流量計算器により求められた変動尿素流量と比較し、前記制御装置は、前記最適尿素流量及び前記変動尿素流量のうちの最小値を選択し、尿素を前記最小値で噴射するよう前記尿素噴射器を制御する、
ことを特徴とする尿素噴射制御システム。
【請求項２】
前記変動尿素流量計算器は、排気ガス流量及び排気ガス温度の入力を受け取る、
請求項１記載の尿素噴射制御システム。
【請求項３】
前記変動尿素流量計算器は、次の方程式、即ち、
〔数１〕
Furea_max      ＝Ａ・Ｆexh（Ｔexh−Ｔmin）
を用いて前記変動尿素流量を求め、
上式において、
Furea_max      ＝変動尿素流量（単位：ｇ／ｈｒ）
Ｆexh          ＝排気ガス流量（単位：ｋｇ／ｈｒ）
Ｔexh          ＝排気ガス温度（単位：℃）
Ｔmin          ＝カットオフ温度（単位：℃）
Ａ          ＝係数
である、
請求項２記載の尿素噴射制御システム。
【請求項４】
係数Ａは、０．３５〜０．４５である、
請求項３記載の尿素噴射制御システム。
【請求項５】
Ｔminは、１３０℃〜１８０℃である、
請求項３記載の尿素噴射制御システム。
【請求項６】
前記変動尿素流量計算器は、吸入空気流量、燃料流量、酸素濃度及び燃料流量の少なくとも１つの入力を受け取って前記排気ガス流量及び前記排気ガス温度を計算する、
請求項１記載の尿素噴射制御システム。
【請求項７】
前記変動尿素流量計算器は、次の方程式、即ち、
〔数２〕
Furea_max        ＝Ａ・Ｆexh（Ｔexh−Ｔmin）
を用いて前記変動尿素流量を求め、
上式において、
Furea_max        ＝変動尿素流量（単位：ｇ／ｈｒ）
Ｆexh          ＝排気ガス流量（単位：ｋｇ／ｈｒ）
Ｔexh          ＝排気ガス温度（単位：℃）
Ｔmin          ＝カットオフ温度（単位：℃）
Ａ＝係数
である、
請求項６記載の尿素噴射制御システム。
【請求項８】
係数Ａは、０．３５〜０．４５である、
請求項７記載の尿素噴射制御システム。
【請求項９】
Ｔminは、１３０℃〜１８０℃である、
請求項７記載の尿素噴射制御システム。
【請求項１０】
前記制御装置は、前記最適尿素流量及び前記変動尿素流量のうちの最小値を選択し、尿素を前記最小値で噴射するよう前記尿素噴射器を制御するセレクタを更に有する、
請求項１記載の尿素噴射制御システム。
【請求項１１】
排気ラインのための尿素噴射制御システムであって、前記排気ラインは、ＳＣＲ触媒及び尿素を排気ライン中に噴射する尿素噴射器と流体連通状態にあり、前記尿素噴射制御システムは、
前記尿素噴射器のところの尿素噴射流量を制御する制御装置を有し、前記制御装置は、最適尿素流量を変動尿素流量計算器により求められた変動尿素流量と比較し、前記変動尿素流量計算器は、排気ガス流量及び排気ガス温度の入力を受け取り、
前記制御装置に設けられ、前記最適尿素流量及び前記変動尿素流量のうちの最小値を選択するセレクタを有し、
前記尿素噴射器は、前記セレクタによって命令されて尿素を前記最小値で噴射する、
ことを特徴とする尿素噴射制御システム。
【請求項１２】
前記変動尿素流量計算器は、次の方程式、即ち、
〔数３〕
Furea_max        ＝Ａ・Ｆexh（Ｔexh−Ｔmin）
を用いて前記変動尿素流量を求め、
上式において、
Furea_max      ＝変動尿素流量（単位：ｇ／ｈｒ）
Ｆexh          ＝排気ガス流量（単位：ｋｇ／ｈｒ）
Ｔexh          ＝排気ガス温度（単位：℃）
Ｔmin          ＝カットオフ温度（単位：℃）
Ａ          ＝係数
である、
請求項１１記載の尿素噴射制御システム。
【請求項１３】
係数Ａは、０．３５〜０．４５である、
請求項１２記載の尿素噴射制御システム。
【請求項１４】
Ｔminは、１３０℃〜１８０℃である、
請求項１２記載の尿素噴射制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概略的には、ＳＣＲ（selective catalytic reduction ：選択的触媒還元）システムに関し、詳細には、尿素をＳＣＲシステム中に噴射するための制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
典型的には、尿素選択的触媒還元システム（尿素ＳＣＲシステム）は、エンジンからの窒素酸化物（ＮＯｘ）を減少させるために用いられている。尿素ＳＣＲシステムは、ＳＣＲ触媒の上流側における車両の排気ガスライン中への３２．５％尿素水溶液の噴射を利用している。ＳＣＲ触媒中において、尿素は分解され、触媒からのエミッションは、Ｎ2、Ｈ2Ｏ及びＣＯ2である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
噴射時点において、尿素水溶液温度は、代表的には、周囲温度に近く、好ましくは６０℃未満である。ＳＣＲ反応には、気体アンモニアが必要である。気体アンモニアを生じさせるためには、噴射された尿素水溶液を好ましくは１５０℃を超える温度まで加熱して水を蒸発させると共に残りの固体尿素をアンモニアとイソシアン酸に分解しなければならない。蒸発及び分解が完全ではない場合、還元体を不十分に得られず、ＳＣＲ触媒性能が低下する。さらに、尿素の固体付着物（デポジット）が排気ガスパイプ中に生じる場合があり、それにより、ＳＣＲシステムの全体的故障が生じる場合がある。
【０００４】
蒸発及び分解に必要な熱は、排気ガスにより提供される。排気ガス温度が低い場合、利用可能な熱は、尿素水溶液の完全な蒸発及び分解を行う上で不十分な場合がある。
【０００５】
現在、ＳＣＲシステムは、厳格な温度リミットを課す方式によって制御されている。排気ガス温度が設定限度、代表的には１５０℃〜２５０℃を下回った状態になると、尿素噴射が止まる。ガス温度が設定限度よりも高い場合、尿素噴射量は、排気ガス中のＮＯｘフラックス、ＳＣＲ触媒の性能特性及びＳＣＲ触媒のアンモニア貯蔵容量に基づく制御方式によって決定される。
【０００６】
しかしながら、厳格な温度リミットを設定することは、望ましいことではない。温度リミットが低すぎる値に設定された場合、その結果として、蒸発不良及び付着物生成が生じる場合がある。温度リミットが高すぎる値に設定された場合、制御システムは、ＳＣＲ反応に利用可能な全温度範囲を利用することがなくなる。ＳＣＲ反応に利用可能な全温度範囲を利用することができるようにすることは、温度が一般に低く、あらかじめ設定された限度を下回る場合が多いときの移行動作にとって特に重要である。このような動作の一例は、ストップアンドゴー運転、又は市街地車両運転サイクルである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
ＳＣＲ触媒と流体連通する排気ラインと、尿素を排気ライン中に噴射する尿素噴射器とを備えた車両のための尿素噴射制御システムが、尿素噴射器のところの尿素噴射流量を制御する制御装置を含む。制御装置は、最適尿素流量を変動流量計算器により求められた変動尿素流量と比較する。制御装置は、最適尿素流量及び変動尿素流量のうちの最小値を選択し、尿素を最小値で噴射するよう尿素噴射器を制御する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】ＳＣＲシステムに尿素を噴射する制御方法のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１を参照すると、最大許容尿素溶液噴射量（Furea_max）に対する変動リミットが、排気ガス流量（Ｆexh）及び排気ガス温度（Ｔexh）に応じて尿素投与量を制限し、制限ルールは、経験的又は実験的に定められる。本発明の変動リミットは、尿素噴射が排気ガス温度が温度リミットの範囲内に収まらない場合に停止される先行技術の厳格なリミットとは異なる。
【００１０】
尿素噴射制御システム１０では、制御装置１２は、尿素噴射器１４のところで尿素の流量を制御し、尿素噴射器は、尿素を車両の排気ガスライン１６中に噴射してＳＣＲ触媒１８の上流側で分解を行わせる。制御装置１２は、最適値２０及び変動値計算器２２を有している。最適値２０は、最適ＳＣＲ触媒性能に必要なアンモニアの濃度によって決まり、このような最適値は、種々の要因、例えばＮＯｘフラックス、ＮＯｘ変換要件、ＳＣＲ運動論的量、アンモニア貯蔵状態及び／又は特定のＳＣＲシステムに関するアンモニア貯蔵要件を含む場合がある。代表的には、最適値２０は、尿素溶液の蒸発及び尿素の分解に関する要件を考慮に入れない。
【００１１】
変動値計算器２２は、排気ガス流量（Ｆexh）及び排気ガス温度（Ｔexh）の入力値を受け取る。或る特定の用途、例えば内燃エンジンを備えた自動車では、排気ガス流量測定値は入手できず、吸入空気流量及び燃料流量の値から又はエンジン制御ユニットから利用できる他のパラメータを用いて計算できる。例えば、酸素の濃度データは、１つ又は２つ以上の酸素センサ又はＮＯｘセンサを用いて得られ、１つのセンサは、ＳＣＲ触媒１８の上流側に配置されてフィードフォワードＳＣＲ制御装置１２のために用いられ、別のセンサは、テールパイプ内に配置されてＳＣＲ制御装置１２中へのフィードバックのために用いられる。燃料流量データを用いて排気ガス流量を計算することができる。
【００１２】
次に、以下の公式、即ち、
〔数１〕
Furea_max        ＝Ａ・Ｆexh（Ｔexh−Ｔmin）
を用いて最大許容尿素流量Furea_maxを計算する。
上式において、
Furea_max      ＝尿素溶液流量（単位：ｇ／ｈｒ）
Ｆexh          ＝排気ガス流量（単位：ｋｇ／ｈｒ）
Ｔexh          ＝排気ガス温度（単位：℃）
Ｔmin          ＝カットオフ温度（単位：℃）
Ａ             ＝係数
である。
【００１３】
所定のＳＣＲシステムの場合、係数Ａ及びＴminを経験的又は実験的に求めることができ又は較正することができる。実験による較正は、特定のＳＣＲシステムの固有のパラメータ、例えば熱損失、尿素噴霧パラメータ、尿素水溶液噴射が起こるＳＣＲシステムの部分の幾何学的形状、蒸発及び分解及び排気ガス流との混合が起こるＳＣＲシステムの部分の幾何学的形状を考慮に入れるのに必要であるということが見込まれる。
【００１４】
係数Ａ及びＴminを次のようにして基本的な熱力学的相関から導き出すことも可能である。尿素は、ＳＣＲ触媒１８の上流側で車両の排気ガスライン中に噴射されるときには３２．５％水溶液である。噴射される尿素水溶液は、排気ガスの温度（Ｔexh）よりも低温であり、従って、エネルギーは排気ガスから尿素溶液に伝えられる。エネルギー伝送の結果として、排気ガスの温度（Ｔexh）は低くなる。伝送されたエネルギーは、尿素溶液を昇温させ、水を蒸発させ、尿素を蒸発させ、そして尿素を分解するのに用いられ、即ち、（ＮＨ2）2ＣＯ→ＮＨ3＋ＨＮＣＯである。また、ＨＮＣＯ加水分解が低く、エネルギーバランスへのその寄与が無視できるということが仮定されている。
【００１５】
最終の平衡状態では、全ての成分は同一温度状態にあり、最終の温度は、尿素の蒸発及び分解を保証しなければならない。さらに、尿素の分解が始まる理論値は、１３２．７℃であり、尿素分解は、約１３０℃〜１８０℃、好ましくは約１５０℃で最大である。パイプ壁への熱損失に起因して、安全マージンが必要な場合がある。したがって、推奨尿素投与量（Ｆurea）の結果として、最終混合物温度（Ｔmin）が常に１５０℃以上でなければならず、それにより、理論値を超える１３２．７℃の安全率が得られる。
【００１６】
最大尿素水溶液流量（Furea_max）は、排気ガス流量及び排気ガス温度値の組み合わせが任意所与の場合、単純化された次の方程式、即ち、
〔数２〕
Furea_max        ＝０．３８８Ｆexh（Ｔexh−Ｔmin）
を用いてエネルギーバランスから計算でき、なお、
上式において、
Furea_max      ＝尿素溶液流量（単位：ｇ／ｈｒ）
Ｆexh          ＝排気ガス流量（単位：ｋｇ／ｈｒ）
Ｔexh          ＝排気ガス温度（単位：℃）
Ｔmin          ＝カットオフ温度（単位：℃）
である。
【００１７】
これとは異なる係数値が種々のユニットについて使用できることが解る。さらに、より正確な分析の結果として、幾分異なる値が得られる場合があり、正確に言えば、０．３８８ではなく、好ましくは、約０．３５〜０．４５である。いずれの場合においても、車両において用いられるべき係数は、試験データを用いて経験的に調節され又は較正されるべきであることが想定される。
【００１８】
Furea_maxを計算した後、排気ガスライン１６への尿素流量（Ｆurea）をFurea_max及び最適流量（Ｆoptimum）のうちの最も小さい値としてセレクタ２４のところで選択する。制御装置１２は、尿素をセレクタ２４によって定められた流量（Ｆurea）で噴射するよう尿素噴射器１４を制御する。このように、噴射流量（Ｆurea）は、ＳＣＲ触媒性能にとって最適値として制御システム１０によって定められる。
【００１９】
本発明の制御システム１０は、尿素噴射量（Ｆurea）を微調整する。このような微調整の結果として、制限された量の尿素だけを安全に噴射する温度範囲が良好に利用され、このような微調整は、排気系統中の望ましくない尿素付着物の発生の阻止を助ける。提案される本発明は、公知のどの尿素噴射方法にも付け加えられるセーフガードとして利用できると共に任意の業界標準の制御装置に具体化できる。
【００２０】
本発明をその思想、又は本質的な特徴から逸脱しないで他の特定の形態で実施できる。説明した実施形態は、あらゆる点において例示として解されるべきであり、本発明を制限するものと解釈されてはならない。したがって、本発明の範囲は、上述の説明ではなく特許請求の範囲の記載に基づいて定められる。特許請求の範囲に記載された文言上の意味及びその均等範囲に属するあらゆる変更は、本発明の範囲に含まれるものとする。
【符号の説明】
【００２１】
１２  制御装置
１４  尿素噴射器
１６  排気ライン
１８  ＳＣＲ触媒
【図１】
2011038521.tif 000003