(57)【要約】【課題】ＮＯｘ浄化率の向上とアンモニアスリップの抑制とのバランスの最適化を図ることが可能な排気ガス浄化装置を提供する。【解決手段】内燃機関から排出された排気ガスが流通する排気管に設けられたＳＣＲ触媒と、前記ＳＣＲ触媒の上流側にて尿素水を前記排気管内に供給する尿素水供給手段と、前記尿素水供給手段から供給される尿素水のアンモニア転化量及び未転化尿素水量を算出する第１算出手段と、前記ＳＣＲ触媒における消費アンモニア量及び未消費排出アンモニア量を算出する第２算出手段と、前記第１算出手段による未転化尿素水量及び前記第２算出手段による未消費排出アンモニア量に基づいて、前記尿素水供給手段による尿素水の供給を制御する制御手段とを備える排気ガス浄化装置とする。【選択図】図１
2015194120.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から排出された排気ガスが流通する排気管に設けられたＳＣＲ触媒と、
前記ＳＣＲ触媒の上流側にて尿素水を前記排気管内に供給する尿素水供給手段と、
前記尿素水供給手段から供給される尿素水のアンモニア転化量及び未転化尿素水量を算出する第１算出手段と、
前記ＳＣＲ触媒における消費アンモニア量及び未消費排出アンモニア量を算出する第２算出手段と、
前記第１算出手段による未転化尿素水量及び前記第２算出手段による未消費排出アンモニア量に基づいて、前記尿素水供給手段による尿素水の供給を制御する制御手段と
を備える排気ガス浄化装置。
【請求項２】
前記制御手段は、下記式：
尿素水の供給量＝目標アンモニア吸着量×１／２−（未転化尿素水量＋未消費排出アンモニア量×１／２）
によって表される尿素水の供給量となるように尿素水の供給を制御することを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項３】
前記アンモニア転化量及び未転化尿素水量は、排気ガスの温度及び尿素水供給後の経過時間に基づいて算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の排気ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排ガス浄化装置に関し、特に、尿素水の加水分解によって生成するアンモニアを還元剤として用いて窒素酸化物（ＮＯｘ）を選択的に還元浄化する排気ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンの排気ガスに含まれるＮＯｘを低減するために、尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムを用いた排気ガス浄化装置が開発されている。この排気ガス浄化装置では、一般に、内燃機関から排出された排気ガスが流通する排気管中に供給された尿素水を加水分解することによってアンモニアを生成し、ＳＣＲ触媒においてアンモニアとＮＯｘとを反応させ、ＮＯｘを窒素と水とに還元浄化している。
【０００３】
ＳＣＲ触媒によるＮＯｘ浄化率は、ＳＣＲ触媒に吸着するアンモニア量に依存しており、ＳＣＲ触媒に多量のアンモニアが吸着しているほどＮＯｘ浄化率が高くなる。
しかしながら、ＳＣＲ触媒に吸着可能なアンモニア量には上限があり、この上限を超える過剰量のアンモニアがＳＣＲ触媒に供給されると、アンモニアがＮＯｘ浄化に消費されずにＳＣＲ触媒から流出するアンモニアスリップが発生し易くなる。
【０００４】
そこで、アンモニアスリップを防止しつつＮＯｘ浄化率を高めるために、特許文献１において、ＳＣＲ触媒に吸着するアンモニア量を推定し、その推定結果に応じて尿素水の供給制御を行う手段を備えた排気ガス浄化装置が提案されている。
また、特許文献２において、アンモニアスリップ及びＮＯｘ浄化率が、ＳＣＲ触媒上のアンモニア吸着量の分布によって変化することを考慮し、ＳＣＲ触媒上のアンモニア吸着量の分布を算出した上で、尿素水の供給量を制御する手段を備えた排気ガス浄化装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１８７３号公報
【特許文献２】特開２０１２−６７６６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、尿素水の供給後、尿素水が加水分解してアンモニアに転化するまでにはある程度の時間を要するため、ＳＣＲ触媒上にはアンモニアだけでなく尿素水も存在する。そして、特許文献１及び２のように、既存の尿素水の量を考慮せずにＳＣＲ触媒に吸着したアンモニアの量のみに基づいて尿素水の供給制御を行うと、既存の尿素水からのアンモニアの生成によってＳＣＲ触媒に吸着するアンモニア量が過剰となり、アンモニアスリップが生じるという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、尿素水が供給されてからアンモニアとなるまでのタイムラグを考慮して尿素水の供給量を制御し、ＮＯｘ浄化率の向上とアンモニアスリップの抑制とのバランスの最適化を図ることが可能な排気ガス浄化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】
【０００８】
本発明に係る排気ガス浄化装置は、内燃機関から排出された排気ガスが流通する排気管に設けられたＳＣＲ触媒と、前記ＳＣＲ触媒の上流側にて尿素水を前記排気管内に供給する尿素水供給手段と、前記尿素水供給手段から供給される尿素水のアンモニア転化量及び未転化尿素水量を算出する第１算出手段と、前記ＳＣＲ触媒における消費アンモニア量及び未消費排出アンモニア量を算出する第２算出手段と、前記第１算出手段による未転化尿素水量及び前記第２算出手段による未消費排出アンモニア量に基づいて、前記尿素水供給手段による尿素水の供給を制御する制御手段とを備える。
【０００９】
また、前記制御手段は、下記式：尿素水の供給量＝目標アンモニア吸着量×１／２−（未転化尿素水量＋未消費排出アンモニア量×１／２）によって表される尿素水の供給量となるように尿素水の供給を制御することが好ましい。
さらに、前記アンモニア転化量及び未転化尿素水量は、排気ガスの温度及び尿素水供給後の経過時間に基づいて算出することが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、尿素水が供給されてからアンモニアとなるまでのタイムラグを考慮して尿素水の供給量を制御することにより、ＮＯｘ浄化率の向上とアンモニアスリップの抑制とのバランスの最適化を図ることが可能な排気ガス浄化装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態に係る排気ガス浄化装置の構成模式図である。
【図２】排気ガス浄化装置における尿素水供給後の経過時間とアンモニア量及び尿素水量との関係を示すグラフである。
【図３】従来の排気ガス浄化装置における経過時間と尿素水供給量及びアンモニア量との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態に係る排気ガス浄化装置における経過時間と尿素水供給量、未転化尿素水量及びアンモニア量との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
本発明の実施の形態に係る排気ガス浄化装置の構成模式図を図１に示す。この排気ガス浄化装置では、内燃機関であるディーゼルエンジン１から排出された排気ガスが流通する排気管２に、酸化触媒３と、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）４と、尿素水から生成されるアンモニアを還元剤としてＮＯｘを選択的に還元するＳＣＲ触媒５と、ＳＣＲ触媒５を通過したアンモニアを酸化するアンモニアスリップ触媒６とが設けられている。
【００１３】
また、排気管２には、ＤＰＦ４とＳＣＲ触媒５との間に、尿素水を排気管２内に供給する尿素水供給手段である噴射ノズル７が設けられている。噴射ノズル７は、尿素水供給管８を介して、尿素水を貯留する尿素水タンク９に接続されており、制御装置であるエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１４に電気的に接続されている。尿素水供給管８には、尿素水タンク９内の尿素水を噴射ノズル７に供給するための尿素水供給システム１０が設けられている。尿素水供給システム１０は、所定量の尿素水を噴射ノズル７に供給するためにポンプ及び流量制御弁を有しており（図示していない）、制御装置であるエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１４に電気的に接続されている。
【００１４】
さらに、排気管２には、ＤＰＦ４とＳＣＲ触媒５との間、及びＳＣＲ触媒５とアンモニアスリップ触媒６との間に、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ１１，１２が設けられている。また、ＤＰＦ４とＳＣＲ触媒５との間に、排気ガスの温度を検出する温度検出手段である温度センサ１３が設けられている。そして、ＮＯｘセンサ１１，１２と、温度センサ１３とは、制御手段であるＥＣＵ１４に電気的に接続されている。
【００１５】
このような構成を有する排気ガス浄化装置において、噴射ノズル７から供給された尿素水は、排気ガスの熱及び排気ガス中の水蒸気によって加水分解され、還元剤として機能するアンモニアへと転化される。そして、このアンモニアは、ＳＣＲ触媒５において排気ガス中のＮＯｘと選択的に還元反応し、水及び窒素（Ｎ２）へと浄化される。このとき、噴射ノズル７から供給された尿素水は、尿素水の濃度と温度とに基づいて決まる反応速度に応じて供給されてからアンモニアに転化するまでに一定の時間を要する。ここで、排気ガス浄化装置において、尿素水供給後の経過時間とアンモニア量及び尿素水量との関係の一例を示すグラフを図２に示す。このグラフからわかるように、尿素水はアンモニアに瞬時に転化するわけではなく、全ての尿素水がアンモニアに転化するまでには一定の時間を要する。したがって、アンモニアスリップの原因となる過剰なアンモニアの発生を回避するために、尿素水がアンモニアに転化するまでのタイムラグを考慮し、ＳＣＲ触媒５に存在する未転化の尿素水量を推定した上で尿素水の供給制御を行う必要がある。
【００１６】
そこで、この排気ガス浄化装置では、未転化の尿素水量を推定して尿素水の供給制御を行うために、ＥＣＵ１４において尿素水の供給量を制御する。
まず、尿素水は、温度や濃度によってアンモニアに転化する反応速度が変化する。そのため、ＥＣＵ１４は、ＥＣＵ１４に接続された温度センサ１３によって測定される排気ガスの温度、及びＥＣＵ１４に記録された尿素水供給後の経過時間に基づいて、アンモニア転化量及び未転化尿素水量を算出する。例えば、図２に示したような尿素水供給後の経過時間とアンモニア量（アンモニア転化量）及び尿素水量（未転化尿素水量）との関係を排気ガスの温度毎に予め求めておき、この関係に基づいて、供給された尿素水におけるアンモニア転化量及び未転化尿素水量を算出すればよい。なお、尿素水の濃度は一定値として計算する。また、図１では、排気ガスの温度を測定する温度センサ１３を用いているが、ＳＣＲ触媒５の温度を測定する温度センサを用いたり、他のパラメータから推定するようにしてもよい。
【００１７】
次に、ＥＣＵ１４は、ＥＣＵ１４に接続されたＮＯｘセンサ１１，１２によって、ＳＣＲ触媒５を通過する前後のＮＯｘ濃度を測定し、これらのＮＯｘ濃度に基づいて得られるＮＯｘ浄化率から消費アンモニア量及び未消費排出アンモニア量を算出する。ここで、ＮＯｘ浄化率は、「（ＮＯｘセンサ１１の測定値−ＮＯｘセンサ１２の測定値）／ＮＯｘセンサ１１の測定値」によって算出することができる。また、未消費排出アンモニア量は、「アンモニア転化量×（１−ＮＯｘ浄化率）」によって算出することができ、消費アンモニア量は、「アンモニア転化量−未消費排出アンモニア量」によって算出することができる。なお、消費アンモニア量及び未消費排出アンモニア量の算出方法は、上記の方法に限定されず、ＮＯｘセンサ１１，１２と共にアンモニアセンサを組み合わせて用い、ＮＯｘ濃度及びアンモニア濃度に基づいて、消費アンモニア量及び未消費排出アンモニア量を算出する方法等を用いてもよい。
【００１８】
次に、ＥＣＵ１４は、ＳＣＲ触媒５に未転化尿素水及び未消費排出アンモニアが存在していることを考慮し、これらを目標アンモニア吸着量（すなわち、エンジン運転状態に応じて算出される尿素水の量）から減じることで、尿素水の供給量を制御する。すなわち、ＳＣＲ触媒５に存在している未転化尿素水及び未消費排出アンモニアは、排気ガス中のＮＯｘ浄化に利用されることから、それらを目標アンモニア吸着量から減じる。このとき、１モルのアンモニアは１／２モルの尿素から生成することを利用し、未消費排出アンモニア量に相当する尿素水量に換算する。したがって、供給される尿素水の量は、「目標アンモニア吸着量−（未転化尿素水量＋未消費排出アンモニア量×１／２）」という式によって算出することができる。
【００１９】
ここで、目標アンモニア吸着量を算出する方法としては、特に限定されず、当該技術分野において公知の方法に準じて行うことができる。例えば、目標アンモニア吸着量は、排気ガスの温度、回転速度及び負荷に適合したアンモニア吸着量が設定された制御マップを参照し、所定の排気ガスの温度、回転速度及び負荷に応じたアンモニア吸着量を求めればよい。なお、負荷としては、特に限定されないが、燃料噴射流量、吸気流量、吸気圧力、過給圧力、アクセル開度、スロットル開度等を適用することができる。
【００２０】
次に、この実施の形態に係る排気ガス浄化装置の動作について説明する。
ディーゼルエンジン１の始動後、排出された排気ガスは、排気管２を流通する。排気ガスが酸化触媒３を流通することにより、排気ガス中の一酸化窒素（ＮＯ）の一部が二酸化窒素（ＮＯ２）に酸化され、一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）も酸化される。続いて、排気ガスがＤＰＦ４を流通することにより、排気ガス中のパティキュレートマター（ＰＭ）がＤＰＦ４に捕捉される。ＤＰＦ４から流出した排気ガスは、ＳＣＲ触媒５に流入する。後述する動作により、ＥＣＵ１４が適切なタイミングで尿素水供給システム１０を作動させ、尿素水タンク９内の尿素水を、尿素水供給管８を介して噴射ノズル７に供給し、ＳＣＲ触媒５の上流側にて噴射ノズル７から尿素水が供給される。供給された尿素水は、排気ガスの熱によって加水分解されてアンモニアと二酸化炭素（ＣＯ２）となり、生成したアンモニアと排気ガス中のＮＯｘとが反応して、窒素（Ｎ２）及び水になる。ＳＣＲ触媒５において消費されずに残ったアンモニアは、アンモニアスリップ触媒６において酸化される。このようにしてＮＯｘが浄化された排気ガスは、排気管２を流通して大気中へ排気される。
【００２１】
次に、噴射ノズル７から供給される尿素水の供給量を制御する動作について説明する。
ディーゼルエンジン１の始動後、ＥＣＵ１４は、ＮＯｘセンサ１１，１２、及び温度センサ１３による検出値の信号を受信する。ＮＯｘセンサ１１が排気ガス中のＮＯｘを検出し始めたら、ＥＣＵ１４は、排気ガスの温度、回転速度及び負荷に応じて目標アンモニア吸着量を算出する。初期段階では、未転化尿素水及び未消費排出アンモニアがＳＣＲ触媒５に存在しないため、尿素水供給システム１０を制御し、目標アンモニア吸着量の尿素水を噴射ノズル７から供給する。その後、ディーゼルエンジン１の稼動状況に応じて、上記で既に説明した動作に従い、ＳＣＲ触媒５における未消費排出アンモニア量及び未転化尿素水量を考慮して、供給する尿素水の量を算出し、算出された量の尿素水を噴射ノズル７から供給する。
【００２２】
具体的には、ＥＣＵ１４は、ＥＣＵ１４に接続された温度センサ１３によって測定される排気ガスの温度、及びＥＣＵ１４に記録された尿素水供給後の時間に基づいて、アンモニア転化量及び未転化尿素水量を算出する。続いてＥＣＵ１４は、ＥＣＵ１４に接続されたＮＯｘセンサ１１，１２によって、ＳＣＲ触媒５を通過する前後のＮＯｘ濃度を測定し、これらのＮＯｘ濃度に基づいて得られるＮＯｘ浄化率から消費アンモニア量及び未消費排出アンモニア量を算出する。続いてＥＣＵ１４は、上記と同様にして算出された目標アンモニア吸着量から未転化尿素水量及び未消費排出アンモニア量を減じることによって供給する尿素水の量を算出し、尿素水供給システム１０を制御することによって算出された量の尿素水を噴射ノズル７から供給する。
【００２３】
このような動作によって噴射ノズル７から供給される尿素水の供給量を制御することにより、尿素水が供給されてからアンモニアとなるまでのタイムラグを考慮した制御を行うことができ、既存の尿素水からのアンモニアの生成に起因してＳＣＲ触媒５上のアンモニア量が過剰になるのを抑えつつ、ＮＯｘ浄化に最適な量の尿素水を安定して供給することができる。このため、尿素水を無駄にすることなく有効活用することができる。また、ＳＣＲ触媒５をスリップしてアンモニアスリップ触媒６によって酸化されるアンモニアの量を少なくすることができることから、アンモニアスリップ触媒６を小型化することができ、排気ガス浄化装置の重量及びコストを低減することも可能である。
【００２４】
ここで、一例として、ＳＣＲ触媒５に吸着させるアンモニア量を特定の値（以下、「目標アンモニア量」という）に継続して制御する場合について説明する。
図３は、従来の排気ガス浄化装置（ＳＣＲ触媒に吸着するアンモニア量を推定して尿素水の供給制御を行う排気ガス浄化装置）における経過時間と尿素水供給量及びアンモニア量との関係を示すグラフである。この図に示すように、未転化の尿素水を考慮せずにＳＣＲ触媒５に吸着したアンモニアのみに基づいて尿素水の供給制御を行うと、尿素水の供給を停止した後、時間の経過と共に未転化の尿素水からアンモニアが生成するため、ＳＣＲ触媒５に吸着したアンモニア量が目標アンモニア量よりも多くなる。その結果、目標アンモニア量に継続して制御することが難しくなる。
【００２５】
他方、図４は、本発明の実施の形態に係る排気ガス浄化装置における経過時間と尿素水供給量、未転化尿素水量及びアンモニア量との関係を示すグラフである。この図に示すように、ＳＣＲ触媒５に吸着したアンモニアだけでなく未転化の尿素水の存在を考慮して尿素水の供給制御を行うと、ＳＣＲ触媒５上のアンモニア量が目標アンモニア量よりも多くなることを防止することができ、目標アンモニア量に継続して制御することが可能になる。
【００２６】
なお、上記の説明では、噴射ノズル７から尿素水が間欠的に供給される形態を前提に説明したが、尿素水を連続的に供給するような形態においても応用可能であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００２７】
１  ディーゼルエンジン、２  排気管、３  酸化触媒、４  ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）、５  ＳＣＲ触媒、６  アンモニアスリップ触媒、７  噴射ノズル、８  尿素水供給管、９  尿素水タンク、１０  尿素水供給システム、１１、１２  ＮＯｘセンサ、１３  温度センサ、１４  エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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