(57)【要約】【課題】排気浄化装置に関し、ＳＣＲのＮＨ3吸着量を高精度に検出して、尿素水噴射量の最適化を図る。【解決手段】エンジン１０の排気系に設けられ尿素水から生成されるアンモニアを還元剤として排気中に含まれるＮＯｘを還元浄化するＳＣＲ２２と、ＳＣＲ２２に尿素水を噴射する尿素水噴射装置２１と、ＳＣＲ２２の静電容量を検出する電極２７と、電極２７から入力される静電容量に基づいてＳＣＲ２２のＮＨ3吸着量を演算するＮＨ3吸着量演算部５２と、所定の基準噴射量に基づいて尿素水噴射装置２１の尿素水噴射を制御する尿素水噴射制御部５３と、ＮＨ3吸着量演算部５２から入力されるＮＨ3吸着量に基づいて基準噴射量を補正する噴射量補正部５４とを備えた。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気系に設けられ、尿素水から生成されるアンモニアを還元剤として排気中に含まれる窒素化合物を還元浄化する選択的還元触媒と、
前記選択的還元触媒に尿素水を噴射する尿素水噴射手段と、
前記選択的還元触媒の静電容量を検出する静電容量検出手段と、
前記静電容量検出手段から入力される静電容量に基づいて、前記選択的還元触媒の還元剤吸着量を演算する還元剤吸着量演算手段と、
少なくとも前記内燃機関の運転状態に応じて設定される所定の基準噴射量に基づいて、前記尿素水噴射手段の尿素水噴射を制御する噴射制御手段と、
前記還元剤吸着量演算手段から入力される還元剤吸着量に基づいて、前記基準噴射量を補正する噴射量補正手段と、を備える
ことを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
前記静電容量検出手段から入力される静電容量に基づいて、前記選択的還元触媒の内部温度を演算する内部温度演算手段をさらに備え、
前記噴射量補正手段が、前記還元剤吸着量演算手段から入力される還元剤吸着量と、前記内部温度演算手段から入力される内部温度に応じた前記選択的還元触媒の還元剤吸着可能量との差に基づいて、前記基準噴射量を補正する
請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項３】
前記静電容量検出手段が、前記選択的還元触媒内に一個以上の隔壁を挟んで対向配置されてコンデンサを形成する少なくとも一対の電極で構成される
請求項１又は２に記載の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気浄化装置に関し、特に、排気中の窒素化合物を還元浄化する排気浄化触媒を備えた排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン等の排気系に設けられる排気浄化触媒として、尿素水から加水分解されて生成されるアンモニア（ＮＨ3）を還元剤として排気中の窒素化合物（ＮＯｘ）を選択的に還元浄化する選択的還元触媒（Selective Catalytic Reduction：ＳＣＲ）が知られている。
【０００３】
尿素水噴射量が過多となり、ＳＣＲのＮＨ3吸着能力を超えると、余剰のＮＨ3がＳＣＲからスリップして大気に放出されるため好ましくない。そのため、ＳＣＲに供給されるＮＨ3量と、ＳＣＲ出口に設けられたＮＨ3センサの検出値との差に基づいて、ＳＣＲ内のＮＨ3吸着量を推定すると共に、推定したＮＨ3吸着量に応じて尿素水噴射量を適宜調整する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２９３７３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ＮＨ3センサ等はＳＣＲの内部に直接的に設けることができないため、ＳＣＲ内のＮＨ3吸着量を正確に把握できない課題がある。そのため、ＮＨ3センサのセンサ値又は、ＮＯｘセンサのセンサ値からＮＨ3吸着量を推定する技術では、ＳＣＲ内の化学反応遅れやセンサの応答遅れ、ＮＯｘセンサとＮＯｘ及びＮＨ3との反応により、実際のＮＨ3吸着量に応じた尿素水噴射量の最適な制御を運転領域によってはできない可能性がある。
【０００６】
本発明の目的は、ＳＣＲのＮＨ3吸着量を高精度に検出して、尿素水噴射量の最適化を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の目的を達成するため、本発明の排気浄化装置は、内燃機関の排気系に設けられ、尿素水から生成されるアンモニアを還元剤として排気中に含まれる窒素化合物を還元浄化する選択的還元触媒と、前記選択的還元触媒に尿素水を噴射する尿素水噴射手段と、前記選択的還元触媒の静電容量を検出する静電容量検出手段と、前記静電容量検出手段から入力される静電容量に基づいて、前記選択的還元触媒の還元剤吸着量を演算する還元剤吸着量演算手段と、少なくとも前記内燃機関の運転状態に応じて設定される所定の基準噴射量に基づいて、前記尿素水噴射手段の尿素水噴射を制御する噴射制御手段と、前記還元剤吸着量演算手段から入力される還元剤吸着量に基づいて、前記基準噴射量を補正する噴射量補正手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
また、前記静電容量検出手段から入力される静電容量に基づいて、前記選択的還元触媒の内部温度を演算する内部温度演算手段をさらに備え、前記噴射量補正手段が、前記還元剤吸着量演算手段から入力される還元剤吸着量と、前記内部温度演算手段から入力される内部温度に応じた前記選択的還元触媒の還元剤吸着可能量との差に基づいて、前記基準噴射量を補正するものでもよい。
【０００９】
また、前記静電容量検出手段が、前記選択的還元触媒内に一個以上の隔壁を挟んで対向配置されてコンデンサを形成する少なくとも一対の電極で構成されてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の排気浄化装置によれば、ＳＣＲのＮＨ3吸着量を高精度に検出することが可能となり、尿素水噴射量の最適化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置を示す模式的な全体構成図である。
【図２】本実施形態のＥＣＵを示す機能ブロック図である。
【図３】本実施形態の静電容量・温度特性マップの一例を示す図である。
【図４】本実施形態の静電容量・ＮＨ3吸着量マップの一例を示す図である。
【図５】本実施形態のＮＨ3目標吸着量マップの一例を示す図である。
【図６】本実施形態の制御内容を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係る排気浄化装置を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
【００１３】
図１に示すように、ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１０には、吸気マニホールド１０ａと排気マニホールド１０ｂとが設けられている。吸気マニホールド１０ａには新気を導入する吸気通路１１が接続され、排気マニホールド１０ｂには排気を大気に放出する排気通路１２が接続されている。
【００１４】
吸気通路１１には、吸気上流側から順に、エアクリーナ１３、過給機１５のコンプレッサ１５ａ、インタークーラ１７等が設けられている。排気通路１２には、排気上流側から順に、過給機１５のタービン１５ｂ、排気後処理装置２０等が設けられている。なお、図１中において、符号１８はエンジン回転数センサ、符号１９はアクセル開度センサを示している。
【００１５】
排気後処理装置２０は、排気上流側から順に、尿素水噴射装置２１と、ケース２０ａ内に収容されたＳＣＲ２２とを備えて構成されている。
【００１６】
尿素水噴射装置２１は、本発明の尿素水噴射手段の一例であって、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ）５０から入力される指示信号に応じて、ＳＣＲ２２よりも上流側の排気通路１２内に、図示しない尿素水タンク内の尿素水を噴射する。噴射された尿素水は排気熱により加水分解されてＮＨ3に生成され、下流側のＳＣＲ２２に還元剤として供給される。
【００１７】
ＳＣＲ２２は、例えば、ハニカム構造体等のセラミック製担体表面にゼオライト等を担持して形成されており、多孔質性の隔壁で区画された多数のセルを備えて構成されている。ＳＣＲ２２は、還元剤として供給されるＮＨ3を吸着すると共に、吸着したＮＨ3で通過する排気ガス中からＮＯｘを選択的に還元浄化する。
【００１８】
また、本実施形態のＳＣＲ２２には、少なくとも一個以上の隔壁を挟んで対向配置されてコンデンサを形成する複数本の電極２７が設けられている。これら複数本の電極２７は、本発明の静電容量検出手段の一例として好ましい。
【００１９】
ＥＣＵ５０は、エンジン１０や尿素水噴射装置２１等の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備えて構成されている。
【００２０】
また、ＥＣＵ５０は、図２に示すように、ＳＣＲ内部温度演算部５１と、ＮＨ3吸着量演算部５２と、尿素水噴射制御部５３と、噴射量補正部５４とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、一体のハードウェアであるＥＣＵ５０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。
【００２１】
ＳＣＲ内部温度演算部５１は、本発明の内部温度演算手段の一例であって、電極２７間の静電容量Ｃに基づいて、ＳＣＲ２２の内部温度ＴSCRを演算する。一般的に、電極２７間の静電容量Ｃは、電極２７間の媒体の誘電率ε、電極２７の面積Ｓ、電極２７間の距離ｄとする以下の数式１で表される。
【００２２】
【数１】
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【００２３】
数式１において、電極２７の面積Ｓ及び距離ｄは一定であり、誘電率εが排気温度の影響を受けて変化すると、これに伴い静電容量Ｃも変化する。すなわち、電極２７間の静電容量Ｃを検出すれば、ＳＣＲ２２の内部温度ＴSCRを演算することができる。
【００２４】
ＥＣＵ５０には、予め実験等により求めた静電容量ＣとＳＣＲ内部温度Ｔとの関係を示す静電容量・温度特性マップ（例えば、図３参照）が記憶されている。ＳＣＲ内部温度演算部５１は、この静電容量・温度特性マップから電極２７間の静電容量Ｃに対応する値を読み取ることで、ＳＣＲ２２の内部温度ＴSCRを演算する。なお、内部温度ＴSCRの演算はマップに限定されず、予め実験等により作成した近似式等から求めてもよい。
【００２５】
ＮＨ3吸着量演算部５２は、本発明の還元剤吸着量演算手段の一例であって、電極２７間の静電容量Ｃに基づいて、ＳＣＲ２２に吸着されているＮＨ3実吸着量ＳＴNH3を演算する。ＮＨ3は誘電率εが高いため、ＳＣＲ２２内にＮＨ3の吸着が進むと、電極２７間の静電容量Ｃも増加する（数式１参照）。すなわち、電極２７間の静電容量Ｃを検出すれば、ＳＣＲ２２のＮＨ3実吸着量ＳＴNH3を演算することができる。
【００２６】
ＥＣＵ５０には、予め実験等により求めた静電容量ＣとＮＨ3実吸着量との関係を示す静電容量・ＮＨ3吸着量マップ（例えば、図４参照）が記憶されている。ＮＨ3吸着量演算部５２は、この静電容量・ＮＨ3吸着量マップから電極２７間の静電容量Ｃに対応する値を読み取ることで、現在のＮＨ3実吸着量ＳＴNH3を演算する。なお、ＮＨ3実吸着量ＳＴNH3の演算はマップに限定されず、予め実験等により作成した近似式等から求めてもよい。
【００２７】
尿素水噴射制御部５３は、本発明の噴射制御手段の一例であって、エンジン１０の運転状態等に基づいて尿素水噴射装置２１の尿素水噴射量を制御する。より詳しくは、尿素水噴射制御部５３は、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑからエンジン１０のＮＯｘ排出量を演算すると共に、このＮＯｘ排出量に応じて必要になる尿素水の基本噴射量ＩＮＪU_stdを設定する。この基本噴射量ＩＮＪU_stdは、後述する噴射量補正部５４によって必要に応じて補正される。
【００２８】
噴射量補正部５４は、本発明の噴射量補正手段の一例であって、尿素水噴射制御部５３で設定された基本噴射量ＩＮＪU_stdを、ＳＣＲ内部温度演算部５１から入力される内部温度ＴSCR及び、ＮＨ3吸着量演算部５２から入力されるＮＨ3実吸着量ＳＴNH3に基づいて補正する。
【００２９】
より詳しくは、ＥＣＵ５０には、予め実験等により作成したＳＣＲ２２の内部温度ＴSCRとＮＨ3吸着可能量（以下、目標吸着量ＳＴNH3_TAGという）との関係を示すＮＨ3目標吸着量マップ（例えば、図５参照）が記憶されている。
【００３０】
噴射量補正部５４は、ＮＨ3目標吸着量マップから、現在の内部温度ＴSCRに対応する目標吸着量ＳＴNH3_TAGと、現在のＮＨ3実吸着量ＳＴNH3との吸着量偏差ΔＳＴNH3を読み取ると共に、この吸着量偏差ΔＳＴNH3に相当する噴射補正量ΔＩＮＪに基づいて、基本噴射量ＩＮＪU_stdを増減補正する（ＩＮＪU_exh＝ＩＮＪU_std＋／−ΔＩＮＪ）。補正後の尿素水噴射は、尿素水噴射装置２１のインジェクタ（不図示）に印加される各噴射の通電パルス幅を増減させるか、あるいは噴射回数を増減させることで実行される。
【００３１】
次に、図６に基づいて、本実施形態の排気浄化装置による制御フローを説明する。なお、本制御はイグニッションキーのＯＮ操作と同時にスタートする。
【００３２】
ステップ（以下、ステップを単にＳと記載する）１００では、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑから演算されるエンジン１０のＮＯｘ排出量に応じて、尿素水の基本噴射量ＩＮＪU_stdが設定される。
【００３３】
Ｓ１１０では、電極２７間の静電容量Ｃに基づいてＳＣＲ２２の内部温度ＴSCRが演算され、さらに、Ｓ１２０では、電極２７間の静電容量Ｃに基づいて、ＳＣＲ２２のＮＨ3実吸着量ＳＴNH3が演算される。
【００３４】
Ｓ１３０では、ＮＨ3目標吸着量マップ（図５）から、Ｓ１１０で演算された内部温度ＴSCRに対応する目標吸着量ＳＴNH3_TAGと及び、Ｓ１２０で演算されたＮＨ3実吸着量ＳＴNH3との吸着量偏差ΔＳＴNH3が演算される。
【００３５】
Ｓ１４０では、Ｓ１３０で演算された吸着量偏差ΔＳＴNH3が所定の閾値よりも多いか否かが判定される。吸着量偏差ΔＳＴNH3が所定の閾値よりも多い場合（Ｙｅｓ）は、Ｓ１５０に進み、吸着量偏差ΔＳＴNH3に相当する噴射補正量ΔＩＮＪに基づいて、基本噴射量ＩＮＪU_stdが増減補正される（ＩＮＪU_exh＝ＩＮＪU_std＋／−ΔＩＮＪ）。さらに、Ｓ１６０では、補正後の噴射量ＩＮＪU_exhに基づいて、尿素水噴射装置２１の尿素水噴射が実行される。
【００３６】
一方、Ｓ１４０で、吸着量偏差ΔＳＴNH3が所定の閾値未満の場合（Ｎｏ）は、Ｓ１７０に進み、補正を行うことなく、Ｓ１００で設定した基本噴射量ＩＮＪU_stdに基づいて尿素水噴射装置２１の尿素水噴射が実行される。その後、上述のＳ１００〜１７０の各制御ステップは、イグニッションキーのＯＦＦ操作まで繰り返し実行される。
【００３７】
次に、本実施形態に係る排気浄化装置による作用効果を説明する。
【００３８】
従来、ＳＣＲのＮＨ3スリップを抑制する技術として、ＳＣＲに供給されるＮＨ3量と、ＳＣＲ出口のＮＨ3センサの検出値とを比較して、ＳＣＲ内のＮＨ3吸着量を推定すると共に、推定したＮＨ3吸着量に応じて尿素水噴射量を調整する手法が知られている。しかしながら、ＮＨ3センサのセンサ値から推定する手法では、ＳＣＲ内の実際のＮＨ3吸着量を正確に把握できず、尿素水噴射量を最適に制御できない可能性がある。
【００３９】
これに対し、本実施形態の排気浄化装置では、電極２７間の静電容量Ｃに基づいて、ＳＣＲ２２内のＮＨ3実吸着量を直接的に演算すると共に、正確なＮＨ3実吸着量とＮＨ3目標吸着量（吸着可能量）との差に応じて、尿素水噴射量を補正するように構成されている。
【００４０】
したがって、本実施形態の排気浄化装置によれば、尿素水噴射量をＳＣＲ２２のＮＨ3実吸着量に応じて正確に制御することが可能となり、ＳＣＲ２２のＮＨ3スリップを効果的に防止することができる。また、ＳＣＲ２２のＮＨ3吸着量が目標値（吸着可能量）で効果的に維持されるため、ＮＯｘの還元浄化率を確実に向上することもできる。さらに、ＳＣＲ２２の下流側に余剰のＮＨ3を酸化除去する酸化触媒等を配置する必要がなくなり、装置全体のコストや重量・サイズ等を効果的に低減することも可能になる。
【００４１】
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
【００４２】
例えば、電極２７の本数は少なくとも一対以上であればよく、図示例に限定されるものではない。また、エンジン１０はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジン等の他の内燃機関にも広く適用することが可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１０  エンジン
１２  排気通路
１８  エンジン回転数センサ
１９  アクセル開度センサ
２０  排気後処理装置
２１  尿素水噴射装置
２２  ＳＣＲ
２７  電極
５０  ＥＣＵ
５１  ＳＣＲ内部温度演算部
５２  ＮＨ3吸着量演算部
５３  尿素水噴射制御部
５４  噴射量補正部
【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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