(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの運転条件により基準ＮＯｘ量を検出するステップと、
ＥＧＲ（排ガス再循環：Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）率により前記基準ＮＯｘ量を一次的に補正するステップと、
環境因子により一次的に補正されたＮＯｘ量を２次的に補正するステップとを含み、
前記ＥＧＲ率により前記基準ＮＯｘ量を一次的に補正するステップは、
実際のＥＧＲ率を検出するステップと、
前記エンジンの運転条件による基準ＥＧＲ率を計算するステップと、
前記実際のＥＧＲ率から前記基準ＥＧＲ率を差し引いたＥＧＲ率偏差を計算するステップと、
前記ＥＧＲ率偏差により前記基準ＮＯｘ量を補正するステップとを含み、
前記ＥＧＲ率偏差により前記基準ＮＯｘ量を補正するステップは、
前記ＥＧＲ率偏差を正規化させて、正規化されたＥＧＲ率偏差を計算するステップと、
前記正規化されたＥＧＲ率偏差によるＥＧＲ係数を計算するステップと、
前記エンジンの運転条件によるＥＧＲオフ時の基準ＮＯｘ量を計算するステップと、
エンジンの運転条件による基準ＮＯｘ量と、ＥＧＲオフ時の基準ＮＯｘ量および前記ＥＧＲ係数に基づいて、内挿法または外挿法により前記基準ＮＯｘ量を補正するステップとを含むことを特徴とする窒素酸化物の量を予測する方法。
【請求項２】
前記正規化されたＥＧＲ偏差が所定値未満である場合には内挿法により基準ＮＯｘ量を補正し、前記正規化されたＥＧＲ偏差が所定値以上である場合には外挿法により前記基準ＮＯｘ量を補正することを特徴とする請求項１に記載の窒素酸化物の量を予測する方法。
【請求項３】
前記エンジンの運転条件は、現在の係合された変速ギヤのギヤ段数と、エンジン回転数および現在の燃料噴射量を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の窒素酸化物の量を予測する方法。
【請求項４】
環境因子により前記一次的に補正されたＮＯｘ量を２次的に補正するステップは、
エンジン燃焼室に供給される総空気量と、エンジン回転数および現在の燃料噴射量による第１の補正係数を検出するステップと、
前記第１の補正係数により前記一次的に補正されたＮＯｘ量を補正するステップとを含むことを特徴とする請求項１に記載の窒素酸化物の量を予測する方法。
【請求項５】
環境因子により前記一次的に補正されたＮＯｘ量を２次的に補正するステップは、
エンジン回転数と、現在の燃料噴射量および冷却水温度による第２の補正係数を検出するステップと、
前記第２の補正係数により前記一次的に補正されたＮＯｘ量を補正するステップとを含むことを特徴とする請求項１に記載の窒素酸化物の量を予測する方法。
【請求項６】
環境因子により前記一次的に補正されたＮＯｘ量を２次的に補正するステップは、
エンジン回転数と、現在の燃料噴射量およびエンジン燃焼室に供給される吸入空気の温度による第３の補正係数を検出するステップと、
前記第３の補正係数により前記一次的に補正されたＮＯｘ量を補正するステップとを含むことを特徴とする請求項１に記載の窒素酸化物の量を予測する方法。
【請求項７】
燃焼室内燃料を噴射する第１のインジェクターを有するエンジンにおいて発生した排ガスが流通する排気パイプと、
前記排気パイプに装備されて還元剤を噴射する噴射モジュールと、
前記噴射モジュールの下流側の排気パイプに装備されて前記噴射モジュールから噴射された還元剤を用いて排ガスに含まれている窒素酸化物を低減させる窒素酸化物低減触媒と、
前記排ガスに含まれている窒素酸化物の量を予測し、この窒素酸化物の量により還元剤の供給量、または燃焼雰囲気を調節する制御部とを備え、
前記制御部は、エンジンの運転条件により基準ＮＯｘ量を検出し、この基準ＮＯｘ量をＥＧＲ率および環境因子により補正し、
前記制御部は、エンジンの運転条件により基準ＥＧＲ率およびＥＧＲオフ時の基準ＮＯｘ量を計算し、実際のＥＧＲ率を検出し、且つ、前記基準ＥＧＲ率と、前記実際のＥＧＲ率と、前記基準ＮＯｘ量および前記ＥＧＲオフ時の基準ＮＯｘ量に基づいて内挿法または外挿法により前記基準ＮＯｘ量を一次的に補正することを特徴とする排気装置。
【請求項８】
前記エンジンの運転条件は、現在の係合された変速ギヤのギヤ段数と、エンジン回転数および現在の燃料噴射量を含むことを特徴とする請求項７に記載の排気装置。
【請求項９】
前記制御部は、一次的に補正された基準ＮＯｘ量を、環境因子による第１、第２および第３の補正係数を用いて２次的に補正することを特徴とする請求項７又は８に記載の排気装置。
【請求項１０】
前記第１の補正係数は、エンジン燃焼室に供給される総空気量と、エンジン回転数および現在の燃料噴射量に基づいて計算されることを特徴とする請求項９に記載の排気装置。
【請求項１１】
前記第２の補正係数は、エンジン回転数と、現在の燃料噴射量および冷却水温度に基づいて計算されることを特徴とする請求項９に記載の排気装置。
【請求項１２】
前記第３の補正係数は、エンジン回転数と、現在の燃料噴射量およびエンジン燃焼室に供給される吸入空気の温度に基づいて計算されることを特徴とする請求項９に記載の排気装置。
【請求項１３】
前記還元剤は燃料であり、前記噴射モジュールは第２のインジェクターであることを特徴とする請求項７に記載の排気装置。
【請求項１４】
前記還元剤は尿素またはアンモニアであることを特徴とする請求項７に記載の排気装置。
【請求項１５】
前記燃焼雰囲気は、エンジンの燃焼室に供給される空気への燃料の割合を制御することにより調節されることを特徴とする請求項７に記載の排気装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒素酸化物の量を予測する方法およびこれを用いた排気装置に係り、より詳細には、エンジンにおいて発生する排ガスに含まれている窒素酸化物の量を正確に予測する方法および窒素酸化物の量により噴射される還元剤の量、または燃焼雰囲気を調節する排気装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、エンジンから排気マニホールドを介して排出される排ガスは、排気パイプに配設された触媒コンバータ（Ｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）に導入されて浄化され、マフラを通過しながら騒音が減殺された後にテールパイプを介して大気中に排出される。上述した触媒コンバータは、排ガスに含まれている汚染物質を浄化する。そして、排気パイプ上には排ガスに含まれているパティキュレート（粒子状物質：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｍａｔｔｅｒｓ：ＰＭ）を捕集するためのパティキュレートフィルタが装備される。
窒素酸化物低減触媒（Ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ  Ｃａｔａｌｙｓｔ）は、排ガスに含まれている窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する触媒コンバータの一種である。尿素（Ｕｒｅａ）、アンモニア（Ａｍｍｏｎｉａ）、一酸化炭素および炭化水素（Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ；ＨＣ）などの還元剤を排ガスに提供すると、窒素酸化物低減触媒において、排ガスに含まれている窒素酸化物が還元剤と酸化−還元反応を起して還元される。
【０００３】
最近は、この種の窒素酸化物低減触媒として、ＬＮＴ触媒（Ｌｅａｎ  ＮＯｘ  Ｔｒａｐ  Ｃａｔａｌｙｓｔ）が用いられている。ＬＮＴ触媒は、エンジンが希薄（ｌｅａｎ）な雰囲気で作動すれば排ガスに含まれている窒素酸化物を吸着し、エンジンが濃厚（ｒｉｃｈ）な雰囲気で作動すれば吸着された窒素酸化物を脱離する（特許文献１）。
また、窒素酸化物低減触媒として、選択的触媒還元（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ；ＳＣＲ）触媒も用いられる。選択的触媒還元（ＳＣＲ）触媒は、尿素（Ｕｒｅａ）、アンモニア（Ａｍｍｏｎｉａ）、一酸化炭素および炭化水素（Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ；ＨＣ）などの還元剤が酸素よりは窒素酸化物とより活発に反応するようにしたものである（特許文献２）。
【０００４】
この種の窒素酸化物低減触媒を用いる場合、エンジンにおいて発生する排ガスに含まれている窒素酸化物の量により排ガスに噴射されるべき還元剤の量が決定される。このため、排ガスに含まれている窒素酸化物の量を正確に予測することが、浄化の効率を向上させる上で重要である。
排ガスに含まれている窒素酸化物の量を予測する従来の方法は、エンジンの各運転条件において発生する窒素酸化物の量を保存されているマップを利用して予測することである。すなわち、各時間ごとに運転条件において発生する窒素酸化物の量をマップから計算し、この窒素酸化物の量を積算して排ガスに含まれている窒素酸化物の量を予測する。しかしながら、マップは、エンジンが正常状態（ｓｔｅａｄｙ  ｓｔａｔｅ）であるときに作成されているため、時間ごとにエンジンの運転条件が変化する遷移状態（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  ｓｔａｔｅ）において利用する場合は予測された窒素酸化物の量が正確でない。特に、エンジンは正常状態において作動する期間よりも、遷移状態において作動する期間の方が遥かに長いため、実際の窒素酸化物の量と予測された窒素酸化物の量との間の差が大きいという問題点があった。
【０００５】
排ガスに含まれている窒素酸化物の量を予測する従来の他の方法は、窒素酸化物低減触媒の上流側の排気パイプに装備されているＮＯｘセンサーを利用することである。すなわち、各時間ごとにＮＯｘセンサーにおいて測定される窒素酸化物の量を積算する。しかしながら、ＮＯｘセンサーは排ガスの温度が所定温度以上である場合に限って正常に作動するため、ＮＯｘセンサーが正常に作動するまでに発生した窒素酸化物の量は測定することができないという問題点があった。なお、ＮＯｘセンサーを用いても、実際の窒素酸化物の量と測定された窒素酸化物の量との間の測定誤差があまりにも大きいという問題点があった（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−０８２０９７号公報
【特許文献２】特開２００２−１９５０２６号公報
【特許文献３】特開２００５−１４７１０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、排ガスに含まれている窒素酸化物の量を正確に予測する方法を提供するところにある。
本発明の他の目的は、予測された窒素酸化物の量により噴射される還元剤の量、または燃焼雰囲気を調節することにより、窒素酸化物の浄化効率を向上させることができる排気装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明の窒素酸化物の量を予測する方法は、エンジンの運転条件により基準ＮＯｘ量を検出するステップと、ＥＧＲ（排ガス再循環：Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）率により基準ＮＯｘ量を一次的に補正するステップと、環境因子により一次的に補正されたＮＯｘ量を２次的に補正するステップとを含む。ＥＧＲ率により基準ＮＯｘ量を一次的に補正するステップは、実際のＥＧＲ率を検出するステップと、エンジンの運転条件による基準ＥＧＲ率を計算するステップと、実際のＥＧＲ率から基準ＥＧＲ率を差し引いたＥＧＲ率偏差を計算するステップと、ＥＧＲ率偏差により基準ＮＯｘ量を補正するステップとを含む。
【０００９】
ＥＧＲ率偏差により基準ＮＯｘ量を補正するステップは、ＥＧＲ率偏差を正規化させて、正規化されたＥＧＲ率偏差を計算するステップと、正規化されたＥＧＲ率偏差によるＥＧＲ係数を計算するステップと、エンジンの運転条件によるＥＧＲオフ時の基準ＮＯｘ量を計算するステップと、エンジンの運転条件による基準ＮＯｘ量と、ＥＧＲオフ時の基準ＮＯｘ量およびＥＧＲ係数に基づいて、内挿法または外挿法により基準ＮＯｘ量を補正するステップとを含む。
正規化されたＥＧＲ偏差が所定値未満である場合には内挿法により基準ＮＯｘ量を補正し、正規化されたＥＧＲ偏差が所定値以上である場合には外挿法により基準ＮＯｘ量を補正することができる。
【００１０】
エンジンの運転条件は、現在の係合された変速ギヤのギヤ段数と、エンジン回転数および現在の燃料噴射量を含む。環境因子により一次的に補正されたＮＯｘ量を２次的に補正するステップは、エンジン燃焼室に供給される総空気量と、エンジン回転数および現在の燃料噴射量による第１の補正係数を検出するステップと、第１の補正係数により一次的に補正されたＮＯｘ量を補正するステップとを含む。
【００１１】
環境因子により一次的に補正されたＮＯｘ量を２次的に補正するステップは、エンジン回転数と、現在の燃料噴射量および冷却水温度による第２の補正係数を検出するステップと、第２の補正係数により一次的に補正されたＮＯｘ量を補正するステップとを含む。
環境因子により一次的に補正されたＮＯｘ量を２次的に補正するステップは、エンジン回転数と、現在の燃料噴射量およびエンジン燃焼室に供給される吸入空気の温度による第３の補正係数を検出するステップと、第３の補正係数により一次的に補正されたＮＯｘ量を補正するステップとを含む。
【００１２】
本発明の他の実施の形態による排気装置は、燃焼室内燃料を噴射する第１のインジェクターを有するエンジンにおいて発生した排ガスが流通する排気パイプと、排気パイプに装備されて還元剤を噴射する噴射モジュールと、噴射モジュールの下流側の排気パイプに装備されて噴射モジュールから噴射された還元剤を用いて排ガスに含まれている窒素酸化物を低減させる窒素酸化物低減触媒と、排ガスに含まれている窒素酸化物の量を予測し、この窒素酸化物の量により還元剤の供給量、または燃焼雰囲気を調節する制御部とを備え、制御部は、エンジンの運転条件により基準ＮＯｘ量を検出し、この基準ＮＯｘ量をＥＧＲ率および環境因子により補正することが好ましい。制御部は、エンジンの運転条件により基準ＥＧＲ率およびＥＧＲオフ時の基準ＮＯｘ量を計算し、実際のＥＧＲ率を検出し、且つ、基準ＥＧＲ率と、実際のＥＧＲ率と、基準ＮＯｘ量およびＥＧＲオフ時の基準ＮＯｘ量に基づいて、内挿法または外挿法により基準ＮＯｘ量を一次的に補正することが好ましい。
【００１３】
エンジンの運転条件は、現在の係合された変速ギヤのギヤ段数と、エンジン回転数および現在の燃料噴射量を含む。制御部は、一次的に補正された基準ＮＯｘ量を、環境因子による第１、第２および第３の補正係数を用いて２次的に補正することができる。第１の補正係数は、エンジン燃焼室に供給される総空気量と、エンジン回転数および現在の燃料噴射量に基づいて計算されることが好ましい。第２の補正係数は、エンジン回転数と、現在の燃料噴射量および冷却水温度に基づいて計算されることが好ましい。
【００１４】
第３の補正係数は、エンジン回転数と、現在の燃料噴射量およびエンジン燃焼室に供給される吸入空気の温度に基づいて計算されることが好ましい。
還元剤は燃料であり、噴射モジュールは第２のインジェクターであることができる。
還元剤は尿素またはアンモニアであることができる。
燃焼雰囲気は、エンジンの燃焼室に供給される空気への燃料の割合を制御することにより調節されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、排ガスに含まれている窒素酸化物の量を正確に予測することができるので、窒素酸化物の浄化効率が向上する。
また、本発明によれば、正確な窒素酸化物の量により還元剤の噴射量、または燃焼雰囲気を調節することができるので、燃費が向上する。
さらに、本発明によれば、窒素酸化物の量を予測するためにセンサーを別設する必要がないので、コストを節減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態による、窒素酸化物の量を予測する方法が適用可能な排気装置の一例を示す概略図である。
【図２】本発明の実施の形態による、窒素酸化物の量を予測する方法に用いられる制御部における入出力関係を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態による、窒素酸化物の量を予測する方法を示したフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態による、窒素酸化物の量を予測する方法において、ＥＧＲ率により基準ＮＯｘ量を一次的に補正する方法を示したフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態による、窒素酸化物の量を予測する方法において、環境因子により一次的に補正されたＮＯｘ量を２次的に補正する方法を示したフローチャートである。
【図６】正規化されたＥＧＲ率偏差に対するＥＧＲ係数を示すグラフである。
【図７】（ａ）は、本発明の実施の形態を適用してＥＧＲ率によりＮＯｘ量を一次的に補正する一例を示すグラフであり、（ｂ）は、他の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付図面に基づき、本発明の好適な実施の形態を詳述する。
図１は、本発明の実施の形態による、窒素酸化物の量を予測する方法が適用可能な排気装置の一例を示す概略図である。
図１に示したとおり、内燃機関の排気装置は、エンジン１０と、排気パイプ２０と、排ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ；ＥＧＲ）装置８０と、燃料分解触媒３２と、パティキュレートフィルタ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｆｉｌｔｅｒ）３０と、窒素酸化物低減触媒４０と、制御部５０と、を備える。
【００１８】
エンジン１０は、燃料と空気とが混合された混合気を燃焼させて、化学的エネルギーを機械的エネルギーに変換する。エンジン１０は吸気マニホールド１８に連通されて燃焼室１２の内部に空気が流入し、燃焼中に発生した排ガスは排気マニホールド１６に溜まった後にエンジンの外部に排出される。燃焼室１２には第１のインジェクター１４が装備されて燃料を燃焼室１２の内部に噴射する。
ここではディーゼルエンジンを例示したが、希薄燃焼（ｌｅａｎ  ｂｕｒｎ）のガソリンエンジンを用いてもよい。ガソリンエンジンを用いる場合、吸気マニホールド１８を介して混合気が燃焼室１２の内部に流入し、燃焼室１２の上部には点火のための点火プラグ（図示せず）が装備される。
また、様々な圧縮比、好ましくは、１６．５以下の圧縮比を有するエンジンを用いてもよい。
【００１９】
排気パイプ２０は排気マニホールド１６に連通されて排ガスを車両の外部に排出する。排気パイプ２０上にはパティキュレートフィルタ３０および窒素酸化物低減触媒４０が装備されて排ガスに含まれている炭化水素、一酸化炭素、パティキュレートおよび窒素酸化物などを除去する。
排ガス再循環装置８０は排気パイプ２０上に装備されて、エンジン１０から排出される排ガスの一部を排ガス再循環装置８０を介してエンジンに再供給する。また、排ガス再循環装置８０は吸気マニホールド１８に連通されて排ガスの一部を空気に混入して燃焼温度を制御する。このような燃焼温度の制御は、制御部５０が吸気マニホールド１８に供給される排ガスの量を調節することにより行われる。
【００２０】
排ガス再循環装置８０の下流側の排気パイプ２０には第１の酸素センサー２５が装備されて、排ガス再循環装置８０を通過した排ガス内の酸素量を検出する。
第２のインジェクター９０は、排ガス再循環装置８０の下流側の排気パイプ２０に装備され、制御部５０に電気的に接続されて制御部５０の制御により排気パイプ２０内へ燃料の追加噴射を行う。
【００２１】
パティキュレートフィルタ３０は第２のインジェクター９０の下流側の排気パイプ２０に装備されている。パティキュレートフィルタ３０の上流側には燃料分解触媒（Ｆｕｅｌ  Ｃｒａｃｋｉｎｇ  Ｃａｔａｌｙｓｔ）３２が配設されている。この場合、燃料分解触媒３２は、第２のインジェクター９０と窒素酸化物低減触媒４０との間に配置される。ここでは、パティキュレートフィルタ３０とは別途に燃料分解触媒３２が配置されている例を示したが、燃料分解触媒３２をパティキュレートフィルタ３０の前部にコーティングしてもよい。
燃料分解触媒３２は、触媒作用により燃料内に含まれている炭素化合物の炭素鎖を切断して分解する。すなわち、燃料分解触媒３２は、熱分解（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｃｒａｃｋｉｎｇ）機能により、炭化水素を構成する炭素−炭素結合を切断して低分子の炭化水素に分解する。これにより、追加噴射された燃料の有効反応表面積が増大して、高反応性酸素含有炭化水素（Ｏｘｙｇｅｎａｔｅｄ  ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ２）などを生成する。
【００２２】
燃料分解触媒による熱分解は、例えば、〔化１〕に示す順で行われ、反応収支として〔化２〕のようになる。
〔化１〕
Ｃ１６Ｈ３４→２ｎ−Ｃ８Ｈ１７＊→ｎ−Ｃ６Ｈ１３＊→ｎ−Ｃ４Ｈ９＊→Ｃ２Ｈ５＊→Ｃ２Ｈ４
〔化２〕
Ｃ１６Ｈ３４―――→８Ｃ２Ｈ４＋Ｈ２
ここで、＊はラジカルを意味する。
ここで、炭化水素とは、排ガスおよび燃料に含まれている炭素と水素とからなる化合物のいずれをも指すものとする。
【００２３】
燃料分解触媒３２の下流側にはパティキュレートフィルタ３０の一種である煤煙ろ過装置が装備されて、排気パイプ２０を介して排出される排ガスに含まれるパティキュレートを捕集する。ここで、パティキュレートフィルタ３０は煤煙ろ過装置３０と同じ意味で用いられる。しかしながら、煤煙ろ過装置３０の代わりに他の種類のパティキュレートフィルタ３０（例えば、触媒煤煙フィルタ（ｃａｔａｌｙｚｅｄ  ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  ｆｉｌｔｅｒ：ＣＰＦ））などを用いてもよい。
また、煤煙ろ過装置３０には酸化触媒（Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  Ｃａｔａｌｙｓｔ）がコーティングされてもよい。かかる酸化触媒は、排ガスに含まれる炭化水素および一酸化炭素を二酸化炭素に酸化させ、排ガスに含まれる一酸化窒素を二酸化窒素に酸化する。酸化触媒はパティキュレートフィルタ３０の所定部分に多量にコーティングされていてもよく、パティキュレートフィルタ３０の全領域に亘って一様にコーティングされていてもよい。
【００２４】
燃料分解触媒３２の上流側の排気パイプには第１の温度センサー３５が装備されて燃料分解触媒３２の入口温度を測定する。燃料分解触媒３２の下流側には第２の温度センサー３６が装備されて燃料分解触媒３２の出口温度またはパティキュレートフィルタ３０の入口温度を測定する。
一方、排気パイプ２０には差圧センサー５５が装備される。差圧センサー５５は、パティキュレートフィルタ３０の入口部と出口部との間の圧力差を測定し、これに対する信号を制御部５０に送信する。制御部５０は、差圧センサー５５において測定された圧力差が所定圧力以上である場合にパティキュレートフィルタ３０を再生するように制御を行う。この場合、第１のインジェクター１４は燃料を後噴射することにより、パティキュレートフィルタ３０の内部に捕集されたパティキュレートを燃焼することができる。これとは別に、第２のインジェクター９０は燃料を追加噴射することにより、パティキュレートフィルタ３０を再生することもできる。
【００２５】
窒素酸化物低減触媒４０はパティキュレートフィルタ３０の下流側の排気パイプ２０上に装備されて排ガスに含まれている窒素酸化物を吸着し、燃料の追加噴射により吸着された窒素酸化物を脱離して還元反応を進めることにより排ガスに含まれている窒素酸化物を浄化する。
窒素酸化物低減触媒４０の上流側または下流側には第３の温度センサー６０および第４の温度センサー６５がそれぞれ装備されて、窒素酸化物低減触媒４０の入口部温度および出口部温度を測定する。ここで、窒素酸化物低減触媒４０は両分されていてもよい。これは、担体にコーティングされた金属の割合を異ならせることにより特定の機能を行わせるためである。例えば、窒素酸化物低減触媒４０のエンジン１０に近い第１の部分にはパラジウム（Ｐｄ）の割合を高めることにより耐熱機能を強化させ、窒素酸化物低減触媒４０のテールパイプに近い第２の部分には白金（Ｐｔ）の割合を高めることにより炭化水素のスリップを防止することができる。むろん、担体にコーティングされた金属の割合が全領域に亘って一様な窒素酸化物低減触媒４０であってもよい。
【００２６】
また、窒素酸化物低減触媒４０の上流側の排気パイプ２０には第２の酸素センサー６２が装備され、窒素酸化物低減触媒４０の下流側の排気パイプ２０には第３の酸素センサー７０が装備される。第２の酸素センサー６２は、窒素酸化物低減触媒４０に流入する排ガスに含まれている酸素量を測定し、これに対する信号を制御部５０に送信することにより、制御部５０が排ガスのリーン／リッチ制御（ｌｅａｎ／ｒｉｃｈ  ｃｏｎｔｒｏｌ）を行うことを補助する。また、第３の酸素センサー７０は、本発明の実施の形態による内燃機関の排気装置が排ガスに含まれている有害物質を正常に除去しているかどうかをモニターリングするためのものである。ここでは、排気パイプ２０に第２の酸素センサー６２が付設されている。しかしながら、排気パイプ２０に第２の酸素センサー６２を付設することなく、第１の酸素センサー２５および第３の酸素センサー７０の測定値、燃料消耗量およびエンジンの起動履歴のうち少なくとも一つに基づいて窒素酸化物低減触媒４０に流入する排ガスに含まれている酸素量を推定してもよい。
【００２７】
制御部５０は、各センサーにおいて検出された信号に基づいてエンジンの運転条件を判断し、エンジンの運転条件に基づいて燃料の追加噴射量および追加噴射時期を制御することにより、窒素酸化物低減触媒４０に吸着された窒素酸化物を脱離する。例えば、制御部５０は、窒素酸化物低減触媒４０に吸着された窒素酸化物の量が所定値以上である場合には燃料を追加噴射するように制御する。
また、制御部５０は、窒素酸化物低減触媒４０において窒素酸化物の還元反応が活性化するように、排ガス内における窒素酸化物への炭化水素の割合が所定の割合以上になるように制御する。所定の割合は５であってもよい。
【００２８】
一方、制御部５０は、エンジンの運転条件に基づいて窒素酸化物低減触媒４０に吸着された窒素酸化物の量、窒素酸化物低減触媒４０の後部における窒素酸化物のスリップ量、および窒素酸化物への炭化水素の割合を計算する。このような計算は、数多くの実験により決められたマップに基づいて行われる。
さらに、制御部５０は、エンジンの運転条件、エンジンの状態または窒素酸化物低減触媒の状態に応じて、第２のインジェクター９０からの燃料噴射パターンを変化させる。ここで、エンジンの状態はエンジンの作動期間を考慮して推定され、窒素酸化物低減触媒の状態は窒素酸化物低減触媒の劣化を考慮して推定される。
ひいては、制御部５０は、パティキュレートフィルタ３０の再生を行う。
【００２９】
一方、制御部５０は、第２のインジェクター９０からの追加噴射を制御する代わりに、第１のインジェクター１４からの後噴射を制御することにより、窒素酸化物低減触媒４０における窒素酸化物の還元反応を活性化させることができる。この場合、燃料分解触媒３２において後噴射された燃料は高反応性還元剤に変換され、窒素酸化物低減触媒４０において窒素酸化物の還元反応を促進する。よって、この明細書および特許請求の範囲における追加噴射は後噴射を含むものと解釈さるべきである。
ここでは、窒素酸化物低減触媒４０としてＬＮＴ触媒が用いられた場合を例示したが、窒素酸化物低減触媒４０としてＳＣＲ触媒が用いられてもよい。この場合、排気パイプ２０上のパティキュレートフィルタ３０と窒素酸化物低減触媒４０との間には排ガスに還元剤を噴射する噴射装置（図示せず）が介設され、制御部５０は、排ガスに含まれている窒素酸化物の量により還元剤の噴射を制御する。なお、還元剤としては、尿素またはアンモニアが使用可能である。
【００３０】
以下、窒素酸化物低減触媒４０の一例を詳述する。
窒素酸化物低減触媒４０は、担体にコーティングされた第１および第２の触媒層を含む。第１の触媒層は排ガスの近くに配置され、第２の触媒層は担体の近くに配置される。
第１の触媒層は排ガスに含まれている窒素酸化物（例えば、一酸化窒素）を酸化し、酸化された窒素酸化物（例えば、二酸化窒素）の一部を不燃燃料または排ガスに含まれている炭化水素との酸化−還元反応により還元する。なお、酸化された窒素酸化物の残りの一部は第２の触媒層に拡散される。
第２の触媒層は第１の触媒層から拡散されてきた窒素酸化物（例えば、二酸化窒素）を吸着し、追加噴射される燃料により吸着された窒素酸化物を脱離して第１の触媒層において還元せしめる。
第２の触媒層は吸着物質を含む。この吸着物質としては、弱塩基性酸化物が用いられる。
【００３１】
以下、窒素酸化物低減触媒４０の作動原理を詳述する。
燃料が第２のインジェクター９０から追加噴射されない場合には、排ガスに含まれている窒素酸化物（例えば、一酸化窒素）は第１の触媒層において酸化される。酸化された窒素酸化物（例えば、二酸化窒素）の一部は排ガスに含まれている炭化水素と酸化−還元反応をして窒素気体に還元される。この過程で、排ガスに含まれている炭化水素は二酸化炭素に酸化される。
また、酸化された窒素酸化物の残りの一部および排ガスに含まれている窒素酸化物は第２の触媒層に拡散されて吸着される。
燃料が第２のインジェクター９０から追加噴射される場合には、追加噴射された燃料が燃料分解触媒を通過し、この過程で燃料が低分子の炭化水素に変換される。なお、低分子の炭化水素の一部は酸素と結合した炭化水素に変換されて窒素酸化物低減触媒４０を通過する。
【００３２】
このとき、第２の触媒層においては、窒素酸化物が炭化水素と置換されて脱離される。また、第１の触媒層においては、脱離された窒素酸化物と炭化水素または酸素と結合した炭化水素との間の酸化−還元反応により窒素酸化物は窒素気体に還元され、炭化水素または酸素と結合した炭化水素は二酸化炭素に酸化される。
これにより、排ガスに含まれている窒素酸化物および炭化水素が浄化される。
【００３３】
図２は、本発明の実施の形態による、窒素酸化物の量を予測する方法に用いられる制御部における入出力関係を示すブロック図である。
図２に示したとおり、ギヤ段数検出部１００、ＥＧＲ率検出部１１０、エンジン回転数検出部１２０、燃料噴射量検出部１３０、吸入空気量検出部１４０、ＥＧＲ量検出部１５０、吸入空気温度検出部１６０および冷却水温度検出部１７０は制御部５０と電気的に接続されており、これらの検出部で検出した検出値を制御部５０に送信する。
【００３４】
ギヤ段数検出部１００は、現在の係合されたギヤ段数を検出する。
ＥＧＲ率検出部１１０は、現在のＥＧＲ率（すなわち、吸入空気量へのＥＧＲ量の割合）を検出する。制御部５０は、ＥＧＲ弁（図示せず）をデューティ制御しているため、ＥＧＲ率は現在のデューティ値を読み取ることにより検出することができる。
エンジン回転数検出部１２０は、クランクシャフト（図示せず）の位相変化からエンジンの回転数を検出する。
【００３５】
燃料噴射量検出部１３０は、現在の燃料噴射量を検出する。最近では、ＮＯｘ低減のために燃料は、主噴射およびパイロット噴射に分けて噴射される。このため、燃料噴射量検出部１３０は、一周期中に噴射される主噴射量およびパイロット噴射量を検出する。なお、燃料噴射量は制御部５０によりデューティ制御されるため、現在のデューティ値を読み取ることにより検出することができる。
吸入空気量検出部１４０は、吸気通路を通過する空気量を検出する。
ＥＧＲ量検出部１５０は、再循環されるガスの量を検出する。ＥＧＲ量は、吸入される空気量およびＥＧＲ率から計算可能である。
吸入空気温度検出部１６０は吸気通路に装備されて吸入される空気の温度を検出する。
冷却水温度検出部１７０は、冷却水の温度を検出する。
【００３６】
制御部５０においては、送信された検出値に基づいて、エンジンの運転条件、燃料の追加噴射量、追加噴射時期および追加噴射パターンを決定し、第２のインジェクター９０を制御するための信号を第２のインジェクター９０に出力する。また、制御部５０は、差圧センサー５５において測定した値に基づいて、パティキュレートフィルタ３０の再生を制御する。上述したように、パティキュレートフィルタ３０の再生は、第１のインジェクター１４による後噴射あるいは第２のインジェクター９０による追加噴射により行われる。さらに、制御部５０は、排ガスに含まれている基準ＮＯｘ量を検出し、この基準ＮＯｘ量をＥＧＲ率および環境因子により補正し、最終的なＮＯｘ量により燃料の追加噴射または還元剤の噴射を制御する。
一方、本発明の実施の形態による内燃機関の排気装置には、図２に示すセンサーの他にも多数のセンサーを装備することが可能である。
【００３７】
図３は、本発明の実施の形態による、窒素酸化物の量を予測する方法を示したフローチャートであり、図４は、本発明の実施の形態による、窒素酸化物の量を予測する方法において、ＥＧＲ率により基準ＮＯｘ量を一次的に補正する方法を示したフローチャートであり、図５は、本発明の実施の形態による、窒素酸化物の量を予測する方法において、環境因子により一次的に補正されたＮＯｘ量を２次的に補正する方法を示したフローチャートである。
ギヤ段数検出部１００はギヤ段数を検出して（Ｓ２１０）、ＥＧＲ率検出部１１０は実際のＥＧＲ率を検出し（Ｓ２２０）、エンジン回転数検出部１２０はエンジンの回転数を検出し（Ｓ２３０）、燃料噴射量検出部１３０は現在の燃料噴射量を検出する（Ｓ２４０）。また、吸入空気量検出部１４０において検出される吸入空気量にＥＧＲ量検出部１５０において検出されるＥＧＲ量を加えて、エンジン燃焼室に供給される総空気量を検出し（Ｓ２５０）、吸入空気温度検出部１６０はエンジン燃焼室に供給される吸入空気の温度を検出し（Ｓ２６０）、冷却水温度検出部１７０は冷却水の温度を検出する（Ｓ２７０）。
【００３８】
制御部５０は、検出値に基づいて基準ＮＯｘ量を検出し、この基準ＮＯｘ量をＥＧＲ率により一次的に補正し（Ｓ２８０）、一次的に補正された基準ＮＯｘ量を環境因子により２次的に補正する（Ｓ２９０）。
以下、基準ＮＯｘ量を一次的に補正する過程を詳述する。
図４に示したとおり、制御部５０は、エンジンの運転条件（ギヤ段数と、エンジン回転数および現在の燃料噴射量）による基準ＮＯｘ値を計算し（Ｓ３１０）、エンジンの運転条件によるＥＧＲのオフ時に（すなわち、ＥＧＲ弁が閉じた場合に）基準ＮＯｘ値を計算し（Ｓ３２０）、エンジンの運転条件による基準ＥＧＲ率を計算する（Ｓ３３０）。ステップＳ３１０〜Ｓ３３０は、所定のマップを用いて行う。すなわち、エンジンの運転条件による基準ＮＯｘ値、ＥＧＲオフ時の基準ＮＯｘ値および基準ＥＧＲ率がマップに保存されている。エンジンの各運転条件による基準ＮＯｘ値、ＥＧＲオフ時の基準ＮＯｘ値およびＥＧＲ率を測定し、これらの値をマップに保存する。
【００３９】
制御部５０は、現在のＥＧＲ率およびエンジンの運転条件による基準ＥＧＲ率からＥＧＲ率の偏差を計算し、このＥＧＲ率の偏差が０未満であるかどうかを判断する（Ｓ３４０）。ＥＧＲ率の偏差は、現在のＥＧＲ率から基準ＥＧＲ率を差し引くことにより計算する。
もし、ＥＧＲ率の偏差が０未満であれば、内挿法により基準ＮＯｘ値を補正し、ＥＧＲ率の偏差が０以上であれば、外挿法により基準ＮＯｘ値を補正する。このために、ステップＳ３５０およびＳ３６０においては、ＥＧＲ率の偏差を正規化する。
すなわち、ステップＳ３５０においては、［数１］により正規化されたＥＧＲ率偏差を計算する。
【００４０】
〔数１〕
正規化されたＥＧＲ率偏差＝ＥＧＲ率偏差／基準ＥＧＲ率
また、ステップＳ３６０においては、［数２］により正規化されたＥＧＲ率偏差を計算する。
〔数２〕
正規化されたＥＧＲ率偏差＝ＥＧＲ率偏差／（最大ＥＧＲ率−基準ＥＧＲ率）
【００４１】
ステップＳ３５０およびＳ３６０において、正規化されたＥＧＲ率偏差を計算した後、この正規化されたＥＧＲ率偏差の最大値および最小値を限定する（Ｓ３７０）。ここで、最大値は１であってもよく、最小値は−１であってもよい。
その後、制御部５０は、正規化されたＥＧＲ率偏差によるＥＧＲ係数を決定する（Ｓ３８０）。図６は、正規化されたＥＧＲ率偏差に対するＥＧＲ係数を示すグラフである。図６は、ＥＧＲ率偏差に対するＥＧＲ係数のいくつかの関係を例示するものであり、本発明がこれに限定されることはない。
【００４２】
ＥＧＲ係数を決定した後、制御部５０は、ＥＧＲ係数、ＥＧＲオフ時の基準ＮＯｘ値および基準ＮＯｘ値を用いて、内挿法または外挿法により、基準ＮＯｘ値を一次的に補正する（Ｓ３９０、Ｓ４００）。すなわち、ＥＧＲ率の偏差が０未満であれば、内挿法により基準ＮＯｘ量を補正し（Ｓ３９０）、ＥＧＲ率の偏差が０以上であれば、外挿法により基準ＮＯｘ量を補正する（Ｓ４００）。図７は、本発明の実施の形態を適用して、ＥＧＲ率によりＮＯｘ量を一次的に補正することを例示するグラフである。図７中、点線は実際のＮＯｘ値を示し、実線は基準ＮＯｘ値を内挿法または外挿法により補正した値を示す。なお、図７には基準ＮＯｘ値を内挿法または外挿法により直線状に補正した場合を例示したが、本発明はこれに限定されることはなく、基準ＮＯｘ値を多項式の形態に補正してもよい。
【００４３】
以下、図７に基づき、基準ＮＯｘ値を内挿法または外挿法により補正することを簡略に説明する。ここでは、ＥＧＲ係数が正規化されたＥＧＲ率偏差と同じ場合を例示している。
正規化されたＥＧＲ率偏差が−１であるときのＮＯｘ値はＥＧＲオフ時の基準ＮＯｘ値を示し、正規化されたＥＧＲ率偏差が０であるときのＮＯｘ値は基準ＮＯｘ値を示す。正規化されたＥＧＲ率偏差が−１と０との間にあるときのＮＯｘ値を内挿法により求めるために、ＥＧＲオフ時の基準ＮＯｘ値と基準ＮＯｘ値とを直線で結ぶ。また、正規化されたＥＧＲ率偏差が０と１との間にあるときのＮＯｘ値を外挿法により求めるために、基準ＮＯｘ値と正規化されたＥＧＲ率偏差が１であるときのＮＯｘ値（図７では、０）とを直線で結ぶ。上述した内挿法または外挿法により基準ＮＯｘ値を実際のＥＧＲ率により補正する。
【００４４】
その後、制御部５０は、１次的に補正された基準ＮＯｘ値を出力し（Ｓ２９５）、環境因子により１次的に補正された基準ＮＯｘ値を２次的に補正する（Ｓ２９０）。
図５に示したとおり、制御部５０は、第１、第２および第３の補正係数を算定する（Ｓ４２０、Ｓ４３０、Ｓ４４０）。第１の補正係数はエンジンの燃焼室に供給される総空気量と、エンジン回転数および現在の燃料噴射量に基づいて求められ、第２の補正係数はエンジン回転数と、現在の燃料噴射量および冷却水温度に基づいて求められ、第３の補正係数はエンジン回転数と、現在の燃料噴射量およびエンジン燃焼室に供給される吸入空気の温度に基づいて求められる。第１、第２および第３の補正係数は所定のマップから割り出される。
その後、制御部５０は、１次的に補正された基準ＮＯｘ値と、第１、第２および第３の補正係数とを用いて、基準ＮＯｘ値を２次的に補正する（Ｓ４５０、Ｓ４６０、Ｓ４７０）。基準ＮＯｘ値の２次補正は、一次的に補正された基準ＮＯｘ値に第１、第２および第３の補正係数を乗じて計算する。
最後に、制御部５０は、環境因子により補正されたＮＯｘ値を出力する（Ｓ３００）。
【００４５】
このようにして排ガスに含まれるＮＯｘ値を予測した後、制御部５０は、ＮＯｘ値により燃料の追加噴射または還元剤の噴射を制御する。これとは別に、制御部５０は、ＮＯｘ値によりエンジン１０の燃焼室に供給される空気への燃料の割合を制御することにより、燃焼雰囲気を調節する。
【００４６】
以上、本発明に関する好ましい実施例を説明したが、本発明は前記実施例に限定されず、本発明の属する技術的範囲を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。
【符号の説明】
【００４７】
１０      エンジン
１２      燃焼室
１４      第１のインジェクター
１６      排気マニホールド
１８      吸気マニホールド
２０      排気パイプ
２５      第１の酸素センサー
３０      パティキュレートフィルタ、煤煙ろ過装置
３２      燃料分解触媒
３５      第１の温度センサー
３６      第２の温度センサー
４０      窒素酸化物低減触媒
５０      制御部
５５      差圧センサー
６０      第３の温度センサー
６２      第２の酸素センサー
６５      第４の温度センサー
７０      第３の酸素センサー
８０      排ガス再循環（ＥＧＲ）装置
９０      第２のインジェクター
１００      ギヤ段数検出部
１１０      ＥＧＲ率検出部
１２０      エンジン回転数検出部
１３０      燃料噴射量検出部
１４０      吸入空気量検出部
１５０      ＥＧＲ量検出部
１６０      吸入空気温度検出部
１７０      冷却水温度検出部
【図１】
0005714919.tif 000002
【図２】
0005714919.tif 000003
【図３】
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【図４】
0005714919.tif 000005
【図５】
0005714919.tif 000006
【図６】
0005714919.tif 000007
【図７】
0005714919.tif 000008