(57)【要約】【課題】ＮＯx選択還元触媒のアンモニア吸着量を正確に検出する。【解決手段】機関排気通路内にＮＯx選択還元触媒１５を配置し、ＮＯx選択還元触媒１５に尿素を供給してこの尿素から発生するアンモニアをＮＯx選択還元触媒１５に吸着させ、主にこの吸着されたアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯxを選択的に還元する。機関アイドリング運転時に排気ガスの再循環を停止することにより機関から排出されるＮＯx量を増大し、このときのＮＯx選択還元触媒１５によるＮＯx浄化率からＮＯx選択還元触媒１５に吸着されているアンモニア吸着量を検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関排気通路内にＮＯx選択還元触媒を配置し、該ＮＯx選択還元触媒に尿素を供給して該尿素から発生するアンモニアをＮＯx選択還元触媒に吸着させ、主にこの吸着されたアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯxを選択的に還元するようにした内燃機関の排気浄化装置において、機関アイドリング運転時に機関から排出されるＮＯx量を増大し、このときのＮＯx選択還元触媒によるＮＯx浄化率からＮＯx選択還元触媒に吸着されているアンモニア吸着量を検出するようにした内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
機関アイドリング運転時に排気ガスの再循環を停止することにより機関から排出されるＮＯx量が増大せしめられる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
機関アイドリング運転時において排気ガスの再循環が停止された状態で機関の運転状態が予め定められた運転状態になったときのＮＯx選択還元触媒へのアンモニア吸着量とＮＯx選択還元触媒からの排出ＮＯx濃度との関係が予め記憶されており、機関アイドリング運転時において機関の運転状態が該予め定められた運転状態になったときには排気ガスの再循環を停止してＮＯx選択還元触媒からの排出ＮＯx濃度が検出され、検出された該排出ＮＯx濃度に基づき上記関係からＮＯx選択還元触媒に吸着されているアンモニア吸着量が検出される請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
上記機関の運転状態が燃料噴射量であり、上記予め定められた運転状態が目標噴射量である請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
ＮＯx選択還元触媒下流の機関排気通路内にＮＯx選択還元触媒からの排出ＮＯx濃度を検出するためのＮＯxセンサが配置されている請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
ＮＯx選択還元触媒に吸着されているアンモニア吸着量を算出する算出手段を具備しており、該算出手段により算出されたアンモニア吸着量が上記検出されたアンモニア吸着量によって更新される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
機関排気通路内にＮＯx選択還元触媒を配置し、ＮＯx選択還元触媒に尿素を供給してこの尿素から発生するアンモニアをＮＯx選択還元触媒に吸着させ、この吸着されたアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯxを選択的に還元するようにした内燃機関が公知である（例えば特許文献１を参照）。ところでこのようにＮＯx選択還元触媒に吸着されたアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯxを選択的に還元するようにした場合にはＮＯx選択還元触媒に吸着しているアンモニア量を推定することが必要となる。
【０００３】
そこで上述の内燃機関ではＮＯx選択還元触媒の上流側と下流側に夫々ＮＯxセンサを配置して機関の運転状態が一定となる機関の定常運転状態のときにこれらＮＯxセンサの検出値からＮＯx選択還元触媒におけるＮＯx浄化率を求め、このＮＯx浄化率と機関からの排出ＮＯx量からＮＯx選択還元触媒においてＮＯxを還元するために消費される吸着アンモニア量を算出し、この吸着アンモニアの消費量と尿素の供給量からＮＯx選択触媒に吸着されている吸着アンモニア量を推定するようにしている。
【特許文献１】特開２００３−３１４２５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このように上述の内燃機関では機関の運転状態が一定となる機関の定常運転状態のときにＮＯx浄化率を求めて吸着アンモニア量を推定しているがこの場合、機関の運転状態が最も一定となる機関の定常運転状態はアイドリング運転時である。しかしながらアイドリング運転時には機関からほとんどＮＯxが排出されないのでアイドリング運転時にＮＯx浄化率を求めるのは困難であり、従って吸着アンモニア量を推定するのは困難であるという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記問題を解決するために本発明によれば、機関排気通路内にＮＯx選択還元触媒を配置し、ＮＯx選択還元触媒に尿素を供給してこの尿素から発生するアンモニアをＮＯx選択還元触媒に吸着させ、主にこの吸着されたアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯxを選択的に還元するようにした内燃機関の排気浄化装置において、機関アイドリング運転時に機関から排出されるＮＯx量を増大し、このときのＮＯx選択還元触媒によるＮＯx浄化率からＮＯx選択還元触媒に吸着されているアンモニア吸着量を検出するようにしている。
【発明の効果】
【０００６】
機関アイドリング運転時に機関から排出されるＮＯx量を増大することによってアンモニア吸着量を検出することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。
図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドを夫々示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結され、コンプレッサ７ａの入口は吸入空気量検出器８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁１０が配置され、更に吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１１内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
【０００８】
一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結され、排気タービン７ｂの出口は酸化触媒１２の入口に連結される。この酸化触媒１２の下流には酸化触媒１２に隣接して排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するためのパティキュレートフィルタ１３が配置され、このパティキュレートフィルタ１３の出口は排気管１４を介してＮＯx選択還元触媒１５の入口に連結される。このＮＯx選択還元触媒１５の出口には酸化触媒１６が連結される。
【０００９】
ＮＯx選択還元触媒１５上流の排気管１４内には尿素水溶液供給弁１７が配置され、この尿素水溶液供給弁１７は供給管１８、供給ポンプ１９を介して尿素水溶液タンク２０に連結される。尿素水溶液タンク２０内に貯蔵されている尿素水溶液は供給ポンプ１９によって尿素水溶液供給弁１７から排気管１４内を流れる排気ガス中に噴射され、尿素から発生したアンモニア（（ＮＨ2）2ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→２ＮＨ3＋ＣＯ2）によって排気ガス中に含まれるＮＯxがＮＯx選択還元触媒１５において還元される。
【００１０】
排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路２１を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２１内には電子制御式ＥＧＲ制御弁２２が配置される。また、ＥＧＲ通路２１周りにはＥＧＲ通路２１内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２３が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２３内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管２４を介してコモンレール２５に連結され、このコモンレール２５は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２６を介して燃料タンク２７に連結される。燃料タンク２７内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ２６によってコモンレール２５内に供給され、コモンレール２５内に供給された燃料は各燃料供給管２４を介して燃料噴射弁３に供給される。
【００１１】
電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。ＮＯx選択還元触媒１５にはＮＯx選択還元触媒１５の床温を検出するための温度センサ２８が取付けられ、更にＮＯx選択還元触媒１５の下流側には排気ガス中のＮＯx濃度を検出するためのＮＯxセンサ２９が配置される。これら温度センサ２８、ＮＯxセンサ２９および吸入空気量検出器８の出力信号は夫々対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。
【００１２】
一方、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０の駆動用ステップモータ、尿素水溶液供給弁１７、供給ポンプ１９、ＥＧＲ制御弁２２および燃料ポンプ２６に接続される。
【００１３】
酸化触媒１２は例えば白金のような貴金属触媒を担持しており、この酸化触媒１２は排気ガス中に含まれるＮＯをＮＯ2に転換する作用と排気ガス中に含まれるＨＣを酸化させる作用をなす。一方、パティキュレートフィルタ１３としては触媒を担持していないパティキュレートフィルタを用いることもできるし、例えば白金のような貴金属触媒を担持したパティキュレートフィルタを用いることもできる。また、ＮＯx選択還元触媒１５は低温で高いＮＯx浄化率を有するアンモニア吸着タイプのＦｅゼオライトから構成されている。酸化触媒１６は例えば白金からなる貴金属触媒を担持しており、この酸化触媒１６はＮＯx選択還元触媒１５から漏出したアンモニアを酸化する作用をなす。
【００１４】
図２は飽和状態にあるＮＯx選択還元触媒１５へのアンモニア吸着量、即ち飽和吸着量Ｑｔを示している。本発明ではＮＯx選択還元触媒１５に吸着されたアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯxを選択的に還元するようにしており、この場合にはＮＯx選択還元触媒１５に吸着しているアンモニア量を飽和状態にしておくと最大のＮＯx浄化率が得られることが知られている。従って本発明による実施例ではこのアンモニアの飽和吸着量Ｑｔが目標アンモニア吸着量とされている。図２に示されるようにこの目標アンモニア吸着量ＱｔはＮＯx選択還元触媒１５の床温ＴＣの関数であり、床温ＴＣが高くなるほどこの目標アンモニア吸着量Ｑｔは低下する。本発明による実施例では通常はＮＯx選択還元触媒１５へのアンモニア吸着量がこの目標アンモニア吸着量Ｑｔとなるように尿素の供給が制御される。
【００１５】
そこでまず初めに図３を参照しつつ通常行われている機関の運転制御について説明する。なお、この運転制御は一定時間毎の割込みによって実行される。
図３を参照するとまず初めにステップ５０において燃料噴射弁３からの燃料噴射制御が行われる。次いでステップ５１ではＥＧＲ制御弁２２の開度を目標開度に制御するＥＧＲ制御が行われる。次いでステップ５２では燃焼室２から単位時間当り排出される排出ＮＯx量ＮＯＸＡが算出される。この排出ＮＯx量ＮＯＸＡは図４（Ａ）に示されるように要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００１６】
次いでステップ５３ではＮＯx選択還元触媒１５におけるＮＯx浄化率Ｒが算出される。このＮＯx浄化率Ｒは図４（Ｂ）に示されるようにＮＯx選択還元触媒１５の床温ＴＣの関数であり、更に排気ガス量、即ち吸入空気量Ｇａに応じて変化する。このＮＯx浄化率Ｒは図４（Ｃ）に示されるように吸入空気量ＧａおよびＮＯx選択還元触媒１５の床温ＴＣの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００１７】
次いでステップ５４では排出ＮＯx量ＮＯＸＡとＮＯx浄化率ＲからＮＯxを還元するために単位時間当り消費された吸着アンモニア量ＮＤが算出される。次いでステップ５５では尿素の形で単位時間当り供給される供給アンモニア量ＮＩが算出される。次いでステップ５６ではＮＯx選択還元触媒１５のアンモニア吸着量ΣＮＨ3（ΣＮＨ3＋ＮＩ−ＮＤ）が算出される。次いでステップ５７ではこのアンモニア吸着量ΣＮＨ3が目標アンモニア吸着量Ｑｔよりも大きいか否かが判別される。ΣＮＨ3＜Ｑｔのときにはステップ５８に進んで尿素が供給され、ΣＮＨ3≧Ｑｔのときにはステップ５９に進んで尿素の供給が停止される。
【００１８】
さて、通常は上述の如くアンモニア吸着量ΣＮＨ3が求められ、このアンモニア吸着量ΣＮＨ3に基づいて尿素の供給制御が行われている。このアンモニア吸着量ΣＮＨ3は計算上の値であり、従ってこのアンモニア吸着量ΣＮＨ3が実際のアンモニア吸着量を正確に表しているか否かを時折チェックする必要がある。そこで本発明では機関の運転状態が最も一定となるアイドリング運転時にアンモニア吸着量を検出し、この検出されたアンモニア吸着量に基づいて算出されているアンモニア吸着量ΣＮＨ3をチェックするようにしている。
【００１９】
ところでアンモニア吸着量を求めるには或る程度の量のＮＯxが機関から排出されていることが必要である。しかしながらアイドリング運転時には機関から少量のＮＯxしか排出されない。そこで本発明では機関アイドリング運転時に機関から排出されるＮＯx量を増大し、このときのＮＯx選択還元触媒１５によるＮＯx浄化率からＮＯx選択還元触媒１５に吸着されているアンモニア吸着量を検出するようにしている。
【００２０】
この場合、ＥＧＲガスの供給を停止すると燃焼温度が高くなって機関から排出されるＮＯx量が増大し、アイドリング時であってもアンモニア吸着量を検出するのに十分な量のＮＯxが機関から排出される。従って本発明による実施例では機関アイドリング運転時にＥＧＲガスの供給を停止、即ち排気ガスの再循環を停止することにより機関から排出されるＮＯx量を増大させるようにしている。
【００２１】
さて、アイドリング運転時においてＥＧＲガスの供給が停止された状態で機関の運転状態が予め定められた運転状態になると、例えば燃料噴射量が予め定められた噴射量となり、機関回転数が予め定められた機関回転数になると機関から排出されるＮＯx量は同じＮＯx量となる。従ってこのときのＮＯx選択還元触媒１５へのアンモニア吸着量とＮＯx選択還元触媒１５からの排出ＮＯx濃度との関係を予め実験により求めておけばＮＯx選択還元触媒１５からの排出ＮＯx濃度を検出することにより上述の関係からＮＯx選択還元触媒１５に吸着されているアンモニア吸着量を検出することができることになる。
【００２２】
そこで本発明では、機関アイドリング運転時においてＥＧＲガスの供給が停止された状態で機関の運転状態が予め定められた運転状態になったときのＮＯx選択還元触媒１５へのアンモニア吸着量とＮＯx選択還元触媒１５からの排出ＮＯx濃度との関係を予め記憶しておき、機関アイドリング運転時において機関の運転状態がこの予め定められた運転状態になったときにはＥＧＲガスの供給を停止してＮＯx選択還元触媒１５からの排出ＮＯx濃度を検出し、検出された排出ＮＯx濃度に基づき上述の関係からＮＯx選択還元触媒１５に吸着されているアンモニア吸着量を検出するようにしている。
【００２３】
ところでこの場合、アイドリング運転時における機関からの排出ＮＯx濃度は燃料噴射量でほぼ決まり、従って本発明による実施例では機関アイドリング運転時においてＥＧＲガスの供給が停止された状態で燃料噴射量が予め定められた目標値になったときのＮＯx選択還元触媒１５へのアンモニア吸着量とＮＯx選択還元触媒１５からの排出ＮＯx濃度との関係が予め記憶されている。なお、以下発明を理解しやすくするためにＮＯx選択還元触媒１５の床温がアンモニア脱離温度以下の場合を例にとって説明する。
【００２４】
図５（Ａ）は、機関アイドリング運転時においてＥＧＲガスの供給が停止された状態で燃料噴射量が予め定められた目標値になったときのＮＯx選択還元触媒１５へのアンモニア吸着量とＮＯx選択還元触媒１５によるＮＯx浄化率との関係を示している。なお、図５（Ａ）においてＴＣ1〜ＴＣ4はＮＯx選択還元触媒１５の床温を示しており、この床温はＴＣ1＜ＴＣ2＜ＴＣ3＜ＴＣ4の関係にある。従って図５（Ａ）からＮＯx浄化率はアンモニア吸着量が多いほど高くなり、ＮＯx選択還元触媒１５の床温が高くなるほど高くなることがわかる。
【００２５】
また、機関アイドリング運転時においてＥＧＲガスの供給が停止された状態で燃料噴射量が予め定められた目標値になったときには機関からの排出ＮＯx量は常に一定量となり、従ってこのときＮＯx浄化率が高くなればＮＯx選択還元触媒１５から排出される排出ＮＯx量は少なくなるのでこのときのＮＯx選択還元触媒１５へのアンモニア吸着量とＮＯx選択還元触媒１５からの排出ＮＯx濃度との関係は図５（Ｂ）に示されるようになる。即ち、図５（Ｂ）からわかるように排出ＮＯx濃度はアンモニア吸着量が多いほど低くなり、ＮＯx選択還元触媒１５の床温が高くなるほど低くなる。
【００２６】
本発明による実施例ではＮＯxセンサ２９によってＮＯx選択還元触媒１５からの排出ＮＯx濃度が検出され、この検出された排出ＮＯx濃度とＮＯx選択還元触媒１５の床温から図５（Ｂ）に示される関係に基づいてアンモニア吸着量が求められる。例えば図５（Ｂ）において検出された排出ＮＯx濃度がＮＤであり、このときＮＯx選択還元触媒１５の床温がＴＣ3であったとするとアンモニア吸着量はＮＸとなる。一方、ＮＯx選択還元触媒１５の床温がアンモニア脱離温度よりも高いときにはアンモニア吸着量が減少するのでＮＯx浄化率は低下し、排出ＮＯx量は増大する。本発明による実施例ではあらゆる床温におけるＮＯx選択還元触媒１５へのアンモニア吸着量とＮＯx選択還元触媒１５からの排出ＮＯx濃度との関係が予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００２７】
図６にアンモニア吸着量の検出ルーチンを示す。
図６を参照するとまず初めにステップ６０においてアイドリング運転時であるか否かが判別される。アイドリング運転時であるときにはステップ６１に進んで燃料噴射量が目標値であるか否かが判別される。燃料噴射量が目標値であるときにはステップ６２に進んでＮＯx選択還元触媒１５の床温ＴＣがアンモニアをあまり吸着しえない上限温度ＴＣ0よりも低いか否かが判別される。ＴＣ＜ＴＣ0のときにはステップ６３に進む。
【００２８】
ステップ６３ではＥＧＲ制御弁２２が全閉せしめられ、それによってＥＧＲガスの供給が停止される。次いでステップ６４では尿素水溶液供給弁１７からの尿素の供給が停止される。次いでステップ６５ではＮＯxセンサ２９によりＮＯx選択還元触媒１５からの排出ＮＯx濃度が検出される。次いでステップ６６ではこの検出ＮＯx濃度に基づいてＲＯＭ３２内に記憶された関係からアンモニア吸着量が検出される。次いでステップ６７では図３に示す運転制御ルーチンにおいて用いられているアンモニア吸着量ΣＮＨ3がステップ６６において検出されたアンモニア吸着量とされる。即ち、図３に示す運転制御ルーチンにおいて算出されたアンモニア吸着量が検出されたアンモニア吸着量によって更新せしめられる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】圧縮着火式内燃機関の全体図である。
【図２】アンモニアの飽和吸着量Ｑｔを示す図である。
【図３】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図４】排出ＮＯx量ＮＯＸＡのマップ等を示す図である。
【図５】ＮＯx選択還元触媒へのアンモニア吸着量とＮＯx選択還元触媒からの排出ＮＯx濃度との関係等を示す図である。
【図６】アンモニア吸着量を検出するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００３０】
４    吸気マニホルド
５    排気マニホルド
７    排気ターボチャージャ
１２，１６    酸化触媒
１３    パティキュレートフィルタ
１５    ＮＯx選択還元触媒
１７    尿素水溶液供給弁
２９    ＮＯxセンサ
【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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