(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディーゼル機関の排気経路に設けられたＮＯｘ触媒と、該ＮＯｘ触媒の上流側の排気経路中に還元剤を供給する供給手段と、その還元剤供給量を予め記憶しておいた所定のマップに基づきフィードフォワード制御する供給量制御手段とを備え、
上記マップが、ＳＶ値毎に作成され、排気温度に応じたＮＯｘ低減率が予め記憶された複数の第１のマップと、ＮＯｘ濃度毎に作成され、ＮＯｘ低減率に応じた還元剤供給量が予め記憶された複数の第２のマップとを含み、
上記供給量制御手段は、現在のＳＶ値に対応する上記第１のマップに、現在の排気温度を入力してＮＯｘ低減率を求め、現在のＮＯｘ触媒上流側のＮＯｘ濃度に対応する上記第２のマップに、上記第１のマップを用いて求めたＮＯｘ低減率を入力して還元剤供給量を求めることを特徴とするディーゼル機関の触媒式排気浄化装置。
【請求項２】
上記還元剤が尿素又はアンモニアを含むものである請求項１記載のディーゼル機関の触媒式排気浄化装置。
【請求項３】
上記供給手段による還元剤供給の際に還元剤を霧化するための超音波振動手段と、該超音波振動手段の振動数を予め記憶しておいた第３のマップに基づき制御する振動数制御手段とをさらに備え、上記第３のマップが、現在の排気温度に基づき上記振動数を求めるものである請求項１又は２記載のディーゼル機関の触媒式排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼル機関の排気ガス中に含まれるＮＯｘを還元分解するディーゼル機関の触媒式排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は以前、軽油を還元剤とする銅ゼオライト系のＮＯｘ触媒を用い、ディーゼル機関の排気ガス中に含まれるＮＯｘを浄化する装置を提案した（特開平4-330314号公報）。
【０００３】
しかし、軽油を還元剤とした場合は、せいぜい２０％程度のＮＯｘ低減率しか得られなかった。
【０００４】
これに対し、還元剤に尿素を用いると、特定温度域では６０％以上もの高いＮＯｘ低減率が得られることが分かった。よってこれの実用化に向けて現在開発が推進されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、還元剤に尿素を用いると、添加量過多の場合にアンモニアが外部に排出されたり、触媒が活性温度域から外れてしまった場合に尿素が外部に排出されたりして、刺激臭が発生するという問題がある。従って、尿素の添加量を厳密に管理することが実用化の上で極めて重要となっている。
【０００６】
これに対し、実公平7-12660 号公報では、触媒の下流側に尿素濃度センサを設け、その検出濃度に応じて尿素供給量をフィードバック制御している。しかし、実際のエンジン運転状態が絶えず変化しているため、フィードバック制御だと制御遅れが大きく、過渡運転時等に供給量と実際のエンジン運転状態とがマッチせず、かえって逆効果となる場合がある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るディーゼル機関の触媒式排気浄化装置は、ディーゼル機関の排気経路に設けられたＮＯｘ触媒と、このＮＯｘ触媒の上流側の排気経路中に還元剤を供給する供給手段と、その還元剤供給量を予め記憶しておいた所定のマップに基づきフィードフォワード制御する供給量制御手段とを備え、上記マップが、ＳＶ値毎に作成され、排気温度に応じたＮＯｘ低減率が予め記憶された複数の第１のマップと、ＮＯｘ濃度毎に作成され、ＮＯｘ低減率に応じた還元剤供給量が予め記憶された複数の第２のマップとを含み、上記供給量制御手段は、現在のＳＶ値に対応する上記第１のマップに、現在の排気温度を入力してＮＯｘ低減率を求め、現在のＮＯｘ触媒上流側のＮＯｘ濃度に対応する上記第２のマップに、上記第１のマップを用いて求めたＮＯｘ低減率を入力して還元剤供給量を求めるものである。
【０００８】
これにおいては、還元剤供給量を所定のマップ（第１及び第２のマップ）に基づきフィードフォワード制御するため、制御遅れを改善し、エンジン過渡時等においても高応答の供給量制御を実現できる。また、排気温度及びＳＶ値に応じたＮＯｘ低減率を踏まえた還元剤供給量となるため、還元剤の過剰供給を確実に防止し、尿素やアンモニア等の還元剤排出を確実に防止することができる。
【０００９】
ここで、上記還元剤が尿素又はアンモニアを含むものであるのが好ましい。
【００１１】
また、上記供給手段による還元剤供給の際に還元剤を霧化するための超音波振動手段と、この超音波振動手段の振動数を予め記憶しておいた第３のマップに基づき制御する振動数制御手段とをさらに備え、上記第３のマップが、現在の排気温度に基づき上記振動数を求めるものであるのが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１３】
図７は車両等に搭載されるディーゼルエンジン１の排気系２を示す。図示するように、排気管路３の一部が拡径されて触媒室４が形成されており、そこにＮＯｘ触媒５が設けられている。ＮＯｘ触媒５はいわゆる選択還元触媒（ＳＣＲ触媒）で、還元雰囲中でＮＯｘを還元処理できるようになっている。このＮＯｘ触媒５の活性成分はＴｉＯ2 ／ＳｉＯ2 ／Ｖ2 Ｏ5 である。ＮＯｘ触媒５の上流側の排気経路に供給手段７、ＮＯｘセンサ６及び排気温センサ２２が上流側から順に設けられている。ＮＯｘセンサ６は排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するためのもの、排気温センサ２２は排気温度を検出するためのものである。
【００１４】
図８に示すように、供給手段７はインジェクタ９からなり、インジェクタ９は排気経路内に向けて還元剤としての尿素を噴射供給する。ただしここでは超音波振動手段としての超音波振動噴射弁８が併用され、インジェクタ９から噴射された直後の尿素を超音波振動により霧化して排気経路内にスプレーするようになっている。なお、ここでいう尿素とは一定濃度に希釈された尿素水溶液を意味する。ここでの尿素と水の比率は３５：６５である。
【００１５】
インジェクタ９には、ポンプ１０によって尿素タンク１１から汲み出された尿素が、流量計１２および尿素分配管１３を経由して供給されるようになっている。図中１４は、インジェクタ９への燃圧を所定値に保つ調圧弁であり、余った尿素は返却管１５を介して尿素タンク１１へ戻されるようになっている。インジェクタ９は、インジェクタドライブユニット１６から電力供給を受けて開閉されるようになっている。他方、超音波振動噴射弁８は、スリーブ１７とそのスリーブ１７内を超音波振動する振動子１８とからなっている。この振動子１８は、その上端が超音波トランスデューザ１９に接続されており、トランスデューザ１９の振動に伴って超音波振動するようになっている。超音波トランスデューザ１９は超音波ジェネレータ２０から電力供給を受け、電流値の変動に合わせて振動する。
【００１６】
図７に示すように、エンジン１の吸気マニホールドの入口部に空気量センサ２３が設けられる。空気量センサ２３はエンジン１に吸い込まれる吸気流量を検出するためのもので、エアフローメータで構成されている。
【００１７】
ＮＯｘセンサ６、排気温センサ２２、空気量センサ２３、インジェクタドライブユニット１６及び超音波トランスデューザ１９がコントロールユニット２１に接続される。コントロールユニット２１は後述の手順に従ってインジェクタ９の尿素噴射量と超音波振動噴射弁８の振動数とを制御する。
【００１８】
図１はコントロールユニット２１が実行する尿素噴射量制御及び振動数制御のフローチャートである。この制御は一定時間間隔毎に行われる。コントロールユニット２１は図２〜図４に示すマップ１〜３（第１乃至第３のマップ）を予め記憶している。これらマップ１〜３は実機試験等により作成される。
【００１９】
まず、コントロールユニット２１は、ステップ１０１で、空気量センサ２３の出力に基づきエンジン１の吸気流量ＱAIR を、排気温センサ２２の出力に基づきＮＯｘ触媒５入口側の排気温度Ｔexを、ＮＯｘセンサ６の出力に基づきＮＯｘ触媒５入口側のＮＯｘ濃度ＮＯｘinを、それぞれ計算して読み込む。次に、ステップ１０２で、ＱAIR の値からＳＶ値を計算した後、図２に示す三次元マップ１から、ＳＶ値とＴexとの値に基づき目標とするＮＯｘ低減率ＲNOx を読み取る。
【００２０】
次に、ステップ１０３で、このＮＯｘ低減率ＲNOx とＮＯｘinとの値に基づき、図３に示す三次元マップ２から、目標とする尿素供給量Ｑureaを読み取る。この後ステップ１０４で、図４に示す二次元マップ３から、Ｔexの値に基づき超音波振動噴射弁８の目標振動数Ｚinj を読み取る。
【００２１】
こうして目標尿素供給量Ｑureaと目標振動数Ｚinj とを求めたならば、次のステップ１０５でＱureaとＺinj とに見合う信号をそれぞれインジェクタドライブユニット１６と超音波トランスデューザ１９とに送出する。こうすればインジェクタ９がその尿素供給量Ｑureaの尿素を噴射し、超音波振動噴射弁８がその振動数Ｚinj で振動し、現在のエンジン運転状態における最適な尿素供給及び振動を行えるのである。
【００２２】
このように、本装置ではコントロールユニット２１が本発明にいう供給量制御手段及び振動数制御手段を構成している。
【００２３】
上記において、ＳＶとはスペースヴェロシティ(Space Velocity)の略語で、ＳＶ値とはエンジン１の排気流量をＮＯｘ触媒５の容積（一定値）で除した値ないし比である。ここでは排気流量を吸気流量ＱAIR に等しいとみなしてＳＶ値の計算を行っている。例えばＳＶ＝30000 はエンジンの通常運転時、ＳＶ＝60000 はエンジンの高速運転時の値である。マップ１は例えばＳＶ＝10000 毎に作成される。特に、吸気流量ＱAIR を空気量センサ２３で直接測定して排気流量としているので、排気流量をエンジン回転速度から計算で間接的に求める実公平7-12660 号公報より高精度の値が得られる。
【００２４】
ＮＯｘ低減率とは、ＮＯｘ触媒５の入口側のＮＯｘ濃度を出口側のＮＯｘ濃度で除した値ないし比である。図５及び図６に示すように、ＮＯｘ低減率、排気温度及びＳＶ値には一定の相関関係があり、ＮＯｘ低減率は排気温度及びＳＶ値に依存する。従って、マップ１は、現在のＳＶ値及び排気ガス温度Ｔexに基づきＲNOx を求めるものとなっている。
【００２５】
こうして目標とするＲNOx が分かり、ＮＯｘ触媒入口側のＮＯｘ濃度ＮＯｘinが分かると、マップ２により目標尿素供給量Ｑureaが一義的に決まる。即ち、一定量のＮＯｘに対し、これを消失させるのに必要な尿素量はこれらの当量比によって定まる。ＲNOx が一定でも、ＮＯｘinの値に応じて消失させるべきＮＯｘ量が変化するので、これに応じて必要な尿素量も変わる。マップ２は、この必要な尿素量を予め実験等で求めたものである。マップ２を用いることにより、ＲNOx とＮＯｘinとの値から最適なＱureaを一義的に求めることができる。これにより実際のエンジン運転状態に即した正確な尿素供給量を容易に得ることが可能となる。なお、マップ２は所定のＮＯｘin毎に作成されている。
【００２６】
一方、排気温度の高低に応じて尿素の蒸発速度が変わるため、ここでは排気温度に応じて超音波振動噴射弁８の振動数を変え、尿素の霧化状態を変化させるようにしている。具体的には、マップ３の如く、排気ガス温度Ｔexが低いほど振動数Ｚinj を高くし、霧化を促進して蒸発を容易にしている。これにより低温時でも確実に触媒での反応を行える。なお霧化する排気ガス温度域は 100〜800 ℃で、ほぼ全域である。振動数は20〜2000kHz の範囲で変化させるようにしている。
【００２７】
このように、本装置では、還元剤としての尿素の供給量を、実機試験等で作成されたマップ１，２に基づき、フィードフォワード制御ないしオープン制御するため、制御遅れを改善し、エンジン過渡時等においても高応答の供給量制御を実現できる。また過剰量の供給が確実に防止され、尿素やアンモニア排出による刺激臭発生の問題も確実に解消できる。特にパラメータとして排気温度Ｔexを用い、触媒が活性温度域外となるような排気温度のときは尿素の供給を中止し、尿素の排出を防止している。
【００２８】
本装置では温度パラメータとして触媒入口側の排気温度Ｔexを用いている。これに対し、実公平7-12660 号公報では触媒温度を直接測定し、これを温度パラメータに用いている。後者だと、触媒の反応温度が加味されてしまい、パラメータとしての正確性、再現性が期待し難い。前者ではそのようなことがないため、本装置は従来装置より有利といえる。
【００２９】
一方、本装置では超音波振動噴射弁８で尿素を霧化して噴射している。またその噴射方向も排気経路長手方向と直交する方向としている。これにより尿素を排気ガス中に均一に混合させられ、ＮＯｘ触媒５に対する尿素の分布も均一となり、触媒中での局部的反応を防止できる。なお、実公平7-12660 号公報ではＮＯｘ触媒の中心部に向けてノズルから還元剤を噴射するため、中心部の濃度が濃くなり、局部的反応となってしまう。本装置はこれを防止し、触媒全体で効率よく還元反応を行える。
【００３０】
なお、本装置ではＮＯｘセンサ６を供給手段７の下流側に位置付け、できるだけ下流側として排気ガスの熱からセンサを保護すると共に、尿素による冷却をも行い、さらなる熱的保護を図っている。
【００３１】
以上、本発明の実施の形態は上述のものに限られない。例えば還元剤は実公平7-12660 号公報と同様にアンモニアを含むものとすることもできる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、尿素やアンモニア排出による刺激臭発生の問題を確実に解消できると共に、制御遅れを改善し、エンジン過渡時等においても高応答の還元剤供給量制御を実現できるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る触媒式排気浄化装置の制御内容を示すフローチャートである。
【図２】マップ１を示す図である。
【図３】マップ２を示す図である。
【図４】マップ３を示す図である。
【図５】排気温度とＮＯｘ低減率との関係を示すグラフで、ＳＶ値が低いときのものである。
【図６】排気温度とＮＯｘ低減率との関係を示すグラフで、ＳＶ値が高いときのものである。
【図７】本発明に係る触媒式排気浄化装置の全体構成図である。
【図８】供給手段の構成図である。
【符号の説明】
１  ディーゼルエンジン
３  排気管路
５  ＮＯｘ触媒
６  ＮＯｘセンサ
７  供給手段
８  超音波振動噴射弁
９  インジェクタ
２１  コントロールユニット
２２  排気温センサ
ＮＯｘin  ＮＯX 濃度
Ｑurea  尿素供給量
ＲNOx   ＮＯX 低減率
Ｔex  排気温度
Ｚinj   振動数
【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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【図７】
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【図８】
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