JP4261393B2

JP4261393B2 - 排気浄化装置の制御方法

Info

Publication number: JP4261393B2
Application number: JP2004073909A
Authority: JP
Inventors: 博舟橋
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2004-03-16
Filing date: 2004-03-16
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2024-03-16
Also published as: JP2005264731A

Description

本発明は、排気浄化装置の制御方法に関するものである。

従来より、ディーゼルエンジンにおいては、排出ガスが流通する排気管の途中に、酸素共存下でも選択的にＮＯxを還元剤と反応させる性質を備えた選択還元型触媒を装備し、該選択還元型触媒の上流側に必要量の還元剤を添加して該還元剤を選択還元型触媒上で排出ガス中のＮＯx（窒素酸化物）と還元反応させ、これによりＮＯxの排出濃度を低減し得るようにしたものがある。

他方、プラントなどにおける工業的な排煙脱硝処理の分野では、還元剤にアンモニア（ＮＨ₃）を用いてＮＯxを還元浄化する手法の有効性が既に広く知られているところであるが、自動車の場合には、アンモニアそのものを搭載して走行することに関し安全確保が困難であるため、近年においては、毒性のない尿素水を還元剤として使用することが研究されている（例えば、特許文献１や特許文献２参照）。
特開２００２−１６１７３２号公報特開２００２−１６６１３０号公報

即ち、尿素水を選択還元型触媒の上流側で排出ガス中に添加すれば、約１７０℃以上の温度条件下で前記尿素水がアンモニアと炭酸ガスに分解され、選択還元型触媒上で排出ガス中のＮＯxがアンモニアにより良好に還元浄化されることになる。

しかしながら、この種の選択還元型触媒においては、尿素水の添加直後にエンジンの運転状態の過渡変化（ガス流速の変化、触媒床温度の変化）が生じて触媒活性が低下したような場合に、選択還元型触媒に尿素水（アンモニア）の一部が余剰分として貯溜されて残ることがあるが、このように選択還元型触媒に貯溜されて残る添加残量を推定して新たな尿素水の添加量を制御することまでは検討されていなかった。

このため、単純にＮＯxの発生量に応じて尿素水の添加量を増減するだけでは、既に選択還元型触媒に十分な量の尿素水が貯溜されているような場合に、尿素水の添加量が過剰となり、反応に寄与しない余剰の尿素水を選択還元型触媒に溜めきれずに車外へアンモニアガスなどとして排出させてしまう懸念があった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、選択還元型触媒に貯溜されて残る還元剤の添加残量を求めて該還元剤の添加量を適切に制御し得るようにした排気浄化装置の制御方法を提供することを目的としている。

本発明は、排気管の途中に選択還元型触媒を装備し且つ該選択還元型触媒の上流側に還元剤添加手段により還元剤を添加してＮＯxを還元浄化するようにした排気浄化装置の制御方法であって、エンジンの運転状態に応じてＮＯx発生量を推定し且つその推定値に見合う還元剤の添加予定量を決定する一方、還元剤の添加後の経過時間と排気温度又は触媒床温度とに基づいて、還元剤の反応消費と蒸発とを考慮した単位時間当たりの低減係数を、該低減係数と排気温度又は触媒床温度との対応関係のマップから読み出し、その読み出した低減係数を経過時間と乗算して減少量を算出し、該減少量を直近の還元剤の実添加量から減算して添加残量を求め、該添加残量を次回の還元剤の添加予定量から減算して実添加量を決定し、該実添加量を前記還元剤添加手段への添加指示値とすることを特徴とするものである。

而して、このようにすれば、前回の還元剤の添加で選択還元型触媒に残っている還元剤の添加残量を求め、その添加残量を次回の還元剤の添加予定量から減算して実添加量を決定し、該実添加量を前記還元剤添加手段への添加指示値としているので、既に選択還元型触媒に十分な量の還元剤が貯溜されていたとしても、その添加残量を考慮した実添加量に補正されて還元剤が還元剤添加手段により添加されることになり、該還元剤の殆どがＮＯxの還元浄化反応に効率良く使用されて余剰しなくなるので、反応に寄与しない余剰の還元剤を選択還元型触媒に溜めきれずに車外へ排出させてしまう事態が起こらなくなる。

更に、本発明においては、エンジンを停止した後も、選択還元型触媒周囲の排気温度又は触媒床温度が所定温度に低下するまで還元剤の減少量の算出を継続し、該減少量をエンジン停止直前の添加残量から時々刻々減算して添加残量を更新することが好ましい。

このようにすれば、エンジン停止後に選択還元型触媒の担体に残る余熱で蒸発（高温域では還元反応による消費）していく減少分を考慮し、この減少分をエンジン停止直前の添加残量から時々刻々減算していくことで、エンジン再始動後の還元剤の添加がより正確に実行され、選択還元型触媒に残る還元剤の添加残量を実際より多く見積もって実添加量が不足するといった事態が未然に回避されることになる。

また、本発明においては、現在の排気温度又は触媒床温度で選択還元型触媒に溜めることが可能な還元剤の貯溜可能量を推定し、その推定した貯溜可能量を添加残量が超えた時に還元剤の添加を中止することが好ましい。

即ち、貯溜可能量を添加残量が超えている場合には、新たに還元剤を添加することにより還元剤が選択還元型触媒から脱離し易くなって車外へ排出される虞れが高まるため、貯溜可能量を添加残量が超えた時点で還元剤の添加を積極的に中止すれば、選択還元型触媒に貯溜されている還元剤でＮＯxの還元浄化が賄われ、選択還元型触媒での還元剤の脱離傾向が抑制されることになる。

上記した本発明の排気浄化装置の制御方法によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

（Ｉ）選択還元型触媒に残っている還元剤の添加残量を求めて該還元剤の添加量を適切に制御することができるので、添加した還元剤の殆どをＮＯxの還元浄化反応に効率良く使用して余剰させないようにすることができ、余剰の還元剤を選択還元型触媒に溜めきれずに車外へ排出させてしまう事態を未然に回避することができる。

（ＩＩ）エンジン停止後に選択還元型触媒の担体に残る余熱で蒸発（高温域では還元反応による消費）していく減少分を考慮して添加残量を適切に補正することができるので、この添加残量を実際より多く見積もって実添加量が不足してしまうといった事態を未然に回避することができ、エンジン再始動後の還元剤の添加をより正確に実行することができる。

（ＩＩＩ）貯溜可能量を添加残量が超えている場合に還元剤の添加を積極的に中止するようにしているので、新たに還元剤を添加することで還元剤が過剰となって選択還元型触媒から脱離し易くなる傾向を抑制することができ、余剰の還元剤が車外へ排出してしまう虞れを更に確実に回避することができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１〜図５は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１中における符号１はディーゼル機関であるエンジンを示し、ここに図示しているエンジン１では、ターボチャージャ２が備えられており、エアクリーナ３から導いた空気４が吸気管５を介し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへと送られ、該コンプレッサ２ａで加圧された空気４が更にインタークーラ６へと送られて冷却され、該インタークーラ６から図示しないインテークマニホールドへと空気４が導かれてエンジン１の各シリンダに導入されるようにしてある。

また、このエンジン１の各シリンダから排出された排出ガス７がエキゾーストマニホールド８を介し前記ターボチャージャ２のタービン２ｂへと送られ、該タービン２ｂを駆動した排出ガス７が排気管９を介し車外へ排出されるようにしてある。

そして、排出ガス７が流通する排気管９の途中には、選択還元型触媒１０がケーシング１１により抱持されて装備されており、この選択還元型触媒１０は、図２に示す如きフロースルー方式のハニカム構造物として形成され、酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させ得るような性質を有している。

更に、ケーシング１１の上流側に電磁式の添加弁１３が配置されていると共に、該添加弁１３と所要場所に設けた尿素水タンク１４との間が供給ポンプ１６を有する尿素水供給ライン１５により接続されていて、該尿素水供給ライン１５の途中に装備した供給ポンプ１６の駆動により尿素水タンク１４内の尿素水１７（還元剤）を添加弁１３を介し選択還元型触媒１０の上流側に添加し得るようになっており、これら添加弁１３と尿素水タンク１４と尿素水供給ライン１５と供給ポンプ１６とにより尿素水添加手段１８（還元剤添加手段）が構成されている。

また、ケーシング１１の入口側に、選択還元型触媒１０に導入される排出ガス７の温度を検出する温度センサ１９が装備されており、この温度センサ１９からの検出信号１９ａが、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置１２に対し入力されるようになっている。

他方、前記制御装置１２からは、添加弁１３と供給ポンプ１６に対し開弁指令信号１３ａと駆動指令信号１６ａが夫々出力されるようになっており、前記添加弁１３の開弁作動により尿素水１７の添加量が適切に制御され、その尿素水１７の添加時に必要な噴射圧力が前記供給ポンプ１６の駆動により適宜に得られるようになっている。

図３は前記制御装置１２における具体的な制御手順を示すもので、ステップＳ１にて図示しない回転センサからの検出信号などに基づいて現在のエンジン１の始動判定が行われ、ここでエンジン１が所定回転数以上となっていて始動していると判定されたら、ステップＳ２へと進んで温度センサ１９からの検出信号１９ａに基づき排気温度ｔが検出され、現在の排気温度ｔで選択還元型触媒１０に溜めることが可能な尿素水１７（アンモニア）の貯溜可能量ｑ_oが、図４にグラフで示す如き貯溜可能量ｑ_oと排気温度ｔとの対応関係のマップから読み出されて推定される。

次いで、ステップＳ３において、先のステップＳ２で得られた貯溜可能量ｑ_oよりも、後で詳述する添加残量ｑ_rの方が少ないか否かが判定され、この添加残量ｑ_rが貯溜可能量ｑ_oを超えている場合にステップＳ４へ進んで尿素水１７の添加が中止され、一方、貯溜可能量ｑ_oよりも添加残量ｑ_rが少ないと判定された場合には、ステップＳ５へと進んで図示しないアクセルセンサや回転センサなどからの検出信号に基づいて現在の運転状態におけるＮＯx発生量がマップから読み出されて推定される。

ここで、本形態例における制御装置１２は、エンジン制御コンピュータを兼ねたものとなっているので、エンジン１の回転数や負荷は常に監視されているわけであるが、これ以外にも冷却水温度や燃料噴射量、吸入空気量などといった他の監視要素を加味してＮＯx発生量を推定することも可能である。

次いで、ステップＳ６において、先のステップＳ５で得られたＮＯx発生量の推定値に見合う尿素水１７の添加予定量ｑ_yが算出されることになるが、この際、ステップＳ６にて温度センサ１９により検出された排気温度ｔに応じて適宜に尿素水１７の添加予定量ｑ_yが補正されるようになっている。

更に、次のステップＳ７においては、先のステップＳ６で得られた次回の添加予定量ｑ_yから、先のステップＳ３で用いた添加残量ｑ_rを減算することで尿素水１７の実添加量ｑ_Tが決定され、この最終的な尿素水１７の実添加量ｑ_Tは、尿素水添加手段１８への添加指示値として出力されるようになっている。

一方、ステップＳ８にて制御装置１２内のタイマ機能により尿素水１７の添加後の経過時間Ｔが経時されると共に、ステップＳ９では温度センサ１９からの検出信号１９ａに基づき排気温度ｔが検出され、尿素水１７の反応消費と蒸発とを考慮した単位時間当たりの低減係数ｋが、図５にグラフで示す如き低減係数ｋと排気温度ｔとの対応関係のマップから読み出され、ステップＳ１０において、先のステップＳ８で計時した低減係数ｋが、先のステップＳ８で計時した経過時間Ｔと乗算され、これによって、尿素水１７の反応消費量と蒸発量とを考慮した減少量ｑ_jが算出される。

次いで、ステップＳ１１において、先のステップＳ１０で得られた減少量ｑ_jが、先のステップＳ７で得られている直近の尿素水１７の実添加量ｑ_Tから減算されて添加残量ｑ_rが求められ、この添加残量ｑ_rが次回の尿素水１７の添加に関し先のステップＳ３やステップＳ７にて用いられるようになっている。

尚、上述したステップＳ２〜ステップＳ１１までの制御手順は、ステップＳ１２にて図示しない回転センサからの検出信号などに基づきエンジン１の停止が判定されない限り繰り返されるようになっており、このステップＳ１２でエンジン１の停止が判定された時に終了するようになっている。

而して、このような制御装置１２により排気浄化装置の制御を行えば、前回の尿素水１７の添加で選択還元型触媒１０に残っている尿素水１７の添加残量ｑ_rを求め、その添加残量ｑ_rを次回の尿素水１７の添加予定量ｑ_yから減算して実添加量ｑ_Tを決定し、該実添加量ｑ_Tを前記尿素水添加手段１８への添加指示値としているので、既に選択還元型触媒１０に十分な量の尿素水１７が貯溜されていたとしても、その添加残量ｑ_rを考慮した実添加量ｑ_Tに補正されて尿素水１７が尿素水添加手段１８により添加される。

これによって、新たに添加された尿素水１７の殆どがＮＯxの還元浄化反応に効率良く使用されて余剰しなくなるので、反応に寄与しない余剰の尿素水１７を選択還元型触媒１０に溜めきれずに車外へアンモニアガスなどとして排出させてしまう事態が起こらなくなる。

また、特に本形態例においては、現在の排気温度ｔで選択還元型触媒１０に溜めることが可能な貯溜可能量ｑ_oを推定し、その推定した貯溜可能量ｑ_oを添加残量ｑ_rが超えた時に尿素水１７の添加を直ちに中止するようにしているので、既に貯溜可能量ｑ_oを超える添加残量ｑ_rが確認されている状況下での新たな尿素水１７の添加が回避される。

即ち、貯溜可能量ｑ_oを添加残量ｑ_rが超えている場合には、新たに尿素水１７を添加することにより尿素水１７がアンモニアガスなどとして脱離し易くなって車外へ排出される虞れが高まるため、貯溜可能量ｑ_oを添加残量ｑ_rが超えた時点で尿素水１７の添加を積極的に中止すれば、選択還元型触媒１０に貯溜されている尿素水１７でＮＯxの還元浄化が賄われ、選択還元型触媒１０での尿素水１７の脱離傾向が抑制されることになる。

従って、上記形態例によれば、選択還元型触媒１０に残っている尿素水１７の添加残量ｑ_rを求めて該尿素水１７の添加量を適切に制御することができるので、添加した尿素水１７の殆どをＮＯxの還元浄化反応に効率良く使用して余剰させないようにすることができ、余剰の尿素水１７を選択還元型触媒１０に溜めきれずに車外へアンモニアガスなどとして排出させてしまう事態を未然に回避することができる。

また、貯溜可能量ｑ_oを添加残量ｑ_rが超えている場合に尿素水１７の添加を積極的に中止するようにしているので、新たに尿素水１７を添加することで尿素水１７が過剰となって選択還元型触媒１０から脱離し易くなる傾向を抑制することができ、余剰の尿素水１７が車外へアンモニアガスなどとして排出してしまう虞れを更に確実に回避することができる。

図６は本発明の別の形態例を示すもので、ここに図示している形態例においては、前述した図３のフローチャートで示した制御手順に関し、ステップＳ１２でエンジン１の停止が判定された後も制御を終了せずに更なるステップＳ１３へと進み、ここで現在の排気温度ｔにおける尿素水１７の減少量ｑ_dが、図７にグラフで示す如き減少量ｑ_dと排気温度ｔとの対応関係のマップから読み出されて推定される。

ここで、この尿素水１７の減少量ｑ_dは、主として尿素水１７の予想蒸発量と看做すことができるが、高温域ではエンジン１の停止後も反応消費が見込めるので、高温域においては、ＮＯxとの還元反応による反応消費量も含まれたものとなっている。

更に、次のステップＳ１４においては、エンジン１の停止直前のステップＳ１１で得られた添加残量ｑ_rから、先のステップＳ１３で得られた尿素水１７の減少量ｑ_dを減算することで添加残量ｑ_rが添加残量ｑ_r’に更新され、この添加残量ｑ_r’が次回の尿素水１７の添加に関し先のステップＳ３やステップＳ７にて用いられるようになっている。

尚、斯かるエンジン１の停止後における添加残量ｑ_rの更新は、次のステップＳ１５にて排気温度ｔが所定温度ｔ₁に低下するまで時々刻々繰り返されるようになっており、先の図７に示した減少量ｑ_dと排気温度ｔとの対応関係は、この時々刻々繰り返される演算周期に対応したものとなっている。

而して、このようにすれば、エンジン１停止後に選択還元型触媒１０の担体に残る余熱で蒸発（高温域では還元反応による消費）していく減少分を考慮し、この減少分をエンジン１の停止直前の添加残量ｑ_rから時々刻々減算していくことで、エンジン１再始動後の尿素水１７の添加がより正確に実行され、選択還元型触媒１０に残る尿素水１７の添加残量ｑ_rを実際より多く見積もって実添加量ｑ_Tが不足するといった事態を未然に回避することができる。

尚、本発明の排気浄化装置の制御方法は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、還元剤には尿素水以外のものを採用しても良いこと、また、図示例では選択還元型触媒のケーシングの入口側に温度センサを装備して排気温度を検出しているが、ケーシング内の選択還元型触媒の入側又は出側に温度センサを装備して排気温度を検出するようにしても良く、更には、選択還元型触媒に直接温度センサを挿し入れて触媒床温度を検出し、これを排気温度の替わりに用いるようにしても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。図１の選択還元型触媒を部分的に切り欠いて示す斜視図である。図１の制御装置の具体的な制御手順を示すフローチャートである。貯溜可能量と排気温度との対応関係を示すグラフである。低減係数と排気温度との対応関係を示すグラフである。本発明の別の形態例を示すフローチャートである。減少量と排気温度との対応関係を示すグラフである。

符号の説明

１エンジン
７排出ガス
９排気管
１０選択還元型触媒
１７尿素水（還元剤）
１８尿素水添加手段（還元剤添加手段）
１９温度センサ
１９ａ検出信号

Claims

排気管の途中に選択還元型触媒を装備し且つ該選択還元型触媒の上流側に還元剤添加手段により還元剤を添加してＮＯxを還元浄化するようにした排気浄化装置の制御方法であって、エンジンの運転状態に応じてＮＯx発生量を推定し且つその推定値に見合う還元剤の添加予定量を決定する一方、還元剤の添加後の経過時間と排気温度又は触媒床温度とに基づいて、還元剤の反応消費と蒸発とを考慮した単位時間当たりの低減係数を、該低減係数と排気温度又は触媒床温度との対応関係のマップから読み出し、その読み出した低減係数を経過時間と乗算して減少量を算出し、該減少量を直近の還元剤の実添加量から減算して添加残量を求め、該添加残量を次回の還元剤の添加予定量から減算して実添加量を決定し、該実添加量を前記還元剤添加手段への添加指示値とすることを特徴とする排気浄化装置の制御方法。
エンジンを停止した後も、選択還元型触媒周囲の排気温度又は触媒床温度が所定温度に低下するまで還元剤の減少量の算出を継続し、該減少量をエンジン停止直前の添加残量から時々刻々減算して添加残量を更新することを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置の制御方法。
現在の排気温度又は触媒床温度で選択還元型触媒に溜めることが可能な還元剤の貯溜可能量を推定し、その推定した貯溜可能量を添加残量が超えた時に還元剤の添加を中止することを特徴とする請求項１又は２に記載の排気浄化装置の制御方法。