JP4267536B2 - 排気浄化装置の制御方法 - Google Patents
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Description
本発明は、排出ガス中のＮＯxを還元浄化する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）。
特開２００２−１６１７３２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１７０〜１８０℃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。
斯かる排気浄化装置においては、尿素水の噴射量を過不足なく適切に制御してＮＯx低減率を極力高く維持することが重要であるが、選択還元型触媒上でのＮＯx還元の反応率が触媒温度により大きく左右されるため、現在のエンジンの運転状態に基づいて決定されたベースの噴射量を、選択還元型触媒の出口温度や入口温度を触媒温度の代用値として反応率に見合うように補正する必要がある。
しかしながら、選択還元型触媒の入口温度を制御に用いた場合には、実際の触媒温度が検出温度まで達していない可能性があり、選択還元型触媒の出口温度を制御に用いた場合には、実際の触媒温度が検出温度よりも既に高くなっている可能性があるので、尿素水の噴射量の制御が早過ぎたり遅過ぎたりして、ＮＯx低減性能が十分に引き出せない虞れがあった。
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、尿素水などの還元剤の噴射量を過不足なく適切に制御してＮＯx低減率を高く維持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、選択還元型触媒より上流側の排気温度を検出し、その検出温度に対する一次遅れ応答のモデルを用いて、前記選択還元型触媒を細分割した複数のセル単位で温度を推定し、このセル単位での推定温度に基づき複数の温度帯ごとにセル体積を合算し、その合算したセル体積を各温度帯ごとに触媒総容積で除算して温度分布体積比を割り出し、各温度帯別に触媒温度が一様に当該温度帯にあると仮定して現在のエンジンの運転状態に照らして決めた還元剤の基準噴射量に対し前記温度分布体積比を温度帯別に乗算し、その温度帯別に算出された値を合算して前記還元剤添加手段への還元剤の指示噴射量とすることを特徴とするものである。
即ち、排気管の途中に装備されている選択還元型触媒の温度は、エンジンからの排出ガスの温度に追従して変化してくるため、選択還元型触媒より上流側の排気温度を入力とした場合における選択還元型触媒側の温度変化の応答は、数式による一次遅れ応答のモデルとして表すことができるが、選択還元型触媒側の温度は一様なものとして表せるものではなく、排出ガスの流れ方向に温度分布が存在していることを考慮しなければならない。
このため、前記一次遅れ応答のモデルを使用して選択還元型触媒の複数の分割点の温度を推定し、これら各分割点の推定温度を適宜に補間するなどした上で、選択還元型触媒を細分割した複数のセル単位に割り当てれば、該各セル単位で触媒温度が推定されることになり、更には、このセル単位での推定温度に基づき複数の温度帯ごとにセル体積を合算し、その合算したセル体積を各温度帯ごとに触媒総容積で除算することで温度分布体積比が割り出される。
而して、このようにして割り出された温度分布体積比を利用し、各温度帯別に触媒温度が一様に当該温度帯にあると仮定して現在のエンジンの運転状態に照らして決めた還元剤の基準噴射量に対し前記温度分布体積比を温度帯別に乗算し、その温度帯別に算出された値を合算して前記還元剤添加手段への還元剤の指示噴射量とすれば、選択還元型触媒の各温度帯別の体積割合に応じた過不足のない還元剤の噴射が実現されることになる。
また、本発明においては、複数のセル単位で温度を推定するに際し、還元剤の添加による冷却作用の吸熱量分とＮＯx浄化反応の発熱量分とを加味した温度補正を行うことが好ましく、このようにすれば、還元剤の添加による冷却作用の吸熱量分とＮＯx浄化反応の発熱量分とを考慮して、より精度の高いセル単位での温度の推定が可能となり、延いては、還元剤の指示噴射量をより的確に制御することが可能となる。
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）本発明の請求項１に記載の発明によれば、選択還元型触媒の各温度帯別の体積割合に応じた過不足のない還元剤の噴射を実現することができるので、該還元剤の噴射量の適切な制御により選択還元型触媒のＮＯx低減性能を最大限に引き出してＮＯx低減率を高く維持することができ、しかも、還元剤の過剰な噴射を回避できることで該還元剤の消費量を必要最小限に抑制することができ且つ余剰の還元剤が未反応のまま選択還元型触媒を通り抜けて排出されてしまう虞れも未然に回避することができる。
（ＩＩ）本発明の請求項２に記載の発明によれば、還元剤の添加による冷却作用の吸熱量分とＮＯx浄化反応の発熱量分とを考慮して、セル単位での温度をより高い精度で推定することができ、延いては、還元剤の指示噴射量をより的確に制御することができる。
（ＩＩ）本発明の請求項２に記載の発明によれば、還元剤の添加による冷却作用の吸熱量分とＮＯx浄化反応の発熱量分とを考慮して、セル単位での温度をより高い精度で推定することができ、延いては、還元剤の指示噴射量をより的確に制御することができる。
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３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の上流側に噴射ノズル１２付き尿素水噴射弁１３が設置され、該尿素水噴射弁１３と所要場所に設けた尿素水タンク１４との間が尿素水供給ライン１５により接続されており、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）を尿素水噴射弁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いて、これら尿素水噴射弁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、前記エンジン１には、その機関回転数を検出する回転センサ１９が装備されており、該回転センサ１９からの回転数信号１９ａと、アクセルセンサ２０（アクセルペダルの踏み込み角度を検出するセンサ）からの負荷信号２０ａとがエンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置２１に入力されるようになっている。
更に、選択還元型触媒１０を抱持しているケーシング１１の入口には、排気温度を検出する温度センサ２２が配設されており、該温度センサ２２の検出信号２２ａも前記制御装置２１に入力されるようになっている（この温度センサ２２をエキゾーストマニホールド８の出口部などに備えてエンジン出口温度を検出させることも可能）。
他方、前記制御装置２１においては、回転センサ１９からの回転数信号１９ａと、アクセルセンサ２０からの負荷信号２０ａとから判断される現在の運転状態に基づきＮＯxの発生量が推定され、その推定されたＮＯxの発生量に見合う尿素水１７のベースの噴射量が算出され、このベースの噴射量に対し温度センサ２２の検出信号２２ａに基づいて、以下に詳述する如き温度補正を施して最終的な尿素水１７の指示噴射量を算出し、該尿素水１７の指示噴射量を尿素水添加手段１８に向けて指示するようになっている。
より具体的には、前記尿素水噴射弁１３に対し開弁指令信号１３ａが出力されると共に、供給ポンプ１６に対し駆動指令信号１６ａが出力されるようになっており、前記尿素水噴射弁１３の開弁作動により尿素水１７の噴射量が適切に制御され、そ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２１における具体的な制御手順を示すもので、ステップＳ１〜ステップＳ３においては、選択還元型触媒１０の入口の排気温度に対する一次遅れ応答のモデルを用いて、前記選択還元型触媒１０の複数の分割点における触媒予測温度を推定するという手法が採られている。
即ち、排気管９の途中に装備されている選択還元型触媒１０の温度は、エンジン１からの排出ガス７の温度に追従して変化してくるため、選択還元型触媒１０より上流側の排気温度を入力とした場合における選択還元型触媒１０側の温度変化の応答は、数式による一次遅れ応答のモデルとして表すことが可能であり、例えば、下記の数１のように表すことができる（ここに例示するモデルは離散系モデルであるが連続系モデルとしても良い）。
［数１］
温度変化（z）＝（触媒入口温度−触媒温度）／（時定数z−放熱比例係数）
［数１］
温度変化（z）＝（触媒入口温度−触媒温度）／（時定数z−放熱比例係数）
ただし、選択還元型触媒１０側の温度は一様なものとして表せるものではなく、排出ガス７の流れ方向に温度分布が存在していることを考慮しなければならないため、例えば、選択還元型触媒１０の入口部分の半径方向における三箇所、中間部分の半径方向における二箇所、出口部分の半径方向における三箇所といった具合に複数の分割点を設定して触媒予測温度を推定するようにしている。
ここで、「触媒入口温度」は温度センサ２２により計測される検出温度、「触媒温度」は前回の推定値、「時定数」及び「放熱比例係数」は現在の温度センサ２２の計測値と排気流量のマップから読み出されるものであり、先ず最初のステップＳ１では、選択還元型触媒１０に設定された複数の分割点について、その分割点における時定数及び放熱比例係数がマップから読み出されるようになっている。
尚、各分割点の時定数及び放熱比例係数をマップから読み出すにあたり、現在の温度センサ２２の計測値と共に必要となる排気流量については、エンジン制御のために制御装置２１で把握されているエアフロー値と各気筒への燃料噴射指示値とに基づいて推定させれば良い。
次いで、ステップＳ２においては、先のステップＳ１で得られた時定数及び放熱比例係数と、現在の温度センサ２２の計測値から判る触媒入口温度と、制御装置２１内に記憶されている触媒温度の前回値とを用いた一次遅れ応答のモデルにより、各分割点における温度変化が求められる。
更に、次のステップＳ３では、ステップＳ２で得られた各分割点における温度変化が、各分割点の前回の触媒温度の推定値（ステップＳ２で使用したものと同じ）に加算されることで各分割点の触媒予測温度が算出される。
また、これに続くステップＳ４においては、主として尿素水１７の前回の指示噴射量に基づいて、尿素水１７の添加による冷却作用の吸熱量分とＮＯx浄化反応の発熱量分とを加味した温度補正が施される。
即ち、尿素水１７が含んでいる水が選択還元型触媒１０に付着して冷却作用を及ぼすことで吸熱が起こり、また、尿素水１７から生成したアンモニアと排出ガス中のＮＯxが選択還元型触媒１０上で反応することで発熱が起こるので、これらの吸熱量分と発熱量分とが補正されるようにしてある。
そして、このようにして補正された各分割点の触媒予測温度は、次のステップＳ５にて二次式などを用いて補間（内挿）され、これにより選択還元型触媒１０を更に細分割した中間点の推定温度が見積もられる。
また、次のステップＳ６において、先のステップＳ５で得られた多数のデータ点の推定温度が、選択還元型触媒１０を細分割して成る複数のセル単位に割り当てられる結果、選択還元型触媒１０の各セル単位で触媒温度が推定されることになる。
更に、ステップＳ７においては、前記セル単位での推定温度に基づき複数の温度帯（例えば約１０℃ずつ刻みの温度帯）ごとにセル体積が合算され、次のステップＳ８において、その合算されたセル体積を各温度帯ごとに触媒総容積で除算することで温度分布体積比が割り出され、選択還元型触媒１０中に何℃の領域が何％占めているかが的確に把握されることになる。
そして、ステップＳ９においては、各温度帯別に触媒温度が一様に当該温度帯にあると仮定した上で現在のエンジン１の運転状態に照らして決められた尿素水１７の基準噴射量が算出され、次のステップＳ１０において、各温度帯ごとに算出された基準噴射量に対し前記温度分布体積比が温度帯別に乗算され、その温度帯別に算出された値が合算されて前記尿素水添加手段１８への尿素水１７の指示噴射量として出力される。
尚、先のステップＳ９で算出される尿素水１７の基準噴射量について換言すると、この尿素水１７の基準噴射量は、現在の運転状態に基づいて推定されたＮＯxの発生量に見合うベースの噴射量を、触媒温度が一様に当該温度帯になっていると仮定した時の反応率に応じて温度補正した噴射量のことを指している。
而して、このような制御装置２１により排気浄化装置の制御を行えば、選択還元型触媒１０の入口の排気温度を検出し、その検出温度に対する一次遅れ応答のモデルを用いて、前記選択還元型触媒１０を細分割した複数のセル単位で温度を推定することが可能となり、このセル単位での推定温度に基づき複数の温度帯ごとにセル体積を合算し、その合算したセル体積を各温度帯ごとに触媒総容積で除算して温度分布体積比を割り出すことが可能となる。
更に、このようにして得られた温度分布体積比を利用して、各温度帯別の尿素水１７の基準噴射量に対し前記温度分布体積比を温度帯別に乗算し、その温度帯別に算出された値を合算して前記尿素水添加手段１８への尿素水１７の指示噴射量とすれば、選択還元型触媒１０の各温度帯別の体積割合に応じた過不足のない尿素水１７の噴射が実現されることになる。
従って、上記形態例によれば、選択還元型触媒１０の各温度帯別の体積割合に応じた過不足のない尿素水１７の噴射を実現することができるので、該尿素水１７の噴射量の適切な制御により選択還元型触媒１０のＮＯx低減性能を最大限に引き出してＮＯx低減率を高く維持することができ、しかも、尿素水１７の過剰な噴射を回避できることで該尿素水１７の消費量を必要最小限に抑制することができ且つ余剰の尿素水１７が未反応のまま選択還元型触媒１０を通り抜けて排出されてしまう虞れも未然に回避することができる。
また、特に本形態例では、複数のセル単位で温度を推定するに際し、尿素水１７の添加による冷却作用の吸熱量分とＮＯx浄化反応の発熱量分とを加味した温度補正を行うようにしているので、セル単位での温度をより高い精度で推定することができ、延いては、尿素水１７の指示噴射量をより的確に制御することができる。
更に付言しておくと、本発明の排気浄化装置の制御方法における温度分布の体積割合から制御に必要な温度パラメータを算出する手法は、例えば、酸化触媒を担持したパティキュレートフィルタの上流側に燃料を添加して前記パティキュレートフィルタの強制再生を行う場合にも流用することが可能であり、パティキュレートフィルタ中に占める所定温度以上の領域の体積割合が所定比以上となったことを目安に燃料の噴射量を切り替えるようにしたり、高温領域の体積割合が所定比以上となった時に燃料添加を抑制するようにしたりすることが可能である。
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、選択還元型触媒に添加される還元剤には、尿素水以外に軽油などを適宜に採用しても良いこと、また、一次遅れ応答のモデルを使用して更に数サイクル先の温度推定を実行することにより異常回避の予測制御に発展させることも可能であること、更には、還元剤の基準噴射量を決定するに際し、選択還元型触媒に既に吸着されている還元剤の量を推定して基準噴射量を補正しても良いこと、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。
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）
２１ 制御装置
２２ 温度センサ
２２ａ 検出信号
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）
２１ 制御装置
２２ 温度センサ
２２ａ 検出信号
Claims (2)
- 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、選択還元型触媒より上流側の排気温度を検出し、その検出温度に対する一次遅れ応答のモデルを用いて、前記選択還元型触媒を細分割した複数のセル単位で温度を推定し、このセル単位での推定温度に基づき複数の温度帯ごとにセル体積を合算し、その合算したセル体積を各温度帯ごとに触媒総容積で除算して温度分布体積比を割り出し、各温度帯別に触媒温度が一様に当該温度帯にあると仮定して現在のエンジンの運転状態に照らして決めた還元剤の基準噴射量に対し前記温度分布体積比を温度帯別に乗算し、その温度帯別に算出された値を合算して前記還元剤添加手段への還元剤の指示噴射量とすることを特徴とする排気浄化装置の制御方法。
- 複数のセル単位で温度を推定するに際し、還元剤の添加による冷却作用の吸熱量分とＮＯx浄化反応の発熱量分とを加味した温度補正を行う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。
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