JP7192522B2

JP7192522B2 - 内燃機関の排気浄化装置、及び車両

Info

Publication number: JP7192522B2
Application number: JP2019009478A
Authority: JP
Inventors: 明寛澤田; 正信嶺澤
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2019-01-23
Filing date: 2019-01-23
Publication date: 2022-12-20
Anticipated expiration: 2039-01-23
Also published as: JP2020118079A

Description

本開示は、内燃機関の排気浄化装置、及び車両に関する。

内燃機関の排気浄化装置として、アンモニア（ＮＨ３）を還元剤として、排ガス中のＮＯｘを選択的に還元するＮＯｘ選択還元型触媒（Selective Catalytic Reduction：以下、「ＳＣＲ触媒」と称する）を有するＳＣＲ触媒排気浄化システムが知られている（例えば、特許文献１を参照）。

このＳＣＲ触媒排気浄化システムにおいて、ＳＣＲ触媒のＮＯｘ還元特性を効果的に機能させるためには、当該ＳＣＲ触媒中のアンモニアの溜め込み量（以下、「アンモニアストレージ量」と称する）を適切な量にコントロールする必要がある。そのコントロール手法としては、コントロールユニットにて、種々のセンサ情報に基づいて、ＳＣＲ触媒におけるアンモニアの消費量を逐次的に予測し、不足するアンモニア量を前駆体である尿素水としてＳＣＲ触媒に供給する手法が一般的である。

特開２０１２－１８９００７号公報

しかしながら、ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化反応は、複雑であり、そのＮＯｘ浄化反応に基づくアンモニアの消費量を正確に演算するのは困難である。加えて、アンモニアの消費量の予測値は、尿素水噴射装置における噴射量の誤差やＮＯｘセンサの検出誤差等に起因した誤差も含むことになる。

そのため、コントロールユニットの演算により推定されるアンモニアストレージ量の推定値が、実際値と乖離することは稀ではなく、その乖離が拡大すれば、排気浄化装置のＮＯｘ浄化性能も低下することになる。例えば、ＳＣＲ触媒のアンモニアストレージ量が不足した状態（以下、「アンダーストレージ状態」と称する）が発生した場合には、ＮＯｘ浄化反応を引き起こすアンモニアが不足することによって、ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率が低下することになる。

本開示は、上記問題点に鑑みてなされたもので、ＳＣＲ触媒におけるアンモニアストレージ量を高精度に推定可能とする内燃機関の排気浄化装置、及び車両を提供することを目的とする。

前述した課題を解決する主たる本開示は、
内燃機関の排気通路に配設される排気浄化装置であって、
前記排気通路内に配設されたＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒と、
前記排気通路内の前記ＳＣＲ触媒の上流側で、尿素水を噴射する尿素水噴射装置と、
前記ＳＣＲ触媒におけるアンモニアストレージ量を推定し、当該アンモニアストレージ量の推定値に基づいて、前記尿素水噴射装置の尿素水噴射量を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記尿素水噴射量の推移と前記ＳＣＲ触媒におけるアンモニア消費量の推移とに基づいて、現時点の前記アンモニアストレージ量を推定する第１推定部と、
現時点で検出された、前記ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率、前記ＳＣＲ触媒の温度、及び、前記排気通路内の排ガス流量に基づいて、現時点の前記アンモニアストレージ量を推定する第２推定部と、を有する、
排気浄化装置である。
また、前述した課題を解決する主たる本開示は、
内燃機関の排気通路に配設される排気浄化装置であって、
前記排気通路内に配設されたＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒と、
前記排気通路内の前記ＳＣＲ触媒の上流側で、尿素水を噴射する尿素水噴射装置と、
前記ＳＣＲ触媒におけるアンモニアストレージ量を推定し、当該アンモニアストレージ量の推定値に基づいて、前記尿素水噴射装置の尿素水噴射量を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、現時点で検出された、前記ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率、前記ＳＣＲ触媒の温度、及び、前記排気通路内の排ガス流量に基づいて、以下の式（１）を用いて、前記ＳＣＲ触媒における現時点の前記アンモニアストレージ量を推定する、
排気浄化装置である。

又、他の局面では、
上記排気浄化装置を備える車両である。

本開示に係る排気浄化装置によれば、ＳＣＲ触媒におけるアンモニアストレージ量を高精度に推定することができる。

一実施形態に係る排気浄化装置の構成の一例を示す図一実施形態に係るＥＣＵの構成の一例を示すブロック図ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率と、ＳＣＲ触媒のアンモニアストレージ量との関係の一例を示す図補正指令部が行う具体的な動作フローの一例を示す図一実施形態に係る排気浄化装置において、尿素水噴射装置における尿素水噴射量の挙動（図５Ａ）、ＳＣＲ触媒のアンモニアストレージ量の挙動（図５Ｂ）、及び、ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率の挙動（図５Ｃ）の一例を示すタイムチャート式（１）の頻度因子、ストレージ次数及び排ガス流量次数の設定手法を説明する図

以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施形態について詳細に説明する。尚、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

［排気浄化装置の構成］
以下、図１を参照して、一実施形態に係る排気浄化装置の構成について説明する。

図１は、本実施形態に係る排気浄化装置Ｕの構成の一例を示す図である。

本実施形態に係る排気浄化装置Ｕは、例えば、トラック等の車両に搭載されており、エンジン１０の排ガス中のＮＯｘを浄化する。

エンジン１０は、例えば、燃焼室、及び、燃焼室内で燃料を噴射する燃料噴射装置等（図示せず）を含んで構成される。エンジン１０は、燃焼室内で、燃料と空気の混合気を燃焼及び膨張させて、動力を発生する。エンジン１０には、燃焼室内に空気を導入する吸気通路（例えば、吸気管）２０と、燃焼室から排出される燃焼後の排ガスを、車両の外部に排出する排気通路（例えば、排気管）３０と、が接続されている。

尚、本実施形態に係るエンジン１０は、４気筒エンジンであり、吸気通路２０からは吸気マニホルドを介して四つの燃焼室に分岐し、当該四つの燃焼室から排気マニホルドを介して排気通路３０に合流する構成となっている。

排気浄化装置Ｕは、ＳＣＲ触媒４０、尿素水噴射装置５０、各種センサ６１～６４、及び、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１００を備えている。

ＳＣＲ触媒４０は、尿素水噴射装置５０から供給される尿素水が加水分解したアンモニアを吸着すると共に、当該吸着したアンモニアによって排ガス中からＮＯｘを選択的に還元浄化する。ＳＣＲ触媒４０としては、公知のＳＣＲ触媒を用いることができ、例えば、セラミック製の担持体の表面に、Ｆｅゼオライト、Ｃｕゼオライト又はバナジウム等のＮＯｘ還元触媒を担持したものを用いることができる。尚、ＳＣＲ触媒４０としては、触媒上で尿素水をアンモニアに変換するタイプのものを用いてもよい。

尿素水噴射装置５０は、排気通路３０内のＳＣＲ触媒４０の上流側において、尿素水を噴射する。尿素水噴射装置５０は、例えば、尿素水添加弁５１、尿素水タンク５２、及び、サプライポンプ５３を含んで構成される。

尿素水噴射装置５０においては、尿素水タンク５２からサプライポンプ５３によって圧送された尿素水が、尿素水添加弁５１から排気通路３０中に噴射される。尿素水添加弁５１から排気通路３０中に噴射された尿素水は、排ガスの高温により加水分解され、アンモニアに変換されてＳＣＲ触媒４０に供給される。そして、当該アンモニアは、ＳＣＲ触媒４０に吸着して、当該ＳＣＲ触媒４０の作用でＮＯｘと反応して、ＮＯｘを還元浄化する。

尿素水噴射装置５０から排気通路３０に噴射する尿素水の噴射量は、尿素水添加弁５１の開度の調整により行われる。尚、尿素水添加弁５１の開度の制御は、ＥＣＵ１００（尿素水噴射制御部１０３）から出力される制御信号によって行われる。

各種センサ６１～６４は、排気通路３０を通流する排ガスの状態、及びＳＣＲ触媒４０の状態等を検出するために設けられている。具体的には、排気通路３０には、第１ＮＯｘセンサ６１、第２ＮＯｘセンサ６２、温度センサ６３、及び流量センサ６４等が備え付けられている。

第１ＮＯｘセンサ６１は、排気通路３０のＳＣＲ触媒４０の上流側に配設され、ＳＣＲ触媒４０に流入するＮＯｘ量（即ち、ＮＯｘ濃度）を検出する。第２ＮＯｘセンサ６２は、排気通路３０のＳＣＲ触媒４０の下流側に配設され、ＳＣＲ触媒４０から流出するＮＯｘ量（即ち、ＮＯｘ濃度）を検出する。温度センサ６３は、エンジン１０から排出される排ガスの温度を検出する。流量センサ６４は、エンジン１０から排出される排ガスの流量を検出する。そして、これらの各種センサ６１～６４は、検出により得られたセンサ情報を、逐次、ＥＣＵ１００に送信する。

ＥＣＵ１００（本発明の「制御装置」に相当）は、排気浄化装置Ｕの動作を制御する。ＥＣＵ１００は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、入力ポート、及び出力ポート等を含んで構成されている。ＥＣＵ１００の後述する各機能は、例えば、ＣＰＵがＲＯＭ、ＲＡＭ等に記憶された制御プログラムや各種データを参照することによって実現される。但し、当該機能は、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア回路によっても実現できることは勿論である。

尚、ＥＣＵ１００は、エンジン１０及び尿素水噴射装置５０等と通信することで、これらを制御したり、これらの状態情報を取得したりする。又、ＥＣＵ１００は、各種センサ６１～６４からセンサ情報を取得して、排気通路３０を通流する排ガスの状態、及びＳＣＲ触媒４０の状態等を検出する。

［ＥＣＵ１００の詳細構成］
次に、図２～図５を参照して、ＥＣＵ１００の詳細構成の一例について説明する。

図２は、本実施形態に係るＥＣＵ１００の構成の一例を示すブロック図である。

ＥＣＵ１００は、ＮＯｘ浄化率検出部１０１、アンモニアストレージ量推定部１０２、尿素水噴射制御部１０３、補正係数設定部１０４、及び、補正指令部１０５を備えている。

＜ＮＯｘ浄化率検出部１０１について＞
ＮＯｘ浄化率検出部１０１は、ＳＣＲ触媒４０のＮＯｘ浄化率を検出し、補正指令部１０５に送出する。ＮＯｘ浄化率検出部１０１は、例えば、第１ＮＯｘセンサ６１のセンサ信号（即ち、ＳＣＲ触媒４０に流入するＮＯｘ量）及び第２ＮＯｘセンサ６２のセンサ信号（即ち、ＳＣＲ触媒４０から流出するＮＯｘ量）に基づいて、ＳＣＲ触媒４０のＮＯｘ浄化率を検出する。

尚、ＮＯｘ浄化率検出部１０１は、ＳＣＲ触媒４０のＮＯｘ浄化率を検出する際、ＳＣＲ触媒４０に流入するＮＯｘ量については、エンジン１０の運転状態から推定された値を用いてもよい。

＜アンモニアストレージ量推定部１０２について＞
アンモニアストレージ量推定部１０２は、ＳＣＲ触媒４０中のアンモニアストレージ量を推定する。アンモニアストレージ量推定部１０２は、尿素水噴射装置５０の尿素水噴射量の推移とＳＣＲ触媒４０におけるアンモニア消費量の推移とに基づいて、現時点のアンモニアストレージ量を推定する第１推定部１０２ａと、現時点で検出された、ＳＣＲ触媒４０のＮＯｘ浄化率、ＳＣＲ触媒４０の温度、及び、排気通路３０内の排ガス流量に基づいて、現時点のアンモニアストレージ量を推定する第２推定部１０２ｂと、を有する。

第１推定部１０２ａは、典型的には、尿素水噴射装置５０の尿素水噴射量に基づいて、ＳＣＲ触媒４０中に新たに吸着するアンモニアの吸着量を算出し、新たに吸着するアンモニアの吸着量を積算する。又、第１推定部１０２ａは、ＳＣＲ触媒４０に到来するＮＯｘ量に基づいて、単位時間当たりのＳＣＲ触媒４０中のアンモニアの消費量を算出する。そして、第１推定部１０２ａは、アンモニアの吸着量からアンモニアの消費量を減算することによって、現時点におけるＳＣＲ触媒４０中のアンモニアストレージ量を推定する。

つまり、アンモニアストレージ量推定部１０２は、尿素水噴射装置５０の尿素水噴射量の推移（即ち、ＳＣＲ触媒４０に新たに吸着したアンモニアの吸着量）と、ＳＣＲ触媒４０中で消費したアンモニアの消費量の推移によって、現時点におけるＳＣＲ触媒４０中のアンモニアストレージ量を推定する。

尚、ＳＣＲ触媒４０中のアンモニアの消費量は、例えば、ＳＣＲ触媒４０に到来するＮＯｘ量（例えば、第１ＮＯｘセンサ６１のセンサ情報）、排ガス温度（例えば、温度センサ６３のセンサ情報）、排ガス流量（例えば、流量センサ６４のセンサ情報）、及び、現時点におけるＳＣＲ触媒４０中のアンモニアストレージ量に基づいて、算出される。

アンモニアストレージ量推定部１０２は、通常時には（ＳＣＲ触媒４０のＮＯｘ浄化率が目標値付近の状態のときを意味する。以下同じ）、第１推定部１０２ａによって推定されたアンモニアストレージ量の推定値を、現時点でのアンモニアストレージ量として、尿素水噴射制御部１０３に出力する。但し、第１推定部１０２ａによって推定されたアンモニアストレージ量の推定値は、時間の経過と共に、実際値と乖離する場合がある。そこで、第１推定部１０２ａによって推定されたアンモニアストレージ量の推定値と実際値との間に乖離が生じた場合に、第２推定部１０２ｂが推定するアンモニアストレージ量の推定値によって、第１推定部１０２ａが記憶部（例えば、ＲＡＭ）に記憶する現時点のアンモニアストレージ量の推定値を補正する。

これにより、ＳＣＲ触媒４０中のアンモニアストレージ量の推定値が実際値と乖離した状態が継続することを抑制する。尚、かかる補正処理は、補正指令部１０５からの補正指令に基づいて、実行される。

第２推定部１０２ｂは、第１推定部１０２ａとは異なり、前の時点におけるＳＣＲ触媒４０のアンモニアストレージ量の推定値を参照することなく、現時点で検出される各種センサ６１～６４のセンサ値から、現時点におけるＳＣＲ触媒４０のアンモニアストレージ量を推定する。

具体的には、第２推定部１０２ｂは、現時点で検出された、ＳＣＲ触媒４０のＮＯｘ浄化率、ＳＣＲ触媒４０の温度、及び、排気通路３０内の排ガス流量に基づいて、現時点におけるＳＣＲ触媒４０のアンモニアストレージ量を推定する。この際、第２推定部１０２ｂは、より好適には、ＳＣＲ触媒４０におけるＮＯｘ浄化反応の反応速度式から導出された以下の式（１）を用いて、現時点のＳＣＲ触媒４０のアンモニアストレージ量を推定する（導出過程については後述する）。

尚、第２推定部１０２ｂは、式（１）を用いて、直接的に演算処理により、ＳＣＲ触媒４０のアンモニアストレージ量を算出してもよい。又、予め記憶部（例えば、ＲＯＭ）に、式（１）の演算結果に対応する制御マップを記憶しておき、第２推定部１０２ｂは、当該制御マップを用いて、ＳＣＲ触媒４０のアンモニアストレージ量を算出してもよい。

ここで、通常時には、アンモニアストレージ量推定部１０２が第１推定部１０２ａによってアンモニアストレージ量を推定する構成としているのは、ＳＣＲ触媒４０のＮＯｘ浄化率が高いときには、アンモニアストレージ量の変化量当たりのＮＯｘ浄化率の変化量が小さく、第２推定部１０２ｂによるアンモニアストレージ量の推定精度が低くなるためである。

図３は、ＳＣＲ触媒４０のＮＯｘ浄化率と、ＳＣＲ触媒４０のアンモニアストレージ量との関係の一例を示す図である。尚、図３では、ＳＣＲ触媒４０の温度及び排気通路３０内の排ガス流量が一定である仮定している。

一般に、ＳＣＲ触媒４０のＮＯｘ浄化率は、図３に示すように、ＳＣＲ触媒４０のアンモニアストレージ量が増加するにつれて、増加する。そして、ＳＣＲ触媒４０のＮＯｘ浄化率は、ＳＣＲ触媒４０のアンモニアストレージ量が所定値（例えば、５０％）程度までの間は、ＳＣＲ触媒４０のアンモニアストレージ量に依拠して大きく変化する。換言すると、第２推定部１０２ｂによるアンモニアストレージ量の推定処理は、ＳＣＲ触媒４０のＮＯｘ浄化率が低下している場合（即ち、ＳＣＲ触媒４０のアンモニアストレージ量の推定値と実際値との間に乖離が生じている場合）に限って、高い推定精度を確保することが可能であり、ＳＣＲ触媒４０のＮＯｘ浄化率が高くなった場合には推定精度が悪化してしまう。

又、第２推定部１０２ｂによる演算負荷は、第１推定部１０２ａによる演算負荷と比較して大きくなる傾向にある。

本実施形態に係るアンモニアストレージ量推定部１０２は、かかる観点から、通常時には、アンモニアストレージ量推定部１０２が第１推定部１０２ａによってアンモニアストレージ量を推定し、ＳＣＲ触媒４０のＮＯｘ浄化率が低下している場合に限って、第２推定部１０２ｂによってアンモニアストレージ量を推定する。

＜尿素水噴射制御部１０３について＞
尿素水噴射制御部１０３は、尿素水添加弁５１に開度指令信号を出力することによって、尿素水噴射装置５０からの尿素水噴射を制御する。この際、尿素水噴射制御部１０３は、例えば、アンモニアストレージ量推定部１０２によって推定されるＳＣＲ触媒４０のアンモニアストレージ量の推定値が目標値となるように、尿素水噴射装置５０の尿素水噴射量を制御する。これによって、ＳＣＲ触媒４０を、ＮＯｘ浄化率が高い状態で維持する。

尚、ＳＣＲ触媒４０のアンモニアストレージ量の目標値は、現時点における排ガス温度によって適宜変化させられてもよい。

尿素水噴射制御部１０３は、例えば、現時点のＳＣＲ触媒４０のアンモニアストレージ量の推定値と目標値の差分と、尿素水噴射量とを関連付けた制御マップに基づいて、暫定的に尿素水噴射量を算出する。そして、尿素水噴射制御部１０３は、暫定的に算出した尿素水噴射量に、補正係数設定部１０４に設定された尿素噴射補正係数（例えば、０．５～１．５の間のいずれかの値）を乗算することによって、尿素水噴射量を決定する。

＜補正係数設定部１０４について＞
補正係数設定部１０４は、尿素水噴射制御部１０３にて尿素水噴射量を決定する際の補正係数である尿素噴射補正係数を設定する。

尿素噴射補正係数は、主に、尿素水噴射装置５０の装置誤差（例えば、開度指令信号が指示する弁開度に対する実際の尿素水添加弁５１の弁開度の誤差）を校正するべく設定される。つまり、尿素水噴射装置５０が実際に噴射する尿素水噴射量は、尿素水噴射装置５０の装置誤差に起因して、尿素水噴射制御部１０３からの指令値からずれる場合があるため、排気浄化装置Ｕは、尿素噴射補正係数により当該装置誤差を校正する。

尿素噴射補正係数は、例えば、初期状態では「１．０」に設定され、補正指令部１０５からの増加指令に応じて、「１．１」、「１．２」…と段階的に増加させられる。又、尿素噴射補正係数は、補正指令部１０５からの減少指令に応じて、「０．９」、「０．８」…と段階的に減少させられる。

そして、尿素水噴射制御部１０３は、制御マップから暫定的に算出した尿素水噴射量に、補正係数設定部１０４にて設定された尿素噴射補正係数（例えば、０．５～１．５の間のいずれかの値）を乗算することによって、最終的な尿素水噴射量を決定する。これによって、尿素水噴射制御部１０３からの指令値に係る尿素水噴射量を、実際に尿素水噴射装置５０が噴射する尿素水噴射量に近づける。

尚、尿素噴射補正係数を適切に設定することは、アンモニアストレージ量推定部１０２における推定精度の向上にもつながり、アンモニアストレージ量の推定値が実際値と乖離した状態が発生する頻度を低減することにも資する。

＜補正指令部１０５について＞
補正指令部１０５は、ＳＣＲ触媒４０におけるアンモニアのアンダーストレージ状態の発生を監視し、当該アンダーストレージ状態を検出した場合、アンモニアストレージ量推定部１０２及び補正係数設定部１０４に補正指令を送出する。つまり、補正指令部１０５は、ＳＣＲ触媒４０におけるアンモニアのアンダーストレージ状態の発生を契機として、第１推定部１０２ａによって推定されたアンモニアストレージ量の推定値と実際値との間に乖離が生じていることを検出する。

補正指令部１０５がＳＣＲ触媒４０におけるアンダーストレージ状態の発生を検出する手法としては、例えば、ＮＯｘ浄化率検出部１０１が検出するＮＯｘ浄化率を用いる。補正指令部１０５は、例えば、ＳＣＲ触媒４０のＮＯｘ浄化率が閾値以下（例えば、７０％）まで低下した場合に、アンダーストレージ状態が発生しているものとみなして、アンモニアストレージ量推定部１０２及び補正係数設定部１０４に補正指令を送出する。

アンモニアストレージ量推定部１０２及び補正係数設定部１０４における具体的な補正処理は、以下の通りである。

アンモニアストレージ量推定部１０２は、補正指令部１０５から補正指令を受けた場合、第２推定部１０２ｂにより、アンモニアストレージ量を推定する。そして、アンモニアストレージ量推定部１０２は、第２推定部１０２ｂが算出したアンモニアストレージ量の推定値を、第１推定部１０２ａが逐次更新する記憶部（例えば、ＲＡＭ）に記憶された現時点のアンモニアストレージ量の推定値に上書きする。これによって、記憶部（例えば、ＲＡＭ）に記憶された現時点のアンモニアストレージ量の推定値を、現時点のアンモニアストレージ量の実際値に近づける。

又、補正係数設定部１０４は、補正指令部１０５から補正指令を受けた場合、記憶部（例えば、ＲＡＭ）に記憶された尿素噴射補正係数を増大させる。補正係数設定部１０４は、例えば、現時点で設定された尿素噴射補正係数を一段階（例えば、０．１）増大させる。

図４は、補正指令部１０５が行う具体的な動作フローの一例を示す図である。図４に示すフローチャートは、例えば、ＥＣＵ１００がコンピュータプログラムに従って、所定間隔（例えば、１００ｍｓ毎）で実行するものである。

図５は、本実施形態に係る排気浄化装置Ｕにおける、尿素水噴射量の挙動（図５Ａ）、ＳＣＲ触媒４０のアンモニアストレージ量の挙動（図５Ｂ）、及び、ＳＣＲ触媒４０のＮＯｘ浄化率の挙動（図５Ｃ）の一例を示すタイムチャートである。

図５は、ＳＣＲ触媒４０のアンモニアストレージ量の推定値（図５Ｂの実線）と実際値（図５Ｂの点線）との間に乖離が発生し、ＳＣＲ触媒４０においてアンダーストレージ状態が発生している場合の各値の挙動を示している。尚、ここでは、ＥＣＵ１００は、ＳＣＲ触媒４０のアンモニアストレージ量の推定値が、ＳＣＲ触媒４０のストレージ可能量に対して９０％となるように、尿素水噴射装置５０の尿素水噴射量を制御している。又、図５のＴ１は、補正指令部１０５が補正指令を発したタイミングを示す。

ステップＳ１において、補正指令部１０５は、ＳＣＲ触媒４０のＮＯｘ浄化率が閾値（例えば、７０％）以下まで低下しているか否かを判定する。ここで、ＳＣＲ触媒４０のＮＯｘ浄化率が閾値以下まで低下していない場合（ステップＳ１：ＮＯ）、補正指令部１０５は、特に処理を実行することなく、図４のフローチャートの処理を終了する。一方、ＳＣＲ触媒４０のＮＯｘ浄化率が閾値以下まで低下している場合（ステップＳ１：ＹＥＳ）、補正指令部１０５は、ステップＳ２に処理を進める。

尚、このステップＳ１において、補正指令部１０５は、ＮＯｘ浄化率の積分値に基づいて、ＳＣＲ触媒４０のＮＯｘ浄化率が低下しているか否かを判定してもよい。これによって、ノイズ等に起因して、無用な補正処理を実施してしまう事態を回避することができる。

ステップＳ２において、補正指令部１０５は、アンモニアストレージ量推定部１０２に補正指令を送出し、アンモニアストレージ量推定部１０２において補正処理を実行させる。

尚、このステップＳ２により、アンモニアストレージ量推定部１０２（第２推定部１０２ｂ）は、上記式（１）を用いて、現時点のＳＣＲ触媒４０のアンモニアストレージ量を推定する。そして、アンモニアストレージ量推定部１０２は、上記式（１）を用いて算出したアンモニアストレージ量の推定値を用いて、記憶部（例えば、ＲＡＭ）に記憶する現時点のアンモニアストレージ量の推定値を補正させる。

ステップＳ３において、補正指令部１０５は、補正係数設定部１０４に尿素噴射補正係数を増加させるように補正指令を送出する。これにより、例えば、補正係数設定部１０４は、現時点で設定された尿素噴射補正係数を一段階増加させる（例えば、１．０から１．１に増加させる）。

尚、ステップＳ２、Ｓ３を実行した後には、所定時間（例えば、１０分間）、図４のフローチャートの処理の実行を禁止するのが望ましい。これによって、ＳＣＲ触媒４０のＮＯｘ浄化率が回復する前に、ＳＣＲ触媒４０のアンモニアストレージ量の推定値及び尿素噴射補正係数を補正する処理を繰り返し実行してしまうことを抑制することができる。

以上のような処理により、ＳＣＲ触媒４０のアンモニアストレージ量の推定値と実際値との間の乖離は、解消されることになる。そして、第１推定部１０２ａは、補正された現時点のアンモニアストレージ量を用いて、その後のＳＣＲ触媒４０のアンモニアストレージ量の推移を算出することが可能となる。つまり、これにより、尿素水噴射装置５０の尿素水噴射量は、補正処理前よりも増加することになり、ＳＣＲ触媒４０のＮＯｘ浄化率は、急速に回復することになる（図５Ｃを参照）。

又、尿素噴射補正係数も適切に設定されることになるため、長期的に見て、ＳＣＲ触媒４０のアンモニアストレージ量の推定値と実際値との間の乖離が発生する頻度も抑制されることになる。

［式（１）の導出過程について］
以下に、上記式（１）の導出過程について、説明する。

式（１）は、ＮＯｘ浄化反応から求められる以下の式（２）を、式変換したものである。

ここでは、ＮＯｘ浄化反応として、例えば、次式（３）及び式（４）の２つ化学反応を考える。

これをＮＯｘの反応式としてまとめると、以下の式（５）のようになる。

上記反応式（５）について詳細な化学反応過程を考えるとき、反応物であるＮＯｘの反応が開始した時点でＮＯｘが浄化されたとものとみなすと、反応開始の素反応にはＯ２がないためにその影響を無視できると仮定する。このとき、ＮＯｘの反応速度式は、以下の式（６）のように表現される。

反応時間dtにおいて[NOx]以外は一定であると仮定すると、この反応はＮＯｘ濃度[NOx]についての一次反応とみなすことが可能である。従って、式（６）において、反応速度定数kを、式（７）のように置くと、式（６）は、式（８）のように表される。

ここで、[NOx]で整理すると、次式（９）となる。

式（９）を、解析解を得るために辺々不定積分すると、[NOx]は、式（１０）～式（１２）のように求められる。

ここで、t＝０における上流ＮＯｘ濃度を[NOx]_０とすると、式（１３）が得られ、式（１２）の下流ＮＯｘ濃度[NOx]は、式（１４）のように表される。

いま、浄化率η_NOxを求める。

Kを元に戻すと、式（１５）は、次式（１６）のように表される。

ここで、反応速度定数kをアレニウスの式で表現すると、次式（１７）のようになる。

kをη_NOxに代入すると、次式（１８）のようになる。

いま、反応時間tは排ガスのＳＣＲ触媒４０を通過する時間に等しいと考えると、反応時間tは次式（１９）のように表される。

排ガス密度ρ_Tは理想気体の状態方程式より、次式（２０）となる。

ここで、P_EXh=106.325×10³[Pa]（一定）と仮定し、Mw_EXh=29×10^-3[kg/mol]（一定）と仮定し、R=8.31[J/(K・mol)]とする。式（１９）にρ_Tを代入すると、次式（２１）となる。

また、ＮＨ３濃度[NH3]は、単位を[mol/cm3]とすると、次式（２２）のように表せる。

ここで、上式（２２）において、NH3はアンモニアストレージ量、Mw_NH3はＮＨ３の分子量であり、Mw_NH3=17.01[g/mol]となる。推定浄化率η_NOxを表す式（１８）に対して、反応時間tとＮＨ３濃度[NH3]を代入すると、次式（２３）となる。

基本となる物理式の導出はこれで完了であるが、さらに単位変換とエンジニアリング的な調整代を設ける。触媒温度の単位を[℃]とし、アンモニアストレージ量NH3に感度調整用の指数α（例えば、０＜α＜３）を設け、排ガス流量dmEGにも感度調整用の指数β（例えば、０＜β＜３）を設けると、次式（２４）のようになる。

上記式（２４）において、定数１２．７３を頻度因子Aに包含させると、上記（２）が導出される。

図６は、式（１）の頻度因子A、ストレージ次数α及び排ガス流量次数βの設定手法を説明する図である。上記式（１）（又、式（２４））において、頻度因子A、ストレージ次数α及び排ガス流量次数βは、例えば、テストベンチにおける実験により設定される。

具体的には、まず、テストベンチにて、種々の状況下で、ＳＣＲ触媒４０におけるＮＯｘ浄化率、ＳＣＲ触媒４０の温度、排ガスの流量、及び、ＳＣＲ触媒４０中のアンモニアストレージ量それぞれを検出して、これらの検出値の関係を取得する。そして、ＳＣＲ触媒４０の温度、排ガスの流量、及び、ＳＣＲ触媒４０中のアンモニアストレージ量の検出値を、上記式（２４）に代入した際に、上記式（２４）により算出されるＮＯｘ浄化率の推定値と、実験データに係るＮＯｘ浄化率の実際値と、が最も適合するように、頻度因子A、ストレージ次数α及び排ガス流量次数βを調整する（図６では、ＮＯｘ浄化率を示す指標として、下流ＮＯｘ量を用いている）。

尚、上記式（２４）における活性化エネルギーEは、上記した化学反応式（５）における活性化エネルギーであるが、必要に応じて、頻度因子A、ストレージ次数α及び排ガス流量次数βと共に調整されてもよい。

このように、頻度因子A、ストレージ次数α及び排ガス流量次数βを適切に設定することによって、排気浄化装置Ｕの個体差等に起因した推定精度の悪化を抑制することができる。

［効果］
以上のように、本実施形態に係るＥＣＵ１００によれば、現時点で検出された、ＳＣＲ触媒４０のＮＯｘ浄化率、ＳＣＲ触媒４０の温度、及び、排気通路３０内の排ガス流量に基づいて、現時点のアンモニアストレージ量を推定することが可能である。これによって、ＳＣＲ触媒４０における現時点のアンモニアストレージ量を高精度に推定することが可能である。

特に、本実施形態に係るＥＣＵ１００は、尿素水噴射量の推移とＳＣＲ触媒４０におけるアンモニア消費量の推移とに基づいて、現時点のアンモニアストレージ量を推定する第１推定部１０２ａと、現時点で検出された、ＳＣＲ触媒４０のＮＯｘ浄化率、ＳＣＲ触媒４０の温度、及び、排気通路３０内の排ガス流量に基づいて、現時点のアンモニアストレージ量を推定する第２推定部１０２ｂと、を有する。従って、第１推定部１０２ａにより逐次更新されるアンモニアストレージ量の推定値が実際値と乖離した場合（即ち、ＮＯｘ浄化率が低下した場合）にも、第２推定部１０２ｂによる推定処理によって、当該推定値の補正を行うことができる点で、有用である。

（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態に限らず、種々に変形態様が考えられる。

上記実施形態では、ＥＣＵ１００のアンモニアストレージ量推定部１０２の一例として、尿素水噴射装置５０の尿素水噴射量の推移とＳＣＲ触媒４０におけるアンモニア消費量の推移とに基づいて、現時点のアンモニアストレージ量を推定する第１推定部１０２ａと、現時点で検出された、ＳＣＲ触媒４０のＮＯｘ浄化率、ＳＣＲ触媒４０の温度、及び、排気通路３０内の排ガス流量に基づいて、現時点のアンモニアストレージ量を推定する第２推定部１０２ｂとの両方を有する態様を示した。しかしながら、本発明に係るアンモニアストレージ量推定部１０２は、第２推定部１０２ｂに相当する構成のみを有してもよい。又、本発明に係るアンモニアストレージ量推定部１０２は、現時点のＳＣＲ触媒４０のＮＯｘ浄化率に応じて、第１推定部１０２ａによる推定処理と第２推定部１０２ｂによる推定処理とを切り替える構成としてもよい。

又、上記実施形態では、ＥＣＵ１００の構成の一例として、ＮＯｘ浄化率検出部１０１、アンモニアストレージ量推定部１０２、尿素水噴射制御部１０３、補正係数設定部１０４、及び、補正指令部１０５の機能が一のコンピュータによって実現されるものとして記載したが、複数のコンピュータによって実現されてもよいのは勿論である。例えば、アンモニアストレージ量推定部１０２の機能と尿素水噴射制御部１０３の機能は、それぞれ別個のＥＣＵに搭載されてもよい。

又、上記実施形態では、一例として、排気浄化装置をディーゼルエンジンに適用した態様ついて説明する。但し、本実施形態に係る排気浄化装置は、ディーゼルエンジンに限らず、ガソリンエンジンにも適用し得る。

又、上記実施形態では、排気浄化装置Ｕの適用対象の一例として、車両を示したが、排気浄化装置Ｕの適用対象は、これに限定されない。例えば、排気浄化装置Ｕは、発電機、建設機械、船舶等に適用されてもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

本開示に係る排気浄化装置によれば、ＳＣＲ触媒におけるアンモニアストレージ量をより高精度に推定することができる。

Ｕ排気浄化装置
１０エンジン
２０吸気通路
３０排気通路
４０ＳＣＲ触媒（ＮＯｘ選択還元化型触媒）
５０尿素水噴射装置
５１尿素水添加弁
５２尿素水タンク
５３サプライポンプ
６１第１ＮＯｘセンサ
６２第２ＮＯｘセンサ
６３温度センサ
６４流量センサ
１００ＥＣＵ（制御装置）
１０１ＮＯｘ浄化率検出部
１０２アンモニアストレージ量推定部
１０２ａ第１推定部
１０２ｂ第２推定部
１０３尿素水噴射制御部
１０４補正係数設定部
１０５補正指令部

Claims

内燃機関の排気通路に配設される排気浄化装置であって、
前記排気通路内に配設されたＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒と、
前記排気通路内の前記ＳＣＲ触媒の上流側で、尿素水を噴射する尿素水噴射装置と、
前記ＳＣＲ触媒におけるアンモニアストレージ量を推定し、当該アンモニアストレージ量の推定値に基づいて、前記尿素水噴射装置の尿素水噴射量を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記尿素水噴射量の推移と前記ＳＣＲ触媒におけるアンモニア消費量の推移とに基づいて、現時点の前記アンモニアストレージ量を推定する第１推定部と、
現時点で検出された、前記ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率、前記ＳＣＲ触媒の温度、及び、前記排気通路内の排ガス流量に基づいて、現時点の前記アンモニアストレージ量を推定する第２推定部と、を有する、
排気浄化装置。
前記制御装置は、前記ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率が低下した場合、前記第１推定部が逐次更新する前記アンモニアストレージ量を、前記第２推定部によって推定された前記アンモニアストレージ量に補正する、
請求項１に記載の排気浄化装置。
内燃機関の排気通路に配設される排気浄化装置であって、
前記排気通路内に配設されたＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒と、
前記排気通路内の前記ＳＣＲ触媒の上流側で、尿素水を噴射する尿素水噴射装置と、
前記ＳＣＲ触媒におけるアンモニアストレージ量を推定し、当該アンモニアストレージ量の推定値に基づいて、前記尿素水噴射装置の尿素水噴射量を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、現時点で検出された、前記ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率、前記ＳＣＲ触媒の温度、及び、前記排気通路内の排ガス流量に基づいて、以下の式（１）を用いて、前記ＳＣＲ触媒における現時点の前記アンモニアストレージ量を推定する、
排気浄化装置。
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の排気浄化装置を備える車両。