(57)【要約】【課題】簡単な構成で大型化を防ぎながら還元剤の残量を推定できる還元剤供給装置及びこの還元剤供給装置を備えた排気ガス浄化装置並びに還元剤の残量を推定する方法を提供する。【解決手段】還元剤供給装置１０は、アンモニア吸蔵ボンベ１１ａ，１１ｂと、アンモニア吸蔵ボンベ１１ａ，１１ｂのそれぞれを外部から加熱するヒーター１２ａ，１２ｂと、ＤＰＦ４とＳＣＲ触媒５との間で排気管２に設けられたアンモニアを供給するための噴射ノズル１３とを備えている。ＥＣＵ２１は、ヒーター１２ａ，１２ｂの消費電力に基づいてアンモニア吸蔵ボンベ１１ａ，１１ｂ内のアンモニアの残量を推定する。【選択図】図１
2014070627.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
還元剤を貯蔵する少なくとも１つの還元剤タンクと、
該還元剤タンクを加熱する加熱手段と、
該加熱手段に給電する給電手段と、
前記加熱手段の消費電力を検出する消費電力検出手段と
を備え、
前記消費電力検出手段による検出値に基づいて、前記還元剤タンク内の前記還元剤の残量を推定する還元剤供給装置。
【請求項２】
前記消費電力検出手段には、前記消費電力に関する設定値が予め設定されており、前記消費電力検出手段による検出値が前記設定値に達したら、前記還元剤タンク内の前記還元剤の残量が少なくなったと推定する、請求項１に記載の還元剤供給装置。
【請求項３】
前記還元剤タンク内の前記還元剤の残量が少なくなったことを警報する警報装置をさらに備える、請求項２に記載の還元剤供給装置。
【請求項４】
前記還元剤タンクを２つ以上備え、これらの還元剤タンクのいずれか１つから前記還元剤が放出され、
前記還元剤を放出している還元剤タンク内の前記還元剤の残量が少なくなったと推定されたら、他の還元剤タンクから前記還元剤を供給するように切り替える、請求項２に記載の還元剤供給装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の還元剤供給装置と、
該還元剤供給装置から供給される還元剤によって、内燃機関から排出された排気ガスを浄化する触媒装置と
を備える排気ガス浄化装置。
【請求項６】
還元剤を貯蔵する還元剤タンクを準備するステップと、
前記還元剤タンクを加熱するステップと、
前記還元剤タンクを加熱する際の消費電力を検出するステップと、
検出された消費電力に基づいて、前記還元剤タンク内の前記還元剤の残量を推定するステップと
を含む、還元剤の残量を推定する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、還元剤供給装置及びこの還元剤供給装置を備えた排気ガス浄化装置並びに還元剤の残量を推定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンの排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減するために、アンモニアを還元剤としてＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒によってＮＯｘを還元除去するシステムが開発されている。このようなシステムには、排気ガスに供給されるアンモニアを貯蔵する手段が設けられている。このような手段としては例えば、特許文献１に記載されるように、アンモニアを吸蔵可能な吸蔵材（塩化マグネシウムや塩化カルシウム等）を容器に収容し、その容器を加熱することで吸蔵材を加熱して、吸蔵されたアンモニアを放出するものが使用される。吸蔵材からアンモニアを放出していくと、吸蔵材に吸蔵されているアンモニアの量が減少していくが、特許文献１には、吸蔵材に吸蔵されているアンモニアの量を検出する方法は記載されていない。
【０００３】
これに対し、特許文献２には、水素吸蔵タンクにおいて、吸蔵材に吸蔵されている水素の残量を検出する方法が記載されている。特許文献２では、水素を吸蔵する吸蔵材に電極によって直接電圧を印加して加熱する構成のものである。そして、吸蔵材を加熱する際に、電極間の電気抵抗値を検出することで水素の吸蔵量を算出している。ここで、特許文献２に記載の吸蔵量算出方法を特許文献１に記載の発明に適用して、特許文献１に記載の発明においてアンモニアの吸蔵量を検出することも考えられるが、特許文献１に記載のアンモニア吸蔵材は導電性が悪いため、吸蔵材に対となる電極を設け印加するためには大きな電力を供給する必要があり、電力消費が大きくなる。そのため、小さな電力消費で加熱するためには特許文献３に記載されるように、導電性のよいペーストに吸蔵材を混ぜる必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００８−５２８４３１号公報
【特許文献２】特公平２−３１００４号公報
【特許文献３】特開２０１１−２３６１０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載のアンモニア吸蔵材に導電性の良いペーストを混ぜると、吸蔵材を収容する容器が大きくなるといった問題点があった。
【０００６】
この発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、簡単な構成で大型化を防ぎながら還元剤の残量を推定できる還元剤供給装置及びこの還元剤供給装置を備えた排気ガス浄化装置並びに還元剤の残量を推定する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る還元剤供給装置は、還元剤を貯蔵する少なくとも１つの還元剤タンクと、還元剤タンクを加熱する加熱手段と、加熱手段に給電する給電手段と、加熱手段の消費電力を検出する消費電力検出手段とを備え、消費電力検出手段による検出値に基づいて、還元剤タンク内の前記還元剤の残量を推定する。
消費電力検出手段には、消費電力に関する設定値が予め設定されており、消費電力検出手段による検出値が設定値に達したら、還元剤タンク内の還元剤の残量が少なくなったと推定してもよい。
還元剤タンク内の還元剤の残量が少なくなったことを警報する警報装置をさらに備えてもよい。
還元剤タンクを２つ以上備え、これらの還元剤タンクのいずれか１つから還元剤が放出され、還元剤を放出している還元剤タンク内の還元剤の残量が少なくなったと推定されたら、他の還元剤タンクから還元剤を供給するように切り替えてもよい。
【０００８】
この発明に係る排気ガス浄化装置は、上記還元剤供給装置と、還元剤供給装置から供給される還元剤によって、内燃機関から排出された排気ガスを浄化する触媒装置とを備える。
この発明に係る還元剤の残量を推定する方法は、還元剤を貯蔵する還元剤タンクを準備するステップと、還元剤タンクを加熱するステップと、還元剤タンクを加熱する際の消費電力を検出するステップと、検出された消費電力に基づいて、還元剤タンク内の還元剤の残量を推定するステップとを含む。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、還元剤を貯蔵する還元剤タンクを加熱する加熱手段の消費電力に基づいて還元剤タンク内の還元剤の残量を推定するので、簡単な構成で還元剤の残量を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態に係る排気ガス浄化装置の構成模式図である。
【図２】この実施の形態の排気ガス浄化装置に設けられた還元剤供給装置において、アンモニア吸蔵ボンベ内のアンモニアの残量とアンモニア吸蔵ボンベを加熱するヒーターの消費電力との関係を示す模式的なグラフである。
【図３】この実施の形態に係る排気ガス浄化装置の変形例の構成模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
この実施の形態に係る排気ガス浄化装置の構成を図１に示す。内燃機関であるディーゼルエンジン１から排出された排気ガスが流通する排気管２に、酸化触媒３と、ディーデルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）４と、ＮＯｘを選択的に還元する触媒装置であるＳＣＲ触媒５と、ＳＣＲ触媒５を通過してきた還元剤であるアンモニアを酸化するＡＳＣ（Ammonia Slip Catalyst）触媒６と、ＤＰＦ４とＳＣＲ触媒５との間で排気ガスにアンモニアを供給するための還元剤供給装置１０とが設けられている。
【００１２】
還元剤供給装置１０は、還元剤タンクであるアンモニア吸蔵ボンベ１１ａ，１１ｂと、アンモニア吸蔵ボンベ１１ａ，１１ｂのそれぞれを外部から加熱するための加熱手段であるヒーター１２ａ，１２ｂと、ＤＰＦ４とＳＣＲ触媒５との間で排気管２に設けられたアンモニアを供給するための噴射ノズル１３とを備えている。噴射ノズル１３には、アンモニア供給管１４の一端が接続され、アンモニア供給管１４の他端は２つのアンモニア供給枝管１４ａ，１４ｂに分岐し、アンモニア供給枝管１４ａ，１４ｂはそれぞれ、アンモニア吸蔵ボンベ１１ａ，１１ｂに接続されている。アンモニア供給枝管１４ａ，１４ｂにはそれぞれ、開閉弁１５ａ，１５ｂが設けられている。ヒーター１２ａ，１２ｂはそれぞれ、給電手段であるバッテリー１６に電気的に接続されている。
【００１３】
アンモニア吸蔵ボンベ１１ａ，１１ｂにはそれぞれ、アンモニアが吸蔵された吸蔵材が充填されている。吸蔵材には、アンモニアを吸蔵可能なものなら任意の材料のものを使用することができ、そのような材料としては、塩化マグネシウムや塩化カルシウム等が挙げられる。
【００１４】
排気管２には、ＤＰＦ４とＳＣＲ触媒５との間及びＳＣＲ触媒５とＡＳＣ触媒６との間のそれぞれに、ＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ１７，１８が設けられている。また、アンモニア供給管１４には、アンモニアの流量を検出するアンモニアセンサ１９が設けられている。さらに、ディーゼルエンジン１には、吸気量を検出するための吸気量センサ２０が設けられている。開閉弁１５ａ，１５ｂと、バッテリー１６と、ＮＯｘセンサ１７，１８と、アンモニアセンサ１９と、吸気量センサ２０とはそれぞれ、制御装置であるＥＣＵ２１に電気的に接続されている。ＥＣＵ２１は、後述する動作でヒーター１２ａ，１２ｂそれぞれの消費電力を検出するので、消費電力検出手段を構成する。
【００１５】
次に、この実施の形態に係る排気ガス浄化装置の動作について説明する。
ディーゼルエンジン１の始動後、排出された排気ガスは、排気管２を流通する。排気ガスが酸化触媒３を流通することにより、排気ガス中の一酸化窒素（ＮＯ）の一部が二酸化窒素（ＮＯ２）に酸化され、一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）も酸化される。続いて排気ガスがＤＰＦ４を流通することにより、排気ガス中のパティキュレートマター（ＰＭ）がＤＰＦ４に捕捉される。ＤＰＦ４から流出した排気ガスは、ＳＣＲ触媒５に流入する。後述する動作で、アンモニア吸蔵ボンベ１１ａまたは１１ｂからアンモニアが放出されてアンモニア供給管１４を流通し、噴射ノズル１３から排気管２内にアンモニアガスが供給される。アンモニアガスは、排気ガスとともにＳＣＲ触媒５に流入し、アンモニアと排気ガス中のＮＯｘとが反応して、窒素及び水となる（以下、この反応を「ＮＯｘ浄化反応」という）。ＳＣＲ触媒５において消費されずに残ったアンモニアは、ＡＳＣ触媒６において酸化される。このようにしてＮＯｘが浄化された排気ガスは、排気管２を流通して大気中へ排気される。
【００１６】
次に、この実施の形態に係る排気ガス浄化装置に設けられた還元剤供給装置１０の動作について説明する。
ディーゼルエンジン１の始動後、ＥＣＵ２１は、ＮＯｘセンサ１７による検出値と吸気量センサ２０による検出値とを受信し、これらの検出値から、ＤＰＦ４から流出した排気ガス中のＮＯｘ量（以下、「ＮＯｘ量の算出値」という）を算出する。ＥＣＵ２１は、開閉弁１５ａを開くとともに、バッテリー１６にヒーター１２ａへ給電させてヒーター１２ａを加熱し、その結果、アンモニア吸蔵ボンベ１１ａ内に充填された吸蔵材が昇温されて、吸蔵材に吸蔵されているアンモニアがアンモニア吸蔵ボンベ１１ａから放出される。アンモニア吸蔵ボンベ１１ａから放出されたアンモニアは、アンモニア供給枝管１４ａ及びアンモニア供給管１４を順次流通して、噴射ノズル１３から排気管２内に噴射される。
【００１７】
ヒーター１２ａへの給電開始後、ＥＣＵ２１は、アンモニアセンサ１９による検出値を受信し始める。ＥＣＵ２１は、ＮＯｘ量の算出値に対応するアンモニアの量、例えば、ＮＯｘ量の算出値と等モルのアンモニア量、あるいは、ＮＯｘ浄化反応の効率が１００％とはならないことを考慮して、ＮＯｘ量の算出値より多いアンモニア量となるように、ヒーター１２ａへの給電量を制御する。さらに、ＥＣＵ２１は、バッテリー１６からヒーター１２ａへの給電量、すなわちヒーター１２ａの消費電力をバッテリー１６から受信する。その後、ＥＣＵ２１は、ＮＯｘセンサ１８による検出値を受信し始める。ＮＯｘセンサ１８による検出値は、ＳＣＲ触媒５において使用されなかったアンモニアの量を表しているため、ＮＯｘセンサ１８による検出値に関する上限値をＥＣＵ２１に予め設定しておき、ＮＯｘセンサ１８による検出値がこの上限値を上回ったら、ＥＣＵ２１は、ヒーター１２ａへの給電量を下げることによってアンモニアの供給量を低下させて、ＮＯｘセンサ１８による検出値がその上限値未満となるようにする。
【００１８】
ヒーター１２ａは、アンモニア吸蔵ボンベ１１ａを外部から加熱する構成となっているので、アンモニア吸蔵ボンベ１１ａ内の吸蔵材は、アンモニア吸蔵ボンベ１１ａの内壁近傍の吸蔵材から昇温し始め、中心部分の吸蔵材に向かって順次昇温されていく。その結果、アンモニア吸蔵ボンベ１１ａの内壁近傍の吸蔵材からアンモニアが放出され始め、アンモニアが放出される吸蔵材が中心部分に向かって順次移行していくことになる。そうすると、アンモニア吸蔵ボンベ１１ａに残存するアンモニアの量（以下、「アンモニアの残量」という）が多い場合には、アンモニア吸蔵ボンベ１１ａの内壁近傍の吸蔵材のみを昇温すればアンモニアが放出されるため、ヒーター１２ａの消費電力は比較的小さくなる。これに対し、アンモニアの残量が少ない場合には、アンモニア吸蔵ボンベ１１ａの中心部分の吸蔵材まで昇温させなければアンモニアが放出されないので、アンモニア吸蔵ボンベ１１ａの内壁近傍の吸蔵材を昇温させた後、さらにヒーター１２ａによって加熱を行う必要がある。その結果、アンモニアの残量が多い場合に比べて、ヒーター１２ａの消費電力は大きくなる。すなわち、ヒーター１２ａの消費電力とアンモニアの残量との関係は、図２に示されるように、アンモニアの残量が多い場合にはヒーター１２ａの消費電力はほぼ一定となるが、アンモニアの残量がある量Ｘよりも少なくなると、アンモニアの残量が減少するに伴いヒーター１２ａの消費電力が上昇するような線がアンモニアの放出量Ｙごと（ａ１，ａ２，ａ３，ａ４）に引かれることになる（以下、図２に示された関係を「還元剤残量−消費電力マップ」という）。尚、アンモニア吸蔵ボンベ１１ｂ及びヒーター１２ｂについても同じことが当てはまる。
【００１９】
そこで、この還元剤残量−消費電力マップをＥＣＵ２１に組み込んでおき、ヒーター１２ａの消費電力に基づいて、アンモニアの残量を推定する。具体的には、ＥＣＵ２１に組み込んだ還元剤残量−消費電力マップにおいて、アンモニアの残量が多いときにほぼ一定となる消費電力Ｐ１に対する上昇率を予め設定しておく。例えば、上昇率を１．５倍と設定しておく。アンモニア放出量Ｙ＝ａ１の場合、アンモニアの残量がＸより多い場合には、ヒーター１２ａの消費電力はＰ１でほぼ一定となるが、アンモニアの残量がＸより少なくなると、ヒーター１２ａの消費電力が上昇し、やがて消費電力が１．５Ｐ１となる。この消費電力を上限値（設定値）とし、予めＥＣＵ２１に設定する。ヒーター１２ａの消費電力が当該上限値となったら、ＥＣＵ２１は、還元剤残量−消費電力マップからアンモニアの残量がＸ’であると推定する。このアンモニアの残量Ｘ’を、アンモニアの残量が少なくなったと推定する値とする。ＥＣＵ２１は、アンモニアの残量が少なくなったと推定したら、開閉弁１５ａを閉じると共に開閉弁１５ｂを開き、バッテリー１６からヒーター１２ａの給電をヒーター１２ｂへの給電に切り替える。すると、同様の動作でアンモニア吸蔵ボンベ１１ｂからアンモニアが放出され、以下、アンモニア吸蔵ボンベ１１ａの場合と同様の動作で、ヒーター１２ｂの消費電力に基づいてアンモニア吸蔵ボンベ１１ｂのアンモニアの残量を推定する。尚、ここで用いた上昇率１．５倍という数値は単なる例であり、適宜設定が可能であり、それに伴いアンモニアの残量が少なくなったと推定する値Ｘ’も変わることとなる。
【００２０】
このように、還元剤のアンモニアを貯蔵するアンモニア吸蔵ボンベ１１ａ，１１ｂをそれぞれ加熱するヒーター１２ａ，１２ｂの消費電力に基づいてアンモニア吸蔵ボンベ１１ａ，１１ｂ内のアンモニアの残量を推定するので、簡単な構成でアンモニアの残量を推定することができる。また、アンモニア吸蔵ボンベ１１ａ，１１ｂには、アンモニアを吸蔵した吸蔵材のみが充填されているので、アンモニア吸蔵ボンベ１１ａ，１１ｂが大型化することを防ぐことができる。
【００２１】
この実施の形態では、還元剤供給装置１０は２つのアンモニア吸蔵ボンベ１１ａ，１１ｂを有していたが、２つに限定するものではない。３つ以上のアンモニア吸蔵ボンベを有していてもよい。また、図３に示されるように、１つのアンモニア吸蔵ボンベ１１ａを有する形態でもよい。この場合には、消費電力が上限値となったら、ＥＣＵ２１は、ランプやブザー等の警報装置３０を作動させて、ドライバーにアンモニアの補充の必要性を知らせるようにする。
【００２２】
この実施の形態では、還元剤としてアンモニアを用いていたが、アンモニアに限定するものではない。吸蔵材に吸蔵される還元剤であればどのようなものでもよく、水素等であってもよい。また、還元剤として、排気管２内で加水分解等によってアンモニアを生成する物質、例えば尿素水を用いてもよい。この場合には、還元剤タンクは、尿素水を貯蔵する尿素水タンクであり、尿素水タンクの外部からヒーターによって加熱する形態となる。この形態においてヒーターが尿素水タンクを加熱するのは、排気管２内へ供給される尿素水の温度を予め高くしておき、排気管２内で加水分解反応が起こりやすくするためである。そうすると、尿素水タンク内の尿素水の残量が少なくなるほど、尿素水の温度を規定温度まで上昇させるのに必要なヒーターの消費電力が小さくなる。この場合にも、このような関係を示す還元剤残量−消費電力マップをＥＣＵ２１に組み込んでおき、ヒーターの消費電力が、予めＥＣＵ２１に設定した下限値（設定値）に達したら、ＥＣＵ２１は、尿素水タンクの切り替えを行うか、あるいは、尿素水の残量が少なくなったことを警報装置で知らせるようにする。
【００２３】
この実施の形態では、アンモニア供給管１４にアンモニアセンサ１９を設けているが、アンモニアセンサ１９は必須ではない。ＮＯｘセンサ１７，１８による検出値の差から、ＳＣＲ触媒５におけるアンモニアの消費量が算出できるので、この消費量から、アンモニア供給管１４を流通するアンモニアの流量を推定するようにしてもよい。また、ＳＣＲ触媒５をスリップしたアンモニアは、ＡＳＣ触媒６において酸化除去されるので、ＮＯｘセンサ１８も必須ではなく、ＮＯｘセンサ１７及びアンモニアセンサ１９が設けられていればよい。さらに、ＮＯｘ量の算出値を算出する際に、吸気量センサ２０による検出値を用いているが、これは、ディーゼルエンジン１に吸引される吸気量を、排気管２を流通する排気ガスの流量として用いるためであり、この形態に限定するものではない。排気ガス流量を実際に測定するセンサを設けたり、ディーゼルエンジン１の稼働状態（回転数やアクセル開度等）から排気ガス流量を推定したりするような形態であってもよい。
【符号の説明】
【００２４】
１  ディーゼルエンジン（内燃機関）、５  ＳＣＲ触媒（触媒装置）、１０  還元剤供給装置、１１ａ，１１ｂ  アンモニア吸蔵ボンベ（還元剤タンク）、１２ａ，１２ｂ  ヒーター（加熱手段）、１６  バッテリー（給電手段）、２１  ＥＣＵ（消費電力検出手段）、３０  警報装置。
【図１】
2014070627.tif 000003
【図２】
2014070627.tif 000004
【図３】
2014070627.tif 000005