(57)【要約】【課題】排気系に堆積した尿素結晶の堆積量を推定する。【解決手段】ＳＣＲ触媒の排気上流に噴射される尿素水溶液の添加流量及び排気温度から、尿素水溶液の噴射地点よりも排気下流に位置する排気系に析出する単位時間当たりの尿素結晶の析出量を推定し（Ｓ２）、これを順次積算することで排気系に堆積する尿素結晶の堆積量を推定する（Ｓ３）。また、排気温度に応じて排気系から離脱する単位時間当たりの尿素結晶の離脱量を推定し（Ｓ４）、尿素結晶の堆積量からこれを順次減算することで、排気系に残留する尿素結晶の堆積量を推定する（Ｓ５）。そして、尿素結晶の堆積量が所定値以上になると（Ｓ６）、排気系に堆積されている尿素結晶を強制的に離脱させる時期が到来したと判断し、警告灯を点灯させると共に（Ｓ７）、排気温度を尿素結晶の離脱温度よりも昇温させる強制離脱処理を実行する（Ｓ８）。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気管に配設され、尿素水溶液から生成されるアンモニアを使用して窒素酸化物を選択還元浄化する選択還元触媒と、
前記選択還元触媒の排気上流にエンジン運転状態に応じた流量の尿素水溶液を噴射する還元剤噴射装置と、
前記還元剤噴射装置の排気上流における排気の温度を検出する温度センサと、
前記温度センサにより検出された排気の温度、及び、前記還元剤噴射装置から噴射された尿素水溶液の流量に基づいて、前記尿素水溶液の噴射地点よりも排気下流に位置する排気系に析出する単位時間当たりの尿素結晶の析出量を推定する析出量推定手段と、
前記温度センサにより検出された排気の温度に基づいて、前記排気系から離脱する単位時間当たりの尿素結晶の離脱量を推定する離脱量推定手段と、
前記尿素結晶の単位時間当たりの析出量及び離脱量に基づいて、前記排気系に堆積されている尿素結晶の堆積量を推定する堆積量推定手段と、
を含んで構成されたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
【請求項２】
前記尿素結晶の堆積量が所定値以上になったときに、前記排気系に堆積されている尿素結晶を強制的に離脱させる時期が到来したと判定する判定手段を更に備えたことを特徴とする請求項１記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項３】
前記尿素結晶を強制的に離脱させる時期が到来したと判定されたときに、その旨を報知する報知手段を更に備えたことを特徴とする請求項２記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項４】
前記尿素結晶を強制的に離脱させる時期が到来したと判定されたときに、前記排気系に流入する排気の温度を尿素結晶の離脱温度よりも昇温させる昇温手段を更に備えたことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項５】
エンジン停止時に、前記尿素結晶の堆積量を不揮発性メモリに書き込む書込手段と、
エンジン始動時に、前記不揮発性メモリから尿素結晶の堆積量を読み出す読出手段と、
を更に備えたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項６】
前記尿素結晶の堆積量を強制的にリセットするリセット手段を更に備えたことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項７】
前記析出量推定手段は、排気の温度及び尿素水溶液の噴射流量に対応した析出量が設定された第１のマップを参照して、前記尿素結晶の析出量を推定することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項８】
前記離脱量推定手段は、排気の温度に対応した離脱量が設定された第２のマップを参照して、前記尿素結晶の離脱量を推定することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項９】
前記堆積量推定手段は、前記尿素結晶の単位時間当たりの析出量を順次積算しつつ、この積算値から尿素結晶の単位時間当たりの離脱量を順次減算することで、前記尿素結晶の蓄積量を推定することを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの排気に含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）を選択還元浄化する排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの排気に含まれるＮＯｘを浄化する排気浄化システムとして、特開２００９−１２７４７２号公報（特許文献１）に記載されるような排気浄化装置が提案されている。この排気浄化装置は、エンジンの排気管に配設されたＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒の排気上流に、エンジン運転状態に応じた尿素水溶液を噴射し、加水分解により生成されるアンモニアを用いて、ＳＣＲ触媒でＮＯｘを選択還元反応させて無害成分へと浄化処理する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１２７４７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような排気浄化装置では、排気温度が尿素水溶液の加水分解温度より低温である状態が持続すると、尿素水溶液の加水分解が不十分となって、その噴射地点よりも排気下流に位置する排気管及びＳＣＲ触媒などの排気系に、尿素水溶液の液滴が付着してしまう。そして、排気系に尿素水溶液の液滴が付着した状態で、例えば、排気温度が溶媒（水）の沸点（約１００℃）以上かつ溶質（尿素）の沸点（約１３５℃）未満になると、尿素水溶液から溶媒たる水が蒸発し、排気系に尿素の結晶が析出してしまうおそれがある。排気系に尿素の結晶が析出すると、排気流路の断面積が減少することから、例えば、排圧上昇による出力及び燃費の低下などを来たしてしまう。また、ＳＣＲ触媒に尿素水溶液の結晶が析出すると、ＳＣＲ触媒における排気の接触面積が減少することから、ＮＯｘ浄化率が低下してしまう。
【０００５】
そこで、本発明は従来技術の問題点に鑑み、尿素水溶液の噴射地点よりも排気下流に位置する排気系に堆積した尿素結晶の堆積量を推定することで、例えば、尿素結晶の強制離脱処理を実行する時期などを把握可能としたエンジンの排気浄化装置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】
【０００６】
このため、本発明に係るエンジンの排気浄化装置は、エンジンの排気管に配設され、尿素水溶液から生成されるアンモニアを使用してＮＯｘを選択還元浄化するＳＣＲ触媒と、前記ＳＣＲ触媒の排気上流にエンジン運転状態に応じた流量の尿素水溶液を噴射する還元剤噴射装置と、前記還元剤噴射装置の排気上流における排気の温度を検出する温度センサと、前記温度センサにより検出された排気の温度、及び、前記還元剤噴射装置から噴射された尿素水溶液の流量に基づいて、前記尿素水溶液の噴射地点よりも排気下流に位置する排気系に析出する単位時間当たりの尿素結晶の析出量を推定する析出量推定手段と、前記温度センサにより検出された排気の温度に基づいて、前記排気系から離脱する単位時間当たりの尿素結晶の離脱量を推定する離脱量推定手段と、前記尿素結晶の単位時間当たりの析出量及び離脱量に基づいて、前記排気系に堆積されている尿素結晶の堆積量を推定する堆積量推定手段と、を有する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、尿素水溶液の噴射地点よりも排気下流に位置する排気系に堆積した尿素結晶の堆積量を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明を具現化した排気浄化装置の一例を示す全体構成図
【図２】制御プログラムの一例を示すフローチャート
【図３】単位時間当たりの尿素結晶の析出量を推定する析出量マップの説明図
【図４】単位時間当たりの尿素結晶の離脱量を推定する離脱量マップの説明図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、本発明を具現化した排気浄化装置の一例を示す。
ディーゼルエンジン１０の吸気マニフォールド１２に接続される吸気管１４には、吸気流通方向に沿って、吸気中の埃などを濾過するエアクリーナ１６，吸気を過給するターボチャージャ１８のコンプレッサ１８Ａ，ターボチャージャ１８を通過して高温となった吸気を冷却するインタークーラ２０がこの順番で配設される。
【００１０】
一方、ディーゼルエンジン１０の排気マニフォールド２２に接続される排気管２４には、排気流通方向に沿って、ターボチャージャ１８のタービン１８Ｂ，連続再生式のDiesel Particulate Filter（以下「Diesel Particulate Filter」を「ＤＰＦ」という。）装置２６，尿素水溶液を噴射する還元剤噴射装置２８，加水分解により尿素水溶液から生成されるアンモニアを用いてＮＯｘを選択還元浄化するＳＣＲ触媒３０，ＳＣＲ触媒３０を通過したアンモニアを酸化させるアンモニア酸化触媒３２がこの順番で配設される。連続再生式ＤＰＦ装置２６は、少なくともＮＯ（一酸化窒素）をＮＯ2（二酸化窒素）へと酸化させるＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）２６Ａと、排気中のＰＭ（Particulate Matter）を捕集・除去するＤＰＦ２６Ｂと、を含んで構成される。なお、ＤＰＦ２６Ｂの代わりに、その表面に触媒（活性成分及び添加成分）を担持させたＣＳＦ（Catalyzed Soot Filter）を使用することもできる。還元剤噴射装置２８は、尿素水溶液を貯蔵するタンク，タンクから尿素水溶液を吸い上げて圧送するポンプ，尿素水溶液の噴射流量を制御する流量制御弁，排気管２４に尿素水溶液を噴射する噴射ノズルなどを含んで構成されるが、詳細には図示していない。
【００１１】
また、ディーゼルエンジン１０には、排気の一部を吸気に導入して再循環させることで、燃焼温度の低下によりＮＯｘを低減するＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置３４が取り付けられる。ＥＧＲ装置３４は、排気管２４を流れる排気の一部を吸気管１４へと導入するためのＥＧＲ管３４Ａと、ＥＧＲ管３４Ａを流れる排気を冷却するＥＧＲクーラ３４Ｂと、吸気管１４へと導入する排気のＥＧＲ率を制御するためのＥＧＲ制御弁３４Ｃと、を含んで構成される。
【００１２】
排気浄化装置の制御系として、連続再生式ＤＰＦ装置２６のＤＰＦ２６Ｂと還元剤噴射装置２８との間には、還元剤噴射装置２８の排気上流における排気の温度（排気温度）Ｔを検出する温度センサ３６が取り付けられる。温度センサ３６の出力信号は、コンピュータを内蔵したコントロールユニット３８に入力される。また、コントロールユニット３８には、ディーセルエンジン１０の運転状態の一例として、回転速度Ｎｅを検出する回転速度センサ４０、及び、負荷Ｑを検出する負荷センサ４２の出力信号も入力される。ここで、ディーゼルエンジン１０の負荷Ｑとして、例えば、燃料供給量，吸気流量，吸気圧力，過給圧力，アクセル開度，スロットル開度など、トルクと密接に関連する状態量を適用することができる。なお、ディーゼルエンジン１０の回転速度Ｎｅ及び負荷Ｑは、ＣＡＮ（Controller Area Network）などを介して、ディーゼルエンジン１０を電子制御するエンジンコントロールユニット（図示せず）から読み込むようにしてもよい。
【００１３】
そして、コントロールユニット３８は、ＲＯＭ（Read Only Memory）などの不揮発性メモリに記憶された制御プログラムを実行することで、温度センサ３６，回転速度センサ４０及び負荷センサ４２の各出力信号に基づいて、還元剤噴射装置２８の排気下流、即ち、尿素水溶液の噴射地点よりも排気下流に位置する排気系に許容値を超える尿素結晶が堆積したか否かを判定する。また、コントロールユニット３８は、排気系に許容値を超える尿素結晶が堆積したと判定したときに、排気温度を昇温させて尿素結晶を強制離脱させるべく、ディーゼルエンジン１０に取り付けられた燃料噴射装置に対して燃料増量指令を出力すると共に、コンビネーションメータに付設された警告灯４４を点灯させる。ここで、「排気系」とは、少なくとも、排気管２４及びＳＣＲ触媒３０を含んだ系のことをいう。
【００１４】
なお、コントロールユニット３８が制御プログラムを実行することで、析出量推定手段，離脱量推定手段，堆積量推定手段及び判定手段の一例が夫々具現化される。また、コントロールユニット３８及び警告灯４４が協働することで、報知手段の一例が具現化される。さらに、コントロールユニット３８及び燃料噴射装置が協働することで、昇温手段の一例が具現化される。
【００１５】
図２は、ディーゼルエンジン１０が始動されたことを契機として、コントロールユニット３８が単位時間（例えば１秒）ごとに繰り返し実行する制御プログラムの内容を示す。なお、コントロールユニット３８は、図２に示す制御プログラムとは異なる制御プログラムに従って、エンジン運転状態などに応じて、還元剤噴射装置２８及びＥＧＲ制御弁３４Ｃを夫々電子制御する。
【００１６】
ステップ１（図では「Ｓ１」と略記する。以下同様。）では、コントロールユニット３８が、エンジン運転状態に応じた尿素水溶液の添加流量（単位時間当たりの噴射量）を演算する。即ち、コントロールユニット３８は、回転速度及び負荷に対応した添加流量が設定されたマップ（図示せず）を参照し、回転速度センサ４０により検出された回転速度Ｎｅ及び負荷センサ４２により検出された負荷Ｑに応じた尿素水溶液の添加流量を演算する。なお、尿素水溶液の添加流量は、還元剤噴射装置２８を電子制御するモジュールから読み込むようにしてもよい。
【００１７】
ステップ２では、コントロールユニット３８が、排気温度及び尿素水溶液の添加流量に基づいて、排気系に析出する単位時間当たりの尿素結晶の析出量を推定する。即ち、コントロールユニット３８は、図３に示すように、排気温度及び添加流量に対応した析出量が設定された析出量マップ（第１のマップ）を参照し、温度センサ３６により検出された排気温度Ｔ及び尿素水溶液の添加流量に応じた尿素結晶の析出量を推定する。なお、排気温度及び添加流量に対応した析出量は、例えば、シミュレーション，実験などを通して求めればよい（以下同様）。
【００１８】
ステップ３では、コントロールユニット３８が、例えば、「堆積量＝堆積量＋析出量」という式を利用して、排気系に堆積する尿素結晶の堆積量を推定する。
ステップ４では、コントロールユニット３８が、温度センサ３６により検出された排気温度Ｔに基づいて、排気系から離脱する単位時間当たりの尿素結晶の離脱量を推定する。ここで、「離脱」とは、排気系に堆積した尿素結晶が溶解又は気化することで、排気系からなくなることをいう。即ち、コントロールユニット３８は、図４に示すように、排気温度に対応した離脱量が設定された離脱量マップ（第２のマップ）を参照し、排気温度Ｔに応じた尿素結晶の離脱量を推定する。なお、離脱量マップには、排気温度が尿素結晶の離脱温度Ｔ0以下の領域では、尿素結晶が離脱され得ない「０」であることが設定されている。
【００１９】
ステップ５では、コントロールユニット３８が、例えば、「堆積量＝堆積量―離脱量」という式を利用して、排気系に残留する尿素結晶の堆積量を推定する。
ステップ６では、コントロールユニット３８が、尿素結晶の堆積量が所定値以上であるか否かを判定する。ここで、所定値は、排気系に堆積された尿素結晶の強制離脱処理を実行すべきか否かを判定するための閾値であって、例えば、排気系に許容される尿素結晶の許容堆積量より若干低い値を持つ。そして、コントロールユニット３８は、尿素結晶の堆積量が所定値以上であると判定すれば処理をステップ７へと進める一方（Ｙｅｓ）、尿素結晶の堆積量が所定値未満であると判定すれば処理を終了させる（Ｎｏ）。
【００２０】
ステップ７では、コントロールユニット３８が、排気系に堆積された尿素結晶の強制離脱処理が実行されていることを報知すべく、コンビネーションメータに付設された警告灯４４を点灯させる。なお、警告灯４４の代わりに、ブザーなどを採用してもよい。
ステップ８では、コントロールユニット３８が、排気温度を尿素結晶の離脱温度よりも昇温させることで、排気系に堆積された尿素結晶を強制離脱させるために、ディーゼルエンジン１０に取り付けられた燃料噴射装置に対して、燃料供給量の増量指令を出力する。なお、排気温度を上昇させる昇温手段として、吸気シャッタ又は排気シャッタの開閉制御，可変ターボチャージャのベーン開度制御，ポスト噴射などの公知の手段を採用することもできる。
【００２１】
かかる排気浄化装置において、ディーゼルエンジン１０の排気は、排気マニフォールド２２，ターボチャージャ１８のタービン１８Ｂを経て、連続再生式ＤＰＦ装置２６のＤＯＣ２６Ａに導入される。ＤＯＣ２６Ａに導入された排気は、一部のＮＯがＮＯ2へと酸化されつつＤＰＦ２６Ｂへと流れる。ＤＰＦ２６Ｂでは、排気中のＰＭが捕集・除去されると共に、ＤＯＣ２６Ａにより生成されたＮＯ2を使用してＰＭが酸化されることで、ＰＭの捕集・除去及び再生が同時に行われる。
【００２２】
また、エンジン運転状態に応じた流量で還元剤噴射装置２８から噴射された尿素水溶液は、排気熱及び排気中の水蒸気を使用して加水分解され、還元剤として機能するアンモニアへと転化される。このアンモニアは、ＳＣＲ触媒３０において排気中のＮＯｘと選択還元反応し、無害成分であるＨ2Ｏ（水）及びＮ2（窒素ガス）へと浄化されることは知られたことである。一方、ＳＣＲ触媒３０を通過したアンモニアは、その排気下流に配設されたアンモニア酸化触媒３２により酸化されるので、アンモニアがそのまま大気中に放出されることを抑制できる。
【００２３】
このような排気浄化過程において、尿素水溶液の添加流量及び排気温度から推定された尿素結晶の析出量を順次積算しつつ、この積算値から排気温度に応じた尿素結晶の離脱量を順次減算することで、尿素水溶液の噴射地点よりも排気下流に位置する排気系に堆積された尿素結晶の堆積量が推定できる。このとき、排気系に堆積された尿素結晶は、排気温度が尿素結晶の離脱温度より高い領域で減少する特性に着目し、尿素結晶の析出量だけではなくその離脱量をも考慮することで、尿素結晶の堆積量の推定精度を向上させることができる。そして、尿素結晶の堆積量が所定値以上になると、コンビネーションメータに付設された警告灯４４が点灯されると共に、尿素結晶の強制離脱処理が実行される。
【００２４】
ここで、尿素水溶液の噴射地点よりも排気下流に位置する排気系に堆積された尿素結晶の堆積量は、コントロールユニット３８が、エンジン停止時に不揮発性メモリに書き込む一方、エンジン始動時に不揮発性メモリから読み出すようにしてもよい。このようにすれば、尿素結晶の堆積量は、エンジン停止によりリセットされないことから、それまで演算された値を引き継ぐことができ、尿素結晶の堆積量の推定精度が低下することを抑制できる。なお、コントロールユニット３８が、エンジン停止時に尿素結晶の堆積量を不揮発性メモリに書き込む処理が書込手段に、エンジン始動時に不揮発性メモリから尿素結晶の堆積量を読み出す処理が読出手段に夫々該当する。
【００２５】
また、整備工場などにおいて、ＳＣＲ触媒３０，アンモニア酸化触媒３２の点検・清掃などが行われることを考慮し、尿素結晶の堆積量を強制的にリセットできる機能（リセット手段）を設けてもよい。さらに、尿素結晶の強制離脱処理は、自動的ではなく、警告灯４４が点灯したことに気付いた運転者などの指示に応じて実行されるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００２６】
１０  ディーゼルエンジン
２４  排気管
２８  還元剤噴射装置
３０  ＳＣＲ触媒
３６  温度センサ
３８  コントロールユニット
４０  回転速度センサ
４２  負荷センサ
４４  警告灯
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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