(57)【要約】【課題】尿素水添加弁の尿素腐食を効果的に抑制できる排気浄化装置を提供する。【解決手段】排気中に尿素水を添加する尿素水添加弁１５と、尿素水の熱分解により生成されたアンモニアを還元剤とした選択的触媒還元により排気中のＮＯｘを浄化する触媒装置２０と、尿素水添加弁１５の冷却に必要な尿素水の添加量として冷却用添加量を演算するとともに、その冷却用添加量以上の量となるように尿素水添加弁１５の尿素水の添加量を制御する添加制御部２３と、を備える排気浄化装置において、尿素水の尿素濃度を検出する尿素濃度センサ１９を設けるとともに、尿素濃度が高いときには、同尿素濃度が低いときよりも多い量が冷却用添加量として演算されるように添加制御部２３を構成するようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気通路に設置されて排気中に尿素水を添加する尿素水添加弁と、前記排気通路における前記尿素水添加弁よりも下流側の部分に設置されて前記尿素水の熱分解により生成されたアンモニアを還元剤とした選択的触媒還元により排気中の窒素酸化物を浄化する触媒装置と、を備える排気浄化装置において、
前記尿素水添加弁の冷却に必要な前記尿素水の添加量である冷却用添加量を演算するとともに、前記冷却用添加量以上の量となるように前記尿素水添加弁の尿素水添加量を制御する添加制御部と、
前記尿素水の尿素濃度を検出する尿素濃度検出部と、
を備えており、且つ前記添加制御部は、前記尿素濃度が高いときには、同尿素濃度が低いときよりも多い量となるように前記冷却用添加量を演算する
排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、尿素水を添加する尿素水添加弁と、尿素水の熱分解により生成されたアンモニアを還元剤とした選択的触媒還元により排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する触媒装置と、を備える排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のような、いわゆる尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムを採用する排気浄化装置として、特許文献１に記載の装置が知られている。同文献に記載の排気浄化装置では、エンジンの運転状態から同エンジンのＮＯｘの排出量を求めるとともに、その排出量に対してＮＯｘの浄化率を目標とする値（目標浄化率）とするために必要な量のアンモニアが触媒装置に供給されるように尿素水添加弁の尿素水添加量を決定している。
【０００３】
なお、同文献に記載の排気浄化装置では、上記尿素水添加量の決定を、尿素水添加弁が排気中に添加する尿素水の尿素濃度を考慮して行っている。尿素水添加量が同じでも、尿素濃度が高いほど、触媒装置に供給されるアンモニアの量は多くなる。そのため、尿素濃度が高い場合には、同尿素濃度が低い場合よりも、目標浄化率の実現に必要な尿素水添加量が少なくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−００５７４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、エンジンの運転中に高温の排気に曝されて尿素水添加弁の温度が上昇すると、尿素水中の尿素による尿素水添加弁の腐食が進行しやすくなる。こうした高温環境下での尿素による尿素水添加弁の腐食速度は、尿素水の尿素濃度が高い場合に特に高くなる。
【０００６】
なお、尿素添加量が十分に多い状態にあれば、尿素水添加弁内での尿素水の入れ替わりが多くなって、尿素水による尿素水添加弁の冷却が進むため、尿素水添加弁の温度上昇が抑えられる。これに対して、上記文献の排気浄化装置のように、尿素濃度を考慮してＮＯｘ浄化に必要な尿素水添加量を決定する場合、尿素濃度が高くて腐食が進みやすい状況にあるときに尿素水添加量が少なくなり、尿素水添加弁の温度上昇を抑えにくくなるため、尿素腐食が特に進みやすくなる。
【０００７】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、尿素水添加弁の尿素腐食を効果的に抑制できる排気浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する排気浄化装置は、エンジンの排気通路に設置されて排気中に尿素水を添加する尿素水添加弁と、排気通路における尿素水添加弁よりも下流側の部分に設置されて尿素水の熱分解により生成されたアンモニアを還元剤とした選択的触媒還元により排気中の窒素酸化物を浄化する触媒装置と、尿素水添加弁の冷却に必要な尿素水の添加量である冷却用添加量を演算するとともに、冷却用添加量以上の量となるように尿素水添加弁の尿素水添加量を制御する添加制御部と、を備えている。
【０００９】
こうした排気浄化装置の尿素水添加弁では、ＮＯｘの浄化に必要な尿素水添加量に拘らず、冷却用添加量以上の量の尿素水添加が行われる。そのため、冷却用添加量として適切な量を設定すれば、尿素水添加弁の温度を、腐食を抑制可能な温度以下に抑えることが可能となる。
【００１０】
なお、尿素水添加弁が排気中に添加する尿素水の尿素濃度が高いほど、低い温度で尿素水添加弁の尿素腐食は進行するようになる。これに対して上記排気浄化装置は、尿素水の尿素濃度を検出する尿素濃度検出部を備えている。そして、上記添加制御部は、尿素濃度が高いときには、同尿素濃度が低いときよりも多い量となるように冷却用添加量を演算している。そのため、尿素濃度が高いときには、同尿素濃度が低いときよりも、尿素水添加弁の温度が低い温度に保たれるようになる。したがって、上記排気浄化装置によれば、尿素水添加弁の尿素腐食を効果的に抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】排気浄化装置の一実施形態の構成を示す略図。
【図２】同排気浄化装置に設けられた添加制御部の制御構造を示すブロック図。
【図３】上記添加制御部が尿素水添加弁の尿素水添加量の制御に際して演算する濃度補正係数と尿素濃度との関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、排気浄化装置の一実施形態を、図１〜図３を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態の排気浄化装置が適用される車載用のエンジン１０の吸気通路１１には、同吸気通路１１を流れる吸気の流量を検出するエアフローメータ１２が設けられている。また、吸気通路１１におけるエアフローメータ１２よりも下流側の部分には、吸気流量を調整するための弁であるスロットルバルブ１３が設けられている。
【００１３】
本実施形態の排気装置は、エンジン１０の排気通路１４に設けられた尿素水添加弁１５と、同排気通路１４における尿素水添加弁１５よりも下流側の部分に設けられた選択的触媒還元型の触媒装置２０と、を備える。尿素水添加弁１５は、尿素水ポンプ１７によって尿素水タンク１６から送られた尿素水を噴射することで、排気通路１４を流れる排気中に尿素水を添加する。なお、尿素水タンク１６には、その内部に蓄えられた尿素水の温度を検出する尿素水温度センサ１８と、同尿素水の尿素濃度を検出する尿素濃度センサ１９とが設けられている。触媒装置２０は、選択的触媒還元により排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する。こうした触媒装置２０によるＮＯｘの選択的触媒還元は、尿素水添加弁１５が添加した尿素水が熱分解して生成されたアンモニアを還元剤として行われる。なお、排気通路１４における尿素水添加弁１５よりも上流側の部分には、同部分を流れる排気の温度を検出する排気温度センサ２１と、排気中のＮＯｘの濃度を検出するＮＯｘ濃度センサ２２と、が設けられている。
【００１４】
さらに、本実施形態の排気浄化装置は、尿素水添加弁１５による排気中への尿素水の添加制御を行う添加制御部２３を備えている。添加制御部２３には、上記エアフローメータ１２、尿素水温度センサ１８、尿素濃度センサ１９、排気温度センサ２１、ＮＯｘ濃度センサ２２の検出結果が入力されている。さらに、添加制御部２３には、エンジン１０の出力軸であるクランクシャフト２４の回転位相を検出するクランク角センサ２５、及び同エンジン１０が搭載された車両の走行速度（車速）を検出する車速センサ２６の検出結果が入力されている。実際には、添加制御部２３は、尿素水の添加制御を専門に行う独立した制御ユニットではなく、エンジン制御用の電子制御ユニットがエンジン制御の一環として添加制御部２３としての処理を行っている。
【００１５】
なお、添加制御部２３は、クランク角センサ２５の検出結果からクランクシャフト２４の回転速度、すなわちエンジン回転数を求めている。また、添加制御部２３は、エアフローメータ１２が検出した吸気流量やエンジン回転数に基づき、排気通路１４を流れる排気の流量（排気流量）を求めている。
【００１６】
図２に示すように、添加制御部２３は、浄化用添加量演算処理Ｐ１００、先端温度演算処理Ｐ１１０、冷却用添加量演算処理Ｐ１２０、濃度補正処理Ｐ１３０、添加量指令値演算処理Ｐ１４０、及び添加弁駆動処理Ｐ１５０を通じて、尿素水添加弁１５の尿素水の添加制御を行う。なお、排気中への尿素水の添加は、エンジン１０の運転状態に応じて設定された周期毎に尿素水添加弁１５が尿素水を噴射することで行われている。以下の説明における尿素水の添加量は、単位時間に尿素水添加弁１５が噴射する尿素水の総量を、すなわち１回当たりの尿素水の噴射量に単位時間の噴射回数を乗算した積を表している。
【００１７】
浄化用添加量演算処理Ｐ１００では、触媒装置２０でのＮＯｘの浄化に必要な尿素水の添加量である浄化用添加量の演算が行われる。浄化用添加量の演算に際してはまず、排気流量とＮＯｘ濃度とに基づき、触媒装置２０に流入するＮＯｘの流量が求められる。そして、その流量分のＮＯｘの浄化に必要な量のアンモニアを供給可能な尿素水の添加量が、浄化用添加量の値として演算される。
【００１８】
先端温度演算処理Ｐ１１０では、排気に曝される尿素水添加弁１５の先端部分の温度（先端温度）の演算が行われる。先端温度の演算に際してはまず、排気通路１４における排気温度センサ２１の設置位置から尿素水添加弁１５の設置位置までの区間での、走行風の冷却による排気温度の低下量が車速に基づき求められる。続いて、その求めた低下量を排気温度センサ２１の排気温度の検出値から引いた差が、排気通路１４の尿素水添加弁１５の設置位置における排気の温度として求められる。さらに、排気流量と尿素水添加弁１５の設置位置の排気温度とに基づき、排気からの尿素水添加弁１５の受熱量が、尿素水温度に基づき、尿素水添加弁１５から尿素水への放熱量がそれぞれ求められる。そして、こうした受熱量、放熱量から尿素水添加弁１５の先端温度が演算されている。
【００１９】
冷却用添加量演算処理Ｐ１２０では、尿素水添加弁１５の冷却に必要な尿素水の添加量である冷却用添加量の演算が行われる。このときの冷却用添加量は、先端温度演算処理Ｐ１１０で演算した尿素水添加弁１５の先端温度に基づき、同先端温度が高いほど多い量となるように演算される。なお、冷却用添加量演算処理Ｐ１２０では、尿素水添加弁１５の先端温度を既定の基準温度以下とするために必要な尿素水の添加量が、冷却用添加量の値として演算される。ここでの基準温度は、尿素水添加弁１５が添加する尿素水の尿素濃度が既定の基準濃度である場合に、尿素水の尿素による腐食の進行を抑制可能な尿素水添加弁１５の先端温度の上限値となっている。すなわち、冷却用添加量演算処理Ｐ１２０では、尿素水の尿素濃度が基準濃度であることを前提として、冷却用添加量を演算している。
【００２０】
濃度補正処理Ｐ１３０では、冷却用添加量演算処理Ｐ１２０が演算した冷却用添加量に対して、尿素濃度センサ１９が検出した尿素水の尿素濃度に基づく補正（濃度補正）が行われる。濃度補正処理Ｐ１３０ではまず、尿素濃度に基づき濃度補正係数の値が演算される。そして、冷却用添加量演算処理Ｐ１２０が演算した冷却用添加量の値にその濃度補正係数の値を乗算した積を、濃度補正後の冷却用添加量の値とすることで濃度補正が行われる。なお、濃度補正係数の演算は、添加制御部２３に予め記憶された演算マップＭ１を参照して行われる。
【００２１】
図３に示すように、演算マップＭ１は、尿素濃度が基準濃度であるときの濃度補正係数の値が「１」となるように設定されている。そして、演算マップＭ１は、尿素濃度を基準濃度から高濃度側に変化させていったときに濃度補正係数の値が「１」から次第に大きくなっていき、尿素濃度を基準濃度から低濃度側に変化させていったときに濃度補正係数の値は「１」から次第に小さくなっていくように設定されている。
【００２２】
これに対して、添加量指令値演算処理Ｐ１４０では、浄化用添加量演算処理Ｐ１００で演算した浄化用添加量の値と、濃度補正処理Ｐ１３０による濃度補正後の冷却用添加量の値との２つの値のうち、より大きい方の値が添加量指令値の値として演算される。そして、添加弁駆動処理Ｐ１５０では、添加量指令値の値が示す量分の尿素水の添加が単位時間に行われるように尿素水添加弁１５の駆動制御が行われる。
【００２３】
なお、添加量指令値演算処理Ｐ１４０では、濃度補正後の冷却用添加量の値が浄化用添加量の値よりも小さい場合、浄化用添加量の値が添加量指令値の値として演算される。一方、濃度補正後の冷却用添加量の値が浄化用添加量の値よりも大きい場合、濃度補正後の冷却用添加量の値が添加量指令値の値として演算される。このように、いずれの場合にも、添加量指令値には、濃度補正後の冷却用添加量の値以上の値が設定される。
【００２４】
（本実施形態の作用効果）
以上のように構成された本実施形態の排気浄化装置の作用、効果を説明する。
上記のような排気浄化装置に設けられた尿素水添加弁１５の内部には、常に一定量の尿素水が存在している。こうした尿素水添加弁１５の内部の尿素水の温度が上昇すると、尿素水の尿素による尿素水添加弁１５の腐食が進行するようになる。一方、尿素水添加弁１５が尿素水を噴射すると、内部に存在する尿素水のうち、噴射した量分の尿素水が尿素水タンク１６から送られた低温の尿素水に入れ替わる。そのため、尿素水添加量が多いほど、尿素水添加弁１５の先端温度の上昇が抑えられる。
【００２５】
これに対して、本実施形態の排気浄化装置では、尿素水添加弁１５の先端温度を腐食の進行を抑制可能な温度域に維持するために必要な尿素水の添加量を冷却用添加量として演算している。そして、尿素水添加弁１５の尿素水の添加量を、冷却用添加量以上の量とすることで、腐食の進行を抑えている。
【００２６】
なお、尿素水の尿素濃度が高いほどその腐食性も高くなるため、尿素濃度が高い場合には、腐食の進行を抑制可能な尿素水添加弁１５の先端温度の上限が低くなる。その点、本実施形態の排気浄化装置では、濃度補正処理Ｐ１３０による濃度補正を通じて、尿素濃度が高いときには、同尿素濃度が低いときよりも多い量となるように冷却用添加量を演算している。そのため、尿素濃度が高いときには、同尿素濃度が低いときよりも、尿素水添加弁１５の先端温度が低い温度に保たれるようになる。したがって、本実施形態の排気浄化装置によれば、尿素水添加弁１５の尿素腐食を効果的に抑制できる。
【００２７】
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・上記実施形態では、濃度補正処理Ｐ１３０において、尿素濃度の変化に対して線形的に変化する値として濃度補正係数を演算していた。こうした尿素濃度と濃度補正係数の値との関係は、適用する排気浄化装置における尿素水添加弁１５の先端温度、尿素腐食の速度、添加量の関係に応じて適宜に設定するものであり、尿素濃度の変化に対して非線形に変化する値となるように濃度補正係数を設定することが望ましい場合もある。また、尿素濃度の変化に対して不連続に変化する値、すなわち段階的に変化する値として、濃度補正係数を設定してもよい。
【００２８】
・上記実施形態では、冷却用添加量演算処理Ｐ１２０、濃度補正処理Ｐ１３０の２つの処理を通じて、尿素濃度が高いときには、同尿素濃度が低いときよりも多い量となるように冷却用添加量を演算していた。すなわち、尿素濃度が基準濃度である場合の冷却用添加量をまず演算し、その演算した値を尿素濃度に応じて演算した濃度補正係数にて補正することで、尿素濃度が高いときには、同尿素濃度が低いときよりも多い量となるように冷却用添加量を演算していた。こうした冷却用添加量の演算を、単一の処理で行うようにしてもよい。すなわち、濃度補正処理Ｐ１３０を割愛し、冷却用添加量演算処理Ｐ１２０において先端温度と尿素濃度とに基づき冷却用添加量を演算する。こうした場合にも、冷却用添加量演算処理Ｐ１２０での冷却用添加量の演算が、尿素濃度が高いときには、同尿素濃度が低いときよりも多い量となるように行われるようになっていれば、尿素水添加弁１５の尿素腐食を効果的に抑制することができる。
【符号の説明】
【００２９】
１０…エンジン、１１…吸気通路、１２…エアフローメータ、１３…スロットルバルブ、１４…排気通路、１５…尿素水添加弁、１６…尿素水タンク、１７…尿素水ポンプ、１８…尿素水温度センサ、１９…尿素濃度センサ（尿素濃度検出部）、２０…触媒装置、２１…排気温度センサ、２２…ＮＯｘ濃度センサ、２３…添加制御部、２４…クランクシャフト、２５…クランク角センサ、２６…車速センサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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