(57)【要約】【課題】排気浄化装置に関し、尿素水噴射量をＳＣＲの劣化度合に応じた最適な噴射量で制御する。【解決手段】エンジン１０の排気系に設けられ、尿素水から生成されるアンモニアを還元剤として排気中に含まれるＮＯｘを還元浄化するＳＣＲ２２と、ＳＣＲ２２に尿素水を噴射する尿素水噴射装置２１と、ＳＣＲ２２の静電容量を検出する電極２７と、電極２７から入力される静電容量に基づいてＳＣＲ２２の内部温度を演算するＳＣＲ内部温度演算部５１と、ＳＣＲ内部温度演算部５１から入力される内部温度に基づいてＳＣＲ２２の劣化度合を演算するＳＣＲ劣化度合演算部５２と、所定の基準噴射量に基づいて尿素水噴射装置２１の尿素水噴射を制御する尿素水噴射制御部５３と、ＳＣＲ劣化度合演算部５２から入力される劣化度合に応じて基準噴射量を補正する噴射量補正部５４とを備えた。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気系に設けられ、尿素水から生成されるアンモニアを還元剤として排気中に含まれる窒素化合物を還元浄化する選択的還元触媒と、
前記選択的還元触媒に尿素水を噴射する尿素水噴射手段と、
前記選択的還元触媒の静電容量を検出する静電容量検出手段と、
前記静電容量検出手段から入力される静電容量に基づいて、前記選択的還元触媒の内部温度を演算する内部温度演算手段と、
前記内部温度演算手段から入力される内部温度に基づいて、前記選択的還元触媒の劣化状態を推定する劣化状態推定手段と、
少なくとも前記内燃機関の運転状態に応じて設定される所定の基準噴射量に基づいて、前記尿素水噴射手段の尿素水噴射を制御する噴射制御手段と、
前記劣化状態推定手段から入力される前記選択的還元触媒の劣化状態に応じて前記基準噴射量を補正する噴射量補正手段と、を備える
ことを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
前記噴射量補正手段は、前記劣化状態推定手段から入力される劣化状態に基づいて、前記選択的還元触媒の還元剤吸着能力を求めると共に、当該還元剤吸着能力に応じた噴射補正量で前記基準噴射量を補正する
請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項３】
前記静電容量検出手段が、前記選択的還元触媒内に一個以上の隔壁を挟んで対向配置されてコンデンサを形成する少なくとも一対の電極で構成される
請求項１又は２に記載の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気浄化装置に関し、特に、排気中の窒素化合物を還元浄化する排気浄化触媒を備えた排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン等の排気系に設けられる排気浄化触媒として、尿素水から加水分解されて生成されるアンモニア（ＮＨ3）を還元剤として排気中の窒素化合物（ＮＯｘ）を選択的に還元浄化する選択的還元触媒（Selective Catalytic Reduction：ＳＣＲ）が知られている。
【０００３】
一般的に、ＳＣＲのＮＨ3吸着量やＮＯｘ浄化性能は、ＳＣＲの内部温度に依存して変化する。そのため、尿素水噴射量を最適に制御するには、ＳＣＲの内部温度を正確に把握することが重要となる。
【０００４】
尿素水噴射量をＳＣＲ温度に基づいて制御する技術として、例えば、ＳＣＲの前後に配置した排気温度センサの検出値からＳＣＲの内部温度を推定し、推定した内部温度に応じて尿素水噴射量を適宜調整する手法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２９３７３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、排気温度センサは、ＳＣＲの内部に直接的に設けることができないため、ＳＣＲ内部温度を正確に検出できない課題がある。また、ＳＣＲのＮＨ3吸着量は、ＳＣＲの内部温度や劣化度合によって変化するため、尿素水噴射量を排気温度センサのセンサ値に基づいて制御する技術では、内部温度や劣化度合に応じた最適な噴射量を設定できない可能性がある。
【０００７】
本発明の目的は、尿素水噴射量をＳＣＲの劣化度合に応じた最適な噴射量で制御することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の目的を達成するため、本発明の排気浄化装置は、内燃機関の排気系に設けられ、尿素水から生成されるアンモニアを還元剤として排気中に含まれる窒素化合物を還元浄化する選択的還元触媒と、前記選択的還元触媒に尿素水を噴射する尿素水噴射手段と、前記選択的還元触媒の静電容量を検出する静電容量検出手段と、前記静電容量検出手段から入力される静電容量に基づいて、前記選択的還元触媒の内部温度を演算する内部温度演算手段と、前記内部温度演算手段から入力される内部温度に基づいて、前記選択的還元触媒の劣化状態を推定する劣化状態推定手段と、少なくとも前記内燃機関の運転状態に応じて設定される所定の基準噴射量に基づいて、前記尿素水噴射手段の尿素水噴射を制御する噴射制御手段と、前記劣化状態推定手段から入力される前記選択的還元触媒の劣化状態に応じて前記基準噴射量を補正する噴射量補正手段とを備えることを特徴とする。
【０００９】
また、前記噴射量補正手段は、前記劣化状態推定手段から入力される劣化状態に基づいて、前記選択的還元触媒の還元剤吸着能力を求めると共に、当該還元剤吸着能力に応じた噴射補正量で前記基準噴射量を補正するものでもよい。
【００１０】
また、前記静電容量検出手段が、前記選択的還元触媒内に一個以上の隔壁を挟んで対向配置されてコンデンサを形成する少なくとも一対の電極で構成されてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の排気浄化装置によれば、尿素水噴射量をＳＣＲの劣化度合に応じた最適な噴射量で制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る排気浄化装置を示す模式的な全体構成図である。
【図２】本実施形態のＥＣＵを示す機能ブロック図である。
【図３】本実施形態の静電容量・温度特性マップの一例を示す図である。
【図４】本実施形態のＮＨ3吸着可能量マップの一例を示す図である。
【図５】本実施形態の制御内容を示すフローチャートである。
【図６】実際の排気温度変化に対する電極間の静電容量と排気温度センサのセンサ値とを比較した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係る排気浄化装置を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
【００１４】
図１に示すように、ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１０には、吸気マニホールド１０ａと排気マニホールド１０ｂとが設けられている。吸気マニホールド１０ａには新気を導入する吸気通路１１が接続され、排気マニホールド１０ｂには排気を大気に放出する排気通路１２が接続されている。
【００１５】
吸気通路１１には、吸気上流側から順に、エアクリーナ１３、過給機１５のコンプレッサ１５ａ、インタークーラ１７等が設けられている。排気通路１２には、排気上流側から順に、過給機１５のタービン１５ｂ、排気後処理装置２０等が設けられている。なお、図１中において、符号１８はエンジン回転数センサ、符号１９はアクセル開度センサを示している。
【００１６】
排気後処理装置２０は、排気上流側から順に、尿素水噴射装置２１と、ケース２０ａ内に収容されたＳＣＲ２２とを備えて構成されている。
【００１７】
尿素水噴射装置２１は、本発明の尿素水噴射手段の一例であって、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ）５０から入力される指示信号に応じて、ＳＣＲ２２よりも上流側の排気通路１２内に、図示しない尿素水タンク内の尿素水を噴射する。噴射された尿素水は排気熱により加水分解されてＮＨ3に生成され、下流側のＳＣＲ２２に還元剤として供給される。
【００１８】
ＳＣＲ２２は、例えば、ハニカム構造体等のセラミック製担体表面にゼオライト等を担持して形成されており、多孔質性の隔壁で区画された多数のセルを備えて構成されている。ＳＣＲ２２は、還元剤として供給されるＮＨ3を吸着すると共に、吸着したＮＨ3で通過する排気ガス中からＮＯｘを選択的に還元浄化する。
【００１９】
また、本実施形態のＳＣＲ２２には、少なくとも一個以上の隔壁を挟んで対向配置されてコンデンサを形成する複数本の電極２７が設けられている。これら複数本の電極２７は、本発明の静電容量検出手段の一例として好ましい。
【００２０】
ＥＣＵ５０は、エンジン１０や尿素水噴射装置２１等の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備えて構成されている。
【００２１】
また、ＥＣＵ５０は、図２に示すように、ＳＣＲ内部温度演算部５１と、ＳＣＲ劣化度合演算部５２と、尿素水噴射制御部５３と、噴射量補正部５４とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、一体のハードウェアであるＥＣＵ５０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。
【００２２】
ＳＣＲ内部温度演算部５１は、本発明の内部温度演算手段の一例であって、電極２７間の静電容量Ｃに基づいて、ＳＣＲ２２の内部温度ＴSCRを演算する。一般的に、電極２７間の静電容量Ｃは、電極２７間の媒体の誘電率ε、電極２７の面積Ｓ、電極２７間の距離ｄとする以下の数式１で表される。
【００２３】
【数１】
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【００２４】
数式１において、電極２７の面積Ｓ及び距離ｄは一定であり、誘電率εが排気温度の影響を受けて変化すると、これに伴い静電容量Ｃも変化する。すなわち、電極２７間の静電容量Ｃを検出すれば、ＳＣＲ２２の内部温度ＴSCRを演算することができる。
【００２５】
ＥＣＵ５０には、予め実験等により求めた静電容量ＣとＳＣＲ内部温度Ｔとの関係を示す静電容量・温度特性マップ（例えば、図３参照）が記憶されている。ＳＣＲ内部温度演算部５１は、この静電容量・温度特性マップから電極２７間の静電容量Ｃに対応する値を読み取ることで、ＳＣＲ２２の内部温度ＴSCRを演算する。なお、内部温度ＴSCRの演算はマップに限定されず、予め実験等により作成した近似式等から求めてもよい。
【００２６】
ＳＣＲ劣化度合演算部５２は、本発明の劣化状態推定手段の一例であって、ＳＣＲ内部温度演算部５１から入力される内部温度ＴSCR（ＳＣＲ２２内の実反応熱）に基づいて、ＳＣＲ２２の劣化度合ＤＥＧLEVELを演算する。より詳しくは、ＥＣＵ５０には、予め実験等により求めた正常なＳＣＲ（例えば、新品）の基準反応熱が記憶されている。ＳＣＲ劣化度合演算部５２は、この基準反応熱と内部温度ＴSCRから求められる実反応熱とを比較することで、ＳＣＲ２２の劣化度合ＤＥＧLEVELを演算する。なお、劣化度合ＤＥＧLEVELは、予め実験等により作成したマップや近似式等から求めてもよい。
【００２７】
尿素水噴射制御部５３は、本発明の噴射制御手段の一例であって、エンジン１０の運転状態等に基づいて尿素水噴射装置２１の尿素水噴射量を制御する。より詳しくは、尿素水噴射制御部５３は、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑからエンジン１０のＮＯｘ排出量を演算すると共に、このＮＯｘ排出量に応じて必要になる尿素水の基本噴射量ＩＮＪU_stdを設定する。この基本噴射量ＩＮＪU_stdは、後述する噴射量補正部５４によって必要に応じて補正される。
【００２８】
噴射量補正部５４は、本発明の噴射量補正手段の一例であって、尿素水噴射制御部５３で設定された基本噴射量ＩＮＪU_stdを、ＳＣＲ内部温度演算部５１から入力される内部温度ＴSCR及び、ＳＣＲ劣化度合演算部５２から入力される劣化度合ＤＥＧLEVELに基づいて補正する。
【００２９】
より詳しくは、ＥＣＵ５０には、予め実験等により作成した正常なＳＣＲ（例えば、新品）の内部温度ＴSCRとＮＨ3吸着可能量（以下、基準吸着可能量ＳＴNH3_MAX）との関係を示すＮＨ3吸着可能量マップ（例えば、図４参照）が記憶されている。さらに、このＮＨ3吸着可能量マップ上には、各劣化度合毎の内部温度ＴSCRと劣化後のＮＨ3吸着可能量（以下、劣化後吸着可能量ＳＴNH3_n）との関係も規定されている。
【００３０】
噴射量補正部５４は、ＮＨ3吸着可能量マップから、現在の内部温度ＴSCRに対応する基準吸着可能量ＳＴNH3_MAXと劣化後吸着可能量ＳＴNH3_nとの吸着量偏差ΔＳＴNH3を読み取ると共に、この吸着量偏差ΔＳＴNH3に相当する噴射補正量ΔＩＮＪに基づいて、基本噴射量ＩＮＪU_stdを減少補正する（ＩＮＪU_exh＝ＩＮＪU_std−ΔＩＮＪ）。補正後の尿素水噴射は、尿素水噴射装置２１のインジェクタ（不図示）に印加される各噴射の通電パルス幅を短くするか、あるいは噴射回数を減らすことで実行される。
【００３１】
次に、図５に基づいて、本実施形態の排気浄化装置による制御フローを説明する。なお、本制御はイグニッションキーのＯＮ操作と同時にスタートする。
【００３２】
ステップ（以下、ステップを単にＳと記載する）１００では、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑから演算されるエンジン１０のＮＯｘ排出量に応じて、尿素水の基本噴射量ＩＮＪU_stdが設定される。
【００３３】
Ｓ１１０では、電極２７間の静電容量Ｃに基づいてＳＣＲ２２の内部温度ＴSCRが演算され、さらに、Ｓ１２０では、Ｓ１１０で演算された内部温度ＴSCRに基づいて、ＳＣＲ２２の劣化度合ＤＥＧLEVELが演算される。
【００３４】
Ｓ１３０では、ＮＨ3吸着可能量マップ（図４）から、Ｓ１１０で演算された内部温度ＴSCRに対応する基準吸着可能量ＳＴNH3_MAX及び、Ｓ１２０で演算された劣化度合ＤＥＧLEVELに対応する劣化後吸着可能量ＳＴNH3_nが読み取られると共に、これら基準吸着可能量ＳＴNH3_MAXと劣化後吸着可能量ＳＴNH3_nとの吸着量偏差ΔＳＴNH3が演算される。
【００３５】
Ｓ１４０では、Ｓ１３０で演算された吸着量偏差ΔＳＴNH3が所定の閾値よりも多いか否かが判定される。吸着量偏差ΔＳＴNH3が所定の閾値よりも多い場合（Ｙｅｓ）は、Ｓ１５０に進み、吸着量偏差ΔＳＴNH3に相当する噴射補正量ΔＩＮＪに基づいて、基本噴射量ＩＮＪU_stdが減少補正される（ＩＮＪU_exh＝ＩＮＪU_std−ΔＩＮＪ）。さらに、Ｓ１６０では、補正後の噴射量ＩＮＪU_exhに基づいて、尿素水噴射装置２１の尿素水噴射が実行される。
【００３６】
一方、Ｓ１４０で、吸着量偏差ΔＳＴNH3が所定の閾値未満の場合（Ｎｏ）は、Ｓ１７０に進み、補正を行うことなく、Ｓ１００で設定した基本噴射量ＩＮＪU_stdに基づいて尿素水噴射装置２１の尿素水噴射が実行される。その後、上述のＳ１００〜１７０の各制御ステップは、イグニッションキーのＯＦＦ操作まで繰り返し実行される。
【００３７】
次に、本実施形態に係る排気浄化装置による作用効果を説明する。
【００３８】
図６に示すように、電極２７間の静電容量Ｃは、排気温度（ＳＣＲ内部温度）の変化に対して排気温度センサのセンサ値よりも速い応答性を示す特性がある。すなわち、ＳＣＲ２２内に直接的に配置した電極２７間の静電容量Ｃを用いれば、ＳＣＲ２２の前後に設けた排気温度センサのセンサ値よりも、ＳＣＲ２２の内部温度ＴSCRを正確に検出することが可能になる。
【００３９】
本実施形態の排気浄化装置では、電極２７間の静電容量Ｃから演算されるＳＣＲ２２の内部温度ＴSCRに基づいてＳＣＲ２２の劣化度合ＤＥＧLEVELを演算すると共に、この劣化度合ＤＥＧLEVELに応じたＮＨ3吸着可能量に基づいて、尿素水噴射量を補正している。すなわち、ＳＣＲ２２の劣化度合ＤＥＧLEVELを考慮したＮＨ3吸着可能量に基づいて尿素水噴射量を補正することで、ＳＣＲ前後の排気温度センサから推定した内部温度のみを考慮する従来技術に比べ、尿素水噴射量の最適化が確実に図られるように構成されている。
【００４０】
したがって、本実施形態の排気浄化装置によれば、尿素水噴射量をＳＣＲ２２の劣化度合に応じて最適に制御することが可能となり、ＳＣＲ２２のＮＯｘ浄化性能を効果的に向上することができる。また、尿素水噴射量の最適化が図られることで、ＳＣＲ２２からのＮＨ3スリップを効果的に抑止することが可能になる。さらに、ＳＣＲ２２の下流側に余剰のＮＨ3を酸化除去する酸化触媒等を配置する必要がなくなり、装置全体のコストや重量・サイズ等を効果的に低減することも可能になる。
【００４１】
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
【００４２】
例えば、電極２７の本数は少なくとも一対以上であればよく、図示例に限定されるものではない。また、エンジン１０はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジン等の他の内燃機関にも広く適用することが可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１０  エンジン
１２  排気通路
１８  エンジン回転数センサ
１９  アクセル開度センサ
２０  排気後処理装置
２１  尿素水噴射装置
２２  ＳＣＲ
２７  電極
５０  ＥＣＵ
５１  ＳＣＲ内部温度演算部
５２  ＳＣＲ劣化度合演算部
５３  尿素水噴射制御部
５４  噴射量補正部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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