(57)【要約】【課題】尿素水を由来とするアンモニアの大気中への放出を低減し、尿素水の消費を適正にする排気浄化システムの制御装置を提供する。【解決手段】インジェクタ制御部３２は、温度センサ３３で検出した排気の温度に基づいて間接的または直接的に検出した還元触媒１７の温度、および濃度センサ３４で検出した排気に含まれるアンモニアの濃度を用いて、インジェクタ２０から噴射する尿素水の量を制御する。還元触媒１７は、温度によって、保持可能なアンモニアの量が変化する。そこで、インジェクタ制御部３２は、還元触媒１７の温度と排気中のアンモニアの濃度とを用いてインジェクタ２０を制御する。これにより、インジェクタ２０から排気へ添加される尿素水の量は、還元触媒１７を通過するアンモニアの量だけでなく、還元触媒１７の温度も考慮して制御される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関（１１）から排出された排気に尿素水を噴射するインジェクタ（２０）と、前記インジェクタ（２０）から噴射された尿素水で排気に含まれる窒素酸化物を還元する触媒（１７）と、を備える排気浄化システム（１０）の制御装置（３０）であって、
前記触媒（１７）の温度を間接的または直接的に検出する温度検出手段（３３）と、
排気の流れ方向において前記触媒（１７）の出口側で排気に含まれるアンモニアの濃度を検出する濃度検出手段（３４）と、
前記温度検出手段（３３）で間接的または直接的に検出した前記触媒（１７）の温度、および前記濃度検出手段（３４）で検出した排気に含まれるアンモニアの濃度を用いて、前記インジェクタ（２０）から噴射する尿素水の量を制御するインジェクタ制御手段（３２）と、
を備える排気浄化システムの制御装置。
【請求項２】
前記インジェクタ制御手段（３２）は、前記内燃機関（１１）の運転中に前記温度検出手段（３３）で間接的または直接的に検出した前記触媒（１７）の温度が予め設定した下限温度より高く、かつ予め設定した上限温度より低いとき、前記濃度検出手段（３４）で検出した排気に含まれるアンモニアの濃度に基づいて、前記インジェクタ（２０）から噴射する尿素水の量を制御する請求項１記載の排気浄化システムの制御装置。
【請求項３】
前記インジェクタ制御手段（３２）は、前記内燃機関（１１）の運転中に前記温度検出手段（３３）で間接的または直接的に検出した前記触媒（１７）の温度が予め設定した下限温度以下、または予め設定した上限温度以上のとき、前記インジェクタ（２０）からの尿素水の噴射を停止する請求項１または２記載の排気浄化システムの制御装置。
【請求項４】
前記上限温度は、前記下限温度より高く設定されている請求項３記載の排気システムの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気浄化システムの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の排気を浄化する後処理として尿素を用いる尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムが公知である。尿素ＳＣＲシステムでは、排気に尿素水を添加することにより、排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元する。排気に添加された尿素水は、高温の排気によってアンモニアに分解する。分解したアンモニアは、ＳＣＲ触媒に保持され、このＳＣＲ触媒において排気に含まれるＮＯｘと化学的に反応する（特許文献１、２参照）。
【０００３】
しかし、排気に添加される尿素水が過剰であると、生成したアンモニアの一部はＳＣＲ触媒を通過し、大気へ放出されるおそれがある。また、このようにアンモニアが過剰になる場合、アンモニアの供給源となる尿素水は無駄に消費されるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２３４７３６号公報
【特許文献２】特開２００９−  ３６０５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明の目的は、尿素水を由来とするアンモニアの大気中への放出を低減し、尿素水の消費を適正にする排気浄化システムの制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載の発明では、インジェクタ制御手段は、温度検出手段で間接的または直接的に検出した触媒の温度、および濃度検出手段で検出した排気に含まれるアンモニアの濃度を用いて、インジェクタから噴射する尿素水の量を制御する。ＮＯｘを還元する触媒は、温度によって、保持可能なアンモニアの量が変化する。ここで、アンモニアが保持できないと、いわゆるアンモニアスリップを生じ、触媒を通過したアンモニアは排気とともに大気中へ放出されるおそれがある。そこで、インジェクタ制御手段は、前記触媒の温度および排気中のアンモニアの濃度を用いてインジェクタを制御する。これにより、インジェクタから排気へ添加される尿素水の量は、触媒を通過するアンモニアの量だけでなく、触媒の温度も考慮して制御される。したがって、尿素水を由来とするアンモニアの大気中への放出を低減することができるとともに、尿素水の消費を低減し、尿素水の消費量を適正にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】一実施形態による排気浄化システムの制御装置の構成を示すブロック図
【図２】一実施形態による排気浄化システムを示す模式図
【図３】一実施形態による排気浄化システムの制御装置の作動の流れを示す概略図
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、一実施形態による排気浄化システムの制御装置を図面に基づいて説明する。
図２に示す排気浄化システム１０は、例えば車両に搭載されている内燃機関１１から排出される排気に尿素水を添加し、排気に含まれるＮＯｘを還元するＳＣＲシステムを構成している。内燃機関１１の排気は、排気管部材１２が形成する排気通路１３を経由して大気へ放出される。内燃機関１１は、例えばディーゼルエンジンである。なお、排気浄化システム１０は、内燃機関１１としてディーゼルエンジンに限らず、ガソリンエンジンやガスタービンエンジンに適用してもよい。また、排気浄化システム１０は、車載の内燃機関１１に限らず、例えば発電ユニットなどの据置型の内燃機関に適用してもよい。
【０００９】
排気浄化システム１０は、尿素水タンク１４、尿素水ポンプ１５、尿素水通路部１６および還元触媒１７を備えている。尿素水タンク１４は、尿素水である尿素の水溶液を貯えている。尿素水ポンプ１５は、尿素水タンク１４に収容されている。尿素水ポンプ１５は、図示しないモータによって駆動される。尿素水ポンプ１５は、尿素水タンク１４から吸入した尿素水を加圧して、尿素水通路部１６へ吐出する。尿素水通路部１６は、尿素水通路１８を形成している。還元触媒１７は、排気管部材１２が形成する排気通路１３に設けられている。なお、尿素水ポンプ１５は、尿素水タンク１４の外部に設けてもよい。
【００１０】
排気浄化システム１０は、上記に加えてインジェクタ２０を備えている。尿素水通路１８は、尿素水ポンプ１５と反対側の端部がインジェクタ２０に接続している。尿素水ポンプ１５から吐出された尿素水は、尿素水通路１８を経由してインジェクタ２０へ供給される。インジェクタ２０は、排気管部材１２に設けられている。インジェクタ２０は、排気管部材１２を貫いて先端が排気通路１３に露出している。インジェクタ２０へ供給された尿素水は、インジェクタ２０の先端に設けられた図示しない噴孔から排気通路１３を流れる排気へ噴射される。内燃機関１１から排出された排気とインジェクタ２０から噴射された尿素水とは、排気通路１３において混合され、還元触媒１７へ流入する。尿素水は、排気通路１３を流れる高温の排気によって分解し、アンモニアを生成する。生成したアンモニアは、排気とともに還元触媒１７へ流入し、還元触媒１７に保持される。排気に含まれるＮＯｘは、還元触媒１７へ流入することにより、還元触媒１７に保持されているアンモニアと化学的に反応して還元される。排気の流れ方向において還元触媒１７の出口側には、アンモニア触媒２１が設けられている。アンモニア触媒２１は、還元触媒１７に保持されることなく還元触媒１７を通過するアンモニアを酸化および分解する。
【００１１】
上述の排気浄化システム１０は、制御装置３０によって制御される。制御装置３０は、図１に示すようにマイクロコンピュータ３１およびインジェクタ制御部３２を備えている。マイクロコンピュータ３１は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭにより構成され、ＲＯＭに記憶されているコンピュータプログラムを実行することにより、排気浄化システム１０を制御する。インジェクタ制御部３２は、コンピュータプログラムを実行することにより、ソフトウェア的に実現されている。なお、インジェクタ制御部３２は、ハードウェア的またはソフトウェアとハードウェアとの協働によって実現してもよい。
【００１２】
制御装置３０は、温度検出手段としての温度センサ３３、および濃度検出手段としての濃度センサ３４と電気的に接続している。温度センサ３３は、図２に示すように排気の流れ方向において還元触媒１７の入口側の排気通路１３に設けられている。温度センサ３３は、還元触媒１７へ流入する排気の温度を検出する。温度センサ３３は、検出した排気の温度を電気信号としてマイクロコンピュータ３１へ出力する。すなわち、本実施形態の場合、制御装置３０は、還元触媒１７へ流入する排気の温度を検出する。還元触媒１７へ流入する排気の温度と還元触媒１７の温度とは相関する。これにより、制御装置３０は、温度センサ３３で検出した排気の温度から、還元触媒１７の温度を間接的に検出する。なお、温度センサ３３は、還元触媒１７に設け、還元触媒１７の温度を直接検出する構成としてもよい。
【００１３】
また、濃度センサ３４は、排気の流れ方向において還元触媒１７の出口側の排気通路１３に設けられている。濃度センサ３４は、還元触媒１７およびアンモニア触媒２１を通過する排気に含まれるアンモニアの濃度を検出する。濃度センサ３４は、検出した排気に含まれるアンモニアの濃度を電気信号としてマイクロコンピュータ３１へ出力する。
【００１４】
図１に示すインジェクタ制御部３２は、インジェクタ２０を制御して、インジェクタ２０からの尿素水の噴射を断続する。インジェクタ制御部３２は、温度センサ３３で検出した排気の温度に基づいて間接的または直接的に検出した触媒の温度、および濃度センサ３４で検出した排気に含まれるアンモニアの濃度を用いてインジェクタ２０からの尿素水の噴射を断続する。これにより、インジェクタ制御部３２は、インジェクタ２０から排気へ添加される尿素水の量を制御する。上述のように、温度センサ３３で検出した排気の温度は、還元触媒１７の温度に相関する。
【００１５】
具体的には、インジェクタ制御部３２は、温度センサ３３で検出した排気の温度に基づいて、還元触媒１７の温度を間接的または直接的に検出する。そして、インジェクタ制御部３２は、この間接的または直接的に検出した還元触媒１７の温度が予め設定された下限温度Ｔｍｉｎより高く、かつ予め設定された上限温度Ｔｍａｘよりも低いかについて判断する。インジェクタ制御部３２は、還元触媒１７の温度が下限温度Ｔｍｉｎより高く、かつ上限温度Ｔｍａｘより低いとき、濃度センサ３４で検出したアンモニアの濃度に基づいて、インジェクタ２０から噴射する尿素水の量を制御する。すなわち、インジェクタ制御部３２は、還元触媒１７の温度が下限温度Ｔｍｉｎより高く、かつ上限温度Ｔｍａｘより低いとき、排気に含まれるアンモニアの濃度に応じて尿素水の噴射量を制御する。還元触媒１７は、その温度によって保持することができるアンモニアの量が変化する。そして、還元触媒１７の温度が下限温度Ｔｍｉｎより高く、かつ上限温度Ｔｍａｘより低いとき、還元触媒１７はアンモニアを十分に保持することができる。これにも拘らず、濃度センサ３４でアンモニアを検出している場合、インジェクタ２０から排気へ添加される尿素水が過剰であることを意味する。そこで、インジェクタ制御部３２は、検出したアンモニアの濃度に基づいて、インジェクタ２０から噴射する尿素水の量を減少させる。これにより、尿素水の過剰な添加によるアンモニアの放出、および尿素水の過剰な消費は低減される。インジェクタ制御部３２は、例えばインジェクタ２０から尿素水を噴射する噴射期間の短縮、またはインジェクタ２０へ供給する尿素水の圧力を低下させることにより、尿素水の噴射量を低減させる。
【００１６】
また、インジェクタ制御部３２は、温度センサ３３で検出した排気の温度に基づいて間接的または直接的に検出した還元触媒１７の温度が下限温度Ｔｍｉｎ以下、または上限温度Ｔｍａｘ以上であるとき、濃度センサ３４で検出したアンモニアの濃度に拘らず、インジェクタ２０からの尿素水の噴射を停止する。すなわち、インジェクタ制御部３２は、還元触媒１７の温度が下限温度Ｔｍｉｎ以下、または上限温度Ｔｍａｘ以上であるとき、インジェクタ２０から尿素水を噴射しない。還元触媒１７は、下限温度Ｔｍｉｎ以下であるとき、活性温度に到達していない。そのため、還元触媒１７は、排気に含まれるＮＯｘを還元することが困難である。また、上述のように還元触媒１７は、温度によって保持することができるアンモニアの量が変化する。特に、排気の温度が上限温度Ｔｍａｘ以上であるとき、還元触媒１７はその特性からアンモニアをほとんど保持できない。そのため、下限温度Ｔｍｉｎ以下、または上限温度Ｔｍａｘ以上であるとき、排気に含まれるアンモニアの濃度、すなわち濃度センサ３４で検出した値に関係なく、排気への尿素水の添加は停止することが好ましい。そこで、インジェクタ制御部３２は、インジェクタ２０からの尿素水の噴射を停止する。これにより、還元触媒１７を通過するアンモニアは低減される。
なお、インジェクタ２０から尿素水を噴射し、その量を制御する領域を維持するため、下限温度Ｔｍｉｎと上限温度Ｔｍａｘとは、同一の値に設定しない。例えば、下限温度Ｔｍｉｎは概ね１８０℃以下であり、上限温度Ｔｍａｘは概ね５００℃である。
【００１７】
次に、上記の構成による制御装置３０の作動について図３に基づいて説明する。
インジェクタ制御部３２は、内燃機関１１が運転中であるか否かを判断する（Ｓ１０１）。排気の浄化が必要となるのは、内燃機関１１の運転中である。そこで、インジェクタ制御部３２は、処理の前提として内燃機関１１が運転中であるか否かを判断する。インジェクタ制御部３２は、Ｓ１０１において内燃機関１１が運転中でないと判断すると（Ｓ１０１：Ｎｏ）、処理を終了する。
【００１８】
インジェクタ制御部３２は、Ｓ１０１において内燃機関１１が運転中であると判断すると（Ｓ１０１：Ｙｅｓ）、排気の温度から検出した還元触媒１７の温度が下限温度Ｔｍｉｎより高いか否かを判断する（Ｓ１０２）。すなわち、インジェクタ制御部３２は、温度センサ３３で検出した排気の温度に基づいて間接的または直接的に還元触媒１７の温度を検出する。そして、インジェクタ制御部３２は、検出した還元触媒１７の温度が下限温度Ｔｍｉｎより高いか否かを判断する。インジェクタ制御部３２は、Ｓ１０２において排気の温度から検出した触媒の温度が下限温度Ｔｍｉｎ以下であると判断したとき（Ｓ１０２：Ｎｏ）、インジェクタ２０からの尿素水の噴射を停止する（Ｓ１０６）。すなわち、還元触媒１７は、下限温度Ｔｍｉｎ以下であるとき、活性温度に到達していない。そのため、還元触媒１７は、排気に含まれるＮＯｘを還元することが困難である。そこで、インジェクタ制御部３２は、非効率な尿素水の使用を避けるために、排気への尿素水の添加を停止する。
【００１９】
インジェクタ制御部３２は、Ｓ１０２において排気の温度に基づいて検出した還元触媒１７の温度が下限温度Ｔｍｉｎより高いとき（Ｓ１０２：Ｙｅｓ）、還元触媒１７の温度が上限温度Ｔｍａｘより低いか否かを判断する（Ｓ１０３）。すなわち、インジェクタ制御部３２は、温度センサ３３で検出した排気の温度に基づいて間接的または直接的に検出した還元触媒１７の温度が上限温度Ｔｍａｘより高いか否かを判断する。そして、インジェクタ制御部３２は、Ｓ１０３において検出した還元触媒１７の温度が上限温度Ｔｍａｘ以上であると判断したとき（Ｓ１０３：Ｎｏ）、インジェクタ２０からの尿素水の噴射を停止する（Ｓ１０６）。すなわち、還元触媒１７は、上限温度Ｔｍａｘ以上であるとき、排気に含まれるアンモニアを保持することができない。そのため、尿素水から生成したアンモニアは、還元触媒１７に保持されず、いわゆるアンモニアスリップを生じる。そこで、インジェクタ制御部３２は、非効率な尿素水の使用やアンモニアの大気への放出を避けるために、排気への尿素水の添加を停止する。
【００２０】
インジェクタ制御部３２は、Ｓ１０３において排気の温度に基づいて検出した還元触媒１７の温度が上限温度Ｔｍａｘより低いとき（Ｓ１０３：Ｙｅｓ）、濃度センサ３４でアンモニアを検出したか否かを判断する（Ｓ１０４）。すなわち、インジェクタ制御部３２は、濃度センサ３４から排気に含まれるアンモニアの濃度を取得する。そして、インジェクタ制御部３２は、濃度センサ３４の出力値から、排気にアンモニアが含まれているか否かを判断する。還元触媒１７は、保持可能なアンモニアの量に上限がある。還元触媒１７が保持可能なアンモニアの量は、温度つまり還元触媒１７自身の温度によって変化する。還元触媒１７で保持できないアンモニアは、還元触媒１７を通過し、アンモニアスリップを生じる。このとき、還元触媒１７を通過するアンモニアの量が一定量未満である場合、還元触媒１７を通過したアンモニアはアンモニア触媒２１によって分解される。しかし、還元触媒１７を通過するアンモニアの量が過剰になると、アンモニア触媒２１で分解されず、このアンモニア触媒２１を通過するアンモニアが増加する。その結果、濃度センサ３４では、還元触媒１７を通過したアンモニアが検出される。
【００２１】
インジェクタ制御部３２は、排気に含まれるアンモニアを検出したとき（Ｓ１０４：Ｙｅｓ）、検出したアンモニアの濃度に応じてインジェクタ２０から噴射する尿素水の量を制御する（Ｓ１０５）。すなわち、還元触媒１７の温度が下限温度Ｔｍｉｎより高く、かつ上限温度Ｔｍａｘより低いときであっても排気にアンモニアが含まれる場合、インジェクタ２０から噴射される尿素水の量は過剰であることを意味する。そのため、尿素水から生成したアンモニアは、一部が還元触媒１７に保持されず、還元触媒１７およびアンモニア触媒２１を通過する。そこで、インジェクタ制御部３２は、濃度センサ３４から取得した排気に含まれるアンモニアの濃度に基づいて、排気へ添加する尿素水の量を制御する。インジェクタ制御部３２は、排気にアンモニアを検出しないとき（Ｓ１０４：Ｎｏ）、処理を終了する。すなわち、排気にアンモニアが含まれていないとき、インジェクタ２０から噴射される尿素水の量は適正である。そのため、尿素水から生成したアンモニアは、還元触媒１７に保持されている。そこで、インジェクタ制御部３２は、排気にアンモニアが含まれていないとき、処理を終了する。
以上の処理により、インジェクタ制御部３２は、排気の温度に基づいて検出した還元触媒１７の温度、および排気に含まれるアンモニアの濃度に応じて、インジェクタ２０からの尿素水の噴射を制御する。
【００２２】
以上説明した一実施形態では、インジェクタ制御部３２は、温度センサ３３で検出した排気の温度に基づいて間接的または直接的に検出した触媒の温度、および濃度センサ３４で検出した排気に含まれるアンモニアの濃度を用いて、インジェクタ２０から噴射する尿素水の量を制御する。ＮＯｘを還元する還元触媒１７は、温度つまり還元触媒１７自身の温度によって、保持可能なアンモニアの量が変化する。そこで、インジェクタ制御部３２は、還元触媒１７の温度と排気中のアンモニアの濃度とを用いてインジェクタ２０を制御する。これにより、インジェクタ２０から排気へ添加される尿素水の量は、還元触媒１７を通過するアンモニアの量だけでなく、還元触媒１７の温度も考慮して制御される。したがって、尿素水を由来とするアンモニアの大気中への放出を低減することができるとともに、尿素水の消費を低減し、尿素水の消費量を適正にすることができる。
【００２３】
また、一実施形態では、インジェクタ制御部３２は、温度センサ３３で検出した排気の温度に基づいて間接的または直接的に検出した還元触媒１７の温度が下限温度Ｔｍｉｎより高く、かつ上限温度Ｔｍａｘより低いとき、濃度センサ３４で検出した排気に含まれるアンモニアの濃度に基づいて、インジェクタ２０から噴射する尿素水の量を制御する。これにより、還元触媒１７を通過するアンモニアがあるとき、つまりアンモニアスリップが生じているとき、そのアンモニアの濃度に応じて排気に添加される尿素水は低減される。したがって、尿素水を由来とするアンモニアの大気中への放出を低減することができるとともに、尿素水の消費を低減し、尿素水の消費量を適正にすることができる。
【００２４】
さらに、一実施形態では、インジェクタ制御部３２は、温度センサ３３で検出した排気の温度に基づいて間接的または直接的に検出した還元触媒１７の温度が下限温度Ｔｍｉｎ以下、または上限温度Ｔｍａｘ以上であるとき、濃度センサ３４で検出したアンモニアの濃度に拘らず、インジェクタ２０からの尿素水の噴射を停止する。還元触媒１７の温度が下限温度Ｔｍｉｎ以下のとき、還元触媒１７は活性温度に到達していない。そのため、活性温度に達していない還元触媒１７は、排気に含まれるＮＯｘを還元することが困難である。また、還元触媒１７の温度が上限温度Ｔｍａｘ以上のとき、還元触媒１７はアンモニアをほとんど保持することができない。そのため、インジェクタ２０から噴射された尿素水から生成したアンモニアは、還元触媒１７に保持されることなく、還元触媒１７およびアンモニア触媒２１を通過する。そこで、インジェクタ制御部３２は、還元触媒１７の温度が下限温度Ｔｍｉｎ以下、もしくは上限温度Ｔｍａｘ以上であれば、インジェクタ２０からの尿素水の噴射を停止する。これにより、排気には尿素水が添加されず、非効率な尿素水の使用を避け、尿素水からアンモニアが生成しない。したがって、尿素水を由来とするアンモニアの大気中への放出を低減することができるとともに、尿素水の消費を低減し、尿素水の消費量を適正にすることができる。
【００２５】
以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。
【符号の説明】
【００２６】
図面中、１０は排気浄化システム、１１は内燃機関、１７は還元触媒（触媒）、２０はインジェクタ、３０は制御装置、３２はインジェクタ制御部（インジェクタ制御手段）、３３は温度センサ（温度検出手段）、３４は濃度センサ（濃度検出手段）を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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