JP2008208777A - 排気浄化剤の添加量制御装置、及び排気浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】より多くの状況に柔軟に対応して排気浄化剤の添加量を高い精度で適量に制御することのできる排気浄化剤の添加量制御装置、及び同装置を搭載して排気浄化をより適切に行うことのできる排気浄化システムを提供する。
【解決手段】排気中に添加され、その排気中の特定成分（ＮＯｘ）と反応して排気を浄化する浄化剤（ＮＨ3）について、その添加量を制御する。こうした排気浄化剤の添加量制御装置として、排気中のＮＯｘのうち、ＮＨ3との反応により浄化されなかった分（ＮＯｘ排出量）を監視しつつ、尿素水の添加量を逐次増量させる制御である増量制御と尿素水の添加量を逐次減量させる制御である減量制御とのいずれか一方を実行し、ＮＯｘ排出量の変化態様が所定の態様（変化有り又は変化無し）になったか否かに応じて、実行する制御を、上記増量制御及び減量制御のうちの実行されている一方から他方へ切り替えるプログラムを備える構成とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、排気中の特定成分（例えばＮＯｘ等）と反応して排気を浄化する浄化剤（例えば尿素水溶液のかたちで添加されるＮＨ3等）の添加量を制御する排気浄化剤の添加量制御装置、及び、尿素ＳＣＲ（選択還元）システムに代表されるような、所定の浄化剤に基づく排気浄化反応を触媒上で行うことによって排気を浄化する排気浄化システムに関する。

近年、発電所、各種工場、及び自動車等において、尿素ＳＣＲ（選択還元）システムの開発が進められている。特に自動車（特にディーゼルエンジン搭載の自動車）では、排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化、低減する排気の後処理技術として、上記尿素ＳＣＲシステムとＮＯｘ吸蔵還元触媒とが二大潮流となっている。尿素ＳＣＲシステムは、既に大型トラックで実用化されており、浄化率が最大「９０％」程度と高いことで知られている。現在、ディーゼルエンジンで実用化が検討されている一般的な尿素ＳＣＲシステムは、尿素（（ＮＨ2）2ＣＯ）水溶液（以下、尿素水という）から生成されるＮＨ3（アンモニア）により排気中のＮＯｘを還元（浄化）するものである。こうした尿素ＳＣＲシステムの具体的な構成の一例としては、例えば排気中のＨＣ、ＣＯ、及びＰＭの一部を酸化する酸化触媒と、この酸化触媒の下流でＰＭを除去するＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）と、このＤＰＦの下流に対して尿素水を添加（噴射供給）する尿素水添加弁と、さらに下流で、その尿素水添加弁により添加された尿素水が加水分解（（ＮＨ2）2ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→２ＮＨ3＋ＣＯ2）して生成されるＮＨ3（浄化剤）によりＮＯｘを還元するＳＣＲ触媒と、その還元反応で消費されずにＳＣＲ触媒の下流へ流れてきた余分なＮＨ3を浄化して大気中に放出されるＮＨ3放出量を低減するＮＨ3触媒（例えば酸化触媒）と、を備えて構成されるもの、が知られている。

ところで、こうした尿素ＳＣＲシステムにおいては、ＮＯｘ浄化率の向上と共に、上記ＮＨ3触媒へ送られるＮＨ3量の低減が重要になる。これは一般にＮＨ3が、毒性のあることで知られており、その強い臭気も環境に好ましくない影響を及ぼすためである。そして、これらＮＯｘ浄化率向上とＮＨ3量低減との両立を図る上で重要になる技術が、尿素水添加量の精密な制御である。すなわち、例えば浄化すべき排気中のＮＯｘ量（浄化前ＮＯｘ量）に比して尿素水の添加量が不十分である場合には、ＮＯｘを十分に浄化できなくなる。他方、浄化前ＮＯｘ量に比して尿素水の添加量が過剰である場合には、ＮＯｘとの還元反応で消費されなかった余分なＮＨ3が上記ＮＨ3触媒へ送られるようになる。したがって、尿素水の添加量は、ＮＯｘ浄化量（ひいてはＮＯｘ浄化率）が最大になり、且つ、ＮＨ3余剰量（ＮＯｘとの還元反応で消費されなかったＮＨ3量）が最小になるように制御されることが望ましい。ここで、浄化対象とするＮＯｘの浄化率が大きいほど排気浄化システムとして高性能であることは当然である。しかしＮＨ3についても、そのＮＨ3余剰量の少ないシステム、すなわち可能であれば上記ＮＨ3触媒を用いることなく、あるいは小さなＮＨ3触媒だけで、上記余分な（未反応な）ＮＨ3を除去することのできるシステムとすることは重要である。こうしたシステムであれば、省スペース化や低コスト化が図られるようになる。また、同ＮＨ3触媒の長寿命化を図る上でも、上記ＮＨ3余剰量を減らすことは重要である。

そこで従来、例えば特許文献１に記載されるような尿素水の添加量制御装置が知られている。この装置では、ディーゼルエンジン（内燃機関）から排出された浄化前ＮＯｘ量を、所定のエンジン運転状態（例えばエンジン回転速度や所定シリンダ（燃料燃焼が行われる部分）に対する吸入空気量など）に基づいて推定するとともに、上記尿素水を添加する際には、その推定された浄化前ＮＯｘ量に相当するＮＯｘについて、そのＮＯｘを残さず浄化するために必要な量だけ所定の尿素水添加弁により尿素水を添加するよう、その添加量を制御している。こうすることで、ＮＯｘ浄化率を高く維持しつつ、過剰な尿素水の添加についてもこれを抑制することが可能になる。また、そうしてＮＨ3余剰量が低減されることにより、上述したＮＨ3触媒の長寿命化や簡素化（小型化）等についても、その実現の可能性が高められることになる。
特開２００３−２６９１４２号公報

このように、上記特許文献１に記載の装置では、エンジン運転状態から推定される浄化前ＮＯｘ量に基づいて、尿素水の添加量を適量に制御する（最適値に近づける）ようにしている。しかしながら、エンジン運転状態といっても、その中には、浄化前ＮＯｘ量に影響を及ぼす多くのパラメータが含まれており、またエンジン運転状態以外のパラメータによって浄化前ＮＯｘ量が変わることも考えられる。またさらに、浄化前ＮＯｘ量が変わらずとも、排気や触媒の状態変化に伴い、ＳＣＲ触媒やＮＨ3触媒の浄化性能（浄化率）が変動して、尿素水添加量の最適値が変わってしまうことなども考えられる。例えば特開２００３−３０１７３７号公報に記載の装置では、排気温度や触媒温度に基づいて、尿素水の添加量を制御するようにしている。また特開２００３−３１４２５６号公報に記載の装置では、ＳＣＲ触媒よりも下流にＮＯｘセンサを設け、そのセンサの出力に基づいてＳＣＲ触媒に対するＮＨ3の吸着量を算出するとともに、そうして算出したＮＨ3吸着量に基づいて、尿素水の添加量を制御するようにしている。

しかし、これら全てのパラメータに基づいて浄化前ＮＯｘ量（ひいては尿素水添加量の最適値）を推定することは、多次元のマップ（又は数式等）を格納するために膨大な記憶容量が必要になったり、浄化前ＮＯｘ量の推定に係る演算負荷を増大させたりして、現実的ではない。したがって、上記エンジン運転状態等から浄化前ＮＯｘ量（ひいては尿素水添加量の最適値）を推定する場合であれ、十分に正確な値を得ることは難しい。このように、上記特許文献１に記載の装置であっても、浄化剤（ＮＨ3）の発生源となる尿素水（添加剤）の添加量を、ＮＯｘ浄化量（ひいてはＮＯｘ浄化率）が最大になり、且つ、ＮＨ3余剰量（ＮＯｘとの還元反応で消費されなかったＮＨ3量）又はＮＨ3放出量（ＮＨ3触媒で浄化されなかったＮＨ3量）が最小になるような最適値に、十分高い精度で制御することは困難である。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、より多くの状況に柔軟に対応して排気浄化剤の添加量を高い精度で適量に制御することのできる排気浄化剤の添加量制御装置、及び同装置を搭載して排気浄化をより適切に行うことのできる排気浄化システムを提供することを主たる目的とするものである。

以下、上記課題を解決するための手段、及び、その作用効果について記載する。

請求項１に記載の発明では、排気中に添加され、その排気中の特定成分と反応して排気を浄化する浄化剤についてその添加量を制御する装置であって、前記排気中の特定成分のうち、前記浄化剤との反応により浄化されなかった分に相当する特定成分未浄化量を監視しつつ、前記浄化剤の添加量を所定量（固定値でも、所定パラメータに応じた可変値でも可）ずつ逐次増量又は減量させる制御である第１の添加量制御を行い、該第１の添加量制御の実行により前記特定成分未浄化量の変化態様が所定の態様（固定の態様でも、所定パラメータに応じた可変の態様でも可）になった場合には、この第１の添加量制御を停止して今度は前記第１の添加量制御とは逆に前記浄化剤の添加量を所定量（固定でも可変でも可）ずつ逐次減量又は増量させる制御である第２の添加量制御を、前記特定成分未浄化量を監視しながら行い、該第２の添加量制御の実行により前記特定成分未浄化量の変化態様が所定の態様（固定でも可変でも第１の添加量制御とは異なる態様でも可）になった場合には、この第２の添加量制御を停止する添加量制御手段を備えることを特徴とする。

また請求項１０に記載の発明では、排気中に添加され、その排気中の特定成分と反応して排気を浄化する浄化剤についてその添加量を制御する装置であって、前記排気中の特定成分のうち、前記浄化剤との反応により浄化されなかった分に相当する特定成分未浄化量を監視しつつ、前記浄化剤の添加量を所定量（固定でも可変でも可）ずつ逐次増量させる制御である第１の添加量制御と、前記浄化剤の添加量を所定量（固定でも可変でも可）ずつ逐次減量させる制御である第２の添加量制御とのいずれか一方を実行し、前記特定成分未浄化量の変化態様が所定の態様（固定でも可変でも可）になったか否かに応じて、前記実行する制御を、前記第１の添加量制御及び前記第２の添加量制御のうちの実行されている一方から他方へ切り替える実行制御切替手段を備えることを特徴とする。

前述のように、浄化剤の添加量（前述の装置でいう尿素水の添加量）の最適値は、多くのパラメータによって変動する。したがって、これらのパラメータから浄化剤添加量の最適値を求めることは難しい。そこで発明者は、より直接的にその最適値に対して浄化剤添加量を制御するものとして、上記装置を発明した。

すなわち、前述したように浄化剤の添加量は、浄化対象とする特定成分（例えばＮＯｘ）の浄化量（ひいては浄化率）が最大になり、且つ、浄化剤の余剰量（ＮＨ3余剰量）又は浄化剤の放出量（ＮＨ3放出量）が最小になったところで、いわゆる最適値となる。発明者は、特定成分の浄化量を最大とする（すなわち特定成分未浄化量を最小にする）ために必要になる最小の添加量が上記最適値に相当することに注目して実験等を行い、浄化剤の添加量と特定成分の浄化量との関係について、次のような結果を得た。すなわち、まず浄化量が低い状態から添加量を逐次増量して浄化量をその最大値に近づけていく場合には、浄化量が最大になる前と浄化量が最大になった後とで、浄化量の変化の仕方（変化態様）が大きく異なることを見出した。一方、浄化量が最大になっている状態から添加量を逐次減量して浄化量を小さくする場合についても、浄化量が最大になっている場合と浄化量が最大を下回っている場合とでは、浄化量の変化の仕方（変化態様）が大きく異なることを見出した。浄化量について、これら変化態様の転換点における浄化剤添加量はどちらも、特定成分未浄化量を最小（浄化量は最大）とするために必要になる最小の添加量、すなわち添加量の最適値に相当する。上記請求項１及び１０に記載の発明は、これらの事象に鑑みてなされたものであり、上記のような構成であれば、浄化剤の添加量が過大な領域にあっても、また過小な領域にあっても、上記第１及び第２の添加量制御のいずれかによって、浄化剤の添加量を最適値に近づけることが可能になる。しかも上記構成では、特定成分未浄化量の値自体は確認せずとも、特定成分未浄化量の変化態様によって、排気浄化剤の添加量を最適値へ制御することができる。このため、経年変化等に起因して添加量の最適値が変動した場合にも、添加量制御における精度（最適値への収束性）は高く維持されるようになる。

請求項２に記載の発明では、上記請求項１に記載の装置において、前記第１の添加量制御及び前記第２の添加量制御の一方が、前記浄化剤の添加量を所定量ずつ逐次増量させる制御であって、添加量を増量しても前記特定成分未浄化量が許容範囲を超えて変化しなくなった場合に停止されるものであり、他方が、前記浄化剤の添加量を所定量ずつ逐次減量させる制御であって、添加量を減量することにより前記特定成分未浄化量が許容範囲を超えて変化した場合に停止されるものであることを特徴とする。

発明者は、排気浄化システムの一例として、尿素ＳＣＲシステムに関する各種の実験等を行い、浄化剤の添加量（尿素水添加量）と特定成分の浄化量（ＮＯｘ浄化量）との関係について、浄化量が低い状態から添加量を逐次増量して浄化量をその最大値に近づけていく場合には、添加量増量に対する特定成分未浄化量の変化量が、浄化量の最大になる前よりも最大になった後の方が小さくなることを確認するとともに、浄化量が最大になっている状態から添加量を逐次減量して浄化量を小さくする場合には、添加量減量に対する特定成分未浄化量の変化量が、浄化量の最大になっている場合よりも最大を下回っている場合の方が大きくなることを確認し、上記装置を発明した。こうした構成であれば、容易且つ的確に上記添加量制御を行うことが可能になる。

請求項３に記載の発明では、上記請求項１又は２に記載の装置において、前記添加量制御手段が、前記第２の添加量制御を停止した後、再び前記第１の添加量制御を行うことにより、所定条件が成立している間、それら第１の添加量制御と第２の添加量制御とを交互に繰り返し実行するものであることを特徴とする。こうした構成であれば、上記所定条件が成立している間（第１の添加量制御と第２の添加量制御とが繰り返し実行されている期間）は継続的に、排気浄化剤の添加量を高い精度で適量に制御することができるようになる。

上記請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置に関し、特定成分未浄化量の監視は、任意の方式でその時々の特定成分未浄化量を求めることによって行うことが可能である。例えば排気の状態（例えば排気温度）や成分（例えば酸素濃度）等に基づいて、この特定成分未浄化量を推定するようにしてもよい。しかしながら、その検出精度を高める上では、前記添加量制御手段についてはこれを、請求項４に記載の発明のように、前記特定成分未浄化量の監視を、同特定成分未浄化量の実測値（適宜のセンサ等による直接的な測定値）に基づいて行うものとすることが有効である。

また、上記請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置では、第２の添加量制御が停止した時の前記浄化剤の添加量が、その時の添加量の最適値に相当するものとなる。このため、そうした添加量の最適値を取得して、例えばデータ解析や浄化剤添加特性の補正、さらには浄化剤添加弁を含めた排気浄化系の故障診断等に用いる上では、請求項５に記載の発明のように、前記添加量制御手段により第２の添加量制御が停止された時の前記浄化剤の添加量を取得する最適添加量取得手段を備える構成とすることが有効である。

さらにこの場合、例えばデータ蓄積によるデータ解析等を行う場合には、請求項６に記載の発明のように、データを不揮発に保持可能とする所定の記憶装置に対して、前記最適添加量取得手段により取得された浄化剤の添加量を格納する手段を備える構成とすることが有効である。こうした構成であれば、例えばエンジンが停止され（例えばイグニッションスイッチがオフされ）、当該装置に対する給電が遮断された後も、データ（添加量の最適値）が不揮発に保持されるようになり、次回エンジン始動時も、エンジン停止時のデータに基づいて上記データ解析、補正、故障診断等を行うことができるようになる。なおここで、上記記憶装置としては、例えば適宜の不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ等）やバックアップＲＡＭ等を採用することができる。

一方、浄化剤未反応量や浄化剤放出量も、上記特定成分未浄化量と同様、その変化態様の転換点が、浄化剤添加量の最適値を示すようになる。請求項７及び９に記載の発明は、こうした点に鑑みてなされたものである。

すなわち請求項７に記載の発明では、排気中に添加され、その排気中の特定成分と反応して排気を浄化する浄化剤についてその添加量を制御する装置であって、前記浄化剤のうち、前記特定成分との反応により消費されなかった分に相当する浄化剤未反応量を監視しつつ、前記浄化剤の添加量を所定量（固定でも可変でも可）ずつ逐次増量又は減量させる制御である第１の添加量制御を行い、該第１の添加量制御の実行により前記浄化剤未反応量の変化態様が所定の態様（固定でも可変でも可）になった場合には、この第１の添加量制御を停止して今度は前記第１の添加量制御とは逆に前記浄化剤の添加量を所定量（固定でも可変でも可）ずつ逐次減量又は増量させる制御である第２の添加量制御を、前記浄化剤未反応量を監視しながら行い、該第２の添加量制御の実行により前記浄化剤未反応量の変化態様が所定の態様（固定でも可変でも可）になった場合には、この第２の添加量制御を停止する添加量制御手段を備えることを特徴とする。

請求項９に記載の発明では、排気中に添加され、その排気中の特定成分と反応して排気を浄化する浄化剤について、その添加量を制御する装置であって、前記浄化剤のうち、前記特定成分との反応箇所よりも下流の大気中へ放出される分に相当する浄化剤放出量を監視しつつ、前記浄化剤の添加量を所定量（固定でも可変でも可）ずつ逐次増量又は減量させる制御である第１の添加量制御を行い、該第１の添加量制御の実行により前記浄化剤未反応量の変化態様が所定の態様（固定でも可変でも可）になった場合には、この第１の添加量制御を停止して今度は前記第１の添加量制御とは逆に前記浄化剤の添加量を所定量（固定でも可変でも可）ずつ逐次減量又は増量させる制御である第２の添加量制御を、前記浄化剤未反応量を監視しながら行い、該第２の添加量制御の実行により前記浄化剤未反応量の変化態様が所定の態様（固定でも可変でも可）になった場合には、この第２の添加量制御を停止する添加量制御手段を備えることを特徴とする。

請求項１１に記載の発明では、排気中に添加され、その排気中の特定成分と反応して排気を浄化する浄化剤についてその添加量を制御する装置であって、前記浄化剤のうち、前記特定成分との反応により消費されなかった分に相当する浄化剤未反応量を監視しつつ、前記浄化剤の添加量を所定量（固定値でも可変値でも可）ずつ逐次増量させる制御である第１の添加量制御と、前記浄化剤の添加量を所定量（固定値でも可変値でも可）ずつ逐次減量させる制御である第２の添加量制御とのいずれか一方を実行し、前記浄化剤未反応量の変化態様が所定の態様になったか否かに応じて、前記実行する制御を、前記第１の添加量制御及び前記第２の添加量制御のうちの実行されている一方から他方へ切り替える実行制御切替手段を備えることを特徴とする。

請求項１２に記載の発明では、排気中に添加され、その排気中の特定成分と反応して排気を浄化する浄化剤についてその添加量を制御する装置であって、前記浄化剤のうち、前記特定成分との反応箇所よりも下流の大気中へ放出される分に相当する浄化剤放出量を監視しつつ、前記浄化剤の添加量を所定量（固定値でも可変値でも可）ずつ逐次増量させる制御である第１の添加量制御と、前記浄化剤の添加量を所定量（固定値でも可変値でも可）ずつ逐次減量させる制御である第２の添加量制御とのいずれか一方を実行し、前記浄化剤放出量の変化態様が所定の態様になったか否かに応じて、前記実行する制御を、前記第１の添加量制御及び前記第２の添加量制御のうちの実行されている一方から他方へ切り替える実行制御切替手段を備えることを特徴とする。

これらの構成であっても、上記第１及び第２の添加量制御のいずれかによって、過大領域又は過小領域から、浄化剤の添加量を最適値へ近づけることが可能になる。そして、経年変化等があっても添加量制御における精度（最適値への収束性）が高く維持されることも前述したとおりである。

ただし、これら浄化剤未反応量及び浄化剤放出量については、添加量変化に対する変動の様子（傾向）が、上記特定成分未浄化量の変動の様子（傾向）とは逆になる。したがって、例えば請求項７に記載の装置に関しては、請求項８に記載の発明のように、前記第１の添加量制御及び前記第２の添加量制御の一方が、前記浄化剤の添加量を所定量ずつ逐次減量させる制御であって、添加量を減量しても前記浄化剤未反応量が許容範囲を超えて変化しなくなった場合に停止されるものであり、他方が、前記浄化剤の添加量を所定量ずつ逐次増量させる制御であって、添加量を増量することにより前記特定成分未浄化量が許容範囲を超えて変化した場合に停止されるものである構成とすることが有効である。こうすることで、容易且つ的確に上記添加量制御を行うことができるようになる。

なお、これらの構成についても、上記請求項３〜６に記載の発明に準ずる態様で、第１の添加量制御と第２の添加量制御とを繰り返し実行するようにした構成、浄化剤未反応量や浄化剤放出量の監視を実測値（適宜のセンサ等による直接的な測定値）に基づいて行う構成、第２の添加量制御が停止された時の浄化剤の添加量を取得する構成、その値を不揮発保持可能な記憶装置に格納する構成、等々の構成を併せて適用することがより有効である。

また一方、請求項１３に記載の発明では、排気中に添加され、その排気中の特定成分と反応して排気を浄化する浄化剤についてその添加量を制御する装置であって、前記排気中の特定成分のうち、前記浄化剤との反応により浄化されなかった分に相当する特定成分未浄化量を監視しつつ、前記浄化剤の添加量を所定の初期値から所定量ずつ逐次増量又は減量させる制御である添加量制御を行い、該添加量制御の実行により前記特定成分未浄化量の変化態様が所定の態様になった場合には、この添加量制御を停止する添加量制御手段を備えることを特徴とする。

請求項１４に記載の発明では、排気中に添加され、その排気中の特定成分と反応して排気を浄化する浄化剤についてその添加量を制御する装置であって、前記浄化剤のうち、前記特定成分との反応により消費されなかった分に相当する浄化剤未反応量を監視しつつ、前記浄化剤の添加量を所定の初期値から所定量ずつ逐次増量又は減量させる制御である添加量制御を行い、該添加量制御の実行により前記特定成分未浄化量の変化態様が所定の態様になった場合には、この添加量制御を停止する添加量制御手段を備えることを特徴とする。

請求項１５に記載の発明では、排気中に添加され、その排気中の特定成分と反応して排気を浄化する浄化剤についてその添加量を制御する装置であって、前記浄化剤のうち、前記特定成分との反応箇所よりも下流の大気中へ放出される分に相当する浄化剤放出量を監視しつつ、前記浄化剤の添加量を所定の初期値から所定量ずつ逐次増量又は減量させる制御である添加量制御を行い、該添加量制御の実行により前記特定成分未浄化量の変化態様が所定の態様になった場合には、この添加量制御を停止する添加量制御手段を備えることを特徴とする。

上記請求項１〜１２に記載の装置では、第１及び第２の添加量制御を行うようにしたが、初期値を適切に設定することができれば、いずれか一方だけでも、すなわち上記請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の装置によっても、十分高い精度で排気浄化剤の添加量を適量に制御することができる。

また、上記構成のほか、上記特定成分未浄化量及び浄化剤未反応量及び浄化剤放出量のいずれかを監視してその軌道等（例えばグラフにプロットして検出）から、浄化剤添加量の最適値を導き出す（検出する）ことも可能である。

すなわち請求項１６に記載の発明では、排気中に添加され、その排気中の特定成分と反応して排気を浄化する浄化剤について、その添加量を制御する装置であって、前記排気中の特定成分のうち、前記浄化剤との反応により浄化されなかった分に相当する特定成分未浄化量、及び、前記浄化剤のうち、前記特定成分との反応により消費されなかった分に相当する浄化剤未反応量、の少なくとも一方を監視することにより、特定成分未浄化量が最小になり、且つ、浄化剤未反応量も最小になる前記浄化剤の添加量を検出する手段を備えることを特徴とする。

請求項１７に記載の発明では、排気中に添加され、その排気中の特定成分と反応して排気を浄化する浄化剤について、その添加量を制御する装置であって、前記排気中の特定成分のうち、前記浄化剤との反応により浄化されなかった分に相当する特定成分未浄化量、及び、前記浄化剤のうち、前記特定成分との反応箇所よりも下流の大気中へ放出される分に相当する浄化剤放出量、の少なくとも一方を監視することにより、特定成分未浄化量が最小になり、且つ、浄化剤放出量も最小になる前記浄化剤の添加量を検出する手段を備えることを特徴とする。

これらの構成によっても、上記各手段による各検出値に基づいて、データ解析や故障診断を行うこと、あるいは高い精度で浄化剤添加量を最適値に制御することなどが可能になる。

また社会等からの要求（公益性）に鑑みて上記各発明の実用性を考えた場合、前述の尿素ＳＣＲ（選択還元）システムに代表されるように、尿素水溶液（尿素水）を添加剤にしたＮＯｘ浄化装置が、排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を高い浄化率で浄化する排気浄化システムとして期待されている。なお、ＮＨ3を尿素水溶液のかたちで添加する理由は、ＮＨ3よりも尿素水溶液の方が扱い易い（毒性等が低い）からである。したがって現状における実用性を考えた場合には、上記請求項１〜１７のいずれか一項に記載の装置は、請求項１８に記載の発明のように、前記特定成分が、ＮＯｘ（窒素酸化物）であり、前記浄化剤が、尿素水溶液のかたちで添加され排気中にて分解して生成されるＮＨ3（アンモニア）である構成とすることが有効である。さらに、例えば自動車の分野でこうした尿素ＳＣＲシステムを採用し、ディーゼルエンジン搭載の車両等に上記請求項１８に記載の装置を装着した場合には、燃焼過程でＮＯｘの発生を許容して燃費の向上やＰＭの低減を図ることなども可能になる。この技術は、自動車の性能向上や、ディーゼルエンジン普及のカギになる排気クリーン化に大きく貢献する技術である。

ところで、業種や用途等によっては、上記制御装置の単位ではなく、より大きな単位で、例えば該制御装置だけでなく他の関連装置（例えばセンサやアクチュエータ等の制御に係る各種装置）も含めた各種の装置により構築される排気浄化システムとして扱われる場合がある。上記請求項１〜１８のいずれか一項に記載の制御装置も、用途の１つとして、排気浄化システムに組み込んで用いられることが想定される。請求項１９に記載の発明は、そうした用途に対応するものであり、上記請求項１０に記載の装置を排気浄化システムに組み込んだ場合の構成である。すなわち排気浄化システムとして、特定の排気浄化反応を促進する触媒と、前記触媒上で排気中の特定成分と前記排気浄化反応を行うことにより排気を浄化する浄化剤又はその発生源となる添加剤を、前記触媒自体又は該触媒よりも上流の排気へ添加する浄化剤添加弁と、前記排気中の特定成分のうち、前記排気浄化反応により浄化されなかった分に相当する特定成分未浄化量を監視しつつ、前記浄化剤の添加量を所定量（固定でも可変でも可）ずつ逐次増量させる制御である第１の添加量制御と前記浄化剤の添加量を所定量（固定でも可変でも可）ずつ逐次減量させる制御である第２の添加量制御とのいずれか一方を実行し、前記特定成分未浄化量の変化態様が所定の態様（固定でも可変でも可）になったか否かに応じて、前記実行する制御を、前記第１の添加量制御及び前記第２の添加量制御のうちの実行されている一方から他方へ切り替える実行制御切替手段と、を備えることを特徴とする。またこの場合も、上記尿素ＳＣＲシステム等として用いることが、すなわち請求項２０に記載の発明のように、前記特定成分が、ＮＯｘ（窒素酸化物）であり、前記添加剤が尿素水溶液であり、前記触媒が、尿素水溶液が分解して生成されるＮＨ3（アンモニア）を通じてＮＯｘを還元するＮＯｘ還元反応を前記排気浄化反応として促進するものである構成とすることが有効である。他も同様、上記請求項１〜１８のいずれか一項に記載の装置は、排気浄化システム（特に尿素ＳＣＲシステム）に組み込んで用いて特に有益である。

以下、本発明に係る排気浄化剤の添加量制御装置、及び排気浄化システムを具体化した一実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、この実施形態の排気浄化システムも、基本的な構成は、前述した一般的な尿素ＳＣＲ（選択還元）システムに準ずるものとなっており、そうした構成、すなわち図１に示すような構成のもと、尿素（（ＮＨ2）2ＣＯ）水溶液（以下、尿素水という）から生成されるＮＨ3（アンモニア）により排気中のＮＯｘを還元（浄化）するものである。

はじめに図１を参照して、この排気浄化システムの構成について詳述する。

図１は、本実施形態に係る尿素ＳＣＲシステム（排気浄化装置）の概要を示す構成図である。

同図１に示されるように、このシステムは、例えば４輪自動車（図示略）に搭載されたレシプロ式のディーゼルエンジン（排気発生源）により排出される排気を浄化対象として、大きくは、その排気を浄化するための各種アクチュエータ及び各種センサ、並びにＥＣＵ（電子制御ユニット）４０等を有して構築されている。

具体的には、この排気浄化システムでは、排気上流側（排気発生源となるエンジン側）から、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）１１、排気管１２（排気通路）、ＳＣＲ触媒１３、排気管１４（排気通路）、ＮＨ3触媒１５（例えば酸化触媒）の順で、本システムの排気浄化系を構成する各種の排気浄化装置が配設されている。また、排気管１２の中途の通路壁面には、噴射口１６ａが汚れないようにその噴射口１６ａを排気下流側へ向け、尿素水タンク１７ａから圧送されてくる尿素水を上記ＤＰＦ１１の下流に対して添加（噴射供給）する尿素水添加弁１６が設けられている。本実施形態では、この尿素水添加弁１６が、ＥＣＵ４０によって電気的にその駆動を制御される、いわば電磁駆動式の噴射弁として構成されており、同添加弁１６がＥＣＵ４０により所望の態様で制御されることによって、上記ＤＰＦ１１とＳＣＲ触媒１３との間の排気管１２内を流れる排気に対して添加剤である尿素水が所望の添加量だけ噴射供給される。そしてこれにより、排気の流れ（排気流）を利用して排気共々その添加された尿素水（又は分解後のＮＨ3）が下流のＳＣＲ触媒１３へ供給されるようになっている。

すなわちこのシステムでは、上記尿素水添加弁１６を通じて上記尿素水が添加されることにより、その尿素水に基づき、排気中での下記分解反応（式１）を通じてＮＨ3（浄化剤）が生成される。そして、このＮＨ3により、上記ＳＣＲ触媒１３上で下記ＮＯｘ還元反応（式２）が行われることによって、浄化対象とする排気の浄化（ＮＯｘ浄化）が行われることになる。

（ＮＨ2）2ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→２ＮＨ3＋ＣＯ2 …（式１）
ＮＯ＋ＮＯ2＋２ＮＨ3→２Ｎ2＋３Ｈ2Ｏ …（式２）
そして、上記還元反応（式２）で消費されずにＳＣＲ触媒１３の下流（排気管１４）へ流れてきた余分なＮＨ3（余剰ＮＨ3）は、ＮＨ3触媒１５により下記反応（式３）を通じて浄化され、大気中に放出されるＮＨ3放出量が低減される。なお、ＳＣＲ触媒１３下流の排気については、その排気中のＮＨ3量（ＮＨ3余剰量）及びＮＯｘ量（ＮＯｘ排出量）が、それぞれ排気管１４に設けられた排気センサ１４ａ（ＮＯｘセンサとＮＨ3センサとを内蔵するセンサ）によって検出（詳しくは各センサ出力に基づきＥＣＵ４０にて算出）可能とされている。

４ＮＨ3＋３Ｏ2→２Ｎ2＋６Ｈ2Ｏ …（式３）
続けて、本システムの排気浄化系を構成する上記各種排気浄化装置について詳述する。

まずＤＰＦ１１は、排気中のＰＭ（Particulate Matter、粒子状物質）を捕集する連続再生式のＰＭ除去用フィルタであり、例えばメインの燃料噴射後のポスト噴射等で捕集ＰＭを繰り返し燃焼除去する（再生処理に相当）ことにより継続的に使用することができる。また、同ＤＰＦ１１は、図示しない白金系の酸化触媒を担持している（ここではＤＰＦに酸化触媒を一体化させた例を挙げるが別体としてもよい）。これにより、ＰＭ成分の１つである可溶性有機成分（ＳＯＦ）と共に、ＨＣやＣＯを除去したり、ＮＯｘの一部をＮＯ2に酸化したり（上記反応式（式２）より、「ＮＯ：ＮＯ2」が「１：１」に近づくほどＮＯｘの浄化率は高くなる）することができるようになっている。

ＳＣＲ触媒１３は、例えばハニカム構造の触媒担体に対して、例えば酸化バナジウム（Ｖ2Ｏ5）等からなる触媒金属を担持させたものであり、その触媒作用により、ＮＯｘの還元反応（排気浄化反応）、すなわち上記反応式（式２）を促進するようになっている。

尿素水添加弁１６の構造は、自動車用エンジン（内燃機関）の燃料供給に用いられる一般的な燃料噴射弁（インジェクタ）に準ずる。公知であるため、ここでは同添加弁１６の構造については簡単な説明とする。すなわち説明の便宜上、内部構造の図示は割愛しているが、この尿素水添加弁１６は、電磁ソレノイド等からなるニードル駆動部と、このニードル駆動部に駆動され、弁本体（ハウジング）内を往復動（上下）して弁本体先端の噴射口１６ａに必要な数だけ穿設された噴孔自体、又は該噴孔までの流通経路を開閉（開放・閉鎖）するニードルとを、弁本体に内蔵している。この尿素水添加弁１６は、こうした構造（各要素）に基づき、上記ＥＣＵ４０からの電気信号（例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御におけるパルス信号）、すなわちＥＣＵ４０の噴射指令に従って、上記電磁ソレノイドが通電されると、該電磁ソレノイドにより上記ニードルが駆動されて開弁方向に移動する。そしてこれにより、弁本体先端の噴射口１６ａが開放されて、すなわち同噴射口１６ａの噴孔の少なくとも１つが開放されて、上記排気管１２内を流れる排気へ向けて尿素水が添加（噴射）されることになる。この際、尿素水の添加量（噴射量）は、電磁ソレノイドの通電時間（例えばＥＣＵ４０によるパルス信号のパルス幅に相当）に基づいて決定される。

一方、この尿素水添加弁１６に対して尿素水を圧送供給する尿素水供給系は、大きくは、尿素水タンク１７ａ、ポンプ１７ｂを有して構成されている。すなわち、尿素水タンク１７ａ内に貯蔵されている尿素水は、同タンク１７ａ内に設置されたポンプ１７ｂによって汲み上げられ、上記尿素水添加弁１６へ向けて圧送される。そして、この圧送された尿素水が、尿素水供給用の配管１７ｃを通じて、上記尿素水添加弁１６へと逐次供給されるようになっている。

この際、尿素水中の異物は、当該尿素水が尿素水添加弁１６に供給される前に、同添加弁１６よりも上流に設けられた濾過フィルタ１７ｆによって除去されるようになっている。また、添加弁１６に対する尿素水の供給圧力は、尿素水圧レギュレータ１７ｄによって調圧されている。詳しくは、ばね等を利用した機械的な仕掛けにより、供給圧力が所定値を超えた場合には、配管１７ｃ内の尿素水が尿素水タンク１７ａへ戻されるようになっている。本システムでは、こうしたレギュレータ１７ｄの作用に基づき、尿素水の供給圧力が所定値（設定圧力）に制御されるようになっている。ただし、こうしたレギュレータ１７ｄの作用によっても、尿素水の供給圧力が精密に設定圧力に制御されるわけではないため、本システムでは、この尿素水の供給圧力が、所定の検出部位（例えばレギュレータ１７ｄにより調圧されて燃料圧力が安定しているレギュレータ１７ｄの下流）に設けられた尿素水圧センサ１７ｅによって検出（詳しくはセンサ出力に基づきＥＣＵ４０にて算出）可能とされている。

こうしたシステムの中で電子制御ユニットとして主体的に上記排気浄化に係る制御を行う部分がＥＣＵ４０（例えばエンジン制御用のＥＣＵとＣＡＮ等で接続される排気浄化制御用のＥＣＵ）、すなわち本実施形態に係る排気浄化剤の添加量制御装置である。このＥＣＵ４０は、周知のマイクロコンピュータ（図示略）を備えて構成され、上記各種センサの検出信号に基づいて上記尿素水添加弁１６等の各種アクチュエータを操作することにより、その時々の状況に応じた最適な態様で上記排気浄化に係る各種の制御を行っている。また、このＥＣＵ４０に搭載されるマイクロコンピュータは、基本的には、各種の演算を行うＣＰＵ（基本処理装置）、その演算途中のデータや演算結果等を一時的に記憶するメインメモリとしてのＲＡＭ（Random Access Memory）、プログラムメモリとしてのＲＯＭ（読み出し専用記憶装置）、データ保存用メモリとしてのＥＥＰＲＯＭ（電気的に書換可能な不揮発性メモリ）やバックアップＲＡＭ（車載バッテリ等のバックアップ電源により給電されているＲＡＭ）、さらにはＡ／Ｄ変換器やクロック発生回路等の信号処理装置、外部との間で信号を入出力するための入出力ポート等といった各種の演算装置、記憶装置、信号処理装置、通信装置、及び電源回路等によって構成されている。そして、ＲＯＭには、当該排気浄化剤の添加量制御に係るプログラムをはじめとする排気浄化制御に係る各種のプログラムや制御マップ等が、またデータ保存用メモリ（例えばＥＥＰＲＯＭ）には、エンジンの設計データをはじめとする各種の制御データ等が、それぞれ予め格納されている。

以上、本実施形態に係る排気浄化システムの構成について詳述した。すなわち本実施形態では、上記のような態様で、尿素水添加弁１６により、浄化剤であるＮＨ3を尿素水溶液（尿素水）のかたちで排気中へ添加するようにしている。こうすることで、その尿素水が排気中にて分解してＮＨ3が生成されるとともに、そのＮＨ3に基づき、上記ＳＣＲ触媒１３上でＮＯｘ還元反応（式２）が行われ、浄化対象とする排気（エンジンの排気）が浄化されることになる。しかも本実施形態では、上記尿素水の添加量制御として図２に示す処理や図３に示す処理を行うことで、より多くの状況に柔軟に対応して、排気浄化剤の添加量、すなわち尿素水の添加量を高い精度で適量に制御するようにしている。以下、図２及び図３を参照して、この尿素水の添加量制御について説明する。

図２及び図３は、それぞれ上記尿素水の添加量制御に係る処理の処理手順を示すフローチャートである。なお、これら各図の一連の処理は、基本的には、ＥＣＵ４０でＲＯＭに記憶されたプログラムが実行されることにより、所定処理間隔で定常的に（例えばエンジン始動からエンジン停止まで）繰り返し実行される。ここで、図２の処理と図３の処理とは交互に実行される。このことは、各処理で用いられている実行条件を示すフラグ（増量フラグ及び減量フラグ）により規定されている（各図参照）。また、これら各図の処理において用いられる各種パラメータの値は、例えばＥＣＵ４０に搭載されたＲＡＭやＥＥＰＲＯＭ等の記憶装置に随時記憶され、必要に応じて随時更新される。

図２の一連の処理は、尿素水の添加量を所定量ずつ逐次増量させる制御（第１の添加量制御）に係るものである。同図２に示されるように、この一連の処理に際しては、まずステップＳ１１で、尿素水添加量の増量制御を行うべきか否かを示す増量フラグに「１」が設定されているか否かを判断する。そして、このステップＳ１１で同フラグに「１」が設定されている旨判断された場合には、増量制御を行うべきであるとして、ステップＳ１２以降の処理へ進む。他方、このステップＳ１１で同フラグに「１」が設定されていない旨判断された場合には、増量制御を行うべきではないとして、そのまま処理を終了し、ステップＳ１２以降の処理は実行されない。

ステップＳ１２では、尿素水添加量Ｑを所定量α（ここでは固定値、ただしエンジン運転状態等に応じた可変値でも可）だけ増加（増量）する（Ｑ＝Ｑ（前回値）＋α）。なお、尿素水添加量Ｑは、尿素水添加弁１６による尿素水の添加量、いわば同添加弁１６への指令値（通電パルス）を決めるパラメータであり、不揮発保持可能な記憶装置としての上記ＥＣＵ４０内のＥＥＰＲＯＭ（又はバックアップＲＡＭ等）に記憶されている。このため、エンジン停止時にＥＣＵ４０をいったん断電して再起動した場合にも、そこに記憶されたデータは消去されずに残ることになる。また、この尿素水添加量Ｑ（前回値）の初期値には、所定のマップ等で規定される適合値が設定される。

続くステップＳ１３では、ＮＯｘ排出量が上記ステップＳ１２の増量処理により所定の許容範囲（ここでは固定値、ただしエンジン運転状態等に応じた可変値でも可）を超えて変化（増加又は減少）したか否か、例えば尿素水添加量Ｑを増量する前のＮＯｘ排出量の値と増量後の値との差が所定値よりも大きいか否かを判断する。ここでＮＯｘ排出量は、エンジン（排気発生源）から排出される排気中のＮＯｘのうち、ＮＨ3との反応（ＳＣＲ触媒１３上での反応）により浄化されなかった分（特定成分未浄化量）に相当し、例えば排気センサ１４ａにより測定される。そうして、同ステップＳ１３でＮＯｘ排出量が変化した旨判断されている間は、所定の処理間隔で上記ステップＳ１１〜Ｓ１２の処理が繰り返し行われ、尿素水添加量Ｑが所定量αずつ逐次増量されることになる。

他方、同ステップＳ１３で上記ＮＯｘ排出量が変化しなかった旨判断された場合には、続くステップＳ１４で、上記増量フラグに「０」を設定するとともに、尿素水添加量の減量制御を行うべきか否かを示す減量フラグに「１」を設定する。そしてこれにより、先のステップＳ１１で、増量フラグに「１」が設定されていない旨判断されるようになり、ステップＳ１２以降の処理が行われなくなる。すなわちこの増量制御は、尿素水添加量Ｑを増量しても上記ＮＯｘ排出量が許容範囲を超えて変化しなくなった場合に停止される。

一方、図３の処理では、まずステップＳ２１にて、上記減量フラグに「１」が設定されているか否かを判断し、このステップＳ２１で同フラグに「１」が設定されている旨判断された場合にのみ、ステップＳ２２以降の処理を実行する。

ステップＳ２２では、上記尿素水添加量Ｑ（図２の処理で更新された値を継続的に使用）を所定量β（ここでは固定値、ただしエンジン運転状態等に応じた可変値でも可）だけ減少（減量）する（Ｑ＝Ｑ（前回値）−β）。

続くステップＳ２３では、ＮＯｘ排出量が上記ステップＳ２２の減量処理により所定の許容範囲（ここでは固定値、ただしエンジン運転状態等に応じた可変値でも可）を超えて変化（増加又は減少）したか否か、例えば尿素水添加量Ｑを減量する前のＮＯｘ排出量の値と減量後の値との差が所定値よりも大きいか否かを判断する。そうして、同ステップＳ２３でＮＯｘ排出量が変化しなかった旨判断されている間は、所定の処理間隔で上記ステップＳ２１〜Ｓ２２の処理が繰り返し行われることにより、尿素水添加量Ｑが所定量βずつ逐次減量されることになる。

他方、同ステップＳ２３で上記ＮＯｘ排出量が変化した旨判断された場合には、続くステップＳ２４で、上記増量フラグに「１」を設定するとともに、上記減量フラグに「０」を設定する。さらに、その時の尿素水添加量Ｑを、取得時期（例えば現在の日時）に関連付けた状態で、上記ＥＣＵ４０内のＥＥＰＲＯＭ（又はバックアップＲＡＭ等）に格納する。ここで保存（記憶装置へ格納）される尿素水添加量Ｑは、その時の尿素水添加量の最適値、すなわちＮＯｘ浄化量が最大になり、且つ、ＮＨ3余剰量（ＮＨ3触媒１５へ送られるＮＨ3量）が最小になる値に相当する。そしてこれにより、先のステップＳ２１で、上記減量フラグに「１」が設定されていない旨判断されるようになり、ステップＳ２２以降の処理が行われなくなる。すなわちこの減量制御は、尿素水添加量Ｑを減量することにより上記ＮＯｘ排出量が許容範囲を超えて変化した場合に停止される。

次に、図４を併せ参照して、上記ＥＣＵ４０による尿素水の添加量制御の一態様について簡単に説明する。なお、同図４は、尿素水の添加量（尿素水添加弁１６による噴射量）を横軸にとって、これと、上記排気センサ１４ａにより測定されるＮＯｘ排出量（Ｌ１）及びＮＨ3排出量（Ｌ２）との関係をそれぞれ示すグラフである。このグラフは、発明者による実験等の結果を模式的に示すものである。ここでＮＨ3排出量は、尿素水が排気中で分解して生成されるＮＨ3のうち、ＮＯｘとの反応により消費されなかった分（浄化剤未反応量）、すなわちＮＨ3触媒１５へ送られるＮＨ3量に相当する。

同図４中に実線Ｌ１にて示されるように、尿素水添加量の十分低量な領域Ｒ１では、尿素水の添加量が多くなるほどＮＯｘ排出量（実線Ｌ１）が少なくなり、尿素水添加量の最適値（最適尿素水添加量）よりも大側の領域Ｒ２では、尿素水の添加量によらずＮＯｘ排出量は略一定に（最小値で）保たれるようになる。

一方、ＮＨ3排出量については、同図４中に一線鎖線Ｌ２にて示されるように、尿素水添加量の十分低量な領域Ｒ１では、尿素水の添加量によらずＮＨ3排出量は略一定に（最小値で）保たれており、尿素水添加量の最適値（最適尿素水添加量）よりも大側の領域Ｒ２では、尿素水の添加量が多くなるほどＮＨ3排出量（ＮＨ3余剰量）が増える。

このように、尿素水添加量の最適値（最適尿素水添加量）は、尿素水添加量の変化に対する排気特性の変化態様、すなわち上記ＮＯｘ排出量やＮＨ3排出量の変化態様の、転換点となる。そして、上記図４中に実線Ｌ１や一線鎖線Ｌ２で示されるような特性は、エンジン運転状態等に応じて部分的に変化する。例えば同図４に示すように、基本的な傾向はそのままで、尿素水添加量（グラフ横軸）に対して正又は負のオフセット（レベル変動）が付与されたり、あるいは図示しない態様で傾き等が変動したりする。変動の仕方は多くのパラメータから影響を受ける。このため、尿素水添加量の最適値を予測（推定）することは困難である。これは前述したとおりである。ただし本実施形態では、上記図２の処理（増量制御）及び図３の処理（減量制御）を交互に行うようにしている。このため、それら増量制御及び減量制御のいずれかによって、尿素水の添加量が過大な領域Ｒ２にあっても、また過小な領域Ｒ１にあっても、尿素水の添加量を最適値に近づけることが可能になる。

すなわち、尿素水添加量の低量な領域Ｒ１では、図３のステップＳ２３で変化有り、すなわち尿素水添加量の減量制御を行うべきではないと判断されるようになるとともに、図２のステップＳ１３で変化有りと判断され、尿素水の添加量が最適値になるまで図２のステップＳ１２の処理として尿素水添加量が増量されるようになる。一方、尿素水添加量の大側の領域Ｒ２では、図２のステップＳ１３で変化無し、すなわち尿素水添加量の増量制御を行うべきではないと判断されるようになるとともに、図３のステップＳ２３で変化無しと判断され、尿素水の添加量が最適値になるまで図３のステップＳ２２の処理として尿素水添加量Ｑが減量されるようになる。

こうして、本実施形態の上記システムによれば、より多くの状況に柔軟に対応して尿素水の添加量を高い精度で適量に制御することができるようになり、ひいては排気浄化をより適切に行うことができるようになる。

以上説明したように、本実施形態に係る排気浄化剤の添加量制御装置、及び排気浄化システムによれば、以下のような優れた効果が得られるようになる。

（１）排気中に添加され、その排気中の特定成分（ＮＯｘ）と反応して排気を浄化する浄化剤（ＮＨ3）について、その添加量を制御する。こうした排気浄化剤の添加量制御装置（ＥＣＵ４０）として、排気中のＮＯｘのうち、ＮＨ3との反応により浄化されなかった分に相当する特定成分未浄化量（ＮＯｘ排出量）を監視しつつ、尿素水の添加量（排気浄化剤の添加量に相当）を所定量αずつ逐次増量させる制御である増量制御（第１の添加量制御、図２）と、尿素水の添加量を所定量βずつ逐次減量させる制御である減量制御（第２の添加量制御、図３）とのいずれか一方を実行し、ＮＯｘ排出量の変化態様が所定の態様（変化有り又は変化無し）になったか否かに応じて、実行する制御を、上記増量制御及び減量制御のうちの実行されている一方から他方へ切り替えるプログラム（実行制御切替手段、図２及び図３）を備える構成とした。詳しくは、ＮＯｘ排出量を監視しつつ増量制御を行い、該増量制御の実行によりＮＯｘ排出量の変化態様が所定の態様（変化無し）になった場合には、この増量制御を停止して今度は増量制御とは逆に尿素水の添加量を逐次減量させる減量制御を、ＮＯｘ排出量を監視しながら行い、該減量制御の実行によりＮＯｘ排出量の変化態様が所定の態様（変化有り）になった場合には、この減量制御を停止するプログラム（添加量制御手段、図２及び図３）を備える構成とした。このような構成であれば、尿素水の添加量が過大な領域にあっても、また過小な領域にあっても、尿素水の添加量を最適値に近づけることが可能になる。

（２）またこうした構成とすることで、ＮＨ3触媒１５の長寿命化や簡素化（小型化）等の実現の可能性が高められることになる。また用途や構成等に応じてＮＨ3触媒１５を割愛することも可能になる。

（３）しかも上記構成では、ＮＯｘ排出量の値自体は確認せずとも、ＮＯｘ排出量の変化態様によって、尿素水の添加量を最適値へ制御することができる。このため、経年変化等に起因して添加量の最適値が変動した場合にも、添加量制御における精度（最適値への収束性）は高く維持されるようになる。

（４）図２及び図３においては、実行していた増量制御及び減量制御の一方を停止した後、再び他方を行うことにより、所定条件が成立している間（例えばエンジン始動からエンジン停止まで）、それら増量制御及び減量制御を交互に繰り返し実行するようにした。こうしたことで、上記増量制御及び減量制御が繰り返し実行されている期間は継続的に、上記尿素水の添加量を高い精度で適量に制御することができるようになる。

（５）図２及び図３においては、ＮＯｘ排出量の監視を、その実測値（排気センサ１４ａによる測定値）に基づいて行うようにした。こうしたことで、検出精度が高められることになる。

（６）減量制御が停止した時の尿素水の添加量を取得するプログラム（最適添加量取得手段、図３のステップＳ２４）を備える構成とした。添加量の最適値を取得することで、例えばデータ解析や浄化剤添加特性の補正、さらには上記尿素水添加弁１６（浄化剤添加弁）を含めた排気浄化系の故障診断等に用いることが可能になる。

（７）データを不揮発に保持可能とする所定の記憶装置（ＥＥＰＲＯＭ又はバックアップＲＡＭ等）に対して、上記プログラムにて取得された尿素水の添加量を格納するプログラム（図３のステップＳ２４）を備える構成とした。これにより、例えばデータ蓄積によるデータ解析等を行うことが容易になる。しかも、エンジンが停止され（例えばイグニッションスイッチがオフされ）、当該装置（ＥＣＵ４０）に対する給電が遮断された後も、データ（添加量の最適値）が不揮発に保持されるようになり、次回エンジン始動時も、エンジン停止時のデータに基づいて上記データ解析、補正、故障診断等を行うことができるようになる。

（８）ディーゼルエンジン搭載の自動車（本実施形態では４輪自動車）に上記尿素ＳＣＲシステムを装着した。これにより、燃焼過程でＮＯｘの発生を許容して燃費の向上やＰＭの低減を図ることが可能になる。そして、排気浄化性の高い、よりクリーンなディーゼル車を実現することが可能になる。

（９）一方、排気浄化システムとしては、特定の排気浄化反応（上記還元反応（式２））を促進する触媒（ＳＣＲ触媒１３）と、ＳＣＲ触媒１３上で排気中のＮＯｘと上記還元反応（式２）を行うことにより排気を浄化するＮＨ3（浄化剤）の発生源となる尿素水（添加剤）を、ＳＣＲ触媒１３よりも上流の排気へ添加する尿素水添加弁１６（浄化剤添加弁）と、上記エンジン制御用ＥＣＵ４０と、を備える構成とした。そして上述のように、ＥＣＵ４０の内部に、ＮＯｘ排出量（特定成分未浄化量）を監視しつつ、上記増量制御及び減量制御のいずれか一方を実行し、ＮＯｘ排出量の変化態様が所定の態様（変化有り又は変化無し）になったか否かに応じて、実行する制御を、上記増量制御及び減量制御のうちの実行されている一方から他方へ切り替えるプログラム（実行制御切替手段）を備える構成とした。こうした排気浄化システムによれば、排気浄化性のより高い排気浄化系が実現されるようになる。

なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。

・上記実施形態では、ＮＯｘ排出量の監視を、その実測値（センサ出力）に基づいて行うようにした。しかしこれに限られず、ＮＯｘ排出量（特定成分未浄化量）の監視は、任意の方式でその時々のＮＯｘ排出量を求めることによって行うことが可能である。例えば排気の状態（例えば排気温センサ等で検出される排気温度）や成分（例えば酸素濃度センサ等で検出される酸素濃度）等に基づいて、このＮＯｘ排出量を推定するようにしてもよい。

・上記増量制御（図２の処理）及び減量制御（図３の処理）の一方だけでも簡易的に、尿素水の添加量を最適値へ近づけることも可能である。例えば尿素水添加量Ｑ（前回値）の初期値を添加量低量な領域Ｒ１内の値に設定して、図２の処理だけを単発的に実行することでも、尿素水の添加量を最適値へ近づけることは可能である。特に尿素水添加量が十分小さいか否かを判断するように構成して、これにより十分小さい旨判断された場合に、上記のように尿素水添加量Ｑ（前回値）の初期値を設定して上記図２の処理を実行する構成とすることが有効になる。また一方、尿素水添加量Ｑ（前回値）の初期値を添加量低量な領域Ｒ２内の値に設定して、図３の処理だけを単発的に実行することでも、尿素水の添加量を最適値へ近づけることは可能である。そしてこの場合も、尿素水添加量が十分小さいか否かを判断するように構成して、これにより十分小さい旨判断された場合に、上記のように尿素水添加量Ｑ（前回値）の初期値を設定して上記図３の処理を実行する構成とすることが有効である。

・上記ＮＯｘ排出量（特定成分未浄化量）に代えて、ＮＨ3（浄化剤）のうち、ＮＯｘ（特定成分）との反応により消費されなかった分に相当する浄化剤未反応量、すなわち排気センサ１４ａにより測定されるＮＨ3排出量を用いることも可能である。あるいは、ＮＨ3触媒１５よりも下流にＮＨ3センサを設け、ＮＨ3（浄化剤）のうち、ＮＯｘ（特定成分）との反応箇所よりも下流の大気中（通常は消音装置の下流）へ放出される分に相当する浄化剤放出量、すなわち上記ＮＨ3触媒１５下流のＮＨ3センサにより測定されるＮＨ3放出量を、上記ＮＯｘ排出量に代えて用いることも可能である。ただし図４に示したように、これらＮＨ3排出量及びＮＨ3放出量は、尿素水添加量に対し、ＮＯｘ排出量の場合とは逆の傾向を示す。そのため、これらＮＨ3排出量又はＮＨ3放出量を採用した場合には、上記実施形態の構成を適宜に変更する必要がある。例えば図２については、ステップＳ１３で変化有りと判断された場合に増量制御を停止し、ステップＳ１３で変化無しと判断された場合に増量制御を続行するようにする。そして、図３については、ステップＳ２３で変化無しと判断された場合に減量制御を停止し、ステップＳ２３で変化有りと判断された場合に減量制御を続行するようにする。これらの構成としても、尿素水の添加量を最適値へ近づけることが可能になる。そして、経年変化等があっても添加量制御における精度（最適値への収束性）が高く維持されることも前述したとおりである。

・上記構成のほか、上記増量制御や減量制御を適宜に組み合わせて、尿素水添加量とＮＯｘ排出量（又はＮＨ3排出量又はＮＨ3放出量）との関係を求めるようにしてもよい。例えばグラフに各点をプロットすることで、軌道等を求めることが可能である。そして、このようにして求めた関係から、上記尿素水添加量の最適値を導き出す（検出する）ことが可能になる。こうした構成であれば、その検出値（最適値）に基づいて、データ解析や故障診断を行うこと、あるいは高い精度で尿素水添加量を最適値に制御することなどが可能になる。

・排気浄化の対象とする排気発生源の種類やシステム構成も、用途等に応じて適宜に変更可能である。例えば自動車用エンジンを排気浄化の対象とする場合は、圧縮着火式のディーゼルエンジンに限られず火花点火式のガソリンエンジン等にも本発明は適用可能であり、またレシプロエンジンに限られずロータリーエンジン等にも本発明は適用可能である。また、自動車以外の排気浄化、すなわち、例えば発電所や各種工場等での排気浄化にも本発明は適用可能である。システム構成の変更については、例えば上記図１に示した構成においてＮＨ3の排出量が十分に低減される場合に、ＮＨ3触媒１５を割愛することなどが可能である。

・上記実施形態及び変形例では、各種のソフトウェア（プログラム）を用いることを想定したが、専用回路等のハードウェアで同様の機能を実現するようにしてもよい。

・現状においては尿素ＳＣＲ（選択還元）システムとしての需要が主であるが、同様の特定成分を浄化対象として、また同様の浄化剤を用いて、排気を浄化する場合には、他の用途についても本発明は同様に適用することができる。

本発明に係る排気浄化剤の添加量制御装置、及び同装置の搭載された排気浄化システムの一実施形態について、該システムの概略を示す構成図。 尿素水の添加量制御に係る増量処理の処理手順を示すフローチャート。 尿素水の添加量制御に係る減量処理の処理手順を示すフローチャート。 尿素水の添加量を横軸にとってこれと、ＮＯｘ排出量及びＮＨ3排出量との関係をそれぞれ示すグラフ。

符号の説明

１１…ＤＰＦ、１３…ＳＣＲ触媒、１４ａ…排気センサ、１５…ＮＨ3触媒、１６…尿素水添加弁、１６ａ…噴射口、１７ａ…尿素水タンク、１７ｂ…ポンプ、４０…ＥＣＵ（電子制御ユニット）。

Claims (20)

1. 排気中に添加され、その排気中の特定成分と反応して排気を浄化する浄化剤について、その添加量を制御する装置であって、
   前記排気中の特定成分のうち、前記浄化剤との反応により浄化されなかった分に相当する特定成分未浄化量を監視しつつ、前記浄化剤の添加量を所定量ずつ逐次増量又は減量させる制御である第１の添加量制御を行い、該第１の添加量制御の実行により前記特定成分未浄化量の変化態様が所定の態様になった場合には、この第１の添加量制御を停止して今度は前記第１の添加量制御とは逆に前記浄化剤の添加量を所定量ずつ逐次減量又は増量させる制御である第２の添加量制御を、前記特定成分未浄化量を監視しながら行い、該第２の添加量制御の実行により前記特定成分未浄化量の変化態様が所定の態様になった場合には、この第２の添加量制御を停止する添加量制御手段を備えることを特徴とする排気浄化剤の添加量制御装置。
2. 前記第１の添加量制御及び前記第２の添加量制御の一方は、前記浄化剤の添加量を所定量ずつ逐次増量させる制御であって、添加量を増量しても前記特定成分未浄化量が許容範囲を超えて変化しなくなった場合に停止されるものであり、他方は、前記浄化剤の添加量を所定量ずつ逐次減量させる制御であって、添加量を減量することにより前記特定成分未浄化量が許容範囲を超えて変化した場合に停止されるものである請求項１に記載の排気浄化剤の添加量制御装置。
3. 前記添加量制御手段は、前記第２の添加量制御を停止した後、再び前記第１の添加量制御を行うことにより、所定条件が成立している間、それら第１の添加量制御と第２の添加量制御とを交互に繰り返し実行するものである請求項１又は２に記載の排気浄化剤の添加量制御装置。
4. 前記添加量制御手段は、前記特定成分未浄化量の監視を、同特定成分未浄化量の実測値に基づいて行うものである請求項１〜３のいずれか一項に記載の排気浄化剤の添加量制御装置。
5. 前記添加量制御手段により第２の添加量制御が停止された時の前記浄化剤の添加量を取得する最適添加量取得手段を備える請求項１〜４のいずれか一項に記載の排気浄化剤の添加量制御装置。
6. データを不揮発に保持可能とする所定の記憶装置に対して、前記最適添加量取得手段により取得された浄化剤の添加量を格納する手段を備える請求項５に記載の排気浄化剤の添加量制御装置。
7. 排気中に添加され、その排気中の特定成分と反応して排気を浄化する浄化剤について、その添加量を制御する装置であって、
   前記浄化剤のうち、前記特定成分との反応により消費されなかった分に相当する浄化剤未反応量を監視しつつ、前記浄化剤の添加量を所定量ずつ逐次増量又は減量させる制御である第１の添加量制御を行い、該第１の添加量制御の実行により前記浄化剤未反応量の変化態様が所定の態様になった場合には、この第１の添加量制御を停止して今度は前記第１の添加量制御とは逆に前記浄化剤の添加量を所定量ずつ逐次減量又は増量させる制御である第２の添加量制御を、前記浄化剤未反応量を監視しながら行い、該第２の添加量制御の実行により前記浄化剤未反応量の変化態様が所定の態様になった場合には、この第２の添加量制御を停止する添加量制御手段を備えることを特徴とする排気浄化剤の添加量制御装置。
8. 前記第１の添加量制御及び前記第２の添加量制御の一方は、前記浄化剤の添加量を所定量ずつ逐次減量させる制御であって、添加量を減量しても前記浄化剤未反応量が許容範囲を超えて変化しなくなった場合に停止されるものであり、他方は、前記浄化剤の添加量を所定量ずつ逐次増量させる制御であって、添加量を増量することにより前記特定成分未浄化量が許容範囲を超えて変化した場合に停止されるものである請求項７に記載の排気浄化剤の添加量制御装置。
9. 排気中に添加され、その排気中の特定成分と反応して排気を浄化する浄化剤について、その添加量を制御する装置であって、
   前記浄化剤のうち、前記特定成分との反応箇所よりも下流の大気中へ放出される分に相当する浄化剤放出量を監視しつつ、前記浄化剤の添加量を所定量ずつ逐次増量又は減量させる制御である第１の添加量制御を行い、該第１の添加量制御の実行により前記浄化剤未反応量の変化態様が所定の態様になった場合には、この第１の添加量制御を停止して今度は前記第１の添加量制御とは逆に前記浄化剤の添加量を所定量ずつ逐次減量又は増量させる制御である第２の添加量制御を、前記浄化剤未反応量を監視しながら行い、該第２の添加量制御の実行により前記浄化剤未反応量の変化態様が所定の態様になった場合には、この第２の添加量制御を停止する添加量制御手段を備えることを特徴とする排気浄化剤の添加量制御装置。
10. 排気中に添加され、その排気中の特定成分と反応して排気を浄化する浄化剤について、その添加量を制御する装置であって、
    前記排気中の特定成分のうち、前記浄化剤との反応により浄化されなかった分に相当する特定成分未浄化量を監視しつつ、前記浄化剤の添加量を所定量ずつ逐次増量させる制御である第１の添加量制御と、前記浄化剤の添加量を所定量ずつ逐次減量させる制御である第２の添加量制御とのいずれか一方を実行し、前記特定成分未浄化量の変化態様が所定の態様になったか否かに応じて、前記実行する制御を、前記第１の添加量制御及び前記第２の添加量制御のうちの実行されている一方から他方へ切り替える実行制御切替手段を備えることを特徴とする排気浄化剤の添加量制御装置。
11. 排気中に添加され、その排気中の特定成分と反応して排気を浄化する浄化剤について、その添加量を制御する装置であって、
    前記浄化剤のうち、前記特定成分との反応により消費されなかった分に相当する浄化剤未反応量を監視しつつ、前記浄化剤の添加量を所定量ずつ逐次増量させる制御である第１の添加量制御と、前記浄化剤の添加量を所定量ずつ逐次減量させる制御である第２の添加量制御とのいずれか一方を実行し、前記浄化剤未反応量の変化態様が所定の態様になったか否かに応じて、前記実行する制御を、前記第１の添加量制御及び前記第２の添加量制御のうちの実行されている一方から他方へ切り替える実行制御切替手段を備えることを特徴とする排気浄化剤の添加量制御装置。
12. 排気中に添加され、その排気中の特定成分と反応して排気を浄化する浄化剤について、その添加量を制御する装置であって、
    前記浄化剤のうち、前記特定成分との反応箇所よりも下流の大気中へ放出される分に相当する浄化剤放出量を監視しつつ、前記浄化剤の添加量を所定量ずつ逐次増量させる制御である第１の添加量制御と、前記浄化剤の添加量を所定量ずつ逐次減量させる制御である第２の添加量制御とのいずれか一方を実行し、前記浄化剤放出量の変化態様が所定の態様になったか否かに応じて、前記実行する制御を、前記第１の添加量制御及び前記第２の添加量制御のうちの実行されている一方から他方へ切り替える実行制御切替手段を備えることを特徴とする排気浄化剤の添加量制御装置。
13. 排気中に添加され、その排気中の特定成分と反応して排気を浄化する浄化剤について、その添加量を制御する装置であって、
    前記排気中の特定成分のうち、前記浄化剤との反応により浄化されなかった分に相当する特定成分未浄化量を監視しつつ、前記浄化剤の添加量を所定の初期値から所定量ずつ逐次増量又は減量させる制御である添加量制御を行い、該添加量制御の実行により前記特定成分未浄化量の変化態様が所定の態様になった場合には、この添加量制御を停止する添加量制御手段を備えることを特徴とする排気浄化剤の添加量制御装置。
14. 排気中に添加され、その排気中の特定成分と反応して排気を浄化する浄化剤について、その添加量を制御する装置であって、
    前記浄化剤のうち、前記特定成分との反応により消費されなかった分に相当する浄化剤未反応量を監視しつつ、前記浄化剤の添加量を所定の初期値から所定量ずつ逐次増量又は減量させる制御である添加量制御を行い、該添加量制御の実行により前記特定成分未浄化量の変化態様が所定の態様になった場合には、この添加量制御を停止する添加量制御手段を備えることを特徴とする排気浄化剤の添加量制御装置。
15. 排気中に添加され、その排気中の特定成分と反応して排気を浄化する浄化剤について、その添加量を制御する装置であって、
    前記浄化剤のうち、前記特定成分との反応箇所よりも下流の大気中へ放出される分に相当する浄化剤放出量を監視しつつ、前記浄化剤の添加量を所定の初期値から所定量ずつ逐次増量又は減量させる制御である添加量制御を行い、該添加量制御の実行により前記特定成分未浄化量の変化態様が所定の態様になった場合には、この添加量制御を停止する添加量制御手段を備えることを特徴とする排気浄化剤の添加量制御装置。
16. 排気中に添加され、その排気中の特定成分と反応して排気を浄化する浄化剤について、その添加量を制御する装置であって、
    前記排気中の特定成分のうち、前記浄化剤との反応により浄化されなかった分に相当する特定成分未浄化量、及び、前記浄化剤のうち、前記特定成分との反応により消費されなかった分に相当する浄化剤未反応量、の少なくとも一方を監視することにより、特定成分未浄化量が最小になり、且つ、浄化剤未反応量も最小になる前記浄化剤の添加量を検出する手段を備えることを特徴とする排気浄化剤の添加量制御装置。
17. 排気中に添加され、その排気中の特定成分と反応して排気を浄化する浄化剤について、その添加量を制御する装置であって、
    前記排気中の特定成分のうち、前記浄化剤との反応により浄化されなかった分に相当する特定成分未浄化量、及び、前記浄化剤のうち、前記特定成分との反応箇所よりも下流の大気中へ放出される分に相当する浄化剤放出量、の少なくとも一方を監視することにより、特定成分未浄化量が最小になり、且つ、浄化剤放出量も最小になる前記浄化剤の添加量を検出する手段を備えることを特徴とする排気浄化剤の添加量制御装置。
18. 前記特定成分は、ＮＯｘ（窒素酸化物）であり、前記浄化剤は、尿素水溶液のかたちで添加され排気中にて分解して生成されるＮＨ3（アンモニア）である請求項１〜１７のいずれか一項に記載の排気浄化剤の添加量制御装置。
19. 特定の排気浄化反応を促進する触媒と、
    前記触媒上で排気中の特定成分と前記排気浄化反応を行うことにより排気を浄化する浄化剤又はその発生源となる添加剤を、前記触媒自体又は該触媒よりも上流の排気へ添加する浄化剤添加弁と、
    前記排気中の特定成分のうち、前記排気浄化反応により浄化されなかった分に相当する特定成分未浄化量を監視しつつ、前記浄化剤の添加量を所定量ずつ逐次増量させる制御である第１の添加量制御と前記浄化剤の添加量を所定量ずつ逐次減量させる制御である第２の添加量制御とのいずれか一方を実行し、前記特定成分未浄化量の変化態様が所定の態様になったか否かに応じて、前記実行する制御を、前記第１の添加量制御及び前記第２の添加量制御のうちの実行されている一方から他方へ切り替える実行制御切替手段と、
    を備えることを特徴とする排気浄化システム。
20. 前記特定成分は、ＮＯｘ（窒素酸化物）であり、前記添加剤は尿素水溶液であり、前記触媒は、尿素水溶液が分解して生成されるＮＨ3（アンモニア）を通じてＮＯｘを還元するＮＯｘ還元反応を前記排気浄化反応として促進するものである請求項１９に記載の排気浄化システム。

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