JP2012097749A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】尿素水を効率的に排気中に供給しながら排気通路内や尿素水インジェクタにおける尿素結晶の堆積を抑制することが可能な排気浄化装置を提供する。
【解決手段】上流側ケーシング３０及び連通路３２と共にエンジン１の排気通路を構成する下流側ケーシング３４内に、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを選択還元するアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒４０を備え、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒４０の上流側となる連通路３２内の排気中に尿素水を供給する尿素水インジェクタ４４を設ける。エンジン１がアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒４０へのアンモニアの供給を必要とする運転状態にあるときに、ＥＣＵ５０は、排気温度と排気排出量とに基づき演算を行うことによって定める供給継続時間及び供給中止時間により間欠的に尿素水を供給するように尿素水インジェクタ４４を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明はエンジンの排気を浄化するための排気浄化装置に関し、特に排気中に供給された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のＮＯｘを還元するアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒を備えた排気浄化装置に関する。

エンジンの排気中に含まれる汚染物質の１つであるＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するための排気浄化装置として、エンジンの排気通路にアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒を配設し、還元剤としてアンモニアをアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に供給することにより、ＮＯｘを還元して排気を浄化するようにした排気浄化装置が知られている。
このような排気浄化装置では、アンモニアをアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に供給するために、アンモニアに比べて取り扱いが容易な尿素水を排気中に供給するのが一般的であり、尿素水インジェクタなどを用いて排気中に尿素水を噴射する。尿素水インジェクタから排気中に供給された霧状の尿素水は排気の熱により加水分解し、その結果生成されるアンモニアがアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に供給される。ＮＯｘ触媒に供給されたアンモニアは一旦アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に吸着され、このアンモニアと排気中のＮＯｘとの間の脱硝反応がＮＯｘ触媒によって促進されることによりＮＯｘが還元されて排気の浄化が行われる。

このとき、尿素水インジェクタから噴射された霧状の尿素水の一部は、排気通路内の壁面などに衝突することにより液化して排気通路や尿素水インジェクタなどに付着する。こうして付着した尿素水は、その水分が気化することによって固形の尿素結晶となり排気通路内の壁面や尿素水インジェクタに堆積する。また、付着した尿素水の水分が気化する際の気化潜熱によってコールドスポットが生じるため、尿素水が付着した部分の周囲は更に霧状の尿素水が液化して付着しやすい状態となり、尿素結晶の生成が促進されてしまうことになる。

このようにして固形の尿素結晶が堆積し続けると、排気通路における排気流動抵抗の増大や排気通路の閉塞のほか、尿素水インジェクタの作動不良を引き起こすという問題を生じるおそれがある。そこで、尿素水インジェクタに堆積した尿素結晶を除去するため、尿素水インジェクタから間欠的に尿素水の噴射を行って、尿素水インジェクタに堆積している尿素結晶を溶融させたり吹き飛ばしたりするようにした排気浄化装置が特許文献１によって提案されている。

特開２００５−２７３５０３号公報

しかしながら、特許文献１の排気浄化装置では、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が活性化温度より低い場合に上述したような間欠噴射による尿素結晶の除去が行われるため、尿素結晶の除去に使用される尿素水はアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒による排気の浄化には寄与せず、尿素水が余分に消費されてしまうという問題がある。
また、特許文献１の排気浄化装置では、尿素水の噴射によって尿素水インジェクタに堆積した尿素結晶の除去は可能であるが、排気通路内に堆積した尿素結晶を除去することができない上、尿素結晶の除去のために噴射した尿素水が液化して排気通路内の壁面に付着し、排気通路内の壁面における尿素結晶の堆積が促進されてしまうという問題も生じる。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、尿素水を効率的に排気中に供給しながら排気通路内や尿素水インジェクタにおける尿素結晶の堆積を良好に抑制することが可能な排気浄化装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の排気浄化装置は、エンジンの排気通路に配設され、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを選択還元するアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒と、上記アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒の上流側の排気中に尿素水を供給する尿素水供給手段と、上記エンジンが上記アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒へのアンモニアの供給を必要とする運転状態にあって、上記尿素水供給手段から尿素水を供給する際には、所定の供給継続時間及び供給中止時間により間欠的に尿素水を供給するように上記尿素水供給手段を制御する制御手段と、上記尿素水供給手段から尿素水が供給される排気の温度を検出する排気温度検出手段とを備え、上記制御手段は、上記排気温度検出手段によって検出された排気温度と、上記尿素水供給手段からの尿素水供給量とに基づいて、上記尿素水供給手段から尿素水を間欠的に供給する際に、上記尿素水供給手段から尿素水を供給している間は、所定の下限値を初期値として、上記排気温度と上記エンジンの排気排出量に対する上記尿素水供給量の比とに応じて求めた加算値を所定周期毎に加算していくと共に上記排気温度と上記排気排出量とに応じて求めた減算値を上記所定周期毎に減算していくことにより第１判定値を演算し、上記第１判定値が所定の上限値に達すると上記供給継続時間が経過したものと判断して上記尿素水供給手段からの尿素水の供給を停止する一方、上記尿素水供給手段から尿素水を間欠的に供給する際に、上記尿素水供給手段からの尿素水供給を一時的に停止している間は、上記上限値を初期値として、上記排気温度と上記排気排出量とに応じて求めた減算値を上記所定周期毎に減算していくことにより第２判定値を演算し、上記第２判定値が上記下限値に達すると上記供給中止時間が経過したものと判断して上記尿素水供給手段からの尿素水の供給を開始することを特徴とする（請求項１）。

このように構成された排気浄化装置によれば、エンジンがアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒へのアンモニアの供給を必要とする運転状態にあって、尿素水供給手段から尿素水を供給する際に、制御手段は所定の供給継続時間及び供給中止時間により間欠的に尿素水を供給するように尿素水供給手段を制御する。この結果、尿素水供給手段からは尿素水が上記供給継続時間及び供給中止時間で間欠的に排気中に供給される。

このとき、尿素水供給手段から間欠的に供給される尿素水の供給継続時間及び供給中止時間は、尿素水供給手段から尿素水を供給される排気の温度及び尿素水供給手段からの尿素水供給量に応じて長さが変化する。

より具体的には、尿素水供給手段から尿素水を間欠的に供給する際に、尿素水供給手段から尿素水を供給している間は、制御手段は所定の下限値を初期値として、尿素水供給手段から尿素水が供給される排気の温度とエンジンの排気排出量に対する尿素水供給量の比とに応じて求めた加算値を所定周期毎に加算していくと共に尿素水供給手段から尿素水が供給される排気の温度とエンジンの排気排出量とに応じて求めた減算値を上記所定周期毎に減算していくことにより第１判定値を演算する。こうして所定周期毎に演算された第１判定値が増大して所定の上限値に達すると、制御手段は上記供給継続時間が経過したものと判断して尿素水供給手段からの尿素水の供給を停止する。

一方、尿素水供給手段から尿素水を間欠的に供給する際に、尿素水供給手段からの尿素水供給を一時的に停止している間は、制御手段は上記上限値を初期値として、尿素水供給手段から尿素水が供給される排気の温度とエンジンの排気排出量とに応じて求めた減算値を所定周期毎に減算していくことにより第２判定値を演算する。こうして所定周期毎に演算された第２判定値が減少して上記下限値に達すると、制御手段は上記供給中止時間が経過したものと判断して尿素水供給手段からの尿素水の供給を開始する。

第１判定値を求める際に使用される加算値は、尿素水供給手段から尿素水が供給される排気の温度とエンジンの排気排出量に対する尿素水供給量の比とに応じて求められ、第１判定値及び第２判定値を求める際に使用される減算値は尿素水供給手段から尿素水を供給される排気の温度に応じて求められるので、結果的に尿素水供給手段から尿素水を間欠的に供給する際の供給継続時間及び供給中止時間は、尿素水供給手段から尿素水が供給される排気の温度及び尿素水供給量に応じて補正されることになる。従って、尿素水供給手段から間欠的に供給される尿素水の供給継続時間及び供給中止時間は、尿素水供給手段から尿素水を供給される排気の温度及び尿素水供給手段からの尿素水供給量に応じて長さが変化する。

本発明の排気浄化装置によれば、エンジンがアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒へのアンモニアの供給を必要とする運転状態にあって、尿素水供給手段から尿素水を供給する際には、尿素水が所定の供給継続時間及び供給中止時間により間欠的に排気中に供給されるので、供給継続時間中に排気中に供給された尿素水が排気管の内壁などに一時的に付着することがあっても、供給中止時間中に尿素をアンモニアに転化させて消滅させることが可能となり、排気通路内や尿素水供給手段などへの尿素結晶の堆積を抑制することができる。この結果、尿素結晶の堆積による排気流動抵抗の増大や排気通路の閉塞、並びに尿素水供給手段の作動不良を、いずれも良好に防止することができる。

また、エンジンがアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒へのアンモニアの供給を必要とする運転状態にあるときに、このようにして尿素水を間欠的に供給するので、供給された尿素水はアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘの選択還元に使用される。従って、尿素結晶の堆積を抑制するために余分な尿素水を排気中に供給する必要がなく、効率良く尿素水を使用することができる。

更に本発明の排気浄化装置によれば、エンジンがアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒へのアンモニアの供給を必要とする運転状態にあるときに、尿素水供給手段から間欠的に供給される尿素水の供給継続時間及び供給中止時間は、尿素水供給手段から尿素水が供給される排気の温度及び尿素水供給手段からの尿素水供給量に応じて長さが変化する。排気中に供給された尿素水に含まれる尿素は、排気温度が低いほど結晶化しやすく、排気温度が高いほどアンモニアに添加して消滅しやすい。また、排気中に供給される尿素水が多いほど尿素が結晶化しやすくなる。従って、尿素水供給手段から尿素水が供給される排気の温度及び尿素水供給手段からの尿素水供給量に応じて尿素水の供給継続時間及び供給中止時間を補正することにより、尿素結晶の形成及び消滅に影響のある排気温度や尿素水供給量が変動した場合であっても、尿素結晶の堆積を精度よく確実に抑制することが可能となる。

そして、尿素水供給手段から尿素水を間欠的に供給する際の尿素水の供給継続時間を定めるために使用される第１判定値は、所定の下限値を初期値として、排気温度とエンジンの排気排出量に対する尿素水供給量の比とに応じて求めた加算値を所定周期毎に加算していくと共に排気温度とエンジンの排気排出量とに応じて求めた減算値を上記所定周期毎に減算していくことにより決定されるので、上述したような排気温度及び尿素水供給量による尿素結晶の生成への影響度合いをそれぞれ適正に供給継続時間に反映させることが可能となる。また、尿素水供給手段から尿素水を間欠的に供給する際の尿素水の供給中止時間を定めるために使用される第２判定値は、所定の上限値を初期値として、排気温度とエンジンの排気排出量とに応じて求めた減算値を所定周期毎に減算していくことにより決定されるので、上述したような排気温度による尿素の消滅への影響度合いを適正に供給中止時間に反映させることが可能となる。従って、尿素結晶の形成及び消滅に影響のある排気温度や尿素水供給量が変動した場合であっても、尿素結晶の堆積をより一層精度よく確実に抑制することが可能となる。

また、排気中に供給された尿素水に含まれる尿素は、エンジンからの排気排出量が少ないほど結晶化しやすく、エンジンの排気排出量が多いほどアンモニアに転化して消滅しやすい。従って、尿素水供給手段から尿素水を間欠的に供給する際の尿素水の供給継続時間及び供給中止時間をエンジンの排気排出量に応じて補正することにより、尿素結晶の形成及び消滅に影響のある排気排出量が変動した場合であっても、尿素結晶の堆積をより一層精度よく確実に抑制することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る排気浄化装置が適用されるエンジンの全体構成図である。 図１の排気浄化装置で実行される尿素水供給制御のフローチャートである。 図２の尿素水供給制御で使用される加算値マップにおける加算値と排気温度及び尿素水供給量／排気排出量との関係を示すグラフである。 図２の尿素水供給制御で使用される減算値マップにおける減算値と排気温度及び排気排出量との関係を示すグラフである。

以下、図面に基づき本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る排気浄化装置が適用される４気筒のディーゼルエンジン（以下、エンジンという）の全体構成図を示しており、図１に基づき本発明に係る排気浄化装置の構成を説明する。
エンジン１は各気筒共通の高圧蓄圧室（以下コモンレールという）２を備えており、図示しない燃料噴射ポンプから供給されてコモンレール２に蓄えられた高圧の燃料を、各気筒に設けられたインジェクタ４に供給し、各インジェクタ４からそれぞれの気筒内に燃料が噴射される。

吸気通路６にはターボチャージャ８が装備されており、図示しないエアクリーナから吸入された吸気は、吸気通路６からターボチャージャ８のコンプレッサ８ａへと流入し、コンプレッサ８ａで過給された吸気はインタークーラ１０及び吸気制御弁１２を介して吸気マニホールド１４に導入される。また、吸気通路６のコンプレッサ８ａより上流側には、エンジン１への吸入空気流量を検出するための吸気量センサ１６が設けられている。

一方、エンジン１の各気筒から排気が排出される排気ポート（図示せず）は、排気マニホールド１８を介して排気管２０に接続されている。なお、排気マニホールド１８と吸気マニホールド１４との間には、ＥＧＲ弁２２を介して排気マニホールド１８と吸気マニホールド１４とを連通するＥＧＲ通路２４が設けられている。
排気管２０はターボチャージャ８のタービン８ｂを経た後、排気絞り弁２６を介して排気後処理装置２８に接続されている。また、タービン８ｂの回転軸はコンプレッサ８ａの回転軸と連結されており、タービン８ｂが排気管２０内を流動する排気を受けてコンプレッサ８ａを駆動するようになっている。

排気後処理装置２８は、上流側ケーシング３０と、上流側ケーシング３０の下流側に連通路３２で連通された下流側ケーシング３４とで構成され、上流側ケーシング３０、連通路３２及び下流側ケーシング３４により本発明の排気通路が構成されている。上流側ケーシング３０内には、前段酸化触媒３６が収容されると共に、この前段酸化触媒３６の下流側にはパティキュレートフィルタ（以下フィルタという）３８が収容されている。フィルタ３８は、排気中のパティキュレートを捕集することによりエンジン１の排気を浄化するために設けられる。

前段酸化触媒３６は排気中のＮＯ（一酸化窒素）を酸化させてＮＯ₂（二酸化窒素）を生成するので、このように前段酸化触媒３６とフィルタ３８とを配置することにより、フィルタ３８に捕集され堆積しているパティキュレートは、前段酸化触媒３６から供給されたＮＯ₂と反応して酸化し、フィルタ３８の連続再生が行われるようになっている。
一方、下流側ケーシング３４内には、アンモニアを吸着し、吸着したアンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を選択還元して排気を浄化するアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒（以下ＳＣＲ触媒という）４０が収容されると共に、このＳＣＲ触媒４０の下流側にはＳＣＲ触媒４０から流出したアンモニアを酸化してＮ₂（窒素）とするための後段酸化触媒４２が収容されている。

この後段酸化触媒４２は、後述するフィルタ３８の強制再生でパティキュレートが焼却される際に発生するＣＯ（一酸化炭素）を酸化し、ＣＯ₂（二酸化炭素）として大気中に排出する機能も有している。
また、連通路３２には、連通路３２内の排気中に尿素水を噴射供給する尿素水インジェクタ（尿素水供給手段）４４が設けられており、尿素水を蓄えた尿素水タンク４６から図示しない尿素水供給ポンプを介して尿素水インジェクタ４４に尿素水が供給され、尿素水インジェクタ４４を開閉することによって尿素水インジェクタ４４から連通路３２内の排気中に尿素水が噴射されるようになっている。

尿素水インジェクタ４４から噴射された霧状の尿素水は、排気の熱により加水分解してアンモニアとなり、ＳＣＲ触媒４０に供給される。ＳＣＲ触媒４０は供給されたアンモニアを吸着し、吸着したアンモニアと排気中のＮＯｘとの脱硝反応を促進することにより、ＮＯｘを浄化して無害なＮ₂とする。なお、このとき、アンモニアがＮＯｘと反応せずにＳＣＲ触媒４０から流出した場合には、このアンモニアが後段酸化触媒４２によって酸化され、無害なＮ₂となって大気中に放出されるようになっている。

更に、下流側ケーシング３４内のＳＣＲ触媒４０上流側には排気温度を検出するための排気温度センサ４８が設けられており、この排気温度センサ４８は尿素水インジェクタ４４から尿素水が供給されてＳＣＲ触媒４０に流入する排気の温度を検出する。
ＥＣＵ（制御手段）５０は、エンジン１の運転制御をはじめとして総合的な制御を行うための制御装置であり、ＣＰＵ、メモリ、タイマカウンタなどから構成され、様々な制御量の演算を行うと共に、その制御量に基づき各種デバイスの制御を行っている。

ＥＣＵ５０の入力側には、各種制御に必要な情報を収集するため、上述した吸気量センサ１６や排気温度センサ４８のほか、エンジン１の回転数を検出する回転数センサ５２、及び図示しないアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ５４などの各種センサ類が接続されている。また、ＥＣＵ５０の出力側には、演算した制御量に基づき制御が行われる各気筒のインジェクタ４、吸気制御弁１２、ＥＧＲ弁２２、排気絞り弁２６及び尿素水インジェクタ４４などの各種デバイス類が接続されている。

エンジン１の各気筒への燃料供給量の演算、及び演算した燃料供給量に基づくインジェクタ４からの燃料供給制御もＥＣＵ５０によって行われる。エンジン１の運転に必要な燃料供給量（主噴射量）は、回転数センサ５２によって検出されたエンジン１の回転数とアクセル開度センサ５４によって検出されたアクセル開度とに基づき、予め記憶しているマップから読み出して決定する。各気筒に供給される燃料の量は、インジェクタ４の開弁時間によって調整され、決定された燃料量に対応した駆動時間で各インジェクタ４が開弁駆動され、各気筒に主噴射が行われることにより、エンジン１の運転に必要な量の燃料が供給される。

ＥＣＵ５０は、このような各気筒への燃料供給制御のほか、フィルタ３８の強制再生やＳＣＲ触媒４０にアンモニアを供給するための尿素水供給制御も行う。フィルタ３８の強制再生については既に広く知られているものであり、ここでは詳細な説明を省略するものとし、尿素水供給制御について以下に説明する。
ＥＣＵ５０は、インジェクタ４からの主噴射量や、回転数センサ５２によって検出されたエンジン１の回転数及び吸気量センサ１６によって検出されたエンジン１への吸入空気流量などに基づき、エンジン１の単位時間あたりの排気排出量及びＮＯｘ排出量を求め、このＮＯｘ排出量に対してＳＣＲ触媒４０によるＮＯｘの選択還元に必要なアンモニアの量から尿素水の目標供給量を求める。そして、この目標供給量に基づき尿素水インジェクタ４４を制御することにより、尿素水インジェクタ４４からＳＣＲ触媒４０上流側の排気中に尿素水が供給される。

尿素水インジェクタ４４から噴射された霧状の尿素水は、前述したように、排気の熱により加水分解してアンモニアとなり、このアンモニアがＳＣＲ触媒４０に供給される。ＳＣＲ触媒４０は、供給されたアンモニアを吸着し、吸着したアンモニアと排気中のＮＯｘとの脱硝反応を促進することにより、ＮＯｘを還元して無害なＮ₂とする。
このような尿素水インジェクタ４４による尿素水の供給を適正に行うため、ＥＣＵ５０は図２に示すフローチャートに従い、所定の制御周期で尿素水供給制御を行う。なお、この尿素水供給制御はエンジン１の始動に伴って開始され、エンジン１の停止に伴って終了する。

制御が開始されると、ＥＣＵ５０はステップＳ１で、尿素水供給を可能とする条件が成立して、ＳＣＲ触媒４０へのアンモニアの供給を必要とする状態となったか否かを判断する。具体的には、排気温度センサ４８が検出した排気温度に基づき、ＳＣＲ触媒４０が活性化しているか否かを判定し、ＳＣＲ触媒４０が活性化していると判定したときには尿素水供給を可能とする条件が成立し、ＳＣＲ触媒４０へのアンモニアの供給を必要とする状態になったと判断する。

ステップＳ１で尿素水供給を可能とする条件が成立したと判断した場合、ＥＣＵ５０は処理をステップＳ２に進める一方、ステップＳ１で尿素水供給を可能とする条件が成立していないと判断した場合には今回の制御周期を終了し、次の制御周期のステップＳ１で再び尿素水供給を可能とする条件が成立したか否かを判断する。従って、ステップＳ１で尿素水供給を可能とする条件が成立したと判断した場合に限り、ＥＣＵ５０は処理をステップＳ２に進める。以下では、尿素水供給を可能とする条件が成立しているものとし、処理がステップＳ１からステップＳ２に進むものとして説明する。

ステップＳ２においてＥＣＵ５０は、フラグＦの値が１であるか否かを判断する。このフラグＦは、尿素水インジェクタ４４からの尿素水の供給を中止するか否かを示すものであり、その値が１であることにより尿素水の供給中止を示すものである。フラグＦの初期値は０となっており、尿素水供給制御が開始された当初は、尿素水供給を可能とする条件が成立した場合に尿素水の供給を許可するようになっている。

従って、ステップＳ２でフラグＦの値が１ではないと判断して処理をステップＳ３に進めると、ＥＣＵ５０は予め記憶している加算値マップ及び減算値マップから、その制御周期で使用する加算値Ａ_n及び減算値Ｄ_nをそれぞれ読み出す。なお、添字ｎはそのときの制御周期に対応するものであることを示しており、添字ｎ−１は前回の制御周期に対応するものであることを示す。

加算値Ａ_nを読み出すために使用される加算値マップには、エンジン１の単位時間あたりの排気排出量に対する尿素インジェクタ４４から供給される尿素水の単位時間あたりの供給量の比、即ち尿素水供給量／排気排出量と、尿素水が供給される排気の温度とに応じて大きさが変化する加算値Ａ_nが記憶されている。この加算値Ａ_nは、排気中に供給された尿素水から生成される尿素結晶の単位時間あたりの生成量に対応している。尿素結晶は排気中に供給される尿素水が多いほど生成されやすい上、エンジン１からの排気排出量が少ないほど生成されやすく、また排気温度が低いほど生成されやすい。そこで加算値マップにおいては、図３に示すように、尿素水供給量／排気排出量が大きいほど大きい加算値Ａ_nとなり、また排気温度が低いほど大きい加算値Ａ_nとなるように加算値Ａ_nが設定されている。

また、減算値Ｄｎを読み出すために使用される減算値マップには、エンジン１の単位時間あたりの排気排出量と、尿素水が供給される排気の温度とに応じて大きさが変化する減算値Ｄ_nが記憶されている。この減算値Ｄ_nは、排気中に生成された尿素結晶がアンモニアに転化することによる尿素の単位時間あたりの消滅量に対応している。尿素はエンジン１からの排気排出量が多いほどアンモニアに転化して消滅しやすく、また排気温度が高いほどアンモニアに転化して消滅しやすい。そこで減算値マップにおいては、図４に示すように、排気排出量が多いほど大きい減算値Ｄ_nとなり、排気温度が高いほど大きい減算値Ｄ_nとなるように減算値Ｄ_nが設定されている。

従って、ステップＳ３では、その制御周期において排気温度センサ４８により検出された排気温度と、ＥＣＵ５０が演算した尿素水の目標供給量及びエンジン１の排気排出量に基づき、対応する加算値Ａ_nを加算値マップから読み出すと共に、上記排気温度及び排気排出量に基づき、対応する減算値Ｄ_nを減算値マップから読み出す。
次のステップＳ４では、ステップＳ３で読み出した加算値Ａ_n及び減算値Ｄ_nを用い、第１判定値Ｘ_nの演算が行われる。具体的には、ＥＣＵ５０が前回の制御周期で算出した第１判定値Ｘ_n-1に対してステップＳ３で読み出した加算値Ａ_nを加算すると共にステップＳ３で読み出した減算値Ｄ_nを減算することにより今回の第１判定値Ｘ_nを求める。ここで、第１判定値Ｘ_n-1の初期値は予め設定された下限値であって、本実施形態では０を第１判定値Ｘ_n-1の初期値としている。従って、ステップＳ２からステップＳ３を経て初めてステップＳ４に処理が進んだ場合には、加算値Ａ_nから減算値Ｄ_nを減じた値が今回の第１判定値Ｘ_nとなる。

こうして今回の第１判定値Ｘ_nを求め、次のステップＳ５に処理を進めると、ＥＣＵ５０はステップＳ４で求めた今回の第１判定値Ｘ_nが所定の上限値Ｌ以上となったか否か、即ち上限値Ｌに達したか否かを判断する。そして、今回の第１判定値Ｘ_nが上限値Ｌに達していないと判断した場合にはステップＳ６に処理を進めて、尿素水噴射を許可することにより、尿素水インジェクタ４４からの尿素水の噴射が継続される。

こうして今回の制御周期を終了し、次の制御周期になると、ＥＣＵ５０は再びステップＳ１から処理を開始し、ステップＳ２に処理を進める。
フラグＦの値は０のままであることから、ＥＣＵ５０は処理をステップＳ２からステップＳ３を経てステップＳ４に進め、上述したようにしてステップＳ３で読み出した加算値Ａ_n及び減算値Ｄ_nと前回の制御周期で算出した第１判定値Ｘ_n-1を用い、今回の第１判定値Ｘ_nを演算する。このようにステップＳ４では、加算値Ａ_n及び減算値Ｄ_nと前回の制御周期で算出した第１判定値Ｘ_n-1を用い、制御周期毎に今回の第１判定値Ｘ_nをＥＣＵ５０が演算することにより、今回の第１判定値Ｘ_nが更新されていく。

ここで、尿素供給量／排気排出量が比較的小さい場合や尿素水が供給される排気の温度が比較的低い場合には尿素結晶が生成されやすく、これに対応して加算値Ａ_nも比較的大きい値となっている。また、排気排出量が比較的少ない場合や尿素水が供給される排気の温度が比較的低い場合には尿素がアンモニアに転化しにくくなって消滅量が減少し、これに対応して減算値Ｄ_nも比較的小さな値となる。このようにして加算値Ａ_nに対し減算値Ｄ_nが相対的に小さくなると、ステップＳ４において制御周期毎に繰り返し演算される第１判定値Ｘ_nの値は徐々に増大していくことになる。

ステップＳ４で演算された第１判定値Ｘ_nの値が増大し、ステップＳ５において上限値Ｌに達したと判定すると、ＥＣＵ５０は処理をステップＳ７に進めて尿素インジェクタ４４からの尿素水の噴射を中止し、次にステップＳ８に処理を進める。
ＥＣＵ５０はステップＳ８でフラグＦの値を１とした後、ステップＳ９に処理を進め、次回の制御周期以降でステップＳ４に処理が進んだ場合に第１判定値Ｘ_n-1の初期値となる今回の第１判定値Ｘ_nの値を下限値の０にリセットし、その制御周期を終了する。

このように、尿素供給量、排気排出量及び排気温度によって加算値Ａ_n及び減算値Ｄ_nが増減し、その結果として第１判定値Ｘ_nが上限値Ｌに達すると、それまで継続していた尿素インジェクタ４４からの尿素水の噴射が中止される。従って、こうして中止されるまでの尿素水の供給継続時間は上限値Ｌのほか、加算値マップ及び減算値マップから読み出される加算値Ａ_n及び減算値Ｄ_nによって定まる。

加算値マップ及び減算値マップにおける加算値Ａ_n及び減算値Ｄ_nの値の関係は前述したとおりであるが、上限値Ｌ、加算値Ａ_n及び減算値Ｄ_nの値は尿素水の噴射が継続しているときに尿素が結晶化して堆積し始める直前で、第１判定値Ｘ_nが上限値Ｌに達して尿素水の供給が中止されるような値となっている。上限値Ｌ、加算値Ａ_n及び減算値Ｄ_nの設定については様々な方法が考えられるが、その一例については後述する。

ステップＳ５において第１判定値Ｘ_nが上限値Ｌに達したと判定し、前述のようにしてステップＳ７乃至Ｓ９を経て終了した制御周期の次の制御周期では、処理がステップＳ１からステップＳ２に進むと、フラグＦの値が１となっているため、ＥＣＵ５０はステップＳ１０に処理を進める。
ステップＳ１０でＥＣＵ５０は、その制御周期で使用する減算値Ｄ_nを減算値マップから読み出す。減算値マップには、前述したようにエンジン１の単位時間あたりの排気排出量と、尿素水が供給される排気の温度とに応じて大きさが変化する減算値Ｄ_nが記憶されており、図４に示すように、排気排出量が多いほど大きい減算値Ｄ_nとなり、排気温度が高いほど大きい減算値Ｄ_nとなるように減算値Ｄ_nが設定されている。従って、ＥＣＵ５０は、その制御周期において排気温度センサ４８により検出された排気温度と、ＥＣＵ５０が演算したエンジン１の排気排出量に基づき、対応する減算値Ｄ_nを減算値マップから読み出す。

次のステップＳ１１では、ステップＳ１０で読み出した減算値Ｄ_nを用い、第２判定値Ｙ_nの演算が行われる。具体的には、ＥＣＵ５０が前回の制御周期で算出した第２判定値Ｙ_n-1からステップＳ１０で読み出した減算値Ｄ_nを減算することにより今回の第２判定値Ｙ_nを求める。ここで、第２判定値Ｙ_n-1の初期値は、前述したステップＳ５で用いられる上限値Ｌであって、ステップＳ２からステップＳ１０を経て初めてステップＳ１１に処理が進んだ場合には、上限値Ｌから減算値Ｄ_nを減じた値が今回の第２判定値Ｙ_nとなる。

こうして今回の第２判定値Ｙ_nを求め、次のステップＳ１２に処理を進めると、ＥＣＵ５０はステップＳ１１で求めた今回の第２判定値Ｙ_nが前述したステップＳ４における第１判定値Ｘ_n-1の初期値である所定の下限値の０以下となったか否か、即ち下限値０に達したか否かを判断する。そして、今回の第２判定値Ｙ_nが下限値０に達していないと判断した場合にはステップＳ１３に処理を進めて、尿素水噴射を中止することにより、尿素水インジェクタ４４からの尿素水噴射の中止が継続される。

こうして今回の制御周期を終了し、次の制御周期になると、ＥＣＵ５０は再びステップＳ１から処理を開始し、ステップＳ２に処理を進める。
フラグＦの値は１のままであることから、ＥＣＵ５０は処理をステップＳ２からステップＳ１０を経てステップＳ１１に進め、上述したようにしてステップＳ１０で読み出した減算値Ｄ_nと前回の制御周期で算出した第２判定値Ｙ_n-1を用い、今回の第２判定値Ｙ_nを演算する。このようにステップＳ１１では、減算値Ｄ_nと前回の制御周期で算出した第２判定値Ｙ_n-1を用い、制御周期毎に今回の第２判定値Ｙ_nをＥＣＵ５０が演算することにより、今回の第２判定値Ｙ_nが更新されていく。このようにして今回の第２判定値Ｙ_nが更新されることにより、ステップＳ１１において制御周期毎に繰り返し演算される第２判定値Ｙ_nの値は徐々に減少していくことになる。

ステップＳ１１で演算された第２判定値Ｙ_nの値が減少し、ステップＳ１２において下限値０に達したと判定すると、ＥＣＵ５０は処理をステップＳ１４に進めて尿素インジェクタ４４からの尿素水の噴射を許可し、次にステップＳ１５に処理を進める。
ＥＣＵ５０はステップＳ１５でフラグＦの値を０とした後、ステップＳ１６に処理を進め、次回の制御周期以降でステップＳ１１に処理が進んだ場合に第２判定値Ｙ_n-1の初期値となる今回の第２判定値Ｙ_nの値を上限値Ｌにリセットし、その制御周期を終了する。

このように、第２判定値Ｙ_nが下限値０に達すると、それまで継続して中止されていた尿素インジェクタ４４からの尿素水の噴射が再開される。従って、こうして再開されるまでの尿素水の供給中止時間は、上限値Ｌ及び減算値マップから読み出される減算値Ｄ_nによって定まる。
減算値マップにおける減算値Ｄ_nの値は、エンジン１からの単位時間あたりの排気排出量と、尿素水が供給される排気の温度とに応じて変化するものであって、上限値Ｌ及び減算値Ｄ_nは尿素水インジェクタ４４からの尿素水の供給継続時間に影響を与えるものであることは前述したとおりである。更に、上限値Ｌ及び減算値Ｄ_nの値は、尿素水が継続して供給されている間に生成された尿素結晶が、尿素水の供給中止を継続している間に、アンモニアに転化して消滅し終えたとき、第２判定値Ｙ_nが下限値０に達して尿素水の供給が再開されるような値となっている。

これら上限値Ｌ及び減算値Ｄ_nのほか、前述した第１判定値Ｘ_nの演算に用いられる加算値Ａ_nの設定については様々な方法が考えられるが、例えば以下のようにして設定することができる。
即ち、予め実験においてエンジン１を所定の基準運転状態で運転し、このとき尿素水インジェクタ４４から尿素水を連続的に排気中に供給した場合に、尿素水に含まれる尿素が結晶化して堆積し始めるまでに要する時間を基準供給継続時間として求める。次に、エンジン１を所定の基準運転状態で運転し、尿素水を基準供給時間にわたって連続的に供給した場合に存在する尿素が、尿素水供給を中止した後にアンモニアに転化して消滅し終える時間を基準供給中止時間として求める。そして、前述したようにして第２判定値Ｙ_nを演算したときに第２判定値Ｙ_nが上記基準供給中止時間で下限値０に達するように、上限値Ｌ及び基準運転状態における減算値Ｄ_nを定めると共に、これら上限値Ｌ及び基準運転状態における減算値Ｄ_nに基づき、前述したようにして第１判定値Ｘ_nを演算したときに第１判定値Ｘ_nが上記基準供給継続時間で上限値Ｌに達するように、基準運転状態における加算値Ａ_nを定める。

次に、エンジン１の運転状態を様々に変化させた場合の基準供給継続時間及び基準供給中止時間を求め、各運転状態においても第２判定値Ｙ_nを演算したときに第２判定値Ｙ_nがそれぞれ対応する基準供給中止時間で下限値０に達すると共に、第１判定値Ｘ_nを演算したときに第１判定値Ｘ_nがそれぞれ対応する基準供給継続時間で上限値Ｌに達するように、上記基準運転状態における加算値Ａ_n及び減算値Ｄ_nとに基づき、各運転状態における加算値Ａ_n及び減算値Ｄ_nを定めればよい。こうして求められた各運転状態における加算値Ａ_n及び減算値Ｄ_nが、各運転状態における尿素水供給量や排気排出量、並びに尿素水が供給される排気の温度に対応して加算値マップ及び減算値マップに設定され記憶される。

ステップＳ１２において第２判定値Ｙ_nが下限値０に達したと判定し、前述のようにしてステップＳ１４乃至Ｓ１６を経て終了した制御周期の次の制御周期では、処理がステップＳ１からステップＳ２に進むと、フラグＦの値が０となっているため、ＥＣＵ５０はステップＳ３を経てステップＳ４に処理を進め、前述したようにして第１判定値Ｘ_nの演算を行うと共に、第１判定値Ｘ_nが上限値Ｌに達するまでの間は、尿素水インジェクタ４４から尿素水の噴射が行われる。この後の制御は、これまでに述べたとおりである。

こうして図２のフローチャートに従って尿素水供給制御が行われることにより、ＳＣＲ触媒４０が活性化して尿素水供給を可能とする条件が成立し、ＳＣＲ触媒４０へのアンモニアの供給が必要となった場合には、尿素水インジェクタ４４から尿素水が間欠的に排気中に噴射される。尿素水の間欠供給においては、第１判定値Ｘ_nが上限値Ｌに達するまで尿素水の供給が継続され、第２判定値Ｙ_nが下限値０に達するまで尿素水の供給が中止される。

前述したように、上限値Ｌや、第１判定値Ｘ_n及び第２判定値Ｙ_nの演算に使用される加算値Ａ_n及び減算値Ｄ_nは、第１判定値Ｘ_nが上限値Ｌに達するまでの時間が、尿素水を連続的に供給した場合に尿素が結晶化して堆積し始める直前までの時間となるように設定されていると共に、第２判定値Ｙ_nが下限値０に達するまでの時間が、尿素水の供給中止の間に尿素がアンモニアに転化して消滅し終える時間となるように設定されている。従って、尿素水インジェクタ４４から排気中に噴射された尿素水に含まれる尿素は、上流側ケーシング３０、連通路３２及び下流側ケーシング３４による排気通路内や尿素水インジェクタ４４に堆積することなく、アンモニアに転化してＳＣＲ触媒４０に供給され、ＳＣＲ触媒４０によるＮＯｘの選択還元に使用される。

この結果、尿素結晶の堆積によって生じる上流側ケーシング３０、連通路３２及び下流側ケーシング３４における排気流動抵抗の増大や尿素水インジェクタ４４の作動不良を確実に防止することができる。また、尿素水の間欠供給の際の供給中止時間は、尿素水の供給中止の間に尿素がアンモニアに転化して消滅し終える時間となるように設定されているので、必要以上に尿素水供給が中断されることがなく、ＳＣＲ触媒４０へのアンモニア供給に対する影響を最小限にとどめることができる。更に、尿素水の間欠供給はＳＣＲ触媒４０が活性化温度に達し、アンモニアの供給を必要としているときに行われるので、尿素結晶の堆積防止のために余分な尿素水を供給する必要がなく、尿素水を効率的に使用することができる。

また、第１判定値Ｘ_nの演算に用いられる加算値Ａ_nは、単位時間あたりのエンジン１からの排気排出量に対する単位時間あたりの尿素水供給量の比である尿素水供給量／排気排出量が大きいほど大きく、また尿素水が供給される排気の温度が低いほど大きく設定される。従って、減算値Ｄ_nが一定と仮定した場合、第１判定値Ｘ_nは尿素水供給量／排気排出量が大きいほど増大の度合いが大きく、また排気温度が低いほど増大の度合いが大きくなり、早く上限値Ｌに達する。即ち、尿素水インジェクタ４４から間欠的に尿素を供給する際の尿素水の供給継続時間は、尿素水供給量、エンジン１からの排気排出量及び排気温度によって補正され、尿素水供給量／排気排出量が大きいほど短く、また排気温度が低いほど短くなり、尿素水供給量、エンジン１からの排気排出量及び排気温度による尿素結晶の生成への影響度合がそれぞれ適正に供給継続時間に反映される。

更に、第２判定値Ｙ_nの演算に用いられる減算値Ｄ_nは、単位時間あたりのエンジン１からの排気排出量が大きいほど大きく、また尿素水が供給される排気の温度が高いほど大きく設定される。従って、第２判定値Ｙ_nは排気排出量が大きいほど減少の度合いが大きく、また排気温度が高いほど減少の度合いが大きくなり、早く下限値０に達する。即ち、尿素水インジェクタ４４から間欠的に尿素水を供給する際の尿素水の供給中止時間は、エンジン１からの排気排出量及び排気温度によって補正され、排気排出量が大きいほど短く、また排気温度が高いほど短くなり、エンジン１からの排気排出量及び排気温度による尿素の消滅への影響度合いがそれぞれ適正に供給中止時間に反映される。

排気中に供給された尿素水は、排気温度が低いほど尿素結晶を生成しやすく、エンジン１からの排気排出量が少ないほど尿素結晶を生成しやすく、尿素供給量が多いほど尿素結晶を生成しやすい。また、排気中に生成された尿素結晶は、排気温度が高いほどアンモニアに転化して消滅しやすく、エンジン１からの排気排出量が多いほどアンモニアに転化して消滅しやすい。

従って、尿素水の間欠供給の際に、上述のようにして供給継続時間を尿素水供給量、エンジン１からの排気排出量及び排気温度に応じて補正すると共に、供給中止時間をエンジン１からの排気排出量及び排気温度によって補正することにより、エンジン１の運転状態が変動して尿素水供給量や、エンジン１からの排気排出量或いは排気温度が変化した場合であっても、尿素結晶の堆積を精度良く抑制して排気流動抵抗の増大や尿素水インジェクタ４４の作動不良といった問題の発生を確実に防止することができる。

また、尿素水の間欠供給の際の尿素水の供給中止時間を、上述したように排気排出量が大きいほど短く、また排気温度が高いほど短く補正することにより、エンジン１の運転状態が変化した場合であっても、尿素水を間欠供給する際の尿素供給の中断時間を必要最小限としてＳＣＲ触媒４０へのアンモニア供給に対する影響を最小限にとどめながら、確実に尿素をアンモニアに転化させることによって消滅させ、尿素結晶の堆積を良好に抑制することができる。

以上で本発明の一実施形態に係る排気浄化装置についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態では、上限値Ｌ、下限値０、加算値Ａ_n及び減算値Ｄ_nを用いて演算した第１判定値Ｘ_n及び第２判定値Ｙ_nにより、尿素水の間欠供給における供給継続時間及び供給中止時間を決定するようにしたが、これら供給継続時間及び供給中止時間の設定方法はこれに限られるものではない。即ち、尿素水の間欠供給における供給継続時間及び供給中止時間を、単位時間あたりの尿素水供給量やエンジン１からの排気排出量、及び排気温度に対応させて直接マップなどに記憶し、実際の尿素水供給量、排気排出量、及び排気温度に対応する供給継続時間及び供給中止時間を読み出して設定するようにしてもよい。

更に、上記実施形態では、尿素水の供給継続時間及び供給中止時間を決定する際に用いる下限値を０としたが、下限値はこれに限定されるものではなく、尿素水の間欠供給における尿素結晶の生成や消滅をどの程度に設定するかによって適宜変更することができる。
また、上記実施形態では尿素水の間欠供給の際に、尿素水の供給によって尿素が結晶化して堆積し始める直前まで尿素水の供給を継続するようにしたが、尿素が結晶化して所定量堆積するまで尿素水の供給を継続するようにしてもよい。この場合、尿素水の供給中止時間は、結晶化して堆積した尿素も含め、供給された尿素水の尿素がアンモニアに転化して消滅するまでの時間とすればよい。

また、上記実施形態では、ＳＣＲ触媒４０が活性化したことをもって尿素水供給を可能とする条件が成立したと判断するようにしたが、尿素水供給を可能とする条件はこれに限定されるものではなく、例えば尿素水温度やエンジン１の運転状態などを加味するようにしてもよい。
更に、上記実施形態では、ＳＣＲ触媒４０上流に配設された排気温度センサ４８により検出された排気温度を用いて、尿素水の間欠供給の際の尿素水供給の継続時間及び尿素水供給中止の継続時間の補正を行うようにしたが、排気温度の検出位置はこれに限定されるものではなく、エンジン１から排出される排気の温度を検出可能な位置であればよい。

また、上記実施形態では、エンジン１を４気筒のディーゼルエンジンとしたが、エンジンの気筒数及び形式はこれに限定されるものではなく、ＳＣＲ触媒４０に対してアンモニアを供給するために排気中に尿素水を供給するようにしたエンジンであれば本発明を適用することが可能である。

１ エンジン
３０ 上流側ケーシング（排気通路）
３２ 連通路（排気通路）
３４ 下流側ケーシング（排気通路）
４０ アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒
４４ 尿素水インジェクタ（尿素水供給手段）
４８ 排気温度センサ（排気温度検出手段）
５０ ＥＣＵ（制御手段）

Claims (1)

1. エンジンの排気通路に配設され、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを選択還元するアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒と、
   上記アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒の上流側の排気中に尿素水を供給する尿素水供給手段と、
   上記エンジンが上記アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒へのアンモニアの供給を必要とする運転状態にあって、上記尿素水供給手段から尿素水を供給する際には、所定の供給継続時間及び供給中止時間により間欠的に尿素水を供給するように上記尿素水供給手段を制御する制御手段と、
   上記尿素水供給手段から尿素水が供給される排気の温度を検出する排気温度検出手段とを備え、
   上記制御手段は、
   上記排気温度検出手段によって検出された排気温度と、上記尿素水供給手段からの尿素水供給量とに基づいて、
   上記尿素水供給手段から尿素水を間欠的に供給する際に、上記尿素水供給手段から尿素水を供給している間は、所定の下限値を初期値として、上記排気温度と上記エンジンの排気排出量に対する上記尿素水供給量の比とに応じて求めた加算値を所定周期毎に加算していくと共に上記排気温度と上記排気排出量とに応じて求めた減算値を上記所定周期毎に減算していくことにより第１判定値を演算し、上記第１判定値が所定の上限値に達すると上記供給継続時間が経過したものと判断して上記尿素水供給手段からの尿素水の供給を停止する一方、
   上記尿素水供給手段から尿素水を間欠的に供給する際に、上記尿素水供給手段からの尿素水供給を一時的に停止している間は、上記上限値を初期値として、上記排気温度と上記排気排出量とに応じて求めた減算値を上記所定周期毎に減算していくことにより第２判定値を演算し、上記第２判定値が上記下限値に達すると上記供給中止時間が経過したものと判断して上記尿素水供給手段からの尿素水の供給を開始することを特徴とする排気浄化装置。

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