JP2013227932A - 内燃機関の排ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】尿素の堆積を精度良く検出可能な内燃機関の排ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】排ガス浄化装置２のＥＣＵ１２は、ＳＣＲ触媒８の劣化を判定する判定ユニット１３を備えている。判定ユニット１３は、ＳＣＲ触媒８にて浄化された浄化ＮＯｘ量を算出するＮＯｘ量算出部１５と、当該浄化ＮＯｘ量の浄化に必要なＮＨ_３量を算出する消費アンモニア量算出部３０と、当該ＮＨ_３量を生成するのに必要な有効尿素量を算出する尿素量算出部１７と、ＳＣＲ触媒８をスリップしたＮＨ_３量を算出する供給アンモニア量算出部２７と、スリップしたＮＨ_３量の生成に必要な供給尿素量を算出する供給尿素量算出部１９と、供給尿素量及び有効尿素量に基づいてＮＨ_３の尿素利用比率を算出する尿素利用比率算出部３３と、当該尿素利用比率に基づいてＳＣＲ触媒８の劣化を判定する堆積判定部３５と、を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の排ガス通路に還元触媒を配設し、還元剤として尿素水から生成されたアンモニアを供給することにより、ＮＯｘ（窒素酸化物）を還元して排ガスを浄化する内燃機関の排ガス浄化装置に関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関の排ガス中に含まれるＮＯｘを浄化するための排ガス浄化装置として、内燃機関の排ガス通路に配置された還元触媒を有し、還元剤としてアンモニアを供給することにより、ＮＯｘを還元して排ガスを浄化する排ガス浄化装置が用いられている（例えば、特許文献１）。
このような排ガス浄化装置では、尿素水を排ガス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ガス中に尿素水を噴射する。尿素水インジェクタから排ガス中に噴射された尿素水は排ガス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還元触媒に供給される。こうして還元触媒に供給されたアンモニアと排ガス中のＮＯｘとの間の脱硝反応が還元触媒によって促進されることによりＮＯｘが還元されて排ガスが浄化される。

ここで、排ガス浄化装置に異常が発生して所定の排ガス浄化性能を発揮しなくなると、ＮＯｘの一部が大気中へ放出されてしまう。このため、例えば米国や欧州のＯＢＤ（Ｏｎ Ｂｏａｒｄ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ）に関する法規制では、排ガス浄化装置の異常を検出して検出情報を保存すると共に、運転者への修理を促すべく排ガス浄化装置の異常警告を行う診断機能を車両に装備することが義務付けられている。そこで、排ガス浄化装置の異常警告を行うだけでなく、排ガス浄化装置の異常の原因となる還元触媒の劣化や尿素水の異常（濃度低下、供給量不足、尿素の堆積）等を検出することが望まれている。

例えば、特許文献２には、尿素の堆積量を推定可能な浄化装置が開示されている。この浄化装置は、還元触媒の上流に噴射される尿素水の供給量及び排ガス温度から、排ガス通路内に堆積する単位時間当たりの尿素の析出量を推定し、これを順次積算することで排ガス通路内に堆積する尿素の堆積量を推定する。次に、排ガス温度に応じて排ガス通路から離脱する単位時間当たりの尿素の離脱量を推定し、尿素の堆積量からこれを順次減算することで、排ガス通路に残留する尿素の堆積量を推定している。

特開２００３−３０１７３７号公報 特開２０１１−２２０２３２号公報

しかしながら、特許文献２に記載の浄化装置では、尿素の堆積量の推定値を取得することはできるが、実測値ではないため、推定値が実際の堆積量と大きく異なる場合があり、尿素の堆積量の信頼性が低いという問題点があった。

そこで、本発明は、このような問題を解決するものであって、尿素の堆積を精度良く検出可能な内燃機関の排ガス浄化装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決する本発明に係る内燃機関の排ガス浄化装置は、
内燃機関の排ガス通路に設けられ、排ガスに含まれるＮＯｘを還元する還元触媒と、
前記排ガス通路の前記還元触媒よりも上流の部分に尿素水を供給する尿素水供給手段と、
前記尿素水供給手段から前記排ガス通路に供給された尿素水に含まれる供給尿素量を算出する供給尿素量算出手段と、
前記還元触媒で浄化されたＮＯｘ量を算出するＮＯｘ量算出手段と、
前記ＮＯｘ量算出手段により算出されたＮＯｘ量の浄化に必要な有効尿素量を算出する有効尿素量算出手段と、
前記排ガス通路の前記還元触媒よりも下流を流れる排ガスに含まれるアンモニア量の生成に必要な無効尿素量を算出する無効尿素量算出手段と、
前記供給尿素量算出手段により算出された供給尿素量、前記有効尿素量算出手段により算出された有効尿素量、及び前記無効尿素量算出手段により算出された無効尿素量に基づいて、前記排ガス通路への尿素の堆積を判定する堆積判定手段と、を備えることを特徴とする。

上記内燃機関の排ガス浄化装置によれば、供給尿素量算出手段と、有効尿素量算出手段と、無効尿素量算出手段とを備えているため、それぞれ排ガス中に供給した尿素水に含まれる供給尿素量、ＮＯｘの浄化に必要な有効尿素量、及び還元触媒をスリップしたアンモニアの生成に必要な無効尿素量を算出することができる。
また、堆積判定手段にて、供給尿素量、有効尿素量及び無効尿素量に基づいて尿素の堆積の判定をすることで、精度良く尿素の堆積を検出することができる。これにより、尿素の堆積によって還元触媒に供給されるアンモニアの量が不足して排ガス浄化率が低下することを防止できる。また、尿素が堆積して排ガス通路が閉塞することを防止できる。

また、前記堆積判定手段は、
前記供給尿素量算出手段により算出された供給尿素量から、前記有効尿素量算出手段により算出された有効尿素量及び前記無効尿素量算出手段により算出された無効尿素量を減算して堆積尿素量を算出し、
当該堆積尿素量の値が第１閾値以上の場合に、尿素が前記排ガス通路内に堆積していると判定することとしてもよい。

このように、堆積判定手段は、供給尿素量から、有効尿素量及び無効尿素量を減算することで、排ガス通路内に堆積された堆積尿素量を精度良く算出することができる。
そして、堆積判定手段にて、堆積尿素量の値が第１閾値以上の場合に尿素が堆積していると判定するため、尿素の堆積を短時間で検出するこができる。

また、前記堆積判定手段は、
前記堆積尿素量の値が所定回数以上連続して前記第１閾値以上となる場合に前記尿素が堆積していると判定することとしてもよい。

堆積した尿素は昇華したり、新たに供給された尿素水に溶け込んで蒸発したりする。このため、堆積尿素量の値が所定回数以上連続して第１閾値以上となる場合に、尿素が堆積していると判定することで、尿素の堆積をより正確に判定することができる。

また、前記無効尿素量算出手段は、
前記排ガス通路の前記還元触媒よりも下流を流れる排ガスに含まれるアンモニア量の生成に必要な尿素量を加水分解反応のモル比に応じて算出して前記無効尿素量とすることとしてもよい。

このように、無効尿素量算出手段は、排ガス通路の還元触媒よりも下流を流れる排ガスに含まれるアンモニア量の生成に必要な尿素量を加水分解反応のモル比に応じて算出するため、正確な有効尿素量を短時間で算出することができる。

また、前記ＮＯｘ量算出手段は、前記内燃機関の直下流のＮＯｘ量から前記還元手段よりも下流のＮＯｘ量を減算して前記還元触媒で浄化されたＮＯｘ量を算出することとしてもよい。

このように、ＮＯｘ量算出手段は、内燃機関の直下流のＮＯｘ量から還元手段よりも下流のＮＯｘ量を減算して算出するため、浄化されたＮＯｘ量を正確に取得することができる。

また、前記堆積判定手段によって尿素が堆積していると判定された際に、運転者に対して警報を発する警告手段を更に備えることとしてもよい。

このように、警告手段を備えているため、運転者は尿素の堆積を直ちに検知することができる。

本発明によれば、尿素の堆積を精度良く検出可能な内燃機関の排ガス浄化装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る排ガス浄化装置が適用されたエンジンシステムの概略全体構成図である。 判定ユニットの各部にて算出される算出結果及びその出力先を示す図である。 総走行距離と尿素利用比率との関係に基づいて尿素の堆積を判定する判定方法を説明するための図である。 尿素の堆積を判定するフローを示す図である。

以下、本発明に係る内燃機関の排ガス浄化装置について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

＜排ガス浄化装置の構成＞
図１は、本発明の実施形態に係る排ガス浄化装置が適用されたエンジンシステムの概略全体構成図である。また、図２は、判定ユニットの各部にて算出される算出結果及びその出力先を示す図である。
図１及び図２に示すように、ディーゼルエンジン（以下、エンジン１という）の排ガス浄化装置２は、前段酸化触媒４と、パティキュレートフィルタ（以下フィルタ６という）と、ＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）触媒８と、後段酸化触媒１０と、を備えている。

エンジン１は、燃料の噴射時期及び噴射量がＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１２によって電子制御されており、かかる噴射時期及び噴射量にて燃焼室５毎に設けられた燃料噴射弁３から、燃焼室５内に燃料が噴射される。
ＥＣＵ１２は、図示しない中央処理装置（ＣＰＵ）、制御プログラムや制御マップ等を格納する記憶装置、走行距離カウンタ及びタイマカウンタ等を備えている。そして、ＥＣＵ１２は、エンジン１の運転条件や運転者の要求に応じてエンジン１の運転状態を制御する。

エンジン１の各燃焼室５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９を介して排ガス通路１６に接続されている。
排ガス通路１６は、ターボチャージャ７のタービン７ａを経由して排ガス浄化装置２に接続されている。また、タービン７ａはコンプレッサ７ｂと機械的に連結されており、タービン７ａが排ガス通路１６内を流動する排気を受けてコンプレッサ７ｂを駆動する。

排ガス浄化装置２は、排ガス通路１６に設けられた筒状の上流側ケーシング１４及び当該上流側ケーシング１４よりも下流に設けられた筒状のＳＣＲ用ケーシング１８を備えている。

上流側ケーシング１４内には、前段酸化触媒４が収容されると共に、この前段酸化触媒４よりも下流にはフィルタ６が収容されている。
フィルタ６は、排ガス中のＰＭ（Ｐａｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ：粒子状物質）を捕集する。このフィルタ６はハニカム型のセラミック体からなり、上流側と下流側とを連通する通路が多数並設されると共に、この通路の上流側開口と下流側開口とが交互に閉鎖されており、エンジン１の排ガスが内部を流通することによって排ガス中のＰＭが捕集される。

前段酸化触媒４は排ガス中のＮＯ（一酸化窒素）を酸化させてＮＯ_２（二酸化窒素）を生成する。このため、前段酸化触媒４の下流にフィルタ６を配置することにより、フィルタ６に捕集され堆積しているＰＭは、前段酸化触媒４から供給されたＮＯ_２と反応して酸化し、これによってフィルタ６の連続再生が行われる。また、前段酸化触媒４で生成されたＮＯ_２（二酸化窒素）は、ＮＯｘのＮＯ_２比率を増大しＮＯｘの浄化効率の向上に貢献している（最も浄化効率が高くなるＮＯ_２比率は５０％）。

また、ＳＣＲ用ケーシング１８内には、ＮＨ_３（アンモニア）を還元剤として、排ガス中のＮＯｘを選択還元して排ガスを浄化するＳＣＲ触媒８が収容されている。
そして、ＳＣＲ用ケーシング１８よりも下流の排ガス通路１６には、後段酸化触媒１０を収容するための筒状の下流側ケーシング３８が設けられている。

後段酸化触媒１０は、ＳＣＲ触媒８を通過したＮＨ_３を排ガス中から除去する機能を有している。また、後段酸化触媒１０は、フィルタ６の強制再生でＰＭが焼却される際に発生するＣＯ（一酸化炭素）を酸化し、ＣＯ_２（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、排ガス浄化装置２は、ＳＣＲ触媒８と後段酸化触媒１０との間の排ガス通路１６に設けられ、排ガス中に含まれるＮＯｘの濃度を計測するＮＯｘセンサ４６と、ＳＣＲ触媒８の直上流に設けられ、ＳＣＲ触媒８に流入する排ガスの温度を検出する温度センサ２８と、排ガス通路１６のフィルタ６とＳＣＲ触媒８との間の部分に尿素水を噴射する噴射装置２０と、を備えている。噴射装置２０の噴射量及び噴射時期等は、ＥＣＵ１２に備えられている尿素水制御部２２にて制御される。

温度センサ２８による計測結果は、温度センサ２８から尿素水制御部２２へ向けて出力される。尿素水制御部２２は、温度センサ２８による計測結果に基づいて、噴射装置２０から尿素水を供給するか否かを決定する。

噴射装置２０は、排ガス通路１６のフィルタ６とＳＣＲ触媒８との間の部分に設けられた尿素水インジェクタ２４と、尿素水インジェクタ２４に尿素水を供給する尿素水供給用ポンプ２５と、尿素水供給用ポンプ２５から供給される尿素水の流量を調整する制御弁２１と、尿素水供給用ポンプ２５から供給される尿素水の流量を計測する尿素水流量計２３と、尿素水を貯留する尿素水タンク２６と、を備えている。

尿素水制御部２２は、温度センサ２８の計測結果に基づいて、排ガスの温度が尿素水を加水分解可能な温度以上か否かを判定する。そして、排ガスの温度が加水分解可能な温度以上であると判定した場合に、尿素水供給用ポンプ２５を稼働させて尿素水を排ガス中に供給する。このとき、尿素水供給用ポンプ２５から供給される尿素水量を制御弁２１により制御することにより、ＮＯｘを還元するために必要な量の尿素水を供給する。この制御弁２１は、尿素水制御部２２により制御される。
そして、尿素水流量計２３による計測結果は、尿素水流量計２３から尿素水制御部２２及び判定ユニット１３へ向けて出力される。なお、本実施形態では、尿素水供給用ポンプ２５から供給される尿素水の流量を計測する尿素水流量計２３を設けた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、尿素水の供給量を計測可能なメータリングユニットを備えた尿素水供給用ポンプを用いてもよい。要は、尿素水供給用ポンプから供給される尿素水の流量を計測できる機能を備えていればよい。

尿素水供給用ポンプ２５から供給された尿素水は、ミキシングチャンバー２９にて圧縮エアと混合され、供給管３１を通過後、尿素水インジェクタ２４からＳＣＲ触媒８よりも上流の排ガス通路１６の部分に供給される。
使用すべき正規の尿素水の濃度は、予め定められており、本実施形態では、尿素の飽和状態である３２．５％とした。以下、濃度３２．５％を規定濃度という。なお、本実施形態では、規定濃度を３２．５％としたが、この値に限定されるものではなく、３２．５％未満としてもよいが、尿素水の消費量が増加するため、３２．５％に近い値であることが望ましい。

次に、尿素の堆積を判定する判定ユニット１３について説明する。
判定ユニット１３は、ＥＣＵ１２内に備えられている。そして、判定ユニット１３は、ＮＯｘ量算出部１５と、有効尿素量算出部１７とを備えている。

ＮＯｘセンサ４６による計測結果は、ＮＯｘセンサ４６から判定ユニット１３へ向けて出力される。判定ユニット１３のＮＯｘ量算出部１５は、ＮＯｘセンサ４６により計測されたＮＯｘ濃度及びエンジン１から排出される排ガスに含まれる第１ＮＯｘ量（後述する）に基づいて、ＳＣＲ触媒８にて浄化された浄化ＮＯｘ量を算出する。浄化ＮＯｘ量を算出する算出方法について以下に説明する。

まず、エンジン１から排出される単位時間当たりのＮＯｘ量として第１ＮＯｘ量を決定する。エンジン１から排出されるＮＯｘ量は、エンジン１の回転速度や燃料噴射量、即ちエンジン１の運転状態から決定することができる。具体的には、エンジン１の運転状態とＮＯｘ量との関係を示すマップ等に基づいて第１ＮＯｘ量を決定する。エンジン１の運転状態とＮＯｘ量との関係が示されたマップ等はＥＣＵ１２内の上記記憶装置に格納されている。
なお、本実施形態では、エンジン１の運転状態から第１ＮＯｘ量を定める場合について説明したが、この方法に限定されるものではなく、例えば、タービン７ａの直上流の排ガス通路１６の部分にＮＯｘセンサを設け、当該ＮＯｘセンサにより計測された計測値に、単位時間当たりの排ガス流量を乗算して、エンジン１から排出される単位時間当たりの第１ＮＯｘ量を算出してもよい。

また、ＮＯｘ量算出部１５は、ＮＯｘセンサ４６により計測された計測値に、単位時間当たりの排ガス流量を乗算して、ＳＣＲ触媒８を通過した排ガス中に含まれる単位時間当りの第２ＮＯｘ量を算出する。

第１ＮＯｘ量及び第２ＮＯｘ量をそれぞれ、予め設計等により決定された所定の走行距離（例えば、３０ｋｍ）にわたって積算する。車両の走行距離は、ＥＣＵ１２の上記走行距離カウンタにより計測される。第１ＮＯｘ量及び第２ＮＯｘ量を所定の走行距離にわたって積算することで、ＳＣＲ触媒８に貯蔵されるＮＨ_３量を無視することができる。以下の説明では、所定の走行距離にわたって積算された第１ＮＯｘ量及び第２ＮＯｘ量をそれぞれ第１ＮＯｘ積算量及び第２ＮＯｘ積算量という。

次に、ＳＣＲ触媒８にて浄化された所定の走行距離当たりの浄化ＮＯｘ量を次式（１）より算出する。
浄化ＮＯｘ量＝第１ＮＯｘ積算量−第２ＮＯｘ積算量・・・式（１）
この浄化ＮＯｘ量は、所定の走行距離毎に算出される。

所定の走行距離毎に算出された浄化ＮＯｘ量は、ＥＣＵ１２の上記記憶装置に格納される。また、記憶装置には、所定の走行距離を積算した総走行距離情報（例えば、３０、６０、９０・・・（ｋｍ））が格納されている。そして、総走行距離情報に対応する浄化ＮＯｘ量（即ち所定の走行距離毎に算出された浄化ＮＯｘ量）が、各総走行距離情報のそれぞれに紐付けられて記憶装置に格納される。なお、総走行距離情報は、ＳＣＲ触媒８を再生又は交換する際にリセットされる。

そして、算出された浄化ＮＯｘ量は、ＮＯｘ量算出部１５から有効尿素量算出部１７に向けて出力される。

有効尿素量算出部１７は、ＮＯｘ量算出部１５により算出された浄化ＮＯｘ量に基づいて、当該浄化ＮＯｘ量の浄化に必要な有効尿素量Ａｎを算出する。具体的に１モルの尿素は、２モルのＮＯｘと反応して浄化される（即ち、尿素１モルに対してＮＯｘの２モルが１等量となる）ため、有効尿素量Ａｎを次式（２）により算出する。なお、ＮＯｘはＮＯ_２と仮定し分子量を４６ｇ／ｍｏｌとし、尿素の分子量を６０ｇ／ｍｏｌとした。
Ａｎ＝（浄化ＮＯｘ量／（４６×２））×６０×β ・・・式（２）
ここで、Ａｎは有効尿素量（ｇ）であり、浄化ＮＯｘ量は上記式（１）から算出される値（ｇ）である。また、値４６はＮＯ_２の分子量（ｇ）、値２はモル数、値６０は尿素の分子量（ｇ）である。そして、βは実験等から求められる係数である。係数βの値は予め決定されている。

続いて、有効尿素量算出部１７は、上記式（２）により算出された有効尿素量Ａｎに基づいて、当該有効尿素量Ａｎの発生に必要な規定濃度の必要尿素水量Ｕｎを次式（３）により算出する。
Ｕｎ＝Ａｎ×（１／０．３２５） ・・・式（３）
ここで、Ｕｎは、必要尿素水量（ｇ）であり、値０．３２５は、尿素水の規定濃度である。算出された有効尿素量Ａｎ及び必要尿素水量Ｕｎは、有効尿素量算出部１７からそれぞれ堆積判定部３５（後述する）及び尿素水制御部２２に向けて出力される。

尿素水制御部２２は、有効尿素量算出部１７により算出された必要尿素水量に基づいて噴射装置２０の尿素水供給用ポンプ２５及び制御弁２１を制御し、必要尿素水量の尿素水をフィルタ６とＳＣＲ触媒８との間の排ガス通路１６内の排ガス中に供給する。
排ガス中に供給された尿素水は霧化し、排ガスの熱により加水分解してＮＨ_３となってＳＣＲ触媒８に供給される。ＳＣＲ触媒８は、ＮＨ_３と排ガス中の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Ｎ_２とする。なお、このときＮＨ_３がＮＯｘと反応せずにＳＣＲ触媒８から流出した場合には、このＮＨ_３が後段酸化触媒１０によって排ガス中から除去される。

ところで、尿素水タンク２６内の尿素水の濃度が規定濃度よりも低い場合や尿素水と間違って水等が補充されている場合等、ＳＣＲ触媒８のＮＯｘ浄化率が低下してしまう。ＮＯｘ浄化率が低下するとアンモニアスリップが発生する。アンモニアスリップが発生すると脱硝反応に寄与しないＮＨ_３がＳＣＲ触媒８を通過する。

そこで、排ガス浄化装置２は、尿素水の濃度及びＳＣＲ触媒８を通過したＮＨ_３の濃度を常時計測している。具体的に、排ガス浄化装置２は、尿素水タンク２６に設けられ、尿素水の濃度を計測する尿素水濃度センサ１１と、ＳＣＲ触媒８と後段酸化触媒１０との間の排ガス通路１６に設けられ、排ガス中に含まれるＮＨ_３の濃度を計測するＮＨ_３センサ２７と、を備えている。
尿素水濃度センサ１１による計測値は常時、監視されており、尿素水の濃度が所定値よりも小さくなったら警告ランプ等により直ちに濃度低下を検知することができる。
そして、尿素水濃度センサ１１による計測値は、尿素水濃度センサ１１から後述する供給尿素量算出部１９へ向けて出力される。
また、ＮＨ_３センサ２７による計測値は、ＮＨ_３センサ２７から後述する無効尿素量算出部３０へ向けて出力される。

次に、供給尿素量算出部１９及び無効尿素量算出部３０について説明する。
判定ユニット１３は、供給尿素量算出部１９と、無効尿素量算出部３０とを更に備えている。
供給尿素量算出部１９は、尿素水濃度センサ１１及び尿素水流量計２３によりそれぞれ計測された尿素水濃度及び尿素水量に基づいて排ガス通路１６内に供給された尿素水に含まれる供給尿素量Ｑｎを次式（４）により算出する。
Ｑｎ＝Ｗｕ×Ｃｕ ・・・式（４）
ここで、Ｑｎは供給尿素量（ｇ）であり、Ｗｕは排ガス通路１６内に供給された尿素水量（ｇ）であり、尿素水流量計２３により計測された値である。また、Ｃｕは尿素水濃度センサ１１により計測された値（％／１００）である。
算出された供給尿素量Ｑｎは、供給尿素量算出部１９から堆積判定部３５に向けて出力される。

また、無効尿素量算出部３０は、ＮＨ_３センサ２７により計測されたＮＨ_３濃度に基づいてＳＣＲ触媒８を通過したアンモニアの生成に必要な無効尿素量Ｓｎを次式（５）により算出する。
Ｓｎ＝（（（ＮＨ_３濃度×Ｅｇａｓ）／１０^６）／２２．４）×（１／２）×６０ ・・・式（５）
ここで、Ｓｎは無効尿素量（ｇ）である。また、ＮＨ_３濃度はＮＨ_３センサ２７により計測された値（ｐｐｍ）であり、ＥｇａｓはＳＣＲ触媒８と後段酸化触媒１０との間の排ガス通路１６を通過する排ガスの体積流量を標準状態（１０℃、１ａｔｍ）に換算した排ガス体積流量（Ｌ）である。排ガス体積流量は、所定の時間間隔で取得され、無効尿素量算出部３０に格納される。また、値２２．４は標準状態（１０℃、１ａｔｍ）における１モルの体積（Ｌ）、値２はモル数、値６０は尿素の分子量（ｇ）である。
算出された無効尿素量Ｓｎは、無効尿素量算出部３０から堆積判定部３５に向けて出力される。

次に、堆積判定部３５について説明する。
ＥＣＵ１２の判定ユニット１３は、堆積判定部３５を更に備えている。堆積判定部３５は、無効尿素量算出部３０により算出された無効尿素量Ｓｎ、供給尿素量算出部１９により算出された供給尿素量Ｑｎ、及び有効尿素量算出部１７により算出された有効尿素量Ａｎに基づいて次式（６）にて、排ガス通路１６等に堆積する尿素の堆積尿素量Ｄｕを算出する。
Ｄｕ ＝Ｑｎ−Ａｎ−Ｓｎ＋γ ・・・式（６）
ここで、Ｄｕは堆積尿素量（ｇ）である。また、Ｑｎは供給尿素量算出部１９より算出された供給尿素量（ｇ）であり、Ａｎは有効尿素量算出部１７より算出された有効尿素量（ｇ）であり、Ｓｎは無効尿素量算出部３０により算出された無効尿素量（ｇ）である。そして、γは実験等から求められる係数である。係数γの値は予め決定されている。

堆積尿素量Ｄｕは、ＥＣＵ１２の記憶装置内の対応する総走行距離情報に紐付けられて記憶装置に格納される。

次に、堆積判定部３５は、算出された堆積尿素量Ｄｕに基づいて、総走行距離と堆積尿素量Ｄｕとの関係を示すマップを作成するとともに、堆積尿素量Ｄｕが第１閾値以下か否かを判定する。

＜尿素の堆積判定について＞
図３は、総走行距離と堆積尿素量との関係を示すマップである。図３に示すように、堆積判定部３５は、ＥＣＵ１２の記憶装置に格納されている総走行距離情報、及び当該総走行距離情報に紐付けられた堆積尿素量Ｄｕに基づいてマップを作成する。
そして、堆積尿素量Ｄｕが第１閾値未満である場合、尿素は堆積していないとして、この判定結果を記憶装置に格納する。判定結果は、対応する総走行距離情報に紐付けられて格納される。また、運転席付近に設置された緑色の正常ランプ３６を点灯させて、尿素は堆積していないことを表示する。なお、本実施形態では、堆積尿素量Ｄｕが第１閾値未満のときに正常ランプ３６を点灯させる場合について説明したが、これに限定されるものではなく、正常ランプ３６を点灯させる等の対策を実施しなくても良い。なお、第１閾値は、設計等により決定される値である。

一方、堆積尿素量Ｄｕが第１閾値以上である場合、尿素が堆積していると判定して、この判定結果を記憶装置の対応する総走行距離情報に紐付けて格納するとともに、第１閾値以上であると判定した判定回数Ｎａをカウントする。例えば、堆積尿素量Ｄｕが第１閾値以上であると最初に判定された場合、判定回数Ｎａは１となる。そして、所定距離を走行した後、再び堆積尿素量Ｄｕを算出したときに、新たな堆積尿素量Ｄｕが第１閾値以上であると判定された場合、判定回数Ｎａは２となる。ただし、堆積尿素量Ｄｕが第１閾値以上であると判定されて、所定距離を走行した後、再び堆積尿素量Ｄｕを算出したときに、堆積尿素量Ｄｕが第１閾値未満であると判定された場合、判定回数Ｎａはリセットされて０（ゼロ）となる。
そして、堆積判定部３５は、判定回数Ｎａが予め設定された所定回数Ｎｔｈ（例えば、４回）以上になったら、運転席付近に設置された警告ランプ３７を点滅又は点灯させて、尿素が堆積していることを運転手に警告する。

堆積した尿素を除去した後には、走行距離カウンタは車両の総走行距離を０（ゼロ）にリセットし、新たに総走行距離の計測を開始する。

＜尿素の堆積判定フローについて＞
次に、上述した構成からなる排ガス浄化装置２を用いた尿素の堆積判定フローについて図４を用いて説明する。

図４に示すように、まず、第１閾値Ｄｔｈ及び連続して第１閾値Ｄｔｈ以上となった場合に警告ランプ３７を点滅又は点灯させる所定回数Ｎｔｈを設定する。また、判定回数Ｎａを０（ゼロ）に設定する（ステップＳ２）。

次に、第１ＮＯｘ量及び第２ＮＯｘ量の積算を開始するとともに、ＮＨ_３濃度及び尿素水濃度の計測を開始する（ステップＳ４）。

第１ＮＯｘ量及び第２ＮＯｘ量は、ＮＯｘ量算出部１５に向けて出力され、当該ＮＯｘ量算出部１５に格納される。また、ＮＨ_３濃度は、無効尿素量算出部３０に向けて出力され、当該無効尿素量算出部３０に格納される。そして、尿素水濃度は、供給尿素量算出部１９に向けて出力され、当該供給尿素量算出部１９に格納される。

次に、ＮＯｘ量算出部１５は、第１ＮＯｘ量及び第２ＮＯｘ量に基づいて、第１ＮＯｘ積算量及び第２ＮＯｘ積算量を算出する。続いて、算出した第１ＮＯｘ積算量及び第２ＮＯｘ積算量に基づいて、上記式（１）より浄化ＮＯｘ量を算出する（ステップＳ６）。
そして、算出された浄化ＮＯｘ量は、ＮＯｘ量算出部１５から有効尿素量算出部１７に向けて出力される。

有効尿素量算出部１７は、ＮＯｘ量算出部１５により算出された浄化ＮＯｘ量に基づいて上記（２）式より、当該浄化ＮＯｘ量の浄化に必要な有効尿素量を算出する（ステップＳ８）。
そして、算出された有効尿素量は有効尿素量算出部１７から堆積判定部３５に向けて出力される。

次に、ステップＳ４で計測されたＮＨ_３濃度に基づいて上記式（５）より、無効尿素量を算出する（ステップＳ１０）。
そして、算出された無効尿素量は無効尿素量算出部３０から堆積判定部３５に向けて出力される。

次に、ステップＳ４で計測された尿素水濃度に基づいて上記式（４）より、供給尿素量を算出する（ステップＳ１２）。
そして、算出された供給尿素量は供給尿素量算出部１９から堆積判定部３５に向けて出力される。

堆積判定部３５は、供給尿素量算出部１９により算出された供給尿素量、無効尿素量算出部３０により算出された無効尿素量、及び有効尿素量算出部１７により算出された有効尿素量に基づいて上記式（６）より、堆積尿素量Ｄｕを算出する（ステップＳ１４）。
続いて、堆積判定部３５は、算出した堆積尿素量Ｄｕが第１閾値Ｄｔｈ以上か否かを判定する（ステップＳ１６）。
堆積判定部３５は、堆積尿素量Ｄｕが第１閾値Ｄｔｈ未満である場合、尿素は堆積していないと判定して、運転席付近に設置された正常ランプ３６を点灯させる（ステップＳ１８）。
続いて、堆積判定部３５は、判定回数Ｎａをリセットして０（ゼロ）とし（ステップＳ２０）、再び、ステップＳ４を実施する。

一方、堆積判定部３５は、堆積尿素量Ｄｕが第１閾値以上である場合、判定回数Ｎａをカウントする（ステップＳ２２）。具体的には、スリップ率Ｒｓが第１閾値以上であると判定された場合、判定回数Ｎａに１が加算される。例えば、スリップ率Ｒｓが第１閾値以上であると最初に判定された場合、判定回数Ｎａは１となる。また、所定距離を走行した後、再びスリップ率Ｒｓを算出したときに、新たなスリップ率Ｒｓが第１閾値以上であると判定された場合、判定回数Ｎａに１が加算されて２となる。

次に、堆積判定部３５は、判定回数Ｎａが所定回数Ｎｔｈ以上か否かを判定する（ステップＳ２４）。
堆積判定部３５は、判定回数Ｎａが所定回数Ｎｔｈ以上であると判定した場合、運転席付近に設置された警告ランプ３７を点滅又は点灯させて、尿素が堆積していることを表示する（ステップＳ２６）。
一方、堆積判定部３５は、判定回数Ｎａが所定回数Ｎｔｈ未満であると判定した場合、再び、ステップＳ４を実施する。

なお、本実施形態では、有効尿素量を算出（ステップＳ８）して無効尿素量を算出（ステップＳ１０）し、その後、供給尿素量を算出（ステップＳ１２）する順番で実施する場合について説明したが、この順番に限定されるものではない。

＜排ガス浄化装置２による効果＞
上述したように、本実施形態に係る排ガス浄化装置２によれば、ＮＯｘ量算出部１５と、有効尿素量算出部１７とを備えているため、ＳＣＲ触媒８で実際に還元されたＮＯｘ量の浄化に必要な有効尿素量を正確に算出することができる。
また、尿素水濃度センサ１１を備えているため、尿素水の濃度を正確に検出することができる。そして、計測値を常時、監視することで、尿素水の濃度低下を直ちに検出することができる。さらに、尿素水濃度センサ１１及び尿素水流量計２３による計測値を用いて、供給尿素量算出部１９により排ガス中に供給された供給尿素量を算出するので、排ガス通路１６内に供給した尿素量を正確に算出することができる。
また、ＳＣＲ触媒８と後段酸化触媒１０との間に設けられたＮＨ_３センサ１１を備えているため、ＳＣＲ触媒８をスリップしたアンモニアの濃度を正確に計測することができる。そして、ＮＨ_３センサ１１による計測値を用いて無効尿素量算出部３０によりスリップしたアンモニアの生成に必要な無効尿素量を算出することができる。このとき、無効尿素量算出部３０は、加水分解反応のモル比に応じて無効尿素量を算出するため、正確な無効尿素量を算出することができる。
そして、堆積判定部３５にて、供給尿素量から、有効尿素量及び無効尿素量を減算して排ガス通路１６等に堆積した堆積尿素量を算出し、当該堆積尿素量の値が所定回数連続して第１閾値以上の場合に尿素が堆積していると判定することができる。これにより、尿素が堆積したことを直ちに検出することができるため、尿素の堆積によってＮＨ_３量が不足して排ガス浄化率が低下したり、尿素が堆積して排ガス通路１６が閉塞したりすることを防止できる。

そして、ＮＯｘ量算出部１５は、エンジン１の直下流のＮＯｘ量からＳＣＲ触媒８の直下流のＮＯｘ量を減算して算出するため、正確なＮＯｘ量を取得することができる。
また、尿素が堆積していないこと示す正常ランプ３６及び尿素の堆積を示す警告ランプ３７を備えているため、運転者は、点検等の作業をすることなく、尿素の堆積を検出することができる。

また、現在のＯＢＤは、ＮＯｘ値の絶対量に規制を設けており、ＮＯｘ量が予め設定された値を超えたときに異常である旨を出力する。ＮＯｘ値が異常となる原因は、ＳＣＲ触媒８の劣化、尿素の異常（濃度低下、供給量不足等）、尿素の堆積等が考えられるが、ＯＢＤ自体では異常の原因について特定することができない。そこで、本発明に係る排ガス浄化装置２を用いることで、尿素の堆積を検知することができる。

なお、本実施形態では、総走行距離を計測して所定の走行距離毎（例えば、３０ｋｍ毎）に尿素利用比率を算出する場合について説明したが、走行距離に限定されるものではなく、総走行時間を計測して所定の時間毎（例えば、１時間毎）に尿素利用比率を積算してもよい。かかる場合には、総走行時間は、ＳＣＲ触媒８を再生又は交換する際に０（ゼロ）にリセットし、新たに総走行時間の計測を開始する。

内燃機関から排出される排ガス中に含まれるＮＯｘの浄化に適用できる。

１ エンジン
２ 排ガス浄化装置
３ 燃料噴射弁
４ 前段酸化触媒
５ 燃焼室
６ フィルタ
７ ターボチャージャ
７ａ タービン
７ｂ コンプレッサ
８ ＳＣＲ触媒
９ 排気マニホールド
１０ 後段酸化触媒
１１ 尿素水濃度センサ
１２ ＥＣＵ
１３ 判定ユニット
１４ 上流側ケーシング
１５ ＮＯｘ量算出部
１６ 排ガス通路
１７ 有効尿素量算出部
１８ ＳＣＲ用ケーシング
１９ 供給尿素量算出部
２０ 噴射装置
２１ 制御弁
２２ 尿素水制御部
２３ 尿素水流量計
２４ 尿素水インジェクタ
２５ 尿素水供給用ポンプ
２６ 尿素水タンク
２７ ＮＨ_３センサ
２８ 温度センサ
２９ ミキシングチャンバー
３０ 無効尿素量算出手段
３５ 堆積判定部
３６ 正常ランプ
３７ 警告ランプ
３８ 下流側ケーシング
４６ ＮＯｘセンサ

Claims (6)

1. 内燃機関の排ガス通路に設けられ、排ガスに含まれるＮＯｘを還元する還元触媒と、
   前記排ガス通路の前記還元触媒よりも上流の部分に尿素水を供給する尿素水供給手段と、
   前記尿素水供給手段から前記排ガス通路に供給された尿素水に含まれる供給尿素量を算出する供給尿素量算出手段と、
   前記還元触媒で浄化されたＮＯｘ量を算出するＮＯｘ量算出手段と、
   前記ＮＯｘ量算出手段により算出されたＮＯｘ量の浄化に必要な有効尿素量を算出する有効尿素量算出手段と、
   前記排ガス通路の前記還元触媒よりも下流を流れる排ガスに含まれるアンモニア量の生成に必要な無効尿素量を算出する無効尿素量算出手段と、
   前記供給尿素量算出手段により算出された供給尿素量、前記有効尿素量算出手段により算出された有効尿素量、及び前記無効尿素量算出手段により算出された無効尿素量に基づいて、前記排ガス通路への尿素の堆積を判定する堆積判定手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。
2. 前記堆積判定手段は、
   前記供給尿素量算出手段により算出された供給尿素量から、前記有効尿素量算出手段により算出された有効尿素量及び前記無効尿素量算出手段により算出された無効尿素量を減算して堆積尿素量を算出し、
   当該堆積尿素量の値が第１閾値以上の場合に、尿素が前記排ガス通路内に堆積していると判定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
3. 前記堆積判定手段は、
   前記堆積尿素量の値が所定回数以上連続して前記第１閾値以上となる場合に前記尿素が堆積していると判定することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
4. 前記無効尿素量算出手段は、
   前記排ガス通路の前記還元触媒よりも下流を流れる排ガスに含まれるアンモニア量の生成に必要な尿素量を加水分解反応のモル比に応じて算出して前記無効尿素量とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
5. 前記ＮＯｘ量算出手段は、前記内燃機関の直下流のＮＯｘ量から前記還元手段よりも下流のＮＯｘ量を減算して前記還元触媒で浄化されたＮＯｘ量を算出することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
6. 前記堆積判定手段によって尿素が堆積していると判定された際に、運転者に対して警報を発する警告手段を更に備えることを特徴とする請求項１〜３のうち何れか一項に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。

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