JP2014092115A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＳＣＲシステム下流の排ガスセンサの結露水による被水割れを効果的に回避しつつ、排ガスセンサの使用可能時間を長く確保する。
【解決手段】ＮＯｘ触媒より下流の排気通路内に水が結露している状態が予想される場合には、加熱手段による素子部の加熱をしない状態に制御する。一方、加熱手段により素子部が加熱されている間、尿素水噴射弁から供給される尿素水の量を、内燃機関に吸入される吸入空気の状態と、内燃機関から排出される排気ガスとの状態と、尿素水の状態とに応じて、ＮＯｘ触媒下流の排気通路内に水を結露させない範囲に制御する。
【選択図】図２

Description

この発明は内燃機関の制御装置に関する。より具体的には、排気通路にＳＣＲシステム（Selective Catalytic Reduction）システムが配置され、ＳＣＲシステム下流にセラミック部を有する排ガスセンサを備える内燃機関の制御装置に関する。

従来、内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯｘ浄化のための、選択触媒還元つまりＳＣＲシステム方式の触媒コンバータを用いた排気ガス浄化装置が知られている。ＳＣＲシステムでは、通常、ＳＣＲシステムのＮＯｘ触媒より上流の排気通路内に尿素水を噴射してアンモニアを発生させ、アンモニアとの反応により排気ガス中のＮＯｘを浄化する。ＳＣＲシステムを用いる場合、一般に、尿素水の添加量をフィードバック制御するため、ＮＯｘセンサがＮＯｘ触媒の下流側にも配置される。

ところでＮＯｘセンサ等の排気ガス中の特性成分の濃度や含有量等を検出するための排ガスセンサの多くは、セラミック材料を用いて形成された素子部を、内蔵するヒータにより加熱して活性温度に保持した状態で用いられる。しかし、排気通路内で発生した結露水が高温に加熱された素子部に付着すると、熱衝撃によって破損し、被水割れを起こす場合がある。

特に、ＳＣＲシステムではＮＯｘの浄化により水が生成されるため、ＳＣＲシステム下流の水量が多くなる。これに対し、特許文献１は、ＳＣＲシステム触媒下流に発生する結露水の量を、空燃比に応じた水蒸気濃度と飽和水蒸気濃度と尿素水添加による水蒸気濃度増加分とに応じて求め、求められた結露水が気化し終えたことが認められた場合に、センサのヒータへの通電を開始する制御を行う技術を提案している。

特開２０１０−１７４６５７号公報 特開２００３−２９３７３６号公報 特開２００９−２９９６３１号公報

ＳＣＲシステムにおける尿素水添加量は排気ガス中のＮＯｘ濃度に応じて設定される。ＳＣＲシステム下流に排出される水の量は、添加される尿素水の量が多くなるに連れて増加する。従って、特許文献１のように、ＮＯｘ浄化に必要な量の尿素水を添加し、尿素水添加による水増加量を加味した結露水が気化した場合に、ヒータをＯＮとする制御を行う場合、ヒータをＯＮにできるまでに長時間を要することが考えられる。また尿素水添加により生じる水量を含む排気ガスの露点温度は、運転条件に応じて大きく変化する。このため、壁温がある程度一定でも、壁温よりも露点温度が高くなり、ヒータのＯＮ/ＯＦＦが繰り返されることが考えられる。このため、排ガスセンサを利用可能な時間が短くなり、ＯＢＤ（On Board Diagnostic systems/車載式故障診断システム）における検出頻度が低下するといった事態を生じ得る。また、ヒータのＯＮ/ＯＦＦが繰り返されることは、センサの劣化防止や消費電力低減の観点からも好ましいものではない。

本発明は上記課題を解決することを目的とし、ＳＣＲシステム下流に配置された排ガスセンサの結露水による被水割れを効果的に回避しつつ、排ガスセンサの使用可能時間を長く確保できるように改良した内燃機関の制御装置を提供するものである。

本発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、ＳＣＲシステムと排ガスセンサとを備える内燃機関に適用される。本発明においてＳＣＲシステムは、内燃機関の排気通路に設置され、ＮＯｘ触媒とＮＯｘ触媒の上流に尿素水を噴射するための尿素水噴射弁とを有する。また、排ガスセンサは、排気ガス中の特定の成分を検出するためのセンサであって、排気通路のＮＯｘ触媒より下流に設置され、かつ素子部を加熱するための加熱手段を有する。本発明の内燃機関の制御装置は、加熱手段による素子部の加熱状態を制御する加熱制御手段と、尿素水噴射弁からの尿素水の噴射を制御する噴射制御手段と、を備える。

本発明の制御装置において、加熱制御手段は、ＮＯｘ触媒より下流の排気通路内に水が結露している状態が予想される場合に、加熱手段による素子部の加熱をしない状態に制御する。例えば、加熱手段による加熱状態を制御するとは、加熱手段が通電により素子部を加熱するものであれば、加熱手段へ電力供給している状態と、電力供給していない状態とを制御することを意味する。また、「水が結露している状態」とは、広く、水分が液体として存在している状態を意味し、必ずしも、水蒸気が結露した場合に限られないものとする。

また、本発明の制御装置において、噴射制御手段は、加熱手段により素子部が加熱されている間、尿素水噴射弁から供給される尿素水の量を、内燃機関に吸入される吸入空気の状態と、内燃機関から排出される排気ガスとの状態と、尿素水の状態とに応じて、ＮＯｘ触媒下流の排気通路内に水を結露させない範囲に制御する。ここで「水を結露させない」とは、水蒸気を結露させる場合に限らず、ＮＯｘ触媒下流に液体状態で排出させた水が、そのまま気化せずに液体として存在する場合をも含むものとする。

本発明の制御装置において、噴射制御手段は、尿素水の供給量の設定において、ＮＯｘ触媒下流の排気通路の壁温と、尿素水を噴射しない場合に排気通路で水が結露する温度である露点とに応じて、ＮＯｘ触媒下流の排気通路に水を結露させずに増加できる水蒸気の上限量である許容水蒸気増加量を求め、供給された尿素水により発生する水の量が、許容水蒸気増加量より少なくなるように、尿素水の供給量を制御するものであってもよい。

また、本発明の制御装置において、噴射制御手段は、尿素水の供給量の設定において、尿素水の尿素濃度、尿素水の加水分解効率、及びＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ浄化率のうち、少なくとも１のパラメータを用いて、許容水蒸気増加量に応じた量の水蒸気を発生させる尿素水許容量を求め、尿素水許容量を越えない範囲に、尿素水の供給量を制御するものであってもよい。

本発明の制御装置において、加熱制御手段は、ＮＯｘ触媒の下流の排気通路の壁温が、尿素水を噴射しない場合に排気通路で水が結露する温度である露点より低い状態から、壁温が露点より高い状態になった後、かつ、ＮＯｘ触媒下流の排気通路内に滞留した結露水が除去された後、加熱手段により素子部を加熱する状態に制御するものであってもよい。ここで「滞留した結露水が除去された」とは、触媒下流の排気通路に液体状態で存在していた水が無くなった状態を意味するものとする。従って、結露水の除去には、液体である水が排気ガスと共に下流に排出される場合は、温度上昇により蒸発する場合などを含むものとする。

また、この場合において加熱制御手段は、素子部の加熱をしない状態に制御している期間中に、供給された尿素水に起因して生成された水の量が、該期間に排気ガスにより排水され又は蒸発したことにより除去された水の量よりも少なくなったときに、加熱手段により素子部を加熱する状態に制御するものとしてもよい。

また、本発明の制御装置において、噴射制御手段は、壁温が、露点より低い場合に、ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘの分解に必要とされる量の尿素水を供給し、壁温が露点より低い状態から壁温が露点より高い状態になった後、排気通路に結露水が滞留した状態が予想される間、尿素水を供給しない状態に制御するものであってもよい。ここで「結露水が滞留した状態」とは、触媒下流の排気通路内に液体状態で水が存在する場合を広く含むものとする。

また、本発明の制御装置において、加熱制御手段は、ＮＯｘ触媒の下流の排気通路の壁温が、尿素水を噴射しない場合に排気通路で水が結露する温度である露点より低い場合に、加熱手段による素子部の加熱をしない状態とするものであってもよい。この場合、噴射制御手段は、壁温が露点より低い場合に尿素水を供給しない状態に制御することが望ましい。

また、本発明の制御装置において、噴射制御手段は、尿素水の供給量を、ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘの分解に必要とされる尿素水の量と、尿素水許容量とのうち、少ない方に設定するものであってもよい。

また、本発明における内燃機関の制御装置は、吸入空気の温度又は排気ガスの温度又は内燃機関が搭載された車両の速度又は外気温に応じて壁温を推定し、吸入空気の湿度又は排気ガスの圧力又は排気ガスの空燃比に応じて、露点を推定するものであってもよい。

本発明によれば、排ガスセンサの素子部が加熱手段により加熱されている間の尿素水の供給量が、ＮＯｘ下流の排気通路内に水を結露させない範囲に制御される。これにより、加熱手段による素子部の加熱中に、尿素水に由来して発生する水の増加により、ＮＯｘ触媒下流で水が結露するのを抑えることができる。従って、ＳＣＲシステム下流に配置された排ガスセンサの素子部の被水割れを効果的に回避することができる。また尿素水添加に由来する水発生量の増加による結露水の発生が抑制されるため、加熱手段による加熱中に、その加熱を停止させる回数を抑えることができ、排ガスセンサの使用可能時間を長く確保することができる。

また、本発明において、尿素水により発生する水の量が、壁温と露点とに応じて求められる許容水蒸気増加量よりも少なくなるように制御するものによれば、加熱手段による加熱中のＮＯｘ触媒下流での結露水の発生をより確実に抑制することができる。

また、本発明において、壁温が露点より高くなった後、更に、ＮＯｘ触媒下流の排気通路内に滞留する結露水が除去された後で、加熱手段による加熱を許可するものによれば、より確実に被水割れを抑制することができる。また、更に、壁温が露点より低い場合に、ＮＯｘの分解に必要とされる尿素水を供給するものによれば、加熱手段により加熱が開始されるまでの間、ＳＣＲシステムによる高いＮＯｘ浄化率を確保することができる。

また、本発明において、壁温が露点より低い場合に、加熱手段による加熱と尿素水の供給とを共に停止するものであれば、壁温が低い間に排気通路に滞留する結露水を少なく抑えることができる。従って、壁温が露点より高くなったあと、より早くに素子部の加熱を開始することができ、より早くに排ガスセンサを使用可能な状態とすることができる。

本発明の実施の形態１におけるシステムの全体構成について説明するための模式図である。 本発明の実施の形態１における制御内容について説明するためのタイミングチャートである。 本発明の実施の形態１における壁温と露点、及び水蒸気増加許容量との関係について説明するための図である。 本発明の実施の形態１において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。 本発明の実施の形態１において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。 本発明の実施の形態２における制御内容について説明するためのタイミングチャートである。 本発明の実施の形態２において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。

実施の形態１．
［本実施の形態１のシステムの全体構成］
図１は、この発明の実施の形態１におけるシステムの全体構成について説明するための模式図である。図１のシステムは車両等に搭載されて用いられる。図１において、内燃機関２の排気通路４には空燃比センサ６が設置されている。空燃比センサ６は排気ガスの空燃比を検出するための排ガスセンサである。排気通路４の下流側端部は酸化触媒８の入口側に接続されている。酸化触媒８は内燃機関２から排出される一酸化炭素（ＣＯ）及び炭化水素（ＨＣ）を酸化すると共に、窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元することにより、排気ガスを浄化することができる。

酸化触媒８の出口には排気通路１０の一端が接続されている。排気通路１０の他端はＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）１２の入口に接続されている。ＤＰＦ１２は排気ガスに含まれる微粒子状の物質を捕集するためのフィルタである。

ＤＰＦ１２の出口側には排気通路１４の一端が接続されている。排気通路１４には第１ＮＯｘセンサ１６が設置されている。第１ＮＯｘセンサ１６は排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するための排ガスセンサである。排気通路１４の下流側にはＳＣＲシステム１８が配置されている。ＳＣＲシステム１８は排気通路１４に設置された尿素水の噴射弁２０と、排気通路１４の下流側端部に接続する選択還元型のＮＯｘ触媒２２（以下、単に「ＮＯｘ触媒」とも称する）とを有している。噴射弁２０は図示しない尿素水タンクに接続され、ＮＯｘ触媒２２上流において排気通路１４内に尿素水を噴射する。噴射された尿素水は分解されて、アンモニアが生成される。ＮＯｘ触媒２２は生成されたアンモニアを還元剤として、排気ガス中のＮＯｘを還元して、排気ガスを浄化する。

ＮＯｘ触媒２２の出口には排気通路２４の一端が接続している。排気通路２４には、第２ＮＯｘセンサ２６と微粒子センサ（以下「ＰＭセンサ」とも称する）２８とが設置されている。第２ＮＯｘセンサ２６は、ＮＯｘ触媒２２下流の排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するための排ガスセンサであり、ＰＭセンサ２８は排気ガス中の微粒子量を検知するための排ガスセンサである。

このシステムは制御装置３０を備えている。制御装置３０の入力側には、空燃比センサ６、第１ＮＯｘセンサ１６、第２ＮＯｘセンサ２６、及びＰＭセンサ２８の他、内燃機関２の各種センサが接続されている。また、制御装置３０の出力側には、内燃機関２の噴射弁２０や、その他各種のアクチュエータが接続されている。制御装置３０は、各種センサからの入力情報に基づいて所定のプログラムを実行し、各種アクチュエータ等を作動させることにより、内燃機関２の運転に関する種々の制御を実行する。

なお、上記のシステムに用いられている空燃比センサ６、第１ＮＯｘセンサ１６、第２ＮＯｘセンサ２６、及びＰＭセンサ２８等の排ガスセンサは、セラミック部に形成されたセンサ素子部を有する。これら排ガスセンサは、ヒータを内蔵している。これら排ガスセンサによる各成分の検出時には、ヒータによりセンサ素子部が活性温度（例えば７００℃程度）にまで昇温された状態に維持される。

［本実施の形態１における制御概要］
本実施の形態１において制御装置３０が行う制御には、各排ガスセンサのヒータのＯＮ/ＯＦＦの制御が含まれる。具体的に、制御装置３０は、排ガスセンサのいわゆる被水割れを防止するため、排気通路４、１０、１４、２４内に結露水が発生していないと予想される状態においてのみ各センサ素子部のヒータをＯＮとし素子部の加熱を行う。ここで、ＳＣＲシステム１８上流の排気通路４、１０、１４内で発生する結露水の殆どは燃焼に由来して排気ガスに含まれる水蒸気が結露したものである。

一方、ＳＣＲシステム１８において尿素水が添加された場合、ＳＣＲシステム１８下流側の排気通路２４には、添加された尿素水に含まれる水、及び、ＮＯｘ触媒２２でのＮＯｘとアンモニアとの反応で生じる水など、尿素水添加に由来する水が排出される。つまりＳＣＲシステム１８下流の排気通路２４には、燃焼に由来する水に加え、ＳＣＲシステム１８から排出される尿素水に由来する水が含まれることとなる。

以下、説明の簡略化のため、尿素水添加によって発生する水以外の水を「燃焼由来水」とし、尿素水に由来して発生する水を「尿素水由来水」とも称することとする。また、「水蒸気」と言った場合には、気体状態の水を意味し、「結露水」と言った場合には液体状態の水を意味し、「水」と言った場合には、液体、気体、固体を含む広義の水を意味するものとする。また「結露水」は、便宜的に、液体状態の水を意味するものとし、必ずしも水蒸気が結露してできた水に限られないものとする。

制御装置３０は、ＳＣＲシステム１８下流の排気通路２４に設置された２つのセンサ２６、２８のヒータ（以下、単に「センサヒータ」とも称する）に関しては、燃焼由来水と尿素水由来水との両者を合わせた水量を考慮して、そのＯＮ、ＯＦＦの制御を行う。

また尿素水の添加量が多い場合、一度ヒータをＯＮとした後、排気通路２４の壁温がある程度一定であるにも関わらず排気通路２４に結露水が発生する事態となり得る。排気通路２４に結露水が生じた場合には、被水割れを防止するため、センサヒータをＯＦＦとする必要が生じる。このような事態を抑制するため、制御装置３０は尿素水の添加量を制御することで、センサヒータをＯＮに維持できるようにして、センサ２６、２８の使用時間を長く確保する。

［実施の形態１の制御内容］
具体的に、制御装置３０は、排気通路２４のセンサ２６、２８付近の壁温Ｔｗａｌｌが燃焼由来水の量に対応する露点Ｔｂａｓｅより高くなり、その後、排気通路２４に溜まった結露水が除去された後で、センサヒータをＯＮとする。センサヒータがＯＮとされた後は、尿素水の添加量を、排気通路２４内に結露水を生じさせない量に制限するように制御する。

図２は、本発明の実施の形態１のシステムにおける制御の概要について説明するためのタイミングチャートである。図２では、制御開始時刻ｔ０からｔ１の間、壁温Ｔｗａｌｌが露点Ｔｂａｓｅより低温であり、時刻ｔ１において壁温Ｔｗａｌｌと露点Ｔｂａｓｅが一致し、その後、壁温Ｔｗａｌｌが露点Ｔｂａｓｅより高くなる例を示している（（ａ）参照）。なお、ここで露点Ｔｂａｓｅは、燃焼由来水の量のみに対する露点であり、燃焼由来水の量が飽和水蒸気量となる温度である。また壁温Ｔｗａｌｌは、排気通路２４のセンサ２６、２８設置位置付近の壁温である。

（１）壁温Ｔｗａｌｌ＜露点Ｔｂａｓｅのときの制御
壁温Ｔｗａｌｌが露点Ｔｂａｓｅより低温である間（時刻ｔ０〜ｔ１間）は、排気通路２４内で燃焼由来水が結露する状態にある。従って、素子部の被水割れを防止するため、センサヒータはＯＦＦとされる（図２の（ｇ）参照）。

センサヒータがＯＦＦとされていれば、排気通路２４内に多量の結露水が増加しても、センサ素子の被水割れを生じることがない。従って、この状態では、尿素水の添加量に上限を設けない。つまり実尿素水量Ｕｒｅａは、ＳＣＲシステム１８においてＮＯｘ浄化に必要とされる尿素水要求量Ｕｒｅａ＿ｗａｎｔに設定される（図２の（ｈ）、（ｉ）参照）。なお、尿素水の添加の許可又は禁止は、尿素禁止フラグで制御され、図２（ｂ）に示されるように、壁温Ｔｗａｌｌが露点Ｔｂａｓｅより低温である間、尿素禁止フラグはＯＦＦとされる。

（２）壁温Ｔｗａｌｌ≧露点Ｔｂａｓｅへの変化時の制御
露点Ｔｂａｓｅは、燃焼由来水、即ち、尿素水由来水以外の露点影響要因に基づく水の量に対応する温度である。従って壁温Ｔｗａｌｌが露点Ｔｂａｓｅに達した時刻ｔ１以降の状態では、燃焼由来水に起因する結露水は生じない状態となる。しかしながら壁温Ｔｗａｌｌが露点Ｔｂａｓｅに達した直後は、壁温Ｔｗａｌｌが露点Ｔｂａｓｅより低温であった間（時刻ｔ０〜ｔ１）に生成された結露水が排気通路２４に滞留している。従って、この滞留した結露水が除去され、排気通路２４内が乾燥状態となるのを待って、センサヒータをＯＮとする必要がある。

制御装置３０は、排気通路２４内に滞留する結露水を早期に排水して、センサヒータを早期にＯＮとできる状態にするため、壁温Ｔｗａｌｌが露点Ｔｂａｓｅに達した時点で、一度、尿素水添加を停止する。つまり、尿素禁止フラグがＯＮとなる。これにより図２の（ｃ）に示されるように、排気通路２４には結露水は発生しない状態となる。

結露水の発生量がゼロに維持されると、排気による排水及び温度の上昇に伴う蒸発が進み、やがて時刻ｔ２において排気通路２４内に滞留する結露水の量（以下「水たまり量」とも称する）はゼロとなり、排気通路２４内が乾燥状態となる。この状態でセンサヒータはＯＮとされ、尿素禁止フラグが再びＯＦＦとされる。つまり、センサ素子の加熱が開始されると共に、尿素水添加が再び許可された状態となる。

（３）壁温Ｔｗａｌｌ≧露点Ｔｂａｓｅ、かつ、センサヒータＯＮのときの制御
センサヒータがＯＮとされている状態では、センサ素子部の被水割れを防止するため、排気通路２４内で水が結露しない状態を維持する必要がある。従って、この状態における尿素水の添加量を、尿素水由来水により水が増加しても、排気ガス中の水が排気通路２４内で結露しない範囲に収まるように制限する。具体的には結露水を生じさせない範囲の上限である尿素水許容量Ｕｒｅａ＿ｃａｎを求め、これを上限として、ＮＯｘ浄化に必要な尿素水要求量Ｕｒｅａ＿ｗａｎｔを添加する。つまり、図２の（ｈ）及び（ｉ）に示されるように、実尿素水量Ｕｒｅａは、尿素水許容量Ｕｒｅａ＿ｃａｎと、尿素水要求量Ｕｒｅａ＿ｗａｎｔの小さいほうに設定される。

これにより排気通路２４内の結露水発生量はゼロに維持される（図２の（ｃ）参照）。その後、壁温Ｔｗａｌｌが露点Ｔｂａｓｅを下回る環境となった場合には、センサヒータはＯＦＦとされ、上記に従った制御が行われる。

［各パラメータの算出について］
次に、各パラメータの算出について説明する。図３は、温度と水蒸気量との関係を説明するための図である。図３において横軸は温度［℃］、縦軸は水蒸気量［g/m³］を表している。

＜壁温Ｔｗａｌｌの算出＞
本実施の形態１における制御では、壁温Ｔｗａｌｌとして、第２ＮＯｘセンサ２６近傍の排気通路２４の壁面の推定温度を用いる。壁温Ｔｗａｌｌは、この壁面の受熱量と放熱量とに応じて算出することができる。より具体的に、壁温Ｔｗａｌｌは、吸気温、排気温と外気温、車速とに応じて求められる。吸気温、排気温、外気温及び車速と、推定壁温Ｔｗａｌｌとの関係は、予めシミュレーション等によって求められ、マップや演算式等として制御装置３０に記憶される。制御装置３０は、記憶された関係に基づいて、各種センサによって検出される吸気温、排気温、外気温及び車速に応じて、壁温Ｔｗａｌｌを検出する。

＜露点Ｔｂａｓｅの算出＞
露点Ｔｂａｓｅは、尿素水添加を行っていない状態において、第２ＮＯｘセンサ２６付近で結露水が生じる温度である。つまり露点Ｔｂａｓｅは、燃焼由来の水蒸気量Ｗｂａｓｅを有する排気ガスが結露する温度であり、燃焼由来水量Ｗｂａｓｅによって決まる値である。燃焼由来水量Ｗｂａｓｅは、排気ガス空燃比、吸気の湿度、排気圧等から求めることができる。

露点Ｔｂａｓｅは、燃焼由来水量Ｗｂａｓｅが飽和水蒸気量となる温度である。従って、露点Ｔｂａｓｅは、図３に示されるような飽和水蒸気量と温度との相関関係に従って、燃焼由来水量Ｗｂａｓｅに応じて求めることができる。なお、本実施の形態１では、露点Ｔｂａｓｅと排気ガス空燃比、吸気湿度及び排気圧との関係を、予めシミュレーション等によって求める。制御装置３０には、求められた関係がマップや演算式等として定められて記憶されており、具体的な制御では、検出される吸気湿度、排気圧、空燃比等に応じて、マップや演算式に従って露点Ｔｂａｓｅが算出される。

＜尿素水許容量Ｕｒｅａ＿ｃａｎの算出＞
図３に示されるように壁温Ｔｗａｌｌに対する飽和水蒸気量は、現在の壁温Ｔｗａｌｌにおいて結露水が発生しない範囲の水蒸気量の上限値となる。従って、燃焼由来水量Ｗｂａｓｅと、壁温Ｔｗａｌｌに対応する飽和水蒸気量Ｗｗａｌｌとの差分が、結露水を生じさせない範囲で増加できる水の量であり、許容可能な水蒸気の増加量（以下「水蒸気増加許容量」とも称する）である。従って、水蒸気増加許容量ΔＷ＿ｃａｎは、壁温Ｔｗａｌｌと露点Ｔｂａｓｅとの温度差ΔＴと相関を有する。本実施の形態１では、温度差ΔＴと水蒸気増加許容量ΔＷ＿ｃａｎとの相関関係を予め求め、制御装置３０にマップ等として記憶する。実際の制御においては、この相関関係を定めたマップ等に基づいて壁温Ｔｗａｌｌと露点Ｔｂａｓｅとの温度差ΔＴから、水蒸気増加許容量ΔＷ＿ｃａｎが算出される。

尿素水の添加量は、結露水を発生させずに増加できる水蒸気増加許容量ΔＷ＿ｃａｎよりも、尿素水由来水の発生量が少なくなるように設定される。ここで尿素水の添加量と尿素水由来水発生量とは相関関係を有している。従って、水蒸気増加許容量ΔＷ＿ｃａｎとそれに対する尿素水の添加量とも相関を有している。従って、結露水を発生させない範囲の上限である尿素水許容量Ｕｒｅａ＿ｃａｎは、水蒸気増加許容量ΔＷ＿ｃａｎに応じた値として求めることができる。

具体的には、制御装置３０では尿素水許容量Ｕｒｅａ＿ｃａｎは、水蒸気増加許容量ΔＷ＿ｃａｎに応じ、次式（１）により算出される。
Ｕｒｅａ＿ｃａｎ＝ΔＷ＿ｃａｎ×Ｖ｛（１−α）×β×γ｝ ・・・・（１）
上記式（１）においてＶは排気ガスの流量[m³/sec]であり、αは尿素濃度[wt%]、βは加水解効率[wt%]、γはＮＯｘ浄化率[wt%]である。

＜尿素水要求量Ｕｒｅａ＿ｗａｎｔと実尿素水量Ｕｒｅａの算出について＞
一方、ＮＯｘ浄化に必要な尿素水の量は、ＳＣＲシステム１８に流入する排気ガスのＮＯｘ濃度等によって変化する。従って、尿素水要求量は、第１ＮＯｘセンサ１６によるＮＯｘ濃度検出値等に応じて適宜設定される。

制御装置３０は、尿素水由来水の発生量が水蒸気増加許容量ΔＷ＿ｃａｎの範囲内に収まるようにするため、実尿素水量Ｕｒｅａを、尿素水許容量Ｕｒｅａ＿ｃａｎと、尿素水要求量Ｕｒｅａ＿ｗａｎｔのいずれか小さいほうに設定する。

＜水たまり量の算出＞
壁温Ｔｗａｌｌが露点Ｔｂａｓｅより低温である間、排気通路２４内に滞留する結露水の量は、実尿素水量Ｕｒｅａに応じた量の水Ｗ＿ｕｒｅａから、排気によって後方に排出され又は蒸発する水の量（以下、両者を含めて「排水量」とする）を除いた量に近似すると考えられる。尿素水由来水の量Ｗ＿ｕｒｅａは、上記尿素水許容量Ｕｒｅａ＿ｃａｎと水蒸気増加許容量ΔＷ＿ｃａｎとの上記式（１）に基づき、実尿素水量Ｕｒｅａに応じて求めることができる。

また、排水量Ｗ＿ｄｒａは吸入空気量と相関を有する。例えば、図２の例では、内燃機関２への吸入空気量は（ｄ）に示されるように変化し、排水量Ｗ＿ｄｒａは図２（ｅ）のように変化する。このような相関関係は予め、実験等により求められる。求められた相関関係はマップ等として定め、これを制御装置３０に記憶しておく。実際の制御においては吸入空気量に応じて排水量が求められる。

壁温Ｔｗａｌｌ＜露点Ｔｂａｓｅである間に排気通路２４内に溜った水たまり量は、ある時刻における尿素水由来水発生量から、その時刻における排水量を減算した値を、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間、積算することで求められる。なお、壁温Ｔｗａｌｌ≧露点Ｔｂａｓｅとなる時刻ｔ１以降、尿素水の添加が停止されている間は、図２（ｃ）に示されるように水発生量はゼロとなり、排水量分が、水たまり量から減算されることとなり、次第に水たまり量もゼロとなる。

［本実施の形態１の制御の具体的なルーチン］
図４は、本発明の実施の形態１において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図４のルーチンは、実尿素水量Ｕｒｅａを算出するためのルーチンであり、内燃機関２の始動から停止までの間、繰り返し実行されるルーチンである。

図４のルーチンでは、まず、尿素禁止フラグがＯＦＦとなっているか否かが判別される（Ｓ１０）。尿素禁止フラグは、上記したように尿素水の添加を禁止する場合にＯＮとされるグラフであり、後述するルーチンにおいて、そのＯＮ/ＯＦＦが制御される。ステップＳ１０において尿素禁止フラグがＯＦＦであることが認められない場合には、今回の制御は終了する。

一方、ステップＳ１０において尿素禁止フラグがＯＦＦであることが認められると、次に、壁温Ｔｗａｌｌが算出される（Ｓ１２）。壁温Ｔｗａｌｌは、上述したように、壁温Ｔｗａｌｌは、現在の吸気温、排気温、外気温及び車速に応じ、予め制御装置３０に記憶されたマップに従って算出される。次に、露点Ｔｂａｓｅが算出される（Ｓ１４）。露点Ｔｂａｓｅは、上述したように、現在の排気ガス空燃比、吸気湿度、排気圧に応じて、予め制御装置３０に記憶されたマップに従って求められる。次に、温度差ΔＴが求められる（Ｓ１６）。温度差ΔＴは現在の壁温Ｔｗａｌｌから露点Ｔｂａｓｅを減じた値である。

次に、水蒸気増加許容量ΔＷ＿ｃａｎが算出される（Ｓ１８）。水蒸気増加許容量ΔＷ＿ｃａｎは、温度差ΔＴに応じて、予め制御装置３０に記憶されたマップに従って算出される。次に、尿素水許容量Ｕｒｅａ＿ｃａｎが求められる（Ｓ２０）。尿素水許容量Ｕｒｅａ＿ｃａｎは、水蒸気増加許容量ΔＷ＿ｃａｎに応じて、上記式（１）に従って算出される。

次に、実尿素水量Ｕｒｅａが算出される（Ｓ２２）。具体的には、実尿素水量Ｕｒｅａは、ステップＳ２０において算出されたＵｒｅａ＿ｃａｎと尿素水要求量Ｕｒｅａ＿ｗａｎｔとのうち小さいほうの値に設定される。なお、尿素水要求量Ｕｒｅａ＿ｗａｎｔはＳＣＲシステム１８上流の第１ＮＯｘセンサ１６の出力に応じて、別の制御プログラムで算出される値である。その後、このルーチンは一旦終了する。

図５は、本発明の実施の形態１において制御装置３０が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図５のルーチンは、尿素水添加の許可/禁止と、センサヒータのＯＮ/ＯＦＦとを制御するためのルーチンであり、内燃機関２の始動から停止までの間、繰り返し実行される。

図５のルーチンでは、まず壁温Ｔｗａｌｌと露点Ｔｂａｓｅとがそれぞれ算出される（Ｓ１０２、Ｓ１０４）。算出方法は、上記ステップＳ１２、Ｓ１４に説明したのと同様である。また、ここでは、例えば図４のルーチンにより現時点で算出されている壁温Ｔｗａｌｌと露点Ｔｂａｓｅとを読み込む処理を行うものとしてもよい。

次に、求められた壁温Ｔｗａｌｌが露点Ｔｂａｓｅ以上か否かが判別される（Ｓ１０６）。ステップＳ１０６において、壁温Ｔｗａｌｌ≧露点Ｔｂａｓｅであることが認められない場合、尿素禁止フラグがＯＦＦとされる（Ｓ１０８）。

一方、ステップＳ１０６において壁温Ｔｗａｌｌ≧露点Ｔｂａｓｅの成立が認められた場合、次に、現在の水たまり量Ｗ１が、ゼロ以下であるか否かが判別される（Ｓ１１０）。水たまり量Ｗ１はこのルーチンの後述する処理により算出される値である。ステップＳ１１０において、水たまり量Ｗ１≦０であることが認められない場合、尿素禁止フラグがＯＮとされる（Ｓ１１２）。ステップＳ１０８又はステップＳ１１２における尿素禁止フラグのＯＮ/ＯＦＦ制御の後、次に、センサヒータがＯＦＦとされる（Ｓ１１４）。

その後、現在の尿素水由来水発生量Ｗ＿ｕｒｅａが算出される（Ｓ１１６）。現在の結露水発生量Ｗ＿ｕｒｅａは、上記したように実尿素水量Ｕｒｅａに応じた水生成量である。次に排水量Ｗ＿ｄｒａが算出される（Ｓ１１８）。排水量Ｗ＿ｄｒａは現在の吸入空気量に応じ、制御装置３０に予め記憶されたマップ等に従って算出される。

次に、現在の水たまり量Ｗ１が算出される（Ｓ１２０）。現在の水たまり量Ｗ１は、前回の水たまり量の算出値Ｗ０と、上記ステップＳ１２４で算出された結露水発生量Ｗ＿ｕｒｅａ、ステップＳ１２６で算出された排水量Ｗ＿ｄｒａとに応じて、制御装置３０に記憶された関係式等に従って求められる。その後、今回の処理は終了する。

一方、壁温Ｔｗａｌｌ≧露点Ｔｂａｓｅの成立が認められ、かつ、ステップＳ１１０において水たまり量Ｗ１≦０の成立が認められると、壁温Ｔｗａｌｌが露点Ｔｂａｓｅより高くなり、かつ排気通路２４内が乾燥状態となったことが認められる。従って、次に、センサヒータがＯＮとされる（Ｓ１２２）。つまり、第２ＮＯｘセンサ２６とＰＭセンサ２８とのそれぞれのヒータに電力供給され、ヒータによるセンサ２６、２８の加熱が開始する。

次に、尿素禁止フラグがＯＦＦとされる（Ｓ１２４）。これにより図４のルーチンのステップＳ１２〜Ｓ２２が実行されて実尿素水量Ｕｒｅａが算出され、これに応じてＮＯｘ触媒２２に尿素水が噴射される。これによりＳＣＲシステム１８による排気ガス中ＮＯｘの浄化が行われる。その後、水たまり量Ｗ１とＷ０とがゼロとされ（Ｓ１２６）、今回の処理は一旦終了する。

以上説明したように、本実施の形態１によれば、ＳＣＲシステム１８下流において排気通路２４に結露水が存在している場合には、センサヒータがＯＦＦとされる。従って、ＳＣＲシステム下流の排ガスセンサの被水割れを確実に抑制することができる。またヒータがＯＮとされた後は、ＳＣＲシステム１８の尿素水の添加量は、ＳＣＲシステム１８下流に結露水が発生しない量に設定される。従ってセンサヒータがＯＮとされた状態での結露水発生による被水割れを抑制すると共に、継続して排ガスセンサを使用可能とすることができる。

また、本実施の形態１では、壁温Ｔｗａｌｌが露点Ｔｂａｓｅより高くなった後、排気通路２４に溜まった水が除去されるまでの間、尿素水の供給を停止する場合について説明した。これにより尿素水由来水が発生しないため、より早くに排気通路２４内に溜まった水を除去し、排気通路２４を乾燥状態とすることができる。これにより早い段階でセンサヒータをＯＮとすることが可能となり、ＳＣＲシステム１８下流の排ガスセンサの使用可能時間を長く確保することができる。

しかし本発明はこれに限られるものではない。例えば壁温Ｔｗａｌｌが露点Ｔｂａｓｅより高くなった後も、尿素水の添加を継続し、添加された尿素水量に応じて尿素水由来水発生量Ｗ＿ｕｒｅａを加えて現在の水発生量を求め、この水たまり量の水が排水された後でセンサヒータをＯＮとする制御を行ってもよい。また、このような制御において尿素水由来水の発生がある程度抑制されるように、尿素水の添加量に上限を設けてもよいし、このような上限を設けず、尿素水要求量に応じた尿素水の量を添加するようにしてもよい。

なお、本実施の形態１では、ＳＣＲシステム１８の下流に第２ＮＯｘセンサ２６、ＰＭセンサ２８が設置される場合について説明した。しかし、本発明はこの構成に限られるものではなく、例えば、限界電流式や起電力式の空燃比センサ等、他の排ガスセンサが設置されたシステムに適用することができる。ＳＣＲシステム１８下流に配置される排ガスセンサがセラミック部を有するものである場合、上記のようにヒータのＯＮ/ＯＦＦと尿素水の添加を制御することで、センサの被水割れを抑制しつつ、センサの使用可能時間をより長期に確保することができる。

また、本発明における壁温Ｔｗａｌｌの推定手法は、実施の形態１に説明したものに限られるものではない。壁温Ｔｗａｌｌは、吸気の状態、排気の状態、その他の壁温に影響を与える要因の変化を検出することで、種々の手法により求めることができる。また、排気通路２４付近に温度センサを設置するなどして、直接的に壁温を検出するものとしてもよい。

また、本発明における露点Ｔｂａｓｅの推定方法は、実施の形態１に説明したものに限られるものではない。露点Ｔｂａｓｅは、吸気の状態、排気の状態等、尿素水以外に露点に影響を与える要因の変化を検出することで、種々の手法により求められる。

また、水蒸気許容増加量Ｗ＿ｃａｎに応じた尿素水許容量Ｕｒｅａ＿ｃａｎや、実尿素水量Ｕｒｅａに応じて発生する尿素水由来水発生量Ｗ＿ｕｒｅａの算出手法についても、式（１）に限定されるものではない。尿素水量に対する水の発生量は、尿素水の尿素濃度、尿素水の加水分解効率、ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ浄化率等と相関を有する。従って、これらのうちいずれかのパラメータと尿素水の添加量、水発生量との相関関係に基づいて、水発生量、あるいは尿素水許容量を求めるものとしてもよい。

実施の形態２．
実施の形態２のシステムは、図１のシステムと同一の構成を有している。実施の形態２のシステムは、実施の形態１の制御に代えて、壁温Ｔｗａｌｌが露点Ｔｂａｓｅより低い間、センサヒータをＯＦＦとすると共に、尿素水添加を禁止し、壁温Ｔｗａｌｌが露点Ｔｂａｓｅに達した時点で、センサヒータをＯＮとし、尿素水添加を開始する制御を実行する。

図６は本発明の実施の形態２の制御について説明するためのタイミングチャートである。図６の例では（ａ）に示されるように、時刻ｔ０からｔ１までの間、排気通路２４の壁温Ｔｗａｌｌが露点よりも低く、時刻ｔ１において壁温Ｔｗａｌｌが露点Ｔｂａｓｅに達し、その後、壁温Ｔｗａｌｌが露点Ｔｂａｓｅより高い状態となる。

この例では、図６（ｂ）に示されるように、壁温Ｔｗａｌｌが露点Ｔｂａｓｅより低温の間、尿素禁止フラグがＯＮとされ、尿素水の添加が禁止される。また、センサヒータもＯＦＦとされる。従って、壁温Ｔｗａｌｌが露点Ｔｂａｓｅより低温の間に、尿素水由来水が発生しない。そして露点Ｔｂａｓｅは、燃焼由来水Ｗｂａｓｅが気化される温度である。従って壁温Ｔｗａｌｌが露点Ｔｂａｓｅに達したとき、排気通路２４内は乾燥状態になっていると判断できる。

従って、壁温Ｔｗａｌｌが露点Ｔｂａｓｅに達した時点で、センサヒータをＯＮとする。また、尿素禁止フラグをＯＦＦとして尿素水の添加を許可する。ここで、尿素水の添加量は、実施の形態１と同様であり、許容される尿素水許容量Ｕｒｅａ＿ｃａｎに制限される。つまり、尿素水許容量Ｕｒｅａ＿ｃａｎと尿素水要求量Ｕｒｅａ＿ｗａｎｔのいずれか小さいほうに制御される。

図７は、本発明の実施の形態２において制御装置３０が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図７のルーチンは、図５のルーチンに替えて実行されるルーチンであり、壁温Ｔｗａｌｌが露点Ｔｂａｓｅより低温の間、尿素禁止フラグをＯＦＦとするステップＳ１０８の処理、水たまり量を判定するステップＳ１１０の処理、水たまり量を積算するためのＳ１１６〜Ｓ１２０とＳ１２６との処理、を有しない点を除いて、図５のルーチンと同じものである。

具体的に図７の処理では、壁温Ｔｗａｌｌ，露点Ｔｂａｓｅが算出され（Ｓ２０２、Ｓ２０４）、ステップＳ２０６の処理により壁温Ｔｗａｌｌが露点Ｔｂａｓｅ以上であることが認められると、次に、センサヒータがＯＮとされ（Ｓ２０８）、尿素禁止フラグがＯＦＦとされ（Ｓ２１０）、その後今回の処理は終了する。ここで尿素禁止フラグはＯＦＦとされるため、実尿素水量Ｕｒｅａが、図４のステップＳ１２〜Ｓ２２の処理に従って算出され、設定された実尿素水量Ｕｒｅａの尿素水の添加が行われる。

一方、ステップＳ２０６の処理により壁温Ｔｗａｌｌが露点Ｔｂａｓｅ以上であることが認められない場合には、次に、尿素禁止フラグがＯＮとされ（Ｓ２１２）、センサヒータがＯＦＦとされる（Ｓ２１４）。これにより、壁温Ｔｗａｌｌが露点Ｔｂａｓｅより低温である間、尿素水の添加が禁止され、かつ、センサヒータによるセンサ素子部の加熱が禁止される。その後、今回の処理は終了する。

以上説明したように、本実施の形態２においては、壁温Ｔｗａｌｌが露点Ｔｂａｓｅに達するまでの間、センサヒータがＯＦＦとされると共に、尿素水添加が禁止される。従って、壁温Ｔｗａｌｌが露点Ｔｂａｓｅより低温である間に、尿素水由来水が排気通路２４に溜まることがない。従って壁温Ｔｗａｌｌが露点Ｔｂａｓｅに達した時点で、排気通路２４を乾燥状態とすることができ、より早くセンサヒータにより加熱を開始してセンサを活性状態とすることができる。従って、ＳＣＲシステム１８下流の排ガスセンサの使用可能時間を長く確保することができる。

なお、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、この実施の形態において説明する構造等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

２ 内燃機関
４、１０、１４、２４ 排気通路
６ 空燃比センサ
８ 酸化触媒
１２ ＤＰＦ
１６ 第１ＮＯｘセンサ
１８ ＳＣＲシステム
２０ 噴射弁
２２ ＮＯｘ触媒
２６ 第２ＮＯｘセンサ
２８ ＰＭセンサ
３０ 制御装置

Claims (9)

1. 内燃機関の排気通路に設置され、ＮＯｘ触媒と前記ＮＯｘ触媒の上流に尿素水を噴射するための尿素水噴射弁とを有するＳＣＲシステムと、
   前記排気通路の前記ＮＯｘ触媒より下流に設置され、かつ素子部を加熱するための加熱手段を有し、排気ガス中の特定の成分を検出するための排ガスセンサと、
   前記加熱手段による前記素子部の加熱状態を制御する加熱制御手段と、
   前記尿素水噴射弁からの尿素水の噴射を制御する噴射制御手段と、
   を備える内燃機関の制御装置であって、
   前記加熱制御手段は、
   前記ＮＯｘ触媒より下流の前記排気通路内に水が結露している状態が予想される場合に、前記加熱手段による前記素子部の加熱をしない状態に制御し、
   前記噴射制御手段は、
   前記加熱手段により前記素子部が加熱されている間、前記尿素水噴射弁から供給される尿素水の量を、前記内燃機関に吸入される吸入空気の状態と、前記内燃機関から排出される排気ガスとの状態と、前記尿素水の状態と、に応じて、前記ＮＯｘ触媒下流の前記排気通路内に水を結露させない範囲に制御する、
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記噴射制御手段は、前記加熱手段により素子部が加熱されている間、
   前記ＮＯｘ触媒の下流の前記排気通路の壁温と、尿素水を噴射しない場合に前記排気通路で水が結露する温度である露点とに応じて、前記ＮＯｘ触媒下流の前記排気通路に水を結露させずに増加できる水蒸気の上限量である許容水蒸気増加量を求め、
   供給された前記尿素水により発生する水の量が、前記許容水蒸気増加量より少なくなるように、前記尿素水の供給量を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記噴射制御手段は、
   尿素水の尿素濃度、尿素水の加水分解効率、及び前記ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ浄化率のうち、少なくとも１のパラメータを用いて、前記許容水蒸気増加量に応じた量の水蒸気を発生させる、尿素水許容量を求め、
   前記尿素水許容量を越えない範囲に、前記尿素水の供給量を制御する
   ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記加熱制御手段は、
   前記ＮＯｘ触媒の下流の前記排気通路の壁温が、尿素水を噴射しない場合に前記排気通路で水が結露する温度である露点より低い状態から、前記壁温が前記露点より高い状態になった後、かつ、前記ＮＯｘ触媒下流の前記排気通路内に滞留した結露水が除去された後に、前記加熱手段により前記素子部を加熱する状態に制御することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記加熱制御手段は、
   前記素子部の加熱をしない状態に制御している期間中に供給された前記尿素水に起因して生成された水の量が、該期間に排気ガスにより排水され又は蒸発したことにより、前記排気通路から除去された水の量よりも少なくなったときに、前記加熱手段により前記素子部を加熱する状態に制御することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記噴射制御手段は、
   前記壁温が、前記露点より低い場合に、前記ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘの分解に必要とされる量の尿素水を供給し、
   前記壁温が、前記露点より低い状態から、前記壁温が前記露点より高い状態になった後、前記ＮＯｘ触媒下流の前記排気通路内に結露水が滞留した状態が予想される間、前記尿素水を供給しない状態に制御することを特徴とする請求項４又は５に記載の内燃機関の制御装置。
7. 前記加熱制御手段は、
   前記ＮＯｘ触媒の下流の前記排気通路の壁温が、尿素水を噴射しない場合に前記排気通路で水が結露する温度である露点より低い場合に、前記加熱手段による前記素子部の加熱をしない状態とし、
   前記噴射制御手段は、
   前記壁温が前記露点より低い場合に、前記尿素水を供給しない状態に制御することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
8. 前記噴射制御手段は、前記尿素水の供給量を、前記ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘの分解に必要とされる尿素水の量と、前記尿素水許容量とのうち、少ない方に設定することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
9. 前記壁温は、前記吸入空気の温度又は前記排気ガスの温度又は前記内燃機関が搭載された車両の速度又は外気温に応じて推定され、
   前記露点は、前記吸入空気の湿度又は前記排気ガスの圧力又は前記排気ガスの空燃比に応じて推定されることを特徴とする請求項２から７のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。

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