JP2014111918A

JP2014111918A - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2014111918A
Application number: JP2012266609A
Authority: JP
Inventors: Tatsuhiro Hashida; 達弘橋田; Yoshie Kato; 美江加藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-12-05
Filing date: 2012-12-05
Publication date: 2014-06-19
Anticipated expiration: 2032-12-05
Also published as: JP6003600B2

Abstract

【課題】ＮＯｘ触媒の下流の排ガスセンサの結露水による被水割れを回避しつつ、その使用可能時間を長く確保可能な内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】ＮＯｘセンサ２４の内蔵ヒータに対する通電は、壁温Ｔ_ｗａｌｌ＞露点Ｔ_ｕｒｅａとなった場合に開始される。排気温度上昇制御を実行すれば、該制御の非実行時に比して排気温度を短時間で上昇できる。排気温度が上昇すれば壁温Ｔ_ｗａｌｌも上昇するので、排気温度を短時間で上昇できれば、壁温Ｔ_ｗａｌｌも短時間で上昇できる。従って、壁温Ｔ_ｗａｌｌが露点Ｔ_ｕｒｅａを上回るまでの所要時間をｔ_１からｔ_２へと短縮できる。よって、上記内蔵ヒータに対する通電を早期に開始できる。
【選択図】図３

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、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を触媒により浄化す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中のＮＯｘを無害化するために、ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムを採用することが公知である。ＳＣＲシステムは、一般に、ＮＯｘを窒素に還元するＮＯｘ触媒と、該ＮＯｘ触媒の上流側から尿素水を添加する尿素水添加手段とを備えている。ＳＣＲシステムによれば、排気中のＮＯｘをＮＯｘ触媒に吸着させつつ、添加尿素の加水分解により生ぜしめたアンモニアと反応させて還元浄化できる。

また、ＳＣＲシステムの採用に際しては、上記ＮＯｘ触媒の上下流の２つのＮＯｘセンサを用いて、上記尿素水添加手段からの尿素水添加量のフィードバック制御を行うことも公知である。このようなＮＯｘセンサの多くは内蔵ヒータを備えており、センサ素子部を該内蔵ヒータによって加熱して活性温度に保持した状態で使用される。しかしながら、該センサ素子部にはセラミック材料が使用されており、内蔵ヒータによる加熱中に排気通路内で生じた結露水がセンサ素子部に付着すると、熱衝撃によって破損するという所謂被水割れの問題がある。

ＳＣＲシステムでは、上記還元反応で水が生じるので、上記ＮＯｘ触媒の下流のＮＯｘセンサ（下流側ＮＯｘセンサ）において、上記被水割れが特に起こり易い。下流側ＮＯｘセンサの被水割れに関し、特許文献１には、ＮＯｘ触媒の上下流に２つのＮＯｘセンサを設けたＳＣＲシステムにおいて、下流側ＮＯｘセンサの上流にて生じる結露水の量を算出し、算出した量の結露水が気化し終えたと判断した場合に、内蔵ヒータに通電する制御手法が開示されている。この制御手法において、結露水量は、燃料の燃焼により生じる水蒸気量に、尿素水添加時に上記還元反応で生じる水蒸気量を加味して算出される。従って、特許文献１の制御手法によれば、尿素水を添加する場合においても、下流側ＮＯｘセンサの被水割れを予防できる。

特開２０１０−１７４６５７号公報特開２０１０−０７１１１０号公報特開２０１２−０３６８３９号公報特開２０１０−１１６８５８号公報

ところで、上記特許文献１において、尿素水の添加量は排気ガス中のＮＯｘ濃度に応じて設定される。また、この排気ガス中のＮＯｘ濃度は、上記２つのＮＯｘセンサからの検出値に基づいて算出される。また、これらの検出値は上記２つのＮＯｘセンサの活性化の完了を前提としている。つまり、上記特許文献１においては、燃料の燃焼により生じる水蒸気量から算出した結露水量が気化し終えたと判断した場合に、内蔵ヒータへの通電を開始し、上記２つのＮＯｘセンサの活性化の完了後に初めて尿素水の添加量を設定していると考えられる。また、尿素水の添加開始後は、上記還元反応で生じる水蒸気量を、燃料の燃焼により生じる水蒸気量に加味して結露水の気化終了を判断していると考えられる。

しかしながら、尿素水の添加を開始すれば、上記還元反応で生じる水蒸気量分だけ結露水量の算出値が増加する。結露水量の算出値が増加すれば、結露水が生じる可能性が高まる。結露水が生じる状況となれば、下流側ＮＯｘセンサの内蔵ヒータへの通電を一時停止して結露水の気化を待つケースが生じ得る。その結果、排ガスセンサを利用可能な時間が短くなることが予想される。また、尿素水添加中に、内蔵ヒータの通電の一時停止が繰り返される状況は、ＮＯｘ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、上述の課題に鑑みてなされたものである。即ち、ＮＯｘ触媒の下流の排ガスセンサの結露水による被水割れを回避しつつ、その使用可能時間を長く確保可能な内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

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、
内燃機関の排気通路に設けられ、排気中の窒素酸化物を窒素に還元するＮＯｘ触媒と、
前記排気通路の前記ＮＯｘ触媒よりも上流側から尿素水を添加する尿素水添加手段と、
前記排気通路の前記ＮＯｘ触媒よりも下流側に設けられ、素子部と該素子部を加熱する加熱手段とを備え、排気中の特定成分を検出する排気センサと、
前記尿素水添加手段からの尿素水添加が許可された場合、前記加熱手段による前記素子部の加熱前に、前記排気センサ設置箇所を流れる排気温度を上昇させる加熱前排気温度上昇制御手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記尿素水添加手段からの尿素水添加が許可された場合、前記加熱手段による前記素子部の加熱前に、前記排気センサ設置箇所を流れる排気量を増加させる加熱前排気量増加制御手段を更に備えることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記尿素水添加手段からの尿素水添加が許可された場合、前記ＮＯｘ触媒に吸着したアンモニア量と設定量との差分に基づいて、前記尿素水添加手段からの尿素水添加量を設定する添加量算出手段を更に備えることを特徴とする。

また、第４の発明は、第３の発明において、
前記添加量算出手段は、前記アンモニア量が前記設定量よりも少ない場合、前記差分に応じて前記尿素水添加量を設定し、前記アンモニア量が前記設定量よりも多い場合、前記尿素水添加量をゼロ以上かつ前記差分に応じて設定する尿素水添加量の最小値以下に設定することを特徴とする。

内燃機関の排気通路の内壁等の温度が排気中の水蒸気の露点温度よりも低いと、結露水が発生し易い。また、上述したように、ＳＣＲシステムにおいては、尿素水添加時に排気中の水蒸気量が増加する。そのため、ＳＣＲシステムにおいて、例えば冷間始動後に尿素水添加が行われる状況においては、結露水が特に発生し易い。この点、第１の発明によれば、上記尿素水添加手段からの尿素水添加が許可された場合、上記加熱手段による上記素子部の加熱前に、上記排気センサ設置箇所を流れる排気温度を上昇させるので、上述した結露水が発生し易い状況においても、上記排気センサ設置箇所を含む上記排気通路の内壁等の温度を強制的に上昇させて短時間で露点温度以上とすることができる。上記排気通路の内壁等の温度を短時間で露点温度以上に上昇できれば、上記加熱手段により上記素子部を早期に加熱できることになるので、結果的に上記排ガスセンサを長時間利用できる。よって、第１の発明によれば、ＮＯｘ触媒の下流の排ガスセンサの結露水による被水割れを回避しつつ、その使用可能時間を長く確保できる。

また、第２の発明によれば、上記尿素水添加手段からの尿素水添加が許可された場合、上記加熱手段による上記素子部の加熱前に、上記排気センサ設置箇所を流れる排気量を増加させるので、上記排気センサ設置箇所を流れる排気中の水分濃度を強制的に減少させて、露点温度自体を低下させることができる。露点温度を低下できれば、上記排気通路の内壁等の温度を短時間で露点温度以上とできる。よって、第２の発明によれば、上記第１の発明同様、ＮＯｘ触媒の下流の排ガスセンサの結露水による被水割れを回避しつつ、その使用可能時間を長く確保できる。

上記尿素水添加手段から添加された尿素は加水分解反応によってアンモニアとなり、上記ＮＯｘ触媒に吸着してＮＯｘ還元反応に供される。ここで、上記ＮＯｘ触媒に吸着したアンモニア量と上記ＮＯｘ触媒でのＮＯｘ浄化率とは相関を有する。具体的に、上記ＮＯｘ浄化率は、上記アンモニア量が設定量となるまでは単調増加し、上記アンモニア量が該設定量を超えると略一定となる。この点、第３の発明によれば、上記アンモニア量と上記設定量との差分に基づいて上記尿素水添加量を設定できるので、上記ＮＯｘ触媒に吸着しているアンモニアを有効活用したＮＯｘ浄化が可能となる。

第４の発明によれば、上記アンモニア量が上記設定量よりも少ない場合、上記差分に応じて上記尿素水添加量を設定し、上記アンモニア量が上記設定量よりも多い場合、上記尿素水添加量をゼロに設定するので、上記ＮＯｘ触媒に吸着しているアンモニアを有効活用してＮＯｘを浄化できる。

実施の形態１におけるシステム構成図である。露点Ｔ_ｂａｓｅと露点Ｔ_ｕｒｅａとの関係を示した図である。機関始動直後の排気温度の推移を示した図である。実施の形態１において、ＥＣＵ３０により実行されるヒータ通電制御の処理ルーチンを示すフローチャートである。機関始動直後の露点の推移を示した図である。実施の形態２において、ＥＣＵ３０により実行されるヒータ通電制御処理ルーチンを示すフローチャートである。ＮＯｘ触媒上のアンモニア吸着量Ａ_ＮＨ３と、ＮＯｘ浄化率との関係を示した図である。実施の形態３において、ＥＣＵ３０により実行される尿素水噴射量フィードバック制御の処理ルーチンを示す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．
［実施の形態１の構成の説明］
先ず、図１乃至図４を参照しながら、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、実施の形態１におけるシステム構成図である。図１に示す内燃機関１０は、車両等に搭載される直列４気筒エンジンであるが、気筒数およびその配置はこれに限定されない。

内燃機関１０の排気通路１２には、上流側から順に、酸化触媒１４と、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）１６と、ＮＯｘ触媒１８とが直列に設けられている。酸化触媒１４は、内燃機関１０から排出される一酸化炭素（ＣＯ）および炭化水素（ＨＣ）を酸化すると共に、窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元するものである。ＤＰＦ１６は、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集して燃焼除去するためのフィルタである。ＮＯｘ触媒１８は、尿素の加水分解反応により生じたアンモニアを還元剤として、排気ガス中のＮＯｘを選択的に浄化する触媒である。

排気通路１２において、ＤＰＦ１６とＮＯｘ触媒１８との間には、通路内に尿素を噴射するための尿素噴射弁２０が設けられている。尿素噴射弁２０は、内部に尿素水を蓄える尿素水タンクと供給ポンプ（何れも図示しない）を介して接続されている。尿素水タンク内の尿素水は、この供給ポンプを駆動することで、尿素噴射弁２０からＮＯｘ触媒１８に向かって噴射供給されるものとする。尿素噴射弁２０は、ＮＯｘ触媒１８、上記尿素タンクや供給ポンプ、後述するＥＣＵ３０と共にＳＣＲシステムを構成する。

また、排気通路１２には２つのＮＯｘセンサ２２，２４が設けられている。具体的に、ＮＯｘセンサ２２は、尿素噴射弁２０よりも上流の排気通路１２に、ＮＯｘセンサ２４は、ＮＯｘ触媒１８よりも下流の排気通路１２に、それぞれ設けられている。ＮＯｘセンサ２２，２４は、その設置箇所周囲の排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出する機能を有している。ＮＯｘセンサ２２，２４は、セラミック材料で形成されたセンサ素子部と、内蔵ヒータとを備えており、ＮＯｘ濃度の検出に際しては、該内蔵ヒータへの通電により該センサ素子部が所定の活性温度域（７００℃〜８００℃程度）に維持される。

また、本実施形態のシステムは、制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）３０を備えている。ＥＣＵ３０の入力側には、ＮＯｘセンサ２２，２４の他、内燃機関１０の制御に必要な各種センサ（例えば、エンジン回転数を検出するクランク角センサ、吸入空気量を検出するエアフロメータ、スロットルバルブの開度を検出するスロットルセンサ等）が電気的に接続されている。他方、ＥＣＵ３０の出力側には、尿素噴射弁２０、上記供給ポンプの他、内燃機関１０の各気筒に設けられたインジェクタや、可変動弁機構といった各種アクチュエータが電気的に接続されている。ＥＣＵ３０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１０の運転に関する種々の制御を実行する。

［実施の形態１の特徴的制御］
ＥＣＵ３０が行う制御のひとつに、ＮＯｘセンサ２２，２４の内蔵ヒータに対する通電開始時期を制御するヒータ通電制御がある。ヒータ通電制御は、排気通路１２で生じた凝結水がＮＯｘセンサ２２，２４のセンサ素子部へ付着することで生じる被水割れを防止する目的で行われ、冷間始動直後といった凝結水が生じ易い環境において、排気通路１２内の水分が無くなったことを判定し上記内蔵ヒータに対する通電を開始するものである。

ヒータ通電制御においては、具体的に、ＮＯｘセンサ２２の内蔵ヒータに対する通電は、ＮＯｘセンサ２２，２４の設置箇所付近の排気通路１２の壁温Ｔ_ｗａｌｌが、露点Ｔ_ｂａｓｅよりも高温となった場合に開始される。他方、ＮＯｘセンサ２４の内蔵ヒータに対する通電は、同壁温Ｔ_ｗａｌｌが、露点Ｔ_ｕｒｅａよりも高温となった場合に開始される。

本実施形態において、壁温Ｔ_ｗａｌｌは、吸気温、排気温、外気温および車速に基づいて推定される。吸気温、排気温、外気温および車速と、壁温Ｔ_ｗａｌｌとの関係は、予めシミュレーション等によって求められ、マップや演算式の形式でＥＣＵ３０内に記憶されているものとする。ＥＣＵ３０は、各種センサによって検出等される吸気温、排気温、外気温および車速をこの関係に適用して、壁温Ｔ_ｗａｌｌを推定する。

また、露点Ｔ_ｂａｓｅは、尿素噴射弁２０よりも上流の排気通路１２を流れる排気中の水分量Ｗ_１［ｇ／ｃｍ^３］が飽和水蒸気量Ｗ_ｂａｓｅと等しくなる温度である。この水分量Ｗ_１は、燃料の燃焼により生じる水分量と、吸気中の水分量とを用いて算出される。燃料の燃焼により生じる水分量は、空燃比、排気圧から推定される。吸気中の水分量は吸気の湿度から算出される。吸気湿度、空燃比および排気圧と水分量Ｗ_１との関係は、予めシミュレーション等によって求められ、マップや演算式の形式でＥＣＵ３０内に記憶されているものとする。ＥＣＵ３０は、各種センサによって検出等される吸気湿度、空燃比および排気圧をこの関係に適用して水分量Ｗ_１を算出し、露点Ｔ_ｂａｓｅを推定する。

また、露点Ｔ_ｕｒｅａは、尿素水噴射時にＮＯｘ触媒１８よりも下流の排気通路１２を流れる排気中の水分量Ｗ_２［ｇ／ｃｍ^３］が飽和水蒸気量Ｗ_ｕｒｅａと等しくなる温度である。この水分量Ｗ_２の算出手法に関し、図２を参照しながら説明する。図２は、露点Ｔ_ｂａｓｅと露点Ｔ_ｕｒｅａとの関係を示した図である。図２に示すように、露点Ｔ_ｂａｓｅと露点Ｔ_ｕｒｅａの関係は、露点Ｔ_ｕｒｅａ＞露点Ｔ_ｂａｓｅとなる。この理由は、尿素水には約６７．５ｗｔ％の水が含まれており、また、尿素水を噴射すれば、尿素の加水分解により生じたアンモニアがＮＯｘ触媒１８上でＮＯｘと反応して水が生成するためである。

この点を勘案し、水分量Ｗ_２は、尿素水噴射時の排気中の水分変動量ΔＷ［ｇ／ｃｍ^３］と、水分量Ｗ_１とを用いて算出される。水分変動量ΔＷは、尿素水に含まれる水、アンモニアおよびＮＯｘとの還元反応時に生成する水と、尿素の加水分解反応時に消費される水とを考慮した次式（１）により算出される。
水分変動量ΔＷ＝尿素水噴射量Ｕ×（１−α）×β×γ／排気流量Ｖ・・・（１）
上記式（１）において、尿素水噴射量Ｕは尿素噴射弁２０から噴射した尿素水の噴射量［ｇ／ｓｅｃ］であり、排気流量ＶはＮＯｘ触媒１８を通過する排気の流量［ｃｍ^３／ｓｅｃ］である。また、α、βおよびγは尿素濃度、加水分解効率およびＮＯｘ浄化率に応じて設定される係数である。ＥＣＵ３０はその内部に上記式（１）を記憶しており、各種センサによって検出等される尿素水噴射量Ｕおよび排気流量Ｖと、上記式（１）とから水分変動量ΔＷを算出する。そして、算出した水分変動量ΔＷを水分量Ｗ_１に加算することで水分量Ｗ_２を算出し、露点Ｔ_ｕｒｅａを推定する。

ところで、ＥＣＵ３０が行う別の制御に、尿素水噴射量Ｕをフィードバックする尿素水噴射量フィードバック制御がある。尿素水噴射量フィードバック制御は、ＮＯｘセンサ２２，２４の検出値に基づいて行われるものであり、ＮＯｘセンサ２２，２４の他、ＮＯｘ触媒１８の活性化が前提となる。ここで、ＮＯｘ触媒１８の活性化は排気により行われ、約１８０℃以上でＮＯｘ触媒１８が活性化する。ＮＯｘ触媒１８が活性化すれば、尿素噴射弁２０からの尿素水噴射が許可される。

一方、上述したように、ＮＯｘセンサ２２，２４の活性化は上記内蔵ヒータによる加熱により行われ、上記所定活性温度域においてＮＯｘセンサ２２，２４が活性化する。そのため、内燃機関１０の始動後、尿素噴射弁２０からの尿素水噴射が許可されているにも関わらず、ＮＯｘセンサ２２，２４の活性化が完了していないケースが生じる。尿素水噴射量フィードバック制御では、このような場合、尿素水噴射量Ｕを一時的に最大値Ｕ_ｍａｘに設定して尿素水噴射を開始し、ＮＯｘセンサ２２，２４の活性化を待つこととしている。しかしながら、最大値Ｕ_ｍａｘでの噴射を行えば上記式（１）で算出されるΔWが増加する。その結果、ヒータ通電制御によるＮＯｘセンサ２４の内蔵ヒータに対する通電開始が極端に遅延してしまう。

そこで、本実施形態のヒータ通電制御においては、上記の場合、排気温度を上昇させる排気温度上昇制御を実行することとしている。排気温度上昇制御は、具体的に、噴射回数の変更、圧縮上死点近傍で行われる主噴射の噴射時期を遅くするといった噴射タイミングのリタード、または、メイン噴射の後の膨張行程の初期にアフター噴射を追加するポスト噴射といった上記インジェクタの制御により行われる。即ち、メイン噴射を遅角して後燃え期間を長くし、または、噴射される合計の燃料量を増加することにより排気温度を上昇させる。

図３は、機関始動直後の排気温度の推移を示した図である。排気温度上昇制御の実行時が同図の実線に、非実行時が同図の破線に、それぞれ対応している。なお、排気温度上昇制御の実行は、図中に示す時刻ｔ_０から開始されるものとする。図３に示すように、排気温度上昇制御を実行すれば、非実行時に比して排気温度を短時間で上昇できる。ここで、排気温度が上昇すれば壁温Ｔ_ｗａｌｌも上昇するので、排気温度を短時間で上昇できれば、壁温Ｔ_ｗａｌｌも短時間で上昇できる。従って、図３に示すように、壁温Ｔ_ｗａｌｌが露点Ｔ_ｕｒｅａを上回るまでの所要時間をｔ_１からｔ_２へと短縮できる。よって、ＮＯｘセンサ２４の内蔵ヒータに対する通電開始の極端な遅延を解消できる。

［実施の形態１における具体的処理］
次に、図４を参照しながら、上述した機能を実現するための具体的な処理について説明する。図４は、実施の形態１において、ＥＣＵ３０により実行されるヒータ通電制御の処理ルーチンを示すフローチャートである。なお、図４に示すルーチンは、内燃機関１０の始動から停止までの間、定期的に繰り返して実行されるものとする。

図４のルーチンにおいて、先ずＥＣＵ３０は、壁温Ｔ_ｗａｌｌおよび露点Ｔ_ｂａｓｅを算出する（ステップ１０２、１０４）。壁温Ｔ_ｗａｌｌおよび露点Ｔ_ｂａｓｅの算出手法は、既述のとおりである。

次に、ＥＣＵ３０は、壁温Ｔ_ｗａｌｌ＞露点Ｔ_ｂａｓｅの成否を判定する（ステップ１０６）。本ステップにおいて、壁温Ｔ_ｗａｌｌおよび露点Ｔ_ｂａｓｅには、ステップ１０２およびステップ１０４でそれぞれ算出した値が用いられる。本ステップにおいて、壁温Ｔ_ｗａｌｌ≦露点Ｔ_ｂａｓｅと判定された場合、排気通路１２全体に結露水が生じている可能性があると判断できる。そのため、ＥＣＵ３０は、今回の処理を終了する。一方、壁温Ｔ_ｗａｌｌ＞露点Ｔ_ｂａｓｅと判定された場合、尿素噴射弁２０よりも上流の排気通路１２内の水分が無くなったと判断できる。そのため、ＥＣＵ３０は、ＮＯｘセンサ２２の内蔵ヒータへの通電を開始し、ステップ１０８に進む。

ステップ１０８において、ＥＣＵ３０は、尿素噴射要求の有無を判定する。具体的に、ＥＣＵ３０は、ＮＯｘ触媒１８の活性化が完了したか否かを判定する。本ステップにおいて、ＮＯｘ触媒１８の活性化が未完了と判定された場合、ＥＣＵ３０は、今回の処理を終了する。一方、ＮＯｘ触媒１８の活性化が完了したと判定された場合、尿素噴射弁２０からの尿素水噴射が許可されていると判断できる。そのため、ＥＣＵ３０は、ステップ１１０に進み、排気温度上昇制御を実行する。排気温度上昇制御の具体的内容については、既述のとおりである。

ステップ１１０に続いて、ＥＣＵ３０は、露点Ｔ_ｕｒｅａを算出する（ステップ１１２）。露点Ｔ_ｕｒｅａの算出手法は、既述のとおりである。

次に、ＥＣＵ３０は、壁温Ｔ_ｗａｌｌ＞露点Ｔ_ｕｒｅａの成否を判定する（ステップ１１４）。本ステップにおいて、壁温Ｔ_ｗａｌｌおよび露点Ｔ_ｕｒｅａには、ステップ１０２およびステップ１１２でそれぞれ算出した値が用いられる。本ステップにおいて、壁温Ｔ_ｗａｌｌ≦露点Ｔ_ｕｒｅａと判定された場合、ＮＯｘ触媒１８の下流の排気通路１２内に結露水が生じる可能性があると判断できる。そのため、ＥＣＵ３０は、排気温度上昇制御の実行を一旦中止して今回の処理を終了する。一方、壁温Ｔ_ｗａｌｌ＞露点Ｔ_ｕｒｅａと判定された場合、ＮＯｘ触媒１８の下流の排気通路１２内の水分が無くなったと判断できる。そのため、ＥＣＵ３０は、ステップ１１６に進み、ＮＯｘセンサ２４の内蔵ヒータへの通電を開始する。

以上、図４に示したルーチンによれば、壁温Ｔ_ｗａｌｌ＞露点Ｔ_ｂａｓｅと判定された場合にＮＯｘセンサ２２の内蔵ヒータへの通電を開始できる。そのため、ＮＯｘセンサ２２のセンサ素子部への凝結水付着による被水割れを防止することができる。また、ＮＯｘ触媒１８の活性化が完了したと判定された場合、排気温度上昇制御を実行できる。そのため、壁温Ｔ_ｗａｌｌを上昇させて露点Ｔ_ｕｒｅａを上回るまでの時間を短縮できる。従って、ＮＯｘセンサ２４のセンサ素子部への凝結水付着による被水割れを防止しつつ、その内蔵ヒータに対する通電開始の遅延を解消できる。

ところで、上記実施の形態１においては、ＮＯｘセンサ２４を例に説明を行った。しかし、センサ素子部にセラミック材料を用いる排気センサ（ＰＭセンサ、空燃比センサ等）であって、ＮＯｘ触媒１８よりも下流の排気通路１２に設けられるものであれば、上記ヒータ通電制御の実行により、ＮＯｘセンサ２４と同様の効果を得ることができる。よって、上記実施の形態１は、このような排気センサに対しても適用できる。なお、本変形例は後述する実施の形態２、３においても同様に適用が可能である。

また、上記実施の形態１においては、壁温Ｔ_ｗａｌｌを吸気温、排気温等に基づいて推定したが、ＮＯｘセンサ２２，２４の設置箇所付近の排気通路１２に温度センサを別途設けて直接検出してもよい。なお、本変形例は後述する実施の形態２、３においても同様に適用が可能である。

なお、上記実施の形態１においては、ＮＯｘ触媒１８が上記第１の発明における「ＮＯｘ触媒」に、尿素噴射弁２０が同発明における「尿素水添加手段」に、ＮＯｘセンサ２４が同発明における「排気センサ」に、ＮＯｘセンサ２４のセンサ素子部が同発明の「素子部」に、ＮＯｘセンサ２４の内蔵ヒータが同発明の「加熱手段」に、それぞれ相当する。
また、上記実施の形態１においては、ＥＣＵ３０が図４のステップ１０８，１１０の処理を実行することにより上記第１の発明における「加熱前排気温度上昇制御手段」が実現されている。

実施の形態２．
次に、図５乃至図６を参照しながら、本発明の実施の形態２について説明する。
本実施形態の特徴は、上記実施の形態１のシステムにＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）システムを追加したシステム構成において、図６に示すヒータ通電制御処理ルーチンを実行する点にある。そのため、以下においては、この特徴部分についての説明を行い、上記実施の形態１との重複部分についてはその説明を省略する。また、ＥＧＲシステムについては公知であるため、その詳細な説明については省略する。

［実施の形態２のヒータ通電制御］
上記実施の形態１においては、尿素噴射弁２０からの尿素水噴射が許可されている場合であって、ＮＯｘセンサ２２，２４の活性化が完了していないときに、排気温度を上昇させる排気温度上昇制御を実行した。本実施形態においては、この排気温度上昇制御の代わりに、ＮＯｘ触媒１８の下流を流れる排気量を増加させる排気量増加制御を実行する。排気量増加制御は、具体的に、スロットルバルブを開く、または、ＥＧＲバルブを閉じるといったアクチュエータの制御により行われる。

図５は、機関始動直後の露点の推移を示した図である。なお、排気量増加制御の実行は、排気温度上昇制御同様、図中に示す時刻ｔ_０から開始されるものとする。排気量増加制御を実行すれば、図２等で説明した水分量Ｗ_２を減少させることができる。水分量Ｗ_２を減少できれば、露点そのものをＴ_ｕｒｅａからＴ’_ｕｒｅａへと低下させることができる。従って、図５に示すように、壁温Ｔ_ｗａｌｌが露点を上回るまでの所要時間をｔ_１からｔ_３へと短縮できる。よって、ＮＯｘセンサ２４の内蔵ヒータに対する通電開始の極端な遅延を解消できる。

［実施の形態２における具体的処理］
次に、図６を参照しながら、上述した機能を実現するための具体的な処理について説明する。図６は、実施の形態２において、ＥＣＵ３０により実行されるヒータ通電制御処理ルーチンを示すフローチャートである。なお、図６に示すルーチンは、内燃機関１０の始動から停止までの間、定期的に繰り返して実行されるものとする。

図６のルーチンにおいて、先ずＥＣＵ３０は、ステップ１２２〜１２８の処理を実行する。これらのステップの処理は、図４のステップ１０２〜１０８の処理と同一である。

ステップ１２８において、ＮＯｘ触媒１８の活性化が未完了と判定された場合、ＥＣＵ３０は、今回の処理を終了する。ＮＯｘ触媒１８の活性化が完了したと判定された場合、尿素噴射弁２０からの尿素水噴射が許可されていると判断できる。そのため、ＥＣＵ３０は、ステップ１３０に進み、排気量増加制御を実行する。排気量増加制御の具体的内容については、既述のとおりである。

ステップ１１０に続いて、ＥＣＵ３０は、露点Ｔ’_ｕｒｅａを算出する（ステップ１３２）。露点Ｔ’_ｕｒｅａは、露点Ｔ_ｕｒｅａの算出手法に準じて算出される。具体的に、ＥＣＵ３０は、先ず、ステップ１３０の処理後に検出等される吸気湿度、空燃比および排気圧を、内部に記憶しておいたマップ等に適用して、水分量Ｗ_１を算出する。次に、ＥＣＵ３０は、ステップ１３０の処理後の排気流量Ｖを上記式（１）に適用してΔＷを算出する。最後に、ＥＣＵ３０は、算出した水分量Ｗ_１にΔＷを加算して水分量Ｗ_２を算出し、露点Ｔ’_ｕｒｅａを算出する。

次に、ＥＣＵ３０は、壁温Ｔ_ｗａｌｌ＞露点Ｔ’_ｕｒｅａの成否を判定する（ステップ１３４）。本ステップにおいて、壁温Ｔ_ｗａｌｌおよび露点Ｔ’_ｕｒｅａには、ステップ１０２およびステップ１１２でそれぞれ算出した値が用いられる。本ステップにおいて、壁温Ｔ_ｗａｌｌ≦露点Ｔ_ｕｒｅａと判定された場合、ＮＯｘ触媒１８の下流の排気通路１２内に結露水が生じる可能性があると判断できる。そのため、ＥＣＵ３０は、排気量増加制御の実行を一旦中止して今回の処理を終了する。一方、壁温Ｔ_ｗａｌｌ＞露点Ｔ’_ｕｒｅａと判定された場合、ＮＯｘ触媒１８の下流の排気通路１２内の水分が無くなったと判断できる。そのため、ＥＣＵ３０は、ステップ１３６に進み、ＮＯｘセンサ２４の内蔵ヒータへの通電を開始する。

以上、図６に示したルーチンによれば、ＮＯｘ触媒１８の活性化が完了したと判定された場合、排気量増加制御を実行できる。そのため、露点をＴ_ｕｒｅａからＴ’_ｕｒｅａへと低下させて、壁温Ｔ_ｗａｌｌが露点Ｔ’_ｕｒｅａを上回るまでの時間を短縮できる。従って、ＮＯｘセンサ２４のセンサ素子部への凝結水付着による被水割れを防止しつつ、その内蔵ヒータに対する通電開始の遅延を解消できる。

なお、上記実施の形態２においては、ＥＣＵ３０が図６のステップ１２８，１３０の処理を実行することにより上記第２の発明における「加熱前排気量増加制御手段」が実現されている。

実施の形態３．
次に、図７乃至図８を参照しながら、本発明の実施の形態３について説明する。
本実施形態の特徴は、上記実施の形態１のシステム構成において、図８に示す尿素水噴射量フィードバック制御処理ルーチンを実行する点にある。そのため、以下においては、この特徴部分についての説明を行い、上記実施の形態１との重複部分についてはその説明を省略する。

［実施の形態３の尿素水噴射量フィードバック制御］
上記実施の形態１の尿素水噴射量フィードバック制御においては、尿素噴射弁２０からの尿素水噴射が許可されている場合であって、ＮＯｘセンサ２２，２４の活性化が完了していないときは、尿素水噴射量Ｕを一時的に最大値Ｕ_ｍａｘに設定して噴射を開始する。この理由は、尿素水噴射量のフィードバック制御よりも、ＮＯｘ触媒１８でのＮＯｘ浄化を優先するためである。しかしながら、最大値Ｕ_ｍａｘでの噴射は、上述したΔＷの増加の他、ＮＯｘ触媒１８の劣化速度や、尿素水タンク内の尿素水の消費速度を上昇させるという問題がある。

ところで、ＮＯｘ触媒の浄化能力は、このＮＯｘ触媒に吸着しているアンモニアの量と相関がある。図７は、ＮＯｘ触媒上のアンモニア吸着量Ａ_ＮＨ３と、ＮＯｘ浄化率との関係を示した図である。図７に示すように、ＮＯｘ浄化率は、吸着量Ａ_ＮＨ３の増加とともに上昇するものの、ある吸着量Ａ_０を境に大幅に変化し概ね一定となる。つまり、吸着量Ａ_ＮＨ３が特定量Ａ_ｔｈ（Ａ_ｔｈ≧Ａ_０）以上であれば、ＮＯｘ浄化率は変わらない。そこで、本実施形態の尿素水噴射量フィードバック制御においては、ＮＯｘ触媒１８上のアンモニアの吸着量Ａ_ＮＨ３が上記特定量Ａ_ｔｈ以上の場合、尿素水噴射の許可を取り消すこととした。

尿素水噴射の許可を取り消せばＮＯｘ触媒１８への尿素水噴射が禁止され、尿素水タンク内の尿素水も消費されない。従って、本実施形態の尿素水噴射量フィードバック制御によれば、ＮＯｘ触媒１８に吸着しているアンモニアを有効活用してＮＯｘ浄化率を高水準に保ちながら、上述したΔＷの増加等の問題を解消できる。なお、上記特定量Ａ_ｔｈについては、予めシミュレーション等によって求められ、ＥＣＵ３０内に記憶されているものとする。

本実施形態において、吸着量Ａ_ＮＨ３は、尿素水噴射中にＮＯｘ触媒１８に吸着したもののＮＯｘと反応せずに残留した残留アンモニアと、上記尿素水噴射の禁止中にＮＯｘと反応して残留アンモニアとの収支を考慮して算出される。具体的に、内燃機関１０のｋ回目の始動の際にＮＯｘ触媒１８に吸着しているアンモニアの吸着量Ａ_ＮＨ３（ｋ）［ｇ］は、次式（２）により表される。

上記式（２）において、Ｔ_１（ｋ−１），Ｔ_１（ｋ−２）は、内燃機関１０のｋ−１回目，ｋ−２回目の始動から停止までの間における噴射許可期間［ｓｅｃ］である。また、Ｔ_２（ｋ−２）は、内燃機関１０のｋ−２回目の始動から停止までの間における噴射禁止期間［ｓｅｃ］である。また、尿素水噴射量Ｕ、α、βおよびγは上記式（１）と同一である。ＥＣＵ３０はその内部に上記式（２）を記憶しており、各種センサによって検出等される尿素水噴射量Ｕ、噴射許可期間Ｔ_１および噴射禁止期間Ｔ_２と、上記式（２）とから吸着量Ａ_ＮＨ３を推定する。

また、本実施形態の尿素水噴射量フィードバック制御においては、ＮＯｘセンサ２２，２４の活性化が完了したときに、上記尿素水噴射の禁止が解除される。上記尿素水噴射の禁止を解除すれば尿素水噴射が許可される。そして、ＮＯｘセンサ２２，２４の検出値に基づいて算出された尿素水量がＮＯｘ触媒１８に噴射され、排気中のＮＯｘ濃度が目標ＮＯｘ濃度範囲内に収められる。

［実施の形態３における具体的処理］
次に、図８を参照しながら、上述した機能を実現するための具体的な処理について説明する。図８は、実施の形態３において、ＥＣＵ３０により実行される尿素水噴射量フィードバック制御の処理ルーチンを示すフローチャートである。なお、図８に示すルーチンは、内燃機関１０の始動から停止までの間、定期的に繰り返して実行されるものとする。

図８のルーチンにおいて、先ずＥＣＵ３０は、尿素噴射要求の有無を判定する（ステップ１４２）。本ステップの処理は、図４のステップ１０８の処理と同一である。

ステップ１４２において、ＮＯｘ触媒１８の活性化が未完了と判定された場合、ＥＣＵ３０は、今回の処理を終了する。一方、ＮＯｘ触媒１８の活性化が完了したと判定された場合、ＥＣＵ３０は、噴射許可信号を発する（ステップ１４４）。本ステップの処理により、尿素噴射弁２０からの尿素水噴射が許可（ＯＮ）される。

次に、ＥＣＵ３０は、吸着量Ａ_ＮＨ３を算出する（ステップ１４６）。吸着量Ａ_ＮＨ３の算出手法は、既述のとおりである。

次に、ＥＣＵ３０は、吸着量Ａ_ＮＨ３＞特定量Ａ_ｔｈの成否を判定する（ステップ１４８）。本ステップにおいて、吸着量Ａ_ＮＨ３にはステップ１４６で算出した値が、特定量Ａ_ｔｈにはＥＣＵ３０内部に記憶されていた値が、それぞれ用いられる。本ステップにおいて、吸着量Ａ_ＮＨ３＞特定量Ａ_ｔｈと判定された場合、ＮＯｘ触媒１８の浄化能力に余裕があると判断できる。そのため、ＥＣＵ３０は、噴射禁止信号を発する（ステップ１５０）。本ステップの処理により、尿素噴射弁２０からの尿素水噴射が禁止（ＯＦＦ）される。

一方、ステップ１４８において、吸着量Ａ_ＮＨ３≦特定量Ａ_ｔｈと判定された場合、ＥＣＵ３０は、尿素水噴射量Ｕを最大値Ｕ_ｍａｘとする噴射開始信号を発する（ステップ１５２）。本ステップの処理により、最大値Ｕ_ｍａｘでの尿素水噴射が開始される。

ステップ１５０に続いて、ＥＣＵ３０は、ＮＯｘセンサ２２，２４の活性化が完了したか否かを判定する（ステップ１５４）。本ステップにおいて、ＮＯｘセンサ２２，２４の活性化が未完了と判定された場合、ＥＣＵ３０は、今回の処理を終了する。一方、ＮＯｘセンサ２２，２４の活性化が完了したと判定された場合、噴射許可信号を発する（ステップ１５６）。本ステップの処理により、尿素水噴射の禁止が解除され、尿素噴射弁２０からの尿素水噴射が許可（ＯＮ）される。

以上、図８に示したルーチンによれば、吸着量Ａ_ＮＨ３＞特定量Ａ_ｔｈと判定された場合は、ＮＯｘセンサ２２，２４の活性化が完了したと判定されるまで、尿素水噴射が禁止される。従って、ＮＯｘ触媒１８に吸着しているアンモニアを有効活用してＮＯｘ浄化率を高水準に保ちながら、上述したΔＷの増加等の問題を解消できる。

ところで、上記実施の形態３においては、特定量Ａ_ｔｈを閾値とし、吸着量Ａ_ＮＨ３＞特定量Ａ_ｔｈの場合に尿素水噴射の許可を取り消したが、尿素水噴射の許可を取り消さずに、最大値Ｕ_ｍａｘよりも少ない尿素水噴射量Ｕで尿素水噴射を行ってもよい。同様に、吸着量Ａ_ＮＨ３≦特定量Ａ_ｔｈの場合に、最大値Ｕ_ｍａｘよりも少ない尿素水噴射量Ｕで尿素水噴射を行ってもよい。この理由は、図７で説明したように、吸着量Ａ_ＮＨ３は吸着量Ａ_０を境にＮＯｘ浄化率が変化するためである。即ち、吸着量Ａ_ＮＨ３と吸着量Ａ_０との差ΔＡに基づいた尿素水噴射量Ｕでの尿素水噴射であれば、上記実施の形態３同様の効果を得ることができる。なお、この尿素水噴射量Ｕの設定に際しては、吸着量Ａ_ＮＨ３＞吸着量Ａ_０の場合と、吸着量Ａ_ＮＨ３≦吸着量Ａ_０の場合とで場合分けすることが望ましい。例えば、吸着量Ａ_ＮＨ３＞吸着量Ａ_０の場合は差ΔＡに応じた尿素水噴射量Ｕ_ΔＡとし、吸着量Ａ_ＮＨ３≦吸着量Ａ_０の場合は尿素水噴射量Ｕ_ΔＡ以下の量（≧０）とすることが望ましい。

なお、上記実施の形態３においては、ＥＣＵ３０が図８のステップ１４２〜１５２の処理を実行することにより上記第３の発明における「添加量算出手段」が実現されている。

１０内燃機関
１２排気通路
１８ＮＯｘ触媒
２０尿素噴射弁
２２，２４ＮＯｘセンサ
３０ＥＣＵ

Claims

内燃機関の排気通路に設けられ、排気中の窒素酸化物を窒素に還元するＮＯｘ触媒と、
前記排気通路の前記ＮＯｘ触媒よりも上流側から尿素水を添加する尿素水添加手段と、
前記排気通路の前記ＮＯｘ触媒よりも下流側に設けられ、素子部と該素子部を加熱する加熱手段とを備え、排気中の特定成分を検出する排気センサと、
前記尿素水添加手段からの尿素水添加が許可された場合、前記加熱手段による前記素子部の加熱前に、前記排気センサ設置箇所を流れる排気温度を上昇させる加熱前排気温度上昇制御手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記尿素水添加手段からの尿素水添加が許可された場合、前記加熱手段による前記素子部の加熱前に、前記排気センサ設置箇所を流れる排気量を増加させる加熱前排気量増加制御手段を更に備え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。
前記尿素水添加手段からの尿素水添加が許可された場合、前記ＮＯｘ触媒に吸着したアンモニア量と設定量との差分に基づいて、前記尿素水添加手段からの尿素水添加量を設定する添加量算出手段を更に備えることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
前記添加量算出手段は、前記アンモニア量が前記設定量よりも少ない場合、前記差分に応じて前記尿素水添加量を設定し、前記アンモニア量が前記設定量よりも多い場合、前記尿素水添加量をゼロ以上かつ前記差分に応じて設定する尿素水添加量の最小値以下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。