JP2016188584A - エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】尿素水を噴射して排気ガスに含まれるＮＯｘを低減するエンジンにおいて、アンモニア酸化触媒の容量を低減可能であるとともに、固体付着物の堆積を防止する構成を提供する。【解決手段】エンジンは、尿素水噴射部と、ＳＣＲ触媒と、制御部と、を備える。尿素水噴射部は、排気ガスが通過する経路に尿素水を噴射する。ＳＣＲ触媒は、排気ガスが通過する経路に配置され、尿素水噴射部が噴射した尿素から得られるアンモニアを取り込むことで、通過する排気ガスに含まれる窒素酸化物を除去する。制御部は、噴射される尿素水から得られるアンモニアの物質量と、排気ガスに含まれる窒素酸化物の物質量と、の比に基づいて相対上限値を算出し、尿素水噴射部が噴射する尿素水の噴射量又は当該噴射量から得られるアンモニア量が相対上限値を超えないように、尿素水噴射部による尿素水の噴射量を決定する。【選択図】図７

Description

本発明は、尿素水を噴射して排気ガスに含まれる窒素酸化物を除去するエンジンに関する。

従来から、選択触媒還元（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ、ＳＣＲ）を用いて排気ガスに含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）を除去するエンジンが知られている。この種のエンジンは、尿素水を噴射する尿素水噴射部と、ＳＣＲ触媒と、を備える。尿素水噴射部は、排気ガスが通る経路に尿素水を噴射する。尿素水に含まれる尿素は、高温の排気ガスに触れることで、加水分解してアンモニアとなる。ＳＣＲ触媒は、アンモニアを吸着するゼオライト又はセラミック等の素材で構成されている。排気ガスに含まれるＮＯｘは、アンモニアを吸着したＳＣＲ触媒に触れることで還元され、窒素と水に変化する。これにより、ＮＯｘの排出量を低減することができる。特許文献１は、この種の技術を開示する。

特許文献１のＳＣＲシステムは、ＳＣＲ触媒の上流と下流に配置したＮＯｘセンサの検出量に基づいて尿素水の噴射量を制御する。なお、ＳＣＲシステムは、ＮＯｘセンサが利用できない場合（エンジンの始動後等）においては、エンジン回転数及び燃料噴射量に加え、大気圧、外気温度、及び冷却水温度に基づいて尿素水の噴射量を決定する。

特開２０１３−７２３９１号公報

しかし、特許文献１では、ＮＯｘセンサが検出したＮＯｘ量に基づいて尿素水の噴射量を決定する旨は記載されているが、尿素水の噴射量の具体的な算出方法は記載されていない。仮に尿素水の噴射量が多過ぎる場合、アンモニアが過剰に生成される。この場合、アンモニアが外部に排出されることを防止するために、アンモニア酸化触媒を大量に配置する必要がある。また、尿素水の噴射量が多過ぎる場合には、尿素又はその化合物の固体付着物（デポジット）が排気管に堆積する可能性がある。なお、尿素水の噴射量が少な過ぎる場合は、ＳＣＲ触媒のアンモニアの吸着量が少なくなるため、ＮＯｘの排出量をあまり低減できない可能性がある。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その主要な目的は、尿素水を噴射して排気ガスに含まれるＮＯｘを低減するエンジンにおいて、アンモニア酸化触媒の容量を低減可能であるとともに、固体付着物の堆積を防止する構成を提供することにある。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。

本発明の観点によれば、以下の構成のエンジンが提供される。即ち、このエンジンは、尿素水噴射部と、ＳＣＲ触媒と、制御部と、を備える。前記尿素水噴射部は、排気ガスが通過する経路に尿素水を噴射する。前記ＳＣＲ触媒は、排気ガスが通過する経路に配置され、前記尿素水噴射部が噴射した尿素から得られるアンモニアを取り込むことで、通過する排気ガスに含まれる窒素酸化物を除去する。前記制御部は、噴射される尿素水から得られるアンモニアの物質量と、排気ガスに含まれる窒素酸化物の物質量と、の比に基づいて相対上限値を算出し、前記尿素水噴射部が噴射する尿素水の噴射量又は当該噴射量から得られるアンモニア量が前記相対上限値を超えないように、前記尿素水噴射部による尿素水の噴射量を決定する。

これにより、尿素水の噴射量が過剰になることを防止できる。特にアンモニアと窒素酸化物の物質量の比を用いることで、アンモニアがＳＣＲ触媒に吸着されずにＳＣＲ触媒を通過することを防止できる。そのため、アンモニア酸化触媒の容量を低減したりアンモニア酸化触媒を省略したりすることができる。

前記のエンジンにおいては、前記制御部は、少なくとも、前記ＳＣＲ触媒の温度と、排気ガスの質量流量と、に基づいて前記相対上限値を算出することが好ましい。

これにより、より適切な相対上限値を設定できるので、アンモニアがＳＣＲ触媒を通過することを一層確実に防止することができる。

前記のエンジンにおいては、前記制御部は、他物質の量に依存しない上限値である絶対上限値を算出し、前記尿素水噴射部が噴射する尿素水の噴射量又は当該噴射量から得られるアンモニア量が絶対上限値を超えないように、前記尿素水噴射部による尿素水の噴射量を決定することが好ましい。

これにより、尿素水の噴射量が過剰になることを一層確実に防止できる。特に、窒素酸化物との比率だけでなく、尿素水の噴射量（アンモニア量）にも上限を設けることで、尿素又はその化合物の固体付着物（デポジット）が排気管に堆積することを一層確実に防止できる。

前記のエンジンにおいては、以下の構成とすることが好ましい。即ち、前記ＳＣＲ触媒に吸着されているアンモニア量の算出結果と、前記ＳＣＲ触媒に吸着させるアンモニア量の目標値と、に基づいて、尿素水の噴射量又は当該噴射量から得られるアンモニア量の要求量を算出する。前記要求量と、前記相対上限値と、前記絶対上限値と、のうち最も少ない値に基づいて、尿素水の噴射量を決定する。

これにより、尿素水の噴射量が過剰になることを防止しつつ、要求量が上限値を下回る場合は、必要十分な尿素水を噴射することができる。

本発明の一実施形態に係るエンジンの斜視図。 エンジンの吸気及び排気の流れを模式的に示す説明図。 エンジン制御に係るブロック図。 要求されるアンモニアの流量をフィードバック制御及びフィードフォワード制御を用いて決定する処理を示す図。 ＳＣＲ触媒へのアンモニア吸着量の変化量の時間変化を示すグラフ。 ＡＮＲの時間変化を示すグラフ。 ＡＮＲに基づくアンモニア流量の相対上限値を求める処理を示す図。 要求アンモニア流量、絶対上限値、及び相対上限値から尿素水の噴射量を決定する処理を示す図。 本実施形態のエンジンをトラクタに適用した様子を示す側面図。 本実施形態のエンジンをコンバインに適用した様子を示す側面図。 本実施形態のエンジンをスキッドステアローダに適用した様子を示す側面図。

次に、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。初めに図１から図３を参照して、本実施形態のエンジン１００の基本的な構成について説明する。エンジン１００は、ディーゼルエンジンであり、トラクタ等の農業機械及びスキッドステアローダ等の建設機械等に搭載される。

図１及び図２に示すように、エンジン１００は、吸気系の部材として、吸入部１１と、過給機１２と、吸気スロットル（吸気絞り装置）１４と、吸気マニホールド１５と、を備える。吸入部１１から吸入された気体は、過給機１２にて圧縮された後に、吸気スロットル１４を介して、吸気マニホールド１５へ供給される。吸気マニホールド１５には、図２に示すように、吸気温度センサ８４が取り付けられている。吸気温度センサ８４は、吸気マニホールド１５内の気体の温度を検出してＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）８０へ出力する。

図３に示すように、エンジン１００は、ＥＣＵ８０を備える。ＥＣＵ８０は、ＣＰＵ等から構成される演算部と、ＲＯＭ及びＲＡＭ等から構成される記憶部と、を備える。演算部は、センサ群の様々なセンサからの情報に基づいて、アクチュエータ群の様々なアクチュエータに制御指令を送り、エンジン１００の動作に関する値（例えば、燃料噴射量や、空気吸入量や、排気ガス還元量等）を制御する。記憶部は、各種プログラムを記憶するとともに、エンジン１００の制御に関して予め設定された複数の制御情報を記憶している。

図３に示すように、エンジン１００は、冷却水の温度を検出してＥＣＵ８０へ出力する冷却水温度センサ８１と、大気圧を検出してＥＣＵ８０へ出力する大気圧センサ８２と、を備える。

吸気マニホールド１５の下方には図略のコモンレールが配置されている。コモンレールは、燃料を高圧で蓄え、シリンダヘッドに配置されたインジェクタ２３（燃料噴射装置、図２を参照）へ供給する。

インジェクタ２３は、インジェクタ電磁弁２４（図３を参照）を備える。インジェクタ電磁弁２４は、ＥＣＵ８０の指示に応じたタイミングで開閉することにより、燃焼室に燃料を噴射する。

なお、エンジン１００は、エンジン回転数（回転速度、所定時間あたりのクランクシャフトの回転数）を検出するエンジン回転数検出センサ８３を備える。エンジン回転数検出センサ８３は、検出したエンジン回転数をＥＣＵ８０へ出力する。

また、図１及び図２に示すように、エンジン１００は、排気マニホールド３１と、ＥＧＲ装置３２と、排気ガス浄化装置４０と、を備える。

排気マニホールド３１には、排気温度センサ８５が取り付けられている。排気温度センサ８５は、排気マニホールド３１内の気体の温度を検出してＥＣＵ８０へ出力する。排気マニホールド３１を通過した気体は、一部がＥＧＲ装置３２へ供給されるとともに、残りが排気ガス浄化装置４０へ供給される。

ＥＧＲ装置３２は、ＥＧＲクーラ３３と、ＥＧＲ管３４と、ＥＧＲバルブ３５と、を備えている。ＥＧＲバルブ３５のバルブ開度は、ＥＣＵ８０によって制御される。

排気ガス浄化装置４０は、ＤＰＦ装置５０と、ＳＣＲ装置６０と、を備える。エンジン１００は、排気ガス浄化装置４０の支持及び固定を行う部材として、支持台４１と、ケース固定体４２と、ケース締結バンド４３と、を備える。

支持台４１は、シリンダヘッドの上部に配置され、縁が下方に折り曲げられた矩形状の部材である。ケース固定体４２は、支持台４１の上部に配置され、ＤＰＦ装置５０及びＳＣＲ装置６０の下方に接触する部材である。ケース締結バンド４３は、ケース固定体４２に取り付け可能に構成された可撓性を有する部材である。ケース固定体４２及びケース締結バンド４３でＤＰＦ装置５０及びＳＣＲ装置６０を挟み込むことで、ＤＰＦ装置５０及びＳＣＲ装置６０が固定される。

ＤＰＦ装置５０は、排気ガスに含まれる粒子状物質（ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ｍａｔｔｅｒ、ＰＭ）を除去する。ＤＰＦ装置５０は、ＤＰＦケース５１と、酸化触媒５２と、フィルタ５３と、を備える。

ＤＰＦケース５１は、略円筒状の中空の部材であり、内部に酸化触媒５２及びフィルタ５３が配置される。酸化触媒５２は、白金等で構成されており、排気ガスに含まれる未燃燃料、一酸化炭素、一酸化窒素等を酸化（燃焼）するための触媒である。フィルタ５３は、例えばウォールフロー型のフィルタとして構成されており、酸化触媒５２で処理された排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集する。

また、ＤＰＦケース５１には、酸化触媒温度センサ８６と、フィルタ温度センサ８７と、差圧センサ８８と、が取り付けられている。酸化触媒温度センサ８６は、ＤＰＦケース５１の入口近傍（酸化触媒５２の排気上流側）の温度を検出してＥＣＵ８０へ出力する。フィルタ温度センサ８７は、酸化触媒５２及びフィルタ５３の間（フィルタ５３の上流側）の温度を検出してＥＣＵ８０へ出力する。差圧センサ８８は、フィルタ５３の上流側（酸化触媒５２の下流側）と、フィルタ５３の下流側の圧力差を検出してＥＣＵ８０へ出力する。

ＤＰＦ装置５０を通過した排気ガスは、ＤＰＦ出口管４４、尿素混合管４５、及びＳＣＲ入口管４６を経由して、ＳＣＲ装置６０へ送られる。ＤＰＦ出口管４４は、ＤＰＦ装置５０の下流側の端部と接続されている。ＤＰＦ出口管４４には、排気ガスのＮＯｘ濃度を検出する上流ＮＯｘセンサ８９が取り付けられている。上流ＮＯｘセンサ８９は、検出したＮＯｘ濃度をＥＣＵ８０へ出力する。

尿素混合管４５は、ＤＰＦ出口管４４と略直角をなすように接続されている。尿素混合管４５の長手方向は、ＤＰＦ装置５０及びＳＣＲ装置６０の長手方向と平行である。尿素混合管４５の上流側の端部近傍には、尿素水噴射部４７が取り付けられている。尿素水噴射部４７は、尿素水を噴射する尿素水噴射ノズル４７ａと、尿素水噴射ノズル４７ａに尿素水を供給する尿素水噴射管４７ｂと、を備える。尿素混合管４５に尿素水を噴射することで、尿素が加水分解してアンモニアが発生する。

なお、尿素水噴射部４７は、ＤＣＵ（Ｄｏｓｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）９５によって、尿素水の噴射の有無及び噴射量が制御されている。ＤＣＵ９５は、例えば排気ガスの温度が、尿素がアンモニアに加水分解する温度を経過したときに、尿素水の噴射を開始する。以下では、ＥＣＵ８０及びＤＣＵ９５をまとめて制御部９８と称することがある。

ＳＣＲ装置６０は、ＳＣＲ入口管４６を介して導入された排気ガスに含まれるＮＯｘを除去する。ＳＣＲ装置６０は、ＳＣＲケース６１と、ＳＣＲ触媒６２と、アンモニア酸化触媒６３と、を備える。

ＳＣＲケース６１は、略円筒状の中空の部材であり、内部にＳＣＲ触媒６２及びアンモニア酸化触媒６３が配置される。ＳＣＲ触媒６２は、アンモニアを吸着するゼオライト又はセラミック等の素材で構成されている。尿素水噴射部４７が尿素水を噴射することで生成されたアンモニアはＳＣＲ触媒６２に吸着する。排気ガスに含まれるＮＯｘは、アンモニアを吸着したＳＣＲ触媒６２に触れることで還元され、窒素と水に変化する。

アンモニア酸化触媒６３は、ＳＣＲ触媒６２から脱離したりＳＣＲ触媒６２に吸着されなかったアンモニアが外部に放出されることを防止する触媒である。アンモニア酸化触媒６３は、アンモニアを酸化させる白金等の酸化触媒であり、アンモニアを酸化させて窒素、一酸化酸素、水等に変化させる。この酸化反応は比較的高温（例えば１８０℃以上）でないと生じにくい。排気ガスは、アンモニア酸化触媒６３を通過した後に所定の排気管を通った後に外部へ放出される。以上のように尿素水噴射部４７及びＳＣＲ触媒６２を備えることで、排気ガスに含まれるＮＯｘを除去することができる。

また、ＳＣＲ触媒６２の上流側には、ＳＣＲ触媒入口温度センサ９０が取り付けられている。ＳＣＲ触媒入口温度センサ９０は、ＳＣＲ触媒６２の直ぐ上流の温度（以下、ＳＣＲ触媒入口温度）を検出してＥＣＵ８０へ出力する。ＳＣＲ触媒入口温度は、ＳＣＲ触媒６２へ供給される排気ガスの温度を検出するため等に用いられている。なお、ＥＣＵ８０は、ＳＣＲ触媒入口温度、ＳＣＲ触媒６２の触媒容積、及び排気ガス質量流量等に基づいて、ＳＣＲ触媒６２の温度を推定している（以下、ＳＣＲ触媒推定温度）。ここで、排気ガスの質量流量はエンジンの運転状態等に基づいて演算によって求められる。

また、アンモニア酸化触媒６３の下流側には、下流ＮＯｘセンサ９１が取り付けられている。下流ＮＯｘセンサ９１は、検出したＮＯｘ濃度をＥＣＵ８０へ出力する。

次に、図４から図８を参照して、尿素水の噴射量を算出する制御について説明する。なお、以下の処理では、「ＳＣＲ触媒温度」として、上述のＳＣＲ触媒推定温度を用いても良いし、ＳＣＲ触媒入口温度を用いても良い。また、ＳＣＲ触媒６２の下流に温度センサを設けてその温度センサの検出値をＳＣＲ触媒温度として用いても良いし、上流及び下流に温度センサを設けてそれらの検出値の平均値等をＳＣＲ触媒温度として用いても良い。

本実施形態では、尿素水の噴射量を決定する前段階として、現在の排気ガスに含まれるＮＯｘを除去するために必要なアンモニアの流量（以下、要求アンモニア流量）を算出する。要求アンモニア流量は、単位時間あたりに流れるアンモニア量（質量又は物質量）を示している。初めに、図４を参照して、要求アンモニア流量の算出方法について説明する。

制御部９８は、エンジン１００の運転状況に基づいて、単位時間あたりに流れる排気ガスに含まれるＮＯｘ量（質量又は物質量）を算出する。そして、制御部９８は、算出したＮＯｘ量を除去するためにＳＣＲ触媒６２に吸着させる必要があるアンモニア量（目標アンモニア吸着量）を算出する。制御部９８は、目標アンモニア吸着量と、ＳＣＲ触媒６２の現在のアンモニアの吸着量（現在アンモニア吸着量）と、の偏差をゼロに近づけるように尿素水の噴射量をフィードバック制御する。

ここで、現在アンモニア吸着量は、センサによって検出することはできないので、制御部９８は、演算によって現在アンモニア吸着量を算出する。具体的に説明すると、初めに制御部９８は、上流ＮＯｘセンサ８９と下流ＮＯｘセンサ９１の検出値の差分からＮＯｘ浄化率を算出する。ＮＯｘ浄化率からはＳＣＲ触媒６２に吸着したアンモニア量が推定できる。制御部９８は、ＮＯｘ浄化率と、尿素水の噴射量（即ちアンモニアの供給量）と、に基づいて現在アンモニア吸着量を算出する。なお、ＮＯｘ浄化率は、ＮＯｘセンサを用いずに、例えばＳＣＲ触媒温度、排気ガスの質量流量、及びＤＰＦ装置５０（酸化触媒５２）の温度等に基づいて算出しても良い。

制御部９８は、上記のようにして算出した目標アンモニア吸着量から現在アンモニア吸着量を減算して偏差を求める（処理Ｐ１）。次に、制御部９８は、偏差に比例ゲインを乗じることで、吸着量を調整するためのアンモニア流量（吸着量調整用アンモニア流量）を算出する（処理Ｐ２）。

要求アンモニア流量の算出には、フィードバック制御に付加してフィードフォワード制御も行われている。制御部９８は、フィードフォーワード制御によって得られたアンモニア流量に、処理Ｐ２で求めた吸着量調整用アンモニア流量を加算して、要求アンモニア流量を算出する（処理Ｐ３）。このように、現在アンモニア吸着量を目標アンモニア吸着量に近づけるようにフィードバック制御及びフィードフォワード制御を行うことで、尿素水の噴射量を適切にすることができる。

しかし、このようにして算出された要求アンモニア流量のみに基づいて尿素水の噴射量を決定すると、以下で説明する課題が生じる。図５のグラフは、図４に示す処理に基づいて尿素水を噴射した場合におけるアンモニア吸着変化量の時間変化を示している。アンモニア吸着変化量とは、単位時間あたりにＳＣＲ触媒６２に吸着するアンモニアの質量である。なお、ＳＣＲ触媒６２の吸着量が少ない場合（例えばエンジン始動直後）、アンモニア吸着変化量は、アンモニアの供給量（即ち尿素水の噴射量）と同様の挙動を示す。ここで、ＳＣＲ触媒６２の吸着量が少ない場合、目標アンモニア吸着量と現在アンモニア吸着量との差（偏差）が大きくなるため、尿素水が大量に噴射される。その結果、尿素又はその化合物の固体付着物（デポジット）が尿素混合管４５又はＳＣＲ入口管４６に堆積する可能性がある。

図６のグラフは、図４に示す処理に基づいて尿素水を噴射した場合におけるアンモニア窒素酸化物比率（以下、ＡＮＲ）の時間経過を示している。ＡＮＲとは、噴射される尿素水から得られるアンモニアの物質量と、排気ガスに含まれる窒素酸化物の物質量と、の比を示す値である。ＡＮＲが大きい場合、ＳＣＲ触媒６２がアンモニアを吸着し切れずにＳＣＲ触媒６２を通過することがある。ＳＣＲ触媒６２を通過したアンモニアはアンモニア酸化触媒６３によって酸化されるが、アンモニアの排出を確実に防止するため、かつ、アンモニア酸化触媒６３の容量を低減するため、アンモニアがＳＣＲ触媒６２を通過しないことが好ましい。

次に、図７及び図８を参照して、アンモニアが大量に供給されることを防止する処理について説明する。

制御部９８は、上記のＡＮＲを考慮してアンモニア流量の上限値を算出する。この上限値はＮＯｘの物質量を考慮して決定される相対的な値であるため、以下ではこの上限値を相対上限値と称する。制御部９８は、図４に示す処理で求めた要求アンモニア流量をアンモニアの分子量で除することで、単位時間あたりに供給されるアンモニアの物質量を算出する（処理Ｐ４）。また、制御部９８は、上流ＮＯｘセンサ８９から得られる値等からＮＯｘ流量を取得し、これをＮＯｘの分子量で除することで、単位時間あたりに供給されるＮＯｘの物質量を算出する（処理Ｐ５）。次に、制御部９８は、処理Ｐ４で求めたアンモニアの物質量を、処理Ｐ５で求めたＮＯｘの物質量で除することでＡＮＲを求める（処理Ｐ６）。

また、制御部９８は、ＡＮＲの上限値（上限ＡＮＲ）を算出する上限ＡＮＲマップを有している。制御部９８は、ＳＣＲ触媒温度と排気ガス質量流量とを上限ＡＮＲマップに適用することで、上限ＡＮＲを求める（処理Ｐ７）。ここで、ＳＣＲ触媒温度が高いほど、ＳＣＲ触媒６２に吸着できるアンモニアの量が低減するため、アンモニアがＳＣＲ触媒６２を通過し易くなる。そのため、上限ＡＮＲマップは、ＳＣＲ触媒温度が高いほど、低い上限ＡＮＲが求められるように構成されている。また、例えば排気ガス流量が大きい場合、相対的に触媒の処理能力が低下するため、排気ガス流量が大きい場合は触媒出口からアンモニアが外部に排出されないように低い上限ＡＮＲが求められるように構成されている。

ここで、ＳＣＲ触媒６２は、主として以下の酸化還元反応によりＮＯｘを除去する。
４ＮＨ₃＋４ＮＯ＋０₂→４Ｎ₂＋６Ｈ₂Ｏ
２ＮＨ₃＋ＮＯ＋Ｎ０₂→２Ｎ₂＋３Ｈ₂Ｏ
８ＮＨ₃＋６Ｎ０₂→７Ｎ₂＋１２Ｈ₂Ｏ
このように、アンモニアとＮＯｘは略１対１で反応するため、例えば２以上の値又は３以上の値を上限ＡＮＲとして採用することができる。

なお、大気圧が低い環境（高地）又は外気温度が低い環境でエンジン１００が使用される場合、ＮＯｘの排出に関する規制が緩くなることがある。この場合、尿素水の噴射量を低くしてもＮＯｘに関する規制を満たすことができる。そのため、制御部９８は、大気圧及び外気温度のうち少なくとも何れかに基づいて、上限ＡＮＲを補正しても良い。なお、大気圧は大気圧センサ８２によって検出され、外気温度は、吸気温度センサ８４又は冷却水温度センサ８１等によって検出される。

次に、制御部９８は、処理Ｐ６で算出したＡＮＲと、処理Ｐ７で算出した上限ＡＮＲと、を比較し、小さい方を出力する（処理Ｐ８）。具体的には、制御部９８は、処理Ｐ６で算出したＡＮＲが上限ＡＮＲ以下である場合は、処理Ｐ６で算出したＡＮＲを出力し、処理Ｐ６で算出したＡＮＲが上限ＡＮＲより大きい場合は上限ＡＮＲを出力する。制御部９８は、処理Ｐ８で出力された値をアンモニアの分子量で除するとともに（処理Ｐ９）、処理Ｐ５で算出されたＮＯｘの物質量で除することで（処理Ｐ１０）、上限ＡＮＲを考慮したアンモニア流量の相対上限値を算出する。

制御部９８は、アンモニア流量の相対上限値だけでなく、アンモニア流量自体（他物質と比較した相対量ではなく絶対量）を用いてアンモニア流量の上限値（以下、絶対上限値）を算出する。この絶対上限値を算出する際にも、大気圧及び外気温度のうち少なくとも何れかを用いても補正を行っても良い。特に、外気温度が低い場合は尿素の化合物の固体付着物が発生し易くなるため、これを防止するためにも絶対上限値を小さくすることが好ましい。

制御部９８は、アンモニア流量の相対上限値と、アンモニア流量の絶対上限値と、を比較して、小さい方の上限値を出力する（図８の処理Ｐ１１）。次に、制御部９８は、処理Ｐ３で算出した要求アンモニア流量と、処理Ｐ１１で出力した小さい方の上限値と、を比較し、小さい方を確定アンモニア流量とする（処理Ｐ１２）。制御部９８は、この確定アンモニア流量に基づいて尿素水の噴射量を決定して尿素水噴射部４７を制御する。なお、上記で説明した処理は所定のタイミング毎に行われており、ＳＣＲ触媒６２の吸着量、エンジン運転状態、各部の温度等に基づいて尿素水の噴射量が制御される。なお、以上の制御は、制御部９８（ＥＣＵ８０及びＤＣＵ９５）で行われるが、ＥＣＵ８０が単独で行っても良いし、ＤＣＵ９５が単独で行っても良い。

以上のようにして尿素水の噴射量を決定することにより、尿素水の噴射量が過剰になることを防止できる。特にＡＮＲを用いて相対上限値を設けることで、アンモニアがＳＣＲ触媒６２に吸収されずに通過することを防止できる。また、相対上限値だけでなく、ＮＯｘの物質量に依存しない絶対上限値を設けることで、尿素又はその化合物の固体付着物が排気管に堆積することを防止できる。

次に、上記で説明したエンジン１００を農業機械及び建設機械に適用した例について説明する。なお、以下の説明では、単に「左側」「右側」等というときは、車両が前進する方向に向かって左側及び右側を意味するものとする。

初めに、図９を参照して、上記のエンジン１００を備えるトラクタ１１０について説明する。トラクタ１１０は、農業作業用の作業車両であり、ロータリ、ローダ、プラウ、ボックススクレーパー等の各種の作業機（アタッチメント）を必要に応じて装着し、作業機を用いた各種の作業を行うことができる。

トラクタ１１０は、車体１１１と、左右一対の前輪１１２と、左右一対の後輪１１３と、を備える。車体１１１の前部にはボンネット１１４が配置されており、当該ボンネット１１４の内部にはエンジン１００が配置されている。

ボンネット１１４の内部であって、冷却ファン４の向かいにはラジエータ５が配置されている。また、ボンネット１１４の内部には、エアクリーナ１２２が配置されている。エアクリーナ１２２は、吸入された外気に含まれる塵等を除去する。

左右一対の後輪１１３の間には、ミッションケース１１５が配置されている。エンジン１００の出力は、このミッションケース１１５内の変速装置によって変速されて、後輪１１３及び作業機へ伝達される。

ミッションケース１１５の後部には、ロワーリンク１１６、トップリンク１１７、及びＰＴＯ軸１１８が配置されている。また、ミッションケース１１５の上部には、作業機は、ロワーリンク１１６及びトップリンク１１７に連結され、ＰＴＯ軸１１８によって駆動される。

ミッションケース１１５の上方であってボンネット１１４の後方には、オペレータが搭乗するためのキャビン１１９が配置されている。キャビン１１９の内部には、運転座席が設けられており、運転座席の近傍にはオペレータが操作するための多数の操作具が設けられている。

キャビン１１９の下方には、尿素水タンク１２０及び燃料タンク１２１が配置されている。尿素水タンク１２０は、尿素水噴射管４７ｂによって尿素水噴射ノズル４７ａに接続されている。

次に、図１０を参照して、上記のエンジン１００を備えるコンバイン１３０について説明する。コンバイン１３０は、いわゆる自脱型コンバインとして構成されている。コンバイン１３０の機体１３１の下部には、機体１３１を走行させるためのクローラ部１３２が設けられている。また、コンバイン１３０は、稲、麦等の穀稈の株元を刈り取るための刈取部１３３を機体１３１の前方に備えている。

刈取部１３３は、複数の分草体と刈取刃を備えている。複数の分草体は、穀稈を刈り取るべき幅を規定したり、倒れた状態の穀稈をすくい上げたりするものである。分草体の間に差し込まれた穀稈は、その根元付近を刈取刃によって切断され、刈り取られる。

また、刈取部１３３は、図略の昇降機構を介して、コンバイン１３０の機体１３１に連結されている。この昇降機構は、刈取部１３３を上下に昇降駆動することが可能に構成されている。これにより、圃場の傾斜等に応じて刈取部１３３の高さを適切な高さに調整し、刈取りを適切に行うことができる。

刈取部１３３の後方であってコンバイン１３０の左側には、脱穀装置１３４が設けられている。脱穀装置１３４は、刈取部１３３で刈り取った穀稈を脱穀する。脱穀装置１３４の下方には選別装置１３５が設けられている。選別装置１３５は、脱穀装置１３４で脱穀された穀粒を選別して取り出す。

刈取部１３３の後方であってコンバイン１３０の右側には、グレンタンク１３６が設けられている。グレンタンク１３６は、選別装置１３５で選別された穀粒を貯留する。グレンタンク１３６に貯留された穀粒は、排出オーガ１３７によって外部に排出される。

グレンタンク１３６の前方には、オペレータが搭乗するためのキャビン１３８が配置されている。このキャビン１３８の内部には、運転座席が設けられており、運転座席の近傍にはオペレータが操作するための多数の操作具が設けられている。

キャビン１３８の下方には、エンジン１００が配置されている。エンジン１００の冷却ファン４の向かいには図略のラジエータが配置されている。また、キャビン１３８の後方には、プリクリーナ１３９が配置されている。プリクリーナ１３９から吸入された外気は、図略のエアクリーナを経由することで塵等が除去される。なお、エンジン１００の近傍には、尿素水タンク１４０が配置される。

穀稈から穀粒が取り除かれた藁屑は、後方へ搬送され、図略の排藁カッタ装置によって適宜の長さに切り刻まれ、機外へ排出される。

次に、図１１を参照して、上記のエンジン１００を備えるスキッドステアローダ１５０について説明する。スキッドステアローダ１５０は、後述するローダ装置１５１を装着し、ローダ作業を行うように構成されている。スキッドステアローダ１５０には、左右一対のクローラ部１５２が装着されている。クローラ部１５２の上方には、ボンネット１５３が配置されている。

ボンネット１５３の内部には、エンジン１００が配置されている。また、ボンネット１５３の内部であって、エンジン１００の冷却ファン４の向かいにはラジエータ５が配置されている。また、ボンネット１５３の内部であってエンジン１００の前方には、尿素水タンク１５４が配置されている。

エンジン１００の前方には、油圧ポンプ１５５と、トランスミッション装置１５６と、が配置されている。エンジン１００の動力は、トランスミッション装置１５６を介して、クローラ部１５２に伝達される。

ボンネット１５３の前方には、オペレータが搭乗するキャビン１５７が配置されている。キャビン１５７の内部には運転座席が設けられており、運転座席の近傍にはオペレータが操作するための多数の操作具が設けられている。

また、ローダ装置１５１は、左右両側に配置されたローダポスト１５８と、各ローダポスト１５８の上部に回動可能に連結された左右一対のリフトアーム１５９と、リフトアーム１５９の先端部に回動可能に連結されたバケット１６０とを有している。

各ローダポスト１５８とリフトアーム１５９との間には、リフトアーム１５９を上下に回動させるためのリフトシリンダ１６１がそれぞれ設けられている。リフトアーム１５９とバケット１６０との間には、バケット１６０を上下に回動させるためのバケットシリンダ１６２が設けられている。オペレータが図略の操作具を操作することにより、油圧ポンプ１５５の油圧力が制御される。これにより、リフトシリンダ１６１又はバケットシリンダ１６２が伸縮して、リフトアーム１５９又はバケット１６０が回動する。オペレータは、このようにして土砂等の運搬作業を行うことができる。

以上に説明したように、本実施形態のエンジン１００は、尿素水噴射部４７と、ＳＣＲ触媒６２と、制御部９８と、を備える。尿素水噴射部４７は、排気ガスが通過する経路（尿素混合管４５及びＳＣＲ入口管４６等）に尿素水を噴射する。ＳＣＲ触媒６２は、排気ガスが通過する経路に配置され、尿素水噴射部４７が噴射した尿素から得られるアンモニアを取り込むことで、通過する排気ガスに含まれる窒素酸化物を除去する。制御部９８は、噴射される尿素水から得られるアンモニアの物質量と、排気ガスに含まれる窒素酸化物の物質量と、の比に基づいて相対上限値を算出し、尿素水噴射部４７が噴射する尿素水の噴射量から得られるアンモニア量が相対上限値を超えないように、尿素水噴射部４７による尿素水の噴射量を決定する。

これにより、尿素水の噴射量が過剰になることを防止できる。特にアンモニアと窒素酸化物の物質量の比を用いることで、アンモニアがＳＣＲ触媒６２に吸着されずにＳＣＲ触媒６２を通過することを防止できる。そのため、アンモニア酸化触媒６３の容量を低減したりアンモニア酸化触媒６３を省略したりすることができる。

また、本実施形態のエンジン１００の制御部９８は、ＳＣＲ触媒温度と、排気ガス質量流量と、に基づいて相対上限値を算出する。

これにより、より適切な相対上限値を設定できるので、アンモニアがＳＣＲ触媒６２を通過することを一層確実に防止することができる。

また、本実施形態のエンジン１００の制御部９８は、他物質の量に依存しない上限値である絶対上限値を算出し、尿素水噴射部４７から噴射量される尿素から得られるアンモニア量が絶対上限値を超えないように尿素水の噴射量を決定する。

これにより、尿素水の噴射量が過剰になることを一層確実に防止できる。特に、窒素酸化物との比率だけでなく、尿素水の噴射量（アンモニア量）にも上限を設けることで、尿素又はその化合物の固体付着物（デポジット）が排気管に堆積することを一層確実に防止できる。

また、本実施形態のエンジン１００の制御部９８は、ＳＣＲ触媒６２に吸着されているアンモニア量の算出結果と、ＳＣＲ触媒６２に吸着させるアンモニア量の目標値と、に基づいて、アンモニア量の要求量を算出する。制御部９８は、この要求量と、相対上限値と、絶対上限値と、のうち最も少ない値を確定アンモニア流量として、それに基づいて尿素水の噴射量を決定する。

これにより、尿素水の噴射量が過剰になることを防止しつつ、要求量が上限値を下回る場合は、必要十分な尿素水を噴射することができる。

以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。

上記では、アンモニア流量について、要求値、相対上限値、及び絶対上限値を求めて比較する構成だが、尿素水の噴射量について要求値、相対上限値、及び絶対上限値を求めて比較しても良い。

上記実施形態では、ＤＰＦ装置５０及びＳＣＲ装置６０がエンジン１００の上部に位置しているが、ＤＰＦ装置５０及びＳＣＲ装置６０の配置は任意であり、例えばシリンダブロックから比較的離れた位置に配置されていても良い。また、本明細書では、仮にＤＰＦ装置５０及びＳＣＲ装置６０がシリンダブロックから離れていても、それらを含めて「エンジン」に該当するものとする。

上記では、過給機を備えるディーゼルエンジンに本発明を適用する例を示したが、本発明は、自然吸気式のディーゼルエンジンにも適用することができる。

４７ 尿素水噴射部
５０ ＤＰＦ装置
６０ ＳＣＲ装置
６１ ＳＣＲケース
６２ ＳＣＲ触媒
６３ アンモニア酸化触媒
８０ ＥＣＵ
９５ ＤＣＵ
９８ 制御部
１００ エンジン

Claims (4)

1. 排気ガスが通過する経路に尿素水を噴射する尿素水噴射部と、
   排気ガスが通過する経路に配置され、前記尿素水噴射部が噴射した尿素から得られるアンモニアを取り込むことで、通過する排気ガスに含まれる窒素酸化物を除去するＳＣＲ触媒と、
   噴射される尿素水から得られるアンモニアの物質量と、排気ガスに含まれる窒素酸化物の物質量と、の比に基づいて相対上限値を算出し、前記尿素水噴射部が噴射する尿素水の噴射量又は当該噴射量から得られるアンモニア量が前記相対上限値を超えないように、前記尿素水噴射部による尿素水の噴射量を決定する制御部と、
   を備えることを特徴とするエンジン。
2. 請求項１に記載のエンジンであって、
   前記制御部は、少なくとも、前記ＳＣＲ触媒の温度と、排気ガスの質量流量と、に基づいて前記相対上限値を算出することを特徴とするエンジン。
3. 請求項１又は２に記載のエンジンであって、
   前記制御部は、他物質の量に依存しない上限値である絶対上限値を算出し、前記尿素水噴射部が噴射する尿素水の噴射量又は当該噴射量から得られるアンモニア量が絶対上限値を超えないように、前記尿素水噴射部による尿素水の噴射量を決定することを特徴とするエンジン。
4. 請求項３に記載のエンジンであって、
   前記制御部は、
   前記ＳＣＲ触媒に吸着されているアンモニア量の算出結果と、前記ＳＣＲ触媒に吸着させるアンモニア量の目標値と、に基づいて、尿素水の噴射量又は当該噴射量から得られるアンモニア量の要求量を算出し、
   前記要求量と、前記相対上限値と、前記絶対上限値と、のうち最も少ない値に基づいて、尿素水の噴射量を決定することを特徴とするエンジン。

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