JP3945291B2 - 内燃機関のＮＯｘ浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気ガス中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化装置、特に、排気系に設けた還元触媒の上流側に排気ガス還元剤の噴霧装置を配した内燃機関のＮＯｘ浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関が排出する排気ガス中のＮＯｘはＮＯｘ浄化装置により浄化されている。例えば、ディーゼルエンジンで用いられるＮＯｘ浄化装置は排気系にＳＣＲ触媒（ＮＯｘ触媒）を有した触媒コンバータと、その上流側の尿素水供給装置とを順次配備して形成される。
このＳＣＲ触媒（ＮＯｘ触媒）はその触媒担体に触媒金属を担持させ、それに尿素水を還元剤として供給し、酸素過剰雰囲気下においてＮＯｘを浄化できるようにしている。
【０００３】
ここで、ユリア水は式（１）のように加水分解及び熱分解して、ＮＨ３を放出する。
（ＮＨ２）２ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→２ＮＨ３＋ＣＯ２・・・・（１）
また、ＳＣＲ触媒上でのＮＨ３と窒素酸化物との間の脱硝反応は式（２）或いは式（３）の反応がそれぞれ行われることが知られている。
【０００４】
４ＮＨ３＋４ＮＯ＋Ｏ２→４Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ・・・・（２）
２ＮＨ３＋ＮＯ＋ＮＯ２→２Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ・・・・・（３）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このようなＳＣＲ触媒は暖機運転により活性化された後、各運転域に応じて式（1）〜（3）の各反応を実行し排気ガス中のＮＯｘを浄化できる。
ところが、このようなＮＯｘ浄化装置において、高出力運転が継続された場合、ＳＣＲ触媒を通過する排気ガス温度が過度に上昇し、例えば、触媒温度が５５０℃程度の過昇温度を上回るような事態が続くとＮＯｘ触媒が劣化し、その耐久性が低下する場合がある。
【０００６】
そこで、排気路上の触媒の温度が過昇温度を越えると、燃料噴射量を抑え、触媒温度を低下させるようにエンジンを制御しても良いが、これでは、運転性能が抑えられてしまうことより改善が望まれている。
本発明は、以上のような課題に基づき、ＮＯｘ触媒温度が過度に上昇しての継続運転を回避し、ＮＯｘ触媒の耐久性を十分に保持できる内燃機関のＮＯｘ浄化装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、内燃機関の排気系に設けられ排気ガス中のＮＯｘを選択還元するＮＯｘ触媒、前記ＮＯｘ触媒上流の前記排気系に還元剤としての尿素水を供給する還元剤供給手段、前記ＮＯｘ触媒温度又は触媒温度に相関するパラメータを検出又は推定する触媒温度検出手段、前記還元剤供給手段と前記ＮＯｘ触媒を連結する排気管の壁面温度又は排気管壁面温度に相関するパラメータを検出又は推定する排気管壁温度検出手段、前記内燃機関の運転状態及び前記触媒温度検出手段により検出又は推定された情報に基づいて尿素水の添加量を設定する尿素水供給量設定手段、前記尿素水供給量設定手段により設定された添加量となるように前記還元剤供給手段を制御する制御手段、前記触媒温度検出手段により検出又は推定された触媒温度が所定温度以上のとき、前記排気管壁温度検出手段により検出又は推定された情報に基いて排気中の飽和蒸気圧から制限される許容水分添加量以下の範囲で前記尿素水の添加量を増量補正する添加量補正手段、を備えたことを特徴とする内燃機関のＮＯｘ浄化装置。
このように、触媒温度が所定温度以上のときに設定された尿素水添加量を排気中の飽和蒸気圧から制限される許容水分添加量以下の範囲で増量補正することで、尿素水中の水分の蒸発潜熱により排気温度を低下することにより、尿素水の凝結を未然に回避しながら触媒過昇温を効果的に抑制することができ、触媒の劣化を防止することができる。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１に記載の内燃機関のＮＯｘ浄化装置において、前記添加量補正手段が、前記内燃機関の運転状態に応じた排気ガス流量、排気圧及び排気管壁温度に応じた飽和蒸気圧に基づく水分量と、排気ガス中に予め含まれる水分量と、前記尿素水の基本添加量相当の水分量とから許容水分添加量を求めることを特徴とする。
このように、排気ガス中に予め含まれる水分量及び尿素水の添加量相当の水分量とを考慮して許容水分添加量を求めるので、尿素水の凝結を未然に回避しながら触媒昇温を効果的に抑制することができ、触媒の劣化を防止することができる。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の内燃機関のＮＯｘ浄化装置において、前記添加量補正手段が、前記内燃機関の運転状態に応じた排気ガス流量、排気ガス比熱、及び必要温度低下量とに基づく必要低下熱量と、水の蒸発熱量とから要求水分添加量を求め、前記要求水分添加量及び前記許容水分添加量の少ない方に基づき尿素水の添加量を増量補正することを特徴とする。
このように、排気ガス温度低下に必要な要求水分添加量、及び許容水分添加量の少ない方に基づき、尿素水の添加量を増量補正することによって、排気ガス温度低下に必要な最小の水分添加量、又は、尿素水の凝結を未然に回避する水分量を供給しながら触媒昇温を効果的に抑制することができ、触媒の劣化を防止することができる。
【００１０】
請求項４の発明は、内燃機関の排気系に設けられ排気ガス中のＮＯｘを選択還元するＮＯｘ触媒、前記ＮＯｘ触媒上流の前記排気系に還元剤としての尿素水を供給する還元剤供給手段、前記ＮＯｘ触媒温度又は触媒温度に相関するパラメータを検出又は推定する触媒温度検出手段、前記還元剤供給手段と前記ＮＯｘ触媒を連結する排気管の壁面温度又は排気管壁面温度に相関するパラメータを検出又は推定する排気管壁温度検出手段、前記内燃機関の運転状態及び前記触媒温度検出手段により検出又は推定された情報に基づいて尿素水の添加量を設定する尿素水供給量設定手段、前記尿素水供給量設定手段により設定された添加量となるように前記還元剤供給手段を制御する制御手段、前記ＮＯｘ触媒上流の前記排気系に水分添加を行う水供給手段、前記触媒温度検出手段により検出又は推定された触媒温度が所定温度以上のとき、前記尿素水供給量設定手段により設定された尿素水の添加量と前記水供給部から供給する水添加中の総水分量が前記排気管壁温度検出手段により検出又は推定された情報に基いて、排気中の飽和蒸気圧から制限される許容水分添加量を超えない範囲の水分添加量となるように水供給手段を作動させる水添加制御手段、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
このように、触媒温度が所定温度以上のときに、前記尿素水供給量設定手段により設定された尿素水の添加量と前記水供給手段から供給する水添加量中の総水分量が、排気中の飽和蒸気圧から制限される許容水分添加量を超えないように水添加量を設定することで、尿素水及び／又は水の総水分量の蒸発潜熱により排気温度を低下することにより、水分の凝結を未然に回避しながら触媒過昇温を効果的に抑制することができ、触媒の劣化を防止することができる。
更に、尿素水を増量できない又は尿素水を添加できない運転状態においても、水タンクから供給された水の蒸発潜熱により排気温度を低下することにより、水分の凝結を未然に回避しなが触媒昇温を効果的に抑制することができ、触媒の劣化を防止することができる。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項４に記載の内燃機関のＮＯｘ浄化装置において、前記水添加制御手段は、前記内燃機関の運転状態に応じた排気ガス流量、排気圧及び排気ガス温度に応じた飽和蒸気圧に基づく水分量と、排気ガス中に予め含まれる水分量及び尿素水添加による水分量とから許容水分添加量を求めることを特徴とする。
このように、排気ガス中に予め含まれる水分量と、尿素水に含まれる水分量を考慮して許容水分添加量を求めるので、水分の凝結を未然に回避しなが触媒昇温を効果的に抑制することができ、触媒の劣化を防止することができる。
【００１３】
請求項６の発明は、請求項４に記載の内燃機関のＮＯｘ浄化装置において、前記水添加制御手段は、前記内燃機関の運転状態に応じた排気ガス流量、排気ガス比熱、及び必要温度低下量とに基づく必要低下熱量と、水の蒸発熱量とから要求水分添加量を求め、前記要求水分添加量及び前記許容水分添加量の少ない方に対応する水添加量だけ供給することを特徴とする。
このように、排気ガス温度低下に必要な要求水分添加量中の水添加量、及び許容水分添加量の少ない方に基き、排気中への水添加量を設定することによって、排気ガス温度低下に必要な最小の水分添加量、又は、水分の凝結を未然に回避する水分量を供給しながら触媒昇温を効果的に抑制することができ、触媒の劣化を防止することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態としての内燃機関のＮＯｘ浄化装置（以後単にＮＯｘ浄化装置）Ｍ１を図１を参照して説明する。ここでのＮＯｘ浄化装置Ｍ１は、図示しない車両に搭載された多気筒ディーゼルエンジン（以後単にエンジンと記す）１の排気系２に装着される。
エンジン１はエンジン制御装置（以後、単にエンジンＥＣＵと記す）３により制御され、ＮＯｘ浄化装置Ｍ１は排気ガス制御装置（以後単に排気系ＥＣＵと記す）４に制御され、エンジンＥＣＵ３と排気系ＥＣＵ４は制御系通信回線５によって相互通信可能に連結される。
【００１５】
図１において，エンジンＥＣＵ３はエンジン１のアクセルペダル開度θａを検出するアクセルペダル開度センサ６と、クランク角情報Δθを検出するクランク角センサ７が接続される。ここでクランク角情報ΔθはエンジンＥＣＵ３においてエンジン回転数Ｎｅの導出に用いられる。更に、エンジンＥＣＵ３は図示しない燃焼室に供給される吸入空気量Ｇａを吸気路Ｉのエアフローセンサ８で検出する。なお、エアフローセンサ８の吸入空気量検出に代えてエンジンＥＣＵ３が、エンジン回転数Ｎｅとアクセルペダル開度θａに応じた吸気量Ｇａを導出しても良い。
【００１６】
吸気路Ｉにはターボチャージャー９のコンプレッサ９０１が介装され、その回転軸９０２は後述の排気路Ｅに介装されるターボチャージャー９のタービン９０３に連結され、これにより排気過給を可能としている。吸気路Ｉのターボチャージャー９の下流にはインタクーラ２０が設けられ、吸気冷却を行うことで、エンジンの吸気の体積効率を向上させ、出力アップを図っている。
エンジンＥＣＵ３はその入出力回路に多数のポートを有し、エアフローセンサ８、アクセルペダル開度センサ６、クランク角センサ７等よりの検出信号を取込み、燃料噴射系に制御信号を送出するよう機能する。
【００１７】
燃料噴射系は燃料圧力調整部１２と、図示しない燃焼室にインジェクタ１０により燃料噴射を行う燃料調整部１１とを備える。両部は燃料圧力制御部ｎ１と燃料制御部ｎ２として機能するエンジンＥＣＵ３が制御する。
燃料圧力調整部１２は燃料供給量調整部１２１を備え、これはエンジン駆動の高圧燃料ポンプ１２３の高圧燃料を定圧化した上でコモンレール１２２に供給する。この燃料供給量調整部１２１はエンジンＥＣＵ３に接続され、その燃料圧力制御部ｎ１の出力Ｄｐに応じてコモンレール１２２内の圧力が所定圧力となるよう燃圧調整可能である。
【００１８】
燃料調整部１１はコモンレール１２２に電磁バルブＶｐを介して連結されたインジェクタ１０により高圧燃料噴射を行うコモンレール方式を採る。電磁バルブＶｐはエンジンＥＣＵ３に接続され、燃料制御部ｎ２の出力Ｄ（Ｇｆ）信号に応じた燃料噴射量、噴射時期θｎを調整可能である。なお、電磁バルブＶｐとエンジンＥＣＵ３の接続回線は１つのみ図示した。
ここで燃料制御部ｎ２はエンジン回転数Ｎｅとアクセルペダル開度θａに応じた噴射時期θｎ及び燃料噴射量Ｇｆ相当の出力Ｄ（Ｇｆ）信号を図示しない燃料噴射用ドライバにセットし、燃料調整部１１の電磁バルブＶｐに出力し、インジェクタ１０の燃料噴射を制御する。
【００１９】
図１のＮＯｘ浄化装置Ｍ１は排気管２１の途中に装着されたＮＯｘ触媒であるＳＣＲ触媒１３とその上流の供給位置ｆより排気路Ｅにエアアシストで尿素水を供給する尿素水供給装置１４と、尿素水供給装置１４の上流側のＮＯｘ濃度Ｓｎｏｘを出力するＮＯｘセンサ１５と、排気圧Ｐｅｘを出力するは排気圧センサ２９と、ＳＣＲ触媒１３の入口排気ガス温度Ｔｅｘｆを出力する排気温度センサ１６と、ＳＣＲ触媒１３の温度Ｔ４を出力する触媒温度センサ１７と、制御部を成す排気系ＥＣＵ４とを備える。
ＳＣＲ触媒１３は排気路Ｅを成す排気管２１の途中のＮＯｘ触媒コンバータ１８に収容される。
【００２０】
ＳＣＲ触媒１３はアンモニア（ＮＨ３）を吸着して排気ガス中のＮＯｘを選択還元可能である。即ち、上述の式（１）のように尿素水は加水分解してアンモニアを生成し、これがＳＣＲ触媒１３に吸着される。ＳＣＲ触媒１３はアンモニア吸着状態において、上述の式（２）又は式（３）により、ＮＨ３と窒素酸化物との間の反応を促進することができる。
【００２１】
排気管２１のＳＣＲ触媒１３上流の供給位置ｆに尿素水供給装置１４が装着される。尿素水供給装置１４はＮＯｘ触媒コンバータ１８の上流開口側に向けて尿素水を噴霧する添加ノズル１９と、添加ノズル１９に接続された噴射管２６と、噴射管２６の上流のエアタンク２２と、同タンク近傍に設けた圧縮エア制御弁２３と、圧縮エア制御弁２３より下流位置で噴射管２６と合流する尿素水パイプ２４と、尿素水パイプ２４に尿素水を供給する尿素水タンク２８と、尿素水パイプ２４を経由して尿素水を調量、供給する尿素水供給部２７と、これらの制御手段を成す排気系ＥＣＵ４とを備える。
【００２２】
ここで、エアタンク２２は図示しないエア供給手段が接続され、これが適時にタンク内が常時所定圧の圧縮エアを保持できるように駆動している。尿素水タンク２８は一定濃度の尿素を水に融解した水溶液を貯蔵しており、尿素水の水分の含有量は所定の水分比率γ％（例えば６７％）に保持されたものが適時に補給されるようになっている。尿素水供給位置ｆ近傍には排気管２１の管壁温度Ｔｐを出力する排気管壁温度センサ３１を備える。
【００２３】
排気系ＥＣＵ４はその入出力回路に多数のポートを有し、ＮＯｘセンサ１５と排気温度センサ１６，触媒温度センサ１７、排気圧センサ２９、等よりの検出信号を入力でき、圧縮エア制御弁２３、尿素水供給部２７に制御信号を送出する。しかも、制御系通信回線５を介しエンジンＥＣＵ３とデータの送受を可能としている。
排気系ＥＣＵ４は入出力インターフェース４０１、記憶部４０２、バッテリバックアップ用の不揮発性メモリ４０３および中央処理部４０４を備え、尿素水供給量設定及び尿素水供給部駆動制御を主として実施する。
【００２４】
次に、図１のエンジンＥＣＵ３及び排気系ＥＣＵ４の各制御処理を、図２、図３の各制御ルーチンに沿って説明する。
エンジン１の駆動時において、エンジンＥＣＵ３は上述の各センサの入力値に応じて燃料圧力制御部ｎ１により、燃料圧力調整部１２の燃料供給量調整部１２１を、燃料制御部ｎ２により、燃料調整部１１の電磁バルブＶｐを運転域に応じてそれぞれ制御し、その際得られた各センサ出力等を排気系ＥＣＵ４にも送信する。特に、エンジンＥＣＵ３は吸入空気量Ｇａ（エアフローセンサの出力）と燃料噴射量Ｇに応じた排気ガス流量Ｕｅｘを導出し排気系ＥＣＵ４に出力する。
【００２５】
一方、排気系ＥＣＵ４は、エンジンキーのオンと同時に図２のメインルーチンを所定制御サイクル毎に繰り返す。ここではステップｓａでキーオンを確認し、ステップｓｂでは、排気ガス温度Ｔｅｘｆ，触媒温度Ｔｇ、排気圧Ｐｅｘ、ＮＯｘ濃度Ｓｎｏｘ、エンジンＥＣＵ３からの吸入空気量Ｇａ、燃料噴射量Ｇｆ，排気量Ｕｅｘ、その他のデータを取込み、これら各値が適正値か否かの判断をし、正常でないと図示しない故障表示灯を駆動する。ここでステップsｃに進み、ＮＯｘ浄化に要する尿素水添加量の演算処理を行い、この後、ステップｓｄでは触媒冷却のための尿素水添加量演算処理を、次いで、ステップｓｅではステップｓｃ、ｓｄでの演算に基く尿素水の添加制御処理を実行し、ステップｓｂにリターンする。
【００２６】
ＮＯｘ浄化に要する尿素水添加量の演算処理では、エンジン運転状態やエンジンからのＮＯｘ排出量、触媒温度Ｔｇなどに基き、ＮＯｘ浄化のための尿素水添加量ｆ（ＤＮＨ３）を算出する。
次に、排気系ＥＣＵ４のメインルーチンの途中で、ステップｓｄの触媒冷却のための尿素水添加量演算処理に達すると、ここでは図３の触媒冷却処理ルーチンを実行する。
【００２７】
ステップａ１では触媒温度Ｔｇが予め設定されている過昇温度（例えば５５０℃）Ｔｌｉｍ以上か否か判断し、過昇温度Ｔｌｉｍに達していない間はこの開の制御を終了してメインルーチンにリターンし、以上ではステップａ２に進む。 触媒温度Ｔｇが過昇温度Ｔｌｉｍ以上と判断されステップａ２達すると、ここでは最新の吸入空気量Ｇａ、燃料供給量Ｇｆ、排気圧Ｐｅｘ排気ガス温度Ｔｅｘ、排気管壁温度Ｔｐを取込み、ステップａ３に進む。
【００２８】
ステップａ３では、排気ガス流量Ｕｅｘ（＝Ｇａ＋Ｇｆ）、必要温度低下量（Ｔｅｘ−Ｔｌｉｍ）、を取込み、これに排気の熱容量Ｃｅｘ（排気ガス比熱）、水の蒸発熱量（蒸発潜熱）Ｃｗを用いて、要求水分添加量Ｇｗ１を下式（４）で導出する。
Ｇｗ１＝（Ｇａ＋Ｇｆ）×（Ｔｅｘ−Ｔｌｉｍ）×Ｃｅｘ／Ｃｗ・・・（４）
更に、ステップａ４では、排気管壁温度Ｔｐに応じた排気中の飽和蒸気圧Ｐｗを求め、これに排気ガス流量Ｕｅｘ（＝Ｇａ＋Ｇｆ）を乗算して飽和蒸気圧に基づく水分量Ｐｗ／Ｐｅｘ×（Ｇａ＋Ｇｆ）を求める。更に、排気ガス流量Ｕｅｘより燃焼により生じる排気中の水分量Ｇｗｅｘを導出する。次いで、尿素水供給装置１４からの基本尿素水の添加量出力ＤＵ（＝ｆ（ＤＮＨ３））に尿素水の水分比率γ％を乗算して基本尿素水の添加量相当の水分量（ｆ（ＤＮＨ３）×γ）を求める。その上で、下式（５）を用い、飽和蒸気圧に基づく水分量Ｐｗ／Ｐｅｘ×（Ｇａ＋Ｇｆ）より、排気中の水分量Ｇｗｅｘと基本尿素水の添加量相当の水分量（ｆ（ＤＮＨ３）×γ）とを減算して、排気中に添加可能な最大の許容水分添加量Ｇｗ２を導出する。
【００２９】
Ｇｗ２＝Ｐｗ／Ｐｅｘ×（Ｇａ＋Ｇｆ）−Ｇｗｅｘ−ｆ（ＤＮＨ３）×γ・・・（５）
この後、ステップａ５において、要求水分添加量Ｇｗ１が許容水分添加量Ｇｗ２より小さいか否か判断し、小さいとステップａ６に、大きいとステップａ７に進む。
ステップａ６では要求水分添加量Ｇｗ１を今回の水添加量Ｇｗｎとして設定し、ステップａ８では今回の水添加量Ｇｗｎに補正値１／γ（尿素水の水分比率５０％の逆数となる）を乗算して尿素水添加量（Ｇｗｎ×１／γ）を求め、この回の制御を終了し、メインルーチンにリターンする。
【００３０】
ステップａ７では水分の凝結を防止する上での最大値である許容水分添加量Ｇｗ２を今回の水添加量Ｇｗｎと設定し、ステップａ９では今回の水添加量Ｇｗｎに補正値１／γ（尿素水の水分比率６７％の逆数となる）を乗算して尿素水添加量（Ｇｗｎ×１／γ）を求め、この回の制御を終了し、メインルーチンにリターンする。
次に、メインルーチンのステップｓｅではステップｓｃ，ｓｄでの演算処理に基く尿素水添加処理を実施する。
【００３１】
ステップｓｄで算出された触媒冷却のための尿素水添加量（Ｇｗｎ×１／γ）はステップｓｃ（ＮＯｘ浄化に要する尿素水添加量処理ルーチン）で得られた尿素水添加量ｆ（ＤＮＨ３）に加算され最終的な尿素水の添加量出力ＤＵ（＝ｆ（ＤＮＨ３）＋Ｇｗｎ×１／γ）が算出される。尿素水供給装置１４の尿素水供給部２７は添加量出力ＤＵで駆動され、排気路Ｅに尿素水の添加量（ｆ（ＤＮＨ３）＋Ｇｗｎ×１／γ）を得ることとなる。この結果、増量された尿素水が排気路Ｅに供給され、これが加水分解され、ＳＣＲ触媒１３にアンモニアを供給でき、排気ガス中のＮＯｘを還元処理すると同時に、尿素水中の水分が蒸発して、蒸発潜熱を奪い、過昇温度Ｔｌｉｍ以上に上昇していた触媒温度Ｔｅｘを低下させる。
【００３２】
このように、排気ガス温度が過昇温度Ｔｌｉｍ（所定温度）以上のときに設定された尿素水添加量ｆ（ＤＮＨ３）を排気中の飽和蒸気圧から制限される許容水分添加量Ｇｗ２以下の範囲で増量補正することで、尿素水中の水分の蒸発潜熱により排気温度及び触媒温度Ｔｅｘを低下することにより、排気管管壁における水分の凝結を未然に回避しながら触媒昇温を効果的に抑制すとができ、触媒が過昇温度Ｔｌｉｍを上回る状態が継続することで触媒が劣化することを防止することができる。
【００３３】
特に、ここでは、排気ガス中に含まれる水分量である（燃焼により生成される水分)、及び尿素水の添加量相当の水分量ｆ（ＤＮＨ３）とを考慮して許容水分添加量Ｇｗ２を求めるので、より確実に水分の凝結を未然に回避しながら触媒昇温Ｔｅｘを効果的に抑制することができ、触媒の劣化を防止することができる。
更に、ここでは要求水分添加量Ｇｗ１と許容水分添加量Ｇｗ２の少ない方に基づき尿素の添加量を増量（Ｇｗｎ×１／γ）補正することによって、排気ガス温度低下に必要な最小の水分添加量、又は、水分の凝結を未然に回避する水分量を供給しながら触媒昇温を効果的に抑制することができ、触媒の劣化を防止することができる。なお、許容水分添加量Ｇｗ２を安全率を見込んで低く設定しても良い。
【００３４】
更に、本実施形態の変形例として、ＳＣＲ触媒１３の排気路Ｅに酸化触媒を設けることによって、特に、触媒冷却処理中のアンモニアスリップを未然に防止できる。
図１のＮＯｘ浄化装置Ｍ１は、触媒温度Ｔｇを低減させるために尿素水を増量補正して排気系２に供給し、尿素水中の水分が蒸発することによる潜熱を利用し触媒温度を低下させていたが、これに代えて、図４に示すようにＮＯｘ浄化装置Ｍ２を構成しても良い。
【００３５】
図４のＮＯｘ浄化装置Ｍ２は図１のＮＯｘ浄化装置Ｍ１と比較して、尿素水供給装置１４ａが水添加装置３０を付加装備し、尿素水と共に水分をも同時に排気路Ｅに供給する以外は同様の構成を採り、ここでは同一部材には同一符号を付し、重複説明を略す。
図４のＮＯｘ浄化装置Ｍ２は図１中のＮＯｘ浄化装置Ｍ１と同様に、排気管２１の供給位置ｆに尿素水供給装置１４ａを装着する。尿素水供給装置１４ａは図１中の尿素水供給装置１４と同様に、添加ノズル１９と噴射管２６とエアタンク２２と圧縮エア制御弁２３と尿素水パイプ２４と尿素水タンク２８と尿素水供給部２７と排気系ＥＣＵ４ａとを備え、水添加装置３０を付設する。水分添加を行う水供給手段である水添加装置３０は噴射管２６に開口する水パイプ３４と、水パイプ３４に水を供給する水タンク３３と、水パイプ３４を経由して水を調量供給する水供給部３２とこれらの制御手段を成す上述の排気系ＥＣＵ４ａとを備える。
【００３６】
ここで、尿素水タンク２８は所定の水分比率γ％（例えば６７％）の尿素水が適時に補給され、水タンク３１にも適時に水が補給されるようになっている。
【００３７】
図４のＮＯｘ浄化装置Ｍ２の排気系ＥＣＵ４ａは図１のＮＯｘ浄化装置の排気系ＥＣＵ４と比較し、図２のメインルーチン中のＮＯｘ浄化に要する尿素水添加量の演算処理ルーチンでそれぞれ同一制御が成され、主として触媒冷却のための水添加量演算処理ルーチンの一部のみが相違することより、ここではその相違点を主に説明をする。
【００３８】
図５の触媒冷却のための水添加量演算処理ルーチンでは図３で説明した触媒冷却のための水添加量演算処理ルーチンにおけるステップａ１よりステップａ７までが同様に処理される。
ステップａ５乃至ステップａ７において、要求水分添加量Ｇｗ１が許容水分添加量Ｇｗ２より小さいと判断すると要求水分添加量Ｇｗ１を今回の水添加量Ｇｗｎとして設定し、大きいと判断すると許容水分添加量Ｇｗ２を今回の水添加量Ｇｗｎと設定し、共にメインルーチンにリターンする。なお、許容水分添加量Ｇｗ２を安全率を見込んで低く設定しても良い。
【００３９】
メインルーチンのステップｓｅではステップｓｃ，ｓｄでの演算処理に基き尿素水及び水の添加処理を実施する。
ステップｓｃで演算された水添加量Ｇｗｎ相当の水の添加量出力ＤＵｗｎで水添加装置３０の水供給部３２を駆動する。
同時にステップｓｃで演算された尿素水添加量ｆ（ＤＮＨ３）相当の尿素水の添加量出力ＤＵで尿素水添加装置３０の尿素水供給部２７を駆動し、これにより排気路Ｅ中の尿素水及び／又は水の総水分量Ｗｎ、即ち、（ｆ（ＤＮＨ３）×γ＋Ｇｗｎ）を増量することとなる。
【００４０】
このように、図４のＮＯｘ浄化装置Ｍ２は、排気ガス中に含まれる水分量（燃焼により生成される水分)Ｇｗｅｘと、尿素水に含まれる水分量ｆ（ＤＮＨ３）×γを考慮して式（５）で説明した許容水分添加量Ｇｗ２を求めるので、水分の凝結を未然に回避しなが触媒昇温を効果的に抑制することができ、触媒の劣化を防止することができる。
【００４１】
更に、ここではエンジン１の運転状態に応じた排気ガス流量（Ｇａ＋Ｇｆ）、排気ガス比熱Ｃｅｘ、及び必要温度低下量（Ｔｅｘ−Ｔｌｉｍ）とに基づく必要低下熱量と、水の蒸発熱量Ｃｗとから要求水分添加量Ｇｗ１を求め、要求水分添加量Ｇｗ１及び許容水分添加量Ｇｗ２の内の少ない方の値に対応する水添加量Ｇｗｎを求め、この量だけ排気路Ｅ中の水添加量を増量補正することによって、排気ガス温度低下に必要な最小の水分添加量、又は、水分の凝結を未然に回避する水分量を供給しながら触媒昇温を効果的に抑制することができ、触媒が過昇温度Ｔｌｉｍを上回る状態が継続することで触媒が劣化することを防止することができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、触媒温度が所定温度以上のときに設定された尿素水添加量を排気中の飽和蒸気圧から制限される許容水分添加量以下の範囲で増量補正することで、尿素水中の水分の蒸発潜熱により排気温度を低下することにより、水分の凝結を未然に回避しながら触媒過昇温を効果的に抑制することができ、触媒の劣化を防止することができる。
【００４３】
請求項２の発明は、排気ガス中に予め含まれる水分量及び尿素水の添加量相当の水分量とを考慮して許容水分添加量を求めるので、水分の凝結を未然に回避しながら触媒昇温を効果的に抑制することができ、触媒の劣化を防止することができる。
【００４４】
請求項３の発明は、排気ガス温度低下に必要な要求水分添加量、及び許容水分添加量の少ない方に基づき、尿素水の添加量を増量補正することによって、排気ガス温度低下に必要な最小の水分添加量、又は、尿素水の凝結を未然に回避する水分量を供給しながら触媒昇温を効果的に抑制することができ、触媒の劣化を防止することができる。
【００４５】
請求項４の発明は、触媒温度が所定温度以上のときに、前記尿素水供給量設定手段により設定された尿素水の添加量と前記水供給手段から供給する水添加量中の総水分量が、排気中の飽和蒸気圧から制限される許容水分添加量を超えないように水添加量を設定することで、尿素水及び／又は水の総水分量の蒸発潜熱により排気温度を低下することにより、水分の凝結を未然に回避しながら触媒昇温を効果的に抑制することができ、触媒の劣化を防止することができる。
【００４６】
更に、尿素水を増量できない又は尿素水を添加できない運転状態においても、水タンクから供給された水の蒸発潜熱により排気温度を低下することにより、水分の凝結を未然に回避しなが触媒昇温を効果的に抑制することができ、触媒の劣化を防止することができる。
【００４７】
請求項５の発明は、排気ガス中に予め含まれる水分量と、尿素水に含まれる水分量を考慮して許容水分添加量を求めるので、水分の凝結を未然に回避しなが触媒昇温を効果的に抑制することができ、触媒の劣化を防止することができる。
【００４８】
請求項６の発明は、排気ガス温度低下に必要な要求水分添加量中の水添加量、及び許容水分添加量の少ない方に基き、排気中への水添加量を増量補正することによって、排気ガス温度低下に必要な最小の水分添加量、又は、水分の凝結を未然に回避する水分量を供給しながら触媒昇温を効果的に抑制することができ、触媒の劣化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態としてのＮＯｘ浄化装置とこれを装着するエンジンの概略構成図である。
【図２】図１の排気系ＤＣＵが用いるメインルーチンのフローチャートである。
【図３】図１の排気系ＤＣＵが用いる触媒冷却処理ルーチンのフローチャートである。
【図４】本発明の他の実施形態としてのＮＯｘ浄化装置とこれを装着するエンジンの概略構成図である。
【図５】図４のＮＯｘ浄化装置において排気系ＤＣＵが行う触媒冷却処理ルーチンのフローチャートである。
【図６】ＳＣＲ触媒における触媒温度−アンモニア吸着量の特性線図である。
【符号の説明】
１ エンジン
２ 排気系
４、４ａ 排気系ＤＣＵ
１３ ＳＣＲ触媒（ＮＯｘ触媒）
１４ 尿素水供給装置
１６ 排気温度センサ
１７ 触媒温度センサ
２７ 素水供給部
Ｔｇ 触媒温度
Ｔｌｉｍ 過昇温度（所定温度）
Ｇｗ１ 要求水分添加量
Ｇｗ２ 許容水分添加量
ｆ（ＤＮＨ３） 尿素水添加量
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気ガス中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化装置、特に、排気系に設けた還元触媒の上流側に排気ガス還元剤の噴霧装置を配した内燃機関のＮＯｘ浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関が排出する排気ガス中のＮＯｘはＮＯｘ浄化装置により浄化されている。例えば、ディーゼルエンジンで用いられるＮＯｘ浄化装置は排気系にＳＣＲ触媒（ＮＯｘ触媒）を有した触媒コンバータと、その上流側の尿素水供給装置とを順次配備して形成される。
このＳＣＲ触媒（ＮＯｘ触媒）はその触媒担体に触媒金属を担持させ、それに尿素水を還元剤として供給し、酸素過剰雰囲気下においてＮＯｘを浄化できるようにしている。
【０００３】
ここで、ユリア水は式（１）のように加水分解及び熱分解して、ＮＨ３を放出する。
（ＮＨ２）２ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→２ＮＨ３＋ＣＯ２・・・・（１）
また、ＳＣＲ触媒上でのＮＨ３と窒素酸化物との間の脱硝反応は式（２）或いは式（３）の反応がそれぞれ行われることが知られている。
【０００４】
４ＮＨ３＋４ＮＯ＋Ｏ２→４Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ・・・・（２）
２ＮＨ３＋ＮＯ＋ＮＯ２→２Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ・・・・・（３）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このようなＳＣＲ触媒は暖機運転により活性化された後、各運転域に応じて式（1）〜（3）の各反応を実行し排気ガス中のＮＯｘを浄化できる。
ところが、このようなＮＯｘ浄化装置において、高出力運転が継続された場合、ＳＣＲ触媒を通過する排気ガス温度が過度に上昇し、例えば、触媒温度が５５０℃程度の過昇温度を上回るような事態が続くとＮＯｘ触媒が劣化し、その耐久性が低下する場合がある。
【０００６】
そこで、排気路上の触媒の温度が過昇温度を越えると、燃料噴射量を抑え、触媒温度を低下させるようにエンジンを制御しても良いが、これでは、運転性能が抑えられてしまうことより改善が望まれている。
本発明は、以上のような課題に基づき、ＮＯｘ触媒温度が過度に上昇しての継続運転を回避し、ＮＯｘ触媒の耐久性を十分に保持できる内燃機関のＮＯｘ浄化装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、内燃機関の排気系に設けられ排気ガス中のＮＯｘを選択還元するＮＯｘ触媒、前記ＮＯｘ触媒上流の前記排気系に還元剤としての尿素水を供給する還元剤供給手段、前記ＮＯｘ触媒温度又は触媒温度に相関するパラメータを検出又は推定する触媒温度検出手段、前記還元剤供給手段と前記ＮＯｘ触媒を連結する排気管の壁面温度又は排気管壁面温度に相関するパラメータを検出又は推定する排気管壁温度検出手段、前記内燃機関の運転状態及び前記触媒温度検出手段により検出又は推定された情報に基づいて尿素水の添加量を設定する尿素水供給量設定手段、前記尿素水供給量設定手段により設定された添加量となるように前記還元剤供給手段を制御する制御手段、前記触媒温度検出手段により検出又は推定された触媒温度が所定温度以上のとき、前記排気管壁温度検出手段により検出又は推定された情報に基いて排気中の飽和蒸気圧から制限される許容水分添加量以下の範囲で前記尿素水の添加量を増量補正する添加量補正手段、を備えたことを特徴とする内燃機関のＮＯｘ浄化装置。
このように、触媒温度が所定温度以上のときに設定された尿素水添加量を排気中の飽和蒸気圧から制限される許容水分添加量以下の範囲で増量補正することで、尿素水中の水分の蒸発潜熱により排気温度を低下することにより、尿素水の凝結を未然に回避しながら触媒過昇温を効果的に抑制することができ、触媒の劣化を防止することができる。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１に記載の内燃機関のＮＯｘ浄化装置において、前記添加量補正手段が、前記内燃機関の運転状態に応じた排気ガス流量、排気圧及び排気管壁温度に応じた飽和蒸気圧に基づく水分量と、排気ガス中に予め含まれる水分量と、前記尿素水の基本添加量相当の水分量とから許容水分添加量を求めることを特徴とする。
このように、排気ガス中に予め含まれる水分量及び尿素水の添加量相当の水分量とを考慮して許容水分添加量を求めるので、尿素水の凝結を未然に回避しながら触媒昇温を効果的に抑制することができ、触媒の劣化を防止することができる。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の内燃機関のＮＯｘ浄化装置において、前記添加量補正手段が、前記内燃機関の運転状態に応じた排気ガス流量、排気ガス比熱、及び必要温度低下量とに基づく必要低下熱量と、水の蒸発熱量とから要求水分添加量を求め、前記要求水分添加量及び前記許容水分添加量の少ない方に基づき尿素水の添加量を増量補正することを特徴とする。
このように、排気ガス温度低下に必要な要求水分添加量、及び許容水分添加量の少ない方に基づき、尿素水の添加量を増量補正することによって、排気ガス温度低下に必要な最小の水分添加量、又は、尿素水の凝結を未然に回避する水分量を供給しながら触媒昇温を効果的に抑制することができ、触媒の劣化を防止することができる。
【００１０】
請求項４の発明は、内燃機関の排気系に設けられ排気ガス中のＮＯｘを選択還元するＮＯｘ触媒、前記ＮＯｘ触媒上流の前記排気系に還元剤としての尿素水を供給する還元剤供給手段、前記ＮＯｘ触媒温度又は触媒温度に相関するパラメータを検出又は推定する触媒温度検出手段、前記還元剤供給手段と前記ＮＯｘ触媒を連結する排気管の壁面温度又は排気管壁面温度に相関するパラメータを検出又は推定する排気管壁温度検出手段、前記内燃機関の運転状態及び前記触媒温度検出手段により検出又は推定された情報に基づいて尿素水の添加量を設定する尿素水供給量設定手段、前記尿素水供給量設定手段により設定された添加量となるように前記還元剤供給手段を制御する制御手段、前記ＮＯｘ触媒上流の前記排気系に水分添加を行う水供給手段、前記触媒温度検出手段により検出又は推定された触媒温度が所定温度以上のとき、前記尿素水供給量設定手段により設定された尿素水の添加量と前記水供給部から供給する水添加中の総水分量が前記排気管壁温度検出手段により検出又は推定された情報に基いて、排気中の飽和蒸気圧から制限される許容水分添加量を超えない範囲の水分添加量となるように水供給手段を作動させる水添加制御手段、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
このように、触媒温度が所定温度以上のときに、前記尿素水供給量設定手段により設定された尿素水の添加量と前記水供給手段から供給する水添加量中の総水分量が、排気中の飽和蒸気圧から制限される許容水分添加量を超えないように水添加量を設定することで、尿素水及び／又は水の総水分量の蒸発潜熱により排気温度を低下することにより、水分の凝結を未然に回避しながら触媒過昇温を効果的に抑制することができ、触媒の劣化を防止することができる。
更に、尿素水を増量できない又は尿素水を添加できない運転状態においても、水タンクから供給された水の蒸発潜熱により排気温度を低下することにより、水分の凝結を未然に回避しなが触媒昇温を効果的に抑制することができ、触媒の劣化を防止することができる。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項４に記載の内燃機関のＮＯｘ浄化装置において、前記水添加制御手段は、前記内燃機関の運転状態に応じた排気ガス流量、排気圧及び排気ガス温度に応じた飽和蒸気圧に基づく水分量と、排気ガス中に予め含まれる水分量及び尿素水添加による水分量とから許容水分添加量を求めることを特徴とする。
このように、排気ガス中に予め含まれる水分量と、尿素水に含まれる水分量を考慮して許容水分添加量を求めるので、水分の凝結を未然に回避しなが触媒昇温を効果的に抑制することができ、触媒の劣化を防止することができる。
【００１３】
請求項６の発明は、請求項４に記載の内燃機関のＮＯｘ浄化装置において、前記水添加制御手段は、前記内燃機関の運転状態に応じた排気ガス流量、排気ガス比熱、及び必要温度低下量とに基づく必要低下熱量と、水の蒸発熱量とから要求水分添加量を求め、前記要求水分添加量及び前記許容水分添加量の少ない方に対応する水添加量だけ供給することを特徴とする。
このように、排気ガス温度低下に必要な要求水分添加量中の水添加量、及び許容水分添加量の少ない方に基き、排気中への水添加量を設定することによって、排気ガス温度低下に必要な最小の水分添加量、又は、水分の凝結を未然に回避する水分量を供給しながら触媒昇温を効果的に抑制することができ、触媒の劣化を防止することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態としての内燃機関のＮＯｘ浄化装置（以後単にＮＯｘ浄化装置）Ｍ１を図１を参照して説明する。ここでのＮＯｘ浄化装置Ｍ１は、図示しない車両に搭載された多気筒ディーゼルエンジン（以後単にエンジンと記す）１の排気系２に装着される。
エンジン１はエンジン制御装置（以後、単にエンジンＥＣＵと記す）３により制御され、ＮＯｘ浄化装置Ｍ１は排気ガス制御装置（以後単に排気系ＥＣＵと記す）４に制御され、エンジンＥＣＵ３と排気系ＥＣＵ４は制御系通信回線５によって相互通信可能に連結される。
【００１５】
図１において，エンジンＥＣＵ３はエンジン１のアクセルペダル開度θａを検出するアクセルペダル開度センサ６と、クランク角情報Δθを検出するクランク角センサ７が接続される。ここでクランク角情報ΔθはエンジンＥＣＵ３においてエンジン回転数Ｎｅの導出に用いられる。更に、エンジンＥＣＵ３は図示しない燃焼室に供給される吸入空気量Ｇａを吸気路Ｉのエアフローセンサ８で検出する。なお、エアフローセンサ８の吸入空気量検出に代えてエンジンＥＣＵ３が、エンジン回転数Ｎｅとアクセルペダル開度θａに応じた吸気量Ｇａを導出しても良い。
【００１６】
吸気路Ｉにはターボチャージャー９のコンプレッサ９０１が介装され、その回転軸９０２は後述の排気路Ｅに介装されるターボチャージャー９のタービン９０３に連結され、これにより排気過給を可能としている。吸気路Ｉのターボチャージャー９の下流にはインタクーラ２０が設けられ、吸気冷却を行うことで、エンジンの吸気の体積効率を向上させ、出力アップを図っている。
エンジンＥＣＵ３はその入出力回路に多数のポートを有し、エアフローセンサ８、アクセルペダル開度センサ６、クランク角センサ７等よりの検出信号を取込み、燃料噴射系に制御信号を送出するよう機能する。
【００１７】
燃料噴射系は燃料圧力調整部１２と、図示しない燃焼室にインジェクタ１０により燃料噴射を行う燃料調整部１１とを備える。両部は燃料圧力制御部ｎ１と燃料制御部ｎ２として機能するエンジンＥＣＵ３が制御する。
燃料圧力調整部１２は燃料供給量調整部１２１を備え、これはエンジン駆動の高圧燃料ポンプ１２３の高圧燃料を定圧化した上でコモンレール１２２に供給する。この燃料供給量調整部１２１はエンジンＥＣＵ３に接続され、その燃料圧力制御部ｎ１の出力Ｄｐに応じてコモンレール１２２内の圧力が所定圧力となるよう燃圧調整可能である。
【００１８】
燃料調整部１１はコモンレール１２２に電磁バルブＶｐを介して連結されたインジェクタ１０により高圧燃料噴射を行うコモンレール方式を採る。電磁バルブＶｐはエンジンＥＣＵ３に接続され、燃料制御部ｎ２の出力Ｄ（Ｇｆ）信号に応じた燃料噴射量、噴射時期θｎを調整可能である。なお、電磁バルブＶｐとエンジンＥＣＵ３の接続回線は１つのみ図示した。
ここで燃料制御部ｎ２はエンジン回転数Ｎｅとアクセルペダル開度θａに応じた噴射時期θｎ及び燃料噴射量Ｇｆ相当の出力Ｄ（Ｇｆ）信号を図示しない燃料噴射用ドライバにセットし、燃料調整部１１の電磁バルブＶｐに出力し、インジェクタ１０の燃料噴射を制御する。
【００１９】
図１のＮＯｘ浄化装置Ｍ１は排気管２１の途中に装着されたＮＯｘ触媒であるＳＣＲ触媒１３とその上流の供給位置ｆより排気路Ｅにエアアシストで尿素水を供給する尿素水供給装置１４と、尿素水供給装置１４の上流側のＮＯｘ濃度Ｓｎｏｘを出力するＮＯｘセンサ１５と、排気圧Ｐｅｘを出力するは排気圧センサ２９と、ＳＣＲ触媒１３の入口排気ガス温度Ｔｅｘｆを出力する排気温度センサ１６と、ＳＣＲ触媒１３の温度Ｔ４を出力する触媒温度センサ１７と、制御部を成す排気系ＥＣＵ４とを備える。
ＳＣＲ触媒１３は排気路Ｅを成す排気管２１の途中のＮＯｘ触媒コンバータ１８に収容される。
【００２０】
ＳＣＲ触媒１３はアンモニア（ＮＨ３）を吸着して排気ガス中のＮＯｘを選択還元可能である。即ち、上述の式（１）のように尿素水は加水分解してアンモニアを生成し、これがＳＣＲ触媒１３に吸着される。ＳＣＲ触媒１３はアンモニア吸着状態において、上述の式（２）又は式（３）により、ＮＨ３と窒素酸化物との間の反応を促進することができる。
【００２１】
排気管２１のＳＣＲ触媒１３上流の供給位置ｆに尿素水供給装置１４が装着される。尿素水供給装置１４はＮＯｘ触媒コンバータ１８の上流開口側に向けて尿素水を噴霧する添加ノズル１９と、添加ノズル１９に接続された噴射管２６と、噴射管２６の上流のエアタンク２２と、同タンク近傍に設けた圧縮エア制御弁２３と、圧縮エア制御弁２３より下流位置で噴射管２６と合流する尿素水パイプ２４と、尿素水パイプ２４に尿素水を供給する尿素水タンク２８と、尿素水パイプ２４を経由して尿素水を調量、供給する尿素水供給部２７と、これらの制御手段を成す排気系ＥＣＵ４とを備える。
【００２２】
ここで、エアタンク２２は図示しないエア供給手段が接続され、これが適時にタンク内が常時所定圧の圧縮エアを保持できるように駆動している。尿素水タンク２８は一定濃度の尿素を水に融解した水溶液を貯蔵しており、尿素水の水分の含有量は所定の水分比率γ％（例えば６７％）に保持されたものが適時に補給されるようになっている。尿素水供給位置ｆ近傍には排気管２１の管壁温度Ｔｐを出力する排気管壁温度センサ３１を備える。
【００２３】
排気系ＥＣＵ４はその入出力回路に多数のポートを有し、ＮＯｘセンサ１５と排気温度センサ１６，触媒温度センサ１７、排気圧センサ２９、等よりの検出信号を入力でき、圧縮エア制御弁２３、尿素水供給部２７に制御信号を送出する。しかも、制御系通信回線５を介しエンジンＥＣＵ３とデータの送受を可能としている。
排気系ＥＣＵ４は入出力インターフェース４０１、記憶部４０２、バッテリバックアップ用の不揮発性メモリ４０３および中央処理部４０４を備え、尿素水供給量設定及び尿素水供給部駆動制御を主として実施する。
【００２４】
次に、図１のエンジンＥＣＵ３及び排気系ＥＣＵ４の各制御処理を、図２、図３の各制御ルーチンに沿って説明する。
エンジン１の駆動時において、エンジンＥＣＵ３は上述の各センサの入力値に応じて燃料圧力制御部ｎ１により、燃料圧力調整部１２の燃料供給量調整部１２１を、燃料制御部ｎ２により、燃料調整部１１の電磁バルブＶｐを運転域に応じてそれぞれ制御し、その際得られた各センサ出力等を排気系ＥＣＵ４にも送信する。特に、エンジンＥＣＵ３は吸入空気量Ｇａ（エアフローセンサの出力）と燃料噴射量Ｇに応じた排気ガス流量Ｕｅｘを導出し排気系ＥＣＵ４に出力する。
【００２５】
一方、排気系ＥＣＵ４は、エンジンキーのオンと同時に図２のメインルーチンを所定制御サイクル毎に繰り返す。ここではステップｓａでキーオンを確認し、ステップｓｂでは、排気ガス温度Ｔｅｘｆ，触媒温度Ｔｇ、排気圧Ｐｅｘ、ＮＯｘ濃度Ｓｎｏｘ、エンジンＥＣＵ３からの吸入空気量Ｇａ、燃料噴射量Ｇｆ，排気量Ｕｅｘ、その他のデータを取込み、これら各値が適正値か否かの判断をし、正常でないと図示しない故障表示灯を駆動する。ここでステップsｃに進み、ＮＯｘ浄化に要する尿素水添加量の演算処理を行い、この後、ステップｓｄでは触媒冷却のための尿素水添加量演算処理を、次いで、ステップｓｅではステップｓｃ、ｓｄでの演算に基く尿素水の添加制御処理を実行し、ステップｓｂにリターンする。
【００２６】
ＮＯｘ浄化に要する尿素水添加量の演算処理では、エンジン運転状態やエンジンからのＮＯｘ排出量、触媒温度Ｔｇなどに基き、ＮＯｘ浄化のための尿素水添加量ｆ（ＤＮＨ３）を算出する。
次に、排気系ＥＣＵ４のメインルーチンの途中で、ステップｓｄの触媒冷却のための尿素水添加量演算処理に達すると、ここでは図３の触媒冷却処理ルーチンを実行する。
【００２７】
ステップａ１では触媒温度Ｔｇが予め設定されている過昇温度（例えば５５０℃）Ｔｌｉｍ以上か否か判断し、過昇温度Ｔｌｉｍに達していない間はこの開の制御を終了してメインルーチンにリターンし、以上ではステップａ２に進む。 触媒温度Ｔｇが過昇温度Ｔｌｉｍ以上と判断されステップａ２達すると、ここでは最新の吸入空気量Ｇａ、燃料供給量Ｇｆ、排気圧Ｐｅｘ排気ガス温度Ｔｅｘ、排気管壁温度Ｔｐを取込み、ステップａ３に進む。
【００２８】
ステップａ３では、排気ガス流量Ｕｅｘ（＝Ｇａ＋Ｇｆ）、必要温度低下量（Ｔｅｘ−Ｔｌｉｍ）、を取込み、これに排気の熱容量Ｃｅｘ（排気ガス比熱）、水の蒸発熱量（蒸発潜熱）Ｃｗを用いて、要求水分添加量Ｇｗ１を下式（４）で導出する。
Ｇｗ１＝（Ｇａ＋Ｇｆ）×（Ｔｅｘ−Ｔｌｉｍ）×Ｃｅｘ／Ｃｗ・・・（４）
更に、ステップａ４では、排気管壁温度Ｔｐに応じた排気中の飽和蒸気圧Ｐｗを求め、これに排気ガス流量Ｕｅｘ（＝Ｇａ＋Ｇｆ）を乗算して飽和蒸気圧に基づく水分量Ｐｗ／Ｐｅｘ×（Ｇａ＋Ｇｆ）を求める。更に、排気ガス流量Ｕｅｘより燃焼により生じる排気中の水分量Ｇｗｅｘを導出する。次いで、尿素水供給装置１４からの基本尿素水の添加量出力ＤＵ（＝ｆ（ＤＮＨ３））に尿素水の水分比率γ％を乗算して基本尿素水の添加量相当の水分量（ｆ（ＤＮＨ３）×γ）を求める。その上で、下式（５）を用い、飽和蒸気圧に基づく水分量Ｐｗ／Ｐｅｘ×（Ｇａ＋Ｇｆ）より、排気中の水分量Ｇｗｅｘと基本尿素水の添加量相当の水分量（ｆ（ＤＮＨ３）×γ）とを減算して、排気中に添加可能な最大の許容水分添加量Ｇｗ２を導出する。
【００２９】
Ｇｗ２＝Ｐｗ／Ｐｅｘ×（Ｇａ＋Ｇｆ）−Ｇｗｅｘ−ｆ（ＤＮＨ３）×γ・・・（５）
この後、ステップａ５において、要求水分添加量Ｇｗ１が許容水分添加量Ｇｗ２より小さいか否か判断し、小さいとステップａ６に、大きいとステップａ７に進む。
ステップａ６では要求水分添加量Ｇｗ１を今回の水添加量Ｇｗｎとして設定し、ステップａ８では今回の水添加量Ｇｗｎに補正値１／γ（尿素水の水分比率５０％の逆数となる）を乗算して尿素水添加量（Ｇｗｎ×１／γ）を求め、この回の制御を終了し、メインルーチンにリターンする。
【００３０】
ステップａ７では水分の凝結を防止する上での最大値である許容水分添加量Ｇｗ２を今回の水添加量Ｇｗｎと設定し、ステップａ９では今回の水添加量Ｇｗｎに補正値１／γ（尿素水の水分比率６７％の逆数となる）を乗算して尿素水添加量（Ｇｗｎ×１／γ）を求め、この回の制御を終了し、メインルーチンにリターンする。
次に、メインルーチンのステップｓｅではステップｓｃ，ｓｄでの演算処理に基く尿素水添加処理を実施する。
【００３１】
ステップｓｄで算出された触媒冷却のための尿素水添加量（Ｇｗｎ×１／γ）はステップｓｃ（ＮＯｘ浄化に要する尿素水添加量処理ルーチン）で得られた尿素水添加量ｆ（ＤＮＨ３）に加算され最終的な尿素水の添加量出力ＤＵ（＝ｆ（ＤＮＨ３）＋Ｇｗｎ×１／γ）が算出される。尿素水供給装置１４の尿素水供給部２７は添加量出力ＤＵで駆動され、排気路Ｅに尿素水の添加量（ｆ（ＤＮＨ３）＋Ｇｗｎ×１／γ）を得ることとなる。この結果、増量された尿素水が排気路Ｅに供給され、これが加水分解され、ＳＣＲ触媒１３にアンモニアを供給でき、排気ガス中のＮＯｘを還元処理すると同時に、尿素水中の水分が蒸発して、蒸発潜熱を奪い、過昇温度Ｔｌｉｍ以上に上昇していた触媒温度Ｔｅｘを低下させる。
【００３２】
このように、排気ガス温度が過昇温度Ｔｌｉｍ（所定温度）以上のときに設定された尿素水添加量ｆ（ＤＮＨ３）を排気中の飽和蒸気圧から制限される許容水分添加量Ｇｗ２以下の範囲で増量補正することで、尿素水中の水分の蒸発潜熱により排気温度及び触媒温度Ｔｅｘを低下することにより、排気管管壁における水分の凝結を未然に回避しながら触媒昇温を効果的に抑制すとができ、触媒が過昇温度Ｔｌｉｍを上回る状態が継続することで触媒が劣化することを防止することができる。
【００３３】
特に、ここでは、排気ガス中に含まれる水分量である（燃焼により生成される水分)、及び尿素水の添加量相当の水分量ｆ（ＤＮＨ３）とを考慮して許容水分添加量Ｇｗ２を求めるので、より確実に水分の凝結を未然に回避しながら触媒昇温Ｔｅｘを効果的に抑制することができ、触媒の劣化を防止することができる。
更に、ここでは要求水分添加量Ｇｗ１と許容水分添加量Ｇｗ２の少ない方に基づき尿素の添加量を増量（Ｇｗｎ×１／γ）補正することによって、排気ガス温度低下に必要な最小の水分添加量、又は、水分の凝結を未然に回避する水分量を供給しながら触媒昇温を効果的に抑制することができ、触媒の劣化を防止することができる。なお、許容水分添加量Ｇｗ２を安全率を見込んで低く設定しても良い。
【００３４】
更に、本実施形態の変形例として、ＳＣＲ触媒１３の排気路Ｅに酸化触媒を設けることによって、特に、触媒冷却処理中のアンモニアスリップを未然に防止できる。
図１のＮＯｘ浄化装置Ｍ１は、触媒温度Ｔｇを低減させるために尿素水を増量補正して排気系２に供給し、尿素水中の水分が蒸発することによる潜熱を利用し触媒温度を低下させていたが、これに代えて、図４に示すようにＮＯｘ浄化装置Ｍ２を構成しても良い。
【００３５】
図４のＮＯｘ浄化装置Ｍ２は図１のＮＯｘ浄化装置Ｍ１と比較して、尿素水供給装置１４ａが水添加装置３０を付加装備し、尿素水と共に水分をも同時に排気路Ｅに供給する以外は同様の構成を採り、ここでは同一部材には同一符号を付し、重複説明を略す。
図４のＮＯｘ浄化装置Ｍ２は図１中のＮＯｘ浄化装置Ｍ１と同様に、排気管２１の供給位置ｆに尿素水供給装置１４ａを装着する。尿素水供給装置１４ａは図１中の尿素水供給装置１４と同様に、添加ノズル１９と噴射管２６とエアタンク２２と圧縮エア制御弁２３と尿素水パイプ２４と尿素水タンク２８と尿素水供給部２７と排気系ＥＣＵ４ａとを備え、水添加装置３０を付設する。水分添加を行う水供給手段である水添加装置３０は噴射管２６に開口する水パイプ３４と、水パイプ３４に水を供給する水タンク３３と、水パイプ３４を経由して水を調量供給する水供給部３２とこれらの制御手段を成す上述の排気系ＥＣＵ４ａとを備える。
【００３６】
ここで、尿素水タンク２８は所定の水分比率γ％（例えば６７％）の尿素水が適時に補給され、水タンク３１にも適時に水が補給されるようになっている。
【００３７】
図４のＮＯｘ浄化装置Ｍ２の排気系ＥＣＵ４ａは図１のＮＯｘ浄化装置の排気系ＥＣＵ４と比較し、図２のメインルーチン中のＮＯｘ浄化に要する尿素水添加量の演算処理ルーチンでそれぞれ同一制御が成され、主として触媒冷却のための水添加量演算処理ルーチンの一部のみが相違することより、ここではその相違点を主に説明をする。
【００３８】
図５の触媒冷却のための水添加量演算処理ルーチンでは図３で説明した触媒冷却のための水添加量演算処理ルーチンにおけるステップａ１よりステップａ７までが同様に処理される。
ステップａ５乃至ステップａ７において、要求水分添加量Ｇｗ１が許容水分添加量Ｇｗ２より小さいと判断すると要求水分添加量Ｇｗ１を今回の水添加量Ｇｗｎとして設定し、大きいと判断すると許容水分添加量Ｇｗ２を今回の水添加量Ｇｗｎと設定し、共にメインルーチンにリターンする。なお、許容水分添加量Ｇｗ２を安全率を見込んで低く設定しても良い。
【００３９】
メインルーチンのステップｓｅではステップｓｃ，ｓｄでの演算処理に基き尿素水及び水の添加処理を実施する。
ステップｓｃで演算された水添加量Ｇｗｎ相当の水の添加量出力ＤＵｗｎで水添加装置３０の水供給部３２を駆動する。
同時にステップｓｃで演算された尿素水添加量ｆ（ＤＮＨ３）相当の尿素水の添加量出力ＤＵで尿素水添加装置３０の尿素水供給部２７を駆動し、これにより排気路Ｅ中の尿素水及び／又は水の総水分量Ｗｎ、即ち、（ｆ（ＤＮＨ３）×γ＋Ｇｗｎ）を増量することとなる。
【００４０】
このように、図４のＮＯｘ浄化装置Ｍ２は、排気ガス中に含まれる水分量（燃焼により生成される水分)Ｇｗｅｘと、尿素水に含まれる水分量ｆ（ＤＮＨ３）×γを考慮して式（５）で説明した許容水分添加量Ｇｗ２を求めるので、水分の凝結を未然に回避しなが触媒昇温を効果的に抑制することができ、触媒の劣化を防止することができる。
【００４１】
更に、ここではエンジン１の運転状態に応じた排気ガス流量（Ｇａ＋Ｇｆ）、排気ガス比熱Ｃｅｘ、及び必要温度低下量（Ｔｅｘ−Ｔｌｉｍ）とに基づく必要低下熱量と、水の蒸発熱量Ｃｗとから要求水分添加量Ｇｗ１を求め、要求水分添加量Ｇｗ１及び許容水分添加量Ｇｗ２の内の少ない方の値に対応する水添加量Ｇｗｎを求め、この量だけ排気路Ｅ中の水添加量を増量補正することによって、排気ガス温度低下に必要な最小の水分添加量、又は、水分の凝結を未然に回避する水分量を供給しながら触媒昇温を効果的に抑制することができ、触媒が過昇温度Ｔｌｉｍを上回る状態が継続することで触媒が劣化することを防止することができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、触媒温度が所定温度以上のときに設定された尿素水添加量を排気中の飽和蒸気圧から制限される許容水分添加量以下の範囲で増量補正することで、尿素水中の水分の蒸発潜熱により排気温度を低下することにより、水分の凝結を未然に回避しながら触媒過昇温を効果的に抑制することができ、触媒の劣化を防止することができる。
【００４３】
請求項２の発明は、排気ガス中に予め含まれる水分量及び尿素水の添加量相当の水分量とを考慮して許容水分添加量を求めるので、水分の凝結を未然に回避しながら触媒昇温を効果的に抑制することができ、触媒の劣化を防止することができる。
【００４４】
請求項３の発明は、排気ガス温度低下に必要な要求水分添加量、及び許容水分添加量の少ない方に基づき、尿素水の添加量を増量補正することによって、排気ガス温度低下に必要な最小の水分添加量、又は、尿素水の凝結を未然に回避する水分量を供給しながら触媒昇温を効果的に抑制することができ、触媒の劣化を防止することができる。
【００４５】
請求項４の発明は、触媒温度が所定温度以上のときに、前記尿素水供給量設定手段により設定された尿素水の添加量と前記水供給手段から供給する水添加量中の総水分量が、排気中の飽和蒸気圧から制限される許容水分添加量を超えないように水添加量を設定することで、尿素水及び／又は水の総水分量の蒸発潜熱により排気温度を低下することにより、水分の凝結を未然に回避しながら触媒昇温を効果的に抑制することができ、触媒の劣化を防止することができる。
【００４６】
更に、尿素水を増量できない又は尿素水を添加できない運転状態においても、水タンクから供給された水の蒸発潜熱により排気温度を低下することにより、水分の凝結を未然に回避しなが触媒昇温を効果的に抑制することができ、触媒の劣化を防止することができる。
【００４７】
請求項５の発明は、排気ガス中に予め含まれる水分量と、尿素水に含まれる水分量を考慮して許容水分添加量を求めるので、水分の凝結を未然に回避しなが触媒昇温を効果的に抑制することができ、触媒の劣化を防止することができる。
【００４８】
請求項６の発明は、排気ガス温度低下に必要な要求水分添加量中の水添加量、及び許容水分添加量の少ない方に基き、排気中への水添加量を増量補正することによって、排気ガス温度低下に必要な最小の水分添加量、又は、水分の凝結を未然に回避する水分量を供給しながら触媒昇温を効果的に抑制することができ、触媒の劣化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態としてのＮＯｘ浄化装置とこれを装着するエンジンの概略構成図である。
【図２】図１の排気系ＤＣＵが用いるメインルーチンのフローチャートである。
【図３】図１の排気系ＤＣＵが用いる触媒冷却処理ルーチンのフローチャートである。
【図４】本発明の他の実施形態としてのＮＯｘ浄化装置とこれを装着するエンジンの概略構成図である。
【図５】図４のＮＯｘ浄化装置において排気系ＤＣＵが行う触媒冷却処理ルーチンのフローチャートである。
【図６】ＳＣＲ触媒における触媒温度−アンモニア吸着量の特性線図である。
【符号の説明】
１ エンジン
２ 排気系
４、４ａ 排気系ＤＣＵ
１３ ＳＣＲ触媒（ＮＯｘ触媒）
１４ 尿素水供給装置
１６ 排気温度センサ
１７ 触媒温度センサ
２７ 素水供給部
Ｔｇ 触媒温度
Ｔｌｉｍ 過昇温度（所定温度）
Ｇｗ１ 要求水分添加量
Ｇｗ２ 許容水分添加量
ｆ（ＤＮＨ３） 尿素水添加量
Claims (6)
- 内燃機関の排気系に設けられ排気ガス中のＮＯｘを選択還元するＮＯｘ触媒、前記ＮＯｘ触媒上流の前記排気系に還元剤としての尿素水を供給する還元剤供給手段、
前記ＮＯｘ触媒温度又は触媒温度に相関するパラメータを検出又は推定する触媒温度検出手段、
前記還元剤供給手段と前記ＮＯｘ触媒を連結する排気管の壁面温度又は排気管壁面温度に相関するパラメータを検出又は推定する排気管壁温度検出手段、
前記内燃機関の運転状態及び前記触媒温度検出手段により検出又は推定された情報に基づいて尿素水の添加量を設定する尿素水供給量設定手段、
前記尿素水供給量設定手段により設定された添加量となるように前記還元剤供給手段を制御する制御手段、
前記触媒温度検出手段により検出又は推定された触媒温度が所定温度以上のとき、前記排気管壁温度検出手段により検出又は推定された情報に基いて排気中の飽和蒸気圧から制限される許容水分添加量以下の範囲で前記尿素水の添加量を増量補正する添加量補正手段、
を備えたことを特徴とする内燃機関のＮＯｘ浄化装置。 - 請求項１に記載の内燃機関のＮＯｘ浄化装置において、
前記添加量補正手段が、前記内燃機関の運転状態に応じた排気ガス流量、排気圧及び排気管壁温度に応じた飽和蒸気圧に基づく水分量と、排気ガス中に予め含まれる水分量と、前記尿素水の基本添加量相当の水分量とから許容水分添加量を求めることを特徴とする。 - 請求項１又は請求項２に記載の内燃機関のＮＯｘ浄化装置において、前記添加量補正手段が、前記内燃機関の運転状態に応じた排気ガス流量、排気ガス比熱、及び必要温度低下量とに基づく必要低下熱量と、水の蒸発熱量とから要求水分添加量を求め、前記要求水分添加量及び前記許容水分添加量の少ない方に基づき尿素水の添加量を増量補正することを特徴とする
- 内燃機関の排気系に設けられ排気ガス中のＮＯｘを選択還元するＮＯｘ触媒、前記ＮＯｘ触媒上流の前記排気系に還元剤としての尿素水を供給する還元剤供給手段、
前記ＮＯｘ触媒温度又は触媒温度に相関するパラメータを検出又は推定する触媒温度検出手段、
前記還元剤供給手段と前記ＮＯｘ触媒を連結する排気管の壁面温度又は排気管壁面温度に相関するパラメータを検出又は推定する排気管壁温度検出手段、
前記内燃機関の運転状態及び前記触媒温度検出手段により検出又は推定された情報に基づいて尿素水の添加量を設定する尿素水供給量設定手段、
前記尿素水供給量設定手段により設定された添加量となるように前記還元剤供給手段を制御する制御手段、
前記ＮＯｘ触媒上流の前記排気系に水分添加を行う水供給手段、
前記触媒温度検出手段により検出又は推定された触媒温度が所定温度以上のとき、前記尿素水供給量設定手段により設定された尿素水の添加量と前記水供給部から供給する水添加中の総水分量が前記排気管壁温度検出手段により検出又は推定された情報に基いて、排気中の飽和蒸気圧から制限される許容水分添加量を超えない範囲の水分添加量となるように水供給手段を作動させる水添加制御手段、を備えたことを特徴とする内燃機関のＮＯｘ浄化装置。 - 請求項４に記載の内燃機関のＮＯｘ浄化装置において、
前記水添加制御手段が、前記内燃機関の運転状態に応じた排気ガス流量、排気圧及び排気管壁温度に応じた飽和蒸気圧に基づく水分量と、排気ガス中に予め含まれる水分量及び尿素水添加による水分量とから許容水分添加量を求めることを特徴とする。 - 請求項４又は請求項５に記載の内燃機関のＮＯｘ浄化装置において、
前記水添加制御手段が、前記内燃機関の運転状態に応じた排気ガス流量、排気ガス比熱、及び必要温度低下量とに基づく必要低下熱量と、水の蒸発熱量とから要求水分添加量を求め、前記要求水分添加量及び前記許容水分添加量の少ない方に対応する水添加量だけ供給することを特徴とする。
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