JP5668695B2 - 車載内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、車載内燃機関の排気通路に設けられた触媒の上流側から液状の還元剤を添加することにより排気に含まれる窒素酸化物を同触媒上において浄化する排気浄化装置に関する。

従来、内燃機関の排気に含まれる窒素酸化物（以下、ＮＯｘ）を浄化すべく、内燃機関の排気通路に選択還元型触媒（以下、触媒）を設けるとともに、同触媒に対しその上流側から還元剤としての尿素水を添加する添加弁を設けるようにした排気浄化装置が周知である（例えば特許文献１参照）。こうした排気浄化装置によれば、高温下の排気に対し添加弁により尿素水を添加することにより、尿素水がアンモニアに分解され、触媒上においてアンモニアにより排気に含まれるＮＯｘが還元されて浄化される。

こうした尿素水は車両に搭載される専用のタンク内に貯留されており、タンク内の尿素水はポンプによって添加弁に圧送されるようになっている。
ところで、尿素水は−７℃以下になると凍結し始める。そこで、タンク内に尿素水を加熱する電熱ヒータを設け、尿素水が凍結しているときに電熱ヒータに対して通電することにより尿素水の解凍を図るようにしたものが提案されている（例えば特許文献２参照）。

特開２０１０―７１２７０号公報 特開２００８−１１５７８４号公報

ところで、勾配のある場所で停車され、機関運転が停止された状態が低温下において継続した場合には、尿素水の液面に対してタンクが傾斜した状態のまま同尿素水が凍結することとなる。そのため、タンク内において尿素水が遍在しており、電熱ヒータ等の加熱装置からの熱が尿素水に対して好適に伝えられなくなるおそれがある。この場合、例えば尿素水の液面に対してタンクが傾斜していない状態を想定して加熱装置による加熱時間等の加熱態様が設定されていると、加熱装置による加熱が終了しても尿素水が完全には解凍されていないといった状況が生じる。したがって、尿素水に対するタンクの傾斜度合によっては、凍結している尿素水を的確に解凍することができない。

尚、こうした問題に対して、例えば尿素水の液面に対してタンクが最も傾斜した状態のまま同尿素水が凍結した場合のように加熱装置からの熱を還元剤に対して最も伝えにくい状態を想定して加熱装置による加熱態様を設定することが考えられる。具体的には、加熱装置による加熱時間を最大限、長く設定することが考えられる。しかしながらこのように加熱態様を設定すると、尿素水に対してタンクが傾斜していない場合には、加熱装置による加熱が無駄に長く継続されることとなり、不要な電力消費を招くといった新たな問題が生じることとなる。

尚、こうした問題は尿素水を用いる排気浄化装置に限られるものではなく、低温下において凍結する液状の還元剤を用いる排気浄化装置であれば同様にして生じる。
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、還元剤に対するタンクの傾斜度合にかかわらず、凍結している還元剤を的確に解凍することのできる車載内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
（１）請求項１に記載の発明は、車載内燃機関の排気通路に設けられた触媒の上流側から液状の還元剤を添加することにより排気に含まれる窒素酸化物を同触媒上において浄化する排気浄化装置であって、前記還元剤を貯留するタンク内に設けられて前記還元剤を加熱する加熱装置を備える車載内燃機関の排気浄化装置において、前記加熱装置による加熱を行なう際に、車両の傾斜度合に応じて同加熱装置による加熱態様を変更することをその要旨としている。

水平面に対して車両が傾斜しており、還元剤の液面に対してタンクが傾斜した状態で同還元剤が凍結している場合と、還元剤の液面に対してタンクが傾斜していない状態で同還元剤が凍結している場合とでは、当該凍結している還元剤と加熱装置との位置関係が異なるものとなる。上記構成によれば、車両の傾斜度合に応じて加熱装置による加熱態様が変更されるようになる。ここで、車両の傾斜度合から、凍結している還元剤と加熱装置との位置関係、具体的には還元剤が加熱装置からどの程度離間して凍結しているかを的確に把握することができる。このため、還元剤が加熱装置から離間しており、解凍されにくい場合ほど加熱装置から多くの熱量を投入することが可能となる。したがって、還元剤に対するタンクの傾斜度合にかかわらず、凍結している還元剤を的確に解凍することができるようになる。

（２）請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の車載内燃機関の排気浄化装置において、前記加熱装置による加熱時間を車両の傾斜度合に応じて変更することをその要旨としている。

例えば加熱装置により還元剤に対して単位時間当たりに投入される熱量が一定とされる構成にあっては、上記構成によるように、加熱装置による加熱時間を車両の傾斜度合に応じて変更するようにすれば、加熱装置から還元剤に対して投入される熱量を簡易且つ的確に制御することができるようになる。

（３）請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の車載内燃機関の排気浄化装置において、前記加熱装置により前記還元剤に対して単位時間当たりに投入される熱量を車両の傾斜度合に応じて変更することをその要旨としている。

また、加熱装置により還元剤に対して単位時間当たりに投入される熱量を変更することができる構成にあっては、上記構成によるように、当該単位時間当たりに投入される熱量を車両の傾斜度合に応じて変更するようにすれば、加熱装置から還元剤に対して投入される熱量を加熱時間を大きく変更することなく的確に制御することができるようになる。

（４）請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の車載内燃機関の排気浄化装置において、車両の傾斜度合と前記タンク内の還元剤の体積との双方に応じて前記加熱装置による加熱態様を変更することをその要旨としている。

車両の傾斜度合が同一であっても、凍結している還元剤と加熱装置との位置関係はタンク内の還元剤の体積によって異なるものとなる。上記構成によれば、車両の傾斜度合に加え、更にタンク内の還元剤の体積に応じて加熱装置による加熱態様が変更されるようになる。すなわち、車両の傾斜度合とタンク内の還元剤の体積との双方から、凍結している還元剤と加熱装置との位置関係、具体的には還元剤が加熱装置からどの程度離間して凍結しているかを一層的確に把握することができる。したがって、還元剤に対するタンクの傾斜度合にかかわらず、凍結している還元剤を一層的確に解凍することができるようになる。

（５）請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の車載内燃機関の排気浄化装置において、前記タンクにおいて鉛直方向下側の面を底面とするとき、前記加熱装置は前記タンクの底面に近接して設けられ、前記加熱装置による加熱を行なう際に、水平面に対する車両の傾斜度合が大きいときほど前記加熱装置により前記還元剤に対して投入される総熱量が大きくなるように同加熱装置による加熱態様を変更することをその要旨としている。

加熱装置がタンクの底面に近接して設けられる構成にあっては、水平面に対する車両の傾斜度合が大きくなるほど、還元剤の液面に対してタンクが傾斜し、加熱装置に対して還元剤が離間することとなる。上記構成によれば、水平面に対する車両の傾斜度合が大きいときほど、すなわち還元剤が加熱装置から離間しており、解凍に多くの熱量が必要となるときほど、加熱装置により還元剤に対して投入される総熱量が大きくされる。したがって、還元剤に対するタンクの傾斜度合にかかわらず、凍結している還元剤を的確に解凍することができるようになる。

本発明の一実施形態に係る車載内燃機関の排気浄化装置について、尿素水を貯留するタンクの断面構造を示す断面図。 （ａ）は水平面に対して車両が傾斜しているときのタンクの断面構造を示す断面図、（ｂ）は（ａ）の状態で尿素水が凍結した後、車両が傾斜していないときのタンクの断面構造を示す断面図。 同実施形態における尿素水の添加許可フラグ設定ルーチンの実行手順を示すフローチャート。 同実施形態における凍結フラグ設定ルーチンの実行手順を示すフローチャート。 尿素水の体積と凍結時間との関係を尿素水の温度毎に規定したマップ。 車両の傾斜角と加熱時間との関係を尿素水の体積毎に規定したマップ。

以下、図１〜図６を参照して、本発明に係る車載内燃機関の排気浄化装置を具体化した一実施形態について説明する。
尚、図１における上下方向が鉛直方向における上下方向に対応し、図１における左右方向が車両の前後方向に対応している。

本実施形態における排気浄化装置は、従来一般の排気浄化装置と同様にして、車載内燃機関の排気通路に設けられた選択還元型触媒（以下、触媒）と、同触媒の上流側から液状の尿素水を添加する添加弁とを備え、同添加弁から尿素水を添加することにより排気に含まれる窒素酸化物（以下、ＮＯｘ）を同触媒上において浄化するように構成されている。

図１に示すように、排気浄化装置は、略直方体状をなすタンク１０を備えており、同タンク１０内には尿素水が貯留されている。車両が水平面上にある状態において、タンク１０の頂面１２及び底面１４は共に水平方向に沿って延びている。また、これら頂面１２と底面１４との間の側面１６は鉛直方向に沿って延びている。

タンク１０の底面１４には図１における左右方向、及び図１において紙面に垂直な方向（車幅方向）における中央位置に凹部１４ａが形成されている。この凹部１４ａには添加弁に対して尿素水を供給するための供給管３０が接続されている。尚、この供給管３０の途中には尿素水を圧送するためのポンプが設けられている。

また、凹部１４ａ内には尿素水を加熱する加熱装置２０が設けられている。加熱装置２０は、通電されることにより発熱する電熱コイル２２と、同電熱コイル２２の両端から延びるとともにタンク１０の底面１４に沿って延びる金属片２４とを有している。すなわち、加熱装置２０はタンク１０の底面１４に近接して設けられている。

加熱装置２０への通電制御は電子制御装置５０により行なわれる。電子制御装置５０には、尿素水の温度を検出する温度センサ５１、尿素水の液位を検出する液位センサ５２、及び水平面に対する車両の傾斜角（以下、車両の傾斜角Ａ）を検出する傾斜角センサ５３といった各種センサが接続されている。ちなみに、車両の前部が後部に対して上方に位置しているときには車両の傾斜角Ａは正の値となり、車両の前部が後部に対して下方に位置しているときには車両の傾斜角Ａは負の値となる。

さて、本実施形態では、電子制御装置５０を通じて、タンク１０内の尿素水が完全に凍結しているか否かを判断するとともに、尿素水が凍結していると判断した場合には加熱装置２０への通電を行なうことにより同尿素水の解凍を図るようにしている。ここで、本実施形態では、加熱装置２０により尿素水に対して単位時間当たりに投入される熱量が一定となるように電熱コイル２２への通電制御が行なわれる。また、加熱装置２０への通電が終了したことをもってタンク１０内の尿素水が解凍されたとして、尿素水の添加を許可する、すなわち添加弁の駆動を許可するようにしている。

ところで、前述したように、勾配のある場所で停車され、機関運転が停止された状態が低温下において継続した場合には、図２（ａ）に示すように、尿素水の液面に対してタンク１０が傾斜した状態のまま同尿素水が凍結することとなる。この場合、図２（ｂ）に示すように、車両が勾配のない場所に移動しても、タンク１０内において尿素水が遍在した状態が継続され、加熱装置２０からの熱が尿素水に対して好適に伝えられなくなる。この場合、例えば尿素水の液面に対してタンク１０が傾斜していない状態を想定して加熱装置２０による加熱時間αが設定されていると、加熱装置２０による加熱が終了しても尿素水が完全には解凍されていないといった状況が生じることとなる。したがって、尿素水に対するタンク１０の傾斜度合によっては、凍結している尿素水を的確に解凍することができない。

そこで、本実施形態では、こうした不都合の発生を解消すべく、タンク１０内の尿素水を解凍すべく加熱装置２０による加熱を行なう際に、水平面に対する車両の傾斜角Ａが大きいときほど加熱装置２０による加熱時間αが長くなるようにしている。

次に、図３を参照して、尿素水の添加許可フラグを設定するルーチンの実行手順について説明する。尚、このルーチンは内燃機関が始動される度に実行される。
図３に示すように、この一連の処理では、まず、凍結フラグＦ１が「ＯＮ」であるか否かを判断する（ステップＳ１）。凍結フラグＦ１はタンク１０内の尿素水が完全に凍結していると判断した場合に「ＯＮ」にされるフラグである。

ここで、図４を参照して、凍結フラグＦ１を設定するルーチンの実行手順について説明する。尚、同ルーチンは機関停止中に所定期間毎に繰り返し実行される。また凍結フラグＦ１は当初、「ＯＦＦ」に設定されている。

図４に示すように、この一連の処理では、まず、機関停止直後における尿素水の体積Ｖｕｒｅａを読み込む（ステップＳ１１）。尚、尿素水の体積Ｖｕｒｅａは液位センサ５２の検出結果に基づき周知の態様にて算出される。そして、次に、そのときの尿素水の温度Ｔｕｒｅａを読み込む（ステップＳ１２）。

こうして尿素水の温度Ｔｕｒｅａを読み込むと、次に、尿素水の温度Ｔｕｒｅａが凝固点温度Ｔｆｒｚ以下であるか否かを判断する（ステップＳ１３）。ここで、尿素水の温度Ｔｕｒｅａが凝固点以下ではない場合（ステップＳ１３：「ＮＯ」）には、尿素水が凍結していないとして、凍結フラグＦ１を「ＯＦＦ」のままにしてこの一連の処理を一旦終了する。

一方、尿素水の温度Ｔｕｒｅａが凝固点温度Ｔｆｒｚ以下である場合（ステップＳ１３：「ＹＥＳ」）には、次に、図５に示すマップ（ＭＡＰ１）を参照して、尿素水の体積Ｖｕｒｅａ及び尿素水の温度Ｔｕｒｅａに基づき凍結時間βを導出する（ステップＳ１４）。凍結時間βは、当該尿素水が完全に凍結するまでに要する時間であり、図５に示すように、尿素水の体積Ｖｕｒｅａが一定であれば（例えばＶ１）、尿素水の温度が低いほど（Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３）、小さな値に設定される（β１＜β２＜β３）。尚、尿素水の体積Ｖｕｒｅａ及び尿素水の温度Ｔｕｒｅａと凍結時間βとの関係は、実験等を通じて予め設定されている。

こうして凍結時間βを導出すると、次に、機関運転が停止されてからの経過時間である停止後経過時間Δｔｓｔｐが上記凍結時間β以上であるか否かを判断する（ステップＳ１５）。その結果、停止後経過時間Δｔｓｔｐが凍結時間β以上ではない場合（ステップＳ１５：「ＮＯ」）には、尿素水が完全には凍結していないとして、凍結フラグＦ１を「ＯＦＦ」のままにしてこの一連の処理を一旦終了する。

一方、停止後経過時間Δｔｓｔｐが凍結時間β以上である場合（ステップＳ１５：「ＹＥＳ」）には、尿素水が完全に凍結しているとして、次に、凍結フラグＦ１を「ＯＮ」にして（ステップＳ１６）、この一連の処理を一旦終了する。

さて、先の図３に示すように、凍結フラグＦ１が「ＯＮ」ではない場合（ステップＳ１：「ＮＯ」）には、尿素水の添加を行なうことができるとして、次に、添加許可フラグＦ２を「ＯＮ」に設定して（ステップＳ７）、この一連の処理を終了する。

一方、凍結フラグＦ１が「ＯＮ」である場合（ステップＳ１：「ＹＥＳ」）には、次に、車両の傾斜角Ａを読み込む（ステップＳ２）。そして、次に、図６に示すマップ（ＭＡＰ２）を参照して、車両の傾斜角Ａ及び尿素水の体積Ｖｕｒｅａに基づき、加熱時間αを導出する（ステップＳ３）。ここで、図６に示すように、車両の傾斜角Ａの絶対値が大きいときほど加熱時間αが大きな値とされる。また、車両の傾斜角Ａが同一であれば、尿素水の体積Ｖｕｒｅａが大きいときほど加熱時間αが大きな値とされる。すなわち、水平面に対する車両の傾斜度合が大きいときほど、尿素水の体積Ｖｕｒｅａが大きいときほど、加熱装置２０により尿素水に対して投入される総熱量が大きくされる。尚、車両の傾斜角Ａ及び尿素水の体積Ｖｕｒｅａと加熱時間αとの関係は、実験等を通じて予め設定されている。

こうして加熱時間αを導出すると、次に、電熱コイル２２への通電を開始し（ステップＳ４）、次に、通電時間ｔｐが上記加熱時間α以上であるか否かを判断する（ステップＳ５）。ここで、通電時間ｔｐが加熱時間α以上ではない場合（ステップＳ５：「ＮＯ」）には、尿素水の解凍が十分に進んでいないとして、再度、ステップＳ５の判断処理を繰り返す。

こうした判断処理が繰り返されることで、通電時間ｔｐが上記加熱時間α以上となると（ステップＳ５：「ＹＥＳ」）、尿素水が完全に解凍されたとして、次に、電熱コイル２２への通電を停止する（ステップＳ６）。そして、次に、尿素水の添加を行なうことができるとして、次に、添加許可フラグＦ２を「ＯＮ」に設定して（ステップＳ７）、この一連の処理を終了する。

次に、本実施形態の作用について説明する。
水平面に対して車両が傾斜しており、尿素水の液面に対してタンク１０が傾斜した状態で同尿素水が凍結している場合と、尿素水の液面に対してタンク１０が傾斜していない状態で同尿素水が凍結している場合とでは、当該凍結している尿素水と加熱装置２０との位置関係が異なるものとなる。すなわち、加熱装置２０がタンク１０の底面１４に近接して設けられる構成にあっては、水平面に対する車両の傾斜角Ａの絶対値が大きいときほど、尿素水の液面に対してタンク１０が傾斜し、加熱装置２０に対して尿素水が離間することとなる。

この点、本実施形態によれば、水平面に対する車両の傾斜角Ａの絶対値が大きいときほど、すなわち尿素水が加熱装置２０から離間しており、解凍に多くの熱量が必要となる場合ほど、加熱装置２０による加熱時間αが大きくされ、尿素水に対して投入される総熱量が大きくされる。

また、車両の傾斜角Ａが同一であっても、凍結している尿素水と加熱装置２０との位置関係はタンク１０内の尿素水の体積Ｖｕｒｅａによって異なるものとなる。
この点、本実施形態によれば、車両の傾斜角Ａの絶対値に加え、更にタンク１０内の尿素水の体積Ｖｕｒｅａに応じて加熱装置２０による加熱時間αが変更される。すなわち、車両の傾斜角Ａの絶対値とタンク１０内の尿素水の体積Ｖｕｒｅａとの双方から、凍結している尿素水と加熱装置２０との位置関係、具体的には尿素水が加熱装置２０からどの程度離間して凍結しているかが的確に把握され、その離間の程度に応じて加熱時間αが設定される。

以上説明した本実施形態に係る車載内燃機関の排気浄化装置によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）排気浄化装置は、尿素水を貯留するタンク１０内に設けられて尿素水を加熱する加熱装置２０を備えるものとした。また、加熱装置２０はタンク１０の底面１４に近接して設けられるものとした。電子制御装置５０は、加熱装置２０による加熱を行なう際に、車両の傾斜角Ａの絶対値に応じて加熱装置２０による加熱態様を変更するようにした。具体的には、加熱装置２０により尿素水に対して単位時間当たりに投入される熱量が一定とされるとともに、水平面に対する車両の傾斜角Ａの絶対値が大きいときほど加熱装置２０による加熱時間αが長くなるようにした。こうした構成によれば、尿素水に対するタンク１０の傾斜度合にかかわらず、凍結している尿素水を的確に解凍することができるようになる。

（２）車両の傾斜角Ａの絶対値とタンク１０内の尿素水の体積との双方に応じて加熱装置２０による加熱時間αを変更するようにした。こうした構成によれば、車両の傾斜角Ａの絶対値に加え、更にタンク１０内の尿素水の体積Ｖｕｒｅａに応じて加熱装置２０による加熱時間αが変更されるようになる。すなわち、車両の傾斜角Ａの絶対値とタンク１０内の尿素水の体積Ｖｕｒｅａとの双方から、凍結している尿素水と加熱装置２０との位置関係、具体的には尿素水が加熱装置２０からどの程度離間して凍結しているかを的確に把握することができる。

尚、本発明に係る車載内燃機関の排気浄化装置は、上記実施形態にて例示した構成に限定されるものではなく、これを適宜変更した例えば次のような形態として実施することもできる。

・尿素水の温度を直接検出する温度センサ５１の検出結果に加えて、外気温を検出する外気温センサの検出結果に基づいて凍結フラグＦ１の設定、すなわち尿素水の凍結判定を行うようにしてもよい。

・上記実施形態では、尿素水が完全に凍結している場合において加熱装置２０による尿素水の加熱制御を行なう構成について例示した。これに加えて、尿素水が部分的に凍結している場合においても加熱装置２０による加熱制御を行うようにすることもできる。具体的には、凍結時間βと停止後経過時間Δｔｓｔｐとの乖離度合から尿素水の凍結度合を推定するとともに、同凍結度合が小さいときほど加熱時間等を小さく設定するようにすればよい。そして、この場合においても、上記実施形態のように、車両の傾斜角Ａの絶対値とタンク１０内の尿素水の体積との双方に応じて加熱装置２０による加熱態様を変更するようにすれば、上記実施形態の作用効果に準じた効果を奏することができるようになる。

・上記実施形態では、加熱装置２０による加熱態様を変更する際に、車両の前後方向における車両の傾斜度合を考慮するようにしたが、車幅方向に対する車両の傾斜度合についても考慮するようにすれば、尿素水に対するタンクの傾斜度合にかかわらず、凍結している尿素水を一層的確に解凍することができるようになる。

・上記実施形態では、加熱装置２０により尿素水に対して単位時間当たりに投入される熱量が一定となるように電熱コイル２２への通電制御が行なわれるものについて例示した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、加熱装置により尿素水に対して単位時間当たりに投入される熱量を変更することができる構成にあっては、単位時間当たりに投入される熱量を車両の傾斜度合に応じて変更するようにすることもできる。この場合、加熱装置から尿素水に対して投入される熱量を加熱時間を大きく変更することなく好適に制御することができるようになる。

・上記実施形態では、液状の還元剤の一例として尿素水について例示したが、触媒上においてＮＯｘを還元することのできるものであればこれを任意の成分に変更することができる。

・加熱装置２０の配設位置は上記実施形態において例示したものに限られるものではなく、タンク内においてこれを任意の位置に配設するようにしてもよい。

１０…タンク、１２…頂面、１４…底面、１４ａ…凹部、１６…側面、２０…加熱装置、２２…電熱コイル、２４…金属片、３０…供給管、５０…電子制御装置、５１…温度センサ、５２…液位センサ、５３…傾斜角センサ。

Claims (5)

1. 車載内燃機関の排気通路に設けられた触媒の上流側から液状の還元剤を添加することにより排気に含まれる窒素酸化物を同触媒上において浄化する排気浄化装置であって、前記還元剤を貯留するタンク内に設けられて前記還元剤を加熱する加熱装置を備える車載内燃機関の排気浄化装置において、
   前記加熱装置による加熱を行なう際に、車両の傾斜度合に応じて同加熱装置による加熱態様を変更する
   ことを特徴とする車載内燃機関の排気浄化装置。
2. 請求項１に記載の車載内燃機関の排気浄化装置において、
   前記加熱装置による加熱時間を車両の傾斜度合に応じて変更する
   ことを特徴とする車載内燃機関の排気浄化装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の車載内燃機関の排気浄化装置において、
   前記加熱装置により前記還元剤に対して単位時間当たりに投入される熱量を車両の傾斜度合に応じて変更する
   ことを特徴とする車載内燃機関の排気浄化装置。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の車載内燃機関の排気浄化装置において、
   車両の傾斜度合と前記タンク内の還元剤の体積との双方に応じて前記加熱装置による加熱態様を変更する
   ことを特徴とする車載内燃機関の排気浄化装置。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の車載内燃機関の排気浄化装置において、
   前記タンクにおいて鉛直方向下側の面を底面とするとき、
   前記加熱装置は前記タンクの底面に近接して設けられ、
   前記加熱装置による加熱を行なう際に、水平面に対する車両の傾斜度合が大きいときほど前記加熱装置により前記還元剤に対して投入される総熱量が大きくなるように同加熱装置による加熱態様を変更する
   ことを特徴とする車載内燃機関の排気浄化装置。