JP6062906B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。より詳しくは、排気中に尿素水溶液を噴射し、この尿素水溶液を加水分解することによって生成したＮＨ_３を用いることによって排気中のＮＯｘを浄化する内燃機関の排気浄化装置に関する。

排気中のＮＯｘを浄化する排気浄化装置の１つとして、ＮＨ_３により排気中のＮＯｘを選択的に還元する選択還元触媒（以下、「ＳＣＲ触媒」という）を排気通路に設けるものが提案されている。中でも尿素添加式のものは、ＳＣＲ触媒の上流側の排気中にＮＨ_３の前駆体である尿素水溶液をインジェクタによって噴射し、その加水分解によってＮＨ_３を生成し、これをＳＣＲ触媒に供給する。排気中に供給する尿素水溶液は、タンクに貯留されたものが用いられる場合が多い。

ところで尿素水溶液は約氷点下１１℃以下になると凍結するため、タンクには凍結した尿素水溶液を解凍するためのヒータが設けられる。特許文献１には、尿素水溶液が凍結しているときには、ヒータを用いてタンク内の尿素水溶液を解凍し、同時にある程度の量の尿素水溶液が解凍されるまでインジェクタからの尿素水溶液の噴射を制限する技術が開示されている。より具体的には、タンク内で解凍された尿素水溶液の量が少ない場合には多い場合よりも尿素水溶液の噴射開始時期を遅らせている。これにより、タンク内の尿素水溶液の完全解凍を待たずにできるだけ早期に尿素水溶液の噴射を開始することができるので、内燃機関の始動時におけるＳＣＲ触媒の浄化率を向上できる。

特開２０１３−１４７９８２号公報

しかしながら特許文献１では、尿素水溶液の噴射量については具体的に検討されていない。このため、尿素水溶液の噴射を開始した直後であって未だ完全解凍に至っていない状態で要求通りの量の尿素水溶液を噴射し続けた場合、解凍量が不足してしまい、再び噴射可能となるまで尿素水溶液が解凍されるのを待たねばならなくなるおそれがある。このように一旦尿素水溶液の噴射を停止すると、ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化が大きく低下するおそれがある。また、ヒータによる加熱を継続している状態で、解凍した尿素水溶液を使い切ってしまうと、解凍済みの尿素水溶液と未解凍の尿素水溶液との間に空洞ができてしまい、ヒータによる解凍効率が低下してしまい、完全解凍に至るまでの時間が長くなってしまう場合がある。

本発明は、完全解凍を待たずに尿素水溶液の供給を開始するものであって、一旦尿素水溶液の供給を開始した後は、再び供給停止の状態に陥ることなく常に０でない量の尿素水溶液を供給し続けることができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

（１）内燃機関（例えば、後述のエンジン１）の排気浄化装置（例えば、後述の排気浄化装置２）は、内燃機関の排気通路（例えば、後述の排気管１１）に設けられ、ＮＯｘとＮＨ_３を反応させてＮＯｘを浄化するＳＣＲ触媒（例えば、後述のＳＣＲ触媒コンバータ３４）と、前記ＮＨ_３の前駆体である尿素水溶液を貯蔵するタンク（例えば、後述の尿素水タンク３２１）と、前記タンク内の尿素水溶液を加熱する加熱手段（例えば、後述の尿素水ヒータ３２４）と、前記タンク内の尿素水溶液の凍結時に前記加熱手段を用いて前記タンク内の尿素水溶液を解凍する解凍制御手段（例えば、後述のＥＣＵ４及び図２の解凍制御の実行に係る手段）と、前記排気通路内の前記ＳＣＲ触媒の上流に前記タンク内の尿素水溶液を供給する尿素水溶液供給手段（例えば、後述の尿素水インジェクタ３２２）と、前記尿素水溶液供給手段からの尿素水溶液の供給量を所定の制御周期の下で制御する供給量制御手段（例えば、後述のＥＣＵ４及び図２の制限噴射制御及び通常噴射制御の実行に係る手段）と、前記内燃機関の状態に応じた尿素水溶液の要求量を算出する要求量算出手段（例えば、後述のＥＣＵ４及び要求量算出部４６）と、前記加熱手段による加熱開始からの解凍量を算出する積算解凍量算出手段（例えば、後述のＥＣＵ４及び解凍量算出部４１）と、前記尿素水溶液供給手段による供給開始からの消費量を算出する積算消費量算出手段（例えば、後述のＥＣＵ４及び積算消費量算出部４２）と、前記解凍量から前記消費量を減算することで前記尿素水溶液の使用可能量を算出する使用可能量算出手段（例えば、後述のＥＣＵ４及び使用可能量算出部４３）と、前記使用可能量を前記制御周期よりも長くなるように設定された制限量算出時間で除算することによって前記尿素水溶液の供給量に対する制限量を算出する制限量算出手段（例えば、後述のＥＣＵ４及び解凍時上限値算出部４５）と、を備え、前記供給量制御手段は、前記要求量及び前記制限量に基づいて前記尿素水溶液の供給量を制御することを特徴とする。

（２）この場合、前記尿素水溶液の凍結時に、前記加熱手段による加熱開始から前記供給量制御手段による供給開始までの間の前記解凍量の増加分を供給許可量と定義し、前記制限量算出時間は、前記供給許可量を単位時間当たりに解凍される尿素水溶液の量で除算して得られる時間よりも長く設定されることが好ましい。

（３）この場合、前記排気浄化装置は、前記内燃機関の排気の温度を取得する排気温度取得手段（例えば、後述の排気温度センサ５９及びＥＣＵ４）と、前記取得された排気温度に基づいて、前記尿素水溶液供給手段から供給された尿素水溶液が前記排気通路内で析出するのを抑制するための前記供給量に対する析出抑制量を設定する析出抑制量算出手段（例えば、後述のＥＣＵ４及び析出抑制量算出部４７）と、前記制限量が前記析出抑制量より大きい場合には、小さい場合よりも前記加熱手段への電力を低減する加熱制御手段（例えば、後述のＥＣＵ４及びヒータ電力決定部５４）と、を備えることが好ましい。

（１）本発明では、加熱開始からの解凍量（積算値）から供給開始からの消費量（積算値）を減算することによって使用可能量を算出し、この使用可能量を所定の制限量算出時間で除算することによって尿素水溶液の供給量に対する制限量を算出する。ここで、使用可能量とは、これが算出された時点において確実に使用できる尿素水溶液の量に相当する。従ってこの使用可能量を制限量算出時間で除算して得られる制限量とは、タンク内で使用可能な尿素水溶液を枯渇することなく制限量算出時間にわたって確実に供給し続けることができる尿素水溶液の単位時間当たりの量に相当する。したがって本発明では、この制限量算出時間を制御周期よりも長くすることにより、仮に使用可能量を算出した時点から解凍量の増加が無い場合であっても、確実に枯渇しないように尿素水溶液の制限量を算出することができる。

本発明によれば、尿素水溶液の枯渇を確実に防止することにより、解凍済みの尿素水溶液と未解凍の尿素水溶液との間に大きな空洞ができるのを防止できるので、加熱手段による解凍効率が低下することもない。また、尿素水溶液の枯渇を確実に防止することにより、常に尿素水溶液をＳＣＲ触媒へ供給し続けることができる。ＳＣＲ触媒には、所定量のＮＨ_３を保持しておき、これをＮＯｘの浄化に適宜消費する能力がある。また、ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化性能は、ＳＣＲ触媒に保持されるＮＨ_３の量が多い方が高くなる。本発明では、このようなＮＨ_３ストレージ能力を備えたＳＣＲ触媒に対し、常に尿素水溶液を供給し続けることにより、ＳＣＲ触媒にはできるだけ多くの量のＮＨ_３が保持された状態を維持し、ひいてはＮＯｘ浄化性能の高い状態を維持できる。また常に尿素水溶液を供給し続けることにより、ＳＣＲ触媒のうち最も排気中のＮＯｘと反応しやすい部分にＮＨ_３を保持させることができるので、ＮＯｘ浄化性能の高い状態を維持できる。

（２）一般的な尿素水溶液供給手段は、タンク内の尿素水溶液の一部が解凍されれば直ちに尿素水溶液を供給可能な状態になるとは限らない。例えば、タンク内に設けられたポンプを利用して尿素水溶液をインジェクタへ圧送する場合、タンク内である程度の量の尿素水溶液が解凍され、さらにポンプによってある程度昇圧されて初めてインジェクタから尿素水溶液を噴射することが可能となる。本発明では、加熱手段による加熱を開始してから実際に供給可能になるまでの待ち時間の間の解凍量の増加分を供給許可量と定義する。さらに本発明では、この供給許可量を単位時間当たりに解凍される尿素水溶液の量で除算して得られる時間を制限量算出時間の下限として定める。これにより、尿素水溶液の供給を開始した後は、タンク内には少なく見積もっても供給許可量の解凍済みの尿素水溶液が溜まった状態を確実に維持できる。

（３）上述のように尿素添加式の排気浄化装置では、尿素水溶液中の炭素が排気通路内で加熱される過程で生成されるＮＨ_３を用いるが、この過程で生成される物質が排気通路内に固体状で残ってしまう場合があり、このような析出を防止するため尿素水溶液の供給量に制限が設けられる場合がある。とりわけ、タンク内の尿素水溶液が凍結するような低温時には析出が発生しやすく、結果として制限量が析出抑制量よりも大きくなってしまう場合がある。完全解凍を急ぐあまり加熱手段への電力を増加すればその分だけ制限量も増加する。しかしながら、尿素水溶液の供給量が析出抑制量によって制限されている状態では、制限量が析出抑制量を超えてしまうほど完全解凍を急いでもさほど利益はない。本発明では、制限量が析出抑制量より大きい場合には、小さい場合よりも加熱手段への電力を低減する。これにより、解凍速度を緩めて、車両全体での燃費を向上できる。

本発明の一実施形態に係るエンジンの排気浄化装置の構成を示す図である。 尿素水溶液の解凍／噴射制御の手順を示すフローチャートである。 尿素水溶液の通常噴射量、解凍時上限値、及び制限噴射量を制御周期ごとに決定する演算手順を示す機能ブロック図である。 排気温度及び尿素水噴射量とミキサの温度及び析出物の有無との相関関係を調べた試験結果を示す図である。 ヒータへの供給電力を制御周期ごとに決定する演算手順を示す機能ブロック図である。 ヒータへの供給電力の補正係数を決定するマップの一例である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関（以下、「エンジン」という）１及びその排気浄化装置２の構成を示す模式図である。エンジン１は、リーンバーン運転方式のガソリンエンジン又はディーゼルエンジンである。排気浄化装置２は、エンジン１の排気管１１の触媒浄化ユニット３と、エンジン１及び触媒浄化ユニット３を制御する電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）４と、を含んで構成される。

触媒浄化ユニット３は、上流触媒コンバータ３１と、排気温度センサ５９と、尿素水溶液供給システム３２と、ミキサ３３と、ＳＣＲ触媒コンバータ３４と、をこの順で直列に配置して構成される。

上流触媒コンバータ３１は、フロースルー型のハニカム構造体を基材として、この基材に酸化触媒を担持して構成される。エンジンから排出された排気に含まれるＨＣやＣＯは、この上流触媒コンバータ３１を通過する過程で酸化触媒の作用によって酸化される。また、排気に含まれるＮＯも、上流触媒コンバータ３１を通過する過程でＮＯ_２に酸化される。エンジン直下の排気に含まれるＮＯｘのうちほぼ全てはＮＯでありＮＯ_２はほとんど含まれていない（ＮＯ_２／ＮＯｘ比がほぼ０）。このため、上流触媒コンバータ３１でＮＯを酸化しＮＯ_２を生成することにより、ＳＣＲ触媒コンバータ３４に流入する排気のＮＯ_２／ＮＯｘ比を、そのＮＯｘ浄化性能が最適化される約０．５まで上昇させることができる。

ＳＣＲ触媒コンバータ３４は、フロースルー型のハニカム構造体を基材として、この基材にＳＣＲ触媒を担持して構成される。このＳＣＲ触媒は、ＮＯｘとＮＨ_３とを反応させて排気中のＮＯｘを浄化する。具体的には、後述の尿素水溶液供給システム３２から尿素水溶液を噴射することによって生成されたＮＨ_３が供給されると、このＮＨ_３によって、下記３種類の反応式に従って排気中のＮＯｘを選択的に還元する。
ＮＯ＋ＮＯ_２＋２ＮＨ_３→２Ｎ_２＋３Ｈ_２Ｏ
４ＮＯ＋４ＮＨ_３＋Ｏ_２→４Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ
６ＮＯ_２＋８ＮＨ_３→７Ｎ_２＋１２Ｈ_２Ｏ

また、このＳＣＲ触媒は、ＮＨ_３で排気中のＮＯｘを還元する機能を有するとともに、ＮＨ_３を所定の量だけ貯蔵する機能も有する。以下では、ＳＣＲ触媒に貯蔵されたＮＨ_３の量をＮＨ_３ストレージ量といい、このＮＨ_３ストレージ量の限界を最大ＮＨ_３ストレージ量という。ＳＣＲ触媒のＮＨ_３ストレージ量が最大ＮＨ_３ストレージ量を超えると、その下流へＮＨ_３がスリップする。このようにしてＳＣＲ触媒に貯蔵されたＮＨ_３は、尿素水溶液供給システム３２から供給されたＮＨ_３と合わせて排気中のＮＯｘの還元に適宜消費される。なお、ＳＣＲ触媒に多くのＮＨ_３が存在すると、流入するＮＯｘとの反応性が向上する。すなわち、ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化性能は、そのＮＨ_３ストレージ量が多くなるほど高くなる。したがって、ＳＣＲ触媒のＮＨ_３ストレージ量は、ＮＯｘ浄化性能を向上させる観点からすれば、最大ＮＨ_３ストレージ量の近傍に設定された所定の目標値にできるだけ維持されるように、十分な量の尿素水溶液を噴射することが好ましい。

尿素水溶液供給システム３２は、ＮＨ_３の前駆体である尿素水溶液を貯蔵する尿素水タンク３２１と、タンク３２１内の尿素水溶液を噴射する尿素水インジェクタ３２２と、タンク３２１内の尿素水溶液を供給管３２５を介してインジェクタ３２２に圧送する尿素水ポンプ３２３と、タンク３２１内の尿素水溶液を加熱する尿素水ヒータ３２４と、を備える。

尿素水ポンプ３２３は、電動式のポンプであり、尿素水タンク３２１内の底部近傍に設けられる。尿素水ポンプ３２３は、図示しないバッテリから駆動電流が供給されると回転し、タンク３２１の底部付近に溜まった尿素水溶液を吸い込み、供給管３２５を介してインジェクタ３２２に供給する。この尿素水ポンプ３２３を駆動することによって供給管３２５内の噴射圧が所定の噴射可能圧まで上昇すると、尿素水インジェクタ３２２から尿素水溶液が噴射可能な状態となる。ＥＣＵは、図示しないイグニッションスイッチがオンにされると、尿素水インジェクタ３２２から尿素水溶液の噴射が可能となるように尿素水ポンプ３２３の駆動を開始し、供給管３２５内の噴射圧を噴射可能圧まで上昇させる。なおこのポンプ制御の具体的な手順については詳細な説明を省略する。

尿素水インジェクタ３２２は、開閉式の電磁弁であり、ＳＣＲ触媒コンバータ３４の上流側に設けられる。尿素水インジェクタ３２２は、図示しないバッテリから駆動電流が供給されると開弁し、ポンプ３２３によって圧送された尿素水溶液をＳＣＲ触媒コンバータ３４の上流に噴射する。尿素水インジェクタ３２２から排気管１１内に噴射された尿素水溶液は、排気の流れに沿って後述のミキサ３３を通過しＳＣＲ触媒コンバータ３４に供給される過程でＮＨ_３に加水分解される。これによって、ＳＣＲ触媒コンバータ３４にＮＯｘを浄化するために必要なＮＨ_３が供給される。

尿素水インジェクタ３２２の開弁時間、すなわちインジェクタ３２２から単位時間当たりに排気管１１内に噴射される尿素水溶液の量［ｌ／ｓｅｃ］は、インジェクタ３２２へ供給される駆動電流のデューティ比をＥＣＵ４によって調整することによって制御される。この尿素水溶液の噴射制御の具体的な手順については、後に図２等を参照して説明する。

尿素水ヒータ３２４は、電流が流れると発電する電熱線で構成される。尿素水溶液は、約氷点下１１℃まで低下すると凍結し始める。尿素水ヒータ３２４は、タンク３２１内の尿素水溶液が凍結した場合に用いられ、タンク３２１内で凍結した尿素水溶液を解凍する。また凍結時にはできるだけ速やかに尿素水溶液の噴射が可能な状態となるように、この尿素水ヒータ３２４は、尿素水タンク３２１の底部のうちポンプ３２３の近傍及び供給管３２５の近傍で密になるように設けられている。尿素水溶液の解凍時における尿素水ヒータ３２４への供給電力は、図示しないバッテリからヒータ３２４へ供給される駆動電流のデューティ比をＥＣＵ４によって調整することによって制御される。この尿素水溶液の解凍制御の具体的な手順については、後に図２等を参照して説明する。

尿素水タンク３２１には、その内部の尿素水溶液の状態を把握するための各種センサ３２６，３２７が設けられている。

レベルセンサ３２６は、タンク３２１内の尿素水溶液の水位を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ４に送信する。これによりＥＣＵ４では、タンク３２１内に貯蔵されている尿素水溶液の量を取得することができる。以下では、「尿素水残量」とは、タンク３２１内に貯蔵されている尿素水溶液の量であり、このレベルセンサ３２６の検出信号に基づいて算出される量を示すものとする。

尿素水温度センサ３２７は、タンク３２１内の尿素水溶液の温度を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ４に送信する。これによりＥＣＵ４では、タンク３２１内に貯蔵されている尿素水溶液の温度を取得することができる。以下では、「尿素水温度」とは、タンク３２１内に貯蔵されている尿素水溶液の温度であり、この温度センサ３２７の検出信号に基づいて算出される温度を示すものとする。

ミキサ３３は、金属製の旋回羽根３３１を備えており、これによって尿素水インジェクタ３２２から噴射された尿素水溶液と排気とを混合撹拌し、微粒子状となった尿素水溶液をＳＣＲ触媒コンバータ３４の端面全体へ均一に供給する。このミキサ３３は、尿素水インジェクタ３２２とＳＣＲ触媒コンバータ３４の間のうち尿素水インジェクタ３２２から噴射された尿素水溶液が衝突する位置に設けられる。したがって、排気管１１内では、ミキサ３３に最も多くの量の尿素水溶液が衝突する。このため、排気管１１の中ではミキサ３３が最も析出物が発生しやすい部分となっている。またミキサ３３で析出物が生じると、本来の撹拌機能が低下し排気管の圧損も増加するため、ミキサ３３は極力析出を抑制したい部分でもある。後に詳述するように本発明の尿素水噴射制御では、排気管１１内でミキサ３３に着目し、ミキサ３３で析出が抑制されるように尿素水溶液の噴射量を制限する。

排気温度センサ５９は、排気管１１内を流れる排気の温度を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ４に送信する。この排気温度センサ５９は、図１に示すように尿素水インジェクタ３２２と上流触媒コンバータ３１との間でありかつ尿素水インジェクタ３２２から噴射された尿素水溶液が被水しない位置に設けられる。これにより、ＥＣＵ４では、尿素水インジェクタ３２２から噴射された尿素水溶液の気化による影響を除いた正確な排気温度を取得することができる。なお以下では、「排気温度」とは、ミキサ３３に流入する排気の温度であり、より具体的には、排気温度センサ５９によって検出される排気の温度を示すものとする。

ＥＣＵ４は、センサの検出信号をＡ／Ｄ変換するＩ／Ｏインターフェース、各種演算処理を実行するＣＰＵ、及び各種データやマップを記憶するＲＡＭやＲＯＭ等で構成されるマイクロコンピュータである。ＥＣＵ４は、エンジン１の燃料噴射弁からの燃料噴射量を制御する燃料噴射制御（図示せず）、並びに図２を参照して以下で説明する尿素水溶液の噴射制御や解凍制御を実行する。

図２は、尿素水溶液の解凍／噴射制御の手順を示すフローチャートである。この解凍／噴射制御は、図示しないイグニッションスイッチがオンにされたことに応じて、ＥＣＵにおいて所定の制御周期（例えば、１００［ｍｓ］）ごとに繰り返し実行される。

Ｓ１では、ＥＣＵは、今回の起動が極低温起動であったか否かを判別する。ここで、極低温起動とは、尿素水タンク内に貯蔵された尿素水溶液の少なくとも一部が凍結した状態でイグニッションスイッチがオンにされることを意味する。Ｓ１では、ＥＣＵは、起動時における尿素水温度や外気温度に基づいて今回の起動が極低温起動であったか否かを判別する。Ｓ１の判別がＮＯである場合には、ＥＣＵは、タンク内の尿素水溶液は全て凍結しておらず使用可能であると判断し、Ｓ５に移る。Ｓ１の判別がＹＥＳである場合には、ＥＣＵは、タンク内の尿素水溶液の少なくとも一部が凍結しているおそれがあると判断し、Ｓ２に移る。

Ｓ２では、ＥＣＵは、尿素水タンク内の尿素水溶液が全て解凍された状態であることを示す解凍完了フラグが１であるか否かを判別する。この解凍完了フラグは、イグニッションスイッチがオンにされた直後は０に設定され、後述の図３に示す制限噴射制御においてタンク内の尿素水溶液が全て解凍されたと判定したことに応じて０から１に設定される。Ｓ２の判別がＹＥＳである場合には、ＥＣＵは、Ｓ５に移る。Ｓ２の判別がＮＯである場合には、ＥＣＵは、タンク内の尿素水溶液の少なくとも一部が凍結した状態であると判断し、Ｓ３に移る。

Ｓ３では、ＥＣＵは、ヒータを用いてタンク内の尿素水溶液を解凍する解凍制御を実行し、Ｓ４に移る。より具体的には、後に図５を参照して説明する手順に従ってヒータへの供給電力を決定し、この供給電力に応じて定められたデューティ比でバッテリからヒータに供給される駆動電流を制御する。

Ｓ４では、ＥＣＵは、後述の解凍時上限値の下で制限しながらインジェクタからの尿素水溶液の噴射量を制御する制限噴射制御を実行し、この処理を終了する。より具体的には、ＥＣＵは、解凍中の尿素水溶液が枯渇するのを防止するため、後に図３を参照して説明する手順に従ってタンク内の尿素水溶液の解凍量に応じて尿素水噴射量に対する解凍時上限値を設定するとともに、この解凍時上限値の下で噴射すべき尿素水の量（以下、「制限噴射量」という）を決定し、この制限噴射量に応じて定められたデューティ比でインジェクタの駆動電流を制御する。

Ｓ５では、ＥＣＵは、通常噴射制御を実行し、この処理を終了する。より具体的には、ＥＣＵは、後に図３を参照して説明する手順に従って通常噴射量を決定し、この通常噴射量に応じて定められたデューティ比でインジェクタの駆動電流を制御する。なおこの通常噴射量は、解凍量に応じた解凍時上限値によって制限されずに定められる点がＳ４における制限噴射量と異なる。

図３は、尿素水溶液の通常噴射量［ｌ／ｓｅｃ］と、この通常噴射量に対する解凍時上限値［ｌ／ｓｅｃ］と、この解凍時上限値の下で制限された制限噴射量［ｌ／ｓｅｃ］と、をＥＣＵにおいて制御周期ごとに決定する演算手順を示す機能ブロック図である。以下、上述の通常噴射量等を決定するためにＥＣＵに構成された各ブロックの機能について順に説明する。

解凍量算出部４１は、ヒータによる加熱開始からのタンク内の尿素水溶液の解凍量［ｌ］を算出する。より具体的には、解凍量算出部４１は、尿素水温度、尿素水残量、及び後述の図５に示す処理において定められるヒータ電力を用いて、前回の制御周期時に解凍された尿素水溶液の量を積算することによって解凍量を算出する。なお以下では、極低温起動時にはタンク内の尿素水溶液は全て凍結しているものと推定し、解凍量の初期値は０とする場合について説明する。

積算消費量算出部４２は、極低温起動時における尿素水溶液の噴射開始からの消費量［ｌ］を算出する。より具体的には、積算消費量算出部４２は、前回の制御周期時における制限噴射量を積算することによって極低温起動時における尿素水溶液の消費量を算出する。使用可能量算出部４３は、解凍量から消費量を減算することによって尿素水溶液の使用可能量［ｌ］を算出する。この使用可能量は、この時点においてタンク内で解凍され使用可能な尿素水溶液の量に相当する。

解凍時上限値算出部４５は、使用可能量を予め定められた最大噴射可能時間［ｓｅｃ］で除算することによって今回の制御周期時における尿素水溶液の噴射量に対する解凍時上限値［ｌ／ｓｅｃ］を算出する。ここで、最大噴射可能時間は、解凍時上限値に相当する量の尿素水溶液を噴射し続けた場合に、現時点における使用可能量の尿素水溶液を使い切るまでにかかる時間に相当する。この最大噴射可能時間の具体的な値を設定する手順については、後に説明する。

要求量算出部４６は、エンジンから排出されるＮＯｘをＳＣＲ触媒によってできるだけ効率的に浄化するために要求される尿素水溶液の量（以下、「要求量」という）を、エンジンの運転状態及びＳＣＲ触媒の状態に基づいて既知のアルゴリズムを用いて算出する。以下、要求量を算出する手順の一例を説明する。

要求量算出部４６は、エンジンの運転状態に基づいて単位時間当たりにＳＣＲ触媒に流入するＮＯｘ量［ｍｇ／ｓｅｃ］（以下、「流入ＮＯｘ量」という）を算出し、さらにこの流入ＮＯｘ量のＮＯｘを過不足なくＳＣＲ触媒で浄化するために必要な尿素水溶液の量を算出し、これを主要求量［ｌ／ｓｅｃ］とする。なおこの流入ＮＯｘ量は、エンジンの燃料噴射量及び吸入空気量等のエンジンの運転状態を示すパラメータに基づいて推定される。また、排気管内のＮＯｘを検出するＮＯｘセンサを備えるシステムでは、このＮＯｘセンサの検出信号に基づいて流入ＮＯｘ量を算出してもよい。

要求量算出部４６は、ＳＣＲ触媒におけるＮＨ_３ストレージ量を推定し、この推定値を所定の目標値に制御するために必要な尿素水溶液の量を算出し、これをストレージ補正量［ｌ／ｓｅｃ］とする。そして要求量算出部４６は、これら主要求量とストレージ補正量とを合算することによって要求量を算出する。これにより、ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化機能が最大限発揮されるように尿素水溶液の要求量を算出することができる。

なお極低温起動時である場合には、ある程度の量の尿素水溶液が解凍され使用可能とならなければポンプによってインジェクタの噴射圧を噴射可能圧まで昇圧することができず、インジェクタから尿素水溶液を噴射することができない。そこで本実施形態では、インジェクタの噴射圧を噴射可能圧まで昇圧するまでの待ち時間に相当する噴射許可量［ｌ］を解凍量［ｌ］に対して設定する。そして要求量算出部４６は、解凍量が予め定めた噴射許可量に達するまでは、インジェクタからの尿素水溶液の噴射を禁止すべく要求量を０とし、解凍量が噴射許可量を超えた後は上述の手順に従ってエンジンの運転状態及びＳＣＲ触媒の状態に応じて要求量を算出する。なおこの噴射許可量は、予め実験を行い、ヒータによる加熱開始からインジェクタの噴射圧が所定値を超えて噴射可能となるまでの解凍量を測定することによって決定することが好ましい。

析出抑制量算出部４７は、インジェクタから噴射された尿素水溶液がミキサ上で析出するのを抑制するための尿素水溶液の噴射量に対する析出抑制量［ｌ／ｓｅｃ］を排気温度［℃］に基づいて算出する。

図４は、排気温度［℃］及び尿素水噴射量［ｌ／ｓｅｃ］と、ミキサの温度及び析出物の有無との相関関係を調べた試験結果を示す図である。より具体的には、所定の排気温度（横軸）及び所定の尿素水噴射量（縦軸）の下で定常的に運転した場合におけるミキサの収束温度及び析出物の有無を測定した結果を示す図である。図４において太破線は、ミキサにおける析出物の発生の有無を分ける境界線となっている。

図４に示すように、排気温度が高くなるほど、ミキサと排気との間の熱交換が促進されることから、ミキサの収束温度は高くなる。また、尿素水噴射量を増やすほど、ミキサに衝突し、ミキサを冷却する尿素水溶液の量が増加することから、ミキサの収束温度は低くなる。図４を用いることにより、排気温度及び尿素水噴射量によって特定される運転ポイントからミキサの温度を推定できる。また、図４に示すように、ミキサにおける析出物の発生は、主にミキサの収束温度に依存することが明らかとなった。より具体的には、図４において太破線で示す温度を析出抑制温度と定義し、ミキサの温度が析出抑制温度より高くなるような状況下で継続的に運転された場合にはミキサにはほとんど析出物は発生しないが、ミキサの温度が析出抑制温度より低くなるような状況下で継続的に運転された場合にはミキサには目視できる程度に有意な量の析出物が発生する。すなわち、ミキサの収束温度が太破線で示される析出抑制温度より高くなるような運転領域が尿素水溶液を噴射しても析出物が発生しない噴射可能領域となり、それ以外の領域が尿素水溶液を噴射すると析出物が発生する可能性の高い噴射不可領域となる。

図３に戻って、析出抑制量算出部４７は、図４に示すような試験結果によって得られるマップを用いることによって推定されるミキサの温度が、ミキサにおいて析出物が発生しない温度の下限として設定された析出抑制温度と等しくなる尿素水溶液の噴射量を析出抑制量とする。すなわち、図４に示す例では、排気温度に応じて太破線上で定められる尿素水噴射量が析出抑制量となる。

通常噴射量算出部４８は、エンジンの運転状態等に応じて定められた要求量［ｌ／ｓｅｃ］と、ミキサにおける析出を抑制するために定められた析出抑制量［ｌ／ｓｅｃ］とを比較し、小さい方を通常噴射量［ｌ／ｓｅｃ］として算出する。なお図２のＳ５における通常噴射制御では、この通常噴射量算出部４８によって算出された通常噴射量が用いられる。

制限噴射量算出部４９は、通常噴射量［ｌ／ｓｅｃ］と解凍時上限値［ｌ／ｓｅｃ］とを比較し、小さい方を制限噴射量［ｌ／ｓｅｃ］として算出する。図２のＳ４における制限噴射制御では、この制限噴射量算出部４９によって算出された制限噴射量が用いられる。

ここで、解凍時上限値算出部４５における最大噴射可能時間の具体的な値を設定する手順について説明する。上述のように最大噴射可能時間は、解凍時上限値に相当する量の尿素水溶液を噴射し続けた場合に、現時点における使用可能量の尿素水溶液を使い切るまでにかかる時間に相当する。

したがって、解凍中の尿素水溶液が枯渇するのを確実に防止するためには、この最大噴射可能時間は、使用可能量を算出する制御周期より長く設定すればよい。これにより、今回の制御周期時から次回の制御周期時までの間の解凍量の増加が０であったとしても、使用可能量が０となることはない。

また極低温起動時は、上述のように解凍量が所定の噴射許可量を超えてから尿素水溶液の噴射を開始する。すなわち、上述の噴射許可量は、尿素水溶液の噴射開始時における使用許可量に相当する。したがって、タンク内に常に噴射許可量の尿素水溶液を使用可能な状態で残しておくためには、最大噴射可能時間は、噴射許可量を単位時間当たりに解凍される尿素水溶液の量で除算して得られる時間よりも長くすればよい。なお、単位時間当たりに解凍される尿素水溶液の量は、予め実験を行うことによって特定することができる。

本実施形態によれば、最大噴射可能時間を上述の２つの下限時間よりも長くすることにより、解凍中の尿素水溶液の枯渇を確実に防止しつつ、かつタンク内に常に噴射許可量の尿素水溶液を残しておくことができる。しかしながら、最大噴射可能時間をあまりにも長くすると、使用可能量は速やかに上昇するものの、解凍時上限値が小さくなってしまい、インジェクタからは十分な量の尿素水溶液が噴射されず、ＳＣＲ触媒によるＮＯｘ浄化率が低下してしまうおそれがある。そこで、最大噴射可能時間は、上記２つの下限時間よりも長く、かつＳＣＲ触媒によるＮＯｘ浄化率が最適化されるような時間を予め実験を行うことによって決定することが好ましい。

解凍判定部５０は、解凍量と尿素水残量とを比較し、解凍量が尿素水残量を超えた場合には、タンク内で凍結した尿素水溶液は全て解凍されたものと推定し、解凍完了フラグを０から１に設定する。極低温起動時は、この解凍判定部５０によって解凍完了フラグが１に設定されたことに応じて制限噴射制御から通常噴射制御に移行する（図２参照）。

図５は、ヒータへの供給電力［Ｗ］を、ＥＣＵにおいて制御周期ごとに決定する演算手順を示す機能ブロック図である。以下、ヒータへの供給電力を決定するためにＥＣＵに構成された各ブロックの機能について順に説明する。

ベース電力設定部５１は、尿素水温度及び尿素水残量を用いて予め定められたマップ（図示せず）を検索することによって、ベース電力［Ｗ］を算出する。

ヒータ電力決定部５４は、ベース電力［Ｗ］に、後述の補正係数算出部５３によって算出される補正係数［−］を乗算することにより、ヒータへの供給電力［Ｗ］を決定する。

偏差算出部５２は、図３の解凍時上限値算出部４５によって算出される解凍時上限値［ｌ／ｓｅｃ］から析出抑制量算出部４７によって算出される析出抑制量［ｌ／ｓｅｃ］を減算することによって偏差［ｌ／ｓｅｃ］を算出する。上述のように析出抑制量を超える量の尿素水溶液を噴射すると、ミキサで析出物が発生するおそれがあることから、制限噴射量はこの析出抑制量以下になるように定められる。したがって、析出抑制量より多くの尿素水溶液は噴射されないことから、解凍時上限値が析出抑制量よりも大きな状態（偏差が正の状態）とは、ヒータには余分な電力が供給された状態であるといえる。

補正係数算出部５３は、偏差に基づいて図６に示すようなマップを検索することによって補正係数を算出する。図６に示すように、補正係数は、偏差が０である場合には１となり、偏差が０より大きい場合（解凍時上限値が析出抑制量よりも大きい場合）には偏差が大きくなるに従って小さくなり、偏差が０より小さい場合（解凍時上限値が析出抑制量よりも小さい場合）には偏差が小さくなるに従って大きくなるように定められる。このようにして補正係数を決定することにより、解凍時上限値が析出抑制量よりも大きい場合には、小さい場合よりもヒータへの供給電力が低減される。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限るものではない。本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜変更してもよい。

例えば、上記実施形態では、極低温起動時には、ヒータによる加熱開始からの解凍量が予め定められた噴射許可量を超えたことに応じて要求量算出部４６による要求量の演算を開始し、インジェクタからの尿素水溶液の噴射を開始したが、本発明はこれに限らない。上述のように、極低温起動時に解凍量が噴射許容量を超えるまでの時間は、インジェクタからの噴射圧が所定の噴射可能圧まで上昇するまでの待ち時間に相当する。したがって、極低温起動時には、インジェクタ３２２の供給管３２５内の噴射圧を圧力センサによって検出し、この噴射圧が所定の噴射可能圧を超えたことに応じてインジェクタからの尿素水溶液の噴射を開始してもよい。

また上記実施形態では、極低温起動であると判定した場合には、タンク内の尿素水溶液が全て凍結したものと推定し、解凍量の初期値を０とした場合について説明したが、本発明はこれに限らない。例えば、タンク内で一部の尿素水溶液のみが凍結していると推定される場合には、これに応じて解凍量の初期値を変更してもよい。

１…エンジン（内燃機関）
１１…排気管（排気通路）
２…排気浄化装置
３２…尿素水溶液供給システム
３２１…尿素水タンク（タンク）
３２２…尿素水インジェクタ（尿素水溶液供給手段）
３２４…尿素水ヒータ（加熱手段）
３４…ＳＣＲ触媒コンバータ（ＳＣＲ触媒）
４…ＥＣＵ（解凍制御手段、供給量制御手段、要求量算出手段、積算解凍量算出手段、積算消費量算出手段、使用可能量算出手段、制限量算出手段、排気温度取得手段、析出抑制量算出手段、加熱制御手段）
５９…排気温度センサ（排気温度取得手段）

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、ＮＯｘとＮＨ_３を反応させてＮＯｘを浄化するＳＣＲ触媒と、
   前記ＮＨ_３の前駆体である尿素水溶液を貯蔵するタンクと、
   前記タンク内の尿素水溶液を加熱する加熱手段と、
   前記タンク内の尿素水溶液の凍結時に前記加熱手段を用いて前記タンク内の尿素水溶液を解凍する解凍制御手段と、
   前記排気通路内の前記ＳＣＲ触媒の上流に前記タンク内の尿素水溶液を供給する尿素水溶液供給手段と、
   前記尿素水溶液供給手段からの尿素水溶液の供給量を所定の制御周期の下で制御する供給量制御手段と、を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、
   前記内燃機関の状態に応じた尿素水溶液の要求量を算出する要求量算出手段と、
   前記加熱手段による加熱開始からの解凍量を算出する積算解凍量算出手段と、
   前記尿素水溶液供給手段による供給開始からの消費量を算出する積算消費量算出手段と、
   前記解凍量から前記消費量を減算することで前記尿素水溶液の使用可能量を算出する使用可能量算出手段と、
   前記使用可能量を前記制御周期よりも長くなるように設定された制限量算出時間で除算することによって前記尿素水溶液の供給量に対する制限量を算出する制限量算出手段と、を備え、
   前記供給量制御手段は、前記要求量及び前記制限量に基づいて前記尿素水溶液の供給量を制御することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記尿素水溶液の凍結時に、前記加熱手段による加熱開始から前記供給量制御手段による供給開始までの間の前記解凍量の増加分を供給許可量と定義し、
   前記制限量算出時間は、前記供給許可量を単位時間当たりに解凍される尿素水溶液の量で除算して得られる時間よりも長く設定されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記内燃機関の排気の温度を取得する排気温度取得手段と、
   前記取得された排気温度に基づいて、前記尿素水溶液供給手段から供給された尿素水溶液が前記排気通路内で析出するのを抑制するための前記供給量に対する析出抑制量を設定する析出抑制量算出手段と、
   前記制限量が前記析出抑制量より大きい場合には、小さい場合よりも前記加熱手段への電力を低減する加熱制御手段と、を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。