JP6301233B2 - エンジン - Google Patents

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低減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）を浄化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の排出量を抑えることができる。

ここで、尿素水の噴射量が不足している場合、ＳＣＲ触媒でＮＯｘが十分に除去されないので、外部へ排出されるＮＯｘが増加してしまう。一方、尿素水の噴射量が過剰である場合、尿素から得られるアンモニアが外部へ排出される。

特許第５５０５０７６号公報

ところで、外気温度が低い場合、その影響を受けて排気管の温度も低下する。この場合、噴射された尿素水が低温の排気管に触れることで、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。固体付着物が堆積すると排気管の一部が塞がれてしまうため、エンジンの出力が低下したり、排気ガスの流れに影響を及ぼしたりすることがある。

ここで、特許文献１では、ＳＣＲ触媒の入口に温度センサを配置しており、この温度センサが所定以上の温度（尿素水噴射判定温度）を検出した場合に尿素水を噴射する構成が開示されている。この温度センサは排気ガスの温度を検出するものであるため、排気管の温度を検出することはできない。また、特許文献１では、尿素水噴射判定温度を変化させることは記載されていないため、尿素水噴射判定温度は一定であると考えられる。そのため、特許文献１では、上記の課題を解決することはできない。

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、寒冷地や高地であっても、排気管に固体付着物が堆積することを防止可能な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、排気ガス温度検出部と、環境値検出部と、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。前記排気ガス温度検出部は、排気ガスの温度を検出する。前記環境値検出部は、外部の環境に関する値である環境値を検出する。前記制御部は、前記排気ガス温度検出部が検出した排気ガスの温度と、前記環境値検出部が検出した前記環境値と、に基づいて前記尿素水噴射部による尿素水の噴射の可否を判定する第１判定処理を行う。また、前記環境値が外気温度又は外気温度に連動する温度である。前記制御部は、排気ガスの温度が尿素水噴射判定温度を超えたときに尿素水が噴射可能と判定する。前記制御部は、外気温度又は外気温度に連動する温度が低くなるほど、前記尿素水噴射判定温度が高くなるように補正する。

これにより、排気ガスの温度だけでなく環境値に基づいて尿素水の噴射の可否を判定することで、例えば寒冷地や高地であっても、固体堆積物が排気管に堆積することを防止できる。また、噴射された尿素水が堆積せずにＳＣＲ触媒に供給されるので、ＳＣＲ触媒のアンモニアの吸着量を適切に管理することができる。また、排気管の温度に直接的に影響を及ぼす外気温度に基づいて尿素水の噴射を開始する温度を決定できるので、固体堆積物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、このエンジンは、前記ＳＣＲ触媒よりも排気ガスの排出方向の下流側に配置され、アンモニアを酸化するアンモニア酸化触媒を備える。前記制御部は、前記ＳＣＲ触媒の温度であるＳＣＲ触媒温度を推定し、推定したＳＣＲ触媒温度に基づいて前記尿素水噴射部による尿素水の噴射の可否を判定する第２判定処理を行う。

一般的に、ＳＣＲ触媒の温度が低い場合はＳＣＲ触媒での還元反応が生じにくいため、ＳＣＲ触媒でアンモニアが消費されず、ＳＣＲ触媒に吸着しきれなかったアンモニアが外部に排出されてしまうことがある。また、ＳＣＲ触媒の下流側に配置されるアンモニア酸化触媒は、温度が低い場合はアンモニアの酸化反応が生じにくいため、アンモニアが外部に排出されてしまうことがある。この点、上記の第２判定処理を行うことで、アンモニアが外部に排出されることを防止できる。

前記のエンジンにおいては、前記第１判定処理及び前記第２判定処理のうち少なくとも一方で尿素水を噴射不可と判定された場合に、前記尿素水噴射部からの尿素水を噴射を停止させることが好ましい。

これにより、固体堆積物が排気管に堆積すること、及び、アンモニアが外部に排出され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、前記制御部は、前記尿素水噴射判定温度を補正する際に、外気温度又は外気温度に連動する温度に加え、排気ガスの質量流量及び温度を用いることが好ましい。

これにより、外気温度が排気ガスに及ぼす影響を的確に見積もることができるので、固体堆積物が排気管に堆積することを一層確実に防止できる。

本発明の一実施形態に係るエンジンの斜視図。 エンジンの吸気マニホールド側の側面図。 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。 燃料噴射の名称とタイミングを模式的に示す説明図。 通常モードとＳＣＲヒーティングモードにおいて行われる処理の一例を示す表。 モード切替温度が２つ設定された場合にモードが切り替わる例を示すグラフ。 モード切替温度が２つ設定された場合において、通常モードとＳＣＲヒーティングモードを切り替える処理を示すフローチャート。 尿素水を噴射可能か否かを判定するための処理を示すフローチャート。 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トラクタに適用した様子を示す平面図。 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コンバインに適用した様子を示す平面図。 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。 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平面図。

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５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の下部には、オイルパン１が配置されている。オイルパン１は、エンジンオイルを貯めておくための容器状の部品である。オイルパン１の上側には、シリンダブロック２が配置されている。シリンダブロック２の内部には、ピストン及びクランクシャフト等が配置される。シリンダブロック２の上側には、シリンダヘッド３が配置されている。シリンダヘッド３には、燃焼室へ燃料を噴射するインジェクタ等が取り付けられる。

シリンダブロック２の側面には、冷却ファン４が配置されている。冷却ファン４は、多数の羽根を有しており、これらを回転させることで風を発生させることができる。また、冷却ファン４に対面する位置には、ラジエータ５が配置されている。ラジエータ５は、冷却水を循環させるための循環経路を有している。冷却ファン４は、ラジエータ５に風を当てることで、冷却水を冷却することができる。なお、図４のブロック図に示すように、エンジン１００は、冷却水の温度を検出してＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）８０へ出力する冷却水温度センサ８１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を動作させるための各種のパラメータ（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。

シリンダブロック２の側面のうち、冷却ファン４の反対側の側面には、フライホイールハウジング６が配置されている。フライホイールハウジング６の内部には、フライホイールが配置されている。エンジン１００の動力は、フライホイールから取り出される。

図１から図３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、吸気管接続部１３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は、後述のエアクリーナを介して、外部から気体を吸入する。なお、図４に示すように、エンジン１００は、大気圧を検出してＥＣＵ８０へ出力する大気圧センサ８２を備える。

過給機１２は、図３に示すように、タービンホイール１２ａ及びコンプレッサホイール１２ｂを備える。タービンホイール１２ａは、排気ガスを利用して回転するように構成されている。コンプレッサホイール１２ｂは、タービンホイール１２ａと同じシャフト１２ｃに接続されており、タービンホイール１２ａの回転に伴って回転する。このようにコンプレッサホイール１２ｂが回転することにより、空気を圧縮して強制的に吸気を行うことができる。

過給機１２によって吸入された気体は、図略の吸気管、図２に示す吸気管接続部１３、図３に示す吸気スロットル１４を介して、吸気マニホールド１５に供給される。吸気スロットル１４は、スロットルバルブを備えている。吸気スロットル１４は、スロットルバルブの開度を調整することで、吸気マニホールド１５（ひいては燃焼室）に供給される気体の量を変化させることができる。スロットルバルブの開度は、ＥＣＵ８０によって制御される。

吸気マニホールド１５は、供給された気体をシリンダ数に応じた数（本実施形態では４つ）に分けて燃焼室へ供給する。また、吸気マニホールド１５には、図３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ＥＣＵ８０へ出力する。

図２に示すように、吸気マニホールド１５の下方にはコモンレール２２が配置されている。コモンレール２２は、燃料ポンプ２１から供給された燃料を高圧で蓄え、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３を参照）へ供給する。

インジェクタ２３は、所定のタイミングで燃焼室に燃料を噴射する。インジェクタ２３は、図５に示すように上死点（ＴＤＣ）の近傍でメイン噴射を行うように構成されている。また、インジェクタ２３は、このメイン噴射の直前に騒音低減のためのプレ噴射を行ったり、プレ噴射の更に前のタイミングでＮＯｘ低減及び騒音低減のためのパイロット噴射を行ったりすることができる。また、インジェクタ２３は、メイン噴射の直後にＰＭの低減及び排気ガスの浄化促進及び温度上昇を目的としたアフター噴射を行ったり、アフター噴射の更に後のタイミングで温度上昇等を目的としたポスト噴射を行ったりすることができる。なお、インジェクタ２３は、インジェクタ電磁弁２４（図４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。

燃焼室に噴射された燃料が燃焼することにより、ピストンを上下に駆動させて、クランクシャフトを回転させることができる。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から図３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は、複数の燃焼室で発生した排気ガスをまとめて過給機１２のタービンホイール１２ａへ供給する。また、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クーラ３３は、吸気系へ還流される排気ガスを冷却する。ＥＧＲ管３４は、ＥＧＲクーラ３３が冷却した排気ガスを吸気系へ還流する。また、ＥＧＲ装置３２は、ＥＧＲバルブ３５の開度を調整することで、吸気マニホールド１５に供給される排気ガスの量を変化させることができる。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３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。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、例えばフ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（詳細は後述）。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触媒温度入口センサ（排気ガス温度検出部）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、及び排気ガス流量（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）。なお、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、通常モードとＳＣＲヒーティングモードについて説明する。初めに、図６を参照して通常モードとＳＣＲヒーティングモードで行われる処理の違いについて説明する。

ＳＣＲ触媒温度が低い場合、ＳＣＲ触媒６２が排気ガス中のＮＯｘを十分に除去できないことが知られている。そのため、本実施形態のエンジン１００は、通常モードに加え、ＳＣＲ触媒温度を効果的に上昇させるＳＣＲヒーティングモードを有している。ＳＣＲヒーティングモードとは、インジェクタ２３、吸気スロットル１４等を制御することで、排気ガスの温度（ひいてはＳＣＲ触媒温度）を上昇させるモードである。

図６には、各モードで具体的に行われる処理が記載されている。通常モードでは、プレ噴射とメイン噴射が行われる。一方、ＳＣＲヒーティングモードでは、プレ噴射及びメイン噴射に加え、リタード制御（メイン噴射の噴射時期を遅らせる制御）、アフター噴射、及びポスト噴射が行われ、更に、吸気スロットル１４を制御して外気の吸入量を低減させる処理が行われる。

リタード制御、アフター噴射、及びポスト噴射を行うことで、エンジン１００の出力に直接寄与しないエネルギーが増えるため、排気ガスの温度を上昇させることができる。なお、リタード制御を行う場合、燃焼室での燃焼が不安定となる可能性がある。

しかし、ポスト噴射は、メイン噴射から少し遅れたタイミングで燃料を噴射するため、メイン噴射の燃焼に影響を与えにくいので、排気ガスの温度を適切に上昇させることができる。更に、ＳＣＲ装置６０がシリンダブロック２から離れた位置に配置されていたとしても、ＳＣＲ触媒温度を効果的に上昇させることができる。

また、吸気スロットル１４を制御して外気の吸入量を低減させることで、排気ガスの熱容量を下げることができるので、ＳＣＲ触媒の温度をより早く上昇させることができる。なお、図６に示す表は一例であり、ＳＣＲヒーティングモードにおいて通常モードよりも排気ガスを昇温させることができるのであれば、それぞれのモードで行う処理を適宜変更することができる。

また、本実施形態では、各処理のパラメータ（具体的には、リタード制御のリタード量、アフター噴射及びポスト噴射の噴射時期及び噴射量、吸気スロットルの絞り量）は、原則として一定である。これにより、噴射量やリタード量を状況に応じて変更する構成と比較して、ＳＣＲヒーティングモード中の処理量を低減することができる。

更に、本実施形態では、通常モードとＳＣＲヒーティングモードを明確に切り分けているので、例えばＳＣＲ触媒のヒーティングが不要な場合でもリタード量を算出する構成と比較して、処理を簡単にすることができる。

次に、図７及び図８を参照して、ＳＣＲ触媒推定温度に基づいて、通常モードとＳＣＲヒーティングモードとの切替えを行う処理について説明する。

ＳＣＲヒーティングモードを用いることで、ＳＣＲ触媒温度を効果的に上昇させることができるので、ＮＯｘの排出量を低減することができる。しかし、ＳＣＲヒーティングモードでは、排気ガスの温度を上昇させるために燃料を消費するため、燃料消費量が増加してしまう。従って、通常モードとＳＣＲヒーティングモードとを適切なタイミングで切り替えることが好ましい。

従って、本実施形態では、ＳＣＲ触媒推定温度に基づいて、通常モードとＳＣＲヒーティングモードとを切り替える。なお、ＳＣＲ触媒推定温度に代えて、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用いても良い。

ここで、通常モードからＳＣＲヒーティングモードへのモード切替温度と、ＳＣＲヒーティングモードから通常モードへのモード切替温度と、が同じである場合、モード切替温度の近傍で温度が上下した場合は、モードが頻繁に切り替わってしまう。

そのため、本実施形態では、図７に示すように、通常モードからＳＣＲヒーティングモードへのモード切替温度は２００℃（＋β）とし、ＳＣＲヒーティングモードから通常モードへのモード切替温度は、それより高い２４０℃（＋β）とした。なお、（＋β）が示す内容については後述する。

ＥＣＵ８０は、通常モード中である場合（図８のＳ１０１でＹｅｓの場合）、ＳＣＲ触媒温度が２００℃（＋β）以下であれば（Ｓ１０２でＹｅｓの場合）、ＳＣＲヒーティングモードへ移行する（Ｓ１０３）。一方、ＥＣＵ８０は、ＳＣＲヒーティングモード中である場合（Ｓ１０１でＮｏの場合）、ＳＣＲ触媒温度が２４０℃（＋β）以上であれば（Ｓ２０４でＹｅｓの場合）、通常モードへ移行する（Ｓ１０５）。

これにより、ＳＣＲ触媒６２を適切に機能させることができるので、排気ガス中のＮＯｘを十分に除去することができる。

次に、図９を参照して、尿素水の噴射の可否を判定するためにＤＣＵ９５が行う制御について説明する。

ここで、エンジン１００が寒冷地や高地等の外気温度が低い環境で用いられる場合、尿素混合管４５及びＳＣＲ入口管４６等の温度も低下する。この場合、噴射された尿素水が尿素混合管４５又はＳＣＲ入口管４６に触れることで、尿素又はその化合物の固体付着物が生成されて堆積する。また、アンモニア酸化触媒６３は、温度が低い場合にアンモニアを十分に酸化できないため、酸化されなかったアンモニアが外部に排出されることがある。しかし、尿素水を噴射する頻度が低下すると、ＮＯｘの除去量が減少してしまう。

以上を考慮して、本実施形態の制御部９８は、適切なタイミングで尿素水の噴射を開始又は停止する制御を行う。なお、この制御は、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。

初めに、制御部９８は、ＳＣＲ触媒入口温度及び環境値（外気温度及び大気圧）を取得する（Ｓ２０１）。ＳＣＲ触媒入口温度は、ＳＣＲ触媒６２の直ぐ上流側の排気ガスの温度であり、ＳＣＲ触媒入口温度センサ９０によって検出される。なお、ＳＣＲ触媒入口温度センサ９０よりも上流又は下流の排気経路に配置された別の温度センサを用いても良い。外気温度は、吸気温度センサ８４によって検出される。なお、外気温度は、吸気温度センサ８４よりも上流（例えばコンプレッサホイール１２ｂよりも上流）の吸気経路に配置された別の温度センサを用いても良い。また、外気温度に連動する温度を検出しても良い。例えば、冷却水温度又は尿素水温度は外気温度に連動していると考えられる。大気圧は、大気圧センサ８２によって検出される。

次に、制御部９８は、ステップＳ２０１で取得した外気温度を、排気ガスの熱流束に基づいて補正する（Ｓ２０２）。熱流束は、排気ガスの温度と質量流量に基づいて算出される。この処理は、外気温度が排気ガスの温度に与える影響を考慮して外気温度を補正するものである。例えば、排気ガスの熱流束が大きい場合（単位時間あたりに通過する熱量が大きい場合）、排気ガスは外気温度に影響されにくくなる。この場合、制御部９８は、検出された外気温度よりも高い値に補正する。具体的には、制御部９８は、排気ガスの熱流束及び外気温度に基づいて、所定の値を求めるテーブル又はマップを予め記憶しており、このテーブル等に基づいて、外気温度の補正量を出力する。

次に、制御部９８は、補正した外気温度及び他の環境値（大気圧）に基づいて、第１尿素水噴射判定温度の補正量αを求める（Ｓ２０３）。第１尿素水噴射判定温度とは、排気ガスの温度と比較するための温度であり、尿素水を噴射可能か否かを判定するための閾値としての温度である。なお、大気圧が低い場合（つまり高地の場合）、ＮＯｘの排出に関する規制が緩くなり、ＮＯｘの排出量の規制値が増加することがある。この場合、尿素水の噴射頻度を低くすることができる。また、標高が高くなるほど外気温度が低くなるので、大気圧に基づいて外気温度を推定することもできる。制御部９８は、補正した外気温度及び他の環境値（大気圧）に基づいて、例えばテーブル又はマップ等を用いて、補正量αを求める。

次に、制御部９８は、第１判定処理を行う（Ｓ２０４）。第１判定処理は、ＳＣＲ触媒入口温度が、補正後の第１尿素水噴射判定温度（具体的には、初期値（２００℃）に補正量αを加えた温度）以上か否かを判定する処理である。

制御部９８は、ＳＣＲ触媒入口温度が補正後の第１尿素水噴射判定温度より小さい場合、尿素水を噴射不可と判定する（Ｓ２０５）。これにより、尿素混合管４５等の内表面に固体堆積物が生じることを防止できる。本実施形態では外気温度が低い場合には、排気ガスの温度が初期値よりも高くならないと尿素水を噴射可能と判定しない。そのため、外気温度が低い場合であっても固体堆積物が生じることを確実に防止できる。

制御部９８は、ＳＣＲ触媒入口温度が補正後の第１尿素水噴射判定温度以上である場合、ＳＣＲ触媒推定温度を算出又は読み出す（Ｓ２０６）。なお、ＳＣＲ触媒推定温度は、上述のように、ＳＣＲ触媒入口温度、ＳＣＲ触媒６２の触媒容積、及び排気ガス流量等に基づいて推定することができる。

次に、制御部９８は、第２判定処理を行う。第２判定処理は、ＳＣＲ触媒推定温度が、第２尿素水噴射判定温度以上か否かを判定する（Ｓ２０７）。なお、第２尿素水噴射判定温度は、ＳＣＲ触媒推定温度と比較するための温度であり、尿素水を噴射可能か否かを判定するための閾値としての温度である。第２尿素水噴射判定温度は、第１尿素水噴射判定温度の初期値と一致していても良いし異なっていても良い。また、第２尿素水噴射判定温度を環境値に応じて補正しても良い。

制御部９８は、ＳＣＲ触媒推定温度が第２尿素水噴射判定温度より小さい場合、尿素水を噴射不可と判定する（Ｓ２０５）。一方。制御部９８は、ＳＣＲ触媒推定温度が第２尿素水噴射判定温度以上である場合、尿素水を噴射可能と判定する（Ｓ２０８）。

これにより、ＳＣＲ触媒温度が所定以上のときにのみ尿素水が噴射されるため、ＳＣＲ触媒６２でアンモニアが十分に消費されることとなり、新たに供給されたアンモニアをＳＣＲ触媒６２に吸着させることができる。従って、アンモニアが外部に排出されることを防止できる。また、ＳＣＲ触媒温度が所定以上であるため、その下流のアンモニア酸化触媒６３も高温となり、アンモニアを酸化させる反応が発生し易くなる。そのため、アンモニアが外部に排出されることをより確実に防止できる。

制御部９８は、第１判定処理及び第２判定処理の両方で尿素水を噴射可能と判定した場合であって、その他の条件を満たしたときに、尿素水の噴射を尿素水噴射部４７へ指示する。また、制御部９８は、尿素水の噴射の可否を判定する処理を随時行い、第１判定処理及び第２判定処理の少なくとも一方で尿素水を噴射不可と判定した場合、尿素水の噴射の停止を尿素水噴射部４７へ指示する。

ここで、本実施形態では、通常モードとＳＣＲヒーティングモードを切り替えるために、ＳＣＲ触媒推定温度に２つのモード切替温度（２００℃及び２４０℃、図８）を設けている。そのため、ＳＣＲ触媒推定温度は、この２つのモード切替温度の間となるように制御される。ここで、第１尿素水噴射判定温度を補正により上昇させた場合（例えば２００℃から２２０℃にした場合）、尿素水の噴射頻度が低下する。それを考慮し、本実施形態では、第１尿素水噴射判定温度を上昇させた場合、それに応じてモードを切り替えるための２つのモード切替温度を上昇させる（図８のＳ１０２及びＳ１０４に換算する補正量β）。なお、補正量βは、第１尿素水噴射判定温度の補正量αと同じ値であっても良いし、異なっていても良い。

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１０及び図１１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１２及び図１３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の向かいにはラジエータ５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。

また、脱穀装置１３４及び選別装置１３５の後方には、排藁チェーン１４１が設けられている。排藁チェーン１４１は、穀稈から穀粒が取り除かれた藁屑を後方へ搬送する。排藁チェーン１４１によって搬送された排藁は、コンバイン１３０の後方に設けられた排藁カッタ装置１４２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１４及び図１５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、ＳＣＲ触媒入口温度センサ９０と、大気圧センサ８２及び吸気温度センサ８４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）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、当該ＳＣＲ触媒６２を通過する排気ガスに含まれる窒素酸化物を除去する。ＳＣＲ触媒入口温度センサ９０は、排気ガスの温度を検出する。大気圧センサ８２及び吸気温度センサ８４は、外部の環境に関する値である環境値を検出する。制御部９８は、ＳＣＲ触媒入口温度センサ９０が検出した排気ガスの温度と、大気圧センサ８２及び吸気温度センサ８４が検出した環境値と、に基づいて尿素水噴射部４７による尿素水の噴射の可否を判定する第１判定処理を行う。

これにより、排気ガスの温度だけでなく環境値に基づいて尿素水の噴射の可否を判定することで、例えば寒冷地や高地であっても、固体堆積物が排気管に堆積することを防止できる。また、噴射された尿素水が堆積せずにＳＣＲ触媒に供給されるので、ＳＣＲ触媒６２のアンモニアの吸着量を適切に管理することができる。

また、本実施形態のエンジン１００は、ＳＣＲ触媒６２よりも排気ガスの排出方向の下流側に配置され、アンモニアを酸化するアンモニア酸化触媒６３を備える。制御部９８は、ＳＣＲ触媒温度を推定し、推定したＳＣＲ触媒温度に基づいて尿素水噴射部４７による尿素水の噴射の可否を判定する第２判定処理を行う。

これにより、上記の第２判定処理を行うことで、アンモニアが外部に排出されることを防止できる。

また、本実施形態のエンジン１００において、制御部９８は、排気ガスが第１尿素水噴射判定温度を超えたときに尿素水が噴射可能と判定する。制御部９８は、外気温度又は外気温度に連動する温度が低くなるほど、第１尿素水噴射判定温度が高くなるように補正する。

これにより、尿素混合管４５の内側の表面の温度に直接的に影響を及ぼす外気温度に基づいて尿素水の噴射を開始する温度を決定できるので、固体堆積物が排気管に堆積することを一層確実に防止できる。

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。

上記実施形態では、第１判定処理と第２判定処理の両方の条件を満たしたときに尿素水を噴射可能と判定するが、何れか一方の条件を満たしたときに尿素水を噴射可能と判定しても良い。

上記実施形態では、ＳＣＲ触媒推定温度に基づいて通常モードとＳＣＲヒーティングモードを切り替えるが、その他の条件として、大気圧、吸気温度、冷却水温度、エンジン運転状況、及びエンジンの始動完了からの経過時間等を用いることもできる。

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２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２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。

４５ 尿素混合管（排気管）
４６ ＳＣＲ入口管（排気管）
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
８２ 大気圧センサ（環境値検出部）
８４ 吸気温度センサ（環境値検出部）
９０ ＳＣＲ触媒入口温度センサ（排気ガス温度検出部）
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、
   排気ガスの温度を検出する排気ガス温度検出部と、
   外部の環境に関する値である環境値を検出する環境値検出部と、
   前記排気ガス温度検出部が検出した排気ガスの温度と、前記環境値検出部が検出した前記環境値と、に基づいて前記尿素水噴射部による尿素水の噴射の可否を判定する第１判定処理を行う制御部と、
   を備え、
   前記環境値が外気温度又は外気温度に連動する温度であり、
   前記制御部は、排気ガスの温度が尿素水噴射判定温度を超えたときに尿素水が噴射可能と判定し、
   前記制御部は、外気温度又は外気温度に連動する温度が低くなるほど、前記尿素水噴射判定温度が高くなるように補正す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ＳＣＲ触媒よりも排気ガスの排出方向の下流側に配置され、アンモニアを酸化するアンモニア酸化触媒を備え、
   前記制御部は、前記ＳＣＲ触媒の温度であるＳＣＲ触媒温度を推定し、推定したＳＣＲ触媒温度に基づいて前記尿素水噴射部による尿素水の噴射の可否を判定する第２判定処理を行うことを特徴とするエンジン。
3. 請求項２に記載のエンジンであって、
   前記第１判定処理及び前記第２判定処理のうち少なくとも一方で尿素水を噴射不可と判定された場合に、前記尿素水噴射部からの尿素水を噴射を停止させることを特徴とするエンジン。
4. 請求項１から３までの何れか一項に記載のエンジンであって、
   前記制御部は、前記尿素水噴射判定温度を補正する際に、外気温度又は外気温度に連動する温度に加え、排気ガスの質量流量及び温度を用いることを特徴とするエンジン。

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