JP6551030B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本開示は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する技術として、尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムが知られている。
例えば、特許文献１には、エンジンの排気通路に配設され、排気ガス中のＮＯｘを選択還元する選択還元触媒と、この選択還元触媒の上流の排気通路に尿素還元剤を供給する尿素還元剤供給手段と、この尿素還元剤供給手段と選択還元触媒との間の排気通路に配設され、尿素還元剤供給手段で供給された尿素還元剤と排気ガスのミキシングを促進するためのミキシング部材と、を有するエンジンの排気浄化装置が開示されている。
かかる排気浄化装置は、ミキシング部材の直上流と直下流との差圧を検出する差圧検出手段と、この差圧検出手段で検出された差圧が所定値以上となったとき、排気ガスの温度を上昇させる排気ガス温度上昇手段と、を備えている。
これにより、かかる排気浄化装置は、差圧検出手段で検出された差圧が所定値以上となったときに、排気ガスの温度を上昇させ、ミキシング部材に堆積したデポジット（尿素水から生成された結晶）を溶融除去する。

特許第４８７７１２３号公報

ところで、ミキシング部材（撹拌ミキサ）を用いて尿素還元剤と排気ガスのミキシングを促進する場合、撹拌ミキサの静止翼（ブレード）にデポジットが溜まりやすい。そして、撹拌ミキサのブレードにデポジットが溜まると、圧力損失が増大するとともに、尿素還元剤の分散効率が低下し、選択還元触媒における窒素酸化物の浄化効率が低下するという問題を引き起こす。
しかしながら、ミキシング部材（撹拌ミキサ）に付着したデポジットを溶融除去する必要があるか否かを判定するには、差圧検出手段で検出された差圧と比較する所定値を極小さな値（γ）に設定する必要があり、差圧の検出が困難である。これにより、撹拌ミキサに堆積したデポジットを適切に溶融除去することができない。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、撹拌ミキサに堆積したデポジットを溶融除去する必要があるか否かを正確に判定す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）本発明の少なくとも一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられ、前記内燃機関から排出された排気ガスに含まれる窒素酸化物を選択的に還元する選択還元触媒と、前記選択還元触媒の上流で前記排気通路に還元剤を供給するための還元剤供給手段と、前記還元剤供給手段と前記選択還元触媒との間の前記排気通路に設けられ、前記排気通路に流れる排気ガスと前記還元剤供給手段で供給された還元剤とを混合する撹拌ミキサと、前記還元剤供給手段から供給される還元剤が前記撹拌ミキサに堆積して生成されるデポジットの堆積量を推定する堆積量推定手段と、を備え、前記堆積量推定手段は、前記還元剤供給手段から供給された還元剤の総量から、前記窒素酸化物の還元に用いられた還元剤の消費量と、前記選択還元触媒に吸着された還元剤の吸着量と、を減算して前記デポジットの堆積量とする。

上記（１）の構成によれば、堆積量推定手段は、還元剤供給手段から供給された還元剤の総量から、窒素酸化物の還元に用いられた還元剤の消費量と、選択還元触媒に吸着された還元剤の吸着量と、を減算してデポジットの堆積量とするので、撹拌ミキサに堆積したデポジットを溶融除去する必要があるか否かを正確に判定することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記堆積量推定手段は、前記選択還元触媒を通過した還元剤の通過量に基づいて、前記デポジットの堆積量を補正する。
上記（２）の構成によれば、堆積量推定手段は、選択還元触媒から通過した還元剤の通過量に基づいて、デポジットの堆積量を補正するので、撹拌ミキサに堆積したデポジットを溶融除去する必要があるか否かをより正確に判定することができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、前記堆積量推定手段は、前記選択還元触媒に吸着された還元剤の吸着量を前記内燃機関の始動から停止までの運転サイクルごとに算出する第１吸着量算出手段を含む。
上記（３）の構成によれば、堆積量推定手段は、選択還元触媒に吸着された還元剤の吸着量を内燃機関の始動から停止までの運転サイクルごとに算出する第１吸着量算出手段を含むので、運転サイクルごとに撹拌ミキサに堆積したデポジットを溶融除去する必要があるか否かを正確に判定することができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（３）の構成において、前記第１吸着量算出手段は、前記内燃機関の前記運転サイクルの停止時における前記選択還元触媒の温度で前記選択還元触媒が吸着可能な最大吸着量を当該運転サイクルにおける還元剤の吸着量とする。
上記（４）の構成によれば、第１吸着量算出手段は、内燃機関の運転サイクルの停止時における選択還元触媒の温度で選択還元触媒が吸着可能な最大吸着量を運転サイクルにおける還元剤の吸着量とするので、運転サイクルごとに算出する還元剤の吸着量を簡単に算出することができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）から（４）のいずれか一つの構成において、前記堆積量推定手段は、前記選択還元触媒に吸着された還元剤の吸着量を前記内燃機関の運転中に逐次算出する第２吸着量算出手段を含む。
上記（５）の構成によれば、堆積量推定手段は、選択還元触媒に吸着された還元剤の吸着量を内燃機関の運転中に逐次算出する第２吸着量算出手段を含むので、内燃機関の運転中にも撹拌ミキサに堆積したデポジットを溶融除去する必要があるか否かを判定することができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（５）の構成において、前記第２吸着量算出手段は、前記選択還元触媒の温度が所定温度に到達するまでは前記還元剤供給手段から供給された還元剤の総量の所定比率を前記運転中における還元剤の吸着量とし、前記選択還元触媒の温度が所定温度に到達した後は前記選択還元触媒の温度で前記選択還元触媒が吸着可能な最大吸着量を前記運転中における還元剤の吸着量とする。
上記（６）の構成によれば、第２吸着量算出手段は、選択還元触媒の温度が所定温度に到達するまでは還元剤供給手段から供給された還元剤の総量の所定比率を運転中における還元剤の吸着量とするので、選択還元触媒の温度が所定温度に到達するまでの還元剤の吸着量を正確に算出することができる。また、第２吸着量算出手段は、選択還元触媒の温度が所定温度に到達した後は選択還元触媒の温度で選択還元触媒が吸着可能な最大吸着量を運転中における還元剤の吸着量とするので、選択還元触媒の温度が所定温度に到達した後の還元剤の吸着量を簡単に算出することができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記堆積量推定手段は、前記選択還元触媒に吸着された還元剤の吸着量を前記内燃機関の始動から停止までの運転サイクルごとに算出する第１吸着量算出手段と、前記選択還元触媒に吸着された還元剤の吸着量を前記内燃機関の運転中に逐次算出する第２吸着量算出手段と、を含み、前記内燃機関の停止時に前記デポジットの堆積量を前記内燃機関の運転中に推定された堆積量から前記内燃機関の停止時に推定された堆積量に書き換える。
上記（７）の構成によれば、堆積量推定手段は、内燃機関の停止時にデポジットの堆積量を内燃機関の運転中に推定された堆積量から内燃機関の停止時に推定された堆積量に書き換えるので、内燃機関の停止時におけるデポジットの堆積量を正確に推定することができる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（１）から（７）のいずれか一つの構成において、前記撹拌ミキサに堆積したデポジットを溶融除去するための除去手段と、前記堆積量推定手段で推定されたデポジットの堆積量が閾値を超えた場合に前記除去手段に前記デポジットを溶融除去させる制御手段と、を備える。
上記（８）の構成によれば、堆積量推定手段で推定されたデポジットの堆積量が閾値を超えた場合に除去手段にデポジットを溶融除去させる制御手段を備えるので、デポジットの堆積量が閾値を超えた場合に除去手段にデポジットを溶融除去させることができる。これにより、撹拌ミキサに堆積したデポジットによる圧力損失の増大、及び還元剤の分散効率の低下を解消することができる。

（９）幾つかの実施形態では、上記（８）の構成において、前記制御手段は、前記内燃機関の始動時に前記除去手段に前記デポジットを溶融除去させる。
上記（９）の構成によれば、制御手段は、内燃機関の始動時に除去手段にデポジットを溶融除去させるので、溶融除去されたデポジットは還元剤となり、選択還元触媒において窒素酸化物を選択的に還元する。これにより、還元剤の供給が制限される内燃機関の始動時における窒素酸化物の排出を抑制することができる。

（１０）幾つかの実施形態では、上記（８）の構成において、前記閾値は、前記内燃機関の始動時において前記内燃機関の運転中よりも小である。
上記（１０）の構成によれば、閾値は、内燃機関の始動時において内燃機関の運転中よりも小であるので、撹拌ミキサに堆積したデポジットは内燃機関の始動時に溶融除去され易くなる。これにより、溶融除去されたデポジットは還元剤となり、選択還元触媒において窒素酸化物を選択的に還元する。この結果、還元剤の供給が制限される内燃機関の始動時における窒素酸化物の排出を抑制することができる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、撹拌ミキサに堆積したデポジットを溶融除去する必要があるか否かを正確に判定することができる。

本発明の実施形態に係るエンジンの排気浄化装置が適用される内燃機関を概略的に示す模式図である。 図１に示したエンジンの排気浄化装置の制御構成を概略的に示すブロック図である。 エンジンの運転開始からＳＣＲ触媒が所定温度に昇温されるまでに吸着されるアンモニア量を示す図である。 図４は、ＳＣＲ触媒が所定温度に昇温した後に吸着されるアンモニア量を示す図である。 図１に示したエンジンの排気浄化装置の制御手順を概略的に示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
また例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

まず、図１から図４に基づいて本発明の実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成を説明する。尚、図１は、本発明の実施形態に係るエンジンの排気浄化装置が適用される内燃機関を概略的に示す模式図である。また、図２は、図１に示したエンジンの排気浄化装置の制御構成を概略的に示すブロック図である。図３は、エンジンの運転開始からＳＣＲ触媒が所定温度に昇温されるまでに吸着されるアンモニア量を示す図であり、図４は、ＳＣＲ触媒が所定温度に昇温した後に吸着されるアンモニア量を示す図である。

本発明の実施形態に係る排気浄化装置が適用される内燃機関は、コモンレール式のディーゼルエンジンであって、図１に示すように、エンジン本体１、燃料供給系統２、吸気系統３、排気系統４、及び排気再循環系統５を備えて構成され、本発明の実施形態である排気浄化装置６は、排気系統４に設けられている。

エンジン本体１は、シリンダブロック１１と、シリンダブロック１１の上に固定されたシリンダヘッド１２とにより構成される。シリンダブロック１１には、複数のシリンダ（気筒）１１１が一列に設けられ、その下方域に共通する一つのクランクシャフト１３が回転可能に支持されている。シリンダ１１１は、円筒形に形成され、その内部にはピストン１４が上下方向に往復動可能に収容されている。ピストン１４は、頭部が閉塞された円筒形に形成され、その胴部には径方向に貫通するピン穴が設けられている。また、ピストン１４の胴部には、コネクティングロッド１５の一端（スモール・エンド）が収容され、ピン穴を挿通するピストンピン１４２により、コネクティングロッド１５の一端がピストン１４に連結されている。そして、シリンダヘッド１２とピストン１４との間には燃焼室が形成される。

クランクシャフト１３は、コネクティングロッド１５とともにピストン１４の往復運動（下降運動）を回転運動に変換するもので、クランクシャフト１３の回転中心を通る軸線に対して平行にクランクピン（図示せず）を有している。そして、クランクピンには、コネクティングロッド１５の他端（ラージ・エンド）が連結されている。これにより、ピストン１４の往復運動は、クランクシャフト１３の回転運動に変換される。

シリンダヘッド１２には、シリンダ１１１ごとに吸気ポート１１２と排気ポート１１３とが設けられている。
また、各吸気ポート１１２には、吸気ポート１１２を開閉する吸気弁が取り付けられている。吸気ポート１１２は、吸入行程において開放され、吸気ポート１１２からシリンダ１１１内に空気の吸入が可能となり、圧縮行程、膨張行程、排気行程において閉鎖される。また、各排気ポート１１３には、排気ポート１１３を開閉する排気弁が取り付けられている。排気ポート１１３は、排気行程において開放され、排気ポート１１３から排気ガスの排出が可能となり、吸入行程、圧縮行程、膨張行程において閉鎖される。これにより、燃焼室は、圧縮行程と膨張行程において閉鎖される。

また、シリンダヘッド１２には、シリンダ１１１ごとにグロープラグが設けられている。グロープラグは、冷間時の始動を助ける補助熱源であって、燃料供給系統２から供給（噴射）された燃料が直接触れる位置に配置される。

燃料供給系統２は、所定のタイミングで所定量の燃料をシリンダ１１１内に噴射するもので、本実施形態では、コモンレール式の燃料噴射装置２１を備えている。コモンレール式の燃料噴射装置２１は、シリンダ１１１ごとに設けられたインジェクター２２と、各インジェクター２２に共通するコモンレール２３と、コモンレール２３に高圧燃料を供給する高圧燃料ポンプ２４とを備えて構成されている。燃料噴射装置２１は、一燃焼サイクル中で複数回の燃料噴射が可能で、本実施形態に係るインジェクター２２は、一燃焼サイクル中で、パイロット噴射（Ｐｉｌｏｔ）、プレ噴射（Ｐｒｅ）、主噴射（Ｍａｉｎ）、アフター噴射（Ａｆｔｅｒ）、ポスト噴射（Ｐｏｓｔ）に分けて燃料を噴射することができる。これにより、本実施の形態に係るインジェクター２２は、シリンダ１１１内に燃焼に寄与せず未燃燃料として排気系統４に排出するタイミングで燃料を噴射（ポスト噴射）することができる。

吸気系統３は、エンジン本体１に空気を供給するためのもので、外部からエンジン本体１に空気を供給するための吸気通路（吸気管）３１を備えている。吸気通路３１は、上流から下流（外部からエンジン本体１）に向けて、エアクリーナ３２、ターボチャージャ３３、インタークーラ３４、吸気スロットル３６、及びインテークマニホールド３７を備えている。

エアクリーナ３２は、大気中に含まれる粉塵等を分離し清浄な空気をエンジン本体１に供給するためのもので、吸気通路３１の最上流に配置されている。

ターボチャージャ３３は、エンジン本体１に圧縮された空気を供給するためのもので、吸気通路３１にはコンプレッサ（図示せず）が設けられ、排気タービン（図示せず）は、後述するように、排気通路４１に設けられている。そして、コンプレッサのコンプレッサホイール（図示せず）と、排気タービンのタービンホイール（図示せず）とが同軸に設けられ、タービンホイールがコンプレッサを駆動する。これにより、吸気通路３１の空気（吸気）はコンプレッサで圧縮され、圧縮された空気はエンジン本体１に供給される（過給）。

インタークーラ３４は、吸気通路３１に導入され、ターボチャージャ３３で圧縮された空気を冷却するためのもので、吸気通路３１に導入され、ターボチャージャ３３で圧縮された空気は、インタークーラ３４を通過する際に冷却される。

吸気スロットル３６は、エンジン本体１に供給する空気（吸気）の流量を調整し、エンジンの出力を調整するためのもので、インタークーラ３４とインテークマニホールド３７との間に設けられている。

インテークマニホールド３７は、各吸気ポート１１２に空気を分配する多気管であり、吸気通路３１の下流に設けられ、端部（分岐側端部）が各吸気ポート１１２に接続されている。これにより、吸気通路３１に供給された空気は、インテークマニホールド３７で均等に分配され、各吸気ポート１１２に均等に供給される。

また、吸気通路３１は、第１温度センサ３１１、酸素濃度センサ３１２、及び第２温度センサ３１３を備えている。
第１温度センサ３１１は、外部から吸入した空気の温度を計測するためのもので、エアクリーナ３２の下流、エアクリーナ３２とターボチャージャ（コンプレッサ）３３との間に設けられている。
酸素濃度センサ３１２は、吸気ポート１１２に供給する空気に含まれる酸素の濃度を計測するためのもので、後述するＥＧＲ通路５１の合流位置よりも下流であって、吸気スロットル３６とインテークマニホールド３７との間に設けられている。
第２温度センサ３１３は、吸気ポート１１２に供給する空気の温度を計測するためのもので、インテークマニホールド３７に設けられている。

排気系統４は、エンジン本体１から排気ガスを排出するもので、エンジン本体１から外部に排気ガスを排出するための排気通路（排気管）４１を備えている。排気通路４１は、上流から下流（エンジン本体１から外部）に向けて、エキゾーストマニホールド４２、排気タービン（ターボチャージャ３３）、酸化触媒４３、微粒子捕集フィルター４４、尿素水噴射インジェクター４５、撹拌ミキサ４６、ＳＣＲ触媒４７、及び加熱装置６１を備えている。

エキゾーストマニホールド４２は、各排気ポート１１３から排出された排気ガスが集合する多気管であり、排気通路４１の上流に設けられ、端部（分岐側端部）が各排気ポート１１３に接続されている。これにより、各排気ポート１１３からエキゾーストマニホールド４２に排出された排気ガスは、エキゾーストマニホールド４２で集合する。

排気タービン（図示せず）は、上述したように、ターボチャージャ３３を構成するもので、排気通路４１に設けられている。これにより、エンジン本体１から排出された排気ガスがタービンホイールを回転させ、コンプレッサを駆動するので、吸気通路３１の空気（吸気）はコンプレッサで圧縮され、圧縮された空気はエンジン本体１に供給される（過給）。

酸化触媒（Diesel Oxidation Catalyst）４３は、排気ガスに含まれる炭化水素（ＨＣ）を酸化するためのもので、ターボチャージャ３３のタービンの直下流に設けられている。酸化触媒４３は、円柱状に形成され、円筒の前後に円錐を組み合わせた形状に形成された第１触媒収容部４８の上流側部分に収容されている。

微粒子捕集フィルター（Diesel particulate filter）４４は、酸化触媒４３を通過した排気ガスに含まれる微粒子（ＰＭ）を捕集するためのもので、酸化触媒４３の下流に設けられている。微粒子捕集フィルター４４は、酸化触媒４３と同一直径の円柱状に形成され、上述した第１触媒収容部４８の下流側部分に収容されている。

尿素水噴射インジェクター４５は、排気通路４１の内部を流れる排気ガスに尿素水を供給（噴射）するための還元剤供給手段で、排気通路４１のＳＣＲ触媒４７の上流となる位置に設けられている。これにより、尿素水噴射インジェクター４５から排気通路４１に流れる排気ガスに噴射された尿素水は熱分解されてアンモニア（ＮＨ_３）となり、ＳＣＲ触媒４７に供給される。

撹拌ミキサ４６は、尿素水噴射インジェクター４５から排気通路４１の内部に噴射された尿素水（熱分解されたアンモニアを含む）と排気通路４１の内部に流れる排気ガスとの混合を促進するためのもので、排気通路４１の内部、尿素水噴射インジェクター４５とＳＣＲ触媒４７との間に設けられている。撹拌ミキサ４６は、排気ガスの流れに旋回成分を付加することにより、尿素水と排気ガスの混合を促進可能であり、例えば、排気ガスの流れ方向に対して傾斜する複数の静止翼により構成される。

ＳＣＲ触媒４７は、排気通路４１に設けられ、エンジン本体１から排出された排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を選択的に還元する選択還元触媒で、本実施形態に係るＳＣＲ触媒は、アンモニア（ＮＨ_３）を用いて窒素酸化物を選択的に還元する。また、本実施形態に係るＳＣＲ触媒４７は、円柱状に形成され、円筒の前後に円錐を組み合わせた形状に形成された第２触媒収容部４９に収容されている。

加熱装置６１は、撹拌ミキサ４６に堆積したデポジット（尿素水噴射インジェクター４５から供給される尿素水の一部から生成された結晶）を溶融除去するための除去手段で、本実施形態に係る加熱装置６１は、電源６１１と電熱線６１２とにより構成されている。
電熱線６１２は、排気通路４１の撹拌ミキサ４６が収容された部分に巻回され、電源６１１から供給された電気により加熱される。これにより、電源６１１から電熱線６１２に電気が供給されると、排気通路４１の撹拌ミキサ４６が収容された部分が加熱され、撹拌ミキサ４６に堆積したデポジットは溶融除去される。

また、排気通路４１は、酸素濃度センサ４１１、第１温度センサ４１２、第２温度センサ４１３、第３温度センサ４１４、第４温度センサ４１５、第１ＮＯｘセンサ４１６、第２ＮＯｘセンサ４１７、及びアンモニアセンサ４１８を備えている。
酸素濃度センサ４１１は、エンジン本体１から排出された排気ガスに含まれる酸素の濃度を計測するためのもので、ターボチャージャ（排気タービン）３３の下流、排気タービンと酸化触媒４３との間に設けられている。

第１温度センサ４１２は、酸化触媒４３に流入する排気ガスの温度を計測するためのもので、第１触媒収容部４８の入口側に設けられている。
第２温度センサ４１３は、酸化触媒４３を通過した排気ガスの温度を計測するためのもので、酸化触媒４３と微粒子捕集フィルター４４との間となる第１触媒収容部４８の中程に設けられている。
第３温度センサ４１４は、微粒子捕集フィルター４４を通過した排気ガスの温度を計測するためのもので、第１触媒収容部４８の出口側に設けられている。
第４温度センサ４１５は、ＳＣＲ触媒４７の温度を計測するためのもので、第２触媒収容部４９の入口側に設けられている。

第１ＮＯｘセンサ４１６は、ＳＣＲ触媒４７に流入する排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を計測するためのもので、ＳＣＲ触媒４７の上流、微粒子捕集フィルター４４とＳＣＲ触媒４７との間に設けられている。
第２ＮＯｘセンサ４１７は、ＳＣＲ触媒４７から排出された排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を計測するためのもので、ＳＣＲ触媒４７の下流に設けられている。
アンモニアセンサ４１８は、ＳＣＲ触媒４７から排出された排気ガスに含まれるアンモニアの濃度を計測するためのもので、ＳＣＲ触媒４７の下流に設けられている。

排気再循環系統５は、エンジン本体１から排出された排気ガスの一部を吸気系統３に供給（再循環）するもので、排気系統４と吸気系統３とに跨がって設けられている。排気再循環系統５は、エキゾーストマニホールド４２から分岐し吸気通路（吸気管）３１に合流するＥＧＲ通路（排気再循環通路）５１を備えている。これにより、排気系統４を流れる排気ガスの一部がＥＧＲ通路５１を通り吸気通路３１に導入される（排気再循環）。

ＥＧＲ通路５１には、上流側（排気系統４側）から下流側（吸気系統３側）に向けて順に、ＥＧＲクーラ５２、及びＥＧＲバルブ５３を備えている。
ＥＧＲクーラ５２は、ＥＧＲ通路５１に導入された排気ガスを冷却するためのもので、ＥＧＲ通路５１に導入された排気ガスは、ＥＧＲクーラ５２を通過する際に冷却される。
ＥＧＲバルブ５３は、排気再循環する排気ガスの流量を調整するためのもので、その開度により任意の流量の排気ガスがＥＧＲ通路５１を通り吸気通路３１に供給される。

図２に示すように、本発明の実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の各種制御は、電子制御装置（ＤＣＵ（Dosing Control Unit））７により実現される。
電子制御装置７は、各種演算処理を実行するＣＰＵ（図示せず）、その制御に必要なプログラムやデータが記憶されたＲＯＭ（図示せず）、ＣＰＵの演算結果が一時記憶されるＲＡＭ（図示せず）、及び外部との間で信号を入出力するための入・出力ポート（図示せず）を備えて構成される。これらは、図２に示すように、堆積量推定手段７１、限界量算出手段７２、再生時間算出手段７３、及び制御手段７４を構成する。

堆積量推定手段７１は、撹拌ミキサ４６に堆積したデポジットの堆積量を推定するためのもので、下記の数式１に示すように、尿素水噴射インジェクター４５から供給された尿素水から生成されるアンモニアの総量から、窒素酸化物の還元に用いられたアンモニアの消費量と、ＳＣＲ触媒に吸着されたアンモニアの吸着量と、を減算してデポジットの堆積量とする。

また、本実施形態に係る排気浄化装置６は、窒素酸化物がそのまま排出されることがないように、できるだけ多くのアンモニアがＳＣＲ触媒４７に吸着されるように制御されるので、微少量のアンモニアはＳＣＲ触媒４７に吸着されないで通過する。これにより、堆積量推定手段７１は、ＳＣＲ触媒４７を通過したアンモニアの通過量（スリップ量）に基づいてデポジットの堆積量を補正する。
尚、これにより、上記の数式１は下記の数式２に補正することができる。

ここで、尿素水噴射インジェクター４５から供給された尿素水から生成されるアンモニアの総量は、尿素水噴射インジェクター４５から噴射される尿素水の噴射量から算出可能である。また、窒素酸化物の還元に用いられたアンモニアの消費量は、第１ＮＯｘセンサ４１６で検出された窒素酸化物の濃度と第２ＮＯｘセンサ４１７で検出された窒素酸化物の濃度とに基づいて算出可能である。また、ＳＣＲ触媒４７を通過したアンモニアの通過量は、アンモニアセンサ４１８で計測されたアンモニアの濃度に基づいて算出可能である。

また、堆積量推定手段７１は、ＳＣＲ触媒４７に吸着されたアンモニアの吸着量をエンジンの始動から停止までの運転サイクルごとに算出する第１吸着量算出手段７１１を含んで構成される。
第１吸着量算出手段７１１は、本実施形態に係る排気浄化装置６ができるだけ多くのアンモニアがＳＣＲ触媒４７に吸着されるように制御することを鑑みて、エンジンの停止時におけるＳＣＲ触媒４７の温度でＳＣＲ触媒４７が吸着可能な最大吸着量をアンモニアの吸着量とするものである。これにより、第１吸着量算出手段７１１は、ＳＣＲ触媒４７の温度とＳＣＲ触媒４７が吸着可能な最大吸着量とを関連付けたマップと、エンジンの停止時に第４温度センサ４１５で計測された温度とに基づいてアンモニアの吸着量を算出するように構成されている。

尚、正確なデポジットの堆積量の推定には上述した数式２によることが好ましいが、エンジンの始動直後、ＳＣＲ触媒４７にアンモニアを吸蔵していく過程におけるアンモニアの吸着量の推定は困難であり、上述した数式２を用いたデポジット堆積量の算出も困難である。

これにより、堆積量推定手段７１は、下記の数式３に示すように、ＳＣＲ触媒４７に吸着されたアンモニアの吸着量をエンジンの運転中に逐次算出する第２吸着量算出手段７１２を含んで構成される。

第２吸着量算出手段７１において、エンジンの運転中にＳＣＲ触媒４７に吸着されるアンモニア量は、図３及び図４に示すように、エンジンの始動後にＳＣＲ触媒４７が所定温度（第２の所定温度）Ｔ２に到達までと、ＳＣＲ触媒が所定温度（Ｔ２）に到達した後とに分けて算出される。
すなわち、図５に示すように、エンジンの始動からＳＣＲ触媒４７が所定温度Ｔ２に到達するまでは、尿素水噴射インジェクター４５から供給された尿素水から生成されるアンモニアの総量の所定比率をアンモニアの吸着量とする。一方、ＳＣＲ触媒４７の温度が所定温度Ｔ２に到達した後は、ＳＣＲ触媒４７の温度でＳＣＲ触媒４７が吸着可能な最大量を運転中におけるアンモニアの吸着量とする。これにより、ＳＣＲ触媒４７の温度がＴ２に到達した後はＳＣＲ触媒４７の温度上昇に伴いＳＣＲ触媒４７に吸着されるアンモニア量は減少する。
尚、ＳＣＲ触媒４７の温度が所定温度（第１の所定温度）Ｔ１以下の場合にＳＣＲ触媒４７に吸着されるアンモニア量が０（ゼロ）となるのは、ＳＣＲ触媒４７が所定温度Ｔ１以下の場合に尿素水の噴射を行わないためである。
また、上述した所定比率は、任意に設定することができるが、図３に示すように、第１の所定温度Ｔ１でアンモニアの吸着量が０（ゼロ）で第２の所定温度Ｔ２でＳＣＲ触媒４７が吸着可能な最大量となるように設定される。

また、数式３で求められるデポジットの堆積量は暫定的な値であるので、エンジンの停止時に上記数式２を用いて算出した値に書き換えることが好ましい。

限界量算出手段７２は、ＳＣＲ触媒４７に吸着されるアンモニアの吸着限界量を算出するものである。
再生時間算出手段７３は、デポジット量の溶解に必要な時間を算出するためのものである。
制御手段７４は、加熱装置６１を制御するためのもので、再生時間算出手段７３で算出された時間に基づいて電熱線６１２を加熱させ、撹拌ミキサ４６に堆積したデポジットを溶融除去する。尚、制御手段７４は、限界量算出手段７２で算出されたアンモニアの吸着限界量とＳＣＲ触媒４７に吸着されているアンモニア量との差がデポジット堆積量よりも多い場合には、ＥＧＲバルブ５３を閉鎖して、排気ガスがＥＧＲ通路５１に流入しないように制御する。これにより、エンジン本体１から排出される排気ガスに含まれる窒素酸化物が増大するので、アンモニアが窒素酸化物に反応し、ＳＣＲ触媒４７の下流にアンモニアが流出するのが抑制される。

つぎに、図５に基づいて上述した本発明の実施形態に係るエンジンの排気浄化装置６の制御手順を説明する。尚、図５は、図１に示したエンジンの排気浄化装置６の制御手順を概略的に示すフローチャートである。

図５に示すように、本発明の実施形態に係るエンジンの排気浄化装置６は、エンジンが始動されると（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、まず、制御手段７４が、前回までの運転サイクルまでで撹拌ミキサ４６に堆積したと推定されたデポジットの堆積量と閾値（第１閾値）とを比較する（ステップＳ２）。そして、デポジットの堆積量が閾値以下でない場合（ステップＳ２：Ｎｏ）、すなわち、デポジットの堆積量が閾値を超えている場合に、制御手段７４は、再生時間算出手段７３にデポジットの溶融に必要な時間（再生時間）を算出させ（ステップＳ３）、加熱装置６１にデポジットの溶融除去を実行させる（ステップＳ４）。

一方、デポジットの堆積量が閾値以下の場合には（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、第２吸着量算出手段７１２がＳＣＲ触媒に吸着されたアンモニアの吸着量を算出し（ステップＳ５）、堆積量推定手段７１が撹拌ミキサ４６に堆積したデポジットの堆積量を推定する（ステップＳ６）。そして、前回までの運転サイクルで撹拌ミキサ４６に堆積したデポジットの堆積量（推定量）にステップＳ６で推定したデポジットの堆積量を加算する（ステップＳ６ａ）。

つぎに、制御手段７４が、デポジットの堆積量と閾値（第２閾値）とを比較する（ステップＳ７）。デポジットの堆積量が閾値以下でない場合（ステップＳ８：Ｎｏ）、すなわち、デポジットの堆積量が閾値を超えている場合には、制御手段７４は、限界量算出手段７２にＳＣＲ触媒４７に吸着されるアンモニアの吸着限界量を算出させる（ステップＳ８）。また、制御手段７４は、再生時間算出手段７３にデポジットの溶融除去に必要な時間（再生時間）を算出させる（ステップＳ９）。

つぎに、制御手段７４は、ＳＣＲ触媒４７に吸着されているアンモニアの吸着量とデポジットを溶融除去することにより再生されるアンモニアの再生量との和と、ＳＣＲ触媒４７に吸着されるアンモニアの吸着限界量とを比較する（ステップＳ１０）。アンモニアの吸着量と再生量との和がアンモニアの吸着限界量以下である場合（ステップＳ１０：Ｙｅｓ）には、制御手段７４が加熱装置６１を制御し、再生時間算出手段７３で算出された再生時間分だけ加熱装置６１にデポジットの溶融除去を実行させる（ステップＳ１１）。これにより、デポジットが溶融除去され、アンモニアが再生されるが、アンモニアの吸着量と再生量との和がアンモニアの吸着限界量以下であるので、再生されたアンモニアはＳＣＲ触媒４７に吸着される。

一方、アンモニアの吸着量と再生量との和がアンモニアの吸着限界量以下でない場合（ステップＳ１０：Ｎｏ）、すなわち、アンモニアの吸着量と再生量との和がアンモニアの吸着限界量を超えている場合には、ＥＧＲバルブ５３を閉鎖し（ステップＳ１２）、制御手段７４が加熱装置を制御し、再生時間算出手段７３で算出された再生時間分だけ加熱装置６１にデポジットの溶融除去を実行させる（ステップＳ１１）。これにより、デポジットが溶融除去され、アンモニアが生成されるが、このアンモニアは、ＥＧＲバルブ５３を閉鎖することにより増加した窒素酸化物を還元することにより、消費される。

他方、デポジットの堆積量が閾値以下である場合（ステップＳ７：Ｙｅｓ）には、エンジンが停止するまで（ステップＳ１３）、又は、推定された堆積量が閾値を超えるまで（ステップＳ７：Ｎｏ）、堆積量推定手段７１にデポジットの堆積量の推定を繰り返し実行させる。

そして、エンジンが停止すると（ステップＳ１３：Ｙｅｓ）、第１吸着量算出手段７１１がＳＣＲ触媒４７に吸着されたアンモニアの吸着量を算出し（ステップＳ１４）、堆積量推定手段７１が撹拌ミキサ４６に堆積したデポジットの堆積量を推定する（ステップＳ１５）。そして、前回までの運転サイクルで撹拌ミキサ４６に堆積したデポジットの堆積量（推定量）にステップ１５で推定したデポジットの堆積量を加算する（ステップＳ１５ａ）
最後に、制御手段７４は、デポジットの堆積量をステップＳ６ａで算出したものからステップＳ１５ａで算出したものに書き換える（ステップＳ１６）。

以上説明したように、本発明の実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置６によれば、堆積量推定手段７１は、尿素水噴射インジェクター４５から噴射された尿素水から生成されるアンモニアの総量から、窒素酸化物の還元に用いられたアンモニアと、ＳＣＲ触媒４７に吸着されたアンモニアの吸着量と、を減算してデポジットの堆積量とするので、撹拌ミキサ４６に堆積したデポジットを溶融除去する必要があるか否かを正確に判定することができる。

また、本実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置６によれば、堆積量推定手段７１は、ＳＣＲ触媒４７を通過したアンモニアの通過量に基づいて、デポジットの堆積量を補正するので、撹拌ミキサ４６に堆積したデポジットを溶融除去する必要があるか否かをより正確に判定することができる。

また、本実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置６によれば、堆積量推定手段７１は、ＳＣＲ触媒４７に吸着されたアンモニアの吸着量をエンジンの始動から停止までの運転サイクルごとに算出する第１吸着量算出手段７１１を含むので、運転サイクルごとに撹拌ミキサ４６に堆積したデポジットを溶融除去する必要があるか否かを正確に判定することができる。

また、本実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置６によれば、第１吸着量算出手段７１１は、エンジンの停止時におけるＳＣＲ触媒４７の温度でＳＣＲ触媒４７が吸着可能な最大吸着量をアンモニアの吸着量とするので、運転サイクルごとに算出するアンモニアの吸着量を簡単に算出することができる。

また、本実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置６によれば、堆積量推定手段７１は、ＳＣＲ触媒４７に吸着されたアンモニアの吸着量をエンジンの運転中に逐次算出する第２吸着量算出手段７１２を含むので、エンジンの運転中にも撹拌ミキサ４６に堆積したデポジットを溶融除去する必要があるか否かを判定することができる。

また、本実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置６によれば、第２吸着量算出手段７１２は、ＳＣＲ触媒４７の温度が所定温度（Ｔ２）に到達するまでは尿素水噴射インジェクター４５から供給された尿素水から生成されるアンモニアの総量の所定比率を運転中におけるアンモニアの吸着量とするので、ＳＣＲ触媒４７の温度が所定温度に到達するまでのアンモニアの吸着量を正確に算出することができる。また、第２吸着量算出手段７１２は、ＳＣＲ触媒４７の温度が所定温度に到達した後はＳＣＲ触媒４７の温度でＳＣＲ触媒４７が吸着可能な最大吸着量を運転中におけるアンモニアの吸着量とするので、ＳＣＲ触媒の温度が所定温度に到達した後のアンモニアの吸着量を簡単に算出することができる。

また、本実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置６によれば、堆積量推定手段７１は、エンジンの停止時にデポジットの堆積量をエンジンの運転中に推定された堆積量からエンジンの停止時に推定された堆積量に書き換えるので、エンジンの停止時におけるデポジットの堆積量を正確に推定することができる。

また、本実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置６によれば、堆積量推定手段７１で推定されたデポジットの堆積量が閾値を超えた場合に加熱装置６１にデポジットを溶融除去させる制御手段７４を備えるので、デポジットの堆積量が閾値を超えた場合に加熱装置６１にデポジットを溶融除去させることができる。これにより、撹拌ミキサ４６に堆積したデポジットによる圧力損失の増大、及び尿素還元剤の分散効率の低下を解消することができる。

また、本実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置６によれば、制御手段７４は、エンジンの始動時に加熱装置６１にデポジットを溶融除去させるので、溶融除去されたデポジットはアンモニアとなり、ＳＣＲ触媒４７において窒素酸化物を選択的に還元する。これにより、尿素水の噴射が制限されるエンジンの始動時における窒素酸化物の排出を抑制することができる。

また、本実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置６によれば、閾値は、エンジンの停止時においてエンジンの運転時よりも小であるので、撹拌ミキサ４６に堆積したデポジットはエンジンの始動時に溶融除去され易くなる。これにより、溶融除去されたデポジットはアンモニアとなり、ＳＣＲ触媒４７において窒素酸化物を選択的に還元する。この結果、尿素水の噴射が制限されるエンジンの始動時における窒素酸化物の排出を抑制することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
例えば、上述した実施形態では、加熱装置６１を用いてデポジットを溶融除去することとしたが、モンレール式の燃料噴射装置２１にシリンダ１１１内に燃焼に寄与せず未燃燃料として排気通路４１に排出するタイミングで燃料を噴射（ポスト噴射）することにより、排気ガスを燃焼させ、デポジットを溶融除去するものとしてもよい。

１ エンジン本体
１１ シリンダブロック
１１１ シリンダ
１１２ 吸気ポート
１１３ 排気ポート
１２ シリンダヘッド
１３ クランクシャフト
１４ ピストン
１４２ ピストンピン
１５ コネクティングロッド
２ 燃料供給系統
２１ 燃料噴射装置
２２ インジェクター
２３ コモンレール
２４ 高圧燃料ポンプ
３ 吸気系統
３１ 吸気通路
３１１ 第１温度センサ
３１２ 酸素濃度センサ
３１３ 第２温度センサ
３２ エアクリーナ
３３ ターボチャージャ
３４ インタークーラ
３６ 吸気スロットル
３７ インテークマニホールド
４ 排気系統
４１ 排気通路
４１１ 酸素濃度センサ
４１２ 第１温度センサ
４１３ 第２温度センサ
４１４ 第３温度センサ
４１５ 第４温度センサ
４１６ 第１ＮＯｘセンサ
４１７ 第２ＮＯｘセンサ
４１８ アンモニアセンサ
４２ エキゾーストマニホールド
４３ 酸化触媒
４４ 捕集フィルター
４５ 尿素水噴射インジェクター
４６ 撹拌ミキサ
４７ ＳＣＲ触媒
４８ 第１触媒収容部
４９ 第２触媒収容部
５ 再循環系統
５１ ＥＧＲ通路
５２ ＥＧＲクーラ
５３ ＥＧＲバルブ
６ 排気浄化装置
６１ 加熱装置
６１１ 電源
６１２ 電熱線
７ 電子制御装置（ＤＣＵ）
７１ 堆積量推定手段
７１１ 第１吸着量算出手段
７１２ 第２吸着量算出手段
７２ 限界量算出手段
７３ 再生時間算出手段
７４ 制御手段

Claims (10)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、前記内燃機関から排出された排気ガスに含まれる窒素酸化物を選択的に還元する選択還元触媒と、
   前記選択還元触媒の上流で前記排気通路に還元剤を供給するための還元剤供給手段と、
   前記還元剤供給手段と前記選択還元触媒との間の前記排気通路に設けられ、前記排気通路に流れる排気ガスと前記還元剤供給手段で供給された還元剤とを混合する撹拌ミキサと、
   前記還元剤供給手段から供給される還元剤が前記撹拌ミキサに堆積して生成されるデポジットの堆積量を推定する堆積量推定手段と、
   を備え、
   前記堆積量推定手段は、前記還元剤供給手段から供給された還元剤の総量から、前記窒素酸化物の還元に用いられた還元剤の消費量と、前記選択還元触媒に吸着された還元剤の吸着量と、を減算して前記デポジットの堆積量とする
   ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記堆積量推定手段は、前記選択還元触媒を通過した還元剤の通過量に基づいて、前記デポジットの堆積量を補正す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. 前記堆積量推定手段は、前記選択還元触媒に吸着された還元剤の吸着量を前記内燃機関の始動から停止までの運転サイクルごとに算出する第１吸着量算出手段を含む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。
4. 前記第１吸着量算出手段は、前記内燃機関の前記運転サイクルの停止時における前記選択還元触媒の温度で前記選択還元触媒が吸着可能な最大吸着量を当該運転サイクルにおける還元剤の吸着量とすることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記堆積量推定手段は、前記選択還元触媒に吸着された還元剤の吸着量を前記内燃機関の運転中に逐次算出する第２吸着量算出手段を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記第２吸着量算出手段は、
   前記選択還元触媒の温度が所定温度に到達するまでは前記還元剤供給手段から供給された還元剤の総量の所定比率を前記運転中における還元剤の吸着量とし、
   前記選択還元触媒の温度が所定温度に到達した後は前記選択還元触媒の温度で前記選択還元触媒が吸着可能な最大吸着量を前記運転中における還元剤の吸着量とすることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記堆積量推定手段は、
   前記選択還元触媒に吸着された還元剤の吸着量を前記内燃機関の始動から停止までの運転サイクルごとに算出する第１吸着量算出手段と、
   前記選択還元触媒に吸着された還元剤の吸着量を前記内燃機関の運転中に逐次算出する第２吸着量算出手段と、
   を含み、
   前記内燃機関の停止時に前記デポジットの堆積量を前記内燃機関の運転中に推定された堆積量から前記内燃機関の停止時に推定された堆積量に書き換え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。
8. 前記撹拌ミキサに堆積したデポジットを溶融除去するための除去手段と、
   前記堆積量推定手段で推定されたデポジットの堆積量が閾値を超えた場合に前記除去手段に前記デポジットを溶融除去させる制御手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
9. 前記制御手段は、前記内燃機関の始動時に前記除去手段に前記デポジットを溶融除去させることを特徴とする請求項８に記載の内燃機関の排気浄化装置。
10. 前記閾値は、前記内燃機関の始動時において前記内燃機関の運転中よりも小であることを特徴と請求項８に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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