JP6775169B2 - 排ガス浄化装置 - Google Patents

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Description

本発明は、自動車等の内燃機関から排出される排ガスを浄化する排ガス浄化装置に関し、特にディーゼルエンジンの排ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するための尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムを備える排ガス浄化装置に関する。
自動車等の内燃機関から排出される排ガス中に含まれるＮＯｘを浄化するための尿素ＳＣＲシステムが開発されている。尿素ＳＣＲシステムでは、尿素の加水分解により生成するアンモニアを吸着するＳＣＲ触媒が採用されており、ＳＣＲ触媒上でＮＯｘをアンモニアと化学反応させることにより、窒素及び水に浄化している。
尿素ＳＣＲシステムにおいて、ＳＣＲ触媒上にアンモニアを吸着させるためには、尿素が加水分解される温度以上になるようにＳＣＲ触媒の温度制御を行う必要がある。そのため、ＳＣＲ触媒の温度を、電気加熱式ヒータや電気加熱式触媒（Electrically Heated Catalyst）等を用いて制御する試みが為されている。
例えば、特許文献１には、排ガス処理装置の作動状態に基づいて周期周波数を用いて電気ヒータを起動及び停止させることにより、電気ヒータ上の堆積物の生成を抑止し又は電気ヒータ上の堆積物を取り除き、これにより背圧の上昇や加熱効率の悪化を抑制する制御方法が開示されている。また、特許文献２には、電気ヒータを備える尿素ＳＣＲシステムにおいて、燃費効率を向上させる制御方法が開示されている。
特表２０１５−５０８８６４号公報 国際公開第２０１３／１８３１５３号パンフレット
近年、さらなるＮＯｘ排出量の削減が求められている。とりわけ、尿素ＳＣＲシステムでは、インジェクター詰まりを起こす可能性がある等の理由により尿素が加水分解しないような低温条件下では尿素噴射を行っていない。そのため、例えばエンジン停止後のコールドスタート時や、実走行或いはＷＨＴＣ（World-wide Harmonized Transient Cycle）モードの前半低温域における排ガス温度が１５０℃未満の低負荷スタート時（以下、これらを併せて「コールドスタート時」と称する。）には、多量のＮＯｘが排出されることになる。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものである。すなわち本発明の目的は、コールドスタート時に発生するＮＯｘ排出量を削減可能な、新規な排ガス浄化装置等を提供することにある。
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した。その結果、少なくとも電気加熱式メタルハニカムに予め所定量のアンモニアを吸着させておき、コールドスタート時に電気加熱式メタルハニカムを電気加熱することで、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、以下に示す種々の具体的態様を提供する。
（１）エンジンの排ガスが通過する排気路と、前記排気路中に尿素を噴射する尿素噴射弁と、前記尿素噴射弁よりも下流側の前記排気路中に設けられたＳＣＲ触媒と、前記尿素噴射弁よりも下流側且つ前記ＳＣＲ触媒よりも上流側の前記排気路中に設けられ、排ガス温度を昇温可能な電気加熱式メタルハニカムと、前記電気加熱式メタルハニカムを通過する排ガスの排ガス温度を検出する温度センサと、前記電気加熱式メタルハニカム及び前記ＳＣＲ触媒の温度−アンモニア吸着量プロファイルを保存した記憶部と、前記温度−アンモニア吸着量プロファイルに基づいて前記電気加熱式メタルハニカム及び前記ＳＣＲ触媒に予吸着させるアンモニア量に相当する前記尿素の噴射量Ｉｎを算出し、算出された量の前記尿素を前記尿素噴射弁から噴射して前記電気加熱式メタルハニカム及び前記ＳＣＲ触媒にアンモニアを予吸着させておき、前記排ガス温度が１５０℃を下回った後のコールドスタート時に前記電気加熱式メタルハニカムを電気加熱する制御部と、を少なくとも備えることを特徴とする、排ガス浄化装置。
（２）前記制御部は、前記排ガス温度が所定の設定温度Ｔ１℃以上Ｔ２℃以下の温度範囲内になるまで前記電気加熱式メタルハニカムを電気加熱する（１）に記載の排ガス浄化装置。
（３）前記制御部は、前記排ガス温度が所定の設定温度Ｔ３℃を超えた場合に前記電気加熱式メタルハニカムの電気加熱を停止する（１）又は（２）に記載の排ガス浄化装置。
（４）前記設定温度が、Ｔ１＜Ｔ３≦Ｔ２の関係を満たす（３）に記載の排ガス浄化装置。
（５）前記電気加熱式メタルハニカムが、メタルハニカムと、前記メタルハニカムに担持されたＳＣＲ触媒とを少なくとも有する（１）〜（４）のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。
（６）前記電気加熱式メタルハニカムが、メタルハニカムと、前記メタルハニカムに装着されたジャケット型の電気ヒータ及び／又は前記メタルハニカムに一部埋設されたコイル型の電気ヒータと、を少なくとも有する（１）〜（５）のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。
（７）前記電気加熱式メタルハニカムが、メタルハニカムと、前記メタルハニカムに通電して前記メタルハニカムを発熱させる加熱制御部と、を少なくとも有する（１）〜（６）のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。
（８）前記制御部は、前記予吸着時に前記排ガス温度が所定の設定温度Ｔ１未満の場合に前記排ガス温度を昇温させる予備加熱制御を行う（１）〜（７）のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。
（９）前記制御部は、前記予吸着時に前記排ガス温度が所定の設定温度Ｔ１未満の場合に前記電気加熱式メタルハニカムを電気加熱して前記排ガス温度を昇温させる予備加熱制御を行う（１）〜（８）のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。
（１０）前記制御部は、前記記憶部から所定の設定温度Ｔｇ℃における前記電気加熱式メタルハニカム及び前記ＳＣＲ触媒のアンモニア最大吸着量Ａｄを読み出し、前記噴射量Ｉｎとして前記アンモニア最大吸着量Ａｄの３０〜１００％に相当する量の尿素量を算出する（１）〜（９）のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。
（１１）前記排気路は、少なくとも前記尿素噴射弁よりも下流側且つ前記ＳＣＲ触媒よりも上流側において、その外周に断熱保温材が設けられている（１）〜（１０）のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。
（１２）前記電気加熱式メタルハニカムよりも上流側に、前記電気加熱式メタルハニカムに流入する排ガスの排ガス温度を検出する第２温度センサをさらに備え、前記制御部は、前記電気加熱式メタルハニカムを電気加熱している場合に、前記第２温度センサが検出する排ガス温度が１５０℃以上で前記尿素を噴射して予吸着を行う（１）〜（１１）のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。
本発明によれば、コールドスタート時に発生するＮＯｘ排出量を削減可能な排ガス浄化装置等を実現することができる。
本実施形態の排ガス浄化装置のシステム構成を示す概略図である。 本実施形態の排ガス浄化装置における電気加熱式メタルハニカム及びＳＣＲ触媒の温度−アンモニア吸着量プロファイルを示す説明図であり、設定温度Ｔｇにおけるアンモニア最大吸着量Ａｄを示す。 本実施形態の排ガス浄化装置におけるアンモニア予吸着制御の一例を示すフローチャートである。 本実施形態の排ガス浄化装置におけるコールドスタート時の電気加熱制御の一例を示すフローチャートである。 ＷＨＴＣモードにおける排ガス温度の変動を示すグラフである（参考例１、例１、及び例２）。 ＷＨＴＣモードにおける排ガス温度の変動を示すグラフである（参考例１、例３、及び例４）。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。また、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。但し、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、本明細書において、例えば「１〜１００」との数値範囲の表記は、その上限値「１００」及び下限値「１」の双方を包含するものとする。また、他の数値範囲の表記も同様である。
図１は、本実施形態の排ガス浄化装置１００のシステム構成を示す概略図である。排ガス浄化装置１００は、エンジン１１と、コンプレッサ２１ａ及び排気タービン２１ｂを有するターボチャージャ２１と、吸気を冷却するインタークーラＩＣと、これらに接続された吸気路３１と、エンジン１１及び排気タービン２１ｂに接続されエンジン１１から排出される排ガスを通過させる排気路４１，５１と、吸気路３１に設けられエンジン１１への吸気量を調整するバルブＶ１と、エンジン１１の駆動制御を行うとともに排ガス浄化装置１００の全体制御を行う制御部ＥＣＵを備えている。
本実施形態で用いるエンジン１１は、所謂ターボチャージャ付きのディーゼルエンジンである。エンジン１１は、吸気マニホールド１２及び排気マニホールド１３を備えている。吸気マニホールド１２は、吸気路３１を介してターボチャージャ２１のコンプレッサ２１ａの出口に連結されている。また、排気マニホールド１３は、排気路４１を介してターボチャージャ２１の排気タービン２１ｂの入口に接続されている。そして、排気タービン２１ｂの出口は、排気路５１に接続されており、エンジン１１からの排ガスは、排気路４１を通って排気タービン２１ｂから排気路に５１へと排出される。
また、本実施形態のエンジン１１は、さらに排ガス還流システムを搭載している。すなわち、吸気路３１と排気路４１との間には、バイパス通路となるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）通路６１が接続されており、このＥＧＲ通路６１には、バイパス量を調整するＥＧＲバルブＶ２が設けられている。そして、このＥＧＲバルブＶ２を制御してＥＧＲ通路６１をバイパスして排ガスの一部をエンジン１１に戻すことにより、排ガス温度を調整することが可能となっている。
排気路５１中には、上流側から下流側の順に、排ガス中に含まれるＨＣやＮＯを酸化させるＤＯＣ（Diesel oxidation catalyst、ディーゼル酸化触媒）７１、排ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するＤＰＦ（Diesel particulate filter、ディーゼルパティキュレートフィルタ）７２、アンモニアを還元剤として排ガス中のＮＯｘを還元するＳＣＲ触媒（Selective Catalytic Reduction、選択型還元触媒）７３、及び余剰のアンモニアを酸化除去するＡＭＯＸ（Ammonia oxidation catalyst、アンモニア酸化触媒）７４が設けられている。
また、本実施形態の排ガス浄化装置１００は、尿素ＳＣＲシステム８１を搭載している。この尿素ＳＣＲシステム８１は、排気路５１中に尿素を供給し、尿素の加水分解により生成するアンモニアをＳＣＲ触媒７３に吸着させ、このＳＣＲ触媒７３上でアンモニアと化学反応させることにより、排ガス中のＮＯｘを選択的に還元するものである。この尿素ＳＣＲシステム８１は、尿素水が貯蔵されるタンク８２と、尿素水供給管８２ａ及びポンプＰを介してタンク８２に接続された尿素噴射弁８３とを備えている。そして、タンク８２中の尿素水は、ポンプＰによって汲み上げられ、尿素水供給管８２ａを経由して尿素噴射弁８３へと供給され、この尿素噴射弁８３から排気路５１中に噴射される。本実施形態において、尿素噴射弁８３は、ＤＰＦ７２とＳＣＲ触媒７３との間の排気路５１に接続されている。
尿素噴射弁８３の下流側であってＳＣＲ触媒７３の上流側の排気路５１中には、メタルハニカム９１が設けられている。ここで用いているメタルハニカム９１は、メタルハニカム本体にＳＣＲ触媒が担持されたＥＨＣ（Electrically Heated Catalyst）である。このメタルハニカム９１は、制御部ＥＣＵの制御により電気的に加熱可能になっており、メタルハニカム９１の発熱により、排気路５１中を通過する排ガスの温度を制御可能になっている。また、本実施形態においては、排気路５１の外周には断熱保温材が全長に亘って設けられている（図示省略）。断熱保温材としては、当業界で公知のものから適宜選択して用いることができ、特に限定されないが、例えばセルロースファイバーやロックウール等を用いたものが好適に用いられる。このように少なくとも尿素噴射弁８３の下流側であってＳＣＲ触媒７３の上流側の排気路５１の外周に断熱保温材を設けることにより、メタルハニカム９１の発熱による排ガスの温度の調整を高効率で行うことができる。
電気加熱式のメタルハニカム９１の加熱は、本実施形態では、メタルハニカム本体の外周に装着されるジャケット型の電気ヒータと、メタルハニカム本体内に一部埋設するように装着されたコイル型の電気ヒータで行っている（図示省略）。これらの電気ヒータはＥＣＵ及び図示しない車載電源に電気的に接続されており、これら電気ヒータの出力制御によりメタルハニカム９１の温度、ひいては排気路５１中の排ガス温度が制御可能となっている。
尿素噴射弁８３から排気路５１中に噴射された尿素は、排気路５１中で加水分解してアンモニアとなる。そして、このように噴射された尿素及び／或いは生成したアンモニアは、ＥＨＣである電気加熱式のメタルハニカム９１及びその下流側のＳＣＲ触媒７３に吸着される。尿素の加水分解反応は、その反応性は尿素水の濃度、配合組成、ｐＨ等によって変動し得るが、排気路５１中の排ガス温度を制御することで効率的に制御可能である。このとき、前述した電気加熱式のメタルハニカム９１の加熱制御を行うことで、エンジン１１の稼動状態を問わずに、緻密な制御を行うことが可能である。
なお、メタルハニカム９１の加熱は、メタルハニカム本体に通電することで、メタルハニカムそのものを直接発熱させることで行うこともできる。この場合、メタルハニカムを車載電源に接続し、制御部ＥＣＵにより、その出力制御を行うことで、メタルハニカム９１の温度、ひいては排気路５１中の排ガス温度が制御となっている。この場合、制御部ＥＣＵが、加熱制御部として機能する。
排気路５１には、温度センサやＮＯｘセンサ等が各所に設けられている。本実施形態では、ＤＰＦ７２と尿素噴射弁８３との間の排気路５１には、ＤＰＦ７２を通過した排ガスのＮＯｘ濃度及び排ガス温度を検出するＮＯｘセンサＳ１及び温度センサＳ２が設けられている。また、メタルハニカム９１とＳＣＲ触媒７３との間の排気路５１には、メタルハニカム９１を通過する排ガスの排ガス温度を検出する温度センサＳ３が設けられている。さらに、ＡＭＯＸ７４の下流側の排気路５１には、ＡＭＯＸ７４を通過した排ガスのＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサＳ４が設けられている。これらの各種センサは、ＥＣＵに電気的に接続されており、排気路５１を通過する排ガスの温度やＮＯｘ濃度が随時モニタリングされている。
制御部ＥＣＵは、エンジン１１の駆動制御及び排ガス浄化装置１００の全体制御を行う。制御部ＥＣＵは、図示省略するＣＰＵ（Central Processing Unit）や記憶部、具体的にはＲＯＭ（Read Only MemoryやＲＡＭ（Random Access Memory）等から構成されるコンピュータである。本実施形態において、制御部ＥＣＵは、尿素噴射弁８３、ポンプＰ、電気加熱式のメタルハニカム９１の電気ヒータ、バルブＶ１、ＥＧＲバルブＶ２等と電気的に接続されており、尿素噴射弁８３から排気路５１内に噴射する尿素の噴射量Ｉｎを算出し、算出された量の尿素を尿素噴射弁８３から噴射する制御を行うとともに、電気加熱式のメタルハニカム９１の電気ヒータによる電気加熱を制御する。
ここで従来は、尿素噴射弁８３から排気路５１への尿素の噴射は、尿素、硝酸アンモニウム、さらにはこれらと排ガスとの反応生成物の付着による、インジェクター詰まりや触媒の詰まり等を回避する等の観点から、排気路５１を通過する排ガスの温度が尿素の加水分解可能な温度以上（例えば１５０〜１７０℃以上）の場合に行われている。そのため、例えばエンジン停止後のコールドスタート時や、実走行或いはＷＨＴＣモードの前半低温域における排ガス温度が１５０℃未満の低負荷スタート時（以下、これらを併せて「コールドスタート時」と称する。）には、多量のＮＯｘが排出されることになる。
これに対して本実施形態では、このようなコールドスタート時のＮＯｘ排出量の削減のために、アンモニア予吸着制御システム、及びコールドスタート時アシスト加熱制御システムが搭載されている。以下、これについて詳述する。
本実施形態の制御部ＥＣＵの記憶部には、前述したＥＨＣであるメタルハニカム９１及びＳＣＲ触媒７３の温度−アンモニア吸着量プロファイルが保存されている。図２は、温度−アンモニア吸着量プロファイルの一例を示すグラフである。図２に示すように、ＳＣＲ触媒（ＥＨＣであるメタルハニカム９１及びＳＣＲ触媒７３を含む。）へのアンモニア吸着量には温度依存性があり、高温になる程、アンモニアの吸着量は低下する。
本実施形態において、制御部ＥＣＵは、メタルハニカム９１を通過する排ガスの排ガス温度を、メタルハニカム９１と同位置ないし下流側に配置されている温度センサＳ３から検出し、このとき検出された温度Ｔｇと温度−アンモニア吸着量プロファイルに基づいて、メタルハニカム９１及びＳＣＲ触媒７３に予吸着させるアンモニア量に相当する尿素の噴射量Ｉｎを算出し、算出された量の尿素を尿素噴射弁８３から噴射してメタルハニカム９１及びＳＣＲ触媒７３にアンモニアを予吸着させる。ここで、尿素噴射弁８３から尿素水をそのまま噴射してもよいが、尿素噴射弁８３の直下に小型セラミックヒータ等を取り付けておき、尿素噴射弁８３から噴射した尿素水噴霧を加熱することでアンモニアへの熱分解を促進した上で、尿素或いはアンモニアをメタルハニカム９１及びＳＣＲ触媒７３に供給させてもよい。
なお、ここでいうアンモニアの予吸着とは、その後に実行される排ガス温度が１５０℃を下回るコールドスタート時を基準とし、その基準時にメタルハニカム９１及びＳＣＲ触媒７３にアンモニアが予め吸着されていることを意味する。このようなアンモニア予吸着を行っておくことで、尿素噴射が困難なコールドスタート時におけるアンモニア供給が補われ、コールドスタート時のＮＯｘ排出量を削減することができ、その結果、このエンジンン１１から排出されるＮＯｘの総量を削減することができる。なお、本実施形態では、コールドスタートの判定は１５０℃未満と設定しているが、その設定温度はこれに特に限定されない。コールドスタートの判定は、適宜設定することができ、好ましくは１２０℃以下である。
ここで、尿素の噴射量Ｉｎの算出は、以下のようにして行うことができる。例えば、メタルハニカム９１を通過する排ガスの排ガス温度を温度センサＳ３から検出し、このとき検出された温度Ｔｇと温度−アンモニア吸着量プロファイルに基づいて、アンモニア最大吸着量Ａｄを読み出す。そして、このアンモニア最大吸着量Ａｄの例えば３０〜１００％、より好ましくは４０〜９５％、さらに好ましくは５０〜９０％に相当する量の尿素量を、前述した噴射量Ｉｎとして算出する。なお、この噴射量Ｉｎの算出は、各種公知の方法によって行うことができ、その方法は特に限定されない。例えば、従来技術に記載されている方法、具体的にはエンジン回転数、燃料噴射量、吸入空気量、ＮＯｘセンサＳ１，Ｓ４から検出されたＮＯｘ濃度等に基づいて、さらには温度補正する等して、ＳＣＲ触媒で還元されたＮＯｘ量を求めた後にＳＣＲ触媒２２に吸着されたアンモニア量を算出し、不足分のアンモニア吸着量に相当する量の尿素量を算出する方法等で行うこともできる。
また、制御部ＥＣＵは、アンモニア予吸着後のコールドスタート時に、排ガス温度が１５０℃を下回る場合には、電気加熱式のメタルハニカム９１を電気加熱する。このようなアシスト加熱を行うことで、コールドスタート後の排ガス温度の立ち上がりを急峻にすることができ、排ガス温度を早期に高温にすることができる。しかも、このようにアシスト加熱を行って排ガス温度を早期に高温にすることで、アンモニアによるＮＯｘ還元効率が高められ、これによりＮＯｘ浄化率を向上させることもできる。
図３は、本実施形態において、制御部ＥＣＵが実行するアンモニア予吸着制御の一例を示すフローチャートである。ここではまず、制御部ＥＣＵが、温度センサＳ３からの出力値に基づいてメタルハニカム９１を通過する排ガスの温度Ｔｇ（℃）を検出する（ステップＡ１）。
次に、制御部ＥＣＵは、検出された温度Ｔｇ（℃）が所定の設定温度Ｔ１（℃）以上Ｔ２（℃）以下の温度範囲内にあるか否かを判定する（ステップＡ２）。ここで本実施形態において、温度Ｔ１は１７０℃に、温度Ｔ２は３００℃にそれぞれ設定されているが、これらの設定温度は適宜設定でき、特に限定されない。通常使用環境では、温度Ｔ１は１６０〜２２０℃の範囲内にあることが好ましく、より好ましくは１７０〜２１０℃の範囲内であり、温度Ｔ２は２４０〜３５０℃の範囲内にあることが好ましく、より好ましくは２５０〜３３０℃の範囲内にある。
ステップＡ２において肯定判定の場合、制御部ＥＣＵは、上述したとおり温度−アンモニア吸着量プロファイルに基づいて当該温度Ｔｇにおけるアンモニア最大吸着量Ａｄを読み出す（ステップＡ３）。その後、制御部ＥＣＵは、このアンモニア最大吸着量Ａｄに基づいて、メタルハニカム９１及びＳＣＲ触媒７３に予吸着させるアンモニア量に相当する尿素の噴射量Ｉｎを算出し、算出された量の尿素を尿素噴射弁８３から噴射して（ステップＡ４）、アンモニア予吸着を行った後に、処理を一旦終了する。
ステップＡ２において否定判定の場合、制御部ＥＣＵは、検出した温度Ｔｇが所定の設定温度Ｔ１（℃）未満であるか判断する（ステップＡ５）。このステップＡ５において否定判定の場合は、エンジン１１が中負荷〜高負荷の稼動状態にあると判断して、制御部ＥＣＵは、再度ステップＡ１，Ａ２の処理を繰り返し行い、ステップＡ２で肯定判定となるまでアンモニア予吸着を行わない。
一方、ステップＡ５において肯定判定の場合は、アンモニア予吸着に適さない低温状態にあると判断して、制御部ＥＣＵは、排ガス温度を上昇させるための予備加熱を行う（ステップＡ６）。この予備加熱の方法は、特に限定されないが、電気加熱式のメタルハニカム９１の電気加熱、或いは、ポスト噴射やアフター噴射等を所定時間実行する噴射制御や、吸気バルブＶの開度を制御して吸気量を減少させる流量制御等により行うことが好ましい。ポスト噴射、アフター噴射とは、主たる燃料噴射であるメイン噴射の後に行われる副噴射である。また、予備加熱は、メタルハニカム９１がアンモニア予吸着に適した温度になるまで行うことが好ましく、例えば設定温度Ｔ１（℃）以上Ｔ２（℃）以下の温度範囲内となるまで行うことが好ましい。そして、この予備加熱の後に、制御部ＥＣＵは、再度ステップＡ１，Ａ２の処理を行い、ステップＡ２で肯定判定となった場合にアンモニア予吸着を行った後に（ステップＡ３，Ａ４）、処理を一旦終了する。
なお、上記説明では、メタルハニカム９１及びＳＣＲ触媒７３がフレッシュ状態、換言すればメタルハニカム９１及びＳＣＲ触媒７３へのアンモニア吸着量がゼロの場合におけるアンモニア予吸着の制御の一例を示した。ここで本発明のアンモニア予吸着を既に実行している場合や、排ガス温度が温度Ｔｇを超える状況でエンジン１１が既に駆動されて尿素ＳＣＲシステム本来のアンモニア吸着が既に実行されている場合には、メタルハニカム９１及びＳＣＲ触媒７３に既に吸着されているアンモニア量を考慮して、本発明のアンモニア予吸着における尿素の噴射量Ｉｎを算出すればよい。
例えば、上述したステップＡ１及びＡ２を実行する前に、尿素噴射弁８３からの尿素の噴射を停止した状態でメタルハニカム９１を通過する排ガスの温度Ｔｇを例えば４００℃以上、好ましくは５００℃以上の高温にする前処理を行い、メタルハニカム９１及びＳＣＲ触媒７３に既に吸着されているアンモニアを除去すれば、上述したステップＡ３，Ａ４をそのまま実行することができる。或いは、従来既知の方法により、検出温度Ｔｇにおいてメタルハニカム９１及びＳＣＲ触媒７３に既に吸着されているアンモニア量を算出し、上述したアンモニア最大吸着量Ａｄからこの量を減算して不足分のアンモニア吸着量を算出し、この不足分のアンモニア吸着量に相当する量の尿素量を、ステップＡ３，Ａ４で実行する尿素の噴射量Ｉｎとして算出することができる。
図４は、本実施形態において、制御部ＥＣＵが実行するコールドスタート時のアシスト加熱制御の一例を示すフローチャートである。なお、ここではエンジン停止後のコールドスタート時や、実走行或いはＷＨＴＣモードの前半低温域における排ガス温度が比較的に低温の低負荷スタート時を含めて、「コールドスタート時」と称する。この一例では、温度センサＳ３からの出力値に基づいて検出される、メタルハニカム９１を通過する排ガスの温度Ｔｇ（℃）が１５０℃未満、より好ましくは１２０℃以下の状態でのエンジン１１の稼動をコールドスタートとしている。
ここではまず、制御部ＥＣＵが、温度センサＳ３からの出力値に基づいてメタルハニカム９１を通過する排ガスの温度Ｔｇ（℃）を検出する（ステップＢ１）。そして、制御部ＥＣＵは、検出された温度Ｔｇ（℃）が１５０℃未満であるか否かを判定する（ステップＢ２）。
ステップＢ２において肯定判定の場合、ＮＯｘ浄化に不利な温度条件であると判断し、制御部ＥＣＵは、電気ヒータをＯＮにし、その出力制御を調整して、メタルハニカム９１の電気加熱、すなわちアシスト加熱を行う（ステップＢ３）。このようにアシスト加熱を行うことで、メタルハニカム９１を通過する排ガスの温度Ｔｇが昇温され、これによりアンモニアによるＮＯｘ還元効率が高められる。
ステップＢ３におけるアシスト加熱は、温度センサＳ３から検出される温度Ｔｇが所定の設定温度Ｔ3（℃）を超えるまで継続される（ステップＢ４）。そして、温度センサＳ３から検出される温度Ｔｇが所定の設定温度Ｔ3（℃）を超えた場合（ステップＢ４）、制御部ＥＣＵは、電気ヒータをＯＦＦにして、アシスト加熱を停止した後に（ステップＢ５）、処理を一旦終了する。設定温度Ｔ3（℃）は、本例では２７０℃に設定しているが、アシスト加熱によるＮＯｘ浄化率の向上の程度、電気加熱に必要な電量使用量を考慮して適宜設定すればよく、特に限定されない。具体的には、２００〜３００℃の温度範囲内とすることが好ましく、より好ましくは２１０〜２８０℃の温度範囲内であり、さらに好ましくは２２０〜２７０℃の温度範囲内である。
一方、ステップＢ２において否定判定の場合には、制御部ＥＣＵは、検出された温度Ｔｇ（℃）が所定の設定温度Ｔ4（℃）以上であるか判断する（ステップＢ６）。このステップＢ６において、検出された温度Ｔｇ（℃）が所定の設定温度Ｔ4（℃）未満である場合には、ＮＯｘ浄化により有利な温度条件に調整すべきと判断し、制御部ＥＣＵは、電気ヒータをＯＮにし、その出力制御を調整して、メタルハニカム９１のアシスト加熱を行う（ステップＢ３）。ここで本例では、設定温度Ｔ4（℃）は設定温度Ｔ1（℃）と同一温度すなわち１７０℃に設定されているが、設定温度Ｔ4（℃）は、所望の温度制御に応じて適宜設定することができ、特に限定されないが、例えば１５１〜２９９℃の間で任意に設定することができる。一方、このステップＢ６において肯定判定の場合には、制御部ＥＣＵは、電気ヒータをＯＮにすることなく、処理を一旦終了する。
なお、上記の一連の処理において、電気ヒータＯＮのための稼動制御をステップＢ２及びＢ６の２段階で行っているが、さらなる精緻な温度制御をするために３段階以上の多段制御（例えば３〜１０段階制御）にしてもよい。或いは、よりシンプルな温度制御を所望する場合にはステップＢ６を省略して、ステップＢ２のみの１段制御にすることもできる。また同様に、電気ヒータＯＦＦのための稼動制御は、ステップＢ５のみの１段制御に限られず、２段階以上の多段制御にしてもよい。
上述した設定温度は、所望の温度制御に応じて適宜設定すればよく、特に限定されないが、Ｔ１＜Ｔ３≦Ｔ２（℃）の関係を満たすことが好ましい。このような設定温度にすることで、消費電力を過度に増大させることなく、さらに燃料噴射制御を行う場合には燃費を過度に悪化させることなく、コールドスタート時のＮＯｘ排出量の削減を図ることができる。なお、電気ヒータへの供給電力としては、例えばエンジン１１の動力の一部を電気エネルギーに変換して発電するオルタネータ、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の各種バッテリー等を用いることができ、その種類は特に限定されない。
図５は、ＷＨＴＣモードにおける排ガス温度の変動を示すグラフである。このグラフは、温度Ｔｇが２００℃のときのアンモニア最大吸着量Ａｄの３０％を噴射量Ｉｎとし、設定温度をＴ１＝１７０℃、設定温度Ｔ２＝３００℃、設定温度Ｔ４＝１７０℃にそれぞれ設定したときの、排ガス温度の温度変化を測定したものである。
図５から明らかなとおり、コールドスタート時のアシスト加熱制御を行わない場合（図５中の「電気加熱なし」の太線、以下「参考例」とも称する。）に比して、アシスト加熱制御を設定温度Ｔ３＝２３０℃まで行った場合（図５中、「２３０℃まで電気加熱」の細線、以下「例１」とも称する。）及びアシスト加熱制御を設定温度Ｔ３＝２６０℃まで行った場合（図５中、「２６０℃まで電気加熱」の鎖線、以下「例２」とも称する。）は、コールドスタート後の排ガス温度の立ち上がりが早く、２００℃への到達時間が約７００秒から約３５０秒へと半減していることがわかる。そして、例１の設定温度Ｔ３＝２３０℃までアシスト加熱制御した場合はＷＨＴＣモードの前半〜中盤（５０〜９００秒）にかけて、例２の設定温度Ｔ３＝２６０℃までアシスト加熱制御した場合はＷＨＴＣモードの前半〜後半（５０〜１５００秒）にかけて、アシスト加熱制御による排ガス温度の向上効果が認められた。
図６は、ＷＨＴＣモードにおける排ガス温度の変動を示すグラフである。このグラフは、温度Ｔｇが２００℃のときのアンモニア最大吸着量Ａｄの１００％を噴射量Ｉｎとし、設定温度をＴ１＝１７０℃、設定温度Ｔ２＝３００℃、設定温度Ｔ４＝１７０℃にそれぞれ設定したときの、排ガス温度の温度変化を測定したものである。
図６から明らかなとおり、コールドスタート時のアシスト加熱制御を行わない場合（図６中の「電気加熱なし」の太線、以下「参考例」とも称する。）に比して、アシスト加熱制御を設定温度Ｔ３＝２３０℃まで行った場合（図６中、「２３０℃まで電気加熱」の細線、以下「例３」とも称する。）及びアシスト加熱制御を設定温度Ｔ３＝２６０℃まで行った場合（図６中、「２６０℃まで電気加熱」の鎖線、以下「例４」とも称する。）は、コールドスタート後の排ガス温度の立ち上がりが早く、２００℃への到達時間が約７００秒から約３５０秒へと半減していることがわかる。そして、例３の設定温度Ｔ３＝２３０℃までアシスト加熱制御した場合は、ＷＨＴＣモードの前半〜中盤（５０〜９００秒）にかけて、例４の設定温度Ｔ３＝２６０℃までアシスト加熱制御した場合はＷＨＴＣモードの前半〜後半（５０〜１５００秒）にかけて、アシスト加熱制御による排ガス温度の向上効果が認められた。
表１に、上記ＷＨＴＣモードにおけるＮＯｘ浄化率を示す。
表１からも明らかなとおり、本発明のアンモニア予吸着制御を行うことにより、ＮＯｘ浄化率が明らかに向上していることがわかる。また、本発明のコールドスタート時アシスト加熱制御を行うことにより、ＮＯｘ浄化率が明らかに向上していることがわかる。これらのことから、本発明のアンモニア予吸着制御、及びコールドスタート時アシスト加熱制御は、それぞれ単独で、ＮＯｘ浄化率の向上効果があることが認められた。
また、本発明のアンモニア予吸着制御とコールドスタート時アシスト加熱制御とを組み合わせて用いることで、ＮＯｘ浄化率の向上効果がさらに高められることがわかる。
そして、噴射量Ｉｎをアンモニア最大吸着量Ａｄの３０％とした、予吸着３０％の例１及び２よりも、噴射量Ｉｎをアンモニア最大吸着量Ａｄの１００％とした、予吸着１００％の例３及び４の方が、ＮＯｘ浄化率がそれぞれ向上していることが認められた。その上さらに、その向上幅を対比してみると、例１と例３の比較よりも、例２と例４の比較の方が大きい。このことから、予吸着が多い程、ＮＯｘ浄化率の向上幅が大きい、すなわち感度が高いことが判明した。
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は、上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、任意の変形・変更が可能である。
例えば、ＳＣＲ触媒７３を省略したＥＨＣであるメタルハニカム９１のみの構成を採用することができる。この場合は、ＥＨＣであるメタルハニカム９１の温度−アンモニア吸着量プロファイルのみが制御部ＥＣＵの記憶部に保存されていればよい。また、本発明は、ＳＣＲ触媒を担持させていないメタルハニカム９１、換言すれば、ＥＨＣではないメタルハニカム９１を配置した構成を採用することもできる。この場合は、ＳＣＲ触媒７３の温度−アンモニア吸着量プロファイルのみが制御部ＥＣＵの記憶部に保存されていればよい。一方、メタルハニカム９１の下流側に、ＳＣＲ触媒７３を複数配置した構成を採用することもできる。この場合には、この場合はＥＨＣであるメタルハニカム９１と複数のＳＣＲ触媒７３の温度−アンモニア吸着量プロファイルが制御部ＥＣＵの記憶部に保存されていればよい。
また、本発明のアンモニア予吸着制御は、メタルハニカム９１よりも上流側に設けられ、メタルハニカム９１に流入する排ガスの排ガス温度を検出する第２温度センサ（温度センサＳ２）に基づいて制御することも可能である。具体的には、制御部ＥＣＵは、メタルハニカム９１を電気加熱している場合に、温度センサＳ２が検出する排ガス温度が１５０℃以上で尿素を噴射して予吸着を行うことができる。メタルハニカム９１のアシスト加熱を行っている場合、温度センサＳ３が検出する排ガス温度は温度センサＳ２が検出する排ガス温度よりも高くなるため、このような制御を行ってもアンモニア予吸着制御を適切に作動させることが可能である。
本発明は、排ガス中に含まれるＮＯｘを浄化するための尿素ＳＣＲシステムを搭載している各種内燃機関において、広く且つ有効に利用可能である。
１１ エンジン
２１ａ コンプレッサ
２１ｂ 排気タービン
２１ ターボチャージャ
３１ 吸気路
４１ 排気路
５１ 排気路
１２ 吸気マニホールド
１３ 排気マニホールド
６１ ＥＧＲ通路
７１ ＤＯＣ
７２ ＤＰＦ
７３ ＳＣＲ触媒
７４ ＡＭＯＸ
８１ 尿素ＳＣＲシステム
８２ タンク
８２ａ 尿素水供給管
８３ 尿素噴射弁
９１ メタルハニカム
１００ 排ガス浄化装置
ＥＣＵ 制御部
ＩＣ インタークーラ
Ｖ１ バルブ
Ｖ２ ＥＧＲバルブ
Ｐ ポンプ
Ｓ１ ＮＯｘセンサ
Ｓ２ 温度センサ
Ｓ３ 温度センサ
Ｓ４ ＮＯｘセンサ

Claims (12)

  1. エンジンの排ガスが通過する排気路と、
    前記排気路中に尿素を噴射する尿素噴射弁と、
    前記尿素噴射弁よりも下流側の前記排気路中に設けられたＳＣＲ触媒と、
    前記尿素噴射弁よりも下流側且つ前記ＳＣＲ触媒よりも上流側の前記排気路中に設けられ、排ガス温度を昇温可能な電気加熱式メタルハニカムと、
    前記電気加熱式メタルハニカムを通過する排ガスの排ガス温度を検出する温度センサと、
    前記電気加熱式メタルハニカム及び前記ＳＣＲ触媒の温度−アンモニア吸着量プロファイルを保存した記憶部と、
    前記温度−アンモニア吸着量プロファイルに基づいて前記電気加熱式メタルハニカム及び前記ＳＣＲ触媒に予吸着させるアンモニア量に相当する前記尿素の噴射量Ｉｎを算出し、算出された量の前記尿素を前記尿素噴射弁から噴射して前記電気加熱式メタルハニカム及び前記ＳＣＲ触媒にアンモニアを予吸着させておき、前記排ガス温度が１５０℃を下回った後のコールドスタート時に前記電気加熱式メタルハニカムを電気加熱する制御部と、を少なくとも備え、
    前記制御部は、前記記憶部から所定の設定温度Ｔｇ℃における前記電気加熱式メタルハニカム及び前記ＳＣＲ触媒のアンモニア最大吸着量Ａｄを読み出し、前記噴射量Ｉｎとして前記アンモニア最大吸着量Ａｄの３０〜１００％に相当する量の尿素量を算出し、
    前記排ガス温度が１５０℃を下回るコールドスタート時に前記電気加熱式メタルハニカム及び前記ＳＣＲ触媒にアンモニアが予め吸着されていることを特徴とする、排ガス浄化装置。
  2. 前記制御部は、前記排ガス温度が所定の設定温度Ｔ1℃以上Ｔ2℃以下の温度範囲内になるまで前記電気加熱式メタルハニカムを電気加熱する
    請求項１に記載の排ガス浄化装置。
  3. 前記制御部は、前記排ガス温度が所定の設定温度Ｔ3℃を超えた場合に前記電気加熱式メタルハニカムの電気加熱を停止する
    請求項１又は２に記載の排ガス浄化装置。
  4. 前記設定温度が、Ｔ1＜Ｔ3≦Ｔ2（℃）の関係を満たす
    請求項３に記載の排ガス浄化装置。
  5. 前記電気加熱式メタルハニカムが、メタルハニカムと、前記メタルハニカムに担持されたＳＣＲ触媒とを少なくとも有する
    請求項１〜４のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。
  6. 前記電気加熱式メタルハニカムが、メタルハニカムと、前記メタルハニカムに装着されたジャケット型の電気ヒータ及び／又は前記メタルハニカムに一部埋設されたコイル型の電気ヒータと、を少なくとも有する
    請求項１〜５のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。
  7. 前記電気加熱式メタルハニカムが、メタルハニカムと、前記メタルハニカムに通電して前記メタルハニカムを発熱させる加熱制御部と、を少なくとも有する
    請求項１〜６のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。
  8. 前記制御部は、前記予吸着時に前記排ガス温度が所定の設定温度Ｔ1未満の場合に前記排ガス温度を昇温させる予備加熱制御を行う
    請求項１〜７のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。
  9. 前記制御部は、前記予吸着時に前記排ガス温度が所定の設定温度Ｔ1未満の場合に前記電気加熱式メタルハニカムを電気加熱して前記排ガス温度を昇温させる予備加熱制御を行う
    請求項１〜８のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。
  10. 前記エンジンが、ディーゼルエンジンである
    請求項１〜９のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。
  11. 前記排気路は、少なくとも前記尿素噴射弁よりも下流側且つ前記ＳＣＲ触媒よりも上流側において、その外周に断熱保温材が設けられている
    請求項１〜１０のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。
  12. 前記電気加熱式メタルハニカムよりも上流側に、前記電気加熱式メタルハニカムに流入する排ガスの排ガス温度を検出する第２温度センサをさらに備え、
    前記制御部は、前記電気加熱式メタルハニカムを電気加熱している場合に、前記第２温度センサが検出する排ガス温度が１５０℃以上で前記尿素を噴射して予吸着を行う
    請求項１〜１１のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。
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