JP2013194723A - 内燃機関の排ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】還元触媒の劣化等によって発生したアンモニアスリップを考慮して尿素水の濃度を算出することで、尿素水の濃度を正確に算出可能な内燃機関の排ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】排ガス浄化装置２は、還元触媒で浄化されたＮＯｘ量の浄化に必要なアンモニア量を算出する必要アンモニア量算出部３０と、ＮＨ_３センサ１１と、排ガス通路１６に供給された尿素水消費量を検出する尿素水消費量検出部３６と、必要アンモニア量算出部３０により算出されたアンモニア量、ＮＨ_３センサ１１により計測されたアンモニア量及び尿素水消費量検出部３６により算出された尿素水消費量に基づいて、排ガス通路１６内に供給された尿素水の濃度を算出する尿素水濃度算出部３３を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の排ガス通路に還元触媒を配設し、還元剤として尿素水から生成されたアンモニアを供給することにより、ＮＯｘ（窒素酸化物）を還元して排ガスを浄化する内燃機関の排ガス浄化装置に関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関の排ガス中に含まれるＮＯｘを浄化するための排ガス浄化装置として、内燃機関の排ガス通路に配置された還元触媒を有し、還元剤としてアンモニアを供給することにより、ＮＯｘを還元して排ガスを浄化する排ガス浄化装置が用いられている。
このような排ガス浄化装置では、尿素水を排ガス中に供給するのが一般的であり、尿素水インジェクタなどを用いて排ガス中に尿素水を噴射する。尿素水インジェクタから排ガス中に噴射された尿素水は排ガスの熱により加水分解し、その結果生成されるアンモニアが還元触媒に供給される。こうして還元触媒に供給されたアンモニアと排ガス中のＮＯｘとの間の脱硝反応が還元触媒によって促進されることによりＮＯｘが還元されて排ガスが浄化される。

ところで、排ガス浄化装置においては、ＮＯｘの浄化率が一定の範囲に保たれていることを常時監視する必要がある。このため、例えば、特許文献１が開示する内燃機関の排ガス浄化装置では、内燃機関の直下流のＮＯｘ濃度と、還元触媒の直下流のＮＯｘ濃度とを比較してＮＯｘ浄化率を算出するとともに、ＮＯｘ浄化率の変化をモニタリングし、ＮＯｘ浄化率が閾値よりも低下した場合には、尿素水の品質、即ち尿素水の濃度に異常が発生したと判定している。この理由として、尿素水タンク内の尿素水の濃度が規定値よりも低い場合や、尿素水と間違えて水がタンクに供給された場合に、適切な量のアンモニアがＳＣＲ触媒に添加されないため、ＮＯｘ浄化率が低下してしまうからである。

特許第４１６１６０９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の排ガス浄化装置では、尿素水の濃度を計測できないため、ＮＯｘ浄化率の低下が尿素水の濃度の異常によるものであるか信頼度が低いという問題点があった。

そこで、本出願人は、還元触媒に供給される尿素水の濃度を算出し、当該尿素水の濃度が閾値未満か否かを判定する排ガス浄化装置を提案している。
この排ガス浄化装置は、還元触媒で浄化されたＮＯｘ量を算出するＮＯｘ量算出部と、当該ＮＯｘ量算出部により算出されたＮＯｘ量の浄化に必要な必要尿素水量を算出する必要尿素水量算出部と、所定時間内に実際に供給された尿素水消費量を算出する尿素水消費量検出部と、必要尿素水量算出部により算出された必要尿素水量及び尿素水消費量検出部により算出された尿素水消費量に基づいて、排ガス中に供給された尿素水の濃度を算出する尿素水濃度算出部と、を備えている。そして、この排ガス浄化装置では、還元触媒で浄化されたＮＯｘ量を還元するのに必要な必要尿素水量及び実際に還元触媒に供給された尿素水消費量に基づいて、排ガス中に供給された尿素水の濃度を算出している。

しかし、この排ガス浄化装置は、還元触媒の劣化により生じるアンモニアスリップを検知する機能を有していない。このため、供給される尿素水の濃度は正常であるにもかかわらず、アンモニアスリップによりＮＯｘ浄化率が低下した場合であっても、尿素水の濃度が低下しているとして尿素水の濃度を低く算出してしまうおそれがあった。

そこで、本発明は、このような問題を解決するものであって、還元触媒の劣化等によって発生するアンモニアスリップを考慮して尿素水の濃度を算出することで、尿素水の濃度を正確に算出可能な内燃機関の排ガス浄化装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決する本発明に係る内燃機関の排ガス浄化装置は、
内燃機関の排ガス通路に設けられ、排ガスに含まれるＮＯｘを還元する還元触媒と、
前記排ガス通路の前記還元触媒よりも上流の部分に尿素水を供給する尿素水供給手段と、
前記還元触媒で浄化されたＮＯｘ量を算出するＮＯｘ量算出手段と、
前記ＮＯｘ量算出手段により算出されたＮＯｘ量の浄化に必要なアンモニア量を算出する必要アンモニア量算出手段と、
前記排ガス通路の前記還元触媒よりも下流を流れる排ガスに含まれるアンモニア量を計測する無効アンモニア量計測手段と、
前記尿素水供給手段から前記排ガス通路に供給された尿素水消費量を検出する尿素水消費量検出手段と、
前記必要アンモニア量算出手段により算出されたアンモニア量、前記無効アンモニア量算出手段により計測されたアンモニア量及び前記尿素水消費量検出手段により算出された尿素水消費量に基づいて、前記排ガス通路内に供給された尿素水の濃度を算出する尿素水濃度算出手段と、を備えることを特徴とする。

上記内燃機関の排ガス浄化装置によれば、ＮＯｘ量算出手段と、必要アンモニア量算出手段と、無効アンモニア量計測手段と、尿素水消費量検出手段と、尿素水濃度算出手段とを備えているため、還元触媒の劣化によるアンモニアスリップを考慮した尿素水の濃度を算出することができる。これにより、正確な尿素水の濃度を取得することができる。したがって、算出された尿素水の濃度の信頼度を向上させることができる。
また、高価な尿素水濃度センサを用いることなく、尿素水の濃度を算出することができるので、排ガス浄化装置の製作コストを低減することができる。

また、前記無効アンモニア量計測手段により計測されたアンモニア量の生成に必要な無効尿素水量を算出する無効尿素水量算出手段と、
前記必要アンモニア量算出手段により算出されたアンモニア量の生成に必要な必要尿素水量を算出する必要尿素水量算出手段と、
前記尿素水消費量検出手段により算出された尿素水消費量から、前記無効尿素水量算出手段により算出された無効尿素水量を減算して、ＮＯｘの浄化に使用された有効尿素水量を算出する有効尿素水量算出手段と、を更に備え、
前記尿素水濃度算出手段は、前記必要尿素水量算出手段により算出された必要尿素水量を、前記有効尿素水量算出手段により算出された有効尿素水量で除算して尿素水比を算出し、当該尿素水比に予め規定した尿素水濃度の規定値を乗算して、前記排ガス通路内に供給された尿素水の濃度とすることとしてもよい。

このように、無効尿素水量算出手段と、必要尿素水量算出手段と、有効尿素水量算出手段と、を備えているため、必要尿素水量及び有効尿素水量で算出することができる。そして、尿素水濃度算出手段にて、必要尿素水量を有効尿素水量で除算して尿素水比を算出し、当該尿素水比に予め規定した尿素水濃度の規定値を乗算して尿素水の濃度とするため、短時間で正確な尿素水の濃度を取得することができる。

また、前記無効尿素水量算出手段は、
前記無効アンモニア量計測手段により計測されたアンモニア量の生成に必要な尿素量を加水分解反応のモル比に応じて算出して前記無効尿素水量としてもよい。

このように、無効尿素水量算出手段は、無効アンモニア量計測手段により計測されたアンモニア量の生成に必要な尿素量を加水分解反応のモル比に応じて算出するため、正確な尿素水量を短時間で算出することができる。

また、前記還元触媒よりも下流側の前記排ガス通路に設けられた酸化触媒を更に備え、
前記無効アンモニア量計測手段は、前記排ガス通路に設けられて、アンモニアの濃度を計測するアンモニアセンサを有しており、
前記アンモニアセンサは、前記還元触媒よりも下流で、且つ前記酸化触媒よりも上流に位置していることとしてもよい。

このように、アンモニアセンサは、還元触媒と酸化触媒との間に設けられているため、還元触媒をスリップしたアンモニア量を正確に計測することができる。

また、前記ＮＯｘ量算出手段は、前記内燃機関の直下流のＮＯｘ量から前記還元手段の下流のＮＯｘ量を減算して算出することとしてもよい。

このように、ＮＯｘ量算出手段は、前記内燃機関の直下流のＮＯｘ量から前記還元手段の下流のＮＯｘ量を減算して算出するため、正確なＮＯｘ量を取得することができる。

また、前記尿素水濃度算出手段により算出された尿素水の濃度が、予め規定した規定値未満か否かを判定する尿素水濃度判定手段を更に備えていてもよい。

このように、尿素水濃度判定手段を備えているため、尿素水の濃度が規定値未満か否かを直ちに判定することができる。

また、前記尿素水濃度判定手段によって前記尿素水の濃度が前記規定値未満であると判定された際に、運転者に対して警報を発する警告手段を更に備えていてもよい。

このように、警告手段を備えているため、運転者は、点検等の作業をすることなく、排ガス通路に供給される尿素水の濃度が規定値未満であることを検知することができる。

本発明によれば、尿素水の濃度を正確に算出可能な内燃機関の排ガス浄化装置を提供することができる。これにより、算出された尿素水の濃度の信頼度が向上する。

本発明の実施形態に係る排ガス浄化装置が適用されたエンジンシステムの概略全体構成図である。 コントロールユニットの各部にて算出される算出結果及びその出力先を示す図である。 尿素水の濃度を算出するフローを示す図である。

以下、本発明に係る内燃機関の排ガス浄化装置について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は、本発明の実施形態に係る排ガス浄化装置が適用されたエンジンシステムの概略全体構成図である。また、図２は、コントロールユニットの各部にて算出される算出結果及びその出力先を示す図である。
図１及び図２に示すように、ディーゼルエンジン（以下、エンジン１という）の排ガス浄化装置２は、前段酸化触媒４と、パティキュレートフィルタ（以下フィルタ６という）と、ＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）触媒８と、後段酸化触媒１０と、を備えている。

エンジン１は、燃料の噴射時期及び噴射量がＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１２によって電子制御されており、かかる噴射時期及び噴射量にて燃焼室５毎に設けられた燃料噴射弁３から、燃焼室５内に燃料が噴射される。ＥＣＵ１２は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭから構成されるマイクロコンピューターを備えている。また、ＥＣＵ１２は、エンジン１の運転条件や運転者の要求に応じてエンジン１の運転状態を制御する。

エンジン１の各燃焼室５から排気が排出される排気ポート（図示せず）は、排気マニホールド９を介して排ガス通路１６に接続されている。
排ガス通路１６は、ターボチャージャ７のタービン７ａを経由して排ガス浄化装置２に接続されている。また、タービン７ａはコンプレッサ７ｂと機械的に連結されており、タービン７ａが排ガス通路１６内を流動する排気を受けてコンプレッサ７ｂを駆動する。

排ガス浄化装置２は、排ガス通路１６に設けられた筒状の上流側ケーシング１４及び当該上流側ケーシング１４よりも下流に設けられた筒状のＳＣＲ用ケーシング１８を備えている。

上流側ケーシング１４内には、前段酸化触媒４が収容されると共に、この前段酸化触媒４よりも下流にはフィルタ６が収容されている。
フィルタ６は、排ガス中のＰＭ（Ｐａｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ：粒子状物質）を捕集する。このフィルタ６はハニカム型のセラミック体からなり、上流側と下流側とを連通する通路が多数並設されると共に、この通路の上流側開口と下流側開口とが交互に閉鎖されており、エンジン１の排ガスが内部を流通することによって排ガス中のＰＭが捕集される。

前段酸化触媒４は排ガス中のＮＯ（一酸化窒素）を酸化させてＮＯ_２（二酸化窒素）を生成する。このため、前段酸化触媒４の下流にフィルタ６を配置することにより、フィルタ６に捕集され堆積しているＰＭは、前段酸化触媒４から供給されたＮＯ_２と反応して酸化し、これによってフィルタ６の連続再生が行われる。

また、ＳＣＲ用ケーシング１８内には、ＮＨ_３（アンモニア）を還元剤として、排ガス中のＮＯｘを選択還元して排ガスを浄化するＳＣＲ触媒８が収容されている。
そして、ＳＣＲ用ケーシング１８よりも下流の排ガス通路１６には、後段酸化触媒１０を収容するための筒状の下流側ケーシング３８が設けられている。

後段酸化触媒１０は、ＳＣＲ触媒８を通過したＮＨ_３を排ガス中から除去する機能を有している。また、後段酸化触媒１０は、フィルタ６の強制再生でＰＭが焼却される際に発生するＣＯ（一酸化炭素）を酸化し、ＣＯ_２（二酸化炭素）として大気中に排出する機能も有している。

また、排ガス浄化装置２は、ＳＣＲ触媒８と後段酸化触媒１０との間の排ガス通路１６に設けられ、排ガス中に含まれるＮＯｘの濃度を計測するＮＯｘセンサ４６と、ＳＣＲ触媒８の直上流に設けられ、ＳＣＲ触媒８に流入する排ガスの温度を検出する温度センサ２８と、排ガス通路１６のフィルタ６とＳＣＲ触媒８との間の部分に尿素水を噴射する噴射装置２０と、噴射装置２０等を制御するコントロールユニット１３と、を備えている。コントロールユニット１３は、後述するＮＯｘ量算出部１５、必要アンモニア量算出部３０及び尿素水制御部２２を備えている。

ＮＯｘセンサ４６は、計測結果を電気信号としてコントロールユニット１３へ出力する。コントロールユニット１３のＮＯｘ量算出部１５は、ＮＯｘセンサ４６により計測されたＮＯｘ濃度及びエンジン１から排出される排ガスに含まれる第１ＮＯｘ量（後述する）に基づいて、ＳＣＲ触媒８にて浄化されたＮＯｘ量を算出する。浄化されたＮＯｘ量を算出する算出方法について以下に説明する。

まず、エンジン１から排出される単位時間当たりのＮＯｘ量として第１ＮＯｘ量を決定する。エンジン１から排出されるＮＯｘ量は、エンジン１の回転速度や燃料噴射量、即ちエンジン１の運転状態から決定することができる。具体的には、エンジン１の運転状態とＮＯｘ量との関係を示すマップ等に基づいて第１ＮＯｘ量を決定する。エンジン１の運転状態とＮＯｘ量との関係が示されたマップ等はコントロールユニット１３内に格納されている。
なお、本実施形態では、エンジン１の運転状態から第１ＮＯｘ量を定める場合について説明したが、この方法に限定されるものではなく、例えば、タービン７ａの直上流の排ガス通路１６の部分にＮＯｘセンサを設け、当該ＮＯｘセンサにより計測された計測値に、単位時間当たりの排ガス流量を乗算して、エンジン１から排出される単位時間当たりの第１ＮＯｘ量を算出してもよい。

また、ＮＯｘセンサ４６により計測された計測値に、単位時間当たりの排ガス流量を乗算して、ＳＣＲ触媒８を通過した排ガス中に含まれる単位時間当りの第２ＮＯｘ量を算出する。

エンジン１から排出された排ガスがＳＣＲ触媒８にて浄化されるまでには、時間がかかるため、予め設計等により決定された所定時間にわたって第１ＮＯｘ量及び第２ＮＯｘ量をそれぞれ積算する。以下の説明では、所定時間にわたって積算された第１ＮＯｘ量及び第２ＮＯｘ量をそれぞれ第１ＮＯｘ積算量及び第２ＮＯｘ積算量という。

次に、実際に浄化された所定時間当たりの浄化ＮＯｘ量を次式（１）より算出する。
浄化ＮＯｘ量＝第１ＮＯｘ積算量−第２ＮＯｘ積算量・・・式（１）
算出された浄化ＮＯｘ量は、ＮＯｘ量算出部１５により、後述する必要アンモニア量算出部３０及び必要尿素水量算出部１７に出力される。

必要アンモニア量算出部３０は、ＮＯｘ量算出部１５からの浄化ＮＯｘ量を受けたら、当該浄化ＮＯｘ量の浄化に必要なＮＨ_３量を算出する。そして、算出されたＮＨ_３量を後述する必要尿素水量算出部１７に出力する。

次に、排ガス浄化装置２の温度センサ２８について説明する。
温度センサ２８は、計測結果を電気信号としてコントロールユニット１３へ出力する。コントロールユニット１３の尿素水制御部２２は、温度センサ２８により計測された排ガスの温度に基づいて、噴射装置２０から尿素水を供給するか否かを決定する。

噴射装置２０は、排ガス通路１６のフィルタ６とＳＣＲ触媒８との間の部分に設けられた尿素水インジェクタ２４と、尿素水インジェクタ２４に尿素水を供給する尿素水供給用ポンプ２５と、尿素水供給用ポンプ２５から供給される尿素水の流量を調整する制御弁２１と、尿素水供給用ポンプ２５から供給される尿素水の流量を計測する尿素水流量計２３と、尿素水を貯留する尿素水タンク２６と、を備えている。

尿素水制御部２２は、温度センサ２８の計測結果に基づいて、排ガスの温度が尿素水を加水分解可能な温度以上か否かを判定する。そして、排ガスの温度が加水分解可能な温度以上であると判定した場合に、排ガス中に含まれるＮＯｘを還元するために必要な量の尿素水を算出するとともに、尿素水供給用ポンプ２５を稼働させて尿素水を排ガス中に供給する。このとき、尿素水供給用ポンプ２５から供給される尿素水量を制御弁２１により制御することにより、ＮＯｘを還元するために必要な量の尿素水を供給する。この制御弁２１は、尿素水制御部２２により制御される。
そして、尿素水流量計２３は、計測結果を電気信号としてコントロールユニット１３へ出力する。なお、本実施形態では、尿素水供給用ポンプ２５から供給される尿素水の流量を計測する尿素水流量計２３を設けた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、尿素水の供給量を計測可能なメータリングユニットを備えた尿素水供給用ポンプを用いてもよい。要は、尿素水供給用ポンプから供給される尿素水の流量を計測できる機能を備えていればよい。

尿素水供給用ポンプ２５から供給された尿素水は、ミキシングチャンバー２９にて圧縮エアと混合され、供給管３１を通過後、尿素水インジェクタ２４からＳＣＲ触媒８よりも上流の排ガス通路１６の部分に供給される。
使用すべき正規の尿素水の濃度は、予め定められており、本実施形態では、尿素の飽和状態である３２．５％とした。以下、濃度３２．５％を規定濃度という。なお、本実施形態では、規定濃度を３２．５％としたが、この値に限定されるものではなく、３２．５％未満としてもよいが、尿素水の消費量が増加するため、３２．５％に近い値であることが望ましい。

排ガス浄化装置２のコントロールユニット１３は、必要尿素水量算出部１７と、尿素水消費量検出部３６と、尿素水濃度算出部３３と、尿素水濃度判定部３５と、を更に備えている。

必要尿素水量算出部１７は、上記式（１）により算出された浄化ＮＯｘ量を還元するのに必要な尿素量を算出するとともに、当該尿素量の発生に必要な必要尿素水量Ｕｎを算出する。
具体的にＮＯ_２は、１／２モル当量の尿素と反応して浄化されるため、ＮＯ_２の浄化に必要な尿素量Ａｎを、次式（２）により算出する。なお、ＮＯ_２の分子量を４６ｇ／ｍｏｌ、尿素の分子量を６０ｇ／ｍｏｌとした。
Ａｎ＝（浄化ＮＯｘ量／（４６×２））×６０×β ・・・式（２）
ここで、Ａｎは尿素量（ｇ）であり、浄化ＮＯｘ量は上記式（１）から算出される値（ｇ）である。また、値４６はＮＯ_２の分子量（ｇ）、値２はモル数、値６０は尿素の分子量（ｇ）である。さらに、βは、実験等から求められる係数である。係数βの値は予め決定されている。

そして、上記式（２）により算出された尿素量Ａｎに基づいて、当該尿素量Ａｎの発生に必要な規定濃度の必要尿素水量Ｕｎを次式（３）により算出する。
Ｕｎ＝Ａｎ×（１／０．３２５） ・・・式（３）
ここで、Ｕｎは、必要尿素水量（ｇ）であり、値０．３２５は、尿素水の規定濃度である。
算出した必要尿素水量は、必要尿素水量算出部１７により尿素水制御部２２及び尿素水濃度算出部３３に出力される。
なお、本実施形態においては、浄化ＮＯｘ量に基づいて必要尿素水量Ｕｎを算出する過程において、式（２）及び式（３）を別々に計算した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、式（２）及び式（３）をまとめた次式（４）にて、必要尿素水量Ｕｎを算出してもよい。
Ｕｎ＝（浄化ＮＯｘ量／（４６×２））×６０×（１／０．３２５）×β ・・・式（４）

コントロールユニット１３の尿素水制御部２２は、必要尿素水量算出部１７からの必要尿素水量を受けると、尿送水供給用ポンプ２５及び制御弁２１を制御して、必要尿素水量の尿素水をフィルタ６とＳＣＲ触媒８との間の排ガス通路１６内の排ガス中に供給する。
排ガス中に供給された尿素水は霧化し、排ガスの熱により加水分解してＮＨ_３となってＳＣＲ触媒８に供給される。ＳＣＲ触媒８は、ＮＨ_３と排ガス中のＮＯｘとの脱硝反応を促進することにより、ＮＯｘを還元して無害なＮ_２とする。なお、このときＮＨ_３がＮＯｘと反応せずにＳＣＲ触媒８から流出した場合には、このＮＨ_３が後段酸化触媒１０によって排ガス中から除去される。

ところで、尿素水タンク２６内の尿素水の濃度が規定濃度よりも低い場合、尿素水と間違って水等が補充されている場合、或いはＳＣＲ触媒８が劣化している場合等、ＳＣＲ触媒８のＮＯｘ浄化率が低下してしまう。ＮＯｘ浄化率が低下するとアンモニアスリップが発生する。アンモニアスリップが発生すると脱硝反応に寄与しないＮＨ_３がＳＣＲ触媒８を通過する。

そこで、排ガス浄化装置２は、ＳＣＲ触媒８を通過したＮＨ_３の濃度を常時計測している。そして、当該ＮＨ_３を発生させるために必要な無効尿素水量を適宜算出している。

排ガス浄化装置２は、ＳＣＲ触媒８と後段酸化触媒１０との間の排ガス通路１６に設けられ、排ガス中に含まれるＮＨ_３の濃度を計測する無効アンモニア量計測手段を備えている。本実施形態では、無効アンモニア量計測手段としてＮＨ_３センサ１１を用いたが、これに限定されるものではなく、ＳＣＲ触媒８と後段酸化触媒１０との間の排ガス通路１６内の排ガス中に含まれるＮＨ_３量を計測できるものであれば他の装置を用いてもよい。
また、コントロールユニット１３は、後述する無効尿素水量算出部（以下、スリップ尿素水量算出部１９という）及び有効尿素水量算出部２７を更に備えている。

ＮＨ_３センサ１１は、計測結果を電気信号としてコントロールユニット１３へ出力する。コントロールユニット１３のスリップ尿素水量算出部１９は、ＮＨ_３センサ１１により計測されたＮＨ_３濃度に基づいてＮＨ_３量を算出し、当該ＮＨ_３量の生成に必要な無効尿素水量（以下、スリップ尿素水量という）を算出する。以下に、スリップ尿素水量を算出する方法について説明する。

まず、ＳＣＲ触媒８を通過したＮＨ_３濃度をＮＨ_３センサ１１にて計測する。ＳＣＲ触媒８の劣化によってＮＯｘを還元することができなかった、即ちスリップしたＮＨ_３の濃度がＮＨ_３センサ１１にて計測される。
次に、ＮＨ_３センサ１１により計測したＮＨ_３濃度に基づいてスリップ尿素水量を算出する。
具体的にＮＨ_３は、１／２モル当量の尿素から生成されるため、ＮＨ_３センサ１１により計測したＮＨ_３濃度のＮＨ_３を生成するのに必要な尿素量Ｓｎを、次式（５）により算出する。なお、尿素の分子量を６０ｇ／ｍｏｌとした。
Ｓｎ＝（（（ＮＨ_３濃度×Ｅｇａｓ）／１０^６）／２２．４）×（１／２）×６０ ・・・式（５）
ここで、Ｓｎは尿素量（ｇ）であり、ＮＨ_３濃度はＮＨ_３センサ１１により計測された値（ｐｐｍ）であり、ＥｇａｓはＳＣＲ触媒８と後段酸化触媒１０との間の排ガス通路１６を通過する排ガスの体積流量を標準状態（１０℃、１ａｔｏｍ）に換算した排ガス体積流量（Ｌ）である。排ガス体積流量は、各時刻ごとに取得され、スリップ尿素水量算出部１９に格納される。また、値２２．４は標準状態（１０℃、１ａｔｏｍ）における１モルの体積（Ｌ）、値２はモル数、値６０は尿素の分子量（ｇ）である。

そして、上記式（５）により算出された尿素量Ｓｎに基づいて、当該尿素量Ｓｎの供給に必要な規定濃度の尿素水量、即ちスリップ尿素水量Ｑｎを次式（６）により算出する。
Ｑｎ＝Ｓｎ×（１／０．３２５） ・・・式（６）
ここで、Ｑｎは、スリップ尿素水量（ｇ）であり、値０．３２５は、尿素水の規定濃度である。
算出したスリップ尿素水量Ｑｎは、スリップ尿素水量算出部１９により有効尿素水量算出部２７に出力される。

また、コントロールユニット１３の尿素水消費量検出部３６は、尿素水流量計２３から出力された計測結果を所定時間にわたって積算し、実尿素水消費量Ｕｔを算出する。続いて、尿素水消費量検出部３６は、実尿素水消費量Ｕｔを有効尿素水量算出部２７に出力する。

そして、有効尿素水量算出部２７は、尿素水消費量検出部３６からの実尿素水消費量Ｕｔ及びスリップ尿素水量算出部１９からのスリップ尿素水量Ｑｎを受けると次式（７）にて実際にＮＯｘの還元に利用された尿素水量（以下、有効尿素水量Ｒｎという）を算出する。
Ｒｎ ＝Ｕｔ−Ｑｎ ・・・式（７）
ここで、Ｒｎは有効尿素水量（ｇ）である。また、Ｕｔは尿素水消費量検出部３６より算出された実尿素水消費量（ｇ）であり、Ｑｎはスリップ尿素水量算出部１９により算出されたスリップ尿素水量（ｇ）である。
続いて、有効尿素水量算出部２７は、有効尿素水量Ｒｎを尿素水濃度算出部３３に出力する。

また、尿素水濃度算出部３３は、有効尿素水量算出部２７からの有効尿素水量Ｒｎを受けると次式（８）にてフィルタ６とＳＣＲ触媒８との間の排ガス通路１６の部分に供給される尿素水の濃度（以下、実尿素水濃度ＵＤという）を算出する。
ＵＤ ＝（Ｕｎ／Ｒｎ）×３２．５ ・・・式（８）
ここで、ＵＤは実尿素水濃度（％）である。また、Ｕｎは必要尿素水量算出部１７より算出された必要尿素水量（ｇ）であり、Ｒｎは有効尿素水量算出部２７より算出された有効尿素水量（ｇ）である。そして、値３２．５は尿素水の規定濃度（％）である。
算出された実尿素水濃度ＵＤは、尿素水濃度算出部３３により尿素水濃度判定部３５に出力される。

次に、尿素水濃度判定部３５は、尿素水濃度算出部３３からの実尿素水濃度ＵＤを受けると、規定濃度未満か否かを判定する。即ち、実尿素水濃度ＵＤが３２．５％未満か否かを判定する。
そして、尿素水濃度判定部３５により、実尿素水濃度ＵＤが規定濃度未満であると判定された場合、尿素水濃度判定部３５は運転席付近に設置された警告ランプ３７を点滅させて、尿素水の濃度が規定濃度未満であることを運転手に警告する。

次に、上述した構成からなる排ガス浄化装置２を用いた尿素水の実尿素水濃度算出フローについて図３を用いて説明する。
図３に示すように、まず、第１ＮＯｘ量、第２ＮＯｘ量及び排ガス通路１６に供給される尿素水量の積算を開始するとともに、ＮＨ_３濃度の計測を開始する（ステップＳ２）。

積算を開始した後、各時刻ごとに取得される第１ＮＯｘ量及び第２ＮＯｘ量は、ＮＯｘ量算出部１５に出力され、当該ＮＯｘ量算出部１５に格納される。また、各時刻ごとに取得される尿素水量は、尿素水消費量検出部３６に出力され、当該尿素水消費量検出部３６に格納される。そして、各時刻ごとに取得されるＮＨ_３濃度は、スリップ尿素水量算出部１９に出力され、当該スリップ尿素水量算出部１９に格納される。

次に、コントロールユニット１３は、積算時間が所定時間を経過した否かを判定する（ステップＳ４）。
コントロールユニット１３は、ステップＳ４において、積算時間が所定時間を経過していないと判定したら、ステップＳ２を継続する。
一方、コントロールユニット１３は、ステップＳ４において、積算時間が所定時間を経過していると判定したら、ＮＯｘ量算出部１５は、格納している第１ＮＯｘ量及び第２ＮＯｘ量に基づいて、第１ＮＯｘ積算量及び第２ＮＯｘ積算量を算出する。続いて、算出した第１ＮＯｘ積算量及び第２ＮＯｘ積算量に基づいて、上記式（１）より浄化ＮＯｘ量を算出する（ステップＳ６）。
そして、ＮＯｘ量算出部１５は、算出した浄化ＮＯｘ量を必要尿素水量算出部１７に出力する。

必要尿素水量算出部１７は、ＮＯｘ量算出部１５からの浄化ＮＯｘ量及び必要アンモニア量算出部３０からのＮＨ_３量を受けたら、上記式（２）より、当該浄化ＮＯｘ量を還元するのに必要な尿素量を算出する。続いて、上記式（３）より、その尿素量の発生に必要な必要尿素水量を算出する（ステップＳ８）。
そして、必要尿素水量算出部１７は、必要尿素水量を算出した旨を尿素水消費量検出部３６及びスリップ尿素水量算出部１９に出力するとともに、算出した必要尿素水量を尿素水濃度算出部３３に出力する。

尿素水消費量検出部３６は、必要尿素水量算出部１７からの必要尿素水量を算出した旨を受けたら、格納されている尿素水流量を積算し、実尿素水消費量を算出する（ステップＳ１０）。
続いて、尿素水消費量検出部３６は、算出した実尿素水消費量を有効尿素水量算出部２７に出力する。

次に、スリップ尿素水量算出部１９は、必要尿素水量算出部１７からの必要尿素水量を算出した旨を受けたら、格納されているＮＨ_３濃度及びＥｇａｓに基づいて、上記式（５）より、スリップしたＮＨ_３を生成するのに必要な尿素量を算出する。続いて、上記式（６）より、その尿素量の供給に必要なスリップ尿素水量を算出する（ステップＳ１２）。
そして、スリップ尿素水量算出部１９は、算出したスリップ尿素水量を有効尿素水量算出部２７に出力する。

続いて、有効尿素水量算出部２７は、スリップ尿素水量算出部１９からのスリップ尿素水量を受けたら、上記式（７）より、実際にＮＯｘの還元に利用された有効尿素水量を算出する（ステップＳ１４）。
そして、有効尿素水量算出部２７は、算出した有効尿素水量を尿素水濃度算出部３３に出力する。

尿素水濃度算出部３３は、必要尿素水量算出部１７からの必要尿素水量、及び有効尿素水量算出部２７からの有効尿素水量を受けたら、上記式（８）より、フィルタ６とＳＣＲ触媒８との間の排ガス通路１６に供給される実際の尿素水の実尿素水濃度ＵＤを算出する（ステップＳ１６）。
続いて、尿素水濃度算出部３３は、実尿素水濃度ＵＤを尿素水濃度判定部３５に出力する。

尿素水濃度判定部３５は、尿素水濃度算出部３３からの実尿素水濃度ＵＤを受けたら、尿素水の濃度が規定濃度未満か否かを判定する（ステップＳ１８）。即ち、実尿素水濃度ＵＤが３２．５％未満か否かを判定する。
そして、尿素水濃度判定部３５は、実尿素水濃度ＵＤが３２．５％未満であると判定した場合、運転席付近に設置された警告ランプ３７を点滅させて、尿素水の濃度が３２．５％未満であることを運転手に警告する（ステップＳ２０）。
一方、尿素水濃度判定部３５は、実尿素水濃度ＵＤが３２．５％以上であると判定した場合、再び、ステップＳ２を実施する。

なお、本実施形態では、浄化ＮＯｘ量等を算出（ステップＳ６）して必要尿素水量を算出（ステップＳ８）し、その後、実尿素水消費量を算出（ステップＳ１０）する順番で実施する場合について説明したが、この順番に限定されるものではない。例えば、実尿素水消費量を算出した後、浄化ＮＯｘ量を算出して必要尿素水量Ｕｎを算出してもよい。また、浄化ＮＯｘ量を算出して必要尿素水量を算出する工程と並行して実尿素水消費量を算出してもよい。
また、本実施形態では、実尿素水消費量を算出（ステップＳ１０）し、その後、スリップ尿素水量を算出（ステップＳ１２）する順番で実施する場合について説明したが、この順番に限定されるものではない。例えば、スリップ尿素水量を算出した後、実尿素水消費量を算出してもよい。また、実尿素水消費量と並行して、スリップ尿素水量を算出してもよい。

上述したように、本実施形態に係る排ガス浄化装置２によれば、ＮＯｘの浄化に必要な必要尿素水量を算出する必要尿素水量算出部１７と、実尿素水消費量を算出する尿素水消費量検出部３６と、ＳＣＲ触媒８を通過したＮＨ_３濃度を計測するＮＨ_３センサ１１と、ＮＨ_３濃度に基づいてＮＨ_３量を算出し、当該ＮＨ_３量の生成に必要なスリップ尿素水量を算出するスリップ尿素水量算出部１９と、尿素水消費量検出部３６からの実尿素水消費量及びスリップ尿素水量算出部１９からのスリップ尿素水量に基づいて、実際にＮＯｘの還元に利用された有効尿素水量を算出する有効尿素水量算出部２７と、算出された必要尿素水量及び有効尿素水量に基づいて、実尿素水濃度を算出する尿素水濃度算出部３３と、を備えているため、ＳＣＲ触媒８の劣化によるアンモニアスリップを考慮した尿素水の濃度を算出することができる。これにより、正確な尿素水の濃度を取得することができる。したがって、算出された尿素水の濃度の信頼度を向上させることができる。

また、高価な尿素水濃度センサを用いることなく、尿素水の濃度を算出することができるので、排ガス浄化装置２の製作コストを低減することができる。

また、尿素水濃度判定部３５と、警告ランプ３７とを備えているため、排ガス通路１６に供給される尿素水の濃度が規定濃度未満であることを直ちに検知することができる。

そして、ＮＯｘ量算出部１５は、第１ＮＯｘ積算量から第２ＮＯｘ積算量を減算することにより、浄化ＮＯｘ量を算出するため、浄化に必要なＮＯｘ量を正確に算出することができる。

また、必要尿素水量算出部１７は、ＮＯｘ量算出部１５により算出された浄化ＮＯｘ量に基づいて、当該浄化ＮＯｘ量の浄化に必要な尿素量を算出するとともに、当該尿素量の発生に必要な必要尿素水量を算出するため、浄化に使用された尿素水量を正確に算出することができる。

また、スリップ尿素水量算出部１９は、ＮＨ_３センサ１１により計測されたＮＨ_３量の生成に必要な尿素量を加水分解反応のモル比に応じて算出するとともに、当該尿素量の生成に必要な尿素水量を算出するため、正確な尿素水量を短時間で算出することができる。

さらに、尿素水濃度算出部３３は、必要尿素水量算出部１７により算出された必要尿素水量を、有効尿素水量算出部２７により算出された有効尿素水量で除算して算出された値に、尿素水の規定濃度を乗算することにより、尿素水濃度を算出するため、短時間で実尿素水濃度を算出することができる。

なお、本実施形態では、第１ＮＯｘ量、第２ＮＯｘ量及び尿素水量をそれぞれ所定時間にわたって積算した場合について説明したが、時間に限定されるものではなく、例えば、車両が所定距離を走行するまで積算したり、所定仕事量を達成するまで積算したりしてもよい。

また、本実施形態では、ＳＣＲ触媒８と後段酸化触媒１０との間にＮＨ_３センサ１１を配置した場合について説明したが、この位置に限定されるものではない。例えば、後段酸化触媒１０よりも下流側に設けてよいし、また、ＳＣＲ触媒８と後段酸化触媒１０とが一体型になっているものを用いる場合には、当該一体型のものの下流側に配置してもよい。要は、ＮＨ_３センサ１１がＳＣＲ触媒８よりも下流側に配置されていれば良い。

１ エンジン
２ 排ガス浄化装置
３ 燃料噴射弁
４ 前段酸化触媒
５ 燃焼室
６ フィルタ
７ ターボチャージャ
７ａ タービン
７ｂ コンプレッサ
８ ＳＣＲ触媒
９ 排気マニホールド
１０ 後段酸化触媒
１１ ＮＨ_３センサ
１２ ＥＣＵ
１３ コントロールユニット
１４ 上流側ケーシング
１５ ＮＯｘ量算出部
１６ 排ガス通路
１７ 必要尿素水量算出部
１８ ＳＣＲ用ケーシング
１９ スリップ尿素水量算出部（無効尿素水量算出部）
２０ 噴射装置
２１ 制御弁
２２ 尿素水制御部
２３ 尿素水流量計
２４ 尿素水インジェクタ
２５ 尿素水供給用ポンプ
２６ 尿素水タンク
２７ 有効尿素水量算出部
２８ 温度センサ
２９ ミキシングチャンバー
３０ 必要アンモニア量算出手段
３１ 供給管
３３ 尿素水濃度算出部
３５ 尿素水濃度判定部
３６ 尿素水消費量検出部
３７ 警告ランプ
３８ 下流側ケーシング
４６ ＮＯｘセンサ

Claims (7)

1. 内燃機関の排ガス通路に設けられ、排ガスに含まれるＮＯｘを還元する還元触媒と、
   前記排ガス通路の前記還元触媒よりも上流の部分に尿素水を供給する尿素水供給手段と、
   前記還元触媒で浄化されたＮＯｘ量を算出するＮＯｘ量算出手段と、
   前記ＮＯｘ量算出手段により算出されたＮＯｘ量の浄化に必要なアンモニア量を算出する必要アンモニア量算出手段と、
   前記排ガス通路の前記還元触媒よりも下流を流れる排ガスに含まれるアンモニア量を計測する無効アンモニア量計測手段と、
   前記尿素水供給手段から前記排ガス通路に供給された尿素水消費量を検出する尿素水消費量検出手段と、
   前記必要アンモニア量算出手段により算出されたアンモニア量、前記無効アンモニア量算出手段により計測されたアンモニア量及び前記尿素水消費量検出手段により算出された尿素水消費量に基づいて、前記排ガス通路内に供給された尿素水の濃度を算出する尿素水濃度算出手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。
2. 前記無効アンモニア量計測手段により計測されたアンモニア量の生成に必要な無効尿素水量を算出する無効尿素水量算出手段と、
   前記必要アンモニア量算出手段により算出されたアンモニア量の生成に必要な必要尿素水量を算出する必要尿素水量算出手段と、
   前記尿素水消費量検出手段により算出された尿素水消費量から、前記無効尿素水量算出手段により算出された無効尿素水量を減算して、ＮＯｘの浄化に使用された有効尿素水量を算出する有効尿素水量算出手段と、を更に備え、
   前記尿素水濃度算出手段は、前記必要尿素水量算出手段により算出された必要尿素水量を、前記有効尿素水量算出手段により算出された有効尿素水量で除算して尿素水比を算出し、当該尿素水比に予め規定した尿素水濃度の規定値を乗算して、前記排ガス通路内に供給された尿素水の濃度とすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
3. 前記無効尿素水量算出手段は、
   前記無効アンモニア量計測手段により計測されたアンモニア量の生成に必要な尿素量を加水分解反応のモル比に応じて算出して前記無効尿素水量とすることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
4. 前記還元触媒よりも下流側の前記排ガス通路に設けられた酸化触媒を更に備え、
   前記無効アンモニア量計測手段は、前記排ガス通路に設けられて、アンモニアの濃度を計測するアンモニアセンサを有しており、
   前記アンモニアセンサは、前記還元触媒よりも下流で、且つ前記酸化触媒よりも上流に位置していることを特徴とする請求項１〜３のうち何れか一項に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
5. 前記ＮＯｘ量算出手段は、前記内燃機関の直下流のＮＯｘ量から前記還元手段の下流のＮＯｘ量を減算して算出することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
6. 前記尿素水濃度算出手段により算出された尿素水の濃度が、予め規定した規定値未満か否かを判定する尿素水濃度判定手段を更に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ガス浄化装置。
7. 前記尿素水濃度判定手段によって前記尿素水の濃度が前記規定値未満であると判定された際に、運転者に対して警報を発する警告手段を更に備えることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。

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