JP2021076024A - 排気浄化システムおよび堆積量推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】排気浄化装置の上流側で排気通路内に噴射される添加液に由来して排気通路内に生じている堆積物の量をより精度よく推定する。【解決手段】本開示の排気浄化システムは、内燃機関の運転中に、排気通路内に生じている堆積物の堆積量を推定する第１推定部と、内燃機関の始動時に、堆積物の堆積箇所の温度、添加弁の周辺に位置する周辺部品の温度、排ガスの温度および外気温度の各々の内燃機関の停止時と始動時との温度差に基づいて、内燃機関の停止中に堆積物が受けた熱負荷を算出すると共に、算出した熱負荷に基づいて停止中に生じた堆積物の変化量を算出し、内燃機関の停止時に推定されていた堆積量と、上記変化量とから内燃機関の始動時における堆積量を推定する第２推定部とを含む。【選択図】図１

Description

本開示は、内燃機関の排ガスを浄化する排気浄化装置の上流側で排気通路内に添加液を噴射する添加弁を含む排気浄化システム、および当該添加液に由来して排気通路内に生じる堆積物の量を推定する堆積量推定方法に関する。

従来、内燃機関の排気通路に尿素水等の添加液を添加する添加弁と、排気通路の添加弁よりも下流側に設けられた触媒と、排気通路の添加弁よりも下流側であって触媒よりも上流側に配置されたミキサと、添加液に由来する可溶分および不溶分のミキサへの堆積量を推定する推定部とを含む内燃機関の排気浄化装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この排気浄化装置の推定部は、所定時間前における可溶分および不溶分の堆積量に基づいて、添加弁から添加される添加液のうちのミキサに付着する添加液の量を算出する。更に、当該推定部は、可溶分およびミキサに付着する添加液のうちの不溶分への変質量、可溶分およびミキサに付着する添加液の熱分解量、並びに不溶分の熱分解量を推定することで、可溶分および不溶分の堆積量を推定する。かかる可溶分および不溶分の堆積量の推定は、内燃機関を搭載した車両の運転中に所定の周期ごとに繰り返し実行される。

特開２０１８−１７８８７９号公報

しかしながら、内燃機関の運転が停止された際にミキサの周辺温度が高い場合には、内燃機関の停止から次の始動までの間に、ミキサに堆積（付着）した堆積物が化学反応により変質することがある。従って、上記従来の推定手法は、堆積量の推定精度の面でなお改善の余地を有している。

そこで、本開示は、排気浄化装置の上流側で排気通路内に噴射される添加液に由来して排気通路内に生じている堆積物の量をより精度よく推定することを主目的とする。

本開示の排気浄化システムは、内燃機関の排ガスを浄化する排気浄化装置と、前記排気浄化装置の上流側で排気通路内に添加液を噴射する添加弁と、前記添加液に由来して前記排気通路内で生じる堆積物の量を推定する堆積量推定部とを含む排気浄化システムにおいて、前記堆積量推定部が、前記内燃機関の運転中に、前記排気通路内に生じている前記堆積物の堆積量を推定する第１推定部と、前記内燃機関の始動時に、前記堆積物の堆積箇所の温度、前記添加弁の周辺に位置する周辺部品の温度、排ガスの温度および外気温度の各々の前記内燃機関の停止時と前記始動時との温度差に基づいて、前記内燃機関の停止中に前記堆積物が受けた熱負荷を算出すると共に、算出した熱負荷に基づいて、前記内燃機関の前記停止中に生じた前記堆積物の変化量を算出し、前記内燃機関の前記停止時に前記第１推定部により推定されていた前記堆積量と、前記変化量とから前記内燃機関の前記始動時における前記堆積量を推定する第２推定部とを含むものである。

本開示の排気浄化システムの第１推定部は、内燃機関の運転中に、排気通路内で生じている堆積物の堆積量を推定する。また、第２推定部は、内燃機関の始動時に、堆積物の堆積箇所の温度、添加弁の周辺に位置する周辺部品の温度、排ガスの温度および外気温度の各々について内燃機関の停止時と始動時との温度差を算出し、算出した温度差に基づいて、内燃機関の停止中に堆積物が受けた熱負荷を算出する。更に、第２推定部は、当該熱負荷に基づいて、内燃機関の停止中に生じた堆積物の変化量を算出する。そして、第２推定部は、内燃機関の停止時に第１推定部により推定されていた堆積量と、当該変化量とから内燃機関の始動時における堆積量を推定する。これにより、内燃機関の停止中における堆積物の変化量を適正に取得して堆積量の推定値に反映させることができる。従って、本開示の排気浄化システムでは、排気浄化装置の上流側で排気通路内に噴射される添加液に由来して排気通路内に生じている堆積物の量をより精度よく推定することが可能となる。

また、前記第１推定部は、前記堆積量として、可溶成分の堆積量と、不溶成分の堆積量とを推定するものであってもよく、前記第２推定部は、前記内燃機関の前記停止中における前記堆積物の前記変化量として、前記不溶成分に変質した前記可溶成分の量である変質量と、前記可溶成分の熱分解による消失量と、前記不溶成分の熱分解による消失量とを算出し、前記内燃機関の前記始動時に、前記内燃機関の前記停止時における前記可溶成分の前記堆積量から前記変質量および前記可溶成分の前記消失量を減算すると共に、前記内燃機関の前記停止時における前記不溶成分の前記堆積量と前記変質量との和から前記不溶成分の前記消失量を減算するものであってもよい。

更に、前記排気浄化システムは、前記添加液と前記排ガスとの混合を促進させるように前記排気浄化装置の上流側かつ前記添加弁の下流側に配置されたミキサを含むものであってもよく、前記添加弁は、前記添加液として尿素水を前記ミキサに向けて噴射するものであってもよく、前記堆積物の堆積箇所の温度は、前記ミキサの温度であってもよい。

本開示の堆積量推定方法は、内燃機関の排ガスを浄化する排気浄化装置の上流側で添加弁から排気通路内に噴射される添加液に由来して前記排気通路内に生じる堆積物の量を推定する堆積量推定方法において、前記内燃機関の運転中に、前記排気通路内に生じている前記堆積物の堆積量を推定し、前記内燃機関の始動時に、前記堆積物の堆積箇所の温度、前記添加弁の周辺に位置する周辺部品の温度、排ガスの温度および外気温度の各々について前記内燃機関の停止時と前記始動時との温度差を算出し、前記温度差に基づいて、前記内燃機関の停止中に前記堆積物が受けた熱負荷を算出し、前記熱負荷に基づいて、前記内燃機関の前記停止中に生じた前記堆積物の変化量を算出し、前記内燃機関の前記停止時に推定されていた前記堆積量と、前記変化量とから前記内燃機関の前記始動時における前記堆積量を推定するものである。

かかる方法によれば、排気浄化装置の上流側で排気通路内に噴射される添加液に由来して排気通路内に生じている堆積物の量をより精度よく推定することが可能となる。

本開示の排気浄化システムを含む内燃機関を示す概略構成図である。 図１の内燃機関において実行される第１堆積量推定ルーチンの一例を示すフローチャートである。 図１の内燃機関において実行される第２堆積量推定ルーチンの一例を示すフローチャートである。

次に、図面を参照しながら本開示の発明を実施するための形態について説明する。

図１は、本開示の排気浄化システムを含む内燃機関１を例示する概略構成図である。同図に示す内燃機関１は、走行用の動力発生源として車両に搭載されるディーゼルエンジンである。内燃機関１は、図示するように、複数（本実施形態では、例えば４つ）の燃焼室２と、ピストン３と、吸気管４と、スロットルバルブ５と、吸気マニホールド６と、複数の吸気弁７と，複数の筒内噴射弁８と、複数の排気弁９と、排気マニホールド１０と、排気管（排気通路）１１と、ターボチャージャー（過給機）１２と、インタークーラー（冷却器）１３と、上流側排気浄化装置１４と、下流側排気浄化装置１５とを含む。内燃機関１は、複数の燃焼室２内でピストン３により圧縮加熱された空気に対して噴射される軽油等の燃料（液体燃料）を自己発火させ、燃料の燃焼に伴うピストン３の往復運動をクランクシャフト（図示省略）の回転運動へと変換する。

スロットルバルブ５は、吸気管４内の通路面積を変更可能な例えば電子制御式のスロットルバルブである。吸気マニホールド６は、吸気管４および各燃焼室２の吸気ポートに接続される。複数の吸気弁７は、それぞれ対応する燃焼室２の吸気ポートを開閉する。複数の筒内噴射弁８は、それぞれ対応する燃焼室２内に燃料を直接噴射する。複数の排気弁９は、それぞれ対応する燃焼室２の排気ポートを開閉する。ただし、筒内噴射弁８の代わりに、それぞれ対応する吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射弁が内燃機関１に設けられてもよい。排気マニホールド１０は、各燃焼室２の排気ポートおよび排気管１１に接続される。

ターボチャージャー１２は、排気管１１内を流通する排ガスにより回転させられるタービンＴと、当該タービンＴに連結されて吸気管４内の空気を圧縮するコンプレッサＣとを含む。インタークーラー１３は、ターボチャージャー１２のコンプレッサＣとスロットルバルブ５との間で吸気管４内を流通する空気を冷却する。上流側排気浄化装置１４は、ターボチャージャー１２のタービンＴの下流側で排気管１１に組み込まれており、酸化触媒（ＤＯＣ）１４ａと、当該酸化触媒１４ａの下流側で排ガス中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）１４ｂとを含む。下流側排気浄化装置１５は、上流側排気浄化装置１４の下流側で排気管１１に組み込まれており、ＮＯｘ吸蔵還元触媒（ＮＳＲ触媒）１５ａを含む。

更に、内燃機関１は、図１に示すように、軽油等の燃料を貯留する燃料タンク２０と、フィードポンプ（低圧ポンプ）２１と、フィードポンプ２１の吐出口に接続された低圧燃料供給管ＬＬと、フィードポンプ２１からの燃料を昇圧させるサプライポンプ（高圧ポンプ）２２と、サプライポンプ２２の吐出口に接続された高圧燃料供給管ＬＨと、高圧燃料供給管ＬＨおよび複数の筒内噴射弁８に接続されたコモンレール（蓄圧室）２３と、低圧燃料供給管ＬＬに接続された燃料添加弁８０とを含む。

フィードポンプ２１は、図示しない補機バッテリからの電力により駆動されるモータを含む電動ポンプである。フィードポンプ２１は、燃料タンク２０内の燃料を吸引してサプライポンプ２２および低圧燃料供給管ＬＬに供給する。サプライポンプ２２も、補機バッテリからの電力により駆動されるモータを含む電動ポンプである。サプライポンプ２２は、フィードポンプ２１からの燃料を昇圧し、高圧燃料供給管ＬＨを介してコモンレール２３に供給する。サプライポンプ２２からの高圧の燃料は、コモンレール２３内に蓄えられると共に、当該コモンレール２３から各筒内噴射弁８に供給される。ただし、フィードポンプ２１は、燃料タンク２０内に配置されてもよく、サプライポンプ２２は、例えば内燃機関１により駆動される機械式ポンプであってもよい。

燃料添加弁８０は、ノズルボディと、当該ノズルボディに形成された複数（例えば、６〜８個）の噴孔と、各噴孔に連通するようにノズルボディに形成されたサック部（サックボリューム）と、図示しない燃料溜めとサック部とを連通させる通路（隙間）を開閉するニードルと、ニードルを軸方向に進退移動させる電磁駆動機構等（何れも図示省略）を含む電子制御式の電磁弁である。燃料添加弁８０は、上流側排気浄化装置１４よりも上流側、すなわちターボチャージャー１２のタービンＴと上流側排気浄化装置１４との間で排気管１１内の排ガスに対して燃料を噴射するように当該排気管１１に取り付けられる。更に、低圧燃料供給管ＬＬは、燃料添加弁８０側からフィードポンプ２１（燃料タンク２０）側への燃料の流れを規制する逆止弁２４を含む。なお、燃料添加弁８０は、ターボチャージャー１２よりも上流側で排ガスに対して燃料を噴射するように排気マニホールド１０あるいは排気管１１に取り付けられてもよい。また、逆止弁２４と燃料添加弁８０との間には、蓄圧室が配置されてもよい。

更に、内燃機関１は、上流側排気浄化装置１４の下流側かつ下流側排気浄化装置１５の上流側に位置するように排気管１１に組み込まれたミキサ１６と、排ガスに含まれるＮＯｘを還元するための還元剤を含む添加液としての尿素水を貯留する還元剤タンク２５と、還元剤ポンプ２７と、当該還元剤ポンプ２７の吐出口に接続された還元剤供給管ＬＲと、当該還元剤供給管ＬＲに接続された還元剤添加弁８５とを含む。ミキサ１６は、放射状に延在すると共に排気管１１内の排ガスにより旋回させられる複数の旋回翼（図示省略）を含む。還元剤ポンプ２７は、図示しない補機バッテリからの電力により駆動されるモータを含む電動ポンプであり、還元剤タンク２５内の尿素水を吸引して還元剤供給管ＬＲを介して還元剤添加弁８５に圧送する。還元剤添加弁８５は、上流側排気浄化装置１４の下流側かつ下流側排気浄化装置１５およびミキサ１６の上流側で排気管１１内のミキサ１６（旋回翼）に対して尿素水を噴射するように当該排気管１１に取り付けられる。これにより、旋回する複数の旋回翼により尿素水が排ガス中に拡散させられ、尿素水と排ガスとの混合が促進される。更に、ミキサ１６には、複数の旋回翼に付着した尿素水に由来するデポジットを除去するために、図示しないヒータが設けられている。

加えて、内燃機関１は、その全体を制御する電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）５０を含む。ＥＣＵ５０は、図示しないＣＰＵや各種制御プログラムを記憶するＲＯＭ、データを一時的に記憶するＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を含むマイクロコンピュータと、各種駆動回路等を含む。ＥＣＵ５０は、入力ポートを介して各種センサからの信号（物理量）を取得する。

より詳細には、ＥＣＵ５０は、クランクシャフトの回転位置（クランクポジション）、スロットルバルブ５の弁***置（スロットルポジション）、吸入空気量、吸気管４内の圧力、冷却水の温度Ｔｗ、低圧燃料供給管ＬＬ内の燃料の圧力ＰＬ、高圧燃料供給管ＬＨ内の圧力ＰＨ、上流側排気浄化装置１４に流入する排ガスの温度Ｔｇ、上流側排気浄化装置１４に流入する排ガスの圧力Ｐｇ、下流側排気浄化装置１５に流入する排ガス中のＮＯｘ濃度等を取得する。クランクシャフトの回転位置は、図示しないクランクポジションセンサにより検出され、ＥＣＵ５０は、クランクシャフトの回転位置に基づいて内燃機関１の回転数Ｎｅを算出する。スロットルバルブ５の弁***置は、図示しないスロットルバルブポジションセンサにより検出される。吸入空気量は、図示しないエアフローメータにより検出され、吸気管４内の圧力は、図示しない吸気圧センサにより検出される。冷却水の温度Ｔｗは、水温センサ６０により検出される。燃料の圧力ＰＬは、低圧燃圧センサ６１により検出され、圧力ＰＨは、高圧燃圧センサ６２により検出される。排ガスの温度Ｔｇは、排ガス温度センサ６３により検出され、排ガスの圧力Ｐｇは、排気圧センサ６４により検出される。排ガスの圧力Ｐｇは、排気圧センサ６４により検出される。排ガス中のＮＯｘの濃度は、ＮＯｘセンサ６５により検出される。ＥＣＵ５０は、回転数Ｎｅや上記センサの検出値に基づいて、スロットルバルブ５や各筒内噴射弁８、吸気弁７および排気弁９を駆動する図示しない動弁機構等への制御信号を生成し、これらの機器を制御する。

また、ＥＣＵ５０は、低圧燃圧センサ６１により検出される低圧燃料供給管ＬＬ内の燃料の圧力ＰＬが目標圧ＰＬｔａｇになるようにフィードポンプ２１を制御する。すなわち、ＥＣＵ５０は、フィードポンプ２１、逆止弁２４を含む低圧燃料供給管ＬＬおよび燃料添加弁８０と共に、本開示の添加液供給装置を構成する。更に、ＥＣＵ５０は、高圧燃圧センサ６２により検出されるコモンレール２３内の燃料の圧力ＰＨが目標圧ＰＨｔａｇになるようにサプライポンプ２２を制御する

加えて、ＥＣＵ５０は、パティキュレートフィルタ１４ｂにおける粒子状物質の推定堆積量が再生開始閾値に達すると、当該推定堆積量が再生完了閾値になるまで、排気管１１内の排ガスに上流側排気浄化装置１４の上流側で添加液としての燃料が噴射（添加）されるようにフィードポンプ２１および燃料添加弁８０を制御する。これにより、添加された燃料の酸化触媒１４ａでの反応による排ガスの温度上昇を利用して上流側排気浄化装置１４のパティキュレートフィルタ１４ｂにより捕集された粒子状物質を燃焼させ、当該パティキュレートフィルタ１４ｂを再生することが可能となる。

更に、ＥＣＵ５０は、例えばＮＯｘセンサ６５により検出されたＮＯｘの濃度が予め定められた還元開始閾値以上になると、当該ＮＯｘの濃度が予め定められた還元停止閾値になるまで、排気管１１内の排ガスに下流側排気浄化装置１５の上流側で添加液としての尿素水が噴射（添加）されるように還元剤ポンプ２７および還元剤添加弁８５を制御する。排気管１１内に噴射された尿素水は、ミキサ１６により拡散させられると共に排ガス中の水と反応して加水分解する。これにより、排気管１１内にアンモニアガスが生成され、生成されたアンモニアは、下流側排気浄化装置１５の触媒層に物理的に吸着される。 そして、吸着されたアンモニアの一部は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１５ａにおいて排ガス中のＮＯｘを還元する。なお、尿素水の添加は、排ガスの温度Ｔｇが予め定められた還元開始温度以上になってから、当該温度Ｔｇ予め定められた還元停止温度になるまで実行されてもよい。

ここで、ミキサ１６により尿素水を拡散することで、尿素水と排ガスとの混合を促進させ、下流側排気浄化装置１５（ＮＯｘ吸蔵還元触媒１５ａ）の浄化性能を高めることができる。ただし、還元剤添加弁８５からミキサ１６に向けて尿素水を噴射した場合、旋回翼等に付着した尿素水に由来する堆積物が発生し、当該堆積物によりミキサ１６による尿素水の拡散性能および下流側排気浄化装置１５の浄化性能が損なわれたり、排気管１１内での圧力損失の増加を招いたりするおそれがある。このため、内燃機関１では、適正なタイミングでミキサ１６のヒータを作動させて堆積物を除去すべく、ＥＣＵ５０によりミキサ１６における堆積物の堆積量が推定される。

図２は、内燃機関１を搭載した車両においてイグニッションスイッチがオンされて内燃機関１の始動が完了した後に、ミキサ１６における堆積物の堆積量を推定するためにＥＣＵ５０により所定時間おきに繰り返し実行される第１堆積量推定ルーチンの一例を示すフローチャートである。

図２の第１堆積量推定ルーチンの開始に際し、ＥＣＵ５０は、図示しないエアフローメータにより検出される吸入空気量、排気管１１を流通する排ガスの流量、排ガス温度センサ６３により検出される排ガスの温度Ｔｇ、ミキサ１６（旋回翼）の温度Ｔｍｘ、図２の第１堆積量推定ルーチンの開始前に推定されて図示しない不揮発性メモリといった記憶装置に格納されているミキサ１６における堆積物の堆積量といった状態量を取得する（ステップＳ１００）。排ガスの流量は、吸入空気量に基づいて別途推定され、ミキサ１６の温度Ｔｍｘは、排ガスの温度Ｔｇに基づいて別途推定される。また、堆積物の堆積量には、液状の尿素水や当該尿素水から析出した尿素といった尿素水の拡散に大きく影響しない水溶性の成分である可溶成分の堆積量Ｄ１と、尿素水等の化学反応により生じる水に溶けにくい固体すなわちデポジットである不溶成分の堆積量Ｄ２とが含まれる。

ステップＳ１００の処理の後、本ルーチンの前回実行後に還元剤添加弁８５から排気管１１内に尿素水が添加されたか否かを判定する（ステップＳ１１０）。ステップＳ１１０にて排気管１１内に尿素水が添加されたと判定した場合（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、ＥＣＵ５０は、還元剤添加弁８５から噴射されてミキサ１６（旋回翼等）に付着する尿素水の量を決定するための付着係数を取得する（ステップＳ１２０）。上記特許文献１に記載されたように、付着係数は、不溶成分の堆積量Ｄ２、排気流量およびミキサ１６の温度Ｔｍｘに相関する。これを踏まえて、本実施形態では、不溶成分の堆積量Ｄ２、排気流量および温度Ｔｍｘと、付着係数との関係を規定する図示しない付着係数設定マップが予め作成される。

ステップＳ１２０において、ＥＣＵ５０は、当該付着係数設定マップから、ステップＳ１００にて取得した不溶成分の堆積量Ｄ２、排気流量およびミキサ１６の温度Ｔｍｘに対応した付着係数を取得する。更に、ＥＣＵ５０は、取得した付着係数と、本ルーチンの前回実行後に排気管１１内に添加された尿素水の添加量との積をステップＳ１００にて取得した可溶成分の堆積量Ｄ１に加算する（ステップＳ１３０）。また、ステップＳ１１０にて排気管１１内に尿素水が添加されていないと判定した場合（ステップＳ１１０：ＮＯ）、ＥＣＵ５０は、ステップＳ１２０およびＳ１３０の処理をスキップする。

ステップＳ１１０またはＳ１３０の処理の後、ＥＣＵ５０は、ステップＳ１００にて取得した不溶成分の堆積量Ｄ２が予め定められた閾値Ｄｒｅｆ未満であるか否かを判定する（ステップＳ１４０）。ステップＳ１４０にて堆積量Ｄ２が閾値Ｄｒｅｆ未満であると判定した場合（ステップＳ１４０：ＹＥＳ）、ＥＣＵ５０は、ステップＳ１００にて取得したミキサ１６の温度Ｔｍｘに対応した可溶成分変質速度係数、可溶成分熱分解速度係数および不溶成分熱分解速度係数を取得する（ステップＳ１５０）。また、ステップＳ１４０にて堆積量Ｄ２が閾値Ｄｒｅｆ以上であると判定した場合（ステップＳ１４０：ＮＯ）、ＥＣＵ５０は、ステップＳ１００にて取得した排ガスの温度Ｔｇに対応した可溶成分変質速度係数、可溶成分熱分解速度係数および不溶成分熱分解速度係数を取得する（ステップＳ１５５）。可溶成分変質速度係数は、可溶成分が不溶成分に変質する際の変質速度に関連したパラメータである。また、可溶成分熱分解速度係数は、可溶成分が熱分解により消失する際の熱分解速度に関連したパラメータである。更に、不溶成分熱分解速度係数は、不溶成分が熱分解により消失する際の熱分解速度に関連したパラメータである。

上記特許文献１に記載されたように、ミキサ１６における不溶成分すなわちデポジットの堆積量が少ない場合、当該ミキサ１６の露出面積が大きく、ミキサ１６から堆積物へと熱が伝わりやすくなる。また、ミキサ１６における不溶成分すなわちデポジットの堆積量が多い場合、当該ミキサ１６の露出面積が小さくなり、ミキサ１６から堆積物へと熱が伝わり難くなる。これを踏まえて、本実施形態では、不溶成分の堆積量Ｄ２が閾値Ｄｒｅｆ未満である際のミキサ１６の温度Ｔｍｘの逆数と可溶成分変質速度係数、可溶成分熱分解速度係数および不溶成分熱分解速度係数との関係を規定する図示しないマップが予め作成されている。更に、不溶成分の堆積量Ｄ２が閾値Ｄｒｅｆ以上である際の排ガスの温度Ｔｇの逆数と可溶成分変質速度係数、可溶成分熱分解速度係数および不溶成分熱分解速度係数との関係を規定する図示しないマップが予め作成されている。ステップＳ１５０およびＳ１５５では、堆積量Ｄ２に応じたマップから、ステップＳ１００にて取得された温度ＴｍｘまたはＴｇの逆数に対応した可溶成分変質速度係数、可溶成分熱分解速度係数および不溶成分熱分解速度係数が取得される。

ステップＳ１５０またはＳ１５５の処理の後、ＥＣＵ５０は、取得した可溶成分変質速度係数、可溶成分熱分解速度係数および不溶成分熱分解速度係数に基づいて、可溶成分の堆積量Ｄ１および不溶成分の堆積量Ｄ２を推定し、推定した堆積量Ｄ１およびＤ２を上記記憶装置に格納する（ステップＳ１６０）。ステップＳ１６０において、ＥＣＵ５０は、ステップＳ１５０またはＳ１５５にて取得した可溶成分変質速度係数に可溶成分のモル濃度あるいは重量を乗じて不溶成分に変質した可溶成分の量である変質量を算出する。また、ＥＣＵ５０は、ステップＳ１５０またはＳ１５５にて取得した可溶成分熱分解速度係数に可溶成分のモル濃度あるいは重量を乗じて可溶成分の熱分解による消失量を算出する。更に、ＥＣＵ５０は、ステップＳ１５０またはＳ１５５にて取得した不溶成分熱分解速度係数に不溶成分のモル濃度あるいは重量を乗じて不溶成分の熱分解による消失量を算出する。

ステップＳ１６０において、ＥＣＵ５０は、可溶成分の変質量および消失量並びに不溶成分の消失量を算出した後、ステップＳ１００にて取得した可溶成分の堆積量Ｄ１あるいはステップＳ１３０にて付着量が加算された堆積量Ｄ１から、算出した可溶成分の変質量および消失量を減算して、最新の可溶成分の堆積量Ｄ１を導出（推定）する。また、ＥＣＵ５０は、ステップＳ１００にて取得した不溶成分の堆積量Ｄ２と可溶成分の変質量との和から不溶成分の消失量を減算して最新の不溶成分の堆積量Ｄ２を導出（推定）する。

堆積量Ｄ１およびＤ２を推定した後、ＥＣＵ５０は、イグニッションスイッチがオフされているか否かを判定する（ステップＳ１７０）。ステップＳ１７０にてイグニッションスイッチがオフされていないと判定した場合（ステップＳ１７０：ＮＯ）、ＥＣＵ５０は、その時点で図２の第１堆積量推定ルーチンを一旦終了させる。これに対して、ステップＳ１７０にてイグニッションスイッチがオフされていると判定した場合（ステップＳ１７０：ＹＥＳ）、ＥＣＵ５０は、堆積物の堆積箇所であるミキサ１６の温度Ｔｍｘ、ターボチャージャー１２、上流側排気浄化装置１４あるいは下流側排気浄化装置１５である還元剤添加弁８５の周辺に位置する周辺部品の温度Ｔｓ、排ガスの温度Ｔｇおよび外気温度Ｔａといった内燃機関１の状態量を取得して図示しない記憶装置に格納し（ステップＳ１８０）、図２の第１堆積量推定ルーチンを終了させる。なお、温度Ｔｓは、排ガスの温度Ｔｇに基づいて別途推定されるものであり、外気温度Ｔａは、図示しない外気温度センサにより検出される。

図３は、内燃機関１を搭載した車両においてイグニッションスイッチがオフされた後に再度オンされて内燃機関１が始動されるのに応じてＥＣＵ５０により実行される第２堆積量推定ルーチンの一例を示すフローチャートである。

図３の第２堆積量推定ルーチンの開始に際して、ＥＣＵ５０は、上記記憶装置に格納されている可溶成分の堆積量Ｄ１および不溶成分の堆積量Ｄ２、その時点におけるミキサ１６の温度Ｔｍｘ、周辺部品の温度Ｔｓ、排ガスの温度Ｔｇおよび外気温度Ｔａといった堆積量の推定に必要な状態量を取得する（ステップＳ２００）。ステップＳ２００の処理の後、ＥＣＵ５０は、イグニッションオフに応じた内燃機関１の前回停止時に取得された温度Ｔｍｘ，Ｔｓ，ＴｇおよびＴａを上記記憶装置から読み出し、温度Ｔｍｘ，Ｔｓ，ＴｇおよびＴａの各々について、前回停止時と今回の始動時との温度差ΔＴｍｘ（＝停止時Ｔｍｘ−始動時Ｔｍｘ），ΔＴｓ（＝停止時Ｔｓ−始動時Ｔｓ），ΔＴｇ（＝停止時Ｔｇ−始動時Ｔｇ）およびΔＴａ（＝停止時Ｔａ−始動時Ｔａ）を算出する（ステップＳ２１０）。

次いで、ＥＣＵ５０は、ステップＳ２１０にて算出した温度差ΔＴｍｘ，ΔＴｓ，ΔＴｇおよびΔＴａを次式（１）に代入して、内燃機関１の停止中（前回停止時と今回の始動時との間）に堆積物が受けたトータルの熱負荷Ｔｔを算出する（ステップＳ２３０）。ただし、式（１）において、“ａ”，“ｂ”，“ｃ”，“ｄ”，“ｅ”，“ｋ１”，“ｋ２”，“ｋ３”および“ｋ４”は、何れも実験・解析を経て予め定められる係数である。なお、ここでの「内燃機関１の停止中」には、アイドリングストップ制御等による内燃機関１の一時的な停止は含まれない。

Tt = a・exp(-k1・ΔTmx)+b・exp(-k2・ΔTs)+c・exp(-k3・ΔTg)+d・exp(-k4・ΔTa)+e …(1)

更に、ＥＣＵ５０は、ステップＳ２２０にて算出した熱負荷Ｔｔに基づいて、内燃機関１の停止中に不溶成分に変質した可溶成分の量である変質量ｄａと、内燃機関１の停止中の熱分解による可溶成分の消失量ｄｄ１と、内燃機関１の停止中の熱分解による不溶成分の消失量ｄｄ２とを算出する（ステップＳ２３０）。ステップＳ２３０において、ＥＣＵ５０は、熱負荷Ｔｔから、堆積物が予め定められた基準温度（本実施形態では、例えば１００℃）のもとに晒されていた時間ｔｚを導出する。本実施形態では、温度が１０℃上がるたびに熱負荷が２倍ずつ増加するという、いわゆる１０℃２倍則に従って、熱負荷Ｔｔと時間ｔｚとの関係を規定する換算マップあるいは換算式が予め作成されており、ＥＣＵ５０は、当該換算マップあるいは換算式からステップＳ２２０にて算出した熱負荷Ｔｔに対応した時間ｔｚを導出する。更に、ステップＳ２３０において、ＥＣＵ５０は、ステップＳ２００にて取得した堆積量Ｄ１またはＤ２および時間ｔｚを次式（２）−（４）に代入して、内燃機関１の停止中における可溶成分の変質量ｄａと、内燃機関１の停止中における可溶成分の消失量ｄｄ１と、内燃機関１の停止中における不溶成分の消失量ｄｄ２とを算出する。ただし、式（２）−（４）において、“ｋａ”は、上記基準温度下で不溶成分に変質する可溶成分の反応速度であり、“ｋｄ１”は、上記基準温度下で熱分解により消失する可溶成分の反応速度であり、“ｋｄ２”は、上記基準温度下で熱分解により消失する不溶成分の反応速度であり、何れも実験・解析を経て予め定められるものである。

da = D1・exp(-ka・tz) …(2)
dd1 = D1・exp(-kd1・tz) …(3)
dd2 = D2・exp(-kd2・tz) …(4)

そして、ＥＣＵ５０は、ステップＳ２００にて取得した堆積量Ｄ１，Ｄ２、ステップＳ２３０にて算出した変質量ｄａ、消失量ｄｄ１およびｄｄ２に基づいて、内燃機関１の今回の始動時における可溶成分の堆積量Ｄ１および不溶成分の堆積量Ｄ２を導出（推定）する（ステップＳ２４０）。ステップＳ２４０において、ＥＣＵ５０は、ステップＳ２００にて取得した可溶成分の堆積量Ｄ１から、ステップＳ２３０にて算出した可溶成分の変質量ｄａおよび消失量ｄｄ１を減算して、内燃機関１の今回の始動時における可溶成分の堆積量Ｄ１を導出（推定）する。また、ステップＳ２４０において、ＥＣＵ５０は、ステップＳ２００にて取得した不溶成分の堆積量Ｄ２と可溶成分の変質量ｄａとの和から不溶成分の消失量ｄｄ２を減算して内燃機関１の今回の始動時における不溶成分の堆積量Ｄ２を導出（推定）する。ステップＳ２４０の処理の後、ＥＣＵ５０は、導出（推定）した堆積量Ｄ１およびＤ２を上記記憶装置に格納し（ステップＳ２５０）、図３の第２堆積量推定ルーチンを終了させる。これにより、内燃機関１の始動完了後に図２の第１堆積量推定ルーチンが最初に実行される際には、上記ステップＳ１００において、図３の第２堆積量推定ルーチンにより推定された堆積量Ｄ１およびＤ２が上記記憶装置から取得されることになる。

以上説明したように、内燃機関１は、上流側排気浄化装置１４、下流側排気浄化装置１５、フィードポンプ２１に接続された燃料添加弁８０、添加液としての尿素水を貯留する還元剤タンク２５、還元剤ポンプ２７、還元剤供給管ＬＲ、還元剤添加弁８５等を含む排気浄化システムと、堆積量推定部として機能するＥＣＵ５０とを含む。また、ＥＣＵ５０は、内燃機関１の運転中に、上述の第１堆積量推定ルーチンを実行して排気管１１内で生じている堆積物の堆積量、すなわち可溶成分の堆積量Ｄ１と不溶成分の堆積量Ｄ２とを推定する第１推定部として機能する。更に、ＥＣＵ５０は、内燃機関１の始動時（イグニッションオン時）に、上述の第２堆積量推定ルーチンを実行して内燃機関１の始動時における堆積物の堆積量、すなわち可溶成分の堆積量Ｄ１と不溶成分の堆積量Ｄ２を推定する第２推定部として機能する。

第２推定部としてのＥＣＵ５０は、内燃機関１の始動時に、堆積物の堆積箇所であるミキサ１６の温度Ｔｍｘ、還元剤添加弁８５の周辺に位置する周辺部品の温度Ｔｓ、排ガスの温度Ｔｇおよび外気温度Ｔａの各々について内燃機関１の停止時（イグニッションオフ時）と始動時との温度差ΔＴｍｘ，ΔＴｓ，ΔＴｇおよびΔＴａを算出し、算出した温度差ΔＴｍｘ，ΔＴｓ，ΔＴｇおよびΔＴａに基づいて、当該内燃機関１の停止中に堆積物が受けた熱負荷Ｔｔを算出する（図３のステップＳ２００−Ｓ２２０）。更に、ＥＣＵ５０は、当該熱負荷Ｔｔに基づいて、内燃機関１の停止中に生じた堆積物の変化量として、不溶成分に変質した可溶成分の量である変質量ｄａと、可溶成分の熱分解による消失量ｄｄ１と、不溶成分の熱分解による消失量ｄｄ２とを算出する（図３のステップＳ２３０）。そして、ＥＣＵ５０は、内燃機関１の停止時に推定されていた堆積量Ｄ１およびＤ２と、変化量としての変質量ｄａ、消失量ｄｄ１およびｄｄ２とから内燃機関１の始動時における堆積量Ｄ１およびＤ２を推定する（図３のステップＳ２４０）。

より詳細には、ＥＣＵ５０は、内燃機関１の停止時における可溶成分の堆積量Ｄ１から変質量ｄａおよび可溶成分の消失量ｄｄ１を減算すると共に、内燃機関１の停止時における不溶成分の堆積量Ｄ２と変質量ｄａとの和から不溶成分の消失量ｄｄ２を減算する。これにより、内燃機関１の停止中における堆積物の変化量である変質量ｄａ、消失量ｄｄ１およびｄｄ２を適正に取得して堆積量（推定値）Ｄ１，Ｄ２に反映させることができる。従って、内燃機関１では、下流側排気浄化装置１５の上流側で排気管１１内に噴射される添加液としての尿素水に由来して排気管１１内に生じている堆積物の量Ｄ１，Ｄ２をより精度よく推定することが可能となる。

なお、図３のステップＳ２３０では、次式（５）に従って熱負荷Ｔｔが算出されてもよい。ただし、式（５）において、“α”，“β”，“γ”，“δ”，“ε”は、何れも実験・解析を経て予め定められる係数である。また、図３のステップＳ２４０では、内燃機関１の停止後に酸化触媒１４ａやＮＯｘ吸蔵還元触媒１５ａの温度（触媒床温）が単調減少することを踏まえて、イグニッションオンに応じた内燃機関１の始動時における触媒床温から、堆積物が基準温度のもとに晒されていた時間ｔｚを導出してもよい。更に、燃料添加弁８０からの燃料の噴射に伴って当該燃料添加弁８０の周辺に堆積する堆積物（デポジット）の量を推定するために、上記図２および図３に示すものと同様のルーチンが実行されてもよい。

Tt = α・ΔTmx＋β・ΔTs＋γ・ΔTg＋δ・ΔTa＋ε …(5)

また、内燃機関１において、下流側排気浄化装置１５を省略し、パティキュレートフィルタ１４ｂにＮＯｘ吸蔵還元触媒を担持させてもよい。この場合、還元剤添加弁８５は、パティキュレートフィルタ１４ｂの上流側で排気管１１内に添加液を噴射するように当該排気管１１に取り付けられればよい。更に、ミキサ１６は複数の旋回翼を含むものには限られない。また、添加液は尿素以外の還元剤を含むものであってもよい。更に、内燃機関１は、ガソリンエンジンであってもよい。

そして、本開示の発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本開示の外延の範囲内において様々な変更をなし得ることはいうまでもない。更に、上記実施形態は、あくまで発明の概要の欄に記載された発明の具体的な一形態に過ぎず、発明の概要の欄に記載された発明の要素を限定するものではない。

本開示の発明は、内燃機関の製造産業等において利用可能である。

１ 内燃機関、２ 燃焼室、３ ピストン、４ 吸気管、５ スロットルバルブ、６ 吸気マニホールド、７ 吸気弁、８ 筒内噴射弁、８０ 燃料添加弁、８５ 還元剤添加弁、９ 排気弁、１０ 排気マニホールド、１１ 排気管、１２ ターボチャージャー、１３ インタークーラー、１４ 上流側排気浄化装置、１４ａ 酸化触媒、１４ｂ パティキュレートフィルタ、１５ 下流側排気浄化装置、１５ａ ＮＯｘ吸蔵還元触媒、１６ ミキサ、２０ 燃料タンク、２１ フィードポンプ、２２ サプライポンプ、２３ コモンレール、２３Ｈ 高圧デリバリパイプ、２３Ｌ 低圧デリバリパイプ、２４ 逆止弁、２５ 還元剤タンク、２７ 還元剤ポンプ、５０ 電子制御装置（ＥＣＵ）、６０ 水温センサ、６１ 低圧燃圧センサ、６２ 高圧燃圧センサ、６３ 排気温度センサ、６４ 排気圧センサ、６５ ＮＯｘセンサ、Ｃ コンプレッサ、ＬＬ 低圧燃料供給管、ＬＨ 高圧燃料供給管、Ｔ タービン。

Claims (4)

1. 内燃機関の排ガスを浄化する排気浄化装置と、前記排気浄化装置の上流側で排気通路内に添加液を噴射する添加弁と、前記添加液に由来して前記排気通路内で生じる堆積物の量を推定する堆積量推定部とを含む排気浄化システムにおいて、
   前記堆積量推定部は、
   前記内燃機関の運転中に、前記排気通路内に生じている前記堆積物の堆積量を推定する第１推定部と、
   前記内燃機関の始動時に、前記堆積物の堆積箇所の温度、前記添加弁の周辺に位置する周辺部品の温度、排ガスの温度および外気温度の各々の前記内燃機関の停止時と前記始動時との温度差に基づいて、前記内燃機関の停止中に前記堆積物が受けた熱負荷を算出すると共に、算出した熱負荷に基づいて、前記内燃機関の前記停止中に生じた前記堆積物の変化量を算出し、前記内燃機関の前記停止時に前記第１推定部により推定されていた前記堆積量と、前記変化量とから前記内燃機関の前記始動時における前記堆積量を推定する第２推定部と、
   を含む排気浄化システム。
2. 請求項１に記載の排気浄化システムにおいて、
   前記第１推定部は、前記堆積量として、可溶成分の堆積量と、不溶成分の堆積量とを推定し、
   前記第２推定部は、前記内燃機関の前記停止中における前記堆積物の前記変化量として、前記不溶成分に変質した前記可溶成分の量である変質量と、前記可溶成分の熱分解による消失量と、前記不溶成分の熱分解による消失量とを算出し、前記内燃機関の前記始動時に、前記内燃機関の前記停止時における前記可溶成分の前記堆積量から前記変質量および前記可溶成分の前記消失量を減算すると共に、前記内燃機関の前記停止時における前記不溶成分の前記堆積量と前記変質量との和から前記不溶成分の前記消失量を減算する排気浄化システム。
3. 請求項１または２に記載の排気浄化システムにおいて、
   前記添加液と前記排ガスとの混合を促進させるように前記排気浄化装置の上流側かつ前記添加弁の下流側に配置されたミキサを更に備え、
   前記添加弁は、前記添加液として尿素水を前記ミキサに向けて噴射し、前記堆積物の堆積箇所の温度は、前記ミキサの温度である排気浄化システム。
4. 内燃機関の排ガスを浄化する排気浄化装置の上流側で添加弁から排気通路内に噴射される添加液に由来して前記排気通路内に生じる堆積物の量を推定する堆積量推定方法において、
   前記内燃機関の運転中に、前記排気通路内に生じている前記堆積物の堆積量を推定し、
   前記内燃機関の始動時に、前記堆積物の堆積箇所の温度、前記添加弁の周辺に位置する周辺部品の温度、排ガスの温度および外気温度の各々について前記内燃機関の停止時と前記始動時との温度差を算出し、
   前記温度差に基づいて、前記内燃機関の停止中に前記堆積物が受けた熱負荷を算出し、
   前記熱負荷に基づいて、前記内燃機関の前記停止中に生じた前記堆積物の変化量を算出し、
   前記内燃機関の前記停止時に推定されていた前記堆積量と、前記変化量とから前記内燃機関の前記始動時における前記堆積量を推定する、
   堆積量推定方法。

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