JP3979150B2 - 内燃機関のＮＯｘ浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ガスが酸素過剰雰囲気下でＮＯｘ浄化作用を有するＮＯｘ触媒を備えた内燃機関のＮОｘ浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
排気ガス中に尿素水を添加して加水分解により発生するアンモニアや直接添加によるアンモニアを、選択還元触媒の還元剤として使用するＮОｘ浄化装置が知られている。このようなＮОｘ浄化装置を、エンジン等の内燃機関を備えた車両に搭載する場合、内燃機関の排気系に排気ガスが酸素過剰雰囲気下でＮＯｘを浄化できる選択還元触媒、所謂ユリアＳＣＲ触媒(以下「ＮОｘ触媒」と称す)を配置し、この触媒の上流側から尿素水あるいはアンモニアを還元剤として排気ガス中に添加してＮОｘ触媒に供給するように構成している。
特に尿素水を還元剤として添加するシステムにおいては、ＮＯｘ触媒上流の排気系に連通する供給通路を介して尿素水を還元剤供給手段から供給するが、排気系を流れる排気ガス中に素早く添加できるように、還元剤供給手段から供給される尿素水の供給部位よりも上流の供給通路に空気供給手段から加圧空気を供給し、供給通路を流れる加圧空気と尿素水とを混合させて添加ノズルで噴霧状にして排気ガス中に添加している。
【０００３】
排気ガス中に尿素水を添加する場合、式（１）のように加水分解及び熱分解されることでアンモニア(ＮＨ３)が生成される。
（ＮＨ２）２ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→２ＮＨ３＋ＣＯ２・・（１）
ＮОｘ触媒上でのアンモニア(ＮＨ３)と窒素酸化物(ＮОｘ)との間の脱硝反応は触媒温度の高低に応じ、すなわち、高温時には主に式（２）、低温時には主に式（３）の反応がそれぞれ行われることが知られている。
４ＮＨ３＋４ＮＯ＋Ｏ２→４Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ・・（２）
２ＮＨ３＋ＮＯ＋ＮＯ２→２Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ・・（３）
このようなアンモニアを還元剤とするＮОｘ触媒は、図１０に実線で示すように、ＮОｘ触媒へのアンモニアの吸着量が多いほどＮＯｘ浄化率が高いため、低温域でＮОｘ触媒の高浄化率を得るにはアンモニア吸着量を高く制御することが好ましい。ＮОｘ触媒に吸着できるアンモニア吸着量には限界があり、図１１に実線Ｌ１で示す吸着限界値は触媒温度に依存している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような尿素水を還元剤として添加するＮОｘ浄化装置においては、尿素水の水分の蒸発により尿素成分が管内に付着して供給通路が詰まるのを防止するのに、尿素水を添加しない場合でも空気供給手段を動作させて加圧空気を供給している。空気供給手段は、単独で駆動源を持つ場合や、エンジンのクランク軸の回転をベルトとプーリ等の駆動伝達手段を用いて伝達されるエンジンを駆動源とする場合がある。このため、尿素水を添加しない場合の空気供給手段の稼動率を抑制することは、車両に搭載された機器の動作による消費電力の低減や燃費の向上を図ろうとする場合に有効な手法となる。しかし、必要以上に空気供給手段の稼働率を抑制してしまうと、尿素成分による供給通路の詰まりを防止することが難しくなる。
本発明は、車両の消費電力の低減や燃費の向上とともにＮОｘ浄化率の向上を図れるＮОｘ浄化装置を提供することを目的とする。
本発明は、ＮОｘ浄化率の向上を図りつつ、尿素成分による供給通路の詰まり防止と車両の消費電力の低減や燃費の向上の両立を達成することが可能なＮОｘ浄化装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる内燃機関のＮОｘ浄化装置は、内燃機関の排気系に設けられ排気ガス中のＮＯｘを選択還元するＮＯｘ触媒と、ＮＯｘ触媒上流の排気系に連通する供給通路を介して尿素水を供給する還元剤供給手段と、還元剤供給手段から供給される尿素水の供給部位より上流の供給通路に加圧空気を供給する空気供給手段と、ＮＯｘ触媒の触媒温度又は触媒温度に相関するパラメータの一つに応じて尿素水の供給量を設定する尿素水供給量設定手段と、尿素水供給量設定手段により設定された尿素水の供給状態に応じて空気供給手段の停止／作動を制御する制御手段とを備えている。このため、尿素水供給量設定手段により設定された尿素水の供給状態に応じて空気供給手段の停止／作動が制御手段で制御される。
【０００６】
制御手段としては、前記尿素水供給量設定手段により設定された尿素水の供給量がゼロのとき、供給量がゼロに設定された後、所定期間経過後に空気供給手段から供給される加圧空気の供給を停止するように、空気供給手段を制御する態様が挙げられる。
【０００７】
空気供給手段としては、還元剤供給手段から供給される尿素水の供給部位より上流の供給通路に、内燃機関により駆動されて加圧空気を供給するものや、単独の駆動源から駆動力を得ることで駆動されて加圧空気を供給する態様が挙げられる。
【０００８】
尿素水供給量設定手段としては、ＮＯｘ触媒の触媒温度又は触媒温度に相関するパラメータに基づきＮＯｘ触媒の温度が設定値未満となったとき、尿素水の供給量をゼロに設定する態様が挙げられる。
尿素水供給量設定手段としては、ＮＯｘ触媒に吸着された還元剤の実吸着量が、ＮＯｘ触媒の触媒温度又は触媒温度に相関するパラメータに基づき予め設定された目標吸着量と所定量以上相違するとき、尿素水の供給量をゼロに設定する態様が挙げられる。
尿素水供給量設定手段としては、ＮＯｘ触媒による実ＮОｘ浄化率が、ＮＯｘ触媒の触媒温度又は触媒温度に相関するパラメータに基づき予め設定された目標ＮОｘ浄化率と所定量以上相違するとき、尿素水の供給量をゼロに設定する態様が挙げられる。
【０００９】
本発明にかかる内燃機関のＮＯｘ浄化装置では、内燃機関が搭載された車両の車速を検出する車速検出手段を備え、制御手段が、車速検出手段により検出された車速が所定値以上のときに、空気供給手段から供給される加圧空気の供給停止を禁止するよう空気供給手段を制御することを特徴とする。このため、車速が所定値以上のときには、加圧空気の供給停止が禁止されて尿素水供給再開に備えた状態となる。
【００１０】
本発明にかかる内燃機関のＮＯｘ浄化装置では、尿素水供給量設定手段により設定された尿素水の供給量がゼロに設定された後に尿素水の供給再開時期を推定する尿素水供給再開推定手段を備え、制御手段が、尿素水供給再開推定手段により推定された尿素水再開時期の所定期間前に空気供給手段から供給される加圧空気の供給を開始するように空気供給手段を制御することを特徴とする。このため、尿素水の供給再開時期の所定期間前に加圧空気供給が再開される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施形態としての内燃機関のＮＯｘ浄化装置を説明する。図１において符号１は、図示しない車両に搭載されたディーゼルエンジン（以後「エンジン」と記す）を示す。エンジン１はエンジン制御装置５によってその出力制御が行われる。エンジン制御装置５は、ここでは、吸気系に配置される周知のエアーフローセンサからの吸気流量や、燃料系から得られる燃料噴射量、燃料噴射量、エンジン回転数等のエンジン運転状態を示す信号を排気系制御部３へ出力している。排気系制御部３及びエンジン制御装置５は、周知のマイクロコンピュータでその主要部が構成されていて、互いに制御系通信回線で相互通信可能に連結されている。
【００１３】
本形態のＮＯｘ浄化装置は、エンジン１の排気マニホールド２５につながり排気系２を構成する排気管２８に設けられて排気ガス２４中のＮＯｘを選択還元するＮＯｘ触媒１７、ＮＯｘ触媒１７上流の排気管２８に連通する供給通路となる噴射管３１を介して尿素水を供給する還元剤供給手段３０、還元剤供給手段３０から供給される尿素水の供給部位より上流の噴射管３１Ａに加圧空気を供給する空気供給手段７、ＮＯｘ触媒１７の触媒温度Ｔｇに応じて尿素水の供給量を設定する尿素水供給量設定手段４、尿素水供給量設定手段４により設定された尿素水の供給状態に応じて空気供給手段７の停止／作動を制御する制御手段８を備えている。排気系制御部３は、尿素水供給量設定手段４と制御手段８とから構成されている。
【００１４】
ＮＯｘ触媒１７は、ハニカム構造の触媒担体に触媒成分を付着させたもの、あるいは触媒成分によってハニカム構造を形成したもので、排気管２８に設けられたＮＯｘ触媒コンバータ２７のケーシング内に収納されている。選択還元触媒であるＮＯｘ触媒１７としては、バナジウム系、白金系、ゼオライト系などがある。ＮＯｘ触媒１７は、アンモニア（ＮＨ３）を吸着して排気ガス２４中のＮＯｘを選択還元するものであり、アンモニア吸着状態において、排気ガス２４中のＮＯｘを雰囲気温度の高低に応じ、即ち、高温時には上述した式（２）、低温時には上述した式（３）の反応を主に行い、アンモニアと窒素酸化物との間の脱硝反応を促進するものである。
【００１５】
ＮОｘ触媒１７には、触媒温度Ｔｇを出力する触媒温度センサ２２が設けられている。触媒温度センサ２２は、ＮＯｘ触媒１７の触媒温度を導出する触媒温度導出手段を構成する。この他、触媒温度に相関するパラメータとなる、例えばエンジン回転数及び燃料噴射量、エンジン運転領域毎の運転時間や外気温を考慮して触媒温度の推定値を演算して触媒温度Ｔｇとして用いても良い。
【００１６】
還元剤供給手段３０は、ＮＯｘ触媒コンバータ２７の上流開口側に向けて尿素水を噴霧して添加する添加ノズル１８と、添加ノズル１８に接続された噴射管３１と、噴射管３１に連結する尿素水供給管３４と、添加用の尿素水を収容した尿素水タンク３５と、尿素水タンク３５内の尿素水を尿素水供給管３４から噴射管３１へと圧送するポンプ３６と、噴射管３１への尿素水の流量を調整する電磁式の流量調整弁３７とを備えている。添加ノズル１８は、排気マニホールド２５直後の排気管２８に装着されたＮОｘ検出手段としての前ＮОｘセンサ１９とＮОｘ触媒１７との間の排気管２８に装着されている。本形態において、流量調整弁３７の近傍には、流量調整弁３７の動作の有無を検出して尿素水の供給の有無を検出する尿素水供給検出手段としてのセンサ１２が装着されている。これらセンサ１２、ポンプ３６及び流量調整弁３７は、制御手段８に信号線でそれぞれ接続されている。
【００１７】
空気供給手段７は、噴射管３１Ａの上流端に連結されたエアタンク３２と、噴射管３１への加圧空気供給を制御する電磁式の開閉弁３３と、エンジン１からの駆動力がベルトとプーリで構成された周知の駆動伝達系３９Ａを介して伝達されることで回転駆動するエアコンプレッサ３８と、エンジン１からエアコンプレッサ３８への駆動力の連断を行う電磁式のコンプレッサクラッチ３９とを備えている。エアコンプレッサ３８とエアタンク３２とは、エア配管３８Ａで連通されている。開閉弁３３とコンプレッサクラッチ３９とは、信号線で制御手段８にそれぞれ接続されている。
【００１８】
コンプレッサクラッチ３９は、制御手段８でオンされるとエンジン１からエアコンプレッサ３８へ駆動力の伝達を行い、オフされるとエンジン１からエアコンプレッサ３８への駆動力の伝達を断つように機能する。エアタンク３２には、タンク内圧が所定圧以上になると開弁する図示しないリリーフ弁と、周知の圧力センサが設けられている。圧力センサは、タンク内圧を検出するもので、その検出値を制御手段８に出力している。
【００１９】
前ＮОｘセンサ１９は、ＮＯｘ触媒１７の上流側のＮＯｘ濃度Ｓｎｏｘｆを検出するものである。ＮＯｘ触媒１７の下流側の排気管２８には、ＮОｘ触媒１７の下流側のＮＯｘ濃度Ｓｎｏｘｒを検出するＮОｘ検出手段として後ＮОｘセンサ２６が配設されている。各ＮОｘセンサ１９，２６からのＮＯｘ濃度Ｓｎｏｘｆ、Ｓｎｏｘｒは、後述の実ＮＯｘ浄化率導出手段４４に出力される。
【００２０】
尿素水供給量設定手段４は、還元剤供給手段３０による尿素水の基本添加量Ｄｕｒｅａを導出する基本添加量導出手段４２と触媒温度Ｔｇに基づき目標ＮＯｘ浄化率Ｍηを導出する目標ＮＯｘ浄化率導出手段４３、ＮＯｘ触媒１７による実ＮＯｘ浄化率ηを導出する実ＮＯｘ浄化率導出手段４４とを備えている。
【００２１】
目標ＮОｘ浄化率導出手段４３は、図４に示すような、触媒温度Ｔｇによって定められる目標ＮОｘ浄化率Ｍηのマップから触媒温度Ｔｇに相関する目標ＮＯｘ浄化率Ｍηを導出する。目標ＮＯｘ浄化率Ｍηは、図１１に実線Ｌ１で示す吸着限界値よりも低い値、例えば図１１に破線Ｌ２で示す吸着限界値Ｌ１の１／２の値のアンモニア吸着量に対応して得られる浄化率として設定されている。
【００２２】
基本添加量導出手段４２は、図１１に破線Ｌ２で示すＮОｘ触媒１７でのアンモニア吸着量を充たすように、式（１）の尿素水から得られるアンモニア量の関係を考慮してエンジン運転状態に応じて予め設定された尿素水の基本添加量マップを有し、触媒温度Ｔｇに応じて適宜尿素水の基本添加量Ｄｕｒｅａを選択する。
【００２３】
実ＮＯｘ浄化率導出手段４４は、各ＮＯｘＮОｘセンサ１９，２６からのＮＯｘ濃度Ｓｎｏｘｆ、Ｓｎｏｘｒを、Ｓｎｏｘｆ−Ｓｎｏｘｒとする差分処理し、さらにその値をＳｎｏｘｆで除算して実ＮＯｘ浄化率ηを算出する演算回路である。尿素水供給量設定手段４は、これら各構成要素から得られる情報から尿素水の供給量Ｄｕｒｅａ(ｎ)を求める。
【００２４】
制御手段８は、コンピュータからその要部が構成されていて、尿素水供給量設定手段４により設定された尿素水の供給量がゼロのとき、供給量がゼロに設定された後の所定期間経過後に空気供給手段７から供給される加圧空気の供給を停止するように空気供給手段７を制御する。本形態では、コンプレッサクラッチ３９をオフしてエンジン１からエアコンプレッサ３８への駆動力を切断するように制御する。この制御手段８は、尿素水供給量設定手段４により設定された尿素水の供給量がゼロに設定された後に尿素水の供給再開時期を推定する尿素水供給再開推定手段９を備えている。制御手段８は、尿素水供給再開推定手段９により推定された尿素水再開時期の所定期間前に空気供給手段７から供給される加圧空気の供給を開始すべく、コンプレッサクラッチ３９をオンしてエンジン１からエアコンプレッサ３８へ駆動力を伝達するように制御する。制御手段８は、エアタンク３２のタンク内圧が所定圧となるように、図示しない圧力センサからの出力値をモニタリングしていて、タンク内圧が所定圧を下回ると、コンプレッサクラッチ３９をオンしてエアコンプレッサ３８を駆動し、エアタンク３２にエア供給を行うように制御している。本形態では、コンプレッサクラッチ３９のオン／オフ制御を行って加圧空気の供給制御をしているが、開閉弁３３の開閉制御も同時に行っても良い。
【００２５】
本形態において、制御手段８は、還元剤供給手段３０による尿素水の添加を実行すべく、開閉弁３３、ポンプ３６及び流量調整弁３７の駆動を制御する機能を備えている。本形態では、開閉弁３３の開度とポンプ３６の回転数とを一定とし、尿素水供給量設定手段４で設けられる尿素水の供給量Ｄｕｒｅａ(ｎ)に応じて流量調整弁３７の開度または開弁期間を調整制御する。流量調整弁３７の開閉による形態ではなく、開閉弁３３の開度調整やポンプ３６の回転数制御、あるいはこれらの複合制御により実行する形態としてもよい。尿素水供給量設定手段４は、基本添加量Ｄｕｒｅａに対して加減算するための補正量を図示しないマップ情報として予め図示しないメモリー内に記憶されている。
【００２６】
次に、ＮＯｘ浄化装置によるＮОｘ浄化制御を図２のＮＯｘ浄化処理ルーチンに沿って、空気供給制御を図３に示す空気供給制御ルーチンに沿ってそれぞれ説明する。
【００２７】
ＮＯｘ浄化装置を搭載した図示しない車両のエンジン１の駆動時において、エンジン制御装置５はエンジン駆動に関する各種制御系のセンサ類が正常か否かの自己チェック結果が正常であったか否かを確認し、正常（ＯＫ）では上述の関連センサの各入力値に応じて周知の燃料噴射系、燃料供給系に制御信号を送出し、制御を実行し、その際得られたセンサ出力等を排気系制御部３にも送信する。 排気系制御部３は、エンジンキーのオンと同時に図２のＮＯｘ浄化処理ルーチンによるＮＯｘ浄化処理制御を所定制御サイクル毎に繰り返すと共に、図３に示す空気供給制御ルーチンを割り込み処理する。
【００２８】
図２のＮＯｘ浄化処理ルーチンでは、ステップＡ１でエンジン始動中であるかをイグニッションキーのオン情報で確認し、ステップＡ２で触媒温度Ｔｇ、ＮＯｘ濃度Ｓｎｏｘｆ,Ｓｎｏｘｒ、その他のデータを取込む。ステップＡ３では、触媒温度Ｔｇが所定温度Ｔｇ０以上か否かを判定し、触媒温度Ｔｇが所定温度Ｔｇ０以上のとき、ステップＡ４に進み、所定温度Ｔｇ０未満では後述するステップＡ８に進む。
【００２９】
ステップＡ４では、還元剤供給手段３０のポンプ３６を駆動し、空気供給手段７のコンプレッサクラッチ３９をオンすると共にエアタンク３２の開閉弁３３を開作動させてステップＡ５に進む。ステップＡ５では、ＮＯｘ濃度Ｓｎｏｘｆ,Ｓｎｏｘｒを用いて実ＮОｘ浄化率ηを、触媒温度Ｔｇに基づいてＮОｘ触媒１７に新たに吸着すべきアンモニア量を得るのに必要な尿素水の基本添加量Ｄｕｒｅａをそれぞれ演算すると共に、触媒温度Ｔｇに基づいて目標ＮОｘ浄化率Ｍηを目標ＮОｘ浄化率導出手段４３であるマップより演算してステップＡ６に進む。
【００３０】
ステップＡ６では、目標ＮОｘ浄化率Ｍηと実ＮОｘ浄化率ηとを差分処理して両者の間の浄化率差Ｇηを算出してステップＡ７に進む。ステップ７では、制御手段８に予め設定された浄化率の許容幅となる所定量Ｚηと浄化率差Ｇηとの比較して、浄化率差Ｇηが所定量Ｚηを超えていない場合、すなわち、実ＮОｘ浄化率ηが目標ＮОｘ浄化率Ｍηと所定量以上相違しないときは、ＮОｘ触媒１７へのアンモニア供給、すなわち尿素水の添加が可能であるとしてステップＡ１０に進み尿素水の基本添加量Ｄｕｒｅａを補正して実添加量Ｄｕｒｅａ(ｎ)を決定し、ステップＡ１１に進む。ステップＡ１１では、実ＮОｘ浄化率ηと目標ＮОｘ浄化率Ｍηとの比較結果に応じて補正された実添加量Ｄｕｒｅａ(ｎ)に相当する尿素水量を添加できるように、還元剤供給手段３０の流量調整弁３７の開度または開弁期間を駆動制御して制御サイクルを終了する。
【００３１】
ステップＡ７での比較結果が、浄化率差Ｇηが所定量Ｚηを超えている場合、すなわち、実ＮОｘ浄化率ηが目標ＮОｘ浄化率Ｍηと所定量以上相違するときは、ＮОｘ触媒１７上に対するアンモニア供給が過剰であると見做してステップＡ８に進む。ステップＡ８では、尿素水の供給量をゼロに設定してステップＡ９に進み、ステップＡ９では、尿素水の添加供給を停止すべく還元剤供給手段３０の流量調整弁３７を閉状態に駆動制御して制御サイクルを終了する。
【００３２】
このように、実ＮОｘ浄化率ηが目標ＮОｘ浄化率Ｍηと所定量以上相違しない場合には、基本添加量Ｄｕｒｅａが補正され、流量調整弁３７が補正された相当の開度に保持または所定期間開弁されて、尿素水タンク３５からポンプ３６により尿素水供給管３４に圧送されている尿素水の流量が調整され、尿素水が噴射管３１の加圧空気と混合されて添加ノズル１８より排気管２８に供給される。よって、ＮＯｘ排出量の還元に必要なアンモニア吸着量となるように適量の尿素水をＮОｘ触媒１７へ供給して、尿素水が加水分解及び熱分解することで生成したアンモニアをＮОｘ触媒１７に吸着させることができる。また、実ＮОｘ浄化率ηが目標ＮОｘ浄化率Ｍηと所定量以上相違するときはＮОｘ触媒１７に対する尿素水供給を停止すべく添加量をゼロとして流量調整弁３７を閉じ尿素水の添加を停止する制御を行うので、アンモニアスリップの発生を効果的に抑制することができる。
【００３３】
図３の空気供給制御ルーチンは、ステップＢ１において、図２のステップＡ８で尿素水の添加量の状態を判断し、添加量がゼロ設定されている場合にのみステップＢ２に進む。ステップＢ２では、尿素水添加が停止してからの時間をタイマ１１で計測してステップＢ３に進む。ステップＢ３では、タイマ１１での計測時間が制御手段８に予め設定された所定時間を経過したか否かを判断し、所定時間経過するとステップＢ４に進む。所定時間は、噴射管３１内に付着する尿素成分を十分に除去排出できる期間として設定されている。
【００３４】
ステップＢ４では、タイマ１１の計測を終了(リセット)してステップＢ５に進み、コンプレッサクラッチ３９をオフする。このため、尿素水の供給停止後、所定時間経過すると、エンジン１からエアコンプレッサ３８への駆動力の伝達が断たれるので、尿素水を添加しないときのエアコンプレッサ３８の稼働率を低減することができ、本形態の場合では燃費の向上につながる。
【００３５】
このような制御形態でも当初の目的は達成されるが、本形態の空気供給制御ルーチンでは、さらに次のステップへと続く。ステップＢ６では、尿素水供給再開推定手段９により供給再開推定時期を推定してステップＢ７に進む。ステップＢ７では、推定した供給再開時期の所定期間前か否かを判断し、供給再開時期の所定期間前になると、コンプレッサクラッチ３９をオンして噴射管３１への加圧空気の供給を再開してこの制御を終える。
【００３６】
このように尿素水供給再開推定手段９で推定した供給再開推定時期の所定期間前になると、コンプレッサクラッチ３９をオンして噴射管３１への加圧空気の供給を再開するので、尿素水の添加時に際して事前に加圧空気が噴射管３１内を流れることとなり、噴射管３１内での尿素水の管内壁面付着を抑制しながら、尿素水の霧化を促進することができ、再開初期から良好なＮОｘ浄化率を得ることができる。
【００３７】
尿素水供給再開推定手段９は、ＮОｘの排出量増大が見込まれる予想エンジン運転領域をエンジン回転数やアクセル開度や排気ガス温度などから予めマップデータとして制御手段８に記憶しておき、ステップＢ５でコンプレッサクラッチ３９をオフしてからの実運転領域をエンジン回転数やアクセル開度や排気ガス温度などから判別し、現在の運転領域と予想エンジン運転領域へ移行するまでの時間を推定すると共にタイマ１１で計測を開始し、この推定時間に対して一定の割合の時間を所定時間とし、この時間となるとコンプレッサクラッチ３９をオン制御することで達成することができる。例えば、コンプレッサクラッチ３９をオフした時からのアクセル開度の変化を周知のスロットル開度センサで検出して記憶し、前回のアクセル開度に対する今回のアクセル開度の変化率が、所定割合上昇変化した場合には予想エンジン運転領域へ向かってするものとし、変化率に基づき予想エンジン運転領域へ移行するまでの時間を推定する。
【００３８】
この推定時間に対する所定時間を制御手段８に設定してタイマ１１で計測を開始し、タイマ１１による計測値が所定時間となると、コンプレッサクラッチ３９をオン制御する。実エンジン運転領域や予想エンジン運転領域を求めるパラメータとしては、上記の要素に限定されるものではなく、触媒温度（排気ガス温度）Ｔｇ、前ＮОｘセンサ１９で検出されるＮＯｘ濃度Ｓｎｏｘｆや排気ガス流量Ｇであってもよい。この場合にはＮＯｘ濃度Ｓｎｏｘｆや排気ガス流量Ｇから各運転領域を求め、これら触媒温度（排気ガス温度）Ｔｇ、ＮＯｘ濃度Ｓｎｏｘｆや排気ガス流量Ｇの変化率に応じて供給再開推定時期を決定すればよい。
【００３９】
図５を用いて、本発明の第２の実施形態としての内燃機関のＮＯｘ浄化装置を説明する。この形態におけるＮＯｘ浄化装置は、排気系制御部１３０の構成が第１の実施形態における排気系制御部３の構成と異なっている以外は、基本的に同一構成である。よって、図１に示す第１の実施形態と同一機能をする構成には、同一符号を付すに留め、詳細な説明は省略する。
【００４０】
排気系制御部１３０は、制御手段８０と、尿素水供給量設定手段１４０とを備えている。尿素水供給量設定手段１４０は、ＮＯｘ触媒１７による実ＮＯｘ浄化率ηを導出する実ＮＯｘ浄化率導出手段１４４、ＮＯｘ触媒１７に対するアンモニアの目標吸着量ＭＮＨ３を設定する目標吸着量設定手段１５０、エンジン１から排出されるＮＯｘ排出量としてＮОｘ質量流量Ｕｎｏｘを推定するＮＯｘ排出量導出手段１５１、ＮＯｘ排出量導出手段１５１により推定されたＮОｘ質量流量Ｕｎｏｘと実ＮＯｘ浄化率導出手段４４により導出された実ＮＯｘ浄化率ηとに基づいてＮＯｘ触媒１７に吸着されたアンモニアの消費量ｆ(η,Ｕｎｏｘ)を導出する消費量導出手段１５２、還元剤供給手段３０による尿素水の添加量Ｄｕｒｅａから算出されるアンモニア量及び消費量導出手段１５２により導出されたアンモニアの消費量ｆ(η,Ｕｎｏｘ)に応じてＮＯｘ触媒１７に吸着されたアンモニアの実吸着量ＳＮＨ３(ｎ)を導出する吸着量導出手段１５３、還元剤供給手段３０による尿素水の基本添加量Ｄｕｒｅａを導出する基本添加量導出手段１５４、還元剤供給手段３０と空気供給手段７の双方を制御する制御手段８０を備えている。
【００４１】
ＮＯｘ排出量導出手段１５１は、前ＮОｘセンサ１９で検出されるＮОｘ触媒１７の上流側のＮＯｘ濃度Ｓｎｏｘｆと、エンジン１から排出される排気ガス排出量に相当するエンジン制御装置５からの排気ガス流量Ｇとに基づき、ＮＯｘ質量流量Ｕｎｏｘを導出するものである。
【００４２】
実ＮＯｘ浄化率導出手段１４４は、各ＮОｘセンサ１９，２６からのＮＯｘ濃度Ｓｎｏｘｆ、Ｓｎｏｘｒを、Ｓｎｏｘｆ−Ｓｎｏｘｒとする差分処理し、さらにその値をＳｎｏｘｆで除算して実ＮＯｘ浄化率(η)を算出する演算回路であり、算出した実ＮＯｘ浄化率(η)を消費量導出手段１５２に出力する。消費量導出手段１５２は、ＮＯｘ質量流量Ｕｎｏｘと実ＮＯｘ浄化率(η)とからアンモニア消費量ｆ(η,Ｕｎｏｘ)を算出する演算部である。
【００４３】
目標吸着量設定手段１５０は触媒温度検出手段（触媒温度センサ２２）により検出又は推定された触媒温度Ｔｇに応じてＮＯｘ触媒１７に吸着されるアンモニアの目標吸着量ＭＮＨ３を設定するマップである。目標吸着量ＭＮＨ３は、図１１に破線Ｌ２で示すように、実線Ｌ１で示す吸着限界値よりも低い値、例えば吸着限界値Ｌ１の１／２の値とされており、触媒温度Ｔｇが高くなる程にその値を低減するように設定されている。目標吸着量ＭＮＨ３としては、吸着限界値Ｌ１の１／２の値に限定されるものではなく、吸着限界値Ｌ１よりも低い値であれば他の値を選択しても良い。
【００４４】
基本添加量導出手段１５４は、図１１に破線Ｌ２で示すＮОｘ触媒１７でのアンモニア吸着量を充たすように、上述の式（１）の尿素水から得られるアンモニア量の関係を考慮して、エンジン運転状態に応じて予め設定された尿素水の基本添加量マップを有し、触媒温度Ｔｇに応じて適宜尿素水の基本添加量Ｄｕｒｅａを選択して吸着量導出手段１５３に出力する。尿素水供給量設定手段１４０は、基本添加量Ｄｕｒｅａを補正するための補正量を図示しないマップ情報として予め図示しないメモリー内に記憶されている。
【００４５】
吸着量導出手段１５３は、前回導出された実吸着量ＳＮＨ３(ｎ−１)、基本添加量導出手段１５４により導出された尿素水の基本添加量Ｄｕｒｅａ、及び今回導出されたアンモニア消費量ｆ(η,Ｕｎｏｘ)に基づきＮОｘ触媒１７における推定の実吸着量ＳＮＨ３(ｎ)を、下記の式（４）によって導出する演算回路である。この場合、補正前の吸着量ＳＮＨ３（ｎ−１）を式（４）に設定することで、実吸着量ＳＮＨ３(ｎ)に対する誤差要因を低減してより精度の高い実吸着量ＳＮＨ３(ｎ)の演算を図っている。
ＳＮＨ３（ｎ）＝ＳＮＨ３（ｎ−１）＋Ｄｕｒｅａ−ｆ（η×Ｕｎｏｘ）・・・・（４）
制御手段８０は、コンピュータからその要部が構成されていて、尿素水供給量設定手段１４０により設定された尿素水の供給量がゼロのとき、供給量がゼロに設定された後の所定期間経過後に空気供給手段７から供給される加圧空気の供給を停止するように空気供給手段７を制御する。本形態では、コンプレッサクラッチ３９をオフしてエンジン１からエアコンプレッサ３８への駆動力を切断するように制御する。この制御手段８０は、尿素水供給量設定手段１４０により設定された尿素水の供給量がゼロに設定された後に、車速センサ１０により検出された車速Ｖが所定値としての所定車速Ｖ１以上のときに、空気供給手段７から供給される加圧空気の供給停止を禁止すべく、コンプレッサクラッチ３９をオンしてエンジン１からエアコンプレッサ３８へ駆動力を伝達するように制御する。
【００４６】
制御手段８０は、エアタンク３２のタンク内圧が所定圧となるように、図示しない圧力センサからの出力値をモニタリングしていて、タンク内圧が所定圧を下回ると、コンプレッサクラッチ３９をオンしてエアコンプレッサ３８を駆動し、エアタンク３２にエア供給を行うように制御している。本形態では、コンプレッサクラッチ３９のオン／オフ制御を行って加圧空気の供給制御をしているが、開閉弁３３の開閉制御も同時に行っても良い。所定速度Ｖ１は、制御手段８０に予め記憶されている。所定速度Ｖ１とは、その速度の直後に尿素水の再供給の必要がある、触媒温度Ｔｇあるいは高排気ガス温度の運転状態に移行する可能性の高い速度である。
【００４７】
制御手段８０は、還元剤供給手段３０による尿素水の添加を実行すべく、開閉弁３３、ポンプ３６及び流量調整弁３７の駆動を制御する機能を備えている。本形態では、開閉弁３３の開度とポンプ３６の回転数とを一定とし、尿素水供給量設定手段４で設けられる尿素水の供給量Ｄｕｒｅａ(ｎ)に応じて流量調整弁３７の開度または開弁期間を調整制御する。流量調整弁３７の開閉による形態ではなく、開閉弁３３の開度調整やポンプ３６の回転数制御、あるいはこれらの複合制御により実行する形態としてもよい。
【００４８】
次に、ＮＯｘ浄化装置によるＮОｘ制御処理を図６のＮＯｘ浄化処理ルーチンに沿って、空気供給制御を図７に示す空気供給制御ルーチンに沿ってそれぞれ説明する。
【００４９】
ＮＯｘ浄化装置を搭載した図示しない車両のエンジン１の駆動時において、エンジン制御装置５は複数の制御系、例えば、燃料噴射系、燃料供給系等で適宜実行されている関連機器、センサ類が正常か否かの自己チェック結果が正常であったか否かを確認し、正常（ＯＫ）では上述の各センサの各入力値に応じて上記の燃料噴射系、燃料供給系に制御信号を送出して制御を実行し、その際得られたセンサ出力等を排気系制御装置１３０にも送信する。
【００５０】
排気系制御部１３０は、エンジンキーのオンと同時に図６のＮＯｘ浄化処理ルーチンのＮＯｘ浄化処理制御を所定制御サイクル毎に繰り返す。ステップＣ１でエンジン始動中であるかをイグニッションキーのオン情報で確認し、ステップＣ２で触媒温度Ｔｇ、排気ガス流量Ｇ、ＮＯｘ濃度Ｓｎｏｘｆ,Ｓｎｏｘｒ、前回吸着量ＳＮＨ３（ｎ−１）、その他のデータを取込む。ステップＣ３では、触媒温度Ｔｇが所定温度Ｔｇ０以上か否かを判定し、触媒温度Ｔｇが所定温度Ｔｇ０以上のとき、ステップＣ４に進み、所定温度Ｔｇ０未満では後述するステップＣ９に進む。
【００５１】
ステップＣ４では還元剤供給手段３０のポンプ３６を駆動し、空気供給手段７のコンプレッサクラッチ３９をオンすると共にエアタンク３２の開閉弁３３を開作動させてステップＣ５に進む。ステップＣ５では、排気ガス流量ＧとＮОｘ濃度Ｓｎｏｘｆを用いてＮОｘ質量流量Ｕｎｏｘを、ＮＯｘ濃度Ｓｎｏｘｆ,Ｓｎｏｘｒを用いて実ＮОｘ浄化率ηをそれぞれ求めると共に、触媒温度Ｔｇに基づいて、ＮОｘ触媒１７に新たな吸着すべきアンモニア量を得るのに必要な尿素水のアンモニアの基本添加量Ｄｕｒｅａを基本添加量導出手段１５４のマップより演算し、触媒温度Ｔｇ相当の目標吸着量ＭＮＨ３を目標吸着量設定手段１５０であるマップより演算してステップＣ６に進む。
【００５２】
ステップＣ６では、ＮОｘ質量流量Ｕｎｏｘと実ＮОｘ浄化率ηとに基づきアンモニアの消費量ｆ（η,Ｕｎｏｘ）を導出してステップＣ７に進み、ステップＣ７で、式（４）を用いてアンモニアの実吸着量ＳＮＨ３（ｎ）を演算して導出してステップＣ８に進む。
【００５３】
ステップＣ８では、目標吸着量ＭＮＨ３と実吸着量ＳＮＨ３（ｎ）とを差分処理して両者の間の吸着差ＧＮＨ３を算出してステップＣ９に進む。ステップＣ９では、制御手段８０に予め設定された吸着率の許容幅となる所定量ＺＮＨ３と吸着差ＧＮＨ３との比較して、吸着差ＧＮＨ３が所定量ＺＮＨ３を超えていない場合、すなわち、実吸着量ＳＮＨ３（ｎ）が目標吸着量ＭＮＨ３と所定量以上相違しなしときは、ＮОｘ触媒１７へのアンモニア供給、すなわち尿素水の添加が可能であるとしてステップＣ１２に進みアンモニアの基本添加量Ｄｕｒｅａを補正して実添加量Ｄｕｒｅａ(ｎ)を決定し、ステップＣ１３に進む。ステップＣ１３では、実吸着量ＳＮＨ３（ｎ）と目標吸着量ＭＮＨ３との比較結果に応じて補正された実添加量Ｄｕｒｅａ(ｎ)量に相当する尿素水量を添加できるように、還元剤供給手段３０の流量調整弁３７の開度または開弁期間を駆動制御して制御サイクルを終了する。
【００５４】
ステップＣ９での比較結果、吸着差ＧＮＨ３が所定量所定量ＺＮＨ３を超えている場合、すなわち、実吸着量ＳＮＨ３（ｎ）が目標吸着量ＭＮＨ３と所定量以上相違するときは、ＮОｘ触媒１７上に対するアンモニア供給が過剰であると見做してステップＣ１０に進む。ステップＣ１０では尿素水の供給量をゼロに設定してステップＣ１１に進み、ステップＣ１１で尿素水の添加供給を停止すべく還元剤供給手段３０の流量調整弁３７を閉状態に駆動制御して制御サイクルを終了する。
【００５５】
このように、実吸着量ＳＮＨ３（ｎ）が目標吸着量ＭＮＨ３と所定量以上相違しない場合には、基本添加量Ｄｕｒｅａが補正され、流量調整弁３７が補正された相当の開度に保持または所定期間開弁されて、尿素水タンク３５からポンプ３６により尿素水供給管３４に圧送されている尿素水の流量が調整され、尿素水が噴射管３１の加圧空気と混合されて添加ノズル１８より排気管２８に供給される。よって、ＮＯｘ排出量の還元に必要なアンモニア吸着量となるように適量の尿素水をＮОｘ触媒１７へ供給して、尿素水が加水分解及び熱分解することで生成したアンモニアをＮОｘ触媒１７に吸着させることができる。
【００５６】
実吸着量ＳＮＨ３（ｎ）が目標吸着量ＭＮＨ３と所定量以上相違する場合には、ＮОｘ触媒１７に対する尿素水供給を停止すべく添加量をゼロとして流量調整弁３７を閉じ尿素水の添加を停止する制御を行うので、アンモニアスリップの発生を効果的に抑制することができる。また、尿素水の添加をしない場合でも、コンプレッサクラッチ３９をオン状態とし、開閉弁３２を開状態としているので、噴射管３１にはエアタンク３２から加圧空気が供給された状態となり、尿素成分の付着による噴射管３１の詰まりを防止することができる。
【００５７】
図７の空気供給制御ルーチンは、ステップＤ１において、図６のステップＣ１０での尿素水の添加量の状態を判断し、添加量がゼロ設定されている場合にのみステップＤ２に進む。ステップＤ２では、尿素水添加が停止してからの時間をタイマ１１で計測してステップＤ３に進む。ステップＤ３では、タイマ１１での計測時間が制御手段８０に予め設定された所定時間を経過したか否かを判断し、所定時間経過するとステップＤ４に進む。
【００５８】
ステップＤ４では、タイマ１１の計測を終了(リセット)してステップＤ５に進み、コンプレッサクラッチ３９をオフする。このため、尿素水の供給停止後、所定時間経過すると、エンジン１からエアコンプレッサ３８への駆動力の伝達が断たれるので、尿素水を添加しないときのエアコンプレッサ３８の稼働率を低減することができ、本形態の場合では燃費の向上につながる。
【００５９】
このような制御形態でも当初の目的は達成されるが、本形態の空気供給制御ルーチンでは、さらに次のステップへと続く。ステップＤ６では車速センサ１０からの車速Ｖを取り込み、ステップＤ７において、車速Ｖが所定値となる所定速度Ｖ１以上であるか否かを判断する。判断結果、車速Ｖが所定速度Ｖ１以上となると、コンプレッサクラッチ３９をオンして噴射管３１への加圧空気の供給を再開してこの制御を終える。
【００６０】
このように車速Ｖが、尿素水の再供給の必要がある運転状態に移行する可能性の高い速度である所定速度Ｖ１以上となると、コンプレッサクラッチ３９をオンして噴射管３１への加圧空気の供給を再開するので、尿素水再供給の必要のある運転状態へ移行して尿素水が添加される際には、既に加圧空気が噴射管３１内に供給されることになり、還元剤供給手段３０から供給された尿素水の、噴射管３１の管内壁面付着を抑制しながら、尿素水の霧化を促進することができ、再開初期から良好なＮОｘ浄化率を得ることができる。
【００６１】
図８は、ＮＯｘ浄化装置によるＮОｘ制御処理を行うＮＯｘ浄化処理ルーチンの別な形態を示す。このＮОｘ制御処理では、尿素水の供給量をゼロに設定するに際し、ＮＯｘ触媒１７の触媒温度Ｔｇのみをパラメータとしたものである。
【００６２】
図８に示すＮＯｘ浄化処理ルーチンは、エンジンキーのオンと同時にＮＯｘ浄化処理制御を所定制御サイクル毎に繰り返す。図８においてステップＥ１でエンジン始動中であるかをイグニッションキーのオン情報で確認し、ステップＥ２で触媒温度ＴｇとＮＯｘ濃度Ｓｎｏｘｆ,Ｓｎｏｘｒを取込み、ステップＥ３に進む。
【００６３】
ステップＥ３では還元剤供給手段３０のポンプ３６を駆動し、空気供給手段７のコンプレッサクラッチ３９をオンすると共にエアタンク３２の開閉弁３３を開作動させてステップＥ４に進む。ステップＥ４では、触媒温度Ｔｇに基づいてＮОｘ触媒１７に新たな吸着すべきアンモニア量を得るのに必要な基本添加量Ｄｕｒｅａを基本添加量導出手段４２あるいは基本添加量導出手段１５４のマップより演算してステップＥ５に進む。
【００６４】
ステップＥ５では、予め制御手段８または制御手段８０に記憶した所定値となる所定温度ＭＴｇと触媒温度Ｔｇとを比較して、触媒温度Ｔｇが所定温度未満の場合には、ＮОｘ触媒１７の温度がアンモニアを十分に吸着し得る温度(図１１参照)であるが、ＮＯｘ浄化率が低く（図４参照）アンモニア消費量が少ないため、尿素水の供給は不要であるものとしてステップＥ６に進む。ステップＥ６では尿素水の供給量をゼロに設定してステップＥ７に進み、ステップＥ７で尿素水の添加供給を停止すべく還元剤供給手段３０の流量調整弁３７を閉状態に駆動制御して制御サイクルを終了する。
【００６５】
触媒温度Ｔｇが所定温度を超えている場合には、ＮＯｘ浄化率が高くアンモニア消費量が多く、ＮОｘ触媒１７でのアンモニア吸着量が減少しているものとして、ＮОｘ触媒１７へのアンモニア供給、すなわち尿素水の添加が可能であるとしてステップＥ８に進み尿素水の基本添加量Ｄｕｒｅａを補正して実添加量Ｄｕｒｅａ(ｎ)を決定し、ステップＥ９に進む。ステップＥ９では、実添加量Ｄｕｒｅａ(ｎ)に相当する尿素水量を添加できるように、還元剤供給手段３０の流量調整弁３７の開度または開弁期間を駆動制御して制御サイクルを終了する。
【００６６】
本ＮОｘ浄化処理ルーチンのように、ＮОｘ触媒１７におけるアンモニア吸着量と触媒温度Ｔｇとの関係に着目し、触媒温度Ｔｇから予測されるアンモニア吸着量に応じて尿素水の添加の有無を行う制御してもよい。
【００６７】
図９は、ＮＯｘ浄化装置による空気供給制御を行う空気供給制御ルーチンの別な形態を示す。図９のステップＦ１では、尿素水の供給が検出されたか否かを判断する。例えば、図２、図６、図８に示すＮОｘ浄化処理ルーチンの実行最中に流量調整弁３７の動作の有無を検出センサ１２からの出力の有無で判断し、センサ１２から出力がある場合には尿素水供給があるものとてして、コンプレッサクラッチ３９をオンし、センサ１２から出力がない場合には尿素水供給がないものとしてコンプレッサクラッチ３９をオフする。このように、流量調整弁３７の動作の有無に応じてコンプレッサクラッチ３９を制御すれば、簡素な構成で駆動力損失を低減することができる。
【００６８】
第１の実施形態で用いた図３に示す空気供給制御ルーチンと第２の実施形態で用いた図７に示す空気供給制御ルーチンは、それぞれ入れ替えて用いても良い。
【００６９】
【発明の効果】
本発明によれば、尿素水供給量設定手段により設定された尿素水の供給状態に応じて空気供給手段の停止／作動が制御手段で制御されるので、尿素水供給停止時に不要な加圧空気の供給を停止することにより駆動力損失を低減して、車両の消費電力の低減や、燃費とＮＯｘ浄化率の向上を図ることができる。
本発明によれば、車速が所定値以上のときには、加圧空気の供給停止が禁止されて尿素水供給再開に備えた状態となるので、車両が再度尿素水供給の触媒温度、あるいは高排気温度の運転状態に移行した場合でも、尿素水の再添加を迅速に行え、車両の消費電力の低減や、燃費とＮＯｘ浄化率の向上を図ることができる。
本発明によれば、尿素水の供給再開時期の所定期間前に加圧空気供給が再開されるので、尿素水の霧化を促追してＮＯｘ浄化を図ると共に供給通路への尿素の詰まりを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示すＮОｘ浄化装置の全体構成図である。
【図２】図１のＮОｘ浄化装置で実行されるＮОｘ浄化処理のルーチンを示すフローチャートである。
【図３】第１の実施形態で実行される空気供給制御のルーチンを示すフローチャートである。
【図４】目標ＮОｘ浄化率と触媒温度の関係を示す特性線図である。
【図５】本発明の第２の実施形態を示すＮОｘ浄化装置の全体構成図である。
【図６】図５のＮОｘ浄化装置で実行されるＮОｘ浄化処理のルーチンを示すフローチャートである。
【図７】第２の実施形態で実行される空気供給制御のルーチンを示すフローチャートである。
【図８】ＮОｘ浄化処理の別なルーチンを示すフローチャートである。
【図９】空気供給制御の別なルーチンを示すフローチャートである。
【図１０】ＮОｘ触媒のアンモニア吸着量とＮＯｘ浄化率との関係を示す特性線図である。
【図１１】ＮОｘ触媒の触媒温度とアンモニア吸着量との関係を示す特性線図である。
【符号の説明】
１ 内燃機関
２ 排気系
４ 尿素水供給量設定手段
７ 空気供給手段
８，８０ 制御手段
９，９０ 尿素水供給再開推定手段
１０ 車速検出手段
１２ 尿素水供給検出手段
１７ ＮＯｘ触媒
３０ 還元剤供給手段
３１ 供給通路
３１Ａ 上流の供給通路
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ガスが酸素過剰雰囲気下でＮＯｘ浄化作用を有するＮＯｘ触媒を備えた内燃機関のＮОｘ浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
排気ガス中に尿素水を添加して加水分解により発生するアンモニアや直接添加によるアンモニアを、選択還元触媒の還元剤として使用するＮОｘ浄化装置が知られている。このようなＮОｘ浄化装置を、エンジン等の内燃機関を備えた車両に搭載する場合、内燃機関の排気系に排気ガスが酸素過剰雰囲気下でＮＯｘを浄化できる選択還元触媒、所謂ユリアＳＣＲ触媒(以下「ＮОｘ触媒」と称す)を配置し、この触媒の上流側から尿素水あるいはアンモニアを還元剤として排気ガス中に添加してＮОｘ触媒に供給するように構成している。
特に尿素水を還元剤として添加するシステムにおいては、ＮＯｘ触媒上流の排気系に連通する供給通路を介して尿素水を還元剤供給手段から供給するが、排気系を流れる排気ガス中に素早く添加できるように、還元剤供給手段から供給される尿素水の供給部位よりも上流の供給通路に空気供給手段から加圧空気を供給し、供給通路を流れる加圧空気と尿素水とを混合させて添加ノズルで噴霧状にして排気ガス中に添加している。
【０００３】
排気ガス中に尿素水を添加する場合、式（１）のように加水分解及び熱分解されることでアンモニア(ＮＨ３)が生成される。
（ＮＨ２）２ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→２ＮＨ３＋ＣＯ２・・（１）
ＮОｘ触媒上でのアンモニア(ＮＨ３)と窒素酸化物(ＮОｘ)との間の脱硝反応は触媒温度の高低に応じ、すなわち、高温時には主に式（２）、低温時には主に式（３）の反応がそれぞれ行われることが知られている。
４ＮＨ３＋４ＮＯ＋Ｏ２→４Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ・・（２）
２ＮＨ３＋ＮＯ＋ＮＯ２→２Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ・・（３）
このようなアンモニアを還元剤とするＮОｘ触媒は、図１０に実線で示すように、ＮОｘ触媒へのアンモニアの吸着量が多いほどＮＯｘ浄化率が高いため、低温域でＮОｘ触媒の高浄化率を得るにはアンモニア吸着量を高く制御することが好ましい。ＮОｘ触媒に吸着できるアンモニア吸着量には限界があり、図１１に実線Ｌ１で示す吸着限界値は触媒温度に依存している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような尿素水を還元剤として添加するＮОｘ浄化装置においては、尿素水の水分の蒸発により尿素成分が管内に付着して供給通路が詰まるのを防止するのに、尿素水を添加しない場合でも空気供給手段を動作させて加圧空気を供給している。空気供給手段は、単独で駆動源を持つ場合や、エンジンのクランク軸の回転をベルトとプーリ等の駆動伝達手段を用いて伝達されるエンジンを駆動源とする場合がある。このため、尿素水を添加しない場合の空気供給手段の稼動率を抑制することは、車両に搭載された機器の動作による消費電力の低減や燃費の向上を図ろうとする場合に有効な手法となる。しかし、必要以上に空気供給手段の稼働率を抑制してしまうと、尿素成分による供給通路の詰まりを防止することが難しくなる。
本発明は、車両の消費電力の低減や燃費の向上とともにＮОｘ浄化率の向上を図れるＮОｘ浄化装置を提供することを目的とする。
本発明は、ＮОｘ浄化率の向上を図りつつ、尿素成分による供給通路の詰まり防止と車両の消費電力の低減や燃費の向上の両立を達成することが可能なＮОｘ浄化装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる内燃機関のＮОｘ浄化装置は、内燃機関の排気系に設けられ排気ガス中のＮＯｘを選択還元するＮＯｘ触媒と、ＮＯｘ触媒上流の排気系に連通する供給通路を介して尿素水を供給する還元剤供給手段と、還元剤供給手段から供給される尿素水の供給部位より上流の供給通路に加圧空気を供給する空気供給手段と、ＮＯｘ触媒の触媒温度又は触媒温度に相関するパラメータの一つに応じて尿素水の供給量を設定する尿素水供給量設定手段と、尿素水供給量設定手段により設定された尿素水の供給状態に応じて空気供給手段の停止／作動を制御する制御手段とを備えている。このため、尿素水供給量設定手段により設定された尿素水の供給状態に応じて空気供給手段の停止／作動が制御手段で制御される。
【０００６】
制御手段としては、前記尿素水供給量設定手段により設定された尿素水の供給量がゼロのとき、供給量がゼロに設定された後、所定期間経過後に空気供給手段から供給される加圧空気の供給を停止するように、空気供給手段を制御する態様が挙げられる。
【０００７】
空気供給手段としては、還元剤供給手段から供給される尿素水の供給部位より上流の供給通路に、内燃機関により駆動されて加圧空気を供給するものや、単独の駆動源から駆動力を得ることで駆動されて加圧空気を供給する態様が挙げられる。
【０００８】
尿素水供給量設定手段としては、ＮＯｘ触媒の触媒温度又は触媒温度に相関するパラメータに基づきＮＯｘ触媒の温度が設定値未満となったとき、尿素水の供給量をゼロに設定する態様が挙げられる。
尿素水供給量設定手段としては、ＮＯｘ触媒に吸着された還元剤の実吸着量が、ＮＯｘ触媒の触媒温度又は触媒温度に相関するパラメータに基づき予め設定された目標吸着量と所定量以上相違するとき、尿素水の供給量をゼロに設定する態様が挙げられる。
尿素水供給量設定手段としては、ＮＯｘ触媒による実ＮОｘ浄化率が、ＮＯｘ触媒の触媒温度又は触媒温度に相関するパラメータに基づき予め設定された目標ＮОｘ浄化率と所定量以上相違するとき、尿素水の供給量をゼロに設定する態様が挙げられる。
【０００９】
本発明にかかる内燃機関のＮＯｘ浄化装置では、内燃機関が搭載された車両の車速を検出する車速検出手段を備え、制御手段が、車速検出手段により検出された車速が所定値以上のときに、空気供給手段から供給される加圧空気の供給停止を禁止するよう空気供給手段を制御することを特徴とする。このため、車速が所定値以上のときには、加圧空気の供給停止が禁止されて尿素水供給再開に備えた状態となる。
【００１０】
本発明にかかる内燃機関のＮＯｘ浄化装置では、尿素水供給量設定手段により設定された尿素水の供給量がゼロに設定された後に尿素水の供給再開時期を推定する尿素水供給再開推定手段を備え、制御手段が、尿素水供給再開推定手段により推定された尿素水再開時期の所定期間前に空気供給手段から供給される加圧空気の供給を開始するように空気供給手段を制御することを特徴とする。このため、尿素水の供給再開時期の所定期間前に加圧空気供給が再開される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施形態としての内燃機関のＮＯｘ浄化装置を説明する。図１において符号１は、図示しない車両に搭載されたディーゼルエンジン（以後「エンジン」と記す）を示す。エンジン１はエンジン制御装置５によってその出力制御が行われる。エンジン制御装置５は、ここでは、吸気系に配置される周知のエアーフローセンサからの吸気流量や、燃料系から得られる燃料噴射量、燃料噴射量、エンジン回転数等のエンジン運転状態を示す信号を排気系制御部３へ出力している。排気系制御部３及びエンジン制御装置５は、周知のマイクロコンピュータでその主要部が構成されていて、互いに制御系通信回線で相互通信可能に連結されている。
【００１３】
本形態のＮＯｘ浄化装置は、エンジン１の排気マニホールド２５につながり排気系２を構成する排気管２８に設けられて排気ガス２４中のＮＯｘを選択還元するＮＯｘ触媒１７、ＮＯｘ触媒１７上流の排気管２８に連通する供給通路となる噴射管３１を介して尿素水を供給する還元剤供給手段３０、還元剤供給手段３０から供給される尿素水の供給部位より上流の噴射管３１Ａに加圧空気を供給する空気供給手段７、ＮＯｘ触媒１７の触媒温度Ｔｇに応じて尿素水の供給量を設定する尿素水供給量設定手段４、尿素水供給量設定手段４により設定された尿素水の供給状態に応じて空気供給手段７の停止／作動を制御する制御手段８を備えている。排気系制御部３は、尿素水供給量設定手段４と制御手段８とから構成されている。
【００１４】
ＮＯｘ触媒１７は、ハニカム構造の触媒担体に触媒成分を付着させたもの、あるいは触媒成分によってハニカム構造を形成したもので、排気管２８に設けられたＮＯｘ触媒コンバータ２７のケーシング内に収納されている。選択還元触媒であるＮＯｘ触媒１７としては、バナジウム系、白金系、ゼオライト系などがある。ＮＯｘ触媒１７は、アンモニア（ＮＨ３）を吸着して排気ガス２４中のＮＯｘを選択還元するものであり、アンモニア吸着状態において、排気ガス２４中のＮＯｘを雰囲気温度の高低に応じ、即ち、高温時には上述した式（２）、低温時には上述した式（３）の反応を主に行い、アンモニアと窒素酸化物との間の脱硝反応を促進するものである。
【００１５】
ＮОｘ触媒１７には、触媒温度Ｔｇを出力する触媒温度センサ２２が設けられている。触媒温度センサ２２は、ＮＯｘ触媒１７の触媒温度を導出する触媒温度導出手段を構成する。この他、触媒温度に相関するパラメータとなる、例えばエンジン回転数及び燃料噴射量、エンジン運転領域毎の運転時間や外気温を考慮して触媒温度の推定値を演算して触媒温度Ｔｇとして用いても良い。
【００１６】
還元剤供給手段３０は、ＮＯｘ触媒コンバータ２７の上流開口側に向けて尿素水を噴霧して添加する添加ノズル１８と、添加ノズル１８に接続された噴射管３１と、噴射管３１に連結する尿素水供給管３４と、添加用の尿素水を収容した尿素水タンク３５と、尿素水タンク３５内の尿素水を尿素水供給管３４から噴射管３１へと圧送するポンプ３６と、噴射管３１への尿素水の流量を調整する電磁式の流量調整弁３７とを備えている。添加ノズル１８は、排気マニホールド２５直後の排気管２８に装着されたＮОｘ検出手段としての前ＮОｘセンサ１９とＮОｘ触媒１７との間の排気管２８に装着されている。本形態において、流量調整弁３７の近傍には、流量調整弁３７の動作の有無を検出して尿素水の供給の有無を検出する尿素水供給検出手段としてのセンサ１２が装着されている。これらセンサ１２、ポンプ３６及び流量調整弁３７は、制御手段８に信号線でそれぞれ接続されている。
【００１７】
空気供給手段７は、噴射管３１Ａの上流端に連結されたエアタンク３２と、噴射管３１への加圧空気供給を制御する電磁式の開閉弁３３と、エンジン１からの駆動力がベルトとプーリで構成された周知の駆動伝達系３９Ａを介して伝達されることで回転駆動するエアコンプレッサ３８と、エンジン１からエアコンプレッサ３８への駆動力の連断を行う電磁式のコンプレッサクラッチ３９とを備えている。エアコンプレッサ３８とエアタンク３２とは、エア配管３８Ａで連通されている。開閉弁３３とコンプレッサクラッチ３９とは、信号線で制御手段８にそれぞれ接続されている。
【００１８】
コンプレッサクラッチ３９は、制御手段８でオンされるとエンジン１からエアコンプレッサ３８へ駆動力の伝達を行い、オフされるとエンジン１からエアコンプレッサ３８への駆動力の伝達を断つように機能する。エアタンク３２には、タンク内圧が所定圧以上になると開弁する図示しないリリーフ弁と、周知の圧力センサが設けられている。圧力センサは、タンク内圧を検出するもので、その検出値を制御手段８に出力している。
【００１９】
前ＮОｘセンサ１９は、ＮＯｘ触媒１７の上流側のＮＯｘ濃度Ｓｎｏｘｆを検出するものである。ＮＯｘ触媒１７の下流側の排気管２８には、ＮОｘ触媒１７の下流側のＮＯｘ濃度Ｓｎｏｘｒを検出するＮОｘ検出手段として後ＮОｘセンサ２６が配設されている。各ＮОｘセンサ１９，２６からのＮＯｘ濃度Ｓｎｏｘｆ、Ｓｎｏｘｒは、後述の実ＮＯｘ浄化率導出手段４４に出力される。
【００２０】
尿素水供給量設定手段４は、還元剤供給手段３０による尿素水の基本添加量Ｄｕｒｅａを導出する基本添加量導出手段４２と触媒温度Ｔｇに基づき目標ＮＯｘ浄化率Ｍηを導出する目標ＮＯｘ浄化率導出手段４３、ＮＯｘ触媒１７による実ＮＯｘ浄化率ηを導出する実ＮＯｘ浄化率導出手段４４とを備えている。
【００２１】
目標ＮОｘ浄化率導出手段４３は、図４に示すような、触媒温度Ｔｇによって定められる目標ＮОｘ浄化率Ｍηのマップから触媒温度Ｔｇに相関する目標ＮＯｘ浄化率Ｍηを導出する。目標ＮＯｘ浄化率Ｍηは、図１１に実線Ｌ１で示す吸着限界値よりも低い値、例えば図１１に破線Ｌ２で示す吸着限界値Ｌ１の１／２の値のアンモニア吸着量に対応して得られる浄化率として設定されている。
【００２２】
基本添加量導出手段４２は、図１１に破線Ｌ２で示すＮОｘ触媒１７でのアンモニア吸着量を充たすように、式（１）の尿素水から得られるアンモニア量の関係を考慮してエンジン運転状態に応じて予め設定された尿素水の基本添加量マップを有し、触媒温度Ｔｇに応じて適宜尿素水の基本添加量Ｄｕｒｅａを選択する。
【００２３】
実ＮＯｘ浄化率導出手段４４は、各ＮＯｘＮОｘセンサ１９，２６からのＮＯｘ濃度Ｓｎｏｘｆ、Ｓｎｏｘｒを、Ｓｎｏｘｆ−Ｓｎｏｘｒとする差分処理し、さらにその値をＳｎｏｘｆで除算して実ＮＯｘ浄化率ηを算出する演算回路である。尿素水供給量設定手段４は、これら各構成要素から得られる情報から尿素水の供給量Ｄｕｒｅａ(ｎ)を求める。
【００２４】
制御手段８は、コンピュータからその要部が構成されていて、尿素水供給量設定手段４により設定された尿素水の供給量がゼロのとき、供給量がゼロに設定された後の所定期間経過後に空気供給手段７から供給される加圧空気の供給を停止するように空気供給手段７を制御する。本形態では、コンプレッサクラッチ３９をオフしてエンジン１からエアコンプレッサ３８への駆動力を切断するように制御する。この制御手段８は、尿素水供給量設定手段４により設定された尿素水の供給量がゼロに設定された後に尿素水の供給再開時期を推定する尿素水供給再開推定手段９を備えている。制御手段８は、尿素水供給再開推定手段９により推定された尿素水再開時期の所定期間前に空気供給手段７から供給される加圧空気の供給を開始すべく、コンプレッサクラッチ３９をオンしてエンジン１からエアコンプレッサ３８へ駆動力を伝達するように制御する。制御手段８は、エアタンク３２のタンク内圧が所定圧となるように、図示しない圧力センサからの出力値をモニタリングしていて、タンク内圧が所定圧を下回ると、コンプレッサクラッチ３９をオンしてエアコンプレッサ３８を駆動し、エアタンク３２にエア供給を行うように制御している。本形態では、コンプレッサクラッチ３９のオン／オフ制御を行って加圧空気の供給制御をしているが、開閉弁３３の開閉制御も同時に行っても良い。
【００２５】
本形態において、制御手段８は、還元剤供給手段３０による尿素水の添加を実行すべく、開閉弁３３、ポンプ３６及び流量調整弁３７の駆動を制御する機能を備えている。本形態では、開閉弁３３の開度とポンプ３６の回転数とを一定とし、尿素水供給量設定手段４で設けられる尿素水の供給量Ｄｕｒｅａ(ｎ)に応じて流量調整弁３７の開度または開弁期間を調整制御する。流量調整弁３７の開閉による形態ではなく、開閉弁３３の開度調整やポンプ３６の回転数制御、あるいはこれらの複合制御により実行する形態としてもよい。尿素水供給量設定手段４は、基本添加量Ｄｕｒｅａに対して加減算するための補正量を図示しないマップ情報として予め図示しないメモリー内に記憶されている。
【００２６】
次に、ＮＯｘ浄化装置によるＮОｘ浄化制御を図２のＮＯｘ浄化処理ルーチンに沿って、空気供給制御を図３に示す空気供給制御ルーチンに沿ってそれぞれ説明する。
【００２７】
ＮＯｘ浄化装置を搭載した図示しない車両のエンジン１の駆動時において、エンジン制御装置５はエンジン駆動に関する各種制御系のセンサ類が正常か否かの自己チェック結果が正常であったか否かを確認し、正常（ＯＫ）では上述の関連センサの各入力値に応じて周知の燃料噴射系、燃料供給系に制御信号を送出し、制御を実行し、その際得られたセンサ出力等を排気系制御部３にも送信する。 排気系制御部３は、エンジンキーのオンと同時に図２のＮＯｘ浄化処理ルーチンによるＮＯｘ浄化処理制御を所定制御サイクル毎に繰り返すと共に、図３に示す空気供給制御ルーチンを割り込み処理する。
【００２８】
図２のＮＯｘ浄化処理ルーチンでは、ステップＡ１でエンジン始動中であるかをイグニッションキーのオン情報で確認し、ステップＡ２で触媒温度Ｔｇ、ＮＯｘ濃度Ｓｎｏｘｆ,Ｓｎｏｘｒ、その他のデータを取込む。ステップＡ３では、触媒温度Ｔｇが所定温度Ｔｇ０以上か否かを判定し、触媒温度Ｔｇが所定温度Ｔｇ０以上のとき、ステップＡ４に進み、所定温度Ｔｇ０未満では後述するステップＡ８に進む。
【００２９】
ステップＡ４では、還元剤供給手段３０のポンプ３６を駆動し、空気供給手段７のコンプレッサクラッチ３９をオンすると共にエアタンク３２の開閉弁３３を開作動させてステップＡ５に進む。ステップＡ５では、ＮＯｘ濃度Ｓｎｏｘｆ,Ｓｎｏｘｒを用いて実ＮОｘ浄化率ηを、触媒温度Ｔｇに基づいてＮОｘ触媒１７に新たに吸着すべきアンモニア量を得るのに必要な尿素水の基本添加量Ｄｕｒｅａをそれぞれ演算すると共に、触媒温度Ｔｇに基づいて目標ＮОｘ浄化率Ｍηを目標ＮОｘ浄化率導出手段４３であるマップより演算してステップＡ６に進む。
【００３０】
ステップＡ６では、目標ＮОｘ浄化率Ｍηと実ＮОｘ浄化率ηとを差分処理して両者の間の浄化率差Ｇηを算出してステップＡ７に進む。ステップ７では、制御手段８に予め設定された浄化率の許容幅となる所定量Ｚηと浄化率差Ｇηとの比較して、浄化率差Ｇηが所定量Ｚηを超えていない場合、すなわち、実ＮОｘ浄化率ηが目標ＮОｘ浄化率Ｍηと所定量以上相違しないときは、ＮОｘ触媒１７へのアンモニア供給、すなわち尿素水の添加が可能であるとしてステップＡ１０に進み尿素水の基本添加量Ｄｕｒｅａを補正して実添加量Ｄｕｒｅａ(ｎ)を決定し、ステップＡ１１に進む。ステップＡ１１では、実ＮОｘ浄化率ηと目標ＮОｘ浄化率Ｍηとの比較結果に応じて補正された実添加量Ｄｕｒｅａ(ｎ)に相当する尿素水量を添加できるように、還元剤供給手段３０の流量調整弁３７の開度または開弁期間を駆動制御して制御サイクルを終了する。
【００３１】
ステップＡ７での比較結果が、浄化率差Ｇηが所定量Ｚηを超えている場合、すなわち、実ＮОｘ浄化率ηが目標ＮОｘ浄化率Ｍηと所定量以上相違するときは、ＮОｘ触媒１７上に対するアンモニア供給が過剰であると見做してステップＡ８に進む。ステップＡ８では、尿素水の供給量をゼロに設定してステップＡ９に進み、ステップＡ９では、尿素水の添加供給を停止すべく還元剤供給手段３０の流量調整弁３７を閉状態に駆動制御して制御サイクルを終了する。
【００３２】
このように、実ＮОｘ浄化率ηが目標ＮОｘ浄化率Ｍηと所定量以上相違しない場合には、基本添加量Ｄｕｒｅａが補正され、流量調整弁３７が補正された相当の開度に保持または所定期間開弁されて、尿素水タンク３５からポンプ３６により尿素水供給管３４に圧送されている尿素水の流量が調整され、尿素水が噴射管３１の加圧空気と混合されて添加ノズル１８より排気管２８に供給される。よって、ＮＯｘ排出量の還元に必要なアンモニア吸着量となるように適量の尿素水をＮОｘ触媒１７へ供給して、尿素水が加水分解及び熱分解することで生成したアンモニアをＮОｘ触媒１７に吸着させることができる。また、実ＮОｘ浄化率ηが目標ＮОｘ浄化率Ｍηと所定量以上相違するときはＮОｘ触媒１７に対する尿素水供給を停止すべく添加量をゼロとして流量調整弁３７を閉じ尿素水の添加を停止する制御を行うので、アンモニアスリップの発生を効果的に抑制することができる。
【００３３】
図３の空気供給制御ルーチンは、ステップＢ１において、図２のステップＡ８で尿素水の添加量の状態を判断し、添加量がゼロ設定されている場合にのみステップＢ２に進む。ステップＢ２では、尿素水添加が停止してからの時間をタイマ１１で計測してステップＢ３に進む。ステップＢ３では、タイマ１１での計測時間が制御手段８に予め設定された所定時間を経過したか否かを判断し、所定時間経過するとステップＢ４に進む。所定時間は、噴射管３１内に付着する尿素成分を十分に除去排出できる期間として設定されている。
【００３４】
ステップＢ４では、タイマ１１の計測を終了(リセット)してステップＢ５に進み、コンプレッサクラッチ３９をオフする。このため、尿素水の供給停止後、所定時間経過すると、エンジン１からエアコンプレッサ３８への駆動力の伝達が断たれるので、尿素水を添加しないときのエアコンプレッサ３８の稼働率を低減することができ、本形態の場合では燃費の向上につながる。
【００３５】
このような制御形態でも当初の目的は達成されるが、本形態の空気供給制御ルーチンでは、さらに次のステップへと続く。ステップＢ６では、尿素水供給再開推定手段９により供給再開推定時期を推定してステップＢ７に進む。ステップＢ７では、推定した供給再開時期の所定期間前か否かを判断し、供給再開時期の所定期間前になると、コンプレッサクラッチ３９をオンして噴射管３１への加圧空気の供給を再開してこの制御を終える。
【００３６】
このように尿素水供給再開推定手段９で推定した供給再開推定時期の所定期間前になると、コンプレッサクラッチ３９をオンして噴射管３１への加圧空気の供給を再開するので、尿素水の添加時に際して事前に加圧空気が噴射管３１内を流れることとなり、噴射管３１内での尿素水の管内壁面付着を抑制しながら、尿素水の霧化を促進することができ、再開初期から良好なＮОｘ浄化率を得ることができる。
【００３７】
尿素水供給再開推定手段９は、ＮОｘの排出量増大が見込まれる予想エンジン運転領域をエンジン回転数やアクセル開度や排気ガス温度などから予めマップデータとして制御手段８に記憶しておき、ステップＢ５でコンプレッサクラッチ３９をオフしてからの実運転領域をエンジン回転数やアクセル開度や排気ガス温度などから判別し、現在の運転領域と予想エンジン運転領域へ移行するまでの時間を推定すると共にタイマ１１で計測を開始し、この推定時間に対して一定の割合の時間を所定時間とし、この時間となるとコンプレッサクラッチ３９をオン制御することで達成することができる。例えば、コンプレッサクラッチ３９をオフした時からのアクセル開度の変化を周知のスロットル開度センサで検出して記憶し、前回のアクセル開度に対する今回のアクセル開度の変化率が、所定割合上昇変化した場合には予想エンジン運転領域へ向かってするものとし、変化率に基づき予想エンジン運転領域へ移行するまでの時間を推定する。
【００３８】
この推定時間に対する所定時間を制御手段８に設定してタイマ１１で計測を開始し、タイマ１１による計測値が所定時間となると、コンプレッサクラッチ３９をオン制御する。実エンジン運転領域や予想エンジン運転領域を求めるパラメータとしては、上記の要素に限定されるものではなく、触媒温度（排気ガス温度）Ｔｇ、前ＮОｘセンサ１９で検出されるＮＯｘ濃度Ｓｎｏｘｆや排気ガス流量Ｇであってもよい。この場合にはＮＯｘ濃度Ｓｎｏｘｆや排気ガス流量Ｇから各運転領域を求め、これら触媒温度（排気ガス温度）Ｔｇ、ＮＯｘ濃度Ｓｎｏｘｆや排気ガス流量Ｇの変化率に応じて供給再開推定時期を決定すればよい。
【００３９】
図５を用いて、本発明の第２の実施形態としての内燃機関のＮＯｘ浄化装置を説明する。この形態におけるＮＯｘ浄化装置は、排気系制御部１３０の構成が第１の実施形態における排気系制御部３の構成と異なっている以外は、基本的に同一構成である。よって、図１に示す第１の実施形態と同一機能をする構成には、同一符号を付すに留め、詳細な説明は省略する。
【００４０】
排気系制御部１３０は、制御手段８０と、尿素水供給量設定手段１４０とを備えている。尿素水供給量設定手段１４０は、ＮＯｘ触媒１７による実ＮＯｘ浄化率ηを導出する実ＮＯｘ浄化率導出手段１４４、ＮＯｘ触媒１７に対するアンモニアの目標吸着量ＭＮＨ３を設定する目標吸着量設定手段１５０、エンジン１から排出されるＮＯｘ排出量としてＮОｘ質量流量Ｕｎｏｘを推定するＮＯｘ排出量導出手段１５１、ＮＯｘ排出量導出手段１５１により推定されたＮОｘ質量流量Ｕｎｏｘと実ＮＯｘ浄化率導出手段４４により導出された実ＮＯｘ浄化率ηとに基づいてＮＯｘ触媒１７に吸着されたアンモニアの消費量ｆ(η,Ｕｎｏｘ)を導出する消費量導出手段１５２、還元剤供給手段３０による尿素水の添加量Ｄｕｒｅａから算出されるアンモニア量及び消費量導出手段１５２により導出されたアンモニアの消費量ｆ(η,Ｕｎｏｘ)に応じてＮＯｘ触媒１７に吸着されたアンモニアの実吸着量ＳＮＨ３(ｎ)を導出する吸着量導出手段１５３、還元剤供給手段３０による尿素水の基本添加量Ｄｕｒｅａを導出する基本添加量導出手段１５４、還元剤供給手段３０と空気供給手段７の双方を制御する制御手段８０を備えている。
【００４１】
ＮＯｘ排出量導出手段１５１は、前ＮОｘセンサ１９で検出されるＮОｘ触媒１７の上流側のＮＯｘ濃度Ｓｎｏｘｆと、エンジン１から排出される排気ガス排出量に相当するエンジン制御装置５からの排気ガス流量Ｇとに基づき、ＮＯｘ質量流量Ｕｎｏｘを導出するものである。
【００４２】
実ＮＯｘ浄化率導出手段１４４は、各ＮОｘセンサ１９，２６からのＮＯｘ濃度Ｓｎｏｘｆ、Ｓｎｏｘｒを、Ｓｎｏｘｆ−Ｓｎｏｘｒとする差分処理し、さらにその値をＳｎｏｘｆで除算して実ＮＯｘ浄化率(η)を算出する演算回路であり、算出した実ＮＯｘ浄化率(η)を消費量導出手段１５２に出力する。消費量導出手段１５２は、ＮＯｘ質量流量Ｕｎｏｘと実ＮＯｘ浄化率(η)とからアンモニア消費量ｆ(η,Ｕｎｏｘ)を算出する演算部である。
【００４３】
目標吸着量設定手段１５０は触媒温度検出手段（触媒温度センサ２２）により検出又は推定された触媒温度Ｔｇに応じてＮＯｘ触媒１７に吸着されるアンモニアの目標吸着量ＭＮＨ３を設定するマップである。目標吸着量ＭＮＨ３は、図１１に破線Ｌ２で示すように、実線Ｌ１で示す吸着限界値よりも低い値、例えば吸着限界値Ｌ１の１／２の値とされており、触媒温度Ｔｇが高くなる程にその値を低減するように設定されている。目標吸着量ＭＮＨ３としては、吸着限界値Ｌ１の１／２の値に限定されるものではなく、吸着限界値Ｌ１よりも低い値であれば他の値を選択しても良い。
【００４４】
基本添加量導出手段１５４は、図１１に破線Ｌ２で示すＮОｘ触媒１７でのアンモニア吸着量を充たすように、上述の式（１）の尿素水から得られるアンモニア量の関係を考慮して、エンジン運転状態に応じて予め設定された尿素水の基本添加量マップを有し、触媒温度Ｔｇに応じて適宜尿素水の基本添加量Ｄｕｒｅａを選択して吸着量導出手段１５３に出力する。尿素水供給量設定手段１４０は、基本添加量Ｄｕｒｅａを補正するための補正量を図示しないマップ情報として予め図示しないメモリー内に記憶されている。
【００４５】
吸着量導出手段１５３は、前回導出された実吸着量ＳＮＨ３(ｎ−１)、基本添加量導出手段１５４により導出された尿素水の基本添加量Ｄｕｒｅａ、及び今回導出されたアンモニア消費量ｆ(η,Ｕｎｏｘ)に基づきＮОｘ触媒１７における推定の実吸着量ＳＮＨ３(ｎ)を、下記の式（４）によって導出する演算回路である。この場合、補正前の吸着量ＳＮＨ３（ｎ−１）を式（４）に設定することで、実吸着量ＳＮＨ３(ｎ)に対する誤差要因を低減してより精度の高い実吸着量ＳＮＨ３(ｎ)の演算を図っている。
ＳＮＨ３（ｎ）＝ＳＮＨ３（ｎ−１）＋Ｄｕｒｅａ−ｆ（η×Ｕｎｏｘ）・・・・（４）
制御手段８０は、コンピュータからその要部が構成されていて、尿素水供給量設定手段１４０により設定された尿素水の供給量がゼロのとき、供給量がゼロに設定された後の所定期間経過後に空気供給手段７から供給される加圧空気の供給を停止するように空気供給手段７を制御する。本形態では、コンプレッサクラッチ３９をオフしてエンジン１からエアコンプレッサ３８への駆動力を切断するように制御する。この制御手段８０は、尿素水供給量設定手段１４０により設定された尿素水の供給量がゼロに設定された後に、車速センサ１０により検出された車速Ｖが所定値としての所定車速Ｖ１以上のときに、空気供給手段７から供給される加圧空気の供給停止を禁止すべく、コンプレッサクラッチ３９をオンしてエンジン１からエアコンプレッサ３８へ駆動力を伝達するように制御する。
【００４６】
制御手段８０は、エアタンク３２のタンク内圧が所定圧となるように、図示しない圧力センサからの出力値をモニタリングしていて、タンク内圧が所定圧を下回ると、コンプレッサクラッチ３９をオンしてエアコンプレッサ３８を駆動し、エアタンク３２にエア供給を行うように制御している。本形態では、コンプレッサクラッチ３９のオン／オフ制御を行って加圧空気の供給制御をしているが、開閉弁３３の開閉制御も同時に行っても良い。所定速度Ｖ１は、制御手段８０に予め記憶されている。所定速度Ｖ１とは、その速度の直後に尿素水の再供給の必要がある、触媒温度Ｔｇあるいは高排気ガス温度の運転状態に移行する可能性の高い速度である。
【００４７】
制御手段８０は、還元剤供給手段３０による尿素水の添加を実行すべく、開閉弁３３、ポンプ３６及び流量調整弁３７の駆動を制御する機能を備えている。本形態では、開閉弁３３の開度とポンプ３６の回転数とを一定とし、尿素水供給量設定手段４で設けられる尿素水の供給量Ｄｕｒｅａ(ｎ)に応じて流量調整弁３７の開度または開弁期間を調整制御する。流量調整弁３７の開閉による形態ではなく、開閉弁３３の開度調整やポンプ３６の回転数制御、あるいはこれらの複合制御により実行する形態としてもよい。
【００４８】
次に、ＮＯｘ浄化装置によるＮОｘ制御処理を図６のＮＯｘ浄化処理ルーチンに沿って、空気供給制御を図７に示す空気供給制御ルーチンに沿ってそれぞれ説明する。
【００４９】
ＮＯｘ浄化装置を搭載した図示しない車両のエンジン１の駆動時において、エンジン制御装置５は複数の制御系、例えば、燃料噴射系、燃料供給系等で適宜実行されている関連機器、センサ類が正常か否かの自己チェック結果が正常であったか否かを確認し、正常（ＯＫ）では上述の各センサの各入力値に応じて上記の燃料噴射系、燃料供給系に制御信号を送出して制御を実行し、その際得られたセンサ出力等を排気系制御装置１３０にも送信する。
【００５０】
排気系制御部１３０は、エンジンキーのオンと同時に図６のＮＯｘ浄化処理ルーチンのＮＯｘ浄化処理制御を所定制御サイクル毎に繰り返す。ステップＣ１でエンジン始動中であるかをイグニッションキーのオン情報で確認し、ステップＣ２で触媒温度Ｔｇ、排気ガス流量Ｇ、ＮＯｘ濃度Ｓｎｏｘｆ,Ｓｎｏｘｒ、前回吸着量ＳＮＨ３（ｎ−１）、その他のデータを取込む。ステップＣ３では、触媒温度Ｔｇが所定温度Ｔｇ０以上か否かを判定し、触媒温度Ｔｇが所定温度Ｔｇ０以上のとき、ステップＣ４に進み、所定温度Ｔｇ０未満では後述するステップＣ９に進む。
【００５１】
ステップＣ４では還元剤供給手段３０のポンプ３６を駆動し、空気供給手段７のコンプレッサクラッチ３９をオンすると共にエアタンク３２の開閉弁３３を開作動させてステップＣ５に進む。ステップＣ５では、排気ガス流量ＧとＮОｘ濃度Ｓｎｏｘｆを用いてＮОｘ質量流量Ｕｎｏｘを、ＮＯｘ濃度Ｓｎｏｘｆ,Ｓｎｏｘｒを用いて実ＮОｘ浄化率ηをそれぞれ求めると共に、触媒温度Ｔｇに基づいて、ＮОｘ触媒１７に新たな吸着すべきアンモニア量を得るのに必要な尿素水のアンモニアの基本添加量Ｄｕｒｅａを基本添加量導出手段１５４のマップより演算し、触媒温度Ｔｇ相当の目標吸着量ＭＮＨ３を目標吸着量設定手段１５０であるマップより演算してステップＣ６に進む。
【００５２】
ステップＣ６では、ＮОｘ質量流量Ｕｎｏｘと実ＮОｘ浄化率ηとに基づきアンモニアの消費量ｆ（η,Ｕｎｏｘ）を導出してステップＣ７に進み、ステップＣ７で、式（４）を用いてアンモニアの実吸着量ＳＮＨ３（ｎ）を演算して導出してステップＣ８に進む。
【００５３】
ステップＣ８では、目標吸着量ＭＮＨ３と実吸着量ＳＮＨ３（ｎ）とを差分処理して両者の間の吸着差ＧＮＨ３を算出してステップＣ９に進む。ステップＣ９では、制御手段８０に予め設定された吸着率の許容幅となる所定量ＺＮＨ３と吸着差ＧＮＨ３との比較して、吸着差ＧＮＨ３が所定量ＺＮＨ３を超えていない場合、すなわち、実吸着量ＳＮＨ３（ｎ）が目標吸着量ＭＮＨ３と所定量以上相違しなしときは、ＮОｘ触媒１７へのアンモニア供給、すなわち尿素水の添加が可能であるとしてステップＣ１２に進みアンモニアの基本添加量Ｄｕｒｅａを補正して実添加量Ｄｕｒｅａ(ｎ)を決定し、ステップＣ１３に進む。ステップＣ１３では、実吸着量ＳＮＨ３（ｎ）と目標吸着量ＭＮＨ３との比較結果に応じて補正された実添加量Ｄｕｒｅａ(ｎ)量に相当する尿素水量を添加できるように、還元剤供給手段３０の流量調整弁３７の開度または開弁期間を駆動制御して制御サイクルを終了する。
【００５４】
ステップＣ９での比較結果、吸着差ＧＮＨ３が所定量所定量ＺＮＨ３を超えている場合、すなわち、実吸着量ＳＮＨ３（ｎ）が目標吸着量ＭＮＨ３と所定量以上相違するときは、ＮОｘ触媒１７上に対するアンモニア供給が過剰であると見做してステップＣ１０に進む。ステップＣ１０では尿素水の供給量をゼロに設定してステップＣ１１に進み、ステップＣ１１で尿素水の添加供給を停止すべく還元剤供給手段３０の流量調整弁３７を閉状態に駆動制御して制御サイクルを終了する。
【００５５】
このように、実吸着量ＳＮＨ３（ｎ）が目標吸着量ＭＮＨ３と所定量以上相違しない場合には、基本添加量Ｄｕｒｅａが補正され、流量調整弁３７が補正された相当の開度に保持または所定期間開弁されて、尿素水タンク３５からポンプ３６により尿素水供給管３４に圧送されている尿素水の流量が調整され、尿素水が噴射管３１の加圧空気と混合されて添加ノズル１８より排気管２８に供給される。よって、ＮＯｘ排出量の還元に必要なアンモニア吸着量となるように適量の尿素水をＮОｘ触媒１７へ供給して、尿素水が加水分解及び熱分解することで生成したアンモニアをＮОｘ触媒１７に吸着させることができる。
【００５６】
実吸着量ＳＮＨ３（ｎ）が目標吸着量ＭＮＨ３と所定量以上相違する場合には、ＮОｘ触媒１７に対する尿素水供給を停止すべく添加量をゼロとして流量調整弁３７を閉じ尿素水の添加を停止する制御を行うので、アンモニアスリップの発生を効果的に抑制することができる。また、尿素水の添加をしない場合でも、コンプレッサクラッチ３９をオン状態とし、開閉弁３２を開状態としているので、噴射管３１にはエアタンク３２から加圧空気が供給された状態となり、尿素成分の付着による噴射管３１の詰まりを防止することができる。
【００５７】
図７の空気供給制御ルーチンは、ステップＤ１において、図６のステップＣ１０での尿素水の添加量の状態を判断し、添加量がゼロ設定されている場合にのみステップＤ２に進む。ステップＤ２では、尿素水添加が停止してからの時間をタイマ１１で計測してステップＤ３に進む。ステップＤ３では、タイマ１１での計測時間が制御手段８０に予め設定された所定時間を経過したか否かを判断し、所定時間経過するとステップＤ４に進む。
【００５８】
ステップＤ４では、タイマ１１の計測を終了(リセット)してステップＤ５に進み、コンプレッサクラッチ３９をオフする。このため、尿素水の供給停止後、所定時間経過すると、エンジン１からエアコンプレッサ３８への駆動力の伝達が断たれるので、尿素水を添加しないときのエアコンプレッサ３８の稼働率を低減することができ、本形態の場合では燃費の向上につながる。
【００５９】
このような制御形態でも当初の目的は達成されるが、本形態の空気供給制御ルーチンでは、さらに次のステップへと続く。ステップＤ６では車速センサ１０からの車速Ｖを取り込み、ステップＤ７において、車速Ｖが所定値となる所定速度Ｖ１以上であるか否かを判断する。判断結果、車速Ｖが所定速度Ｖ１以上となると、コンプレッサクラッチ３９をオンして噴射管３１への加圧空気の供給を再開してこの制御を終える。
【００６０】
このように車速Ｖが、尿素水の再供給の必要がある運転状態に移行する可能性の高い速度である所定速度Ｖ１以上となると、コンプレッサクラッチ３９をオンして噴射管３１への加圧空気の供給を再開するので、尿素水再供給の必要のある運転状態へ移行して尿素水が添加される際には、既に加圧空気が噴射管３１内に供給されることになり、還元剤供給手段３０から供給された尿素水の、噴射管３１の管内壁面付着を抑制しながら、尿素水の霧化を促進することができ、再開初期から良好なＮОｘ浄化率を得ることができる。
【００６１】
図８は、ＮＯｘ浄化装置によるＮОｘ制御処理を行うＮＯｘ浄化処理ルーチンの別な形態を示す。このＮОｘ制御処理では、尿素水の供給量をゼロに設定するに際し、ＮＯｘ触媒１７の触媒温度Ｔｇのみをパラメータとしたものである。
【００６２】
図８に示すＮＯｘ浄化処理ルーチンは、エンジンキーのオンと同時にＮＯｘ浄化処理制御を所定制御サイクル毎に繰り返す。図８においてステップＥ１でエンジン始動中であるかをイグニッションキーのオン情報で確認し、ステップＥ２で触媒温度ＴｇとＮＯｘ濃度Ｓｎｏｘｆ,Ｓｎｏｘｒを取込み、ステップＥ３に進む。
【００６３】
ステップＥ３では還元剤供給手段３０のポンプ３６を駆動し、空気供給手段７のコンプレッサクラッチ３９をオンすると共にエアタンク３２の開閉弁３３を開作動させてステップＥ４に進む。ステップＥ４では、触媒温度Ｔｇに基づいてＮОｘ触媒１７に新たな吸着すべきアンモニア量を得るのに必要な基本添加量Ｄｕｒｅａを基本添加量導出手段４２あるいは基本添加量導出手段１５４のマップより演算してステップＥ５に進む。
【００６４】
ステップＥ５では、予め制御手段８または制御手段８０に記憶した所定値となる所定温度ＭＴｇと触媒温度Ｔｇとを比較して、触媒温度Ｔｇが所定温度未満の場合には、ＮОｘ触媒１７の温度がアンモニアを十分に吸着し得る温度(図１１参照)であるが、ＮＯｘ浄化率が低く（図４参照）アンモニア消費量が少ないため、尿素水の供給は不要であるものとしてステップＥ６に進む。ステップＥ６では尿素水の供給量をゼロに設定してステップＥ７に進み、ステップＥ７で尿素水の添加供給を停止すべく還元剤供給手段３０の流量調整弁３７を閉状態に駆動制御して制御サイクルを終了する。
【００６５】
触媒温度Ｔｇが所定温度を超えている場合には、ＮＯｘ浄化率が高くアンモニア消費量が多く、ＮОｘ触媒１７でのアンモニア吸着量が減少しているものとして、ＮОｘ触媒１７へのアンモニア供給、すなわち尿素水の添加が可能であるとしてステップＥ８に進み尿素水の基本添加量Ｄｕｒｅａを補正して実添加量Ｄｕｒｅａ(ｎ)を決定し、ステップＥ９に進む。ステップＥ９では、実添加量Ｄｕｒｅａ(ｎ)に相当する尿素水量を添加できるように、還元剤供給手段３０の流量調整弁３７の開度または開弁期間を駆動制御して制御サイクルを終了する。
【００６６】
本ＮОｘ浄化処理ルーチンのように、ＮОｘ触媒１７におけるアンモニア吸着量と触媒温度Ｔｇとの関係に着目し、触媒温度Ｔｇから予測されるアンモニア吸着量に応じて尿素水の添加の有無を行う制御してもよい。
【００６７】
図９は、ＮＯｘ浄化装置による空気供給制御を行う空気供給制御ルーチンの別な形態を示す。図９のステップＦ１では、尿素水の供給が検出されたか否かを判断する。例えば、図２、図６、図８に示すＮОｘ浄化処理ルーチンの実行最中に流量調整弁３７の動作の有無を検出センサ１２からの出力の有無で判断し、センサ１２から出力がある場合には尿素水供給があるものとてして、コンプレッサクラッチ３９をオンし、センサ１２から出力がない場合には尿素水供給がないものとしてコンプレッサクラッチ３９をオフする。このように、流量調整弁３７の動作の有無に応じてコンプレッサクラッチ３９を制御すれば、簡素な構成で駆動力損失を低減することができる。
【００６８】
第１の実施形態で用いた図３に示す空気供給制御ルーチンと第２の実施形態で用いた図７に示す空気供給制御ルーチンは、それぞれ入れ替えて用いても良い。
【００６９】
【発明の効果】
本発明によれば、尿素水供給量設定手段により設定された尿素水の供給状態に応じて空気供給手段の停止／作動が制御手段で制御されるので、尿素水供給停止時に不要な加圧空気の供給を停止することにより駆動力損失を低減して、車両の消費電力の低減や、燃費とＮＯｘ浄化率の向上を図ることができる。
本発明によれば、車速が所定値以上のときには、加圧空気の供給停止が禁止されて尿素水供給再開に備えた状態となるので、車両が再度尿素水供給の触媒温度、あるいは高排気温度の運転状態に移行した場合でも、尿素水の再添加を迅速に行え、車両の消費電力の低減や、燃費とＮＯｘ浄化率の向上を図ることができる。
本発明によれば、尿素水の供給再開時期の所定期間前に加圧空気供給が再開されるので、尿素水の霧化を促追してＮＯｘ浄化を図ると共に供給通路への尿素の詰まりを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示すＮОｘ浄化装置の全体構成図である。
【図２】図１のＮОｘ浄化装置で実行されるＮОｘ浄化処理のルーチンを示すフローチャートである。
【図３】第１の実施形態で実行される空気供給制御のルーチンを示すフローチャートである。
【図４】目標ＮОｘ浄化率と触媒温度の関係を示す特性線図である。
【図５】本発明の第２の実施形態を示すＮОｘ浄化装置の全体構成図である。
【図６】図５のＮОｘ浄化装置で実行されるＮОｘ浄化処理のルーチンを示すフローチャートである。
【図７】第２の実施形態で実行される空気供給制御のルーチンを示すフローチャートである。
【図８】ＮОｘ浄化処理の別なルーチンを示すフローチャートである。
【図９】空気供給制御の別なルーチンを示すフローチャートである。
【図１０】ＮОｘ触媒のアンモニア吸着量とＮＯｘ浄化率との関係を示す特性線図である。
【図１１】ＮОｘ触媒の触媒温度とアンモニア吸着量との関係を示す特性線図である。
【符号の説明】
１ 内燃機関
２ 排気系
４ 尿素水供給量設定手段
７ 空気供給手段
８，８０ 制御手段
９，９０ 尿素水供給再開推定手段
１０ 車速検出手段
１２ 尿素水供給検出手段
１７ ＮＯｘ触媒
３０ 還元剤供給手段
３１ 供給通路
３１Ａ 上流の供給通路
Claims (2)
- 内燃機関の排気系に設けられ排気ガス中のＮＯｘを選択還元するＮＯｘ触媒と、
前記ＮＯｘ触媒上流の前記排気系に連通する供給通路を介して尿素水を供給する還元剤供給手段と、
前記還元剤供給手段から供給される尿素水の供給部位より上流の前記供給通路に加圧空気を供給する空気供給手段と、
前記ＮＯｘ触媒の触媒温度又は触媒温度に相関するパラメータの一つに応じて尿素水の供給量を設定する尿素水供給量設定手段と、
前記内燃機関が搭載された車両の車速を検出する車速検出手段と、
前記尿素水供給量設定手段により設定された尿素水の供給状態に応じて前記空気供給手段の停止／作動を制御するとともに、車速検出手段により検出された車速が所定値以上のとき、前記空気供給手段から供給される加圧空気の供給停止を禁止するように前記空気供給手段を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする内燃機関のＮＯｘ浄化装置。 - 内燃機関の排気系に設けられ排気ガス中のＮＯｘを選択還元するＮＯｘ触媒と、
前記ＮＯｘ触媒上流の前記排気系に連通する供給通路を介して尿素水を供給する還元剤供給手段と、
前記還元剤供給手段から供給される尿素水の供給部位より上流の前記供給通路に加圧空気を供給する空気供給手段と、
前記ＮＯｘ触媒の触媒温度又は触媒温度に相関するパラメータの一つに応じて尿素水の供給量を設定する尿素水供給量設定手段と、
前記尿素水供給量設定手段により設定された尿素水の供給量がゼロに設定された後に尿素水の供給再開時期を推定する尿素水供給再開推定手段と、
前記尿素水供給量設定手段により設定された尿素水の供給状態に応じて前記空気供給手段の停止／作動を制御するとともに、前記尿素水供給再開推定手段により推定された尿素水再開時期の所定期間前に前記空気供給手段から供給される加圧空気の供給を開始するように前記空気供給手段を制御することを特徴とする内燃機関のＮＯｘ浄化装置。
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