排気浄化システム
【課題】尿素水の供給精度と応答性との両方を向上できる排気浄化システムを提供すること。
【解決手段】排気浄化システム２は、エンジン１の排気管４に設けられた選択還元触媒４３と、駆動パルスが印加されると選択還元触媒４３の上流側に尿素水を噴射するインジェクタ４５と、エンジンの運転状態及び選択還元触媒４３の状態の少なくとも何れかに応じて、選択還元触媒４３へ供給すべき尿素水の単位時間当りの噴射量を所定の演算周期毎に算出する指示噴射量演算部３１と、演算周期毎に算出された噴射量を積算し、未噴射量積算値を算出する指示噴射量積算部３２、噴射済み分積算部３４及び未噴射量積算部３６と、未噴射量積算値が予め設定された噴射量閾値を上回ったときに、噴射量閾値に相当する量の尿素水が噴射されるような駆動パルスを発生する駆動パルス発生部３３と、を備える。
【解決手段】排気浄化システム２は、エンジン１の排気管４に設けられた選択還元触媒４３と、駆動パルスが印加されると選択還元触媒４３の上流側に尿素水を噴射するインジェクタ４５と、エンジンの運転状態及び選択還元触媒４３の状態の少なくとも何れかに応じて、選択還元触媒４３へ供給すべき尿素水の単位時間当りの噴射量を所定の演算周期毎に算出する指示噴射量演算部３１と、演算周期毎に算出された噴射量を積算し、未噴射量積算値を算出する指示噴射量積算部３２、噴射済み分積算部３４及び未噴射量積算部３６と、未噴射量積算値が予め設定された噴射量閾値を上回ったときに、噴射量閾値に相当する量の尿素水が噴射されるような駆動パルスを発生する駆動パルス発生部３３と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気浄化システムに関する。より詳しくは、還元剤の存在下で排気中のＮＯｘを浄化する選択還元触媒（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ Ｃａｔａｌｙｓｔｓ）を備えた排気浄化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、排気中のＮＯｘを浄化する排気浄化システムの１つとして、アンモニア（ＮＨ３）などの還元剤により排気中のＮＯｘを選択的に還元する選択還元触媒を排気通路に設けたものが提案されている。例えば、尿素添加式の排気浄化システムでは、選択還元触媒の上流側からアンモニアの前駆体である尿素水を供給し、この尿素水から排気の熱で熱分解又は加水分解することでアンモニアを生成し、このアンモニアにより排気中のＮＯｘを選択的に還元する。このような尿素添加式のシステムの他、例えば、アンモニアカーバイトのようなアンモニアの化合物を加熱することでアンモニアを生成し、このアンモニアを含んだガスを直接添加するＮＨ３直接添加式のシステムも提案されている。以下では、尿素添加式のシステムについて説明する。
【０００３】
一般的な選択還元触媒には排気中のＮＯｘを吸着しておく機能は無いため、基本的には、内燃機関から排出されたＮＯｘは、これを還元するのに必要な量の尿素水を選択還元触媒に供給した上で、逐次還元する必要がある。また、選択還元触媒にはアンモニアを吸着しておく機能があるものの、過剰な量のアンモニアが供給されると、ＮＯｘの還元に供されずまた選択還元触媒に吸着されなかったアンモニアがそのまま選択還元触媒の下流側へ排出されるＮＨ３スリップが発生する。したがって、選択還元触媒を備えた排気浄化システムでは、尿素水の必要な供給量を逐次算出するとともに、この量に応じた分だけを過不足無く供給することは、その機能を発揮する上で重要な課題となっている。
【０００４】
特許文献１には、選択還元触媒を備えた排気浄化システムにおいて、決定された噴射量に相当する量の尿素水を噴射するための尿素水用のインジェクタの制御方法が提案されている。特許文献１の制御方法では、所定の演算周期毎に算出された単位時間当りの尿素水噴射量［ｍｇ／ｓ］に基づいて、駆動パルスの発生間隔（前回尿素水を噴射してから今回尿素水を噴射するまでの時間に相当）と駆動パルスの幅（１つの駆動パルス当りの尿素水の噴射量に相当）と、を決定する。
【０００５】
より具体的には、この制御方法では、単位時間当りの尿素水噴射量が所定量以上である場合には、駆動パルスの発生間隔を一定にしながら駆動パルス幅を尿素水噴射量に比例して長くし、尿素水噴射量が所定量以下である場合には、駆動パルス幅を一定にしながら発生間隔を尿素水噴射量に反比例して長くする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−３２７３７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上のように、特許文献１の制御方法は、ＰＷＭ周期［ｓ］と開弁Ｄｕｔｙ比［％］とを尿素水の指示噴射量［ｍｇ／ｓ］に応じて設定するものであり、いわゆる周波数可変型のＰＷＭ制御に相当する。
【０００８】
しかしながら、特許文献１のＰＷＭ制御では、特に低噴射領域においてＰＷＭ周期を長く設定するため、ＰＷＭ周期が指示噴射量の演算周期よりも長くなってしまう場合がある。この場合、短い演算周期で算出された指示噴射量を実際の尿素水の噴射に反映させることができず応答遅れが生じてしまう。
【０００９】
また、このような応答遅れの課題を解消するには、指示噴射量の演算周期と同程度となるようにＰＷＭ周期を短く設定することも考えられるが、この場合、駆動パルスの幅（１回の駆動パルス当りの尿素水の噴射量に相当）も短くしなければならない。しかしながら、単に駆動パルスの幅を短くしてしまうと、以下、図９を参照して説明するように、インジェクタの物ばらつきや劣化による誤差の割合が大きくなってしまう。
【００１０】
図９は、インジェクタに印加する駆動パルスの波形と、弁開度及び噴射量の時間変化を模式的に示す図である。図９において、左側は、右側と比較して駆動パルス幅を長くした場合を示す。
この図に示すように、駆動パルスのＯＮ／ＯＦＦに応じて、弁開度は所定の時間をかけて変化するため、噴射量も所定の時間をかけて変化する。また、インジェクタを構成するニードル弁は、これを直接的に駆動する電磁的なアクチュエータだけでなく、コイルやスプリングなどの複数の機械部品で動作するため、開弁速度や閉弁速度に物ばらつきや劣化の影響が生じ易い。したがって、１つの駆動パルス当りの噴射量のうち、物ばらつきや劣化を要因とした誤差の占める割合は、駆動パルス幅が短くなるに従い大きくなるといえる。
【００１１】
以上のように、従来のインジェクタの制御方法では、応答性を向上するべくＰＷＭ周期を短くすれば噴射精度が低下してしまうため、応答性の向上と噴射精度の向上との両立を図ることが困難であった。また、選択還元触媒に尿素水やアンモニアガスを供給するインジェクタの制御では、上述のように予期せぬＮＨ３スリップを抑制しながら高い浄化率でＮＯｘを浄化し続けるためには、インジェクタには速やかな応答性と高い噴射精度との両方が要求される。
【００１２】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、選択還元触媒を備えた排気浄化システムであって、尿素水やアンモニア等の供給精度と応答性との両方を向上できる排気浄化システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため本発明は、内燃機関（例えば、後述のエンジン１）の排気通路（例えば、後述の排気管４）に設けられた選択還元触媒（例えば、後述の選択還元触媒４３）と、駆動パルスが印加されると前記選択還元触媒の上流側に還元剤（例えば、後述のアンモニアガス）又はその前駆体（例えば、後述の尿素水）を噴射するインジェクタ（例えば、後述のインジェクタ４５）と、前記内燃機関の運転状態及び前記選択還元触媒の状態の少なくとも何れかに応じて、当該選択還元触媒へ供給すべき還元剤又は前駆体の単位時間当りの噴射量（例えば、後述の指示噴射量）を所定の演算周期毎に算出する噴射量算出手段（例えば、後述の指示噴射量演算部３１）と、を備えた排気浄化システム（例えば、後述の排気浄化システム２，２Ａ）を提供する。前記排気浄化システムは、前記演算周期毎に算出された噴射量を積算し、噴射量積算値（例えば、後述の未噴射量積算値）を算出する積算手段（例えば、後述の指示噴射量積算部３２、噴射済み分積算部３４及び未噴射量積算部３６）と、前記噴射量積算値が予め設定された噴射量閾値（例えば、後述の噴射量閾値）を上回ったときに、当該噴射量閾値に相当する量の還元剤又は前駆体が噴射されるような駆動パルスを発生する駆動手段（例えば、後述の駆動パルス発生部３３）と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
本発明では、演算周期毎に算出された噴射量を積算することで噴射量積算値を算出し、この噴射量積算値が噴射量閾値を上回ったときに、噴射量閾値に相当する量の還元剤又は前駆体（以下、単に「還元剤等」という）が噴射されるような駆動パルスを発生する。
このように、演算周期毎に算出された噴射量そのものを逐次用いるのではなく、これを積算して得られる噴射量積算値に応じて駆動パルスを発生することにより、前回の噴射から次回の噴射までの間に行われた複数回の噴射量の演算の全てを次回の噴射に反映させることができるので、還元剤等の噴射精度を向上できる。
本発明では、噴射量積算値が予め定められた噴射量閾値を上回ったときに駆動パルスを発生しインジェクタから還元剤等を噴射させることにより、従来のＰＷＭ制御のように予め定められたＰＷＭ周期分だけ時間が経過するのを待つ必要がないので、還元剤等の噴射の応答性も向上することができる。
また本発明では、噴射量積算値が噴射量閾値を上回ったときには、この時における噴射量積算値に相当する量ではなく、予め定められた噴射量閾値に相当する量の還元剤等が噴射されるような駆動パルスを発生する。つまり、インジェクタからは毎回決まった量の還元剤等が噴射されることとなる。このため、インジェクタから噴射された還元剤等を微粒化したり均質化したりするためのミキサを選択還元触媒の上流側に設ける場合には、このミキサの形状や設置場所等の最適化を容易にすることができる。つまり、インジェクタからの還元剤等の噴射態様が毎回異なる場合には、上記ミキサの形状や設置場所はこれら全ての噴射態様に合わせて最適化する必要があるのに対し、本発明ではこのような最適化の工程を容易にすることができる。
【００１５】
この場合、前記駆動手段は、前記噴射量積算値が前記噴射量閾値を上回るまでは、駆動パルスを発生しないことが好ましい。
【００１６】
本発明では、噴射量積算値が噴射量閾値を上回るまでは駆動パルスを発生せず、インジェクタを駆動しないようにすることにより、必要以上にインジェクタの駆動回数が増加してしまうのを防止できる。
【００１７】
この場合、前記駆動手段は、前記噴射量積算値が前記噴射量閾値を上回る度に同じ幅の駆動パルスを発生することで、１つの駆動パルス当りの還元剤又は前駆体の噴射量及び噴射時間を一定にすることが好ましい。
【００１８】
本発明では、噴射量積算値が噴射量閾値を上回る度に、同じ幅の駆動パルスを発生し、１つの駆動パルス当りの還元剤等の噴射量と噴射時間とを一定することにより、上述のようなミキサの形状や設置場所の最適化を容易にすることができる。
【００１９】
この場合、前記噴射量閾値は、１つの駆動パルス当りの還元剤又は前駆体の噴射量が、当該噴射量に対する誤差の許容範囲内で最小となる値に設定されることが好ましい。
【００２０】
上述のように、１つの駆動パルス当りの還元剤等の噴射量が少なくなるとインジェクタの物ばらつきや劣化による誤差の割合が大きくなるので、還元剤等の噴射精度のみを考慮すれば、噴射量閾値はできるだけ大きな値に設定することが好ましい。しかしながら、噴射量閾値を大きくすると、噴射量積算値が噴射量閾値を上回るまでに時間がかかってしまいので、還元剤等の噴射の応答性が低下してしまう。そこで本発明では、誤差の許容範囲内で最小となる値に噴射量閾値を設定することにより、還元剤等の噴射精度と応答性の向上を両立できる。
【００２１】
この場合、前記排気浄化システムは、前記噴射量積算値の増加速度が所定速度（例えば、後述の高噴射判定速度）以上である場合には前記駆動手段により発生させる駆動パルスの幅が長くなるように、前記噴射量閾値を低噴射量用閾値と当該低噴射量用閾値よりも大きな高噴射量用閾値との何れかの値に設定する噴射量閾値設定手段（例えば、後述の噴射量設定部３５Ａ）をさらに備えることが好ましい。
【００２２】
上述のように、噴射量閾値を大きな値に設定すると、噴射量積算値が噴射量閾値を上回るまでに時間がかかってしまい応答性が低下してしまう。このため本発明では、噴射量閾値を必要以上に大きな値に設定することは好ましくない。しかしながら、還元剤等が多量に要求されている場合、すなわち噴射量積算値が速やかに増加する場合に、噴射量閾値が必要以上に小さな値に設定されていると、インジェクタの駆動回数が多くなりまた噴射精度も低下してしまう。そこで本発明では、噴射量積算値の増加速度が所定速度以上である場合には駆動パルスの幅が長くなるように、噴射量閾値を低噴射量用閾値と高噴射量用閾値との何れかの値に設定することにより、インジェクタの駆動回数を必要最小限にとどめることができる。なお、噴射量閾値を低噴射量用閾値よりも大きな高噴射量用閾値に設定することで応答性の低下も懸念される。しかしながら、噴射量積算値が噴射量閾値を上回るまでにかかる時間は、噴射量積算値の増加速度が所定速度以上であれば、噴射量閾値を高噴射量用閾値に設定したとしても大きく変わらないと考えられることから、応答性が低下することもない。以上より、本発明によれば、噴射精度の向上と応答性の向上とを両立しながら、加えてインジェクタの駆動回数を低減することができる。
【００２３】
この場合、前記噴射量閾値設定手段は、駆動パルスの発生後所定時間（例えば、後述の高噴射設定時間）が経過するまでの間は前記噴射量閾値を前記高噴射量用閾値に設定し、前記所定時間が経過した後は前記噴射量閾値を前記低噴射量用閾値に変更することが好ましい。
【００２４】
本発明では、駆動パルスの発生後所定時間が経過するまでの間は噴射量閾値を高噴射量用閾値に設定する。すなわち、駆動パルスを発生した後における噴射量積算値の増加が速く所定時間が経過するまでの間に噴射量積算値が高噴射量用閾値を上回った場合（駆動パルスを発生した後における噴射量積算値の増加速度が所定速度以上であると判断できる場合）には、高噴射量用閾値に相当する多量の還元剤等が噴射されるような長い幅の駆動パルスを発生し、噴射量積算値の増加が遅く所定時間が経過するまでの間に噴射量積算値が高噴射量用閾値を上回らなかった場合には、低噴射量用閾値に相当する少量の還元剤等が噴射されるような短い幅の駆動パルスを発生する。これにより、インジェクタの駆動回数を必要最小限にとどめつつ、還元剤等の噴射精度の向上と応答性の向上とを両立することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る排気浄化システムの構成を示す模式図である。
【図２】上記実施形態に係る駆動パルス発生部により発生された駆動パルスの一例を示す図である。
【図３】上記実施形態に係る尿素水噴射制御の制御例を示すタイムチャートである。
【図４】上記実施形態に係る尿素水噴射制御と従来のＰＷＭ制御の制御例を示すタイムチャートである。
【図５】指示噴射量と噴射量誤差との関係について、上記実施形態に係る尿素水噴射制御と従来のＰＷＭ制御とを比較する図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る排気浄化システムの構成を示す模式図である。
【図７】上記実施形態に係る尿素水噴射制御の制御例を示すタイムチャートである。
【図８】噴射周期と指示噴射量との関係を模式的に示す図である。
【図９】インジェクタに印加する駆動パルスの波形と、弁開度及び噴射量の時間変化を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る内燃機関（以下、「エンジン」という）１及びその排気浄化システム２の構成を示す模式図である。エンジン１は、リーンバーン運転方式のガソリンエンジン又はディーゼルエンジンであり、図示しない車両に搭載されている。
【００２７】
エンジン１の排気管４には、排気の上流側から順に酸化触媒４１、ＤＰＦ４２、選択還元触媒４３、が設けられている。ＤＰＦ４２と選択還元触媒４３との間には、尿素水を噴射する尿素水用のインジェクタ４５が設けられている。
【００２８】
酸化触媒４１は、排気との反応により発生する熱で排気を昇温するとともに、排気中のＮＯをＮＯ２に変換し後述の選択還元触媒４３におけるＮＯｘの還元を促進する。
ＤＰＦ４２は、排気がフィルタ壁の微細な孔を通過する際、排気中の炭素を主成分とする粒子状物質（以下、「ＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）」という）を、フィルタ壁の表面及びフィルタ壁中の孔に堆積させることによって捕集する。
【００２９】
選択還元触媒４３は、アンモニア等の還元剤が存在する雰囲気下で、排気中のＮＯｘを選択的に還元する。
インジェクタ４５は、後述の制御装置３で発生した駆動パルスが印加されると開弁し、図示しないポンプにより圧送された尿素水を排気管４内の選択還元触媒４３の上流側に噴射する。インジェクタ４５により噴射された尿素水は、排気の熱により熱分解又は加水分解されて還元剤としてのアンモニアが生成される。生成されたアンモニアは、選択還元触媒４３に供給され、これらアンモニアにより、排気中のＮＯｘが選択的に還元される。
【００３０】
また、この排気浄化システム２には、エンジン１の運転状態や選択還元触媒４３の状態を検出するため、ＮＯｘセンサ５１とＮＨ３センサ５２と、が設けられている。
ＮＯｘセンサ５１は、排気管４のうち、インジェクタ４５により尿素水が噴射される場所よりも上流側の排気中のＮＯｘ濃度［ｐｐｍ］を検出し、検出値に略比例した信号を制御装置３に送信する。
ＮＨ３センサ５２は、排気管４のうち、選択還元触媒４３の下流側の排気中のＮＨ３濃度［ｐｐｍ］を検出し、検出値に略比例した信号を制御装置３に送信する。
【００３１】
制御装置３には、インジェクタ４５による尿素水噴射制御の実行に係るモジュールとして、指示噴射量演算部３１と、指示噴射量積算部３２と、駆動パルス発生部３３と、噴射済み分積算部３４と、噴射量設定部３５と、未噴射量積算部３６と、が形成されている。なお、これらブロック３１〜３６は、全て同じ演算周期（例えば、１０［ｍｓ］）で動作する。
【００３２】
指示噴射量演算部３１は、エンジンの運転状態及び選択還元触媒の状態に基づいて、選択還元触媒４３へ噴射すべき尿素水の単位時間当りの噴射量に相当する指示噴射量［ｍｇ／ｓ］を、所定の演算周期毎に算出する。より具体的には、選択還元触媒４３によるＮＯｘ浄化率はそのＮＨ３吸着量（ＮＨ３ストレージ量）に応じて高くなることから、指示噴射量演算部３１は、選択還元触媒４３に流入するＮＯｘを浄化し、かつ選択還元触媒４３のＮＨ３ストレージ量がその最大値近傍に維持されるように、ＮＯｘセンサ５１及びＮＨ３センサ５２などの出力に基づいて指示噴射量を算出する。なお、この指示噴射量を算出するアルゴリズムについては、本願出願人による国際公開第２００９／１２８１６９号に説明されているので、ここではこれ以上詳細な説明を省略する。
【００３３】
指示噴射量積算部３２は、指示噴射量演算部３１により演算周期毎に算出された噴射量を積算し、噴射量積算値［ｍｇ］を算出する。
未噴射量積算部３６は、指示噴射量積算部３２により算出された噴射量積算値から、後述の噴射済み分積算値［ｍｇ］を減算することにより、噴射量積算値に相当する量の尿素水のうち未だインジェクタ４５から噴射していない分に相当する未噴射量積算値［ｍｇ］を算出する。
【００３４】
駆動パルス発生部３３は、未噴射量積算部３６により算出された未噴射量積算値［ｍｇ］と、噴射量設定部３５により設定された後述の噴射量閾値［ｍｇ］と、に基づいてインジェクタを駆動させるための駆動パルスを発生する。
【００３５】
より具体的には、駆動パルス発生部３３は、未噴射量積算値が噴射量閾値を上回ったか否かを判別する。そして、駆動パルス発生部３３は、未噴射量積算値が噴射量閾値を上回っている場合には、予め定められた幅の駆動パルスを発生し、未噴射量積算値が噴射量閾値を上回っていない場合には、駆動パルスを発生しない。ここで、駆動パルス発生部３３が発生する駆動パルスの幅は、１つの駆動パルスをインジェクタに印加すると、噴射量閾値に相当する量の尿素水が噴射されるような長さに設定される。すなわち、駆動パルス発生部３３は、未噴射量積算値が噴射量閾値を上回る度に、噴射量閾値に相当する同じ幅の駆動パルスを発生することで、１つの駆動パルス当りの尿素水の噴射量及び噴射時間を一定にする。
【００３６】
図２は、駆動パルス発生部３３により発生された駆動パルスの一例を示す図である。図２の下段は、指示噴射量が小さくなるような運転領域（低負荷運転領域）における一例を示し、図２の上段は、下段に対し指示噴射量が大きくなるような運転領域（高負荷運転領域）における一例を示す。
【００３７】
指示噴射量が小さくなるような運転領域では、噴射量積算値は比較的緩やかに増加するため、未噴射量積算値が噴射量閾値を上回るまでに時間がかかる。このため、図２に示すように、指示噴射量が小さくなるに従い、駆動パルスの発生間隔は短くなる傾向がある。なお、図２に示す例では、上段の高負荷運転領域では１つの演算周期毎に１つの駆動パルスを発生させているのに対し、下段の低負荷運転領域では７つの演算周期毎に１つの駆動パルスを発生させている。また、図２に示すように、駆動パルス発生部３３が発生する駆動パルスの幅は、指示噴射量の大小に関わらず一定となる。
【００３８】
図１に戻って、噴射済み分積算部３４は、インジェクタから噴射された尿素水の量を積算することで、噴射済み分積算値を算出する。上述のように、駆動パルス発生部３３で発生させる駆動パルスは、１つの駆動パルス当りの尿素水の噴射量が噴射量閾値に相当する量になるように調整されている。従って、この噴射済み分積算部３４は、駆動パルス（ＯＮ信号）が入力される毎に噴射量閾値を積算することにより、噴射済み分積算値を算出する。
【００３９】
また、図９を参照して説明したように、駆動パルス幅を短くすると、１つの駆動パルス当りの尿素水の噴射量に対し誤差の占める割合が大きくなり、噴射精度が低下する。このため、噴射精度を確保するためには、駆動パルス幅はある程度より長くしなければならない。また逆に、駆動パルスを長くすると、必然的に駆動パルスを発生させる間隔も長くなり、応答性が低下する。このため、応答性を確保するためには、駆動パルス幅はある程度より短くしなければならない。そこで、噴射量設定部３５では、噴射精度の向上と応答性の向上とを両立するため、噴射量閾値を、１つの駆動パルス当りの尿素水の噴射量が、この噴射量に対する誤差の許容範囲内で最小となる値に設定する。
【００４０】
図３は、以上のような本実施形態の尿素水噴射制御の制御例を示すタイムチャートである。図３には、演算周期毎に算出された指示噴射量と、この指示噴射量を積算することによって得られる未噴射量積算値と、この未噴射量積算値に基づいて発生された駆動パルスと、を示す。
【００４１】
図３に示すように、演算周期毎に算出された指示噴射量を積算することにより、未噴射量積算値は増加する。そして、未噴射量積算値が噴射量閾値を上回ったことに応じて、この噴射量閾値に相当する量の尿素水を噴射させるべく予め定められた幅の駆動パルスを発生させる（時刻ｔ１〜ｔ６参照）。また、駆動パルスを発生させた後は、未噴射量積算値は、その時の値から噴射量閾値だけ減少した後、再び増加する。このため、未噴射量積算値は図３に示すようにのこぎり波状に変化する。
【００４２】
また、指示噴射量が比較的小さな値を推移する区間と比較的大きな値を推移する区間とを比較すると、どちらの区間とも駆動パルス幅は同じであるが、指示噴射量が比較的小さな値を推移する区間の方が未噴射量積算値の増加速度が緩やかになるため、駆動パルスの発生間隔は長くなり、インジェクタからの尿素水の噴射量も少なくなる。より具体的には、時刻ｔ５における駆動パルスの発生には、直近１演算周期分の指示噴射量の積算値が寄与するのに対し、時刻ｔ３における駆動パルスの発生には、直近６演算周期分の指示噴射量の積算値が寄与する。
【００４３】
以上詳述した本実施形態の排気浄化システムの効果について、従来のＰＷＭ制御と比較しながら説明する。
図４は、本実施形態の尿素水噴射制御と従来のＰＷＭ制御の制御例を示すタイムチャートである。なお、図４には、従来のＰＷＭ制御として、ＰＷＭ制御周期を、指示噴射量の演算周期の５倍の長さに設定した場合を示す。
図５は、指示噴射量と噴射量誤差との関係について、本実施形態の尿素水噴射制御と従来のＰＷＭ制御とを比較する図である。
【００４４】
（１）本実施形態では、演算周期毎に算出された噴射量を積算することで未噴射量積算値を算出し、この未噴射量積算値が噴射量閾値を上回ったときに、噴射量閾値に相当する量の尿素水が噴射されるような幅の駆動パルスを発生する（図４中、時刻ｔ１、ｔ２、ｔ４〜ｔ９及びｔ１１参照）。このように、演算周期毎に算出された指示噴射量そのものを逐次用いるのではなく、これを積算して得られる未噴射量積算値に応じて駆動パルスを発生することにより、前回の噴射から次回の噴射までの間に行われた複数回の噴射量の演算の全てを次回の噴射に反映させることができるので、尿素水の噴射精度を向上できる。これに対し、従来のＰＷＭ制御では、ＰＷＭ制御周期毎に発生させる駆動パルス（図４中、時刻ｔ１、ｔ３、ｔ６及びｔ１０参照）は、基本的にはその直前の指示噴射量しか反映させることができない。
本実施形態では、未噴射量積算値が予め定められた噴射量閾値を上回ったときに駆動パルスを発生しインジェクタから還元剤等を噴射させることにより、従来のＰＷＭ制御のように予め定められたＰＷＭ制御周期分だけ時間が経過するのを待つ必要がないので、還元剤等の噴射の応答性も向上することができる。
また本実施形態では、未噴射量積算値が噴射量閾値を上回ったときには、この時における噴射量積算値に相当する量ではなく、予め定められた噴射量閾値に相当する量の尿素水が噴射されるような駆動パルスを発生する。つまり、インジェクタからは決まった量の尿素水が噴射されることとなる。このため、ミキサの形状や設置場所等の最適化を容易にすることができる。
【００４５】
（２）本実施形態では、未噴射量積算値が噴射量閾値を上回るまでは駆動パルスを発生せず、インジェクタを駆動しないようにすることにより、必要以上にインジェクタの駆動回数が増加してしまうのを防止できる。
【００４６】
（３）本実施形態では、未噴射量積算値が噴射量閾値を上回る度に、同じ幅の駆動パルスを発生し、１つの駆動パルス当りの還元剤等の噴射量と噴射時間とを一定することにより、上述のようなミキサの形状や設置場所の最適化を容易にすることができる。
【００４７】
（４）図５に示すように、従来のＰＷＭ制御では、指示噴射量が小さな領域では、１つの駆動パルス当りの噴射量を少なくするため、図９を参照して説明したように、噴射量誤差が大きくなってしまう。これに対し本実施形態では、誤差の許容範囲内で最小となる値に噴射量閾値を設定し、さらにこの噴射量閾値に相当する幅の駆動パルスを発生することにより、指示噴射量が小さな領域における噴射量誤差を改善しかつ応答性も向上できる。
【００４８】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、第１実施形態と同じ構成については同じ符号を付し、その説明を省略する。
図６は、本実施形態に係る排気浄化システム２Ａの構成を示す模式図である。本実施形態は、制御装置３Ａの噴射量設定部３５Ａの構成が第１実施形態と異なる。
【００４９】
噴射量設定部３５Ａは、未噴射量積算値の増加速度に応じて駆動パルス発生部３３により発生させる駆動パルスの幅を変更するために、駆動パルス発生部３３に入力する噴射量閾値を、低噴射量用閾値とこの低噴射量用閾値よりも大きな高噴射量用閾値との何れかの値に設定する。より具体的には、噴射量設定部３５Ａは、駆動パルスの発生後、所定の高噴射設定時間が経過するまでの間は、噴射量閾値を高噴射量用閾値に設定し、高噴射設定時間が経過した後は、噴射量閾値を低噴射量用閾値に設定する。
【００５０】
図７は、本実施形態の尿素水噴射制御の制御例を示すタイムチャートである。図７には、演算周期毎に算出された指示噴射量と、この指示噴射量を積算することによって得られる未噴射量積算値と、この未噴射量積算値に基づいて発生された駆動パルスと、を示す。
【００５１】
図７において太線で示すように、駆動パルスの発生後（時刻ｔ１、ｔ２、ｔ４及びｔ７参照）、高噴射設定時間（例えば、３演算周期）が経過するまでの間は、噴射量閾値を高噴射量用閾値に設定し、高噴射設定時間が経過した後は、噴射量閾値を低噴射量用閾値に設定する。
また、駆動パルスの発生後、高噴射設定時間内に未噴射量積算値が高噴射量用閾値を上回らなかった場合には、低噴射量用閾値に相当する比較的短い幅の駆動パルスを発生する（時刻ｔ１、ｔ３、及びｔ７参照）。そして、駆動パルスの発生後、高噴射設定時間内に未噴射量積算値が高噴射量用閾値を上回った場合、換言すれば駆動パルスの発生後における未噴射量積算値の増加速度が所定の高噴射判定速度（例えば、高噴射量用閾値［ｍｇ］／高噴射設定時間［ｓ］に相当）以上である場合には、尿素水の急な要求に応えるべく、高噴射量用閾値に相当する比較的長い幅の駆動パルスを発生する（時刻ｔ４参照）。
【００５２】
次に、図８を参照して、本実施形態と第１実施形態とを比較する。
図８は、噴射周期（駆動パルスの発生間隔）と指示噴射量との関係を模式的に示す図である。図８において、破線は第１実施形態における噴射周期の特性を示し、実線は第２実施形態における噴射周期の特性を示す。
第１実施形態では、噴射量閾値は一定であり、駆動パルスの幅も一定である。従ってその噴射周期は指示噴射量に反比例することとなる。特に、指示噴射量が大きくなると、噴射周期も短くなるため、インジェクタの駆動回数が多くなってしまう。
これに対し第２実施形態では、指示噴射量が大きくなると、未噴射量積算値の増加速度も速くなるため、高噴射量用閾値に相当する長い幅の駆動パルスを発生する機会が多くなると考えられる。このため、第２実施形態における噴射周期は、実線で示すように、指示噴射量が大きくなる領域において第１実施形態よりも長い周期に維持されることとなる。これは、第２実施形態によれば、第１実施形態と比較してインジェクタの駆動回数を抑制できることを意味する。また、第１実施形態では小分けに噴射していたところ、第２実施形態ではこれをまとめて噴射することにより、噴射精度も向上することができる。
【００５３】
以上詳述した本実施形態の排気浄化システムによれば、以下の効果がある。
（５）本実施形態では、未噴射量積算値の増加速度が高噴射判定速度以上である場合には駆動パルスの幅が長くなるように、噴射量閾値を低噴射量用閾値と高噴射量用閾値との何れかの値に設定することにより、インジェクタの駆動回数を必要最小限に留めることができる。なお、未噴射量積算値が噴射量閾値を上回るまでにかかる時間は、未噴射量積算値の増加速度が高噴射判定速度以上であれば、噴射量閾値を高噴射量用閾値に設定したとしても大きく変わらないと考えられる。したがって、本実施形態によれば、尿素水の噴射精度の向上と応答性の向上とを両立しながら、加えてインジェクタの駆動回数を低減することができる。
【００５４】
（６）本実施形態では、駆動パルスを発生した後における未噴射量積算値の増加が速く高噴射設定時間が経過するまでの間に未噴射量積算値が高噴射量用閾値を上回った場合には、高噴射量用閾値に相当する多量の尿素水が噴射されるような長い幅の駆動パルスを発生し、未噴射量積算値の増加が遅く高噴射設定時間が経過するまでの間に噴射量積算値が高噴射量用閾値を上回らなかった場合には、低噴射量用閾値に相当する少量の尿素水が噴射されるような短い幅の駆動パルスを発生する。これにより、インジェクタの駆動回数を必要最小限にとどめつつ、還元剤等の噴射精度の向上と応答性の向上とを両立することができる。
【００５５】
上記実施形態では、アンモニアを還元剤とし、かつこの前駆体として尿素水をインジェクタで供給する尿素添加式の排気浄化システムに、本発明を適用した例を示したが、これに限るものではない。
例えば、インジェクタからは尿素水を供給せずに、アンモニアガスを直接供給するシステムに本発明を適用しても効果的である。また、ＮＯｘを還元するための還元剤はアンモニアに限るものではない。本発明は、ＮＯｘを還元するための還元剤として、アンモニアの代わりに、例えば炭化水素を用いた排気浄化システムに適用することもできる。
【符号の説明】
【００５６】
１…エンジン（内燃機関）
２…排気浄化システム
３…制御装置
３１…指示噴射量演算部（噴射量算出手段）
３２…指示噴射量積算部（積算手段）
３３…駆動パルス発生部（駆動手段）
３４…噴射済み分積算部（積算手段）
３６…未噴射量積算部（積算手段）
４…排気管（排気通路）
４３…選択還元触媒
４５…インジェクタ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気浄化システムに関する。より詳しくは、還元剤の存在下で排気中のＮＯｘを浄化する選択還元触媒（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ Ｃａｔａｌｙｓｔｓ）を備えた排気浄化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、排気中のＮＯｘを浄化する排気浄化システムの１つとして、アンモニア（ＮＨ３）などの還元剤により排気中のＮＯｘを選択的に還元する選択還元触媒を排気通路に設けたものが提案されている。例えば、尿素添加式の排気浄化システムでは、選択還元触媒の上流側からアンモニアの前駆体である尿素水を供給し、この尿素水から排気の熱で熱分解又は加水分解することでアンモニアを生成し、このアンモニアにより排気中のＮＯｘを選択的に還元する。このような尿素添加式のシステムの他、例えば、アンモニアカーバイトのようなアンモニアの化合物を加熱することでアンモニアを生成し、このアンモニアを含んだガスを直接添加するＮＨ３直接添加式のシステムも提案されている。以下では、尿素添加式のシステムについて説明する。
【０００３】
一般的な選択還元触媒には排気中のＮＯｘを吸着しておく機能は無いため、基本的には、内燃機関から排出されたＮＯｘは、これを還元するのに必要な量の尿素水を選択還元触媒に供給した上で、逐次還元する必要がある。また、選択還元触媒にはアンモニアを吸着しておく機能があるものの、過剰な量のアンモニアが供給されると、ＮＯｘの還元に供されずまた選択還元触媒に吸着されなかったアンモニアがそのまま選択還元触媒の下流側へ排出されるＮＨ３スリップが発生する。したがって、選択還元触媒を備えた排気浄化システムでは、尿素水の必要な供給量を逐次算出するとともに、この量に応じた分だけを過不足無く供給することは、その機能を発揮する上で重要な課題となっている。
【０００４】
特許文献１には、選択還元触媒を備えた排気浄化システムにおいて、決定された噴射量に相当する量の尿素水を噴射するための尿素水用のインジェクタの制御方法が提案されている。特許文献１の制御方法では、所定の演算周期毎に算出された単位時間当りの尿素水噴射量［ｍｇ／ｓ］に基づいて、駆動パルスの発生間隔（前回尿素水を噴射してから今回尿素水を噴射するまでの時間に相当）と駆動パルスの幅（１つの駆動パルス当りの尿素水の噴射量に相当）と、を決定する。
【０００５】
より具体的には、この制御方法では、単位時間当りの尿素水噴射量が所定量以上である場合には、駆動パルスの発生間隔を一定にしながら駆動パルス幅を尿素水噴射量に比例して長くし、尿素水噴射量が所定量以下である場合には、駆動パルス幅を一定にしながら発生間隔を尿素水噴射量に反比例して長くする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−３２７３７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上のように、特許文献１の制御方法は、ＰＷＭ周期［ｓ］と開弁Ｄｕｔｙ比［％］とを尿素水の指示噴射量［ｍｇ／ｓ］に応じて設定するものであり、いわゆる周波数可変型のＰＷＭ制御に相当する。
【０００８】
しかしながら、特許文献１のＰＷＭ制御では、特に低噴射領域においてＰＷＭ周期を長く設定するため、ＰＷＭ周期が指示噴射量の演算周期よりも長くなってしまう場合がある。この場合、短い演算周期で算出された指示噴射量を実際の尿素水の噴射に反映させることができず応答遅れが生じてしまう。
【０００９】
また、このような応答遅れの課題を解消するには、指示噴射量の演算周期と同程度となるようにＰＷＭ周期を短く設定することも考えられるが、この場合、駆動パルスの幅（１回の駆動パルス当りの尿素水の噴射量に相当）も短くしなければならない。しかしながら、単に駆動パルスの幅を短くしてしまうと、以下、図９を参照して説明するように、インジェクタの物ばらつきや劣化による誤差の割合が大きくなってしまう。
【００１０】
図９は、インジェクタに印加する駆動パルスの波形と、弁開度及び噴射量の時間変化を模式的に示す図である。図９において、左側は、右側と比較して駆動パルス幅を長くした場合を示す。
この図に示すように、駆動パルスのＯＮ／ＯＦＦに応じて、弁開度は所定の時間をかけて変化するため、噴射量も所定の時間をかけて変化する。また、インジェクタを構成するニードル弁は、これを直接的に駆動する電磁的なアクチュエータだけでなく、コイルやスプリングなどの複数の機械部品で動作するため、開弁速度や閉弁速度に物ばらつきや劣化の影響が生じ易い。したがって、１つの駆動パルス当りの噴射量のうち、物ばらつきや劣化を要因とした誤差の占める割合は、駆動パルス幅が短くなるに従い大きくなるといえる。
【００１１】
以上のように、従来のインジェクタの制御方法では、応答性を向上するべくＰＷＭ周期を短くすれば噴射精度が低下してしまうため、応答性の向上と噴射精度の向上との両立を図ることが困難であった。また、選択還元触媒に尿素水やアンモニアガスを供給するインジェクタの制御では、上述のように予期せぬＮＨ３スリップを抑制しながら高い浄化率でＮＯｘを浄化し続けるためには、インジェクタには速やかな応答性と高い噴射精度との両方が要求される。
【００１２】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、選択還元触媒を備えた排気浄化システムであって、尿素水やアンモニア等の供給精度と応答性との両方を向上できる排気浄化システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため本発明は、内燃機関（例えば、後述のエンジン１）の排気通路（例えば、後述の排気管４）に設けられた選択還元触媒（例えば、後述の選択還元触媒４３）と、駆動パルスが印加されると前記選択還元触媒の上流側に還元剤（例えば、後述のアンモニアガス）又はその前駆体（例えば、後述の尿素水）を噴射するインジェクタ（例えば、後述のインジェクタ４５）と、前記内燃機関の運転状態及び前記選択還元触媒の状態の少なくとも何れかに応じて、当該選択還元触媒へ供給すべき還元剤又は前駆体の単位時間当りの噴射量（例えば、後述の指示噴射量）を所定の演算周期毎に算出する噴射量算出手段（例えば、後述の指示噴射量演算部３１）と、を備えた排気浄化システム（例えば、後述の排気浄化システム２，２Ａ）を提供する。前記排気浄化システムは、前記演算周期毎に算出された噴射量を積算し、噴射量積算値（例えば、後述の未噴射量積算値）を算出する積算手段（例えば、後述の指示噴射量積算部３２、噴射済み分積算部３４及び未噴射量積算部３６）と、前記噴射量積算値が予め設定された噴射量閾値（例えば、後述の噴射量閾値）を上回ったときに、当該噴射量閾値に相当する量の還元剤又は前駆体が噴射されるような駆動パルスを発生する駆動手段（例えば、後述の駆動パルス発生部３３）と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
本発明では、演算周期毎に算出された噴射量を積算することで噴射量積算値を算出し、この噴射量積算値が噴射量閾値を上回ったときに、噴射量閾値に相当する量の還元剤又は前駆体（以下、単に「還元剤等」という）が噴射されるような駆動パルスを発生する。
このように、演算周期毎に算出された噴射量そのものを逐次用いるのではなく、これを積算して得られる噴射量積算値に応じて駆動パルスを発生することにより、前回の噴射から次回の噴射までの間に行われた複数回の噴射量の演算の全てを次回の噴射に反映させることができるので、還元剤等の噴射精度を向上できる。
本発明では、噴射量積算値が予め定められた噴射量閾値を上回ったときに駆動パルスを発生しインジェクタから還元剤等を噴射させることにより、従来のＰＷＭ制御のように予め定められたＰＷＭ周期分だけ時間が経過するのを待つ必要がないので、還元剤等の噴射の応答性も向上することができる。
また本発明では、噴射量積算値が噴射量閾値を上回ったときには、この時における噴射量積算値に相当する量ではなく、予め定められた噴射量閾値に相当する量の還元剤等が噴射されるような駆動パルスを発生する。つまり、インジェクタからは毎回決まった量の還元剤等が噴射されることとなる。このため、インジェクタから噴射された還元剤等を微粒化したり均質化したりするためのミキサを選択還元触媒の上流側に設ける場合には、このミキサの形状や設置場所等の最適化を容易にすることができる。つまり、インジェクタからの還元剤等の噴射態様が毎回異なる場合には、上記ミキサの形状や設置場所はこれら全ての噴射態様に合わせて最適化する必要があるのに対し、本発明ではこのような最適化の工程を容易にすることができる。
【００１５】
この場合、前記駆動手段は、前記噴射量積算値が前記噴射量閾値を上回るまでは、駆動パルスを発生しないことが好ましい。
【００１６】
本発明では、噴射量積算値が噴射量閾値を上回るまでは駆動パルスを発生せず、インジェクタを駆動しないようにすることにより、必要以上にインジェクタの駆動回数が増加してしまうのを防止できる。
【００１７】
この場合、前記駆動手段は、前記噴射量積算値が前記噴射量閾値を上回る度に同じ幅の駆動パルスを発生することで、１つの駆動パルス当りの還元剤又は前駆体の噴射量及び噴射時間を一定にすることが好ましい。
【００１８】
本発明では、噴射量積算値が噴射量閾値を上回る度に、同じ幅の駆動パルスを発生し、１つの駆動パルス当りの還元剤等の噴射量と噴射時間とを一定することにより、上述のようなミキサの形状や設置場所の最適化を容易にすることができる。
【００１９】
この場合、前記噴射量閾値は、１つの駆動パルス当りの還元剤又は前駆体の噴射量が、当該噴射量に対する誤差の許容範囲内で最小となる値に設定されることが好ましい。
【００２０】
上述のように、１つの駆動パルス当りの還元剤等の噴射量が少なくなるとインジェクタの物ばらつきや劣化による誤差の割合が大きくなるので、還元剤等の噴射精度のみを考慮すれば、噴射量閾値はできるだけ大きな値に設定することが好ましい。しかしながら、噴射量閾値を大きくすると、噴射量積算値が噴射量閾値を上回るまでに時間がかかってしまいので、還元剤等の噴射の応答性が低下してしまう。そこで本発明では、誤差の許容範囲内で最小となる値に噴射量閾値を設定することにより、還元剤等の噴射精度と応答性の向上を両立できる。
【００２１】
この場合、前記排気浄化システムは、前記噴射量積算値の増加速度が所定速度（例えば、後述の高噴射判定速度）以上である場合には前記駆動手段により発生させる駆動パルスの幅が長くなるように、前記噴射量閾値を低噴射量用閾値と当該低噴射量用閾値よりも大きな高噴射量用閾値との何れかの値に設定する噴射量閾値設定手段（例えば、後述の噴射量設定部３５Ａ）をさらに備えることが好ましい。
【００２２】
上述のように、噴射量閾値を大きな値に設定すると、噴射量積算値が噴射量閾値を上回るまでに時間がかかってしまい応答性が低下してしまう。このため本発明では、噴射量閾値を必要以上に大きな値に設定することは好ましくない。しかしながら、還元剤等が多量に要求されている場合、すなわち噴射量積算値が速やかに増加する場合に、噴射量閾値が必要以上に小さな値に設定されていると、インジェクタの駆動回数が多くなりまた噴射精度も低下してしまう。そこで本発明では、噴射量積算値の増加速度が所定速度以上である場合には駆動パルスの幅が長くなるように、噴射量閾値を低噴射量用閾値と高噴射量用閾値との何れかの値に設定することにより、インジェクタの駆動回数を必要最小限にとどめることができる。なお、噴射量閾値を低噴射量用閾値よりも大きな高噴射量用閾値に設定することで応答性の低下も懸念される。しかしながら、噴射量積算値が噴射量閾値を上回るまでにかかる時間は、噴射量積算値の増加速度が所定速度以上であれば、噴射量閾値を高噴射量用閾値に設定したとしても大きく変わらないと考えられることから、応答性が低下することもない。以上より、本発明によれば、噴射精度の向上と応答性の向上とを両立しながら、加えてインジェクタの駆動回数を低減することができる。
【００２３】
この場合、前記噴射量閾値設定手段は、駆動パルスの発生後所定時間（例えば、後述の高噴射設定時間）が経過するまでの間は前記噴射量閾値を前記高噴射量用閾値に設定し、前記所定時間が経過した後は前記噴射量閾値を前記低噴射量用閾値に変更することが好ましい。
【００２４】
本発明では、駆動パルスの発生後所定時間が経過するまでの間は噴射量閾値を高噴射量用閾値に設定する。すなわち、駆動パルスを発生した後における噴射量積算値の増加が速く所定時間が経過するまでの間に噴射量積算値が高噴射量用閾値を上回った場合（駆動パルスを発生した後における噴射量積算値の増加速度が所定速度以上であると判断できる場合）には、高噴射量用閾値に相当する多量の還元剤等が噴射されるような長い幅の駆動パルスを発生し、噴射量積算値の増加が遅く所定時間が経過するまでの間に噴射量積算値が高噴射量用閾値を上回らなかった場合には、低噴射量用閾値に相当する少量の還元剤等が噴射されるような短い幅の駆動パルスを発生する。これにより、インジェクタの駆動回数を必要最小限にとどめつつ、還元剤等の噴射精度の向上と応答性の向上とを両立することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る排気浄化システムの構成を示す模式図である。
【図２】上記実施形態に係る駆動パルス発生部により発生された駆動パルスの一例を示す図である。
【図３】上記実施形態に係る尿素水噴射制御の制御例を示すタイムチャートである。
【図４】上記実施形態に係る尿素水噴射制御と従来のＰＷＭ制御の制御例を示すタイムチャートである。
【図５】指示噴射量と噴射量誤差との関係について、上記実施形態に係る尿素水噴射制御と従来のＰＷＭ制御とを比較する図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る排気浄化システムの構成を示す模式図である。
【図７】上記実施形態に係る尿素水噴射制御の制御例を示すタイムチャートである。
【図８】噴射周期と指示噴射量との関係を模式的に示す図である。
【図９】インジェクタに印加する駆動パルスの波形と、弁開度及び噴射量の時間変化を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る内燃機関（以下、「エンジン」という）１及びその排気浄化システム２の構成を示す模式図である。エンジン１は、リーンバーン運転方式のガソリンエンジン又はディーゼルエンジンであり、図示しない車両に搭載されている。
【００２７】
エンジン１の排気管４には、排気の上流側から順に酸化触媒４１、ＤＰＦ４２、選択還元触媒４３、が設けられている。ＤＰＦ４２と選択還元触媒４３との間には、尿素水を噴射する尿素水用のインジェクタ４５が設けられている。
【００２８】
酸化触媒４１は、排気との反応により発生する熱で排気を昇温するとともに、排気中のＮＯをＮＯ２に変換し後述の選択還元触媒４３におけるＮＯｘの還元を促進する。
ＤＰＦ４２は、排気がフィルタ壁の微細な孔を通過する際、排気中の炭素を主成分とする粒子状物質（以下、「ＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）」という）を、フィルタ壁の表面及びフィルタ壁中の孔に堆積させることによって捕集する。
【００２９】
選択還元触媒４３は、アンモニア等の還元剤が存在する雰囲気下で、排気中のＮＯｘを選択的に還元する。
インジェクタ４５は、後述の制御装置３で発生した駆動パルスが印加されると開弁し、図示しないポンプにより圧送された尿素水を排気管４内の選択還元触媒４３の上流側に噴射する。インジェクタ４５により噴射された尿素水は、排気の熱により熱分解又は加水分解されて還元剤としてのアンモニアが生成される。生成されたアンモニアは、選択還元触媒４３に供給され、これらアンモニアにより、排気中のＮＯｘが選択的に還元される。
【００３０】
また、この排気浄化システム２には、エンジン１の運転状態や選択還元触媒４３の状態を検出するため、ＮＯｘセンサ５１とＮＨ３センサ５２と、が設けられている。
ＮＯｘセンサ５１は、排気管４のうち、インジェクタ４５により尿素水が噴射される場所よりも上流側の排気中のＮＯｘ濃度［ｐｐｍ］を検出し、検出値に略比例した信号を制御装置３に送信する。
ＮＨ３センサ５２は、排気管４のうち、選択還元触媒４３の下流側の排気中のＮＨ３濃度［ｐｐｍ］を検出し、検出値に略比例した信号を制御装置３に送信する。
【００３１】
制御装置３には、インジェクタ４５による尿素水噴射制御の実行に係るモジュールとして、指示噴射量演算部３１と、指示噴射量積算部３２と、駆動パルス発生部３３と、噴射済み分積算部３４と、噴射量設定部３５と、未噴射量積算部３６と、が形成されている。なお、これらブロック３１〜３６は、全て同じ演算周期（例えば、１０［ｍｓ］）で動作する。
【００３２】
指示噴射量演算部３１は、エンジンの運転状態及び選択還元触媒の状態に基づいて、選択還元触媒４３へ噴射すべき尿素水の単位時間当りの噴射量に相当する指示噴射量［ｍｇ／ｓ］を、所定の演算周期毎に算出する。より具体的には、選択還元触媒４３によるＮＯｘ浄化率はそのＮＨ３吸着量（ＮＨ３ストレージ量）に応じて高くなることから、指示噴射量演算部３１は、選択還元触媒４３に流入するＮＯｘを浄化し、かつ選択還元触媒４３のＮＨ３ストレージ量がその最大値近傍に維持されるように、ＮＯｘセンサ５１及びＮＨ３センサ５２などの出力に基づいて指示噴射量を算出する。なお、この指示噴射量を算出するアルゴリズムについては、本願出願人による国際公開第２００９／１２８１６９号に説明されているので、ここではこれ以上詳細な説明を省略する。
【００３３】
指示噴射量積算部３２は、指示噴射量演算部３１により演算周期毎に算出された噴射量を積算し、噴射量積算値［ｍｇ］を算出する。
未噴射量積算部３６は、指示噴射量積算部３２により算出された噴射量積算値から、後述の噴射済み分積算値［ｍｇ］を減算することにより、噴射量積算値に相当する量の尿素水のうち未だインジェクタ４５から噴射していない分に相当する未噴射量積算値［ｍｇ］を算出する。
【００３４】
駆動パルス発生部３３は、未噴射量積算部３６により算出された未噴射量積算値［ｍｇ］と、噴射量設定部３５により設定された後述の噴射量閾値［ｍｇ］と、に基づいてインジェクタを駆動させるための駆動パルスを発生する。
【００３５】
より具体的には、駆動パルス発生部３３は、未噴射量積算値が噴射量閾値を上回ったか否かを判別する。そして、駆動パルス発生部３３は、未噴射量積算値が噴射量閾値を上回っている場合には、予め定められた幅の駆動パルスを発生し、未噴射量積算値が噴射量閾値を上回っていない場合には、駆動パルスを発生しない。ここで、駆動パルス発生部３３が発生する駆動パルスの幅は、１つの駆動パルスをインジェクタに印加すると、噴射量閾値に相当する量の尿素水が噴射されるような長さに設定される。すなわち、駆動パルス発生部３３は、未噴射量積算値が噴射量閾値を上回る度に、噴射量閾値に相当する同じ幅の駆動パルスを発生することで、１つの駆動パルス当りの尿素水の噴射量及び噴射時間を一定にする。
【００３６】
図２は、駆動パルス発生部３３により発生された駆動パルスの一例を示す図である。図２の下段は、指示噴射量が小さくなるような運転領域（低負荷運転領域）における一例を示し、図２の上段は、下段に対し指示噴射量が大きくなるような運転領域（高負荷運転領域）における一例を示す。
【００３７】
指示噴射量が小さくなるような運転領域では、噴射量積算値は比較的緩やかに増加するため、未噴射量積算値が噴射量閾値を上回るまでに時間がかかる。このため、図２に示すように、指示噴射量が小さくなるに従い、駆動パルスの発生間隔は短くなる傾向がある。なお、図２に示す例では、上段の高負荷運転領域では１つの演算周期毎に１つの駆動パルスを発生させているのに対し、下段の低負荷運転領域では７つの演算周期毎に１つの駆動パルスを発生させている。また、図２に示すように、駆動パルス発生部３３が発生する駆動パルスの幅は、指示噴射量の大小に関わらず一定となる。
【００３８】
図１に戻って、噴射済み分積算部３４は、インジェクタから噴射された尿素水の量を積算することで、噴射済み分積算値を算出する。上述のように、駆動パルス発生部３３で発生させる駆動パルスは、１つの駆動パルス当りの尿素水の噴射量が噴射量閾値に相当する量になるように調整されている。従って、この噴射済み分積算部３４は、駆動パルス（ＯＮ信号）が入力される毎に噴射量閾値を積算することにより、噴射済み分積算値を算出する。
【００３９】
また、図９を参照して説明したように、駆動パルス幅を短くすると、１つの駆動パルス当りの尿素水の噴射量に対し誤差の占める割合が大きくなり、噴射精度が低下する。このため、噴射精度を確保するためには、駆動パルス幅はある程度より長くしなければならない。また逆に、駆動パルスを長くすると、必然的に駆動パルスを発生させる間隔も長くなり、応答性が低下する。このため、応答性を確保するためには、駆動パルス幅はある程度より短くしなければならない。そこで、噴射量設定部３５では、噴射精度の向上と応答性の向上とを両立するため、噴射量閾値を、１つの駆動パルス当りの尿素水の噴射量が、この噴射量に対する誤差の許容範囲内で最小となる値に設定する。
【００４０】
図３は、以上のような本実施形態の尿素水噴射制御の制御例を示すタイムチャートである。図３には、演算周期毎に算出された指示噴射量と、この指示噴射量を積算することによって得られる未噴射量積算値と、この未噴射量積算値に基づいて発生された駆動パルスと、を示す。
【００４１】
図３に示すように、演算周期毎に算出された指示噴射量を積算することにより、未噴射量積算値は増加する。そして、未噴射量積算値が噴射量閾値を上回ったことに応じて、この噴射量閾値に相当する量の尿素水を噴射させるべく予め定められた幅の駆動パルスを発生させる（時刻ｔ１〜ｔ６参照）。また、駆動パルスを発生させた後は、未噴射量積算値は、その時の値から噴射量閾値だけ減少した後、再び増加する。このため、未噴射量積算値は図３に示すようにのこぎり波状に変化する。
【００４２】
また、指示噴射量が比較的小さな値を推移する区間と比較的大きな値を推移する区間とを比較すると、どちらの区間とも駆動パルス幅は同じであるが、指示噴射量が比較的小さな値を推移する区間の方が未噴射量積算値の増加速度が緩やかになるため、駆動パルスの発生間隔は長くなり、インジェクタからの尿素水の噴射量も少なくなる。より具体的には、時刻ｔ５における駆動パルスの発生には、直近１演算周期分の指示噴射量の積算値が寄与するのに対し、時刻ｔ３における駆動パルスの発生には、直近６演算周期分の指示噴射量の積算値が寄与する。
【００４３】
以上詳述した本実施形態の排気浄化システムの効果について、従来のＰＷＭ制御と比較しながら説明する。
図４は、本実施形態の尿素水噴射制御と従来のＰＷＭ制御の制御例を示すタイムチャートである。なお、図４には、従来のＰＷＭ制御として、ＰＷＭ制御周期を、指示噴射量の演算周期の５倍の長さに設定した場合を示す。
図５は、指示噴射量と噴射量誤差との関係について、本実施形態の尿素水噴射制御と従来のＰＷＭ制御とを比較する図である。
【００４４】
（１）本実施形態では、演算周期毎に算出された噴射量を積算することで未噴射量積算値を算出し、この未噴射量積算値が噴射量閾値を上回ったときに、噴射量閾値に相当する量の尿素水が噴射されるような幅の駆動パルスを発生する（図４中、時刻ｔ１、ｔ２、ｔ４〜ｔ９及びｔ１１参照）。このように、演算周期毎に算出された指示噴射量そのものを逐次用いるのではなく、これを積算して得られる未噴射量積算値に応じて駆動パルスを発生することにより、前回の噴射から次回の噴射までの間に行われた複数回の噴射量の演算の全てを次回の噴射に反映させることができるので、尿素水の噴射精度を向上できる。これに対し、従来のＰＷＭ制御では、ＰＷＭ制御周期毎に発生させる駆動パルス（図４中、時刻ｔ１、ｔ３、ｔ６及びｔ１０参照）は、基本的にはその直前の指示噴射量しか反映させることができない。
本実施形態では、未噴射量積算値が予め定められた噴射量閾値を上回ったときに駆動パルスを発生しインジェクタから還元剤等を噴射させることにより、従来のＰＷＭ制御のように予め定められたＰＷＭ制御周期分だけ時間が経過するのを待つ必要がないので、還元剤等の噴射の応答性も向上することができる。
また本実施形態では、未噴射量積算値が噴射量閾値を上回ったときには、この時における噴射量積算値に相当する量ではなく、予め定められた噴射量閾値に相当する量の尿素水が噴射されるような駆動パルスを発生する。つまり、インジェクタからは決まった量の尿素水が噴射されることとなる。このため、ミキサの形状や設置場所等の最適化を容易にすることができる。
【００４５】
（２）本実施形態では、未噴射量積算値が噴射量閾値を上回るまでは駆動パルスを発生せず、インジェクタを駆動しないようにすることにより、必要以上にインジェクタの駆動回数が増加してしまうのを防止できる。
【００４６】
（３）本実施形態では、未噴射量積算値が噴射量閾値を上回る度に、同じ幅の駆動パルスを発生し、１つの駆動パルス当りの還元剤等の噴射量と噴射時間とを一定することにより、上述のようなミキサの形状や設置場所の最適化を容易にすることができる。
【００４７】
（４）図５に示すように、従来のＰＷＭ制御では、指示噴射量が小さな領域では、１つの駆動パルス当りの噴射量を少なくするため、図９を参照して説明したように、噴射量誤差が大きくなってしまう。これに対し本実施形態では、誤差の許容範囲内で最小となる値に噴射量閾値を設定し、さらにこの噴射量閾値に相当する幅の駆動パルスを発生することにより、指示噴射量が小さな領域における噴射量誤差を改善しかつ応答性も向上できる。
【００４８】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、第１実施形態と同じ構成については同じ符号を付し、その説明を省略する。
図６は、本実施形態に係る排気浄化システム２Ａの構成を示す模式図である。本実施形態は、制御装置３Ａの噴射量設定部３５Ａの構成が第１実施形態と異なる。
【００４９】
噴射量設定部３５Ａは、未噴射量積算値の増加速度に応じて駆動パルス発生部３３により発生させる駆動パルスの幅を変更するために、駆動パルス発生部３３に入力する噴射量閾値を、低噴射量用閾値とこの低噴射量用閾値よりも大きな高噴射量用閾値との何れかの値に設定する。より具体的には、噴射量設定部３５Ａは、駆動パルスの発生後、所定の高噴射設定時間が経過するまでの間は、噴射量閾値を高噴射量用閾値に設定し、高噴射設定時間が経過した後は、噴射量閾値を低噴射量用閾値に設定する。
【００５０】
図７は、本実施形態の尿素水噴射制御の制御例を示すタイムチャートである。図７には、演算周期毎に算出された指示噴射量と、この指示噴射量を積算することによって得られる未噴射量積算値と、この未噴射量積算値に基づいて発生された駆動パルスと、を示す。
【００５１】
図７において太線で示すように、駆動パルスの発生後（時刻ｔ１、ｔ２、ｔ４及びｔ７参照）、高噴射設定時間（例えば、３演算周期）が経過するまでの間は、噴射量閾値を高噴射量用閾値に設定し、高噴射設定時間が経過した後は、噴射量閾値を低噴射量用閾値に設定する。
また、駆動パルスの発生後、高噴射設定時間内に未噴射量積算値が高噴射量用閾値を上回らなかった場合には、低噴射量用閾値に相当する比較的短い幅の駆動パルスを発生する（時刻ｔ１、ｔ３、及びｔ７参照）。そして、駆動パルスの発生後、高噴射設定時間内に未噴射量積算値が高噴射量用閾値を上回った場合、換言すれば駆動パルスの発生後における未噴射量積算値の増加速度が所定の高噴射判定速度（例えば、高噴射量用閾値［ｍｇ］／高噴射設定時間［ｓ］に相当）以上である場合には、尿素水の急な要求に応えるべく、高噴射量用閾値に相当する比較的長い幅の駆動パルスを発生する（時刻ｔ４参照）。
【００５２】
次に、図８を参照して、本実施形態と第１実施形態とを比較する。
図８は、噴射周期（駆動パルスの発生間隔）と指示噴射量との関係を模式的に示す図である。図８において、破線は第１実施形態における噴射周期の特性を示し、実線は第２実施形態における噴射周期の特性を示す。
第１実施形態では、噴射量閾値は一定であり、駆動パルスの幅も一定である。従ってその噴射周期は指示噴射量に反比例することとなる。特に、指示噴射量が大きくなると、噴射周期も短くなるため、インジェクタの駆動回数が多くなってしまう。
これに対し第２実施形態では、指示噴射量が大きくなると、未噴射量積算値の増加速度も速くなるため、高噴射量用閾値に相当する長い幅の駆動パルスを発生する機会が多くなると考えられる。このため、第２実施形態における噴射周期は、実線で示すように、指示噴射量が大きくなる領域において第１実施形態よりも長い周期に維持されることとなる。これは、第２実施形態によれば、第１実施形態と比較してインジェクタの駆動回数を抑制できることを意味する。また、第１実施形態では小分けに噴射していたところ、第２実施形態ではこれをまとめて噴射することにより、噴射精度も向上することができる。
【００５３】
以上詳述した本実施形態の排気浄化システムによれば、以下の効果がある。
（５）本実施形態では、未噴射量積算値の増加速度が高噴射判定速度以上である場合には駆動パルスの幅が長くなるように、噴射量閾値を低噴射量用閾値と高噴射量用閾値との何れかの値に設定することにより、インジェクタの駆動回数を必要最小限に留めることができる。なお、未噴射量積算値が噴射量閾値を上回るまでにかかる時間は、未噴射量積算値の増加速度が高噴射判定速度以上であれば、噴射量閾値を高噴射量用閾値に設定したとしても大きく変わらないと考えられる。したがって、本実施形態によれば、尿素水の噴射精度の向上と応答性の向上とを両立しながら、加えてインジェクタの駆動回数を低減することができる。
【００５４】
（６）本実施形態では、駆動パルスを発生した後における未噴射量積算値の増加が速く高噴射設定時間が経過するまでの間に未噴射量積算値が高噴射量用閾値を上回った場合には、高噴射量用閾値に相当する多量の尿素水が噴射されるような長い幅の駆動パルスを発生し、未噴射量積算値の増加が遅く高噴射設定時間が経過するまでの間に噴射量積算値が高噴射量用閾値を上回らなかった場合には、低噴射量用閾値に相当する少量の尿素水が噴射されるような短い幅の駆動パルスを発生する。これにより、インジェクタの駆動回数を必要最小限にとどめつつ、還元剤等の噴射精度の向上と応答性の向上とを両立することができる。
【００５５】
上記実施形態では、アンモニアを還元剤とし、かつこの前駆体として尿素水をインジェクタで供給する尿素添加式の排気浄化システムに、本発明を適用した例を示したが、これに限るものではない。
例えば、インジェクタからは尿素水を供給せずに、アンモニアガスを直接供給するシステムに本発明を適用しても効果的である。また、ＮＯｘを還元するための還元剤はアンモニアに限るものではない。本発明は、ＮＯｘを還元するための還元剤として、アンモニアの代わりに、例えば炭化水素を用いた排気浄化システムに適用することもできる。
【符号の説明】
【００５６】
１…エンジン（内燃機関）
２…排気浄化システム
３…制御装置
３１…指示噴射量演算部（噴射量算出手段）
３２…指示噴射量積算部（積算手段）
３３…駆動パルス発生部（駆動手段）
３４…噴射済み分積算部（積算手段）
３６…未噴射量積算部（積算手段）
４…排気管（排気通路）
４３…選択還元触媒
４５…インジェクタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられた選択還元触媒と、
駆動パルスが印加されると前記選択還元触媒の上流側に還元剤又はその前駆体を噴射するインジェクタと、
前記内燃機関の運転状態及び前記選択還元触媒の状態の少なくとも何れかに応じて、当該選択還元触媒へ供給すべき還元剤又は前駆体の単位時間当りの噴射量を所定の演算周期毎に算出する噴射量算出手段と、を備えた排気浄化システムであって、
前記演算周期毎に算出された噴射量を積算し、噴射量積算値を算出する積算手段と、
前記噴射量積算値が予め設定された噴射量閾値を上回ったときに、当該噴射量閾値に相当する量の還元剤又は前駆体が噴射されるような駆動パルスを発生する駆動手段と、を備えることを特徴とする排気浄化システム。
【請求項２】
前記駆動手段は、前記噴射量積算値が前記噴射量閾値を上回るまでは、駆動パルスを発生しないことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化システム。
【請求項３】
前記駆動手段は、前記噴射量積算値が前記噴射量閾値を上回る度に同じ幅の駆動パルスを発生することで、１つの駆動パルス当りの還元剤又は前駆体の噴射量及び噴射時間を一定にすることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気浄化システム。
【請求項４】
前記噴射量閾値は、１つの駆動パルス当りの還元剤又は前駆体の噴射量が、当該噴射量に対する誤差の許容範囲内で最小となる値に設定されることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の排気浄化システム。
【請求項５】
前記噴射量積算値の増加速度が所定速度以上である場合には前記駆動手段により発生させる駆動パルスの幅が長くなるように、前記噴射量閾値を低噴射量用閾値と当該低噴射量用閾値よりも大きな高噴射量用閾値との何れかの値に設定する噴射量閾値設定手段をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気浄化システム。
【請求項６】
前記噴射量閾値設定手段は、駆動パルスの発生後所定時間が経過するまでの間は前記噴射量閾値を前記高噴射量用閾値に設定し、前記所定時間が経過した後は前記噴射量閾値を前記低噴射量用閾値に変更することを特徴とする請求項５に記載の排気浄化システム。
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられた選択還元触媒と、
駆動パルスが印加されると前記選択還元触媒の上流側に還元剤又はその前駆体を噴射するインジェクタと、
前記内燃機関の運転状態及び前記選択還元触媒の状態の少なくとも何れかに応じて、当該選択還元触媒へ供給すべき還元剤又は前駆体の単位時間当りの噴射量を所定の演算周期毎に算出する噴射量算出手段と、を備えた排気浄化システムであって、
前記演算周期毎に算出された噴射量を積算し、噴射量積算値を算出する積算手段と、
前記噴射量積算値が予め設定された噴射量閾値を上回ったときに、当該噴射量閾値に相当する量の還元剤又は前駆体が噴射されるような駆動パルスを発生する駆動手段と、を備えることを特徴とする排気浄化システム。
【請求項２】
前記駆動手段は、前記噴射量積算値が前記噴射量閾値を上回るまでは、駆動パルスを発生しないことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化システム。
【請求項３】
前記駆動手段は、前記噴射量積算値が前記噴射量閾値を上回る度に同じ幅の駆動パルスを発生することで、１つの駆動パルス当りの還元剤又は前駆体の噴射量及び噴射時間を一定にすることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気浄化システム。
【請求項４】
前記噴射量閾値は、１つの駆動パルス当りの還元剤又は前駆体の噴射量が、当該噴射量に対する誤差の許容範囲内で最小となる値に設定されることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の排気浄化システム。
【請求項５】
前記噴射量積算値の増加速度が所定速度以上である場合には前記駆動手段により発生させる駆動パルスの幅が長くなるように、前記噴射量閾値を低噴射量用閾値と当該低噴射量用閾値よりも大きな高噴射量用閾値との何れかの値に設定する噴射量閾値設定手段をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気浄化システム。
【請求項６】
前記噴射量閾値設定手段は、駆動パルスの発生後所定時間が経過するまでの間は前記噴射量閾値を前記高噴射量用閾値に設定し、前記所定時間が経過した後は前記噴射量閾値を前記低噴射量用閾値に変更することを特徴とする請求項５に記載の排気浄化システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−１１２５５（Ｐ２０１３−１１２５５Ａ）
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４５９３７（Ｐ２０１１−１４５９３７）
【出願日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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