排気浄化装置
【課題】目詰まりを生じることなく排気中に尿素水の添加を行い、適正な量のアンモニアをＮＯｘ触媒に供給することができる排気浄化装置を提供する。
【解決手段】尿素水をエンジンの排気中に添加することによりＮＯｘ触媒（３０）に還元剤としてアンモニアを供給する尿素水供給手段（３８，４０，４２）と、尿素水供給手段（３８，４０，４２）から排気中に添加される尿素水の量を調整する尿素水供給量調整手段（５４）と、ＮＯｘ触媒（３０）によるＮＯｘの還元浄化に必要な尿素水の目標供給量が所定の下限値より少ないときには、尿素水供給手段（３８，４０，４２）から尿素水が供給されているときの単位時間あたりの供給量を前記下限値以上とすると共に目標供給量に対応し間欠的に尿素水を排気中に添加するように尿素水供給量調整手段（５４）を制御する制御手段（５６）とを備える。
【解決手段】尿素水をエンジンの排気中に添加することによりＮＯｘ触媒（３０）に還元剤としてアンモニアを供給する尿素水供給手段（３８，４０，４２）と、尿素水供給手段（３８，４０，４２）から排気中に添加される尿素水の量を調整する尿素水供給量調整手段（５４）と、ＮＯｘ触媒（３０）によるＮＯｘの還元浄化に必要な尿素水の目標供給量が所定の下限値より少ないときには、尿素水供給手段（３８，４０，４２）から尿素水が供給されているときの単位時間あたりの供給量を前記下限値以上とすると共に目標供給量に対応し間欠的に尿素水を排気中に添加するように尿素水供給量調整手段（５４）を制御する制御手段（５６）とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの排気を浄化するための排気浄化装置に関し、特にアンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ触媒を備えた排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンから排出される排気中に含まれる汚染物質の１つであるＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するための排気浄化装置として、エンジンの排気通路に選択還元型のＮＯｘ触媒を配設し、還元剤としてアンモニアをＮＯｘ触媒に供給することにより、排気中のＮＯｘを浄化するようにした排気浄化装置が用いられている。
このような排気浄化装置では、アンモニアをＮＯｘ触媒に供給するために、アンモニアに比べて取り扱いが容易な尿素水を排気中に添加することが知られている。排気中に添加された尿素水は、排気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ＮＯｘ触媒に供給される。ＮＯｘ触媒に供給されたアンモニアは一旦ＮＯｘ触媒に吸着され、このアンモニアと排気中のＮＯｘとの間の脱硝反応がＮＯｘ触媒によって促進されることによりＮＯｘの浄化が行われる。
【０００３】
このとき尿素水を加水分解しやすいように霧化して排気中に供給するため、尿素水は予め尿素水噴射装置で加圧空気中に混入され、加圧空気と共に尿素水添加ノズルから排気中に噴霧されるようになっている。
尿素水の添加量はＮＯｘ触媒で浄化するＮＯｘの量などによって変動するが、尿素水の添加量が比較的少ない場合、加圧空気により尿素水の水分が持ち去られて尿素結晶が析出し、尿素水噴射装置や尿素水添加ノズル、或いはその間の通路などといった尿素水の供給経路の内部に目詰まりが生じる可能性がある。
【０００４】
また、尿素水供給量の減少に合わせて加圧空気の流量も減少させるようにした場合であっても、尿素水の供給量が減少して加圧空気の流量が少なくなると、尿素水の供給経路内に付着した尿素水が加圧空気によって持ち去られなくなり、付着した尿素水から析出した尿素結晶により目詰まりが発生する可能性がある。
このような目詰まりの発生を防止するため、尿素水の供給量が所定の下限値より少なくなったときに尿素水の供給量を前記下限値以上に維持する方法と、尿素水の供給量が所定の下限値より少なくなったときに尿素水の供給量を中止する方法とが考えられる。
【０００５】
尿素水の目標供給量が所定下限値より少なくなった場合に、尿素水の供給量が前記下限値を下回らないようにした排気浄化装置は、目的は相違するものの、特許文献１などにより提案されている。
特許文献１に示された排気浄化装置は、尿素水供給量の減少にともなう尿素水の冷却効果低下により、尿素水添加ノズルの温度が上昇し、尿素水が結晶化して目詰まりを起こすという不具合を防止することを目的としている。このような目的を達成するため、尿素水添加ノズル内で尿素水が結晶化する温度未満に尿素水添加ノズルを冷却可能な尿素水供給量を求め、この尿素水供給量を下回らないように尿素水の供給制御が行われる。
【特許文献１】特開２００５−１１３６８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１に示された排気浄化装置のように、尿素水の目標供給量が所定の下限値を下回るときにも前記下限値以上の尿素水が供給されるようにした場合には、ＮＯｘの浄化に必要な供給量を上回る量のアンモニアがＮＯｘ触媒に供給されてしまう。このため、尿素水を必要以上に浪費してしまうばかりでなく、ＮＯｘ触媒によるＮＯｘの浄化に寄与しなかった余剰のアンモニアがそのままＮＯｘ触媒から流出し、大気中に放出されてしまうという問題が生じる。
【０００７】
また、尿素水の目標供給量が所定下限値を下回るときに尿素水の供給を中止するようにした場合には、ＮＯｘの浄化に必要なアンモニアがＮＯｘ触媒に供給されなくなるため、ＮＯｘ触媒の浄化効率が低下し、ＮＯｘ触媒で浄化されなかったＮＯｘが大気中に放出されてしまうという問題が生じる。
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、目詰まりを生じることなく排気中に尿素水の添加を行い、適正な量のアンモニアをＮＯｘ触媒に供給することができる排気浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の排気浄化装置は、エンジンの排気通路に配設され、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ触媒と、尿素水を前記エンジンの排気中に添加することにより前記ＮＯｘ触媒にアンモニアを供給する尿素水供給手段と、前記尿素水供給手段から前記排気中に添加される前記尿素水の量を調整する尿素水供給量調整手段と、前記ＮＯｘ触媒によるＮＯｘの還元浄化に必要な前記尿素水の目標供給量を求め、前記目標供給量が所定の下限値より少ないときには、前記尿素水供給手段から前記尿素水が供給されているときの単位時間あたりの供給量を前記下限値以上とすると共に前記目標供給量に対応して間欠的に前記尿素水を前記排気中に添加するように前記尿素水供給量調整手段を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする（請求項１）。
【０００９】
このように構成された排気浄化装置によれば、ＮＯｘ触媒によるＮＯｘの還元浄化に必要な尿素水の目標供給量が所定の下限値より少ないときには、前記尿素水供給手段から前記尿素水が供給されているときの単位時間あたりの供給量を前記下限値以上とすると共に前記目標供給量に対応して間欠的に尿素水を排気中に添加するように、尿素水供給量調整手段が制御手段によって制御される。
【００１０】
具体的には、前記下限値は、前記尿素水供給手段により前記尿素水を連続的に前記排気中に添加した場合に、前記尿素水供給手段内に前記尿素水の結晶化による目詰まりが生じる供給量の上限値より大きい値であることを特徴とする（請求項２）。
また、前記排気浄化装置において、前記制御手段は、前記目標供給量が前記下限値以上のときには、前記目標供給量に対応して連続的に前記尿素水を添加するように前記尿素水供給量調整手段を制御することを特徴とする（請求項３）。
【００１１】
このように構成された排気浄化装置によれば、前記目標供給量が所定の下限値より少ないときには、尿素水供給手段から尿素水が供給されているときの単位時間あたりの供給量を前記下限値以上とすると共に前記目標供給量に対応して間欠的に前記尿素水が前記排気中に添加される一方、前記目標供給量が前記下限値以上のときには、前記目標供給量に対応して連続的に前記尿素水が排気中に添加される。
【００１２】
また、前記排気浄化装置において具体的には、前記制御手段は、前記目標供給量に応じて前記尿素水供給量調整手段をＰＷＭ制御することにより、前記尿素水の間欠的な添加を行うことを特徴とする（請求項４）。
或いは、前記排気浄化装置において具体的には、前記制御手段は、前記目標供給量に応じて前記尿素水供給量調整手段をＰＦＭ制御することにより、前記尿素水の間欠的な添加を行うことを特徴とする（請求項５）。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の排気浄化装置によれば、ＮＯｘ触媒によるＮＯｘの還元浄化に必要な尿素水の目標供給量が所定の下限値より少ないときには、前記目標供給量に対応し間欠的に尿素水が排気中に添加される。そして、その際には尿素水供給手段から尿素水が供給されているときの供給量を前記下限値以上としているので、尿素水供給手段内を尿素水が流動するときの尿素水の流動量を、前記尿素水供給手段内に尿素水の結晶化による目詰まりが生じにくい、或いは生じない量に維持することが可能となると共に、ＮＯｘ触媒に供給されるアンモニアの量は、ＮＯｘの浄化に必要とされる適正な量とすることが可能となる。
【００１４】
従って、尿素水の流動量の減少に起因する目詰まりの発生を防止しながら、ＮＯｘ触媒にはＮＯｘの還元浄化に必要な適量のアンモニアを供給し、ＮＯｘ浄化効率の低下やアンモニアの大気中への放出を防止することが可能となる。
また、請求項４の排気浄化装置のように、目標供給量に応じて尿素水供給量調整手段をＰＷＭ制御することによって、還元剤の間欠的な添加を行うようにした場合や、請求項５の排気浄化装置のように、目標供給量に応じて尿素水供給量調整手段をＰＦＭ制御することによって、尿素水の間欠的な添加を行うようにした場合には、ＮＯｘ触媒に供給されるアンモニアの量をより精度よく適正な量に制御することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の１実施形態に係る排気浄化装置が適用される４気筒のディーゼルエンジン（以下、エンジンという）のシステム構成図を示しており、図１に基づき本発明に係る排気浄化装置の構成を説明する。
エンジン１は各気筒共通の高圧蓄圧室（以下コモンレールという）２を備えており、コモンレール２に蓄えられた高圧の燃料である軽油を、各気筒に設けられたインジェクタ４に供給し、各インジェクタ４からそれぞれの気筒内に軽油が噴射される。
【００１６】
吸気通路６にはターボチャージャ８が装備されており、図示しないエアクリーナから吸入された吸気は、吸気通路６からターボチャージャ８のコンプレッサ８ａへと流入し、コンプレッサ８ａで過給された吸気はインタークーラ１０及び吸気制御弁１２を介して吸気マニホールド１４に導入される。また、吸気通路６のコンプレッサ８ａより上流側には、エンジン１への吸入空気流量を検出するための吸気流量センサ１６が設けられている。
【００１７】
一方、エンジン１の各気筒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１８を介して排気管（排気通路）２０に接続されている。なお、排気マニホールド１８と吸気マニホールド１４との間には、ＥＧＲ弁２２を介して排気マニホールド１８と吸気マニホールド１４とを連通するＥＧＲ通路２４が設けられている。
排気管２０はターボチャージャ８のタービン８ｂを経た後、排気絞り弁２６を介して排気後処理装置２８に接続されている。また、タービン８ｂの回転軸はコンプレッサ８ａの回転軸と連結されており、タービン８ｂが排気管２０内を流動する排気を受けてコンプレッサ８ａを駆動する。
【００１８】
排気後処理装置２８には、アンモニアを吸着し、吸着したアンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを選択還元するＮＯｘ触媒３０が収容されると共に、このＮＯｘ触媒３０の下流側にはＮＯｘ触媒３０から流出したアンモニアを酸化するための酸化触媒３２が収容されている。
また、ＮＯｘ触媒３０の入口側にはＮＯｘ触媒３０の入口側排気温度を検出する入口温度センサ３４が設けられ、ＮＯｘ触媒３０の出口側にはＮＯｘ触媒３０の出口側排気温度を検出する出口温度センサ３６が設けられている。
【００１９】
排気管２０の排気後処理装置２８より上流側には、排気管２０内の排気中に尿素水を噴射して添加する尿素水添加ノズル３８が設けられており、この尿素水添加ノズル３８は尿素水噴射管４０を介して尿素水噴射装置４２に接続されている。
尿素水タンク４４は尿素水を貯留するものであって、尿素水タンク４４の尿素水は尿素水供給管４６を介して尿素水噴射装置４２に供給される。この尿素水供給管４６には、電磁弁である尿素水制御弁４８が設けられており、尿素水タンク４４の尿素水を尿素水噴射装置４２に供給する際に開弁され、尿素水噴射装置４２への尿素水の供給を中止する際に閉弁されるようになっている。
【００２０】
エアタンク５０は、エアポンプ（図示せず）によって圧縮された加圧空気を貯留するものであり、エアタンク５０の加圧空気は空気供給管５２を介して尿素水噴射装置４２に供給される。この空気供給管５２には、尿素水噴射装置４２への加圧空気の供給量を制御するための電磁式調量弁であるエア制御弁５４が設けられている。
尿素水噴射装置４２は、上述のようにしてエアタンク５０から供給された加圧空気に、尿素水タンク４４から供給された尿素水を混入し、加圧空気によって尿素水を尿素水添加ノズル３８に供給するものであり、エア制御弁５４によって尿素水噴射装置４２に供給される加圧空気の量を制御することにより、尿素水添加ノズル３８から排気中に添加される尿素水の量が調整されるようになっている。
【００２１】
従って、本実施形態においては、尿素水添加ノズル３８、尿素水噴射管４０、及び尿素水噴射装置４２が本発明の尿素水供給手段に相当し、エア制御弁５４が本発明の尿素水供給量調整手段に相当する。
尿素水噴射装置４２で加圧空気に混入されて尿素水添加ノズル３８に供給された霧状の尿素水は、加圧空気と共に排気管２０内の排気中に噴射され、排気の熱により加水分解してアンモニアとなる。このようにして生成されたアンモニアは、ＮＯｘ触媒３０に供給され、一旦ＮＯｘ触媒３０に吸着する。そしてＮＯｘ触媒３０に吸着したアンモニアと排気中のＮＯｘとの脱硝反応がＮＯｘ触媒３０によって促進され、ＮＯｘが無害なＮ２に転化することにより排気が浄化される。
【００２２】
ＥＣＵ（制御手段）５６は、エンジン１の運転制御をはじめとして総合的な制御を行うための制御装置であり、ＣＰＵ、メモリ、タイマカウンタなどから構成され、様々な制御量の演算を行うと共に、その制御量に基づき各種デバイスの制御を行っている。
ＥＣＵ５６の入力側には、各種制御に必要な情報を収集するため、上述した吸気流量センサ１６、入口温度センサ３４、及び出口温度センサ３６のほか、エンジン回転数を検出する回転数センサ５８、及びアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ６０などの各種センサ類が接続されており、出力側には演算した制御量に基づき制御が行われる各気筒のインジェクタ４、吸気制御弁１２、ＥＧＲ弁２２、排気絞り弁２６、尿素水制御弁４８、及びエア制御弁５４などの各種デバイス類が接続されている。
【００２３】
エンジン１の各気筒への燃料供給量の演算、及び演算した燃料供給量に基づくインジェクタ４からの燃料供給制御もＥＣＵ５６によって行われる。エンジン１の運転に必要な燃料供給量（主噴射量）は、回転数センサ５８によって検出されたエンジン回転数とアクセル開度センサ６０によって検出されたアクセル開度とに基づき、予め記憶しているマップから読み出して決定する。各気筒に供給される燃料の量は、インジェクタ４の開弁時間によって調整され、決定された燃料量に対応した駆動時間で各インジェクタ４が開弁駆動され、各気筒に主噴射が行われることにより、エンジン１の運転に必要な燃料量が供給される。
【００２４】
またＥＣＵ５６は、回転数センサ５８によって検出されたエンジン回転数や燃料の主噴射量等のエンジン運転状態に基づき、エンジン１から排出されるＮＯｘをＮＯｘ触媒３０で選択還元するために必要な尿素水の目標供給量を、予め記憶しているマップデータから求める。そして、ＥＣＵ５６が尿素水制御弁４８を開弁すると共に、エア制御弁５４を制御して尿素水噴射装置４２に供給される加圧空気の量を調整することにより、目標供給量に対応した尿素水が尿素水添加ノズル３８から排気中に添加される。こうして排気中に添加された尿素水は、排気の熱により加水分解してアンモニアとなり、このアンモニアを還元剤として、前述のようにＮＯｘ触媒３０による排気中のＮＯｘの選択還元が行われる。
【００２５】
ＥＣＵ５６によるこのような尿素水の供給制御は、図２のフローチャートに従って所定の制御周期で行われる。
まず、ステップＳ２で尿素水の供給が可能な状態であるか否かを判定する。
即ち、例えばエンジン１の始動直後などでＮＯｘ触媒３０が活性化温度に達していない場合や、排気温度が尿素水の加水分解を可能とする温度に達していない場合などでは、尿素水を排気中に供給しても、ＮＯｘ触媒３０によってＮＯｘを浄化することができない。そこで、ステップＳ２では入口温度センサ３４や出口温度センサ３６によって検出されたＮＯｘ触媒３０入口側及び出口側の排気温度などのエンジン運転状態に基づき、尿素水の供給を行ってもよい状態であるか否かを判定する。
【００２６】
ステップＳ２で尿素水の供給が不可であると判定した場合は、ステップＳ４に進んで尿素水制御弁４８を閉弁すると共に、次のステップＳ６でエア制御弁５４を閉弁して今回の制御周期を終了する。従って、この場合には尿素水添加ノズル３８から排気中への尿素水の添加は行われない。
一方、ステップＳ２で尿素水の供給が可能であると判定した場合は、ステップＳ８に進むが、以下においては尿素水を供給可能な状態にあるものとして説明を行う。
【００２７】
ステップＳ８では、ＮＯｘ触媒３０で排気中のＮＯｘを浄化するために必要な尿素水の目標供給量Ｑｕを求める。この目標供給量Ｑｕは次のようにして決定される。
まず回転数センサ５８によって検出されたエンジン回転数やＥＣＵ５６によって算出された燃料主噴射量などのエンジン運転状態に基づき、エンジン１からのＮＯｘ排出量を推定する。また、入口温度センサ３４によって検出されたＮＯｘ触媒３０入口側の排気温度に基づき、予め記憶しているマップデータからＮＯｘ触媒３０のＮＯｘ浄化率を求める。次に、これらＮＯｘ推定排出量及びＮＯｘ浄化率からＮＯｘ触媒３０によるＮＯｘ浄化量を求め、そのＮＯｘ浄化量に対応するアンモニア量を求める。このようにして求められたアンモニア量から尿素水の目標供給量Ｑｕが求められる。
【００２８】
次にステップＳ１０に進むと、ステップＳ８で求めた尿素水の目標供給量Ｑｕが、予め設定された下限値Ｑｍｉｎより少ないか否かを判定する。
尿素水を尿素水添加ノズル３８から連続的に排気中に噴射している状態で、尿素水の供給量が減少していった場合、尿素水供給量の減少に伴って加圧空気量も減少するため、尿素水噴射装置４２、尿素水噴射管４０、及び尿素水添加ノズル３８などの尿素水供給経路内に付着した尿素水が、加圧空気によって持ち去られにくくなる。このため、ある供給量以下になると付着した尿素水が結晶化して前記尿素水供給経路に目詰まりを起こす。そこで本実施形態では、このような目詰まりが発生する尿素水の供給量を予め実験等で求め、目詰まりが発生する尿素水供給量の上限値よりわずかに多い量を下限値Ｑｍｉｎとして設定している。
【００２９】
従って、ステップＳ１０で尿素水の目標供給量Ｑｕがこのような下限値Ｑｍｉｎ以上であると判定した場合には、尿素水を連続的に供給するようにしても前記尿素水供給経路中に目詰まりが生じることがないものとしてステップＳ１２に進む。
ステップＳ１２では、尿素水制御弁４８を開弁状態として、尿素水タンク４４内の尿素水を尿素水噴射装置４２に供給可能な状態とし、次のステップＳ１４に進む。
【００３０】
ステップＳ１４では、予め記憶した尿素水の目標供給量とエア制御弁５４の開度との関係を示すマップから、今回の制御周期においてステップＳ８で求めた尿素水の目標供給量Ｑｕに対応する開度を読み出し、この開度となるようにエア制御弁５４を制御して今回の制御周期を終了する。
次の制御周期では、再びステップＳ８において尿素水の目標供給量Ｑｕを求めた後、ステップＳ１０で目標供給量Ｑｕが下限値Ｑｍｉｎより少ないか否かを判定し、目標供給量Ｑｕが下限値Ｑｍｉｎ以上であればステップＳ１２に進む。
【００３１】
ステップＳ１２では尿素水制御弁４８を開弁状態とするが、前の制御周期で既に尿素水制御弁４８が開弁状態となっている場合には、その開弁状態を維持することになる。
そして、次のステップＳ１４では、前述のようにしてエア制御弁５４の開度が制御されることにより、目標供給量Ｑｕに対応した尿素水が尿素水添加ノズル３８から排気中に添加される。
【００３２】
従って、制御周期ごとにステップＳ８で求められた尿素水の目標供給量Ｑｕが下限値Ｑｍｉｎ以上である限りは、この目標供給量に対応した尿素水が尿素水添加ノズル３８から連続的に排気中に添加されることになる。
一方、ステップＳ１０において尿素水の目標供給量Ｑｕが下限値Ｑｍｉｎより少ないと判定した場合には、尿素水添加ノズル３８から連続的な添加を行うと、尿素水供給量が少ないために尿素が結晶化して目詰まりが発生する可能性があるものとして、ステップＳ１６に進む。
【００３３】
ステップＳ１６では、ステップＳ１２と同様に、尿素水制御弁４８を開弁状態として、尿素水タンク４４内の尿素水を尿素水噴射装置４２に供給可能な状態とし、次のステップＳ１８に進む。
ステップＳ１８では、エア制御弁５４を所定開度位置と全閉位置とに交互に切り換えることにより間欠制御する。このときの所定開度には、エア制御弁５４を当該所定開度としたときに尿素水添加ノズル３８から連続的に添加される尿素水の量が、ステップＳ１０で用いた下限値Ｑｍｉｎとなるような開度が用いられる。即ち、エア制御弁５４を間欠制御した場合において、エア制御弁５４が所定開度の位置となって尿素水添加ノズル３８から尿素水の添加が行われているときの瞬間的な尿素水供給量（単位時間あたりの供給量）が前記下限値Ｑｍｉｎとなるように制御される。
【００３４】
また、このときのエア制御弁５４の間欠制御は、ステップＳ８で設定された目標供給量Ｑｕに対応したＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によって行われ、尿素水添加ノズル３８から供給される尿素水の供給量が目標供給量Ｑｕに等しくなるようにエア制御弁５４の開弁時間が制御される。
次の制御周期においても、ステップＳ８で求めた尿素水の目標供給量Ｑｕが下限値Ｑｍｉｎより少ない場合にはステップＳ１６に進み、尿素水制御弁４８を開弁状態とする。なお、前の制御周期において既に尿素水制御弁４８が開弁状態となっている場合には、その開弁状態を維持することになる。
【００３５】
そして、次のステップＳ１８では、前述のようにしてエア制御弁５４が目標供給量Ｑｕに対応したＰＷＭ制御により間欠制御され、尿素水添加ノズル３８から尿素水の添加が行われているときの単位時間あたりの供給量が、ステップＳ１０で用いた下限値Ｑｍｉｎに相当する量とされると共に、ＰＷＭ制御により間欠供給される尿素水の供給量が目標供給量Ｑｕとなるように、尿素水が尿素水添加ノズル３８から排気中に間欠的に添加される。
【００３６】
従って、制御周期ごとにステップＳ８で求められた尿素水の目標供給量Ｑｕが下限値Ｑｍｉｎより少ない間は、この目標供給量Ｑｕに対応したエア制御弁５４のＰＷＭ制御によって、尿素水が尿素水添加ノズル３８から間欠的に排気中に添加されることになる。
以上のようにして尿素水の供給制御を行ったときの、尿素水の連続添加の状態と間欠添加の状態を図３に示す。
【００３７】
図３上段はＮＯｘ触媒３０に流入する排ガス中のＮＯｘ量を時間の経過と共に示し、図３中段は、このように流入するＮＯｘをＮＯｘ触媒３０で浄化するのに必要な尿素水の供給量、即ち目標供給量Ｑｕを示している。また、図３下段は、このような目標供給量Ｑｕに対応して、実際に尿素水添加ノズル３８から排気中に添加される尿素添加量を示している。
【００３８】
なお、図３中のＱｍｉｎは前述の尿素水供給制御において用いられる下限値であり、これより少ない量の尿素水を供給すると、連続的な添加であっても尿素が結晶化して目詰まりが発生する可能性がある。
ＮＯｘ触媒３０に流入するＮＯｘの量が減少するにつれて尿素水の目標供給量Ｑｕも減少していくが、目標供給量Ｑｕが下限値Ｑｍｉｎ以上である間は、前述のように図２のステップＳ１４により、エア制御弁５４が目標供給量Ｑｕに対応した開度に連続的に開弁され、尿素水が尿素水添加ノズル３８から連続的に排気中に添加される。
【００３９】
そして、図中のａ点において、目標供給量Ｑｕが下限値Ｑｍｉｎと等しくなり、その後下限値Ｑｍｉｎより少なくなると、エア制御弁５４のＰＷＭ制御による間欠的な尿素水の添加に切り替わる。この間欠添加では、図２のステップＳ１８により、周期ｔｓ毎にその一部期間でエア制御弁５４が所定開度位置とされ、その他の期間では全閉位置とされる。
このとき所定開度は、エア制御弁５４が当該所定開度位置にあって尿素水添加ノズル３８から尿素水の添加が行われているときの尿素水の瞬間的な供給量、即ち図中の間欠添加時における尿素水の供給波形の振幅が、下限値Ｑｍｉｎに等しくなるように設定される。また、エア制御弁５４が所定開度とされる期間は、ＰＷＭ制御により目標供給量Ｑｕに応じて設定され、図に示すように目標供給量Ｑｕの減少と共に徐々に短縮されていく（ｔｐ１＞ｔｐ２＞ｔｐ３＞ｔｐ４）。これにより、尿素水添加ノズル３８から排気中に添加される尿素水の供給量は、目標供給量Ｑｕに等しくなるように制御される。
【００４０】
このように、ＮＯｘ触媒３０によるＮＯｘの浄化に必要な尿素水の目標供給量Ｑｕが下限値Ｑｍｉｎより少ない場合には、尿素水添加ノズル３８から尿素水の添加が行われているときの尿素水の単位時間あたりの供給量が下限値Ｑｍｉｎとなるように間欠的に尿素水が尿素水添加ノズル３８から供給されるので、尿素水が流動する際には尿素が結晶化する量より多い量となり、尿素の結晶化による目詰まりの発生を防止することができる。
【００４１】
また、目標供給量Ｑｕに対応したエア制御弁５４のＰＷＭ制御により、尿素水添加ノズル３８から排気中に供給される尿素水の供給量は目標供給量Ｑｕに等しくなるように制御される。このため、ＮＯｘ触媒３０のＮＯｘ浄化に必要とされるアンモニアが過不足なくＮＯｘ触媒３０に供給され、ＮＯｘ浄化効率の低下や、アンモニアの大気への放出を良好に防止することができると共に、尿素水の余分な消費をなくすことができる。
【００４２】
以上で本発明の一実施形態に係る排気浄化装置についての説明を終えるが、本発明は前記実施形態に限定されるものではない。
例えば、前記実施形態ではＰＷＭ制御によりエア制御弁５４を制御し、尿素水を間欠的に添加するようにしたが、ＰＷＭ制御に代えてＰＦＭ（Pulse Frequency Modulation）制御を用いてもよい。
【００４３】
図４は、ＰＦＭ制御により尿素水を間欠的に添加するようにした場合の尿素水の添加の状態を示す図である。図４上段及び図４中段は、前述の図３と同様にＮＯｘ触媒３０に流入する排ガス中のＮＯｘ量と、このように流入するＮＯｘをＮＯｘ触媒３０で浄化するのに必要な尿素水の供給量、即ち目標供給量Ｑｕを示している。そして、図４下段は、このような目標供給量Ｑｕに対応して、実際に尿素水添加ノズル３８から排気中に添加される尿素添加量を示している。
【００４４】
ＮＯｘ触媒３０に流入するＮＯｘの量が減少するにつれて尿素水の目標供給量Ｑｕも減少していくが、目標供給量Ｑｕが下限値Ｑｍｉｎ以上である間は、エア制御弁５４が目標供給量Ｑｕに対応した開度に連続的に開弁され、尿素水が尿素水添加ノズル３８から連続的に排気中に添加される。
そして、図中のａ点において、目標供給量Ｑｕが下限値Ｑｍｉｎと等しくなり、その後下限値Ｑｍｉｎより少なくなると、エア制御弁５４のＰＦＭ制御による間欠的な尿素水の添加に切り替わる。この間欠添加では、一定期間ｔｐだけエア制御弁５４が所定開度位置とされ、その繰り返し周期が目標供給量Ｑｕに応じて変化する。
【００４５】
このとき所定開度は、エア制御弁５４が当該所定開度位置にあって尿素水添加ノズル３８から尿素水の添加が行われているときの尿素水の単位時間あたりの供給量、即ち図中の間欠添加時における尿素水の供給波形の振幅が下限値Ｑｍｉｎに等しくなるように設定される。また、エア制御弁５４を所定開度とする周期は、ＰＦＭ制御によって目標供給量Ｑｕに応じて設定され、図に示すように目標供給量Ｑｕの減少と共に徐々に拡大されていく（ｔｓ１＜ｔｓ２＜ｔｓ３＜ｔｓ４）。これにより、尿素水添加ノズル３８から排気中に添加される尿素水の供給量は、目標供給量Ｑｕに等しくなるように制御される。
【００４６】
このようにして、エア制御弁５４をＰＦＭ制御するようにした場合も、前記実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、エア制御弁の間欠制御は前記実施形態のようなＰＷＭ制御やＰＦＭ制御に限られるものではなく、エア制御弁５４の開弁期間と開弁間隔の両方を目標供給量Ｑｕに応じて変化させてもよいし、どのような方法であっても、間欠制御によって尿素水添加ノズル３８から尿素水の添加が行われているときの尿素水の単位時間あたりの供給量が下限値Ｑｍｉｎとなり、尿素水添加ノズル３８からの尿素水の供給量が目標供給量Ｑｕの増減に対応して増減するようなものであればよい。
【００４７】
また、前記実施形態では、エア制御弁５４を本発明の還元剤供給量調整手段としたが、エア制御弁５４は前記実施形態における尿素水制御弁４８のように、全開と全閉の切換のみの電磁弁とし、尿素水制御弁４８を前記実施形態におけるエア制御弁５４のように電磁式調量弁としてもよい。このようにした場合には、尿素水制御弁４８が本発明の還元剤供給量調整手段に相当するものとなる。
【００４８】
この場合には、エア制御弁５４を開弁状態とすると共に、尿素水制御弁４８を間欠的に所定開度位置と全閉開度位置との間で開閉制御して、尿素水添加ノズル３８から尿素水を間欠的に排気中に添加する。このときの所定開度は、尿素水制御弁４８が当該所定開度位置にあって尿素水添加ノズル３８から尿素水の添加が行われているときの尿素水の単位時間あたりの供給量が下限値Ｑｍｉｎに等しくなるように設定される。
【００４９】
最後に、上記実施形態はディーゼルエンジンの排気浄化装置に本発明を適用したものであったが、エンジン形式はこれに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施形態に係る排気浄化装置の全体構成図である。
【図２】図１の排気浄化装置で行われる尿素水供給制御のフローチャートである。
【図３】図２の尿素水供給制御による尿素水の供給状態を示す図である。
【図４】図２の尿素水供給制御の変形例による尿素水の供給状態を示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１ エンジン
２０ 排気管（排気通路）
３０ ＮＯｘ触媒
３８ 尿素水添加ノズル（尿素水供給手段）
４０ 尿素水噴射管（尿素水供給手段）
４２ 尿素水噴射装置（尿素水供給手段）
４８ 尿素水制御弁
５４ エア制御弁（尿素水供給量調整手段）
５６ ＥＣＵ（制御手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの排気を浄化するための排気浄化装置に関し、特にアンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ触媒を備えた排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンから排出される排気中に含まれる汚染物質の１つであるＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するための排気浄化装置として、エンジンの排気通路に選択還元型のＮＯｘ触媒を配設し、還元剤としてアンモニアをＮＯｘ触媒に供給することにより、排気中のＮＯｘを浄化するようにした排気浄化装置が用いられている。
このような排気浄化装置では、アンモニアをＮＯｘ触媒に供給するために、アンモニアに比べて取り扱いが容易な尿素水を排気中に添加することが知られている。排気中に添加された尿素水は、排気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ＮＯｘ触媒に供給される。ＮＯｘ触媒に供給されたアンモニアは一旦ＮＯｘ触媒に吸着され、このアンモニアと排気中のＮＯｘとの間の脱硝反応がＮＯｘ触媒によって促進されることによりＮＯｘの浄化が行われる。
【０００３】
このとき尿素水を加水分解しやすいように霧化して排気中に供給するため、尿素水は予め尿素水噴射装置で加圧空気中に混入され、加圧空気と共に尿素水添加ノズルから排気中に噴霧されるようになっている。
尿素水の添加量はＮＯｘ触媒で浄化するＮＯｘの量などによって変動するが、尿素水の添加量が比較的少ない場合、加圧空気により尿素水の水分が持ち去られて尿素結晶が析出し、尿素水噴射装置や尿素水添加ノズル、或いはその間の通路などといった尿素水の供給経路の内部に目詰まりが生じる可能性がある。
【０００４】
また、尿素水供給量の減少に合わせて加圧空気の流量も減少させるようにした場合であっても、尿素水の供給量が減少して加圧空気の流量が少なくなると、尿素水の供給経路内に付着した尿素水が加圧空気によって持ち去られなくなり、付着した尿素水から析出した尿素結晶により目詰まりが発生する可能性がある。
このような目詰まりの発生を防止するため、尿素水の供給量が所定の下限値より少なくなったときに尿素水の供給量を前記下限値以上に維持する方法と、尿素水の供給量が所定の下限値より少なくなったときに尿素水の供給量を中止する方法とが考えられる。
【０００５】
尿素水の目標供給量が所定下限値より少なくなった場合に、尿素水の供給量が前記下限値を下回らないようにした排気浄化装置は、目的は相違するものの、特許文献１などにより提案されている。
特許文献１に示された排気浄化装置は、尿素水供給量の減少にともなう尿素水の冷却効果低下により、尿素水添加ノズルの温度が上昇し、尿素水が結晶化して目詰まりを起こすという不具合を防止することを目的としている。このような目的を達成するため、尿素水添加ノズル内で尿素水が結晶化する温度未満に尿素水添加ノズルを冷却可能な尿素水供給量を求め、この尿素水供給量を下回らないように尿素水の供給制御が行われる。
【特許文献１】特開２００５−１１３６８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１に示された排気浄化装置のように、尿素水の目標供給量が所定の下限値を下回るときにも前記下限値以上の尿素水が供給されるようにした場合には、ＮＯｘの浄化に必要な供給量を上回る量のアンモニアがＮＯｘ触媒に供給されてしまう。このため、尿素水を必要以上に浪費してしまうばかりでなく、ＮＯｘ触媒によるＮＯｘの浄化に寄与しなかった余剰のアンモニアがそのままＮＯｘ触媒から流出し、大気中に放出されてしまうという問題が生じる。
【０００７】
また、尿素水の目標供給量が所定下限値を下回るときに尿素水の供給を中止するようにした場合には、ＮＯｘの浄化に必要なアンモニアがＮＯｘ触媒に供給されなくなるため、ＮＯｘ触媒の浄化効率が低下し、ＮＯｘ触媒で浄化されなかったＮＯｘが大気中に放出されてしまうという問題が生じる。
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、目詰まりを生じることなく排気中に尿素水の添加を行い、適正な量のアンモニアをＮＯｘ触媒に供給することができる排気浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の排気浄化装置は、エンジンの排気通路に配設され、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ触媒と、尿素水を前記エンジンの排気中に添加することにより前記ＮＯｘ触媒にアンモニアを供給する尿素水供給手段と、前記尿素水供給手段から前記排気中に添加される前記尿素水の量を調整する尿素水供給量調整手段と、前記ＮＯｘ触媒によるＮＯｘの還元浄化に必要な前記尿素水の目標供給量を求め、前記目標供給量が所定の下限値より少ないときには、前記尿素水供給手段から前記尿素水が供給されているときの単位時間あたりの供給量を前記下限値以上とすると共に前記目標供給量に対応して間欠的に前記尿素水を前記排気中に添加するように前記尿素水供給量調整手段を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする（請求項１）。
【０００９】
このように構成された排気浄化装置によれば、ＮＯｘ触媒によるＮＯｘの還元浄化に必要な尿素水の目標供給量が所定の下限値より少ないときには、前記尿素水供給手段から前記尿素水が供給されているときの単位時間あたりの供給量を前記下限値以上とすると共に前記目標供給量に対応して間欠的に尿素水を排気中に添加するように、尿素水供給量調整手段が制御手段によって制御される。
【００１０】
具体的には、前記下限値は、前記尿素水供給手段により前記尿素水を連続的に前記排気中に添加した場合に、前記尿素水供給手段内に前記尿素水の結晶化による目詰まりが生じる供給量の上限値より大きい値であることを特徴とする（請求項２）。
また、前記排気浄化装置において、前記制御手段は、前記目標供給量が前記下限値以上のときには、前記目標供給量に対応して連続的に前記尿素水を添加するように前記尿素水供給量調整手段を制御することを特徴とする（請求項３）。
【００１１】
このように構成された排気浄化装置によれば、前記目標供給量が所定の下限値より少ないときには、尿素水供給手段から尿素水が供給されているときの単位時間あたりの供給量を前記下限値以上とすると共に前記目標供給量に対応して間欠的に前記尿素水が前記排気中に添加される一方、前記目標供給量が前記下限値以上のときには、前記目標供給量に対応して連続的に前記尿素水が排気中に添加される。
【００１２】
また、前記排気浄化装置において具体的には、前記制御手段は、前記目標供給量に応じて前記尿素水供給量調整手段をＰＷＭ制御することにより、前記尿素水の間欠的な添加を行うことを特徴とする（請求項４）。
或いは、前記排気浄化装置において具体的には、前記制御手段は、前記目標供給量に応じて前記尿素水供給量調整手段をＰＦＭ制御することにより、前記尿素水の間欠的な添加を行うことを特徴とする（請求項５）。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の排気浄化装置によれば、ＮＯｘ触媒によるＮＯｘの還元浄化に必要な尿素水の目標供給量が所定の下限値より少ないときには、前記目標供給量に対応し間欠的に尿素水が排気中に添加される。そして、その際には尿素水供給手段から尿素水が供給されているときの供給量を前記下限値以上としているので、尿素水供給手段内を尿素水が流動するときの尿素水の流動量を、前記尿素水供給手段内に尿素水の結晶化による目詰まりが生じにくい、或いは生じない量に維持することが可能となると共に、ＮＯｘ触媒に供給されるアンモニアの量は、ＮＯｘの浄化に必要とされる適正な量とすることが可能となる。
【００１４】
従って、尿素水の流動量の減少に起因する目詰まりの発生を防止しながら、ＮＯｘ触媒にはＮＯｘの還元浄化に必要な適量のアンモニアを供給し、ＮＯｘ浄化効率の低下やアンモニアの大気中への放出を防止することが可能となる。
また、請求項４の排気浄化装置のように、目標供給量に応じて尿素水供給量調整手段をＰＷＭ制御することによって、還元剤の間欠的な添加を行うようにした場合や、請求項５の排気浄化装置のように、目標供給量に応じて尿素水供給量調整手段をＰＦＭ制御することによって、尿素水の間欠的な添加を行うようにした場合には、ＮＯｘ触媒に供給されるアンモニアの量をより精度よく適正な量に制御することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の１実施形態に係る排気浄化装置が適用される４気筒のディーゼルエンジン（以下、エンジンという）のシステム構成図を示しており、図１に基づき本発明に係る排気浄化装置の構成を説明する。
エンジン１は各気筒共通の高圧蓄圧室（以下コモンレールという）２を備えており、コモンレール２に蓄えられた高圧の燃料である軽油を、各気筒に設けられたインジェクタ４に供給し、各インジェクタ４からそれぞれの気筒内に軽油が噴射される。
【００１６】
吸気通路６にはターボチャージャ８が装備されており、図示しないエアクリーナから吸入された吸気は、吸気通路６からターボチャージャ８のコンプレッサ８ａへと流入し、コンプレッサ８ａで過給された吸気はインタークーラ１０及び吸気制御弁１２を介して吸気マニホールド１４に導入される。また、吸気通路６のコンプレッサ８ａより上流側には、エンジン１への吸入空気流量を検出するための吸気流量センサ１６が設けられている。
【００１７】
一方、エンジン１の各気筒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１８を介して排気管（排気通路）２０に接続されている。なお、排気マニホールド１８と吸気マニホールド１４との間には、ＥＧＲ弁２２を介して排気マニホールド１８と吸気マニホールド１４とを連通するＥＧＲ通路２４が設けられている。
排気管２０はターボチャージャ８のタービン８ｂを経た後、排気絞り弁２６を介して排気後処理装置２８に接続されている。また、タービン８ｂの回転軸はコンプレッサ８ａの回転軸と連結されており、タービン８ｂが排気管２０内を流動する排気を受けてコンプレッサ８ａを駆動する。
【００１８】
排気後処理装置２８には、アンモニアを吸着し、吸着したアンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを選択還元するＮＯｘ触媒３０が収容されると共に、このＮＯｘ触媒３０の下流側にはＮＯｘ触媒３０から流出したアンモニアを酸化するための酸化触媒３２が収容されている。
また、ＮＯｘ触媒３０の入口側にはＮＯｘ触媒３０の入口側排気温度を検出する入口温度センサ３４が設けられ、ＮＯｘ触媒３０の出口側にはＮＯｘ触媒３０の出口側排気温度を検出する出口温度センサ３６が設けられている。
【００１９】
排気管２０の排気後処理装置２８より上流側には、排気管２０内の排気中に尿素水を噴射して添加する尿素水添加ノズル３８が設けられており、この尿素水添加ノズル３８は尿素水噴射管４０を介して尿素水噴射装置４２に接続されている。
尿素水タンク４４は尿素水を貯留するものであって、尿素水タンク４４の尿素水は尿素水供給管４６を介して尿素水噴射装置４２に供給される。この尿素水供給管４６には、電磁弁である尿素水制御弁４８が設けられており、尿素水タンク４４の尿素水を尿素水噴射装置４２に供給する際に開弁され、尿素水噴射装置４２への尿素水の供給を中止する際に閉弁されるようになっている。
【００２０】
エアタンク５０は、エアポンプ（図示せず）によって圧縮された加圧空気を貯留するものであり、エアタンク５０の加圧空気は空気供給管５２を介して尿素水噴射装置４２に供給される。この空気供給管５２には、尿素水噴射装置４２への加圧空気の供給量を制御するための電磁式調量弁であるエア制御弁５４が設けられている。
尿素水噴射装置４２は、上述のようにしてエアタンク５０から供給された加圧空気に、尿素水タンク４４から供給された尿素水を混入し、加圧空気によって尿素水を尿素水添加ノズル３８に供給するものであり、エア制御弁５４によって尿素水噴射装置４２に供給される加圧空気の量を制御することにより、尿素水添加ノズル３８から排気中に添加される尿素水の量が調整されるようになっている。
【００２１】
従って、本実施形態においては、尿素水添加ノズル３８、尿素水噴射管４０、及び尿素水噴射装置４２が本発明の尿素水供給手段に相当し、エア制御弁５４が本発明の尿素水供給量調整手段に相当する。
尿素水噴射装置４２で加圧空気に混入されて尿素水添加ノズル３８に供給された霧状の尿素水は、加圧空気と共に排気管２０内の排気中に噴射され、排気の熱により加水分解してアンモニアとなる。このようにして生成されたアンモニアは、ＮＯｘ触媒３０に供給され、一旦ＮＯｘ触媒３０に吸着する。そしてＮＯｘ触媒３０に吸着したアンモニアと排気中のＮＯｘとの脱硝反応がＮＯｘ触媒３０によって促進され、ＮＯｘが無害なＮ２に転化することにより排気が浄化される。
【００２２】
ＥＣＵ（制御手段）５６は、エンジン１の運転制御をはじめとして総合的な制御を行うための制御装置であり、ＣＰＵ、メモリ、タイマカウンタなどから構成され、様々な制御量の演算を行うと共に、その制御量に基づき各種デバイスの制御を行っている。
ＥＣＵ５６の入力側には、各種制御に必要な情報を収集するため、上述した吸気流量センサ１６、入口温度センサ３４、及び出口温度センサ３６のほか、エンジン回転数を検出する回転数センサ５８、及びアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ６０などの各種センサ類が接続されており、出力側には演算した制御量に基づき制御が行われる各気筒のインジェクタ４、吸気制御弁１２、ＥＧＲ弁２２、排気絞り弁２６、尿素水制御弁４８、及びエア制御弁５４などの各種デバイス類が接続されている。
【００２３】
エンジン１の各気筒への燃料供給量の演算、及び演算した燃料供給量に基づくインジェクタ４からの燃料供給制御もＥＣＵ５６によって行われる。エンジン１の運転に必要な燃料供給量（主噴射量）は、回転数センサ５８によって検出されたエンジン回転数とアクセル開度センサ６０によって検出されたアクセル開度とに基づき、予め記憶しているマップから読み出して決定する。各気筒に供給される燃料の量は、インジェクタ４の開弁時間によって調整され、決定された燃料量に対応した駆動時間で各インジェクタ４が開弁駆動され、各気筒に主噴射が行われることにより、エンジン１の運転に必要な燃料量が供給される。
【００２４】
またＥＣＵ５６は、回転数センサ５８によって検出されたエンジン回転数や燃料の主噴射量等のエンジン運転状態に基づき、エンジン１から排出されるＮＯｘをＮＯｘ触媒３０で選択還元するために必要な尿素水の目標供給量を、予め記憶しているマップデータから求める。そして、ＥＣＵ５６が尿素水制御弁４８を開弁すると共に、エア制御弁５４を制御して尿素水噴射装置４２に供給される加圧空気の量を調整することにより、目標供給量に対応した尿素水が尿素水添加ノズル３８から排気中に添加される。こうして排気中に添加された尿素水は、排気の熱により加水分解してアンモニアとなり、このアンモニアを還元剤として、前述のようにＮＯｘ触媒３０による排気中のＮＯｘの選択還元が行われる。
【００２５】
ＥＣＵ５６によるこのような尿素水の供給制御は、図２のフローチャートに従って所定の制御周期で行われる。
まず、ステップＳ２で尿素水の供給が可能な状態であるか否かを判定する。
即ち、例えばエンジン１の始動直後などでＮＯｘ触媒３０が活性化温度に達していない場合や、排気温度が尿素水の加水分解を可能とする温度に達していない場合などでは、尿素水を排気中に供給しても、ＮＯｘ触媒３０によってＮＯｘを浄化することができない。そこで、ステップＳ２では入口温度センサ３４や出口温度センサ３６によって検出されたＮＯｘ触媒３０入口側及び出口側の排気温度などのエンジン運転状態に基づき、尿素水の供給を行ってもよい状態であるか否かを判定する。
【００２６】
ステップＳ２で尿素水の供給が不可であると判定した場合は、ステップＳ４に進んで尿素水制御弁４８を閉弁すると共に、次のステップＳ６でエア制御弁５４を閉弁して今回の制御周期を終了する。従って、この場合には尿素水添加ノズル３８から排気中への尿素水の添加は行われない。
一方、ステップＳ２で尿素水の供給が可能であると判定した場合は、ステップＳ８に進むが、以下においては尿素水を供給可能な状態にあるものとして説明を行う。
【００２７】
ステップＳ８では、ＮＯｘ触媒３０で排気中のＮＯｘを浄化するために必要な尿素水の目標供給量Ｑｕを求める。この目標供給量Ｑｕは次のようにして決定される。
まず回転数センサ５８によって検出されたエンジン回転数やＥＣＵ５６によって算出された燃料主噴射量などのエンジン運転状態に基づき、エンジン１からのＮＯｘ排出量を推定する。また、入口温度センサ３４によって検出されたＮＯｘ触媒３０入口側の排気温度に基づき、予め記憶しているマップデータからＮＯｘ触媒３０のＮＯｘ浄化率を求める。次に、これらＮＯｘ推定排出量及びＮＯｘ浄化率からＮＯｘ触媒３０によるＮＯｘ浄化量を求め、そのＮＯｘ浄化量に対応するアンモニア量を求める。このようにして求められたアンモニア量から尿素水の目標供給量Ｑｕが求められる。
【００２８】
次にステップＳ１０に進むと、ステップＳ８で求めた尿素水の目標供給量Ｑｕが、予め設定された下限値Ｑｍｉｎより少ないか否かを判定する。
尿素水を尿素水添加ノズル３８から連続的に排気中に噴射している状態で、尿素水の供給量が減少していった場合、尿素水供給量の減少に伴って加圧空気量も減少するため、尿素水噴射装置４２、尿素水噴射管４０、及び尿素水添加ノズル３８などの尿素水供給経路内に付着した尿素水が、加圧空気によって持ち去られにくくなる。このため、ある供給量以下になると付着した尿素水が結晶化して前記尿素水供給経路に目詰まりを起こす。そこで本実施形態では、このような目詰まりが発生する尿素水の供給量を予め実験等で求め、目詰まりが発生する尿素水供給量の上限値よりわずかに多い量を下限値Ｑｍｉｎとして設定している。
【００２９】
従って、ステップＳ１０で尿素水の目標供給量Ｑｕがこのような下限値Ｑｍｉｎ以上であると判定した場合には、尿素水を連続的に供給するようにしても前記尿素水供給経路中に目詰まりが生じることがないものとしてステップＳ１２に進む。
ステップＳ１２では、尿素水制御弁４８を開弁状態として、尿素水タンク４４内の尿素水を尿素水噴射装置４２に供給可能な状態とし、次のステップＳ１４に進む。
【００３０】
ステップＳ１４では、予め記憶した尿素水の目標供給量とエア制御弁５４の開度との関係を示すマップから、今回の制御周期においてステップＳ８で求めた尿素水の目標供給量Ｑｕに対応する開度を読み出し、この開度となるようにエア制御弁５４を制御して今回の制御周期を終了する。
次の制御周期では、再びステップＳ８において尿素水の目標供給量Ｑｕを求めた後、ステップＳ１０で目標供給量Ｑｕが下限値Ｑｍｉｎより少ないか否かを判定し、目標供給量Ｑｕが下限値Ｑｍｉｎ以上であればステップＳ１２に進む。
【００３１】
ステップＳ１２では尿素水制御弁４８を開弁状態とするが、前の制御周期で既に尿素水制御弁４８が開弁状態となっている場合には、その開弁状態を維持することになる。
そして、次のステップＳ１４では、前述のようにしてエア制御弁５４の開度が制御されることにより、目標供給量Ｑｕに対応した尿素水が尿素水添加ノズル３８から排気中に添加される。
【００３２】
従って、制御周期ごとにステップＳ８で求められた尿素水の目標供給量Ｑｕが下限値Ｑｍｉｎ以上である限りは、この目標供給量に対応した尿素水が尿素水添加ノズル３８から連続的に排気中に添加されることになる。
一方、ステップＳ１０において尿素水の目標供給量Ｑｕが下限値Ｑｍｉｎより少ないと判定した場合には、尿素水添加ノズル３８から連続的な添加を行うと、尿素水供給量が少ないために尿素が結晶化して目詰まりが発生する可能性があるものとして、ステップＳ１６に進む。
【００３３】
ステップＳ１６では、ステップＳ１２と同様に、尿素水制御弁４８を開弁状態として、尿素水タンク４４内の尿素水を尿素水噴射装置４２に供給可能な状態とし、次のステップＳ１８に進む。
ステップＳ１８では、エア制御弁５４を所定開度位置と全閉位置とに交互に切り換えることにより間欠制御する。このときの所定開度には、エア制御弁５４を当該所定開度としたときに尿素水添加ノズル３８から連続的に添加される尿素水の量が、ステップＳ１０で用いた下限値Ｑｍｉｎとなるような開度が用いられる。即ち、エア制御弁５４を間欠制御した場合において、エア制御弁５４が所定開度の位置となって尿素水添加ノズル３８から尿素水の添加が行われているときの瞬間的な尿素水供給量（単位時間あたりの供給量）が前記下限値Ｑｍｉｎとなるように制御される。
【００３４】
また、このときのエア制御弁５４の間欠制御は、ステップＳ８で設定された目標供給量Ｑｕに対応したＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によって行われ、尿素水添加ノズル３８から供給される尿素水の供給量が目標供給量Ｑｕに等しくなるようにエア制御弁５４の開弁時間が制御される。
次の制御周期においても、ステップＳ８で求めた尿素水の目標供給量Ｑｕが下限値Ｑｍｉｎより少ない場合にはステップＳ１６に進み、尿素水制御弁４８を開弁状態とする。なお、前の制御周期において既に尿素水制御弁４８が開弁状態となっている場合には、その開弁状態を維持することになる。
【００３５】
そして、次のステップＳ１８では、前述のようにしてエア制御弁５４が目標供給量Ｑｕに対応したＰＷＭ制御により間欠制御され、尿素水添加ノズル３８から尿素水の添加が行われているときの単位時間あたりの供給量が、ステップＳ１０で用いた下限値Ｑｍｉｎに相当する量とされると共に、ＰＷＭ制御により間欠供給される尿素水の供給量が目標供給量Ｑｕとなるように、尿素水が尿素水添加ノズル３８から排気中に間欠的に添加される。
【００３６】
従って、制御周期ごとにステップＳ８で求められた尿素水の目標供給量Ｑｕが下限値Ｑｍｉｎより少ない間は、この目標供給量Ｑｕに対応したエア制御弁５４のＰＷＭ制御によって、尿素水が尿素水添加ノズル３８から間欠的に排気中に添加されることになる。
以上のようにして尿素水の供給制御を行ったときの、尿素水の連続添加の状態と間欠添加の状態を図３に示す。
【００３７】
図３上段はＮＯｘ触媒３０に流入する排ガス中のＮＯｘ量を時間の経過と共に示し、図３中段は、このように流入するＮＯｘをＮＯｘ触媒３０で浄化するのに必要な尿素水の供給量、即ち目標供給量Ｑｕを示している。また、図３下段は、このような目標供給量Ｑｕに対応して、実際に尿素水添加ノズル３８から排気中に添加される尿素添加量を示している。
【００３８】
なお、図３中のＱｍｉｎは前述の尿素水供給制御において用いられる下限値であり、これより少ない量の尿素水を供給すると、連続的な添加であっても尿素が結晶化して目詰まりが発生する可能性がある。
ＮＯｘ触媒３０に流入するＮＯｘの量が減少するにつれて尿素水の目標供給量Ｑｕも減少していくが、目標供給量Ｑｕが下限値Ｑｍｉｎ以上である間は、前述のように図２のステップＳ１４により、エア制御弁５４が目標供給量Ｑｕに対応した開度に連続的に開弁され、尿素水が尿素水添加ノズル３８から連続的に排気中に添加される。
【００３９】
そして、図中のａ点において、目標供給量Ｑｕが下限値Ｑｍｉｎと等しくなり、その後下限値Ｑｍｉｎより少なくなると、エア制御弁５４のＰＷＭ制御による間欠的な尿素水の添加に切り替わる。この間欠添加では、図２のステップＳ１８により、周期ｔｓ毎にその一部期間でエア制御弁５４が所定開度位置とされ、その他の期間では全閉位置とされる。
このとき所定開度は、エア制御弁５４が当該所定開度位置にあって尿素水添加ノズル３８から尿素水の添加が行われているときの尿素水の瞬間的な供給量、即ち図中の間欠添加時における尿素水の供給波形の振幅が、下限値Ｑｍｉｎに等しくなるように設定される。また、エア制御弁５４が所定開度とされる期間は、ＰＷＭ制御により目標供給量Ｑｕに応じて設定され、図に示すように目標供給量Ｑｕの減少と共に徐々に短縮されていく（ｔｐ１＞ｔｐ２＞ｔｐ３＞ｔｐ４）。これにより、尿素水添加ノズル３８から排気中に添加される尿素水の供給量は、目標供給量Ｑｕに等しくなるように制御される。
【００４０】
このように、ＮＯｘ触媒３０によるＮＯｘの浄化に必要な尿素水の目標供給量Ｑｕが下限値Ｑｍｉｎより少ない場合には、尿素水添加ノズル３８から尿素水の添加が行われているときの尿素水の単位時間あたりの供給量が下限値Ｑｍｉｎとなるように間欠的に尿素水が尿素水添加ノズル３８から供給されるので、尿素水が流動する際には尿素が結晶化する量より多い量となり、尿素の結晶化による目詰まりの発生を防止することができる。
【００４１】
また、目標供給量Ｑｕに対応したエア制御弁５４のＰＷＭ制御により、尿素水添加ノズル３８から排気中に供給される尿素水の供給量は目標供給量Ｑｕに等しくなるように制御される。このため、ＮＯｘ触媒３０のＮＯｘ浄化に必要とされるアンモニアが過不足なくＮＯｘ触媒３０に供給され、ＮＯｘ浄化効率の低下や、アンモニアの大気への放出を良好に防止することができると共に、尿素水の余分な消費をなくすことができる。
【００４２】
以上で本発明の一実施形態に係る排気浄化装置についての説明を終えるが、本発明は前記実施形態に限定されるものではない。
例えば、前記実施形態ではＰＷＭ制御によりエア制御弁５４を制御し、尿素水を間欠的に添加するようにしたが、ＰＷＭ制御に代えてＰＦＭ（Pulse Frequency Modulation）制御を用いてもよい。
【００４３】
図４は、ＰＦＭ制御により尿素水を間欠的に添加するようにした場合の尿素水の添加の状態を示す図である。図４上段及び図４中段は、前述の図３と同様にＮＯｘ触媒３０に流入する排ガス中のＮＯｘ量と、このように流入するＮＯｘをＮＯｘ触媒３０で浄化するのに必要な尿素水の供給量、即ち目標供給量Ｑｕを示している。そして、図４下段は、このような目標供給量Ｑｕに対応して、実際に尿素水添加ノズル３８から排気中に添加される尿素添加量を示している。
【００４４】
ＮＯｘ触媒３０に流入するＮＯｘの量が減少するにつれて尿素水の目標供給量Ｑｕも減少していくが、目標供給量Ｑｕが下限値Ｑｍｉｎ以上である間は、エア制御弁５４が目標供給量Ｑｕに対応した開度に連続的に開弁され、尿素水が尿素水添加ノズル３８から連続的に排気中に添加される。
そして、図中のａ点において、目標供給量Ｑｕが下限値Ｑｍｉｎと等しくなり、その後下限値Ｑｍｉｎより少なくなると、エア制御弁５４のＰＦＭ制御による間欠的な尿素水の添加に切り替わる。この間欠添加では、一定期間ｔｐだけエア制御弁５４が所定開度位置とされ、その繰り返し周期が目標供給量Ｑｕに応じて変化する。
【００４５】
このとき所定開度は、エア制御弁５４が当該所定開度位置にあって尿素水添加ノズル３８から尿素水の添加が行われているときの尿素水の単位時間あたりの供給量、即ち図中の間欠添加時における尿素水の供給波形の振幅が下限値Ｑｍｉｎに等しくなるように設定される。また、エア制御弁５４を所定開度とする周期は、ＰＦＭ制御によって目標供給量Ｑｕに応じて設定され、図に示すように目標供給量Ｑｕの減少と共に徐々に拡大されていく（ｔｓ１＜ｔｓ２＜ｔｓ３＜ｔｓ４）。これにより、尿素水添加ノズル３８から排気中に添加される尿素水の供給量は、目標供給量Ｑｕに等しくなるように制御される。
【００４６】
このようにして、エア制御弁５４をＰＦＭ制御するようにした場合も、前記実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、エア制御弁の間欠制御は前記実施形態のようなＰＷＭ制御やＰＦＭ制御に限られるものではなく、エア制御弁５４の開弁期間と開弁間隔の両方を目標供給量Ｑｕに応じて変化させてもよいし、どのような方法であっても、間欠制御によって尿素水添加ノズル３８から尿素水の添加が行われているときの尿素水の単位時間あたりの供給量が下限値Ｑｍｉｎとなり、尿素水添加ノズル３８からの尿素水の供給量が目標供給量Ｑｕの増減に対応して増減するようなものであればよい。
【００４７】
また、前記実施形態では、エア制御弁５４を本発明の還元剤供給量調整手段としたが、エア制御弁５４は前記実施形態における尿素水制御弁４８のように、全開と全閉の切換のみの電磁弁とし、尿素水制御弁４８を前記実施形態におけるエア制御弁５４のように電磁式調量弁としてもよい。このようにした場合には、尿素水制御弁４８が本発明の還元剤供給量調整手段に相当するものとなる。
【００４８】
この場合には、エア制御弁５４を開弁状態とすると共に、尿素水制御弁４８を間欠的に所定開度位置と全閉開度位置との間で開閉制御して、尿素水添加ノズル３８から尿素水を間欠的に排気中に添加する。このときの所定開度は、尿素水制御弁４８が当該所定開度位置にあって尿素水添加ノズル３８から尿素水の添加が行われているときの尿素水の単位時間あたりの供給量が下限値Ｑｍｉｎに等しくなるように設定される。
【００４９】
最後に、上記実施形態はディーゼルエンジンの排気浄化装置に本発明を適用したものであったが、エンジン形式はこれに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施形態に係る排気浄化装置の全体構成図である。
【図２】図１の排気浄化装置で行われる尿素水供給制御のフローチャートである。
【図３】図２の尿素水供給制御による尿素水の供給状態を示す図である。
【図４】図２の尿素水供給制御の変形例による尿素水の供給状態を示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１ エンジン
２０ 排気管（排気通路）
３０ ＮＯｘ触媒
３８ 尿素水添加ノズル（尿素水供給手段）
４０ 尿素水噴射管（尿素水供給手段）
４２ 尿素水噴射装置（尿素水供給手段）
４８ 尿素水制御弁
５４ エア制御弁（尿素水供給量調整手段）
５６ ＥＣＵ（制御手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気通路に配設され、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ触媒と、
尿素水を前記エンジンの排気中に添加することにより前記ＮＯｘ触媒にアンモニアを供給する尿素水供給手段と、
前記尿素水供給手段から前記排気中に添加される前記尿素水の量を調整する尿素水供給量調整手段と、
前記ＮＯｘ触媒によるＮＯｘの還元浄化に必要な前記尿素水の目標供給量を求め、前記目標供給量が所定の下限値より少ないときには、前記尿素水供給手段から前記尿素水が供給されているときの単位時間あたりの供給量を前記下限値以上とすると共に前記目標供給量に対応して間欠的に前記尿素水を前記排気中に添加するように前記尿素水供給量調整手段を制御する制御手段と
を備えたことを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
前記下限値は、前記尿素水供給手段により前記尿素水を連続的に前記排気中に添加した場合に、前記尿素水供給手段内に前記尿素水の結晶化による目詰まりが生じる供給量の上限値より大きい値であることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記目標供給量が前記下限値以上のときには、前記目標供給量に対応して連続的に前記尿素水を添加するように前記尿素水供給量調整手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記目標供給量に応じて前記尿素水供給量調整手段をＰＷＭ制御することにより、前記尿素水の間欠的な添加を行うことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記目標供給量に応じて前記尿素水供給量調整手段をＰＦＭ制御することにより、前記尿素水の間欠的な添加を行うことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項１】
エンジンの排気通路に配設され、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ触媒と、
尿素水を前記エンジンの排気中に添加することにより前記ＮＯｘ触媒にアンモニアを供給する尿素水供給手段と、
前記尿素水供給手段から前記排気中に添加される前記尿素水の量を調整する尿素水供給量調整手段と、
前記ＮＯｘ触媒によるＮＯｘの還元浄化に必要な前記尿素水の目標供給量を求め、前記目標供給量が所定の下限値より少ないときには、前記尿素水供給手段から前記尿素水が供給されているときの単位時間あたりの供給量を前記下限値以上とすると共に前記目標供給量に対応して間欠的に前記尿素水を前記排気中に添加するように前記尿素水供給量調整手段を制御する制御手段と
を備えたことを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
前記下限値は、前記尿素水供給手段により前記尿素水を連続的に前記排気中に添加した場合に、前記尿素水供給手段内に前記尿素水の結晶化による目詰まりが生じる供給量の上限値より大きい値であることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記目標供給量が前記下限値以上のときには、前記目標供給量に対応して連続的に前記尿素水を添加するように前記尿素水供給量調整手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記目標供給量に応じて前記尿素水供給量調整手段をＰＷＭ制御することにより、前記尿素水の間欠的な添加を行うことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記目標供給量に応じて前記尿素水供給量調整手段をＰＦＭ制御することにより、前記尿素水の間欠的な添加を行うことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００７−１６２４８８（Ｐ２００７−１６２４８８Ａ）
【公開日】平成１９年６月２８日（２００７．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３５６１５６（Ｐ２００５−３５６１５６）
【出願日】平成１７年１２月９日（２００５．１２．９）
【出願人】（３０３００２１５８）三菱ふそうトラック・バス株式会社 (1,037)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年６月２８日（２００７．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月９日（２００５．１２．９）
【出願人】（３０３００２１５８）三菱ふそうトラック・バス株式会社 (1,037)
【Ｆターム（参考）】
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