JP4789242B2

JP4789242B2 - 排気浄化装置

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Publication number: JP4789242B2
Application number: JP2005356147A
Authority: JP
Inventors: 礼子百目木; 好央武田; 智平沼; 律子篠▲崎▼; 真一斎藤; 康子鈴木
Original assignee: UD Trucks Corp; Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Current assignee: UD Trucks Corp; Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Priority date: 2005-12-09
Filing date: 2005-12-09
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2025-12-09
Also published as: CN1981915B; US20070160508A1; DE102006057325A1; JP2007162487A; DE102006057325A8; US7908843B2; DE102006057325B4; CN1981915A

Description

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。

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アンモニア選択還元型のＮＯｘ触媒を配設し、還元剤であるアンモニアを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、ＮＯｘ触媒の上流側に尿素水を供給し、この尿素水が排気の熱により加水分解して生じたアンモニアが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。

このようにアンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ触媒を備えたエンジンの排気浄化装置が、例えば特許文献１に開示されている。
特開２００３−３４３２４１号公報

このようなＮＯｘ触媒でＮＯｘを効率よく浄化するためには、十分な量のアンモニアをＮＯｘ触媒に吸着させておく必要がある。
一方、ＮＯｘ触媒に吸着可能なアンモニアの量は、ＮＯｘ触媒の温度の上昇と共に減少する傾向にあり、ＮＯｘ触媒に吸着しているアンモニアは温度の上昇と共に脱離しやすくなる。ＮＯｘ触媒の温度上昇が比較的緩やかであれば、ＮＯｘ触媒から離脱したアンモニアはＮＯｘの還元剤として消費されるが、エンジンの急加速などでＮＯｘ触媒の温度が急上昇した場合には、ＮＯｘ触媒から離脱したアンモニアも急増する。このため、その一部は温度の上昇によってＮＯｘ触媒に吸着しなかったアンモニアと共にＮＯｘ触媒から流出し、アンモニアスリップ量が増大することとなる。

従って、ＮＯｘを効率よく浄化するために十分な量のアンモニアをＮＯｘ触媒に吸着させておくと、ＮＯｘ触媒の温度が急上昇した場合に大量のアンモニアスリップが発生してしまうことになる。一方、このようなアンモニアスリップを抑制するために、ＮＯｘ触媒へのアンモニア供給量を減少させると、ＮＯｘを効率よく浄化することができないという問題が発生する。

特許文献１の排気浄化装置では、排気温度低下時に尿素水の供給を停止するようにしているが、これはＮＯｘ触媒の温度上昇に伴って増大するアンモニアスリップを防止するものではなく、上述したような問題点を有するものである。
また、アンモニアを還元剤とするＮＯｘ触媒では、ＮＯｘ触媒が浄化可能なＮＯｘの量に対応した量のアンモニアがＮＯｘ触媒に供給され、その全量がＮＯｘの浄化に使用されることが理想的であるが、実際には供給されたアンモニアの一部がＮＯｘの浄化に寄与することなくＮＯｘ触媒から流出する。

ＮＯｘ触媒から流出したアンモニアが大気中に放出されるのを防止するため、ＮＯｘ触媒の下流側に酸化触媒を配置することが知られている。
この酸化触媒は、ＮＯｘ触媒から流出したアンモニアを酸化し、Ｎ_２またはＮＯｘとする。更に、このとき生成されたＮＯｘは、酸化触媒に流入するアンモニアによりＮ_２となる。こうして、ＮＯｘ触媒から流出したアンモニアは酸化触媒により無害なＮ_２に転化されて大気に放出される。

このような酸化触媒をＮＯｘ触媒の下流に配設することにより、大気中へのアンモニアの放出を防止することができるが、例えば車両に搭載されるエンジンなどの場合には酸化触媒を搭載するためのスペースを確保する必要が生じるほか、酸化触媒の触媒物質として高価な貴金属を使用するため、コストが増加するなどの問題が生じる。
また、酸化触媒を設けることによりアンモニアスリップを抑制することができるので、ＮＯｘの浄化を効率よく行うことを優先すると、ＮＯｘ触媒の温度上昇によって生じるアンモニアスリップで失われたアンモニアを補充するため、必要量よりも余分に尿素水を供給することになり、余分に供給した尿素水の分だけコストが増大するという問題がある。

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、アンモニアスリップ量を抑制しながら、コストを改善して良好なＮＯｘ浄化を実現可能な排気浄化装置を提供することにある。

前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を浄化するＮＯｘ触媒と、前記ＮＯｘ触媒にアンモニアを供給するアンモニア供給手段と、前記ＮＯｘ触媒の内部の温度を検出する触媒温度検出手段と、前記アンモニア供給手段から前記ＮＯｘ触媒にアンモニアを供給しているときに、前記触媒温度検出手段によって検出された温度が第１所定温度以上、且つ前記第１所定温度より高い第２所定温度以下になると共に、前記ＮＯｘ触媒内部の温度の変化速度が所定値以上となるという中止条件が成立すると、前記アンモニア供給手段からの前記アンモニアの供給を中止する制御手段とを備えたことを特徴とする（請求項１）。

このように構成された排気浄化装置によれば、アンモニア供給手段からＮＯｘ触媒にアンモニアを供給しているときに、触媒温度検出手段によって検出されたＮＯｘ触媒内部の温度が第１所定温度以上、且つ第１所定温度より高い第２所定温度以下になると共に、ＮＯｘ触媒内部の温度の変化速度が所定値以上となると、アンモニア供給手段からのアンモニアの供給が中止される。
より具体的には、このような排気浄化装置において、前記第１所定温度は、前記ＮＯｘ触媒に吸着しているアンモニアが前記ＮＯｘ触媒の温度上昇により脱離を開始する脱離開始温度に基づき設定され、前記第２所定温度は、前記ＮＯｘ触媒にアンモニアが吸着可能な温度領域の上限である吸着限界温度に基づき設定されることを特徴とする（請求項２）。

アンモニアを還元剤とするＮＯｘ触媒では、内部の温度が上昇してある温度（脱離開始温度）以上になると、それまでにＮＯｘ触媒に吸着したアンモニアが脱離し始める。また、ＮＯｘ触媒の温度上昇に伴うアンモニアスリップは、ＮＯｘ触媒に吸着したアンモニアがＮＯｘ触媒の温度上昇によって脱離することによって発生する。従って、ＮＯｘ触媒にアンモニアが吸着しなければ、このようなアンモニアスリップも生じないことになる。そこで、このように構成された排気浄化装置では、ＮＯｘ触媒の温度が上昇することによりＮＯｘ触媒に吸着していたアンモニアがＮＯｘ触媒からの離脱を開始するのに対応すると共に、アンモニアスリップ発生の要因となるアンモニアの吸着が行われる温度領域に対応し、且つＮＯｘ触媒内部の温度の変化速度が所定値以上であるときに、アンモニアスリップが発生する可能性が高いものとして、アンモニア供給手段からのアンモニアの供給が中止される。

更に、このような排気浄化装置において、前記制御手段は、前記中止条件が成立して前記アンモニア供給手段からの前記アンモニアの供給を中止した後、前記ＮＯｘ触媒内部の温度変化が減少方向にあるときに、前記アンモニア供給手段からの前記アンモニアの供給を再開することを特徴とする（請求項３）。
このように構成された排気浄化装置では、ＮＯｘ触媒の内部温度が減少方向にあれば、アンモニアスリップが発生する可能性は低いと判断して、アンモニア供給手段からのアンモニアの供給を再開する。

請求項１の排気浄化装置によれば、ＮＯｘ触媒内部の温度が第１所定温度以上、且つ第１所定温度より高い第２所定温度以下になると共に、ＮＯｘ触媒内部の温度の変化速度が所定値以上となったときに、アンモニア供給手段からのアンモニアの供給が中止されるようにしたので、アンモニアスリップの発生する可能性が高い領域にＮＯｘ触媒内部の温度があるあるばかりでなく、温度の急激な上昇によりアンモニアスリップが発生する可能性がより高い場合にアンモニアの供給を中止することが可能となり、必要以上にアンモニアの供給が中止されてＮＯｘ浄化効率を低下させることなく、確実にアンモニアスリップを抑制することが可能となる。
従って、ＮＯｘ触媒の下流側に酸化触媒を設ける場合には、ＮＯｘ触媒からのアンモニアスリップ量が少ないため、酸化触媒に担持する貴金属の量を低く抑えることが可能となり、排気浄化装置のコストを低減することができる。

更に、アンモニアスリップにより浪費されるアンモニアの量が減少するため、アンモニアに要するコストも低く抑えることが可能となる。
より具体的にした請求項２の排気浄化装置によれば、ＮＯｘ触媒の温度が上昇することによりＮＯｘ触媒に吸着していたアンモニアがＮＯｘ触媒からの離脱を開始するのに対応すると共に、アンモニアスリップの発生の要因となるアンモニアの吸着が行われる温度領域に対応し、且つＮＯｘ触媒内部の温度の変化速度が所定値以上であるときに、アンモニアスリップが発生する可能性が高いものとして、アンモニア供給手段からのアンモニアの供給が中止されるので、必要以上にアンモニアの供給が中止されてＮＯｘ浄化効率を低下させることなく、より一層確実にアンモニアスリップを抑制することが可能となる。

更に、請求項３の排気浄化装置によれば、ＮＯｘ触媒の内部温度が減少方向にあれば、アンモニアスリップが発生する可能性はないものとして、アンモニアの供給を再開するようにしたので、アンモニアスリップが発生する可能性が低い場合には迅速にアンモニアの供給を再開して、ＮＯｘの浄化を良好に行うことが可能となる。

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、燃料噴射ポンプ（図示せず）から供給されてコモンレール２に蓄えられた高圧の燃料である軽油が、各気筒に設けられたインジェクタ４に供給され、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。

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。

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。

排気後処理装置２８は、上流側ケーシング３０と、上流側ケーシング３０の下流側に連通路３２で連通された下流側ケーシング３４とで構成される。
上流側ケーシング３０内には、その上流側に前段酸化触媒３６が収容され、下流側にパティキュレートフィルタ（以下フィルタという）３８が収容されている。
前段酸化触媒３６は、排気中のＮＯを酸化してＮＯ_２に転化し、下流側のフィルタ３８に供給する。またフィルタ３８はハニカム型のセラミック担体からなり、上流側と下流側とを連通する通路が多数並設されると共に、通路の上流側開口と下流側開口とが交互に閉鎖されており、排気中のパティキュレートを捕集することによりエンジン１の排気を浄化する。フィルタ３８に捕集されて堆積したパティキュレートは、前段酸化触媒３６から供給されるＮＯ_２と反応して酸化することによりフィルタ３８から除去され、フィルタ３８の連続再生が行われるようになっている。

一方、下流側ケーシング３４内には、その上流側にアンモニア選択還元型のＮＯｘ触媒４０が、また下流側に後段酸化触媒４２が収容されている。
ＮＯｘ触媒４０は、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを選択還元することによりエンジン１の排気を浄化するものであって、前段酸化触媒３６によって排気中のＮＯがＮＯ_２に転化されることにより、ＮＯｘ触媒４０にはＮＯより還元しやすいＮＯ_２が主として供給される。

後段酸化触媒４２は、ＮＯｘ触媒４０から流出したアンモニアを酸化してＮ_２とするものである。この後段酸化触媒４２は、後述するフィルタ３８の強制再生でパティキュレートが焼却される際に発生するＣＯを酸化し、ＣＯ_２として大気中に排出する機能も有している。
このように構成された排気後処理装置２８の上流側ケーシング３０内には、フィルタ３８の前後に、フィルタ３８上流側の排気圧力を検出する上流圧力センサ４４と、フィルタ３８下流側の排気圧力を検出する下流圧力センサ４６とが設けられている。

排気絞り弁２６と排気後処理装置２８との間の排気管２０には、排気後処理装置２８に流入する排気の温度を検出する排気温度センサ５０と、燃料噴射ポンプ（図示せず）から燃料が供給され、排気管２０内の排気中に燃料を噴射する燃料添加弁５２とが設けられている。
この燃料添加弁５２は、フィルタ３８の強制再生が必要となったときに排気中に燃料を噴射することにより、酸化触媒３６にＨＣを供給し、酸化触媒３６におけるＨＣの酸化により高温となった排気をフィルタ３８に供給してフィルタ３８の昇温を行うものである。

また、排気後処理装置２８の連通路３２には、連通路３２内の排気中に尿素水を噴射供給する噴射ノズル（アンモニア供給手段）５４が設けられており、噴射ノズル５４は尿素水噴射管５６を介して尿素水噴射装置５８に接続されている。
尿素水噴射装置５８は、エアポンプ（図示せず）によって圧縮された加圧空気を蓄えたエアタンク６０から供給される加圧空気中に、尿素水タンク６２から尿素水供給ポンプ（図示せず）により供給される尿素水を噴出し、尿素水噴射管５６を介して噴射ノズル５４に加圧空気と共に尿素水を供給するものであって、エア供給管６４を介してエアタンク６０に接続されると共に、尿素水供給管６６を介して尿素水タンク６２に接続されている。

エア供給管６４にはエア制御弁６８が設けられ、このエア制御弁６８を開閉制御することにより、尿素水噴射装置５８への加圧空気の供給量が調整される。また、尿素水供給通路６６には尿素水制御弁７０が設けられ、この尿素水制御弁７０を開閉制御することにより、尿素水噴射装置５８への尿素水の供給量が調整される。即ち、これらエア制御弁６８及び尿素水制御弁７０をそれぞれ開閉制御することにより、噴射ノズル５４から排気中への尿素水の噴射供給量が調整される。

噴射ノズル５４から噴射された尿素水は、排気の熱により加水分解してアンモニアとなり、ＮＯｘ触媒４０に供給される。ＮＯｘ触媒４０は供給されたアンモニアを吸着し、吸着したアンモニアと排気中のＮＯｘとの脱硝反応を促進することにより、ＮＯｘを浄化して無害なＮ_２とする。
このときＮＯｘと反応せずにＮＯｘ触媒４０から流出したアンモニアは、後段酸化触媒４２によって酸化され、Ｎ_２またはＮＯｘとなる。ここで生成されるＮＯｘは後段酸化触媒４２に流入するアンモニアと反応してＮ_２になるので、後段酸化触媒４２に流入するアンモニアは無害なＮ_２となって大気中に放出されるようになっている。

ＥＣＵ（制御手段）７２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。
ＥＣＵ７２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、上流圧力センサ４４、下流圧力センサ４６、及び排気温度センサ５０のほか、エンジン回転数を検出する回転数センサ７４、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７６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、燃料添加弁５２、エア制御弁６８及び尿素水制御弁７０などの各種デバイス類が接続されている。

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ＥＣＵ７２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７４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７６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。

またＥＣＵ７２は、回転数センサ７４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４０で選択還元するために必要な尿素水供給量を、予め記憶しているマップデータから求め、エア制御弁６８及び尿素水制御弁７０を開閉制御する。
尿素水制御弁７０によって供給量が調整された尿素水は、エア制御弁６８によって供給量が調整された加圧空気と尿素水噴射装置５８で混合され、加圧空気と共に噴射ノズル５４から連通路３２内の排気中に噴射供給される。こうして噴射供給された尿素水は、排気の熱により加水分解してアンモニアとなり、ＮＯｘ触媒４０に吸着する。ＮＯｘ触媒４０は吸着したアンモニアと排気中のＮＯｘとの間の脱硝反応を促進し、排気中のＮＯｘは無害なＮ_２となる。

また、このときアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒４０に吸着されずにそのまま流出したアンモニアは、前述したように、後段酸化触媒４２により無害なＮ_２となって大気中に放出される。
このように構成された排気浄化装置では、エンジン１から排出された排気が排気管２０を通って排気後処理装置２８に導入され、排気中のパティキュレートがフィルタ４０に捕集されると共に、前述したように前段酸化触媒３６から供給されるＮＯ_２を用いた連続再生により、フィルタ３８に堆積したパティキュレートの酸化除去が行われる。

また、エンジン１の排気温度が低い運転状態、例えば低速、低負荷運転などでは排気温度が前段酸化触媒３６の活性化温度まで上昇せず、排気中のＮＯが酸化されずにフィルタ３８の連続再生が十分行われない場合がある。このような状態が継続すると、フィルタ３８内にパティキュレートが過剰に堆積し、フィルタ３８が目詰まりを起こすおそれがあるため、フィルタ３８におけるパティキュレートの堆積状況に応じて、適宜フィルタ３８を昇温し強制再生を行うようにしている。

フィルタ３８の強制再生は、上流圧力センサ４４や下流圧力センサ４６の検出値などからフィルタ３８へのパティキュレートの堆積状況を判断して行われる。
まず、前段酸化触媒３６が活性化していない場合には、吸気制御弁１２や排気絞り弁２６を閉方向に制御することにより排気温度を上昇させ、高温の排気を供給して前段酸化触媒３６を活性化させる。このとき、必要に応じて燃料添加弁５２から排気中に燃料を供給し、高温の排気中で燃料を燃焼させることにより前段酸化触媒３６の活性化を促進する。

前段酸化触媒３６が活性化した後は、燃料添加弁５２から排気中に供給された燃料のＨＣを前段酸化触媒３６で酸化することにより、フィルタ３８に流入する排気の温度を更に上昇させ、フィルタ３８内に堆積したパティキュレートが焼却される。
また、ＮＯｘ触媒４０による排気中のＮＯｘの浄化は、前述のように噴射ノズル５４から排気中に供給された尿素水から生成されるアンモニアを還元剤として、排気中のＮＯｘを選択還元することにより行われる。

このときの尿素水供給制御は、エンジン１が始動されると図２のフローチャートに従って、ＥＣＵ７２により所定の制御周期で行われる。
まず、ステップＳ２では、排気中への尿素水の供給が可能であるか否かを判定する。例えば、エンジン１の始動直後などのようにＮＯｘ触媒４０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、アンモニアを還元剤とするＮＯｘの浄化ができないため、尿素水を排気中に供給することができない。従って、ステップＳ２では排気温度センサ５０によって検出された排気後処理装置２８入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。

ステップＳ２で尿素水の供給が不可と判定した場合は、今回の制御周期を終了し、次回の制御周期で再びステップＳ２から処理を行うが、以下においてはエンジン１が尿素水を供給可能な運転状態にあるものとして説明を行う。
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Ｓ４に進み、排気温度センサ５０が検出した排気後処理装置２８入口側の排気温度に基づく推定を行うことにより、ＮＯｘ触媒４０の内部温度Ｔｓを検出する。従って、ＥＣＵ７２が本発明の触媒温度検出手段に相当する。

より具体的なＮＯｘ触媒４０の内部温度Ｔｓの検出は以下のようにして行う。まず、アクセル開度センサ７６が検出したアクセルペダルの踏み込み量と回転数センサ７４が検出したエンジン回転数とからエンジントルクを求める。このエンジントルクとエンジン回転数とに基づき求めたＮＯｘ触媒４０の排気流量と、ＮＯｘ触媒４０の担体が有する熱容量と、排気温度センサ５０によって検出された排気温度とによりＮＯｘ触媒４０に供給される熱量と、ＮＯｘ触媒４０から持ち去られる熱量とを算出する。そして、これら両熱量の差からＮＯｘ触媒４０の内部温度が求められる。

次にステップＳ６に進むと、供給中止フラグＦの値が１であるか否かを判定する。供給中止フラグＦは噴射ノズル５４からの尿素水の供給を中止するか否かを示すものであり、値が１であると供給の中止を示し、値が０であると供給を許容することを示す。供給中止フラグＦの初期値は０となっており、ここではステップＳ６からステップＳ８に進む。
ステップＳ８では、ステップＳ４で検出したＮＯｘ触媒４０の内部温度Ｔｓが第１所定温度Ｔｄ以上であり、かつ第１所定温度Ｔｄより高温の第２所定温度Ｔｎ以下であるか否かを判定する。

この第１所定温度Ｔｄは、ＮＯｘ触媒４０に吸着しているアンモニアがＮＯｘ触媒４０の温度上昇により脱離を開始する脱離開始温度に相当する温度である。即ち、ＮＯｘ触媒４０に吸着しているアンモニアは、ＮＯｘ触媒４０内部の温度が上昇して、この脱離開始温度を超えると、ＮＯｘ触媒４０から脱離し始める。
一方、第２所定温度Ｔｎは、ＮＯｘ触媒４０にアンモニアが吸着可能な温度領域の上限である吸着限界温度に相当する温度である。即ち、ＮＯｘ触媒４０は、温度上昇に伴ってアンモニア吸着量が減少し、ＮＯｘ触媒４０の内部温度がこの吸着限界温度を超えるとアンモニアがＮＯｘ触媒に吸着しなくなる。

ステップＳ８で、ＮＯｘ触媒４０の内部温度Ｔｓがこのような温度範囲にあると判定した場合にはステップＳ１４に進む一方、このような温度範囲にないと判定した場合にはステップＳ１０に進む。
即ち、アンモニアスリップは、ＮＯｘ触媒４０に吸着しているアンモニアが、ＮＯｘ触媒４０の温度上昇によりＮＯｘ触媒４０から脱離することによって生じるものであることから、ＮＯｘ触媒４０からアンモニアが脱離することのない温度領域（脱離開始温度より低い温度領域）、或いはＮＯｘ触媒にアンモニアが吸着しない温度領域（吸着限界温度より高い温度領域）では、このようなアンモニアスリップが発生する可能性はないものと判断し、ステップＳ１０に進んで、噴射ノズル５４からの尿素水供給量を設定する。

ステップＳ１０では、ＮＯｘ触媒４０で排気中のＮＯｘを浄化するために必要なアンモニアの量から、供給すべき尿素水の量を求める。具体的には、まず回転数センサ７４によって検出されたエンジン回転数やＥＣＵ７２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、ＮＯｘ触媒４０の内部温度Ｔｓに基づき、予め記憶しているマップからＮＯｘ触媒４０のＮＯｘ浄化率を求める。そして、これらＮＯｘ推定排出量とＮＯｘ浄化率とからＮＯｘ触媒４０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必要な尿素水供給量が求められる。

次にステップＳ１０からステップＳ１２に進むと、ステップＳ１０で求められた量の尿素水が噴射ノズル５４から排気中に噴射供給されるように、エア制御弁６８と尿素水制御弁７０とが開閉制御され、噴射ノズル５４から尿素水が加圧空気と共に連通路３２内の排気中に噴射される。
噴射ノズル５４から噴射された尿素水は排気の熱によって加水分解し、アンモニアが生成される。このアンモニアはＮＯｘ触媒４０に供給され、排気中のＮＯｘとアンモニアとの間の脱硝反応がＮＯｘ触媒４０によって促進される。こうして、排気中のＮＯｘが選択還元されることにより無害なＮ_２に転化される。

このようにしてステップＳ１２で尿素水の供給を行った後、今回の制御周期を終え、次の制御周期で再びステップＳ２から処理を行う。
次の制御周期以降でも、ＮＯｘ触媒４０の内部温度Ｔｓが第１所定温度に満たない、或いは第２所定温度より高温である限りは、ステップＳ８からステップＳ１０及びステップＳ１２に進んで、噴射ノズル５４から尿素水の供給が行われる。

一方、ステップＳ８で、ＮＯｘ触媒４０の内部温度Ｔｓが第１所定温度Ｔｄ以上、かつ第２所定温度Ｔｎ以下であると判定した場合には、前述のようにアンモニアがＮＯｘ触媒４０に吸着可能であると共に、ＮＯｘ触媒４０に吸着しているアンモニアが脱離する温度領域にあることになる。
アンモニアスリップは、ＮＯｘ触媒４０に吸着しているアンモニアが、ＮＯｘ触媒４０の温度上昇によりＮＯｘ触媒４０から脱離することによって生じるものであることから、ＮＯｘ触媒４０の内部温度Ｔｓがこのような温度領域にあるときには、アンモニアスリップが発生する可能性があることになる。

このような場合、ステップＳ１４に進むと、ステップＳ４で検出したＮＯｘ触媒４０の内部温度Ｔｓから求めた、内部温度Ｔｓの変化速度ΔＴｓが所定値ΔＴｄ以上であるか否かを判定する。
ＮＯｘ触媒４０の内部温度の上昇に伴い、ＮＯｘ触媒に吸着しているアンモニアはＮＯｘ触媒４０から脱離するが、温度上昇が比較的緩やかである場合には、ＮＯｘ触媒４０からのアンモニアの離脱も緩やかであるため、離脱したアンモニアはＮＯｘを選択還元する際の還元剤として消費され、アンモニアスリップが発生する可能性は低い。一方、ＮＯｘ触媒４０の内部温度が急激に上昇する場合は、ＮＯｘ触媒４０から離脱するアンモニアの量も急激に増加するため、その全てが還元剤としては消費されず、アンモニアスリップが発生する。

そこで、このようなアンモニアスリップが発生する温度上昇速度を、予め実験等で確認し、その確認結果に基づき所定値ΔＴｄを決定してステップＳ１４で用いている。
従って、ステップＳ１４でＮＯｘ触媒４０の内部温度の変化速度ΔＴｓが所定値ΔＴｄに満たない場合には、アンモニアスリップが発生する可能性が低いものと判断してステップＳ１０に進み、更にステップＳ１２に進んで前述したようにして噴射ノズル５４から尿素水を供給する。

一方、ステップＳ１４で、ＮＯｘ触媒４０の内部温度の変化速度ΔＴｓが所定値ΔＴｄ以上であると判定した場合には、アンモニアスリップが発生する可能性が高いとして、ステップＳ１６に進み、供給中止フラグＦの値を１として、今回の制御周期を終了する。従って、この場合には噴射ノズル５４からの尿素水の供給は行われない。
従って、アンモニアスリップが発生する可能性が高い場合には、確実に尿素水の供給が中止されることになる。

次の制御周期では、再びステップＳ４で排気後処理装置２８の入口側排気温度に基づきＮＯｘ触媒４０の内部温度Ｔｓを検出した後、ステップＳ６で供給中止フラグＦの値が１であるか否かを判定する。
供給中止フラグＦの値は、前回の制御周期においてステップＳ１６で１とされているので、ここではステップＳ１８に処理が進む。

ステップＳ１８では、ステップＳ４で検出したＮＯｘ触媒４０の内部温度Ｔｓから求めた内部温度Ｔｓの変化速度ΔＴｓが負の値であるか否か、即ち内部温度Ｔｓが減少方向にあるか否かを判定する。
前述したように、アンモニアスリップが発生する一つの要因は、ＮＯｘ触媒４０の内部温度が上昇することにより、ＮＯｘ触媒４０に吸着しているアンモニアが脱離することにある。従って、ＮＯｘ触媒４０の内部温度が減少傾向にあれば、そのようなアンモニアスリップが発生する可能性が低いものと判断することができる。そこで、ステップＳ１８でＮＯｘ触媒４０の内部温度Ｔｓの変化速度ΔＴｓが負の値を有すると判定した場合は、ステップＳ２０で供給中止フラグＦの値を０とした後、ステップＳ１０に進み、更にステップＳ１２に進んで、前述のようにして噴射ノズル５４から尿素水の供給を再開する。

このようにして尿素水の供給が再開されると、次の制御周期では、再びステップＳ４でＮＯｘ触媒４０の内部温度Ｔｓを検出した後、ステップＳ６で供給中止フラグＦの値が１であるか否かを判定する。供給中止フラグＦの値はステップＳ２０で０とされており、処理はステップＳ８へ進むようになる。
従って、尿素水の供給が再開された後は、再びステップＳ８でＮＯｘ触媒４０の内部温度Ｔｓが第１所定値Ｔｄと第２所定値とで規定される温度領域内にあると判定し、かつステップＳ１４でＮＯｘ触媒４０の内部温度Ｔｓの変化速度ΔＴｓが所定値ΔＴｄ以上と判定するまでは、尿素水が噴射ノズル５４から供給されることになる。

一方、ステップＳ１８でＮＯｘ触媒４０の内部温度Ｔｓの変化速度ΔＴｓが０以上であると判定した場合には、依然としてアンモニアスリップが発生する可能性が高いものとして、尿素水の供給を行わずに今回の制御周期を終了する。
従って、一旦噴射ノズル５４からの尿素水の供給が中止された後は、ＮＯｘ触媒４０の内部温度Ｔｓの変化速度ΔＴｓが負の値となるまで、尿素水の供給中止が継続されることになる。

以上のような尿素水供給制御を行うことにより、ＮＯｘ触媒４０の内部温度Ｔｓが、アンモニアスリップの要因であるＮＯｘ触媒４０へのアンモニアの吸着とＮＯｘ触媒４０からの脱離を生じるような温度領域にあると共に、この内部温度Ｔｓの変化速度ΔＴｓ即ち内部温度Ｔｓの上昇度合いが、アンモニアスリップを生じるほど急激である場合に、噴射ノズル５４からの尿素水の供給が中止される。

従って、アンモニアスリップが発生する可能性が高い状態を的確に判断して尿素水の供給を中止するので、確実にアンモニアスリップを抑制することが可能となる。また、アンモニアスリップが発生する可能性が低い場合には尿素水の供給が行われるので、必要以上に尿素水の供給が中止されることなく、良好にＮＯｘの浄化を行って、ＮＯｘ浄化効率を高めることができる。

また、上述の尿素水供給制御を行うことによりアンモニアスリップが抑制されるため、本実施形態のように、ＮＯｘ触媒４０の下流側に後段酸化触媒４２を設ける場合には、後段酸化触媒４２に担持する貴金属の量を低減することが可能となり、排気浄化装置のコストを低減することができる。
更に、アンモニアスリップが多く発生する場合には、ＮＯｘ触媒４０によるＮＯｘの浄化効率を確保するため、そのアンモニアスリップ量を見込んで、余分に尿素水を供給する必要があったが、本実施形態のようにしてアンモニアスリップを抑制することにより、余分な尿素水を削減することが可能となり、尿素水消費量を低減することができる。

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、ＮＯｘ触媒４０の内部温度Ｔｓを、排気温度センサ５０で検出された排気後処理装置３４の入口側排気温度から推定して検出するようにしたが、これに代えてＮＯｘ触媒４０の内部に触媒温度検出手段として直接温度センサを設けるようにしてもよい。

この場合には、より正確にＮＯｘ触媒４０の内部温度を検出することが可能となるが、前記実施形態の方が、ＮＯｘ触媒４０の上流側で検出した排気温度に基づき推定することで、実際にＮＯｘ触媒４０の内部温度が上昇する前にこれを検知できるので、応答性を向上させることができる。
また、前記実施形態では、フィルタ３８を強制再生する際に、燃料添加弁５２から燃料添加を行うことにより、前段酸化触媒３６やフィルタ３８を昇温するようにしたが、これに代えてインジェクタ４から主噴射とは別のポスト噴射により追加燃料噴射を行うようにしてもよい。

更に、前記実施形態では、上流側ケーシング３０内にフィルタ３８を配置すると共に、下流側ケーシング内にＮＯｘ触媒４０を配置するようにしたが、フィルタ３８を下流側ケーシング３４内でＮＯｘ触媒４０の上流側や下流側に配置するようにしてもよいし、フィルタ３８を設けないものであってもよい。
また、前記実施形態では、尿素水を供給するための噴射ノズル５４を連通路３２に配置するようにしたが、上述のようにしてフィルタ３８の配置を変更した場合、噴射ノズル５４は前記実施形態と同様に連通路３２に配置してもよいし、下流側ケーシング３４のＮＯｘ触媒４０上流側に配置するようにしてもよい。

更に、排気後処理装置２８を上流側ケーシング３０と下流側ケーシング３４とに分けて構成したが、単一のケーシング内に前段酸化触媒３６、フィルタ３８、ＮＯｘ触媒４０及び後段酸化触媒４２を収容するようにしてもよい。
また、前記実施形態では噴射ノズル５４から尿素水を供給することにより、ＮＯｘ触媒４０にアンモニアを供給するようにしたが、噴射ノズル５４或いは他の手段によりアンモニアそのものをＮＯｘ触媒４０に供給するようにしてもよいし、尿素水に代えて排気中でアンモニアに転化可能な物質を排気中に供給するようにしてもよい。

最後に、前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、エンジンの形式はこれに限定されるものではなく、アンモニア選択還元型のＮＯｘ触媒と、このＮＯｘ触媒にアンモニアを供給する手段とを備えたエンジンであればどのようなものでも適用可能である。

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。

符号の説明

１エンジン
２０排気管（排気通路）
４０ＮＯｘ触媒
５４噴射ノズル（アンモニア供給手段）
７２ＥＣＵ（制御手段、触媒温度検出手段）

Claims

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を浄化するＮＯｘ触媒と、
前記ＮＯｘ触媒にアンモニアを供給するアンモニア供給手段と、
前記ＮＯｘ触媒の内部の温度を検出する触媒温度検出手段と、
前記アンモニア供給手段から前記ＮＯｘ触媒にアンモニアを供給しているときに、前記触媒温度検出手段によって検出された温度が第１所定温度以上、且つ前記第１所定温度より高い第２所定温度以下になると共に、前記ＮＯｘ触媒内部の温度の変化速度が所定値以上となるという中止条件が成立すると、前記アンモニア供給手段からの前記アンモニアの供給を中止する制御手段と
を備えたことを特徴とする排気浄化装置。
前記第１所定温度は、前記ＮＯｘ触媒に吸着しているアンモニアが前記ＮＯｘ触媒の温度上昇により脱離を開始する脱離開始温度に基づき設定され、
前記第２所定温度は、前記ＮＯｘ触媒にアンモニアが吸着可能な温度領域の上限である吸着限界温度に基づき設定される
ことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
前記制御手段は、前記中止条件が成立して前記アンモニア供給手段からの前記アンモニアの供給を中止した後、前記ＮＯｘ触媒内部の温度変化が減少方向にあるときに、前記アンモニア供給手段からの前記アンモニアの供給を再開することを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。