JP6444823B2

JP6444823B2 - ディーゼルエンジン

Info

Publication number: JP6444823B2
Application number: JP2015134887A
Authority: JP
Inventors: 淳史植田
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2015-07-06
Filing date: 2015-07-06
Publication date: 2018-12-26
Anticipated expiration: 2035-07-06
Also published as: JP2017015041A

Description

本発明は、ディーゼルエンジンに関する。詳細には、尿素ＳＣＲ（選択還元触媒）システム付きのディーゼルエンジンにおいて、白煙の発生を防止しつつアンモニア（ＮＨ₃、以下「ＮＨ₃」）のスリップを抑制する構成に関する。

従来から、排気ガスを浄化するシステムを備えるディーゼルエンジンが知られている。特許文献１は、この種のディーゼルエンジンにおいて行われる排気ガス浄化方法を開示する。この特許文献１の排気ガス浄化方法においては、酸化触媒の担持体に蓄積される未燃炭化水素（以下、「ＨＣ」）の量を推定し、該ＨＣの蓄積推定量が所定の判定値を超えた時に、ＨＣ除去制御を行って、排気ガス温度を昇温させて前記酸化触媒を活性化し、前記蓄積されたＨＣを酸化して除去する構成となっている。このような構成により、ＨＣが過剰に溜まって剥がれ落ちて白煙が発生することを防止している。

特開２００４−１０８３２０号公報

しかし、尿素ＳＣＲシステム付きのディーゼルエンジンに上記特許文献１の構成をそのまま適用した場合、ＳＣＲ（選択還元触媒）へのＮＨ₃の吸着量が多いか少ないかにかかわらず、ＨＣの蓄積推定量が所定の判定値を超えた場合は一律にＨＣ除去制御が行われて、排気ガス温度が昇温されることとなる。そのため、昇温に伴ってＳＣＲに吸着していたＮＨ₃が過剰にスリップしてしまう場合があり、改善の余地があった。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、尿素ＳＣＲシステム付きのディーゼルエンジンにおいて、白煙の発生を防止しつつＮＨ₃のスリップを抑制することにある。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。

本発明の観点によれば、以下の構成のディーゼルエンジンが提供される。即ち、このディーゼルエンジンは、スートフィルタと、ディーゼル酸化触媒と、ディーゼル酸化触媒温度センサと、選択還元触媒と、尿素水噴射体と、制御部と、を備える。前記スートフィルタは、内燃機関からの排気ガス流路に設置されて粒子状物質を捕集する。前記ディーゼル酸化触媒は、前記スートフィルタより上流に設置されて前記排気ガス流路内での燃料の酸化を促進させる。前記ディーゼル酸化触媒温度センサは、前記ディーゼル酸化触媒の温度を検出する。前記選択還元触媒は、前記スートフィルタより下流に設置されて窒素酸化物を還元する。前記尿素水噴射体は、前記スートフィルタ及び前記選択還元触媒の間に設置されて前記スートフィルタから排出された排気ガスに尿素水を噴射する。前記制御部は、前記ディーゼル酸化触媒、前記スートフィルタ、及び前記選択還元触媒の昇温制御を行うとともに、前記尿素水噴射体からの尿素水の噴射制御を行う。前記制御部は、第１制御と、第２制御と、を行う。前記第１制御では、ＨＣの溜まり込み量が所定の限界量以下である状態を保つために、前記ディーゼル酸化触媒を昇温することでＨＣを酸化させて除去する。前記第２制御では、前記選択還元触媒へのＮＨ₃の吸着量が所定の低減目標量に低減されるまで、前記尿素水噴射体からの尿素水の噴射を停止し又は低減する。前記制御部は、過去の運転状態から算出したＨＣの排出量と、前記ディーゼル酸化触媒温度センサにより検出した前記ディーゼル酸化触媒の温度と、に基づいて、現在のＨＣの少なくとも前記ディーゼル酸化触媒への溜まり込み量を推定するとともに、現在の状態からＨＣの溜まり込み量が前記限界量に到達するまでに掛かる第１時間を推定する。また、前記制御部は、過去の運転状態に基づいて前記選択還元触媒へのＮＨ₃の吸着量を推定するとともに、現在の状態から前記第２制御を行った場合に、ＮＨ₃の吸着量が前記低減目標量に低減されるまでに掛かる第２時間を推定する。前記制御部は、前記第１時間と前記第２時間が同じ長さになったタイミングで、前記第２制御を行った後、直ちに前記第１制御を行う。

これにより、限界量を白煙が発生し始めるような適宜の値に設定することにより、また、低減目標量を選択還元触媒が昇温してもＮＨ₃のスリップが起こりにくい適宜の値に設定することにより、ディーゼル酸化触媒から白煙が排出されることを防止するとともに、選択還元触媒から過剰にＮＨ₃がスリップすることを防止することができる。また、限界量及び低減目標量を上述のような適宜の値に設定することにより、ＨＣの溜まり込み量から白煙防止のために昇温が必要となる時期を推定し、この時期には選択還元触媒のＮＨ₃のパージが完了しているように制御を行うことで、ＮＨ₃のパージ時間を大幅に短縮できるため、作業効率を向上させることができる。

前記のディーゼルエンジンにおいては、以下の構成とすることが好ましい。即ち、このディーゼルエンジンは、アンモニアスリップ抑制触媒と、選択還元触媒温度センサと、アンモニアスリップ抑制触媒温度センサと、を更に備える。前記アンモニアスリップ抑制触媒は、前記選択還元触媒より下流に設置されて、前記選択還元触媒を通過したＮＨ₃を酸化する。前記選択還元触媒温度センサは、前記選択還元触媒の温度を検出する。前記アンモニアスリップ抑制触媒温度センサは、前記アンモニアスリップ抑制触媒の温度を検出する。前記制御部は、ＨＣの溜まり込み量が所定の限界量以下である状態を保つために、前記選択還元触媒及び前記アンモニアスリップ抑制触媒を昇温することでＨＣを酸化させて除去する第３制御を行う。前記制御部は、前記選択還元触媒温度センサにより検出した前記選択還元触媒の温度及び前記アンモニアスリップ抑制触媒温度センサにより検出した前記アンモニアスリップ抑制触媒の温度に基づいて、前記ディーゼル酸化触媒、前記選択還元触媒、及び前記アンモニアスリップ抑制触媒へのＨＣの溜まり込み量を推定し、現在の状態から前記ディーゼル酸化触媒、前記選択還元触媒、及び前記アンモニアスリップ抑制触媒のうち何れかにおいてＨＣの溜まり込み量が前記限界量に到達するまでに掛かる第１時間を推定する。前記制御部は、前記第１時間と前記第２時間が同じ長さになったタイミングで、前記第２制御を行った後、直ちに前記第１制御及び前記第３制御を行う。

これにより、限界量を白煙が発生し始めるような適宜の値に設定するとともに、低減目標量を選択還元触媒が昇温してもＮＨ₃のスリップが起こりにくい適宜の値に設定することで、選択還元触媒からのＮＨ₃のスリップを防止しつつ、（スートフィルタからだけではなく）選択還元触媒及びアンモニアスリップ抑制触媒から白煙が発生することも防止することができる。

前記のディーゼルエンジンにおいては、前記制御部は、排気ガス通路に設けられた排気弁の開度を調整することにより前記第１制御を行うことが好ましい。

これにより、排気弁の開度を適宜に調整することで、簡単に第１制御を行うことができ、それにより白煙の発生を防止することができる。

前記のディーゼルエンジンにおいては、前記制御部は、前記内燃機関の燃焼室内にポスト噴射を行うことにより前記第１制御を行うことが好ましい。

これにより、内燃機関の燃焼室内でポスト噴射を行うことで、簡単に第１制御を行うことができ、それにより白煙の発生を防止することができる。

本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジンの全体的な構成を示す図。ディーゼルエンジンの主要な電気的構成を示すブロック図。白煙の発生を防止しつつ、ＮＨ₃のスリップを抑制するための処理を示すフローチャート。（ａ）はＨＣの溜まり込み量の経時変化を示す図。（ｂ）は選択還元触媒へのＮＨ₃吸着量の経時変化を示す図。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。初めに図１及び図２を参照して、本実施形態のエンジン１の基本的な構成について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るエンジン１の全体的な構成を示す図である。図２は、エンジン１の主要な電気的構成を示すブロック図である。

エンジン１は、ディーゼルエンジンであり、トラクタ等の農業機械及びスキッドステアローダ等の建設機械等に搭載して用いられる。

エンジン１は、圧縮された空気に燃料を供給することによって燃焼させ、この燃焼による膨張エネルギーから回転動力を得るものである。エンジン１は、主としてシリンダブロックと、シリンダヘッド２と、制御部としてのＥＣＵ３（図２）と、を備える。シリンダブロックの内部には、ピストン及びクランクシャフト等が配置される。シリンダブロックの上側には、シリンダヘッド２が配置されている。シリンダヘッド２には、燃焼室へ燃料を噴射するインジェクタ４等が取り付けられる（図１参照）。

図２に示すＥＣＵ３は、ＣＰＵ等から構成される演算部と、ＲＯＭ及びＲＡＭ等から構成される記憶部と、を備えたコンピュータとして構成されている。演算部は、様々なセンサからの情報に基づいて、様々なアクチュエータに制御指令を送り、エンジン１を動作させるための各種のパラメータ（例えば、燃料噴射量や、空気吸入量や、排気ガス還元量等）を制御する。記憶部は、各種プログラムを記憶するとともに、エンジン１の制御に関して予め設定された複数の制御情報を記憶している。

図１に示すように、エンジン１は、吸気系の部材として、吸入部と、過給機５と、吸気スロットル（吸気絞り装置）６と、吸気マニホールド７と、を備える。

吸入部は、図示しないエアクリーナを介して外部から空気を吸入する。吸入部で吸入された空気は、過給機５のコンプレッサホイール５ｂ側に供給される。

過給機５は、タービンホイール５ａ及びコンプレッサホイール５ｂを備える。タービンホイール５ａは、排気ガスを利用して回転するように構成されている。コンプレッサホイール５ｂは、タービンホイール５ａと同じシャフト５ｃに接続されており、タービンホイール５ａの回転に伴って回転する。このようにコンプレッサホイール５ｂが回転することにより、空気を圧縮して強制的に吸気を行うことができる。過給機５によって吸入された空気は、吸気管及び吸気スロットル６等を介して、吸気マニホールド７に供給される。

吸気マニホールド７は、供給された気体をシリンダ数に応じた数（本実施形態では４つ）に分けて燃焼室へ供給する。吸気マニホールド７の下方にはコモンレールが配置されている。当該コモンレールは、燃料ポンプから供給された燃料を高圧で蓄え、シリンダヘッド２に配置されたインジェクタ４へ供給する。

インジェクタ４は、所定のタイミングで燃焼室に燃料を噴射する。インジェクタ４は、上死点（ＴＤＣ）の近傍でメイン噴射を行うように構成されている。また、このインジェクタ４は、メイン噴射の直後に粒子状物質（ＰＭ）の低減及び排気ガスの浄化促進及び温度上昇を目的としたアフタ噴射を行ったり、アフタ噴射の更に後のタイミングで排気ガスの温度上昇等を目的としたポスト噴射を行ったりすることができる。図２に示すように、インジェクタ４は、インジェクタ電磁弁８を備える。インジェクタ電磁弁８は、ＥＣＵ３の指示に応じたタイミングで開閉することにより、燃焼室に燃料を噴射する。

以上の構成で、燃焼室で噴射された燃料が燃焼することによりピストンが駆動され、当該ピストンに連結されたクランクシャフトが回転する。従って、クランクシャフトから動力を取り出すことができる。

クランクシャフトの近傍にはエンジン回転数センサ９が取り付けられている。このエンジン回転数センサ９により検出したエンジン回転数は、ＥＣＵ３へ出力される。

図１に示すように、エンジン１は、排気系の部材として、排気マニホールド１０、排気管１１、排気弁１２、ＤＰＦ装置１３、排気管１４、及びＳＣＲ装置１５等を備える。

排気マニホールド１０は、複数の燃焼室（本実施形態では４つ）で発生した排気ガスをまとめてタービンホイール５ａへ供給する。

排気管１１は、管状の部材であり、エンジン１からの排気ガスの通路をなすものである。排気管１１は、過給機５のタービンホイール５ａ側と、ＤＰＦ装置１３と、を接続している。排気管１１の中途部には、排気弁１２が設置されている。排気弁１２は、絞り弁として構成され、その開度を、無段階で（又は十分に多くの段階で）変更することができる。排気弁１２はＥＣＵ３に電気的に接続されており、ＥＣＵ３の指令に従って、ＤＰＦ装置１３に送られる排気ガスの量を調整する。これにより、ＤＰＦ装置１３に送られる排気ガスの温度を調整することができる。

ＤＰＦ装置１３は、略円筒状の中空のケースの内部に、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）１６及びスートフィルタ（ＳＦ）１７を収容して構成される。本実施形態のスートフィルタ１７は、酸化触媒が塗布された触媒付きフィルタとして構成されているが、触媒なしのフィルタであっても良い。

スートフィルタ１７は、図１に示すように、内燃機関であるエンジン１からの排気通路に配置されている。スートフィルタ１７は、セラミック、金属製不織布等の耐熱性を有する多孔性の材料から形成されており、排気が流れる多数の細かい流路を有している。また、スートフィルタ１７は酸化触媒を有しており、酸化触媒はフィルタと一体的に設けられている。エンジン１の排気がスートフィルタ１７に流入すると、スートフィルタ１７は排気に含まれるカーボン粒子を主とする粒子状物質を捕集し、捕集された粒子状物質はスートフィルタ１７に蓄積される。

ディーゼル酸化触媒１６は、図１に示すように、スートフィルタ１７よりも上流に配置される。このように、ディーゼル酸化触媒１６も排気ガス流路内に配置されている。ディーゼル酸化触媒１６は、白金等で構成されており、排気ガスに含まれる未燃燃料、一酸化炭素、一酸化窒素等の酸化を促進することができる。ディーゼル酸化触媒１６の作用によって、排気ガス中の一酸化窒素は、不安定な二酸化窒素に酸化される。そして、二酸化窒素が一酸化窒素に戻る時に放出される酸素は、下流のスートフィルタ１７で捕捉された粒子状物質の燃焼のために供給される。

ディーゼル酸化触媒１６には、当該ディーゼル酸化触媒１６の温度を検出するディーゼル酸化触媒温度センサ１８が設けられている。ディーゼル酸化触媒温度センサ１８は、検出したディーゼル酸化触媒１６の温度をＥＣＵ３へ出力する。

ＤＰＦ装置１３を通過した排気ガスは、排気管１４を経由して、ＳＣＲ装置１５へ送られる。排気管１４の中途部には、尿素水噴射体としての尿素水噴射ノズル１９が設けられる。即ち、尿素水噴射ノズル１９は、排気ガス通路のうちのスートフィルタ１７及び選択還元触媒２０の間に設置される。この尿素水噴射ノズル１９から、排気管１４を通過する排気ガスに、尿素水が噴射される。このとき排気ガスは、尿素水噴射ノズル１９が噴射した尿素から得られるＮＨ₃を取り込む。なお、尿素水噴射ノズル１９はＥＣＵ３に接続されており、当該ＥＣＵ３の指令に従って尿素水噴射ノズル１９からの尿素水の噴射状態が制御される。

ＳＣＲ装置１５は、略円筒状の中空のケースの内部に、選択還元触媒（ＳＣＲ）２０と、アンモニアスリップ抑制触媒（ＡＳＣ）２１とを収容して構成される。

選択還元触媒２０は、ハニカム構造体にＳＣＲ触媒が担持された構成となっている。図１に示すように、選択還元触媒２０は、スートフィルタ１７より下流に設置されている。この選択還元触媒２０は、ＮＨ₃を還元剤とし、このＮＨ₃の存在する雰囲気下で、排気ガス中のＮＯｘを選択的に還元する。具体的には、前述の尿素水噴射ノズル１９が噴射した尿素から排気ガスにＮＨ₃が取り込まれると、このＮＨ₃によって、下記の３つの反応式に従って、排気中のＮＯｘを選択的に還元する。
４ＮＨ₃＋４ＮＯ＋Ｏ₂→４Ｎ₂＋６Ｈ₂Ｏ
２ＮＨ₃＋ＮＯ＋ＮＯ₂→２Ｎ₂＋３Ｈ₂Ｏ
８ＮＨ₃＋６ＮＯ₂→７Ｎ₂＋１２Ｈ₂Ｏ

また、この選択還元触媒２０は、ＮＨ₃で排気ガス中のＮＯｘを還元する機能を有するとともに、ＮＨ₃を所定の量だけ吸着（貯蔵）する機能も有する。以下の説明では、選択還元触媒２０に吸着されたＮＨ₃の量をＮＨ₃吸着量ということがある。選択還元触媒２０に吸着されたＮＨ₃は、尿素水噴射ノズル１９から供給されたＮＨ₃とともに、排気ガス中のＮＯｘを還元するために適宜消費される。

ただし、選択還元触媒２０がＮＨ₃を吸着できる量も上限がある（以下、この限界を最大ＮＨ₃吸着量ということがある）。最大ＮＨ₃吸着量は、例えば選択還元触媒２０の温度により変動する。選択還元触媒２０のＮＨ₃吸着量が最大ＮＨ₃吸着量を超えると、吸着しきれなくなったＮＨ₃が下流へ排出されることになる（ＮＨ₃のスリップ）。

図１に示すように、アンモニアスリップ抑制触媒２１は選択還元触媒２０より下流に設置される。アンモニアスリップ抑制触媒２１は、選択還元触媒２０から脱離したり選択還元触媒２０に吸着されなかったりして選択還元触媒２０を通過してきたＮＨ₃を酸化して、ＮＨ₃が外部に放出されることを防止するものである。アンモニアスリップ抑制触媒２１は、ＮＨ₃を酸化させる白金等の酸化触媒であり、下記の２つの反応式に従って、アンモニアを酸化させて窒素、一酸化窒素、水等に変化させる。
４ＮＨ₃＋３Ｏ₂→２Ｎ₂＋６Ｈ₂Ｏ
４ＮＨ₃＋５Ｏ₂→４ＮＯ＋６Ｈ₂Ｏ

排気ガスは、アンモニアスリップ抑制触媒２１を通過した後、所定の排気管を通って外部へ放出される。以上のように尿素水噴射ノズル１９及びＳＣＲ装置１５を備えることで、排気ガスに含まれるＮＯｘを除去することができる。

選択還元触媒２０には、当該選択還元触媒２０の温度を検出する選択還元触媒温度センサ２２が設けられている。選択還元触媒温度センサ２２は、検出した選択還元触媒２０の温度をＥＣＵ３へ出力する。

同様に、アンモニアスリップ抑制触媒２１には、当該アンモニアスリップ抑制触媒２１の温度を検出するアンモニアスリップ抑制触媒温度センサ２３が設けられている。アンモニアスリップ抑制触媒温度センサ２３は、検出したアンモニアスリップ抑制触媒２１の温度をＥＣＵ３へ出力する。

続いて、ディーゼル酸化触媒１６等からの白煙の発生を防止しつつ、選択還元触媒２０からのＮＨ₃のスリップを抑制するための制御について、図３及び図４を参照して詳細に説明する。図３は、白煙の発生を防止しつつ、ＮＨ₃のスリップを抑制するための処理を示すフローチャートである。図４（ａ）は、ＨＣの溜まり込み量の経時変化を示す図である。図４（ｂ）は、ＮＨ₃のパージ処理を開始してからの選択還元触媒２０へのＮＨ₃吸着量の推移を示す図である。

本実施形態のＥＣＵ３は、尿素水噴射ノズル１９からの尿素水の噴射の制御を行うとともに、ディーゼル酸化触媒１６、スートフィルタ１７、選択還元触媒２０、及びアンモニアスリップ抑制触媒２１を昇温する制御を行う。

特許文献１も指摘するように、ＨＣがディーゼル酸化触媒１６、スートフィルタ１７、選択還元触媒２０、及びアンモニアスリップ抑制触媒２１等に過剰に溜まり込むと、未燃のＨＣが少しずつ剥がれて外部へ排出され、それが白煙の原因となることがある。このような白煙の発生は、見た目が悪くなり、また臭いの発生原因ともなり得るため、可能であれば白煙が発生しないように制御することが望ましい。そこで、本実施形態のエンジン１では、ＨＣの溜まり込み量が、白煙が発生し始めるような量に到達しないように、ディーゼル酸化触媒１６、スートフィルタ１７、選択還元触媒２０、及びアンモニアスリップ抑制触媒２１を適宜昇温して、ＨＣを酸化させて除去している。

具体的には、ＥＣＵ３は、ＨＣの溜まり込み量が所定の限界量よりも少ない状態を保つために、必要なタイミングでディーゼル酸化触媒１６を昇温する制御を行う。ここで、上記の限界量は、例えば図４（ａ）に示すように、それ以上の量が溜まり込むと白煙が発生し始めるような量に設定される。

本実施形態において、ディーゼル酸化触媒１６の昇温は、具体的には、例えば排気弁１２の開度が小さくなるように調整する制御により、排気ガスの温度を上げることで実現される。あるいは、ディーゼル酸化触媒１６の昇温は、インジェクタ電磁弁８に信号を送信してエンジン１本体の燃焼室内にポスト噴射を行う制御により、排気ガスの温度を上げることで実現しても良い。

以下の説明では、このように溜まり込んだＨＣを除去するためにディーゼル酸化触媒１６を昇温する制御を「第１制御」と呼ぶことがある。同様に、ＨＣの溜まり込み量が所定の限界量よりも少ない状態を保つために選択還元触媒２０及びアンモニアスリップ抑制触媒２１を昇温する制御を「第３制御」と呼ぶことがある。

ところで、選択還元触媒２０の最大ＮＨ₃吸着量は、当該選択還元触媒２０の温度が高くなるにつれて減少する傾向にある。このことを考慮すれば、過剰なＮＨ₃スリップが生じないように、前述の第１制御や第３制御において各種触媒を昇温する前に（触媒の温度が低い間に）、予め、選択還元触媒２０のＮＨ₃をパージしてＮＨ₃吸着量を低減しておくことが望ましい。

そこで、本実施形態のＥＣＵ３は、必要に応じて、選択還元触媒２０へのＮＨ₃吸着量が所定の低減目標量（図４（ｂ）参照）よりも少なくなるまでＮＨ₃をパージする制御を行う。ここで、上記の低減目標量は、例えば、選択還元触媒２０が所定の温度まで昇温してもＮＨ₃のスリップが起こりにくい適宜の量に設定される。なお、ＮＨ₃のパージは、具体的には、例えば尿素水噴射ノズル１９に信号を送信して尿素の噴射を停止させ、又は噴射量を低減する制御により実現される。あるいは、ＮＨ₃のパージは、エンジン１からのＮＯ_xの排出量を増加させて、吸着されているＮＨ₃との反応量を増やすことでＳＣＲ触媒上でのＮＨ₃の消費を促進させることによっても実現される。以下の説明では、このように選択還元触媒２０に吸着しているＮＨ₃をパージする制御を「第２制御」と呼ぶことがある。

本実施形態のＥＣＵ３は、前述の第１制御、第２制御及び第３制御を適切な時期に行うことにより、ディーゼル酸化触媒１６等からの白煙の発生防止と、選択還元触媒２０からのＮＨ₃のスリップの抑制と、を同時に実現している。以下では、このＥＣＵ３が行う制御について、図３のフローチャートを参照して詳細に説明する。

初めに、ＥＣＵ３は、エンジン１が運転中であるか否かを判定する（ステップＳ１０１）。具体的には、エンジン回転数センサ９から検知したエンジン回転数が所定の回転数以上である場合には、エンジン１が運転中であると判定される。一方、エンジン回転数が所定の回転数未満の場合、エンジン１が運転中ではないと判定される。エンジン１が運転中でない場合、ステップＳ１０１の判定が繰り返される（即ち、エンジン１が運転中の状態になるまで待機する）。

エンジン１が運転中であった場合、ＥＣＵ３は、エンジン１の過去の運転状態（燃料噴射量等）から、ＨＣの排出量を例えば公知のモデルを用いた計算により推定するとともに、得られたＨＣの排出量に基づいて、各種触媒へのＨＣの溜まり込み量を推定する（ステップＳ１０２）。具体的には、ＥＣＵ３は、算出したＨＣの排出量と、ディーゼル酸化触媒温度センサ１８により検出したディーゼル酸化触媒１６の温度と、に基づいて、現在のディーゼル酸化触媒１６へのＨＣの溜まり込み量を推定する。また、算出したＨＣの排出量と、選択還元触媒温度センサ２２により検出した選択還元触媒２０の温度と、に基づいて、現在の選択還元触媒２０へのＨＣの溜まり込み量を推定する。また、算出したＨＣの排出量と、アンモニアスリップ抑制触媒温度センサ２３により検出したアンモニアスリップ抑制触媒２１の温度と、に基づいて、現在のアンモニアスリップ抑制触媒２１へのＨＣの溜まり込み量を推定する。

そして、ＥＣＵ３は、現在の状態から、ディーゼル酸化触媒１６、選択還元触媒２０、又はアンモニアスリップ抑制触媒２１の何れかへのＨＣの溜まり込み量が所定の限界量に到達するまでに掛かる第１時間を推定する（ステップＳ１０３）。

ただし、各種触媒へのＨＣの溜まり込み量を推定し、いつの時点で当該溜まり込み量が所定の限界量に到達するかを推定する場合に、過去のエンジン１の運転状態だけではなく、エンジン１が搭載される農業機械や建設機械の周囲の土壌や地形の情報も考慮に入れるようにすることもできる。なお、土壌や地形の情報は、例えば、ＧＮＳＳ（全地球航法衛星システム）の一種であるＧＰＳで取得した農業機械や建設機械の測位情報に基づいて、地図データベースを参照することにより得ることができる。

ＨＣの溜まり込み量を推定する具体例について、ディーゼル酸化触媒１６の場合を示した図４（ａ）を参照して説明する。図４（ａ）における現在のＨＣの溜まり込み量は、白煙が発生し始める量（上記の限界量）より相当に少なくなっているが、過去の溜まり込み量の推移等から推定した曲線（推定カーブ）によれば、ＨＣの溜まり込み量は、現在から第１時間が経過したときに上記の限界量に到達すると見込まれる。

なお、ディーゼル酸化触媒１６、選択還元触媒２０及びアンモニアスリップ抑制触媒２１は、それぞれ限界量が異なることから、それぞれについて推定される第１時間は互いに異なる場合が殆どである。この場合、上記のステップＳ１０３では、最も短い時間が第１時間として採用される。

続いて、ＥＣＵ３は、エンジン１の過去の運転状態（尿素水の噴射量、燃料噴射量等）に基づいて、現在の選択還元触媒２０へのＮＨ₃吸着量を、例えば公知のモデルを用いた計算により推定する（ステップＳ１０４）。そして、ＥＣＵ３は、現時点からＮＨ₃のパージを仮に開始した場合に、ＮＨ₃吸着量が所定の低減目標量にまで低減されるまでに掛かる第２時間を推定する（ステップＳ１０５）。

ただし、選択還元触媒２０へのＮＨ₃吸着量を推定し、いつの時点で当該ＮＨ₃吸着量が所定の低減目標量にまで低減するかを推定する場合に、過去のエンジン１の運転状態だけではなく、上記と同様に、自機の周囲の土壌や地形の情報も考慮に入れるようにすることもできる。

ＮＨ₃のパージに関する前記第２時間を推定する具体例について、図４（ｂ）を参照して説明する。図４（ｂ）における現在のＮＨ₃吸着量は相当に大きくなっているが、仮に現時点からＮＨ₃のパージを開始したとすると、現在から第２時間が経過したときにＮＨ₃吸着量が所定の低減目標量にまで低減すると見込まれる。

続いて、ＥＣＵ３は、第１時間と第２時間とが略同じ長さであるか否かを判定する（ステップＳ１０６）。図４で示した具体例では、第１時間は第２時間よりも短い（第１時間と第２時間が互いに等しくない）。従って、ステップＳ１０１の処理に戻る。

ＨＣの溜まり込み量はエンジン１の運転に伴って増加していくため、やがて、第１時間と第２時間が等しくなる。ステップＳ１０６の判断で、第１時間と第２時間とが実質的に等しいと判定されると、第２制御（即ち、選択還元触媒２０に吸着しているＮＨ₃のパージ）が開始される（ステップＳ１０７）。

ＮＨ₃のパージは、選択還元触媒２０へのＮＨ₃吸着量が所定の低減目標量よりも少なくなるまで、即ち、通常は第２時間が経過するまで続けられる（ステップＳ１０８）。これにより、ＮＨ₃吸着量が、その後に選択還元触媒２０を昇温してもＮＨ₃のスリップが起こりにくい程度の量となる。なお、パージの間もＨＣの溜まり込み量は増加するが、第２時間（＝第１時間）が経過してパージが完了した時点では、ＨＣの溜まり込み量は上記の限界量にぎりぎり収まっており、従って、白煙を生じることはない。

前述のＮＨ₃のパージが終わって、選択還元触媒２０へのＮＨ₃吸着量が、選択還元触媒２０を昇温してもＮＨ₃のスリップが起こりにくい適宜の量にまで低減されたら、ＥＣＵ３は直ちに第１制御及び第３制御を開始する（ステップＳ１０９）。即ち、ディーゼル酸化触媒１６、選択還元触媒２０、及びアンモニアスリップ抑制触媒２１を昇温し、溜まり込んだＨＣを酸化させて除去する。ＨＣを除去するための昇温は、ＨＣの溜まり込み量が十分に少なくなるまで続けられる（ステップＳ１１０）。なお、選択還元触媒２０が昇温することにより、選択還元触媒２０の最大ＮＨ₃吸着量は減少するが、予めＮＨ₃は第２制御によって十分にパージされているので、ＮＨ₃の過剰なスリップが生じることはない。その後、ステップＳ１０１に戻り、上記の処理が繰り返される。

以上のような制御により、本実施形態のエンジン１では、白煙防止のための昇温が必要となる時期を（ＨＣの溜まり込み量から）予測し、この時期までにＮＨ₃のパージが完了しているようにしている。そのため、ＮＨ₃のパージ時間を最小化することができ、作業効率を向上させることができる。また、ＮＨ₃の無駄な消費を抑えることができる。更に、選択還元触媒２０やアンモニアスリップ抑制触媒２１のＨＣ被毒を抑制し、触媒の浄化率を向上させることができる。

以上で説明したように、本実施形態のエンジン１は、スートフィルタ１７と、ディーゼル酸化触媒１６と、ディーゼル酸化触媒温度センサ１８と、選択還元触媒２０と、尿素水噴射ノズル１９と、ＥＣＵ３と、を備える。スートフィルタ１７は、エンジン１本体からの排気ガス流路に設置されて粒子状物質を捕集する。ディーゼル酸化触媒１６は、スートフィルタ１７より上流に設置されて排気ガス流路内での燃料の酸化を促進させる。ディーゼル酸化触媒温度センサ１８は、ディーゼル酸化触媒１６の温度を検出する。選択還元触媒２０は、スートフィルタ１７より下流に設置されて窒素酸化物を還元する。尿素水噴射ノズル１９は、スートフィルタ１７及び選択還元触媒２０の間に設置されてスートフィルタ１７から排出された排気ガスに尿素水を噴射する。ＥＣＵ３は、ディーゼル酸化触媒１６、スートフィルタ１７、及び選択還元触媒２０の昇温制御を行うとともに、尿素水噴射ノズル１９からの尿素水の噴射制御を行う。ＥＣＵ３は、第１制御と、第２制御と、を行う。第１制御では、ＨＣの溜まり込み量が所定の限界量以下である状態を保つために、ディーゼル酸化触媒１６を昇温することでＨＣを酸化させて除去する。第２制御では、選択還元触媒２０へのＮＨ₃の吸着量が所定の低減目標量に低減されるまで、尿素水噴射ノズル１９からの尿素水の噴射を停止し又は低減する。ＥＣＵ３は、過去の運転状態から算出したＨＣの排出量と、ディーゼル酸化触媒温度センサ１８により検出したディーゼル酸化触媒１６の温度と、に基づいて、現在のＨＣの少なくともディーゼル酸化触媒１６への溜まり込み量を推定するとともに、現在の状態からＨＣの溜まり込み量が前記所定の限界量に到達するまでに掛かる第１時間を推定する。またＥＣＵ３は、過去の運転状態に基づいて選択還元触媒２０へのＮＨ₃の吸着量を推定するとともに、現在の状態から前記第２制御を行った場合に、ＮＨ₃の吸着量が前記低減目標量に低減されるまでに掛かる第２時間を推定する。そして、ＥＣＵ３は、前記第１時間と前記第２時間が同じ長さになったタイミングで、前記第２制御を行った後、直ちに前記第１制御を行う。

これにより、限界量を白煙が発生し始めるような適宜の値に設定することにより、また、低減目標量を選択還元触媒２０が昇温してもＮＨ₃のスリップが起こりにくい適宜の値に設定することにより、ディーゼル酸化触媒１６から白煙が排出されることを防止するとともに、選択還元触媒２０から過剰にＮＨ₃がスリップすることを防止することができる。また、限界量及び低減目標量を上述のような適宜の値に設定することにより、ＨＣの溜まり込み量から白煙防止のために昇温が必要となる時期を推定し、この時期には選択還元触媒２０のＮＨ₃のパージが完了しているように制御を行うことで、ＮＨ₃のパージ時間を大幅に短縮できるため、作業効率を向上させることができる。

また、本実施形態のエンジン１は、アンモニアスリップ抑制触媒２１と、選択還元触媒温度センサ２２と、アンモニアスリップ抑制触媒温度センサ２３と、を更に備える。アンモニアスリップ抑制触媒２１は、選択還元触媒２０より下流に設置されて、選択還元触媒２０を通過したＮＨ₃を酸化する。選択還元触媒温度センサ２２は、選択還元触媒２０の温度を検出する。アンモニアスリップ抑制触媒温度センサ２３は、アンモニアスリップ抑制触媒２１の温度を検出する。ＥＣＵ３は、ＨＣの溜まり込み量が所定の限界量以下である状態を保つために、選択還元触媒２０及びアンモニアスリップ抑制触媒２１を昇温することでＨＣを酸化させて除去する第３制御を行う。ＥＣＵ３は、選択還元触媒温度センサ２２により検出した選択還元触媒２０の温度及びアンモニアスリップ抑制触媒温度センサ２３により検出したアンモニアスリップ抑制触媒２１の温度に基づいて、ディーゼル酸化触媒１６、選択還元触媒２０、及びアンモニアスリップ抑制触媒２１へのＨＣの溜まり込み量を推定し、現在の状態からディーゼル酸化触媒１６、前記選択還元触媒２０、及び前記アンモニアスリップ抑制触媒２１のうち何れかにおいてＨＣの溜まり込み量が限界量に到達するまでに掛かる第１時間を推定する。そして、ＥＣＵ３は、第１時間と第２時間が同じ長さになったタイミングで、第２制御を行った後、直ちに第１制御及び第３制御を行う。

これにより、限界量を白煙が発生し始めるような適宜の値に設定するとともに、低減目標量を選択還元触媒が昇温してもＮＨ₃のスリップが起こりにくい適宜の値に設定することで、選択還元触媒２０からのＮＨ₃のスリップを防止しつつ、（ＤＰＦ装置１３からだけではなく）選択還元触媒２０及びアンモニアスリップ抑制触媒２１から白煙が発生することも防止することができる。

また、本実施形態のエンジン１においては、ＥＣＵ３は、排気ガス通路に設けられた排気弁１２の開度を調整することにより前記第１制御を行う。

これにより、排気弁１２の開度を適宜に調整することで、簡単に第１制御を行うことができ、それにより白煙の発生を防止することができる。

また、本実施形態のエンジン１においては、ＥＣＵ３は、エンジン１本体の燃焼室内にポスト噴射を行うことにより前記第１制御を行う。

これにより、エンジン１本体の燃焼室内でポスト噴射を行うことで、簡単に第１制御を行うことができ、それにより白煙の発生を防止することができる。

以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。

上記の実施形態では、ディーゼル酸化触媒１６へのＨＣの溜まり込み量、選択還元触媒２０へのＨＣの溜まり込み量、及びアンモニアスリップ抑制触媒２１へのＨＣの溜まり込み量を個別に推定して、そのうちの何れかの溜まり込み量が前記限界量に到達するまでに掛かる第１時間を推定して、その時間をその後の制御に用いるものとした。しかしながら、これに代えて、ディーゼル酸化触媒１６、選択還元触媒２０、及びアンモニアスリップ抑制触媒２１へのＨＣの総合的な溜まり込み量を推定して、各種触媒への溜まり込み量の合計が前記限界量に到達するまでに掛かる時間を「第１時間」として推定することとしてもよい。

上記の実施形態で示した制御処理では、先に各種触媒へのＨＣの溜まり込み量の推定及び第１時間の推定を行い、その後に選択還元触媒へのＮＨ₃吸着量の推定及び第２時間の推定を行うものとしたが、処理の順序はこれに限るものではない。即ち、先に選択還元触媒へのＮＨ₃吸着量の推定及び第２時間の推定を行い、その後に各種触媒へのＨＣの溜まり込み量の推定及び第１時間の推定を行うこととしてもよい。

限界量及び低減目標量は、事情に応じて、例えばある程度の余裕（マージン）を見込んで定められても良い。

１エンジン（ディーゼルエンジン）
３ＥＣＵ（制御部）
１６ディーゼル酸化触媒
１７スートフィルタ
１８ディーゼル酸化触媒温度センサ
１９尿素水噴射ノズル（尿素水噴射体）
２０選択還元触媒（ＳＣＲ）
２１アンモニアスリップ抑制触媒
２２選択還元触媒温度センサ
２３アンモニアスリップ抑制触媒温度センサ

Claims

内燃機関からの排気ガス流路に設置されて粒子状物質を捕集するスートフィルタと、
前記スートフィルタより上流に設置されて前記排気ガス流路内での燃料の酸化を促進させるディーゼル酸化触媒と、
前記ディーゼル酸化触媒の温度を検出するディーゼル酸化触媒温度センサと、
前記スートフィルタより下流に設置されて窒素酸化物を還元する選択還元触媒と、
前記スートフィルタ及び前記選択還元触媒の間に設置されて前記スートフィルタから排出された排気ガスに尿素水を噴射する尿素水噴射体と、
前記ディーゼル酸化触媒、前記スートフィルタ、及び前記選択還元触媒の昇温制御を行うとともに、前記尿素水噴射体からの尿素水の噴射制御を行う制御部と、
を備えるディーゼルエンジンにおいて、
前記制御部は、
ＨＣの溜まり込み量が所定の限界量以下である状態を保つために、前記ディーゼル酸化触媒を昇温することでＨＣを酸化させて除去する第１制御と、
前記選択還元触媒へのＮＨ₃の吸着量が所定の低減目標量に低減されるまで、前記尿素水噴射体からの尿素水の噴射を停止し又は低減する第２制御と、
を行い、
前記制御部は、
過去の運転状態から算出したＨＣの排出量と、前記ディーゼル酸化触媒温度センサにより検出した前記ディーゼル酸化触媒の温度と、に基づいて、現在のＨＣの少なくとも前記ディーゼル酸化触媒への溜まり込み量を推定するとともに、現在の状態からＨＣの溜まり込み量が前記限界量に到達するまでに掛かる第１時間を推定し、
過去の運転状態に基づいて前記選択還元触媒へのＮＨ₃の吸着量を推定するとともに、現在の状態から前記第２制御を行った場合に、ＮＨ₃の吸着量が前記低減目標量に低減されるまでに掛かる第２時間を推定し、
前記制御部は、前記第１時間と前記第２時間が同じ長さになったタイミングで、前記第２制御を行った後、直ちに前記第１制御を行うことを特徴とするディーゼルエンジン。
請求項１に記載のディーゼルエンジンであって、
前記選択還元触媒より下流に設置されて、前記選択還元触媒を通過したＮＨ₃を酸化するアンモニアスリップ抑制触媒と、
前記選択還元触媒の温度を検出する選択還元触媒温度センサと、
前記アンモニアスリップ抑制触媒の温度を検出するアンモニアスリップ抑制触媒温度センサと、
を更に備え、
前記制御部は、ＨＣの溜まり込み量が所定の限界量以下である状態を保つために、前記選択還元触媒及び前記アンモニアスリップ抑制触媒を昇温することでＨＣを酸化させて除去する第３制御を行い、
前記制御部は、前記選択還元触媒温度センサにより検出した前記選択還元触媒の温度及び前記アンモニアスリップ抑制触媒温度センサにより検出した前記アンモニアスリップ抑制触媒の温度に基づいて、前記ディーゼル酸化触媒、前記選択還元触媒、及び前記アンモニアスリップ抑制触媒へのＨＣの溜まり込み量を推定し、現在の状態から前記ディーゼル酸化触媒、前記選択還元触媒、及び前記アンモニアスリップ抑制触媒のうち何れかにおいてＨＣの溜まり込み量が前記限界量に到達するまでに掛かる第１時間を推定し、
前記制御部は、前記第１時間と前記第２時間が同じ長さになったタイミングで、前記第２制御を行った後、直ちに前記第１制御及び前記第３制御を行うことを特徴とするディーゼルエンジン。
請求項１又は２に記載のディーゼルエンジンであって、
前記制御部は、排気ガス通路に設けられた排気弁の開度を調整することにより前記第１制御を行うことを特徴とするディーゼルエンジン。
請求項１から３までの何れか一項に記載のディーゼルエンジンであって、
前記制御部は、エンジン本体の燃焼室内にポスト噴射を行うことにより前記第１制御を行うことを特徴とするディーゼルエンジン。