JP2002004840A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
内燃機関の排気浄化装置Info
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Abstract
効率的に所定量の還元剤を選択還元型NOx触媒の上流
の排気ガス通路に供給することができる還元剤供給装置
を提供する。 【解決手段】内燃機関の排気ガス通路に設けられ、かつ
尿素等のアンモニア由来の還元剤の存在下でNOxを還
元または分解する選択還元型NOx触媒8と、固体状の
還元剤を貯蔵する固体還元剤貯蔵部12と、この固体還
元剤貯蔵部12から固体状の還元剤を前記溶融還元剤貯
蔵部13に搬送する固体還元剤搬送手段と、前記固体還
元剤貯蔵部12から導かれた固体還元剤を加熱液化し貯
蔵する溶融還元剤貯蔵部13と、前記溶融還元剤貯蔵部
13で液化された液化還元剤を前記選択還元型NOx触
媒よりも上流の前記排気ガス通路9に供給する溶融還元
剤供給手段14と、を備える。
Description
される排気ガスを浄化する内燃機関の排気浄化装置に関
するものである。
ガス中の有害なNOxを還元または分解する選択還元型
NOx触媒は、リーン空燃比で燃焼可能な内燃機関(例
えばディーゼルエンジンやリーンバーンガソリンエンジ
ン)から排出される排気ガス中のNOxを浄化する排気
浄化装置として多用されている。
剤として炭化水素を用いることが多いが、他の還元剤と
して尿素等、アンモニア由来の還元剤を使用することが
検討されている。例えば、固体尿素を還元剤として用い
たものとしては特開2000−27626号公報に記載
の還元剤供給装置がある。
載の還元剤供給装置は、固体尿素の貯蔵タンクと、この
貯蔵タンクの内部上面に固定されたバネ部材と、バネ部
材の下方先端部に固定された粉砕機構とからなる粉砕手
段が配置されている。この粉砕機構は、垂直棒材から貯
蔵装置の側壁近傍まで半径方向に延在する複数の粉砕ア
ームを有し、この垂直棒材の下方先端部は、貯蔵装置の
底壁から内側に延在するガイド部材によって上下方向に
摺動可能に案内される。
に際して、粉砕手段のバネ部材は自由に伸縮可能なよう
に、かつ固体尿素に埋没しないようにされる。固体尿素
は貯蔵装置内で塊状となり易いが、貯蔵装置内に前記の
ような粉砕手段が配置されているので、ガイド部材によ
り上下方向に摺動可能に案内された粉砕機構は、車両振
動によってバネ部材を介して上下に振動するために、尿
素の塊を貯蔵装置内の全体に亘り粉砕することができ
る。したがって貯蔵装置内の粉砕された尿素を連続的に
排出できる。
000−27626号公報に記載の還元剤供給装置で
は、固体還元剤を貯蔵タンクから排出させるためにバネ
部材と粉砕機構を必要とし、貯蔵タンク内の構造が複雑
化する問題がある。
れた固体還元剤をどのようにして排気ガスの通路に供給
するのか、具体的な供給手段については開示されていな
い。実際には排気通路に設置された選択還元型NOx触
媒上流の所定位置に、どのようにして所定量の還元剤を
確実に供給するのかが問題となり、簡便で制御性に優れ
た還元剤の供給装置の提供が望まれている。
ものであり、還元剤の保存と供給がより確実であって、
かつ効率的に所定量の還元剤を選択還元型NOx触媒の
上流の排気ガス通路に供給することができる還元剤供給
装置を提供することを課題とする。
するために、以下の手段を採用した。即ち、本発明は、
内燃機関の排気ガス通路に設けられ、アンモニア由来の
還元剤の存在下でNOxを還元または分解する選択還元
型NOx触媒と、固体状の還元剤を貯蔵する固体還元剤
貯蔵部と、この固体還元剤貯蔵部から固体状の還元剤を
前記溶融還元剤貯蔵部に搬送する固体還元剤搬送手段
と、前記固体還元剤貯蔵部から導かれた固体還元剤を加
熱液化し貯蔵する溶融還元剤貯蔵部と、前記溶融還元剤
貯蔵部で液化された液化還元剤を前記選択還元型NOx
触媒よりも上流の前記排気ガス通路に供給する溶融還元
剤供給手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排
気ガス浄化装置である。
元剤は、固体還元剤搬送手段により溶融還元剤貯蔵部に
導かれて加熱液化され、液化した還元剤は溶融還元剤供
給手段によって選択還元型NOx触媒よりも上流の排気
通路に供給される。
式のリーンバーンガソリンエンジンやディーゼルエンジ
ンを例示することができる。前記選択還元型NOx触媒
としては、ゼオライトにCu等の遷移金属をイオン交換
して担持したものやチタニヤ/バナジウム触媒、ゼオラ
イトまたはアルミナに貴金属を担持した触媒等が例示で
きる。
球状とすることができ、これを固体還元剤収納部に多数
収納する。この場合、前記固体還元剤搬送手段が前記固
体還元剤貯蔵部に形成した傾斜面であれば、固体還元剤
はこの傾斜面を転動して連続的に排出される。
カルバミン酸アンモニウムを使用することができる。前
記貯蔵室の固体還元剤の形状を球状または棒状とし、固
体還元剤表面を固着防止剤により被覆した場合には、還
元剤どうしが固着することが防止され、還元剤の搬送を
円滑に行うことができる。
のモータにより駆動される回転体を含み、この回転体が
還元剤に接触してこれを固体還元剤貯蔵部から搬出する
ように構成することができる。
て固体状の還元剤を加熱液化する熱源を、電気ヒータと
することができる。前記溶融還元剤貯蔵部で固体状の還
元剤がガス化しないように、還元剤の温度を所定温度範
囲に制御する温度制御手段を備えるのが好ましい。固体
状の還元剤を必要以上の高温に加熱すると還元剤が変質
して凝固し流動性劣化や特性変化が生じる。また、還元
剤がガス化してしまい、ガス化した還元剤が貯蔵手段か
ら外に漏出する虞がある。温度制御手段を備えることに
より、これを防止することができる。
ロール用電子制御ユニット(ECU)により作動が制御
され、所定量ずつを排気ガス路中に噴射するインジェク
タ等の供給量制御手段によって供給することができる。
し、これを加熱液体化して供給するので、装置の小型
化、簡略化が実現でき、かつ還元剤の供給量を高精度に
制御することが可能である。
気浄化装置の実施の形態を図1から図6の図面に基づい
て説明する。なお、以下に記載の各実施形態は、本発明
を内燃機関としての車両駆動用ディーゼルエンジンに適
用したものである。 [第1の実施の形態]本発明に係る内燃機関の排気浄化
装置の第1の形態について、図1から図3を参照して説
明する。車両用のディーゼルエンジン1の各気筒の燃焼
室2にはピストン6が設けられ、かつエアクリーナ3を
経て吸気管4から空気が導入されるようになっている。
また各燃焼室2には燃料噴射弁5から燃料が噴射され、
これはリーン空燃比で燃焼する。
気管7、NOx触媒コンバータ8、及び排気管9を通っ
て大気中に排気される。NOx触媒コンバータ8には、
還元剤の存在下で、排気ガス中のNOxを還元または分
解するゼオライト・シリカ系やチタニア・バナジウム系
の選択還元型NOx触媒10が収容されている。
ガス中のNOxを浄化するには、これに用いる還元剤の
存在が必要である。そのためこの排気浄化装置には、N
Ox触媒コンバータ8よりも上流の排気管7内に還元剤
を添加する還元剤添加装置(還元剤添加手段)11が、
排気管7に設けられている。
して固体尿素Aを液化して排気管7内に供給するもので
ある。この装置は、固体還元剤貯蔵部であって固体尿素
Aを収容する収納容器12と、この収納容器12の下部
に連結された溶融還元剤貯蔵部である液体尿素収納室1
3と、この液体尿素収納室13の下部に設けた添加制御
弁14と、からなる。
aを有し、この投入口12aは蓋12bによって開閉可
能になっており、図2、図3に示すように、その底面1
2cは傾斜面になっている。底面12cの最低部には排
出口12dが形成され、これは連通路12eを介して液
体尿素収納室13に連通している。
固体還元剤は固体尿素Aであり、この固体尿素Aは球状
に成形され、この固体尿素Aは底面12cを転がり、排
出口12dから液体尿素収納室13に向かって落下す
る。
して、これを傾斜した底面12cによって排出口12d
に誘導することもできる。この固体尿素Aは底面12c
上を滑り落ち、排出口12dから液体尿素収納室13に
向けて排出される。
を有するため、固体還元剤貯蔵部12には、シリカゲル
等による除湿手段15が備えられる。この除湿手段15
はシリカゲル等を収納した容器であり、 固体尿素Aが
供給される収納容器12に通路15aを介して連通して
いる。
されているので互いに固着して塊状になり、排出が困難
になる事態が防止される。次に、前記液体尿素収納室1
3は、図示しない電気ヒータ等の加熱源を備え、上部の
収納容器12から連通路12cを介して供給された固体
尿素Aを加熱し、これを液化させて液体尿素とする。こ
の液体尿素は、図7に示す添加制御弁14により流量制
御されて排気管7内に添加される。添加制御弁14は先
端がニードルバルブ14aとなっており、軸方向に軸状
の弁体14cが貫通した供給路14dに液体尿素収納室
13からの連通路12cが接続され、弁体14cは往復
動可能なように支持体14eにより案内されている。添
加制御弁14の後端には、貫通した弁体14cの後部に
装着したストッパ14fが設けられ、これは添加制御弁
14の本体の後端面に係止している。このストッパ14
fの後方にはソレノイド が配置されており、これが励
磁するとストッパ14fを後方に引き寄せるようになっ
ている。また弁体14cの支持体14eの外周面には、
供給された液体尿素が漏出しないようにシール14bが
設けられている。
CU16によってデューティ比制御され、これによって
液体尿素の流量や添加タイミングが制御されるので、E
CU16からの命令によってソレノイド37が通電によ
って励磁し、ストッパ14fが後方に移動し、弁体14
cがこれに伴って後方に移動して先端のニードルバルブ
14aが開くと、開弁中の所定時間にわたって所定量の
尿素が排気通路内に添加される。
トッパ14fはスプリング38により原位置に戻されて
ニードルバルブ14aが閉じられ、尿素の添加が終了す
る。なお、この添加制御弁14と液体尿素収納室13の
間には、液体尿素を加圧してこれを調圧部に送るポンプ
(図示せず)と、調圧部において液体尿素を一定圧力に
加圧するプレッシャレギュレータ39を備えている。
ヒータ等の加熱源は、液体尿素収納室13内において固
体尿素Aが液化するのに最適な温度(約160〜230
℃)となるように、ECU16によってその作動が制御
される。これは固体尿素Aを前記最適温度以上の高温に
加熱すると、固体尿素Aがガス化してしまう虞があるか
らである。
を検出する残量センサ17が設けられており、残量セン
サ17は検出した固体尿素Aの残量に比例した出力信号
をECU16に出力する。ECU16は、残量センサ1
7から所定の残量値(以下、これを警報残量値と称す)
を示す入力信号を入力したときに、メータパネル22の
警報ランプ23を点灯し、固体尿素Aの残量が少なくな
ったことを知らせる。また、ECU16は、残量センサ
17から警報残量値よりもさらに少ない下限値を示す入
力信号を入力したときに、還元剤添加装置11の稼動を
停止し、添加制御弁14を全閉にして、液体尿素の添加
を停止する。
検出する温度センサ18が設けられており、温度センサ
18は検出した液体尿素の液温に比例した出力信号をE
CU16に出力する。
排気管7には、NOx触媒コンバータ8に流入する排気
ガスの温度を検出する触媒入ガス温センサ19が設けら
れており、検出した触媒入ガス温度に比例した出力信号
をECU16に出力する。
気管7には、NOxセンサ21が設けられ排気ガス中の
NOx量を計測する。また前記触媒入ガス温センサ19
より下流の排気管7には、アンモニアガスセンサ36が
設置され、計測されたアンモニアガス量に比例した出力
信号をECU16に出力する。
らなり、双方向バスによって相互に接続されたROM
(リードオンリメモリ)、RAM(ランダムアクセスメ
モリ)、CPU(セントラルプロセッサユニット)、入
出力ポート、出力ポートを具備し、エンジン1の燃料噴
射量制御等の基本制御を行うほか、この実施の形態で
は、液体尿素の添加量制御を行っている。
ポートには、エアフロメータ20からの入力信号がA/
Dコンバータを介して入力される。エアフロメータ20
は吸気量に比例した出力信号をECU16に出力し、E
CU16はエアフロメータ20の出力信号に基づいて吸
気量を演算する。
バータ8より上流の排気管7に設置されているので、N
Ox触媒コンバータ8に流入するNOx量を検出するこ
とができ、検出したNOx濃度に比例した出力信号をE
CU16に出力する。ECU16は、このNOxセンサ
で検出したNOx濃度と、エアフロメータ20で検出し
た吸気量からNOx排出量を演算する。
NOxを浄化するのに必要な液体尿素の目標添加量を演
算し、この目標添加量に対応する流量が得られる添加制
御弁14のデューティ比を演算し、添加制御弁14をデ
ューティ比制御する。
流量は、添加制御弁16のデューティ比が同じであって
も液体尿素の液温や添加制御弁14の出口側の背圧が異
なると変化するので、添加制御弁14をデューティ比制
御する際に、ECU16は、温度センサ18により検出
した液体尿素の液温と、入りガス圧センサ19により検
出したガス圧力に基づいて、目標デューティ比の補正を
行う。
を説明する。前述したように、ECU16は、エンジン
1の運転状態に応じて、即ちNOx排出量に応じて、添
加制御弁14のデューティ比制御を行い、排気管7内に
適正量の液体尿素を添加する。排気管7内に添加された
液体尿素は排気ガスによって加熱される結果、直ちに気
化して還元ガス(アンモニアガス)となり、排気ガスと
共にNOx触媒コンバータ8に流入する。
において排気ガスに含まれるNOxを還元あるいは分解
する。浄化された排気ガスは排気管9を通って大気中に
放出される。
気ガス温がある所定の温度以下のときにはNOx浄化率
が低く、排気ガス温が前記所定温度を越えると急激にN
Ox浄化率が高くなる性質がある。そのため、排気ガス
温が低いときに還元ガスを添加しても、その添加された
還元ガスはNOxの還元反応に利用されないままNOx
コンバータ8を素通りし、大気に放出されてしまう。そ
こで、この実施の形態では、入りガス温センサ19で検
出した入りガス温度が前記所定温度以下のときには、E
CU16が添加制御弁14を全閉に制御し、これにより
液体尿素の添加を停止して、還元ガスのリークを未然に
防止するようにしている。
媒コンバータ8の上流側の排気管7に、排気ガスのNO
x濃度を検出するNOxセンサを設け、このNOxセン
サで検出したNOx濃度とエアフロメータ20で検出し
た吸気量から、NOx排出量を演算するようにしている
が、これに代えて次のような方法を採用していもよい。
すなわち、エンジン負荷とエンジン回転数に基づいてエ
ンジン1から排出されるNOx量との関係を求めて予め
マップ化し、このNOx排出量マップをECU16に記
憶しておく。ECU16は、このNOx排出量マップを
参照し、エンジン負荷とエンジン回転速度に基づいてエ
ンジン1から排出されるるNOx排出量を推定算出す
る。この場合、ECU16の入力ポートには、図示しな
いアクセル開度センサからの入力信号と、クランク角セ
ンサからの入力信号が入力されるようにする。このアク
セル開度センサはアクセル開度に比例した出力電圧をE
CU16に出力し、ECU16はアクセル開度センサか
らの出力信号に基づいて機関負荷を演算する。クランク
角センサはエンジン1のクランクシャフトが一定角度回
転する毎に主力パルスをECU16に出力し、ECU1
6はこの出力パルスに基づいて機関回転速度を演算す
る。
尿素を加熱液化して液体尿素とし、この液体尿素を添加
制御弁14で流量制御して排気管7内に添加している。
このように固体尿素を液化するのに必要な熱量は、固体
尿素を気化するのに必要な熱量よりも小さいので、従来
よりも加熱源(電気ヒータ)を小さくできる利点があ
る。
液化して生成するため、100%濃度となり高濃度の添
加量制御が必要になるが、制御対象が気体ではなく液体
であるため、添加制御弁14により高精度の流量制御が
十分可能である。 [第2の実施の形態]本発明に係る内燃機関の排気浄化
装置の第2の実施の形態について図4を参照して説明す
る。
蔵部12の底面に固体尿素Aの強制的な搬送機構を設け
ている。固体還元剤貯蔵部12は、第1の実施の形態の
ものと同様である。すなわち図4に示すように、固体還
元剤貯蔵部12の下部は傾斜面12cになっており、こ
の傾斜面12cの最低部には排出口12dがあり、この
排出口12dは液体尿素収納室13に連通している。
体尿素Aは棒状であり、複数の棒状の固定尿素Aが、一
本ずつ排出口12dから排出されるようになっている。
排出口12dの周縁には、モータ25に連結されて回転
する歯車状の回転体26が2個対向するように設けられ
ている。これらの回転体26は、固体尿素Aの搬出路に
臨み、その外周の一部が搬出路に突出している。したが
って回転体26は固体尿素Aに接触することが可能で、
斜面を摺動する固体尿素Aを下方に強制的に移動させる
ことができる。
2eを介して、液体尿素収納室13に送られる。第1の
実施の形態と同様に液体尿素収納室13に到達した固体
尿素Aは液化されて排気通路7中に、一定量ずつ供給さ
れる。
によって制御される。モータ25の運転時期及び期間に
ついては、エンジン1が使用される場所における環境や
季節的な要因などを考慮して適宜に設定することができ
る。
続的に確実に収納容器12から取り出すことができる。 [第3の実施の形態]本発明に係る内燃機関の排気浄化
装置の第3の実施の形態について、図5を参照して説明
する。
回転自在に支持された円筒形の容器内に収納されてい
る。この容器に隣接するように、モータ25により回転
する駆動歯車28が設けられている。また固体尿素Aを
収納した固体還元剤貯蔵部12である容器の外壁には、
前記駆動歯車28に噛み合い、この駆動歯車28の回転
に従って回転する被駆動歯車29が形成されている。
は開放されており、収納容器12と一体に回転せずに固
定された円形の受板32に対向している。収納容器12
は受板32に対して回転し、かつ受板32に接触しない
ように支持される。
設けられ、この加圧手段33は前記固体尿素Aの上面を
押圧し、これを矢印X方向に加圧する。前記固体尿素A
は収納容器12と共に回転するが、加圧により受板32
に当接する。この受板32の表面には、その中心部から
外周方向にわたって扇形の開口部34が設けられ、この
開口部34にはカッタ30が取り付けられている。この
カッタ30は、固体尿素Aに接触してこれを切削するこ
とが可能である。
駆動させることにより収納容器12が回転し、これと一
体に固体尿素Aが回転する。このとき固体尿素Aは受板
32に接触するのでカッタ30により切削される。切削
された固体尿素Aは一時的に還元剤収納部35に落下
し、この還元剤収納部35に設けたヒータ40により熱
せられて溶融し、連通路12eを介して液体尿素収納室
13に送られる。
6によって制御される。モータ25の運転時期及び時間
については、エンジン1が使用される場所における環境
や季節的な要因などを考慮して適宜に設定することがで
きる。
円筒状のものとし、これは加圧手段Xと共に回転する構
成としたが、次のような構成としてもよい。前記収納容
器12を回転可能な有底のものとし、その底面の一部に
上述したような開口部とカッタを設置して、回転しない
加圧手段により固体尿素Aを加圧可能とする。この場
合、固体尿素Aは加圧手段により収納容器12の底面に
向けて加圧される。すると固体尿素Aと収納容器12と
の間に速度差が生じるので、固体尿素Aがカッタにより
切削される。
続的に確実に、かつ所定量を収納容器12から取り出す
ことができる。 [第4の実施の形態]本発明に係る内燃機関の排気浄化
装置の第4の実施の形態について、図6を参照して説明
する。
回転自在に支持された円筒形の容器内に収納されてい
る。この容器に隣接するように、モータ25により回転
する駆動歯車28が設けられている。また固体尿素Aを
収納した固体還元剤貯蔵部12である容器の外壁には、
前記駆動歯車28に噛み合い、この駆動歯車28の回転
に従って回転する被駆動歯車29が形成されている。
は開放されており、この底面12aは、固定された円形
の受板32に対向している。収納容器12は前記モータ
25の駆動によって回転可能であり、かつ受板32に接
触しないように支持される。
加圧手段33が設けられている。この加圧手段33は、
前記固体尿素Aの上面を押圧しこれを矢印X方向に加圧
し、かつ収納容器12と一体に回転する。
するが、加圧手段33による加圧により受板32に当接
する。この受板32の表面には、その中心部から外周方
向にわたって扇形の開口部34が設けられ、この開口部
34の周囲にはヒータ31が取り付けられている。この
ヒータ31は固体尿素Aに接触して、ヒータ31から発
生する熱により固体尿素Aを溶融させる。
駆動させることで収納容器12が回転し、これと一体に
固体尿素Aが回転する。このとき固体尿素Aは受板32
に接触し溶融して一時的に還元剤収納部34内に落下
し、液化した尿素は液体尿素収納室13に向かい流出す
る。
によって制御される。モータ25の運転時期及び期間に
ついては、エンジン1が使用される場所における環境や
季節的な要因などを考慮して適宜に設定することができ
る。
12を円筒状のものとし、これを加圧手段と共に回転す
る構成としたが、これに替えて次のような構成としても
よい。
とし、その底面の一部に上述したような開口部及びヒー
タを設置して、回転しない加圧手段により固体尿素Aを
加圧可能とする。この場合、固体尿素Aは加圧手段によ
り収納容器12の底面に向けて加圧される。すると固体
尿素Aと収納容器12との間に速度差が生じ、固体尿素
Aの下面全体が順次ヒータにより加熱され、均一に溶融
し開口部から流出する。
続的に確実に、かつ所定量を液化しつつ収納容器12か
ら取り出すことができる。
よれば、固体還元剤貯蔵部で還元剤を固体の状態で保存
し、これを取り出して溶融還元剤貯蔵部に貯蔵してから
供給する構成としたので、装置の小型化、簡略化が実現
でき、かつ還元剤の供給量を高精度に制御することが可
能である。
における概略構成図である。
を示す図である。
を示す図である。
示す概略構成図である。
態を示す概略構成図である。
けた状態を示す概略構成図である。
ある。
Claims (7)
- 【請求項1】内燃機関の排気ガス通路に設けられ、アン
モニア由来の還元剤の存在下でNOxを還元または分解
する選択還元型NOx触媒と、固体状の還元剤を貯蔵す
る固体還元剤貯蔵部と、この固体還元剤貯蔵部から固体
状の還元剤を前記溶融還元剤貯蔵部に搬送する固体還元
剤搬送手段と、前記固体還元剤貯蔵部から導かれた固体
還元剤を加熱液化し貯蔵する溶融還元剤貯蔵部と、前記
溶融還元剤貯蔵部で液化された液化還元剤を前記選択還
元型NOx触媒よりも上流の前記排気ガス通路に供給す
る溶融還元剤供給手段と、を備えることを特徴とする内
燃機関の排気ガス浄化装置。 - 【請求項2】前記固体還元剤搬送手段が、前記固体還元
剤貯蔵部に形成した傾斜面であることを特徴とする請求
項1に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。 - 【請求項3】前記還元剤が球体であることを特徴とする
請求項1または2に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 【請求項4】前記還元剤が尿素であることを特徴とする
請求項1から3のいずれかに記載の内燃機関の排気ガス
浄化装置 - 【請求項5】前記還元剤の表面は、還元剤が互いに固着
することを抑止する固着抑止剤で被覆されていることを
特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の内燃機関
の排気ガス浄化装置。 - 【請求項6】前記固体還元剤搬送手段は、モータと、こ
のモータにより駆動される回転体を含み、この回転体が
還元剤に接触してこれを固体還元剤貯蔵部から搬出する
ことを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の内
燃機関の排気ガス浄化装置。 - 【請求項7】前記溶融還元剤貯蔵部では、固体状の還元
剤を加熱液化する熱源が電気ヒータであることを特徴と
する請求項1から6に記載の内燃機関の排気ガス浄化装
置。
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