JP2004257325A - 内燃機関のＮＯｘ浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、尿素水添加を行うＮＯｘ浄化装置におけるＮＯｘ浄化をより広い温度範囲で可能とする内燃機関のＮＯｘ浄化装置を提供することにある。
【解決手段】エンジン１の排気系に設けられ排気ガス中のＮＯｘを選択還元するＳＣＲ触媒１０と、ＳＣＲ触媒１０上流の排気系に尿素水供給管１３を介し尿素水を供給する第１還元剤供給手段１１と、ＳＣＲ触媒１０上流の排気系に還元剤供給管１４を介し還元剤ガスを供給する第２還元剤供給手段１２と、還元剤が所定比率で混入し、ヒータ１７を備えた尿素水タンク１６と、尿素水タンクの尿素水液面ｆ上域ｅの還元剤ガスを循環ポンプ２３で循環させる還元剤ガス循環路Ｒと還元剤ガス循環路の途中に配備され、還元剤供給管１４に適時に還元剤ガスを供給するよう切換え可能な還元剤ガスバルブ２５とを具備する。
【選択図】 図１
【解決手段】エンジン１の排気系に設けられ排気ガス中のＮＯｘを選択還元するＳＣＲ触媒１０と、ＳＣＲ触媒１０上流の排気系に尿素水供給管１３を介し尿素水を供給する第１還元剤供給手段１１と、ＳＣＲ触媒１０上流の排気系に還元剤供給管１４を介し還元剤ガスを供給する第２還元剤供給手段１２と、還元剤が所定比率で混入し、ヒータ１７を備えた尿素水タンク１６と、尿素水タンクの尿素水液面ｆ上域ｅの還元剤ガスを循環ポンプ２３で循環させる還元剤ガス循環路Ｒと還元剤ガス循環路の途中に配備され、還元剤供給管１４に適時に還元剤ガスを供給するよう切換え可能な還元剤ガスバルブ２５とを具備する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内撚機関の排気ガス中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化装置、特に、排気系に設けた還元触媒の上流側に排気ガス還元剤を噴霧する装置を配した内燃機関のＮＯｘ浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内撚機関が排出する排気ガス中のＮＯｘはＮＯｘ浄化装置により浄化されているが、特に、ディーゼルエンジンで用いられるＮＯｘ浄化装置はその排気系にユリアＳＣＲ触媒（ＮＯｘ触媒）を置き、その上流側に還元剤供給手段を配備したものが知られている。この還元剤供給手段は排気系に尿素水（ユリア水）を供給し、そこに含まれた尿素が下記の式（１）のように加水分解及び熱分解して、ＮＨ３を放出する。
【０００３】
（ＮＨ２）２ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→２ＮＨ３＋ＣＯ２・・・・（１）
加水分解して発生したアンモニア（ＮＨ３）はＳＣＲ触媒（ＮＯｘ触媒）に還元剤として供給される。これによりＳＣＲ触媒が酸素過剰雰囲気下においてＮＯｘを浄化できるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の尿素水添加式のＮＯｘ浄化装置では、排気ガス温度が一定値以上であれば、蒸気となったユリア水が触媒上で、加水分解され、ＮＯｘの有効な還元剤であるアンモニア（ＮＨ３）が生成される。しかし、排気ガス温度が低温時にあると、式（１）のようなユリア水の加水分解によるアンモニア生成が十分に進行しない。
【０００５】
そればかりか、アンモニアが反応管や、ノズル部に析出し、反応副生成物であるシアヌル酸などが生成されるため、ユリアの噴霧が困難となる場合がある。還元剤が十分に供給されない状況下となると、ＳＣＲ触媒上でのＮＯｘ浄化は進まず、すべて環境に排出されてしまう。
このように、尿素水添加式のＮＯｘ浄化装置では排気温度が低い場合にもＮＯｘ浄化が可能なシステムは確立されていないのが現状である。
【０００６】
本発明は、以上のような課題に基づき、尿素水添加を行うＮＯｘ浄化装置における尿素水の加水分解域を拡大し、ＮＯｘ浄化装置によるＮＯｘ浄化をより広い温度範囲で可能とする内燃機関のＮＯｘ浄化装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、内燃機関の排気系に設けられ排気ガス中のＮＯｘを選択還元するＮＯｘ触媒と、上記ＮＯｘ触媒上流の上記排気系に尿素水供給管を介し尿素水を供給する第１還元剤供給手段と、上記ＮＯｘ触媒上流の上記排気系に還元剤供給管を介し還元剤ガスを供給する第２還元剤供給手段と、上記還元剤が所定比率で混入し、尿素水加熱用のヒータを備えた尿素水タンクと、上記尿素水タンクの尿素水液面上域の還元剤ガスを循環ポンプで循環させる還元剤ガス循環路と、上記還元剤ガス循環路の途中に配備され、上記還元剤供給管に適時に還元剤ガスを供給するよう切換え可能な還元剤ガスバルブと、を具備することを特徴とする。
【０００８】
このように、ＮＯｘ触媒上流の排気系に第１還元剤供給手段により尿素水を供給でき、第２還元剤供給手段により還元剤ガスを供給できるので、尿素水を加水分解できない運転域では尿素水に代えて、還元剤ガスを排気ガス中に供給し、たとえ低温時にあっても、還元剤ガスを受けたＮＯｘ触媒によりＮＯｘを選択還元でき、より広い運転域において、ＮＯｘ浄化が可能となる。
好ましくは、上記尿素水供給管は適時に上記尿素水タンクの尿素水を排気ガス中に供給するよう作動する開閉手段を設けてもよい。この場合、尿素水供給管からの尿素水を的確に給排できる。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１記載の内燃機関のＮＯｘ浄化装置において、上記還元剤ガス循環路は尿素水タンクの尿素水液面上域と連通可能な還元剤貯蔵タンクを備えることを特徴とする。
尿素水タンクで生成される還元剤ガスを還元剤貯蔵タンクに予め貯蔵することができ、第２還元剤供給手段の還元剤供給管を介し還元剤ガスを適時に排気ガス中に供給でき、たとえ低温時にあっても、還元剤ガスを受けたＮＯｘ触媒によりＮＯｘを選択還元でき、より広い運転域において、ＮＯｘ浄化が可能となる。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１記載の内燃機関のＮＯｘ浄化装置において、上記還元剤ガス循環路は上記循環ポンプの吐出側循環の下流端開口が上記尿素水タンクの尿素水液面下に位置することを特徴とする。
このように、循環ポンプの吐出側循環の下流端開口からの循環気体が尿素水タンクの尿素水液面下に吹出すので、尿素水より還元剤ガスを生成する機能が向上する。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項１記載の内燃機関のＮＯｘ浄化装置において、上記尿素水タンクは尿素水の濃度を検出する濃度センサと、高濃度尿素水タンクと、同高濃度尿素水タンクの高濃度尿素水を供給、停止可能な制御弁と、上記尿素水濃度情報に基き尿素水の濃度を所定値に保持するよう制御弁を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。
このように、高濃度尿素水タンクの高濃度尿素水を適時に尿素水タンクに供給でき、尿素水タンクの尿素水濃度を常時一定に保持できる。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項２記載の内燃機関のＮＯｘ浄化装置において、上記尿素水加熱用のヒータは上記還元剤貯蔵タンクの貯蔵容量に応じて駆動停止することを特徴とする。
このように、尿素水加熱用のヒータは還元剤貯蔵タンクの貯蔵容量を上回る状態では運転停止されるので、無駄な電力消費を防止できる。
【００１３】
請求項６の発明は、請求項１記載の内燃機関のＮＯｘ浄化装置において、上記排気ガス温度を検出する排気ガス温度センサと、上記還元剤ガスバルブの開閉制御手段を備え、同開閉制御手段は上記排気ガス温度が尿素水加水分解可能温度を下回ると上記還元剤供給管に還元剤ガスを流入するよう上記還元剤ガスバルブを切換えることを特徴とする。
このように、排気ガス温度が尿素水加水分解可能温度を下回ると還元剤供給管を介しＮＯｘ触媒上流の排気系に還元剤ガスを供給するので、たとえ低温時にあっても、還元剤ガスを受けたＮＯｘ触媒によりＮＯｘを選択還元でき、より広い運転域において、ＮＯｘ浄化が可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態としての内燃機関のＮＯｘ浄化装置を図１を参照して説明する。ここでの内燃機関のＮＯｘ浄化装置（以後単にＮＯｘ浄化装置と記す）は、図示しない車両に搭載された多気筒ディーゼルエンジン（以後単にエンジンと記す）１の排気系２に装着される。
エンジン１はエンジン制御手段としてのエンジンＥＣＵ３を備え、エンジン１の排気系にＮＯｘ浄化装置４が配備される。なお、エンジンＥＣＵ３と、ＮＯｘ浄化装置４の制御部を成す排気系ＥＣＵ５とは相互通信可能に連結される。
【００１５】
エンジン１より排気路Ｅに流出した排気は下流側のＮＯｘ触媒コンバータ６を装備する排気管７を通過し、図示しないマフラーを介して大気放出される。
ＮＯｘ触媒コンバータ６はケーシング８内に図示しないハニカム構造のセラミック製触媒担体９を備え、同担体にＮＯｘ触媒であるＳＣＲ触媒１０として機能するための触媒金属（例えばバナジウム）が担持される。なお、ＳＣＲ触媒１０を担持したセラミック製触媒担体９に代えて、触媒をそのまま固めてハニカム状に成形したものでもよい。
ＳＣＲ触媒１０は後述する第１、第２還元剤供給手段１１、１２からの還元剤であるアンモニア（ＮＨ３）を吸着して排気ガス中のＮＯｘを選択還元可能である。ここでＳＣＲ触媒１０はアンモニア吸着状態において、下記の式（２）、（３）の反応を主に行い、ＮＨ３と窒素酸化物との間の脱硝反応を促進することができる。
【００１６】
４ＮＨ３＋４ＮＯ＋Ｏ２→４Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ・・・・（２）
２ＮＨ３＋ＮＯ＋ＮＯ２→２Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ・・・・・（３）
排気管７の排気路Ｅ中で、ＮＯｘ触媒であるＳＣＲ触媒１０上流のａ位置に尿素水供給管１３のノズル１３１を介し尿素水を供給する第１還元剤供給手段１１と、そのａ位置のさらに上流側のｂ位置に還元剤供給管１４を介し還元剤ガスを供給する第２還元剤供給手段１２が接続される。なお、第２還元剤供給手段１２を第１還元剤１１の下流側に配置しても良い。
【００１７】
第１還元剤供給手段１１の尿素水供給管１３は尿素水ポンプ１５を介し尿素水タンク１６に連結される。ここで尿素水ポンプ１５はその非作動時に尿素水供給を停止し、作動時に排気ガス中に尿素水供給を行うよう作動する開閉手段を構成する。なお、尿素水ポンプ１５はそのモータ１５１が排気系ＥＣＵ５に接続されている。
【００１８】
尿素水タンク１６は密封容器であり、内部に所定濃度の尿素水を貯蔵する。尿素水タンク１６はその容器本体１６１の回りをヒータ１７と図示しない断熱シートで覆われ、ヒータ１７により尿素水を加熱可能に形成される。ヒータ１７は排気系ＥＣＵ５により適時に駆動可能に構成される。尿素水タンク１６はその容器本体１６１の下側側部に尿素水供給管１３を連結し、上方側部に吸入パイプ１８の端部を接続し、しかも、上側壁に排出管２０と高濃度尿素水タンク１９からの供給パイプ２１を接続する。
【００１９】
高濃度尿素水タンク１９は尿素水タンク１６より上方位置に配設され、供給パイプ２１に設けられ高濃度尿素水を供給、停止可能な制御弁である開閉電磁弁２２のオン時に高濃度の尿素水を自重によって尿素水タンク１６に供給できる。開閉電磁弁２２は制御手段としての排気系ＥＣＵ５に駆動される。
尿素水タンク１６は尿素水液面ｆの上域ｅに充満する還元剤ガスを吸入パイプ１８の先端側の循環ポンプ２３で吸入し、循環ポンプ２３が吐き出す還元剤ガスを排出管２０上の還元剤貯蔵タンク２４、還元剤ガスバルブ２５を経て尿素水タンク１６の尿素水液面ｆの下部に吐き出すように形成される。
【００２０】
即ち、循環ポンプ２３の吐出側の排出管２０の下流端開口ｍが尿素水タンクの尿素水液面ｆの下部に位置するので、排出管２０に沿って流動してくる還元剤ガスが、尿素水液面ｆ下に吹出されることで、尿素水より還元剤ガスを生成する機能が向上する。
【００２１】
還元剤貯蔵タンク２４は所定容量の密封容器であり、排出管２０に沿って流動してきた還元剤ガスを吸着する周知の吸着剤が収容され、吸着剤により還元剤ガスであるアンモニアガスを貯蔵できる。なお、吸着剤はアンモニアの貯蔵量に限界があり、限界以上のアンモニアは、排出管２０に沿って尿素水タンク１６に戻される。このことより、この還元剤貯蔵タンク２４のアンモニアガスが最大貯蔵量に達するに要する循環ポンプ２３の連続駆動時間が予め設定される。この連続駆動時間を上回る循環ポンプ２３の駆動は電力消費の無駄であり、循環ポンプ２３の駆動は連続駆動時間を限界として停止されることとなる。
なお、還元剤貯蔵タンク２４の本体２４１の外周部分はヒータ２６及び図示しない断熱材で覆われている。
【００２２】
還元剤ガスバルブ２５は図２に示すように４方切換え弁であり、排気系ＥＣＵ５に切換え駆動される。この弁はオフ時において、図２（ａ）に示すように排出管２０の流入、流出ポートｇ１，ｇ２を連通させると共に、大気側ポートｇ３及び還元剤供給管１４側の添加ポートｇ４を遮断する。オン時には、図２（ｂ）に示すように大気側ポートｇ３と流出ポートｇ２を連通すると共に流入ポートｇ１と還元剤供給管１４側の添加ポートｇ４を連通させる。
大気側ポートｇ３は逆支弁付きのクリーナ２７を介し大気解放され、これにより排出管２０、尿素水タンク１６側の負圧化を防止している。
【００２３】
ここで、尿素水タンク１６、吸入パイプ１８、循環ポンプ２３、還元剤貯蔵タンク２４、排出管２０により尿素水タンク１６の尿素水液面ｆの上域ｅの還元剤ガスを循環させる還元剤ガス循環路Ｒが構成される。
尿素水タンク１６の低部には尿素水の濃度を検出する濃度センサ２８が装着され、これにより、尿素水の濃度情報を排気系ＥＣＵ５に出力している。
【００２４】
排気系ＥＣＵ５はその入出力回路に多数のポートを有し、尿素水の濃度Ｄを検出する濃度センサ２８と排気管７に装着され、排気路Ｅの排気ガス温度Ｔｇを出力する排気ガス温度センサ２９の検出信号を入力でき、その上で、ヒータ１７、２４、尿素水ポンプ１５、循環ポンプ２３、還元剤ガスバルブ２５、及び、開閉電磁弁２２を駆動制御する制御手段として機能する。
次に、図１のＮＯｘ浄化装置のＮＯｘ浄化制御処理を、図３のＮＯｘ浄化処理ルーチンに沿って説明する。
【００２５】
ＮＯｘ浄化装置を搭載した図示しない車両のエンジン１の駆動時において、排気系ＥＣＵ５は、エンジンキーのオンと同時に図３のＮＯｘ浄化処理ルーチンを所定制御サイクル毎に繰り返す。ここではステップｓ１でキーオンを確認し、ステップｓ２に達すると、排気ガス温度（触媒温度）Ｔｇ、尿素水濃度Ｄ、その他のデータを取込み、適正値か否かの判断をし、正常でないと図示しない故障表示灯を駆動し、正常ではステップｓ３に進む。
ステップｓ３では排気ガス温度Ｔｇが尿素水加水分解可能温度Ｔαを下回るか否か判断し、下回るとステップｓ７に、尿素水加水分解可能温度Ｔα以上ではステップｓ４に進む。
【００２６】
尿素水加水分解可能温度Ｔα以上でステップｓ４に達すると、ここでは尿素水ポンプ１５を駆動して第１還元剤供給手段１１の尿素水供給管１３より排気路Ｅに尿素水を供給する。この場合、排気ガス温度Ｔｇが比較的高く、上述の式（１）の加水分解反応が速やかに達成され、還元剤ガスであるアンモニア（ＮＨ３）が容易に生成され、これによりＳＣＲ触媒１０はアンモニア（ＮＨ３）を吸着して上述の式（２）又は（３）での反応を行い、排気ガス中のＮＯｘを容易に選択還元できる。
【００２７】
この後、ステップｓ５に達すると、ここでは還元剤ガスバルブ２５をオフ、循環ポンプ２３をオンする。この状態はタイマーで連続駆動時間ＴＩＭＥαのカウントが成され、その上で停止処理される。この処理で、還元剤貯蔵タンク２４には確実にアンモニアが最大容量の状態で貯蔵され、循環ポンプ２３が無駄に駆動されることを排除でき、還元剤貯蔵タンク２４のアンモニアガスは使用待機状態に保持される。
【００２８】
次いで、ステップｓ９、ｓ１０に達すると、ここでは尿素水の濃度Ｄを取り込み、これが所定の濃度値Ｄβ未満である過否か判断し、未満では開閉電磁弁２２を一定時間駆動して一定量の高濃度尿素水を尿素水タンク１６に補充し、以上ではそのままステップｓ２に戻る。
【００２９】
このように、ステップｓ９、ｓ１０の処理によって、図１のＮＯｘ浄化装置は、高濃度尿素水タンク１９の高濃度尿素水を適時に尿素水タンクに供給でき、尿素水タンクの尿素水濃度を常時一定に保持できる。なお、図示しない水タンクから水の量を調整して尿素水タンク１６に供給し，尿素水濃度を一定に保持するようにしてもよく、図示しない水タンクと高濃度尿素水タンク１９との両方の量を調整してもよい。
【００３０】
ステップｓ３で排気ガス温度Ｔｇが尿素水加水分解可能温度Ｔαを下回るとしてステップｓ７に達する。ここではヒータ１７、２４を共に駆動し、尿素水タンク１６と還元剤貯蔵タンク２４の加熱を促進させ、還元剤ガスであるアンモニアの発生を促進させる。次いで、ステップｓ８では、還元剤ガスバルブ２５をオンして還元剤貯蔵タンク２４のアンモニアガスを還元剤供給管１４より排気路Ｅに供給する。この場合、排気ガス温度が低いが、還元剤ガスであるアンモニア（ＮＨ３）が直接ＳＣＲ触媒１０に供給され、ＳＣＲ触媒１０がアンモニア（ＮＨ３）を吸着して上述の式（３）での反応を行い、低温でも、排気ガス中のＮＯｘを選択還元できる。
【００３１】
この時、同時に、循環ポンプ２３をオンし、還元剤ガス循環路Ｒに還元剤ガスを循環させ、尿素水タンク１６の液面ｆ下に還元剤ガスを供給して、還元剤ガスの発生を促進させることができ、アンモニアガスを還元剤供給管１４より排気路Ｅに安定して供給することができる。
この後、ステップｓ８よりステップｓ９に達し、上述と同様に尿素水の濃度Ｄを取り込み、これが所定の濃度値Ｄβ未満では開閉電磁弁２２を一定時間駆動して一定量の高濃度尿素水を尿素水タンク１６に補充し、濃度低下を抑制し、ステップｓ２に戻る。
【００３２】
このように、図１のＮＯｘ浄化装置はＳＣＲ触媒１０上流の排気系に第１還元剤供給手段１１により尿素水を供給でき、第２還元剤供給手段１２により還元剤ガスを供給できるので、尿素水を加水分解できない運転域では尿素水に代えて、還元剤ガスを排気ガス中に供給し、たとえ低温時にあっても、還元剤ガスを受けたＮＯｘ触媒によりＮＯｘを選択還元でき、より広い運転域において、ＮＯｘ浄化が可能となる。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、ＮＯｘ触媒上流の排気系に第１還元剤供給手段により尿素水を供給でき、第２還元剤供給手段により還元剤ガスを供給できるので、尿素水を加水分解できない排気ガスが低温度の運転域では尿素水に代えて、還元剤ガスを排気ガス中に供給し、たとえ低温時にあっても、還元剤ガスを受けたＮＯｘ触媒によりＮＯｘを選択還元でき、より広い運転域において、ＮＯｘ浄化が可能となる。
【００３４】
請求項２の発明は、尿素水タンクで生成される還元剤ガスを還元剤貯蔵タンクに予め貯蔵することができ、第２還元剤供給手段の還元剤供給管を介し還元剤ガスを適時に排気ガス中に供給でき、たとえ低温時にあっても、還元剤ガスを受けたＮＯｘ触媒によりＮＯｘを選択還元でき、より広い運転域において、ＮＯｘ浄化が可能となる。
【００３５】
請求項３の発明は、循環ポンプの吐出側循環の下流端開口からの循環気体が尿素水タンクの尿素水液面下に吹出すので、尿素水より還元剤ガスを生成する機能が向上する。
【００３６】
請求項４の発明は、高濃度尿素水タンクの高濃度尿素水を適時に尿素水タンクに供給でき、尿素水タンクの尿素水濃度を常時一定に保持できる。
【００３７】
請求項５の発明は、尿素水加熱用のヒータは還元剤貯蔵タンクの貯蔵容量を上回る状態では運転停止されるので、無駄な電力消費を防止できる。
【００３８】
請求項６の発明は、排気ガス温度が尿素水加水分解可能温度を下回ると還元剤供給管を介しＮＯｘ触媒上流の排気系に還元剤ガスを供給するので、たとえ低温時にあっても、還元剤ガスを受けたＮＯｘ触媒によりＮＯｘを選択還元でき、より広い運転域において、ＮＯｘ浄化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態としてのＮＯｘ浄化装置と同装置を装着するエンジンの概略構成図である。
【図２】図１のＮＯｘ浄化装置で用いる還元剤ガスバルブの作動説明図で（ａ）はオフ時、（ｂ）はオン時である。
【図３】図１の排気系ＥＣＵが用いるＮＯｘ浄化処理ルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
１ エンジン
２ 排気系
５ 排気系ＥＣＵ
１０ ＳＣＲ触媒（ＮＯｘ触媒）
１１ 第１還元剤供給手段
１２ 第２還元剤供給手段
１３ 尿素水供給管
１４ 還元剤供給管
１６ 尿素水タンク
１７ ヒータ
２３ 循環ポンプ
２５ 還元剤ガスバルブ
ｅ 尿素水液面上域
Ｒ 還元剤ガス循環
【発明の属する技術分野】
本発明は、内撚機関の排気ガス中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化装置、特に、排気系に設けた還元触媒の上流側に排気ガス還元剤を噴霧する装置を配した内燃機関のＮＯｘ浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内撚機関が排出する排気ガス中のＮＯｘはＮＯｘ浄化装置により浄化されているが、特に、ディーゼルエンジンで用いられるＮＯｘ浄化装置はその排気系にユリアＳＣＲ触媒（ＮＯｘ触媒）を置き、その上流側に還元剤供給手段を配備したものが知られている。この還元剤供給手段は排気系に尿素水（ユリア水）を供給し、そこに含まれた尿素が下記の式（１）のように加水分解及び熱分解して、ＮＨ３を放出する。
【０００３】
（ＮＨ２）２ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→２ＮＨ３＋ＣＯ２・・・・（１）
加水分解して発生したアンモニア（ＮＨ３）はＳＣＲ触媒（ＮＯｘ触媒）に還元剤として供給される。これによりＳＣＲ触媒が酸素過剰雰囲気下においてＮＯｘを浄化できるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の尿素水添加式のＮＯｘ浄化装置では、排気ガス温度が一定値以上であれば、蒸気となったユリア水が触媒上で、加水分解され、ＮＯｘの有効な還元剤であるアンモニア（ＮＨ３）が生成される。しかし、排気ガス温度が低温時にあると、式（１）のようなユリア水の加水分解によるアンモニア生成が十分に進行しない。
【０００５】
そればかりか、アンモニアが反応管や、ノズル部に析出し、反応副生成物であるシアヌル酸などが生成されるため、ユリアの噴霧が困難となる場合がある。還元剤が十分に供給されない状況下となると、ＳＣＲ触媒上でのＮＯｘ浄化は進まず、すべて環境に排出されてしまう。
このように、尿素水添加式のＮＯｘ浄化装置では排気温度が低い場合にもＮＯｘ浄化が可能なシステムは確立されていないのが現状である。
【０００６】
本発明は、以上のような課題に基づき、尿素水添加を行うＮＯｘ浄化装置における尿素水の加水分解域を拡大し、ＮＯｘ浄化装置によるＮＯｘ浄化をより広い温度範囲で可能とする内燃機関のＮＯｘ浄化装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、内燃機関の排気系に設けられ排気ガス中のＮＯｘを選択還元するＮＯｘ触媒と、上記ＮＯｘ触媒上流の上記排気系に尿素水供給管を介し尿素水を供給する第１還元剤供給手段と、上記ＮＯｘ触媒上流の上記排気系に還元剤供給管を介し還元剤ガスを供給する第２還元剤供給手段と、上記還元剤が所定比率で混入し、尿素水加熱用のヒータを備えた尿素水タンクと、上記尿素水タンクの尿素水液面上域の還元剤ガスを循環ポンプで循環させる還元剤ガス循環路と、上記還元剤ガス循環路の途中に配備され、上記還元剤供給管に適時に還元剤ガスを供給するよう切換え可能な還元剤ガスバルブと、を具備することを特徴とする。
【０００８】
このように、ＮＯｘ触媒上流の排気系に第１還元剤供給手段により尿素水を供給でき、第２還元剤供給手段により還元剤ガスを供給できるので、尿素水を加水分解できない運転域では尿素水に代えて、還元剤ガスを排気ガス中に供給し、たとえ低温時にあっても、還元剤ガスを受けたＮＯｘ触媒によりＮＯｘを選択還元でき、より広い運転域において、ＮＯｘ浄化が可能となる。
好ましくは、上記尿素水供給管は適時に上記尿素水タンクの尿素水を排気ガス中に供給するよう作動する開閉手段を設けてもよい。この場合、尿素水供給管からの尿素水を的確に給排できる。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１記載の内燃機関のＮＯｘ浄化装置において、上記還元剤ガス循環路は尿素水タンクの尿素水液面上域と連通可能な還元剤貯蔵タンクを備えることを特徴とする。
尿素水タンクで生成される還元剤ガスを還元剤貯蔵タンクに予め貯蔵することができ、第２還元剤供給手段の還元剤供給管を介し還元剤ガスを適時に排気ガス中に供給でき、たとえ低温時にあっても、還元剤ガスを受けたＮＯｘ触媒によりＮＯｘを選択還元でき、より広い運転域において、ＮＯｘ浄化が可能となる。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１記載の内燃機関のＮＯｘ浄化装置において、上記還元剤ガス循環路は上記循環ポンプの吐出側循環の下流端開口が上記尿素水タンクの尿素水液面下に位置することを特徴とする。
このように、循環ポンプの吐出側循環の下流端開口からの循環気体が尿素水タンクの尿素水液面下に吹出すので、尿素水より還元剤ガスを生成する機能が向上する。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項１記載の内燃機関のＮＯｘ浄化装置において、上記尿素水タンクは尿素水の濃度を検出する濃度センサと、高濃度尿素水タンクと、同高濃度尿素水タンクの高濃度尿素水を供給、停止可能な制御弁と、上記尿素水濃度情報に基き尿素水の濃度を所定値に保持するよう制御弁を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。
このように、高濃度尿素水タンクの高濃度尿素水を適時に尿素水タンクに供給でき、尿素水タンクの尿素水濃度を常時一定に保持できる。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項２記載の内燃機関のＮＯｘ浄化装置において、上記尿素水加熱用のヒータは上記還元剤貯蔵タンクの貯蔵容量に応じて駆動停止することを特徴とする。
このように、尿素水加熱用のヒータは還元剤貯蔵タンクの貯蔵容量を上回る状態では運転停止されるので、無駄な電力消費を防止できる。
【００１３】
請求項６の発明は、請求項１記載の内燃機関のＮＯｘ浄化装置において、上記排気ガス温度を検出する排気ガス温度センサと、上記還元剤ガスバルブの開閉制御手段を備え、同開閉制御手段は上記排気ガス温度が尿素水加水分解可能温度を下回ると上記還元剤供給管に還元剤ガスを流入するよう上記還元剤ガスバルブを切換えることを特徴とする。
このように、排気ガス温度が尿素水加水分解可能温度を下回ると還元剤供給管を介しＮＯｘ触媒上流の排気系に還元剤ガスを供給するので、たとえ低温時にあっても、還元剤ガスを受けたＮＯｘ触媒によりＮＯｘを選択還元でき、より広い運転域において、ＮＯｘ浄化が可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態としての内燃機関のＮＯｘ浄化装置を図１を参照して説明する。ここでの内燃機関のＮＯｘ浄化装置（以後単にＮＯｘ浄化装置と記す）は、図示しない車両に搭載された多気筒ディーゼルエンジン（以後単にエンジンと記す）１の排気系２に装着される。
エンジン１はエンジン制御手段としてのエンジンＥＣＵ３を備え、エンジン１の排気系にＮＯｘ浄化装置４が配備される。なお、エンジンＥＣＵ３と、ＮＯｘ浄化装置４の制御部を成す排気系ＥＣＵ５とは相互通信可能に連結される。
【００１５】
エンジン１より排気路Ｅに流出した排気は下流側のＮＯｘ触媒コンバータ６を装備する排気管７を通過し、図示しないマフラーを介して大気放出される。
ＮＯｘ触媒コンバータ６はケーシング８内に図示しないハニカム構造のセラミック製触媒担体９を備え、同担体にＮＯｘ触媒であるＳＣＲ触媒１０として機能するための触媒金属（例えばバナジウム）が担持される。なお、ＳＣＲ触媒１０を担持したセラミック製触媒担体９に代えて、触媒をそのまま固めてハニカム状に成形したものでもよい。
ＳＣＲ触媒１０は後述する第１、第２還元剤供給手段１１、１２からの還元剤であるアンモニア（ＮＨ３）を吸着して排気ガス中のＮＯｘを選択還元可能である。ここでＳＣＲ触媒１０はアンモニア吸着状態において、下記の式（２）、（３）の反応を主に行い、ＮＨ３と窒素酸化物との間の脱硝反応を促進することができる。
【００１６】
４ＮＨ３＋４ＮＯ＋Ｏ２→４Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ・・・・（２）
２ＮＨ３＋ＮＯ＋ＮＯ２→２Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ・・・・・（３）
排気管７の排気路Ｅ中で、ＮＯｘ触媒であるＳＣＲ触媒１０上流のａ位置に尿素水供給管１３のノズル１３１を介し尿素水を供給する第１還元剤供給手段１１と、そのａ位置のさらに上流側のｂ位置に還元剤供給管１４を介し還元剤ガスを供給する第２還元剤供給手段１２が接続される。なお、第２還元剤供給手段１２を第１還元剤１１の下流側に配置しても良い。
【００１７】
第１還元剤供給手段１１の尿素水供給管１３は尿素水ポンプ１５を介し尿素水タンク１６に連結される。ここで尿素水ポンプ１５はその非作動時に尿素水供給を停止し、作動時に排気ガス中に尿素水供給を行うよう作動する開閉手段を構成する。なお、尿素水ポンプ１５はそのモータ１５１が排気系ＥＣＵ５に接続されている。
【００１８】
尿素水タンク１６は密封容器であり、内部に所定濃度の尿素水を貯蔵する。尿素水タンク１６はその容器本体１６１の回りをヒータ１７と図示しない断熱シートで覆われ、ヒータ１７により尿素水を加熱可能に形成される。ヒータ１７は排気系ＥＣＵ５により適時に駆動可能に構成される。尿素水タンク１６はその容器本体１６１の下側側部に尿素水供給管１３を連結し、上方側部に吸入パイプ１８の端部を接続し、しかも、上側壁に排出管２０と高濃度尿素水タンク１９からの供給パイプ２１を接続する。
【００１９】
高濃度尿素水タンク１９は尿素水タンク１６より上方位置に配設され、供給パイプ２１に設けられ高濃度尿素水を供給、停止可能な制御弁である開閉電磁弁２２のオン時に高濃度の尿素水を自重によって尿素水タンク１６に供給できる。開閉電磁弁２２は制御手段としての排気系ＥＣＵ５に駆動される。
尿素水タンク１６は尿素水液面ｆの上域ｅに充満する還元剤ガスを吸入パイプ１８の先端側の循環ポンプ２３で吸入し、循環ポンプ２３が吐き出す還元剤ガスを排出管２０上の還元剤貯蔵タンク２４、還元剤ガスバルブ２５を経て尿素水タンク１６の尿素水液面ｆの下部に吐き出すように形成される。
【００２０】
即ち、循環ポンプ２３の吐出側の排出管２０の下流端開口ｍが尿素水タンクの尿素水液面ｆの下部に位置するので、排出管２０に沿って流動してくる還元剤ガスが、尿素水液面ｆ下に吹出されることで、尿素水より還元剤ガスを生成する機能が向上する。
【００２１】
還元剤貯蔵タンク２４は所定容量の密封容器であり、排出管２０に沿って流動してきた還元剤ガスを吸着する周知の吸着剤が収容され、吸着剤により還元剤ガスであるアンモニアガスを貯蔵できる。なお、吸着剤はアンモニアの貯蔵量に限界があり、限界以上のアンモニアは、排出管２０に沿って尿素水タンク１６に戻される。このことより、この還元剤貯蔵タンク２４のアンモニアガスが最大貯蔵量に達するに要する循環ポンプ２３の連続駆動時間が予め設定される。この連続駆動時間を上回る循環ポンプ２３の駆動は電力消費の無駄であり、循環ポンプ２３の駆動は連続駆動時間を限界として停止されることとなる。
なお、還元剤貯蔵タンク２４の本体２４１の外周部分はヒータ２６及び図示しない断熱材で覆われている。
【００２２】
還元剤ガスバルブ２５は図２に示すように４方切換え弁であり、排気系ＥＣＵ５に切換え駆動される。この弁はオフ時において、図２（ａ）に示すように排出管２０の流入、流出ポートｇ１，ｇ２を連通させると共に、大気側ポートｇ３及び還元剤供給管１４側の添加ポートｇ４を遮断する。オン時には、図２（ｂ）に示すように大気側ポートｇ３と流出ポートｇ２を連通すると共に流入ポートｇ１と還元剤供給管１４側の添加ポートｇ４を連通させる。
大気側ポートｇ３は逆支弁付きのクリーナ２７を介し大気解放され、これにより排出管２０、尿素水タンク１６側の負圧化を防止している。
【００２３】
ここで、尿素水タンク１６、吸入パイプ１８、循環ポンプ２３、還元剤貯蔵タンク２４、排出管２０により尿素水タンク１６の尿素水液面ｆの上域ｅの還元剤ガスを循環させる還元剤ガス循環路Ｒが構成される。
尿素水タンク１６の低部には尿素水の濃度を検出する濃度センサ２８が装着され、これにより、尿素水の濃度情報を排気系ＥＣＵ５に出力している。
【００２４】
排気系ＥＣＵ５はその入出力回路に多数のポートを有し、尿素水の濃度Ｄを検出する濃度センサ２８と排気管７に装着され、排気路Ｅの排気ガス温度Ｔｇを出力する排気ガス温度センサ２９の検出信号を入力でき、その上で、ヒータ１７、２４、尿素水ポンプ１５、循環ポンプ２３、還元剤ガスバルブ２５、及び、開閉電磁弁２２を駆動制御する制御手段として機能する。
次に、図１のＮＯｘ浄化装置のＮＯｘ浄化制御処理を、図３のＮＯｘ浄化処理ルーチンに沿って説明する。
【００２５】
ＮＯｘ浄化装置を搭載した図示しない車両のエンジン１の駆動時において、排気系ＥＣＵ５は、エンジンキーのオンと同時に図３のＮＯｘ浄化処理ルーチンを所定制御サイクル毎に繰り返す。ここではステップｓ１でキーオンを確認し、ステップｓ２に達すると、排気ガス温度（触媒温度）Ｔｇ、尿素水濃度Ｄ、その他のデータを取込み、適正値か否かの判断をし、正常でないと図示しない故障表示灯を駆動し、正常ではステップｓ３に進む。
ステップｓ３では排気ガス温度Ｔｇが尿素水加水分解可能温度Ｔαを下回るか否か判断し、下回るとステップｓ７に、尿素水加水分解可能温度Ｔα以上ではステップｓ４に進む。
【００２６】
尿素水加水分解可能温度Ｔα以上でステップｓ４に達すると、ここでは尿素水ポンプ１５を駆動して第１還元剤供給手段１１の尿素水供給管１３より排気路Ｅに尿素水を供給する。この場合、排気ガス温度Ｔｇが比較的高く、上述の式（１）の加水分解反応が速やかに達成され、還元剤ガスであるアンモニア（ＮＨ３）が容易に生成され、これによりＳＣＲ触媒１０はアンモニア（ＮＨ３）を吸着して上述の式（２）又は（３）での反応を行い、排気ガス中のＮＯｘを容易に選択還元できる。
【００２７】
この後、ステップｓ５に達すると、ここでは還元剤ガスバルブ２５をオフ、循環ポンプ２３をオンする。この状態はタイマーで連続駆動時間ＴＩＭＥαのカウントが成され、その上で停止処理される。この処理で、還元剤貯蔵タンク２４には確実にアンモニアが最大容量の状態で貯蔵され、循環ポンプ２３が無駄に駆動されることを排除でき、還元剤貯蔵タンク２４のアンモニアガスは使用待機状態に保持される。
【００２８】
次いで、ステップｓ９、ｓ１０に達すると、ここでは尿素水の濃度Ｄを取り込み、これが所定の濃度値Ｄβ未満である過否か判断し、未満では開閉電磁弁２２を一定時間駆動して一定量の高濃度尿素水を尿素水タンク１６に補充し、以上ではそのままステップｓ２に戻る。
【００２９】
このように、ステップｓ９、ｓ１０の処理によって、図１のＮＯｘ浄化装置は、高濃度尿素水タンク１９の高濃度尿素水を適時に尿素水タンクに供給でき、尿素水タンクの尿素水濃度を常時一定に保持できる。なお、図示しない水タンクから水の量を調整して尿素水タンク１６に供給し，尿素水濃度を一定に保持するようにしてもよく、図示しない水タンクと高濃度尿素水タンク１９との両方の量を調整してもよい。
【００３０】
ステップｓ３で排気ガス温度Ｔｇが尿素水加水分解可能温度Ｔαを下回るとしてステップｓ７に達する。ここではヒータ１７、２４を共に駆動し、尿素水タンク１６と還元剤貯蔵タンク２４の加熱を促進させ、還元剤ガスであるアンモニアの発生を促進させる。次いで、ステップｓ８では、還元剤ガスバルブ２５をオンして還元剤貯蔵タンク２４のアンモニアガスを還元剤供給管１４より排気路Ｅに供給する。この場合、排気ガス温度が低いが、還元剤ガスであるアンモニア（ＮＨ３）が直接ＳＣＲ触媒１０に供給され、ＳＣＲ触媒１０がアンモニア（ＮＨ３）を吸着して上述の式（３）での反応を行い、低温でも、排気ガス中のＮＯｘを選択還元できる。
【００３１】
この時、同時に、循環ポンプ２３をオンし、還元剤ガス循環路Ｒに還元剤ガスを循環させ、尿素水タンク１６の液面ｆ下に還元剤ガスを供給して、還元剤ガスの発生を促進させることができ、アンモニアガスを還元剤供給管１４より排気路Ｅに安定して供給することができる。
この後、ステップｓ８よりステップｓ９に達し、上述と同様に尿素水の濃度Ｄを取り込み、これが所定の濃度値Ｄβ未満では開閉電磁弁２２を一定時間駆動して一定量の高濃度尿素水を尿素水タンク１６に補充し、濃度低下を抑制し、ステップｓ２に戻る。
【００３２】
このように、図１のＮＯｘ浄化装置はＳＣＲ触媒１０上流の排気系に第１還元剤供給手段１１により尿素水を供給でき、第２還元剤供給手段１２により還元剤ガスを供給できるので、尿素水を加水分解できない運転域では尿素水に代えて、還元剤ガスを排気ガス中に供給し、たとえ低温時にあっても、還元剤ガスを受けたＮＯｘ触媒によりＮＯｘを選択還元でき、より広い運転域において、ＮＯｘ浄化が可能となる。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、ＮＯｘ触媒上流の排気系に第１還元剤供給手段により尿素水を供給でき、第２還元剤供給手段により還元剤ガスを供給できるので、尿素水を加水分解できない排気ガスが低温度の運転域では尿素水に代えて、還元剤ガスを排気ガス中に供給し、たとえ低温時にあっても、還元剤ガスを受けたＮＯｘ触媒によりＮＯｘを選択還元でき、より広い運転域において、ＮＯｘ浄化が可能となる。
【００３４】
請求項２の発明は、尿素水タンクで生成される還元剤ガスを還元剤貯蔵タンクに予め貯蔵することができ、第２還元剤供給手段の還元剤供給管を介し還元剤ガスを適時に排気ガス中に供給でき、たとえ低温時にあっても、還元剤ガスを受けたＮＯｘ触媒によりＮＯｘを選択還元でき、より広い運転域において、ＮＯｘ浄化が可能となる。
【００３５】
請求項３の発明は、循環ポンプの吐出側循環の下流端開口からの循環気体が尿素水タンクの尿素水液面下に吹出すので、尿素水より還元剤ガスを生成する機能が向上する。
【００３６】
請求項４の発明は、高濃度尿素水タンクの高濃度尿素水を適時に尿素水タンクに供給でき、尿素水タンクの尿素水濃度を常時一定に保持できる。
【００３７】
請求項５の発明は、尿素水加熱用のヒータは還元剤貯蔵タンクの貯蔵容量を上回る状態では運転停止されるので、無駄な電力消費を防止できる。
【００３８】
請求項６の発明は、排気ガス温度が尿素水加水分解可能温度を下回ると還元剤供給管を介しＮＯｘ触媒上流の排気系に還元剤ガスを供給するので、たとえ低温時にあっても、還元剤ガスを受けたＮＯｘ触媒によりＮＯｘを選択還元でき、より広い運転域において、ＮＯｘ浄化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態としてのＮＯｘ浄化装置と同装置を装着するエンジンの概略構成図である。
【図２】図１のＮＯｘ浄化装置で用いる還元剤ガスバルブの作動説明図で（ａ）はオフ時、（ｂ）はオン時である。
【図３】図１の排気系ＥＣＵが用いるＮＯｘ浄化処理ルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
１ エンジン
２ 排気系
５ 排気系ＥＣＵ
１０ ＳＣＲ触媒（ＮＯｘ触媒）
１１ 第１還元剤供給手段
１２ 第２還元剤供給手段
１３ 尿素水供給管
１４ 還元剤供給管
１６ 尿素水タンク
１７ ヒータ
２３ 循環ポンプ
２５ 還元剤ガスバルブ
ｅ 尿素水液面上域
Ｒ 還元剤ガス循環
Claims (6)
- 内燃機関の排気系に設けられ排気ガス中のＮＯｘを選択還元するＮＯｘ触媒と、
上記ＮＯｘ触媒上流の上記排気系に尿素水供給管を介し尿素水を供給する第１還元剤供給手段と、
上記ＮＯｘ触媒上流の上記排気系に還元剤供給管を介し還元剤ガスを供給する第２還元剤供給手段と、
上記還元剤が所定比率で混入し、尿素水加熱用のヒータを備えた尿素水タンクと、
上記尿素水タンクの尿素水液面上域の還元剤ガスを循環ポンプで循環させる還元剤ガス循環路と、
上記還元剤ガス循環路の途中に配備され、上記還元剤供給管に適時に還元剤ガスを供給するよう切換え可能な還元剤ガスバルブと、を具備する内燃機関のＮＯｘ浄化装置。 - 請求項１記載の内燃機関のＮＯｘ浄化装置において、
上記還元剤ガス循環路は尿素水タンクの尿素水液面上域と連通可能な還元剤貯蔵タンクを備えることを特徴とする内燃機関のＮＯｘ浄化装置。 - 請求項１記載の内燃機関のＮＯｘ浄化装置において、
上記還元剤ガス循環路は上記循環ポンプの吐出側循環の下流端開口が上記尿素水タンクの尿素水液面下に位置することを特徴とする内燃機関のＮＯｘ浄化装置。 - 請求項１記載の内燃機関のＮＯｘ浄化装置において、
上記尿素水タンクは尿素水の濃度を検出する濃度センサと、高濃度尿素水タンクと、同高濃度尿素水タンクの高濃度尿素水を供給、停止可能な制御弁と、上記尿素水濃度情報に基き尿素水の濃度を所定値に保持するよう制御弁を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関のＮＯｘ浄化装置。 - 請求項２記載の内燃機関のＮＯｘ浄化装置において、
上記尿素水加熱用のヒータは上記還元剤貯蔵タンクの貯蔵容量に応じて駆動停止することを特徴とする内燃機関のＮＯｘ浄化装置。 - 請求項１記載の内燃機関のＮＯｘ浄化装置において、
上記排気ガス温度を検出する排気ガス温度センサと、上記還元剤ガスバルブの開閉制御手段を備え、
同開閉制御手段は上記排気ガス温度が尿素水加水分解可能温度を下回ると上記還元剤供給管に還元剤ガスを流入するよう上記還元剤ガスバルブを切換えることを特徴とする内燃機関のＮＯｘ浄化装置。
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