JP2005273503A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 尿素水溶液噴射弁の目詰まりを防止する。
【解決手段】 機関排気通路内にＮＯ_X選択還元触媒２２を配置し、ＮＯ_X選択還元触媒２２上流の機関排気通路内に尿素水溶液の噴射弁３０を配置する。噴射弁先端部３１に付着した尿素水溶液中の尿素がビウレットに変質する際の変質割合の変化を追跡し、この変質割合が変質割合許容値を越えたときに尿素水溶液を噴射して付着堆積したビウレットを溶解除去する。
【選択図】 図１

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

排気ガス中のＮＯ_Xをアンモニアにより還元するのに適した触媒を機関排気通路内に配置し、触媒上流の機関排気通路内に尿素水溶液を供給すれば尿素水溶液から発生するアンモニアによって排気ガス中のＮＯ_Xを還元させることができる。そこで、触媒上流の機関排気通路内に尿素水溶液の噴射弁を配置し、加圧空気を貯えている高圧エアタンクを具備し、高圧エアタンクから噴射弁に至る高圧エア供給管内に尿素水溶液を供給し、この尿素水溶液を高圧エアと共に噴射弁から機関排気通路内に噴射するようにした内燃機関が公知である（特許文献１参照）。

ところがこの内燃機関では、高圧エア供給管内への尿素水溶液の供給が中断されると尿素水溶液が高圧エア供給管の内壁面に付着し続ける。このように尿素水溶液が付着し続けると尿素水溶液中の尿素が分子量の大きいビウレットに変質し、このビウレットは固形物の形で高圧エア供給管の内壁面に付着する。その結果、高圧エア供給管の断面積が次第に狭まり、場合によっては高圧エア供給管が目詰まりを生ずることになる。

ところでビウレットからなる固形物は少量であれば尿素水溶液に溶解し、従って固形物が少量であるときには尿素水溶液を高圧エア供給管内に供給するとこの尿素水溶液によって固形物を溶解除去することができる。そこでこの内燃機関では高圧エア供給管内にエア圧センサ又はエア流量センサを配置し、固形物が付着してエア圧が高くなるか、又はエア流量が少くなったときには噴射弁から尿素水溶液を噴射してこの尿素水溶液によりビウレットからなる固形物を溶解除去するようにしている。
特開２００３−２６９１４５号公報

しかしながら実際問題として少量の固形物が付着したか否かをエア圧センサやエア流量センサにより検出するのは困難である。

そこで本発明では、酸素過剰のもとでアンモニアにより排気ガス中のＮＯ_Xを還元するのに適した触媒を機関排気通路内に配置し、触媒上流の機関排気通路内に尿素水溶液の噴射弁を配置し、噴口の形成された噴射弁先端部の温度を推定又は検出するための温度検出手段を具備し、噴射弁先端部に付着した尿素水溶液中の尿素が変質する変質割合は噴射弁先端部の温度に依存しており、温度検出手段により推定又は検出された噴射弁先端部の温度に基づいて変質割合の変化を追跡し、この変質割合が変質割合許容値を越えたときに噴射弁先端部に付着している尿素変質物を除去するようにしている。

噴射弁先端部に付着している尿素変質物を確実に除去することができる。

図１は本発明を圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。なお、本発明はガソリン機関にも適用することができる。
図１を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は電気制御式燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートを夫々示す。吸気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３およびエアフロメータ１４を介してエアクリーナ１５に連結される。吸気ダクト１３内にはステップモータ１６により駆動されるスロットル弁１７が配置される。

一方、排気ポート１０は排気マニホルド１８を介して触媒１９を内蔵した第１の触媒コンバータ２０の入口部に連結され、第１の触媒コンバータ２０の出口部は排気管２１を介して触媒２２を内蔵した第２の触媒コンバータ２３に連結される。図１に示される実施例では触媒１９は酸化機能を有する触媒、例えば酸化触媒又は三元触媒からなり、触媒２２は酸素過剰のもとでアンモニアにより排気ガス中のＮＯ_Xを還元するのに適したＮＯ_X選択還元触媒からなる。

排気マニホルド１８とサージタンク１２とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路２４を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２４内には電気制御式ＥＧＲ制御弁２５が配置される。各燃料噴射弁６は燃料供給管２６を介してコモンレール２７に連結される。このコモンレール２７内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２８から燃料が供給され、コモンレール２７内に供給された燃料は各燃料供給管２６を介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール２７にはコモンレール２７内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ２９が取付けられ、燃料圧センサ２９の出力信号に基づいてコモンレール２７内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ２８の吐出量が制御される。

一方、ＮＯ_X選択還元触媒２２上流の排気管２１内には尿素水溶液を噴射するための電気制御式噴射弁３０が配置される。排気管２１内に露呈する噴射弁３０の先端部３１には排気管２１内に向けて尿素水溶液が噴出する噴口（図示せず）が形成されている。尿素水溶液はタンク３２内に貯えられており、タンク３２内に貯えられている尿素水溶液は供給導管３３、供給ポンプ３４および噴射弁３０を介して排気管２１内に噴射される。

電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５および出力ポート４６を具備する。エアフローメータ１４は吸入空気量に比例した出力電圧を発生し、この出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。また、燃料圧センサ２９の出力信号は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。一方、本発明では噴射弁先端部３１の温度を推定又は検出するための温度検出手段が設けられている。この温度検出手段としては噴射弁先端部３１の温度を検出しうる温度センサを用いることができる。図１に示される実施例では温度検出手段として、排気管２１内を流れる排気ガスの温度を検出しうる温度センサ３５が用いられており、この温度センサ３５によって噴射弁先端部３１の温度が推定される。この温度センサ３５の出力信号は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。

アクセルペダル５０にはアクセルペダル５０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ５１が接続され、負荷センサ５１の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。更に入力ポート４５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５２が接続される。一方、出力ポート４６は対応する駆動回路４８を介して燃料噴射弁６、ステップモータ１６、ＥＧＲ制御弁２５、燃料ポンプ２８、ポンプ３４および噴射弁３０に接続される。

さて、前述したように触媒２２はＮＯ_X選択還元触媒からなり、図１に示す実施例ではこのＮＯ_X選択還元触媒としてチタニアを担体とし、この担体上に酸化バナジウムを担持した触媒Ｖ₂Ｏ₅／ＴｉＯ₂（以下、バナジウム・チタニア触媒という）、又はゼオライトを担体とし、この担体上に銅を担持した触媒Ｃｕ／ＺＳＭ５（以下、銅ゼオライト触媒という）が用いられている。なお、触媒２２としてはバナジウム・チタニア触媒および銅ゼオライト触媒よりも低温において活性を有するＮＯ_X選択還元触媒、例えばチタニア、アルミナ或いはシリカを担体とし、この担体上に白金、ロジウム等の貴金属を担持した触媒を用いることもできる。

触媒２２は触媒２２により定まる活性化温度、例えばほぼ２５０℃において活性化し、触媒２２が活性化したときに噴射弁３０から尿素水溶液を噴射すると排気ガス中に含まれるＮＯは触媒２２上において尿素ＣＯ（ＮＨ₂）₂から発生するアンモニアＮＨ₃により還元される（例えば２ＮＨ₃＋２ＮＯ＋１／２Ｏ₂→２Ｎ₂＋３Ｈ₂Ｏ）。従って本発明による実施例では触媒２２が活性化しているときに噴射弁３０から尿素水溶液が噴射される。この場合、排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを還元して排気ガス中のＮＯ_Xを完全に除去するためには一定量の尿素が必要であり、以下、排気ガス中のＮＯ_Xを還元し完全に除去するために必要な尿素量を、尿素／ＮＯ_Xの当量比が１の尿素量という。なお、尿素／ＮＯ_Xの当量比が１であることを以下単に当量比＝１という。

図２は燃焼室５から排出される排出ＮＯ_X量と噴射弁３０の開弁信号との関係を示している。なお、この開弁信号はパルス信号である。この開弁信号は当量比＝１となるように、即ち排出ＮＯ_X量が増大すれば尿素水溶液の噴射量が増大するように制御される。例えば図２において開弁信号Ｉに示すように排出ＮＯ_X量が増大すると開弁信号のパルス巾が増大せしめられ、或いは開弁信号IIに示すように排出ＮＯ_X量が増大すると開弁信号のパルスの大きさが増大せしめられる。

ところで尿素は或る一定温度以上であると時間が経過するにつれて次第に分子量の大きなビウレットに変質する。このビウレット、即ち尿素変質物は固体であるが生成量が少量のときには尿素水溶液に溶解する。噴射弁３０から尿素水溶液が噴射されているときには尿素水溶液が噴射弁３０の噴口に付着滞留することがないので噴射弁３０の噴口にビウレットが堆積することがなく、たとえ噴射弁３０の噴口に少量のビウレットが付着したとしてもこのビウレットは噴口から噴射される尿素水溶液により溶解除去される。従って噴射弁３０からの尿素水溶液の噴射作用が行われている間は噴射弁３０の噴口にビウレットが堆積することはない。

これに対して尿素水溶液の噴射作用が停止されると噴射弁３０の噴口に付着している尿素水溶液が少しずつ徐々にビウレットに変質していく。図３の実線Ｚは尿素水溶液を噴射することによってビウレット、即ち尿素変質物を溶解除去しうる限界値を表わしており、図３のハッチングを付した領域は尿素水溶液を噴射しても付着したビウレット、即ち尿素変質物を溶解除去しえない領域を示している。図３に示されるようにこの限界値Ｚは噴口の形成されている噴射弁先端部３１の温度Ｔｎと、尿素水溶液の噴射作用が停止してからの経過時間、即ち尿素水溶液が付着してからの経過時間ｔの関数となる。

図３から、噴射弁先端部３１の温度Ｔｎが１４６℃から１４７℃よりも高いときにビウレットが生成され、噴射弁先端部３１の温度Ｔｎが１４６℃から１４７℃よりも低いときにはビウレットが生成されないことがわかる。また、噴射弁先端部３１の温度Ｔｎが１４６℃から１４７℃よりも高いときには噴射弁先端部３１の温度Ｔｎに依存した変質速度でもって尿素水溶液中の尿素がビウレットに変質していき、従って尿素からビウレットへの変質割合も噴射弁先端部３１の温度Ｔｎに依存していることがわかる。

限界値Ｚは尿素からビウレットへの変質割合が５パーセントから１０パーセントの間であり、この程度の変質割合のときには尿素水溶液を噴射することによりビウレットを溶解除去することができる。尿素からビウレットへの変質割合が５パーセントから１０パーセントを越えて図３のハッチングで示す領域になるとビウレットが次第に堆積し、終いには噴射弁３０の噴口が目詰まりを生ずることになる。従って本発明では尿素からビウレットへの変質割合が限界値Ｚに達する前に、例えば噴射弁３０から尿素水溶液を噴射することによってビウレットを溶解除去するようにしている。

ところで図３からわかるように噴射弁先端部３１の温度Ｔｎが高くなるほど限界値Ｚに達するまでの経過時間ｔｋは短かくなり、従って経過時間ｔが同一であっても変質割合は噴射弁先端部３１の温度Ｔｎが高くなるほど大きくなる。即ち、変質割合を求めるには変質割合の変化を追跡する必要がある。そこで本発明では、噴射弁先端部３１の温度Ｔｎに基づいて変質割合の変化を追跡し、この変質割合が限界値Ｚよりも小さな値である変質割合許容値を越えたときに例えば尿素水溶液を噴射して噴射弁先端部３１に付着している尿素変質物を除去するようにしている。

具体的には本発明による実施例では、図３において例えばＴｎ＝１６０℃であるとすると、変質割合の限界値Ｚに達するまでの経過時間はｔｋとなる。一方、Ｔｎ＝１６０℃において時間Δｔが経過するとこのときの限界値Ｚに対する割合はΔｔ／ｔｋとなる。この割合Δｔ／ｔｋは変質割合がどの程度限界値Ｚに近づいたかを表わしている。

即ち、本発明による実施例では、同一の噴射弁先端部温度において変質割合の限界値Ｚに達するまでの経過時間ｔｋに対する経過時間Δｔの時間比Δｔ／ｔｋを求めてこの時間比Δｔ／ｔｋが積算され、この積算値が積算値許容値を越えたときに例えば尿素水溶液を噴射して噴射弁先端部３１に付着している尿素変質物を除去するようにしている。

図４は噴射弁３０の噴口の目詰まり回避制御を示しており、図５は目詰まり回避制御のタイムチャートを示している。
図４を参照するとまず初めにステップ１００において尿素水溶液の噴射条件が成立しているか否かが判別される。例えば触媒２２の温度Ｔｃが活性化温度Ｔｏを越えたとき、或いはＮＯ_X排出量の多い加速運転時に尿素水溶液の噴射条件が成立したと判断される。なお、以下、触媒２２の温度Ｔｃが活性化温度Ｔｏを越えたときに尿素水溶液の噴射作用を開始し、触媒２２の温度Ｔｃが活性化温度Ｔｏ以下になったときに尿素水溶液の噴射作用を停止するようにした場合を例にとって説明する。

ステップ１００において尿素水溶液の噴射条件が成立していると判断されると、例えば触媒２２の温度Ｔｃが活性化温度Ｔｏを越えるとステップ１０１に進んで尿素水溶液の噴射処理が行われる。即ち、図５に示されるようにＴｃ＞Ｔｏのときには噴射弁３０にパルス状の開弁信号が供給され、それによって噴射弁３０から尿素水溶液が供給される。このとき図５に示されるようにビウレットは生成されない。

一方、図４のステップ１００において尿素水溶液の噴射条件が成立していないと判断されると、例えば触媒２２の温度Ｔｃが活性化温度Ｔｏ以下になるとステップ１０２に進んで噴射弁３０の噴口の目詰まり回避処理を行うべきであることを示す回避処理フラグがセットされているか否かが判別される。回避処理フラグがセットされていないときにはステップ１０３に進んで尿素水溶液の噴射条件が成立から不成立に切換ったか否か、即ち尿素水溶液が噴射されている状態（Ｔｃ＞Ｔｏ）から尿素水溶液の噴射が停止された状態（Ｔｃ≦Ｔｏ）に変化したか否かが判別される。尿素水溶液の噴射が停止された状態に変化したときにはステップ１０４に進んで回避処理フラグがセットされる。

回避処理フラグがセットされるとステップ１０２からステップ１０５に進んで噴射弁先端部３１の温度Ｔｎが推定又は検出される。次いでステップ１０６では図３に示す関係から噴射弁先端部３１の温度がＴｎのときに限界値Ｚに達するまでに要する経過時間ｔｋが算出される。次いでステップ１０７では前回の割込みが行われてから今回の割込みが行われるまでの経過時間Δｔが算出される。次いでステップ１０８では時間比Δｔ／ｔｋが積算される。即ち、Ｔｃ＞ＴｏからＴｃ≦Ｔｏになると図５に示されるようにビウレットの生成量が徐々に増大し、時間比Δｔ／ｔｋの積算値ΣΔｔ／ｔが徐々に増大する。

次いで図４のステップ１０９において時間比の積算値ΣΔｔ／ｔが予め定められた積算値許容値Ｘｏ、例えば変質割合が限界値Ｚの５０パーセントに達したか否かが判別され、ΣΔｔ／ｔ＞Ｘｏのとき、即ち変質割合が限界値Ｚの５０パーセントになったときにはステップ１１０に進んで詰まり回避処理が行われる。本発明による実施例ではこの詰まり回避処理は、図５に示されるように噴射弁３０に予め定められた時間に亘ってパルス状の開弁信号を供給することからなる。即ち、本発明による実施例では、噴射弁先端部３１に付着している尿素変質物を除去するために噴射弁３０から尿素水溶液が間欠的に予め定められた時間だけ噴射される。次いでステップ１１１ではΣΔｔ／ｔがクリアされ、回避処理フラグがリセットされる。

図６に別の実施例を示す。図６を参照するとこの実施例では尿素水溶液の供給ポンプ３４から噴射弁３０に至る尿素水溶液の供給導管３３内に流路切換弁６０が配置され、エアポンプ６１がこの流路切換弁６０を介して供給導管３３に連結される。この流路切換弁６０は供給ポンプ３４又はエアポンプ６１のいずれか一方を選択的に噴射弁３０に接続する機能を有する。

図７は一例として触媒２２が活性化しているときに尿素水溶液を噴射するようにした場合を示している。図７に示されるように尿素水溶液の噴射が停止してビウレットの生成量が増大し、時間比Δｔ／ｔｋの積算値ΣΔｔ／ｔが許容値Ｘｏを越えると流路切換弁６０が切換えられ、エアポンプ６１から吐出した高圧のエアが噴射弁３０から間欠的に噴射される。このとき噴射弁３０の噴口に付着堆積しているビウレットの固形物はエアによって吹き飛ばされる。

なお、噴射弁３０の先端部３１に超音波振動を与え、この超音波振動によりビウレットの固形物を除去することもできる。

内燃機関の全体図である。 排出ＮＯ_X量と噴射弁の開弁信号を示す図である。 尿素水溶液によってビウレットを溶解除去しうる限界値を示す図である。 噴射弁の噴口の詰まり回避制御を行うためのフローチャートである。 詰まり回避制御のタイムチャートである。 内燃機関の別の実施例を示す図である。 詰まり回避制御の別の実施例を示すタイムチャートである。

符号の説明

１９，２２…触媒
３０…噴射弁
３１…噴射弁先端部

Claims (9)

1. 酸素過剰のもとでアンモニアにより排気ガス中のＮＯ_Xを還元するのに適した触媒を機関排気通路内に配置し、該触媒上流の機関排気通路内に尿素水溶液の噴射弁を配置し、噴口の形成された噴射弁先端部の温度を推定又は検出するための温度検出手段を具備し、噴射弁先端部に付着した尿素水溶液中の尿素が変質する変質割合は噴射弁先端部の温度に依存しており、上記温度検出手段により推定又は検出された噴射弁先端部の温度に基づいて該変質割合の変化を追跡し、該変質割合が変質割合許容値を越えたときに噴射弁先端部に付着している尿素変質物を除去するようにした内燃機関の排気浄化装置。
2. 噴射弁から尿素水溶液を噴射すると噴射弁先端部に付着している尿素変質物が噴射された尿素水溶液により溶解除去される変質割合の限界値が、噴射弁先端部の温度と、尿素水溶液が噴射弁先端部に付着してからの経過時間と関数の形で予め求められている請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 同一の噴射弁先端部温度において上記限界値に達するまでの経過時間に対する経過時間の時間比を求めてこの時間比を積算し、該積算値が積算値許容値を越えたときに噴射弁先端部に付着している尿素変質物を除去するようにした請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 上記変質割合の許容値は上記変質割合の限界値よりも小さな値に設定されている請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 上記変質割合の変化の追跡は、噴射弁からの尿素水溶液の供給が停止されたときに開始される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 噴射弁先端部に付着している尿素変質物は噴射弁から尿素水溶液を噴射することによって除去される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 噴射弁先端部に付着している尿素変質物を除去する際には噴射弁から尿素水溶液が間欠的に予め定められた時間だけ噴射される請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 噴射弁先端部に付着している尿素変質物は噴射弁から空気を噴射することによって除去される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
9. 噴射弁先端部に付着している尿素変質物を除去する際には噴射弁から空気が間欠的に予め定められた時間だけ噴射される請求項８に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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