JP2006017043A

JP2006017043A - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP2006017043A
Application number: JP2004196473A
Authority: JP
Inventors: Masanobu Hirata; 公信平田
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2004-07-02
Filing date: 2004-07-02
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2024-07-02
Also published as: WO2006003868A1; JP4290081B2

Abstract

【課題】還元剤成分の析出を防止しつつ、その有効利用を図る。
【解決手段】エンジン１０の排気管１４に配設され、尿素水溶液などの液体還元剤によりＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ還元触媒２０と、ＮＯｘ還元触媒２０の排気上流に位置する排気管１４の下部に配設されたホットプレート２８と、ホットプレート２８に内蔵された電熱ヒータと、ホットプレート２８の上面に液体還元剤を滴下又は噴射により供給する供給ノズル１８と、ホットプレート２８のプレート温度が少なくとも還元剤成分の融点以上になるように電熱ヒータを制御するコントロールユニット２４と、を含んで排気浄化装置を構成する。そして、ホットプレート２８の上面に供給された液体還元剤を積極的に気化及び加水分解させることで、還元剤成分の析出を防止しつつ、その有効利用を図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体還元剤を用いて排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元浄化する排気浄化装置において、還元剤成分の析出を防止しつつ、その有効利用を図る技術に関する。

エンジン排気に含まれるＮＯｘを除去する触媒浄化システムとして、特開２０００−２７６２７号公報（特許文献１）に開示された排気浄化装置が提案されている。かかる排気浄化装置は、エンジン排気管に配設された還元触媒の排気上流に、エンジン運転状態に応じた必要量の液体還元剤を噴射供給することで、排気中のＮＯｘと液体還元剤とを触媒還元反応させて、ＮＯｘを無害成分に浄化処理するものである。ここで、還元反応は、ＮＯｘと反応性が良好なアンモニアを用いるもので、液体還元剤としては、排気熱及び排気中の水蒸気により加水分解してアンモニアを発生する尿素水溶液が用いられる。
特開２０００−２７６２７号公報

ところで、還元触媒の排気上流に噴射供給された尿素水溶液の一部は、排気管の内壁に付着することが知られている。排気熱により排気管が高温となっているため、その内壁に付着した尿素水溶液から水分が蒸発し、還元剤成分としての尿素が析出されてしまうことがある。エンジン負荷が高ければ、排気温度の上昇に伴って排気管温度が尿素の融点以上となり、尿素が溶解して除去される。しかし、アイドル状態のようなエンジン負荷が低い状態が長時間継続すると、排気管温度が尿素の融点以上まで昇温せず、尿素堆積量が徐々に増加してしまう。そして、尿素堆積量がある程度多くなると排気抵抗が増加し、排気圧力の上昇により燃費及び出力低下を来してしまうおそれがあった。

そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、電熱ヒータを内蔵したホットプレートの上面に液体還元剤を供給すると共に、ホットプレート温度が少なくとも還元剤成分の融点以上となるように電熱ヒータを制御することで、還元剤成分の析出を防止しつつ、その有効利用を図った排気浄化装置を提供することを目的とする。

このため、請求項１記載の発明では、エンジン排気管に配設され、液体還元剤により窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、該還元触媒の排気上流に位置する排気管の下部に配設されたホットプレートと、該ホットプレートを加熱する電熱ヒータと、前記ホットプレートの上面に液体還元剤を供給する還元剤供給手段と、前記電熱ヒータの作動を制御するヒータ制御手段と、を含んで排気浄化装置を構成したことを特徴とする。

請求項２記載の発明では、前記ホットプレートのプレート温度を検出するプレート温度検出手段を備え、前記ヒータ制御手段は、前記プレート温度検出手段により検出されたプレート温度が、少なくとも、還元剤成分の融点である所定値以上となるように電熱ヒータの作動を制御することを特徴とする。
請求項３記載の発明では、液体還元剤温度を検出する還元剤温度検出手段と、エンジン回転速度を検出する回転速度検出手段と、エンジン負荷を検出する負荷検出手段と、を備え、前記ヒータ制御手段は、前記還元剤温度検出手段，回転速度検出手段及び負荷検出手段により夫々検出された液体還元剤温度，エンジン回転速度及びエンジン負荷に基づいて、前記電熱ヒータの出力を制御することを特徴とする。

請求項４記載の発明では、前記ヒータ制御手段は、液体還元剤温度，エンジン回転速度及びエンジン負荷に応じたヒータ出力が設定されたマップを参照して、前記電熱ヒータの出力を演算することを特徴とする。
請求項５記載の発明では、エンジンのアイドル状態が所定時間継続したか否かを判定する継続判定手段と、該継続判定手段によりアイドル状態が所定時間継続したと判定されたときに、前記プレート温度検出手段により検出されたプレート温度が前記所定値未満であれば、前記電熱ヒータが劣化したと診断する劣化診断手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項６記載の発明では、前記劣化診断手段により電熱ヒータが劣化したと診断されたときに、その旨を報知する報知手段が備えられたことを特徴とする。
請求項７記載の発明では、エンジンが始動しているか否かを判定する始動判定手段を備え、前記ヒータ制御手段は、前記始動判定手段によりエンジンが始動していると判定されたときのみ、前記電熱ヒータの作動を制御することを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、ホットプレートの上面に供給された液体還元剤は、電熱ヒータにより加熱されているホットプレートから受熱し、その温度が還元剤成分の融点以上に昇温する。このため、液体還元剤は、融点以上に昇温することから、気化及び加水分解が促進され、排気管内に略均等に拡散しつつ還元触媒へと導かれる。一方、排気管を経て還元触媒へと導かれた排気中の窒素酸化物は、触媒還元反応により無害成分となって大気中に放出される。従って、ホットプレートの上面に供給された液体還元剤を積極的に気化及び加水分解させることで、還元剤成分の析出を防止しつつ、その有効利用を図ることができる。

請求項２記載の発明によれば、ホットプレートのプレート温度が少なくとも還元剤成分の融点である所定値以上となるように、電熱ヒータの作動が制御されるので、ホットプレートに供給された液体還元剤を確実かつ効率的に気化及び加水分解させることができる。
請求項３記載の発明によれば、電熱ヒータの出力は、液体還元剤温度，エンジン回転速度及びエンジン負荷に基づいて制御されるため、ホットプレートの上面に比較的低温な液体還元剤が供給されても、必要最小限のエネルギでプレート温度を所定値以上に維持することができる。

請求項４記載の発明によれば、電熱ヒータの出力は、液体還元剤温度，エンジン回転速度及びエンジン負荷に応じたヒータ出力が設定されたマップを参照して演算されるため、制御負荷を低く抑えることができる。
請求項５記載の発明によれば、電熱ヒータの劣化しているか否かを、その機能を介して間接的に診断することができる。即ち、エンジンがアイドル状態となると排気温度が低下するため、ホットプレートのプレート温度は徐々に低下する。しかし、電熱ヒータの劣化が少なければ、ホットプレートのプレート温度が所定値以上に維持されているため、アイドル状態が所定時間継続してもプレート温度が所定値未満となることがない。このため、アイドル状態が所定時間継続したときに、ホットプレートのプレート温度が所定値未満となっていれば、電熱ヒータの劣化により発熱量が減少したと診断することができる。

請求項６記載の発明によれば、電熱ヒータが劣化したと診断されたときには、その旨が報知されるので、排気浄化装置の点検整備を促すことができる。
請求項７記載の発明によれば、エンジンが始動していなければ、排気中の窒素酸化物を浄化する必要がないので、電熱ヒータを作動させないことで、無駄なエネルギ消費などを回避することができる。

以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、液体還元剤として尿素水溶液を使用し、エンジン排気中に含まれるＮＯｘを還元触媒反応により浄化する排気浄化装置の全体構成を示す。
エンジン１０の排気マニフォールド１２に接続される排気管１４には、排気流通方向に沿って、一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ₂）へと酸化させる酸化触媒１６と、尿素水溶液を上方から下方に向けて滴下又は噴射して供給する供給ノズル１８と、尿素水溶液を加水分解して得られるアンモニアによりＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ還元触媒２０と、ＮＯｘ還元触媒２０を通過したアンモニアを酸化させるアンモニア酸化触媒２２と、が夫々配設される。供給ノズル１８には、図示しない還元剤容器から、コンピュータを内蔵したコントロールユニット２４により制御される還元剤供給装置２６を介して、エンジン運転状態に応じた必要量の尿素水溶液が供給される。ここで、供給ノズル１８，コントロールユニット２４及び還元剤供給装置２６の協働により、還元剤供給手段が構成される。

また、供給ノズル１８の下方に位置する排気管１４には、供給ノズル１８から滴下又は噴射された尿素水溶液を受け、これを融点温度（１３２℃）以上に加熱することで、その気化及び加水分解を促進する、熱伝導性の優れた金属からなるホットプレート２８が配設される。ホットプレート２８には、図２に示すように、そのプレート温度Ｔhpを検出する温度センサ３０及び電熱ヒータ３２が夫々内蔵される。ここで、温度センサ３０は、プレート温度検出手段として機能する。

ホットプレート２８に内蔵された電熱ヒータ３２の制御系として、温度センサ３０に加え、エンジン１０の回転速度Ｎeを検出する回転速度センサ３４と、エンジン負荷Ｑを検出する負荷センサ３６と、供給ノズル１８から供給される尿素水溶液温度Ｔuを検出する尿素温度センサ３８と、が夫々設けられる。ここで、エンジン負荷Ｑとしては、吸入空気流量，吸気負圧，アクセル開度，スロットル開度，燃料噴射量などが利用できる。また、回転速度センサ３４，負荷センサ３６及び尿素温度センサ３８は、夫々、回転速度検出手段，負荷検出手段及び還元剤温度検出手段として機能する。そして、温度センサ３０，回転速度センサ３４，負荷センサ３６及び尿素温度センサ３８の各信号は、コントロールユニット２４に夫々入力され、そのＲＯＭ（Read Only Memory）に記憶された制御プログラムにより電熱ヒータ３２が制御される。なお、ＲＯＭに記憶された制御プログラムを実行することにより、ヒータ制御手段が実現される。

図３は、コントロールユニット２４において、所定時間ごとに繰り返し実行される制御プログラムの内容を示す。
ステップ１（図では「Ｓ１」と略記する。以下同様）では、回転速度センサ３４から回転速度Ｎeを読み込む。
ステップ２では、回転速度Ｎeに基づいてエンジン１０が始動しているか否か、即ち、回転速度Ｎeが０より大（Ｎe＞０）であるか否かを判定する。そして、エンジン１０が始動していればステップ３へと進む一方（Ｙｅｓ）、エンジン１０が始動していなければ排気中のＮＯｘを浄化する必要がないので、無駄なエネルギ消費などを回避すべく処理を終了する（Ｎｏ）。なお、ステップ１及び２の処理が始動判定手段に該当する。

ステップ３では、温度センサ３０からホットプレート２８のプレート温度Ｔhpを読み込む。
ステップ４では、プレート温度Ｔhpが所定値Ｔ₀未満であるか否かを判定する。ここで、所定値Ｔ₀としては、尿素の融点温度より若干高い温度、換言すると、少なくともその融点温度以上とすればよい。そして、プレート温度Ｔhpが所定値Ｔ₀未満であれば、ステップ５へと進む（Ｙｅｓ）。一方、プレート温度Ｔhpが所定値Ｔ₀以上であれば、ステップ９へと進み（Ｎｏ）、ホットプレート２８の加熱を停止すべく、電熱ヒータ３２の作動を停止する。

ステップ５では、尿素温度センサ３８から尿素水溶液温度Ｔuを読み込む。
ステップ６では、負荷センサ３６からエンジン負荷Ｑを読み込む。
ステップ７では、図４に示すようなヒータ出力マップを参照し、尿素水溶液温度Ｔu，回転速度Ｎe及びエンジン負荷Ｑに応じたヒータ出力を演算する。ここで、ヒータ出力マップには、ホットプレート２８に尿素水溶液が供給されるとプレート温度Ｔhpが低下することを見越し、これを補うための熱量を発生し得るヒータ出力が設定される。なお、ヒータ出力が離散的に設定されているときには、制御精度を向上させるべく、公知の補間技術を活用してその補間演算を行うことが望ましい。

ステップ８では、演算されたヒータ出力に基づいて電熱ヒータ３２を作動させる。
かかる排気浄化装置によれば、電熱ヒータ３２は、ホットプレート２８のプレート温度Ｔhpが所定値Ｔ₀未満のときには作動する一方、プレート温度Ｔhpが所定値Ｔ₀以上のときには停止する。このとき、電熱ヒータ３２は、尿素水溶液温度Ｔu，回転速度Ｎe及びエンジン負荷Ｑに応じたヒータ出力に基づいて作動が制御されるため、ホットプレート２８の上面に比較的低温な尿素水溶液が供給されても、必要最小限のエネルギでプレート温度Ｔhpを所定値Ｔ₀以上に維持することができる。

そして、エンジン１０の排気は、排気マニフォールド１２，排気管１４及び酸化触媒１６を経て、ＮＯｘ還元触媒２０へと導入される。一方、供給ノズル１８からホットプレート２８の上面へと供給された尿素水溶液は、ホットプレート２８のプレート温度Ｔhpが尿素の融点以上に維持されていることから、気化及び加水分解が促進されてアンモニアとなり、その排気下流に配設されたＮＯｘ還元触媒２０へと導入される。ＮＯｘ還元触媒２０では、アンモニアを還元剤として用いて、排気中のＮＯｘが水（Ｈ₂Ｏ）及び無害なガス（窒素Ｎ₂など）に還元浄化される。このとき、ＮＯｘ還元触媒２０によるＮＯｘ浄化率を向上させるべく、酸化触媒１６によりＮＯがＮＯ₂へと酸化され、排気中のＮＯとＮＯ₂との割合が触媒還元反応に適したものに改善される。また、ＮＯｘ還元触媒２０を通過したアンモニアは、その排気下流に配設されたアンモニア酸化触媒２２により酸化されるので、異臭を放つアンモニアがそのまま大気中に放出されることを防止できる。

なお、ホットプレート２８の周囲にフィンや絞りを設け、気化及び加水分解したアンモニアの拡散を促進するようにしてもよい。また、ホットプレート２８としては、比較的低温の尿素水溶液が供給されても、そのプレート温度Ｔhpが容易に低下しないように、ある程度の熱容量を持たせることが望ましい。さらに、ホットプレート２８を排気管１４から取り外し可能な構造とすることで、万一尿素の析出が起こったときに、これを洗浄除去できるようにしてもよい。

図５は、電熱ヒータ３２の劣化を診断すべく、図３に示す制御プログラムと並列かつ所定時間ごとに繰り返し実行される診断プログラムを示す。
ステップ１１では、回転速度センサ３４から回転速度Ｎeを読み込む。
ステップ１２では、回転速度Ｎeに基づいてエンジン１０が始動しているか否かを判定する。そして、エンジン１０が始動していればステップ１３へと進む一方（Ｙｅｓ）、エンジン１０が始動していなければ処理を終了する（Ｎｏ）。

ステップ１３では、負荷センサ３６からエンジン負荷Ｑを読み込む。
ステップ１４では、回転速度Ｎe及びエンジン負荷Ｑに基づいて、エンジン１０がアイドル状態であるか否かを判定する。そして、アイドル状態であればステップ１５へと進む一方（Ｙｅｓ）、アイドル状態でなければ処理を終了する（Ｎｏ）。なお、アイドル状態であるか否かは、吸気管に配設されたスロットル弁の開度、又は、これに併設されたアイドルスイッチの出力などから判定するようにしてもよい。

ステップ１５では、アイドル状態が所定時間継続したか否かを判定する。そして、アイドル状態が所定時間継続したならばステップ１６へと進む一方（Ｙｅｓ）、アイドル状態が所定時間継続していなければ処理を終了する（Ｎｏ）。なお、ステップ１４及び１５の処理が継続判定手段に該当する。
ステップ１６では、温度センサ３０からホットプレート２８のプレート温度Ｔhpを読み込む。

ステップ１７では、プレート温度Ｔhpが所定値Ｔ₀未満であるか否かを判定する。そして、プレート温度Ｔhpが所定値Ｔ₀未満であればステップ１８へと進み（Ｙｅｓ）、電熱ヒータ３２が劣化していることを報知すべく、警告灯などを作動させる。一方、プレート温度Ｔhpが所定値Ｔ₀以上であれば処理を終了する（Ｎｏ）。なお、ステップ１６及び１７の処理が劣化診断手段に、ステップ１８の処理が報知手段に夫々該当する。

かかる診断プログラムによれば、ホットプレート２８に内蔵された電熱ヒータ３２が劣化しているか否かを、その機能を介して間接的に診断することができる。即ち、エンジン１０がアイドル状態となると排気温度が低下するため、ホットプレート２８のプレート温度Ｔhpは徐々に低下する。しかし、電熱ヒータ３２の劣化が少なければ、図３に示す制御プログラムにより、ホットプレート２８のプレート温度Ｔhpが所定値Ｔ₀以上に維持されるため、アイドル状態が所定時間継続してもプレート温度ＴhpがＴ₀未満となることはない。このため、アイドル状態が所定時間継続したときに、ホットプレート２８のプレート温度Ｔhpが所定値Ｔ₀未満となっていれば、電熱ヒータ３２の劣化により発熱量が減少したと診断することができる。そして、電熱ヒータ３２が劣化したときには、警告灯などによりこれを報知することで、排気浄化装置の点検整備を促すことができる。

なお、本発明は、尿素水溶液を液体還元剤として使用する排気浄化装置に限らず、炭化水素を主成分とするガソリン，軽油，アルコールなどを液体還元剤として使用するものにも適用可能であることはいうまでもない。

本発明を適用した排気浄化装置の全体構成図ホットプレートの詳細説明図電熱ヒータを制御する制御プログラムのフローチャートヒータ出力マップの説明図電熱ヒータの劣化を診断する診断プログラムのフローチャート

符号の説明

１０エンジン
１４排気管
１８供給ノズル
２０ＮＯｘ還元触媒
２４コントロールユニット
２６還元剤供給装置
２８ホットプレート
３０温度センサ
３２電熱ヒータ
３４回転速度センサ
３６負荷センサ
３８尿素温度センサ

Claims

エンジン排気管に配設され、液体還元剤により窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、
該還元触媒の排気上流に位置する排気管の下部に配設されたホットプレートと、
該ホットプレートを加熱する電熱ヒータと、
前記ホットプレートの上面に液体還元剤を供給する還元剤供給手段と、
前記電熱ヒータの作動を制御するヒータ制御手段と、
を含んで構成されたことを特徴とする排気浄化装置。
前記ホットプレートのプレート温度を検出するプレート温度検出手段を備え、
前記ヒータ制御手段は、前記プレート温度検出手段により検出されたプレート温度が、少なくとも、還元剤成分の融点である所定値以上となるように電熱ヒータの作動を制御することを特徴とする請求項１記載の排気浄化装置。
液体還元剤温度を検出する還元剤温度検出手段と、
エンジン回転速度を検出する回転速度検出手段と、
エンジン負荷を検出する負荷検出手段と、
を備え、
前記ヒータ制御手段は、前記還元剤温度検出手段，回転速度検出手段及び負荷検出手段により夫々検出された液体還元剤温度，エンジン回転速度及びエンジン負荷に基づいて、前記電熱ヒータの出力を制御することを特徴とする請求項２記載の排気浄化装置。
前記ヒータ制御手段は、液体還元剤温度，エンジン回転速度及びエンジン負荷に応じたヒータ出力が設定されたマップを参照して、前記電熱ヒータの出力を演算することを特徴とする請求項３記載の排気浄化装置。
エンジンのアイドル状態が所定時間継続したか否かを判定する継続判定手段と、
該継続判定手段によりアイドル状態が所定時間継続したと判定されたときに、前記プレート温度検出手段により検出されたプレート温度が前記所定値未満であれば、前記電熱ヒータが劣化したと診断する劣化診断手段と、
を備えたことを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１つに記載の排気浄化装置。
前記劣化診断手段により電熱ヒータが劣化したと診断されたときに、その旨を報知する報知手段が備えられたことを特徴とする請求項５記載の排気浄化装置。
エンジンが始動しているか否かを判定する始動判定手段を備え、
前記ヒータ制御手段は、前記始動判定手段によりエンジンが始動していると判定されたときのみ、前記電熱ヒータの作動を制御することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の排気浄化装置。