JP2007255285A - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン排気系に配設されたＮＯｘ還元触媒に熱影響が及ばないようにする。
【解決手段】ＮＯｘ還元触媒の排気上流及び下流における排気温度Ｔu及びＴdを夫々読み込み（Ｓ１）、上流側の排気温度Ｔuが所定値より高いか、又は、下流側の排気温度Ｔdが所定値より高いか否かを判定する（Ｓ２及びＳ３）。ここで、所定値としては、ＮＯｘ還元触媒に熱影響が及ばない温度、具体的には、その触媒担体又は触媒成分の耐熱限界より若干低い温度とする。そして、排気温度Ｔu又はＴdが所定値より高くなったときには、エンジン運転状態として回転速度Ｎe及び負荷Ｑを夫々読み込み（Ｓ４）、制御マップを参照してエンジン運転状態に応じた還元剤増量分を演算する（Ｓ５）。その後、排気中のＮＯｘを還元浄化するのに必要な液体還元剤に還元剤増量分を加算し、その加算値に基づいて還元剤添加装置を制御する（Ｓ６）。
【選択図】図２

Description

本発明は、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元浄化するエンジンの排気浄化装置（以下「排気浄化装置」という）において、特に、エンジン排気系に配設されたＮＯｘ還元触媒を保護する技術に関する。

エンジンからの排気に含まれる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）に記載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、エンジン排気系に配設されたＮＯｘ還元触媒の排気上流に、エンジン運転状態に応じて還元剤又はその前駆体を噴射供給することで、排気中のＮＯｘと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。
特開２０００−２７６２７号公報

ところで、例えば、エンジンへの燃料供給量を制御する燃料噴射装置に故障が発生すると、エンジンへ必要量以上の燃料が供給され、排気温度が過度に上昇することが想定される。このような現象が発生すると、ＮＯｘ還元触媒に高温となった排気が導入され、その温度が触媒担体の耐熱限界を越えて熱影響が及ぶおそれがあった。
また、近年では、排気中のＮＯｘだけではなく、粒子状物質（ＰＭ）の除去効率を向上させる社会的要請もあり、ＮＯｘ還元触媒の排気上流にＤＰＦ（Diesel Particular Filter）を配設することも考えられる。ＤＰＦは、多孔性部材からなるフィルタで排気中のＰＭを捕集除去するため、捕集されたＰＭを適宜焼却する再生処理が不可欠である。再生処理中には、ＰＭが酸化（燃焼）するため、ＤＰＦの排気下流における排気温度が上昇し、燃料噴射装置の故障と同様に、ＮＯｘ還元触媒に熱影響が及ぶおそれがあった。

そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、ＮＯｘ還元触媒の触媒温度が所定値より高くなったときに、その排気上流に液体還元剤又はその前駆体，水などの液体を噴射し、これが蒸発する蒸発熱を利用して排気温度を低下させることで、ＮＯｘ還元触媒に熱影響が及ばないようにし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、エンジン排気系に配設され、排気中の窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、前記還元触媒の触媒温度を検出する触媒温度検出手段と、前記触媒温度検出手段により検出された触媒温度が所定値より高くなったときに、蒸発熱により排気温度を低下させる液体を還元触媒の排気上流に噴射する液体噴射手段と、を含んで構成されたことを特徴とする。

請求項２記載の発明では、エンジン排気系に配設され、排気中の粒子状物質を捕集除去するフィルタと、前記フィルタの排気下流に配設され、排気中の窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、前記還元触媒の触媒温度を検出する触媒温度検出手段と、前記触媒温度検出手段により検出された触媒温度が所定値より高くなったときに、蒸発熱により排気温度を低下させる液体を還元触媒の排気上流に噴射する液体噴射手段と、を含んで構成されたことを特徴とする。

請求項３記載の発明では、前記還元触媒の排気下流に配設され、該還元触媒を通過した還元剤を酸化させる酸化触媒を備え、前記液体噴射手段は、排気温度を低下させる液体として、前記還元触媒の排気上流に噴射供給される液体還元剤又はその前駆体を増量することを特徴とする。
請求項４記載の発明では、前記液体噴射手段は、排気温度を低下させる液体として、水を噴射することを特徴とする。

請求項５記載の発明では、エンジン運転状態を検出する運転状態検出手段を備え、前記液体噴射手段は、前記運転状態検出手段により検出されたエンジン運転状態に応じた必要量の液体を噴射することを特徴とする。
請求項６記載の発明では、前記触媒温度検出手段は、排気温度から触媒温度を間接的に検出することを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、何らかの要因で排気温度が過度に上昇し、エンジン排気系に配設された還元触媒の触媒温度が所定値より高くなると、その排気上流に、蒸発熱により排気温度を低下させる液体が噴射される。このため、温度が低下した排気が還元触媒に導入され、その触媒温度が低下することから、還元触媒に熱影響が及ぶことを防止できる。

請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の作用及び効果に加え、エンジン排気系に粒子状物質を除去するフィルタが配設されるため、排気中の粒子状物質が除去され、近年における社会的要請に応えることができる。また、フィルタ再生処理中に、その排気下流における排気温度が過度に上昇しても、還元触媒に導入される排気温度が低下することから、還元触媒に熱影響が及ぶことを防止できる。

請求項３記載の発明によれば、排気温度を低下させる液体として、還元触媒の排気上流に噴射供給される液体還元剤又はその前駆体を増量することで、新たな装置を追加する必要がなく、制御ロジックの変更のみで本発明の効果を享受することができる。
請求項４記載の発明によれば、排気温度を低下させる液体として、安価な水が噴射されるため、運用コストを低減することができる。

請求項５記載の発明によれば、エンジン運転状態に応じた必要量の液体が噴射されるため、排気温度が過度に低下せず、還元触媒の触媒温度がその活性温度以下まで低下することを防止できる。
請求項６記載の発明によれば、排気温度から触媒温度が間接的に検出されるため、触媒温度を検出するために、既設の排気温度センサなどを流用することができる。

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、液体還元剤の前駆体たる尿素水溶液を使用し、エンジン排気に含まれるＮＯｘを触媒還元反応により浄化する排気浄化装置の第１実施形態を示す。
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、尿素水溶液を噴射供給する噴射ノズル１６と、尿素水溶液を加水分解して得られるアンモニアを還元剤としてＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ還元触媒１８と、ＮＯｘ還元触媒１８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２０と、が夫々配設される。また、還元剤タンク２２に貯蔵される尿素水溶液は、その底部で吸込口が開口する供給配管２４を通って還元剤添加装置２６に供給される。一方、還元剤添加装置２６に供給された尿素水溶液のうち噴射に寄与しない余剰のものは、還元剤タンク２２の上部で戻り口が開口する戻り配管２８を通って戻される。そして、還元剤添加装置２６は、コンピュータを内蔵した還元剤添加コントロールユニット（以下「還元剤添加ＥＣＵ」という）３０により電子制御され、エンジン運転状態に応じた必要量の尿素水溶液を、圧縮空気と混合した噴霧状態で噴射ノズル１６に供給する。

かかる排気浄化装置において、噴射ノズル１６から噴射供給された尿素水溶液は、排気熱及び排気中の水蒸気により加水分解され、アンモニアへと転化される。転化されたアンモニアは、ＮＯｘ還元触媒１８において排気中のＮＯｘと還元反応し、水（Ｈ₂Ｏ）及び窒素（Ｎ₂）へと転化されることは知られたことである。このとき、ＮＯｘ還元触媒１８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２０により酸化されるので、アンモニアがそのまま排出されることがない。

本発明の特徴として、ＮＯｘ還元触媒１８の触媒温度を間接的に検出すべく、触媒温度検出手段として、その排気上流における排気温度Ｔuを検出する排気温度センサ３２、及び、その排気下流における排気温度Ｔdを検出する排気温度センサ３４が夫々設けられ、その出力信号が還元剤添加ＥＣＵ３０に入力される。また、還元剤添加ＥＣＵ３０は、ＣＡＮ（Controller Area Network）などのネットワークを介して、エンジン１０を電子制御するエンジンコントロールユニット（以下「エンジンＥＣＵ」という）３６に接続され、エンジン運転状態としてのエンジンの回転速度Ｎe及び負荷Ｑを読み込み可能になっている。ここで、エンジンＥＣＵ３６は運転状態検出手段としての機能を兼備し、負荷Ｑとしては、吸気流量，吸気圧，過給圧，燃料噴射量などを用いることができる。そして、還元剤添加ＥＣＵ３０は、そのＲＯＭ（Read Only Memory）に記憶された制御プログラムを実行することで、排気浄化に係る各種機能を実現する。

ここで、噴射ノズル１６，還元剤タンク２２，供給配管２４，還元剤添加装置２６，戻り配管２８及び還元剤添加ＥＣＵ３０の協働により、液体噴射手段が実現される。また、エンジン運転状態としての回転速度Ｎe及び負荷Ｑは、エンジンＥＣＵ３６から間接的に検出せず、公知の各種センサなどから直接検出するようにしてもよい。この場合、各種センサが運転状態検出手段に該当する。

図２は、還元剤添加ＥＣＵ３０において、エンジン始動後所定時間ごとに繰り返し実行される制御プログラムの処理内容を示す。
ステップ１（図では「Ｓ１」と略記する。以下同様）では、排気温度センサ３２及び３４から、ＮＯｘ還元触媒１８の排気上流及び排気下流における排気温度Ｔu及びＴdを夫々読み込む。

ステップ２では、ＮＯｘ還元触媒１８の排気上流における排気温度Ｔuが所定値より高いか否かを判定する。ここで、所定値としては、ＮＯｘ還元触媒１８に熱影響が及ばない温度、具体的には、その触媒担体又は触媒成分の耐熱限界より若干低い温度に設定する。そして、排気温度Ｔuが所定値より高ければステップ４へと進む一方（Ｙｅｓ）、排気温度Ｔuが所定値以下であればステップ３へと進む（Ｎｏ）。

ステップ３では、ＮＯｘ還元触媒１８の排気下流における排気温度Ｔdが所定値より高いか否かを判定する。そして、排気温度Ｔdが所定値より高ければステップ４へと進む一方（Ｙｅｓ）、排気温度Ｔdが所定値以下であれば処理を終了する（Ｎｏ）。
ステップ４では、エンジンＥＣＵ３６から、エンジン運転状態としての回転速度Ｎe及び負荷Ｑを夫々読み込む。

ステップ５では、排気温度，回転速度及び負荷に対応した還元剤増量分が設定された制御マップを参照し、排気温度Ｔu，回転速度Ｎe及び負荷Ｑに応じた還元剤増量分を演算する。
ステップ６では、排気中のＮＯｘを還元浄化するのに必要な尿素水溶液に加え、還元剤増量分だけ増量した尿素水溶液が噴射ノズル１６から噴射供給されるように、還元剤添加装置２６を制御する。要するに、排気中のＮＯｘを還元浄化するのに必要な尿素水溶液に還元剤増量分を加算し、その加算値に基づいて還元剤添加装置２６を制御する。

かかる排気浄化装置によれば、ＮＯｘ還元触媒１８の排気上流及び排気下流における排気温度Ｔu及びＴdの少なくとも一方が所定値より高くなると、ＮＯｘ還元触媒１８の排気上流に、排気中のＮＯｘを還元浄化するのに必要な尿素水溶液に加え、蒸発熱により排気温度を低下させる液体としての尿素水溶液が噴射供給される。このため、温度が低下した排気がＮＯｘ還元触媒１８に導入され、その触媒温度が低下することから、ＮＯｘ還元触媒１８に熱影響が及ぶことを防止できる。また、排気中のＮＯｘを還元浄化するのに必要な尿素水溶液が確保されるため、ＮＯｘを還元浄化する排気浄化装置としての基本性能を発揮することができる。

このとき、エンジン運転状態に応じて尿素水溶液の噴射供給量が増量されるので、その還元剤増量分を決定する制御マップを適切に設定することで、ＮＯｘ還元触媒１８の触媒温度が触媒活性温度以下まで低下することを防止できる。また、排気中のＮＯｘを還元浄化するのに必要な尿素水溶液に加え、蒸発熱により排気温度を低下させる液体としての尿素水溶液が噴射供給されるため、ＮＯｘ還元触媒１８でアンモニアの全量が消費されず通過してしまうが、その排気下流に配設されたアンモニア酸化触媒２０によりこれが酸化されるため、アンモニアが排出されるという問題は生じない。

図３は、排気浄化装置の第２実施形態を示す。なお、先の第１実施形態と同一構成については、重複説明を回避するため、同一符号を付してその説明を省略するものとする（以下同様）。
本実施形態においては、第１実施形態の構成に加え、ＮＯｘ還元触媒１８の排気上流、具体的には、噴射ノズル１６の排気上流に位置する排気管１４に、排気中のＰＭを捕集除去するフィルタとしてのＤＰＦ３８が配設される。ＤＰＦ３８は、多孔性部材からなる略円柱形状をなし、ハニカム状の隔壁により排気流と略平行なセルが多数形成され、各セルの入口と出口とが封鎖材により交互に目封じされる。そして、排気が隔壁を通過して隣接するセルに流入するときに、排気中のＰＭが隔壁により捕集除去される。

このようにすれば、第１実施形態の作用及び効果に加え、排気中のＰＭが除去されるため、近年における社会的要請に応えることができる。また、ＤＰＦ３８の再生処理中に、その排気下流における排気温度が過度に上昇しても、図２に示す制御プログラムが実行されることで、ＮＯｘ還元触媒１８に導入される排気温度を低下させることができる。
図４は、排気浄化装置の第３実施形態を示す。

本実施形態においては、排気温度を低下させる液体として、第１実施形態における尿素水溶液に代えて水を用いる。即ち、ＮＯｘ還元触媒１８の排気上流、具体的には、噴射ノズル１６とＮＯｘ還元触媒１８との間には、排気管１４内に水を噴射するための噴射ノズル４０が配設される。また、水タンク４２に貯蔵される水は、その底部で吸込口が開口する供給配管４４を通って水添加装置４６に供給される。一方、水添加装置４６に供給された水のうち噴射に寄与しない余剰のものは、水タンク４２の上部で戻り口が開口する戻り配管４８を通って戻される。そして、水添加装置４６は、還元剤添加ＥＣＵ３０により電子制御される。ここで、本実施形態では、還元剤添加ＥＣＵ３０，噴射ノズル４０，水タンク４２，供給配管４４，水添加装置４６及び戻り配管４８の協働により、液体噴射手段が実現される。

還元剤添加ＥＣＵ３０による水添加装置４６の制御内容としては、第１実施形態の制御内容を示す図２のフローチャートにおいて、ステップ５で還元剤増量分に代えて水噴射量を演算し、ステップ６でその水噴射量に応じて水添加装置４６を制御するようにすればよい。
このようにすれば、水が蒸発するときの蒸発熱により排気温度が低下し、第１実施形態と同様な作用及び効果を奏することができる。また、排気温度を低下させる液体として尿素水溶液が消費されないため、運用コストを低減することができる。さらに、排気温度を低下させるために尿素水溶液の噴射供給量を増量しないため、ＮＯｘ還元触媒１８を通過するアンモニアが微量となり、アンモニア酸化触媒２０が必須ではなくなることから、コスト低減なども図ることができる。

ところで、ＮＯｘ還元触媒１８として、還元剤を使用しないものや、固形還元剤を用いるものがある。この場合、液体還元剤又はその前駆体を噴射して排気温度を低下させることができないので、本実施形態のような構成を採用することが望ましい。
なお、第２実施形態において、尿素水溶液の代わりに水を噴射するようにしてもよい。
また、液体還元剤又はその前駆体としては、尿素水溶液に限らず、ＮＯｘ還元触媒１８のＮＯｘ浄化メカニズムに応じて、アンモニア水溶液や、炭化水素類を主成分とするアルコールなどを用いることができる。

本発明を具現化した排気浄化装置の第１実施形態を示す構成図 同上における制御プログラムの処理内容を示すフローチャート 本発明を具現化した排気浄化装置の第２実施形態を示す構成図 本発明を具現化した排気浄化装置の第３実施形態を示す構成図

符号の説明

１０ エンジン
１４ 排気管
１６ 噴射ノズル
１８ ＮＯｘ還元触媒
２０ アンモニア酸化触媒
２２ 還元剤タンク
２４ 供給配管
２６ 還元剤添加装置
２８ 戻り配管
３０ 還元剤添加ＥＣＵ
３２ 排気温度センサ
３４ 排気温度センサ
３６ エンジンＥＣＵ
３８ ＤＰＦ
４０ 噴射ノズル
４２ 水タンク
４４ 供給配管
４６ 水添加装置
４８ 戻り配管

Claims (6)

1. エンジン排気系に配設され、排気中の窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、
   前記還元触媒の触媒温度を検出する触媒温度検出手段と、
   前記触媒温度検出手段により検出された触媒温度が所定値より高くなったときに、蒸発熱により排気温度を低下させる液体を還元触媒の排気上流に噴射する液体噴射手段と、
   を含んで構成されたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
2. エンジン排気系に配設され、排気中の粒子状物質を捕集除去するフィルタと、
   前記フィルタの排気下流に配設され、排気中の窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、
   前記還元触媒の触媒温度を検出する触媒温度検出手段と、
   前記触媒温度検出手段により検出された触媒温度が所定値より高くなったときに、蒸発熱により排気温度を低下させる液体を還元触媒の排気上流に噴射する液体噴射手段と、
   を含んで構成されたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
3. 前記還元触媒の排気下流に配設され、該還元触媒を通過した還元剤を酸化させる酸化触媒を備え、
   前記液体噴射手段は、排気温度を低下させる液体として、前記還元触媒の排気上流に噴射供給される液体還元剤又はその前駆体を増量することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置。
4. 前記液体噴射手段は、排気温度を低下させる液体として、水を噴射することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置。
5. エンジン運転状態を検出する運転状態検出手段を備え、
   前記液体噴射手段は、前記運転状態検出手段により検出されたエンジン運転状態に応じた必要量の液体を噴射することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。
6. 前記触媒温度検出手段は、排気温度から触媒温度を間接的に検出することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。

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