JP2008261275A - 排ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの排ガスを還元剤により浄化する排ガス浄化装置１において、排ガス温度の低下により排ガスの浄化が不十分になる虞を低減することにある。
【解決手段】排ガス浄化装置１は、流路１０の開度を操作する弁装置１５と、排ガスの温度を検出する排ガス温度センサ１６とを備え、ＥＣＵ６は、排ガス温度センサ１６からの検出値に応じて弁装置１５を制御する。これにより、冷媒としての還元剤の供給量を減らすことで、噴射される還元剤からの除熱量を低減することができる。このため、排ガス温度が低下して排ガスの熱量が低減しても、冷媒としての還元剤の供給量を減らし、噴射される還元剤自体からの除熱を抑えることで、還元剤の気化熱を確保することができる。この結果、排ガス温度が低下しても、還元剤の気化および尿素の分解によるＮＨ_３生成が不十分になるのを回避して、排ガスの浄化を確実に行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの排ガスを還元剤により浄化する排ガス浄化装置に関する。

従来から、エンジンの排ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）を還元剤により還元して浄化する排ガス浄化装置が公知である。この還元剤は、例えば、尿素水であり、尿素の分解により発生するアンモニア（ＮＨ_３）が、触媒によりＮＯ_ｘと反応して無害な窒素（Ｎ_２）や水（Ｈ_２Ｏ）を生成することで、ＮＯ_ｘが浄化される。

ところで、この排ガス浄化装置には、還元剤を噴射する添加弁が、排気管に直接装着されるものがあり、このような排ガス浄化装置では、噴射孔を含む添加弁の先端部が排気管の内部に突出する。そして、還元剤は、直接、排ガスが通る排気管の内部に噴射され、排ガスと混合した後に触媒に導かれる。

このため、添加弁は、先端部が高温の排ガスに曝されて加熱され、さらに、排ガスからの受熱により高温になる管壁からも熱伝達され高温化している。そこで、添加弁のボディに冷媒が流動するジャケットを設け、このジャケットに冷媒を循環させることで、添加弁を冷却している（例えば、特許文献１参照）。

ところで、尿素からＮＨ_３への分解反応は、還元剤としての尿素水が気化していないと促進されない。このため、排ガス浄化装置では、排ガスの熱を尿素水の気化熱として利用し、添加弁の冷却操作に反する尿素水の加熱操作を別途に行わない構成が採用されている。

しかし、排ガスの温度はエンジンの運転状態に応じて変動する。このため、排ガスの温度が低く、排ガスが尿素水に充分な気化熱を与えることができない場合、尿素水の気化が不十分になり、結果的に、ＮＨ_３の生成量が少なくなりＮＯ_ｘの浄化も不十分になる虞がある。
特表２００２−５０３７８３号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、エンジンの排ガスを還元剤により浄化する排ガス浄化装置において、排ガス温度の低下により排ガスの浄化が不十分になる虞を低減することにある。

〔請求項１の手段〕
請求項１に記載の排ガス浄化装置は、エンジンの排ガスが通る排気管に装着され、所定の供給源に貯留された還元剤を排気管の内部に噴射するとともに冷媒により冷却される添加弁と、冷媒を添加弁の方に供給する冷媒供給手段と、添加弁への冷媒の供給量を可変する冷却能力可変手段と、添加弁の温度を検出する温度検出手段と、温度検出手段から得られる検出値に応じて冷却能力可変手段を制御する制御手段とを備える。

これにより、排ガス浄化装置は、添加弁の温度に応じて添加弁への冷媒供給量を増減することができる。そして、添加弁の温度は、排ガスの温度に応じて変動するため、排ガス浄化装置は、添加弁の温度に応じて添加弁への冷媒供給量を増減することで、結果的に、排ガスの熱量に応じて添加弁への冷媒供給量を増減することができる。

ここで、冷媒は、添加弁を冷却することにより添加弁の内部を流れる還元剤をも除熱しているので、添加弁への冷媒供給量が減ると、冷媒による還元剤からの除熱量が低減する。このため、排ガス温度が低下して排ガスの熱量が低減しても、添加弁への冷媒供給量を減らして還元剤自体からの除熱を抑えることで、尿素水の気化熱を確保することができる。

以上により、エンジンの排ガスを還元剤により浄化する排ガス浄化装置において、排ガス温度が低下しても排ガスの浄化が不十分になる虞を低減することができる。
なお、触媒でのＮＨ_３によるＮＯ_ｘの浄化反応も、低温になるほど促進されなくなる。つまり、還元剤噴射後の排ガス温度が低いほどＮＯ_ｘの浄化率が低減するので、この浄化反応促進の点からも、請求項１に記載の排ガス浄化装置は有効である。

〔請求項２の手段〕
請求項２に記載の排ガス浄化装置によれば、冷媒は還元剤であり、冷媒供給手段は、供給源から還元剤を吸引して添加弁の方に圧送する供給ポンプである。また、この排ガス浄化装置は、供給ポンプにより圧送された還元剤を冷媒として添加弁の方に導くとともに、添加弁を冷却した還元剤を供給源に戻すように設けられる還元剤流通路を備え、冷却能力可変手段は、還元剤流通路のいずれかの位置に配されて還元剤流通路における還元剤の流量を可変する弁装置である。

これにより、添加弁と還元剤との間の熱交換部を還元剤流通路に含ませ、熱交換部と供給源との間で還元剤を循環させることができる。このため、添加弁の冷却を効率的に行うことができる。

〔請求項３の手段〕
請求項３に記載の排ガス浄化装置は、還元剤流通路から分岐し、排気管の内部に噴射される還元剤が流れる噴射用流路を備える。

〔請求項４の手段〕
請求項４に記載の排ガス浄化装置によれば、温度検出手段は、排気管を通る排ガスの温度を検出する排ガス温度検出手段である。
これにより、排ガス浄化装置は、排ガスの熱量に相当する排ガスの温度を直接的に把握することができる。このため、尿素水の気化熱を確保するための制御を、さらに高精度に行うことができる。

〔請求項５の手段〕
請求項５に記載の排ガス浄化装置によれば、冷媒はエンジンの冷却水であり、冷媒供給手段は、エンジンの方に冷却水を吐出するウォーターポンプである。また、冷却能力可変手段は、ウォーターポンプから添加弁に向かう冷却水の流量を可変する弁装置である。
この手段は、冷媒にエンジンの冷却水を用いる排ガス浄化装置の一形態を示すものである。

最良の形態１の排ガス浄化装置は、エンジンの排ガスが通る排気管に装着され、所定の供給源に貯留された還元剤を排気管の内部に噴射するとともに冷媒により冷却される添加弁と、冷媒を添加弁の方に供給する冷媒供給手段と、添加弁への冷媒の供給量を可変する冷却能力可変手段と、添加弁の温度を検出する温度検出手段と、温度検出手段から得られる検出値に応じて冷却能力可変手段を制御する制御手段とを備える。

そして、この排ガス浄化装置によれば、冷媒は還元剤であり、冷媒供給手段は、供給源から還元剤を吸引して添加弁の方に圧送する供給ポンプである。また、この排ガス浄化装置は、供給ポンプにより圧送された還元剤を冷媒として添加弁の方に導くとともに、添加弁を冷却した還元剤を供給源に戻すように設けられる還元剤流通路を備え、冷却能力可変手段は、還元剤流通路のいずれかの位置に配されて還元剤流通路における還元剤の流量を可変する弁装置である。

さらに、この排ガス浄化装置は、還元剤流通路から分岐し、排気管の内部に噴射される還元剤が流れる噴射用流路を備える。
また、温度検出手段は、排気管を通る排ガスの温度を検出する排ガス温度検出手段である。

最良の形態２の排ガス浄化装置によれば、冷媒はエンジンの冷却水であり、冷媒供給手段は、エンジンの方に冷却水を吐出するウォーターポンプである。また、冷却能力可変手段は、ウォーターポンプから添加弁に向かう冷却水の流量を可変する弁装置である。

〔実施例１の構成〕
実施例１の排ガス浄化装置１の構成を、図１を用いて説明する。
排ガス浄化装置１は、エンジンの排ガスに還元剤を供給するものであり、排ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）を還元して浄化する。還元剤は、例えば、尿素水であり、尿素の分解により発生するアンモニア（ＮＨ_３）が、触媒によりＮＯ_ｘと反応して無害な窒素（Ｎ_２）や水（Ｈ_２Ｏ）を生成することで、ＮＯ_ｘが浄化される。

排ガス浄化装置１は、排ガスが通る排気管２の内部に還元剤を噴射する添加弁３と、所定のタンク４から還元剤を吸引して添加弁３の方に吐出する供給ポンプ５と、添加弁３や供給ポンプ５等の作動を制御する電子制御装置（ＥＣＵ）６とを備える。

添加弁３は、排気管２に直接的に装着されており、噴射孔（図示せず）を含む先端部９は、排気管２の内部に突出する。そして、先端部９には、冷媒としての還元剤が流動するジャケット（図示せず）が設けられ、ジャケットに還元剤が供給されることで添加弁３が冷却される。すなわち、先端部９は、エンジン運転中、高温の排ガスに曝されて加熱され、さらに、排ガスからの受熱により高温になる管壁からも熱伝達される。

そこで、先端部９にジャケットを設けて、ジャケットに冷媒として還元剤を循環させることで、排ガスから直接的に伝わる熱、および管壁を経由して伝わる熱を除去している。冷媒としての還元剤は、流路１０により供給ポンプ５からジャケットに導かれる。そして、ジャケットから流出した還元剤は、流路１１を通ってタンク４に戻される。すなわち、流路１０、１１は、供給ポンプ５により圧送された還元剤を冷媒として添加弁３の方に導くとともに、添加弁３を冷却した還元剤をタンク４に戻すように設けられる還元剤流通路として機能する。

また、還元剤は、流路１０から分岐する流路１２により、噴射孔に通じる添加弁３の内部流路（図示せず）に導かれ、排気管２の内部に噴射される。すなわち、流路１２および噴射孔に通じる添加弁３の内部流路は、排気管２の内部に噴射される還元剤が流れる噴射用流路として機能する。そして、噴射された還元剤は、排ガスと混合するとともに排ガスの熱により気化し、さらに、気化した尿素がＮＨ_３に分解する。そして、ＮＨ_３を含む排ガスが触媒に導かれ、ＮＨ_３によるＮＯ_ｘの浄化が行われる。

供給ポンプ５は、噴射される還元剤を添加弁３の方に供給するとともに、冷媒としての還元剤を流路１０により添加弁３のジャケットに供給する冷媒供給手段として機能する。この供給ポンプ５は、例えば、永久磁石が装着されたロータとコイルが巻線されたステータとを有し、永久磁石による磁界とコイルに通電される電流との相互作用によりトルクを発生するブラシレスモータ（図示せず）をアクチュエータとする。そして、ＥＣＵ６は、コイルへの通電を制御することで、ブラシレスモータの回転数を可変して還元剤の吐出量を操作する。

ＥＣＵ６は、制御機能および演算機能を発揮するＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等の記憶装置、入力装置ならびに出力装置等により構成される周知のマイクロコンピュータであり、エンジンの運転状態に応じて添加弁３や供給ポンプ５等の各種機器のアクチュエータに指令して機器の駆動制御を行うものである。

また、排ガス浄化装置１は、流路１２との分岐点よりも下流側の流路１０の開度を操作して流路１０、１１における還元剤の流量を可変する弁装置１５と、排気管２を通る排ガスの温度を検出する排ガス温度センサ１６とを備える。弁装置１５は、添加弁３への冷媒としての還元剤の供給量を可変する冷却能力可変手段として機能する。また、排ガス温度センサ１６は、排ガスの温度を検出することで添加弁３の温度を検出する温度検出手段として機能する。そして、ＥＣＵ６は、排ガス温度センサ１６から得られる検出値に応じて、冷却能力可変手段としての弁装置１５を制御する制御手段として機能する。

ここで、弁装置１５は、例えば、ソレノイドコイル（図示せず）への通電量に応じて流路１０の開度を操作できる周知のソレノイド電磁弁である。そして、ＥＣＵ６は、排ガス温度センサ１６から得られる検出値に応じて、弁装置１５のソレノイドコイルへの通電量を可変することで流路１０の開度を制御する。

〔実施例１の効果〕
実施例１の排ガス浄化装置１は、流路１２との分岐点よりも下流側の流路１０の開度を操作して冷媒としての還元剤の流量を可変する弁装置１５と、排気管２を通る排ガスの温度を検出する排ガス温度センサ１６とを備え、ＥＣＵ６は、排ガス温度センサ１６から得られる検出値に応じて弁装置１５を制御する。
これにより、排ガス浄化装置１は、排ガスの熱量に応じて冷媒としての還元剤の供給量を増減することができる。ここで、冷媒としての還元剤は、添加弁３を冷却することにより添加弁３の内部を流れて噴射される還元剤をも除熱している。このため、冷媒としての還元剤の供給量を減らすことで、噴射される還元剤からの除熱量を低減することができる。この結果、排ガス温度が低下して排ガスの熱量が低減しても、冷媒としての還元剤の供給量を減らし、噴射される還元剤自体からの除熱を抑えることで、還元剤の気化熱を確保することができる。

以上により、排ガス浄化装置１において、排ガス温度が低下しても、還元剤の気化および尿素の分解によるＮＨ_３生成が不十分になるのを回避して、排ガスの浄化を確実に行うことができる。
なお、触媒でのＮＨ_３によるＮＯ_ｘの浄化反応も、低温になるほど促進されなくなる。つまり、還元剤噴射後の排ガス温度が低いほどＮＯ_ｘの浄化率が低減するので、この浄化反応促進の点からも、排ガス浄化装置１の上記の構成は有効である。

還元剤流通路は、添加弁３と冷媒としての還元剤との間の熱交換部（つまり、上記のジャケット）を含むように流路構成される。
これにより、熱交換部としてのジャケットとタンク４との間で還元剤を循環させることができるので、添加弁３の冷却を効率的に行うことができる。

実施例２の排ガス浄化装置１は、添加弁３を冷却するための冷媒にエンジンの冷却水を利用するものである。すなわち、この排ガス浄化装置１によれば、図２に示すように、エンジンの方に冷却水を吐出するウォーターポンプ１８が冷媒供給手段として機能する。

また、ウォーターポンプ１８からエンジンに向かう冷却水の流路２０から、添加弁３に冷却水を導くための流路２１が分岐し、流路２１の開度を可変する弁装置２２が装備されている。弁装置２２は、実施例１の弁装置１５と同様の周知のソレノイド電磁弁であり、冷却能力可変手段として機能する。すなわち、弁装置２２は、ＥＣＵ６から指令により流路２１の開度を操作することで、添加弁３の冷媒としての冷却水の供給量を可変する。
なお、実施例２の排ガス浄化装置１では、噴射用流路をなす流路１２が、直接、供給ポンプ５の吐出口に接続している。

〔変形例〕
実施例１、２の排ガス浄化装置１によれば、冷却能力可変手段は弁装置１５、２２であったが、温度に反応して自動的に流路１０や流路２１の開度を操作するサーモスタットにより冷却能力可変手段を構成してもよい。この場合、ＥＣＵ６による制御を介さずに流路１０、２１の開度を操作できるため、サーモスタットは制御手段の機能をも具備する。

また、実施例１、２の排ガス浄化装置１によれば、流路１０または流路２１の開度は、弁装置１５または弁装置２２のソレノイドコイルへの通電量に応じて連続的に可変できるものであったが、排ガスの温度に対して閾値（例えば、３００℃）を設定し、排ガス温度センサ１６からの検出値が閾値以上のときに流路１０、２１を全開とし、閾値未満のときに全閉とするようにしてもよい。

また、実施例１の排ガス浄化装置１によれば、弁装置１５は、流路１２の分岐点よりも下流側、かつジャケットよりも上流側の流路１０に配されていたが、例えば、弁装置１５を流路１１に配してもよい。

また、実施例１の排ガス浄化装置１によれば、噴射用流路は、添加弁３の外部で還元剤流通路としての流路１０から分岐していたが、添加弁３の内部で噴射用流路を分岐させてもよい。つまり、ジャケット等の添加弁３の内部における還元剤流通路から噴射用流路を分岐させてもよい。

また、実施例１、２の排ガス浄化装置１によれば、温度検出手段は、排ガス温度を検出する排ガス温度センサ１６であったが、添加弁３に温度センサを、直接、装着することで温度検出手段を構成してもよく、エンジンの運転状態（例えば、回転数や負荷）を検出するセンサを温度検出手段として利用し、このセンサから得られる検出値に基づいて添加弁３の温度を推定するようにしてもよい。

排ガス浄化装置の構成図である（実施例１）。 排ガス浄化装置の構成図である（実施例２）。

符号の説明

１ 排ガス浄化装置
２ 排気管
３ 添加弁
４ タンク（供給源）
５ 供給ポンプ（冷媒供給手段）
６ ＥＣＵ（制御手段）
１０ 流路（還元剤流通路）
１１ 流路（還元剤流通路）
１２ 流路（噴射用流路）
１５ 弁装置（冷却能力可変手段）
１６ 排ガス温度センサ（温度検出手段、排ガス温度検出手段）
１８ ウォーターポンプ（冷媒供給手段）
２２ 弁装置（冷却能力可変手段）

Claims (5)

1. エンジンの排ガスが通る排気管に装着され、所定の供給源に貯留された還元剤を前記排気管の内部に噴射するとともに冷媒により冷却される添加弁と、
   前記冷媒を前記添加弁の方に供給する冷媒供給手段と、
   前記添加弁への前記冷媒の供給量を可変する冷却能力可変手段と、
   前記添加弁の温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段から得られる検出値に応じて前記冷却能力可変手段を制御する制御手段とを備える排ガス浄化装置。
2. 請求項１に記載の排ガス浄化装置において、
   前記冷媒は還元剤であり、
   前記冷媒供給手段は、前記供給源から還元剤を吸引して前記添加弁の方に圧送する供給ポンプであり、
   前記供給ポンプにより圧送された還元剤を前記冷媒として前記添加弁の方に導くとともに、前記添加弁を冷却した還元剤を前記供給源に戻すように設けられる還元剤流通路を備え、
   前記冷却能力可変手段は、前記還元剤流通路のいずれかの位置に配されて前記還元剤流通路における還元剤の流量を可変する弁装置であることを特徴とする排ガス浄化装置。
3. 請求項２に記載の排ガス浄化装置において、
   前記還元剤流通路から分岐し、前記排気管の内部に噴射される還元剤が流れる噴射用流路を備えることを特徴とする排ガス浄化装置。
4. 請求項１ないし請求項３の内のいずれか１つに記載の排ガス浄化装置において、
   前記温度検出手段は、前記排気管を通る排ガスの温度を検出する排ガス温度検出手段であることを特徴とする排ガス浄化装置。
5. 請求項１に記載の排ガス浄化装置において、
   前記冷媒は前記エンジンの冷却水であり、
   前記冷媒供給手段は、前記エンジンの方に冷却水を吐出するウォーターポンプであり、
   前記冷却能力可変手段は、前記ウォーターポンプから前記添加弁に向かう冷却水の流量を可変する弁装置であることを特徴とする排ガス浄化装置。

Images