JP2009024503A

JP2009024503A - エンジンの排気浄化装置

Info

Publication number: JP2009024503A
Application number: JP2007185365A
Authority: JP
Inventors: 正嗣 ▲崎▼本; Masatsugu Sakimoto; Shigemi Okada; 茂美岡田; Hiroaki Ishida; 弘明石田
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2007-07-17
Filing date: 2007-07-17
Publication date: 2009-02-05

Abstract

【課題】尿素ＳＣＲシステムにおいて排気通路内での尿素水の十分な分散を確保しながら排気抵抗の増加に伴う出力性能低下の問題を抑制する。
【解決手段】排気通路３の尿素水供給手段１３と選択還元触媒１６との間に尿素水供給手段１３で供給された尿素水と排気ガスとのミキシングを促進するためのミキシング手段１５を備える。尿素水供給手段１３の下流と選択還元触媒１６の上流とを連通してミキシング手段１５をバイパスするバイパス通路２１と、バイパス通路２１の連通状態を制御可能な制御弁３２と、制御弁３２の作動状態を制御する制御手段５０とを備え、制御手段５０は、エンジン負荷が所定値以上のとき又はエンジン回転数が所定値以上のとき、バイパス通路２１が開くように制御弁３２を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの排気浄化装置、特に、エンジンの排気ガスに含まれる窒素酸化物の低減を図るエンジンの排気浄化装置に関する。

従来、エンジンの排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減する技術として尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムが知られている。これは、エンジンの排気通路に、ＮＯｘを選択還元する選択還元触媒を配設し、この選択還元触媒の上流に、排気通路内に尿素水を噴射する尿素水噴射ノズルを配設したもので、このノズルから排気通路内に噴射された尿素水が排気ガスの熱により熱分解又は加水分解してアンモニアが生成し、このアンモニアが選択還元触媒に吸着されて、排気ガス中のＮＯｘと脱硝反応を起こし、ＮＯｘを窒素（Ｎ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）とに還元するようにしたものである。

その場合に、前記尿素水噴射ノズルから噴射された尿素水が排気通路内で十分に分散しないと、この尿素水から生成するアンモニアが偏って選択還元触媒に吸着され、その結果、アンモニア濃度の高い部分では余剰のアンモニアが大気中に排出されるアンモニアスリップの問題が起き、一方、アンモニア濃度の低い部分ではＮＯｘの浄化性能が低下してＮＯｘ排出量の低減が不十分となる。

そこで、特許文献１に記載されるように、尿素水噴射ノズルと選択還元触媒との間の排気通路に、前記ノズルから噴射された尿素水と排気ガスとのミキシングを促進するためのミキシング手段を配設することが提案される。このミキシング手段は、例えば、排気通路の断面積より小さい断面積の開口が形成された仕切板で構成され、排気ガスがこの仕切板に衝突して開口を通過することにより排気ガスの流れが乱れ、その結果、排気ガス中に噴射された尿素水と排気ガスとが攪拌されて尿素水が排気ガス中で十分に分散することとなる。

一方、特許文献２には、排気通路に選択還元触媒をバイパスするバイパス通路を設けて、例えば、排気通路の上流側に配設されたパティキュレートフィルタに捕集された粒子状物質を燃焼除去する場合や、該粒子状物質が自然着火したような場合には、排気ガスをバイパス通路に導いて、高温の排気ガスが選択還元触媒に流れ込むことによる該触媒の劣化を防止するようにした技術が開示されている。

特開２００３−２３２２１８（段落００１２）特開２００５−２４８７６５（段落００２８）

ところで、前述のように、排気通路内での尿素水の十分な分散を図るためのミキシング手段は、排気ガスの乱流度を増すために、開口の断面積が小さくされている。したがって、ミキシング手段は、一般に、排気通路内における排気ガスの流れの抵抗となり、排気圧力を上昇させるので、エンジンのトルク性能ひいては出力性能の低下をもたらすという問題がある。

本発明は、排気ガス中のＮＯｘを低減する尿素ＳＣＲシステムにおいて、排気通路内での尿素水の十分な分散を図るためのミキシング手段を備えた場合の前記不具合に対処するもので、排気通路内での尿素水の十分な分散を確保しながら、ミキシング手段が排気通路に配設されることによる排気抵抗の増加に伴う出力性能低下の問題を抑制することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明では次のような手段を用いる。

すなわち、本願の請求項１に記載の発明は、エンジンの排気通路に配設され、排気ガス中のＮＯｘを選択還元する選択還元触媒と、この選択還元触媒の上流の排気通路に尿素還元剤を供給する尿素還元剤供給手段と、この尿素還元剤供給手段と前記選択還元触媒との間の排気通路に配設され、前記尿素還元剤供給手段で供給された尿素還元剤と排気ガスとのミキシングを促進するためのミキシング手段とを有するエンジンの排気浄化装置であって、前記尿素還元剤供給手段の下流と前記選択還元触媒の上流とを連通して前記ミキシング手段をバイパスするバイパス通路と、このバイパス通路の連通状態を制御可能な制御弁と、この制御弁の作動状態を制御する制御手段とが備えられ、前記制御手段は、エンジン負荷が所定値以上のとき又はエンジン回転数が所定値以上のとき、前記バイパス通路が開くように前記制御弁を制御することを特徴とする。

次に、本願の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置であって、前記ミキシング手段の直上流と直下流との差圧を検出する差圧検出手段が備えられ、前記制御手段は、前記差圧検出手段で検出された差圧が所定値以上のときは、エンジン負荷が所定値以上でなくても又はエンジン回転数が所定値以上でなくても、前記バイパス通路が開くように前記制御弁を制御することを特徴とする。

次に、本願の請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置であって、前記選択還元触媒をバイパスする第２のバイパス通路と、この第２バイパス通路の連通状態を制御可能な第２の制御弁とが備えられ、前記制御手段は、この第２制御弁の作動状態も制御すると共に、前記制御手段は、エンジン負荷が所定値未満のとき又はエンジン回転数が所定値未満のとき、前記バイパス通路が閉じ、前記第２バイパス通路が閉じるように前記制御弁及び前記第２制御弁を制御し、エンジン負荷が所定値以上で該所定値より大きい第２の所定値未満のとき又はエンジン回転数が所定値以上で該所定値より大きい第２の所定値未満のとき、前記バイパス通路が開き、前記第２バイパス通路が閉じるように前記制御弁及び前記第２制御弁を制御し、エンジン負荷が第２所定値以上のとき又はエンジン回転数が第２所定値以上のとき、前記バイパス通路が開き、前記第２バイパス通路が開くように前記制御弁及び前記第２制御弁を制御することを特徴とする。

まず、請求項１に記載の発明によれば、尿素還元剤（尿素水）と排気ガスとのミキシングを促進するためのミキシング手段が、尿素還元剤供給手段（尿素水噴射ノズル）と選択還元触媒との間の排気通路に配設された構成の尿素ＳＣＲシステムにおいて、前記ミキシング手段をバイパスするバイパス通路を設けて、エンジン負荷が所定値以上のとき又はエンジン回転数が所定値以上のときは、前記バイパス通路を開くようにしたから、尿素還元剤供給手段で供給された尿素還元剤及び排気ガスは、前記ミキシング手段を通過せずに選択還元触媒に到達することとなる。

ここで、エンジン負荷が所定値以上のとき又はエンジン回転数が所定値以上のときは、時間当たりの排気ガスの排出量が多く、排気通路内での排気ガスの圧力及び流速が高くなるから、排気ガスの乱流度が増し、尿素還元剤と排気ガスとのミキシング性が向上している。したがって、尿素還元剤及び排気ガスは、ミキシング手段を通過しなくても、尿素水が排気ガス中で十分に分散された状態で選択還元触媒に到達し、その結果、アンモニアスリップの問題や、ＮＯｘ浄化性能低下の問題が回避されることとなる。

一方、エンジン負荷が所定値以上のとき又はエンジン回転数が所定値以上のときは、排気ガスがミキシング手段をバイパスすることによって、該ミキシング手段が排気通路に配設されることによる排気抵抗の増加に伴う出力性能低下の問題も同時に回避されることとなる。特に、エンジン負荷が所定値以上のときは高トルクが要求されているときであるから、出力性能低下の問題が回避される利益は大きい。

次に、請求項２に記載の発明によれば、ミキシング手段の直上流と直下流との差圧が所定値以上のときは、エンジン負荷が所定値以上でなくても又はエンジン回転数が所定値以上でなくても、前記バイパス通路を開くようにしたから、尿素還元剤供給手段で供給された尿素還元剤及び排気ガスは、前記ミキシング手段を通過せずに選択還元触媒に到達することとなる。

ここで、ミキシング手段の直上流と直下流との差圧が所定値以上のときは、該ミキシング手段による排気抵抗の増加がより増長され、それに伴い出力性能の低下もより増長されるときであるから、そのような場合に、排気ガスがミキシング手段をバイパスすることによって、増長された前記不具合が回避されることとなる。

なお、ミキシング手段の直上流と直下流との差圧が所定値以上となる原因としては、例えば、尿素から派生した化合物の結晶がミキシング手段に付着することにより、該ミキシング手段に形成された開口がさらに狭くなること等が考えられる。

次に、請求項３に記載の発明によれば、ミキシング手段をバイパスする前記バイパス通路に加えて、選択還元触媒をバイパスする第２バイパス通路を設けて、エンジン負荷が所定値未満のとき又はエンジン回転数が所定値未満のときは、両バイパス通路を閉じるようにしたから、尿素還元剤及び排気ガスは、ミキシング手段を通過して選択還元触媒に到達し、さらに該選択還元触媒を通過することとなる。この場合、尿素水の十分な分散がミキシング手段によって確保されて、排気ガス中のＮＯｘが良好に窒素と水とに還元され、排出されることとなる。

また、エンジン負荷が所定値以上で第２所定値未満のとき又はエンジン回転数が所定値以上で第２所定値未満のときは、バイパス通路を開き、第２バイパス通路を閉じるようにしたから、尿素還元剤及び排気ガスは、ミキシング手段をバイパスして選択還元触媒に到達し、さらに該選択還元触媒を通過することとなる。この場合は、エンジン負荷が所定値未満のとき又はエンジン回転数が所定値未満のときに比べて、排気通路内での排気ガスの圧力及び流速が高くなって排気ガスの乱流度が増すことにより、尿素水の十分な分散が確保されて、排気ガス中のＮＯｘが良好に窒素と水とに還元され、排出されることとなる。

そして、エンジン負荷が第２所定値以上のとき又はエンジン回転数が第２所定値以上のときは、両バイパス通路を開くようにしたから、排気ガスは、ミキシング手段も選択還元触媒も共にバイパスすることとなる。この場合は、ミキシング手段が排気通路に配設されることによる排気抵抗の増加に伴う出力性能低下の問題に加えて、選択還元触媒が排気通路に配設されることによる排気抵抗の増加に伴う出力性能低下の問題も同時に回避されることとなる。特に、エンジン負荷が第２所定値以上のときは高トルクが要求されているときであるから、出力性能低下の問題が２重に回避される利益は大きい。しかも、エンジン負荷が第２所定値以上のときは燃料噴射量が多く、排気ガス温度が高いから、高温の排気ガスが選択還元触媒に流れ込むことによる該触媒の熱劣化の問題も回避される。なお、この場合は、排気ガスが選択還元触媒もバイパスするから、尿素還元剤の供給は停止することとなる。以下、発明の最良の実施形態を通して本発明をさらに詳しく説明する。

図１は、本実施形態に係るエンジン１の排気浄化装置１０の全体構成図である。エンジン１はディーゼルエンジンであって、吸気通路２、排気通路３、排気ガスの一部を吸気側へ還流するＥＧＲ通路４、及び該ＥＧＲ通路４上のＥＧＲバルブ５を備えている。

排気通路３上には、上流側から、排気ガス中の未燃燃料を酸化燃焼するための酸化触媒１１、排気ガス中の微粒子（パティキュレート）を捕集するためのディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）１２、尿素水タンク１４から供給される尿素水を排気通路３内に噴射するための尿素水噴射ノズル１３、このノズル１３から噴射された尿素水と排気ガスとのミキシングを促進するためのミキシングプレート１５、排気ガス中のＮＯｘを選択還元するＳＣＲ触媒１６、及び、前記ノズル１３から噴射された尿素水から生成したアンモニアの余剰分が大気中に放出されるのを防ぐためのアンモニア酸化触媒１７が、この順に配設されている。

また、排気通路３には、前記ミキシングプレート１５をバイパスする第１バイパス通路２１、及び前記ＳＣＲ触媒１６をバイパスする第２バイパス通路２２が備えられている。特に、本実施形態では、第１バイパス通路２１は、尿素水噴射ノズル１３の下流とＳＣＲ触媒１６の上流とを連通している。また、第２バイパス通路２２は、ＤＰＦ１２と尿素水噴射ノズル１３との間と、ＳＣＲ触媒１６の下流とを連通している。したがって、第１バイパス通路２１は、ミキシングプレート１５しかバイパスしていないが、第２バイパス通路２２は、ＳＣＲ触媒１６をバイパスする他、ミキシングプレート１５、第１バイパス通路２１、及び尿素水噴射ノズル１３もバイパスしている。

排気通路３において、第２バイパス通路２２の分岐点の直下流に、第１シャッター弁３１が備えられ、同じく排気通路３において、第１バイパス通路２２の合流点の直上流に、第２シャッター弁３２が備えられ、そして、第２バイパス通路２２に、第３シャッター弁３３が備えられている。

各シャッター弁３１〜３３はバタフライ弁であり、回動することにより、それぞれ備えられた通路を開閉する。例えば、第１シャッター弁３１が開で、第３シャッター弁３３が閉のとき、排気ガスは、第２バイパス通路２２を通らずに、尿素水噴射ノズル１３を通過する。このとき、第２シャッター弁３２が開であると、排気ガスは、第１バイパス通路２１を通らずに、ミキシングプレート１５を通過する。その後、排気ガスは、ＳＣＲ触媒１６に到達することとなる。

一方、第１シャッター弁３１が開で、第３シャッター弁３３が閉のときに、第２シャッター弁３２が閉であると、排気ガスは、ミキシングプレート１５を通過せずに、第１バイパス通路２１を通って、ＳＣＲ触媒１６に到達することとなる。

これらに対し、第１シャッター弁３１が閉で、第３シャッター弁３３が開のとき、排気ガスは、尿素水噴射ノズル１３、ミキシングプレート１５、第１バイパス通路２１、ＳＣＲ触媒１６、及びアンモニア酸化触媒１７を通過せずに、第２バイパス通路２２を通って、排気通路３に合流することとなる。この場合、第２シャッター弁３２は、基本的に、開でも閉でもどちらでも構わない。

排気通路３には、さらに、ＤＰＦ１２の直上流と直下流との差圧を検出する第１差圧センサ４１、ミキシングプレート１５の直上流と直下流との差圧を検出する第２差圧検出センサ４２、及びＳＣＲ触媒１６の直下流のアンモニア濃度を検出するアンモニアセンサ４３が備えられている。

ここで、第１差圧センサ４１で検出される差圧（第１差圧）が所定値以上のときは、ＤＰＦ１２に堆積した微粒子の量が所定値以上となったことを表すもので、そのようなときは、ＤＰＦ１２に堆積した微粒子を燃焼除去してＤＰＦ１２を再生する必要がある。

一方、第２差圧センサ４２で検出される差圧（第２差圧）が所定値以上のときは、ミキシングプレート１５に付着した化合物の結晶（尿素から派生したもの：後述する）の量が所定値以上となったことを表すもので、そのようなときは、ミキシングプレート１５に付着した化合物の結晶を溶融除去してミキシングプレート１５が排気通路３に配設されたことによる排気抵抗の増加を低減する必要がある。

本実施形態に係る排気浄化装置１０は、特に、エンジン１の排気ガスに含まれる窒素酸化物を低減するための尿素ＳＣＲシステムでなり、その浄化反応機序は、およそ次の通りである。

まず、尿素水噴射ノズル１３から噴射された尿素水中の尿素は、次の反応式（化１）に示すように、排気ガスの熱により熱分解反応を起こして、アンモニア及びイソシアン酸を生成する。この熱分解反応は、およそ１３５℃以上で開始し、主に尿素水噴射ノズル１３からＳＣＲ触媒１６までの区間内で起きる。

また、尿素水噴射ノズル１３から噴射された尿素水中の尿素、及び、熱分解反応で生成したイソシアン酸は、次の反応式（化２、化３）に示すように、加水分解反応を起こして、それぞれアンモニア及び二酸化炭素を生成する。この加水分解反応は、およそ１６０℃以上で開始し、主に尿素水噴射ノズル１３からＳＣＲ触媒１６までの区間内で起きる。

そして、尿素から生成したアンモニアは、次の反応式（化４）に示すように、ＮＯ及びＮＯ_２と脱硝反応を起こして、これらの窒素酸化物を窒素及び水に還元する。この還元反応は、およそ２００℃以上で開始し、主にＳＣＲ触媒１６内で起きる。

また、尿素から生成したアンモニアは、次の反応式（化５）に示すように、酸素の存在下、ＮＯ_２と脱硝反応を起こして、この窒素酸化物を窒素及び水に還元する。この還元反応は、およそ２００℃以上で開始し、主にＳＣＲ触媒１６内で起きる。

ここで、前記反応式（化４）と前記反応式（化５）とをまとめると、次の反応式（化６）のようになる。つまり、排気ガス中のＮＯの濃度とＮＯ_２の濃度との比は、１：１が最も反応速度が大きく効率がよいことが判る。

なお、還元反応にあずからなかった余剰のアンモニアは、次の反応式（化７）に示すように、酸素の存在下、窒素及び水に分解される。この酸化反応は、アンモニア酸化触媒１７内で起きる。

図２に、本実施形態で採用可能なミキシングプレート１５の具体的構成の１例を示す。図示したように、ミキシングプレート１５は、排気通路３を横断するように接続された仕切板本体部１５ａを有し、この仕切板本体部１５ａの一部（図例では扇形の４箇所の部分）１５ｂが切り込まれて下流側に曲り折げ加工されることにより、仕切板本体部１５ａに排気通路３の断面積より小さい断面積の開口１５ｃが形成された構造である。

これにより、図２（ｂ）に矢印で示したように、排気通路３を上流から流れてきた排気ガスがこのミキシングプレート１５に衝突して開口１５ｃを通過することにより排気ガスの流れが乱れ、その結果、上流で排気ガス中に噴射された尿素水と排気ガスとが攪拌されて尿素水が排気ガス中で十分に分散することとなる。

このように、ミキシングプレート１５は、排気通路３内での尿素水の十分な分散を図ることができるが、排気ガスの乱流度を増すために、開口１５ｃの断面積が小さくされたり、折り曲げ部分１５ｂの傾斜が緩くされている。したがって、ミキシングプレート１５は、排気通路３内における排気ガスの流れの抵抗となり、排気圧力を上昇させるので、エンジン１のトルク性能ひいては出力性能を低下させる可能性がある。

しかも、本発明者等の知見によれば、尿素水噴射ノズル１３から噴射された尿素水中の尿素から派生したと考えられる化合物の結晶がミキシングプレート１５に付着する場合のあることがわかっている。このような結晶の付着が進めば、ミキシングプレート１５に形成された開口１５ｃがさらに狭くなり、ミキシングプレート１５による排気抵抗の増加がより増長され、それに伴い出力性能の低下もより増長されることとなる。そして、ミキシングプレート１５がそのような状態になったことは、第２差圧センサ４２で検出される第２差圧が所定値以上となったことで判定可能である。

なお、ミキシングプレート１５に付着する化合物の結晶は、尿素水噴射ノズル１３から噴射された尿素水中の尿素が最初に熱分解反応を起こして生成するイソシアン酸（化１参照）が３分子集まってできたシアヌル酸の結晶であろうと考えられる。このシアヌル酸の結晶の融点は、およそ３６０℃であるが、エンジン負荷やエンジン回転数が相対的に小さい運転が続くと、結晶が溶融せずにミキシングプレート１５に付着し堆積してしまうのである。

図３に示すように、この排気浄化装置１０のコントロールユニット５０は、前記第１差圧センサ４１からの信号、前記第２差圧センサ４２からの信号、前記アンモニアセンサ４３からの信号、エンジン１の回転数を検出するエンジン回転数センサ４４からの信号、及び、吸気通路２を通過する吸入空気量を検出する吸入空気量センサ４５からの信号等を入力し、その結果に応じて、前記尿素水噴射ノズル１３、前記第１シャッター弁３１、前記第２シャッター弁３２、前記第３シャッター弁３３、及び、エンジン１の燃料噴射弁４６等へ制御信号を出力する。

図４は、この排気浄化装置１０のコントロールユニット５０が行う具体的制御動作の１例を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ１で、各種信号を読み込んだうえで、ステップＳ２で、運転領域がＡであるか否かを判定する。ここで、コントロールユニット５０のメモリには、図５に例示するように、エンジン回転数と、燃料噴射量（あるいは吸入空気量：すなわちエンジン負荷）とに基いて、予め設定された運転領域のマップが格納されており、コントロールユニット５０は、このマップに、現在のエンジン回転数と燃料噴射量とをあてはめることにより、現在の運転領域がＡであるか、Ｂであるか、Ｃであるかを判定するのである。

その結果、運転領域がＡである場合、つまり燃料噴射量が第１所定値未満のとき又はエンジン回転数が第１所定値未満のときは、ステップＳ３で、第２差圧センサ４２で検出される第２差圧が所定値以上か否かを判定する。つまり、前述したように、ミキシングプレート１５に、シアヌル酸と思われる化合物の結晶が相当量付着しているか否かを判定するのである。

その結果、ＮＯのときは、ステップＳ４〜Ｓ６で、第１シャッター弁３１を開とし、第２シャッター弁３２を開とし、第３シャッター弁３３を閉とする。これにより、前述したように、排気通路３を上流から流れてきた排気ガスは、第１バイパス通路２１も第２バイパス通路２２も通らずに、ミキシングプレート１５を通過した後、ＳＣＲ触媒１６に到達する。

一方、ステップＳ２でＮＯのとき、ステップＳ７で、運転領域がＢであるか否かを判定する。その結果、運転領域がＢである場合、つまり燃料噴射量が第１所定値以上で該第１所定値より大きい第２所定値未満のとき又はエンジン回転数が第１所定値以上で該第１所定値より大きい第２所定値未満のときは、ステップＳ８〜Ｓ１０で、第１シャッター弁３１を開とし、第２シャッター弁３２を閉とし、第３シャッター弁３３を閉とする。これにより、前述したように、排気通路３を上流から流れてきた排気ガスは、第２バイパス通路２２は通らないが、第１バイパス通路２１を通って、ミキシングプレート１５をバイパスした後、ＳＣＲ触媒１６に到達する。

また、ステップＳ３でＹＥＳのとき、つまり、ミキシングプレート１５に、シアヌル酸と思われる化合物の結晶が相当量付着していると判定されたときも、ステップＳ８〜Ｓ１０を実行する。

これらに対し、ステップＳ７でＮＯのとき、つまり運転領域がＣである場合、つまり燃料噴射量が第２所定値以上のとき又はエンジン回転数が第２所定値以上のときは、ステップＳ１１〜Ｓ１３で、第１シャッター弁３１を閉とし、第２シャッター弁３２を開（閉でもよい）とし、第３シャッター弁３３を開とする。これにより、前述したように、排気通路３を上流から流れてきた排気ガスは、尿素水噴射ノズル１３、ミキシングプレート１５、第１バイパス通路２１、ＳＣＲ触媒１６、及びアンモニア酸化触媒１７を通過せずに、第２バイパス通路２２を通って、排気通路３に合流する。

このように、本実施形態に係るエンジン１の排気浄化装置１０は、尿素水噴射ノズル１３から噴射された尿素水と排気ガスとのミキシングを促進するためのミキシングプレート１５が、尿素水噴射ノズル１３とＳＣＲ触媒１６との間の排気通路３に配設された構成の尿素ＳＣＲシステムでなる。そして、ミキシングプレート１５をバイパスする第１バイパス通路２１を設けて、エンジン負荷が第１所定値以上のとき又はエンジン回転数が第１所定値以上のときは（運転領域がＢの場合：ステップＳ２でＮＯ）、第１バイパス通路２１を開くようにしたから（ステップＳ８〜Ｓ１０）、尿素水噴射ノズル１３で供給された尿素水及び排気ガスは、ミキシングプレート１５を通過せずにＳＣＲ触媒１６に到達することとなる。

ここで、エンジン負荷が第１所定値以上のとき又はエンジン回転数が第１所定値以上のときは（ステップＳ２でＮＯ）、時間当たりの排気ガスの排出量が多く、排気通路３内での排気ガスの圧力及び流速が高くなるから、排気ガスの乱流度が増し、尿素水と排気ガスとのミキシング性が向上している。したがって、尿素水及び排気ガスは、ミキシングプレート１５を通過しなくても、尿素水が排気ガス中で十分に分散された状態でＳＣＲ触媒１６に到達し、その結果、アンモニアスリップの問題や、ＮＯｘ浄化性能低下の問題が回避されることとなる。

一方、エンジン負荷が第１所定値以上のとき又はエンジン回転数が第１所定値以上のときは（ステップＳ２でＮＯ）、排気ガスがミキシングプレート１５をバイパスすることによって、該ミキシングプレート１５が排気通路３に配設されることによる排気抵抗の増加に伴う出力性能低下の問題も同時に回避されることとなる。特に、エンジン負荷が第１所定値以上のときは高トルクが要求されているときであるから、出力性能低下の問題が回避される利益は大きい。

また、ミキシングプレート１５の直上流と直下流との差圧（第２差圧）が所定値以上のときは（ステップＳ３でＹＥＳ）、エンジン負荷が第１所定値以上でなくても又はエンジン回転数が第１所定値以上でなくても（運転領域がＡの場合：ステップＳ２でＹＥＳ）、第１バイパス通路２１を開くようにしたから（ステップＳ８〜Ｓ１０）、尿素水噴射ノズル１３で供給された尿素水及び排気ガスは、ミキシングプレート１５を通過せずにＳＣＲ触媒１６に到達することとなる。

ここで、ミキシングプレート１５の直上流と直下流との間の第２差圧が所定値以上のとき（ステップＳ３でＹＥＳ）というのは、尿素から派生したシアヌル酸と思われる化合物の結晶がミキシングプレート１５に付着し堆積することにより、該ミキシングプレート１５に形成された開口１５ｃがさらに狭くなって、ミキシングプレート１５による排気抵抗の増加がより増長され、それに伴い出力性能の低下もより増長されているときであるから、そのような場合に、排気ガスがミキシングプレート１５をバイパスすることによって、増長された前記不具合が回避される利益は大きい。

また、本実施形態に係るエンジン１の排気浄化装置１０においては、前記第１バイパス通路２１に加えて、ＳＣＲ触媒１６をバイパスする第２バイパス通路２２を設けて、エンジン負荷が第１所定値未満のとき又はエンジン回転数が第１所定値未満のときは（運転領域がＡの場合：ステップＳ２でＹＥＳ）、第１バイパス通路２１も第２バイパス通路２２も共に閉じるようにしたから（ステップＳ４〜Ｓ６）、尿素水及び排気ガスは、ミキシングプレート１５を通過してＳＣＲ触媒１６に到達し、さらに該ＳＣＲ触媒１６を通過することとなる。この場合、尿素水の十分な分散がミキシングプレート１５によって確保されて、排気ガス中のＮＯｘが良好に窒素と水とに還元され、排出されることとなる。

また、エンジン負荷が第１所定値以上で第２所定値未満のとき又はエンジン回転数が第１所定値以上で第２所定値未満のときは（運転領域がＢの場合：ステップＳ７でＹＥＳ）、第１バイパス通路２１を開き、第２バイパス通路２２を閉じるようにしたから（ステップＳ８〜Ｓ１０）、尿素水及び排気ガスは、ミキシングプレート１５をバイパスしてＳＣＲ触媒１６に到達し、さらに該ＳＣＲ触媒１６を通過することとなる。この場合は、エンジン負荷が第１所定値未満のとき又はエンジン回転数が第１所定値未満のときに比べて、排気通路３内での排気ガスの圧力及び流速が高くなって排気ガスの乱流度が増すことにより、尿素水の十分な分散が確保されて、排気ガス中のＮＯｘが良好に窒素と水とに還元され、排出されることとなる。

そして、エンジン負荷が第２所定値以上のとき又はエンジン回転数が第２所定値以上のときは（運転領域がＣの場合：ステップＳ７でＮＯ）、第１バイパス通路２１も第２バイパス通路２２も共に開くようにしたから（ステップＳ１１〜Ｓ１３）、排気ガスは、ミキシングプレート１５もＳＣＲ触媒１６も共にバイパスすることとなる。この場合は、ミキシングプレート１５が排気通路３に配設されることによる排気抵抗の増加に伴う出力性能低下の問題に加えて、ＳＣＲ触媒１６が排気通路３に配設されることによる排気抵抗の増加に伴う出力性能低下の問題も同時に回避されることとなる。特に、エンジン負荷が第２所定値以上のときは高トルクが要求されているときであるから、出力性能低下の問題が２重（ミキシングプレート１５による排気抵抗の増加とＳＣＲ触媒１６による排気抵抗の増加との２つの問題）に回避される利益は大きい。しかも、エンジン負荷が第２所定値以上のときは燃料噴射量が多く、排気ガス温度が高いから、高温の排気ガスがＳＣＲ触媒１６に流れ込むことによる該ＳＣＲ触媒１６の熱劣化の問題も回避される。なお、この場合は、排気ガスがＳＣＲ触媒１６もバイパスするから、尿素水噴射ノズル１３からの尿素水の供給は停止することとなる。

次に、本発明の第２の実施形態を説明する。ただし、前述の実施形態と同じ又は類似する部分の説明は省略し、前述の実施形態と異なる特徴部分のみ説明する。また、前述の実施形態と同じ又は相当する構成要素には同じ符号を用いる。

この第２実施形態では、図６に示すように、第１バイパス通路２１はミキシングプレート１５のみバイパスし、第２バイパス通路２２はＳＣＲ触媒１６（及びアンモニア酸化触媒１７）のみバイパスする。そして、第１バイパス通路２１に第１シャッター弁１０１が備えられ、第２バイパス通路２２に第２シャッター弁１０２が備えられている。

この場合、排気浄化装置１０のコントロールユニット５０が行う具体的制御動作は、およそ図７に示す通りである。

すなわち、ステップＳ５１で、各種信号を読み込んだうえで、ステップＳ５２で、運転領域がＡであるか否かを判定する。その結果、運転領域がＡである場合は、ステップＳ５３で、第２差圧センサ４２で検出される第２差圧が所定値以上か否かを判定する。その結果、ＮＯのときは、ステップＳ５４，Ｓ５５で、第１シャッター弁１０１を閉とし、第２シャッター弁１０２を閉とする。つまり、第１バイパス通路２１も第２バイパス通路２２も共に閉じるようにする。これにより、排気通路３を上流から流れてきた排気ガスは、第１バイパス通路２１も第２バイパス通路２２も通らずに、ミキシングプレート１５を通過した後、ＳＣＲ触媒１６に到達することとなる。

一方、ステップＳ５２でＮＯのとき、ステップＳ５６で、運転領域がＢであるか否かを判定する。その結果、運転領域がＢである場合は、ステップＳ５７，Ｓ５８で、第１シャッター弁１０１を開とし、第２シャッター弁１０２を閉とする。つまり、第１バイパス通路２１を開き、第２バイパス通路２２を閉じるようにする。これにより、排気通路３を上流から流れてきた排気ガスは、第１バイパス通路２１を通ってミキシングプレート１５をバイパスした後、第２バイパス通路２２を通らずにＳＣＲ触媒１６に到達する。

また、ステップＳ５３でＹＥＳのとき、つまり、ミキシングプレート１５に、シアヌル酸と思われる化合物の結晶が相当量付着していると判定されたときも、ステップＳ５７，Ｓ５８を実行する。

これらに対し、ステップＳ５６でＮＯのとき、つまり運転領域がＣである場合は、ステップＳ５９，Ｓ６０で、第１シャッター弁３１を開とし、第２シャッター弁３２を開とする。つまり、第１バイパス通路２１も第２バイパス通路２２も共に開くようにする。これにより、排気通路３を上流から流れてきた排気ガスは、第１バイパス通路２１を通ってミキシングプレート１５をバイパスした後、第２バイパス通路２２を通ってＳＣＲ触媒１６及びアンモニア酸化触媒１７もバイパスする。なお、この場合は、排気ガスがＳＣＲ触媒１６もバイパスするから、尿素水噴射ノズル１３からの尿素水の供給は停止することとなる。

第１実施形態と第２実施形態とを比較すると、第１実施形態では、運転領域がＣのとき、排気ガスが第２バイパス通路２２を通過する場合に、たとえ尿素水噴射ノズル１３から尿素水が供給されても、該ノズル１３の下流にＳＣＲ触媒１６及びアンモニア酸化触媒１７があるので、アンモニアスリップの問題が回避されるという利点があり、第２実施形態では、第２バイパス通路２２を短くできるという利点がある。

なお、前記実施形態は、本発明の最良の実施形態ではあるが、特許請求の範囲を逸脱しない限り、さらに種々の修正や変更を施してよいことはいうまでもない。

以上、具体例を挙げて詳しく説明したように、本発明は、排気ガス中のＮＯｘを低減する尿素ＳＣＲシステムにおいて、排気通路内での尿素水の十分な分散を図るためのミキシング手段を備えた場合に、排気通路内での尿素水の十分な分散を確保しながら、ミキシング手段が排気通路に配設されることによる排気抵抗の増加に伴う出力性能低下の問題を抑制することが可能な技術であるから、エンジンの排気浄化装置、特に、エンジンの排気ガスに含まれる窒素酸化物の低減を図るエンジンの排気浄化装置の技術分野において広範な産業上の利用可能性が期待される。

本発明の最良の実施形態に係るエンジンの排気浄化装置の全体構成図である。前記排気浄化装置に備えられたミキシング手段としてのミキシングプレートの（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ矢視断面図である。前記排気浄化装置の制御システム図である。前記排気浄化装置のコントロールユニットが行う具体的制御動作の１例を示すフローチャートである。前記制御動作で用いられる運転領域のマップである。本発明の第２の実施形態に係るエンジンの排気浄化装置のミキシングプレート及び選択還元触媒としてのＳＣＲ触媒の周辺の構成図である。前記第２実施形態においてコントロールユニットが行う具体的制御動作の１例を示すフローチャートである。

符号の説明

１エンジン
３排気通路
１０エンジンの排気浄化装置
１３尿素水噴射ノズル（尿素還元剤供給手段）
１５ミキシングプレート（ミキシング手段）
１６ＳＣＲ触媒（選択還元触媒）
２１第１バイパス通路（バイパス通路）
２２第２バイパス通路
３１第１シャッター弁（第２制御弁）
３２第２シャッター弁（制御弁）
３３第３シャッター弁（第２制御弁）
４２第２差圧センサ（差圧検出手段）
５０コントロールユニット（制御手段）
１０１第１シャッター弁（制御弁）
１０２第２シャッター弁（第２制御弁）

Claims

エンジンの排気通路に配設され、排気ガス中のＮＯｘを選択還元する選択還元触媒と、
この選択還元触媒の上流の排気通路に尿素還元剤を供給する尿素還元剤供給手段と、
この尿素還元剤供給手段と前記選択還元触媒との間の排気通路に配設され、前記尿素還元剤供給手段で供給された尿素還元剤と排気ガスとのミキシングを促進するためのミキシング手段とを有するエンジンの排気浄化装置であって、
前記尿素還元剤供給手段の下流と前記選択還元触媒の上流とを連通して前記ミキシング手段をバイパスするバイパス通路と、
このバイパス通路の連通状態を制御可能な制御弁と、
この制御弁の作動状態を制御する制御手段とが備えられ、
前記制御手段は、エンジン負荷が所定値以上のとき又はエンジン回転数が所定値以上のとき、前記バイパス通路が開くように前記制御弁を制御することを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置であって、
前記ミキシング手段の直上流と直下流との差圧を検出する差圧検出手段が備えられ、
前記制御手段は、前記差圧検出手段で検出された差圧が所定値以上のときは、エンジン負荷が所定値以上でなくても又はエンジン回転数が所定値以上でなくても、前記バイパス通路が開くように前記制御弁を制御することを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置であって、
前記選択還元触媒をバイパスする第２のバイパス通路と、
この第２バイパス通路の連通状態を制御可能な第２の制御弁とが備えられ、
前記制御手段は、この第２制御弁の作動状態も制御すると共に、
前記制御手段は、エンジン負荷が所定値未満のとき又はエンジン回転数が所定値未満のとき、前記バイパス通路が閉じ、前記第２バイパス通路が閉じるように前記制御弁及び前記第２制御弁を制御し、エンジン負荷が所定値以上で該所定値より大きい第２の所定値未満のとき又はエンジン回転数が所定値以上で該所定値より大きい第２の所定値未満のとき、前記バイパス通路が開き、前記第２バイパス通路が閉じるように前記制御弁及び前記第２制御弁を制御し、エンジン負荷が第２所定値以上のとき又はエンジン回転数が第２所定値以上のとき、前記バイパス通路が開き、前記第２バイパス通路が開くように前記制御弁及び前記第２制御弁を制御することを特徴とするエンジンの排気浄化装置。