JP2009114978A - 尿素水注入装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気ヒータの故障等の異常を検知する手段を備え、検知された結果を制御等に反映させることができる尿素水注入装置を提供する。
【解決手段】エンジンの排気を排出する排気煙道２０へ尿素水を噴射する第１噴射弁１１を備えた噴射装置１０と、電源部６０から電力の供給を受けて前記第１噴射弁１１の後流の前記排気煙道２０を加熱する電気ヒータ４０と、前記噴射装置１０と前記電気ヒータ４０の作動とを制御する制御部３０と、を備えた尿素水注入装置であって、前記電気ヒータ４０は、前記電源部６０からの電力を供給もしくは遮断する動作を行うスイッチ４１と、供給される電力に対応する電流を検知する電流検知回路４２と、前記スイッチ４１の前記動作の状態を検出するとともに、前記電流検知回路４１の検知結果を取得し、前記動作の状態と前記検知結果とから前記電気ヒータ４０の異常発生を検出する故障検出手段４３と、を備えた構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、尿素水注入装置に係り、特にディーゼルエンジンの排気浄化装置の電気ヒータを備えた尿素水注入装置に関する。

車両、船舶、建設機械及び農業機械等では、原動機として、ディーゼルエンジンが多く利用されている。このディーゼルエンジンの排気ガスには、有害な窒素酸化物が含まれており、窒素酸化物を還元処理することが求められている。

ディーゼルエンジンの還元処理としては、選択還元型触媒（以下、「脱硝触媒」という）を使って窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」という）を低減するＳｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ（以下、「ＳＣＲ」という）と呼ばれる手法がある。
ＳＣＲは、排気ガスが排出される排気管の途中に、酸素共存下でも選択的にＮＯｘを還元剤と反応させる性質を備えた脱硝触媒を装備し、この脱硝触媒の上流側に必要量の還元剤（炭化水素、アンモニア又はその前駆体）を添加する。そして、この還元剤を脱硝触媒上で排気ガス中のＮＯｘと還元反応させ、これによりＮＯxの排出濃度を低減し得るようにしたものである。

アンモニアを還元剤とする場合には、尿素がアンモニアの供給源として使用され、この手法は、特に尿素ＳＣＲと呼ばれている。アンモニアの生成は、尿素の加水分解反応によってなされ、周囲の温度に依存する。従って、尿素の加水分解反応は、周囲の温度が高温のときには自然に生ずるが、周囲温度を決定する排気温度が低いときには後流に配設された脱硝触媒に至るまで反応が生じない場合がある。

車両の分野においては、排気が脱硝触媒に到達する以前に、アンモニアを生成する方法として、尿素水をタンクに貯蔵しておき、運転に際し、このタンクから供給された尿素水を排気煙道内に噴射し、排気の熱を利用して尿素水を気化し、尿素の加水分解反応を促進させ、アンモニアを生成させる尿素水注入装置を備えた排気浄化の技術が知られている（例えば、特許文献１）。

ところが、例えば、エンジン始動時には排気ガス温度が低く、排気の熱で尿素水を完全に気化せず、噴射した尿素水が排気管に付着し、排気管に尿素を堆積させてしまうおそれがある。これを防止する手段として、排気管の周囲に電気ヒータを配置することによって尿素の付着を防止する技術も知られている（例えば、特許文献２）。
特開２０００−０２７６２７号公報 特開２００５−２１４１７５号公報

前記した尿素水注入装置における電気ヒータによる尿素水の加熱は、排気温度の高低に依存せず、還元剤であるアンモニアを供給することができる。しかし、電気ヒータが断線などの故障を起こした場合、尿素水の気化が十分に行えず、尿素が排気管の内部に析出し、堆積するおそれがある。さらに、この堆積した尿素は、排気ガスの温度が上昇した時に一気に気化し、大量のアンモニアを生成させるおそれがある。発生したアンモニアのうち、脱硝触媒による還元反応に使用されなかったアンモニアは、そのまま大気に放出されるという問題が生ずるおそれがある。

前記の問題を解決するために、例えば、電気ヒータの故障により排気管に析出する尿素を検知するセンサを備え、尿素の析出を検知出来たとしても、以後の析出を防止するために、尿素水の注入を止めてしまうと、脱硝触媒への還元剤の供給が止まり、ＮＯｘの処理が出来なくなり、大気に放出される排気ガスが悪化する問題があった。そして、このようなセンサや制御系をシステムに組み込むことは、複雑にならざるを得ず、動作の信頼性等の問題も生じるおそれがあった。

本発明は、電気ヒータの故障等の異常を検知することができる尿素水注入装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明は、エンジンの排気を排出する排気煙道へ尿素水を噴射する第１噴射弁を備えた噴射装置と、電源部から電力の供給を受けて前記第１噴射弁の後流の前記排気煙道を加熱する電気ヒータと、前記噴射装置と前記電気ヒータの作動とを制御する制御部と、を備えた尿素水注入装置であって、前記電気ヒータは、前記電源部からの電力を供給もしくは遮断する動作を行うスイッチと、供給される電力に対応する電流を検知する電流検知回路と、前記スイッチの前記動作の状態を検出するとともに、前記電流検知回路の検知結果を取得し、前記動作の状態と前記検知結果とから前記電気ヒータの異常発生を検出する故障検出手段と、を備えたことを特徴としている。

前記構成によれば、電気ヒータのスイッチの動作状態と、供給される電力の電流の検知結果とによって、電気ヒータの異常発生を検出することができる。

このような尿素水注入装置の構成によれば、前記した問題を解決し、電気ヒータの故障等の異常を検知する手段を備え、検知された結果を制御等に反映させられる尿素水注入装置を提供することができる。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る尿素水注入装置を備えた排気浄化装置の全体構成を示す説明模式図である。なお、以下の実施形態では、ディーゼルエンジンを例として説明するが、排気中にＮＯｘが含まれるエンジンであれば、本発明が適用できることは言うまでもない。

図１に示すように、本実施形態に係る排気浄化装置１００は、燃焼後の排気をエンジン内から外へ放出する排気煙道２０を備える。
排気煙道２０は、本流通路２１と分流通路２２を備える。分流通路２２は、排気の一部を分流させ（矢印ＩＮ２）、尿素水を注入した分流排気を、再び本流通路２１を流れる本流排気に合流させる（矢印ＯＵＴ２）通路である。この分流通路２２には、上流から順に分流噴射弁１１（特許請求の範囲における「第１噴射弁」）、分流発熱体４５、加水分解触媒８０が配設されている。

そして、本流通路２１は、上流側（図１の左側、エンジン燃焼室側）から順に、流入する排気（矢印ＩＮ）に乱れを与え、分流通路２２から本流通路２１へ流入する（矢印ＯＵＴ２）分流排気と本流通路２１の排気とを均一に混合させるための旋回翼７０と、排気煙道２０内を流れる排気の温度を計測するための温度計３１と、ＮＯｘの還元反応を行う脱硝触媒５０とを備え、ＮＯｘが還元処理された排気を大気へ放出（矢印ＯＵＴ）している。

なお、本実施形態に係る尿素水注入装置１１０は、噴射装置１０と、電気ヒータ４０と、制御部３０とで構成されており、排気浄化装置１００の一部を構成している。

噴射装置１０は、尿素水タンク１３からポンプ１４で加圧し、導管１５を通して供給された尿素水を、分流噴射弁１１によって噴射する装置であって、必要な量の尿素水が注入されるよう、弁の開閉を繰り返しながら、開弁時間と閉弁時間の割合によって尿素水の噴射量を調整する。この分流噴射弁１１の開閉は制御部３０によって運転される。

分流噴射弁１１は、細孔から尿素水を噴出させることにより、尿素水を噴霧状にして、微粒化による気化の促進を図るものである。
分流噴射弁１１によって噴射された尿素水は、分流発熱体４５による加熱によって気化される。気化は、水分の気化が先行して、粉状の尿素ができ、そこからさらに加熱を受けると、尿素の熱分解が起こり、気体となる形態である。粉状になった尿素もしくは熱分解を起こした気体は、加水分解触媒８０を通過することで、加水分解反応が起こり、完全なアンモニアガスになる。

加水分解触媒８０の環境は、尿素水の気化で発生した水蒸気と、排気に含まれている水蒸気とで水分が十分にある環境となっており、２５０℃程度以上の温度にあれば、加水分解反応が十分に進む。このため、主流の排気温度が２００℃を下回るような低排気温度であっても、分流発熱体４５と加水分解触媒８０の効果によって、尿素水から十分にアンモニアガスを生成することが可能になる。このため、分流噴射弁１１が尿素水を噴射している時は、生成されたアンモニアガスが、分流排気とともにに搬送されて分流通路２２から放出される（矢印ＯＵＴ２）。

分流通路２２の出口は旋回翼７０の裏側に備えられる。分流通路２２を通らず本流通路２１を流れる本流排気は、旋回翼７０を通過し、乱れを生じ、分流通路２２から流入する分流排気との混合が促進されるからである。さらに、本流通路２１は、図１に示すように旋回翼７０の前後で流路面積の絞り２３を備える。こうすることによって、排気の流速が増加し、動圧が増加することで、静圧が低下する。

本流通路２１を通過する本流排気と、分流通路２２を通過する分流排気とが合流する際は、合流部での静圧が同じになるように、両方の排気間の流量比が決定されている。分流通路２２は、加水分解触媒８０があることなどで圧力損失が大きくなり易い。流量比を維持するためには、分流通路２２を通過する分流排気の流量を確保する必要があり、本流通路２１を通過する本流排気が、分流通路２２を通過する分流排気を吸引する構成が望ましい。このために、前記したように、旋回翼７０を有する本流通路２１は絞り２３を備えており、静圧を低下させることで分流排気が本流通路２１側へ吸引される構成としている。

絞り２３で、本流通路２１を通過する本流排気と、分流通路２２を通過する分流排気とを合流させることは、両方の排気の混合に対しても有利になる。さらに、旋回翼７０が生み出す渦によっても、排気の混合が促進される。同時に、旋回翼７０は、本流通路２１を流れる本流排気に圧力損失を与えるため、分流通路２２を流れる分流排気との合流部より上流に配設される。このように配設される旋回翼７０によって、本流通路２１を通過する排気が、分流通路２２を通過する排気を効果的に吸引する。

電気ヒータ４０は、分流発熱体４５と、スイッチ４１と、電流検知回路４２と、を有してなり、分流発熱体４５は、スイッチ４１の一端と電源部６０とつながれ、スイッチのＯＮ／ＯＦＦによって、分流発熱体４５への通電が供給または遮断される。

電気ヒータ４０の運転を詳細に説明すると、制御部３０がスイッチ４１に信号を送り、電源部６０と分流発熱体４５とを結ぶ配線の途中に配設されたスイッチ４１をＯＮ／ＯＦＦさせ、分流発熱体４５へ通電を供給または遮断する。
電源部６０の電圧を、電気ヒータ４０で消費する電力と比べて十分に高く設定することは、他の電気機器との兼ね合いから、設計上困難な面が多く、その結果、電圧は低くなり、電気ヒータ４０に流れる電流は高めになりやすい。高電流を制御部３０で直接扱うと、電流のＯＮ／ＯＦＦ時に発生する電磁ノイズが制御信号に干渉し、制御動作に不具合をもたらす可能性がある。これを解決するために、制御部３０は、スイッチ４１のＯＮ／ＯＦＦ情報のみを制御対象にし、電気ヒータ４０の電力を直接には扱わないようにしている。

本実施形態では、スイッチ４１と電流検知回路４２とを一体化してスイッチユニット４３としている。スイッチユニット４３には、スイッチ４１と、電流検知回路４２との動作結果の組み合わせで電気ヒータ４０の故障を判定する論理回路（図示せず）も合わせてユニット化（特許請求の範囲における「電気ヒータ４０の異常発生を検出する故障検出手段」）されている。このように、スイッチユニット４３を構成することで、制御部３０から、電気ヒータ４０に係る回路を分離することができる。制御部３０は、電気ヒータ４０の電力供給または遮断という高電流を扱う必要がなくなり、設計が容易となり、かつ故障を減少させることができる。
ここで、スイッチ４１は信号が入力されたときにＯＮになるタイプ、すなわち排気浄化装置１００が停止した場合は自動的にＯＦＦになるタイプが、フェイルセーフの観点から望ましい。

スイッチ４１が故障して、ＯＦＦにできなくなることを防止するためには、スイッチ４１と直列に配置された新たなスイッチを追加することも可能である（図示せず）。この追加直列スイッチについても信号を入力したときのみＯＮになるタイプが、望ましい。この場合、通常のシステム動作中は、常に、追加直列スイッチにＯＮの信号を与え、スイッチ４１が故障してＯＦＦにならなくなった場合にのみ、スイッチ４１の替わりに追加直列スイッチがＯＮ／ＯＦＦの動作を行うようにすると、スイッチの動作回数を減らせて、寿命を延ばすことができる。

次に、スイッチ４１が故障して、ＯＮにできなくなることを防止するためには、スイッチ４１と並列に配置された新たなスイッチを追加することも可能である（図示せず）。この追加並列スイッチは信号が入力されたときのみＯＮになるタイプが、フェイルセーフの観点から望ましい。この場合、通常のシステム動作中は、追加並列スイッチをＯＦＦの状態にしておき、スイッチ４１が故障してＯＮにならなくなった場合にのみ、スイッチ４１の替わりに追加並列スイッチがＯＮ／ＯＦＦの動作を行うようにすることもできる。
これらの追加直列スイッチ及び追加並列スイッチの動作は、新たなスイッチを追加せずに、電流検知回路４２の検知結果に応じて、スイッチユニット４３の内部に納めた論理回路によって作動させることもできる。

電流検知回路４２は、分流発熱体４５、スイッチ４１と電源部６０とを結ぶ配線の途中に配置される。制御部３０もしくは電気ヒータ４０の異常発生を判定する故障検出手段であるスイッチユニット４３は、電流検知回路４２の検知結果から分流発熱体４５を含む電気ヒータ４０の断線を検知することができる。
詳しくは、制御部３０もしくはスイッチユニット４３は、スイッチ４１をＯＮにしているときに、電流検知回路４２で電流が検知されない場合、電気ヒータ４０のどこかが断線していると判定することができる。

電流検知回路４２に流れる電流は、正常であれば、電源部６０の電圧を、電気ヒータ４０の各構成と配線の合計の電気抵抗で割った値になる。しかし、電流検知回路４２に流れる電流が、前記した正常状態を基準にして決めた所定の閾値を下回った場合、電気ヒータ４０に故障が発生したと推定することができる。通常、電気ヒータ４０は、前記したような低い電圧のもとでは大きな電流を必要とすることから、電流検知回路４２に流れる電流も大きくなり、感度の低い電流検知回路４２でも十分な電流検知が可能となり、簡素な回路構成で電気ヒータ４０の故障診断を行うことができる。

制御部３０は、尿素水タンク１３の残量に関するセンサ（図示せず）など、各センサからの情報を得て、尿素水ポンプ１３や分流噴射弁１１等を運転すると同時に、エンジンの作動を統御しているエンジンコントロールユニット（図示せず）とも通信しながら、分流噴射弁１１から噴射される尿素水の注入量を制御し、尿素水注入装置１１０を最適状態で運転させている。

制御部３０は、噴射装置１０を制御するにあたって、まず、尿素水の注入量を決定する。尿素水の注入量の決定には、エンジンで発生しているＮＯｘ量に比例させる方法、脱硝触媒５０に蓄積されるアンモニア量を目標値になるように決める方法、脱硝触媒５０の下流のＮＯｘ濃度をフィードバックさせて決める方法、これらを組合せる方法などがあり、限定はされない。また、いずれの方法においても、エンジンにおけるＮＯｘ発生量を知る必要があり、これはエンジンコントロールユニットからの通信により得るか、エンジンのトルクや回転速度などの負荷情報から事前に作成したマップデータを参照して推定するか、排気煙道２０にＮＯｘセンサーを取り付けて得るか、のいずれによっても得ることができる。

制御部３０は、排気温度に基づいて電気ヒータ４０を運転するが、この排気温度も、エンジンコントロールユニットからの通信により得るか、エンジンのトルクや回転数などの負荷情報から推定するか、排気煙道２０に取り付けた温度計３１から得るか、のいずれかによって得ることができる。

分流噴射弁１１から噴射された尿素水の変化について簡単に説明する。
分流噴射弁１１によって噴射された尿素水は、分流発熱体４５による加熱され、気化する。気化は、水分の気化が先行し、次に粉状の尿素ができ、そこからさらに加熱されると、尿素の熱分解が起こり、気体になる形態となる。粉状になった尿素もしくは熱分解を起こしたものは、分流発熱体４５と排気によって加熱された排気煙道２０の二つの熱源によって加熱され、加水分解反応が促進され、アンモニアガスを生成する。

図２は、本実施形態の尿素水注入装置を運転する際の全体フローチャートであり、後記する第２実施形態においても、原則的にこのフローチャートが適用される。以下、図１も併せて参照して、尿素水注入装置１１０の運転について説明する。
制御部３０は、このフローチャートに従った運転を行う。尿素水注入装置１１０は、エンジンの始動とともに起動され、Ｓ０１でシステムの状態を読み込み、Ｓ０２で全てのコンポーネントに異常がないかをチェックする。ここで異常がなかった場合は（Ｓ０２がＮｏ）、Ｓ０３に進み、通常運転モードでシステムの排気処理システムの運転を行う。Ｓ０２で異常ありとなった場合は（Ｓ０２がＹｅｓ）、Ｓ０４に進み、その異常が、電気ヒータ４０の断線であるのか、それ以外の故障であるのかを判定する。Ｓ０４で、電気ヒータ４０以外の故障と判定された場合は（Ｓ０４がＮｏ）、Ｓ０６に進み、故障モード（１）を実施し、電気ヒータ４０の断線と判定された場合は（Ｓ０４がＹｅｓ）、Ｓ０５に進み、故障モード（２）を実施する。

故障モード（１）に至る故障の例としては、尿素水タンク１３の残量がなくなった場合や、尿素水タンク１３に尿素水以外のものが補充された場合などが該当する。故障モード（１）に入った場合は、システムに故障があることを運転者に知らせるとともに、尿素水ポンプ１４や分流噴射弁１１などの噴射装置１０を停止し、かつ、電気ヒータ４０も停止する。さらに、運転者に故障の回復を促すために、エンジンの出力を制限し、運転者に不便さを感じさせることや、エンジンを止めた後の再起動を禁止する処置を行うことで、排気が悪化した状態を継続させないようにすることもできる。さらに、エンジンの運転が広域で監視されているような場合は、監視者に故障の発生を自動的に発信し、監視者から故障の回復を運転者に促してもよい。

尿素水タンク１３の残量を知るためには、残量を計測するための残量センサ（図示せず）をタンクに設け、常に監視しておく必要がある。尿素水以外のものが補充されたかどうかを知るためには、尿素水タンク１３に品質センサ（図示せず）を設けることにより、標準の尿素水と性質が異なる場合に、品質センサで検知することができる。

尿素水の残量センサは、残量の有無を調べる他、残量の変化量と、噴射量の指令値とを比較することで、尿素水噴射系の異常を調べることができる。すなわち、尿素水の噴射を指令し続けているにも関わらず、尿素水タンクの残量に変化がない場合は、尿素水噴射装置１０のどこかに故障があって、尿素水が噴射されていないと考えられることから、故障モード（１）を実施して、運転者に修理を促すことが好ましい。

この他、脱硝触媒５０の前後にＮＯｘセンサ（図示せず）を設け、触媒下流側のＮＯｘ濃度が上流側のＮＯｘ濃度より下がっていない場合にも、尿素水注入装置１１０に故障があると判定し、故障モード（１）を実施してもよい。
故障モード（１）以外のＳ０３とＳ０５では運転を継続し、Ｓ０１に戻ることから、運転を続けている間は常に故障の有無がチェックされる。

図３は、本実施形態における尿素水注入装置１１０を、通常運転モードで運転する際のフローチャートを表している。
本実施形態における通常運転モードは、まず、Ｓ０７でエンジンから排出されているＮＯｘ量を取得する。この取得方法は、ＮＯｘセンサーで計測する方法の他、エンジンの状態から推定する方法などがある。Ｓ０７で得られたＮＯｘ量から、Ｓ０８でＮＯｘ処理に必要な尿素水の注入量を算出する。Ｓ０９で排気温度Ｔを取得する。なお、取得の手段としては、温度センサーで計測する方法の他、エンジンの状態から推定する方法がある。

Ｓ０９で排気温度Ｔを取得した後、Ｓ１０で、排気温度Ｔとの関係で、電気ヒータ４０をＯＦＦにした状態で、尿素の析出を起こさずに噴射することが可能な最大限の尿素水噴射量を算出する。すなわち、分流通路２２に流れる排気の熱だけで、尿素水を気化させ、尿素の析出を起こさずに済む最大限の尿素水量を算出する。Ｓ１１で、Ｓ０８で算出した必要な尿素水量と、Ｓ１０で算出した最大限噴射可能な尿素水量を比較する。必要量が可能な量以下であれば（Ｓ１１がＹｅｓ）、Ｓ１２で、電気ヒータ４０をＯＦＦにし、Ｓ１３で、必要な量の尿素水を分流噴射弁１１によって注入する。

Ｓ１１の判定で、必要量が可能な量を超えた場合は（Ｓ１１がＮｏ）、Ｓ１４で電気ヒータ４０をＯＮにする。Ｓ１５で、排気温度Ｔとの関係で、電気ヒータ４０をＯＮにした上で尿素の析出を起こさずに噴射することが可能な最大限の噴射量を算出する。すなわち、分流通路２２に流れる排気から得られる、もしくは奪われる熱量と、電気ヒータ４０の発熱を総合した熱量で、尿素水を気化させ、尿素の析出を起こさずに済む最大限の尿素水噴量を算出する。

Ｓ１６で、Ｓ０８で算出した必要な尿素水量と、Ｓ１５で算出した最大限噴射可能な尿素水量を比較する。必要量が可能な量以下であれば（Ｓ１６がＹｅｓ）、Ｓ１７で必要な量の尿素水を分流噴射弁１１によって注入する。必要量が可能な量を超える場合は（Ｓ１６がＮｏ）、Ｓ１８で、可能な量だけの尿素水を分流噴射弁１１によって注入する。この場合も、ＮＯｘ低減を最大化するより、尿素の析出防止を優先した動作となる。

以上の手順で運転を行い、かつ、脱硝触媒５０の前後のＮＯｘ濃度を計測していて、脱硝触媒５０の後流のＮＯｘ濃度が低下しなくなった場合、このような脱硝率の悪化具合に応じて以下の運転に切り替えることも可能である。すなわち、全く脱硝しなくなった場合は、尿素水が噴射されていないと見なし、故障モード（１）に移行する。ある程度は脱硝しているが脱硝率が低下したような場合は、電気ヒータ４０が断線したと見なして、故障モード（２）に移行することもできる。

図４は、本実施形態における尿素水注入装置１１０を、故障モード（２）で運転する際のフローチャートを表す。故障モード（２）は、前記の通り、電気ヒータ４０の断線のみが起きていて、他の故障は起きていない時に行う運転である。
本実施形態における故障モード（２）では、Ｓ１９で電気ヒータ４０のスイッチ４１をＯＦＦにして、ヒータの断線が不意に回復した場合のトラブルを未然に防止する。次に、Ｓ２０で、故障が発生したことを表示して、運転者に知らせる。次のＳ０７からＳ０９までは、通常運転モードと同じ動作をおこなう。

その後の、Ｓ１０からＳ１３までも、本実施形態における通常運転モードと同じである。Ｓ１１の判定で、必要量が可能な量を超えた場合は（Ｓ１１がＮｏ）、Ｓ２１で、可能な量だけの尿素水を分流噴射弁１１によって注入する。すなわち、分流通路２２に流れる排気の熱だけで、尿素水を気化させ、尿素の析出を起こさずに済む最大限の尿素水量を注入し、ヒータが断線していても行える最大限のＮＯｘ処理を行う。

このように、尿素水の気化を図る電気ヒータ４０を排気を分流させた分流通路２２に備えることで、電気ヒータ４０の省電力化が図れ、もともとの電力の供給源となるエンジンの負荷を減らすことができ、エンジンの燃料消費量を削減して燃費を良くすることが可能になるとともに、排気ガスのＣＯ２を削減することが可能になる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について図面を参照して説明する。なお、第１実施形態と重複する部分は省略し、差異のある部分を中心に説明する。また、第１実施形態と同じ構成については、同じ参照番号を用いる。図５は、本実施形態に係る尿素水注入装置の全体構成を示す説明模式図である。

本実施形態に係る尿素水注入装置２１０を備えた排気浄化装置２００では、図５に示すように、第１実施形態における本流通路２１にさらに尿素水の噴射弁である本流噴射弁１２を配設している。この本流噴射弁１２は、排気煙道２０の本流通路２１に直接、尿素水を噴射するものであり、特許請求の範囲における「第２噴射弁」に相当する。

分流噴射弁１１および本流噴射弁１２は、尿素水タンク１３から供給し、尿素水ポンプ１４で加圧した尿素水を噴射する弁であって、必要な量の尿素水が注入されるよう、弁の開閉を繰り返しながら、開弁時間と閉弁時間の割合によって尿素水の噴射量を調整する。本流噴射弁１２と分流噴射弁１１は、細孔から尿素水を噴出させることにより、尿素水を噴霧状にして、微粒化による気化の促進を図っている。

本流噴射弁１２は、噴射した噴霧が直接排気と混合するように、本流通路２１に配設される。また、本流噴射弁１２から噴射された噴霧が排気全体に均一に分散するようにするため、噴霧の一部を反射して、飛散させる衝突板などを本流通路２１の内部に設置することも有効である。

本流噴射弁１２と分流噴射弁１１の使い分けや、電気ヒータ４０の運転は、排気温度に基づいて行うが、排気温度も、エンジンコントロールユニットからの通信により得るか、エンジンのトルクや回転数などの負荷情報から推定するか、排気煙道２０に取り付けた温度計３１から得るか、のいずれかによって得ることができる。

また、旋回翼７０は、第１実施形態で説明した本流通路２１を流れる排気と分流通路２２を流れる排気とを混合させる効果に加え、本流噴射弁１２から噴射された噴霧を排気中に均一に分散させることに対しても有効である。

図６は、本実施形態に係る尿素水注入装置２１０を備えた排気浄化装置２００を、通常運転モードで運転する際のフローチャートを表す。本実施形態は、尿素水の噴射弁が２コあることを特徴としており、そのうちのメイン噴射弁は、排気煙道２０、本流通路２１へ直接、尿素水を噴射する本流噴射弁１２であり、サブ噴射弁は、電気ヒータが存在する分流通路２２に尿素水を噴射する分流噴射弁１１である。図６のフローチャート及び以下に記載したこのフローチャートの説明においては、本流噴射弁１２をメイン噴射弁と、分流噴射弁１１をサブ噴射弁として、メイン噴射弁による尿素水の噴射をメイン噴射と、サブ噴射弁による尿素水の噴射をサブ噴射として説明する。

通常運転モードでは、まず、Ｓ０７でエンジンから排出されているＮＯｘ量を取得する。この取得方法は、ＮＯｘセンサーで計測する方法の他、エンジンの状態から推定する方法などがある。Ｓ０７で得られたＮＯｘ量から、Ｓ０８でＮＯｘ処理に必要な尿素水の注入量を算出する。Ｓ０９で排気温度Ｔを取得する。なお、この場合でも、温度センサーで計測する方法の他、エンジンの状態から推定する方法がある。Ｓ１１０で最初の排気温度Ｔの判定を行う。

温度の閾値Ｔ１は、メイン噴射が可能となる最低温度であり、この温度以下でメイン噴射を行うと、排気煙道２０に噴射された尿素水が必ず析出を起こしてしまうという温度である。よって、Ｓ１１０で排気温度ＴがＴ１以下と判定された場合は（Ｓ１１０がＹｅｓ）、電気ヒータ４０を使用するプロセスに移行し、Ｓ１１１で電気ヒータ４０をＯＮにする。Ｓ１１２で、排気温度Ｔとの関係で、電気ヒータ４０をＯＮにした上でサブ噴射で析出を起こさずに噴射することが可能な最大限の噴射量を算出する。すなわち、電気ヒータ４０の発熱が、分流通路２２に流れる排気に奪われる熱量を引いた電気ヒータ４０の発熱量で、尿素水を気化させ、尿素の析出を起こさずに済む最大限の尿素水噴を算出する。

Ｓ１１３で、Ｓ０８で算出した必要な尿素水量と、Ｓ１１２で算出した最大限噴射可能な尿素水量を比較する。必要量が可能な量以下であれば（Ｓ１１３がＹｅｓ）、Ｓ１１４で必要な量の尿素水をサブ噴射によって注入する。必要量が可能な量を超える場合は（Ｓ１１３がＮｏ）、Ｓ１１５で、可能な量だけをサブ噴射によって尿素水を注入する。この場合は、必要な量に達しなくても、尿素の析出防止を優先しての動作である。

Ｓ１１０で、排気温度ＴがＴ１を越えた場合は（Ｓ１１０がＮｏ）、Ｓ１１６でさらなる温度の判定を行う。温度の閾値Ｔ２は、サブ噴射弁の冷却のためにサブ噴射を行うことが必要になり始める温度である。排気温度ＴがＴ２未満の場合は、サブ噴射を止めていてもサブ噴射弁に問題は生じないが、この温度Ｔ２以上の時に、サブ噴射を止めていると、排気によって熱せられたサブ噴射弁の内部で、尿素水の沸騰が起こり、水分をなくした尿素が固化して、噴射弁を詰まらせる場合があるという問題を生ずる。

Ｓ１１６で排気温度ＴがＴ２未満となった場合は（Ｓ１１６がＹｅｓ）、メイン噴射を優先するプロセスに移行する。Ｓ１１７で、排気温度Ｔとの関係で、メイン噴射で析出を起こさずに噴射することが可能な最大限の噴射量を算出する。すなわち、排気煙道２０に流れる排気の熱だけで、メイン噴射から噴射した尿素水を気化させ、尿素の析出を起こさずに済む最大限の尿素水量を算出する。Ｓ１１８で、Ｓ０８で算出した必要な尿素水量と、Ｓ１１７で算出した最大限噴射可能な尿素水量を比較する。必要量が可能な量以下であれば（Ｓ１１８がＹｅｓ）、Ｓ１１９で電気ヒータ４０をＯＦＦにし、Ｓ１２０で必要な量の尿素水をメイン噴射によって注入する。

Ｓ１１８の判定で、必要量が可能な量を超えた場合は（Ｓ１１８がＮｏ）、Ｓ１２１で、メイン噴射で噴くことが可能な量を、まずメイン噴射で噴射する。その上で、Ｓ１２２でヒータをＯＮにする。Ｓ１２３で、排気温度Ｔとの関係で、電気ヒータ４０をＯＮにした上でサブ噴射で析出を起こさずに噴射することが可能な最大限の噴射量を算出する。Ｓ１２３の算出方法はＳ１１２の算出方法と同じである。Ｓ１２４で、Ｓ０８で算出した必要量から、Ｓ１２１のメイン噴射量を引いた残りの尿素水量と、Ｓ１２３で算出した可能な量とを比較する。残りの量が可能な量以下の場合は（Ｓ１２４がＹｅｓ）、Ｓ１２５で、残りの量をサブ噴射で噴射する。残りの量が可能な量を超える場合は（Ｓ１２４がＮｏ）、Ｓ１２６で、必要な量に達しなくても、尿素の析出防止を優先して、可能な量だけに止めて、サブ噴射によって尿素水を注入する。

Ｓ１１６で、排気温度ＴがＴ２以上になった場合は（Ｓ１１６がＮｏ）、Ｓ１２７で電気ヒータ４０をＯＦＦにし、Ｓ１２８でサブ噴射弁を噴射する。この時の噴射は、サブ噴射弁の過熱防止が目的なので、冷却が行えるだけの量を噴射する。次に、Ｓ１２９で、Ｓ０８の必要量からＳ１２８の噴射量を引いた残りの噴射量をメイン噴射で噴射する。

以上の手順で運転を行い、かつ、脱硝触媒５０の前後のＮＯｘ濃度を計測していて、メイン噴射を実施している時のみ、脱硝触媒５０の後流のＮＯｘ濃度が低下しなくなった場合、メイン噴射弁が故障したことが考えられることから、メイン噴射弁の使用を中止して、サブ噴射弁のみで運転を行うように切り替えることも可能である。
以上のプロセスによって、尿素の析出防止と、ヒータの省電力化と、脱硝性能の最大化を図った運転が行える。

図７は、本実施形態における尿素水注入装置２１０を、故障モード（２）で運転する際のフローチャートを表す。故障モード（２）は、電気ヒータの断線のみが起きていて、他の故障は起きていない時に行う運転である。なお、以後のフローチャートにおいて、前記の説明と同じ場合は参照符号も同じにして説明を省略する。

故障モード（２）では、まず、Ｓ１３０で電気ヒータ４０のスイッチ４１をＯＦＦにして、電気ヒータ４０の断線が不意に回復した場合のトラブルを未然に防止する。次に、Ｓ１３１で、故障が発生したことを表示して、運転者に知らせる。次のＳ０７からＳ０９までは、前記した通常運転モードと同じ動作をおこなう。Ｓ１１０で、排気温度Ｔが閾値Ｔ１以下と判定された場合は（Ｓ１１０がＹｅｓ）、Ｓ１３２に移行し、メイン噴射とサブ噴射の両方と噴射を行わなくする。排気温度ＴがＴ１より低いということは、電気ヒータ４０を発熱させない場合には尿素が析出を起こす温度であるということであり、電気ヒータ４０が断線している状態では、析出防止のために、尿素水の噴射を停止することが好ましい運転となるからである。

排気温度Ｔが閾値Ｔ１を越える時は（Ｓ１１０がＮｏ）、Ｓ１１６の判定を行い、排気温度Ｔが閾値Ｔ２未満の場合は（Ｓ１１６がＹｅｓ）、Ｓ１１７に進む。Ｓ１１８で、必要な尿素水量と、噴射可能な尿素水量の比較を行い、必要量が可能な量以下だった場合は（Ｓ１１８がＹｅｓ）、Ｓ１２０で、必要な量の尿素水をメイン噴射で噴射する。Ｓ１１８の判定で、必要量が可能な量を超えた場合は（Ｓ１１８がＮｏ）、Ｓ１２１で噴射可能な量をメイン噴射で噴射し、ステップはここで完了する。この場合、ＮＯｘを処理するにあたって十分な尿素水量に達しないことになるが、尿素が析出を起こすことの弊害の方が大きいので、尿素の析出回避を優先する。

Ｓ１１６の判定で、排気温度がＴ２以上になった場合は（Ｓ１１６がＮｏ）、Ｓ１２８とＳ１２９を行い、メイン噴射とサブ噴射の両方を噴射して、必要十分な尿素水を注入するとともに、サブ噴射弁の停止に伴う過熱を防止し、噴射弁の保護を図る。

以上の手順は、脱硝触媒の前後のＮＯｘ濃度を計測していて、通常運転モードのサブ噴射を実施している時のみ、脱硝触媒５０の後流のＮＯｘ濃度が低下しなくなり、サブ噴射系のみが故障したと考えられる場合に、メイン噴射弁のみで運転を行うための手順として使用することも可能である。

このように、尿素水の噴射弁を、排気の分流通路２２とそれ以外に設けることで、電気ヒータ４０が断線して、分流通路２２に噴射するサブ噴射弁を止める場合でも、分流通路２２以外の排気通路で尿素水を噴射することが可能であるため、排気の熱を少しでも多く活用することが可能となる。さらに、分流通路２２で噴射する場合よりも多くの尿素水を噴射することが可能になり、その分、処理できるＮＯｘの量が増え、電気ヒータ４０が断線した場合でも、排気の悪化を最小限に止めることができる。また、電気ヒータ４０の故障が検知された時にも、尿素水の注入を全て停止してしまうのではなく、排気の熱で気化できる分は尿素水の注入を続けることにより、電気ヒータ４０が修理されるまでの時間にも、排気に含まれるＮＯｘを処理し続けることが可能になり、排気の悪化を可能な限り抑えることが出来るようになる。

以上、本発明について好適な実施形態を説明した。本発明は、図面に記載したものに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で設計変更が可能である。

本発明の第１実施形態に係る尿素水注入装置を備えた排気浄化装置の全体構成を示す説明模式図である。 本発明の第１実施形態に係る尿素水注入装置を運転する際の全体フローチャートである。 本発明の第１実施形態に係る尿素水注入装置を通常運転モードで運転する際のフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係る尿素水注入装置を、故障モード（２）で運転する際のフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る尿素水注入装置を備えた排気浄化装置の全体構成を示す説明模式図である。 本発明の第２実施形態に係る尿素水注入装置を通常運転モードで運転する際のフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る尿素水注入装置を、故障モード（２）で運転する際のフローチャートである。

符号の説明

１０ 噴射装置（第１実施形態）
１１ 分流噴射弁
１２ 本流噴射弁
１３ 尿素水タンク
１４ 尿素水ポンプ
１５ 導管
２０ 排気煙道
２１ 本流通路
２２ 分流通路
２３ 絞り
３０ 制御部
３１ 温度計
４０ 電気ヒータ
４１ スイッチ
４２ 電流検知回路
４３ スイッチユニット
４５ 分流発熱体
５０ 脱硝触媒
６０ 電源部
７０ 旋回翼
１００ 排気浄化装置（第１実施形態）
１１０ 尿素水注入装置（第１実施形態）
２００ 排気浄化装置（第２実施形態）
２１０ 尿素水注入装置（第２実施形態）
２１１ 噴射装置（第２実施形態）

Claims (4)

1. エンジンの排気を排出する排気煙道へ尿素水を噴射する第１噴射弁を備えた噴射装置と、
   電源部から電力の供給を受けて前記第１噴射弁の後流の前記排気煙道を加熱する電気ヒータと、
   前記噴射装置と前記電気ヒータの作動とを制御する制御部と、
   を備えた尿素水注入装置であって、
   前記電気ヒータは、前記電源部からの電力を供給もしくは遮断する動作を行うスイッチと、供給される電力に対応する電流を検知する電流検知回路と、前記スイッチの前記動作の状態を検出するとともに、前記電流検知回路の検知結果を取得し、前記動作の状態と前記検知結果とから前記電気ヒータの異常発生を検出する故障検出手段と、を備えたことを特徴とする尿素水注入装置。
2. 前記スイッチと、前記電流検知回路と、前記故障検出手段は、一体に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の尿素水注入装置。
3. 前記排気煙道は、本流通路と、この本流通路から分岐し、その後再度前記本流通路に合流する分流通路とを備え、
   前記電気ヒータと前記第１噴射弁は、前記分流通路に配設されたことを特徴とする請求項１または２に記載の尿素水注入装置。
4. 前記本流通路には、第２噴射弁が配設され
   前記故障検出手段によって、前記電気ヒータが故障していること検知したとき、前記制御部は、前記第１噴射弁の尿素水の噴射を中止することを特徴とする請求項３に記載の尿素水注入装置。

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