JP2010007560A - Exhaust emission control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関としてのエンジンの排気浄化装置に係り、特に尿素SCR(Selective Catalytic Reduction)システムに好適に採用される排気浄化装置に関する。 The present invention relates to an exhaust gas purification apparatus for an engine as an internal combustion engine, and more particularly to an exhaust gas purification apparatus that is suitably employed in a urea SCR (Selective Catalytic Reduction) system.
近年、自動車等に適用されるエンジン、特にディーゼルエンジン、において、排気中の窒素酸化物(以下、「NOx」という)を高効率に浄化する排気浄化装置として、尿素SCRシステムの開発が進められている。
尿素SCRシステムでは、エンジン本体に接続された排気管にSCR触媒が設けられるとともに、その上流側に還元剤溶液としての尿素水溶液を排気管内に添加する尿素水添加弁が設けられている。尿素水添加弁には尿素水供給管が接続されており、例えば尿素水タンク内に配設されたポンプが吐出駆動されることで、尿素水溶液が尿素水タンクから尿素水供給管を通じて尿素水添加弁に供給されるようになっている。
In recent years, a urea SCR system has been developed as an exhaust purification device for purifying nitrogen oxide (hereinafter referred to as “NOx”) in exhaust gas with high efficiency in engines applied to automobiles, particularly diesel engines. Yes.
In the urea SCR system, an SCR catalyst is provided in an exhaust pipe connected to the engine body, and a urea water addition valve for adding an aqueous urea solution as a reducing agent solution into the exhaust pipe is provided upstream thereof. A urea water supply pipe is connected to the urea water supply valve. For example, when a pump disposed in the urea water tank is driven to discharge, the urea aqueous solution is added from the urea water tank through the urea water supply pipe. The valve is supplied.
このようなシステムにおいては、尿素水添加弁により排気管内に尿素水溶液が噴射されることにより、排気とともに尿素水溶液がSCR触媒に供給され、SCR触媒上においてNOxが還元されて、排気が浄化される。すなわち、尿素水溶液が排気熱で加水分解されることによりアンモニア(NH3)が生成され、このアンモニアが排気中のNOxと反応することで、NOxがN2に還元される。 In such a system, the urea aqueous solution is injected into the exhaust pipe by the urea water addition valve, so that the urea aqueous solution is supplied to the SCR catalyst together with the exhaust, and NOx is reduced on the SCR catalyst to purify the exhaust. . That is, ammonia (NH 3 ) is generated by hydrolyzing the urea aqueous solution with exhaust heat, and this ammonia reacts with NOx in the exhaust, whereby NOx is reduced to N 2 .
従来、尿素水溶液を液体状態でタンクに貯蔵し使用するのが一般的であった。近年では、車上で固体尿素と水とを尿素水タンク内で混合する尿素SCRシステムが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、従来の方法では、例えば特許文献1のように固体尿素を尿素水タンク内で混合し車上で尿素水溶液を生成したとしても、排気管内に噴射される尿素水溶液の濃度は一律である。例えば、排気管内に供給する尿素量を多くしたい場合には、噴射時間を長くしなければならず、噴霧状態が悪くなるという問題点があった。また、排気管内に供給する尿素量を少なくしたい場合には、噴射時間を精密に制御しなければならないという問題点があった。そのため、排気管内に供給する尿素量を調整することが困難であった。 However, in the conventional method, even if solid urea is mixed in a urea water tank and a urea aqueous solution is generated on the vehicle as in Patent Document 1, for example, the concentration of the urea aqueous solution injected into the exhaust pipe is uniform. For example, when it is desired to increase the amount of urea supplied into the exhaust pipe, there is a problem that the injection time must be lengthened and the spray state is deteriorated. In addition, when it is desired to reduce the amount of urea supplied into the exhaust pipe, there is a problem that the injection time must be precisely controlled. For this reason, it is difficult to adjust the amount of urea supplied into the exhaust pipe.
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、排気管内に供給する還元剤の量を容易に調整可能な排気浄化装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an exhaust purification device capable of easily adjusting the amount of reducing agent supplied into the exhaust pipe.
請求項1に記載の排気浄化装置は、排気管、触媒部、添加弁、流体通路、ポンプ、ポンプ駆動制御手段、溶媒貯留部、還元剤貯留部、および、還元剤溶解手段を備えている。ここで、排気管は、内燃機関の燃焼室からの排気を排出する排気通路を形成している。この排気通路に流体を噴射するのが添加弁であり、添加弁は、排気管に設けられた触媒部の上流側に位置している。添加弁が噴射する流体とは、溶媒に還元剤を溶解した還元剤溶液または溶媒である。このような流体を添加弁へ圧送するのがポンプであり、ポンプはポンプ駆動制御手段によって制御される。還元剤溶液が添加弁から噴射されることにより、噴射された還元剤溶液は、排気とともに触媒部に供給され、排気を還元し浄化する。そして特に本発明では、還元剤溶解手段によって、流体通路の途中において、還元剤貯留部から供給された還元剤が溶媒に溶解させられて還元剤溶液が得られる。 The exhaust emission control device according to claim 1 includes an exhaust pipe, a catalyst unit, an addition valve, a fluid passage, a pump, a pump drive control unit, a solvent storage unit, a reducing agent storage unit, and a reducing agent dissolution unit. Here, the exhaust pipe forms an exhaust passage for exhausting exhaust from the combustion chamber of the internal combustion engine. The addition valve injects fluid into the exhaust passage, and the addition valve is located upstream of the catalyst portion provided in the exhaust pipe. The fluid ejected by the addition valve is a reducing agent solution or solvent in which a reducing agent is dissolved in a solvent. A pump pumps such fluid to the addition valve, and the pump is controlled by pump drive control means. When the reducing agent solution is injected from the addition valve, the injected reducing agent solution is supplied to the catalyst unit together with the exhaust, and the exhaust is reduced and purified. In particular, in the present invention, the reducing agent supplied from the reducing agent reservoir is dissolved in the solvent in the middle of the fluid passage by the reducing agent dissolving means to obtain a reducing agent solution.
すなわち、流体通路の途中で還元剤を溶媒に溶解するようにした。そのため、還元剤をタンク中で溶解するのとは異なり、還元剤の量を調整することで、様々な濃度の還元剤溶液を得ることができる。例えば、排気通路に供給する還元剤量を多くしたい場合、還元剤溶液の濃度を高くすることにより、噴射時間を長くせずに排気通路に供給する尿素量を増やすことができるため、噴射時間が長くなることによる噴霧状態の悪化を防ぐことができる。また、排気通路に供給する還元剤量を少なくしたい場合、還元剤溶液の濃度を低くすることにより、排気通路に供給する尿素量を減らすことができるため、噴霧時間を精密に制御する必要がない。 That is, the reducing agent was dissolved in the solvent in the middle of the fluid passage. Therefore, unlike the case where the reducing agent is dissolved in the tank, reducing agent solutions having various concentrations can be obtained by adjusting the amount of the reducing agent. For example, when it is desired to increase the amount of reducing agent supplied to the exhaust passage, the amount of urea supplied to the exhaust passage can be increased without increasing the injection time by increasing the concentration of the reducing agent solution. It is possible to prevent deterioration of the spray state due to the increase in length. Further, when it is desired to reduce the amount of reducing agent supplied to the exhaust passage, the amount of urea supplied to the exhaust passage can be reduced by lowering the concentration of the reducing agent solution, so that it is not necessary to precisely control the spraying time. .
また、還元剤溶液の濃度と噴射時間とを調整すれば、より幅広い範囲で還元剤の添加量を制御することができる。さらに、還元剤溶液の濃度を調整することによって所望の量の還元剤を供給することができるので、エンジンの排気量毎に添加弁の設計を変える必要がなくなり、部品の共通化を図ることができる。さらにまた、還元剤溶液の濃度を濃くすれば、噴射量を減らすことができ、例えばテーパ噴孔などの微粒化するのに最適な噴孔形状を採用することができる。 Further, if the concentration of the reducing agent solution and the injection time are adjusted, the amount of reducing agent added can be controlled in a wider range. Furthermore, since a desired amount of reducing agent can be supplied by adjusting the concentration of the reducing agent solution, there is no need to change the design of the addition valve for each engine displacement, and parts can be shared. it can. Furthermore, if the concentration of the reducing agent solution is increased, the injection amount can be reduced, and for example, an optimal nozzle hole shape for atomization such as a tapered nozzle hole can be employed.
排気中のNOxの量は、例えば加速時や高負荷時、高速走行時などに多く、定常運転時には少ない、といった具合に、運転状態によって異なっている。そこで、以下に示す構成を採用することが望ましい。
請求項2に記載の排気浄化装置は、還元剤量制御手段を備えている。還元剤量制御手段は、還元剤溶解手段により溶媒に溶解させる還元剤の量を制御している。例えば、内燃機関の運転状態とNOx排出量との関係、および、排出されるNOx量と浄化に必要な還元剤量との関係を予めマップデータ等に記憶させておけば、内燃機関の運転状態に応じて最適な還元剤量が排気通路に添加されるように溶媒に溶解させる還元剤の量を制御することができる。
The amount of NOx in the exhaust gas varies depending on the operating condition, for example, it is large during acceleration, high load, high speed traveling, and small during steady operation. Therefore, it is desirable to adopt the following configuration.
The exhaust emission control device according to
なお、還元剤溶液が流体通路や添加弁中に残存した状態で排気浄化装置を停止すると、溶媒が蒸発して還元剤が析出したり、残留した還元剤が変質したりするという問題点がある。そこで、以下に示す構成を採用することが望ましい。
請求項3に記載の排気浄化装置の還元剤量制御手段は、ポンプ駆動制御手段によるポンプの駆動および添加弁による流体の噴射が継続された状態で、還元剤の供給を停止可能である。
If the exhaust gas purification device is stopped with the reducing agent solution remaining in the fluid passage or the addition valve, there is a problem that the solvent evaporates and the reducing agent is deposited or the remaining reducing agent is altered. . Therefore, it is desirable to adopt the following configuration.
According to a third aspect of the present invention, the reducing agent amount control means of the exhaust emission control device can stop the supply of the reducing agent in a state where the pump driving by the pump driving control means and the fluid injection by the addition valve are continued.
例えば、内燃機関の停止後、還元剤の供給を停止し、還元剤を溶解せずにポンプの駆動により溶媒のみを圧送して添加弁から噴射すれば、流体通路や添加弁に還元剤が残留するのを防ぐことができる。これにより、流体通路や添加弁における還元剤の析出や変質を防止することができる。この構成においては、流体中に還元剤が残留しているか否かを判断する残留判断手段を設け、流体中に還元剤が残留していないと判断されてから、ポンプの駆動および添加弁からの流体の噴射を停止することが好ましい。 For example, after the internal combustion engine is stopped, if the supply of the reducing agent is stopped, and only the solvent is pumped and injected from the addition valve without dissolving the reducing agent, the reducing agent remains in the fluid passage and the addition valve. Can be prevented. Thereby, precipitation and quality change of the reducing agent in the fluid passage and the addition valve can be prevented. In this configuration, there is provided a residual determination means for determining whether or not the reducing agent remains in the fluid, and after determining that the reducing agent does not remain in the fluid, the pump drive and the addition valve It is preferable to stop the ejection of the fluid.
ところで、溶媒に水を使用する場合、溶媒が凍結し、使用に支障が生じる可能性がある。そこで、加温手段を設けてもよい。加温手段としては、ヒータによる加温や、エンジンの冷却水による熱交換が例示される。また以下の構成を採用してもよい。
請求項4に記載の排気浄化装置は、流体通路内の流体を回収する流体回収手段を備えている。例えば、ポンプ駆動制御手段によりポンプを逆回転させることにより、溶媒を溶媒貯留部に回収することが考えられる。また、回収経路および回収タンクを別途設ける構成としてもよい。請求項3に記載の構成を採用した場合、流体通路および添加弁に溶媒のみを送液し還元剤を除去した後に、ポンプ駆動制御手段によりポンプを逆回転させて溶媒を溶媒貯留部に回収してもよい。これにより、流体通路等に残留する流体の凍結が防止され、流体の体積が膨張することによる還元剤供給系の破損など、使用に支障が生じるのを抑制することができる。
By the way, when water is used as the solvent, there is a possibility that the solvent will freeze and hinder use. Therefore, a heating means may be provided. Examples of the heating means include heating by a heater and heat exchange using engine cooling water. Moreover, you may employ | adopt the following structures.
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an exhaust purification device comprising a fluid recovery means for recovering the fluid in the fluid passage. For example, it is conceivable that the solvent is recovered in the solvent reservoir by rotating the pump in the reverse direction using the pump drive control means. Moreover, it is good also as a structure which provides a collection | recovery path | route and a collection | recovery tank separately. When the configuration according to claim 3 is adopted, only the solvent is sent to the fluid passage and the addition valve, and the reducing agent is removed. Then, the pump is reversely rotated by the pump drive control means to recover the solvent in the solvent reservoir. May be. As a result, freezing of the fluid remaining in the fluid passage or the like is prevented, and it is possible to suppress problems such as damage to the reducing agent supply system due to expansion of the volume of the fluid.
請求項5に記載の排気浄化装置の還元剤溶解手段は、還元剤の溶媒への溶解を促進させるための混合手段を有している。混合手段としては、スクリュー撹拌器や、超音波振動子などが例示される。これにより、還元剤の溶媒への溶解を促進することができる。
請求項6に記載の排気浄化装置の還元剤貯留部に貯留される還元剤としては、固体尿素が好適に用いられる。前述の尿素SCRシステムに代表されるように、尿素を加水分解することにより生成するアンモニアによってNOxを還元、浄化するNOx浄化装置は、排気中のNOxを高い浄化率で浄化することができるため、例えばディーゼルエンジンにこの装置を用いれば、燃焼過程でのNOxの発生を許容して燃費および排気中の粒子状物質(PM)を改善することなども可能になり、ひいては自動車の性能向上などに貢献することができるようになる。
The reducing agent dissolving means of the exhaust gas purification apparatus according to claim 5 has a mixing means for promoting dissolution of the reducing agent in the solvent. Examples of the mixing means include a screw stirrer and an ultrasonic vibrator. Thereby, melt | dissolution to the solvent of a reducing agent can be accelerated | stimulated.
Solid urea is suitably used as the reducing agent stored in the reducing agent storage section of the exhaust emission control device according to claim 6. As represented by the aforementioned urea SCR system, the NOx purification device that reduces and purifies NOx by ammonia generated by hydrolyzing urea can purify NOx in the exhaust gas with a high purification rate. For example, if this device is used in a diesel engine, it will be possible to improve the fuel efficiency and particulate matter (PM) in the exhaust by permitting the generation of NOx during the combustion process, thereby contributing to the improvement of automobile performance. Will be able to.
請求項7に記載の排気浄化装置に用いられる固体尿素は、粉末状である。粉末状の固体尿素を用いれば、溶媒への溶解性がよく、また安定した定量が可能となる。粉末状の固体尿素の粒子形状は、溶媒への溶解性がよく、安定した定量が可能な形状のものを選定することが望ましい。
請求項8に記載の排気浄化装置に用いられる溶媒は、水である。溶媒として水を用いれば、排気中に噴霧しても環境への負荷がないため好ましい。
Solid urea used for the exhaust emission control device according to claim 7 is in a powder form. If powdered solid urea is used, it has good solubility in a solvent and enables stable quantification. As the particle shape of the powdered solid urea, it is desirable to select a particle shape having good solubility in a solvent and capable of stable quantification.
The solvent used in the exhaust emission control device according to claim 8 is water. It is preferable to use water as the solvent because there is no environmental load even if it is sprayed into the exhaust gas.
請求項9に記載の排気浄化装置に用いられる溶媒は、水よりも凝固点が低い物質である。凝固点が−35℃以下の物質が特に好ましく、エタノールやメタノールなどのアルコール類が例示される。このような物質を溶媒として採用すれば、水よりも凍結しにくいため、使用に支障が生じることを抑制することができる。 The solvent used for the exhaust emission control device according to claim 9 is a substance having a freezing point lower than that of water. A substance having a freezing point of −35 ° C. or lower is particularly preferable, and alcohols such as ethanol and methanol are exemplified. If such a substance is employed as a solvent, it is harder to freeze than water, so that troubles in use can be suppressed.
(第1実施形態)
以下、本発明による排気浄化装置を図面に基づいて説明する。本実施形態の排気浄化装置は、選択還元触媒を用いて排気中のNOxを浄化するものであり、尿素SCRシステムとして構築されている。
図1に示すように、本実施形態による排気浄化装置1は、排気管11、添加弁16、溶媒貯留部としての溶媒タンク21、ポンプ22、流体通路28、29、尿素供給部30、電子制御装置(以下、「ECU」という)40等を備えている。
(First embodiment)
Hereinafter, an exhaust emission control device according to the present invention will be described with reference to the drawings. The exhaust purification device of this embodiment purifies NOx in exhaust using a selective reduction catalyst, and is constructed as a urea SCR system.
As shown in FIG. 1, the exhaust gas purification apparatus 1 according to the present embodiment includes an
排気管11は、図示しない内燃機関としてのディーゼルエンジンに接続し、ディーゼルエンジンの排気を排出する排気通路12を形成している。排気管11には、酸化触媒13、触媒部としての選択還元触媒(以下、「SCR触媒」という)14、および、アンモニア除去部15が配設されている。また、排気管11において、酸化触媒13とSCR触媒14との間には、流体を排気通路12に噴射可能な添加弁16が設けられている。SCR触媒14の下流側には、NOxセンサ17が設けられている。
The
酸化触媒13は、白金系の酸化触媒であり、排気中に含まれる一酸化窒素(NO)の一部を二酸化窒素(NO2)に酸化する。
SCR触媒14は、NOxの還元反応を促進するものであり、その反応は、例えば、以下の反応式に示すものである。
4NO+4NH3+O2 → 4N2+6H2O …(式1)
6NO2+8NH3 → 7N2+12H2O …(式2)
NO+NO2+2NH3 → 2N2+3H2O …(式3)
これらの反応において、NOxの還元剤となるアンモニア(NH3)は、SCR触媒14の上流に設けられた添加弁16から噴射される尿素水溶液が排気熱で加水分解されることによって生成する。この加水分解反応の反応式を(式4)に示す。
(NH2)2CO+2H2O → 2NH3+CO2 …(式4)
アンモニア除去部15は、SCR触媒14の下流側に設けられた酸化触媒であり、反応しきれなかったアンモニアの排出(アンモニアスリップ)を防止する。
The
The
4NO + 4NH 3 + O 2 → 4N 2 + 6H 2 O (Formula 1)
6NO 2 + 8NH 3 → 7N 2 + 12H 2 O (Formula 2)
NO + NO 2 + 2NH 3 → 2N 2 + 3H 2 O (Formula 3)
In these reactions, ammonia (NH 3 ) serving as a NOx reducing agent is generated by hydrolyzing the aqueous urea solution injected from the
(NH 2 ) 2 CO + 2H 2 O → 2NH 3 + CO 2 (Formula 4)
The
添加弁16は、既存の燃料噴射弁(インジェクタ)とほぼ同様の構成を有するものであり、公知の構成が採用できるので、ここでは構成を簡単に説明する。添加弁16は、電磁ソレノイド等からなる駆動部と、噴射孔を開閉するためのニードルを有する弁体部とを備えた電磁式開閉弁として構成されており、ECU40からの駆動信号に基づいて開弁又は閉弁する。すなわち、駆動信号に基づき電磁ソレノイドが通電されると、通電に伴ってニードルが開弁方向に移動し、そのニードルの移動によって噴射孔が解放されて流体が排気通路12に噴射される。
NOxセンサ17は、SCR触媒14の下流側に設けられ、排気中のNOx量を検出することができる。
The
The
溶媒タンク21は、給油キャップ付きの密閉容器にて構成されており、溶媒としての水が貯留されている。溶媒タンク21内には、水に浸漬した状態でポンプ22が設けられており、所定の圧力に加圧して流体を添加弁16に圧送する。ポンプ22は、ECU40からの駆動信号により回転駆動される電動式ポンプであり、3相の電機子コイルの励磁順序を変更することでモータ回転方向が正逆回転する構成を有している。ポンプ22が正回転駆動されることにより水が溶媒タンク21から吐出され、逆回転駆動されることにより水が溶媒タンク21内に回収される。なお、ポンプ22が、「特許請求の範囲」における「流体回収手段」し、特に逆回転駆動が「流体回収手段」としての機能に相当する。
The
プレッシャレギュレータ23は、添加弁16に供給される流体の圧力を調整するものであり、この供給圧力が設定値を超えた場合には、流体通路28中の水が溶媒タンク21に戻されることになる。
流体通路28は、溶媒タンク21と尿素供給部30とを連通する通路である。流体通路28には、水圧センサ24および水温センサ25が設けられている。流体通路29は、尿素供給部30と添加弁16とを連通する通路である。流体通路29には、フィルタ26および尿素センサ27が設けられている。
The
The
フィルタ26は流体を濾過するものであり、このフィルタ26によって流体中の異物が取り除かれ、添加弁16へ供給される。
尿素センサ27は、尿素水溶液の尿素濃度を検出するものであり、例えば、ヒータにより加熱された測温抵抗体の電気抵抗値に基づいて尿素濃度を検出するものが利用できる。
The
The
尿素供給部30は、流体通路28と流体通路29との間に配設されており、還元剤貯留部としての尿素粉末貯留部31および還元剤溶解手段としての溶解部32からなる。
尿素粉末貯留部31は、粉末状の固体尿素が貯留されている。貯留された粉末状の固体尿素は、ECU40の制御により溶解部32に供給される。尿素粉末貯留部31に貯留されている粉末状の固体尿素は、所定距離、例えば2万km、走行ごとに補充することが望ましい。
The
The urea
溶解部32は、流体通路の一部を構成しており、流体通路28と流体通路29とを連通している。溶解部32では、尿素粉末貯留部31から供給された粉末状の固体尿素を流体通路28から流入した水に溶解し、還元剤溶液としての尿素水溶液が得られる。得られた尿素水溶液は、流体通路29へ流出する。
The dissolving
ECU40は、CPU、ROM、I/O、および、これらを接続するバスラインなどを有するマイクロコンピュータによって構成されている。例えば、ROMに記憶されているコンピュータプログラムによって、排気浄化装置1を制御する。ECU40の入力側には、上述した各センサが電気的に接続されており、出力側には、添加弁16、ポンプ22、尿素供給部30などの各種アクチュエータが電気的に接続されている。ROMには、図示しないディーゼルエンジンの運転状態とNOx排出量との関係、および、排出されるNOx量と該NOxを浄化するのに必要な尿素量との関係がマップデータとして予め記憶されている。また、ECU40は、通信線を介してCAN(Control Area Network)等の所定の通信プロトコルで図示しない他のECU、例えばディーゼルエンジンを制御するECUや車載用ナビゲーション装置を制御するECUなど、と通信可能に接続されている。
The
次に、本実施形態における排気浄化装置1の動作について説明する。
本実施形態による排気浄化装置1では、ポンプ22の正回転駆動により水が流体通路28を経由して溶解部32に圧送される。尿素粉末貯留部31に貯留された粉末状の固体尿素は、定量されて溶解部32に供給される。粉末状の固体尿素の定量方法については、図2に基づいて後述する。溶解部32では、ポンプ22により圧送された水の流れによって粉末状の固体尿素が溶解され、尿素水溶液が得られる。水に粉末状の固体尿素を溶解して得られた尿素水溶液は、流体通路29へ送出される。尿素水溶液は、フィルタ26で濾過されて添加弁16に供給され、排気通路12に噴射される。排気通路12に噴射された尿素水溶液は、(式4)に示したように、排気熱によって加水分解されアンモニアが生成する。生成したアンモニアは、排気とともにSCR触媒14に供給され、(式1)〜(式3)に示した還元反応により、NOxが還元、浄化される。
Next, operation | movement of the exhaust gas purification apparatus 1 in this embodiment is demonstrated.
In the exhaust emission control device 1 according to the present embodiment, water is pumped to the dissolving
ここで、図2に基づいて、粉末状の固体尿素の定量方法(以下、「尿素定量サイクル」という)について説明する。本実施形態では、尿素粉末貯留部31の重力方向下側に溶解部32が設けられており、尿素粉末貯留部31と溶解部32との間には3つの電磁弁が設けられている。尿素粉末貯留部31と溶解部32との間に設けられた3つの電磁弁は、尿素粉末貯留部31側から溶解部32側に向かって順に第1電磁弁36、第2電磁弁37、第3電磁弁38である。第1電磁弁36、第2電磁弁37、および、第3電磁弁38は、ECU40の制御により、開弁または閉弁する。なお、図2においては、開弁状態を点線で示し、閉弁状態を実線で示している。
第1電磁弁36と第2電磁弁37との間には定量室311が形成され、第2電磁弁37と第3電磁弁38との間にはバッファ室312が形成されている。バッファ室312の体積は、定量室311の体積よりも大きい。
溶解部32は、第3電磁弁38の反尿素粉末貯留部31側に設けられており、溶解部32の溶解部入口281は流体通路28と連通し、溶解部出口282は流体通路29と連通している。ポンプ22が正回転駆動しているとき、溶解部入口281から溶解部出口282へ向かう水の流れが形成される。なお、図2を用いた尿素定量サイクルの説明において、ポンプ22は正回転駆動しているものとする。
Here, based on FIG. 2, a method for quantifying powdered solid urea (hereinafter referred to as “urea quantification cycle”) will be described. In the present embodiment, the dissolving
A
The
図2(a)では、第1電磁弁36、第2電磁弁37、および、第3電磁弁38は、いずれも閉弁状態である。このとき、定量室311は粉末状の固体尿素で満たされており、バッファ室312は粉末状の固体尿素はない。次に、図2(b)に示すように、第2電磁弁37を開弁する。第1電磁弁36と第3電磁弁38とは閉弁状態のままである。第2電磁弁37を開弁すると、定量室311を満たしていた粉末状の固体尿素は重力によってバッファ室312へ移動する。定量室311を満たしていた粉末状の固体尿素全量がバッファ室312へ移動すると、図2(c)に示すように、第2電磁弁37を閉弁する。続いて、図2(d)に示すように、第1電磁弁36と第3電磁弁38とを開弁する。第2電磁弁37は、閉弁状態のままである。第1電磁弁36を開弁することにより、尿素粉末貯留部31に貯留された粉末状の固体尿素が定量室311に供給される。第3電磁弁38を開弁することにより、バッファ室312内にある粉末状の固体尿素が溶解部32に供給される。ポンプ22は正回転駆動しているので、溶解部32では、溶解部入口281から溶解部出口282へ向かう水の流れが形成されている。この水の流れによって、バッファ室312から供給された粉末状の固体尿素が水に溶解し、尿素水溶液が得られる。得られた尿素水溶液は、溶解部出口282から流出する。その後、図2(a)に示すように、第1電磁弁36と第3電磁弁38とを閉弁する。定量室311は粉末状の固体尿素で満たされ、バッファ室312は粉末状の固体尿素がない状態に戻る。
In FIG. 2A, the first
図2(a)から図2(d)を用いて説明した尿素定量サイクルを繰り返すことにより、定量室311の体積分の粉末状の固体尿素が定量され、溶解部32で水に溶解され、尿素水溶液が得られる。このとき、ECU40の制御によって電磁弁の開閉を調整し、生成される尿素水溶液の尿素濃度を調整することができる。例えば、尿素濃度を高くしたい場合には、尿素定量サイクルが早く行われるように電磁弁の開閉を制御し、尿素濃度を低くしたい場合には、尿素定量サイクルが遅く行われるように電磁弁の開閉を制御する、といった具合である。
By repeating the urea quantification cycle described with reference to FIGS. 2A to 2D, powdery solid urea for the volume of the
ところで、本発明は、溶解部32で溶解する粉末状の固体尿素の量を調整できる点に特徴を有している。そこで、図3に示すフローチャートに基づいて本実施形態の排気浄化装置1における尿素供給処理を説明する。なお、本実施形態においては、ポンプ22によって圧送される水の流速および水圧を一定とする。また、添加弁16における尿素水溶液の噴射時間は一定とし、排気通路12に供給される尿素量は、尿素水溶液の濃度によって規定されるものとする。
By the way, the present invention is characterized in that the amount of powdered solid urea dissolved in the
最初のステップS101(以下、「ステップ」を省略し、単に記号「S」で示す)では、ディーゼルエンジンの運転状態を取得する。
S102では、S101で取得されたディーゼルエンジンの運転状態が停止であるか否かを判断する。S101で取得されたディーゼルエンジンの運転状態が停止である場合(S102:YES)、S111へ移行する。S101で取得されたディーゼルエンジンの運転状態が停止でない場合(S102:NO)、S103へ移行する。
In the first step S101 (hereinafter, “step” is omitted and simply indicated by the symbol “S”), the operating state of the diesel engine is acquired.
In S102, it is determined whether or not the operation state of the diesel engine acquired in S101 is stopped. When the operation state of the diesel engine acquired in S101 is stopped (S102: YES), the process proceeds to S111. When the operation state of the diesel engine acquired in S101 is not stopped (S102: NO), the process proceeds to S103.
S103では、ポンプ22を正回転駆動し、溶媒タンク21に貯蔵された水を流体通路28に圧送する。
続くS104では、S101で取得したディーゼルエンジンの運転状態に応じ、予め記憶されているマップデータから、排気中のNOx量を求める。そして、求められた排気中のNOx量を浄化するのに必要な尿素量を、予め記憶されているマップデータから求める。本実施形態においては、添加弁16における尿素水溶液の噴射時間は一定なので、求められた尿素量に基づいて尿素水溶液の濃度が決定される。また、ポンプ22によって圧送される水の流速は一定なので、決定された尿素水溶液の濃度に基づいて尿素粉末貯留部31から供給される粉末状の固体尿素量が決定される。
In S <b> 103, the
In subsequent S104, the amount of NOx in the exhaust is obtained from the map data stored in advance according to the operating state of the diesel engine acquired in S101. Then, the urea amount necessary for purifying the determined NOx amount in the exhaust gas is obtained from map data stored in advance. In this embodiment, since the injection time of the urea aqueous solution in the
S105では、S104で決定された量の粉末状の固体尿素を、尿素粉末貯留部31から溶解部32に供給する。溶解部32に供給された粉末状の固体尿素は、流体通路28から流入した水の流れによって溶解し、尿素水溶液が得られる。得られた尿素水溶液は、流体通路29へ流出する。
In S <b> 105, the amount of powdery solid urea determined in S <b> 104 is supplied from the urea
S106では、粉末状の固体尿素を水に溶解して得られた尿素水溶液が添加弁16に供給され、排気通路12中に噴射される。噴射された尿素水溶液は、排気熱によって加水分解されアンモニア(NH3)を生成し、生成されたアンモニア(NH3)は、排気中のNOxを還元、浄化する。そしてS101へ戻る。
In S106, an aqueous urea solution obtained by dissolving powdered solid urea in water is supplied to the
S101で取得されたディーゼルエンジンの運転状態が停止である場合(S102:YES)に移行するS111では、尿素粉末貯留部31からの粉末状の固体尿素の供給を停止する。そしてポンプ22の正回転駆動を継続し(S112)、添加弁16からの流体の噴射を継続する(S113)。すなわち、粉末状の固体尿素の供給が停止され、ポンプ22の正回転駆動による水の供給が継続されるので、添加弁16に供給される流体の尿素濃度は次第に低下していく。
In S111, where the operation state of the diesel engine acquired in S101 is stopped (S102: YES), the supply of powdered solid urea from the urea
続くS114では、添加弁16に尿素が残留しているか否かを判断する。添加弁16に尿素が残留しているか否かは、例えば、流体通路28に設けられた尿素センサ27において尿素濃度が「0」であることが検出されてから所定時間の経過によって判断することができる。添加弁16に尿素が残留していると判断された場合(S114:NO)、S112に戻り、ポンプ22の正回転駆動、および、添加弁16からの流体の噴射を継続する。添加弁16に尿素が残留していないと判断された場合(S114:YES)、添加弁16からの流体の噴射を停止する(S115)。そしてポンプ22を逆回転駆動し、流体通路中の水を溶媒タンク21に回収する(S116)。
In subsequent S114, it is determined whether or not urea remains in the
S117では、流体通路28中の水の回収が終了したか否かを判断する。流体通路28中の水の回収が終了していないと判断された場合(S117:NO)、S116に戻り、ポンプ22の逆回転駆動を継続する。流体通路28中の水の回収が終了したと判断された場合(S117:YES)、ポンプ22の駆動を停止し、尿素供給処理を終了する。
In S117, it is determined whether or not the collection of water in the
本実施形態におけるECU40は、「ポンプ駆動制御手段」および「還元剤量制御手段」を構成する。そして、図3中のS103、S112、S116およびS118が「ポンプ駆動制御手段」の機能としての処理に相当し、図3中のS104、S105およびS111が「還元剤量制御手段」の機能としての処理に相当する。
The
以上説明したように、本実施形態による排気浄化装置1では、溶解部32が流体通路28と流体通路29との間に設けられ流体通路の一部を形成している。また、ディーゼルエンジンの運転状態に応じて尿素量を決定し(S104)、決定された尿素量を尿素粉末貯留部31から溶解部32に供給して水の流れによって溶解し、尿素水溶液を得る(S105)。そして、得られた尿素水溶液を添加弁16から排気通路12に噴射し、排気中のNOxを還元、浄化する(S106)。流体通路の途中で粉末状の固体尿素を水に溶解するので、NOx量に応じて尿素水溶液の尿素濃度を調整することができる。
As described above, in the exhaust emission control device 1 according to the present embodiment, the dissolving
すなわち、NOxの排出量が多いとき、例えば加速時や高負荷時、高速走行時などには、尿素粉末貯留部31から供給され溶解部32で溶解する尿素量を増やし、尿素水溶液の尿素濃度を高くすることができる。これにより、噴射時間を長くせずに排気通路12中に噴射する尿素量を増やすことができるので、噴射時間が長くなることによる噴霧状態の悪化を防ぐことができる。また、NOxの排出量が少ないとき、例えば定常走行時、には、尿素粉末貯留部31から供給され溶解部32で溶解する尿素量を減らし、尿素水溶液の尿素濃度を低くすることにより、排気通路12中に噴射する尿素量を減らすことができる。尿素濃度が高い尿素水溶液を用いて排気通路12中へ供給される尿素量を減らすには噴射時間を精密に制御する必要があるが、本実施形態においては、尿素水溶液の尿素濃度を低くすることができるので、噴射時間を精密に制御する必要がない。
That is, when the amount of NOx discharged is large, for example, during acceleration, high load, high speed traveling, etc., the amount of urea supplied from the urea
さらに、尿素水溶液の尿素濃度を調整することによって所望の量の尿素を排気通路12に供給することができるので、エンジンの排気量毎に添加弁の設計を変える必要がなく、部品の共通化を図ることができる。さらにまた、尿素水溶液の濃度を濃くすれば、添加弁16からの噴射量を減らすことができ、例えばテーパ噴孔などの微粒化するのに最適な噴孔形状を採用することが可能となり、尿素水溶液を良好な噴霧状態で噴射することができる。
Furthermore, since a desired amount of urea can be supplied to the
また、本実施形態による排気浄化装置1は、ディーゼルエンジンの運転状態が停止であると判断された場合(S102:YES)、粉末状の固体尿素の供給を停止し(S111)、ポンプ22の正回転駆動を継続し(S112)、添加弁16から流体の噴射を継続する(S113)。そして、添加弁16に尿素が残留していないと判断された場合(S114:YES)、添加弁16から流体の噴射を停止する(S115)。
Further, when it is determined that the operation state of the diesel engine is stopped (S102: YES), the exhaust purification device 1 according to the present embodiment stops the supply of powdered solid urea (S111), and the
すなわち、ディーゼルエンジンの停止後、添加弁16に尿素が残留していないと判断されるまでの間、粉末状の固体尿素の供給を停止し、粉末用の固体尿素を溶解せずにポンプの駆動により水のみを圧送して添加弁から噴射するので、添加弁16や流体通路29に尿素が残留するのを防ぐことができる。したがって、添加弁16や流体通路29における尿素の析出や変質を防止することができる。
That is, after the diesel engine is stopped, the supply of powdered solid urea is stopped until it is determined that no urea remains in the
さらに、本実施形態による排気浄化装置1は、添加弁16に尿素が残留していないと判断され(S114:YES)、添加弁16から流体の噴射を停止した後(S115)、ポンプ22を逆回転駆動し、流体通路28、29中の水を回収する(S116)。これにより、流体通路28、29等には水が残留しないので、低温条件下における水の凍結が防止され、水の体積が膨張することによる排気浄化装置1の破損など、使用に支障が生じるのを抑制することができる。
Furthermore, the exhaust gas purification apparatus 1 according to the present embodiment determines that urea does not remain in the addition valve 16 (S114: YES), stops the injection of fluid from the addition valve 16 (S115), and then reverses the
(第2実施形態)
次に、本発明の他の実施形態を図4から図6に基づいて説明する。以下の実施形態においては、第1実施形態と同じ、もしくは同等の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
(Second Embodiment)
Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the following embodiments, the same or equivalent components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
上記第1実施形態では、ポンプ22は、溶媒タンク21内に水に浸漬した状態で設けられているが、第2実施形態では、図4に示すように排気浄化装置5のポンプ522は、溶媒タンク521内になく、流体通路528と流体通路529との間に設けられている。また、尿素供給部30は、流体通路527と流体通路528との間に設けられている。
In the said 1st Embodiment, although the
ポンプ522は、流体を所定の圧力に加圧して添加弁16へ圧送する。流体通路529には、水圧センサ24および尿素センサ27が設けられている。プレッシャレギュレータ523は、添加弁16へ供給される流体の圧力を調整するものであり、この供給圧力が設定値を超えた場合には、流体通路529内の流体がリターン通路533を経由して流体通路528へ戻される。ポンプ522の上流側は加圧されておらず、ポンプ522の上流側の圧力は大気圧となっている。
流体通路527には、水温センサ25が設けられており、流体通路528にはフィルタ26が設けられている。
The
The
本実施形態においては、溶解部32が流体通路527と流体通路528との間に設けられて流体通路の一部を形成しているので、上述した実施形態と同様の効果を奏する。また、溶解部32は、ポンプ522の上流側に位置しており、大気圧下にあるので、溶解部32を耐圧構造にする必要がない。また粉末状の固体尿素の水への溶解を大気圧下で実施できるので、構造を簡素化することができる。
In the present embodiment, since the dissolving
(他の実施形態)
上記の実施形態では、ディーゼルエンジンに適用した排気浄化装置について説明したが、本発明を適用する内燃機関は、ディーゼルエンジンに限らず、ガソリンエンジンであってもよい。また、上記の実施形態では、排気管に酸化触媒、SCR触媒、および、アンモニア除去部を設ける構成としたが、他の実施形態においては、排気管に、排気中の粒子状物質(PM)を捕集する連続再生式のPM除去用のフィルタであるDPF(Diesel Particulate Filer)を設けてもよい。
(Other embodiments)
In the above embodiment, the exhaust gas purification apparatus applied to a diesel engine has been described. However, the internal combustion engine to which the present invention is applied is not limited to a diesel engine, and may be a gasoline engine. In the above embodiment, the exhaust pipe is provided with the oxidation catalyst, the SCR catalyst, and the ammonia removing unit. However, in other embodiments, the particulate matter (PM) in the exhaust is supplied to the exhaust pipe. A DPF (Diesel Particulate Filter) that is a continuous regeneration type PM removal filter that collects may be provided.
上記の実施形態では、溶解部は、水の流れによって粉末状の固体尿素を水に溶解する構成としたが、他の実施形態では、溶解を促進させるための混合手段を有する構成としてもよい。例えば、図5に示す混合手段としてのスクリュー撹拌器51や、図6に示す混合手段としての超音波振動子52を有する構成としてもよい。混合手段は、スクリュー撹拌器や超音波振動子に限らず、還元剤の溶媒への溶解を促進できれば、どのような構成であってもよい。
In the above embodiment, the dissolving portion is configured to dissolve powdered solid urea in water by the flow of water. However, in other embodiments, the dissolving portion may include a mixing unit for promoting dissolution. For example, it is good also as a structure which has the
また、上記の実施形態では、粉末状の固体尿素の定量は、3つの電磁弁を制御することによって行っていたが、他の実施形態では、粉末状の固体尿素を定量できればどのような方法であってもよく、例えばスクリューを回転させることによって定量してもよいし、重量を計測して一定量を供給するようにしてもよい。また、上記の実施形態では、尿素粉末貯留部を溶解部の重力方向上側に設け尿素供給部として一体に構成したが、他の実施形態では、尿素粉末貯留部は、溶解部とは別途に設けられ、粉末状の固体尿素を予め定量して溶解部に供給する構成としてもよい。 In the above embodiment, the determination of powdered solid urea is performed by controlling three solenoid valves. In other embodiments, any method can be used as long as the powdered solid urea can be determined. For example, the amount may be determined by rotating a screw, or the weight may be measured and a fixed amount may be supplied. In the above embodiment, the urea powder storage unit is provided on the upper side in the gravity direction of the dissolution unit and integrally configured as the urea supply unit. However, in other embodiments, the urea powder storage unit is provided separately from the dissolution unit. The powdered solid urea may be quantified in advance and supplied to the dissolving portion.
上記の実施形態は、溶媒タンクに貯留されている溶媒は水であったが、他の実施形態では、凝固点が水よりも低い物質を使用することができる。凝固点が−35℃以下の物質が特に好ましく、エタノールやメタノールなどのアルコール類が好適に用いられる。このような物質を用いれば、流体通路中に残留しても凍結しないので、流体回収手段を備えなくても、使用に支障が生じることを防止できる。また、エタノールやメタノールを用いれば、溶媒の蒸発が早く、反応が促進される。また、エタノールやメタノールを用いれば、水よりも粘度が低いので、添加弁から噴霧されるとき微粒化されやすく、反応が促進される。 In the above embodiment, the solvent stored in the solvent tank is water, but in other embodiments, a substance having a freezing point lower than that of water can be used. A substance having a freezing point of −35 ° C. or lower is particularly preferable, and alcohols such as ethanol and methanol are preferably used. If such a substance is used, even if it remains in the fluid passage, it does not freeze, so that it is possible to prevent the use from being hindered without a fluid recovery means. If ethanol or methanol is used, the solvent evaporates quickly and the reaction is accelerated. Further, if ethanol or methanol is used, the viscosity is lower than that of water, so that when sprayed from the addition valve, atomization tends to occur and the reaction is promoted.
上記の実施形態では、ポンプから供給される溶媒の流速と水圧、添加弁からの噴射時間を一定としたが、他の実施形態では、内燃機関の運転状態に応じて、ECUの制御によりポンプから供給される溶媒の流速と水圧、添加弁からの噴射時間、および、尿素水溶液の濃度を調整してもよい。このようにすれば、排気通路中に添加する尿素量を、より幅広い範囲で調整したり、最適な噴霧状態となるように制御したりすることができる。 In the above embodiment, the flow rate and water pressure of the solvent supplied from the pump, and the injection time from the addition valve are constant, but in other embodiments, the pump is controlled by the ECU according to the operating state of the internal combustion engine. The flow rate and water pressure of the supplied solvent, the injection time from the addition valve, and the concentration of the urea aqueous solution may be adjusted. In this way, it is possible to adjust the amount of urea added to the exhaust passage in a wider range or to control it to achieve an optimal spray state.
さらに、上記の実施形態では、ECUは排気浄化装置のみを制御する構成としたが、他の実施形態では、エンジンをはじめとする車両全体の制御する構成としてもよい。また、他の実施形態では、CANより取得可能な情報を用いて、添加する尿素量を制御するようにしてもよい。例えば、地図データおよび車両の現在位置を取得して、高速道路の入口料金所を通過した場合には、加速することが予想されるため尿素量を多くする、といった具合である。また、運転者を識別することにより、それぞれの運転者の運転特性に応じた尿素添加量としてもよい。 Further, in the above embodiment, the ECU controls only the exhaust emission control device. However, in another embodiment, the ECU may control the entire vehicle including the engine. In another embodiment, the amount of urea to be added may be controlled using information obtainable from CAN. For example, when the map data and the current position of the vehicle are acquired and passed through an entrance toll gate of a highway, the amount of urea is increased because it is expected to accelerate. Moreover, it is good also as urea addition amount according to the driving | operation characteristic of each driver | operator by identifying a driver | operator.
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。 As mentioned above, this invention is not limited to the said embodiment at all, In the range which does not deviate from the meaning of invention, it can implement with a various form.
1:排気浄化装置、11:排気管、12:排気通路、14:SCR触媒(触媒部)、16:添加弁、21:溶媒タンク(溶媒貯留部)、22:ポンプ(ポンプ、流体回収手段)、28:流体通路、29:流体通路、31:粉末尿素貯留部(還元剤貯留部)、32:溶解部(還元剤溶解手段、流体通路)、40:ECU(ポンプ駆動手段、還元剤量制御手段)。 1: exhaust purification device, 11: exhaust pipe, 12: exhaust passage, 14: SCR catalyst (catalyst part), 16: addition valve, 21: solvent tank (solvent storage part), 22: pump (pump, fluid recovery means) , 28: fluid passage, 29: fluid passage, 31: powder urea reservoir (reducing agent reservoir), 32: dissolving portion (reducing agent dissolving means, fluid passage), 40: ECU (pump driving means, reducing agent amount control) means).
Claims (9)
前記排気通路内に設けられ、排気を浄化する触媒部と、
前記排気管の前記触媒部の上流側に設けられ、溶媒に還元剤を溶解した還元剤溶液または前記溶媒である流体を前記排気通路に噴射する添加弁と、
前記添加弁へ到る流体通路と、
前記流体通路を経由させ前記添加弁へ前記流体を圧送するポンプと、
前記ポンプの駆動を制御するポンプ駆動制御手段と、
を備えた排気浄化装置であって、
前記ポンプ駆動制御手段の制御による前記ポンプの駆動によって前記流体通路に送出される前記溶媒を貯留する溶媒貯留部と、
前記還元剤を貯留する還元剤貯留部と、
前記流体通路の途中において、前記還元剤貯留部から供給された前記還元剤を前記溶媒に溶解させて前記還元剤溶液を得る還元剤溶解手段と、
を備えることを特徴とする排気浄化装置。 An exhaust pipe forming an exhaust passage for exhausting exhaust from the combustion chamber of the internal combustion engine;
A catalyst part provided in the exhaust passage for purifying exhaust;
An addition valve that is provided on the upstream side of the catalyst section of the exhaust pipe and injects a reducing agent solution in which a reducing agent is dissolved in a solvent or a fluid that is the solvent into the exhaust passage;
A fluid passage leading to the addition valve;
A pump that pumps the fluid through the fluid passage to the addition valve;
Pump drive control means for controlling the drive of the pump;
An exhaust purification device comprising:
A solvent reservoir for storing the solvent delivered to the fluid passage by driving the pump under the control of the pump drive control means;
A reducing agent reservoir for storing the reducing agent;
In the middle of the fluid passage, reducing agent dissolving means for obtaining the reducing agent solution by dissolving the reducing agent supplied from the reducing agent reservoir in the solvent;
An exhaust emission control device comprising:
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