JP2010043585A

JP2010043585A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2010043585A
Application number: JP2008207323A
Authority: JP
Inventors: Shinya Asaura; 慎也浅浦; Toshisuke Toshioka; 俊祐利岡; Tomihisa Oda; 富久小田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-08-11
Filing date: 2008-08-11
Publication date: 2010-02-25

Abstract

【課題】小型で簡易な構造によって不純物の少ない尿素水を固体尿素から生成可能な内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】ＮＯｘ選択還元触媒１９上流の機関排気通路１８内に配置された尿素水供給弁３０と、尿素水供給弁に連通する尿素水タンク３３と、尿素水タンクに連通する尿素貯蔵タンク３５と、尿素水タンクに連通する貯水タンク４０とを具備し、尿素水を生成すべきときに尿素貯蔵タンク内の固体尿素と貯水タンク内の水とをそれぞれ尿素水タンク内に供給するようにした内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯｘ選択還元触媒下流排気通路２０と吸気通路９とをＥＧＲ通路２１により接続すると共にＥＧＲ通路内に排気再循環制御弁を配置し、ＥＧＲ通路内に、ＥＧＲ通路内で液化した排気ガス中の水蒸気を収集する凝縮水収集部４３を備え、凝縮水収集部と貯水タンクとを連通させ凝縮水収集部に収集された水を貯水タンク内に供給し貯蔵する。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

機関排気通路内に排気ガスの空燃比がリーンのもとでアンモニアによって排気ガス中のＮＯｘを選択的に還元しうるＮＯｘ選択還元触媒を配置し、ＮＯｘ選択還元触媒上流排気通路内に尿素水を供給する尿素水供給弁を配置した内燃機関では、尿素水を貯蔵しておくために尿素水タンクが備えられているが、この尿素水タンクは容量が大きいため、大きな搭載スペースを必要とするという問題がある。

そこで尿素を固体として保持する貯蔵タンクと、排気ガス中に含まれる水蒸気を凝縮した凝縮水を貯蔵する貯蔵タンクとを有し、必要に応じてこれらを尿素水タンク内にて混合して尿素水を生成するようにして、全体として小型化を図った内燃機関の排気浄化装置が公知である（特許文献１参照）。

特表２００２−５１０００５号公報

しかしながらこの排気浄化装置によれば、ＮＯｘ選択還元触媒上流排気通路内を流れる排気ガスから凝縮水を得ているが、この排気ガスは比較的高温であり、従って冷却装置が大型化してしまうという問題がある。また、凝縮水を得るために排気ガスの一部を環流させる流路は、凝縮水を得るためだけに設けられるため、冷却装置と併せて付加的な設備が多くなりコストが高くなるという問題も生じる。更に、ＮＯｘ選択還元触媒上流の排気ガスを利用しているため排気ガスが完全に浄化されておらず、凝縮水に不純物が混入する可能性がある。従って、これを用いた尿素水にも不純物が混入する可能性があるため好ましくない。

そこで本発明は、小型で簡易な構造によって不純物の少ない尿素水を固体尿素から生成可能な内燃機関の排気浄化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に請求項１に記載の発明によれば、排気通路内にＮＯｘ選択還元触媒を配置し、ＮＯｘ選択還元触媒上流の機関排気通路内に配置された尿素水供給弁と、尿素水供給弁に連通し尿素水を貯蔵する尿素水タンクと、尿素水タンクに連通し固体尿素を貯蔵する尿素貯蔵タンクと、尿素水タンクに連通し水を貯蔵する貯水タンクとを具備し、尿素水供給弁を介して尿素水タンク内の尿素水をＮＯｘ選択還元触媒に供給して該尿素水から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯｘを選択的に還元するようにし、尿素水を生成すべきときに尿素貯蔵タンク内の固体尿素と貯水タンク内の水とをそれぞれ尿素水タンク内に供給するようにした内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯｘ選択還元触媒下流排気通路と吸気通路とを排気再循環通路により接続すると共に排気再循環通路内に排気再循環制御弁を配置し、排気再循環通路内に、排気再循環通路内で液化した排気ガス中の水蒸気を収集する凝縮水収集部を備え、該凝縮水収集部と貯水タンクとを連通させ凝縮水収集部に収集された水を貯水タンク内に供給し貯蔵する内燃機関の排気浄化装置が提供される。

即ち、請求項１に記載の発明では、排気ガス中の水蒸気を液化させるために排気再循環通路を利用するため、付加的な通路を設けることなく水が得られるという利点がある。また、排気再循環通路内の排気ガスは、ＮＯｘ選択還元触媒通過しているので温度が低いため冷却装置も小型又は不要であり、得られた水の不純物も少ないという利点がある。更に、貯水タンクに貯蔵される水は排気ガスから順次得られるため、貯水タンクは小型化することができる。

また、請求項２に記載の発明によれば請求項１に記載の発明において、尿素水タンク内の尿素水の濃度を測定する尿素水濃度測定手段を更に備え、尿素水生成時に、尿素水濃度測定手段によって測定された濃度に基づいて、尿素貯蔵タンク内の固体尿素の供給量と、貯水タンク内の水の供給量とを調整し、尿素水タンク内の尿素水濃度を所定濃度に調整する内燃機関の排気浄化装置が提供される。即ち、請求項２に記載の発明では、尿素水を所定濃度に生成することが可能となるため、外部環境や車体の状況に応じて最適な尿素水濃度に調整することが可能となる。

各請求項に記載の発明によれば、小型で簡易な構造によって不純物の少ない尿素水を固体尿素から生成することができるという共通の効果を奏する。

図１に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内にそれぞれ燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドをそれぞれ示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ８の出口に連結され、コンプレッサ８の入口は吸気管９を介してエアクリーナ１０に連結される。吸気管９内には吸入空気量を検出するためのエアフローメータ１１が配置される。吸気ダクト６内にはステップモータ１２により駆動されるスロットル弁１３が配置され、更に吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１４が配置される。図１に示す実施例では機関冷却水が冷却装置１４内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。

一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン１５の入口に連結され、排気タービン１５の出口は酸化触媒１６の入口に連結される。酸化触媒１６の出口はパティキュレートフィルタ１７の入口に連結され、パティキュレートフィルタ１７の出口は排気管１８を介して、排気ガスの空燃比がリーンのもとでアンモニアによって排気ガス中のＮＯｘを選択的に還元しうるＮＯｘ選択還元触媒１９の入口に連結される。ＮＯｘ選択還元触媒１９の出口は排気管２０と連結される。

ＮＯｘ選択還元触媒１９は、本実施形態では、チタニアを担体とし、この担体上に酸化バナジウムを担持した触媒Ｖ₂Ｏ₅／ＴｉＯ₂、又はゼオライトを担体とし、この担体上に銅を担持した触媒Ｃｕ／ＺＳＭ５が用いられている。

排気管２０と吸気管９とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路２１を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２１内には電気制御式ＥＧＲ制御弁２２が配置される。また、ＥＧＲ通路２１周りにはＥＧＲ通路２１内を流れる排気ガスを冷却するための冷却装置２３が配置される。図１に示す実施例では機関冷却水が冷却装置２３内に導かれ、機関冷却水によって排気ガスが冷却される。なお、ＥＧＲ通路２１が十分に長ければ、冷却装置２３を省略してもよい。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管２４を介してコモンレール２５に連結される。このコモンレール２５内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２６を用いて燃料タンク２７から燃料が供給され、コモンレール２５内に供給された燃料は各燃料供給管２４を介して燃料噴射弁３に供給される。

ＮＯｘ選択還元触媒１９上流の排気管１８内には尿素水供給弁３０が配置され、この尿素水供給弁３０は供給管３１、供給ポンプ３２を介して尿素水タンク３３に連結される。尿素水を供給すべきときには尿素水タンク３３内に貯蔵されている尿素水が供給ポンプ３２によって尿素水供給弁３０から排気管１８内を流れる排気ガス中に噴射され、このとき尿素から発生したアンモニア（（ＮＨ₂）₂ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→２ＮＨ₃＋ＣＯ₂）によって排気ガス中に含まれるＮＯｘがＮＯｘ選択還元触媒１９において還元される。

尿素水タンク３３は供給管３４を介して、固体尿素を貯蔵する尿素貯蔵タンク３５に連結される。本実施形態では固体尿素として、例えば粉末形状の尿素を用いる。尿素貯蔵タンク３５は、貯蔵されている粉末尿素が重力によって供給管３４を介して尿素水タンク３３内に流入するよう、尿素水タンク３３より高い位置に配置される。その流入量を調整するため、供給管３４内にはステップモータ３６により駆動される調整弁３７が配置される。

また、尿素水タンク３３は、供給管３４、供給管３８、及び給水ポンプ３９を介して貯水タンク４０に連結される。尿素水タンク３３は、供給管３４を介さずに、供給管３８、及び供給ポンプ３９を介して貯水タンク４０に連結されるようにしてもよい。貯水タンク４０は、吸引ポンプ４１、供給管４２を介して、後述するようにＥＧＲ通路２１内を流れる排気ガス中の水蒸気が液化した凝縮水を収集するための凝縮水収集部４３に連結される。尿素水タンク３３内には、尿素水の水位、即ち残量を測定する尿素水量レベルゲージ４４及び尿素水の濃度を測定する尿素濃度計４５が配置される。

電子制御ユニット（ＥＣＵ）５０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス５１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）５２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）５３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）５５、入力ポート５５及び出力ポート５６を具備する。エアフローメータ８、尿素水量レベルゲージ４４及び尿素濃度計４５の出力信号はそれぞれ対応するＡＤ変換器５７を介して入力ポート５５に入力される。また、アクセルペダル５９にはアクセルペダル５９の踏み込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ６０が接続され、負荷センサ６０の出力電圧は対応するＡＤ変換器５７を介して入力ポート５５に入力される。更に入力ポート５５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ６１が接続される。ＣＰＵ５４ではクランク角センサ６１からの出力パルスに基づいて機関回転数Ｎが算出される。一方、出力ポート５６は対応する駆動回路５８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１３のステップモータ１２、調整弁３７のステップモータ３６、ＥＧＲ制御弁２２、燃料ポンプ２６、尿素水供給弁３０、供給ポンプ３２、給水ポンプ３９、及び吸引ポンプ４１に接続される。

次に、本発明による尿素水生成処理について説明する。尿素水タンク３３内の尿素水は、ＮＯｘ選択還元触媒１９の還元のために用いられるため徐々に減少する。尿素水量レベルゲージ４４によって検出される尿素水量が所定以下に減少すると、尿素水を増量するため尿素水生成処理が開始する。

尿素水生成処理は、まず、調整弁３７を一部又は全部開放し、尿素貯蔵タンク３５から粉末尿素を尿素水タンク３３内に供給すると共に、給水ポンプ３９によって貯水タンク４０内の水を尿素水タンク３３に供給することによって行われる。粉末尿素の供給量は、調整弁の開度と供給管３４の断面積に基づいて予め実験又は計算に求められたマップ等から算出される。そして、生成された尿素水の濃度が所定濃度（例えば、３２．５％）となるよう、尿素濃度計４５を監視しながら調整弁３７及び給水ポンプ３９を調整し、供給する粉末尿素量及び水量を調節する。なお、尿素水タンク３３内で粉末尿素の溶解を促進するためミキサを配置し、撹拌してもよい。

貯水タンク４０に貯水される水は、凝縮水収集部４３に集められた凝縮水が用いられる。凝縮水収集部４３は、ＥＧＲ通路２１内で最も低い位置に配置されるため、液化した水はそこに自然と集められる。例えば、機関停止後、ＥＧＲ通路２１内に残った排気ガス中の水蒸気は、機関の冷却と共に液化し凝縮水収集部４３に集められる。ＥＧＲ通路２１は十分長いため、かなりの量の水を得ることができる。また、従来であれば、機関停止後、ＥＧＲ通路２１内に残った水分によって通路内壁に錆が発生するという問題もあったが、水が凝縮水収集部４３に収集されるためＥＧＲ通路２１内の防錆効果も期待できる。なお、貯水タンク４０が凝縮水だけでは不足する場合には、外部より供給できるようにしてもよい。その際、車両内に搭載したろ過装置を経由した雨水等も利用可能である。

本実施形態では、ＮＯｘ選択還元触媒１９下流の排気管２０から排気ガスを再循環させているため、ＥＧＲ通路２１内を流れる排気ガスの温度は、例えば排気タービン１５の出口に比べてかなり低下している。そのため、小型な冷却装置２３を用いて又は冷却装置を用いなくても、排気ガスを十分冷却することができ、機関運転中に排気ガス中の水蒸気を液化し収集できるというメリットもある。

更に、本実施形態では、ＥＧＲ通路２１内に流入する排気ガスは酸化触媒１６、パティキュレートフィルタ１７、及びＮＯｘ選択還元触媒１９を通過した後であるため、非常にクリーンな排気ガスとなっており、従って、得られる凝縮水、更にはそれを用いて生成される尿素水にも不純物が非常に少ないというメリットがある。

なお、本実施形態における、給水ポンプ３９は、尿素水タンク３３の設置場所によっては流量を調整する調整弁にそれぞれ置き換えることが可能である。即ち、貯水タンク４０を尿素水タンク３３よりも高い位置に配置することによってそれが可能となる。同様に、吸引ポンプ４１は、凝縮水収集部４３を貯水タンク４０よりも高い位置に配置すれば、流量を調整する調整弁に置き換えることが可能である。

以上により、本発明によれば、排気ガス中の水蒸気を液化させるためにＥＧＲ通路２１を利用するため、付加的な通路を設けることなく水が得られ、貯水タンク４０を小型化することができる。また、ＮＯｘ選択還元触媒１９上流の排気管１８内への尿素水の供給に必要な構成、主に尿素水タンク３３、尿素貯蔵タンク３５、及び貯水タンク４０を車両内に分散して配置することが可能となり、必要とする搭載スペースを小さく、また、多様な搭載レイアウトに対応できるという利点もある。

圧縮着火式内燃機関の全体図である。

符号の説明

１機関本体
４吸気マニホルド
５排気マニホルド
７排気ターボチャージャ
９吸気通路
１９ＮＯｘ選択還元触媒
２１ＥＧＲ通路
３０尿素水供給弁
３３尿素水タンク
３５尿素貯蔵タンク
４０貯水タンク
４３凝縮水収集部

Claims

排気通路内にＮＯｘ選択還元触媒を配置し、ＮＯｘ選択還元触媒上流の機関排気通路内に配置された尿素水供給弁と、尿素水供給弁に連通し尿素水を貯蔵する尿素水タンクと、尿素水タンクに連通し固体尿素を貯蔵する尿素貯蔵タンクと、尿素水タンクに連通し水を貯蔵する貯水タンクとを具備し、尿素水供給弁を介して尿素水タンク内の尿素水をＮＯｘ選択還元触媒に供給して該尿素水から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯｘを選択的に還元するようにし、尿素水を生成すべきときに尿素貯蔵タンク内の固体尿素と貯水タンク内の水とをそれぞれ尿素水タンク内に供給するようにした内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯｘ選択還元触媒下流排気通路と吸気通路とを排気再循環通路により接続すると共に排気再循環通路内に排気再循環制御弁を配置し、排気再循環通路内に、排気再循環通路内で液化した排気ガス中の水蒸気を収集する凝縮水収集部を備え、該凝縮水収集部と貯水タンクとを連通させ凝縮水収集部に収集された水を貯水タンク内に供給し貯蔵する内燃機関の排気浄化装置。
尿素水タンク内の尿素水の濃度を測定する尿素水濃度測定手段を更に備え、尿素水生成時に、尿素水濃度測定手段によって測定された濃度に基づいて、尿素貯蔵タンク内の固体尿素の供給量と、貯水タンク内の水の供給量とを調整し、尿素水タンク内の尿素水濃度を所定濃度に調整する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。