JP2010150979A - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】尿素水溶液から生成されるアンモニアを用いて排気中のＮＯｘを還元浄化する構成において、排気管内に堆積した尿素を除去して排気抵抗の増加等を抑制する。
【解決手段】エンジンの排気管１４には、尿素水溶液から生成されるアンモニアを用いて排気中の窒素酸化物を還元浄化する還元触媒２０が備えられている。尿素水溶液は噴射ノズル１８から還元触媒２０の排気上流に噴射される。エンジンＥＣＵ６は、尿素水溶液から析出した尿素が排気管１４内に堆積しているか否かを判定し、排気管１４内に尿素が堆積していると判定すると、排気温度を上昇させる排気昇温制御を実行する。
【選択図】図１

Description

本発明は、尿素水溶液から生成されるアンモニアを用いて排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元浄化するエンジンの排気浄化装置に関する。

エンジンからの排気中に含まれるＮＯｘを浄化する排気浄化装置として、アンモニアを還元剤として用いるものが知られている。例えば、特許文献１に記載された排気浄化装置では、排気通路に配置されたＮＯｘ還元触媒の上流側に尿素水溶液を噴射供給し、この尿素水溶液から生成されるアンモニアによって排気中のＮＯｘを還元浄化している。
特開２０００−２７６２７号公報

しかし、上記従来の排気浄化装置においては、例えばエンジンからの排気温度が低い状態が継続すると、噴射供給された尿素水溶液から尿素が析出して排気管の内壁面に堆積するおそれがある。この尿素の堆積量が多くなると、排気抵抗が増加して出力低下などを招くおそれがあることから、排気管内に堆積した尿素を除去することが望まれている。

本発明は、このような課題に着目してなされたものであり、その目的は、尿素水溶液から生成されるアンモニアを用いて排気中のＮＯｘを還元浄化する構成において、排気管内に尿素が堆積した場合には、この堆積した尿素を除去して排気抵抗の増加等を抑制することのできるエンジンの排気浄化装置を提供することである。

本発明の一側面によると、エンジンの排気浄化装置は、エンジンの排気管に配設され、尿素水溶液から生成されるアンモニアを用いて排気中の窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、前記還元触媒の排気上流に前記尿素水溶液を噴射供給する噴射供給手段と、前記尿素水溶液から析出した尿素が前記排気管内に堆積していることを判定可能な判定手段と、前記判定手段により前記排気管内に前記尿素が堆積していると判定されたときに、排気温度を上昇させる排気昇温手段と、を備える。

ここで、前記噴射供給手段が前記排気管内に前記尿素水溶液を噴射する噴射ノズルを有すると共に、前記排気管内における前記噴射ノズルの排気上流側の圧力を検出する圧力検出手段をさらに備え、前記判定手段が前記差圧検出手段により検出された圧力が所定値以上であるときに、前記排気内に尿素が堆積していると判定するように構成することができる。また、前記噴射ノズルよりも排気上流に配設され、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタ装置をさらに備え、前記圧力検出手段が前記フィルタ装置の出口圧力を検出するものとすることができる。

本発明の他の側面によると、エンジンの排気浄化装置は、エンジンの排気管に配設され、尿素水溶液から生成されるアンモニアを用いて排気中の窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、前記還元触媒の排気上流側に配設され、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタ装置と、前記フィルタ装置の排気下流であって前記還元触媒の排気上流に、前記尿素水溶液を噴射供給する噴射供給手段と、前記尿素水溶液から析出した尿素が前記排気管内に堆積していることを判定可能な判定手段と、前記判定手段により前記排気管内に前記尿素が堆積していると判定されたときに、排気温度を上昇させる排気昇温手段と、を備える。

ここで、前記フィルタ装置の入口圧力と大気圧との差圧を検出する差圧検出手段と、前記フィルタ装置に堆積している前記粒子状物質の堆積量を演算する堆積量演算手段と、をさらに備え、前記判定手段が、前記粒子状物質の堆積量が所定量以下で、かつ、前記差圧検出手段により検出された差圧が所定値以上であるときに、前記排気管内に前記尿素が堆積していると判定するように構成することができる。

また、前記フィルタ装置が酸化触媒機能を有し、前記排気昇温手段が前記フィルタ装置の排気上流に未燃燃料を供給することによって排気温度を上昇させるものとすることができる。

本発明によるエンジンの排気浄化装置によると、噴射供給された尿素水溶液から生成されるアンモニアを用いて排気中の窒素酸化物を還元浄化する構成において、前記尿素水溶液から析出した尿素が排気管に堆積していると判定されると、排気温度を上昇させる。これにより、堆積している尿素を溶解し除去することができるので、排気抵抗の増加を抑制できる。

以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図１は、本発明の第１実施形態によるディーゼルエンジン（以下単に「エンジン」という）の排気浄化装置の全体構成を示している。

図１において、エンジン１０には、気筒毎に燃料噴射弁２が設けられている。燃料噴射弁２は、図示しない燃料ポンプからコモンレール４を介して供給された燃料を各気筒の筒内に噴射する。

また、エンジン１０の排気マニフォールド１２には、排気管１４が接続されており、この排気管１４には、排気上流側から順に、排気中の粒子状物質（Particulate Matter、以下「ＰＭ」という）を捕集するフィルタ装置（Diesel Particulate Filter、以下「ＤＰＦ」という）１６、尿素水溶液を排気管１４内に噴射供給する噴射ノズル１８、加水分解によって尿素水溶液から生成されるアンモニアを用いて排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元浄化するＮＯｘ還元触媒２０、及び、ＮＯｘ還元触媒２０を通過したアンモニアを酸化させるアンモニア酸化触媒２２が配設されている。

ＤＰＦ１６は、白金系の酸化触媒を担持した、いわゆる連続再生式のＰＭフィルタであり、酸化触媒の作用により、捕集されたＰＭを燃焼除去すると共に、排気中のＨＣやＣＯを除去することも可能である。なお、酸化触媒をＰＭフィルタの排気上流に配置してＤＰＦ１６を構成してもよい。

尿素水溶液は、尿素水タンク２４に貯蔵されており、ポンプ及び流量制御弁を内蔵する尿素水添加装置２６により供給管２８を介して噴射ノズル１８に供給される。なお、噴射ノズル１８、尿素水タンク２４、尿素水添加装置２６及び供給管２８によって本発明の「噴射供給手段」が構成される。

燃料噴射弁２の動作は、エンジンコントロールユニット（以下「エンジンＥＣＵ」という）６によって制御される。エンジンＥＣＵ６には、エンジン回転数を検出する回転センサ３２、エンジン負荷（例えば、アクセル開度）を検出する負荷センサ３４、ＤＰＦ１６の入口圧力と大気圧との差圧を検出する差圧センサ（差圧検出手段）３６、ＤＰＦ１６の入口温度を検出する第１温度センサ３８、ＤＰＦ１６の出口温度を検出する温度センサ４０、吸気流量を検出するエアフローメータ（図示省略）などの各種センサからの検出信号が入力される。そして、エンジンＥＣＵ６は、入力された検出信号に基づいて燃料噴射信号（噴射量及び噴射時期）を決定し、この燃料噴射信号を燃料噴射弁２に出力する。本実施形態においては、エンジン出力を発生するための主噴射後の膨張行程又は排気行程に、追加的に燃料噴射を実施するポスト噴射を行うことが可能である。また、エンジンＥＣＵ６は、入力された検出信号に基づいて、ＤＰＦ１６の捕集された堆積したＰＭ堆積量を演算することも可能である。

噴射ノズル１８からの尿素水溶液の噴射供給は、尿素水添加コントロールユニット（以下「尿素水添加ＥＣＵ」という）３０によって制御される。尿素水添加ＥＣＵ３０は、ＣＡＮ（Controller Area Network）などのネットワークを介してエンジンＥＣＵ６と相互に通信可能に接続されており、エンジン運転状態（エンジン回転数やエンジン負荷）などの情報を適宜読込み可能となっている。そして、尿素水添加ＥＣＵ３０は、読込んだ情報に基づいて尿素水添加装置２６を制御して尿素水タンク２４から噴射ノズル１８に尿素水溶液を供給し、供給された尿素水溶液が噴射ノズル１８からＮＯｘ還元触媒２０の排気上流（ＤＰＦ１６の排気下流）に噴射供給される。

噴射供給された尿素水溶液は、排気熱及び排気中の水蒸気により加水分解されてアンモニアへと転化され、この転化されたアンモニアがＮＯｘ還元触媒２０において排気中のＮＯｘと還元反応する。ＮＯｘ還元触媒２０を通過したアンモニアは、ＮＯｘ還元触媒２０の排気下流側に配設されたアンモニア酸化触媒２２によって酸化され、アンモニアがそのまま放出されることが抑制される。

ここで、エンジン１からの排気温度が尿素の融点よりも低い運転状態が継続すると、噴射供給された尿素水溶液から尿素が析出し、噴射ノズル１８よりも下流側において排気管１４の内壁面などに堆積するおそれがある。尿素の堆積量が多くなるとエンジン性能の低下を招く。このため、エンジンＥＣＵ６は、析出した尿素が排気管１４内に堆積しているか否かを判定し、堆積していると判定した場合には排気温度を上昇させて堆積している尿素を溶解して除去するようにしている。

図２は、エンジンＥＣＵ６が実行する制御プログラムのフローチャートを示している。この制御プログラムは、例えばエンジンの始動と共に開始され、所定時間毎に繰り返して実行される。なお、本制御プログラムが実行されることにより、本発明の「判定手段」、「堆積量演算手段」及び「排気昇温手段」が実現される。

ステップＳ１では、ＤＰＦ１６のＰＭ堆積量を読込む。ＤＰＦ１６のＰＭ堆積量は、公知の様々な方法により求めることができる。例えば、エンジン１の運転履歴からＰＭ堆積量を推定したり、特開２００５−５４６３２号公報に記載されているように、エンジン１のＰＭ排出量とＤＰＦ１６のＰＭ燃焼量との減算値を積算してＰＭ堆積量を推定したりすることができる。

ステップＳ２では、ステップＳ１で読込んだＰＭ堆積量が所定量ＰＭｓ以下であるか否かを判定する。ここで、所定量ＰＭｓは、ＤＰＦ１６の排気抵抗（圧力損失）の増加が少ない状態を判定するための閾値であって、例えばＤＰＦ１６入口側と出口側との差圧がΔＰ１以下となる値として実験等により求めたものが設定される。そして、ＰＭ堆積量≦ＰＭｓであればステップＳ３に進み、ＰＭ堆積量＞ＰＭｓであれば処理を終了する。ＰＭ堆積量＞ＰＭｓの場合に処理を終了するのは、ＤＰＦ１６の排気抵抗が増加しているため、後述する差圧センサ３６の検出差圧が増加した場合であっても、それがＤＰＦ１６に堆積したＰＭに起因するものか、排気管１４内に堆積した尿素に起因するものかを判別するのが困難だからである。

ステップＳ３では、差圧センサ３６により差圧を検出し、検出された差圧（検出差圧）ΔＰが所定値ΔＰ２（＞ΔＰ１）以上であるか否かを判定する。ここで、所定値ΔＰ２は、排気管１４内の尿素が堆積しているか否かを判定するための閾値であって、上記ΔＰ１（すなわち、ＤＰＦ１６による排気抵抗）のほか、ＮＯｘ還元触媒２０及びアンモニア酸化触媒２２による排気抵抗（圧力損失）も考慮されて設定されている。そして、検出差圧ΔＰ≧ΔＰ２であればステップＳ４に進み、検出差圧ΔＰ＜ΔＰ２であれば排気管１４内の尿素が堆積していないと判断し処理を終了する。

ステップＳ４では、排気温度を上昇させる排気昇温制御を実行する。この排気昇温制御は、排気管１４内に堆積した尿素を溶解可能な温度まで排気の温度を上昇させるものであり、例えば、ＤＰＦ１６の排気上流に所定量の未燃燃料を供給することにより行われる。この未燃燃料の供給は、例えば燃料のポスト噴射によって行う。ここで、排気温度は尿素の融点（１３２℃）よりも高い温度、より好ましくは、尿素の融点よりも１０℃以上高い温度まで上昇させる。堆積した尿素を効果的に溶解し除去するためである。なお、図には示していないが、ＤＰＦ１６の排気上流に燃料を直接噴射するようにしてもよい。また、それ以外にも、例えばＥＧＲ率を変更したり、吸気絞り弁を制御したりすることによって排気温度を上昇させるようにしてもよい。

ステップＳ５では、差圧センサ３６により再び差圧を検出し、検出差圧ΔＰが前記所定値ΔＰ２を下回ったか否かを判定する。そして、検出差圧ΔＰ≧ΔＰ２であればステップＳ４に戻って排気昇温制御を継続し、検出差圧ΔＰ＜ΔＰ２となると処理を終了する。

かかる制御プログラムによれば、ＤＰＦ１６（ＰＭ堆積量）が排気管１４内における尿素の堆積（の有無）判定に影響を与えない状態であることが判定され（Ｓ２）、かかる状態において差圧センサ３６による検出差圧ΔＰが所定値ΔＰ２以上となると（Ｓ３）、排気管１４内に尿素が堆積したことによって排気抵抗（圧力損失）が増加したものと判断して排気温度を上昇させる（Ｓ４）。これにより、排気管１４内に堆積した尿素を溶解させて除去することができ、エンジン性能の劣化を抑制できる。また、ＤＰＦ１６に伴って通常配設される差圧センサ３６の検出差圧に基づいて尿素の堆積の有無を判定するので、新たなセンサを追加する必要がない。

なお、上記実施形態では、ＤＰＦ１６の入口圧力と大気圧との差圧を検出する差圧センサ３６の検出差圧を用いているが、これに限るものではない。例えばＤＰＦ１６と噴射ノズル１８との間（すなわち、噴射ノズル１８の排気上流）に差圧センサ又は圧力センサを追加配置し、噴射ノズル１８の排気上流側の圧力と大気圧との差圧又は噴射ノズル１８の排気上流側の圧力に基づいて排気管１４内に尿素が堆積しているか否かを判定するようにしてもよい。この場合、新たにセンサを追加する必要があるが、ＤＰＦ１６のＰＭ堆積量を求める必要がなくなるので制御を簡素化できる。

図３は、本発明の第２実施形態によるエンジンの排気浄化装置の要部を示している。図３に示すように、第２実施形態によるエンジンの排気浄化装置は、第１実施形態（図１）における差圧センサ３６に代えて、ＤＰＦ１６の入口圧力を検出する第１圧力センサ４２と、ＤＰＦ１６の出口圧力を検出する第２圧力センサ４４とが設けられている。その他の構成は第１実施形態と同じであるので、ここでの説明は省略する。ここで、第１圧力センサ４２及び第２圧力センサ４４は、主としてＤＰＦ１６のＰＭ堆積量を推定する等のために用いられるものであり、差圧センサ３６と同様、ＤＰＦ１６に伴って設けられる。なお、第２圧力センサ４４が本発明の「圧力検出手段」に相当する。

図４は、かかる第２実施形態においてエンジンＥＣＵ６が実行する制御プログラムのフローチャートを示しており、図２に示すフローチャートに対応するものである。
ステップＳ１１では、第２圧力センサ４４の検出圧力Ｐ２を読込む。

ステップＳ１２では、ステップＳ１１で読込んだ検出圧力Ｐ２が所定圧力Ｐｓ以上であるか否かを判定する。ここで、所定圧力Ｐｓは、図２のステップＳ２における所定値ΔＰ２と同様に、排気管１４内の尿素が堆積しているか否かを判定するための閾値であって、大気圧と、ＮＯｘ還元触媒２０及びアンモニア酸化触媒２２による排気抵抗（圧力損失）とが考慮され設定されている。そして、検出圧力Ｐ２≧ＰｓであればステップＳ１３に進み、検出圧力Ｐ２＜Ｐｓであれば排気管１４内の尿素が堆積していないと判断し処理を終了する。

ステップＳ１３では、図２のステップＳ４と同様に排気昇温制御を実行する。
ステップＳ１４では、第２圧力センサ４４の検出圧力Ｐ２を再び読込み、読込んだ検出圧力Ｐ２が前記所定圧力Ｐｓを下回ったか否かを判定する。そして、検出圧力Ｐ２≧ＰｓであればステップＳ１３に戻って排気昇温制御を継続し、検出圧力Ｐ２＜Ｐｓとなると処理を終了する。

本実施形態においても前記第１実施形態と同様、新たなセンサを追加することなく、排気管１４内に尿素が堆積しているか否かを判定し、尿素が堆積している場合には堆積した尿素を溶解し、除去することができる。

本発明の第１実施形態による排気浄化装置の全体構成を示す図である。 第１実施形態においてエンジンＥＣＵが実行する制御プログラムのフローチャートである。 本発明の第２実施形態による排気浄化装置の要部を示す図である。 第２実施形態においてエンジンＥＣＵが実行する制御プログラムのフローチャートである。

符号の説明

２…燃料噴射弁、６…エンジンＥＣＵ、１０…エンジン、１４…排気管、１６…ＤＰＦ、１８…噴射ノズル、２０…ＮＯｘ還元触媒、２４…尿素水タンク、２６…尿素水添加装置、２８…供給管、３０…尿素水添加ＥＣＵ、３２…回転センサ、３４…負荷センサ、３６…差圧センサ、３８…第１温度センサ、４０…第２温度センサ、４２…第１圧力センサ、４４…第２圧力センサ

Claims (6)

1. エンジンの排気管に配設され、尿素水溶液から生成されるアンモニアを用いて排気中の窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、
   前記還元触媒の排気上流に前記尿素水溶液を噴射供給する噴射供給手段と、
   前記尿素水溶液から析出した尿素が前記排気管内に堆積していることを判定可能な判定手段と、
   前記判定手段により前記排気管内に前記尿素が堆積していると判定されたときに、排気温度を上昇させる排気昇温手段と、
   を備える、エンジンの排気浄化装置。
2. 前記噴射供給手段は、前記排気管内に前記尿素水溶液を噴射する噴射ノズルを有し、
   前記排気管内における前記噴射ノズルの排気上流側の圧力を検出する圧力検出手段をさらに備え、
   前記判定手段は、前記圧力検出手段により検出された圧力が所定値以上であるときに、前記排気管内に前記尿素が堆積していると判定する、請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
3. 前記噴射ノズルよりも排気上流に配設され、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタ装置をさらに備え、
   前記圧力検出手段が前記フィルタ装置の出口圧力を検出するものである、請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置。
4. エンジンの排気管に配設され、尿素水溶液から生成されるアンモニアを用いて排気中の窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、
   前記還元触媒の排気上流に配設され、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタ装置と、
   前記フィルタ装置の排気下流であって前記還元触媒の排気上流に、前記尿素水溶液を噴射供給する噴射供給手段と、
   前記尿素水溶液から析出した尿素が前記排気管内に堆積していることを判定可能な判定手段と、
   前記判定手段により前記排気管内に前記尿素が堆積していると判定されたときに、排気温度を上昇させる排気昇温手段と、
   を備える、エンジンの排気浄化装置。
5. 前記フィルタの入口圧力と大気圧との差圧を検出する差圧検出手段と、
   前記フィルタに堆積している前記粒子状物質の堆積量を演算する堆積量演算手段と、
   をさらに備え、
   前記判定手段は、前記粒子状物質の堆積量が所定量以下で、かつ、前記差圧検出手段により検出された差圧が所定値以上であるときに、前記排気管内に前記尿素が堆積していると判定する、請求項４に記載のエンジンの排気浄化装置。
6. 前記フィルタ装置は、酸化触媒機能を有するものであり、
   前記排気昇温手段は、前記フィルタ装置の排気上流に未燃燃料を供給することによって排気温度を上昇させる、請求項３〜５のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。

Images