JP2014058898A - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より少ない部品点数にてシステムをより単純化し、より小型化することが可能な排気ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】液体状の還元剤を噴射する添加弁２１と還元剤タンク２２と圧縮エアを供給するポンプ２３と切替弁２４と制御装置２５とを備え、ポンプには圧縮エアを供給可能な第１エア配管Ｈ１と第２エア配管Ｈ２のそれぞれの一方端が接続されており、還元剤タンクには還元剤が吐出される吐出配管Ｈ３の一方端が接続されており、添加弁には還元剤が流入する流入配管Ｈ４の一方端が接続されており、第１エア配管の他方端は還元剤タンクに接続され、切替弁には流入配管の他方端と吐出配管の他方端と第２エア配管の他方端とが接続され、制御装置は、切替弁を制御して、吐出配管の他方端と流入配管の他方端とを連通させることと、第２エア配管の他方端と流入配管の他方端とを連通させることと、を切替えることが可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気ガス浄化装置に関する。

ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関では、排気ガス中に、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）の３種類の有害成分が主に含まれている。
理論空燃比で制御されるガソリンエンジンでは、三元触媒を用いることで、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘをまとめて浄化することができる。
しかし、理論空燃比で制御されないディーゼルエンジンでは、過剰な空気にて排気ガス中の酸素が多く、三元触媒を利用することができない。
そこで、ディーゼルエンジンでは、ＨＣとＣＯを浄化する酸化触媒、ＮＯｘを浄化するＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）システム、の別々の浄化装置を設けて排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを浄化している。
そしてＳＣＲシステムでは、尿素水等の液体の還元剤をＳＣＲ触媒の上流から添加（噴射）して、ＳＣＲ触媒にてＮＯｘを浄化している。
ここで、液体の還元剤を添加する経路では、残留した還元剤が析出して目詰まりが発生する可能性や、還元剤が経路内で凍結して目詰まりが発生する可能性があるので、この目詰まりを防止する種々の技術が開示されている。

例えば特許文献１に記載された従来技術には、尿素水を噴射するインジェクタに対して、尿素水を供給する経路と、加圧気体を供給する経路、の２つの経路を接続し、内燃機関の運転の停止時に加圧気体をインジェクタから噴射して残留した尿素水を押出すことで、インジェクタ内での尿素の析出による目詰まりを低減する、排気浄化装置が開示されている。そして、尿素水を供給する経路には、尿素水タンク内の尿素水をインジェクタに供給する尿素水ポンプと、尿素水用の圧力調整弁が設けられ、加圧気体を供給する経路には、加圧気体をインジェクタに供給する加圧気体ポンプまたはコンプレッサと、加圧気体用の圧力調整弁が設けられている。
また特許文献２に記載された従来技術には、ワンウェイ弁とポンプと添加弁を介して還元剤をインジェクタまで導く経路に、プロテクションバルブと開閉弁を介してエアタンクから加圧エアを供給する経路をワンウェイ弁の下流に合流させ、エンジンの停止時に開閉弁を開いて加圧エアを経路に導入してエアパージすることで経路及びインジェクタに残留した還元剤を押出している。なお、ワンウェイ弁を有することで、加圧エアは尿素水タンクの側には流れない構成とされている。

特開２０１０−３１７４６号公報 特開２００５−２４８８２３号公報

特許文献１に記載された従来技術では、ＳＣＲシステムに、尿素水をインジェクタに圧送する尿素水ポンプ及び圧力調整弁と、加圧気体をインジェクタに圧送する加圧気体ポンプまたはコンプレッサ及び圧力調整弁を必要としており、２つの異なるポンプ及び圧力調整弁が必要であり、システムが複雑化かつ大型化するので好ましくない。
また特許文献２に記載された従来技術では、ＳＣＲシステムに、還元剤をインジェクタに圧送するポンプと、エアタンク及び当該エアタンクに加圧エアを蓄えるための別のポンプや、加圧エアの経路に設けるプロテクションバルブ及び開閉弁が必要であり、システムが複雑化かつ大型化するので好ましくない。
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、より少ない部品点数にてシステムをより単純化し、より小型化することが可能な排気ガス浄化装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る排気ガス浄化装置は次の手段をとる。
まず、本発明の第１の発明は、排気ガス中の所定成分を浄化するための触媒へ前記所定成分を浄化する液体状の還元剤を噴射する添加弁と、前記添加弁へ供給する前記還元剤が蓄えられている還元剤タンクと、圧縮エアを供給するポンプと、切替弁と、前記添加弁と前記ポンプと前記切替弁を制御する制御装置と、を備えた内燃機関の排気ガス浄化装置である。
前記ポンプには、当該ポンプからの圧縮エアを供給可能な第１エア配管と第２エア配管のそれぞれの一方端が接続されており、前記還元剤タンクには、蓄えられている還元剤が吐出される吐出配管の一方端が接続されており、前記添加弁には、噴射する還元剤が流入する流入配管の一方端が接続されており、前記第１エア配管の他方端は前記還元剤タンクに接続されており、前記切替弁には、前記流入配管の他方端と、前記吐出配管の他方端と、前記第２エア配管の他方端と、が接続されており、前記制御装置は、前記切替弁を制御して、前記吐出配管の他方端と前記流入配管の他方端とを連通させることと、前記第２エア配管の他方端と前記流入配管の他方端とを連通させることと、を切替えることが可能である。

この第１の発明は、添加弁と還元剤タンクと１個のポンプと１個の切替弁と制御装置とを備えた排気ガス浄化装置であり、ポンプからの圧縮エアを利用して還元剤を圧送することで、部品点数が大幅に低減されてより単純化されており、より小型化することが可能である。

次に、本発明の第２の発明は、上記第１の発明に係る排気ガス浄化装置であって、前記制御装置は、前記内燃機関の運転状態を検出可能であり、前記制御装置は、検出した前記内燃機関の運転状態に基づいて、前記還元剤の供給が不要であると判断した場合に、前記第２エア配管の他方端と前記流入配管の他方端とが連通するように前記切替弁を制御する。

この第２の発明では、適切なタイミングでポンプからの圧縮エアを添加弁から噴射して、添加弁に残留している還元剤を吹き飛ばすことができる。

次に、本発明の第３の発明は、上記第２の発明に係る排気ガス浄化装置であって、前記制御装置は、前記添加弁への前記圧縮エアの供給が不要であると判断した場合に、前記第２エア配管の他方端と前記流入配管の他方端との連通を遮断するように前記切替弁を制御する。

この第３の発明では、添加弁に残留している還元剤を吹き飛ばしあとに、無駄な圧縮エアを添加弁へ供給することがなく、ポンプの動力消費を低減することができる。

本発明の排気ガス浄化装置の構成を説明する図である。 排気ガス浄化装置の添加弁の構造を説明する断面図である。 （Ａ）は切替弁を切替えて添加弁から還元剤を噴射する様子を示し、（Ｂ）は（Ａ）の状態から（Ｃ）の状態へ切替える切替中の状態を示し、（Ｃ）は切替弁を切替えて添加弁からエアを噴射する様子を示し、（Ｄ）は（Ｃ）の状態から（Ａ）の状態へ切替える切替中の状態を示している。

以下に本発明を実施するための形態を図面を用いて説明する。
●［排気ガス浄化装置２０の構成（図１）と、添加弁２１の構造（図２）］
まず図１を用いて、本発明の排気ガス浄化装置２０の構成について説明する。
本発明の排気ガス浄化装置２０は、内燃機関１０（この場合、ディーゼルエンジン）の排気経路１２の途中に設けられている。
排気経路１２には、上流側から、酸化触媒４１、フィルタ４２、ＳＣＲ触媒４３、酸化触媒４４、が順次接続されている。
酸化触媒４１は、炭化水素（ＨＣ）と一酸化炭素（ＣＯ）を無害化する触媒であり、フィルタ４２は、排気ガス中の粒子状物質を捕集するいわゆるＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）である。
またＳＣＲ触媒４３は、添加弁２１から噴射されて分散装置４３Ａにて拡散された還元剤（例えば尿素水）を用いて窒素酸化物（ＮＯｘ）を無害化する触媒であり、酸化触媒４４は、ＳＣＲ触媒にて反応に使用されずに余った還元剤を無害化する触媒である。
なお、図１に示す構成において、ＳＣＲ触媒４３の代わりにＳＣＲ触媒とＤＰＦとを一体化した触媒を用いてフィルタ４２を省略してもよい。

排気ガス浄化装置２０は、添加弁２１、還元剤タンク２２、ポンプ２３、切替弁２４、制御装置２５等にて構成されている。
ポンプ２３には、当該ポンプから圧縮エアを供給可能な第１エア配管Ｈ１と第２エア配管Ｈ２のそれぞれの一方端が接続され、図示しない取入口から吸入したエアを圧縮して圧縮エアとして第１エア配管Ｈ１と第２エア配管Ｈ２とにそれぞれ供給している。
還元剤タンク２２には、液体状の還元剤が蓄えられており、下方には吐出配管Ｈ３の一方端が接続され、上方には第１エア配管Ｈ１の他方端が接続されている。
添加弁２１は、ＳＣＲ触媒４３の上流から、排気ガス中の所定成分（この場合、ＮＯｘ）を浄化するための液体状の還元剤を、分散装置４３Ａに向けて噴射する。そして添加弁２１には、流入配管Ｈ４の一方端が接続されている。
分散装置４３Ａは、熱伝導性の高い金属等にて構成され、添加弁２１から噴射された還元剤と排気ガスとを効果的に混合拡散させる。また分散装置取り付け部配管の外周には加熱部が取り付けられて混合拡散を促進している。還元剤として尿素水を用いた場合、分散装置は、尿素水が加水分解されて生成されたアンモニアと排気ガスとを混合分散させ、加熱することで加水分解を促進する。なお、加水分解を促進する材料として、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ポリシラザン等を触媒として分散装置に塗布してもよい。
また切替弁２４には、流入配管Ｈ４の他方端と、吐出配管Ｈ３の他方端と、第２エア配管Ｈ２の他方端と、が接続されている。

そして制御装置２５は、添加弁２１、ポンプ２３、切替弁２４のそれぞれに制御信号を出力してそれぞれを制御することが可能である。制御装置２５は、添加弁２１の開度や通電時間等を制御することで、還元剤の供給量を調整することができる。
また制御装置２５には、吸入空気流量検出手段３１の検出信号、ＮＯｘ検出手段３２の検出信号、アクセル開度検出手段３３の検出信号、回転検出手段３４の検出信号、のそれぞれが入力されている。そして制御装置２５は、これらの検出手段からの信号に基づいて内燃機関１０の運転状態を検出することができる。また、図示省略するが、制御装置２５は、内燃機関１０に燃料を噴射するインジェクタへ駆動信号を出力する。
吸入空気流量検出手段３１は、内燃機関１０の吸気経路１１に設けられて内燃機関１０が吸入した空気の流量に応じた検出信号を出力する。
ＮＯｘ検出手段３２は、内燃機関１０の排気経路１２に設けられて内燃機関１０の排気ガス中のＮＯｘに応じた検出信号を出力する。
アクセル開度検出手段３３は、運転者が操作するアクセルの開度（すなわち、運転者の要求負荷）に応じた検出信号を出力する。
回転検出手段３４は、例えば内燃機関１０のクランクシャフトの回転に応じた検出信号を出力する。
制御装置２５は、検出した吸入空気流量とＮＯｘと要求負荷と内燃機関の回転数と、に基づいて、添加弁２１から噴射するべき還元剤の量を求め、ポンプ２３、切替弁２４、添加弁２１を制御して、求めた量の還元剤を添加弁２１から噴射する。

次に添加弁２１の断面図を示す図２を用いて、添加弁２１の構造について説明する。
図２に示すように、添加弁２１には、配管接続部２１Ｈに流入配管Ｈ４（図１参照）の一方端が接続され、流入配管Ｈ４から還元剤または圧縮エアのいずれかの流体が流入される。添加弁２１に流入された流体は、ニードル２１Ｂを経由して、本体２１Ａの先端に取り付けられた先端部２１Ｆに形成された開口孔２１Ｇから噴射される。
制御装置２５が、コネクタ２１Ｃに設けられた端子２１Ｄに駆動電流を供給すると、駆動電流はコイル２１Ｅに供給され、コイル２１Ｅがニードル２１Ｂを吸引して流体が開口孔２１Ｇより噴射される。

開口孔２１Ｇの周辺の開口孔周辺部Ａ１では、流体の流れる経路が細いため、還元剤が残留しやすく、残留した還元剤が析出して目詰まりを発生させやすい。
特に、内燃機関１０を始動した直後では、排気ガスの温度が低く、還元剤の加水分解性も低いため、添加弁２１内に残留しやすく、添加弁の目詰まりを発生させる原因となりやすい。
従来より、残留した還元剤を押出すために圧縮エアを添加弁に供給する経路を追加する種々の構成が提案されているが、還元剤を供給するためのポンプと、圧縮エアを供給するためのポンプと、のそれぞれのポンプを必要としており、部品点数が多く、システムが複雑化、大型化していた。
本発明の排気ガス浄化装置２０では、図１に示すように、１個のポンプで還元剤の供給と圧縮エアの供給とを行うことを可能とし、より少ない部品点数にてシステムを単純化しており、より小型化することが可能である。

●［還元剤の噴射と圧縮エアの噴射との切替の様子（図３）］
次に図３を用いて、添加弁２１から、還元剤の噴射と圧縮エアの噴射とを切替える様子について説明する。本実施の形態では、図１及び図３に示すように、２つの経路Ｌ１、Ｌ２が形成された円柱状の切替弁２４を用いた例を説明するが、その他の構造の切替弁を用いてもよい。

図３（Ａ）は、添加弁２１から還元剤を噴射している状態である。
制御装置２５は、内燃機関が始動されて内燃機関の運転中であると判定した場合、ポンプ２３に制御信号を出力して駆動し、吐出配管Ｈ３と流入配管Ｈ４とが連通するように切替弁２４に制御信号を出力し、添加弁２１に制御信号を出力する。これにより、第１エア配管Ｈ１を経由してポンプ２３から還元剤タンク２２に供給された圧縮エアにて、還元剤タンク２２内の還元剤が吐出配管Ｈ３に押出され、押出された還元剤は切替弁２４の経路Ｌ１を経由して添加弁２１から噴射される。なおこの状態では、第２エア配管Ｈ２は切替弁２４にて閉鎖されている。

そして制御装置２５は、内燃機関（例えば車両）が減速状態（または停止状態）であると判定した場合、内燃機関への燃料の噴射が停止されて還元剤の噴霧が不要と判断し、切替弁２４を図３（Ｃ）の状態に向けて制御する。
図３（Ｂ）の状態は、図３（Ａ）の状態から図３（Ｃ）の状態に向けて、切替弁２４を時計回り方向に回転させている途中の状態を示している。なお、この状態では、制御装置２５は、ポンプ２３を駆動させても停止させてもよく（駆動させておくほうが圧縮エアの供給を速やかに行えるので好ましい）、添加弁２１を駆動させても停止させてもよい。
図３（Ｂ）の状態では、吐出配管Ｈ３及び第２配管Ｈ２は切替弁２４にて閉鎖され、流入配管Ｈ４も閉鎖されている。
図３（Ｂ）の状態から切替弁２４がさらに時計回り方向に回転すると、図３（Ｃ）に示す状態となる。

制御装置２５は、内燃機関の運転状態が減速状態であると判定した場合等、還元剤の供給は不要であると判定した場合に、図３（Ｃ）に示す状態にして、圧縮エアを添加弁２１から噴射する。例えば、制御装置２５は、アクセル開度検出手段からの検出信号に基づいてアクセルが戻された（開状態から閉状態にされた）ことを検出した場合や、吸入空気流量検出手段からの検出信号に基づいて吸入空気流量が所定割合以上で減少したことを検出した場合や、ＮＯｘ検出手段からの検出信号に基づいて検出したＮＯｘが所定量未満であることを検出した場合や、回転検出手段からの検出信号に基づいて検出した内燃機関の回転数が所定割合以上で減速していることを検出した場合や、インジェクタへの駆動信号を停止する燃料カット状態であることを検出した場合等にて、減速状態であると判定して還元剤の供給は不要であると判定する。
この場合、制御装置２５は、ポンプ２３に制御信号を出力して駆動し、第２エア配管Ｈ２と流入配管Ｈ４とが連通するように切替弁２４に制御信号を出力し、添加弁２１に制御信号を出力する。これにより、第２エア配管Ｈ２から供給された圧縮エアは、切替弁２４の経路Ｌ１を経由して添加弁２１から噴射される。なおこの状態では、吐出配管Ｈ３は切替弁２４にて閉鎖されている。図３（Ｃ）の状態にて、図３（Ａ）の状態にて還元剤が流れた経路Ｌ１、流入配管Ｈ４、添加弁２１の内部に残留している還元剤を吹き飛ばすことができる。

そして制御装置２５は、内燃機関が通常の運転状態であると判定した場合等、還元剤の供給が必要であると判定した場合に、切替弁２４を図３（Ａ）の状態に向けて制御する。例えば、制御装置２５は、アクセルが踏込まれたことを検出した場合や、吸入空気流量が所定流量以上となったことを検出した場合や、ＮＯｘが所定量以上であることを検出した場合や、内燃機関の回転数が所定回転数以上となったことを検出した場合や、インジェクタへの駆動信号の出力が開始されたことを検出した場合等にて、通常の運転状態であると判定して還元剤の供給が必要であると判定する。
図３（Ｄ）の状態は、図３（Ｃ）の状態から図３（Ａ）の状態に向けて、切替弁２４を時計回り方向に回転させている途中の状態を示している。なお、この状態では、制御装置２５は、ポンプ２３を駆動させても停止させてもよく（駆動させておくほうが還元剤の供給を速やかに行えるので好ましい）、添加弁２１を駆動させても停止させてもよい。
図３（Ｄ）の状態では、吐出配管Ｈ３及び第２配管Ｈ２は切替弁２４にて閉鎖され、流入配管Ｈ４も閉鎖されている。経路Ｌ１、流入配管Ｈ４、添加弁２１の内部に残留している還元剤を吹き飛ばしたと判断された場合、図３（Ｃ）の状態から図３（Ｄ）の状態になるように切替弁２４を制御することもできる。
図３（Ｄ）の状態から切替弁２４がさらに時計回り方向に回転すると、図３（Ａ）に示す状態となる。ただし、今度は、切替弁２４の経路Ｌ２が吐出配管Ｈ３と流入配管Ｈ４とを連通する。

以上、本実施の形態にて説明した排気ガス浄化装置２０は、ポンプからの圧縮エアを利用して還元剤を圧送することで、１個のポンプ２３と、１個の切替弁２４と、還元剤タンク２２と、添加弁２１と、制御装置２５と、の非常に少ない部品点数にて実現されており、システムがより単純化され、より小型化することが可能である。また、添加弁や切替弁に残留している還元剤だけでなく、添加弁が配置されている配管内に残留している還元剤も圧縮エアで吹き飛ばすことができる。
また、還元剤の噴霧が不要な場合に圧縮エアを添加弁から噴射して、添加弁の目詰まりを適切に防止し、安定したＮＯｘの浄化が可能である。
また、ポンプから第１エア配管Ｈ１と第２エア配管Ｈ２の２方向に圧縮エアを供給しているので、図３（Ｃ）に示すように、第２エア配管Ｈ２から添加弁に圧縮エアを供給中であっても、第１エア配管Ｈ１から還元剤タンク２２に圧縮エアを供給することができる。このため、図３（Ｃ）の状態から図３（Ａ）の状態に切替直後から還元剤を添加弁から所定圧力で噴射することが可能である。

本発明の排気ガス浄化装置２０は、本実施の形態で説明した構成、構造、動作等に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。
また、本実施の形態の説明では、切替弁として回転式の切替弁の例を記載したが、この構造の弁に限定されず、種々の構造の切替弁を利用することができる。
また、本実施の形態の説明では、制御装置が内燃機関の運転状態を検出するための検出手段として、吸入空気流量検出手段、アクセル開度検出手段、ＮＯｘ検出手段、回転検出手段、を例として記載したが、これらに限定されず、制御装置は、検出手段に限らず、インジェクタへの駆動信号等、種々のものを用いて内燃機関の運転状態を検出することが可能である。
また、以上（≧）、以下（≦）、より大きい（＞）、未満（＜）等は、等号を含んでも含まなくてもよい。

１０ 内燃機関
１１ 吸気経路
１２ 排気経路
２０ 排気ガス浄化装置
２１ 添加弁
２１Ｂ ニードル
２１Ｇ 開口孔
２２ 還元剤タンク
２３ ポンプ
２４ 切替弁
２５ 制御装置
３１ 吸入空気流量検出手段
３２ ＮＯｘ検出手段
３３ アクセル開度検出手段
３４ 回転検出手段
４１ 酸化触媒
４２ フィルタ
４３ ＳＣＲ触媒
４３Ａ 分散装置
４４ 酸化触媒
Ａ１ 開口孔周辺部
Ｈ１ 第１エア配管
Ｈ２ 第２エア配管
Ｈ３ 吐出配管
Ｈ４ 流入配管
Ｌ１、Ｌ２ 経路

Claims (3)

1. 排気ガス中の所定成分を浄化するための触媒へ前記所定成分を浄化する液体状の還元剤を噴射する添加弁と、
   前記添加弁へ供給する前記還元剤が蓄えられている還元剤タンクと、
   圧縮エアを供給するポンプと、
   切替弁と、
   前記添加弁と前記ポンプと前記切替弁を制御する制御装置と、を備えた内燃機関の排気ガス浄化装置であって、
   前記ポンプには、当該ポンプからの圧縮エアを供給可能な第１エア配管と第２エア配管のそれぞれの一方端が接続されており、
   前記還元剤タンクには、蓄えられている還元剤が吐出される吐出配管の一方端と、前記第１エア配管の他方端と、が接続されており、
   前記添加弁には、噴射する還元剤が流入する流入配管の一方端が接続されており、
   前記切替弁には、前記流入配管の他方端と、前記吐出配管の他方端と、前記第２エア配管の他方端と、が接続されており、
   前記制御装置は、前記切替弁を制御して、前記吐出配管の他方端と前記流入配管の他方端とを連通させることと、前記第２エア配管の他方端と前記流入配管の他方端とを連通させることと、を切替えることが可能である、
   内燃機関の排気ガス浄化装置。
2. 請求項１に記載の排気ガス浄化装置であって、
   前記制御装置は、前記内燃機関の運転状態を検出可能であり、
   前記制御装置は、検出した前記内燃機関の運転状態に基づいて、前記還元剤の供給が不要であると判断した場合に、前記第２エア配管の他方端と前記流入配管の他方端とが連通するように前記切替弁を制御する、
   内燃機関の排気ガス浄化装置。
3. 請求項２に記載の排気ガス浄化装置であって、
   前記制御装置は、前記添加弁への前記圧縮エアの供給が不要であると判断した場合に、前記第２エア配管の他方端と前記流入配管の他方端との連通を遮断するように前記切替弁を制御する、
   内燃機関の排気ガス浄化装置。
   
   

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