JP2016094898A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】排気通路から吸気通路を経由して筒内に還流される排気ガスの熱を有効利用して尿素水を加熱して、尿素水の噴射時の尿素水の加水分解を促進したり、寒冷地における暖機時の尿素水の凍結を防止したりできる内燃機関を提供する。【解決手段】排気通路２３に、尿素水タンク３０に接続されて排気通路２３に配置された尿素水噴射弁２８と、噴射された尿素水の加水分解により生じたアンモニアにより排気ガス中の窒素酸化物を還元するＳＣＲ触媒２９とが上流側から順に配置され、ＥＧＲ通路３３にＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラー３４が配置され、尿素水タンク３０と尿素水噴射弁２８との間に介設された移送通路３２の一部である噴射時加熱部位４０を、ＥＧＲクーラー３４の上流側のＥＧＲ通路３３の内部に配置した。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関に関し、より詳細には、排気通路から吸気通路を経由して筒内に還流される排気ガスの熱を有効利用して尿素水を加熱して、尿素水の噴射時の尿素水の加水分解を促進したり、寒冷地における暖機時の尿素水の凍結を防止したりできる内燃機関に関する。

筒内での燃焼で生成される窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）の生成量を低減するために、排気通路から分岐して吸気通路に合流し、吸気通路を経由させて排気ガスの一部をＥＧＲガスとして筒内に還流するＥＧＲ通路を備えたディーゼルエンジンが提案されている。

ＥＧＲ通路によってＥＧＲガスを筒内に還流する際には、ＥＧＲ通路に配置されたＥＧＲクーラーでＥＧＲガスを冷却している。このＥＧＲクーラーでＥＧＲガスから奪われた熱は最終的にラジエータなどで放熱されており、有効利用されていない。

また、筒内から排気通路に排出された排気ガス中の窒素酸化物を低減するために、排気通路に尿素水噴射弁と選択的還元触媒（ＳＣＲ触媒）とを配置したディーゼルエンジンが提案されている。

このディーゼルエンジンにおいては、ＳＣＲ触媒の入口側の排気ガスの温度が一定以上になると、一酸化窒素（ＮＯ）がアンモニア（ＮＨ_３）により還元されるスタンダードＳＣＲ反応、等モルの一酸化窒素と二酸化窒素（ＮＯ_２）とがアンモニアにより還元されるファーストＳＣＲ反応、及び二酸化窒素がアンモニアにより還元されるスロウＳＣＲ反応の各ＳＣＲ反応が生じることにより、窒素酸化物が還元されている。

ＳＣＲ触媒での各ＳＣＲ反応を促進するためには、排気通路の内部で尿素水を均一に拡散して、尿素水噴射弁から噴射された尿素水が加水分解されて生成されるアンモニアの生成量を多くする必要がある。この尿素水の加水分解は１６０度以上の温度条件で促進される。なお、１６０度未満の温度で尿素水を噴射するとＳＣＲ触媒に白色成分が析出する。

しかし、冷間始動時などはエンジンから排出される排気ガスの温度が低く、尿素水の加水分解反応が促進しないためにＳＣＲ触媒での各ＳＣＲ反応が進行せずに窒素酸化物の浄化率が低下していた。

これに関して、尿素水を供給する配管を排気通路の内部に配置すると共に、その配管を加熱する排気ガスの熱を利用した加熱手段を備えた装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、この装置は、加熱手段として化学蓄熱を利用した蓄熱器を必要とすることから装置が複雑化し、且つコストが高くなる。また、配管を螺旋状に形成して、排気通路の内壁面に接触させることから加工工数が増加する。

一方で、尿素水を還元剤として用いる場合には、寒冷地などで使用するときに尿素水タンクに貯蔵された尿素水が凍結するという問題がある。尿素水タンクの内部で尿素水が凍結した場合には、尿素水が噴射できなくなる、あるいは凍結による体積膨張によって尿素水タンクが破損する恐れがある。そこで、尿素水タンクを断熱材で覆うことが提案されているが、エンジンの停止時間が長期である場合には凍結を免れることが困難であった。ま
た、尿素水タンクをヒーターにより加熱することも提案されているが、電力消費による燃料消費量の悪化が問題となっている。

特開２０１４−１５９７７６号公報

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その課題は、排気通路から吸気通路を経由して筒内に還流される排気ガスの熱を有効利用して尿素水を加熱して、尿素水の噴射時の尿素水の加水分解を促進したり、寒冷地における暖機時の尿素水の凍結を防止したりできる内燃機関を提供することである。

上記の課題を解決するための本発明の内燃機関は、筒内に吸入される吸入空気が通過する吸気通路と、該筒内から排出された排気ガスが通過する排気通路と、該排気通路から分岐して該吸気通路に合流し、該吸気通路を経由させて排気ガスの一部をＥＧＲガスとして該筒内に還流するＥＧＲ通路と、尿素水が通過する尿素水通路と、該尿素水通路に接続されて尿素水を貯蔵する尿素水タンクと、該尿素水タンクに貯蔵した尿素水を該尿素水通路に圧送する圧送ポンプとを備え、前記排気通路に、前記尿素水タンクに接続された尿素水噴射弁と、噴射された尿素水の加水分解により生じたアンモニアにより排気ガス中の窒素酸化物を還元する選択的還元触媒とが上流側から順に配置され、前記ＥＧＲ通路にＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラーが配置された内燃機関において、前記尿素水通路の一部である加熱部位を、前記ＥＧＲクーラーの上流側の前記ＥＧＲ通路の内部に配置したことを特徴とするものである。

なお、ここでいう、尿素水通路とは、尿素水タンクと尿素水噴射弁との間に介設された移送通路や、移送通路から分岐して尿素水タンクに接続された暖機用通路のことをいう。つまり、尿素水通路の構成により、尿素水を噴射する際にＥＧＲ通路の内部に配置された移送通路で噴射される尿素水を加熱したり、暖機時にＥＧＲ通路の内部に配置された暖機用通路で尿素水タンクに貯蔵されている尿素水を加熱したりできる。

本発明の内燃機関によれば、尿素水通路の一部を、ＥＧＲ通路の内部に配置することによって、尿素水通路を流れる尿素水を排気通路から筒内へ還流される排気ガスの熱を利用して、尿素水を加熱できる。

これにより、尿素水の噴射時には、尿素水噴射弁から噴射される尿素水を加熱して、尿素水の加水分解を促進でき、選択的還元触媒における窒素酸化物の浄化率を向上できる。

一方、寒冷地などでの暖機時には、尿素水タンクに貯蔵されている尿素水を加熱して、尿素水タンクにおける凍結を解凍して、凍結により尿素水が噴射できない状態を回避できる。

本発明の内燃機関の第一実施形態を例示する説明図である。 図１の尿素水通路を拡大した拡大図である。 噴射された尿素水が完全に加水分解してアンモニアへ転換した割合を従来技術の内燃機関と図１の内燃機関とで比較した実験結果である。 本発明の内燃機関の第二実施形態を例示しており、尿素水通路を拡大した拡大図である。 図４の内燃機関の暖機時の動作を示すフローチャートである。 寒冷地で内燃機関を始動してから十五分が経過したときの尿素水タンクに貯蔵されている尿素水の貯蔵温度の変化を従来技術の内燃機関と図４に示す内燃機関とで比較した実験結果である。 本発明の内燃機関の第三実施形態を例示しており、尿素水通路を拡大した拡大図である。 本発明の内燃機関の第四実施形態を例示しており、尿素水通路を拡大した拡大図である。 図８の内燃機関の暖機時の動作を示すフローチャートである。 噴射された尿素水が完全に加水分解してアンモニアへ転換した割合を従来技術の内燃機関と図１の内燃機関と図８の内燃機関とで比較した実験結果である。 選択的還元触媒の下流側の排気ガス中の窒素酸化物の浄化率を、従来技術の内燃機関と図８の内燃機関とで比較した実験結果である。

以下、本発明の内燃機関の実施形態について説明する。図１は、本発明の第一実施形態のディーゼルエンジン（以下、エンジン）１０Ａの構成を例示している。

このエンジン１０Ａにおいては、車両の走行時などにおいて吸気バルブ１１からピストン１２が往復する筒内１３に吸入された吸入空気と、燃料噴射弁１４から筒内１３に噴射された燃料とが混合されて燃焼して、排気ガスとなって排気バルブ１５から排気されている。

吸入空気は、外部から吸気通路１６へ吸入されて、ターボチャージャ１７のコンプレッサ１８により圧縮されて高温になり、インタークーラー１９で冷却されている。その後に、吸気スロットル２０により流量が調節されて、インテークマニホールド２１を経て吸気バルブ１１から筒内１３に吸入されている。

排気ガスは、筒内１３から排気バルブ１５を経由してエキゾーストマニホールド２２から排気通路２３へ排気されて、ターボチャージャ１７のタービン２４を駆動させている。その後に、排気ガス浄化装置２５で浄化されて大気へと放出されている。この排気ガス浄化装置２５には、酸化触媒２６と捕集装置２７と尿素水噴射弁２８とＳＣＲ触媒（選択的還元触媒）２９とが上流から順に配置されている。

排気ガスがこの排気ガス浄化装置２５を通過すると、酸化触媒２６では、排気ガス中の未燃炭化水素と一酸化炭素とが酸化されると共に、一酸化窒素が酸化されて二酸化窒素が生成される。次いで、捕集装置２７では、担持された触媒によって一酸化窒素が酸化されて二酸化窒素が生成されると共に、排気ガス中の微粒子状物質が捕集される。また、この捕集装置２７では、捕集した微粒子状物質と二酸化窒素とを反応させることで微粒子状物質が酸化除去される。次いで、ＳＣＲ触媒２９では、排気ガス中の窒素酸化物が、尿素水噴射弁２８から噴射された尿素水の加水分解により生じたアンモニアを還元剤とした各ＳＣＲ反応によって還元される。

尿素水は、尿素水タンク３０に貯蔵されている。この尿素水タンク３０に貯蔵された尿素水は、圧送ポンプ３１により尿素水通路である移送通路３２に圧送され、尿素水噴射弁２８に移送されている。

また、排気ガスの一部はＥＧＲガスとして、排気通路２３から分岐して吸気通路１６に
接続されたＥＧＲ通路３３に設けられたＥＧＲクーラー３４で冷却された後に、ＥＧＲバルブ３５により吸気通路１６に供給されて吸入空気に混合されている。

また、このエンジン１０Ａにおいては、燃料噴射弁１４、排気バルブ１５、吸気スロットル２０、尿素水噴射弁２８、及びＥＧＲバルブ３５を制御する制御装置３６を備えている。

この制御装置３６は、尿素水を噴射する際に、ＳＣＲ触媒２９の上流側に配置したＮＯ_ｘセンサ３７の検知した窒素酸化物の含有量Ｑ_ＮＯｘが予め定めた含有量判定値Ｑ１よりも大きくなったときに、尿素水噴射弁２８から含有量Ｑ_ＮＯｘに基づいた量の尿素水を排気通路２３に噴射している。

このようなエンジン１０Ａにおいて、移送通路３２の一部である噴射時加熱部位４０が、ＥＧＲクーラー３４の上流側のＥＧＲ通路３３の内部に配置されている。

この噴射時加熱部位４０は、ＥＧＲ通路３３の内部における伝熱面積が、少なくとも排気ガスＧ１の排気温度Ｔ_ＧＡＳがＳＣＲ触媒２９の活性化を促進する温度になったときには噴射温度Ｔ_ＵＲＥＡを１６０度よりも高くする面積に設定されることが好ましい。この噴射時加熱部位４０の伝熱面積は、噴射時加熱部位４０の外径及び長さ及び表面形状に基づいている。従って、噴射時加熱部位４０の外径及び長さ及び表面形状（凹凸形状など）の少なくとも一つを調節することで所望の伝熱面積にできる。例えば、噴射時加熱部位４０の外径を大きくすること、配管長を長くすること、及び表面に凹凸形状を設けて表面積を大きくすることのいずれか又はいくつかの組み合わせにより、ＳＣＲ触媒２９が活性化する温度、すなわち２００度〜４００度に到達したときに噴射温度Ｔ_ＵＲＥＡを１６０度よりも高くできる。

また、この噴射時加熱部位４０は、ＥＧＲ通路３３の中央部に配置されると、より通過する尿素水の温度上昇には有利となる。

図２は尿素水噴射弁２８から噴射される尿素水が通過する尿素水通路を拡大した図である。ここでは、筒内１３から排出された排気ガスをＧ０、ターボチャージャ１７のタービン２４を駆動した後の排気ガスをＧ１、排気通路２３からＥＧＲ通路３３に流入したＥＧＲガスをＧ２、ＥＧＲクーラー３４で冷却されたＥＧＲガスをＧ３とする。また、ＥＧＲクーラー３４を冷却する冷却水をＷ１とする。また、尿素水タンク３０から尿素水噴射弁２８に移送されて尿素水噴射弁２８から噴射される尿素水をＵ１とする。

噴射時加熱部位４０は、ＥＧＲクーラー３４で冷却水Ｗ１により冷却される前の高温のＥＧＲガスＧ２からの熱を受熱して、内部を流れる尿素水Ｕ１を昇温する部位である。

このエンジン１０Ａの尿素水Ｕ１を噴射する際の動作について説明する。エンジン１０Ａが始動して、ＮＯ_ｘセンサ３７が排気ガスＧ１に含有されている窒素酸化物の含有量Ｑ_ＮＯｘを検出する。次いで、制御装置３６が検出した含有量Ｑ_ＮＯｘが含有量判定値Ｑ１よりも大きくなったと判定したときに、含有量Ｑ_ＮＯｘに基づいた量の尿素水Ｕ１を尿素水噴射弁２８から噴射する。なお、含有量Ｑ_ＮＯｘに基づいた量は、予め含有量Ｑ_ＮＯｘと噴射された尿素水Ｕ１の加水分解の割合に基づいた尿素水Ｕ１の量が設定されたマップを用いている。

尿素水噴射弁２８から噴射される尿素水Ｕ１は、尿素水タンク３０から圧送ポンプ３１により移送通路３２に圧送され、噴射時加熱部位４０を通過して尿素水噴射弁２８に移送されている。このとき、ＥＧＲガスＧ２により昇温した噴射時加熱部位４０によって、尿
素水Ｕ１は受熱して昇温する。

上記のエンジン１０Ａによれば、移送通路３２の一部である噴射時加熱部位４０を、ＥＧＲ通路３３の内部に配置することによって、尿素水Ｕ１を噴射する際に噴射時加熱部位４０を流れる尿素水Ｕ１を排気通路２３から筒内１３へ還流されるＥＧＲガスＧ２の熱を利用して、尿素水噴射弁２８から噴射する前に加熱しておくことができる。これにより、尿素水噴射弁２８から噴射される尿素水Ｕ１を均一に拡散すると共に、尿素水Ｕ１の加水分解を促進して、ＳＣＲ触媒２９における窒素酸化物の浄化率を向上できる。

図３は、尿素水噴射弁２８から噴射された尿素水Ｕ１が完全に加水分解してアンモニアへ転換した割合を、従来技術のエンジンＺと上記のエンジン１０Ａとで比較した実験結果である。エンジンＺと比較するとエンジン１０Ａは、尿素水Ｕ１が完全に加水分解してアンモニアへ転換した割合が高くなっている。この結果、エンジンＺと比較するとエンジン１０ＡのＳＣＲ触媒２９における窒素酸化物の浄化率が向上していることが分かる。

また、噴射された尿素水Ｕ１からアンモニアに加水分解される割合が高くなるため、尿素水Ｕ１の噴射量も従来技術のエンジンＺと比較して少なくでき、尿素水Ｕ１の消費量低減には有利となる。

図４は、本発明の第二実施形態のエンジン１０Ｂの構成を例示している。このエンジン１０Ｂは、第一実施形態とは尿素水通路の構成が異なる。なお、図４では、尿素水タンク３０に貯蔵された尿素水をＵ０、暖機用通路４１を通過する尿素水をＵ２とする。

エンジン１０Ｂは、尿素水通路として、尿素水タンク３０と尿素水噴射弁２８との間に介設された移送通路３２と、移送通路３２から分岐して尿素水タンク３０に接続された暖機用通路４１とを備えている。そして、移送通路３２をそのまま尿素水噴射弁２８に接続し、暖機用通路４１の一部である暖機時加熱部位４２を、ＥＧＲクーラー３４の上流側のＥＧＲ通路３３の内部に配置している。

暖機時加熱部位４２は、ＥＧＲクーラー３４で冷却される前の高温のＥＧＲガスＧ２からの熱を受熱して昇温する部位である。

この暖機時加熱部位４２は、ＥＧＲ通路３３の内部における伝熱面が、尿素水Ｕ２が尿素水タンク３０に戻ったときの尿素水タンク３０に貯蔵されている尿素水Ｕ０の貯蔵温度Ｔ_ＴＡＮＫが尿素水Ｕ０の沸点温度Ｔ０を超えることがないように設定されている。つまり、この暖機時加熱部位４２の伝熱面は、ＥＧＲガスＧ２が最大流量、且つ最大温度の場合に、貯蔵温度Ｔ_ＴＡＮＫが尿素水Ｕ０の沸点温度Ｔ０を超えないように設定されている。例えば、この沸点温度Ｔ０は１０３度に設定されている。

また、このエンジン１０Ｂは、貯蔵温度取得手段として、尿素水タンク３０に内部に貯蔵された尿素水Ｕ０の貯蔵温度Ｔ_ＴＡＮＫを検出する貯蔵温度センサ３８を備えると共に、移送通路３２と暖機用通路４１との分岐地点に暖機時流路切換弁４３を備えている。

このエンジン１０Ｂの寒冷地での暖機時の動作について図５のフローチャートを参照しながら説明する。なお、ここではエンジン１０Ｂの始動時の貯蔵温度Ｔ_ＴＡＮＫが−１０度以下となる寒冷地での暖機を例に説明する。

寒冷地でエンジン１０Ｂが始動すると、貯蔵温度センサ３８が尿素水タンク３０に貯蔵されている尿素水Ｕ０の貯蔵温度Ｔ_ＴＡＮＫを検出し、制御装置３６が、貯蔵温度Ｔ_ＴＡＮＫが予め定めた凍結判定値Ｔ１よりも高いか否かを判定するステップＳ１０を行う。

凍結判定値Ｔ１は尿素水タンク３０に貯蔵された尿素水Ｕ０が凍結しているか否かを判定できればよい値に設定されている。例えば、尿素水Ｕ０の凍結する温度が−１１度の場合には、−１１度以上に設定すればよい。また、この凍結判定値Ｔ１を高い温度に設定すると、尿素水噴射弁２８から噴射された尿素水Ｕ１の温度が、加水分解が促進される温度に到達するまでの温度差を小さくできる。但し、尿素水Ｕ０の貯蔵温度Ｔ_ＴＡＮＫが沸点温度Ｔ０以上になると、尿素水Ｕ０の含有される水分の沸騰により尿素水タンク３０などの圧力が急上昇する恐れがある。そのため、凍結判定値Ｔ１を高い温度に設定すると尿素水Ｕ０の貯蔵温度Ｔ_ＴＡＮＫが沸点温度Ｔ０を超える恐れがあるため、沸点温度Ｔ０を超えない値に設定されている。例えば、凍結判定値Ｔ１は０度以上、３０度以下の値に設定される。

次いで、制御装置３６が、検出した貯蔵温度Ｔ_ＴＡＮＫが予め定めた凍結判定値Ｔ１以下の場合には、暖機時流路切換弁４３を制御して暖機用通路４１を開放するステップＳ２０を行う。このステップＳ２０によって、暖機用通路４１に尿素水Ｕ２を流す。

暖機時流路切換弁４３によって暖機用通路４１に流された尿素水Ｕ２は、暖機用通路４１の暖機時加熱部位４２を通過して尿素水タンク３０へ戻される。このとき、ＥＧＲガスＧ２により昇温した暖機時加熱部位４２によって、尿素水Ｕ２は受熱して昇温する。

そして、このＥＧＲガスＧ２によって昇温した尿素水Ｕ２によって、尿素水タンク３０に貯蔵されている尿素水Ｕ０の貯蔵温度Ｔ_ＴＡＮＫが上昇する。

一方、ステップＳ１０で貯蔵温度Ｔ_ＴＡＮＫが凍結判定値Ｔ１より高い場合には、ステップＳ２０を行わずにステップＳ３０へと進む。

次いで、制御装置３６が、貯蔵温度センサ３８で検出された貯蔵温度Ｔ_ＴＡＮＫが沸点温度Ｔ０未満の値に設定された暖機判定値Ｔ２よりも高いか否かを判定するステップＳ３０を行う。

前述したように貯蔵温度Ｔ_ＴＡＮＫが沸点温度Ｔ０を超えると尿素水タンク３０などの圧力が急上昇する恐れがある。更に、貯蔵温度Ｔ_ＴＡＮＫが１６０度以上になった場合には、尿素水噴射弁２８に到達するまでに尿素水Ｕ０、Ｕ１の加水分解が進行して、尿素水タンク３０に貯蔵された尿素水Ｕ０の濃度が低下する恐れがある。そのため、この凍結判定値Ｔ１は、貯蔵温度Ｔ_ＴＡＮＫが尿素水Ｕ０の沸点温度Ｔ０を超えない値に設定されている。例えば、暖機判定値Ｔ２は３０度以上、９０度以下の値に設定される。

次いで、制御装置３６が、検出した貯蔵温度Ｔ_ＴＡＮＫが暖機判定値Ｔ２以下の場合には、暖機時流路切換弁４３を制御して暖機用通路４１を遮断するステップＳ４０を行って、この暖機は完了する。

上記のエンジン１０Ｂによれば、暖機用通路４１の一部である暖機時加熱部位４２を、ＥＧＲ通路３３の内部に配置することによって、寒冷地などでエンジン１０Ｂを暖機する場合に暖機時加熱部位４２を流れる尿素水Ｕ２を排気通路２３から筒内１３へ還流されるＥＧＲガスＧ２の熱を利用して加熱することで、尿素水タンク３０に貯蔵されている尿素水Ｕ０の貯蔵温度Ｔ_ＴＡＮＫを昇温できる。これにより、寒冷地における尿素水Ｕ０の凍結を解凍できるので、凍結により尿素水が噴射できない状態を回避できる。

また、エンジン１０Ｂの暖機時に、尿素水タンク３０に貯蔵されている尿素水Ｕ０の貯蔵温度Ｔ_ＴＡＮＫを沸点温度Ｔ０未満の温度に上昇しておくことで、尿素水噴射弁２８か
ら噴射される尿素水Ｕ１の噴射温度Ｔ_ＵＲＥＡを１６０度に近づけることができ、尿素水Ｕ１の加水分解を促進するには有利となる。

図６は、寒冷地で始動してから十五分が経過したときの尿素水タンク３０に貯蔵されている尿素水Ｕ０の貯蔵温度Ｔ_ＴＡＮＫの変化を従来技術のエンジンＺと上記のエンジン１０Ｂとで比較した実験結果である。エンジンＺと比較するとエンジン１０Ｂは、貯蔵温度Ｔ_ＴＡＮＫが高くなっている。そのため、凍結によって尿素水噴射弁２８から尿素水Ｕ１が噴射されない事態などを防止できることが分かる。

図７は、本発明の第三実施形態のエンジン１０Ｃの構成を例示している。このエンジン１０Ｃは、第一実施形態の噴射時加熱部位４０と第二実施形態の暖機時加熱部位４２との両方をＥＧＲ通路３３に配置した構成である。

この構成によれば、ＥＧＲガスＧ２の熱を有効に活用して、第一実施形態の効果である尿素水Ｕ１の噴射時に尿素水Ｕ１を加熱して加水分解を促進させることでＳＣＲ触媒２９におけるＮＯｘ浄化性能を向上する効果と、第二実施形態の効果である寒冷地などの暖機時に加熱された尿素水Ｕ２を尿素水タンク３０に戻して加温することで凍結を解凍する効果との両方の効果を得ることができる。

上記のようなエンジン１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃにおいては、ＥＧＲ通路３３の内部に配置された移送通路３２の噴射時加熱部位４０及び暖機用通路４１の暖機時加熱部位４２の加熱部位を、加熱部位の内部の尿素水の流れる方向と加熱部位の周囲のＥＧＲガスＧ２の流れる方向とが対向する配置にすることが望ましい。

この構成によれば、加熱部位の内部の尿素水の流れる方向と加熱部位の周囲のＥＧＲガスＧ２の流れる方向とを対向流とすることで、加熱部位の昇温効率を向上できる。

特に、移送通路３２の噴射時加熱部位４０は、排気ガスＧ１の排気温度Ｔ_ＧＡＳがＳＣＲ触媒２９の活性化を促進する温度になったときに、噴射温度Ｔ_ＵＲＥＡが１６０度よりも高くなるように、噴射時加熱部位４０の大部分が対向流となる配置が好ましい。

図８は、本発明の第四実施形態のエンジン１０Ｄの構成を例示している。このエンジン１０Ｄは、第三実施形態の構成に加えて、移送通路３２の噴射時加熱部位４０の下流側で、且つ尿素水噴射弁２８の上流側で分岐して移送通路３２に合流する戻り通路４４を備えている。ここでは、この戻り通路４４を通過する尿素水をＵ３とする。

また、このエンジン１０Ｄは、尿素水噴射弁２８の近傍を通過する排気ガスＧ１の排気温度Ｔ_ＧＡＳを取得する排気温度取得手段として、排気温度センサ３９を備えると共に、尿素水噴射弁２８の噴射する尿素水Ｕ１の噴射温度Ｔ_{ＶＡＬＶＥ}を取得する噴射温度取得手段として、制御装置３６が噴射温度Ｔ_{ＶＡＬＶＥ}を推定する手段を備えている。

また、このエンジン１０Ｄは、移送通路３２及び戻り通路４４の分岐地点に第一噴射時流路切換弁４５と、移送通路３２及び戻り通路４４の合流地点に第二噴射時流路切換弁４６とを備えている。

このエンジン１０Ｄの尿素水Ｕ１を噴射する際の動作について、図９に示すフローチャートを参照しながら説明する。なお、図９の制御のスタートは、前述した暖機時の制御が完了した後とする。

エンジン１０Ｄの暖機が終了すると、ＮＯ_ｘセンサ３７が排気ガスＧ１の含有量Ｑ_ＮＯ
ｘを検出し、制御装置３６が検出した含有量Ｑ_ＮＯｘが含有量判定値Ｑ１よりも大きくなったか否かを判定するステップＳ５０を行う。このステップＳ５０で含有量Ｑ_ＮＯｘが含有量判定値Ｑ１以下の場合にはリターンして再度、含有量Ｑ_ＮＯｘの検出を行う。

次いで、ステップＳ５０で含有量Ｑ_ＮＯｘが含有量判定値Ｑ１よりも大きくなった場合には、排気温度センサ３９が尿素水噴射弁２８の噴射口の近傍を通過する排気ガスＧ１の排気温度Ｔ_ＧＡＳを検出し、制御装置３６が検出された排気温度Ｔ_ＧＡＳが予め定めた第一噴射判定値Ｔ３よりも高いか否かを判定するステップＳ６０を行う。

この第一噴射判定値Ｔ３は、噴射された尿素水Ｕ１の加水分解が促進される促進温度である１６０度に設定される。

次いで、ステップＳ６０で排気温度Ｔ_ＧＡＳが第一噴射判定値Ｔ３以下の場合には、制御装置３６が尿素水噴射弁２８から噴射される尿素水Ｕ１の噴射温度Ｔ_ＵＲＥＡを推定し、その推定した噴射温度Ｔ_ＵＲＥＡが予め定めた第二噴射判定値Ｔ４よりも高いか否かを判定するステップＳ７０を行う。

尿素水噴射弁２８から噴射される尿素水Ｕ１の噴射温度Ｔ_ＵＲＥＡを推定する方法は、予め実験などにより作成された噴射温度Ｔ_ＵＲＥＡが設定された推定マップを用いている。例えば、移送通路３２の噴射時加熱部位４０の伝熱面積と、尿素水タンク３０に貯蔵された尿素水Ｕ０の貯蔵温度Ｔ_ＴＡＮＫと、含有量Ｑ_ＮＯｘに基づいて算出された尿素水Ｕ１の噴射流量と、ＥＧＲガスＧ２の温度及び流量とを取得し、それらのパラメータと推定マップとを参照して噴射温度Ｔ_ＵＲＥＡを推定している。なお、ＥＧＲガスＧ２の温度は、燃料噴射弁１４から噴射された燃料噴射量と筒内１３に吸入された吸入空気量から推定し、ＥＧＲガスＧ２の流量は、ＥＧＲバルブ３５の開度から推定している。

また、第二噴射判定値Ｔ４は、噴射された尿素水Ｕ１の加水分解が促進される促進温度である１６０度に設定される。

次いで、ステップＳ７０で噴射温度Ｔ_ＵＲＥＡが第二噴射判定値Ｔ４以下の場合には、制御装置３６が第一噴射時流路切換弁４５及び第二噴射時流路切換弁４６を制御して、戻り通路４４を開放するステップＳ８０を行う。このステップＳ８０では、第一噴射時流路切換弁４５により移送通路３２を流れている尿素水Ｕ１を戻り通路４４へ流し、第二噴射時流路切換弁４６により戻り通路４４から移送通路３２へ戻して、尿素水Ｕ１を再度加熱している。

次いで、ステップＳ６０又はステップＳ７０のどちらか一方で、排気温度Ｔ_ＧＡＳが第一噴射判定値Ｔ３より高くなった場合に、又は噴射温度Ｔ_ＵＲＥＡが第二噴射判定値Ｔ４より高くなった場合に、制御装置３６が第一噴射時流路切換弁４５及び第二噴射時流路切換弁４６を制御して、戻り通路４４を遮断するステップＳ９０を行う。次いで、制御装置３６が尿素水噴射弁２８を制御して尿素水Ｕ１を噴射するステップＳ１００を行って、スタートへと戻る。

上記のエンジン１０Ｄによれば、排気温度Ｔ_ＧＡＳが第一噴射判定値Ｔ３より高くなった場合、且つ噴射温度Ｔ_ＵＲＥＡが第二噴射判定値Ｔ４より高くなった場合には、戻り通路４４を開放することで、尿素水Ｕ１を複数回に渡って噴射時加熱部位４０によって加熱できる。そして、どちらかの条件が充たされた場合に、尿素水Ｕ１が噴射されるので、噴射直後から尿素水噴射弁２８から噴射された尿素水Ｕ１の加水分解を促進できる。これにより、ＳＣＲ触媒２９における窒素酸化物の浄化率を向上できる。

図１０は、噴射された尿素水Ｕ１が完全に加水分解してアンモニアへ転換した割合を、従来技術のエンジンＺとエンジン１０Ａと上記のエンジン１０Ｄとで比較した実験結果である。エンジン１０Ａと比較するとエンジン１０Ｄは、尿素水Ｕ１が完全に加水分解してアンモニアへ転換した割合が高くなっている。そのため、このエンジン１０Ｄは、ＳＣＲ触媒２９における窒素酸化物の浄化率を向上していることが分かる。

図１１は、排気ガスＧ１の温度が比較的低温の場合のＳＣＲ触媒２９の下流側の排気ガス中の窒素酸化物の浄化率を、従来技術のエンジンＺと上記のエンジン１０Ｄとで比較した実験結果である。従来技術のエンジンＺと比較するとエンジン１０Ｄは、排気ガスＧ１の温度が低温の状態でも、ＮＯｘ浄化率が高いことが分かる。

なお、上記のエンジン１０Ａ〜１０Ｄはディーゼルエンジンを例に説明したが、本発明はこれに限定されずに、例えば、ガソリンエンジンにも適用してもよい。

また、上記のエンジン１０Ａ、１０Ｂに第四実施形態の戻り通路４４、第一噴射時流路切換弁４５、及び第二噴射時流路切換弁４６を追加した構成としてもよい。

また、上記のエンジン１０Ｄの尿素水Ｕ１の噴射の前、つまり、ステップＳ５０の前に予め戻り通路４４を開放しておき、予め尿素水Ｕ１を加熱しておくこともできる。

また、上記のエンジン１０Ｄにおいては、暖機用通路４１を省いても、第一噴射時流路切換弁４５及び第二噴射時流路切換弁４６で流路を切り換えて、戻り通路４４から圧送ポンプ３１を経由して尿素水を尿素水タンク３０に戻すこともできるので、尿素水タンク３０に貯蔵されている尿素水Ｕ０の貯蔵温度Ｔ_ＴＡＮＫを昇温できる。

１０Ａ〜１０Ｄ エンジン
１３ 筒内
１６ 吸気通路
２３ 排気通路
２８ 尿素水噴射弁
２９ ＳＣＲ触媒
３０ 尿素水タンク
３１ 圧送ポンプ
３２ 移送通路
３３ ＥＧＲ通路
３４ ＥＧＲクーラー
３６ 制御装置
３７ ＮＯｘセンサ
３８ 貯蔵温度センサ
３９ 排気温度センサ
４０ 噴射時加熱部位
４１ 暖機用通路
４２ 暖機時加熱部位
４３ 暖機時流路切換弁
４４ 戻り通路
４５ 第一噴射時流路切換弁
４６ 第二噴射時流路切換弁
Ｇ１ 排気ガス
Ｇ２ ＥＧＲガス

Claims (7)

1. 筒内に吸入される吸入空気が通過する吸気通路と、該筒内から排出された排気ガスが通過する排気通路と、該排気通路から分岐して該吸気通路に合流し、該吸気通路を経由させて排気ガスの一部をＥＧＲガスとして該筒内に還流するＥＧＲ通路と、尿素水が通過する尿素水通路と、該尿素水通路に接続されて尿素水を貯蔵する尿素水タンクと、該尿素水タンクに貯蔵した尿素水を該尿素水通路に圧送する圧送ポンプとを備え、
   前記排気通路に、前記尿素水タンクに接続された尿素水噴射弁と、噴射された尿素水の加水分解により生じたアンモニアにより排気ガス中の窒素酸化物を還元する選択的還元触媒とが上流側から順に配置され、前記ＥＧＲ通路にＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラーが配置された内燃機関において、
   前記尿素水通路の一部である加熱部位を、前記ＥＧＲクーラーの上流側の前記ＥＧＲ通路の内部に配置したことを特徴とする内燃機関。
2. 前記加熱部位を、該加熱部位の内部の尿素水の流れる方向と該加熱部位の周囲の排気ガスの流れる方向とが対向する配置にした請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記尿素水通路が、前記尿素水タンクと前記尿素水噴射弁との間に介設された移送通路で構成され、前記加熱部位として該移送通路の一部である噴射時加熱部位を前記ＥＧＲクーラーの上流側の前記ＥＧＲ通路の内部に配置した請求項１又は２に記載の内燃機関。
4. 前記尿素水通路が、前記尿素水タンクと前記尿素水噴射弁との間に介設された移送通路と、該移送通路から分岐して該尿素水タンクに接続された暖機用通路とから構成され、前記加熱部位として該暖機用通路の一部である暖機時加熱部位を、前記ＥＧＲクーラーの上流側の前記ＥＧＲ通路の内部に配置した請求項１又は２に記載の内燃機関。
5. 前記尿素水通路が、前記尿素水タンクと前記尿素水噴射弁との間に介設された移送通路と、該移送通路から分岐して該尿素水タンクに接続された暖機用通路とから構成され、前記加熱部位として該移送通路の一部である噴射時加熱部位と該暖機用通路の一部である暖機時加熱部位との両方を、前記ＥＧＲクーラーの上流側の前記ＥＧＲ通路の内部に配置した請求項１又は２に記載の内燃機関。
6. 前記尿素水タンクの内部の尿素水の貯蔵温度を取得する貯蔵温度取得手段と、前記移送通路と前記暖機用通路との分岐地点に配置された暖機時流路切換弁と、該暖機時流路切換弁を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置が、内燃機関の暖機時に、取得した前記貯蔵温度が予め定めた凍結判定値未満の場合には、前記暖機時流路切換弁により前記暖機用通路を開放して前記暖機時加熱部位で昇温した尿素水を前記尿素水タンクに戻し、前記貯蔵温度が前記凍結判定値以上の場合には前記暖機時流路切換弁により前記暖機用通路を遮断する制御を行う構成にした請求項４又は５に記載の内燃機関。
7. 前記尿素水噴射弁の配置位置における排気ガスの排気温度を取得する排気温度取得手段と、前記尿素水噴射弁の噴射する尿素水の噴射温度を取得する噴射温度取得手段と、前記移送通路の前記尿素水噴射弁側から分岐して、該移送通路の前記尿素水タンク側に合流する戻り通路と、該移送通路及び該戻り通路の分岐地点に配置された噴射時流路切換弁と、該噴射時流路切換弁を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置が、前記尿素水噴射弁から尿素水を噴射するときに、取得した前記排気温度が予め定めた第一噴射判定値未満、且つ取得した前記噴射温度が予め定めた第二噴射判定値未満の場合には、前記噴射時流路切換弁により前記戻り通路を開放して、尿素水を前記噴射時加熱部位で複数回昇温し、
   取得した前記排気温度が予め定めた第一噴射判定値より大きい、又は取得した前記噴射温度が予め定めた第二噴射判定値より大きい場合には、前記噴射時流路切換弁により前記戻り通路を遮断する制御を行う構成にした請求項３又は５に記載の内燃機関。

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