JP2016183573A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガスの流速を適切に保つことができて尿素デポジットの発生を抑制できる排気浄化装置を提供する。【解決手段】エンジンの排気ガスに含まれる窒素酸化物を除去するＳＣＲ装置７と、排気管１８内に尿素を噴射する尿素噴射装置２と、排気管１８の通路の絞り量を調整可能に構成されたバタフライ弁４と、ＳＣＲ装置７を流れる排気ガスの温度を検出する温度検出部５と、排気管１８を流れる排気ガスの流速を検出する流速検出部３５と、温度検出部５および流速検出部３５の検出結果に基づいて、バタフライ弁４の絞り量を調整して、排気ガスの流速を調整する流速調整部３２とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、排気浄化装置に関する。

従来、排気浄化装置としては、特開２０１０−６５５８１号公報（特許文献１）に記載されたものがある。この排気浄化装置は、エンジンの排気ガスに含まれる窒素酸化物を除去するＳＣＲ装置と、ＳＣＲ装置よりも上流側に接続される配管内に尿素を噴射する尿素噴射装置とを備えている。そして、ＳＣＲ装置において、排気ガスに含まれる窒素酸化物を、尿素噴射装置から噴射される尿素により、還元して浄化している。

特開２０１０−６５５８１号公報

ところで、前記従来の排気浄化装置を実際に使用すると、尿素噴射装置から噴射される尿素が、ＳＣＲ装置の内部やＳＣＲ装置の上流側の配管の内部に付着して、この部分で、尿素デポジットが発生するおそれがある。尿素デポジットは、尿素が結晶化した物質であり、ＳＣＲ装置や配管を閉塞するおそれがある。

本願発明者は、鋭意検討の結果、尿素デポジットの発生は、ＳＣＲ装置や配管を流れる排気ガスの流速が大きく起因しているということを、見出した。そして、本願発明者は、従来の排気浄化装置では、排気ガスの流速を制御しておらず、この結果、尿素デポジットが発生するということを想い至った。

そこで、本発明の課題は、尿素デポジットの発生を抑制できる排気浄化装置を提供することにある。

前記課題を解決するため、本発明の排気浄化装置は、
エンジンの排気ガスに含まれる窒素酸化物を除去するＳＣＲ装置と、
前記ＳＣＲ装置よりも上流側に接続され排気ガスが通過する排気管内に、尿素を噴射する尿素噴射装置と、
前記排気管の通路の絞り量を調整可能に構成された絞り機構と、
前記ＳＣＲ装置または前記排気管を流れる排気ガスの温度を検出する温度検出部と、
前記ＳＣＲ装置または前記排気管を流れる排気ガスの流速を検出する流速検出部と、
前記温度検出部および前記流速検出部の検出結果に基づいて、前記絞り機構の絞り量を調整して、排気ガスの流速を調整する流速調整部と
を備える。

本発明の排気浄化装置によれば、流速調整部は、温度検出部および流速検出部の検出結果に基づいて、絞り機構の絞り量を調整して、排気ガスの流速を調整する。これにより、排気ガスの流速を適切に保つことができて、尿素噴射装置から噴射される尿素が、ＳＣＲ装置の内部や排気管の内部に付着することを、抑制できる。したがって、尿素デポジットの発生を抑制できる。

また、一実施形態の排気浄化装置では、前記流速調整部は、前記温度検出部により検出された温度が、尿素の噴射を開始する温度である第１設定値以上で、前記第１設定値よりも大きく尿素デポジットが脱離する温度である第２設定値未満であり、かつ、前記流速検出部により検出された流速が、尿素デポジットが堆積する閾値以下であるとき、前記絞り機構の絞り量を調整する。

前記実施形態の排気浄化装置によれば、流速調整部は、温度検出部の温度が第１設定値以上で第２設定値未満であり、かつ、流速検出部の流速が閾値以下であるとき、絞り機構の絞り量を調整する。これにより、流速調整部は、尿素デポジットが堆積する条件のときに、絞り機構の絞り量を調整し、排気ガスの流速を速くして、尿素デポジットの発生を効率よく抑制できる。

また、一実施形態の排気浄化装置では、
前記流速検出部は、
エンジンの回転数を検出する回転数検出部と、
前記絞り機構の絞り量を検出する絞り量検出部と、
前記回転数検出部および前記絞り量検出部の検出結果に基づいて、排気ガスの流速を算出する流速算出部と
を有する。

前記実施形態の排気浄化装置によれば、流速検出部は、回転数検出部と絞り量検出部と流速算出部とを有するので、エンジンの回転数に基づいた簡単な方法で、排気ガスの流速を調整できる。

また、一実施形態の排気浄化装置では、前記流速調整部は、前記回転数検出部により検出されたエンジンの回転数が小さくなると、前記絞り機構の絞り量を大きくして、排気ガスの流速を速くする。

前記実施形態の排気浄化装置によれば、流速調整部は、エンジンの回転数が小さくなると、絞り機構の絞り量を大きくして、排気ガスの流速を速くするので、エンジンの回転数が小さくなって排気ガスの流速が遅くなるときに、排気ガスの流速を速くできる。

また、一実施形態の排気浄化装置では、前記絞り機構は、前記尿素噴射装置と前記ＳＣＲ装置との間に位置する。

前記実施形態の排気浄化装置によれば、絞り機構は、尿素噴射装置とＳＣＲ装置との間に位置するので、ＳＣＲ装置の近くで排気ガスの流速を速くすることができ、ＳＣＲ装置での尿素デポジットの発生を一層抑制できる。

また、一実施形態の排気浄化装置では、
前記排気管は、前記尿素噴射装置と前記ＳＣＲ装置との間に、排気ガスが滞留する滞留部を有し、
前記絞り機構は、前記尿素噴射装置と前記滞留部との間に位置する。

前記実施形態の排気浄化装置によれば、絞り機構は、尿素噴射装置と滞留部との間に位置するので、絞り機構を滞留部に近づけることができて、滞留部の近くで排気ガスの流速を速くできる。したがって、滞留部では、排気ガスとともに尿素が滞留して、尿素デポジットの発生のおそれが高くなるが、滞留部での排気ガスの流速を速くできて、滞留部での尿素デポジットの発生を抑制できる。

本発明の排気浄化装置によれば、流速調整部は、温度検出部および流速検出部の検出結果に基づいて、絞り機構の絞り量を調整して、排気ガスの流速を調整するので、排気ガスの流速を適切に保つことができて、尿素デポジットの発生を抑制できる。

本発明の第１実施形態の排気浄化装置を含むエンジン装置を示す簡略構成図である。 排気浄化装置を示す拡大断面図である。 排気浄化装置の動作を示すフローチャートである。 バタフライ弁の絞り量のマップを示すグラフである。 バタフライ弁の絞り量と排気ガスの流速との関係を示すグラフである。 排気ガスの流速と尿素デポジット量との関係を示すグラフである。 本発明の第２実施形態の排気浄化装置を示す簡略構成図である。 本発明の第３実施形態の排気浄化装置を示す斜視図である。

以下、本発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態の排気浄化装置を含むエンジン装置を示す簡略構成図である。図１に示すように、エンジン装置は、エンジン本体１５と、エンジン本体１５から排気される排気ガスを浄化する排気浄化装置１とを有する。エンジン装置は、例えば、ディーゼルエンジンである。

エンジン本体１５は、シリンダブロック１０とシリンダヘッド１１とを有する。シリンダブロック１０は、図示しない燃焼室を有する。シリンダヘッド１１は、燃焼室に連通する給気ポート１３および排気ポート１７を有する。給気ポート１３には、給気管１４が接続され、排気ポート１７には、排気管１８が接続される。

そして、図示しない燃料タンク内の燃料は、給気管１４と給気ポート１３とを通過して、燃焼室に供給される。燃焼室内の排気ガスは、排気ポート１７と排気管１８とを通過して、外部に排気される。

図２は、排気浄化装置１を示す拡大断面図である。図１と図２に示すように、排気浄化装置１は、直管の排気管１８の下流側に接続されるＳＣＲ装置７と、排気管１８内に尿素を噴射する尿素噴射装置２とを有する。

ＳＣＲ装置７は、選択触媒還元（Selective Catalytic Reduction）装置であり、エンジンの排気ガスに含まれる窒素酸化物を除去する。ＳＣＲ装置７内には、選択触媒還元用触媒が設けられ、尿素水のアンモニアにより窒素酸化物を還元する。

尿素噴射装置２は、尿素水が貯留される尿素水タンク２１と、尿素水タンク２１から尿素水を汲み上げて加圧するポンプ２２と、ポンプ２２にて加圧された尿素水を吐出するノズル２３とを有する。ノズル２３は、排気管１８に差し込まれ、ノズル２３から排気管１８内に、尿素水が噴射される。

排気管１８内には、絞り機構の一例としてのバタフライ弁４が設けられている。バタフライ弁４は、ノズル２３の上流側に位置する。バタフライ弁４は、排気管１８の通路の絞り量を調整可能に構成されている。具体的に述べると、バタフライ弁４は、弁体４ａと排気管１８の内面との間の隙間の大きさを調整することで、絞り量を調整する。なお、絞り機構を、バタフライ弁でなく、ゲート弁などの流量調整弁としてもよい。

バタフライ弁４の絞り量（開度）は、バタフライ弁４に設けられた絞り量検出部９により、検出される。絞り量検出部９は、例えば、弁開度計である。

ＳＣＲ装置７の上流部分（入口部分）には、温度検出部５が設けられている。温度検出部５は、ＳＣＲ装置７の内部（入口部分）を流れる排気ガスの温度を検出する。なお、温度検出部５を排気管１８に設けて、ＳＣＲ装置７よりも上流側を流れる排気ガスの温度を検出するようにしてもよい。

シリンダブロック１０には、エンジンの回転数を検出する回転数検出部６が設けられている。具体的に述べると、回転数検出部６は、例えば、エンコーダであり、シリンダブロック１０のフライホイール１２に対向して配置され、フライホイール１２の回転数からエンジンの回転数を検出する。

排気浄化装置１は、制御装置３を有する。制御装置３は、流速算出部３１と流速調整部３２と尿素噴射制御部３３とを有する。制御装置３は、中央演算処理装置や記憶装置などから構成される。

流速算出部３１は、回転数検出部６および絞り量検出部９の検出結果に基づいて、排気管１８を流れる排気ガスの流速を算出する。具体的に述べると、エンジンの回転数とバタフライ弁４の絞り量とバタフライ弁４の下流の排気ガス流速との関係を示すデータを予め作成し、流速算出部３１は、このデータと回転数検出部６および絞り量検出部９の検出結果とを照合して、バタフライ弁４の下流の排気ガスの流速を算出する。ここで、排気ガスの流速とは、排気ガスがバタフライ弁４の弁体４ａと排気管１８の内面との間の隙間を流れるため、排気管１８の内面での流速とする。このように、回転数検出部６、絞り量検出部９および流速算出部３１は、排気管１８を流れる排気ガスの流速を検出する流速検出部３５を構成する。

流速調整部３２は、温度検出部５および流速検出部３５（流速算出部３１）の検出結果に基づいて、バタフライ弁４の絞り量を調整して、排気ガスの流速を調整する。バタフライ弁４の絞り量が大きくなると、排気ガスの流速が速くなる。特に、排気ガスは、弁体４ａと排気管１８の内面との間の隙間を流れるため、排気管１８の内面での流速が速くなる。

具体的に述べると、流速調整部３２は、温度検出部５により検出された温度が、第１設定値以上で、第１設定値よりも大きい第２設定値未満であり、かつ、流速検出部３５により検出された流速が、閾値以下であるとき、バタフライ弁４の絞り量を調整する。

第１設定値は、尿素噴射装置２から尿素の噴射を開始する温度であり、温度が第１設定値未満であると、窒素酸化物はそもそも発生せず、尿素を噴射する必要がなく、温度が第１設定値以上であると、窒素酸化物が発生し、尿素を噴射する必要がある。第２設定値は、尿素デポジットが脱離する温度であり、温度が第２設定値未満であると、尿素デポジットが堆積するおそれがあり、温度が第２設定値以上であると、尿素デポジットが脱離する。閾値は、尿素デポジットが堆積する値であり、流速が閾値以下であると、尿素デポジットが堆積するおそれがあり、流速が閾値よりも大きいと、尿素デポジットは堆積しない。

流速調整部３２は、流速検出部３５により検出された流速が遅くなると、バタフライ弁４の絞り量を大きくして、排気ガスの流速を速くする。例えば、流速調整部３２は、回転数検出部６により検出されたエンジンの回転数が小さくなると、バタフライ弁４の絞り量を大きくして、排気ガスの流速を速くする。バタフライ弁４の絞り量は、エンジンの回転数が小さくなるにつれて、段階的または連続的に大きくなるようにしてもよい。

次に、前記排気浄化装置１の動作について説明する。

図３に示すように、ステップＳ１では、温度検出部５で検出された排気ガスの温度が、尿素の噴射の開始温度（第１設定値）以上であるか否かを判断する。排気ガス温度が第１設定値以上であると、ステップＳ２に進み、排気ガス温度が第１設定値未満であると、終了する。

ステップＳ２では、流速検出部３５で検出された排気ガスの流速が、尿素デポジットの堆積の閾値以下であるか否かを判断する。排気ガス流速が閾値以下であると、ステップＳ３に進み、排気ガス流速が閾値よりも大きいと、終了する。

ステップＳ３では、温度検出部５で検出された排気ガスの温度が、尿素デポジットの脱離温度（第２設定値）未満であるか否かを判断する。排気ガス温度が第２設定値未満であると、ステップＳ４に進み、排気ガス温度が第２設定値以上であると、終了する。

ステップＳ４では、バタフライ弁４の絞り量を調整して、尿素デポジットが発生しないように、適切な排気ガスの流速に設定して、ステップＳ５に進む。

ステップＳ５では、流速検出部３５で検出された排気ガスの流速が、尿素デポジットの堆積の閾値より大きいか否かを判断する。排気ガス流速が閾値以下であると、ステップＳ４に戻り、排気ガス流速が閾値よりも大きいと、終了する。

次に、バタフライ弁４の絞り量とエンジン回転数と排気ガス温度との関係について説明する。

図４に示すように、エンジン回転数が、閾値ｒ以下であり、排気ガス温度が、第１設定値Ｔ１と第２設定値Ｔ２の間であるとき、バタフライ弁４の絞り量を調整する。図４では、横軸にエンジン回転数（エンジン回転速度）［min^-1］を示し、縦軸にエンジントルク［Nm］を示す。また、排気ガス温度を点線にて示し、絞り量を等高線にて示す。例えば、第１設定値Ｔ１は、２００℃であり、第２設定値Ｔ２は、３５０℃であり、閾値ｒは、１９５０Ｎｍである。なお、第１設定値Ｔ１は、１９０〜２１０℃であってもよく、第２設定値Ｔ２は、３４０〜３６０℃であってもよい。

エンジン回転数が閾値ｒ以下である領域は、尿素デポジットが堆積しない回転数領域Ｚである。排気ガス温度が第１設定値Ｔ１以下である領域は、尿素噴射無し領域Ｓ１である。排気ガス温度が第２設定値Ｔ２以上である領域は、尿素デポジット脱離温度領域Ｓ２である。そして、閾値ｒと第１設定値Ｔ１と第２設定値Ｔ２とで囲まれた領域において、バタフライ弁４の絞り量を調整する。絞り量は、第１設定値Ｔ１と第２設定値Ｔ２との間の中間位置に近いほど、１０から６０へ順に大きくなる。絞り量の大きさが０のとき、排気管の通路を全く絞っていないものとし、絞り量の大きさが１００のとき、排気管の通路を完全に閉じているものとする。

前記排気浄化装置１によれば、流速調整部３２は、温度検出部５および流速検出部３５の検出結果に基づいて、バタフライ弁４の絞り量を調整して、排気ガスの流速を調整する。これにより、排気ガスの流速を適切に保つことができて、尿素噴射装置２から噴射される尿素が、ＳＣＲ装置７の内部や排気管１８の内部に付着することを、抑制できる。したがって、尿素デポジットの発生を抑制できる。

図５Ａに示すように、絞り量が大きいほど、つまり、バタフライ弁４が閉状態となるほど、流速が速くなる。例えば、絞り量がａ１であるとき、流速はＶ１となり、絞り量がａ２（＞ａ１）であるとき、流速はＶ２（＞Ｖ１）となる。

図５Ｂに示すように、流速が速いほど、尿素デポジット量は少なくなる。例えば、流速がＶ１であるとき、尿素デポジット量はＡ２となり、流速がＶ２（＞Ｖ１）であるとき、尿素デポジット量はＡ１（＜Ａ２）となる。

したがって、絞り量がａ１からａ２の範囲にあると、流速を適切な範囲Ｖ１からＶ２に保つことができ、尿素デポジット量をＡ１からＡ２の範囲に抑制することができる。これに対して、絞り量がａ１よりも小さいと、流速がＶ１よりも小さくなり、尿素デポジット量がＡ２よりも多くなって、尿素デポジットが堆積する。絞り量がａ２よりも大きくなると、流速がＶ２よりも大きくなり、尿素デポジット量がＡ１よりも少なくなるが、絞り量が多きすぎるため、排気ガスの排出が円滑に行われなくなる。

また、前記排気浄化装置１によれば、流速調整部３２は、温度検出部５の温度が第１設定値以上で第２設定値未満であり、かつ、流速検出部３５の流速が閾値以下であるとき、バタフライ弁４の絞り量を調整する。これにより、流速調整部３２は、尿素デポジットが堆積する条件のときに、バタフライ弁４の絞り量を調整し、排気ガスの流速を速くすることで、尿素デポジットの発生を効率よく抑制できる。

また、流速検出部３５は、回転数検出部６と絞り量検出部９と流速算出部３１とを有するので、エンジンの回転数に基づいた簡単な方法で、排気ガスの流速を調整できる。

また、流速調整部３２は、エンジンの回転数が小さくなると、バタフライ弁４の絞り量を大きくして、排気ガスの流速を速くするので、エンジンの回転数が小さくなって排気ガスの流速が遅くなるときに、排気ガスの流速を速くできる。

（第２実施形態）
図６は、本発明の第２実施形態の排気浄化装置を示す簡略構成図である。第２実施形態は、第１実施形態とは、バタフライ弁の位置のみが相違する。この相違する構成のみを以下に説明する。なお、第２実施形態において、第１実施形態と同一の符号は、第１実施形態と同じ構成であるため、その説明を省略する。

図６に示すように、第２実施形態の排気浄化装置１Ａでは、バタフライ弁４は、尿素噴射装置２とＳＣＲ装置７との間に位置する。つまり、バタフライ弁４は、ノズル２３の下流側に位置し、ＳＣＲ装置７に接近する。これにより、ＳＣＲ装置７の近くで排気ガスの流速を速くすることができ、ＳＣＲ装置７での尿素デポジットの発生を一層抑制できる。

（第３実施形態）
図７は、本発明の第３実施形態の排気浄化装置を示す斜視図である。第３実施形態は、第１実施形態とは、バタフライ弁の位置、排気管の形状およびＤＰＦ装置が相違する。この相違する構成のみを以下に説明する。なお、第３実施形態において、第１実施形態と同一の符号は、第１実施形態と同じ構成であるため、その説明を省略する。

図７に示すように、第３実施形態の排気浄化装置１Ｂでは、排気管１８の上流にＤＰＦ装置８が接続されている。ＤＰＦ装置８は、ディーゼル微粒子捕集フィルタ（Diesel particulate filter）装置であり、排気ガスに含まれる粒子状物質を除去する。

排気管１８は、尿素噴射装置２のノズル２３とＳＣＲ装置７との間に、排気ガスが滞留する滞留部１８ａを有する。滞留部１８ａは、屈曲部分を含む。滞留部１８ａは、エルボ管であり、ＳＣＲ装置７の接続管である。バタフライ弁４は、尿素噴射装置２のノズル２３と滞留部１８ａとの間に位置する。

前記排気浄化装置１Ｂによれば、バタフライ弁４は、ノズル２３と滞留部１８ａとの間に位置するので、バタフライ弁４を滞留部１８ａに近づけることができて、滞留部１８ａの近くで排気ガスの流速を速くできる。したがって、滞留部１８ａでは、排気ガスとともに尿素が滞留して、尿素デポジットの発生のおそれが高くなるが、滞留部１８ａでの排気ガスの流速を速くできて、滞留部１８ａでの尿素デポジットの発生を抑制できる。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更可能である。例えば、第１から第３実施形態のそれぞれの特徴点を様々に組み合わせてもよい。

前記実施形態では、流速算出部は、回転数検出部および絞り量検出部の検出結果に基づいて、排気管を流れる排気ガスの流速を算出するようにしているが、ＳＣＲ装置の内部を流れる排気ガスの流速を算出するようにしてもよい。つまり、流速検出部は、ＳＣＲ装置を流れる排気ガスの流速を検出するようにしてもよい。

前記実施形態では、流速検出部を、回転数検出部と絞り量検出部と流速算出部とから構成しているが、流速検出部を、ＳＣＲ装置または排気管を流れる排気ガスの流速を直接に検出する流速センサとしてもよい。または、流速検出部を、ＳＣＲ装置または排気管を流れる排気ガスの流量を検出する流量センサと、流量センサの結果を基に排気ガスの流速を演算する演算部とから構成するようにしてもよい。

前記第１、前記第２実施形態では、ＤＰＦ装置を設けるようにしてもよく、前記第３実施形態では、ＤＰＦ装置を設けないようにしてもよい。

前記第３実施形態では、排気管の滞留部を、エルボ管としているが、屈曲部分を含んでいれば、Ｔ字管や十字管としてもよい。

１，１Ａ，１Ｂ 排気浄化装置
２ 尿素噴射装置
３ 制御装置
４ バタフライ弁（絞り機構）
５ 温度検出部
６ 回転数検出部
７ ＳＣＲ装置
８ ＤＰＦ装置
９ 絞り量検出部
１０ シリンダブロック
１１ シリンダヘッド
１２ フライホイール
１３ 給気ポート
１４ 給気管
１５ エンジン本体
１７ 排気ポート
１８ 排気管
１８ａ 滞留部
２１ 尿素水タンク
２２ ポンプ
２３ ノズル
３１ 流速算出部
３２ 流速調整部
３３ 尿素噴射制御部
３５ 流速検出部

Claims (6)

1. エンジンの排気ガスに含まれる窒素酸化物を除去するＳＣＲ装置と、
   前記ＳＣＲ装置よりも上流側に接続され排気ガスが通過する排気管内に、尿素を噴射する尿素噴射装置と、
   前記排気管の通路の絞り量を調整可能に構成された絞り機構と、
   前記ＳＣＲ装置または前記排気管を流れる排気ガスの温度を検出する温度検出部と、
   前記ＳＣＲ装置または前記排気管を流れる排気ガスの流速を検出する流速検出部と、
   前記温度検出部および前記流速検出部の検出結果に基づいて、前記絞り機構の絞り量を調整して、排気ガスの流速を調整する流速調整部と
   を備える、排気浄化装置。
2. 前記流速調整部は、前記温度検出部により検出された温度が、尿素の噴射を開始する温度である第１設定値以上で、前記第１設定値よりも大きく尿素デポジットが脱離する温度である第２設定値未満であり、かつ、前記流速検出部により検出された流速が、尿素デポジットが堆積する閾値以下であるとき、前記絞り機構の絞り量を調整する、請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 前記流速検出部は、
   エンジンの回転数を検出する回転数検出部と、
   前記絞り機構の絞り量を検出する絞り量検出部と、
   前記回転数検出部および前記絞り量検出部の検出結果に基づいて、排気ガスの流速を算出する流速算出部と
   を有する、請求項１または２に記載の排気浄化装置。
4. 前記流速調整部は、前記回転数検出部により検出されたエンジンの回転数が小さくなると、前記絞り機構の絞り量を大きくして、排気ガスの流速を速くする、請求項３に記載の排気浄化装置。
5. 前記絞り機構は、前記尿素噴射装置と前記ＳＣＲ装置との間に位置する、請求項１から４の何れか一つに記載の排気浄化装置。
6. 前記排気管は、前記尿素噴射装置と前記ＳＣＲ装置との間に、排気ガスが滞留する滞留部を有し、
   前記絞り機構は、前記尿素噴射装置と前記滞留部との間に位置する、請求項１から５の何れか一つに記載の排気浄化装置。

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