JP3718208B2

JP3718208B2 - エンジンの排気浄化装置

Info

Publication number: JP3718208B2
Application number: JP2003344758A
Authority: JP
Inventors: 弘樹上野
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2003-10-02
Filing date: 2003-10-02
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2023-10-02
Also published as: JP2005113688A

Description

本発明は、移動車両搭載のディーゼルエンジン、ガソリンエンジン等から排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）を、還元剤を用いて還元除去する排気浄化装置に関し、特に、還元剤を還元触媒の排気上流側に供給する噴射ノズルの目詰まりを防止してＮＯｘの浄化処理の効率を向上するエンジンの排気浄化装置に係るものである。

エンジンから排出される排気中の微粒子物質（ＰＭ）のうち、特にＮＯｘを除去して排気を浄化するシステムとして、いくつかの排気浄化装置が提案されている。この排気浄化装置は、エンジンの排気系に還元触媒を置き、該還元触媒の上流側の排気通路に還元剤を噴射供給することにより、排気中のＮＯｘと還元剤とを触媒還元反応させ、ＮＯｘを無害成分に浄化処理するものである。還元剤は貯蔵タンクに常温で液体状態に貯蔵され、必要量を噴射ノズルから噴射供給する。還元反応は、ＮＯｘとの反応性の良いアンモニアを用いるもので、還元剤としては、加水分解してアンモニアを容易に発生する尿素水溶液、アンモニア水溶液、その他の還元剤水溶液が用いられる（例えば、特許文献１参照）。
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、エンジンの運転状態（排気温度やＮＯｘ排出量など）に応じて還元剤の供給量を制御するが、エンジンの運転状態によっては、排気通路内に設けられた噴射ノズルの噴射孔又はそれに至る通路が目詰まりを起こし、還元剤を十分に供給できなくなる場合がある。その結果、上記還元触媒上でのＮＯｘの還元反応がスムーズに進行せず、ＮＯｘが排出される虞がある。

上記噴射ノズルの目詰まりは、還元剤としての尿素水溶液（以下、「尿素水」という）中の尿素が噴射孔又はそれに至る通路内で結晶化して付着するのが主な原因である。これは、尿素水は１００℃で凝結するので、尿素水が１００℃以上に加熱されると尿素結晶が発生するからである。ここで、噴射ノズルによる尿素水の通常の噴射供給中は、貯蔵タンクから供給される尿素水（噴射ノズルに対して尿素水と共に圧縮空気を供給する還元剤供給系の場合には、尿素水及び圧縮空気）がノズル内部を冷却し、該噴射ノズルがエンジンからの排気により加熱されても、その尿素水が１００℃になることはない。しかし、尿素水の供給量が減少し、ノズル内部を冷却しきれなくなった場合には、ノズル内部の尿素水が１００℃以上となり尿素結晶が発生して、目詰まりを起こす虞がある。

そこで、本発明は、このような問題点に対処し、還元剤を還元触媒の排気上流側に供給する噴射ノズルの目詰まりを防止してＮＯｘの浄化処理の効率を向上するエンジンの排気浄化装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の排気浄化装置では、エンジンの排気系に配設され、排気中の窒素酸化物を還元剤により還元浄化する還元触媒と、前記排気系の排気通路内にて前記還元剤を前記還元触媒の排気上流側に供給する噴射ノズルを有する還元剤供給手段と、前記噴射ノズルの排気上流側の近傍に設けられ、排気通路内の排気温度を検出する温度検出手段と、を備えたエンジンの排気浄化装置であって、前記還元剤供給手段は、前記温度検出手段からの排気温度の検出信号を入力すると共にエンジンの運転状態の信号を入力し、そのエンジン運転状態における還元剤の供給量を求めると共に、その排気温度において前記噴射ノズル内部を還元剤が結晶化する温度未満に冷却する還元剤の供給量の下限値を求め、両者を比較して還元剤の供給量を設定する制御回路を備えて成り、この制御回路により、前記噴射ノズルに供給する還元剤の供給量を、前記求めた還元剤の供給量の下限値以上に設定して供給することを特徴とする。

このような構成により、還元剤供給手段に備えられた制御回路で、温度検出手段からの排気温度の検出信号を入力すると共にエンジンの運転状態の信号を入力し、そのエンジン運転状態における還元剤の供給量を求めると共に、その排気温度において噴射ノズル内部を還元剤が結晶化する温度未満に冷却する還元剤の供給量の下限値を求め、両者を比較して還元剤の供給量を設定する。そして、この制御回路の動作により、前記噴射ノズルに供給する還元剤の供給量を、前記求めた還元剤の供給量の下限値以上に設定して供給する。

請求項２に記載の発明では、前記還元剤供給手段は、噴射ノズルに対して還元剤と共に圧縮空気を供給し、還元剤を霧化して噴射供給するものであることを特徴とする。これにより、噴射ノズルに対して還元剤と共に圧縮空気を供給し、この圧縮空気で還元剤を霧化して前記還元触媒の排気上流側に噴射供給する。

請求項３に記載の発明では、前記還元剤は、尿素水溶液であることを特徴とする。これにより、加水分解してアンモニアを容易に発生する尿素水溶液を還元剤として、排気中の窒素酸化物を還元浄化する。

請求項１に係る発明によれば、還元剤供給手段に備えられた制御回路で、その時のエンジン運転状態における還元剤の供給量と、検出した排気温度において噴射ノズル内部を還元剤が結晶化する温度未満に冷却する還元剤の供給量の下限値とを比較して、常にその時の排気温度における還元剤の供給量の下限値以上に設定して、還元剤を供給することができる。これにより、噴射ノズル内部が冷却されて還元剤が結晶化せず、該噴射ノズルが目詰まりするのを防止することができる。したがって、ＮＯｘの浄化処理の効率を向上することができる。

また、請求項２に係る発明によれば、噴射ノズルに対して還元剤と共に圧縮空気を供給することで、噴射ノズル内部が還元剤及び圧縮空気で効率よく冷却される。したがって、噴射ノズル内に還元剤が結晶化せず、目詰まりするのを防止することができる。

さらに、請求項３に係る発明によれば、還元剤としてアンモニアを直接使用することなく、加水分解してアンモニアを容易に発生する尿素水溶液を使用することで、排気中のＮＯｘを無害成分に転化して、ＮＯｘの浄化処理の効率を向上することができる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明によるエンジンの排気浄化装置の実施形態を示す図である。この排気浄化装置は、移動車両搭載のディーゼルエンジン、ガソリンエンジン等から排出されるＮＯｘを、還元剤を用いて還元除去するものである。ガソリンあるいは軽油を燃料とするエンジン１の排気は、排気マニフォ−ルド２からＮＯｘの還元触媒３が配設された排気管４を経由して大気中に排出される。詳細には、排気通路としての排気管４には排気上流側から順に、一酸化窒素（ＮＯ）の酸化触媒、ＮＯｘの還元触媒、アンモニア酸化触媒の３つの触媒が配設され、その前後に温度センサ、ＮＯｘセンサ等が配設されて排気系が構成されるが、細部の構成は図示していない。

上記ＮＯｘの還元触媒３は、排気管４内を通る排気中のＮＯｘを還元剤により還元浄化するもので、セラミックのコーディライトやＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系の耐熱鋼から成るハニカム形状の横断面を有するモノリスタイプの触媒担体に、例えばゼオライト系の活性成分が担持されている。そして、上記触媒担体に担持された活性成分は、還元剤の供給を受けて活性化し、ＮＯｘを効果的に無害物質に浄化させる。

上記排気管４の内部にてＮＯｘの還元触媒３の排気上流側には、噴射ノズル５が配設されている。この噴射ノズル５は、還元剤を上記ＮＯｘの還元触媒３の排気上流側に供給するもので、還元剤供給装置６を介して還元剤と共に圧縮空気が供給され、該還元剤を霧化して噴射供給するようになっている。ここで、噴射ノズル５は、排気管４内にて排気の流れ方向Ａと略平行に下流側に向けて配設され、或いは適宜の角度で斜めに傾斜して配設されている。また、還元剤供給装置６には、貯蔵タンク７内に貯留された還元剤が供給配管８を通じて供給される。そして、上記噴射ノズル５と還元剤供給装置６とで、還元剤をＮＯｘの還元触媒３の排気上流側に供給する還元剤供給手段を構成している。

この実施形態では、上記噴射ノズル５で噴射供給する還元剤として尿素水溶液（尿素水）を用いる。他にアンモニア水溶液等を用いてもよい。そして、噴射ノズル５で噴射供給された尿素水は、排気管４内の排気熱により加水分解してアンモニアを容易に発生する。得られたアンモニアは、ＮＯｘの還元触媒３において排気中のＮＯｘと反応し、水及び無害なガスに浄化される。尿素水は、固体もしくは粉体の尿素の水溶液で、貯蔵タンク７に貯留されており、供給配管８を通じて還元剤供給装置６に供給されるようになっている。

上記排気管４の内部にて噴射ノズル５の排気上流側の近傍には、排気温度センサ９が設けられている。この排気温度センサ９は、排気管４内の排気温度を検出する温度検出手段となるものであり、この実施形態では上記噴射ノズル５の排気上流側近傍の排気温度を検出するようになっている。そして、この排気温度センサ９で検出した排気温度の検出信号は、上記還元剤供給装置６に送られるようになっている。

ここで、本発明においては、上記還元剤供給装置６は、前記排気温度センサ９からの排気温度の検出信号を入力すると共にエンジン１の運転状態の信号を入力し、そのエンジン運転状態における還元剤の供給量を求めると共に、その排気温度において前記噴射ノズル５内部を尿素水が結晶化する温度未満に冷却する尿素水の供給量の下限値を求め、両者を比較して尿素水の供給量を設定する制御回路を備えて成り、この制御回路により、前記噴射ノズル５に供給する尿素水の供給量を、前記求めた尿素水の供給量の下限値以上に設定して供給するように構成されている。すなわち、図２に示すように、図１に示す貯蔵タンク７からの供給配管８の途中に設けられ尿素水の圧力を上げる昇圧ポンプ１０と、この昇圧ポンプ１０の下流側に設けられ尿素水の通路を開閉する供給バルブ１１と、図示省略の圧縮空気源からのエア供給配管１２の途中に設けられ圧縮空気の通路を開閉するエア供給バルブ１３と、還元剤供給制御回路１４とを備えて成る。

そして、上記還元剤供給制御回路１４は、前記排気温度センサ９からの排気温度の検出信号Ｓ₁を入力すると共に、エンジン制御回路１５からエンジン１の運転状態の信号Ｓ₂を入力し、そのエンジン運転状態における尿素水の供給量を求めると共に、その排気温度において前記噴射ノズル５内部を尿素水が結晶化する温度未満に冷却する尿素水の供給量の下限値を求め、両者を比較して尿素水の供給量を設定するもので、例えば制御用マイクロコンピュータ（ＭＰＵ）から成り、その設定された尿素水の供給量に応じて、上記昇圧ポンプ１０及び供給バルブ１１並びにエア供給バルブ１３に制御信号を送り、噴射ノズル５に対する尿素水及び圧縮空気の供給量を制御するようになっている。

また、上記エンジン制御回路１５は、図１に示す排気マニフォールド２の排気温度（エンジン排気温度）を検出する温度センサや、図示省略のＮＯｘセンサ、吸気流量センサ、回転速度センサ及び負荷センサ等からの検出信号を入力してエンジン１の運転状態を制御するもので、例えば制御用マイクロコンピュータ（ＭＰＵ）から成り、エンジン排気温度及びＮＯｘ排出量等のエンジン１の運転状態信号Ｓ₂を上記還元剤供給制御回路１４へ送るようになっている。

次に、このように構成された排気浄化装置の動作について、図２及び図３を参照して説明する。まず、図１において、エンジン１の運転による排気は、排気マニフォ−ルド２から排気管４を経由して、該排気管４内の途中に配設されたＮＯｘの還元触媒３を通り、排気管４の端部排出口から大気中に排出される。このとき、上記排気管４の内部にてＮＯｘの還元触媒３の排気上流側に配設された噴射ノズル５から尿素水が噴射される。この噴射ノズル５には、尿素水の貯蔵タンク７から供給配管８を介して尿素水が還元剤供給装置６に供給された後、この還元剤供給装置６の動作により圧縮空気と共に尿素水が供給され、該噴射ノズル５は尿素水を霧化して噴射供給する。

この状態で、図２において、上記噴射ノズル５の排気上流側の近傍に設けられた排気温度センサ９により排気管４内の排気温度を検出して、その検出信号Ｓ₁が還元剤供給装置６の還元剤供給制御回路１４へ送られる。また、エンジン制御回路１５からは、エンジン排気温度及びＮＯｘ排出量等のエンジン１の運転状態の信号Ｓ₂が同じく還元剤供給制御回路１４へ送られる。

すると、還元剤供給制御回路１４は、入力したエンジン１の運転状態の信号Ｓ₂を用いて、エンジン運転状態により決まる尿素水（還元剤）の供給量Ｖ₁を求める（図３のステップＳ１）。さらに、上記還元剤供給制御回路１４は、入力した排気管４内の排気温度の検出信号Ｓ₁を用いて、噴射ノズル５の排気上流側近傍の排気温度により決まる、尿素水が結晶化する温度未満に冷却する尿素水（還元剤）の供給量の下限値Ｖ₂を求める（ステップＳ２）。そして、上記求めた尿素水の供給量Ｖ₁とその供給量の下限値Ｖ₂とを比較して、Ｖ₁がＶ₂より小さいか否かを判断する（ステップＳ３）。

いま、Ｖ₁がＶ₂と等しいかそれより大きいとすると、ステップＳ３は、“NO”側に進んでステップＳ１に戻り、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３をループする。この場合は、現時点のエンジン運転状態により決まる尿素水の供給量Ｖ₁が、噴射ノズル５の内部を尿素水が結晶化する温度未満に冷却する供給量の下限値Ｖ₂以上であるので、現在設定されている尿素水の供給量Ｖ₁で上記噴射ノズル５の内部を冷却することができる。したがって、還元剤供給制御回路１４は現在の尿素水の供給バルブ１１及び圧縮空気のエア供給バルブ１３の開度を維持し、還元剤供給装置６は、そのままの尿素水の供給量Ｖ₁で噴射ノズル５に尿素水を供給する。

次に、Ｖ₁がＶ₂より小さくなったとすると、ステップＳ３は、“YES”側に進んでステップＳ４に入る。この場合は、現時点のエンジン運転状態により決まる尿素水の供給量Ｖ₁が、噴射ノズル５の内部を尿素水が結晶化する温度未満に冷却する供給量の下限値Ｖ₂より小さい状態であるので、現在設定されている尿素水の供給量Ｖ₁では上記噴射ノズル５の内部を冷却することができない。したがって、還元剤供給制御回路１４は現在の尿素水の供給バルブ１１及び圧縮空気のエア供給バルブ１３の開度を大きくする側に変更し、還元剤供給装置６は、尿素水の供給量を該尿素水が結晶化する温度未満に冷却する供給量の下限値Ｖ₂以上に設定を変更して（ステップＳ４）、噴射ノズル５に尿素水を供給する。これにより、ステップＳ４で変更設定された尿素水の供給で、噴射ノズル５の内部を冷却することができ、その目詰まりを防止してＮＯｘの浄化処理の効率を向上することができる。

その後、エンジン１の運転停止により、噴射ノズル５からの尿素水の噴射を終了するには、還元剤供給装置６の動作により、まず貯蔵タンク７からの尿素水の供給を遮断し、その後しばらくは噴射ノズル５に圧縮空気だけを供給する。これにより、噴射ノズル５の噴射孔又はそれに至る通路から尿素水を追い出して、尿素水の噴射を終了する。このように、噴射ノズル５から尿素水を追い出すことで、噴射ノズル５に対する尿素水の供給停止時における尿素水の残留又はいわゆる「後ダレ」が発生せず、噴射孔又はそれに至る通路内で尿素水が結晶化して目詰まりを起こすのを防止することができる。

なお、以上の説明では、還元剤供給装置６及び噴射ノズル５は、該噴射ノズル５に対して尿素水と共に圧縮空気を供給する還元剤供給手段としたが、本発明はこれに限られず、噴射ノズル５に対して尿素水のみを供給するものであってもよい。

本発明によるエンジンの排気浄化装置の実施形態を示す概念図である。上記排気浄化装置における還元剤供給装置及び噴射ノズルの構成及び動作を説明するための概要図である。上記排気浄化装置の動作を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１…エンジン
３…還元触媒
４…排気管
５…噴射ノズル
６…還元剤供給装置
７…貯蔵タンク
８…供給配管
９…排気温度センサ
１１…尿素水の供給バルブ
１３…エア供給バルブ
１４…還元剤供給制御回路
１５…エンジン制御回路

Claims

エンジンの排気系に配設され、排気中の窒素酸化物を還元剤により還元浄化する還元触媒と、
前記排気系の排気通路内にて前記還元剤を前記還元触媒の排気上流側に供給する噴射ノズルを有する還元剤供給手段と、
前記噴射ノズルの排気上流側の近傍に設けられ、排気通路内の排気温度を検出する温度検出手段と、
を備えたエンジンの排気浄化装置であって、
前記還元剤供給手段は、前記温度検出手段からの排気温度の検出信号を入力すると共にエンジンの運転状態の信号を入力し、そのエンジン運転状態における還元剤の供給量を求めると共に、その排気温度において前記噴射ノズル内部を還元剤が結晶化する温度未満に冷却する還元剤の供給量の下限値を求め、両者を比較して還元剤の供給量を設定する制御回路を備えて成り、この制御回路により、前記噴射ノズルに供給する還元剤の供給量を、前記求めた還元剤の供給量の下限値以上に設定して供給することを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
前記還元剤供給手段は、噴射ノズルに対して還元剤と共に圧縮空気を供給し、還元剤を霧化して噴射供給するものであることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
前記還元剤は、尿素水溶液であることを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジンの排気浄化装置。