JP4408051B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの排気系に取り付けられた噴射ノズルから還元剤を噴射供給し、排気中の窒素酸化物を還元触媒で還元除去して排気を浄化するエンジンの排気浄化装置に関し、特に、上記排気系の排気管内にて上記噴射ノズルの近傍に圧力エアを噴出するエア噴出手段を設けたことによって、該排気管内に還元剤が析出することを抑制するエンジンの排気浄化装置に関する。

従来から、車両に搭載されたディーゼルエンジンや、ガソリンエンジン等から排出された排気中の窒素酸化物（以下「ＮＯｘ」という。）を還元剤により還元除去して排気を浄化する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配設された還元触媒と、エンジンの排気管内にて上記還元触媒の排気上流側に取り付けられ、排気中に還元剤を噴射供給する噴射ノズルとを備えて成り、この噴射ノズルから排気中に還元剤を噴射供給することにより、排気中のＮＯｘと還元剤とを触媒中で還元反応させ、ＮＯｘを無害成分に浄化処理するようになっていた。このような還元剤としては、加水分解してアンモニアを容易に発生する尿素等の水溶液やアンモニア水溶液、その他の還元剤水溶液が用いられている。上記還元剤は、貯蔵タンク内に常温で液体状態に貯蔵され、噴射ノズルから必要量が噴射供給されるようになっていた。そして、エンジンの運転状況、例えばＮＯｘ排気量や排気温度に応じて、上記噴射ノズルから噴射供給される還元剤の量をコントロールすることで、エンジンの排気浄化の制御を行うようになっていた（例えば、特許文献１参照。）。
特開２０００−２７６２７号公報

しかし、上記特許文献１に記載のエンジンの排気浄化装置において、エンジンから高温の排気が排出されている場合には、該排気中に噴射供給された還元剤水溶液の水分だけが蒸発して還元剤が凝結したときであっても、この還元剤の温度がそのまま上昇して融点を超えると該還元剤が融解することがあるが、上記エンジンから排出される排気温度が低い場合には、上記還元剤が凝結した状態のまま融解せず、上記噴射ノズルの周辺や排気管の内壁等に付着することがあった。そして、最悪の場合には、上記排気管の内壁に還元剤が析出し、該排気管内の排気圧力が上昇するおそれがあった。

そこで、本発明は、このような問題点に対処し、エンジンの排気系の排気管内にて噴射ノズルの近傍に圧力エアを噴出するエア噴出手段を設けたことによって、該排気管内に還元剤が析出することを抑制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。

上記目的を達成するために、本発明によるエンジンの排気浄化装置は、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、上記排気系にて上記還元触媒の排気上流側に取り付けられ、排気中に上記還元剤を噴射供給する噴射ノズルと、上記排気系の排気管内にて上記噴射ノズルの近傍に圧力エアを噴出するエア噴出手段と、上記還元触媒の排気上流側の排気温度が所定温度以下、かつ、上記エンジンの回転数が所定値以下のときに、上記噴射ノズルの近傍に圧力エアが噴出されるように、上記エア噴出手段を制御する制御装置と、を備えたものである。

このような構成により、上記エア噴出手段によって、上記排気系の排気管内にて上記噴射ノズルの近傍に圧力エアが噴出される。

また、上記エア噴出手段は、圧力エアが収容されたエアリザーブタンクと、このエアリザーブタンクから延びるエア配管上に設けられ該エア配管のエア流路を開閉制御する弁機構と、上記排気系の排気管の内部に取り付けられ上記エアリザーブタンクから上記弁機構を介して供給された圧力エアを該排気管内に噴出するエアノズルと、を備えて成るものである。これにより、上記エア配管上に設けられた弁機構によって、該エア配管のエア流路を開閉制御し、上記エアリザーブタンクに収容された圧力エアを上記エアノズルから噴出する動作が制御される。

また、上記エアノズルは、上記噴射ノズルの排気下流側にて噴出口を排気上流側に向けて取り付けてもよい。これにより、上記噴射ノズルの排気下流側に取り付けられたエアノズルの噴出口から、排気上流側に圧力エアが噴出される。

さらに、上記エアノズルは、圧力エアを円錐状に噴出するようになっている。これにより、上記エアノズルから噴射される円錐状の圧力エアによって、上記噴射ノズルから噴射供給された還元剤が拡散する。

請求項１に係る発明によれば、エンジンの排気系の排気管に設けられたエア噴出手段によって、上記排気管内にて噴射ノズルの近傍に圧力エアを噴出することができる。これにより、エンジンの排気管に取り付けられた噴射ノズルから噴射供給された還元剤が圧力エアにより拡散するようになり、該噴射ノズルや排気管の内壁等に還元剤が析出することを抑制することができる。したがって、噴射ノズルから適量の還元剤を噴射供給して、排気中のＮＯｘの還元除去を適正に行うことができる。

また、エアリザーブタンクから延びるエア配管上に設けられた弁機構によって、該エア配管のエア流路を開閉制御し、上記エアリザーブタンクに収容された圧力エアを上記エアノズルから噴出する動作を制御することができる。したがって、上記エアノズルから排気管内に噴出された圧力エアにより、上記噴射ノズルから噴射供給された還元剤を拡散することができる。

このとき、上記噴射ノズルの排気下流側に取り付けられたエアノズルの噴出口から排気上流側に圧力エアを噴出することができる。したがって、上記噴射ノズルから噴射された還元剤を拡散し、該噴射ノズルや排気管の内壁等に還元剤が析出するのを抑制することができる。また、上記噴射ノズルから噴射供給された還元剤は、上記エアノズルから噴出した圧力エアによって、排気流に逆らって一度排気上流側に戻されてから排気下流側に運ばれるので、上記還元剤の滞空時間が長くなって、排気中で十分に拡散されるようになり、該還元剤の混合を促進することができる。

さらに、請求項２に係る発明によれば、上記エアノズルから圧力エアが円錐状に噴射されるので、上記噴射ノズルから噴射供給された還元剤を拡散させることができる。したがって、排気中で還元剤が十分に拡散されるようになり、該還元剤の混合を促進することができる。

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システム図である。このエンジンの排気浄化装置は、車両に搭載されたエンジン１から排出された排気中のＮＯｘを還元剤により還元除去して排気を浄化する装置であって、排気マニフォールド２と、排気管３と、触媒内蔵マフラ４，５と、各種の触媒６，７，８と、噴射ノズル９とを有し、さらにエア噴出手段（２０〜２３）を備えて成る。

上記エンジン１の排気マニフォールド２には、排気管３が接続されており、この排気管３の途中には二つの触媒内蔵マフラ４，５が設けられている。そして、この排気上流側の触媒内蔵マフラ４の内部には一酸化窒素（ＮＯ）の酸化触媒６が配設されており、排気下流側の触媒内蔵マフラ５の内部にはＮＯｘの還元触媒７及びアンモニアスリップ用の酸化触媒８が配設されている。これにより、上記排気管３には、排気上流側から順に、ＮＯの酸化触媒６、ＮＯｘの還元触媒７、アンモニアスリップ用の酸化触媒８の三つの触媒が配設されている。したがって、エンジン１から排出された排気は、排気マニフォールド２及び排気管３を通って、酸化触媒６を経由するときにＮＯが酸化除去され、次に還元触媒７を経由するときにＮＯｘが還元除去されて大気中に排出される。なお、上記排気マニフォールド２と排気管３とで、エンジン１の排気系を構成している。

また、上記排気管３の内部にて還元触媒７の排気上流側には、噴射ノズル９が取り付けられている。この噴射ノズル９は、後述する貯蔵タンク１４から供給される還元剤１５を霧状にして排気中に噴射供給するもので、該噴射ノズル９を固定する手段となるフランジ１０を用いて上記排気管３に取り付けられている。さらに、上記フランジ１０に固定された噴射ノズル９には供給パイプ１１の一端部が連結されており、この供給パイプ１１の他端部には、上記噴射ノズル９への還元剤１５の供給を制御する還元剤供給装置１２が接続されている。さらにまた、上記還元剤供給装置１２には供給配管１３が接続されており、その吸込口１３ａが貯蔵タンク１４の底面付近に位置している。そして、貯蔵タンク１４内には還元剤（例えば、尿素水）１５が蓄えられている。

これにより、上記貯蔵タンク１４内に蓄えられた還元剤１５は、供給配管１３の吸込口１３ａから吸い込まれて還元剤供給装置１２に補給される。そして、この還元剤供給装置１２から供給パイプ１１を介して噴射ノズル９に送られた還元剤１５は、排気管３内に圧力空気と共に噴射供給されるようになる。この噴射ノズル９から噴射供給された還元剤１５は、排気管３内を通る排気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。このように得られたアンモニアは、上記還元触媒７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ことは知られたことである。なお、本実施形態では、還元剤１５として尿素水が用いられるが、本発明はこれに限られず、アンモニア水溶液等を用いてもよい。

ここで、本発明においては、上記排気系の排気管３にエア噴出手段（２０〜２３）が設けられている。このエア噴出手段は、上記排気管３の内部にて上記噴射ノズル９の近傍に圧力エアを噴出する手段となるもので、エアリザーブタンク２０と、エア配管２１と、電磁開閉弁２２と、エアノズル２３とを備えて成る。

上記エアリザーブタンク２０は、上記排気管３の内部に噴出するための圧力エアを収容しておく密閉容器であって、その内部には例えば排気ブレーキ用の圧力エアが収容されている。このエアリザーブタンク２０には、エア配管２１が接続されている。このエア配管２１は、上記エアリザーブタンク２０に収容された圧力エアを供給するエア流路となるもので、上記排気管３の内部にまで延びており、その途中には電磁開閉弁２２が設けられている。

この電磁開閉弁２２は、上記エア配管２１のエア流路を開閉して圧力エアの供給を制御する弁機構となるもので、開いた状態で圧力エアの供給を開始し、閉じた状態で圧力エアの供給を停止するようになっている。この電磁開閉弁２２は、後述する制御装置２５から出力される制御信号により開閉制御されるようになっており、その動作については、図２を参照して後に詳しく述べる。

また、上記エア配管２１の先端部には、エアノズル２３が取り付けられている。このエアノズル２３は、上記エアリザーブタンク２０内からエア配管２１を介して供給された圧力エアを上記排気管３の内部に噴出するもので、上記噴射ノズル９の排気上流側にて噴出口を排気下流側に向けて取り付けられている。そして、このエアノズル２３は、図１に示すように、圧力エアを円錐状に噴出するようになっている。

また、上記排気系の排気管３にて上記還元触媒７の排気上流側には、温度センサ２４が設けられている。この温度センサ２４は、上記排気管３内を流れる排気の温度を検出する検出素子であって、排気温度の検出信号を制御装置２５に出力するようになっている。この制御装置２５は、上記電磁開閉弁２２の開閉動作を制御する装置であって、上記温度センサ２４から排気温度の検出信号を入力すると共に、上記エンジン１の動作を制御するエンジン・コントロール・ユニット（以下「ＥＣＵ」という。）２６からエンジン１の回転数の信号を入力し、これらの信号に基づいて上記電磁開閉弁２２に制御信号を出力するようになっている。

次に、このように構成されたエンジンの排気浄化装置の動作について、図２を参照して説明する。まず、図１において、エンジン１の排気マニフォールド２から排出された排気は、排気管３の途中の触媒内蔵マフラ４，５内に収容された各種の触媒６，７，８を通過して大気中に放出されている。このとき、上記噴射ノズル９から排気管３内に噴射供給された還元剤１５が排気熱で加水分解してアンモニアを容易に発生するので、上記エンジン１から排出されて酸化触媒６を経由した排気は、還元触媒７でＮＯｘが除去され、浄化処理された状態で大気中に放出される。

上述した排気浄化の動作中において、図１に示す温度センサ２４によって、上記還元触媒７の排気上流側における排気の温度を検出する（図２のステップＳ１）。そして、この温度センサ２４で検出した排気温度が所定の温度Ｔ℃（例えば、175℃）より高温のときには、ステップＳ２は“No”側に進み、リターンを介してスタートに戻る。そして、再びステップＳ１に入って上記温度センサ２４で排気温度を検出し続ける。この場合は、図１に示すエンジン１から高温の排気が排出されているので、上記噴射ノズル９から排気中に噴射供給された還元剤１５が凝結したときであっても、この還元剤の温度がそのまま上昇して融点を超えるようになるので、該還元剤１５が融解し、上記噴射ノズル９の周辺や排気管３の内壁等に上記還元剤１５が析出することを抑制することができる。

ここで、エンジン１の回転数が低くなって、該エンジン１から排出された排気の温度がＴ℃、すなわち175℃以下となったとする。このときの排気温度を上記温度センサ２４で検出し（ステップＳ１）、その検出信号が制御装置２５に出力される。これにより、図２のステップＳ２は“Yes”側に進み、ステップＳ３に入る。このとき、図１に示すＥＣＵ２６から出力されたエンジン１の回転数の信号を制御装置２５に入力し、エンジン１の回転数が所定値Ne（例えばアイドリング時の回転数）以下であるときには、ステップＳ３は“Yes”側に進む。この場合は、エンジン１から排出される排気流量が少ない状態であると判断され、制御装置２５から電磁開閉弁２２に制御信号が出力され、電磁開閉弁２２を開く（ステップＳ４）。

したがって、図１に示すエアリザーブタンク２０からエア配管２１を介して供給された圧力エアが、上記エアノズル２３の噴出口から排気下流側に噴出され、上記噴射ノズル９から噴射供給された還元剤１５を拡散することができる。したがって、上記噴射ノズル９や排気管３の内壁等に還元剤１５が析出するのを抑制することができる。このように、上記噴射ノズル９に還元剤１５が析出するのを抑制することができるので、該噴射ノズル９から適量の還元剤１５を噴射供給し、排気中のＮＯｘの還元除去を適正に行うことができる。

また、上述したように、上記エアノズル２３は、圧力エアを円錐状に噴出するようになっているので、上記噴射ノズル９から噴射供給された還元剤１５が排気中で十分に拡散されるようになり、該還元剤１５の混合を促進することができる。したがって、図１に示す還元触媒７中において、排気中のＮＯｘの還元反応が効率的に進行するようになる。その結果、ＮＯｘの浄化率が向上し、エンジンの排気浄化装置が有する所期の機能の維持、適正化を図ることができる。

その後所定のタイミングで、上記電磁開閉弁２２を閉じる（ステップＳ５）。これにより、図１に示すエアノズル２３からの圧力エアの噴出が停止する。そして、リターンを介してスタートに戻り、再びステップＳ１に入って上記の動作を繰り返す。

なお、図２のステップＳ３において、エンジン１の回転数が所定値Neより大きいと判断された場合には、上記ステップＳ３は“No”側に進み、電磁開閉弁２２を閉じたままの状態となる（ステップＳ５）。この場合は、図１に示す噴射ノズル９から排気管３内に噴射供給された還元剤１５が排気熱によって凝結したときであっても、エンジン１から大量の排気が排出されているので、上記凝結した還元剤１５が排気下流側に吹き飛ばされ、該還元剤１５が上記噴射ノズル９や排気管３の内壁等に析出することを抑制できる。

図３は、本発明の第２の実施形態を示すシステム図である。この実施形態は、上記エアノズル２３が、上記噴射ノズル９の排気下流側にて噴出口を排気上流側に向けて取り付けられたものである。この場合においても、エンジンの排気浄化装置は、図２に示すフローチャートにしたがって動作し、上記温度センサ２４で検出した排気温度と、上記エンジン１の回転数から判断した排気流量とに基づいて上記エア噴出手段の電磁開閉弁２２を開閉制御して、上記エアノズル２３から圧力エアを噴出することができる。これにより、上記噴射ノズル９から噴射供給された還元剤１５を拡散することができ、排気管３の内壁に還元剤１５が析出するのを抑制することができる。

また、上記噴射ノズル９から排気中に噴射供給された還元剤１５は、上記エアノズル２３の噴出口から噴出した圧力エアによって、排気流に逆らって排気上流側に一度戻されてから排気下流側に運ばれるので、上記還元剤１５の滞空時間が長くなって、排気中で十分に拡散されるようになり、該還元剤１５の混合を促進することができる。したがって、図３に示す還元触媒７中において、排気中のＮＯｘの還元反応が効率的に進行するようになる。その結果、ＮＯｘの浄化率が向上し、エンジンの排気浄化装置が有する所期の機能の維持、適正化を図ることができる。

なお、以上の説明において、エンジン１から排出された排気の流量は、ＥＣＵ２６から出力されたエンジン１の回転数の信号に基づいて判断するとしたが、本発明はこれに限られず、他の手段によるものでもよい。

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システム図である。 上記エンジンの排気浄化装置の動作を示すフローチャートである。 上記エンジンの排気浄化装置の他の実施形態を示すシステム図である。

符号の説明

１…エンジン
２…排気マニフォールド
３…排気管
４，５…触媒内蔵マフラ
７…ＮＯｘ還元触媒
９…噴射ノズル
１５…還元剤
２０…エアリザーブタンク
２１…エア配管
２２…電磁開閉弁
２３…エアノズル
２４…温度センサ
２５…制御装置
２６…ＥＣＵ

Claims (2)

1. 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、
   上記排気系にて上記還元触媒の排気上流側に取り付けられ、排気中に上記還元剤を噴射供給する噴射ノズルと、
   上記排気系の排気管内にて上記噴射ノズルの近傍に圧力エアを噴出するエア噴出手段と、
   上記還元触媒の排気上流側の排気温度が所定温度以下、かつ、上記エンジンの回転数が所定値以下のときに、上記噴射ノズルの近傍に圧力エアが噴出されるように、上記エア噴出手段を制御する制御装置と、
   を備え、
   上記エア噴出手段は、圧力エアが収容されたエアリザーブタンクと、このエアリザーブタンクから延びるエア配管上に設けられ該エア配管のエア流路を開閉制御する弁機構と、上記噴射ノズルの排気下流側にて噴出口が排気上流側を向くように上記排気系の排気管の内部に取り付けられ、上記エアリザーブタンクから上記弁機構を介して供給された圧力エアを該排気管内に噴出するエアノズルと、を備えて成ることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
2. 上記エアノズルは、圧力エアを円錐状に噴出することを特徴とする請求項１記載のエンジンの排気浄化装置。

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