JP4445000B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気中に含まれる窒素酸化物を還元するための排気浄化装置に関するものであり、車両に適用して有効である。

ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元するための排気浄化装置として、例えば特許文献１に記載の発明では、排気管に還元反応を促進する触媒を設けるとともに、触媒に流れ込む排気中に尿素水溶液等の添加剤を噴射することにより、窒素酸化物を浄化（還元）している。

すなわち、排気中に噴射された尿素（ＣＯ(ＮＨ₂)₂）を排気熱にて加水分解して（ＣＯ(ＮＨ₂)₂＋Ｈ₂Ｏ）→２ＮＨ₃＋ＣＯ₂）、還元剤であるアンモニア（ＮＨ₃）を生成し、触媒を介して窒素酸化物とアンモニアとを反応させて窒素酸化物を還元している。
特開２００３−２９３７３９号公報

ところで、尿素を排気熱により加水分解するには、排気温度を１７０℃〜１７５℃以上の温度（以下、この温度アンモニア生成温度という。）とする必要があので、排気温度がアンモニア生成温度未満のときに尿素を排気中に添加しても、窒素酸化物をアンモニアにて還元することができないばかりか、尿素が加水分解されずにそのまま大気中に放出され、尿素が無駄に消費されてしまうという問題が発生する。

本発明は、上記点に鑑み、尿素等の添加剤が無駄に消費されてしまうことを防止しつつ、窒素酸化物を確実に還元（浄化）することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、内燃機関（１）から排出される排気の熱を利用して添加剤から還元剤を生成するとともに、排気中に含まれる窒素酸化物を還元剤にて還元する排気浄化装置であって、内燃機関から排出される排気の通路を構成する排気管（２）と、排気管（２）に設けられ、排気中の窒素酸化物の還元反応を促進する触媒（３）と、添加剤を触媒（３）より排気流れ上流側に供給する供給手段（５）と、排気管（２）を流通する排気の温度を検出する温度検出手段（８）と、供給手段（５）の作動を制御することにより、排気管（２）に供給される添加剤の供給量を調整する制御手段（１０）とを備え、制御手段（１０）は、温度検出手段（８）が検出した排気温度が、添加剤から還元剤を生成するに必要な生成温度未満の場合には、添加剤の供給を停止し、一方、排気温度が生成温度以上の場合には、添加剤を供給し、さらに、制御手段（１０）は、添加剤の供給を開始した時から所定時間が経過した場合に、所定時間が経過する前の供給量に比べて、添加剤の供給量を低減し、かつ、所定時間は、生成される還元剤の量が触媒（３）で吸着可能な量を超えてしまう時間以下の時間に設定されていることを特徴とする。

これにより、請求項１に記載の発明では、排気温度が生成温度未満の場合には、添加剤の供給を停止するので、添加剤が無駄に消費されてしまうことを防止できる。
また、排気温度が生成温度以上の場合には、添加剤を供給して添加剤から生成された還元剤にて窒素酸化物を還元（浄化）するとともに、生成された還元剤の一部が触媒（３）に吸着される。そして、排気温度が生成温度未満となり、添加剤の供給が停止した場合には、この触媒（３）に吸着されている還元剤にて窒素酸化物が還元される。

ところで、排気温度が生成温度以上の場合には、前述したように、生成された還元剤の一部は、還元に用いられることなく触媒（３）に吸着され、排気温度が生成温度未満のときに還元に用いられるが、生成される還元剤の量が、触媒（３）で吸着可能な量を超えると、生成された還元剤は、窒素酸化物の還元に用いられることなく排出されてしまうので、添加剤が無駄に消費されてしまう。

これに対して、請求項１に記載の発明では、添加剤の供給を開始した時から所定時間が経過した場合には、所定時間が経過する前の供給量に比べて、添加剤の供給量を低減するので、生成される還元剤の量が触媒（３）で吸着可能な量を超えてしまうことを未然に防止することが可能となる。

なお、上記の説明からも明らかなように、「所定時間」とは、「生成される還元剤の量が触媒（３）で吸着可能な量を超えてしまう時間以下の時間」をいう。
以上のように、請求項１に記載の発明では、添加剤が無駄に消費されてしまうことを防止しつつ、窒素酸化物を確実に還元（浄化）することができる。

因みに、上記各手段等の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段等との対応関係を示す一例であり、本発明は上記各手段等の括弧内の符号に示された具体的手段に限定されるものではない。

本実施形態は、本発明に係る排気浄化装置を車両用ディーゼルエンジンの尿素ＳＣＲ（選択還元：Selective catalytic reduction）システムに適用したものであり、以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。

（第１実施形態）
１．図面の説明
図１は本実施形態に係る排気浄化装置の模式図であり、図２は本実施形態に係る排気浄化装置の特徴的作動を示すフローチャートであり、図３は添加剤（尿素）の噴射量と排気温度及び時間との関係を示すグラフであり、図４は添加剤（尿素）の噴射量と排気温度との関係を示す図表である。

２．排気浄化装置の構成（図１参照）
排気管２は、ディーゼル式の内燃機関１から排出される排気の通路を構成するものであり、この排気管２には、排気中の窒素酸化物の還元反応を促進するＳＣＲ触媒３（以下、触媒３と略す。）、及び排気に含まれるすす等の粒子状物質を捕捉するＤＰＦ（ディーゼル微粒子除去装置：Diesel Particulate Filter）４等が設けられている。なお、ＤＰＦ４は、触媒３より排気流れ上流側（内燃機関側）に設けられている。

また、供給弁５は、還元反応に用いる添加剤（本実施形態では、尿素水溶液）を触媒３より排気流れ上流側の排気管２に供給する供給手段であり、添加剤タンク６は排気管２に供給される添加剤を蓄えるタンク手段である。

添加剤ポンプ７は、添加剤タンク６に蓄えられている添加剤を供給弁５に送るポンプ手段であり、排気温度センサ８は、内燃機関１から排出される排気の温度を検出する温度検出手段であり、ＮＯｘセンサ９は触媒３を通過した排気中に含まれる窒素酸化物を検出するＮＯｘ検出手段である。

なお、本実施形態では。触媒３の入口近傍で排気温度を検出し、触媒３の出口近傍で窒素酸化物を検出している。
そして、排気温度センサ８及びＮＯｘセンサ９の検出信号は、電子制御装置（以下、ＥＣＵと記す。）１０に入力されており、ＥＣＵ１０は、これらセンサ８、９の検出信号等に基づいて供給弁５及び添加剤ポンプ７の作動を制御する。

なお、ＥＣＵ１０は、ＣＰＵ１０Ａ、ＲＡＭ１０Ｂ及びＲＯＭ１０Ｃ、時間を計時するタイマ１０Ｄ等からなる周知のマイクロコンピュータにて構成されたものであり、供給弁５等を制御するためのプログラムは、ＲＯＭ１０Ｃに記憶されている。

３．排気浄化装置の基本的作動
排気浄化装置は、排気中に噴射された添加剤である尿素（ＣＯ(ＮＨ₂)₂）を排気熱にて加水分解して（ＣＯ(ＮＨ₂)₂＋Ｈ₂Ｏ）→２ＮＨ₃＋ＣＯ₂）、還元剤であるアンモニア（ＮＨ₃）を生成し、触媒３を介して窒素酸化物とアンモニアとを反応させて窒素酸化物を浄化（還元）する。

このとき、排気温度を１７０℃〜１７５℃以上の温度（以下、この温度アンモニア生成温度という。）とすると、尿素を加水分解してアンモニアを生成することができるが、排気温度がアンモニア生成温度より低い場合には、尿素が加水分解されずにそのまま大気中に放出され、尿素が無駄に消費されてしまう。

４．排気浄化装置の特徴的作動（図２参照）
排気浄化装置（供給弁５及び添加剤ポンプ７）は、内燃機関１の始動と同時に開始され、供給される添加剤の量は、通常、内燃機関１から排出される排気の温度（排気温度センサ８の検出温度）及び排気中に含まれる窒素酸化物の量（ＮＯｘセンサ９の検出値）等に基づいて制御（以下、この制御を、通常制御という。）される。

そして、図２に示す制御（以下、この制御を還元剤スリップ抑制制御という。）は、通常制御と同時に開始されて通常制御と独立して作動するものであり、その概要は、以下の通りである。

すなわち、排気温度センサ８が検出した排気温度が、アンモニア生成温度未満の場合には、排気管２への添加剤（尿素）の供給を停止し、一方、排気温度がアンモニア生成温度以上の場合には、排気管２へ添加剤を供給する。

そして、排気管２に供給する添加剤の量は、内燃機関１から排出される排気中に含まれる窒素酸化物の全て還元するために必要な還元剤の量よりも多量の還元剤が生成されるような量とする。

このとき、加水分解により生成された還元剤は触媒３に吸着された後、触媒３を介して窒素酸化物と還元反応するが、余分に生成された還元剤は触媒３に吸着され続け、排気温度がアンモニア生成温度未満まで低下して添加剤の供給が停止すると、余分に生成されて触媒３の吸着されていた還元剤が還元反応に消費されて窒素酸化物が浄化される。

しかし、排気温度がアンモニア生成温度以上となる状態が長時間に渡って継続すると、生成された還元剤の総量が、触媒３が吸着することができる限界値を超えてしまい、生成された還元剤が還元反応に用いられることなく、放出されてしまう。

そこで、本実施形態では、排気温度がアンモニア生成温度より高い所定温度（以下、この温度を供給停止温度という。）以上となった場合、及び添加剤の供給を開始した時から所定時間（以下、この時間を供給停止時間という。）が経過した場合のうち少なくとも一方の場合には、いずれかの条件が成立する以前に、排気管２に供給していた添加剤の供給量に比べて、添加剤の供給量を低減することを特徴としている。

ところで、前記のいずれかの条件が成立する以前とは、排気温度がアンモニア生成温度以上、供給温度停止温度未満のとき、又は排気温度がアンモニア生成温度以上となった時から供給停止時間が経過する以前のときであるので、いずれかの条件が成立する以前に排気管２に供給していた添加剤の供給量とは、前述したように、内燃機関１から排出される排気中に含まれる窒素酸化物の全て還元するために必要な還元剤の量よりも多量の還元剤が生成されるような量である。

そこで、以下、排気中に含まれる窒素酸化物の全て還元するために必要な還元剤の量を生成することが可能な添加剤の供給量を通常量と呼び、前記のいずれかの条件が成立する以前に供給される添加剤の供給量を通常量より多い量と呼ぶ。

以下、図２に示すフローチャートに基づいて、上記作動の詳細を説明する。
還元剤スリップ抑制制御が起動されると、排気温度センサ８の検出温度（以下、排気温度という。）がアンモニア生成温度Ｔ１未満であるか否かが判定される（Ｓ１）。

そして、排気温度がアンモニア生成温度Ｔ１未満であると判定された場合には（Ｓ１：ＹＥＳ）、還元剤の供給（噴射）が停止されるとともに、タイマ１０Ｄの計時時間が初期化された後（Ｓ２）、タイマ１０Ｄによる時間の計時が開始又は継続される（Ｓ７）。

一方、排気温度がアンモニア生成温度Ｔ１未満でない、つまり排気温度がアンモニア生成温度Ｔ１以上であると判定された場合には（Ｓ１：ＮＯ）、タイマ１０Ｄによる計時時間が供給停止時間以上であるか否かが判定され（Ｓ３）、計時時間が供給停止時間以上であると判定された場合には（Ｓ３：ＹＥＳ）、通常量の添加剤が排気管２に供給された後（Ｓ５）、タイマ１０Ｄによる時間の計時が開始又は継続される（Ｓ７）。

また、計時時間が供給停止時間以上でないと判定された場合には（Ｓ３：ＮＯ）、排気温度が供給停止温度Ｔ２以上であるか否かが判定され（Ｓ４）、排気温度が供給停止温度Ｔ２以上であると判定された場合には（Ｓ４：ＹＥＳ）、通常量の添加剤が排気管２に供給された後（Ｓ５）、タイマ１０Ｄによる時間の計時が開始又は継続される（Ｓ７）。

一方、排気温度が供給停止温度Ｔ２以上でないと判定された場合には（Ｓ４：ＮＯ）、通常量より多い添加剤が排気管２に供給された後（Ｓ６）、タイマ１０Ｄによる時間の計時が開始又は継続される（Ｓ７）。そして、Ｓ７が実行されると、再び、Ｓ１が実行される。

５．排気浄化装置の特徴
本実施形態では、排気温度がアンモニア生成温度Ｔ１未満の場合には、図３又は図４に示すように、添加剤の供給を停止するので、添加剤が無駄に消費されてしまうことを防止できる。

また、排気温度がアンモニア生成温度Ｔ１以上の場合には、通常量より多い添加剤を供給するので、添加剤から生成された還元剤にて窒素酸化物が還元（浄化）されるとともに、生成された還元剤の一部が触媒３に吸着される。そして、排気温度がアンモニア生成温度Ｔ１未満となり、添加剤の供給が停止した場合には、この触媒３に吸着されている還元剤にて窒素酸化物が還元される。

ところで、排気温度がアンモニア生成温度Ｔ１以上の場合には、前述したように、生成された還元剤の一部は、還元に用いられることなく触媒３に吸着され、排気温度がアンモニア生成温度Ｔ１未満のときに還元に用いられるが、生成される還元剤の量が、触媒３で吸着可能な量を超えると、生成された還元剤は、窒素酸化物の還元に用いられることなく排出されてしまうので、添加剤が無駄に消費されてしまう。

これに対して、本実施形態では、図３に示すように、添加剤の供給を開始した時から供給停止時間が経過した場合には、所定時間が経過する前の供給量に比べて、添加剤の供給量を低減するので、生成される還元剤の量が触媒３で吸着可能な量を超えてしまうことを未然に防止することが可能となる。

また、添加剤から還元剤を生成し続けると、その時間の経過に伴い排気温度が次第上昇していくので、排気温度が供給停止温度Ｔ２以上となったときに、添加剤の供給量を低減すれば、生成される還元剤の量が触媒３で吸着可能な量を超えてしまうことを未然に防止できる。

なお、上記の説明からも明らかなように、供給停止温度とは、例えばアンモニア生成温度Ｔ１から供給停止時間が経過したときの排気温度相当する温度であり、供給停止時間及び供給停止温度Ｔ２は、触媒３の仕様や内燃機関１の仕様等に基づいて適宜決定されるものである。

以上のように、本実施形態では、添加剤が無駄に消費されてしまうことを防止しつつ、窒素酸化物を確実に還元（浄化）することができる。
６．発明特定事項と実施形態との対応関係
本実施形態では、供給弁５が特許請求の範囲に記載された供給手段に相当し、排気温度センサ８が特許請求の範囲に記載された温度検出手段に相当し、ＥＣＵ１０が特許請求の範囲に記載された制御手段に相当する。

（第２実施形態）
１．本実施形態に係る排気浄化装置の概要
本実施形態は、図５に示すように、触媒３の排気流れ下流側に、還元剤であるアンモニアを検出するアンモニアセンサ１１を設けるとともに、排気温度がアンモニア生成温度Ｔ１以上となった時以降、アンモニアセンサ１１にて所定値以上のアンモニアを検出するまでは、通常量より多い量の添加剤を供給し、アンモニアセンサ１１にてアンモニアを検出した後、排気温度がアンモニア生成温度Ｔ１未満となるまでは、通常量の添加剤を供給するものである。

なお、図５は本実施形態に係る排気浄化装置の模式図であり、図６は本実施形態に係る排気浄化装置の特徴的作動を示すフローチャートである。以下、図６に基づいて、上記作動の詳細を説明する。

２．本実施形態に係る排気浄化装置の特徴的作動
還元剤スリップ抑制制御が起動されると、先ず、排気温度がアンモニア生成温度Ｔ１未満であるか否かが判定される（Ｓ１１）。

そして、排気温度がアンモニア生成温度Ｔ１未満であると判定された場合には（Ｓ１１：ＹＥＳ１）、還元剤の供給（噴射）が停止されるとともに、タイマ１０Ｄの計時時間が初期化された後（Ｓ１２）、タイマ１０Ｄによる時間の計時が開始又は継続されて、一定時間が経過したときに（Ｓ１６）、再び、Ｓ１１が実行される。

一方、排気温度がアンモニア生成温度Ｔ１未満でない、つまり排気温度がアンモニア生成温度Ｔ１以上であると判定された場合には（Ｓ１１：ＮＯ）、アンモニアセンサ１１により所定値以上のアンモニアが検出されたか否かが判定され（Ｓ１３）、所定値以上のアンモニアが検出されたと判定された場合には（Ｓ１３：ＹＥＳ）、通常量の添加剤が排気管２に供給された後（Ｓ１４）、一定時間が経過したときに（Ｓ１６）、再び、Ｓ１１が実行される。

一方、所定値以上のアンモニアが検出されていないと判定された場合には（Ｓ１３：ＮＯ）、通常量より多い添加剤が排気管２に供給された後（Ｓ１５）、一定時間が経過したときに（Ｓ１６）、再び、Ｓ１１が実行される。

３．本実施形態に係る排気浄化装置の特徴
本実施形態においても、上述の実施形態と同様に、排気温度がアンモニア生成温度Ｔ１未満の場合には、添加剤の供給が停止されるとともに、触媒３に吸着されている還元剤にて窒素酸化物が還元されるので、添加剤が無駄に消費されてしまうことを防止できる。

また、排気温度がアンモニア生成温度Ｔ１以上の場合には、添加剤を供給して添加剤から生成された還元剤にて窒素酸化物を還元（浄化）するとともに、生成された還元剤の一部が触媒３に吸着される。

そして、添加剤の供給を開始した時以降であって、アンモニアセンサ１１により還元剤であるアンモニアが所定値以上検出された場合には、還元剤が検出される前の供給量に比べて、添加剤の供給量を低減するので、生成される還元剤の量が触媒３で吸着可能な量を超えてしまうことを未然に防止することが可能となる。

したがって、本実施形態においても、添加剤が無駄に消費されてしまうことを防止しつつ、窒素酸化物を確実に還元（浄化）することができる。
４．発明特定事項と実施形態との対応関係
本実施形態では、アンモニアセンサ１１が特許請求の範囲に記載された還元剤検出手段に相当する。

（その他の実施形態）
上述の実施形態では、添加剤として尿素を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、アンモニア以外の還元剤又はこの還元剤を生成可能な添加剤を用いてもよい。

また、本発明は、第１実施形態と第２実施形態とを組み合わせてもよい。
また、本発明は、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨に合致するものであればよく、上述の実施形態に限定されるものではない。

本発明の第１実施形態に係る排気浄化装置の模式図である。 本発明の第１実施形態に係る排気浄化装置の特徴的作動を示すフローチャート 添加剤（尿素）の噴射量と排気温度及び時間との関係を示すグラフである。 添加剤（尿素）の噴射量と排気温度との関係を示す図表である。 本発明の第２実施形態に係る排気浄化装置の模式図である。 本発明の第２実施形態に係る排気浄化装置の特徴的作動を示すフローチャート

符号の説明

１…内燃機関、２…排気管、３…触媒、５…供給弁、６…添加剤タンク、
７…添加剤ポンプ、８…排気温度センサ、９…ＮＯｘセンサ、１０…ＥＣＵ。

Claims (1)

1. 内燃機関から排出される排気の熱を利用して添加剤から還元剤を生成するとともに、排気中に含まれる窒素酸化物を前記還元剤にて還元する排気浄化装置であって、
   前記内燃機関から排出される排気の通路を構成する排気管と、
   前記排気管に設けられ、排気中の窒素酸化物の還元反応を促進する触媒と、
   前記添加剤を前記触媒より排気流れ上流側に供給する供給手段と、
   前記排気管を流通する排気の温度を検出する温度検出手段と、
   前記供給手段の作動を制御することにより、前記排気管に供給される前記添加剤の供給量を調整する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記温度検出手段が検出した排気温度が、前記添加剤から還元剤を生成するに必要な生成温度未満の場合には、前記添加剤の供給を停止し、一方、前記排気温度が前記生成温度以上の場合には、前記添加剤を供給し、
   さらに、前記制御手段は、前記添加剤の供給を開始した時から所定時間が経過した場合に、前記所定時間が経過する前の供給量に比べて、前記添加剤の供給量を低減し、かつ、前記所定時間は、生成される還元剤の量が前記触媒で吸着可能な量を超えてしまう時間以下の時間に設定されていることを特徴とする排気浄化装置。