JP4445001B2 - 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、特許文献１に記載の発明では、供給する添加剤の量を流量制御弁で調節しているが、尿素水溶液等の流体状の添加剤では、温度が変化すると、これに応じて添加剤の粘度や密度が変化するので、流量制御弁の開度及び開時間等が一定であっても、実際に供給される添加剤の量（物質量）が温度によって変化してしまう。

そして、供給する添加剤の量が必要とする添加剤の量に比べて少ないと、窒素酸化物を十分に還元することができず、排気の浄化率が低減してしまう。一方、供給する添加剤の量が必要とする添加剤の量に比べて多いと、添加剤が必要以上に消費されてしまうので、排気浄化装置の運転コストが上昇してしまう。

つまり、添加剤の温度が変化すると、制御目標値として設定された添加剤の供給量と、実際に供給された供給量との差が大きくなり、排気浄化装置を効率的に作動させることができなくなるおそれが高い。

本発明は、上記点に鑑み、排気浄化装置を効率的に作動させ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）の排気中に含まれる窒素酸化物を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、還元反応に用いる流体状の添加剤を触媒（３）より排気流れ上流側に供給する供給手段（５）と、添加剤が蓄えられたタンク（６）と、タンク（６）に蓄えられている添加剤を供給手段に送るポンプ手段（７）と、タンク（６）内の添加剤の温度を検出する第１温度検出手段（１２Ａ）と、ポンプ手段（７）から吐出された添加剤を供給手段（５）に導く配管（８Ａ）内の添加剤の温度を検出する第２温度検出手段（１２Ｂ）と、供給手段（５）から供給される添加剤の温度を検出する第３温度検出手段（１２Ｃ）と、添加剤を過熱するヒータ（９、１０）と、供給手段（５）に供給される添加剤の温度が所定の温度範囲となるように調節する温度調節手段（１１、１３）とを備え、温度調節手段（１３）は、第１〜第３温度検出手段（１２Ａ〜１２Ｃ）のうちいずれかの検出温度が第１所定温度（Ｔ１）以下であると判定された場合には、ヒータ（９、１０）にて添加剤を加熱し、さらに、温度調節手段（１１、１３）は、第１〜第３温度検出手段（１２Ａ〜１２Ｃ）のうちいずれかの検出温度が第１所定温度（Ｔ１）より高い第２所定温度（Ｔ２）以上であると判定された場合には、ヒータ（９、１０）による添加剤の加熱を中止す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、供給手段（５）に供給される添加剤の温度が所定の温度範囲となるように調節されるので、添加剤の温度変化を小さくすることができる。

したがって、制御目標値として設定された添加剤の供給量と、実際に供給された供給量との差を小さくすることが可能となるので、排気浄化装置を効率的に作動させることができ得る。

また、請求項２に記載の発明では、添加剤は尿素であり、さらに、温度調節手段（１１、１３）は、第１所定温度（Ｔ１）は６０℃であり、第２所定温度（Ｔ２）は尿素の沸点であることを特徴とする。

尿素を添加剤として用いた場合には、前述したように、排気熱を利用して尿素を加水分解して還元剤であるアンモニアを生成するので、添加剤（尿素）の温度が低いと、排気の温度が低下し、添加剤の加水分解反応が停滞してしまうおそれがある。

これに対して、請求項２に記載の発明では、添加剤の温度を、６０℃以上、尿素の沸点以下の温度となるように調節しているので、排気温度が低下してしまうことを抑制でき、添加剤の加水分解反応が停滞してしまうことを防止でき得る。

ところで、寒冷地では、夜間等の外気温度が大きく低下し、タンク（６）に蓄えられた添加剤が凍結又はシャーベット状となるので、特に、冷間始動時においては、添加剤を排気管（２）に供給することができなくなるおそれが高い。

この問題に対しては、タンク（６）に蓄えられた添加剤を加熱する加熱手段を設ければ解決することができるものの、凍結等を防止するための加熱手段を新たに設けると、排気浄化装置の製造原価上昇を招いてしまう。

しかし、請求項３に記載の発明では、温度調節手段（１１、１３）は、タンク（６）に蓄えられた添加剤を加熱することにより、添加剤の温度が所定の温度範囲となるように調節することを特徴としているので、ヒータ（１０）にて加熱手段を兼用することができる。

したがって、請求項３に記載の発明では、排気浄化装置の製造原価上昇を抑制しつつ、排気浄化装置を効率的に作動させることができ得る。
請求項４に記載の発明では、ヒータ（１０）は、内燃機関（１）から回収した廃熱を熱源として添加剤を加熱することにより、添加剤の温度が所定の温度範囲となるように調節することを特徴とする。

これにより、請求項４に記載の発明では、加熱用の熱源を新たに設ける必要がないので、排気浄化装置の製造原価上昇を抑制しつつ、排気浄化装置を効率的に作動させることができ得る。

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。

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、還元反応に用いる流体状の添加剤（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、レギュレータ７Ａは、添加剤ポンプ７から吐出された添加剤の圧力が所定圧力を超えたときに、添加剤を添加剤タンク６に戻す圧力調整手段である。

フィルタ８は、添加剤中に混入した異物を捕捉・除去する除去手段であり、このフィルタ８は、添加剤ポンプ７から吐出された添加剤を供給弁５に導く配管８Ａに設けられている。そして、フィルタ８より上流側には、車載バッテリ（図示せず。）から電力の供給を受けて配管８Ａ内の添加剤を加熱する第１ヒータ９が設けられている。

また、添加剤タンク６内には、内燃機関１から回収した廃熱、つまり内燃機関１の冷却水を熱源として添加剤タンク６内の添加剤を加熱する第２ヒータ１０が設けられており、この第２ヒータ１０に冷却水を供給する配管１０Ａには、第２ヒータ１０に供給する冷却水量を調節する流量制御弁１１が設けられている。

第１温度センサ１２Ａは添加剤タンク６内の添加剤の温度を検出する温度検出手段であり、第２温度センサ１２Ｂは配管８Ａ内の添加剤の温度を検出する温度検出手段であり、第３温度センサ１２Ｃは、供給弁５内の添加剤の温度を検出する温度検出手段であり、第４温度センサ１２Ｄは、冷却水の温度を検出する温度検出手段である。

なお、第２温度センサ１２Ｂは配管８Ａのうち第１ヒータ９より上流側で添加剤の温度を検出し、第３温度センサ１２Ｃは供給弁５の噴射口（図示せず）近傍の先端部で添加剤の温度を検出し、第４温度センサ１２Ｄは流量制御弁１１より上流側で冷却水の温度を検出する。

また、電子制御装置（以下、ＥＣＵと記す。）１３は、供給弁５の開度、第１ヒータ９への通電量及び流量制御弁１１の開度等を制御する制御手段であり、このＥＣＵ１３は、ＣＰＵ１３Ａ、ＲＡＭ１３Ｂ及びＲＯＭ１３Ｃ等からなる周知のマイクロコンピュータにて構成されている。なお、供給弁５等を制御するためのプログラムは、ＥＵＣ１３のＲＯＭ１３Ｃに記憶されている。

そして、第１〜４温度センサ１２Ａ〜１２Ｄの検出温度はＥＣＵ１３に入力されており、ＥＣＵ１３は、これらの検出温度に基づいて、供給弁５に供給される添加剤の温度が所定の温度範囲（本実施形態では、６０℃以上、尿素の沸点（１０３℃）以下の所定温度）となるように、第１ヒータ９への通電量及び流量制御弁１１の開度を制御する。

また、排気温度センサ１４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１５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。

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（ＣＯ(ＮＨ₂)₂＋Ｈ₂Ｏ）→２ＮＨ₃＋ＣＯ₂）して、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、尿素を加水分解するには、排気の温度を１７５℃以上とすることが望ましく、排気の温度を１７５℃以上とすると、窒素酸化物を効率よく浄化（還元）することができる。

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及び排気中に含まれる窒素酸化物の量等に基づいて制御（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、この制御を添加剤温度制御という。）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、前述したように、供給弁５に供給される添加剤の温度が所定の温度範囲なるように、第１ヒータ９への通電量及び流量制御弁１１の開度を制御するものである。以下、図２に基づいての詳細を説明する。

添加剤温度制御が起動されると、先ず、第１温度センサ１２Ａ〜第３温度センサ１２Ｃが検出した添加剤温度のいずれかが第１所定温度Ｔ１（本実施形態では、６０℃）以下となっているか否かが判定され（Ｓ１）、いずれかの添加剤温度が第１所定温度以下であると判定された場合には（Ｓ１：ＹＥＳ）、第１ヒータ９への通電が開始されるとともに、流量制御弁１１が開かれて第２ヒータ１０への通水が開始される（Ｓ２）。

また、第１温度センサ１２Ａ〜第３温度センサ１２Ｃが検出した添加剤温度のいずれもが第１所定温度Ｔ１より高いと判定された場合（Ｓ１：ＮＯ）、又は第１ヒータ９への通電が開始され、かつ、流量制御弁１１が開かれると（Ｓ２）、第１温度センサ１２Ａ〜第３温度センサ１２Ｃが検出した添加剤温度のいずれかが、第１所定温度より高い第２所定温度Ｔ２（本実施形態では、８０℃）以上となっているか否かが判定される（Ｓ３）。

そして、第１〜３温度センサ１２Ａ〜１２Ｃのいずれかが検出した添加剤温度が第２所定温度Ｔ２以上であると判定された場合には（Ｓ３：ＹＥＳ）、第１ヒータ９への通電が遮断されるとともに、流量制御弁１１が閉じられて第２ヒータ１０への通水が停止される（Ｓ４）。

また、第１温度センサ１２Ａ〜第３温度センサ１２Ｃが検出した添加剤温度のいずれもが第２所定温度Ｔ１より低いと判定された場合（Ｓ３：ＮＯ）、又は第１ヒータ９への通電が遮断され、かつ、流量制御弁１１が閉じられた後（Ｓ４）、一定時間が経過すると（Ｓ５）、再び、Ｓ１が実行される。

５．本実施形態に係る排気浄化装置の特徴
本実施形態では、供給弁５に供給される添加剤の温度が所定の温度範囲となるように調節されるので、添加剤の温度変化を小さくすることができる。

したがって、制御目標値として設定された添加剤の供給量と、実際に供給された供給量との差を小さくすることが可能となるので、排気浄化装置を効率的に作動させることができ得る。

また、尿素を添加剤として用いた場合には、前述したように、排気熱を利用して尿素を加水分解して還元剤であるアンモニアを生成するので、添加剤（尿素）の温度が低いと、排気の温度が低下し、添加剤の加水分解反応が停滞してしまうおそれがある。

これに対して、本実施形態では、添加剤の温度を、６０℃以上、尿素の沸点以下の温度となるように調節しているので、排気温度が低下してしまうことを抑制でき、添加剤の加水分解反応が停滞してしまうことを防止でき得る。

ところで、寒冷地では、夜間等の外気温度が大きく低下し、添加剤タンク６に蓄えられた添加剤が凍結又はシャーベット状となるので、特に、冷間始動時においては、添加剤を排気管２に供給することができなくなるおそれが高い。

これに対して、添加剤タンク６に蓄えられた添加剤を加熱する加熱手段を設ければ解決することができるものの、添加剤の温度を所定温度範囲に維持するための第２ヒータ１０に加えて更に別の加熱手段を新たに設けると、排気浄化装置の製造原価上昇を招いてしまう。

しかし、本実施形態では、第２ヒータ１０により添加剤タンク６に蓄えられた添加剤を加熱することにより、添加剤の温度が所定の温度範囲となるように調節することを特徴としているので、第２ヒータ１０にて前記加熱手段を兼用することができる。

したがって、本実施形態では、排気浄化装置の製造原価上昇を抑制しつつ、排気浄化装置を効率的に作動させることができ得る。
また、本実施形態では、内燃機関１の廃熱を熱源として第２ヒータ１０を構成しているので、加熱用の熱源を新たに設ける必要がなく、排気浄化装置の製造原価上昇を抑制しつつ、排気浄化装置を効率的に作動させることができ得る。

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、添加剤タンク６が特許請求の範囲に記載されたタンクに相当し、第１ヒータ９及び第２ヒータ１０が特許請求の範囲に記載されたヒータに相当し、流量制御弁１１及びＥＣＵ１３により特許請求の範囲に記載された温度調節手段が構成されている。

（その他の実施形態）
上述の実施形態では、第１ヒータ９及び第２ヒータ１０にて温度調節手段を構成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、いずれか一方を廃止する、又はその他のヒータにて温度調節手段を構成してもよい。

また、上述の実施形態では、第１ヒータ９への通電、及び第２ヒータ１０への通水をＯＮ−ＯＦＦの二値で制御したが、本発明はこれに限定されるものではなくなく、通電量及び通水量を連続的に変化させて添加剤の温度を制御してもよい。

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、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。

本発明の実施形態に係る排気浄化装置の模式図である。 本発明の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。

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、７Ａ…レギュレータ、８…フィルタ、８Ａ…配管、
９…第１ヒータ、１０…第２ヒータ、１０Ａ…配管、１１…流量制御弁、
１２Ａ…第１温度センサ、１２Ｂ…第２温度センサ、１２Ｃ…第３温度センサ、
１２Ｄ…第４温度センサ、１４…排気温度センサ、１５…ＮＯｘセンサ、
１３…ＥＣＵ。

Claims (4)

1. 内燃機関の排気中に含まれる窒素酸化物を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、
   前記還元反応に用いる流体状の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、
   前記添加剤が蓄えられたタンクと、
   前記タンクに蓄えられている前記添加剤を前記供給手段に送るポンプ手段と、
   前記タンク内の前記添加剤の温度を検出する第１温度検出手段と、
   前記ポンプ手段から吐出された前記添加剤を前記供給手段に導く配管内の前記添加剤の温度を検出する第２温度検出手段と、
   前記供給手段から供給される添加剤の温度を検出する第３温度検出手段と、
   前記添加剤を過熱するヒータと、
   前記供給手段に供給される前記添加剤の温度が所定の温度範囲となるように調節する温度調節手段とを備え、
   前記温度調節手段は、前記第１〜第３温度検出手段のうちいずれかの検出温度が第１所定温度以下であると判定された場合には、前記ヒータにて前記添加剤を加熱し、
   さらに、前記温度調節手段は、前記第１〜第３温度検出手段のうちいずれかの検出温度が前記第１所定温度より高い第２所定温度以上であると判定された場合には、前記ヒータによる前記添加剤の加熱を中止することを特徴とする排気浄化装置。
2. 前記添加剤は尿素であり、
   さらに、前記第１所定温度は６０℃であり、前記第２所定温度は尿素の沸点であることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 前記温度調節手段は、前記タンクに蓄えられた前記添加剤を加熱することにより、前記添加剤の温度が所定の温度範囲となるように調節することを特徴とする請求項１又は２に記載の排気浄化装置。
4. 前記ヒータは、前記内燃機関から回収した廃熱を熱源として前記添加剤を加熱することにより、前記添加剤の温度が所定の温度範囲となるように調節することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の排気浄化装置。