JP5107787B2

JP5107787B2 - 排気浄化装置

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Publication number: JP5107787B2
Application number: JP2008114040A
Authority: JP
Inventors: 峰啓村田; 好央武田; 智平沼; 吾郎飯島
Original assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Current assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Priority date: 2008-04-24
Filing date: 2008-04-24
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2028-04-24
Also published as: JP2009264222A

Description

本発明は排気浄化装置に関し、特にアンモニアを還元剤としてアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に供給するために、排気中に尿素水を供給する尿素水供給手段を備えた排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジン等のエンジンから排出される排気中には、大気汚染物質であるパティキュレートやＮＯｘ（窒素酸化物）などが含まれている。
そこでパティキュレートについては、エンジンの排気通路にパティキュレートフィルタを設け、排気中に含まれるパティキュレートをパティキュレートフィルタで捕集し、大気中にパティキュレートが放出されないようにする技術が従来より知られている。

またＮＯｘについては、エンジンの排気通路にアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒を配設し、還元剤としてアンモニアをアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に供給することにより、ＮＯｘを選択還元して排気を浄化するようにした排気浄化装置が知られている。アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒では、上流側の排気中に尿素水を供給し、この尿素水が排気の熱により加水分解して生じたアンモニアが供給される。そして、供給されたアンモニアと排気中のＮＯｘとの間の脱硝反応がアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒によって促進されることによりＮＯｘの還元が行われ、排気が浄化される。

このように、排気浄化装置に必要な排気浄化機能を発揮させるために、複数の排気浄化手段を採用するのが一般的であり、排気浄化手段を収容するためのケーシングは、採用する排気浄化手段に応じて複数に分割される場合がある。例えば、上述のようにパティキュレートの捕集及びＮＯｘの還元を効率的に行うため、パティキュレートフィルタ及びアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒を組み合わせ、排気浄化装置として用いるようにしたものが特許文献１などによって提案されている。

特許文献１の排気浄化装置は、上流側ケーシングと、上流側ケーシングの下流側に配設されて連通路で連通された下流側ケーシングとで構成される。上流側ケーシング内には前段酸化触媒が収容されると共に、この前段酸化触媒の下流側にパティキュレートフィルタが収容されている。なお、前段酸化触媒は、排気中のＮＯを酸化させてＮＯ_２を生成し、このＮＯ_２によってパティキュレートフィルタの連続再生を行うために使用される。

一方、下流側ケーシング内にはアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒が収容されると共に、このアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒の下流側にアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒から流出したアンモニアを無害化するための後段酸化触媒が収容されている。
そして、上流側ケーシングと下流側ケーシングとを連通する連通路には、連通路内の排気中に尿素水を噴射供給する尿素水インジェクタが設けられている。尿素水インジェクタから噴射された尿素水は、排気の熱により加水分解してアンモニアとなり、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に還元剤として供給される。

このように、複数の排気浄化手段を収容するためにケーシングを２つに分割した場合、両ケーシングを連通するための連通路が設けられる。例えば、車両に搭載されたエンジンに用いられる排気浄化装置の場合には、車両搭載機器のレイアウトの都合上、上流側ケーシングと下流側ケーシングとは必ずしも直線的に配置されるわけではないため、連通路には両ケーシングの配置に対応して屈曲部が設けられる場合がある。
特開２００７−１６２４８７号公報

ところが、このような屈曲部を有した連通路が用いられる排気浄化装置において、連通路内を流動する排気中に尿素水が供給された場合、排気中で霧化した尿素水が連通路の内壁面に衝突しやすくなる。連通路の壁面温度は、内部を流動する排気の温度に比べて低いため、排気中で霧化した尿素水が連通路の内壁面に衝突すると、壁面上で液化した後、水分の蒸発によって固形の尿素などの固形物が生成され、連通路の内壁面に堆積してしまうという問題がある。

このような問題を回避するためには、尿素水の供給を許可する排気温度の下限値を上昇させ、比較的高い温度でのみ尿素水を供給することにより、連通路の内壁面に霧化した尿素水が衝突しても液化しにくくすると共に、堆積した固形物が再びガス化して消滅しやすくする必要がある。しかしながら、このように尿素水の供給を許可する排気温度の下限値を上昇させると、尿素水を供給可能なエンジンの運転領域が狭まるため、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に十分なアンモニアを供給することができなくなり、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒の排気浄化効率が低下してしまうという問題がある。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、尿素水から生成される固形物の堆積を抑制して良好な排気浄化効率を確保可能な排気浄化装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の排気浄化装置は、エンジンの排気通路に介装され、上記エンジンの排気を浄化する排気浄化手段を収容した第１ケーシングと、上記第１ケーシングの下流側の上記排気通路に介装された第２ケーシングと、屈曲部を有して上記第１ケーシングと上記第２ケーシングとを連通し、上記第１ケーシングから排出された排気を上記第２ケーシングに案内する連通路と、上記第２ケーシング内に収容され、アンモニアを還元剤として上記排気中のＮＯｘを選択還元するアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒と、上記連通路を介し上記第１ケーシングから上記第２ケーシングへと流動する排気中に尿素水を供給する尿素水供給手段と、上記連通路の少なくとも上記屈曲部に設けられたヒータと、上記ヒータの作動を制御する制御手段とを備え、上記制御手段は、上記尿素水供給手段によって供給された尿素水が固形物となって上記連通路内に堆積する条件として予め設定された堆積運転条件を上記エンジンの運転状態が満足して上記エンジンが運転された時間を積算して積算運転時間を求め、上記積算運転時間が所定時間に達すると上記ヒータを作動させることを特徴とする（請求項１）。

このように構成された排気浄化装置によれば、第１ケーシング内を通過した排気は、連通路を通って第２ケーシング内に流入する。このとき、尿素水供給手段が連通路を通って第１ケーシングから第２ケーシングへと流動する排気中に尿素水を供給する。排気中に供給された尿素水から生成されたアンモニアは、下流側ケーシング内のアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に流入し、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒では、排気中のアンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘが選択還元されることにより排気が浄化される。

排気中に含まれる尿素水は、屈曲部を有した連通路内を通過する際に連通路に衝突することにより、固形物となって連通路内に堆積する可能性がある。しかし、制御手段がヒータを作動させることにより連通路の少なくとも屈曲部を加熱するので、固形物がヒータの熱によって溶融し、連通路内から除去される。また、ヒータの作動中には、排気中の尿素水が連通路に衝突する際の新たな固形物の生成も抑制される。

そして、尿素水供給手段によって供給された尿素水が固形物となって連通路内に堆積するような運転状態でエンジンが運転された場合の運転時間を積算した積算運転時間が所定時間に達したときに、制御手段がヒータを作動させる。
更に、上記排気浄化装置において、上記所定時間は、上記ヒータの作動によって上記連通路内に堆積している上記固形物からアンモニアが生成されても、上記アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒へのアンモニア供給量を、上記アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に必要とされるアンモニア供給量以下に維持可能な上限堆積量まで上記固形物が堆積するのに要するエンジン運転時間に基づいて予め設定されることを特徴とする（請求項２）。

このように構成された排気浄化装置によれば、上記積算運転時間が所定時間に達するとヒータが作動するが、ヒータの作動によって固形物から生成されたアンモニアがアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に供給されることによってアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒へのアンモニア供給量が過剰となるような量まで固形物が堆積する前にヒータが作動を開始する。

また、上記排気浄化装置において、上記第１ケーシングは筒状をなし、上記第２ケーシングは筒状をなすと共に、上記第１ケーシングの中心軸線に対して側方に配置され、上記連通路は、一端が上記第１ケーシングの側壁に接続され、他端が上記第２ケーシングの側壁に接続されており、上記尿素水供給手段は、上記第１ケーシングに接続された上記連通路内に向けて尿素水を噴射することを特徴とする（請求項３）。

このように構成された排気浄化装置によれば、一端が第１ケーシングの側壁に接続された連通路は、屈曲部によって屈曲することにより、第１ケーシングの中心軸線に対して側方に配置された第２ケーシングの側壁に他端が接続される。
また、上記排気浄化装置において、上記ヒータは、上記連通路の長手方向の全領域のうち、上記連通路の屈曲部を含む所定領域にのみ部分的に設けられていてもよい（請求項４）。

更に、上記排気浄化装置において、上記連通路が複数の屈曲部を有する場合には、上記ヒータは、上記連通路の屈曲部のうち最も上流側の屈曲部に設けられていてもよい（請求項５）。
また、上記排気浄化装置において、上記ヒータは、上記連通路の長手方向の全領域のうち、上記連通路の上流側端部から上記屈曲部を含んで下流側に延びる所定領域にわたって部分的に設けられていてもよい（請求項６）。

また、上記排気浄化装置において、上記ヒータは、上記連通路の長手方向の全領域にわたって設けられていてもよい（請求項７）。

連通路が屈曲部を有することにより、排気中に含まれる尿素水が連通路に衝突して固形物となって連通路内に堆積する可能性があり、特に屈曲部には固形物が堆積しやすくなるが、本発明の排気浄化装置によれば、ヒータの作動により連通路の少なくとも屈曲部を加熱するので、連通路に堆積した固形物を除去することが可能となる。また、ヒータの作動中には、連通路への衝突による尿素水からの新たな固形物の生成も抑制することが可能となる。従って、尿素水から生成される固形物の堆積防止のために尿素水の供給を許可する排気温度の下限値を上昇させる必要がなくなり、尿素水の供給が可能なエンジンの運転領域を狭めずにすむ。この結果、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に必要とされるアンモニア供給量を確保することが可能となり、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒の排気浄化効率を良好に維持することができる。

また、尿素水が固形物となって連通路内に堆積するような運転状態でエンジンが運転された場合の運転時間を積算した積算運転時間が所定時間に達したときに、ヒータを作動させるようにしたので、尿素水が固形物となって連通路内に堆積することのない運転状態でエンジンが運転されたときの運転時間を排除して、尿素水から生成された固形物の堆積状態を的確に把握し、この堆積状態に対応してヒータを作動させることができる。この結果、必要以上にヒータを作動させることなく、堆積している固形物を効率よく的確に除去することが可能となる。

また、請求項２の排気浄化装置によれば、ヒータの作動により固形物から生成されたアンモニアがアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に供給されることによってアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒へのアンモニア供給量が過剰となるような量まで固形物が堆積する前にヒータが作動を開始するので、ヒータの作動によって生成されたアンモニアを要因とするアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒からの余剰アンモニアの流出、いわゆるアンモニアスリップを防止することができる。

また、請求項３の排気浄化装置によれば、第２ケーシングが第１ケーシングの中心軸線に対して側方に配置されると共に、連通路の一端が第１ケーシングの側壁に接続され、他端が第２ケーシングの側壁に接続されているので、連通路は比較的屈曲の度合いが大きい屈曲部を有することになる。屈曲の度合いが大きいほど、連通路への尿素水の衝突による固形物の生成の可能性が増大するため、本発明は特に有効である。

また、請求項４の排気浄化装置のように、連通路の長手方向の全領域のうち、連通路の屈曲部を含む所定領域にのみ部分的にヒータを設けるようにした場合には、連通路への尿素水の衝突によって固形物が最も生成されやすい屈曲部及びその周辺を集中的に加熱することにより、ヒータによるエネルギの消費を抑えつつ、尿素水から生成された固形物の堆積に起因する問題の発生を良好に防止することが可能となる。

前述したように、排気中の尿素水は連通路に衝突して熱を奪われることによって固形物となるため、最初に衝突した部分に固形物が生成されやすい。そこで、請求項５の排気浄化装置のように、連通路が複数の屈曲部を有する場合には、最も上流側の屈曲部にヒータを設けているので、ヒータによるエネルギの消費を抑えつつ、尿素水から生成された固形物の堆積に起因する問題の発生を良好に防止することが可能となる。

また、尿素水供給手段から供給された尿素水は、連通路の屈曲部に達する前にも、その一部が連通路に衝突する可能性があるため、連通路の上流端部から屈曲部にかけての領域において尿素水から生成された固形物が堆積しやすいことになる。そこで、請求項６の排気浄化装置のように、連通路の長手方向の全領域のうち、連通路の上流側端部から屈曲部を含んで下流側に延びる所定領域にわたってヒータを部分的に設けることにより、ヒータによるエネルギの消費を抑えつつ、尿素水から生成された固形物の堆積に起因する問題の発生を一層確実に防止することが可能となる。

また、請求項７の排気浄化装置のように、連通路の長手方向の全領域にわたってヒータを設けた場合には、尿素水から生成された固形物の堆積の抑制及び堆積した固形物の除去を連通路の全域にわたって行うことができるので、尿素水から生成された固形物の堆積に起因する問題の発生をより一層確実に防止することが可能となる。

以下、図面に基づき本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る排気浄化装置が適用された４気筒のディーゼルエンジン（以下、エンジンという）の全体構成図を示しており、図１に基づき本発明に係る排気浄化装置の構成を説明する。
エンジン１は、車両駆動用の動力源として車両に搭載されている。エンジン１は、各気筒共通の高圧蓄圧室（以下コモンレールという）２を備えており、図示しない燃料噴射ポンプから供給されてコモンレール２に蓄えられた高圧の燃料を、各気筒に設けられた燃料噴射弁４に供給し、各燃料噴射弁４からそれぞれの気筒内に燃料が噴射される。

吸気通路６にはターボチャージャ８が装備されており、図示しないエアクリーナから吸入された吸気は、吸気通路６からターボチャージャ８のコンプレッサ８ａへと流入し、コンプレッサ８ａで過給された吸気はインタークーラ１０及び吸気制御弁１２を介して吸気マニホールド１４に導入される。また、吸気通路６のコンプレッサ８ａより上流側には、エンジン１への吸入空気流量を検出するための吸気量センサ１６が設けられている。

一方、エンジン１の各気筒から排気が排出される排気ポート（図示せず）は、排気マニホールド１８を介して排気管（排気通路）２０に接続されている。なお、排気マニホールド１８と吸気マニホールド１４との間には、ＥＧＲ弁２２を介して排気マニホールド１８と吸気マニホールド１４とを連通するＥＧＲ通路２４が設けられている。
排気管２０はターボチャージャ８のタービン８ｂを経た後、排気絞り弁２６を介して排気後処理装置２８に接続されている。また、タービン８ｂの回転軸はコンプレッサ８ａの回転軸と連結されており、タービン８ｂが排気管２０内を流動する排気を受けてコンプレッサ８ａを駆動するようになっている。

排気後処理装置２８は、筒状をなす上流側ケーシング（第１ケーシング）３０と、上流側ケーシング３０の下流側に連通路３２で連通されて筒状をなす下流側ケーシング（第２ケーシング）３４とで構成される。上流側ケーシング３０内には、前段酸化触媒３６が収容されると共に、この前段酸化触媒３６の下流側にはパティキュレートフィルタ（以下フィルタという）３８が収容されている。

フィルタ３８は、排気中のパティキュレートを捕集してエンジン１の排気を浄化するために設けられる。フィルタ３８はハニカム型のセラミック体からなり、上流側と下流側とを連通する通路が多数並設されると共に、通路の上流側開口と下流側開口とが交互に閉鎖されており、エンジン１の排気が内部を流通することによって排気中のパティキュレートを捕集する。

前段酸化触媒３６は排気中のＮＯを酸化させてＮＯ_２を生成するので、このように前段酸化触媒３６とフィルタ３８とを配置することにより、フィルタ３８に捕集され堆積しているパティキュレートは、前段酸化触媒３６から供給されたＮＯ_２と反応して酸化し、フィルタ３８の連続再生が行われるようになっている。
一方、下流側ケーシング３４内には、排気中のアンモニアを吸着し、吸着したアンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを選択還元して浄化するアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒（以下ＳＣＲ触媒という）４０が収容されると共に、このＳＣＲ触媒４０の下流側にはＳＣＲ触媒４０から流出したアンモニアを除去するための後段酸化触媒４２が収容されている。この後段酸化触媒４２は、フィルタ３８の強制再生でパティキュレートが焼却される際に発生するＣＯを酸化し、ＣＯ_２として大気中に排出する機能も有している。

なお、上流側ケーシング３０のフィルタ３８下流側には、フィルタ３８から流出して連通路３２へと流入する排気中に尿素水を噴射供給する尿素水インジェクタ（尿素水供給手段）４４が設けられており、図示しない尿素水タンクから尿素水インジェクタ４４に対して尿素水が供給されるようになっている。また、尿素水インジェクタ４４の近傍には、フィルタ３８から流出して連通路３２に流入する排気の温度を検出する排気温度センサ４６が設けられている。

尿素水インジェクタ４４から噴射された尿素水は排気中で霧化し、排気の熱により加水分解してアンモニアとなってＳＣＲ触媒４０に供給される。ＳＣＲ触媒４０は、供給されたアンモニアと排気中のＮＯｘとの脱硝反応を促進することにより、ＮＯｘを還元して無害なＮ_２とする。なお、このときアンモニアがＮＯｘと反応せずにＳＣＲ触媒４０から流出した場合には、このアンモニアが後段酸化触媒４２によって除去されるようになっている。

図１に示される排気後処理装置２８は、上方から見たときの上流側ケーシング３０及び下流側ケーシング３４の配置に対応するものとなっており、車両への搭載の都合により、下流側ケーシング３４は、筒状をなす上流側ケーシング３０の中心軸線に対して側方に配置されている。
連通路３２の上流側端部は、フィルタ３８よりも下流側となる位置の上流側ケーシング３０の側壁に設けられた流出部３０ａを介して上流側ケーシング３０の側壁に接続されている。一方、連通路３２の下流側端部は、ＳＣＲ触媒４０よりも上流側となる位置の下流側ケーシング３４の側壁に設けられた流入部３４ａを介して下流側ケーシング３４の側壁に接続されている。そして、連通部３２には、このような接続を可能とするために、第１屈曲部３２ａ及び第１屈曲部３２ａより下流側の第２屈曲部３２ｂの２つの屈曲部を有している。また、連通部３２の周壁には、上流側端部から下流側端部までの全域を覆うようにヒータ３２ｃが装着されている。なお、本実施形態においてヒータ３２ｃは、通電されることによって発熱する電熱ヒータによって構成されている。

後段酸化触媒４２よりも下流側となる位置の下流側ケーシング３４の側壁には、流入部３４ａの延設方向に対して平面視で逆方向に延設された流出部３４ｂが設けられており、下流側ケーシング３４内を通過した排気を大気中に放出するためのテールパイプ４８が、流出部３４ｂを介して下流側ケーシング３４の側壁に接続されている。従って、排気管２０と共に、上流側ケーシング３０、連通路３２、下流側ケーシング３４及びテールパイプ４８が本発明の排気通路を形成する。

尿素水インジェクタ４４は、上流側ケーシング３０の流出部３０ａに対向する位置の上流側ケーシング３０の側壁に装着されており、図１中に一点鎖線で示すように、尿素水の噴射方向が連通路３２に向けられている。ヒータ３２ｃが作動していない場合、連通路３２の外壁面が大気に晒されていることから、連通路３２の内壁面は、内部を流動する排気の温度に比して低い温度にあり、排気中で霧化している尿素水が連通路３２の内壁面に接触すると、温度の低下により尿素水が再び液化して連通路３２の内壁面に付着する可能性がある。付着した尿素水の水分が蒸発することにより、尿素など（以下では総称して尿素という）の固形物が析出し、連通路３２の内壁面に堆積する。

そこで、フィルタ３８から流出した後に連通路３２内に流入して下流側ケーシング３４に向けて流動する排気に対し、上述のようにして連通路３２に向けて尿素水インジェクタ４４から尿素水を噴射することにより、噴射された尿素水が連通路３２の内壁面に接触するのをできるだけ回避するようにして、尿素の堆積を抑制している。
しかしながら、本実施形態では連通路３２が第１屈曲部３２ａ及び第２屈曲部３２ｂの２つの屈曲部を有しており、排気がこれら第１及び第２屈曲部３２ａ，３２ｂを通過する際には、排気中に含まれる霧化した尿素水が、第１及び第２屈曲部３２ａ，３２ｂの内壁面に衝突する。このような衝突によって、排気中に霧化している尿素水は衝突した連通路３２の内壁面で液化し、上述したように固形の尿素が析出して内壁面に堆積していくことになる。特に第１屈曲部３２ａは、連通路３２の屈曲部のうち最も上流側に位置する屈曲部であるため、排気中の尿素水の多くが最初に第１屈曲部３２ａで連通路３２の内壁面に衝突する。このため、第１屈曲部３２ａは連通路３２の中でも尿素の堆積しやすい箇所となる。

連通路３２内における尿素の堆積が継続すると、連通路３２における排気流動抵抗が増大し、エンジン１の排圧が増大して運転効率が低下するおそれがある。そこで本実施形態では、連通路３２内における尿素の堆積を抑制してエンジン１の運転効率を良好に維持するため、ＥＣＵ（制御手段）５０が必要に応じてヒータ３２ｃを作動させて連通路３２内に堆積する尿素を除去するためのヒータ制御を実行する。

なおＥＣＵ５０は、このヒータ制御のほか、エンジン１の運転に必要とされる量の燃料を燃料噴射弁４から各気筒に供給するための燃料供給制御、及びＳＣＲ触媒４０に必要とされる量の尿素水を尿素水インジェクタ４４から供給するための尿素水供給制御など、エンジン１の運転を良好に維持するための制御全般を行う。これらの制御を行うため、ＥＣＵ５０の入力側には、吸気量センサ１６及び排気温度センサ４６のほか、エンジン１の回転速度を検出する回転速度センサ５２、及びアクセルペダル（図示せず）の踏込量を検出するアクセル開度センサ５４などの各種センサ類が接続されている。一方、ＥＣＵ５０の出力側には、上記の各種制御の対象として、燃料噴射弁４、吸気制御弁１２、ＥＧＲ弁２２、排気絞り弁２６、ヒータ３２ｃ及び尿素水インジェクタ４４などの各種デバイスが接続されている。

以下では、ＥＣＵ５０が実行するヒータ制御の詳細について説明する。図２は、ヒータ制御のフローチャートであり、ＥＣＵ５０はエンジン１が運転中であるときに、図２のフローチャートに従って所定の制御周期でヒータ制御を実行する。
ヒータ制御を開始するとＥＣＵ５０は、まずステップＳ１でエンジン１の運転状態が所定の堆積運転状態にあるか否かを判定する。この堆積運転状態とは、尿素水インジェクタ４４によって排気中に噴射された尿素水から固形の尿素が析出されて連通路３２内に堆積する運転状態として予め実験などによって求められており、本実施形態では排気温度、尿素水インジェクタ４４からの尿素水噴射量、及びエンジン１の排気流量に基づいて判定が行われるようになっている。即ち、排気温度センサ４６によって検出された排気温度、ＥＣＵ５０が演算した尿素水インジェクタ４４からの単位時間あたりの尿素水供給量及びエンジン１の単位時間あたりの排気流量がそれぞれの判定条件（堆積運転条件）を満たしたときに、エンジン１の運転状態が上記堆積運転状態にあると判定する。なお、エンジン１の単位時間あたりの排気流量は、吸気量センサ１６によって検出されたエンジン１の吸入空気流量、回転速度センサ５２によって検出されたエンジン１の回転速度、及びＥＣＵ５０が演算した燃料噴射弁４からの単位時間あたりの燃料供給量に基づき演算される。

ステップＳ１においてエンジン１の運転状態がこのような堆積運転状態にないと判定した場合には、ＥＣＵ５０がその制御周期を終了し、次の制御周期で再びステップＳ１の判定を行う。従って、エンジン１の運転状態が堆積運転状態にない場合、ＥＣＵ５０はステップＳ１の判定を繰り返すのみであって、ヒータ制御における他の処理は行われない。
一方、排気温度、尿素水供給量及び排気流量がそれぞれの判定条件を満たし、エンジン１の運転状態が堆積運転状態にあるとステップＳ１で判定すると、ＥＣＵ５０は処理をステップＳ２に進め、運転時間カウンタのカウント値Ｃ_ｎを前回のＣ_ｎ−１から１だけカウントアップする。なお、エンジン１を初めて運転した場合のステップＳ２において、カウント値Ｃ_ｎ−１は、連通路３２に尿素の堆積がないことに対応して０を用いるが、既に過去にエンジン１を運転したことがある場合、ＥＣＵ５０は、前回のエンジン１の停止に伴ってヒータ制御を終了したときの最終のカウント値Ｃ_ｎを、今回エンジン１の始動に伴ってヒータ制御を開始した際に最初にステップＳ２で用いるカウント値Ｃ_ｎ−１とする。また、後述するように、ヒータ３２ｃの作動によって連通路３２内に堆積している尿素の除去が完了した場合も、その次の制御周期においてステップＳ２で用いるカウント値Ｃ_ｎ−１は０となる。

ＥＣＵ５０は次のステップＳ３に処理を進めると、運転時間カウンタのカウント値Ｃ_ｎがＮ以上であるか否か、即ちカウント値Ｃ_ｎが判定値Ｎに達したか否かを判定する。上述したようにカウント値Ｃ_ｎは、エンジン１の運転状態が堆積運転状態にあるときに限り、制御周期毎に１ずつカウントアップされていくので、エンジン１の運転状態が堆積運転状態にあるときの運転時間の積算値である積算運転時間と実質的に同義となる。従って、カウント値Ｃ_ｎが判定値Ｎに達したか否かの判定は、堆積運転状態にある場合のエンジン１の積算運転時間が所定時間に達したか否かを判定していることになる。

ここで判定値Ｎは次のようにして設定されている。連通路３２内に堆積している尿素をヒータ３２ｃの作動によって加熱すると、固形の尿素はガス化してアンモニアに転化し、連通路３２内を流動する排気と共にＳＣＲ触媒４０に流入する。このため、尿素が大量に堆積した状態でヒータ３２ｃを作動させた場合、この尿素から生成された大量のアンモニアが、尿素水インジェクタ４４の尿素水の供給によって生成された本来のアンモニアと共にＳＣＲ触媒４０に供給されることになる。この結果、ＳＣＲ触媒４０では必要以上のアンモニアが供給され、ＳＣＲ触媒４０からの余剰アンモニアの流出、いわゆるアンモニアスリップが生じる可能性がある。そこで、ヒータ３２ｃの作動によって連通路３２に堆積している尿素からアンモニアが生成されても、アンモニアスリップが発生しないような上限堆積量まで尿素が堆積するのに要するエンジン１の運転時間を予め実験等により求め、この運転時間に基づいて判定値Ｎが設定されている。即ち、ヒータ３２ｃの作動時におけるＳＣＲ触媒４０へのアンモニア供給量を、ＳＣＲ触媒４０に必要とされるアンモニアの量以下に維持可能な上限堆積量まで尿素が堆積するのに要するエンジン１の運転時間を、ヒータ制御の制御周期の時間間隔で除した値に１を加えた値が判定値Ｎとして設定されている。なお、ここで１を加えるのは、連通路３２に堆積していた尿素の除去が完了した後の最初の制御周期におけるステップＳ２で求められるカウンタ値Ｃ_ｎ、つまりカウンタ値Ｃ_ｎの初期値が０ではなく１とって１からカウントが開始されるため、これに対応するものである。

ＥＣＵ５０は、ステップＳ３でカウント値Ｃ_ｎが判定値Ｎに達していないと判定した場合、その制御周期を終了し、次の制御周期で再びステップＳ１から処理を開始する。そして、ステップＳ１でエンジン１の運転状態が堆積運転状態にあると判定した場合には、ＥＣＵ５０がステップＳ２で運転時間カウンタのカウント値Ｃ_ｎを前回のＣ_ｎ−１から１だけカウントアップした後、ステップＳ３でカウント値Ｃ_ｎが判定値Ｎに達したか否かを判定する。一方、ステップＳ１でエンジン１の運転状態が堆積運転状態にないと判定した場合には、ＥＣＵ５０がその制御周期を終了し、次の制御周期で再びステップＳ１の判定を行う。従って、ステップＳ３でカウント値Ｃ_ｎが判定値Ｎに達したと判定するまでは、上述したように、エンジン１の運転状態が堆積運転状態にあるときの運転時間の積算値に対応して運転時間カウンタのカウント値Ｃ_ｎが１ずつカウントアップされていく。

上述したように判定値Ｎは、ヒータ３２ｃの作動時におけるＳＣＲ触媒４０へのアンモニア供給量をＳＣＲ触媒４０に必要とされるアンモニアの量以下に維持可能な上限堆積量まで尿素が堆積するのに要するエンジン１の運転時間に対応している。そして、カウント値Ｃ_ｎは連通路３２内に堆積している尿素の除去が完了した時点で一旦０とされてから１ずつカウントアップされていく。従って、カウント値Ｃ_ｎが判定値Ｎに達した場合には、エンジン１の運転状態が堆積運転状態にあるときの積算運転時間が所定時間に達し、連通路３２における尿素の堆積量が、上記上限堆積量に達したことを意味する。

運転時間カウンタのカウント値Ｃ_ｎが１ずつカウントアップされることにより、カウント値Ｃ_ｎが判定値Ｎに達したと判定すると、ＥＣＵ５０は処理をステップＳ４に進めてヒータ３２ｃの作動時間を計測するためのタイマの時間カウントを開始させ、ステップＳ５でヒータ３２ｃを作動させる。
次のステップＳ６でＥＣＵ５０は、タイマがカウントした時間ｔが基準通電時間ｔｒに達したか否かを判定する。この基準通電時間ｔｒは、連通路３２に堆積している尿素がヒータ３２ｃの熱によってガス化し、連通路３２から除去されるのに要する時間である。上述したようにヒータ３２ｃの作動は、連通路３２における尿素の堆積量が上限堆積量に達したときに開始されるので、予め実験等により上限堆積量の尿素を連通路３２から除去するのに要する時間を求め、この時間を基準通電時間ｔｒとして設定している。従って、本実施形態においては、基準通電時間ｔｒを固定値としているが、排気温度や排気流量などのように、尿素のガス化に影響を及ぼすパラメータに応じて基準時間ｔｒを補正するようにしてもよい。

ステップＳ６において、タイマのカウント時間ｔが基準通電時間ｔｒに達していないと判定した場合、ＥＣＵ５０はステップＳ５に処理を戻し、ヒータ３２ｃの作動を継続させた後、再びステップＳ６においてタイマのカウント時間ｔが基準通電時間ｔｒに達したか否かを判定する。従って、タイマのカウント時間ｔが基準通電時間ｔｒに達するまではステップＳ５及びＳ６の処理が繰り返される。

ステップＳ６でタイマのカウント時間ｔが基準通電時間ｔｒに達したと判定すると、ＥＣＵ５０は処理をステップＳ７に進めてヒータ３２ｃの作動を停止した後、ステップＳ８でタイマの時間カウントを停止させてタイマをリセットする。従って、ヒータ３２ｃが作動を開始すると、ステップＳ４乃至Ｓ７の処理により、基準通電時間ｔｒにわたってヒータ３２ｃが連通路３２を加熱する。これにより、連通路３２に堆積している尿素はヒータ３２ｃの熱でガス化し、連通路３２から除去される。このときヒータ３２ｃの作動は、上述したように尿素の堆積量が、ヒータ３２ｃの作動時におけるＳＣＲ触媒４０へのアンモニア供給量を、ＳＣＲ触媒４０に必要とされるアンモニアの量以下に維持可能な上限堆積量に達したときに開始される。従って、ヒータ３２ｃの作動によって連通路３２に堆積している尿素がアンモニアに転化しても、ＳＣＲ触媒４０においてアンモニアが余剰となることはなく、アンモニアスリップの発生が良好に防止される。なお、ヒータ３２ｃが作動している間は、連通路３２内を流動する排気中の尿素水からの新たな尿素の析出も良好に抑制される。

このようにして連通路３２に堆積している尿素が除去されるので、次の制御周期以降で尿素の堆積量が上限堆積量に達するまでの運転時間を積算するのに備え、ＥＣＵ５０は次のステップＳ９で運転時間カウンタのカウント値Ｃ_ｎを０にリセットし、その制御周期を終了する。
次の制御周期でＥＣＵ５０は、再びステップＳ１から処理を開始し、上述したようにして、ステップＳ１及びＳ２の処理により、エンジン１の運転状態が堆積運転状態にあるときの運転時間の積算値に対応して運転時間カウンタのカウント値Ｃ_ｎが１ずつカウントアップされていく。そして、カウント値Ｃ_ｎが判定値Ｎに達する前にエンジン１が停止された場合、ＥＣＵ５０はヒータ制御を終了するが、ヒータ制御の終了の前にステップＳ２において最後に算出されたカウント値Ｃ_ｎを記憶し、次にエンジン１が始動されてヒータ制御を開始した際の最初のカウント値Ｃ_ｎ−１として用いる。これにより、途中でエンジン１が停止された場合であっても、ヒータ３２ｃの作動は、上述したように尿素の堆積量が上限堆積量に達したときに開始される。従って、このような場合においても、ヒータ３２ｃが作動したときに、ＳＣＲ触媒４０においてアンモニアが余剰となることはなく、アンモニアスリップの発生が良好に防止される。

本実施形態では、上流側ケーシング３０の中心軸線に対して側方に下流側ケーシング３４が配置されることにより、連通路３２には比較的大きな屈曲の度合いを有した第１屈曲部３２ａに加え、第２屈曲部３２ｂが存在するが、このようにしてヒータ制御が行われることにより、第１及び第２屈曲部３２ａ，３２ｂを有した連通路３２において、尿素水から析出した尿素が堆積しても、これを適切に除去して尿素の堆積を抑制するので、大量の尿素が堆積することによる排気流動抵抗の増大やエンジン１の運転性能の低下などの問題の発生を確実に防止することができる。従って、尿素の堆積防止のために尿素水の供給を許可する排気温度の下限値を上昇させる必要がなくなり、尿素水の供給が可能なエンジン１の運転領域を狭めずにすむ。この結果、ＳＣＲ触媒４４に必要とされるアンモニア供給量を確保することが可能となり、ＳＣＲ触媒４４の排気浄化効率を良好に維持することができる。

また、本実施形態では、尿素水インジェクタ４４から供給された尿素水から析出された尿素が連通路３２内で堆積するような運転状態でエンジン１が運転された場合の積算運転時間に対応するカウンタ値Ｃ_ｎで連通路３２における尿素の堆積状態を把握し、カウンタ値Ｃ_ｎが判定値Ｎに達したときにするようにしたので、尿素の堆積状態を的確に把握し、この堆積状態に対応して尿素の除去が必要となったときにのみヒータ３２ｃを作動させることができる。この結果、必要以上にヒータ３２ｃを作動させることなく、堆積した尿素を効率よく的確に除去することが可能となる。

また、本実施形態では、連通路３２の長手方向の全領域にわたってヒータ３２ｃが設けられているので、尿素水から析出される尿素が比較的堆積しやすい第１屈曲部３２ａだけではなく、連通路３２全域にわたり、堆積した尿素の除去を良好に行うことができる。この結果、大量の尿素が堆積することによる排気流動抵抗の増大やエンジン１の運転性能の低下などの問題の発生をより一層確実に防止することができる。

なお、上記実施形態では、連通路３２の全域にわたってヒータ３２ｃを設けるようにしたが、連通路３２のうちでも特に尿素が堆積しやすい領域に絞ってヒータを設けるようにしても良い。上流側ケーシング３０と下流側ケーシング３４との位置関係から、連通路３２には前述したように第１屈曲部３２ａ及び第２屈曲部３２ｂが設けられている。このうち第１屈曲部３２ａは、連通路３２において最も上流側に位置する屈曲部であるため、排気中の尿素水の多くが最初に第１屈曲部３２ａで連通路３２の内壁面に衝突する。このため、第１屈曲部３２ａは連通路３２の中で特に尿素の堆積しやすい箇所となる。そこで、図３に示すように、この第１屈曲部３２ａを含む所定領域にのみヒータ３２ｃ’を設けるようにしても良い。なお、図３に示す排気後処理装置２８は、ヒータ３２ｃ’の配置のみが上記実施形態と相違しており、その他の部分は上記実施形態と全く同一であるので、詳細な説明は省略する。

このように、連通路３２に複数存在する屈曲部の中で最上流に位置するために特に尿素の堆積しやすい第１屈曲部３２ａを含む所定領域にのみヒータ３２ｃ’を設けて重点的に尿素の除去を行うことにより、ヒータ３２ｃ’によるエネルギの消費を抑えながら、尿素水から析出された尿素の堆積に起因する問題の発生を良好に防止することが可能となる。
また、尿素水インジェクタ４４から供給された尿素水は、連通路３２の第１屈曲部３２ａに達する前にも、その一部が連通路３２の内壁に衝突する可能性があるため、連通路３２の上流側端部から第１屈曲部３２ａにかけての領域において尿素水から析出された尿素が堆積しやすいことになる。そこで、図４に示すように、連通路３２の長手方向の全領域のうち、連通路３２の上流側端部から第１屈曲部３２ａを含んで下流側に延びる所定領域にわたってヒータ３２ｃ”を部分的に設けるようにしてもよい。なお、図４に示す排気後処理装置２８も、ヒータ３２ｃ”の配置のみが上記実施形態と相違しており、その他の部分は上記実施形態と全く同一であるので、詳細な説明は省略する。

このように、尿素水から析出された尿素が堆積しやすい領域にヒータ３２ｃ”を設けて重点的に尿素の除去を行うことにより、ヒータ３２ｃ”によるエネルギの消費を抑えながら、尿素水から析出された尿素の堆積に起因する問題の発生を良好に防止することが可能となる。
以上で本発明の一実施形態に係る排気浄化装置についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施形態では、ヒータ３２ｃを設ける連通路３２の領域について図１、図３及び図４の３つの例を示したが、ヒータ３２ｃを設ける連通路３２の領域はこれに限定されるものではない。少なくとも尿素の堆積しやすい第１屈曲部３２ａを含む領域にヒータを設けるようにすれば、尿素の堆積を抑制することが可能であり、尿素水から析出された尿素の堆積に起因する問題の発生を良好に防止することができる。

また、上記実施形態では、上流側ケーシング３０の中心軸線に対して側方に下流側ケーシング３４を配置するようにした排気後処理装置２８に本発明を適用したが、これらケーシングの配置はこれに限定されるものではない。例えば、上流側ケーシングの中心軸線の方向に下流側ケーシングを配置し、屈曲部を有した連通路で両ケーシングを連通するようにした排気後処理装置であっても、本発明を適用して同様の効果を得ることができる。

更に、上記実施形態では、上流側ケーシング３０内に前段酸化触媒３６及びフィルタ３８を収容すると共に、下流側ケーシング３４内にＳＣＲ触媒４０及び後段酸化触媒４２を収容するようにしたが、それぞれのケーシング内に収容される排気浄化のための部材は、これに限定されるものではなく、下流側ケーシング内にＳＣＲ触媒を収容すると共に、上流側ケーシングから連通路を介し下流側ケーシングに向けて流動している排気中に尿素水を供給するようにした排気後処理装置であれば、同様の効果を得ることができる。

また、上記実施形態では、運転時間カウンタのカウント値Ｃ_ｎによって、エンジン１の運転状態が堆積運転状態にあるときの積算運転時間を把握するようにしたが、これに代えて積算運転時間計測用のタイマを用い、直接的に積算運転時間を計測するようにしてもよい。この場合、図２のステップＳ２で積算運転時間計測用のタイマをスタートし、ステップＳ９でこのタイマをリセットすればよい。

また、上記実施形態では、エンジン１を４気筒のディーゼルエンジンとしたが、エンジン１の気筒数及び形式についてはこれに限定されるものではなく、尿素水を供給してＳＣＲ触媒で排気中のＮＯｘの選択還元を行うようにしたエンジンであれば同様に本発明を適用可能である。

本発明の一実施形態に係る排気浄化装置が適用されたエンジンの全体構成図である。図１の排気浄化装置において行われるヒータ制御のフローチャートである。図１の実施形態の変形例を示す要部構成図である。図３とは別の変形例を示す要部構成図である。

符号の説明

１エンジン
２０排気管
３０上流側ケーシング（第１ケーシング）
３２連通路
３２ａ第１屈曲部
３２ｂ第２屈曲部
３２ｃ，３２ｃ’，３２ｃ” ヒータ
３４下流側ケーシング（第２ケーシング）
４０ＳＣＲ触媒（アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒）
４４尿素水インジェクタ（尿素水供給手段）
５０ＥＣＵ（制御手段）

Claims

エンジンの排気通路に介装され、上記エンジンの排気を浄化する排気浄化手段を収容した第１ケーシングと、
上記第１ケーシングの下流側の上記排気通路に介装された第２ケーシングと、
屈曲部を有して上記第１ケーシングと上記第２ケーシングとを連通し、上記第１ケーシングから排出された排気を上記第２ケーシングに案内する連通路と、
上記第２ケーシング内に収容され、アンモニアを還元剤として上記排気中のＮＯｘを選択還元するアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒と、
上記連通路を介し上記第１ケーシングから上記第２ケーシングへと流動する排気中に尿素水を供給する尿素水供給手段と、
上記連通路の少なくとも上記屈曲部に設けられたヒータと、
上記ヒータの作動を制御する制御手段と
を備え、
上記制御手段は、上記尿素水供給手段によって供給された尿素水が固形物となって上記連通路内に堆積する条件として予め設定された堆積運転条件を上記エンジンの運転状態が満足して上記エンジンが運転された時間を積算して積算運転時間を求め、上記積算運転時間が所定時間に達すると上記ヒータを作動させる
ことを特徴とする排気浄化装置。
上記所定時間は、上記ヒータの作動によって上記連通路内に堆積している上記固形物からアンモニアが生成されても、上記アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒へのアンモニア供給量を、上記アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に必要とされるアンモニア供給量以下に維持可能な上限堆積量まで上記固形物が堆積するのに要するエンジン運転時間に基づいて予め設定されることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
上記第１ケーシングは筒状をなし、
上記第２ケーシングは筒状をなすと共に、上記第１ケーシングの中心軸線に対して側方に配置され、
上記連通路は、一端が上記第１ケーシングの側壁に接続され、他端が上記第２ケーシングの側壁に接続されており、
上記尿素水供給手段は、上記第１ケーシングに接続された上記連通路内に向けて尿素水を噴射することを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
上記ヒータは、上記連通路の長手方向の全領域のうち、上記連通路の屈曲部を含む所定領域にのみ部分的に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
上記連通路は複数の屈曲部を有し、
上記ヒータは、上記連通路の屈曲部のうち最も上流側の屈曲部に設けられていることを特徴とする請求項４に記載の排気浄化装置。
上記ヒータは、上記連通路の長手方向の全領域のうち、上記連通路の上流側端部から上記屈曲部を含んで下流側に延びる所定領域にわたって部分的に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
上記ヒータは、上記連通路の長手方向の全領域にわたって設けられていることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。