JP5171509B2

JP5171509B2 - エンジンの排気浄化装置

Info

Publication number: JP5171509B2
Application number: JP2008247359A
Authority: JP
Inventors: 雅一矢野; 公信平田; 信彦正木
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2008-09-26
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2028-09-26
Also published as: EP2327863A1; US20110162351A1; JP2010077902A; WO2010035669A1; US8490389B2; CN102165155A

Description

本発明は、エンジンの排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を選択的に還元浄化する排気浄化装置に関する。

エンジンの排気に含まれるＮＯｘを浄化する触媒浄化システムとして、特開２００３−２９３７４０号公報（特許文献１）に記載された排気浄化装置が提案されている。この排気浄化装置は、排気通路に配設されたＮＯｘ還元触媒の排気上流に、エンジン運転状態に応じた流量の液体還元剤又はその前駆体を噴射供給することで、ＮＯｘ還元触媒においてＮＯｘと還元剤とを選択還元反応させて、ＮＯｘを無害成分に浄化処理する。
特開２００３−２９３７４０号公報

しかしながら、ＮＯｘ還元触媒の排気上流に噴射供給された液体還元剤又はその前駆体の粒径が大きいと、その拡散及び気化が十分なされないことから、ＮＯｘ還元触媒に供給される還元剤濃度にむらが生じ易く、ＮＯｘ浄化効率が低下するおそれがあった。また、ＮＯｘ還元剤の排気上流に液体還元剤の前駆体を噴射供給する場合には、これから還元剤を生成する加水分解反応などの化学反応速度が低下し、同様に、ＮＯｘ浄化効率が低下するおそれがあった。

そこで、本発明は従来の問題点に鑑み、ＮＯｘ還元触媒の排気上流に噴射供給される液体還元剤又はその前駆体に微細なバブルを混入し、噴射供給時の温度変化及び圧力変化によってこれを急激に膨張破裂させることで、液体還元剤又はその前駆体の微粒化を促進させた排気浄化装置を提供することを目的とする。

このため、請求項１記載の発明では、エンジン排気通路に配設され、還元剤を用いて窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、液体還元剤又はその前駆体を貯蔵する還元剤タンクと、前記還元触媒の排気上流に液体還元剤又はその前駆体を噴射供給する噴射ノズルと、前記還元剤タンクから噴射ノズルへと供給される液体還元剤又はその前駆体の流量を制御する流量制御弁と、エンジン運転状態に応じた流量の液体還元剤又はその前駆体が噴射ノズルへと供給されるように、前記流量制御弁を制御する流量制御手段と、前記還元剤タンク内に配設され、前記噴射ノズルから噴射供給される液体還元剤又はその前駆体にナノ〜マイクロサイズのバブルを混入させるバブル発生装置と、前記バブル発生装置により単位体積当たりの液体還元剤又はその前駆体に混入されたバブルの混入割合を測定する混入割合測定手段と、前記混入割合測定手段により測定されたバブルの混入割合に基づいて、エンジン運転状態に応じた液体還元剤又はその前駆体の流量を補正する流量補正手段と、を含んで構成されたことを特徴とする。

請求項２記載の発明では、前記バブルの混入割合が所定範囲に維持又は所定値に近づくように、前記バブル発生装置を制御するバブル発生制御手段を更に備えたことを特徴とする。
請求項３記載の発明では、前記混入割合測定手段は、前記バブル発生装置の累積作動時間に対応したバブルの混入割合が設定されたマップを参照して、該バブル発生装置の累積作動時間に応じたバブルの混入割合を間接的に測定することを特徴とする。

請求項４記載の発明では、単位体積当たりの液体還元剤又はその前駆体に混入されたバブルの粒子数及び粒径を測定する微粒子測定器を更に備え、前記混入割合測定手段は、前記微粒子測定器により測定されたバブルの粒子数及び粒径からバブルの混入割合を間接的に測定することを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、還元剤タンクに配設されたバブル発生装置が適宜作動することで、噴射ノズルから還元触媒の排気上流に噴射供給される液体還元剤又はその前駆体にナノ〜マイクロサイズのバブルが混入される。そして、噴射ノズルからバブルを内包する液体還元剤又はその前駆体が噴射供給されるときに、バブルにより液体還元剤又はその前駆体の分裂が促進されると共に、噴射供給時の圧力変化及び温度変化によりバブルが急激に膨張破裂するので、液体還元剤又はその前駆体の微粒化を促進することができる。このため、微粒化された液体還元剤又はその前駆体の拡散及び気化が十分なされ、還元触媒に供給される還元剤濃度のむらが低減することから、液体還元剤又はその前駆体の有効利用を図りつつ、窒素酸化物の浄化効率を向上させることができる。また、還元触媒の排気上流に液体還元剤の前駆体を噴射供給する場合には、その微粒化が促進されることから、これから還元剤を生成する加水分解反応などの反応速度も向上させることができる。

このとき、還元剤タンク内の液体還元剤又はその前駆体にバブルが混入されるため、噴射ノズルから噴射供給される液体還元剤又はその前駆体におけるバブル混入割合の変化を抑制することができる。

また、液体還元剤又はその前駆体にバブルが混入することで、単位体積当たりの液体還元剤又はその前駆体の絶対量が減少することを考慮し、その添加流量が補正される。このため、エンジン運転状態に応じた液体還元剤又はその前駆体の添加流量が適切に保持され、例えば、還元触媒に供給される還元剤が不足することで、所要の浄化率が得られないなどの不具合を回避することができる。

請求項２記載の発明によれば、バブルの混入割合が所定範囲に維持又は所定値に近づくようにバブル発生装置が制御されるため、液体還元剤又はその前駆体に対して過度なバブルの混入を抑制することができる。
請求項３記載の発明によれば、バブル発生装置の累積作動時間に対応したバブルの混入割合が設定されたマップを参照することで、バブルの混入割合を間接的に測定することができる。

請求項４記載の発明によれば、微粒子測定器により測定された単位体積当たりの液体還元剤又はその前駆体に混入されたバブルの粒子数及び粒径から、バブルの混入割合を間接的に測定することができる。

以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、液体還元剤の前駆体としての尿素水溶液を使用し、エンジンの排気に含まれるＮＯｘを還元浄化する排気浄化装置の第１実施形態を示す。
エンジン１０の排気マニフォールド１２に接続される排気通路１４には、排気流通方向に沿って、一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ₂）へと酸化させる窒素酸化触媒１６と、尿素水溶液を噴霧状態で噴射供給する噴射ノズル１８と、尿素水溶液を加水分解して生成されるアンモニアを使用してＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ還元触媒２０と、ＮＯｘ還元触媒２０を通過したアンモニアを酸化させるアンモニア酸化触媒２２と、がこの順番で配設される。

還元剤タンク２４に貯蔵される尿素水溶液は、還元剤添加コントロールユニット（以下「還元剤添加ＥＣＵ」という）２６により電子制御されるポンプ及び流量制御弁を内蔵した還元剤添加装置２８を介して、噴射ノズル１８へと供給される。また、窒素酸化触媒１６と噴射ノズル１８の間に位置する排気通路１４には、排気温度を測定する温度センサ３０が取り付けられ、その出力信号が還元剤添加ＥＣＵ２６に入力される。さらに、還元剤添加ＥＣＵ２６は、エンジン１０の回転速度及び負荷を適宜読み込むべく、ＣＡＮ（Controller Area Network）などのネットワークを介してエンジンコントロールユニット（以下「エンジンＥＣＵ」という）３２に接続される。ここで、エンジン負荷としては、燃料噴射量，アクセル操作量，スロットル開度，吸気流量，吸気負圧，過給圧力などの公知の状態量を採用することができる。なお、エンジン回転速度及び負荷は、公知のセンサを用いて直接検出するようにしてもよい。

この排気浄化装置において、噴射ノズル１８から噴射供給された尿素水溶液は、排気熱及び排気中の水蒸気により加水分解され、アンモニアが生成される。このアンモニアは、ＮＯｘ還元触媒２０において排気中のＮＯｘと選択還元反応し、無害な水（Ｈ₂Ｏ）及び窒素（Ｎ₂）へと転化されることは知られたことである。このとき、ＮＯｘ還元触媒２０におけるＮＯｘ浄化効率を向上させるべく、窒素酸化触媒１６によりＮＯがＮＯ₂へと酸化され、排気中のＮＯとＮＯ₂との割合が選択還元反応に適したものに改善される。一方、ＮＯｘ還元触媒２０を通過したアンモニアは、その排気下流に配設されたアンモニア酸化触媒２２により酸化されるので、アンモニアがそのまま大気中に放出されることが抑制される。

本発明の特徴として、還元剤タンク２４内には、ここに貯蔵される尿素水溶液にナノサイズのバブル（ナノバブル）を混入させるべく、例えば、振動子又は高速回転するフィンからなるバブル発生装置３４が配設される。バブル発生装置３４は、ＣＡＮなどのネットワークを介して還元剤添加ＥＣＵ２６に接続されるバブル発生コントロールユニット（以下「バブル発生ＥＣＵ」という）３６によって電子制御される。なお、バブル発生装置３４は、還元剤添加ＥＣＵ２６により電子制御されるようにしてもよい。

図２は、還元剤添加ＥＣＵ２６において、エンジン１０の始動を契機として第１の所定時間ごとに繰り返し実行される尿素水溶液添加処理のメインルーチンを示す。なお、尿素水溶液添加処理を実行する還元剤添加ＥＣＵ２６が流量制御手段に該当する。
ステップ１（図では「Ｓ１」と略記する。以下同様）では、エンジンＥＣＵ３２からエンジン回転速度及び負荷を夫々読み込む。

ステップ２では、温度センサ３０から排気温度を読み込む。
ステップ３では、エンジン運転状態としてのエンジン回転速度，負荷及び排気温度に対応した添加流量が設定された添加流量マップを参照し、ステップ１及びステップ２で読み込んだエンジン回転速度，負荷及び排気温度に応じた尿素水溶液の添加流量を算出する。
ステップ４では、バブル発生装置３４により尿素水溶液にナノバブルが混入することで、単位体積当たりの尿素水溶液の絶対量が減少したことを補正すべく、添加流量を補正するサブルーチンをコールする。

ステップ５では、添加流量に応じた制御信号を還元剤添加装置２８に出力する。
図３は、尿素水溶液の添加流量補正処理のサブルーチンを示す。なお、添加流量補正処理を実行する還元剤添加ＥＣＵ２６が混入割合測定手段及び流量補正手段に該当する。
ステップ１１では、図４に示すバブル混入割合推測マップを参照し、バブル発生装置３４の累積作動時間に応じたバブル混入割合Ｘ（単位体積当たりの尿素水溶液に混入したナノバブルの混入率）を推測する。ここで、バブル混入割合推測マップは、バブル発生装置３４の出力特性及びナノバブルの物理的特性から理論的に求めたり、実験などを通して経験的に求めることができる。バブル発生装置３４の出力特性としては、例えば、単位時間当たりに発生するナノバブルの粒子数及び及びその粒径などが適用可能である一方、ナノバブルの物理的特性としては、例えば、ナノバブルの寿命及び飽和濃度などが適用可能である。

ステップ１２では、添加流量＝添加流量×（１＋Ｘ）という補正式を用いて、尿素水溶液の添加流量を増量補正する。
このような排気浄化装置によれば、バブル発生装置３４が適宜作動することで、還元剤タンク２４に貯蔵される尿素水溶液にナノバブルが混入される。そして、噴射ノズル１８からナノバブルを内包する尿素水溶液が噴射供給されるときに、ナノバブルにより尿素水溶液の分裂が促進されると共に、噴射供給時の圧力変化及び温度変化によりナノバブルが急激に膨張破裂するので、尿素水溶液の微粒化を促進することができる。このため、微粒化された尿素水溶液の拡散及び気化が十分なされ、ＮＯｘ還元触媒２０に供給されるアンモニア濃度のむらが低減することから、尿素水溶液の有効利用を図りつつ、ＮＯｘ浄化効率を向上させることができる。また、尿素水溶液が微粒化されることで、これからアンモニアを生成する加水分解反応速度も向上させることができる。

このとき、尿素水溶液にナノバブルが混入して単位体積当たりの尿素水溶液の絶対量が減少することを考慮し、尿素水溶液の添加流量が増量補正される。このため、エンジン運転状態に応じた尿素水溶液の添加流量が適切に保持され、例えば、ＮＯｘ還元触媒２０に供給されるアンモニアが不足することで、所要のＮＯｘ浄化率を得られないなどの不具合を回避することができる。

図５は、バブル発生ＥＣＵ３６において、エンジン１０の始動を契機として第２の所定時間ごとに繰り返し実行されるバブル発生制御処理を示す。なお、バブル発生制御処理を実行するバブル発生ＥＣＵ３６がバブル発生制御手段に該当する。
ステップ２１では、図４に示すバブル混入割合推測マップを参照し、バブル発生装置３４の累積作動時間に応じたバブル混入割合Ｘを推測する。

ステップ２２では、バブル混入割合Ｘが所定値Ａより大であるか否かを判定する。ここで、所定値Ａは、単位体積当たりの尿素水溶液に混入するナノバブルの混入割合上限を規定する閾値であって、例えば、ナノバブルの物理的特性に応じて適宜設定される。そして、バブル混入割合Ｘが所定値Ａより大であればステップ２３へと進む一方（Ｙｅｓ）、バブル混入割合Ｘが所定値Ａ以下であれば処理を終了する（Ｎｏ）。

ステップ２３では、バブル発生装置３４を停止させる。
ステップ２４では、バブル発生装置３４を停止させてからの経過時間から、単位体積当たりの尿素水溶液に残存するナノバブルのバブル残存割合Ｙを推測する。即ち、図６に示す残存率推測マップを参照し、バブル発生装置３４を停止させてからの経過時間に応じた残存率を算出する。そして、バブル発生装置３４を停止させたときのバブル混入割合Ｘに残存率を乗算することで、バブル残存割合Ｙを推測する。

ステップ２５では、バブル残存割合Ｙが所定値Ｂ以下であるか否かを判定する。ここで、所定値Ｂは、単位体積当たりの尿素水溶液に混入するナノバブルの混入割合下限を規定する閾値であって、例えば、ナノバブルの物理的特性に応じて適宜設定される。そして、バブル残存割合Ｙが所定値Ｂ以下であればステップ２６へと進む一方（Ｙｅｓ）、バブル残存割合Ｙが所定値Ｂより大であればステップ２４へと戻る（Ｎｏ）。なお、所定値Ｂは、ナノバブルの混入割合上限を規定する所定値Ａと同一値をとるようにしてもよい。

ステップ２６では、バブル発生装置３４を作動させる。
このようにすると、還元剤タンク２４に貯蔵される尿素水溶液中のナノバブルのバブル混入割合が所定範囲に維持又は所定値に近づくように、バブル発生装置３４の作動及び停止が制御される。このため、バブル発生装置３４が常時作動していないことから、尿素水溶液にナノバブルを混入するために要するエネルギを軽減しつつ、過度なナノバブルの混入を抑制することができる。

なお、バブル発生装置３４を作動又は停止させる代わりに、その出力を増減させるようにしてもよい。また、図４に示すバブル混入割合推測マップを参照してバブル混入割合Ｘを推測する代わりに、単位体積当たりの尿素水溶液に混入したナノバブルの粒子数及び粒径を測定する微粒子測定器（パーティクルカウンタ）を用い、その出力からバブル混入割合Ｘを求めるようにしてもよい。具体的には、微粒子測定器により図７に示すような粒子数Ｎi及び粒径Ｄiが測定された場合、次式によりバブル混入割合Ｘを求めればよい。

図８は、液体還元剤の前駆体としての尿素水溶液を使用し、エンジンの排気に含まれるＮＯｘを還元浄化する排気浄化装置の第２実施形態を示す。なお、先の第１実施形態と同一構成について同一符号を付すことで、その説明を簡略又は省略する（以下同様）。
本実施形態においては、還元剤タンク２４と還元剤添加装置２８との間に、還元剤タンク２４よりも小さな容積を有するサブタンク３８が配設される。そして、バブル発生装置３４は、還元剤タンク２４内ではなく、サブタンク３８内に設置される。

このようにすれば、還元剤タンク２４より容積が小さいサブタンク３８で尿素水溶液にナノバブルを混入させることから、バブル発生装置３４の小型化及び消費エネルギの低減を図ることができる。なお、他の作用及び効果については、先の第１実施形態と同様であるので、その説明を参照されたい。
図９は、液体還元剤の前駆体としての尿素水溶液を使用し、エンジンの排気に含まれるＮＯｘを還元浄化する排気浄化装置の第３実施形態を示す。

本実施形態においては、バブル発生装置３４は、還元剤タンク２４内ではなく、噴射ノズル内に設置（内蔵）される。
このようにすれば、還元剤添加装置２８で流量が制御された尿素水溶液にナノバブルを混入させるだけでよく、尿素水溶液の添加流量を補正する必要がないことから、制御の簡略化を図ることができる。なお、本実施形態では、尿素水溶液は極短時間でバブル発生装置３４を通過してしまうため、バブル混入割合Ｘを所定範囲又は所定値に維持する必要はない。

尿素水溶液に混入させるバブルとしては、ナノバブルに限らず、マイクロナノバブルやマイクロバブル、即ち、ナノ〜マイクロサイズのバブルを採用することができる。また、バブル発生装置３４は、還元剤タンク２４から噴射ノズル１８までの還元剤供給系に配設すればよい。さらに、液体還元剤又はその前駆体としては、尿素水溶液に限らず、ＮＯｘ還元触媒２０における選択還元反応に応じて、アンモニアや炭化水素を主成分とするガソリン，軽油などを適用することができる。

排気浄化装置の第１実施形態を示す全体構成図尿素水溶液添加処理を示すメインルーチンのフローチャート添加流量補正処理を示すサブルーチンのフローチャートバブル混入割合推測マップの説明図バブル発生制御処理を示すフローチャートバブル残存率推測マップの説明図ナノバブルの粒子数及び粒径の測定結果の一例を示す説明図排気浄化装置の第２実施形態を示す全体構成図排気浄化装置の第３実施形態を示す全体構成図

符号の説明

１０エンジン
１４排気通路
１８噴射ノズル
２０ＮＯｘ還元触媒
２４還元剤タンク
２６還元剤添加ＥＣＵ
２８還元剤添加装置
３０温度センサ
３２エンジンＥＣＵ
３４バブル発生装置
３６バブル発生ＥＣＵ
３８サブタンク

Claims

エンジン排気通路に配設され、還元剤を用いて窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、
液体還元剤又はその前駆体を貯蔵する還元剤タンクと、
前記還元触媒の排気上流に液体還元剤又はその前駆体を噴射供給する噴射ノズルと、
前記還元剤タンクから噴射ノズルへと供給される液体還元剤又はその前駆体の流量を制御する流量制御弁と、
エンジン運転状態に応じた流量の液体還元剤又はその前駆体が噴射ノズルへと供給されるように、前記流量制御弁を制御する流量制御手段と、
前記還元剤タンク内に配設され、前記噴射ノズルから噴射供給される液体還元剤又はその前駆体にナノ〜マイクロサイズのバブルを混入させるバブル発生装置と、
前記バブル発生装置により単位体積当たりの液体還元剤又はその前駆体に混入されたバブルの混入割合を測定する混入割合測定手段と、
前記混入割合測定手段により測定されたバブルの混入割合に基づいて、エンジン運転状態に応じた液体還元剤又はその前駆体の流量を補正する流量補正手段と、
を含んで構成されたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
前記バブルの混入割合が所定範囲に維持又は所定値に近づくように、前記バブル発生装置を制御するバブル発生制御手段を更に備えた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。
前記混入割合測定手段は、前記バブル発生装置の累積作動時間に対応したバブルの混入割合が設定されたマップを参照して、該バブル発生装置の累積作動時間に応じたバブルの混入割合を間接的に測定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置。
単位体積当たりの液体還元剤又はその前駆体に混入されたバブルの粒子数及び粒径を測定する微粒子測定器を更に備え、
前記混入割合測定手段は、前記微粒子測定器により測定されたバブルの粒子数及び粒径からバブルの混入割合を間接的に測定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置。