JP6809391B2 - 噴射装置 - Google Patents

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Description

本発明は、噴射装置に関する。
トラックやバス等の車両に搭載されるディーゼルエンジンの排気ガス中のＮＯｘを浄化するための排気ガス浄化システムとして、尿素水等を還元剤として用いてＮＯｘを窒素と水に還元する選択触媒還元（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）システムが開発されている（例えば、特許文献１を参照）。
選択触媒還元システムは、尿素水タンクに貯留された尿素水を選択還元型触媒装置（ＳＣＲ）上流の排気管に供給し、排気ガスの熱で尿素を加水分解してアンモニアを生成し、このアンモニアによって選択還元型触媒装置内の触媒でＮＯｘを還元するものである。尿素水は、例えば排気通路に設けられた尿素水インジェクタによって適量が噴射される。
特開２０００−３０３８２６号公報
しかしながら、排気管に噴射された尿素水溶液が原因で以下のような不具合が生じる場合があった。すなわち、内燃機関の低負荷運転時など排気ガスの温度が低い場合（例えば、２００〜２５０℃）、尿素水溶液の噴射量が異常に多い場合、排気ガスの流量が少ないのに尿素水溶液の噴射が連続した場合などには、尿素水溶液の加水分解が不十分となる。この場合、尿素水インジェクタの噴口付近、尿素水溶液を排気ガス中に攪拌するために尿素水インジェクタとＳＣＲとの間に配置されるミキサーの表面、または、ＳＣＲの表面に、尿素水溶液が加水分解する際に生じるシアヌル酸などに代表される白色生成物が多く付着して堆積する。白色生成物が堆積すると、例えば排気管内が閉塞し、ＳＣＲの浄化性能が低下することにより、所望の排気ガス浄化処理が実施できないおそれがある。
従来技術では、白色生成物が堆積した場合には、内燃機関を停止した後に洗剤を用いて白色生成物の洗浄処理を行っていた。また、排気ガス中に燃料を供給して、燃料中の炭化水素をＤＯＣで酸化させ、排気ガスを４００〜５００℃程度に昇温させることにより白色生成物の熱分解処理を行っていた。しかしながら、上記処理は、あくまで白色生成物が堆積した後に行われる後処理であり、当該後処理を行わなくても済むように、白色生成物が堆積することを抑制する技術が望まれている。
本発明の目的は、白色生成物が堆積することを抑制して所望の排気ガス浄化処理を実施することが可能な噴射装置を提供することである。
本発明に係る噴射装置は、
内燃機関の排気通路を構成する排気管内に設けられた選択還元型触媒装置の上流側に設けられ、尿素水溶液またはジエチルアミン水溶液を噴射する噴射部と、
前記噴射部により噴射された前記尿素水溶液に由来する白色生成物が前記排気管内に堆積したか否かについて判定する判定部と、
前記判定部により前記白色生成物が堆積したと判定された場合、前記ジエチルアミン水溶液を噴射するように前記噴射部を制御する噴射制御部と、
を備える。
本発明によれば、白色生成物が堆積することを抑制して所望の排気ガス浄化処理を実施することができる。
本実施の形態における車両の構成を示す図である。 本実施の形態における噴射制御処理を示すフローチャートである。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態における車両１の構成を示す図である。図１に示すように、トラックやバス等の車両１には、内燃機関１０と、排気系２０と、制御部４０（具体的には、ＤＳＵ）とが搭載されている。排気系２０および制御部４０は、排気ガス浄化システムとして機能する。
まず、内燃機関１０の構成について説明する。内燃機関１０は、例えばディーゼルエンジンである。内燃機関１０の燃焼室１１において、燃料噴射インジェクタ１３は、燃焼室１１内に燃料を噴射する。なお、燃料噴射インジェクタ１３は、燃焼室１１の吸気ポートに燃料を噴射しても良い。燃料の噴射は、ＥＣＭ（図示せず）により制御される。また、燃焼室１１内の燃料は、ピストン１９の動作により圧縮されて燃焼する。
吸気バルブ１５および排気バルブ１７は、開閉可能に構成される。吸気バルブ１５が開くことで、吸気用配管５０からの新気が燃焼室１１に吸入される。また、排気バルブ１７が開くことで、燃焼室１１で燃料が燃焼して生じた排気ガスが排気系２０（具体的には、排気管２１）に送り出される。
次に、排気系２０の構成について説明する。排気系２０は、例えば車両１の下部に設けられ、主に金属製の排気管２１を有する。この排気管２１は、内燃機関１０において燃料の燃焼により生じた排気ガスを大気中（車外）に導く。
また、排気管２１の途中には、排気ガスを浄化（無害化）するために、様々な後処理装置が設けられている。本実施の形態では、後処理装置として、ＤＯＣ（酸化触媒）２３Ａと、ＤＰＦ２３Ｂと、ＳＣＲ２３Ｃ（本発明の「選択還元型触媒装置」に対応）と、ＡＳＣ２３Ｄとが設けられている。
ＤＯＣ２３Ａは、金属製の担持体に、ロジウム、酸化セリウム、白金、酸化アルミニウム等を担持して形成される。ＤＯＣ２３Ａは、排気ガスに含まれる炭化水素（ＨＣ）および一酸化炭素（ＣＯ）を分解除去する。また、ＤＯＣ２３Ａは、排気ガスに含まれるＮＯｘの大半を占める一酸化窒素（ＮＯ）を酸化して二酸化窒素（ＮＯ２）を生成する機能も有している。この機能を利用することで、ＳＣＲ２３ＣのＮＯｘ浄化効率を向上することが可能になる。
排気管２１において、ＤＯＣ２３Ａの上流側（具体的には、排気ガスの流れ方向における上流側）には、一時的に排気ガス中に燃料を供給して、燃料中の炭化水素（ＨＣ）をＤＯＣ２３Ａで酸化させ、その酸化反応熱を利用して排気ガスを昇温する燃料供給部２２（燃料供給インジェクタ）が配置されている。
ＤＰＦ２３Ｂは、多孔質セラミック製のハニカムのチャンネル（セル）の入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型のウオールフローフィルタから形成される。ＤＰＦ２３Ｂは、排気ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集除去する。
排気管２１において、ＤＰＦ２３Ｂよりも下流側（具体的には、排気ガスの流れ方向における下流側）であって、ＳＣＲ２３Ｃよりも上流側には、尿素水溶液またはジエチルアミン水溶液を選択的に噴射（具体的には、噴霧）するためのインジェクタ２４（本発明の「噴射部」に対応）が設けられている。
インジェクタ２４から噴射される尿素水溶液は、尿素水溶液タンク３０に貯留されている。また、インジェクタ２４から噴射されるジエチルアミン水溶液は、ジエチルアミン水溶液タンク３１に貯留されている。ジエチルアミン水溶液タンク３１に貯留されているジエチルアミン水溶液における水とジエチルアミンとの割合は、例えば４：１である。当該割合は、ジエチルアミン水溶液が後述する白色生成物に噴射された場合に、当該白色生成物をより好適に溶解して消失できるように実験等により求められた割合である。
尿素水溶液タンク３０およびジエチルアミン水溶液タンク３１は、バルブ２９を介してポンプ２８に接続されている。バルブ２９は、制御部４０の制御を受けて、尿素水溶液タンク３０とポンプ２８との間を連通させるか、または、ジエチルアミン水溶液タンク３１とポンプ２８との間を連通させるかを切り替える。
バルブ２９により尿素水溶液タンク３０とポンプ２８との間が連通している場合、ポンプ２８は、制御部４０の制御を受けて、尿素水溶液タンク３０から尿素水溶液を吸引し、インジェクタ２４に圧送する。インジェクタ２４に圧送される尿素水溶液には、圧縮空気が供給され、インジェクタ２４から噴射される。
一方、バルブ２９によりジエチルアミン水溶液タンク３１とポンプ２８との間が連通している場合、ポンプ２８は、制御部４０の制御を受けて、ジエチルアミン水溶液タンク３１からジエチルアミン水溶液を吸引し、インジェクタ２４に圧送する。インジェクタ２４に圧送されるジエチルアミン水溶液には、圧縮空気が供給され、インジェクタ２４から噴射される。
排気管２１において、インジェクタ２４よりも下流側には、インジェクタ２４から噴射された尿素水溶液を排気ガス中に攪拌して均等に拡散させるミキサー２５が設けられている。
排気管２１において、ＳＣＲ２３Ｃの入口近傍には温度センサ２６が設けられている。温度センサ２６は、尿素水溶液の噴射の制御等に用いられ、排気ガスの温度を検出し、当該温度を示す信号を制御部４０に出力する。
ＳＣＲ２３Ｃは、例えば円柱形状を有し、セラミックで作製されたハニカム担体を有する。ハニカム壁面には、例えばゼオライトやバナジウム等の触媒が担持またはコーティングされる。
上記のようなＳＣＲ２３Ｃは、排気管２１において、ＤＰＦ２３Ｂの下流側に配置される。また、排気管２１においてＤＰＦ２３ＢとＳＣＲ２３Ｃとの間には、還元剤としての尿素水溶液が、インジェクタ２４により噴射され、ＤＰＦ２３Ｂを通過した排気ガスに供給される。その結果、尿素水溶液がアンモニアに加水分解される。アンモニアを含む排気ガスがＳＣＲ２３Ｃ表層付近で、触媒の作用により窒素酸化物（いわゆるＮＯｘ）が窒素と水に反応する（還元反応）。これにより、排気ガス中の窒素酸化物が浄化される。
ここで、加水分解は、ＳＣＲ２３Ｃを通過する排気ガスの温度が所定温度（例えば、２００℃）以上で起こる。したがって、本実施の形態では、インジェクタ２４は、ＳＣＲ２３Ｃに流入する排気ガスの温度が２００℃以上の場合に、尿素水溶液を排気管２１内の排気ガスに供給する。尿素水溶液の噴射は制御部４０により制御される。なお、所定温度（２００℃）は、排気系２０の設計開発段階での実験・シミュレーション等により、アンモニアとＮＯｘとの反応温度等を考慮しつつ適宜適切に定められる。
ＡＳＣ２３Ｄ（アンモニアスリップ触媒）は、後段酸化触媒であって、ＤＯＣ２３Ａと同様の構成を有しており、排気管２１においてＳＣＲ２３Ｃの直ぐ下流に配置される。ＡＳＣ２３Ｄは、主として、ＳＣＲ２３Ｃにおいて還元反応に使用されずにスリップしてきたアンモニアが大気中に放出されないように、スリップしてきたアンモニアを酸化し除去する。それ以外にも、ＡＳＣ２３Ｄは、ＳＣＲ２３Ｃと同様の機能を有する場合もある。
排気管２１において、ＡＳＣ２３Ｄの下流側には濃度センサ２７が設けられている。この濃度センサ２７は、ＡＳＣ２３Ｄを通過した排気ガスに含まれるＮＯｘの濃度を検出し、当該濃度を示す信号を制御部４０に出力する。
以上の各後処理装置で排気ガスを処理して生成される水、窒素、二酸化炭素は、マフラー（図示せず）等を介して、大気中に排出される。
ところで、内燃機関１０の低負荷運転時など排気ガスの温度が低い場合、尿素水溶液の噴射量が異常に多い場合、排気ガスの流量が少ないのに尿素水溶液の噴射が連続した場合などには、尿素水溶液の加水分解が不十分となる。この場合、インジェクタ２４の噴口付近、ミキサー２５の表面、ＳＣＲ２３Ｃの表面に、尿素水溶液が加水分解する際に生じる白色生成物（ビュウレット、シアヌル酸、アンメリン、アンメリド、メラミン）が多く付着して堆積する。白色生成物が堆積すると、例えば排気管２１内が閉塞し、ＳＣＲ２３Ｃの浄化性能が低下し、所望の排気ガス浄化処理が実施できないおそれがある。
そこで、本実施の形態では、制御部４０は、インジェクタ２４により噴射された尿素水溶液に由来する白色生成物が排気管２１内に堆積したか否かについて判定し、白色生成物が堆積したと判定した場合、ジエチルアミン水溶液を噴射するように制御を行う。噴射されたジエチルアミン水溶液は、インジェクタ２４の噴口付近、ミキサー２５の表面、ＳＣＲ２３Ｃの表面に堆積している白色生成物を溶解し消失させる。その結果、白色生成物が堆積することを抑制して所望の排気ガス浄化処理を実施することができる。
制御部４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、制御プログラムを格納したＲＯＭ（Read Only Memory）、および、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の作業用メモリ等を備える。ＣＰＵは、ＲＯＭから制御プログラムを読み出してＲＡＭに展開し、展開した制御プログラムと協働して各種処理の実行を制御する。
図１に示すように、制御部４０は、温度取得部４１、濃度取得部４２、判定部４３および噴射制御部４４を備える。
温度取得部４１は、温度センサ２６から出力された信号を入力し、排気管２１を通過する排気ガスの温度を取得する。
濃度取得部４２は、濃度センサ２７から出力された信号を入力し、排気管２１を通過する排気ガスに含まれるＮＯｘの濃度を取得する。
判定部４３は、インジェクタ２４により噴射された尿素水溶液に由来する白色生成物が排気管２１内に堆積したか否かについて判定する。本実施の形態では、判定部４３は、濃度取得部４２により取得された濃度が所定濃度以上である場合、白色生成物が排気管２１内に堆積したと判定する一方、濃度取得部４２により取得された濃度が所定濃度未満である場合、白色生成物が排気管２１内に堆積していないと判定する。ここで、濃度取得部４２により取得された濃度が所定濃度以上である場合とは、インジェクタ２４の噴口付近、ミキサー２５の表面、ＳＣＲ２３Ｃの表面にある程度の量の白色生成物が堆積し、ＳＣＲ２３Ｃの浄化性能が低下しているため、ＳＣＲ２３Ｃの下流側のＮＯｘの濃度が、ＳＣＲ２３Ｃの浄化性能の低下分だけ通常よりも高い濃度となっている場合である。
噴射制御部４４は、判定部４３により白色生成物が排気管２１内に堆積したと判定された場合、特にミキサー２５の表面に向けて、ジエチルアミン水溶液を噴射するようにインジェクタ２４、ポンプ２８およびバルブ２９を制御する。
次に、図２のフローチャートを参照し、本実施の形態における制御部４０の噴射制御処理例について説明する。図２の噴射制御処理は、内燃機関１０が稼働している間、所定時間が経過する毎に実行される。
まず、濃度取得部４２は、濃度センサ２７から出力された信号を入力し、排気管２１を通過する排気ガスに含まれるＮＯｘの濃度を取得する（ステップＳ１００）。次に、判定部４３は、濃度取得部４２により取得された濃度が所定濃度以上であるか否かについて判定する（ステップＳ１２０）。
判定の結果、濃度取得部４２により取得された濃度が所定濃度以上である場合（ステップＳ１２０、ＹＥＳ）、判定部４３は、インジェクタ２４により噴射された尿素水溶液に由来する白色生成物が排気管２１内に堆積したと判定する。そして、噴射制御部４４は、ジエチルアミン水溶液を噴射するようにインジェクタ２４、ポンプ２８およびバルブ２９を制御する（ステップＳ１４０）。ステップＳ１４０の処理が完了することによって、制御部４０は、図２における処理を終了する。
一方、濃度取得部４２により取得された濃度が所定濃度以上でない場合（ステップＳ１２０、ＮＯ）、温度取得部４１は、温度センサ２６から出力された信号を入力し、排気管２１を通過する排気ガスの温度を取得する（ステップＳ１６０）。次に、判定部４３は、温度取得部４１により取得された温度が所定温度以上であるか否かについて判定する（ステップＳ１８０）。ここで、所定温度は、インジェクタ２４から噴射された尿素水溶液がアンモニアに加水分解される温度（本実施の形態では２００℃）である。
判定の結果、温度取得部４１により取得された温度が所定温度以上でない場合（ステップＳ１８０、ＮＯ）、制御部４０は、図２における処理を終了する。一方、温度取得部４１により取得された温度が所定温度以上である場合（ステップＳ１８０、ＹＥＳ）、噴射制御部４４は、尿素水溶液を噴射するようにインジェクタ２４、ポンプ２８およびバルブ２９を制御する。ステップＳ２００の処理が完了することによって、制御部４０は、図２における処理を終了する。
以上詳しく説明したように、本実施の形態では、噴射装置は、内燃機関１０の排気通路を構成する排気管２１内に設けられた選択還元型触媒装置（ＳＣＲ２３Ｃ）の上流側に設けられ、尿素水溶液またはジエチルアミン水溶液を噴射する噴射部（インジェクタ２４）と、噴射部により噴射された尿素水溶液に由来する白色生成物が排気管２１内に堆積したか否かについて判定する判定部４３と、判定部４３により白色生成物が堆積したと判定された場合、ジエチルアミン水溶液を噴射するように噴射部を制御する噴射制御部４４とを備える。
このように構成した本実施の形態によれば、制御部４０は、インジェクタ２４により噴射された尿素水溶液に由来する白色生成物が堆積したと判定した場合、ジエチルアミン水溶液を噴射される。これにより、噴射されたジエチルアミン水溶液は、インジェクタ２４の噴口付近、ミキサー２５の表面、ＳＣＲ２３Ｃの表面に堆積している白色生成物を溶解し消失させる。その結果、白色生成物が堆積することを抑制して所望の排気ガス浄化処理を実施することができる。
なお、上記実施の形態において、排気管２１内におけるＳＣＲ２３Ｃの下流側を通過する排気ガスのＮＯｘ濃度が所定濃度以上である場合、白色生成物が堆積したと判定する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、内燃機関１０の低負荷運転時など排気ガスの温度が低い場合、尿素水溶液の噴射量が異常に多い場合、排気ガスの流量が少ないのに尿素水溶液の噴射が連続した場合などの条件を満たす場合に、白色生成物が堆積したと判定しても良い。
また、上記実施の形態では、インジェクタ２４が尿素水溶液またはジエチルアミン水溶液を選択的に噴射する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、尿素水溶液を噴射するインジェクタと、ジエチルアミン水溶液を噴射するインジェクタとを分けて設けても良い。
また、上記実施の形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
本発明は、白色生成物が堆積することを抑制して所望の排気ガス浄化処理を実施することが可能な噴射装置として有用である。
１ 車両
１０ 内燃機関
１１ 燃焼室
１３ 燃料噴射インジェクタ
１５ 吸気バルブ
１７ 排気バルブ
１９ ピストン
２０ 排気系
２１ 排気管
２２ 燃料供給部
２３Ａ ＤＯＣ
２３Ｂ ＤＰＦ
２３Ｃ ＳＣＲ
２３Ｄ ＡＳＣ
２４ インジェクタ
２５ ミキサー
２６ 温度センサ
２７ 濃度センサ
２８ ポンプ
２９ バルブ
３０ 尿素水溶液タンク
３１ ジエチルアミン水溶液タンク
４０ 制御部
４１ 温度取得部
４２ 濃度取得部
４３ 判定部
４４ 噴射制御部
５０ 吸気用配管

Claims (3)

  1. 内燃機関の排気通路を構成する排気管内に設けられた選択還元型触媒装置の上流側に設けられ、尿素水溶液またはジエチルアミン水溶液を噴射する噴射部と、
    前記噴射部により噴射された前記尿素水溶液に由来する白色生成物が前記排気管内に堆積したか否かについて判定する判定部と、
    前記判定部により前記白色生成物が堆積したと判定された場合、前記ジエチルアミン水溶液を噴射するように前記噴射部を制御する噴射制御部と、
    を備える噴射装置。
  2. 前記判定部は、前記排気管内における前記選択還元型触媒装置の下流側を通過する排気ガスのＮＯｘ濃度が所定濃度以上である場合、前記白色生成物が堆積したと判定する、
    請求項１に記載の噴射装置。
  3. 前記噴射制御部は、前記判定部により前記白色生成物が堆積していないと判定された場合、前記排気ガスの温度が所定温度以上であるとき、前記尿素水溶液を噴射するように前記噴射部を制御する、
    請求項２に記載の噴射装置。
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