WO2005073528A1

WO2005073528A1 - エンジンの排気浄化装置

Info

Publication number: WO2005073528A1
Application number: PCT/JP2005/001530
Authority: WO
Inventors: Kiminobu Hirata; Nobuhiko Masaki; Hisashi Akagawa; Kouji Masuda; Yuji Yajima
Original assignee: Nissan Diesel Motor Co., Ltd.
Priority date: 2004-02-02
Filing date: 2005-02-02
Publication date: 2005-08-11

Abstract

　エンジン排気管に配設され、液体還元剤により窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、その排気上流に液体還元剤を噴射供給する噴射ノズルと、を含んで構成されるエンジンの排気浄化装置において、噴射ノズルから噴射供給された液体還元剤が付着する部位を少なくとも含む排気管の周囲に配設されたヒータにより、排気管温度を液体還元剤の溶質の融点以上に加熱して、排気管に析出した溶質を融解させる。また、噴射ノズルの排気上流又は排気下流からその噴孔近傍に向けて圧縮エアを噴射することで、液体還元剤の拡散を促進させる。さらに、エンジンの排気流量に基づいて、噴射ノズルの噴孔近傍における排気管の流路開口率を変化させることで、噴射ノズル噴孔近傍の排気流速を高速に保ち、排気に対する液体還元剤の拡散及び混合を促進させる。

Description

明細書

エンジンの排気浄ィ匕装置

技術分野

[0001] 本発明は、液体還元剤を用いて、排気中の窒素酸化物 (NOx)を還元浄化するェンジンの排気浄ィ匕装置 (以下「排気浄ィ匕装置」という）において、特に、排気管に液体還元剤の溶質が析出することを抑制する技術に関する。

背景技術

[0002] エンジンの排気に含まれる NOxを浄化する排気浄化システムとして、特開 2000— 2 7627号公報 (特許文献 1)に開示された排気浄化装置が提案されている。

[0003] 力かる排気浄ィ匕装置は、エンジンの排気管に配設された還元触媒の排気上流に、エンジン運転状態に応じた液体還元剤を噴射ノズルから噴射供給することで、排気中の NOxと液体還元剤とを触媒還元反応させて、 NOxを無害成分に浄化処理するものである。ここで、液体還元剤としては、加水分解によりアンモニアを発生する尿素水溶液、アンモニア水溶液、炭化水素を主成分とする軽油，ガソリンなどが用いられる。

特許文献 1：特開 2000-27627号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] ところで、噴射ノズルから噴射供給された液体還元剤の一部は、排気管の内壁に付着することが知られている。排気管は排気熱により高温となっているため、その内壁に付着した液体還元剤から溶媒が蒸発し、溶質が析出されてしまうことがある。ェンジン負荷が高ければ、排気温度の上昇に伴って排気管温度が溶質の融点以上となり、析出された溶質が溶解して除去される。しかし、エンジン負荷が低い状態が長時間連続すると、排気管温度が溶質の融点以上まで昇温せず、溶質の堆積量が徐々に増カロしてしまう。溶質の堆積量が多くなると排気抵抗が増加することから、排気圧力の上昇に起因する燃費及び出力低下を来してしまうおそれがあった。

[0005] そこで、本発明は以上のような従来技術の問題点に鑑み、液体還元剤の溶質が析出する可能性がある排気管をヒータにより溶質の融点以上に適宜加熱し、又は、噴射ノズル近傍に圧縮エアを噴射し若しくは噴射ノズルの噴孔周辺における排気流速を増大させて液体還元剤の分散を促進することで、液体還元剤の溶質が析出することを抑制した排気浄ィ匕装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0006] このため、第 1の発明に係る排気浄化装置は、エンジン排気管に配設され、液体還元剤により窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、還元触媒の排気上流に液体還元剤を噴射供給する噴射ノズルと、噴射ノズルから噴射供給された液体還元剤が付着する部位を少なくとも含む排気管の周囲に配設されたヒータと、ヒータの作動を制御する作動制御装置と、を含んで構成されたことを特徴とする。

[0007] 第 2の発明に係る排気浄化装置は、エンジン排気管に配設され、液体還元剤により窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、還元触媒の排気上流に液体還元剤を噴射供給する噴射ノズルと、噴射ノズルの少なくとも噴孔近傍に圧縮エアを噴射するエア噴射装置と、を含んで構成されたことを特徴とする。

[0008] 第 3の発明に係る排気浄化装置は、エンジン排気管に配設され、液体還元剤により窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、還元触媒の排気上流に位置する排気管の周壁に開口した噴孔力排気管の内方に向けて液体還元剤を噴射供給する噴射ノズルと、噴射ノズルの噴孔近傍における排気管の流路開口率を変化させる絞り弁と、絞り弁を駆動するァクチユエータと、エンジンの排気流量を検出する流量検出装置と、流量検出装置により検出された排気流量に基づいて、ァクチユエータを介して絞り弁による流路開口率を制御する開口率制御装置と、を含んで構成されたことを特徴とする。

発明の効果

[0009] 第 1の発明に係る排気浄化装置によれば、還元触媒の排気上流に噴射供給された液体還元剤の一部が排気管内壁に付着し、排気熱によりその溶媒が蒸発して溶質が析出されたとしても、液体還元剤が付着する部位を含む排気管の周囲に配設されたヒータを作動させることで、析出した溶質を加熱して溶解することができる。このため、ヒータの作動を適切に制御することで、排気管に液体還元剤の溶質が析出することが抑制され、排気抵抗の増加を起因とする燃費及び出力低下を確実に防止することができる。

[0010] ここで、排気管温度が液体還元剤の溶質の融点以上となるように、ヒータの作動を制御するようにすれば、排気管温度が尿素の融点以上であるときにはヒータが作動せず、不必要なエネルギが消費されることを防止できる。また、エンジンがアイドル状態である場合に限ってヒータを作動させるようにすれば、排気によってヒータ力も奪われる熱量が少なくなり、析出した溶質を効率的に溶解除去することができる。さらに、エンジンが暖気中又は各種補機が稼動中であるときにはヒータの作動を禁止するようにすれば、オルタネータの負荷変動に伴ってエンジン運転が不安定となることを防止することができる。

[0011] また、エンジンが停止したとき排気管温度が液体還元剤の溶質の融点未満であれば、ヒータを所定時間作動させることで、排気管に溶質が析出したとしても、これを溶解除去することができる。このため、エンジンを再始動したときには、排気抵抗の増加が問題となる溶質の析出がなぐエンジン始動直後から、燃費及び出力低下を確実に防止することができる。さらに、排気管に液体還元剤の溶質が析出した力否かを、例えば、ヒータが配設された部位を挟む排気管内の差圧力判定し、必要に応じてヒータを作動させるようにしてもよい。このようにすれば、排気管内に液体還元剤の溶質が析出したときのみヒータが作動するので、不必要なエネルギ消費を防止することができる。

[0012] その他、ヒータの周囲に断熱材を配設することで、ヒータで発生した熱が排気管の外方へと拡散されることが抑制され、効率的に排気管を加熱することができる。このため、必要最小限のエネルギを用いて、排気管を液体還元剤の溶質の融点以上まで加熱することが可能となり、車載バッテリの消耗などを抑制することができる。

[0013] 第 2の発明に係る排気浄ィ匕装置によれば、噴射ノズルの少なくとも噴孔近傍に圧縮エアが噴射されるので、噴射ノズルから噴射供給された液体還元剤は、圧縮エアにより拡散が促進され、噴孔及びその排気下流に位置する排気管の内壁に溶質が析出することを抑制することができる。そして、溶質の析出が抑制されることから、噴射ノズルカエンジン運転状態に応じた液体還元剤の噴射供給が可能となり、排気中の NOxを適正に還元浄化することができる。

[0014] ここで、圧縮エアを円錐状に噴射するようにすれば、排気管の横断面全体に亘つて圧縮エアが拡散することとなり、排気に対する液体還元剤の混合を促進することができる。また、圧縮エアは、噴射ノズルの排気上流又は排気下流からその噴孔近傍に向けて噴射するようにすれば、噴射ノズルから噴射供給された液体還元剤を拡散させることが可能となり、噴射ノズルやその下流に位置する排気管に溶質が析出することを抑制することができる。そして、特に、噴射ノズルの排気下流力も圧縮エアを噴射すれば、噴射ノズルから噴射供給された液体還元剤は、排気流に逆らって上流側に一旦戻されるので、還元触媒に到達するまでの時間が長くなり、拡散混合を促進することがでさる。

[0015] さらに、エア噴射装置を、圧縮エアを貯蔵するエアリザーバと、エアリザーバから延びるエア配管のエア流路を開閉する開閉弁と、開閉弁を通過した圧縮エアを排気管内に噴射するエアノズルと、を含んで構成することで、圧縮エアの噴射機構を簡素にすることができる。また、排気温度が所定温度以下かつ排気流量が所定値以下のときに、開閉弁を開弁させることで、圧縮エアの噴射制御を容易に行うことができる。このとき、排気流量は、エンジン回転速度から間接的に検出することが望ましい。

[0016] 第 3の発明に係る排気浄ィ匕装置によれば、噴射ノズルの噴孔近傍における排気管の流路開口率力排気流量に応じて増減変化されるため、排気流量が少ないときには排気流速が増加し、噴射ノズルから噴射供給される液体還元剤の良好な分散を得ることができる。このため、液体還元剤が排気管の内壁に付着する量が激減し、排気管にその溶質が析出されることを抑制することができる。また、液体還元剤の分散向上を通して、加速及び減速時の過渡応答性の向上や、液体還元剤の利用効率を向上させることちでさる。

[0017] ここで、排気流量と流路開口率との相関に対応した制御内容をァクチユエ一タに出力することで、絞り弁による排気管の流路開口率を変化させることができる。また、絞り弁としてバタフライ弁を用いることで、これを回動させてその開口率を容易に変化させることができる。さらに、噴射ノズルから噴射供給される液体還元剤が衝突する位置にバタフライ弁を配設することで、排気熱により加熱したバタフライ弁で液体還元剤の気化及び拡散を促進させることができる。

[0018] また、バタフライ弁に、排気管の流路開口率を絞ったときに噴射ノズルの噴孔に近接する部位の縁部にスリットを形成し、又は、その弁体の板面に貫通孔を散点状に形成することで、スリット又は貫通孔により排気に乱流が発生するので、噴射ノズルから噴射供給された液体還元剤の分散を一層促進させることができる。

図面の簡単な説明

[0019] [図 1]図 1は、第 1の発明を具現化した排気浄化装置の構成図である。

[図 2]図 2は、噴射ノズル近傍の部分拡大図である。

[図 3]図 3は、電熱ヒータの制御内容を示すフローチャートである。

[図 4]図 4は、第 2の発明を具現化した排気浄化装置の構成図である。

[図 5]図 5は、開閉弁の制御内容を示すフローチャートである。

[図 6]図 6は、エア噴射装置の他の構成を示す部分拡大図である。

[図 7]図 7は、第 3の発明を具現化した排気浄化装置の構成図である。

[図 8]図 8は、同上の要部を拡大した断面図である。

[図 9]図 9は、バタフライ弁の詳細図である。

[図 10]図 10は、ァクチユエータの制御内容を示すフローチャートである。

[図 11]図 11は、制御マップの説明図である。

[図 12]図 12は、バタフライ弁の他の実施形態を示す詳細図である。

[図 13]図 13は、バタフライ弁の更に他の実施形態を示す詳細図である。

符号の説明

[0020] 10 エンジン

14 NOx還元触媒

16 排気管

22 噴射ノズル

28 電熱ヒータ

30 断熱材

32 回転速度センサ

34 負荷センサ 36 温度センサ

38 差圧センサ

40 補機スィッチ

42 水温センサ

44 ： πン卜ローノレュ-ッ卜

46 エア噴射装置

48 エアリザーノ

50 エア配管

52 開閉弁

54 エアノズル

58 排気温度センサ

60 バタフライ弁

60A 弁体

60C スリット

60D 貫通孔

62 ァクチユエータ

64 吸気温度センサ

発明を実施するための最良の形態

[0021] 以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。

[0022] 図 1は、第 1の発明を具現化した排気浄化装置の構成を示す。

[0023] エンジン 10の排気は、排気マ-フォールド 12から、 NOx還元触媒 14が配設された排気管 16を通過して大気中に排出される。 NOx還元触媒 14の排気上流には、還元剤供給装置 18から配管 20及び噴射ノズル 22を介して、エンジン運転状態に応じた液体還元剤としての尿素水溶液が圧縮エアと共に噴射供給される。即ち、 NOx還元触媒 14の排気上流に位置する排気管 16には、図 2に示すように、その周壁に開口した開口部 16Aを塞ぐように、噴射ノズル 22が結合されたフランジ 24がボルト 26により着脱可能に締結される。そして、還元剤供給装置 18と噴射ノズル 22とは、配管 20により連通接続される。 [0024] また、噴射ノズル 22の排気下流であって、噴射ノズル 22から噴射供給された尿素水溶液が付着する部位を少なくとも含む排気管 16の周囲には、その温度を少なくとも尿素の融点（132°C)以上に加熱可能な電熱ヒータ 28と、電熱ヒータ 28で発生した熱が外部に拡散されることを抑制する断熱材 30と、力 Sこの順序で配設される。

[0025] そして、還元剤供給装置 18及び電熱ヒータ 28の制御系として、エンジン 10の回転速度 Ne及び負荷 Qを夫々検出する回転速度センサ 32及び負荷センサ 34、電熱ヒータ 28が配設された部位の排気管温度 Teを検出する温度センサ 36 (温度検出装置)、電熱ヒータ 28が配設された部位を挟む排気管 16内の差圧 Δ ρを検出する差圧センサ 38 (差圧検出装置)、各種補機が稼動中のときに ON信号を出力する補機スィツチ 40、並びに、冷却水温度 Twを検出する水温センサ 42が夫々設けられる。ここで、エンジン 10の負荷 Qとしては、燃料噴射量，アクセルペダル開度，スロットル弁開度 ,吸気流量，吸気負圧などが利用可能である。回転速度センサ 32,負荷センサ 34, 温度センサ 36,差圧センサ 38,補機スィッチ 40及び水温センサ 42の各出力信号は、コンピュータを内蔵したコントロールユニット 44に入力され、その ROM (Read Only Memory)に記憶された制御プログラムによって、還元剤供給装置 18及び電熱ヒータ 28が夫々制御される。なお、温度センサ 36は、排気管温度 Teを直接検出する構成に代えて、排気温度から排気管温度 Teを間接的に検出する構成としてもよい。

[0026] ここで、回転速度センサ 32,負荷センサ 34,補機スィッチ 40及び水温センサ 42の少なくとも 1つ力運転状態検出装置が構成される。また、制御プログラムを実行するコントロールユニット 44により、作動制御装置が実現される。

[0027] 次に、電熱ヒータ 28の作動を制御すベぐコントロールユニット 44において、ェンジン 10の始動後繰り返し実行される制御プログラムについて、図 3を参照しつつ説明する。

[0028] ステップ 1 (図では「S1」と略記する。以下同様)では、差圧センサ 38により検出された差圧 Δ ρに基づいて、排気管 16の内壁に尿素が析出した力否かを判定する。即ち、排気管 16の内壁に尿素がある程度析出すると、排気流路面積力、さくなることから圧力損失が発生し、その前後の圧力差が大きくなる特性がある。このため、差圧 Δ ρ が所定値 Ρ以上である力否かを介して、尿素の析出を間接的に検出することができる。そして、尿素が析出したならばステップ 2へと進む一方 (Yes)、尿素が析出していなければ待機する (No)。

[0029] ステップ 2では、回転速度センサ 32により検出された回転速度 Neに基づいて、ェンジン 10が稼動中である力否力換言すると、エンジン 10が停止した力否かを判定する。そして、エンジン 10が稼動中であればステップ 3へと進む一方 (Yes)、エンジン 1 0が稼動中でなければ停止したと判断してステップ 8へと進む (No)。

[0030] ステップ 3では、回転速度センサ 32及び負荷センサ 34により夫々検出された回転速度 Ne及び負荷 Qに基づいて、エンジン 10がアイドル状態にある力否かを判定する。即ち、回転速度 Neが略アイドル回転速度であり、かつ、負荷 Qが所定値 Q以下で

0 あれば、エンジン 10はアイドル状態であると判定することができる。ここで、吸気系にスロットル弁を備えるものでは、スロットル開度センサ又はアイドルスィッチなどカもァィドル状態にある力否かを判定するようにしてもよい。そして、エンジン 10がアイドル状態であればステップ 4へと進む一方 (Yes)、アイドル状態でなければステップ 1へと戻る（No)。

[0031] ステップ 4では、水温センサ 42により検出された冷却水温度 Twに基づいて、ェンジン 10の暖機が完了した力否か、換言すると、暖機中であるか否かを判定する。そして、暖機が完了していればステップ 5へと進む一方 (Yes)、暖機中であればステップ 1 へと戻る（No)。

[0032] ステップ 5では、補機スィッチ 40からの ONZOFF信号に基づいて、各種補機が稼動中であるか否かを判定する。そして、各種補機が稼動していなければステップ 6へと進む一方 (Yes)、各種補機が稼動して!/、ればステップ 1へと戻る（No)。

[0033] ステップ 6では、温度センサ 36により検出された排気管温度 Teが所定値 T未満で

0 ある力否かを判定する。ここで、所定値 Tは、排気管 16の内壁に析出した尿素が溶

0

解する温度、具体的には、尿素の融点以上に設定する。そして、排気管温度 Teが所定値 T未満であればステップ 7へと進み (Yes)、析出した尿素を融点以上に加熱し

0

て溶解除去すベぐ電熱ヒータ 28を所定時間作動させる。一方、排気管温度 Teが所定値 T以上であれば、尿素が自然に溶解除去されるので、不必要な電力消費を防

0

止すベぐ電熱ヒータ 28を作動させずにステップ 1へと戻る（No)。 [0034] ステップ 8では、エンジン 10を停止した後の処理が行われる。即ち、温度センサ 36 により検出された排気管温度 Teが所定値 T未満であるか否か、換言すると、排気管

0

16の内壁に析出した尿素が自然溶解する力否かを判定する。そして、排気管温度 T eが所定値 T未満であればステップ 9へと進み (Yes)、析出した尿素を融点以上に

0

加熱して溶解除去すベぐ電熱ヒータ 28を所定時間作動させる。一方、排気管温度 Teが所定値 T以上であれば、尿素が自然に溶解除去されるので、不必要な電力消

0

費を防止すベぐ電熱ヒータ 28を作動させずに処理を終了する (No)。

[0035] ここで、力かる構成力もなる排気浄ィ匕装置の作用につ、て説明する。

[0036] エンジン 10の排気は、排気マ-フォールド 12及び排気管 16を通って、 NOx還元触媒 14へと導入される。また、噴射ノズル 22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てアンモニアとなり、排気流に乗つて N Ox還元触媒 14へと導入される。そして、 NOx還元触媒 14では、アンモニアを用いた還元反応により、排気中の NOxが水 (H O)及び無害なガス (N )に転ィ匕されて浄

2 2

化される。

[0037] ところで、噴射ノズル 22から噴射供給された尿素水溶液は、その全量が加水分解してアンモニアになるとは限らず、その一部が排気管 16の内壁に付着してしまう。排気温度が高く排気管温度 Teが尿素の融点以上であれば、排気管 16の内壁に付着した尿素水溶液の水分が蒸発して尿素が析出されたとしても、尿素が自然に溶解除去されるため問題とはならない。しかし、排気管温度 Teが尿素の融点未満であれば、排気管 16の内壁に析出した尿素が融解除去されず、この状態が長時間連続すると、尿素の堆積量が徐々に増力!]してしまう。このため、尿素析出部位を挟む排気管 1 6の差圧 Δ ρが所定値 p以上となれば、尿素が析出したと判定することができる。

0

[0038] そして、尿素が析出したときであって、排気管温度 Teが所定値 Τ未満であれば、

0

尿素水溶液が付着する部位を少なくとも含む排気管 16の周囲に配設された電熱ヒータ 28を所定時間作動させることで、析出した尿素を融点以上に加熱し、尿素を融解除去することができる。また、エンジン 10がアイドル状態である場合に限って、電熱ヒータ 28を作動させるため、流速が比較的速い排気によって電熱ヒータ 28から奪われる熱量が少なくなり、析出した尿素を効率的に除去することができる。さらに、ェンジン 10が暖機中又は各種補機が稼動中には、エンジン運転が不安定となりがちであるので、電熱ヒータ 28の作動を禁止し、オルタネータ（交流発電機）の負荷変動に伴つてエンジン運転が不安定となることを防止して、る。

[0039] このため、エンジン 10の稼動中においては、その運転が不安定となることがない限り、尿素析出に伴って電熱ヒータ 28が作動して尿素が溶解除去されるので、排気管 16に尿素が析出することが抑制され、排気抵抗の増加を起因とする燃費及び出力低下を確実に防止することができる。

[0040] 一方、尿素が析出した状態でエンジン 10を停止したときには、排気管温度 Teが尿素の融点未満であれば、排気管 16の内壁に析出した尿素は溶解せずにそのままとなってしまう。このため、排気管温度 Teが尿素の融点未満であれば、電熱ヒータ 28を所定時間作動させることで、析出した尿素を融点以上に加熱して溶解除去することができる。よって、エンジン 10を再始動したときには、排気抵抗の増加が問題となる尿素の析出がなぐエンジン始動直後から、燃費及び出力低下を確実に防止することがでさる。

[0041] このとき、電熱ヒータ 28の周囲に断熱材 30が配設されているので、電熱ヒータ 28で発生した熱力 S排気管 16の外部に拡散されることが抑制され、効率的に排気管 16を加熱することができる。このため、必要最小限のエネルギを用いて、排気管温度 Teを尿素の融点以上まで加熱することが可能となり、車載バッテリの消耗などを抑制することができる。

[0042] 図 4は、第 2の発明を具現化した排気浄化装置の構成を示す。なお、第 1の発明に係る排気浄ィ匕装置と同一構成については同一符号を付し、その説明は省略するものとする (以下同様)。

[0043] 噴射ノズル 22の排気上流には、噴射ノズル 22の少なくとも噴孔近傍に圧縮エアを噴射するエア噴射装置 46が設けられる。エア噴射装置 46は、圧縮エアを貯蔵するエアリザーノ 48と、エアリザーノ 48から延びるエア流路を形成するエア配管 50と、エア配管 50に介装される常閉式の電磁開閉弁 (以下「開閉弁」という） 52と、エア配管 50の先端部に接続されるエアノズル 54と、を含んで構成される。エアノズル 54は、噴射ノズル 22の排気上流力もその噴孔近傍に向けて圧縮エアを噴射するように、排気管 16の周壁にフランジ 56を介して着脱可能に締結される。ここで、エアノズル 54 は、同図に示すように、圧縮エアを円錐状に噴射できるように構成されている。

[0044] また、開閉弁 52の制御系として、 NOx還元触媒 14の排気上流、具体的には、噴射ノズル 22と NOx還元触媒 14との間に位置する排気管 16には、排気温度 Tgを検出する排気温度センサ 58 (排気温度検出装置）が設けられる。そして、回転速度センサ 32及び排気温度センサ 58の各出力信号は、コントロールユニット 44に入力され、その ROMに記憶された制御プログラムによって、開閉弁 52が制御される。

[0045] 次に、コントロールユニット 44において、エンジン 10の始動後繰り返し実行される制御プログラムについて、図 5を参照しつつ説明する。なお、制御プログラムを実行するコントロールユニット 44により、開閉弁制御装置が実現される。

[0046] ステップ 11では、排気温度センサ 58により検出された排気温度 Tgが所定値 T以

1 下であるか否かを判定する。ここで、所定値 Tは、噴射ノズル 22及びその排気下流

1

に位置する排気管 16の内壁に尿素が析出する可能性がある力否かを判定するための閾値であって、尿素の融点（132°C)以上の温度、例えば、 175°C程度に設定される。そして、排気温度 Tgが所定値 T以下であればステップ 12へと進む一方 (Yes)、排気温度 Tgが所定値 Tより高ければステップ 14へと進む (No)。

[0047] ステップ 12では、回転速度センサ 32により検出された回転速度 Neが所定値 N以

0 下であるか否かを判定する。ここで、所定値 Nは、エンジン 10の排気流量が少ない

0

状態であるか否かを間接的に判定するための閾値であって、エンジン 10の排気量，排気管 16の横断面積など力も適宜設定される。即ち、ステップ 12では、エンジン 10 の排気流量を回転速度 Neから間接的に検出し、その検出値が所定値 N以下である

0 か否かを介して、排気流量が少ない状態である力否かを判定している。そして、回転速度 Neが所定値 N以下であればステップ 13へと進む一方 (Yes)、回転速度 Neが

0

所定値 Nより高ければステップ 14へと進む (No)。なお、排気流量を、例えば、排気

0

管 16に配設された流量センサ力直接検出し、その検出値が所定流量以下であるか否かに応じて、分岐処理を行うようにしてもよい。また、回転速度センサ 32が回転速度検出装置に該当すると共に、回転速度センサ 32又は流量センサが流量検出装置に該当する。 [0048] ステップ 13では、開閉弁 52に通電して、これを開弁させる。開閉弁 52が開弁すると、エアリザーノ 48に貯蔵される圧縮エアは、エア配管 50を介してエアノズル 54へと供給され、噴射ノズル 22の排気上流カゝらその噴孔近傍に向けて噴射される。

[0049] ステップ 14では、必要に応じて、開閉弁 52の通電を停止して、これを閉弁させる。

[0050] ここで、力かる構成力もなる排気浄ィ匕装置の作用につ、て説明する。

[0051] エンジン 10の排気は、排気マ-フォールド 12及び排気管 16を通って、 NOx還元触媒 14へと導入される。また、噴射ノズル 22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てアンモニアとなり、排気流に乗つて N Ox還元触媒 14へと導入される。そして、 NOx還元触媒 14では、アンモニアを用いた還元反応により、排気中の NOxが水及び無害なガスに転化されて浄化される。

[0052] このとき、 NOx還元触媒 14の排気上流における排気温度 Tgが所定値 T以下、か

1 つ、エンジン 10の回転速度 Neが所定値 N以下 (即ち、排気流量が少ない状態）とな

0

ると、開閉弁 52が開弁して、噴射ノズル 22の排気上流力もその噴孔近傍に向けて圧縮エアが噴射される。このため、噴射ノズル 22から噴射供給された尿素水溶液は、圧縮エアにより拡散が促進され、その噴孔及びその排気下流に位置する排気管 16 の内壁に尿素が析出することを抑制することができる。そして、尿素の析出が抑制されることから、噴射ノズル 22からエンジン運転状態に応じた尿素水溶液の噴射供給が可能となり、排気中の NOxを適正に還元浄ィ匕することができる。

[0053] また、圧縮エアが円錐状に噴射されるので、排気管 16の横断面全体に亘つて圧縮エアが拡散することとなり、排気に対する尿素水溶液の混合を促進することができる。このため、尿素水溶液の加水分解が促進されると共に、 NOx還元触媒 14にアンモユアが略均一に導入され、 NOxの浄ィ匕効率の向上を通して、排気浄化装置が奏する排気浄化機能の維持及びその適正化を図ることができる。

[0054] 一方、 NOx還元触媒 14の排気上流における排気温度 Tgが所定値 Tより高いとき

1

、又は、エンジン 10の回転速度 Neが所定値 Nより高いときには、開閉弁 52が閉弁

0

する。即ち、排気温度 Tgが所定値 Tより高いときには、噴射ノズル 22及びその排気

1

下流に位置する排気管 16が高温の排気に晒されているため、その温度が少なくとも尿素の融点以上に昇温されている。このため、尿素水溶液力尿素が析出されたとしても、これが自然に融解するので、尿素の析出が発生することがない。また、回転速度 Neが所定値 Nより高いときには、エンジン 10の排気流量が多い状態であるので

0

流速が速ぐ圧縮エアの代わりに排気自体により尿素水溶液の拡散が促進される。従って、尿素の析出のおそれが少ないときに、圧縮エアを噴射しないようにすることで、圧縮エアを必要以上に消費することを抑制できる。

[0055] なお、エア噴射装置 46は、図 6に示すように、噴射ノズル 22の排気下流力もその噴孔近傍に向けて圧縮エアを噴射するようにしてもよい。このようにすれば、噴射ノズル 22から噴射供給された尿素水溶液は、排気流に逆らって上流側にー且戻されるので、 NOx還元触媒 14に到達するまでの時間が長くなり、その加水分解及びアンモ- ァの拡散混合を促進することができる。

[0056] 図 7及び図 8は、第 3の発明を具現化した排気浄化装置の構成を示す。

[0057] 本発明にお、ては、噴射ノズル 22は、 NOx還元触媒 14の排気上流に位置する排気管 16の周壁に開口した噴孔カも排気管 16の内方に向けて尿素水溶液を噴射供給するように配設される。また、排気管 16には、噴射ノズル 22から噴射供給される尿素水溶液が衝突する位置に、噴射ノズル 22の噴孔近傍における排気管 16の流路開口率を増減変化させるベぐ絞り弁としてのバタフライ弁 60が回動可能に配設される。

[0058] バタフライ弁 60は、図 9に示すように、排気管 16の横断面の内面形状と略同一形状をなす円板状の弁体 60Aと、その略中心を通るように一体ィ匕された弁軸 60Bと、を含んで構成される。そして、バタフライ弁 60は、図 8に示すように、排気流通方向 Aに直交した水平軸周りに、少なくとも、同図 B及び C位置に回動可能なように、排気管 1 6の周壁に弁軸 60Bが軸支される。また、弁軸 60Bには、弁体 60Aを回動させる電動モータなどのァクチユエータ 62が連結される。なお、バタフライ弁 60の回動制御を容易にすべぐァクチユエータ 62として、ステッピングモータを用いることが望ましい。

[0059] また、ァクチユエータ 62の制御系として、回転速度センサ 32,負荷センサ 34及び排気温度センサ 58に加え、吸気温度 Tiを検出する吸気温度センサ 64が設けられる。そして、回転速度センサ 32,負荷センサ 34,排気温度センサ 58及び吸気温度センサ 64の各出力信号は、コントロールユニット 44に入力され、その ROMに記憶された制御プログラムによって、ァクチユエータ 62が制御される。

[0060] 次に、コントロールユニット 44において、エンジン 10の始動後繰り返し実行される制御プログラムについて、図 10を参照しつつ説明する。なお、制御プログラムを実行するコントロールユニット 44により、流量検出装置及び開口率制御装置が夫々実現される。

[0061] ステップ 21では、回転速度センサ 32,負荷センサ 34,排気温度センサ 58及び吸気温度センサ 64から、回転速度 Ne,負荷 Q,排気温度 Tg及び吸気温度 Tiを夫々読み込む。

[0062] ステップ 22では、回転速度 Ne,負荷 Q,排気温度 Tg及び吸気温度 Tiに基づいて、エンジン 10の排気流量を推定演算する。なお、ステップ 1及びステップ 2における処理に代えて、排気管 16に介装された排気流量センサを用い、排気流量を直接検出するよう〖こしてもよい。この場合、排気流量センサが流量検出装置に該当する。

[0063] ステップ 23では、図 11に示す制御マップを参照し、排気流量に対応したバタフライ弁の開口率 (流路開口率)を演算する。ここで、制御マップには、排気流量が所定値 Q以上のときに開口率が全開（100%)

0 になる一方、排気流量が所定値 Q

0未満のときに開口率が非線形状に漸増するように、排気流量と開口率との相関が設定される。

[0064] ステップ 24では、流路開口率に対応した制御信号をァクチユエータ 62に出力する

[0065] ここで、力かる構成力もなる排気浄ィ匕装置の作用につ、て説明する。

[0066] エンジン 10の排気は、排気マ-フォールド 12及び排気管 16を通って、 NOx還元触媒 14へと導入される。また、噴射ノズル 22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てアンモニアとなり、排気流に乗つて N Ox還元触媒 14へと導入される。そして、 NOx還元触媒 14では、アンモニアを用いた還元反応により、排気中の NOxが水及び無害なガスに転化されて浄化される。

[0067] このとき、排気流量が所定値 Q以上となれば、バタフライ弁 60の開口率が全開（10

0

0%)となるため、図 8に示すように、その弁体 60A力排気流通方向 Aと略平行になつた C位置に回動制御される。この状態では、排気流量が多いため、噴射ノズル 22の噴孔近傍における排気流速が速ぐ噴射ノズル 22から噴射供給された尿素水溶液は、拡散が促進されて霧状化する。このため、排気管 16の内壁に付着する尿素水溶液が激減し、排気管 16に尿素が析出することを抑制することができる。なお、排気管 16に析出した尿素は、排気温度がその融点以上になったときに溶解するので、多少の尿素が析出されたとしても、これを起因とする不具合が発生することはなヽ。

[0068] 一方、排気流量が所定値 Q未満となれば、バタフライ弁 60の開口率が排気流量に

0

対応した開度となるため、図 8に示すように、その弁体 60Aが B位置方向の所定開度まで回動制御される。この状態では、排気流量が少ないものの、ノタフライ弁 60の開口率が低下するため、排気管 16を流通する排気流速が増加し、噴射ノズル 22から噴射供給された尿素水溶液は、拡散が促進されて霧状化する。このため、排気流量が少ない状態であっても、排気管 16の内壁に付着する尿素水溶液が激減し、排気管 16に尿素が析出することを抑制することができる。また、噴射ノズル 22から噴射供給された尿素水溶液は、傾斜したバタフライ弁 60の弁体 60Aの板面に衝突する。このとき、バタフライ弁 60は、排気熱によって加熱されているため、衝突した尿素水溶液の加水分解が促進され、効率よくアンモニアを発生させることができる。

[0069] 従って、排気流量が少な!/、ときには、噴射ノズル 22の噴孔近傍の流路面積を減少させることで、ここを通過する排気流速を増加させ、噴射ノズル 22から噴射供給される尿素水溶液の良好な分散を得ることができる。このため、尿素水溶液の加水分解が促進されることで、効率よくアンモニアを生成することができると共に、排気管 16に尿素が析出されることを抑制することができる。また、尿素の加水分解の促進を通して、加速及び減速時の過渡応答性の向上や、尿素水溶液の利用効率を向上させることちでさる。

[0070] 図 12は、バタフライ弁 60の他の実施形態を示す。即ち、バタフライ弁 60は、排気管 16の流路開口率を絞ったときに、噴射ノズル 22の噴孔に近接する部位の縁部にスリット 60Cが形成された構成をなす。このようにすれば、スリット 60Cにより排気に乱流が発生するので、噴射ノズル 22から噴射供給された尿素水溶液の分散を一層促進させることがでさる。

[0071] 図 13は、バタフライ弁 60の更に他の実施形態を示す。即ち、バタフライ弁 60は、その弁体 60Aの板面に貫通孔 60Dが散点状に形成された構成をなす。このようにすれば、スリット 60Cと同様に、貫通孔 60Dにより排気に乱流が発生するので、噴射ノズル 22から噴射供給された尿素水溶液の分散を一層促進させることができる。ここで、バタフライ弁 60の弁体 60Aには、スリット 60C及び貫通孔 60Dの少なくとも一方を形成するようにすればよい。

なお、以上説明した各発明にお、ては、液体還元剤として、アンモニア水溶液、炭化水素を主成分とする軽油，ガソリンなどを用いるようにしてもよい。この場合には、 N Ox還元触媒 14には、液体還元剤又はこれから生成される物質を還元剤として、排気中の NOxを還元浄ィ匕する特性を有するものを用いればよい。また、各発明を適宜組み合わせることで、排気管 16に液体還元剤の溶質が析出することをより効果的に抑帘 Uすることができる。

Claims

請求の範囲

[1] エンジン排気管に配設され、液体還元剤により窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、

該還元触媒の排気上流に液体還元剤を噴射供給する噴射ノズルと、

該噴射ノズルから噴射供給された液体還元剤が付着する部位を少なくとも含む排気管の周囲に配設されたヒータと、

該ヒータの作動を制御する作動制御装置と、

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。

[2] 前記ヒータが配設された部位の排気管温度を検出する温度検出装置を備え、前記作動制御装置は、前記温度検出装置により検出された排気管温度が液体還元剤の溶質の融点以上となるように、前記ヒータの作動を制御する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。

[3] 前記エンジンの運転状態を検出する運転状態検出装置を備え、

前記作動制御装置は、前記運転状態検出装置により検出された運転状態に基づいて、前記エンジンがアイドル状態にあるか否かを判定し、アイドル状態であると判定したときに、前記ヒータを作動させる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。

[4] 前記エンジンの運転状態を検出する運転状態検出装置を備え、

前記作動制御装置は、前記運転状態検出装置により検出された運転状態に基づいて、前記エンジンが暖気中であるか否かを判定し、暖気中であると判定したときに、前記ヒータの作動を禁止する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。

[5] 前記エンジンの運転状態を検出する運転状態検出装置を備え、

前記作動制御装置は、前記運転状態検出装置により検出された運転状態に基づいて、各種補機が稼動しているカゝ否かを判定し、該各種補機が稼動中であると判定したときに、前記ヒータの作動を禁止する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。

[6] 前記エンジンの運転状態を検出する運転状態検出装置と、前記ヒータが配設された部位の排気管温度を検出する温度検出装置と、を備え、

前記作動制御装置は、前記運転状態検出装置により検出された運転状態に基づいて、前記エンジンが停止した力否かを判定し、該エンジンが停止したと判定し、つ、前記温度検出装置により検出された排気管温度が液体還元剤の溶質の融点未満であるときに、前記ヒータを所定時間作動させることを特徴とする請求項 1記載のェンジンの排気浄化装置。

[7] 前記作動制御装置は、前記排気管に液体還元剤の溶質が析出した力否かを判定し、該溶質が析出したと判定したときに、前記ヒータを作動させることを特徴とする請求項 1記載のエンジンの排気浄ィ匕装置。

[8] 前記ヒータが配設された部位を挟む排気管内の差圧を検出する差圧検出装置を備え、

前記作動制御装置は、前記差圧検出装置により検出された差圧が所定値以上となつたときに、前記排気管に液体還元剤の溶質が析出したと判定することを特徴とする請求項 7記載のエンジンの排気浄化装置。

[9] 前記ヒータの周囲に断熱材が配設されていることを特徴とする請求項 1記載のェンジンの排気浄ィ匕装置。

[10] エンジン排気管に配設され、液体還元剤により窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、

該噴射ノズルの少なくとも噴孔近傍に圧縮エアを噴射するエア噴射装置と、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。

[11] 前記エア噴射装置は、圧縮エアを円錐状に噴射することを特徴とする請求項 10記載のエンジンの排気浄ィ匕装置。

[12] 前記エア噴射装置は、前記噴射ノズルの排気上流からその噴孔近傍に向けて圧縮エアを噴射することを特徴とする請求項 10記載のエンジンの排気浄化装置。

[13] 前記エア噴射装置は、前記噴射ノズルの排気下流からその噴孔近傍に向けて圧縮エアを噴射することを特徴とする請求項 10記載のエンジンの排気浄化装置。

[14] 前記エア噴射装置は、圧縮エアを貯蔵するエアリザーバと、該エアリザーバから延びるエア配管のエア流路を開閉する開閉弁と、該開閉弁を通過した圧縮エアを排気管内に噴射するエアノズルと、を含んで構成されたことを特徴とする請求項 10記載のエンジンの排気浄化装置。

[15] 前記還元触媒の排気上流における排気温度を検出する排気温度検出装置と、エンジンの排気流量を検出する流量検出装置と、

前記排気温度検出装置により検出された排気温度が所定温度以下、かつ、前記流量検出装置により検出された排気流量が所定値以下のときに、前記開閉弁を開弁させる開閉弁制御装置と、

を備えたことを特徴とする請求項 14記載のエンジンの排気浄ィ匕装置。

[16] エンジン回転速度を検出する回転速度検出装置を備え、

前記流量検出装置は、前記回転速度検出装置により検出されたエンジン回転速度から、エンジンの排気流量を間接的に検出することを特徴とする請求項 15記載のェンジンの排気浄化装置。

[17] エンジン排気管に配設され、液体還元剤により窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、

該還元触媒の排気上流に位置する排気管の周壁に開口した噴孔から排気管の内方に向けて液体還元剤を噴射供給する噴射ノズルと、

該噴射ノズルの噴孔近傍における排気管の流路開口率を変化させる絞り弁と、該絞り弁を駆動するァクチユエータと、

エンジンの排気流量を検出する流量検出装置と、

該流量検出装置により検出された排気流量に基づいて、前記ァクチユエータを介して絞り弁による流路開口率を制御する開口率制御装置と、

[18] 前記開口率制御装置は、排気流量と流路開口率との相関に対応した制御信号をァクチユエータに出力することを特徴とする請求項 17記載のエンジンの排気浄ィ匕装置。

[19] 前記絞り弁は、バタフライ弁であることを特徴とする請求項 17記載のエンジンの排気浄化装置。

[20] 前記バタフライ弁は、前記噴射ノズルから噴射供給される液体還元剤が衝突する位置に配設されたことを特徴とする請求項 19記載のエンジンの排気浄化装置。

[21] 前記バタフライ弁は、前記排気管の流路開口率を絞ったときに、噴射ノズルの噴孔に近接する部位の縁部にスリットが形成されたことを特徴とする請求項 19記載のェンジンの排気浄ィ匕装置。

[22] 前記バタフライ弁は、その弁体の板面に貫通孔が散点状に形成されたことを特徴とする請求項 19記載のエンジンの排気浄ィ匕装置。