JP2007056741A - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 車両運転者の労力増大，無駄な燃料の消費などを防止する。
【解決手段】 尿素水溶液の濃度が所定範囲を逸脱したとき、又は、その残量が所定量以下となったときに、尿素水溶液は異種水溶液又は欠乏していると判定（異常判定）する。そして、エンジン再始動操作が行なわれたときに、異常判定がなされ（Ｓ２１）かつその判定後所定距離以上走行していれば（Ｓ２２）、エンジン再始動が禁止される（Ｓ２５）。このとき、エンジン停止から再始動までの経過時間が所定時間未満であれば（Ｓ２３，Ｓ２４）、エンジン停止は意図しないものであると判定し、緊急時の対応を可能とすべく、エンジン再始動が許可される（Ｓ２６）。一方、異常判定がなされたときであっても（Ｓ２１）、その判定後所定距離以上走行していなければ（Ｓ２２）、尿素水溶液補充地点までの走行を可能とすべく、エンジン再始動が許可される（Ｓ２６）。
【選択図】 図５

Description

本発明は、エンジンの排気浄化装置（以下「排気浄化装置」という）において、特に、還元剤を用いて排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元浄化する技術に関する。

エンジン排気に含まれるＮＯｘを除去する触媒浄化システムとして、特開２００５−１４７１１８号公報（特許文献１）に記載されたように、エンジン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還元剤又はその前駆体を添加することで、排気中のＮＯｘと還元剤とを還元反応させて、ＮＯｘを無害成分に浄化処理する排気浄化装置が提案されている。かかる排気浄化装置では、正規還元剤の使用を促すために、異種水溶液の使用又は還元剤欠乏が検知された後、イグニッションスイッチによりエンジンを停止すると、その再始動を禁止する構成が採用されている。
特開２００５−１４７１１８号公報

しかしながら、還元剤欠乏を原因としてエンジン再始動を禁止すると、例えば、目的地到着直前に還元剤が欠乏したとき、エンジンを作動させたまま積荷などを降ろした後、還元剤補充可能地点まで走行しなければならなかった。還元剤補充可能地点が近くにない場合には、車両運転者に過大な労力を課すると共に、物流とは無関係な車両走行による無駄な燃料消費などを来たしてしまう。また、車両運転者が休憩をとろうとしても、エンジンを停止させることができず、地球環境の観点からも好ましくない。

そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、異種水溶液の使用又は還元剤欠乏が検知されたとしても、その後所定距離走行するまではエンジン再始動を許可することで、車両運転者の労力増大，無駄な燃料の消費などを防止し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、エンジン排気管に配設され、還元剤容器から供給された還元剤を用いて排気中の窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、前記還元剤容器に貯蔵された還元剤の濃度を検出する濃度検出手段と、前記還元剤容器に貯蔵された還元剤の残量が所定量以下になったことを検出する残量検出手段と、前記濃度検出手段により検出された濃度が所定範囲を逸脱したとき、又は、前記残量検出手段により残量が所定量以下になったことが検出されたときに、前記還元剤は異種水溶液又は欠乏していると判定する還元剤判定手段と、エンジン再始動操作が行なわれたときに、前記還元剤判定手段により還元剤は異種水溶液又は欠乏していると判定され、かつ、該判定後の走行距離が所定距離以上であれば、エンジン再始動を禁止する一方、それ以外であれば、エンジン再始動を許可するエンジン制御手段と、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、エンジン停止は意図しないものであるか否かを判定する停止意図判定手段を備え、前記エンジン制御手段は、前記停止意図判定手段によりエンジン停止は意図しないものであると判定されたときに、エンジン再始動を許可することを特徴とする。
請求項３記載の発明では、前記停止意図判定手段は、エンジン停止からエンジン再始動操作が行なわれたまでの経過時間が所定時間未満であるときに、エンジン停止は意図しないものであると判定することを特徴とする。

請求項４記載の発明では、前記停止意図判定手段は、エンジン停止時に検出されたエンジン温度と、エンジン再始動操作が行なわれたときに検出されたエンジン温度と、の差が所定温度未満であるときに、エンジン停止は意図しないものであると判定することを特徴とする。
請求項５記載の発明では、前記温度検出手段は、エンジンの冷却水温度からエンジン温度を間接的に検出することを特徴とする。

請求項６記載の発明では、大気温度を検出する大気温度検出手段と、前記大気温度検出手段により検出された大気温度に基づいて、前記所定温度を動的に設定する所定温度設定手段と、を備えたことを特徴とする。
請求項７記載の発明では、前記還元剤容器の底部における離間した２点間の熱伝達特性から、還元剤の濃度に関連した信号を出力するセンサを備え、前記濃度検出手段及び残量検出手段は、前記センサの出力信号から、還元剤の濃度及び残量が所定量以下となったか否かを夫々間接的に検出することを特徴とする。

請求項８記載の発明では、前記還元剤判定手段により還元剤は異種水溶液又は欠乏していると判定されたときに、その判定結果を報知する報知手段を備えたことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、還元剤容器に貯蔵された還元剤の濃度が所定範囲を逸脱したとき、又は、還元剤容器に貯蔵された還元剤の残量が所定量以下になったときに、還元剤は異種水溶液又は欠乏していると判定される。そして、エンジン再始動操作が行なわれたときに、還元剤は異種水溶液又は欠乏していると判定され、かつ、その判定後の走行距離が所定距離以上であれば、エンジン再始動が禁止される一方、それ以外であれば、エンジン再始動が許可される。このため、還元剤が異種水溶液又は欠乏していることが検知されたときであっても、その後所定距離走行するまでの間は、エンジン再始動の禁止が猶予される。従って、車両運転者は、例えば、目的地到着直前に還元剤が欠乏したときであっても、目的地到着後還元剤補充可能地点まで車両を運転することを強要されず、その労力増大を防止することができる。また、還元剤補充のための車両運行又はアイドリングが防止されることから、無駄な燃料消費防止及び地球環境保護も図ることができる。

請求項２記載の発明によれば、還元剤が異種水溶液又は欠乏していると判定された状態で所定距離以上走行したときであっても、エンジン停止は意図しないものであれば、エンジン再始動が許可される。このため、例えば、クラッチの不適切な操作により踏切内でエンジンが停止しても、エンジン再始動が許可されることから、緊急時における迅速な対応を採ることができる。

請求項３記載の発明によれば、意図しないエンジン停止の場合には、エンジン停止から再始動までの経過時間が極短い事実を利用し、エンジン停止が意図しないものであるか否かを簡易かつ高精度に判定することができる。
請求項４記載の発明によれば、意図しないエンジン停止の場合には、エンジン停止から再始動までの経過時間が短く、エンジン温度の低下が極僅かである事実を利用し、エンジン停止が意図しないものであるか否かを簡易に判定することができる。

請求項５記載の発明によれば、水冷式エンジンに備えられている水温センサなどを利用して、エンジン温度が間接的に検出されるため、コスト上昇を抑制することができる。
請求項６記載の発明によれば、大気温度に応じて、意図しないエンジン停止か否かを判定するための所定温度が動的に設定されるため、判定精度を向上させることができる。
請求項７記載の発明によれば、離間した２点間の熱伝達特性から還元剤の濃度に関連した信号を出力するセンサを用いて、還元剤の濃度及び残量が所定量以下になったことが検出されるので、必要なセンサの個数が少なくなり、コスト上昇などを抑制することができる。

請求項８記載の発明によれば、還元剤は異種水溶液又は欠乏していると判定されたときには、その旨が報知されるので、車両運転者に対して還元剤の入れ替え又は補充を促すことができる。

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、還元剤の前駆体たる尿素水溶液を使用し、エンジン排気に含まれるＮＯｘを触媒還元反応により浄化する排気浄化装置の全体構成を示す。
エンジン１０の排気マニフォールド１２に接続される排気管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、尿素水溶液を噴射供給する噴射ノズル１８と、尿素水溶液を加水分解して得られるアンモニアを還元剤として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、が夫々配設される。また、還元剤容器２４に貯蔵される尿素水溶液は、その底部で吸込口が開口する供給配管２６を通って還元剤添加装置２８に供給される。一方、還元剤添加装置２８に供給された尿素水溶液のうち噴射に寄与しない余剰のものは、還元剤容器２４の上部で戻り口が開口する戻り配管３０を通って戻される。そして、還元剤添加装置２８は、コンピュータを内蔵した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）３２により電子制御され、エンジン運転状態に応じた流量の尿素水溶液を、圧縮空気と混合した噴霧状態で噴射ノズル１８に供給する。

かかる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、アンモニアへと転化される。転化されたアンモニアは、ＮＯｘ還元触媒２０において排気中のＮＯｘと還元反応し、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による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との割合が触媒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排出されることを防止できる。

また、還元剤容器２４には、尿素水溶液の濃度に関連した信号を出力する濃度センサ３４が取り付けられる。即ち、還元剤容器２４の天板に、回路基板が内蔵された基部３４Ａが固定される一方、基部３４Ａから還元剤容器２４底部へと検出部３４Ｂが垂下される。
ここで、検出部３４Ｂとしては、図２（Ａ）に示すように、離間した２位置に加熱ヒータＡ及び温度センサＢが夫々配設される。そして、加熱ヒータＡを作動させたとき、その熱が温度センサＢに伝達される熱的特性を介して、基部３４Ａに内蔵された回路基板から尿素水溶液の濃度に関連した信号が出力される。具体的には、同図（Ｂ）に示すように、加熱ヒータＡを所定時間ｔ₁作動させると、温度センサＢでは、尿素水溶液の熱伝導率に応じた特性でもって徐々に温度が上昇する。そして、加熱ヒータＡを停止したときの温度上昇特性、即ち、温度センサＢにおける初期温度とピーク温度との差に応じて、尿素水溶液の濃度を間接的に検出することができる。一方、加熱ヒータＡを停止させた後には、温度センサＢにおける温度が徐々に低下し、時間ｔ₂を要して加熱ヒータ作動前の温度まで戻る。このため、尿素水溶液の濃度を、所定時間（ｔ₁＋ｔ₂）ごとに検出することができる。なお、濃度センサ３４としては、三井金属鉱業（株）製造販売のものが知られている。

ここで、濃度センサ３４は、離間した２点間の熱伝達特性から尿素水溶液の濃度を間接的に検出するものであるから、尿素水溶液が欠乏、即ち、空又は残量が少なくなったことも併せて検出することができる。このため、本実施形態では、濃度センサ３４が、濃度検出手段及び残量検出手段としての機能を兼備し、必要なセンサの個数が少なくなり、コスト上昇などを抑制することができる。

濃度センサ３４からの出力信号は、還元剤添加ＥＣＵ３２に入力される。また、還元剤添加ＥＣＵ３２は、ＣＡＮ（Controller Area Network）など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）３６に接続され、イグニッションスイッチ信号及び走行距離信号などを適宜読み込み可能に構成される。そして、還元剤添加ＥＣＵ３２は、そのＲＯＭ（Read Only Memory）に記憶された制御プログラムを実行することで、還元剤判定手段，エンジン制御手段，停止意図判定手段及び所定温度設定手段を夫々具現化し、エンジンＥＣＵ３６に対してエンジン再始動の禁止信号及び許可信号を適宜出力する。なお、イグニッションスイッチ信号及び走行距離信号などは、エンジンＥＣＵ３６から間接的に読み込まず、スイッチ及びセンサなどから直接読み込むようにしてもよい。

図３は、還元剤添加ＥＣＵ３２において、エンジン始動後所定時間（ｔ₁＋ｔ₂）ごとに繰り返し実行される還元剤判定処理を示す。
ステップ１（図では「Ｓ１」と略記する。以下同様）では、濃度センサ３４から濃度信号を読み込む。即ち、濃度センサ３４の加熱ヒータＡを所定時間ｔ₁だけ作動させ、温度センサＢにおける温度上昇特性に応じた濃度信号を読み込む。

ステップ２では、濃度信号が所定範囲内にあるか否かを判定する。ここで、所定範囲としては、尿素水溶液が正規なものであれば収まる範囲であって、例えば、尿素水溶液の特性などから適宜設定される。そして、濃度信号が所定範囲内にあればステップ３へと進む一方（Ｙｅｓ）、濃度信号が所定範囲を逸脱していればステップ４へと進む（Ｎｏ）。
ステップ３では、尿素水溶液は正規なものであると判定（正常判定）する。

ステップ４では、尿素水溶液は異種水溶液又は欠乏していると判定（異常判定）する。ここで、異種水溶液としては、尿素水溶液を水などで過度に希釈したもの，尿素水溶液の代わりに水道水を使用したものなどが想定される。なお、異常判定がなされたときには、車両運転者に対して尿素水溶液の補充又は正規尿素水溶液への入れ替えなどを促すべく、ブザー，警告灯などの報知手段によりその旨を報知することが望ましい。

ステップ５では、尿素水溶液の判定結果を随時参照可能とすべく、ステップ３又はステップ４による判定結果を、メモリなどの記憶媒体に記憶する。
かかる還元剤判定処理によれば、濃度センサ３４の検出原理に応じた時間間隔で、還元剤容器２４に貯蔵された尿素水溶液の状態が順次判定され、その判定結果が記憶媒体に記憶される。このため、尿素水溶液の状態を必要に応じていつでも参照可能であると共に、車両走行中に尿素水溶液が欠乏したことも検知することができる。

図４は、還元剤添加ＥＣＵ３２において、エンジン１０を停止したときに実行される停止時刻記憶処理を示す。ここで、エンジン停止とは、イグニッションキーによりエンジン１０を停止したことを意味するだけではなく、例えば、クラッチの不適切な操作により、意に反してエンジン１０が停止したことも含む。
ステップ１１では、エンジン１０を停止した時刻を記憶媒体に記憶する。ここで、エンジン停止時刻は、例えば、添加剤添加ＥＣＵ３２又はエンジンＥＣＵ３６に内蔵されるクロックタイマーの出力を用いればよい。

かかる停止時刻記憶処理によれば、エンジン１０が停止した時刻が記憶媒体に記憶される。なお、記憶媒体としては、還元剤添加ＥＣＵ３２への電力供給が遮断されても、その記憶内容を保持可能な不揮発性メモリを用いることが望ましい。
図５は、還元剤添加ＥＣＵ３２において、イグニッションスイッチがＯＮ、即ち、エンジン再始動操作が行なわれたときに、エンジンＥＣＵ３６のエンジン再始動処理に先立って実行される再始動許可／禁止処理を示す。

ステップ２１では、記憶媒体に記憶された尿素水溶液の判定結果が異常であるか否かを判定する。そして、判定結果が異常であればステップ２２へと進む一方（Ｙｅｓ）、判定結果が正常であればステップ２６へと進む（Ｎｏ）。
ステップ２２では、尿素水溶液判定処理において異常判定された時点から、車両が所定距離以上走行したか否かを判定する。ここで、車両の走行距離は、例えば、異常判定がなされたときの走行距離を記憶媒体に記憶し、異常判定後に順次読み込んだ走行距離との差から測定すればよい。そして、所定距離以上走行したならばステップ２３へと進む一方（Ｙｅｓ）、所定距離以上走行していなければステップ２６へと進む（Ｎｏ）。

ステップ２３では、記憶媒体からエンジン停止時刻を読み込む。
ステップ２４では、クロックタイマーの出力に基づいて、エンジン停止時刻から所定時間以上経過したか否かを判定する。そして、エンジン停止時刻から所定時間以上経過したならばステップ２５へと進む一方（Ｙｅｓ）、エンジン停止時刻から所定時間経過していなければステップ２６へと進む（Ｎｏ）。

ステップ２５では、エンジンＥＣＵ３６に、エンジン再始動禁止信号を出力する。
ステップ２６では、エンジンＥＣＵ３６に、エンジン再始動許可信号を出力する。
かかる再始動許可／禁止処理によれば、尿素水溶液の判定結果が異常、即ち、尿素水溶液が異種水溶液又は欠乏していることが検知されたときであっても、その異常判定がなされた後所定距離走行するまでの間は、エンジン１０の再始動が許可される。このため、還元剤容器２４に貯蔵される尿素水溶液が欠乏したとしても、その直後からエンジン再始動が禁止されず、所定距離走行するまでエンジン再始動の禁止が猶予される。従って、車両運転者は、例えば、目的地到着直前に尿素水溶液が欠乏したとしても、目的地到着後に尿素水溶液の補充可能地点まで運転することが強要されず、その労力増大を防止することができる。また、尿素水溶液を補充するための車両運行又はアイドリングが防止されることから、無駄な燃料消費防止及び地球環境保護も図ることができる。

一方、尿素水溶液が異種水溶液又は欠乏していると判定された状態で所定距離以上走行したときには、尿素水溶液の補充又は入れ替えが可能でありながらこれを行なわない悪意があったものと判断し、原則として、エンジン１０の再始動が禁止される。このため、車両運転者に対して、正規な尿素水溶液の使用を促すことが可能となり、排気浄化装置としての機能が発揮される状態での車両運行を行なうことができる。

また、尿素水溶液が異種水溶液又は欠乏していると判定された状態で所定距離以上走行したときであっても、エンジン停止から再始動操作が行なわれたまでの経過時間が所定時間未満であるときには、そのエンジン停止は意図しないものであると判断し、エンジン１０の再始動が許可される。このため、例えば、クラッチの不適切な操作により踏切内でエンジン１０が停止したときには、エンジン再始動が許可されることから、緊急時における迅速な対応を採ることができる。

なお、意図しないエンジン停止か否かは、エンジン１０の機関温度を間接的に検出する冷却水温度を用い、エンジン停止時の冷却水温度と再始動操作が行われたときの冷却水温度との差が所定温度未満であることから判定してもよい。このとき、エンジン停止後の冷却水温度は、周囲の大気温度に応じて低下する割合（速度）が変化するので、大気温度を検出する大気温度センサ（大気温度検出手段）を設け、検出された大気温度に応じて所定温度を動的に変更するようにすれば、その判定精度を向上させることができる。

また、本実施形態においては、濃度センサ３４により尿素水溶液の濃度及び残量を検出したが、他の検出原理から尿素水溶液の濃度を検出する濃度センサ、及び、尿素水溶液の残量を検出する水位センサを用いるようにしてもよい。さらに、排気浄化装置の制御は、還元剤添加ＥＣＵ３２単独ではなく、エンジンＥＣＵ３６との協働により行なうようにしてもよい。このとき、エンジンＥＣＵ３６においては、例えば、エンジン１０への燃料供給を遮断、又は、エンジンスタータへの電力供給を電気的に遮断することで、エンジン再始動を禁止すればよい。

本発明は、還元剤の前駆体として尿素水溶液を用いる排気浄化装置に限らず、アンモニア水溶液、並びに、炭化水素を主成分とするガソリン，軽油などを還元剤又はその前駆体として用いるものにも適用可能である。

本発明に係る排気浄化装置の全体構成図 濃度センサ詳細を示し、（Ａ）は検出部の詳細図、（Ｂ）は検出原理の説明図 還元剤判定処理を示すフローチャート 停止時刻記憶処理を示すフローチャート 再始動許可／禁止処理を示すフローチャート

符号の説明

１０ エンジン
１４ 排気管
２０ ＮＯｘ還元触媒
２４ 還元剤容器
３２ 還元剤添加ＥＣＵ
３４ 濃度センサ
３６ エンジンＥＣＵ

Claims (8)

1. エンジン排気管に配設され、還元剤容器から供給された還元剤を用いて排気中の窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、
   前記還元剤容器に貯蔵された還元剤の濃度を検出する濃度検出手段と、
   前記還元剤容器に貯蔵された還元剤の残量が所定量以下になったことを検出する残量検出手段と、
   前記濃度検出手段により検出された濃度が所定範囲を逸脱したとき、又は、前記残量検出手段により残量が所定量以下になったことが検出されたときに、前記還元剤は異種水溶液又は欠乏していると判定する還元剤判定手段と、
   エンジン再始動操作が行なわれたときに、前記還元剤判定手段により還元剤は異種水溶液又は欠乏していると判定され、かつ、該判定後の走行距離が所定距離以上であれば、エンジン再始動を禁止する一方、それ以外であれば、エンジン再始動を許可するエンジン制御手段と、
   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。
2. エンジン停止は意図しないものであるか否かを判定する停止意図判定手段を備え、
   前記エンジン制御手段は、前記停止意図判定手段によりエンジン停止は意図しないものであると判定されたときに、エンジン再始動を許可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. 前記停止意図判定手段は、エンジン停止からエンジン再始動操作が行なわれたまでの経過時間が所定時間未満であるときに、エンジン停止は意図しないものであると判定することを特徴とする請求項２記載のエンジンの排気浄化装置。
4. 前記停止意図判定手段は、エンジン停止時に検出されたエンジン温度と、エンジン再始動操作が行なわれたときに検出されたエンジン温度と、の差が所定温度未満であるときに、エンジン停止は意図しないものであると判定することを特徴とする請求項２記載のエンジンの排気浄化装置。
5. 前記温度検出手段は、エンジンの冷却水温度からエンジン温度を間接的に検出することを特徴とする請求項４記載のエンジンの排気浄化装置。
6. 大気温度を検出する大気温度検出手段と、
   前記大気温度検出手段により検出された大気温度に基づいて、前記所定温度を動的に設定する所定温度設定手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載のエンジンの排気浄化装置。
7. 前記還元剤容器の底部における離間した２点間の熱伝達特性から、還元剤の濃度に関連した信号を出力するセンサを備え、
   前記濃度検出手段及び残量検出手段は、前記センサの出力信号から、還元剤の濃度及び残量が所定量以下となったか否かを夫々間接的に検出することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。
8. 前記還元剤判定手段により還元剤は異種水溶液又は欠乏していると判定されたときに、その判定結果を報知する報知手段を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。

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