JP3600522B2 - 内燃機関の還元剤供給装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の還元剤供給装置に関し、より詳細には、内燃機関より排出される窒素酸化物（ＮＯｘ ）を浄化するＮＯｘ 触媒に、還元剤を供給する還元剤供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気系に設けられ該内燃機関より排出される窒素酸化物（以下、単にＮＯｘ と称す ）を浄化するＮＯｘ 触媒に、還元剤を供給する還元剤供給装置として、例えば、特開平５−２７２３３１号公報に開示される還元剤供給装置を例示できる。
【０００３】
この特開平５−２７２３３１号公報に開示される還元剤供給装置では、低温においても高い浄化率でＮＯｘ を還元し得る尿素ＣＯ（ＮＨ２ ）２ を還元剤に採用し、該尿素をＮＯｘ 触媒に供給して排気中に含まれるＮＯｘ の浄化を促している。
【０００４】
より詳しくは、エンジンコントロール用電子制御ユニット（以下、単にＥＣＵと称す）からの還元剤供給命令を受けて、収容タンクに収容された固体状の尿素を炉筒内にて加熱ガス化させた後、該ガス化された尿素を機関排気通路におけるＮＯｘ 触媒上流側に供給してＮＯｘ の浄化を促している。
【０００５】
ところで、固体状の還元剤は、気体状の還元剤および液体状の還元剤に比べて体積が小さく車両搭載性に優れるものの、そのままの状態では粒子が大きくＮＯｘ 触媒に供給できない。そこで、上記した還元剤供給装置のように固体状の還元剤を炉筒内にて加熱ガス化して、ＮＯｘ 触媒に供給できる状態（変態）にする必要がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の還元剤供給装置では、ＥＣＵからの還元剤供給命令を受けた後、還元剤をガス化してＮＯｘ 触媒に供給するため、還元剤供給命令に遅れて還元剤の供給がなされることもあった。
【０００７】
とりわけ、固体状尿素を主成分とする還元剤は、ガス化に時間がかかるばかりか、適宜のタイミングを外してＮＯｘ 触媒に供給されると、ＮＯｘ と反応せずに大気に放出され異臭を放つ虞もある。このため還元剤供給命令に対して即座に対応できる還元剤供給装置の開発が急がれている。
【０００８】
また、要求される還元剤の供給量が、炉筒内にて生成される還元ガス（還元剤）の生成量を凌ぐ場合には還元ガスの供給が追いつかず、適量の還元剤をＮＯｘ 触媒に供給できなかった。従って、ＮＯｘ 触媒におけるＮＯｘ の浄化率が大幅に低下することになり排気エミッションの低下を招く虞もある。
【０００９】
また、従来の還元剤供給装置では、炉筒内にて生成された還元ガスを直に排気通路に供給するため還元剤の供給圧力が安定せず、要求された供給量に見合う適量の還元剤をＮＯｘ 触媒に供給できなかった。
【００１０】
よって本発明は、還元剤の供給命令に対して、遅延することなく即座に所定量の還元剤を供給し得る内燃機関の還元剤供給装置を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記した技術的課題を解決するため、本発明では、以下の手段を採用した。すなわち、
内燃機関の排気系に設けられ該内燃機関より排出される窒素酸化物を浄化するＮＯx 触媒に、還元剤を供給する還元剤供給装置であって、
固体状の還元剤を貯蔵する主還元剤貯蔵手段と、
前記主還元剤貯蔵手段に貯蔵された固体状の還元剤をガス化することにより該還元剤を流動化させる還元剤流動化手段と、
前記還元剤流動化手段によって流動化された還元剤を一時期貯蔵する副還元剤貯蔵手段と、
機関本体の運転状態に基づき前記ＮＯx 触媒に供給する還元剤の供給量を算出する還元剤供給量算出手段と、
前記副還元剤貯蔵手段に貯蔵される還元剤を、前記還元剤供給量算出手段によって算出された供給量に基づき前記内燃機関の排気系におけるＮＯx 触媒上流に添加する還元剤添加手段と、
を有し、
前記副還元剤貯蔵手段は、該副還元剤貯蔵手段に貯蔵されている還元剤の残量を算出する残量算出手段と、前記流動化された還元剤を一時期貯蔵する副還元剤貯蔵室と、この副還元剤貯蔵室内の圧力を検知する圧力検知手段と、を備え、
前記還元剤流動化手段は、前記残量算出手段によって算出される残量が所定値未満になったことを受けて、前記主還元剤貯蔵手段に貯蔵される固体状の還元剤を流動化して前記副還元剤貯蔵手段に補給し、
前記残量算出手段は、前記圧力検知手段によって検知される圧力が高いとき、還元剤の残量を多いと判断し、前記圧力検知手段によって検知される圧力が低いとき、還元剤の残量を少ないと判断することを特徴とする。
【００１２】
このような手段を採用する本発明によれば、還元剤流動化手段によって添加可能に流動性を持たされた還元剤を、副還元剤貯蔵手段に予め準備、貯蔵しているため、還元剤の供給命令に対して即座に還元剤を供給できる。また、副還元剤貯蔵タンク４０内に還元ガスを常時貯蔵しているため、大量の還元剤を要する場合においても安定した還元剤の供給を行える。尚、還元剤の流動化とは、還元剤添加手段による還元剤の添加時に、該添加された還元剤の拡散を容易にするための行為である。すなわち、本発明で流動化とは、ガス化、液化、ゲル化、粉体化などの行為を総称して流動化と称している。
【００１３】
なお、還元剤流動化手段は、固体状の還元剤をガス化して該還元剤に流動性を持たせる。すなわち、固体状の還元剤をガス化して、還元剤添加手段による添加時に、該添加された還元剤の拡散を良好にしている。
【００１４】
また、前記副還元剤貯蔵手段は、該副還元剤貯蔵手段に貯蔵されている還元剤の残量を算出する残量算出手段を備え、前記還元剤流動化手段は、前記残量算出手段によって算出される残量が所定値未満になったことを受けて、前記主還元剤貯蔵手段に貯蔵される固体状の還元剤を流動化して副還元剤貯蔵手段に補給する。
【００１５】
すなわち、この手段では、副還元剤貯蔵手段に貯蔵される還元剤の残量が少なくなったとき、固体状の還元剤を新たに流動化させて副還元剤貯蔵手段に補給している。よって、固体状の還元剤を不必要に流動化させることなく、常に、副還元剤貯蔵手段に還元剤を確保できる。なお、固体状の還元剤は、通常、ガス化、液化などに伴い体積が増加する。従って、固体状の還元剤を不必要に流動化させると、その分、装置内における還元剤の貯蔵手段の容量を増やす必要があり、装置の大型化につながる。このため上記したように必要量のみを流動化させることによって、装置の大型化を最小限にとどめることができる。尚、所定値とは、ゼロを除く数値であり、経験則などに基づき任意に設定可能な値である。
【００１６】
また、前記副還元剤貯蔵手段は、前記流動化された還元剤を一時期貯蔵する副還元剤貯蔵室と、この副還元剤貯蔵室内の圧力を検知する圧力検知手段と、を備え、前記残量算出手段は、前記圧力検知手段によって検知される圧力が高いとき、還元剤の残量を多いと判断し、前記圧力検知手段によって検知される圧力が低いとき、還元剤の残量を少ないと判断する。すなわち、副還元剤貯蔵室内の圧力変化に基づいて、副還元剤貯蔵室内に貯蔵される還元剤の残量を把握するようにしている。
【００１７】
また、前記還元剤添加手段は、前記ＮＯx 触媒上流の排気系に設けられ開弁時に前記副還元剤貯蔵室に貯蔵される還元剤を前記ＮＯx 触媒上流に添加する還元剤添加弁と、前記圧力検知手段によって検知される圧力に基づいて前記還元剤添加弁の開弁時間を制御する添加弁制御手段と、を有する構成としてもよい。
【００１８】
すなわち、この手段では、副還元剤貯蔵室内の圧力を圧力検知手段によって検知することにより、還元剤添加弁に作用する還元剤の供給圧力を把握している。そして、還元剤添加弁からＮＯｘ 触媒に供給される還元剤の供給量を常に目標値になるように制御している。したがって、副還元剤貯蔵室内の圧力が変動しても、要求された供給量に見合う還元剤をＮＯｘ 触媒に供給できる。
【００１９】
なお、前記添加弁制御手段は、前記副還元剤貯蔵室内の圧力が高いとき、前記還元剤添加弁の開弁時間を短くし、前記副還元剤貯蔵内の圧力が低いとき、前記還元剤添加弁の開弁時間を長くするようにしてもよい。
【００２０】
即ち、副還元剤貯蔵室内の圧力が高いときには、単位時間当たりにおける還元剤の供給量が増加するため開弁時間を短くし、逆に、副還元剤貯蔵室内の圧力が低いときには、単位時間当たりにおける還元剤の供給量が減少するため開弁時間を長くして、還元剤添加弁より添加される還元剤の供給量を目標値となるように維持している。
【００２１】
また、前記ＮＯｘ 触媒は、還元剤の存在下で、窒素酸化物を分解又は還元せしめる選択還元型ＮＯｘ 触媒とするのが望ましい。また、固体状の還元剤は、前記還元剤流動化手段によるガス化時に、アンモニアを基調とする還元ガスを生成する還元剤とするのが望ましい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の還元剤供給装置に係わる好適な実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明の還元剤供給装置を車両用ディーゼルエンジンに適用した形態である。
【００２３】
＜内燃機関の概要＞
初めに、本発明の還元剤供給装置を説明するに先立ち、この還元剤供給装置が装備されるディーゼルエンジンについて図１を参照して説明する。
【００２４】
ディーゼルエンジン１（以下、単にエンジンと称す）は、ピストン３、シリンダ４、シリンダヘッド５などにて構成される燃焼室２と、該燃焼室２に機関燃料を供給する燃料噴射弁６と、を有する。また、燃焼室２には、空気吸入量を測定するエアフローメータ７を備えた吸気管８が接続されて、燃焼室２内では、該吸気管８を経て導入された空気と、燃料噴射弁６により供給される機関燃料と、が混合されて自己着火による機関燃焼が行われている。
【００２５】
一方、燃焼室２内での機関燃焼に伴い生成される排気ガスは、燃焼室２に接続され経路途中に選択還元型ＮＯｘ 触媒９、および消音器（図示せず）を備える排気管１０を経て大気に排気される。なお、以下の説明では、選択還元型ＮＯｘ 触媒を単にＮＯｘ 触媒と称することもある。
【００２６】
排気管１０に設けられる選択還元型ＮＯｘ 触媒９は、主として排気中の窒素酸化物（以下、単にＮＯｘと称す ）を効果的に浄化せしめる触媒であり、還元剤の存在下で、ＮＯｘ を還元または分解して浄化する触媒である。
【００２７】
なお、選択還元型ＮＯｘ 触媒９としては、ゼオライトにＣｕ等の遷移金属をイオン交換にて担持させてなる触媒、ゼオライト又はアルミナに貴金属を担持させてなる触媒、チタニウムにバナジウムを担持させてなる触媒、等を例示できる。
【００２８】
また、排気管１０におけるＮＯｘ 触媒９上流側には、ＮＯｘ センサ１１、入りガス圧センサ１２、排気温度センサ１３等が設けられ、また、ＮＯｘ 触媒９下流側には、還元剤センサ１４が設けられている。ＮＯｘ センサ１１は、排気ガス中のＮＯｘ 濃度を測定するセンサである。入りガス圧センサ１２は、排気管１０内の管内圧力（排圧）を測定するセンサである。また、排気温度センサ１３は、ＮＯｘ 触媒９に流入する排気ガスの温度を測定するセンサである。還元剤センサ１４は、排気ガス中における還元剤の濃度を測定するセンサである。そして、各種センサは、後述するエンジンコントロール用電子制御ユニット１５の入力ポートに接続されている。
【００２９】
また、エンジン１は、エンジンコントロール用電子制御ユニット１５（以下、単にＥＣＵ１５と称する）によって、運転状態に見合った制御がなされている。ＥＣＵ１５は、双方向性バスによって相互に接続されたＲＯＭ（リード・オンリ・メモリ）、ＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）、ＣＰＵ（セントラルプロセッサユニット）、入力ポート、出力ポート、Ａ／Ｄコンバータ等を有してなり、入力ポートに入力される各種センサからの出力信号に基づき、ＲＯＭ上に展開された各種制御マップを参照して、例えば、燃料噴射弁５における燃料噴射制御などを行っている。また、本発明では、還元剤供給装置１６の制御をも同時に行っている。
【００３０】
そして、本発明では、エンジン１の機関燃焼に伴い排出される排気ガス中のＮＯｘ をＮＯｘ 触媒９にて浄化せしめるために、該ＮＯｘ 触媒９に対して還元剤たるアンモニアガス（ＮＨ３ ）を供給する還元剤供給装置１６を設けている。
以下、本発明の主旨となる還元剤添加装置１６について、図２を参照して詳細に説明する。
【００３１】
＜還元剤供給装置の構造＞
まず初めに、還元剤供給装置１６の構造について説明する。
還元剤供給装置１６は、固体状の還元剤を内部に貯蔵する主還元剤貯蔵タンク２０（主還元剤貯蔵手段）と、この主還元剤貯蔵タンク２０に貯蔵された固体状の還元剤を加熱して還元ガスを生成する還元ガス生成部３０（還元剤流動化手段）と、還元ガス生成部３０によって生成された還元ガスを一時期貯蔵する副還元剤貯蔵タンク４０（副還元剤貯蔵手段）と、副還元剤貯蔵タンク４０に貯蔵された還元ガスをＥＣＵ１５からの還元剤供給命令に応じてＮＯｘ 触媒９に添加する還元剤添加弁５０（還元剤添加手段）と、を有してなる。
【００３２】
主還元剤貯蔵タンク２０は、還元剤たる固体状のカルバミン酸アンモニウムを内部に収容するタンク本体２１と、タンク本体２１を取り囲むように設けられた断熱部材２２と、を有してなり、後述する還元ガス生成部３０に対して着脱自在に設けられている。
【００３３】
なお、カルバミン酸アンモニウムは、アンモニアを基調とする還元剤の一種であり、常温で固体状をなし摂氏４０度前後でガス化する特性を有している。また、従来から使用されている炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）などの還元剤に比べて遙かに強い還元作用を有するため、比較的低温度でもＮＯｘ を高い浄化効率で浄化できるといった利点を備えている。
【００３４】
なお、主還元剤貯蔵タンク２０を還元ガス生成部３０に対して着脱自在に設ける理由としては、内部に貯蔵されるカルバミン酸アンモニウムを使い尽くしたとき、新規カルバミン酸アンモニウムを貯蔵した新品の主還元剤貯蔵タンク２０と使用後の空の主還元剤貯蔵タンクとを容易に交換できるようにするためである。即ち、主還元剤貯蔵タンク２０は、カートリッジ式になっている。
【００３５】
還元ガス生成部３０は、主還元剤貯蔵タンク２０に連結し主還元剤貯蔵タンク２０内に貯蔵される還元剤のガス化を促す加熱室３１と、該加熱室３１を取り囲むように設けられた外壁３２と、を有する。また、加熱室３１と外壁３２との間には、機関冷却水の循環経路となるウォータジャケット（図示せず）に通じた空間３３が形成され、機関燃焼により暖められた機関冷却水がこの空間３３内に流れ込むことにより、加熱室３１内の室内温度が昇温する仕組みとなっている。
【００３６】
また、ウォータジャケットと還元ガス生成部３０（空間３３）との間には、該還元ガス生成部３０に対する機関冷却水の流れ込みを規制する機関冷却水制御弁３４が設けられている（図１参照）。そして、この機関冷却水制御弁３４の開閉動作をＥＣＵ１５にて制御することにより、加熱室３１内に流れ込む機関冷却水の流量を制御して加熱室３１内の室内温度を任意に調節できるようにしている。
【００３７】
そして、機関冷却水制御弁３４を開弁して、機関燃焼により暖められた機関冷却水を還元ガス生成部３０（空間３３）に導くと、該加熱室３１内の室内温度が昇温するため加熱室３１に連通した主還元剤貯蔵タンク２０内のカルバミン酸アンモニウムがガス化する。なお、以下の説明では、ガス化されたカルバミン酸アンモニウムを単に還元ガスと称することもある。
【００３８】
副還元剤貯蔵タンク４０は、還元剤たるガス状のカルバミン酸アンモニウムを貯蔵するタンク本体４１と、該タンク本体４１を取り囲むように設けられた断熱部材４２と、タンク本体４１内の圧力を検知する圧力センサ４３（圧力検知手段）と、を有し、タンク本体４１と上記した還元ガス生成部３０とは、連結管６０を介して互いに連結されている。したがって、還元ガス生成部３０でガス化されたカルバミン酸アンモニウムは、連結管６０を経て副還元剤貯蔵タンク４０に流れ込み、副還元剤貯蔵タンク４０に一旦貯蔵される。
【００３９】
還元剤添加弁５０は、ＮＯｘ 触媒９上流側の排気管１０に設けられ、ＥＣＵ１５からの還元剤供給命令を受けて、前記副還元剤貯蔵タンク４０に貯蔵された還元ガスを、ＮＯｘ 触媒９上流側の排気管１０に添加する。
【００４０】
還元剤添加弁５０は、弁体５１、及び弁体５１を支持するガイド５２などにて構成されるノズル部５３と、該ノズル部５３に設けられる弁体５１の開閉を行うソレノイド５４と、前記連結管６０に接続し副還元剤貯蔵タンク４０に貯蔵される還元ガスをノズル部５３に導く導入通路５５と、を有してなり、副還元剤貯蔵タンク４０に貯蔵される還元ガスは、導入通路５５を流下してノズル部５３に導かれる。そして、還元ガスは、ソレノイド５４による弁体５１の開閉制御によって、適切量且つ適宜のタイミングにて排気管１０に添加される仕組みとなっている。
【００４１】
また、弁体５１を開閉させるソレノイド５４は、ＥＣＵ１５によってデューティ比制御され、開弁電圧の印可時に弁体５１を開弁させて副還元剤貯蔵タンク４０内の還元ガスを排気管１０に添加するようにしている。なお、副還元剤貯蔵タンク４０の内部圧力は、常時、排気管１０内の排圧に比べて高く維持されており、還元ガスの添加時には、この圧力差を利用して還元ガスの添加をなし得るようにしている。副還元剤貯蔵タンク４０の圧力調節に関しては、次の還元剤供給制御の説明において詳述する。
【００４２】
＜還元剤供給装置の制御＞
以下、上記した還元剤供給装置に係る還元剤供給制御について説明する。
エンジン１の運転開始（機関燃焼の開始）に伴い機関冷却水の温度が摂氏４０度前後に達すると、ＥＣＵ１５では、主還元剤貯蔵タンク２０に貯蔵される還元剤のガス化を図るために、まず、機関冷却水制御弁３４を開弁して還元ガス生成部３０に機関冷却水を導き入れる。
【００４３】
そして、機関冷却水によって加熱室３１内の空間温度が、摂氏４０度前後に達すると還元ガス生成部３０に連通した主還元剤貯蔵タンク２０内のカルバミン酸アンモニウムが一部ガス化して、連結路６０を経て副還元剤貯蔵タンク４０に充填される。
【００４４】
また、このときＥＣＵ１５では、副還元剤貯蔵タンク４０に充填された還元ガスの充填量を圧力センサ４３の出力値を基づき把握しており、圧力センサ４３にて検出される副還元剤貯蔵タンク４０内の圧力が所定値に達したとき、還元ガスの充填量が規定量に達したとみなし、前記機関冷却水制御弁３４を閉弁して、カルバミン酸アンモニウムのガス化を一時中断するようにしている。
【００４５】
ここで所定値とは、各種予備実験により求められた値であり、例えば、副還元剤貯蔵タンク４０の最大許容圧力、排気管１０内の平均排圧、単位時間当たりにおける還元ガスの消費量等を考慮して任意に設定される値である。
【００４６】
またなお、ＥＣＵ１５では、圧力センサ４３にて検出される副還元剤貯蔵タンク４０の圧力が、所定時間経過した後においても上昇しないときに主還元剤貯蔵タンク２０内に貯蔵されているカルバミン酸アンモニウムが尽きたとして、車内に設けられるインジケータパネル１８に警告ランプ１９を点灯させ、運転者にその旨を伝える。
【００４７】
また、ＥＣＵ１５では、ＮＯｘ の浄化を促すべく還元剤の供給制御を行うために、機関負荷、機関回転数、ＮＯｘ 濃度、触媒温度、還元ガスの充填圧力、などに基づいて還元剤の目標供給量を算出し、該算出された目標供給量に見合う還元剤を適宜のタイミングにてＮＯｘ 触媒９に添加するように還元剤添加弁５０におけるソレノイド５４の制御を行っている。
【００４８】
還元剤添加弁５０の制御について詳述すると、ＥＣＵ１５には、上記の如くエアフロメータ７からの出力信号、及びＮＯｘ センサ１１からの出力信号が入力ポート及びＡ／Ｄ変換器を介して入力されている。そして、ＥＣＵ１５では、エアフロメータ７にて検出される空気吸入量と、ＮＯｘ センサ１１にて検出されるＮＯｘ 濃度から、単位時間当たりに排出されるＮＯｘ の排出量を演算して、該演算されたＮＯｘ 排出量に見合う還元剤の目標供給量を設定している（還元剤供給量算出手段）。
【００４９】
また、ＥＣＵ１５には、副還元剤貯蔵タンク４０に設けられた圧力センサ４３からの出力信号、および排気管１０に設けられた入りガス圧センサ１２からの出力信号が入力されている。圧力センサ４３は、副還元剤貯蔵タンク４０の内部圧力に比例した出力電圧を出力し、入りガス圧センサ１２は、排気管１０内の排圧に比例した出力電圧を出力する。そして、ＥＣＵ１５では、これら各圧力センサ４３，１２からの出力値に基づいて、副還元剤貯蔵タンク４０の圧力と、排気管１０内の圧力（排圧）と、の間における圧力差を求めて、排気管１０に対する還元ガスの供給圧力を算出している。
【００５０】
また、ＥＣＵ１５では、この算出された還元ガスの供給圧力を考慮して、単位時間当たりにおける還元ガスの供給量が目標供給量となるように還元剤添加弁５０における弁体５１のデューティ比を演算し、該算出されたデューティ比に基づく還元剤添加弁５０のデューティ比制御を行う（添加弁制御手段）。尚、ここでデューティ比とは、単位時間当たりにおける弁体５１の開閉回数を意味している。したがって、デューティ比制御では、単位時間当たりにおける弁体５１の開閉回数を増加させるほど、より多くの還元ガスが排気管１０に供給されることとなる。
【００５１】
すなわち、還元ガスの供給圧力が高いときには、単位時間当たりにおける還元ガスの供給量が必然的に増加するためデューティ比を小さく設定し、逆に還元ガスの供給圧力が低いときには、単位時間当たりにおける還元ガスの供給量が減少するためデューティ比を大きく設定している。
【００５２】
また、ＥＣＵ１５には、排気温度センサ１３からの出力信号が入力されている。排気温度センサ１３は、排気ガスの温度に比例した出力電圧を出力し、ＮＯｘ 触媒９の触媒温度の把握に用いられる。そして、ＥＣＵ１５では、排気温度センサ１３にて把握される触媒温度が、ＮＯｘ を浄化し得る活性化温度に達したことを受けて、算出された目標供給量に見合う還元剤添加弁５０のデューティ制御を行い還元ガスをＮＯｘ 触媒９に添加する。
【００５３】
また、ＥＣＵ１５には、還元剤センサ１４からの出力信号が入力されている。そして、ＥＣＵ１５では、還元剤供給装置１６の故障などにより大量の還元剤が不本意に供給された場合、その還元剤を還元剤センサ１４にて感知して還元剤の供給を直ちに強制的に停止させる制御を行う。
【００５４】
一方、副還元剤貯蔵タンク４０に貯蔵される還元ガスは、還元剤添加弁５０からの添加によって消費され、時間の経過と共にその残量は減少していく。そこでＥＣＵ１５では、副還元剤貯蔵タンク４０に貯蔵される還元ガスを切らさないように、副還元剤貯蔵タンク４０内における還元ガスの残量を常時把握して、その残量が少なくなった時には、副還元剤貯蔵タンク４０に還元ガスを補給する還元ガス補給制御を行っている。
【００５５】
ＥＣＵ１５にて還元ガスの残量を把握するには、上記した圧力センサ４３の出力信号を利用して残量を把握している。すなわち、副還元剤貯蔵タンク４０内の還元ガスが消費されると、副還元剤貯蔵タンク４０の内部圧力も低下する。したがって、圧力センサ４３の出力値を監視することにより副還元剤貯蔵タンク４０内の残量を把握できる（残量検出手段）。
【００５６】
そして、ＥＣＵ１５では、圧力センサ４３にて検知される副還元剤貯蔵タンク４０内の圧力（還元ガスの充填圧力）が所定値未満になったことを受けて、前記機関冷却水制御弁３４を開弁して加熱室３１を加熱し、主還元剤貯蔵タンク２０に貯蔵されるカルバミン酸アンモニウムを新たにガス化させる。その結果、新たにガス化されたカルバミン酸アンモニウムが副還元剤貯蔵タンク４０内に流れ込み副還元剤貯蔵タンク４０内に還元ガスが補給されることになる。
【００５７】
なお、ここで所定値とは任意に設定可能な値であるが、好ましくは、排圧に対して十分に大きい値とするのが望ましい。即ち、還元ガスの充填圧力を高くしておくことにより、排気管１０に対する還元ガスの拡散が良好になる他、排圧の変化に対する単位時間当たりの供給量も安定する。
【００５８】
なお、副還元剤貯蔵タンク４０の内部圧力が所定値以上になった場合には、上記したように機関冷却水制御弁３４を閉弁して、カルバミン酸アンモニウムのガス化を停止させる。
【００５９】
このように本発明の還元剤供給装置１６では、還元剤添加弁５０からの添加をなし得るように固体状の還元剤をガス化して副還元剤貯蔵タンク４０に予め貯蔵・準備しておき、ＥＣＵ１５からの還元剤添加命令に対して即座に対応できるようにしている。
【００６０】
なお、上記した各説明は、あくまでも本発明の一実施形態にすぎず、詳細は任意に変更可能である。例えば、ＥＣＵ１５にてＮＯｘ の排出量を算出する場合には、ＥＣＵ１５にＮＯｘ 排出量マップを準備しておき、該マップを利用してＮＯｘ 排出量の算出を行わせてもよい。
【００６１】
なお、ＮＯｘ 排出量マップは、機関負荷と機関回転数とをパラメータとして、これらパラメータと各種予備実験により求められた単位時間当たりにおけるＮＯｘ 排出量との関係をマップ化したものである。従って、図示しないアクセル開度センサの出力信号、及びクランク角センサからの出力信号をＥＣＵ１５に入力してＮＯｘ 排出量マップに照らし合わせると、単位時間当たりにおけるＮＯｘ 排出量を算出できる。
【００６２】
尚、アクセル開度センサは、アクセル開度に比例した出力電圧をＥＣＵ１５に出力し、その出力電圧は機関負荷の演算に用いられる。一方、クランク角センサは、エンジン１の図示しないクランクシャフトが一定角度回転する毎に出力パルスをＥＣＵ１５に出力し、その出力パルスは機関回転数の演算に用いられている。
【００６３】
また、上記した例では、還元剤添加弁５０に作用する還元剤の供給圧力を、入りガス圧センサ１２の出力値と圧力センサ４３の出力値とによって求めているが、排気管１０内の圧力は、機関負荷及び機関回転数をパラメータとして作成した排圧マップにより推測できる。従って、圧力センサ４３の出力値と排圧マップ上で算出された排圧とによって、還元剤の供給圧力を算出するようにしてもよい。
【００６４】
また、上記した例では、入りガス圧センサ１２の出力値と圧力センサ４３の出力値とを考慮して、還元剤添加弁５０におけるデューティ比制御を行っているが、副還元剤貯蔵タンク４０に対する還元ガスの貯蔵圧力を排気管１０内の圧力に対して十分に大きくすると、排圧の影響による単位時間当たりの還元剤供給量の変動を相対的に小さくできる。即ち、副還元剤貯蔵タンク４０に対する還元ガスの貯蔵圧力を十分に大きく設定した場合には、副還元剤貯蔵タンク４０の圧力のみを考慮して還元剤添加弁５０のデューティ比制御を行ってもよい。
【００６５】
また、上記した例では、ガス化された還元剤をそのままの形態で副還元剤貯蔵タンク４０内に貯蔵しているが、生成された還元剤を圧縮及び冷却して体積を減少させ副還元剤貯蔵タンク４０に貯蔵しても構わない。すなわち、還元ガスを圧縮して副還元剤貯蔵タンク４０に貯蔵することにより、さらなる装置の小型化を図れる。例えばこの場合、副還元剤貯蔵タンク４０の容積を機械的に減少させて還元ガスの圧縮を行い、還元剤貯蔵タンク４０の周囲に冷却フィンなどを設けて還元ガスの冷却を図るなどの方法を例示できる。
【００６６】
また、副還元剤貯蔵タンク４０内にアンモニア吸蔵合金を収容しておき、該アンモニア吸蔵合金に還元ガスを吸蔵させた状態で、副還元剤貯蔵タンク４０内に還元ガスを貯蔵してもよい。なお、アンモニア吸蔵合金は、還元ガスと結合して還元ガスを貯蔵するため、副還元剤貯蔵タンク４０内に、より高密度に還元ガスを貯蔵できる。
【００６７】
また、上記した例では固体状の還元剤をガス化させ副還元剤貯蔵タンク４０に貯蔵しているが、還元ガス発生部３０の温度を還元剤の液化に抑える程度まで低下せしめ、固体状の還元剤を液化した状態にて副還元剤貯蔵タンク４０内に貯蔵するようにしてもよい。すなわち、副還元剤貯蔵タンク４０に貯蔵される還元剤の形態は、還元剤添加弁５０より即座に添加可能な形態であればよい。
【００６８】
また、上記した例では、固体状の還元剤としてカルバミン酸アンモニウムを適用したが、勿論、尿素ＣＯ（ＮＨ２ ）２などの他の物質を還元剤として採用してもよい。なお、尿素など比較的高温にてガス化する還元剤を採用した場合には、還元ガス発生部３０を電気ヒータなどにて構成して、還元剤のガス化を行ってもよい。また、機関潤滑油の熱を利用して加熱してもよい。
【００６９】
次に、このような構成の還元剤供給装置を採用したエンジンの作用効果について述べる。
前述したように、ＥＣＵ１５は、ＮＯｘ の排出量に応じた還元剤添加弁５０のデューティ比制御を行い、目標供給量に見合った還元剤を適宜のタイミングにてＮＯｘ 触媒９に添加する。このとき本発明の還元剤供給装置１６では、固体状のカルバミン酸アンモニウムを還元ガス発生部３０にて加熱ガス化して、予め副還元剤貯蔵タンク４０内に貯蔵・準備しているため、還元剤の添加命令に即座に対応できる。また、副還元剤貯蔵タンク４０内に還元ガスを常時貯蔵しているため、大量の還元剤を要する場合においても、安定した還元剤の供給を行える。
【００７０】
また、還元剤添加弁５０におけるデューティ比制御は、還元剤の供給圧力を考慮して制御されている。しかも、ガス化された還元剤は、副還元剤貯蔵タンク４０内に一時期貯蔵された後に添加されるため、還元剤添加弁５０に対する還元ガスの供給圧力は常に安定している。従って、ＥＣＵ１５では、還元剤添加弁５０におけるデューティ比制御を容易になしえ、目標供給量に見合った還元剤を確実にＮＯｘ 触媒９に供給できる。
【００７１】
また、還元ガスの残量は、副還元剤貯蔵タンク４０内の圧力変化を利用してＥＣＵ１５にて把握されている。このためＥＣＵ１５では、還元ガスの残量に基づいて固体状還元剤のガス化を制御でき、必要以上に還元剤をガス化させることもない。従って、還元剤供給装置１６内に大きな容積を確保せずとも安定した還元剤の供給をなし得る。
【００７２】
このように本発明の還元剤供給装置１６を採用したエンジンでは、適切量、且つ適宜のタイミングにて還元剤の供給がなされるため、ＮＯｘ 触媒９におけるＮＯｘ の浄化効率を飛躍的に高めることができる。また、還元剤供給装置１６内に大きな容積を確保せずとも安定した還元剤の添加をなし得るため、装置本体を小型化に製作でき車両への搭載性を大幅に向上させることができる。
【００７３】
なお、上記したエンジン１では、ＮＯｘ を浄化する触媒として、選択還元型ＮＯｘ 触媒を適用しているが、本発明の還元剤供給装置１６は、勿論、吸蔵還元型ＮＯｘ 触媒にも有用である。なお、吸蔵還元型ＮＯｘ 触媒とは、酸素過剰雰囲気下でＮＯｘ を吸蔵し、酸素濃度が低下したときに吸蔵したＮＯｘ を放出して還元浄化せしめる触媒である。
【００７４】
また、上記した実施の形態では、ディーゼルエンジンを例として説明したが、本発明の還元剤供給装置１６は、ディーゼルエンジンのみならず、希薄燃焼可能なリーンバーンガソリンエンジンなどにおいても、極めて有用である。
【００７５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、還元剤の供給命令に対して、遅延することなく即座に所定量の還元剤を供給し得る内燃機関の還元剤供給装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る還元剤供給装置を採用したディーゼルエンジンの概略構成図である。
【図２】本実施の形態に係る還元剤供給装置の概略構成図。
【符号の説明】
１ ディーゼルエンジン（エンジン）
２ 燃焼室
３ ピストン
４ シリンダ
５ シリンダヘッド
６ 燃料噴射弁
７ エアフローメータ
８ 吸気管
９ 選択還元型ＮＯｘ 触媒（ＮＯｘ 触媒）
１０ 排気管
１１ ＮＯｘ センサ
１２ 入りガス圧センサ
１３ 排気温度センサ
１４ 還元剤センサ
１５ エンジンコントロール用電子制御ユニット（ＥＣＵ）
１６ 還元剤供給装置
１８ インジケータパネル
１９ 警告ランプ
２０ 主還元剤貯蔵タンク
２１ タンク本体
２２ 断熱部材
３０ 還元ガス生成部
３１ 加熱室
３２ 外壁
３３ 空間
３４ 機関冷却水制御弁
４０ 副還元剤貯蔵タンク
４１ タンク本体
４２ 断熱部材
４３ 圧力センサ
５０ 還元剤添加弁
５１ 弁体
５２ ガイド
５３ ノズル部
５４ ソレノイド
５５ 導入通路
６０ 連結管
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の還元剤供給装置に関し、より詳細には、内燃機関より排出される窒素酸化物（ＮＯｘ ）を浄化するＮＯｘ 触媒に、還元剤を供給する還元剤供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気系に設けられ該内燃機関より排出される窒素酸化物（以下、単にＮＯｘ と称す ）を浄化するＮＯｘ 触媒に、還元剤を供給する還元剤供給装置として、例えば、特開平５−２７２３３１号公報に開示される還元剤供給装置を例示できる。
【０００３】
この特開平５−２７２３３１号公報に開示される還元剤供給装置では、低温においても高い浄化率でＮＯｘ を還元し得る尿素ＣＯ（ＮＨ２ ）２ を還元剤に採用し、該尿素をＮＯｘ 触媒に供給して排気中に含まれるＮＯｘ の浄化を促している。
【０００４】
より詳しくは、エンジンコントロール用電子制御ユニット（以下、単にＥＣＵと称す）からの還元剤供給命令を受けて、収容タンクに収容された固体状の尿素を炉筒内にて加熱ガス化させた後、該ガス化された尿素を機関排気通路におけるＮＯｘ 触媒上流側に供給してＮＯｘ の浄化を促している。
【０００５】
ところで、固体状の還元剤は、気体状の還元剤および液体状の還元剤に比べて体積が小さく車両搭載性に優れるものの、そのままの状態では粒子が大きくＮＯｘ 触媒に供給できない。そこで、上記した還元剤供給装置のように固体状の還元剤を炉筒内にて加熱ガス化して、ＮＯｘ 触媒に供給できる状態（変態）にする必要がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の還元剤供給装置では、ＥＣＵからの還元剤供給命令を受けた後、還元剤をガス化してＮＯｘ 触媒に供給するため、還元剤供給命令に遅れて還元剤の供給がなされることもあった。
【０００７】
とりわけ、固体状尿素を主成分とする還元剤は、ガス化に時間がかかるばかりか、適宜のタイミングを外してＮＯｘ 触媒に供給されると、ＮＯｘ と反応せずに大気に放出され異臭を放つ虞もある。このため還元剤供給命令に対して即座に対応できる還元剤供給装置の開発が急がれている。
【０００８】
また、要求される還元剤の供給量が、炉筒内にて生成される還元ガス（還元剤）の生成量を凌ぐ場合には還元ガスの供給が追いつかず、適量の還元剤をＮＯｘ 触媒に供給できなかった。従って、ＮＯｘ 触媒におけるＮＯｘ の浄化率が大幅に低下することになり排気エミッションの低下を招く虞もある。
【０００９】
また、従来の還元剤供給装置では、炉筒内にて生成された還元ガスを直に排気通路に供給するため還元剤の供給圧力が安定せず、要求された供給量に見合う適量の還元剤をＮＯｘ 触媒に供給できなかった。
【００１０】
よって本発明は、還元剤の供給命令に対して、遅延することなく即座に所定量の還元剤を供給し得る内燃機関の還元剤供給装置を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記した技術的課題を解決するため、本発明では、以下の手段を採用した。すなわち、
内燃機関の排気系に設けられ該内燃機関より排出される窒素酸化物を浄化するＮＯx 触媒に、還元剤を供給する還元剤供給装置であって、
固体状の還元剤を貯蔵する主還元剤貯蔵手段と、
前記主還元剤貯蔵手段に貯蔵された固体状の還元剤をガス化することにより該還元剤を流動化させる還元剤流動化手段と、
前記還元剤流動化手段によって流動化された還元剤を一時期貯蔵する副還元剤貯蔵手段と、
機関本体の運転状態に基づき前記ＮＯx 触媒に供給する還元剤の供給量を算出する還元剤供給量算出手段と、
前記副還元剤貯蔵手段に貯蔵される還元剤を、前記還元剤供給量算出手段によって算出された供給量に基づき前記内燃機関の排気系におけるＮＯx 触媒上流に添加する還元剤添加手段と、
を有し、
前記副還元剤貯蔵手段は、該副還元剤貯蔵手段に貯蔵されている還元剤の残量を算出する残量算出手段と、前記流動化された還元剤を一時期貯蔵する副還元剤貯蔵室と、この副還元剤貯蔵室内の圧力を検知する圧力検知手段と、を備え、
前記還元剤流動化手段は、前記残量算出手段によって算出される残量が所定値未満になったことを受けて、前記主還元剤貯蔵手段に貯蔵される固体状の還元剤を流動化して前記副還元剤貯蔵手段に補給し、
前記残量算出手段は、前記圧力検知手段によって検知される圧力が高いとき、還元剤の残量を多いと判断し、前記圧力検知手段によって検知される圧力が低いとき、還元剤の残量を少ないと判断することを特徴とする。
【００１２】
このような手段を採用する本発明によれば、還元剤流動化手段によって添加可能に流動性を持たされた還元剤を、副還元剤貯蔵手段に予め準備、貯蔵しているため、還元剤の供給命令に対して即座に還元剤を供給できる。また、副還元剤貯蔵タンク４０内に還元ガスを常時貯蔵しているため、大量の還元剤を要する場合においても安定した還元剤の供給を行える。尚、還元剤の流動化とは、還元剤添加手段による還元剤の添加時に、該添加された還元剤の拡散を容易にするための行為である。すなわち、本発明で流動化とは、ガス化、液化、ゲル化、粉体化などの行為を総称して流動化と称している。
【００１３】
なお、還元剤流動化手段は、固体状の還元剤をガス化して該還元剤に流動性を持たせる。すなわち、固体状の還元剤をガス化して、還元剤添加手段による添加時に、該添加された還元剤の拡散を良好にしている。
【００１４】
また、前記副還元剤貯蔵手段は、該副還元剤貯蔵手段に貯蔵されている還元剤の残量を算出する残量算出手段を備え、前記還元剤流動化手段は、前記残量算出手段によって算出される残量が所定値未満になったことを受けて、前記主還元剤貯蔵手段に貯蔵される固体状の還元剤を流動化して副還元剤貯蔵手段に補給する。
【００１５】
すなわち、この手段では、副還元剤貯蔵手段に貯蔵される還元剤の残量が少なくなったとき、固体状の還元剤を新たに流動化させて副還元剤貯蔵手段に補給している。よって、固体状の還元剤を不必要に流動化させることなく、常に、副還元剤貯蔵手段に還元剤を確保できる。なお、固体状の還元剤は、通常、ガス化、液化などに伴い体積が増加する。従って、固体状の還元剤を不必要に流動化させると、その分、装置内における還元剤の貯蔵手段の容量を増やす必要があり、装置の大型化につながる。このため上記したように必要量のみを流動化させることによって、装置の大型化を最小限にとどめることができる。尚、所定値とは、ゼロを除く数値であり、経験則などに基づき任意に設定可能な値である。
【００１６】
また、前記副還元剤貯蔵手段は、前記流動化された還元剤を一時期貯蔵する副還元剤貯蔵室と、この副還元剤貯蔵室内の圧力を検知する圧力検知手段と、を備え、前記残量算出手段は、前記圧力検知手段によって検知される圧力が高いとき、還元剤の残量を多いと判断し、前記圧力検知手段によって検知される圧力が低いとき、還元剤の残量を少ないと判断する。すなわち、副還元剤貯蔵室内の圧力変化に基づいて、副還元剤貯蔵室内に貯蔵される還元剤の残量を把握するようにしている。
【００１７】
また、前記還元剤添加手段は、前記ＮＯx 触媒上流の排気系に設けられ開弁時に前記副還元剤貯蔵室に貯蔵される還元剤を前記ＮＯx 触媒上流に添加する還元剤添加弁と、前記圧力検知手段によって検知される圧力に基づいて前記還元剤添加弁の開弁時間を制御する添加弁制御手段と、を有する構成としてもよい。
【００１８】
すなわち、この手段では、副還元剤貯蔵室内の圧力を圧力検知手段によって検知することにより、還元剤添加弁に作用する還元剤の供給圧力を把握している。そして、還元剤添加弁からＮＯｘ 触媒に供給される還元剤の供給量を常に目標値になるように制御している。したがって、副還元剤貯蔵室内の圧力が変動しても、要求された供給量に見合う還元剤をＮＯｘ 触媒に供給できる。
【００１９】
なお、前記添加弁制御手段は、前記副還元剤貯蔵室内の圧力が高いとき、前記還元剤添加弁の開弁時間を短くし、前記副還元剤貯蔵内の圧力が低いとき、前記還元剤添加弁の開弁時間を長くするようにしてもよい。
【００２０】
即ち、副還元剤貯蔵室内の圧力が高いときには、単位時間当たりにおける還元剤の供給量が増加するため開弁時間を短くし、逆に、副還元剤貯蔵室内の圧力が低いときには、単位時間当たりにおける還元剤の供給量が減少するため開弁時間を長くして、還元剤添加弁より添加される還元剤の供給量を目標値となるように維持している。
【００２１】
また、前記ＮＯｘ 触媒は、還元剤の存在下で、窒素酸化物を分解又は還元せしめる選択還元型ＮＯｘ 触媒とするのが望ましい。また、固体状の還元剤は、前記還元剤流動化手段によるガス化時に、アンモニアを基調とする還元ガスを生成する還元剤とするのが望ましい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の還元剤供給装置に係わる好適な実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明の還元剤供給装置を車両用ディーゼルエンジンに適用した形態である。
【００２３】
＜内燃機関の概要＞
初めに、本発明の還元剤供給装置を説明するに先立ち、この還元剤供給装置が装備されるディーゼルエンジンについて図１を参照して説明する。
【００２４】
ディーゼルエンジン１（以下、単にエンジンと称す）は、ピストン３、シリンダ４、シリンダヘッド５などにて構成される燃焼室２と、該燃焼室２に機関燃料を供給する燃料噴射弁６と、を有する。また、燃焼室２には、空気吸入量を測定するエアフローメータ７を備えた吸気管８が接続されて、燃焼室２内では、該吸気管８を経て導入された空気と、燃料噴射弁６により供給される機関燃料と、が混合されて自己着火による機関燃焼が行われている。
【００２５】
一方、燃焼室２内での機関燃焼に伴い生成される排気ガスは、燃焼室２に接続され経路途中に選択還元型ＮＯｘ 触媒９、および消音器（図示せず）を備える排気管１０を経て大気に排気される。なお、以下の説明では、選択還元型ＮＯｘ 触媒を単にＮＯｘ 触媒と称することもある。
【００２６】
排気管１０に設けられる選択還元型ＮＯｘ 触媒９は、主として排気中の窒素酸化物（以下、単にＮＯｘと称す ）を効果的に浄化せしめる触媒であり、還元剤の存在下で、ＮＯｘ を還元または分解して浄化する触媒である。
【００２７】
なお、選択還元型ＮＯｘ 触媒９としては、ゼオライトにＣｕ等の遷移金属をイオン交換にて担持させてなる触媒、ゼオライト又はアルミナに貴金属を担持させてなる触媒、チタニウムにバナジウムを担持させてなる触媒、等を例示できる。
【００２８】
また、排気管１０におけるＮＯｘ 触媒９上流側には、ＮＯｘ センサ１１、入りガス圧センサ１２、排気温度センサ１３等が設けられ、また、ＮＯｘ 触媒９下流側には、還元剤センサ１４が設けられている。ＮＯｘ センサ１１は、排気ガス中のＮＯｘ 濃度を測定するセンサである。入りガス圧センサ１２は、排気管１０内の管内圧力（排圧）を測定するセンサである。また、排気温度センサ１３は、ＮＯｘ 触媒９に流入する排気ガスの温度を測定するセンサである。還元剤センサ１４は、排気ガス中における還元剤の濃度を測定するセンサである。そして、各種センサは、後述するエンジンコントロール用電子制御ユニット１５の入力ポートに接続されている。
【００２９】
また、エンジン１は、エンジンコントロール用電子制御ユニット１５（以下、単にＥＣＵ１５と称する）によって、運転状態に見合った制御がなされている。ＥＣＵ１５は、双方向性バスによって相互に接続されたＲＯＭ（リード・オンリ・メモリ）、ＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）、ＣＰＵ（セントラルプロセッサユニット）、入力ポート、出力ポート、Ａ／Ｄコンバータ等を有してなり、入力ポートに入力される各種センサからの出力信号に基づき、ＲＯＭ上に展開された各種制御マップを参照して、例えば、燃料噴射弁５における燃料噴射制御などを行っている。また、本発明では、還元剤供給装置１６の制御をも同時に行っている。
【００３０】
そして、本発明では、エンジン１の機関燃焼に伴い排出される排気ガス中のＮＯｘ をＮＯｘ 触媒９にて浄化せしめるために、該ＮＯｘ 触媒９に対して還元剤たるアンモニアガス（ＮＨ３ ）を供給する還元剤供給装置１６を設けている。
以下、本発明の主旨となる還元剤添加装置１６について、図２を参照して詳細に説明する。
【００３１】
＜還元剤供給装置の構造＞
まず初めに、還元剤供給装置１６の構造について説明する。
還元剤供給装置１６は、固体状の還元剤を内部に貯蔵する主還元剤貯蔵タンク２０（主還元剤貯蔵手段）と、この主還元剤貯蔵タンク２０に貯蔵された固体状の還元剤を加熱して還元ガスを生成する還元ガス生成部３０（還元剤流動化手段）と、還元ガス生成部３０によって生成された還元ガスを一時期貯蔵する副還元剤貯蔵タンク４０（副還元剤貯蔵手段）と、副還元剤貯蔵タンク４０に貯蔵された還元ガスをＥＣＵ１５からの還元剤供給命令に応じてＮＯｘ 触媒９に添加する還元剤添加弁５０（還元剤添加手段）と、を有してなる。
【００３２】
主還元剤貯蔵タンク２０は、還元剤たる固体状のカルバミン酸アンモニウムを内部に収容するタンク本体２１と、タンク本体２１を取り囲むように設けられた断熱部材２２と、を有してなり、後述する還元ガス生成部３０に対して着脱自在に設けられている。
【００３３】
なお、カルバミン酸アンモニウムは、アンモニアを基調とする還元剤の一種であり、常温で固体状をなし摂氏４０度前後でガス化する特性を有している。また、従来から使用されている炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）などの還元剤に比べて遙かに強い還元作用を有するため、比較的低温度でもＮＯｘ を高い浄化効率で浄化できるといった利点を備えている。
【００３４】
なお、主還元剤貯蔵タンク２０を還元ガス生成部３０に対して着脱自在に設ける理由としては、内部に貯蔵されるカルバミン酸アンモニウムを使い尽くしたとき、新規カルバミン酸アンモニウムを貯蔵した新品の主還元剤貯蔵タンク２０と使用後の空の主還元剤貯蔵タンクとを容易に交換できるようにするためである。即ち、主還元剤貯蔵タンク２０は、カートリッジ式になっている。
【００３５】
還元ガス生成部３０は、主還元剤貯蔵タンク２０に連結し主還元剤貯蔵タンク２０内に貯蔵される還元剤のガス化を促す加熱室３１と、該加熱室３１を取り囲むように設けられた外壁３２と、を有する。また、加熱室３１と外壁３２との間には、機関冷却水の循環経路となるウォータジャケット（図示せず）に通じた空間３３が形成され、機関燃焼により暖められた機関冷却水がこの空間３３内に流れ込むことにより、加熱室３１内の室内温度が昇温する仕組みとなっている。
【００３６】
また、ウォータジャケットと還元ガス生成部３０（空間３３）との間には、該還元ガス生成部３０に対する機関冷却水の流れ込みを規制する機関冷却水制御弁３４が設けられている（図１参照）。そして、この機関冷却水制御弁３４の開閉動作をＥＣＵ１５にて制御することにより、加熱室３１内に流れ込む機関冷却水の流量を制御して加熱室３１内の室内温度を任意に調節できるようにしている。
【００３７】
そして、機関冷却水制御弁３４を開弁して、機関燃焼により暖められた機関冷却水を還元ガス生成部３０（空間３３）に導くと、該加熱室３１内の室内温度が昇温するため加熱室３１に連通した主還元剤貯蔵タンク２０内のカルバミン酸アンモニウムがガス化する。なお、以下の説明では、ガス化されたカルバミン酸アンモニウムを単に還元ガスと称することもある。
【００３８】
副還元剤貯蔵タンク４０は、還元剤たるガス状のカルバミン酸アンモニウムを貯蔵するタンク本体４１と、該タンク本体４１を取り囲むように設けられた断熱部材４２と、タンク本体４１内の圧力を検知する圧力センサ４３（圧力検知手段）と、を有し、タンク本体４１と上記した還元ガス生成部３０とは、連結管６０を介して互いに連結されている。したがって、還元ガス生成部３０でガス化されたカルバミン酸アンモニウムは、連結管６０を経て副還元剤貯蔵タンク４０に流れ込み、副還元剤貯蔵タンク４０に一旦貯蔵される。
【００３９】
還元剤添加弁５０は、ＮＯｘ 触媒９上流側の排気管１０に設けられ、ＥＣＵ１５からの還元剤供給命令を受けて、前記副還元剤貯蔵タンク４０に貯蔵された還元ガスを、ＮＯｘ 触媒９上流側の排気管１０に添加する。
【００４０】
還元剤添加弁５０は、弁体５１、及び弁体５１を支持するガイド５２などにて構成されるノズル部５３と、該ノズル部５３に設けられる弁体５１の開閉を行うソレノイド５４と、前記連結管６０に接続し副還元剤貯蔵タンク４０に貯蔵される還元ガスをノズル部５３に導く導入通路５５と、を有してなり、副還元剤貯蔵タンク４０に貯蔵される還元ガスは、導入通路５５を流下してノズル部５３に導かれる。そして、還元ガスは、ソレノイド５４による弁体５１の開閉制御によって、適切量且つ適宜のタイミングにて排気管１０に添加される仕組みとなっている。
【００４１】
また、弁体５１を開閉させるソレノイド５４は、ＥＣＵ１５によってデューティ比制御され、開弁電圧の印可時に弁体５１を開弁させて副還元剤貯蔵タンク４０内の還元ガスを排気管１０に添加するようにしている。なお、副還元剤貯蔵タンク４０の内部圧力は、常時、排気管１０内の排圧に比べて高く維持されており、還元ガスの添加時には、この圧力差を利用して還元ガスの添加をなし得るようにしている。副還元剤貯蔵タンク４０の圧力調節に関しては、次の還元剤供給制御の説明において詳述する。
【００４２】
＜還元剤供給装置の制御＞
以下、上記した還元剤供給装置に係る還元剤供給制御について説明する。
エンジン１の運転開始（機関燃焼の開始）に伴い機関冷却水の温度が摂氏４０度前後に達すると、ＥＣＵ１５では、主還元剤貯蔵タンク２０に貯蔵される還元剤のガス化を図るために、まず、機関冷却水制御弁３４を開弁して還元ガス生成部３０に機関冷却水を導き入れる。
【００４３】
そして、機関冷却水によって加熱室３１内の空間温度が、摂氏４０度前後に達すると還元ガス生成部３０に連通した主還元剤貯蔵タンク２０内のカルバミン酸アンモニウムが一部ガス化して、連結路６０を経て副還元剤貯蔵タンク４０に充填される。
【００４４】
また、このときＥＣＵ１５では、副還元剤貯蔵タンク４０に充填された還元ガスの充填量を圧力センサ４３の出力値を基づき把握しており、圧力センサ４３にて検出される副還元剤貯蔵タンク４０内の圧力が所定値に達したとき、還元ガスの充填量が規定量に達したとみなし、前記機関冷却水制御弁３４を閉弁して、カルバミン酸アンモニウムのガス化を一時中断するようにしている。
【００４５】
ここで所定値とは、各種予備実験により求められた値であり、例えば、副還元剤貯蔵タンク４０の最大許容圧力、排気管１０内の平均排圧、単位時間当たりにおける還元ガスの消費量等を考慮して任意に設定される値である。
【００４６】
またなお、ＥＣＵ１５では、圧力センサ４３にて検出される副還元剤貯蔵タンク４０の圧力が、所定時間経過した後においても上昇しないときに主還元剤貯蔵タンク２０内に貯蔵されているカルバミン酸アンモニウムが尽きたとして、車内に設けられるインジケータパネル１８に警告ランプ１９を点灯させ、運転者にその旨を伝える。
【００４７】
また、ＥＣＵ１５では、ＮＯｘ の浄化を促すべく還元剤の供給制御を行うために、機関負荷、機関回転数、ＮＯｘ 濃度、触媒温度、還元ガスの充填圧力、などに基づいて還元剤の目標供給量を算出し、該算出された目標供給量に見合う還元剤を適宜のタイミングにてＮＯｘ 触媒９に添加するように還元剤添加弁５０におけるソレノイド５４の制御を行っている。
【００４８】
還元剤添加弁５０の制御について詳述すると、ＥＣＵ１５には、上記の如くエアフロメータ７からの出力信号、及びＮＯｘ センサ１１からの出力信号が入力ポート及びＡ／Ｄ変換器を介して入力されている。そして、ＥＣＵ１５では、エアフロメータ７にて検出される空気吸入量と、ＮＯｘ センサ１１にて検出されるＮＯｘ 濃度から、単位時間当たりに排出されるＮＯｘ の排出量を演算して、該演算されたＮＯｘ 排出量に見合う還元剤の目標供給量を設定している（還元剤供給量算出手段）。
【００４９】
また、ＥＣＵ１５には、副還元剤貯蔵タンク４０に設けられた圧力センサ４３からの出力信号、および排気管１０に設けられた入りガス圧センサ１２からの出力信号が入力されている。圧力センサ４３は、副還元剤貯蔵タンク４０の内部圧力に比例した出力電圧を出力し、入りガス圧センサ１２は、排気管１０内の排圧に比例した出力電圧を出力する。そして、ＥＣＵ１５では、これら各圧力センサ４３，１２からの出力値に基づいて、副還元剤貯蔵タンク４０の圧力と、排気管１０内の圧力（排圧）と、の間における圧力差を求めて、排気管１０に対する還元ガスの供給圧力を算出している。
【００５０】
また、ＥＣＵ１５では、この算出された還元ガスの供給圧力を考慮して、単位時間当たりにおける還元ガスの供給量が目標供給量となるように還元剤添加弁５０における弁体５１のデューティ比を演算し、該算出されたデューティ比に基づく還元剤添加弁５０のデューティ比制御を行う（添加弁制御手段）。尚、ここでデューティ比とは、単位時間当たりにおける弁体５１の開閉回数を意味している。したがって、デューティ比制御では、単位時間当たりにおける弁体５１の開閉回数を増加させるほど、より多くの還元ガスが排気管１０に供給されることとなる。
【００５１】
すなわち、還元ガスの供給圧力が高いときには、単位時間当たりにおける還元ガスの供給量が必然的に増加するためデューティ比を小さく設定し、逆に還元ガスの供給圧力が低いときには、単位時間当たりにおける還元ガスの供給量が減少するためデューティ比を大きく設定している。
【００５２】
また、ＥＣＵ１５には、排気温度センサ１３からの出力信号が入力されている。排気温度センサ１３は、排気ガスの温度に比例した出力電圧を出力し、ＮＯｘ 触媒９の触媒温度の把握に用いられる。そして、ＥＣＵ１５では、排気温度センサ１３にて把握される触媒温度が、ＮＯｘ を浄化し得る活性化温度に達したことを受けて、算出された目標供給量に見合う還元剤添加弁５０のデューティ制御を行い還元ガスをＮＯｘ 触媒９に添加する。
【００５３】
また、ＥＣＵ１５には、還元剤センサ１４からの出力信号が入力されている。そして、ＥＣＵ１５では、還元剤供給装置１６の故障などにより大量の還元剤が不本意に供給された場合、その還元剤を還元剤センサ１４にて感知して還元剤の供給を直ちに強制的に停止させる制御を行う。
【００５４】
一方、副還元剤貯蔵タンク４０に貯蔵される還元ガスは、還元剤添加弁５０からの添加によって消費され、時間の経過と共にその残量は減少していく。そこでＥＣＵ１５では、副還元剤貯蔵タンク４０に貯蔵される還元ガスを切らさないように、副還元剤貯蔵タンク４０内における還元ガスの残量を常時把握して、その残量が少なくなった時には、副還元剤貯蔵タンク４０に還元ガスを補給する還元ガス補給制御を行っている。
【００５５】
ＥＣＵ１５にて還元ガスの残量を把握するには、上記した圧力センサ４３の出力信号を利用して残量を把握している。すなわち、副還元剤貯蔵タンク４０内の還元ガスが消費されると、副還元剤貯蔵タンク４０の内部圧力も低下する。したがって、圧力センサ４３の出力値を監視することにより副還元剤貯蔵タンク４０内の残量を把握できる（残量検出手段）。
【００５６】
そして、ＥＣＵ１５では、圧力センサ４３にて検知される副還元剤貯蔵タンク４０内の圧力（還元ガスの充填圧力）が所定値未満になったことを受けて、前記機関冷却水制御弁３４を開弁して加熱室３１を加熱し、主還元剤貯蔵タンク２０に貯蔵されるカルバミン酸アンモニウムを新たにガス化させる。その結果、新たにガス化されたカルバミン酸アンモニウムが副還元剤貯蔵タンク４０内に流れ込み副還元剤貯蔵タンク４０内に還元ガスが補給されることになる。
【００５７】
なお、ここで所定値とは任意に設定可能な値であるが、好ましくは、排圧に対して十分に大きい値とするのが望ましい。即ち、還元ガスの充填圧力を高くしておくことにより、排気管１０に対する還元ガスの拡散が良好になる他、排圧の変化に対する単位時間当たりの供給量も安定する。
【００５８】
なお、副還元剤貯蔵タンク４０の内部圧力が所定値以上になった場合には、上記したように機関冷却水制御弁３４を閉弁して、カルバミン酸アンモニウムのガス化を停止させる。
【００５９】
このように本発明の還元剤供給装置１６では、還元剤添加弁５０からの添加をなし得るように固体状の還元剤をガス化して副還元剤貯蔵タンク４０に予め貯蔵・準備しておき、ＥＣＵ１５からの還元剤添加命令に対して即座に対応できるようにしている。
【００６０】
なお、上記した各説明は、あくまでも本発明の一実施形態にすぎず、詳細は任意に変更可能である。例えば、ＥＣＵ１５にてＮＯｘ の排出量を算出する場合には、ＥＣＵ１５にＮＯｘ 排出量マップを準備しておき、該マップを利用してＮＯｘ 排出量の算出を行わせてもよい。
【００６１】
なお、ＮＯｘ 排出量マップは、機関負荷と機関回転数とをパラメータとして、これらパラメータと各種予備実験により求められた単位時間当たりにおけるＮＯｘ 排出量との関係をマップ化したものである。従って、図示しないアクセル開度センサの出力信号、及びクランク角センサからの出力信号をＥＣＵ１５に入力してＮＯｘ 排出量マップに照らし合わせると、単位時間当たりにおけるＮＯｘ 排出量を算出できる。
【００６２】
尚、アクセル開度センサは、アクセル開度に比例した出力電圧をＥＣＵ１５に出力し、その出力電圧は機関負荷の演算に用いられる。一方、クランク角センサは、エンジン１の図示しないクランクシャフトが一定角度回転する毎に出力パルスをＥＣＵ１５に出力し、その出力パルスは機関回転数の演算に用いられている。
【００６３】
また、上記した例では、還元剤添加弁５０に作用する還元剤の供給圧力を、入りガス圧センサ１２の出力値と圧力センサ４３の出力値とによって求めているが、排気管１０内の圧力は、機関負荷及び機関回転数をパラメータとして作成した排圧マップにより推測できる。従って、圧力センサ４３の出力値と排圧マップ上で算出された排圧とによって、還元剤の供給圧力を算出するようにしてもよい。
【００６４】
また、上記した例では、入りガス圧センサ１２の出力値と圧力センサ４３の出力値とを考慮して、還元剤添加弁５０におけるデューティ比制御を行っているが、副還元剤貯蔵タンク４０に対する還元ガスの貯蔵圧力を排気管１０内の圧力に対して十分に大きくすると、排圧の影響による単位時間当たりの還元剤供給量の変動を相対的に小さくできる。即ち、副還元剤貯蔵タンク４０に対する還元ガスの貯蔵圧力を十分に大きく設定した場合には、副還元剤貯蔵タンク４０の圧力のみを考慮して還元剤添加弁５０のデューティ比制御を行ってもよい。
【００６５】
また、上記した例では、ガス化された還元剤をそのままの形態で副還元剤貯蔵タンク４０内に貯蔵しているが、生成された還元剤を圧縮及び冷却して体積を減少させ副還元剤貯蔵タンク４０に貯蔵しても構わない。すなわち、還元ガスを圧縮して副還元剤貯蔵タンク４０に貯蔵することにより、さらなる装置の小型化を図れる。例えばこの場合、副還元剤貯蔵タンク４０の容積を機械的に減少させて還元ガスの圧縮を行い、還元剤貯蔵タンク４０の周囲に冷却フィンなどを設けて還元ガスの冷却を図るなどの方法を例示できる。
【００６６】
また、副還元剤貯蔵タンク４０内にアンモニア吸蔵合金を収容しておき、該アンモニア吸蔵合金に還元ガスを吸蔵させた状態で、副還元剤貯蔵タンク４０内に還元ガスを貯蔵してもよい。なお、アンモニア吸蔵合金は、還元ガスと結合して還元ガスを貯蔵するため、副還元剤貯蔵タンク４０内に、より高密度に還元ガスを貯蔵できる。
【００６７】
また、上記した例では固体状の還元剤をガス化させ副還元剤貯蔵タンク４０に貯蔵しているが、還元ガス発生部３０の温度を還元剤の液化に抑える程度まで低下せしめ、固体状の還元剤を液化した状態にて副還元剤貯蔵タンク４０内に貯蔵するようにしてもよい。すなわち、副還元剤貯蔵タンク４０に貯蔵される還元剤の形態は、還元剤添加弁５０より即座に添加可能な形態であればよい。
【００６８】
また、上記した例では、固体状の還元剤としてカルバミン酸アンモニウムを適用したが、勿論、尿素ＣＯ（ＮＨ２ ）２などの他の物質を還元剤として採用してもよい。なお、尿素など比較的高温にてガス化する還元剤を採用した場合には、還元ガス発生部３０を電気ヒータなどにて構成して、還元剤のガス化を行ってもよい。また、機関潤滑油の熱を利用して加熱してもよい。
【００６９】
次に、このような構成の還元剤供給装置を採用したエンジンの作用効果について述べる。
前述したように、ＥＣＵ１５は、ＮＯｘ の排出量に応じた還元剤添加弁５０のデューティ比制御を行い、目標供給量に見合った還元剤を適宜のタイミングにてＮＯｘ 触媒９に添加する。このとき本発明の還元剤供給装置１６では、固体状のカルバミン酸アンモニウムを還元ガス発生部３０にて加熱ガス化して、予め副還元剤貯蔵タンク４０内に貯蔵・準備しているため、還元剤の添加命令に即座に対応できる。また、副還元剤貯蔵タンク４０内に還元ガスを常時貯蔵しているため、大量の還元剤を要する場合においても、安定した還元剤の供給を行える。
【００７０】
また、還元剤添加弁５０におけるデューティ比制御は、還元剤の供給圧力を考慮して制御されている。しかも、ガス化された還元剤は、副還元剤貯蔵タンク４０内に一時期貯蔵された後に添加されるため、還元剤添加弁５０に対する還元ガスの供給圧力は常に安定している。従って、ＥＣＵ１５では、還元剤添加弁５０におけるデューティ比制御を容易になしえ、目標供給量に見合った還元剤を確実にＮＯｘ 触媒９に供給できる。
【００７１】
また、還元ガスの残量は、副還元剤貯蔵タンク４０内の圧力変化を利用してＥＣＵ１５にて把握されている。このためＥＣＵ１５では、還元ガスの残量に基づいて固体状還元剤のガス化を制御でき、必要以上に還元剤をガス化させることもない。従って、還元剤供給装置１６内に大きな容積を確保せずとも安定した還元剤の供給をなし得る。
【００７２】
このように本発明の還元剤供給装置１６を採用したエンジンでは、適切量、且つ適宜のタイミングにて還元剤の供給がなされるため、ＮＯｘ 触媒９におけるＮＯｘ の浄化効率を飛躍的に高めることができる。また、還元剤供給装置１６内に大きな容積を確保せずとも安定した還元剤の添加をなし得るため、装置本体を小型化に製作でき車両への搭載性を大幅に向上させることができる。
【００７３】
なお、上記したエンジン１では、ＮＯｘ を浄化する触媒として、選択還元型ＮＯｘ 触媒を適用しているが、本発明の還元剤供給装置１６は、勿論、吸蔵還元型ＮＯｘ 触媒にも有用である。なお、吸蔵還元型ＮＯｘ 触媒とは、酸素過剰雰囲気下でＮＯｘ を吸蔵し、酸素濃度が低下したときに吸蔵したＮＯｘ を放出して還元浄化せしめる触媒である。
【００７４】
また、上記した実施の形態では、ディーゼルエンジンを例として説明したが、本発明の還元剤供給装置１６は、ディーゼルエンジンのみならず、希薄燃焼可能なリーンバーンガソリンエンジンなどにおいても、極めて有用である。
【００７５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、還元剤の供給命令に対して、遅延することなく即座に所定量の還元剤を供給し得る内燃機関の還元剤供給装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る還元剤供給装置を採用したディーゼルエンジンの概略構成図である。
【図２】本実施の形態に係る還元剤供給装置の概略構成図。
【符号の説明】
１ ディーゼルエンジン（エンジン）
２ 燃焼室
３ ピストン
４ シリンダ
５ シリンダヘッド
６ 燃料噴射弁
７ エアフローメータ
８ 吸気管
９ 選択還元型ＮＯｘ 触媒（ＮＯｘ 触媒）
１０ 排気管
１１ ＮＯｘ センサ
１２ 入りガス圧センサ
１３ 排気温度センサ
１４ 還元剤センサ
１５ エンジンコントロール用電子制御ユニット（ＥＣＵ）
１６ 還元剤供給装置
１８ インジケータパネル
１９ 警告ランプ
２０ 主還元剤貯蔵タンク
２１ タンク本体
２２ 断熱部材
３０ 還元ガス生成部
３１ 加熱室
３２ 外壁
３３ 空間
３４ 機関冷却水制御弁
４０ 副還元剤貯蔵タンク
４１ タンク本体
４２ 断熱部材
４３ 圧力センサ
５０ 還元剤添加弁
５１ 弁体
５２ ガイド
５３ ノズル部
５４ ソレノイド
５５ 導入通路
６０ 連結管
Claims (5)
- 内燃機関の排気系に設けられ該内燃機関より排出される窒素酸化物を浄化するＮＯx 触媒に、還元剤を供給する還元剤供給装置であって、
固体状の還元剤を貯蔵する主還元剤貯蔵手段と、
前記主還元剤貯蔵手段に貯蔵された固体状の還元剤をガス化することにより該還元剤を流動化させる還元剤流動化手段と、
前記還元剤流動化手段によって流動化された還元剤を一時期貯蔵する副還元剤貯蔵手段と、
機関本体の運転状態に基づき前記ＮＯx 触媒に供給する還元剤の供給量を算出する還元剤供給量算出手段と、
前記副還元剤貯蔵手段に貯蔵される還元剤を、前記還元剤供給量算出手段によって算出された供給量に基づき前記内燃機関の排気系におけるＮＯx 触媒上流に添加する還元剤添加手段と、
を有し、
前記副還元剤貯蔵手段は、該副還元剤貯蔵手段に貯蔵されている還元剤の残量を算出する残量算出手段と、前記流動化された還元剤を一時期貯蔵する副還元剤貯蔵室と、この副還元剤貯蔵室内の圧力を検知する圧力検知手段と、を備え、
前記還元剤流動化手段は、前記残量算出手段によって算出される残量が所定値未満になったことを受けて、前記主還元剤貯蔵手段に貯蔵される固体状の還元剤を流動化して前記副還元剤貯蔵手段に補給し、
前記残量算出手段は、前記圧力検知手段によって検知される圧力が高いとき、還元剤の残量を多いと判断し、前記圧力検知手段によって検知される圧力が低いとき、還元剤の残量を少ないと判断することを特徴とする内燃機関の還元剤供給装置。 - 前記還元剤添加手段は、前記ＮＯ x 触媒上流の排気系に設けられ開弁時に前記副還元剤貯蔵室に貯蔵される還元剤を前記ＮＯ x 触媒上流に添加する還元剤添加弁と、前記圧力検知手段によって検知される圧力に基づいて前記還元剤添加弁の開弁時間を制御する添加弁制御手段と、を有することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の還元剤供給装置。
- 前記添加弁制御手段は、前記副還元剤貯蔵室内の圧力が高いとき、前記還元剤添加弁の開弁時間を短くし、前記副還元剤貯蔵内の圧力が低いとき、前記還元剤添加弁の開弁時間を長くすることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の還元剤供給装置。
- 前記ＮＯ x 触媒は、還元剤の存在下で、窒素酸化物を分解又は還元せしめる選択還元型ＮＯ x 触媒であることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の内燃機関の還元剤供給装置。
- 前記固体状の還元剤は、前記還元剤流動化手段によるガス化時に、アンモニアを基調とする還元ガスを生成することを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の内燃機関の還元剤供給装置。
Priority Applications (3)
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|---|---|---|---|
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