JP3732493B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents
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Description
本発明は、移動車両搭載のディーゼルエンジン、ガソリンエンジン等から排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）を、還元剤を用いて還元除去する排気浄化装置に関し、特に、還元剤を還元触媒の排気上流側に供給する噴射ノズルの目詰まりが発生した際にその目詰まりを解消してＮＯｘの浄化処理の効率を向上するエンジンの排気浄化装置に係るものである。
エンジンから排出される排気中の微粒子物質（ＰＭ）のうち、特にＮＯｘを除去して排気を浄化するシステムとして、いくつかの排気浄化装置が提案されている。この排気浄化装置は、エンジンの排気系に還元触媒を置き、該還元触媒の上流側の排気通路に還元剤を噴射供給することにより、排気中のＮＯｘと還元剤とを触媒還元反応させ、ＮＯｘを無害成分に浄化処理するものである。還元剤は貯蔵タンクに常温で液体状態に貯蔵され、必要量を噴射ノズルから噴射供給する。還元反応は、ＮＯｘとの反応性の良いアンモニアを用いるもので、還元剤としては、加水分解してアンモニアを容易に発生する尿素水溶液、アンモニア水溶液、その他の還元剤水溶液が用いられる（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−２７６２７号公報
しかし、上記従来の排気浄化装置においては、エンジンの運転状態（排気温度やＮＯｘ排出量など）に応じて還元剤の供給量を制御するが、エンジンの運転状態によっては、排気通路内に設けられた噴射ノズルの噴射孔又はそれに至る通路が目詰まりを起こし、還元剤を十分に供給できなくなる場合がある。その結果、上記還元触媒上でのＮＯｘの還元反応がスムーズに進行せず、ＮＯｘが排出される虞がある。
上記噴射ノズルの目詰まりは、還元剤としての尿素水溶液（以下、「尿素水」という）中の尿素が噴射孔又はそれに至る通路内で結晶化して凝固したもの（以下、「固体尿素」という）が主な原因である。これは、尿素水は１００℃で結晶化するので、尿素水が１００℃以上に加熱されると尿素結晶が発生するからである。しかし、固体尿素の融点は１３２℃であるので、エンジンからの排気により噴射ノズル近傍の排気温度が上昇して該噴射ノズルへの入熱が増大すれば、上記固体尿素は融解してノズルの目詰まりは解消される。
ところが、還元剤供給手段が、噴射ノズルに対して尿素水と共に圧縮空気を供給し該尿素水を霧化して噴射する、いわゆるエアアシストタイプの還元剤供給手段である場合は、噴射ノズルに常時供給される圧縮空気がノズル内部を冷却するため、ノズル内部の温度が１３２℃以上に上がらず、固体尿素の融解が妨げられる。したがって、上記噴射ノズルの内部に結晶化して凝固した固体尿素が付着して、ノズルが目詰まりを起こす虞がある。なお、この場合、噴射ノズル内部の温度を上げて固体尿素を融解させるために、排気通路内の排気温度を高くすることが考えられるが、これはエンジンにとって得策ではない。
そこで、本発明は、このような問題点に対処し、還元剤を還元触媒の排気上流側に供給する噴射ノズルの目詰まりが発生した際に、排気通路内の排気温度が低くてもその目詰まりを解消してＮＯｘの浄化処理の効率を向上するエンジンの排気浄化装置を提供することを目的とする。
請求項１に記載の排気浄化装置では、エンジンの排気系に配設され、排気中の窒素酸化物を還元剤により還元浄化する還元触媒と、還元剤と共に圧縮空気が供給され該還元剤を霧化して、前記排気系の排気通路内にて前記還元触媒の排気上流側に噴射供給する噴射ノズルを有する還元剤供給手段と、前記噴射ノズルの排気上流側の近傍に設けられ、排気通路内の排気温度を検出する温度検出手段と、を備えたエンジンの排気浄化装置であって、前記還元剤供給手段は、前記噴射ノズルの内部圧力を検出する圧力検出手段と、該圧力検出手段からの噴射ノズルの内部圧力の検出信号を入力すると共に前記温度検出手段からの排気温度の検出信号を入力し、噴射ノズルの内部圧力が所定値以上となったら噴射ノズルへの圧縮空気と還元剤の供給を停止し、噴射ノズル近傍の排気温度が還元剤の融点以上となったら噴射ノズルへ圧縮空気と還元剤の供給を再開するように制御する制御回路とを備えたことを特徴とする。
このような構成により、還元剤供給手段に備えられた圧力検出手段で噴射ノズルの内部圧力を検出し、制御回路により、上記圧力検出手段からの噴射ノズルの内部圧力の検出信号を入力すると共に温度検出手段からの排気温度の検出信号を入力し、噴射ノズルの内部圧力が所定値以上となったら噴射ノズルへの圧縮空気と還元剤の供給を停止し、噴射ノズル近傍の排気温度が還元剤の融点以上となったら噴射ノズルへ圧縮空気と還元剤の供給を再開するように制御する。
請求項２に記載の発明では、前記還元剤は、尿素水溶液であることを特徴とする。これにより、加水分解してアンモニアを容易に発生する尿素水溶液を還元剤として、排気中の窒素酸化物を還元浄化する。
請求項３に記載の発明では、前記噴射ノズルへ圧縮空気と還元剤の供給を再開する際における噴射ノズル近傍の排気温度は、１３２℃以上であることを特徴とする。これにより、噴射ノズルの内部を、尿素水溶液中の尿素の融点以上の温度まで加熱する。
請求項１に係る発明によれば、噴射ノズルが目詰まりを起こしたと判断した場合は、該噴射ノズルへの圧縮空気と還元剤の供給を停止してノズル内部の冷却を抑え、この状態で排気通路内の排気による加熱でノズル内部の還元剤が融解したと判断した場合に、該噴射ノズルへ圧縮空気と還元剤の供給を再開させることができる。これにより、噴射ノズルの目詰まりが発生した際に、排気通路内の排気温度が低くてもその目詰まりを解消することができる。したがって、ＮＯｘの浄化処理の効率を向上することができる。
また、請求項２に係る発明によれば、還元剤としてアンモニアを直接使用することなく、加水分解してアンモニアを容易に発生する尿素水溶液を使用することで、排気中のＮＯｘを無害成分に転化して、ＮＯｘの浄化処理の効率を向上することができる。
さらに、請求項３に係る発明によれば、エンジンからの排気を利用して噴射ノズルの内部を尿素の融点以上に加熱することができ、ノズル内部の固体尿素を融解して該噴射ノズルの目詰まりを解消することができる。これにより、ＮＯｘの浄化処理の効率を向上することができる。
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明によるエンジンの排気浄化装置の実施形態を示す図である。この排気浄化装置は、移動車両搭載のディーゼルエンジン、ガソリンエンジン等から排出されるＮＯｘを、還元剤を用いて還元除去するものである。ガソリンあるいは軽油を燃料とするエンジン１の排気は、排気マニフォ−ルド２からＮＯｘの還元触媒３が配設された排気管４を経由して大気中に排出される。詳細には、排気通路としての排気管４には排気上流側から順に、一酸化窒素（ＮＯ）の酸化触媒、ＮＯｘの還元触媒、アンモニア酸化触媒の３つの触媒が配設され、その前後に温度センサ、ＮＯｘセンサ等が配設されて排気系が構成されるが、細部の構成は図示していない。
上記ＮＯｘの還元触媒３は、排気管４内を通る排気中のＮＯｘを還元剤により還元浄化するもので、セラミックのコーディライトやＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系の耐熱鋼から成るハニカム形状の横断面を有するモノリスタイプの触媒担体に、例えばゼオライト系の活性成分が担持されている。そして、上記触媒担体に担持された活性成分は、還元剤の供給を受けて活性化し、ＮＯｘを効果的に無害物質に浄化させる。
上記排気管４の内部にてＮＯｘの還元触媒３の排気上流側には、噴射ノズル５が配設されている。この噴射ノズル５は、還元剤を上記ＮＯｘの還元触媒３の排気上流側に供給するもので、還元剤供給装置６を介して還元剤と共に圧縮空気が供給され、該還元剤を霧化して噴射供給するようになっている。このような装置は、エアアシストタイプと呼ばれている。ここで、噴射ノズル５は、排気管４内にて排気の流れ方向Ａと略平行に下流側に向けて配設され、或いは適宜の角度で斜めに傾斜して配設されている。また、還元剤供給装置６には、貯蔵タンク７内に貯留された還元剤が供給配管８を通じて供給される。そして、上記噴射ノズル５と還元剤供給装置６とで、還元剤をＮＯｘの還元触媒３の排気上流側に供給する還元剤供給手段を構成している。
この実施形態では、上記噴射ノズル５で噴射供給する還元剤として尿素水溶液（尿素水）を用いる。他にアンモニア水溶液等を用いてもよい。そして、噴射ノズル５で噴射供給された尿素水は、排気管４内の排気熱により加水分解してアンモニアを容易に発生する。得られたアンモニアは、ＮＯｘの還元触媒３において排気中のＮＯｘと反応し、水及び無害なガスに浄化される。尿素水は、固体もしくは粉体の尿素の水溶液で、貯蔵タンク７に貯留されており、供給配管８を通じて還元剤供給装置６に供給されるようになっている。
上記排気管４の内部にて噴射ノズル５の排気上流側の近傍には、排気温度センサ９が設けられている。この排気温度センサ９は、排気管４内の排気温度を検出する温度検出手段となるものであり、この実施形態では上記噴射ノズル５の排気上流側近傍の排気温度を検出するようになっている。そして、この排気温度センサ９で検出した排気温度の検出信号は、還元剤供給装置６に送られるようになっている。
上記還元剤供給装置６は、前述のようにエアアシストタイプと呼ばれるもので、図２に示すように、図１に示す貯蔵タンク７からの供給配管８の途中に設けられ尿素水の圧力を上げる昇圧ポンプ１０と、この昇圧ポンプ１０の下流側に設けられ尿素水の通路を開閉する供給バルブ１１と、図示省略の圧縮空気源からのエア供給配管１２の途中に設けられ圧縮空気の通路を開閉するエア供給バルブ１３とを備えて成る。
ここで、本発明においては、上記還元剤供給装置６の内部に、圧力センサ１５を備え、さらに還元剤供給制御回路１４を備えている。圧力センサ１５は、上記噴射ノズル５の内部圧力を検出する圧力検出手段となるもので、例えば圧縮空気と尿素水を噴射ノズル５へ供給する共通配管１６の途中に設けられ、この共通配管１６の内部圧力を検出して噴射ノズル５の内部圧力を取り出している。
また、上記還元剤供給制御回路１４は、前記圧力センサ１５からの噴射ノズル５の内部圧力の検出信号Ｓ2を入力すると共に前記排気温度センサ９からの排気温度の検出信号Ｓ1を入力し、噴射ノズル５の内部圧力が所定値以上となったら噴射ノズル５への圧縮空気と尿素水の供給を停止し、噴射ノズル５近傍の排気温度が固体尿素の融点（１３２℃）以上となったら噴射ノズル５へ圧縮空気と尿素水の供給を再開するように制御するもので、例えば制御用マイクロコンピュータ（ＭＰＵ）から成り、その制御された供給タイミングに応じて、上記昇圧ポンプ１０及び供給バルブ１１並びにエア供給バルブ１３に制御信号を送り、噴射ノズル５に対する圧縮空気及び尿素水の供給停止及び再開を制御するようになっている。
次に、このように構成された排気浄化装置の動作について、図２及び図３を参照して説明する。まず、図１において、エンジン１の運転による排気は、排気マニフォ−ルド２から排気管４を経由して、該排気管４内の途中に配設されたＮＯｘの還元触媒３を通り、排気管４の端部排出口から大気中に排出される。このとき、上記排気管４の内部にてＮＯｘの還元触媒３の排気上流側に配設された噴射ノズル５から尿素水が噴射される。この噴射ノズル５には、尿素水の貯蔵タンク７から供給配管８を介して尿素水が還元剤供給装置６に供給された後、この還元剤供給装置６の動作により圧縮空気と共に尿素水が供給され、該噴射ノズル５は尿素水を霧化して噴射供給する。
この状態で、図２において、上記噴射ノズル５の排気上流側の近傍に設けられた排気温度センサ９により排気管４内の排気温度を検出して、その検出信号Ｓ1が還元剤供給装置６の還元剤供給制御回路１４へ送られる。また、噴射ノズル５への共通配管１６の途中に設けられた圧力センサ１５により該噴射ノズル５の内部圧力を検出して、その検出信号Ｓ2が同じく還元剤供給制御回路１４へ送られる。
まず、還元剤供給制御回路１４は、上記圧力センサ１５からの検出信号Ｓ2を用いて、噴射ノズル５の内部圧力（以下、「ノズル内圧」と略称する）をモニタし、所定圧Ｐ1以上か否かを判断する（図３のステップＳ１）。この場合、噴射ノズル５が目詰まりを起こすと、エア供給配管１２からの圧縮空気の供給によりノズル内圧が上昇することから、上記所定圧Ｐ1を目詰まりが発生した際の圧力に設定しておくことにより、ノズル内圧の上昇でノズルの目詰まりを判断できる。いま、ノズル内圧が所定圧Ｐ1未満の場合は、ノズル目詰まりが発生していないと判断して、ステップＳ１は“NO”側に進んでそのままノズル内圧を監視する。
その後、ノズル内圧が所定圧Ｐ1以上になった場合は、ステップＳ１は“YES”側に進んで、ステップＳ２に入る。ここでは、ノズル内圧が所定圧Ｐ1以上の状態が継続する時間をカウントする。そして、所定圧Ｐ1以上の状態の継続時間が所定時間ｔ1以上か否かを判断する（ステップＳ３）。これは、圧力センサ１５の誤差又は誤動作等を排除して装置の信頼性を向上するため、ノズル内圧が所定圧Ｐ1以上の状態が所定時間ｔ1として設定された値以上に継続して初めてノズル目詰まりが発生したと判断するためである。いま、継続時間が所定時間ｔ1未満の場合は、ノズル目詰まりが発生していないと判断して、ステップＳ３は“NO”側に進んでステップＳ４に入る。そして、再度ノズル内圧が所定圧Ｐ1以上か否かを判断し、“YES”側に進んで継続時間を監視する。
その後、継続時間が所定時間ｔ1以上になった場合は、噴射ノズル５に目詰まりが発生したと判断して、ステップＳ３は“YES”側に進んで、ステップＳ５に入る。ここでは、図２に示すエア供給バルブ１３及び供給バルブ１１を閉じて、噴射ノズル５に対する圧縮空気の供給及び尿素水の供給を停止する。これにより、上記噴射ノズル５の内部が圧縮空気と尿素水で冷却されるのを抑え、排気管４内を流れる排気により加熱され、ノズル内部で凝固した固体尿素の融解を進行させる。
そして、図２に示す排気温度センサ９からの検出信号Ｓ1を用いて、噴射ノズル５近傍の排気温度（以下、「ノズル近傍温度」と略称する）をモニタし、所定温度Ｔ1以上か否かを判断する（ステップＳ６）。この場合、固体尿素の融点は１３２℃であるので、Ｔ1を１３２℃以上に設定しておくことにより、上記噴射ノズル５内の固体尿素を融解させることができる。いま、ノズル近傍温度が所定温度Ｔ1未満の場合は、固体尿素を融解できないと判断して、ステップＳ６は“NO”側に進んでそのままノズル近傍温度を監視する。
その後、ノズル近傍温度が所定温度Ｔ1以上になった場合は、ステップＳ６は“YES”側に進んで、ステップＳ７に入る。ここでは、ノズル近傍温度が所定温度Ｔ1以上の状態が継続する時間をカウントする。そして、所定温度Ｔ1以上の状態の継続時間が所定時間ｔ2以上か否かを判断する（ステップＳ８）。これは、排気温度センサ９の誤差又は誤動作等を排除して装置の信頼性を向上するため、ノズル近傍温度が所定温度Ｔ1以上の状態が所定時間ｔ2として設定された値以上に継続して初めて固体尿素が融解したと判断するためである。いま、継続時間が所定時間ｔ2未満の場合は、固体尿素が融解していないと判断して、ステップＳ８は“NO”側に進んでステップＳ９に入る。そして、再度ノズル近傍温度が所定温度Ｔ1以上か否かを判断し、“YES”側に進んで継続時間を監視する。
その後、継続時間が所定時間ｔ2以上になった場合は、噴射ノズル５内の固体尿素が融解したと判断して、ステップＳ８は“YES”側に進んで、ステップＳ１０に入る。ここでは、図２に示すエア供給バルブ１３を開いて、噴射ノズル５に対する圧縮空気の供給を再開する。
そして、ノズル内圧が他の所定圧Ｐ2以下か否かを判断する（ステップＳ１１）。この場合、噴射ノズル５内の固体尿素が融解すれば、エア供給配管１２から圧縮空気を供給してもノズル内圧が一定圧より上昇することはないから、上記所定圧Ｐ2を目詰まりが発生していない状態のノズル内圧に設定しておくことにより、ノズル内圧の低下でノズル目詰まりの解消を判断できる。いま、ノズル内圧が所定圧Ｐ2以下となった場合は、固体尿素の融解によりノズル目詰まりが解消したと判断して、ステップＳ１１は“YES”側に進んで、ステップＳ１２に入る。ここでは、図２に示す供給バルブ１１を開いて、噴射ノズル５に対する尿素水の供給を再開する。これにより、噴射ノズル５は、ノズル目詰まりのない正常状態に復帰する。
一方、ノズル内圧が他の所定圧Ｐ2より高い場合は、固体尿素はまだ融解せずノズル目詰まりが解消していないと判断して、ステップＳ１１は“NO”側に進んで、ステップＳ１３で繰り返し回数Ｎｉのカウンタを“１”ずつインクリメントし、ステップＳ１４で繰り返し回数Ｎｉが予め定められた規定回数以内であることを判断して、前述のステップＳ５に戻る。そして、再び噴射ノズル５に対する圧縮空気の供給及び尿素水の供給を停止し、上述の各ステップを繰り返してノズル目詰まりの解消の動作を、規定回数だけ行う。
このとき、ステップＳ１４において、繰り返し回数Ｎｉが規定回数を超えた場合は、“NO”側に進んで、エラー出力処理を行い（ステップＳ１５）、尿素水の供給系を停止し（ステップＳ１６）、動作を終了する。これにより、噴射ノズル５に対する圧縮空気の供給及び尿素水の供給を停止して、ノズル内部が冷却されるのを抑え、排気管４内を流れる排気により噴射ノズル５を加熱して、ノズル内部で凝固した固体尿素を融解してノズル目詰まりを解消できる。したがって、排気管４内の排気温度が低くても、噴射ノズル５の目詰まりを解消してＮＯｘの浄化処理の効率を向上することができる。
その後、エンジン１の運転停止により、噴射ノズル５からの尿素水の噴射を終了するには、還元剤供給装置６の動作により、まず貯蔵タンク７からの尿素水の供給を遮断し、その後しばらくは噴射ノズル５に圧縮空気だけを供給する。これにより、噴射ノズル５の噴射孔又はそれに至る通路から尿素水を追い出して、尿素水の噴射を終了する。このように、噴射ノズル５から尿素水を追い出すことで、噴射ノズル５に対する尿素水の供給停止時における尿素水の残留又はいわゆる「後ダレ」が発生せず、噴射孔又はそれに至る通路内で尿素水が結晶化して目詰まりを起こすのを防止することができる。
なお、図２においては、還元剤供給装置６内の圧力センサ１５は、圧縮空気と尿素水を噴射ノズル５へ供給する共通配管１６の途中に設けたものとしたが、本発明はこれに限られず、噴射ノズル５の内部に配設して、該噴射ノズル５の内部圧力を直接検出するようにしてもよい。
１…エンジン
３…還元触媒
４…排気管
５…噴射ノズル
６…還元剤供給装置
７…貯蔵タンク
８…供給配管
９…排気温度センサ
１１…尿素水の供給バルブ
１３…エア供給バルブ
１４…還元剤供給制御回路
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６…還元剤供給装置
７…貯蔵タンク
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１１…尿素水の供給バルブ
１３…エア供給バルブ
１４…還元剤供給制御回路
１５…圧力センサ
１６…共通配管
Claims (3)
- エンジンの排気系に配設され、排気中の窒素酸化物を還元剤により還元浄化する還元触媒と、
還元剤と共に圧縮空気が供給され該還元剤を霧化して、前記排気系の排気通路内にて前記還元触媒の排気上流側に噴射供給する噴射ノズルを有する還元剤供給手段と、
前記噴射ノズルの排気上流側の近傍に設けられ、排気通路内の排気温度を検出する温度検出手段と、
を備えたエンジンの排気浄化装置であって、
前記還元剤供給手段は、前記噴射ノズルの内部圧力を検出する圧力検出手段と、該圧力検出手段からの噴射ノズルの内部圧力の検出信号を入力すると共に前記温度検出手段からの排気温度の検出信号を入力し、噴射ノズルの内部圧力が所定値以上となったら噴射ノズルへの圧縮空気と還元剤の供給を停止し、噴射ノズル近傍の排気温度が還元剤の融点以上となったら噴射ノズルへ圧縮空気と還元剤の供給を再開するように制御する制御回路とを備えたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。 - 前記還元剤は、尿素水溶液であることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
- 前記噴射ノズルへ圧縮空気と還元剤の供給を再開する際における噴射ノズル近傍の排気温度は、１３２℃以上であることを特徴とする請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置。
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