JP4290027B2

JP4290027B2 - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP4290027B2
Application number: JP2004025785A
Authority: JP
Inventors: 公信平田; 信彦正木; 久赤川
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2004-02-02
Filing date: 2004-02-02
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2024-02-02
Also published as: JP2005214175A

Description

本発明は、尿素水溶液を還元剤として用いて排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元除去する排気浄化装置において、特に、排気管に析出した尿素を除去する技術に関する。

エンジンの排気に含まれるＮＯｘを除去する触媒浄化システムとして、特開２０００−２７６２７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。
かかる排気浄化装置は、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必要量の液体還元剤を噴射供給することで、排気中のＮＯｘと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、還元反応は、ＮＯｘと反応性が良好なアンモニアを用いるもので、液体還元剤としては、排気熱及び排気中の水蒸気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が用いられる。
特開２０００−２７６２７号公報

ところで、還元触媒の排気上流に噴射供給された尿素水溶液の一部は、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尿素水溶液から水分が蒸発し、尿素が析出されてしまうことがある。エ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尿素の融点以上となり、尿素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、排気管温度が尿素の融点以上まで昇温せず、尿素堆積量が徐々に増加してしまう。尿素堆積量が多くなると排気抵抗が増加することから、排気圧力の上昇による燃費及び出力低下を来してしまうおそれがあった。

そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、尿素が析出する可能性がある排気管をヒータにより尿素の融点以上に適宜加熱することで、排気管に析出した尿素が除去可能な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、窒素酸化物を尿素水溶液により還元浄化する還元触媒と、該還元触媒の排気上流に尿素水溶液を噴射供給する噴射供給手段と、該噴射供給手段により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の周囲に配設されたヒータと、該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手段と、該差圧検出手段により検出された差圧が所定値以上となったときに、前記排気管内に尿素が析出したと判定する析出判定手段と、該析出判定手段により尿素が析出したと判定されたときに、前記ヒータの作動を制御する作動制御手段と、を含んで排気浄化装置を構成したことを特徴とする。

請求項２記載の発明では、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手段を備え、前記作動制御手段は、前記温度検出手段により検出された排気管温度が尿素の融点以上となるようにヒータの作動を制御することを特徴とする。
請求項３記載の発明では、エンジンがアイドル状態にあるか否かを判定するアイドル判定手段と、該アイドル判定手段によりエンジンがアイドル状態であると判定されたときに、前記ヒータを作動させる作動手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項４記載の発明では、エンジンが暖機中であるか否かを判定する暖機判定手段と、前記暖機判定手段によりエンジンが暖機中であると判定されたときに、前記ヒータの作動を禁止する第１の作動禁止手段と、を備えたことを特徴とする。
請求項５記載の発明では、各種補機が作動しているか否かを判定する補機作動判定手段と、該補機作動判定手段により各種補機が作動中であると判定されたときに、前記ヒータの作動を禁止する第２の作動禁止手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項６記載の発明では、前記エンジンが停止したか否かを判定する停止判定手段と、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手段と、を備え、前記作動制御手段は、前記析出判定手段により尿素が析出したと判定されたことに加え、前記停止判定手段によりエンジンが停止したと判定され、かつ、前記温度検出手段により検出された排気管温度が尿素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７記載の発明では、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記載の発明によれば、還元触媒の排気上流に噴射供給された尿素水溶液の一部が排気管内壁に付着し、排気熱によりその水分が蒸発して尿素が析出されたときには、尿素が析出することに起因する圧力損失を介して、排気管内に尿素が析出したことが高精度に判定される。そして、排気管内に尿素が析出したときのみ、尿素水溶液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、析出した尿素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、排気管に析出した尿素を除去でき、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。一方、尿素が析出していないときにはヒータが作動することがなく、不必要なエネルギ消費を防止することができる。

請求項２記載の発明によれば、排気管温度が尿素の融点以上となるようにヒータの作動が制御されるため、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。なお、排気管温度が尿素の融点以上であるときには、析出した尿素は排気管から受熱して自然溶解するので、ヒータが作動しなくとも不具合は発生しない。

請求項３記載の発明によれば、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ため、排気によってヒータ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。
請求項４又は請求項５に記載の発明によれば、エンジンが暖機中又は各種補機が稼動中であるときにはヒータの作動が禁止されるため、オルタネータ（交流発電機）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できる。

請求項６記載の発明によれば、排気管に尿素が析出した状態でエンジンが停止しても、排気管温度が尿素の融点未満、換言すると、尿素が自然溶解しない温度であれば、ヒータが所定時間作動するので、析出した尿素が融点以上に加熱され、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尿素の析出がなく、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。

請求項７記載の発明によれば、ヒータの周囲に配設される断熱材により、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ために活用される。このため、必要最小限のエネルギを用いて、排気管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。

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、本発明を具現化した排気浄化装置の構成を示す。
エンジン１０の排気は、排気マニフォールド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、還元剤としての尿素水溶液が空気と共に噴射供給される。即ち、ＮＯｘ還元触媒１４の排気上流の排気管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。

また、噴射ノズル２２の排気下流であって、ここ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℃）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、がこの順序で配設される。
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（温度検出手段）、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Δｐを検出する差圧センサ３８（差圧検出手段）、各種補機が作動中のときにＯＮ信号を出力する補機スイッチ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，補機スイッチ４０および水温センサ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、排気温度を介して排気管温度Ｔｅを間接的に検出する構成としてもよい。

ここで、還元剤供給装置１８，配管２０，噴射ノズル２２及びコントロールユニット４４を含んで噴射供給手段が構成される。また、コントロールユニット４４の制御プログラムにより、作動制御手段が実現される。
次に、エンジン１０の始動後にコントロールユニット４４において実行される、電熱ヒータ２８の作動を制御する制御プログラムについて図３を参照しつつ説明する。

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Δｐに基づいて、排気管１６の内壁に尿素が析出したか否かを判定する。即ち、排気管１６の内壁に尿素がある程度析出すると、排気流路面積が小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Δｐが所定値ｐ₀以上であるか否かを介して、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）。なお、ステップ１の処理が、析出判定手段に該当する。

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、エンジン１０が稼動中であるか否か、換言すると、エンジン１０が停止したか否かを判定する。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１０が稼動中でなければ停止したと判断しステップ８へと進む（Ｎｏ）。なお、ステップ２の処理が、停止判定手段に該当する。

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、エンジンがアイドル状態にあるか否かが判定される。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Ｑ₀以下であれば、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イッチなどからアイドル状態にあるか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）。なお、ステップ３の処理が、アイドル判定手段及び作動手段に夫々該当する。

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、エンジン１０の暖機が完了したか否か、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）。なお、ステップ４の処理が、暖機判定手段及び第１の作動禁止手段に夫々該当する。

ステップ５では、補機スイッチ４０からのＯＮ／ＯＦＦ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いればステップ１へと戻る（Ｎｏ）。なお、ステップ５の処理が、補機作動判定手段及び第２の作動禁止手段に夫々該当する。
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Ｔ₀未満であるか否かを判定する。ここで、所定値Ｔ₀は、排気管１６の内壁に析出した尿素が溶解する温度、具体的には、尿素の融点温度以上に設定する。そして、排気管温度Ｔｅが所定値Ｔ₀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て溶解除去すべく、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Ｔ₀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止すべく、電熱ヒータ２８を作動させずにステップ１へと戻る（Ｎｏ）。

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Ｔ₀未満であるか否か、換言すると、排気管１６の内壁に析出した尿素が自然溶解するか否かを判定する。そして、排気管温度Ｔｅが所定値Ｔ₀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加熱して溶解除去すべく、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Ｔ₀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止すべく、電熱ヒータ２８を作動させずに処理を終了する（Ｎｏ）。

なお、ステップ１，ステップ２及びステップ６〜ステップ９の一連の処理が、作動制御手段に該当する。
ここで、かかる構成からなる排気浄化装置の作用について説明する。
エンジン１０の排気は、排気マニフォールド１２及び排気管１６を経て、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、排気流に乗ってＮＯｘ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（Ｈ₂Ｏ）及び無害なガス（Ｎ₂など）に転化されて浄化される。

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、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、自然に融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加してしまう。このため、尿素析出部位を挟む排気管１６の差圧Δｐが所定値ｐ₀以上となれば、尿素が析出したと判定することができる。

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Ｔ₀未満であれば、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、これ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、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、エンジン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）の負荷変動に伴ってエンジン運転が不安定となることを防止している。

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、これが溶解除去されるので、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。
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、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く、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。

このとき、電熱ヒータ２８の周囲には断熱材３０が配設されているので、電熱ヒータ２８で発生した熱が排気管１６の外方へと拡散されることが抑制され、効率的に排気管１６を加熱するために活用される。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。

本発明を具現化した排気浄化装置の構成図噴射ノズル近傍の部分拡大図電熱ヒータの制御内容を示すフローチャート

符号の説明

１０エンジン
１４ＮＯｘ還元触媒
１６排気管
１８還元剤供給装置
２０配管
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補機スイッチ
４２水温センサ
４４コントロールユニット

Claims

エンジン排気管に配設され、窒素酸化物を尿素水溶液により還元浄化する還元触媒と、
該還元触媒の排気上流に尿素水溶液を噴射供給する噴射供給手段と、
該噴射供給手段により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の周囲に配設されたヒータと、
該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手段と、
該差圧検出手段により検出された差圧が所定値以上となったときに、前記排気管内に尿素が析出したと判定する析出判定手段と、
該析出判定手段により尿素が析出したと判定されたときに、前記ヒータの作動を制御する作動制御手段と、
を含んで構成されたことを特徴とする排気浄化装置。
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手段を備え、
前記作動制御手段は、前記温度検出手段により検出された排気管温度が尿素の融点以上となるようにヒータの作動を制御することを特徴とする請求項１記載の排気浄化装置。
エンジンがアイドル状態にあるか否かを判定するアイドル判定手段と、
該アイドル判定手段によりエンジンがアイドル状態であると判定されたときに、前記ヒータを作動させる作動手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の排気浄化装置。
エンジンが暖機中であるか否かを判定する暖機判定手段と、
前記暖機判定手段によりエンジンが暖機中であると判定されたときに、前記ヒータの作動を禁止する第１の作動禁止手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の排気浄化装置。
各種補機が作動しているか否かを判定する補機作動判定手段と、
該補機作動判定手段により各種補機が作動中であると判定されたときに、前記ヒータの作動を禁止する第２の作動禁止手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の排気浄化装置。
前記エンジンが停止したか否かを判定する停止判定手段と、
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手段と、
を備え、
前記作動制御手段は、前記析出判定手段により尿素が析出したと判定されたことに加え、前記停止判定手段によりエンジンが停止したと判定され、かつ、前記温度検出手段により検出された排気管温度が尿素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〜請求項５のいずれか１つに記載の排気浄化装置。
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〜請求項６のいずれか１つに記載の排気浄化装置。