JP4308094B2 - 還元剤供給装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ＮＯxを還元浄化するための選択還元型触媒に還元剤を供給するための還元剤供給装置に関するものである。
従来より、ディーゼルエンジンにおいては、排出ガスが流通する排気管の途中に、酸素共存下でも選択的にＮＯxを還元剤と反応させる性質を備えた選択還元型触媒を装備し、該選択還元型触媒の上流側に必要量の還元剤を添加して該還元剤を選択還元型触媒上で排出ガス中のＮＯx（窒素酸化物）と還元反応させ、これによりＮＯxの排出濃度を低減し得るようにしたものがある。
他方、プラントなどにおける工業的な排煙脱硝処理の分野では、還元剤にアンモニア（ＮＨ3）を用いてＮＯxを還元浄化する手法の有効性が既に広く知られているところであるが、自動車の場合には、アンモニアそのものを搭載して走行することに関し安全確保が困難であるため、近年においては、毒性のない尿素水を還元剤として使用することが研究されている（例えば、特許文献１や特許文献２参照）。
特開２００２−１６１７３２号公報 特開２００２−１６６１３０号公報
即ち、尿素水を選択還元型触媒の上流側で排出ガス中に添加すれば、約１７０℃以上の温度条件下で前記尿素水がアンモニアと炭酸ガスに分解され、選択還元型触媒上で排出ガス中のＮＯxがアンモニアにより良好に還元浄化されることになる。
しかしながら、この種の選択還元型触媒においては、尿素水が必要最小量未満（レベルセンサの設定下限値未満）あるいは欠水したまま放置されてしまったり、適正な濃度の尿素水が補充されなかったりする虞れがあり、そのような場合に選択還元型触媒によるＮＯxの還元浄化作用が得られなくなるという問題があった。
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、尿素水の必要最小量未満（レベルセンサの設定下限値未満）の低下や濃度異常が生じている条件下でも、良好なＮＯxの還元浄化を継続し得るようにした還元剤供給装置を提供することを目的としている。
本発明は、ＮＯxを還元浄化するための選択還元型触媒に対し還元剤を供給する還元剤供給装置であって、常用の還元剤として尿素水を貯蔵する尿素水タンクと、エンジン燃料として軽油を貯蔵する燃料タンクと、これら尿素水タンク及び燃料タンクの何れか一方から流路切替手段を介し選択的に尿素水又は軽油を導いて選択還元型触媒の入側に噴射する噴射装置と、尿素水の添加に異常が生じたことを検出する異常検出手段と、該異常検出手段により尿素水の添加の異常が検出されている条件下で流路切替手段に燃料タンク側への切り替えを指令する制御装置とを備えたことを特徴とするものである。
而して、このようにすれば、尿素水の必要最小量未満（レベルセンサの設定下限値未満）の低下や濃度異常が生じている時に、これらの異常が異常検出手段により検出され、制御装置により流路切替手段が自動的に燃料タンク側へ切り替えられるので、前記尿素水の添加の異常が生じている条件下でも、燃料タンクから軽油を還元剤として導いて噴射装置により選択還元型触媒の入側に噴射することが可能となり、ＮＯxの還元浄化を尿素水を使用せずに良好に継続することが可能となる。
更に、本発明においては、尿素水の添加に異常が生じたことを運転者に知らせる警告手段を備え、異常検出手段により尿素水の添加の異常が検出されている条件下で制御装置から前記警告手段に警告作動を指令するように構成すると良い。
このようにすれば、尿素水の添加の異常が異常検出手段により検出された時に、制御装置により警告手段が警告作動を起こすので、この警告作動により尿素水の添加の異常が運転者に確実に知らされることになる。
また、尿素水の添加の異常を検出する異常検出手段としては、例えば、尿素水タンク内の尿素水の液面レベルを検出するレベルセンサと、尿素水タンク内の尿素水の濃度を検出する濃度センサとにより構成することが可能である。
更に、異常検出手段により尿素水の添加の異常が検出されている条件下でエンジントルクの制限をエンジン制御コンピュータに指令するように制御装置を構成したり、異常検出手段により尿素水の添加の異常が検出されている条件下で走行距離をカウントし且つそのカウントした走行距離が所定距離を超えた時にエンジン始動の阻止をエンジン制御コンピュータに指令するように制御装置を構成したりすることが可能である。
上記した本発明の還元剤供給装置によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。
（Ｉ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、尿素水の必要最小量未満（レベルセンサの設定下限値未満）の低下や濃度異常が生じている条件下でも、燃料タンクから軽油を還元剤として導いて選択還元型触媒の入側に噴射することができるので、ＮＯxの還元浄化を尿素水を使用せずに良好に継続することができる。
（ＩＩ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、尿素水の添加の異常が生じた時に運転者の意思とは無関係に自動的に燃料タンク側へ流路が切り替わり、該燃料タンク内の燃料が還元剤として消費されていくことになるので、運転者に早期の尿素水の補充を促すことができる。
（ＩＩＩ）本発明の請求項２、３に記載の発明によれば、尿素水の必要最小量未満（レベルセンサの設定下限値未満）の低下や濃度異常により尿素水の添加に異常が生じたことを検出して運転者に確実に知らせることができ、これにより運転者に早期の尿素水の補充を促すことができる。
（ＩＶ）本発明の請求項４、５に記載の発明によれば、尿素水の添加の異常が検出されている条件下でエンジントルクや走行距離が制限されるので、運転者に早期の尿素水の補充を促すことができる。
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
図１〜図４は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１中における符号１はディーゼル機関であるエンジンを示し、ここに図示しているエンジン１では、ターボチャージャ２が備えられており、エアクリーナ３から導いた空気４が吸気管５を介し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへと送られ、該コンプレッサ２ａで加圧された空気４が更にインタークーラ６へと送られて冷却され、該インタークーラ６から図示しないインテークマニホールドへと空気４が導かれてエンジン１の各シリンダに導入されるようにしてある。
また、このエンジン１の各シリンダから排出された排出ガス７がエキゾーストマニホールド８を介し前記ターボチャージャ２のタービン２ｂへと送られ、該タービン２ｂを駆動した排出ガス７が排気管９を介し車外へ排出されるようにしてある。
そして、排出ガス７が流通する排気管９の途中には、選択還元型触媒１０がケーシングに抱持されて装備されており、この選択還元型触媒１０は、図２に示す如きフロースルー方式のハニカム構造物として形成され、酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させ得るような性質を有している。
しかも、本形態例で採用している選択還元型触媒１０は、後述の尿素水１１及び軽油１２の何れを還元剤としても酸素共存下で選択的にＮＯxを還元浄化し得る性質を備えたものとなっており、例えば、銅系触媒やゼオライト触媒などにより構成されている。
更に、選択還元型触媒１０の上流側に電磁式の添加弁１３が配置されていると共に、該添加弁１３と所要場所に設けた尿素水タンク１４との間が供給ポンプ１６を有する供給ライン１５により接続されているが、この供給ライン１５は供給ポンプ１６より上流側で三方切替バルブ１７（流路切替手段）を介し分岐して燃料タンク１８にも接続されており、該燃料タンク１８と前記尿素水タンク１４の何れか一方から三方切替バルブ１７を介し選択的に尿素水１１又は軽油１２を導いて選択還元型触媒１０の上流側に添加し得るようになっていて、これら添加弁１３、供給ライン１５、供給ポンプ１６、三方切替バルブ１７により噴射装置１９が構成されている。
ここで、前記尿素水タンク１４には、尿素水タンク１４内の尿素水１１の液面レベルを検出するレベルセンサ２０と、尿素水タンク１４内の尿素水１１の濃度を検出する濃度センサ２１とが異常検出手段として装備されており、また、特に本形態例では、選択還元型触媒１０の入口側と出口側にも、排気管９内を流れる排出ガス７中のＮＯx濃度を検出するＮＯxセンサ２２，２３が更なる異常検出手段として装備されており、これらレベルセンサ２０、濃度センサ２１、ＮＯxセンサ２２，２３からの検出信号２０ａ，２１ａ，２２ａ，２３ａが、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置２４に入力されるようになっている。
他方、前記制御装置２４からは、レベルセンサ２０、濃度センサ２１、ＮＯxセンサ２２，２３からの検出信号２０ａ，２１ａ，２２ａ，２３ａに基づき尿素水１１の添加に異常が生じていると判定された時に、三方切替バルブ１７に対し尿素水タンク１４側から燃料タンク１８側へ流路を切り替える指令が流路切替信号１７ａとして出力されるようになっている。
尚、前記制御装置２４で尿素水１１の添加に異常が生じていると判定された際には、運転席のインストルメントパネルなどに備えた表示装置２５（警告手段）に向け異常表示信号２５ａを出力して警告表示を行い、尿素水１１の添加の異常を運転者に知らせるようにすると良い。
また、前記制御装置２４からは、添加弁１３と供給ポンプ１６に対し開弁指令信号１３ａと駆動指令信号１６ａが夫々出力されるようになっており、前記添加弁１３の開弁作動により尿素水１１や軽油１２の添加量が適切に制御され、その添加時に必要な噴射圧力が前記供給ポンプ１６の駆動により適宜に得られるようになっている。
図３は尿素水１１の添加に異常が発生した時の具体的な制御手順を示すもので、ステップＳ１でレベルセンサ２０により尿素水１１の必要最小量未満（レベルセンサの設定下限値未満）の低下が検出されるか、ステップＳ２で濃度センサ２１により尿素水１１の濃度が規定範囲内にないと確認されるか、ステップＳ３でＮＯxセンサ２２，２３により選択還元型触媒１０の入口側と出口側とでＮＯx濃度が低減されていないと確認されるかした場合、ステップＳ４で制御装置２４により尿素水１１の添加に異常が発生していると判定され、還元剤を尿素水１１から軽油１２へ切り替える決定が成される結果、ステップＳ５で三方切替バルブ１７が燃料タンク１８側へ切り替えられて軽油１２が添加弁１３へ送られるようにしてある。
ただし、ＮＯxセンサ２２，２３による異常検出は、自動車の運転が開始された後でしか確認できないため、基本的にはレベルセンサ２０と濃度センサ２１だけで異常を検出し、ＮＯxセンサ２２，２３による異常検出についてはバックアップとして活用するようにしても良い。
尚、濃度センサ２１により尿素水１１の濃度が規定範囲内にないと確認された場合や、ＮＯxセンサ２２，２３により選択還元型触媒１０の入口側と出口側とでＮＯx濃度が低減されていないと確認された場合は、選択還元型触媒１０に添加されている尿素水１１がＮＯxの還元反応に適した濃度に達していないか、或いは、尿素水１１以外の液体（水など）が見掛け上補充されているケースが想定される。
他方、図４は適正な濃度の尿素水１１が補充された時の具体的な復帰手順を示すもので、ステップＳ１１で適正な濃度の尿素水１１が補充（入れ替え）された時に、ステップＳ１２でレベルセンサ２０により尿素水１１の規定量以上の補充が検出されると共に、ステップＳ１３で濃度センサ２１により尿素水１１の濃度が規定範囲内にあると確認された時に、ステップＳ１４で制御装置２４により異常が解消されたと判定され、還元剤を軽油１２から尿素水１１へ戻す決定が成される結果、ステップＳ１５で三方切替バルブ１７が尿素水タンク１４側へ切り替えられて尿素水１１が添加弁１３へ送られるようにしてある。
尚、適正な濃度の尿素水１１が補充される時には、自動車が停車状態にあるものと考えられるので、レベルセンサ２０と濃度センサ２１だけで復帰を確認すれば良い。
而して、このように還元剤供給装置を構成すれば、尿素水１１の必要最小量未満（レベルセンサの設定下限値未満）の低下や濃度異常が生じている時に、これらの異常がレベルセンサ２０や濃度センサ２１、更には、ＮＯxセンサ２２，２３により検出され、これらからの検出信号２０ａ，２１ａ，２２ａ，２３ａを受けた制御装置２４にて還元剤を尿素水１１から軽油１２へ切り替える決定が成され、この制御装置２４からの流路切替信号１７ａにより三方切替バルブ１７が燃料タンク１８側へ切り替えられて軽油１２が添加弁１３へ送られる。
この結果、尿素水１１の必要最小量未満（レベルセンサの設定下限値未満）の低下や濃度異常が生じている条件下でも、燃料タンク１８から軽油１２を還元剤として導いて噴射装置１９により選択還元型触媒１０の入側に噴射することができるので、ＮＯxの還元浄化を尿素水１１を使用せずに良好に継続することができる。
また、尿素水１１の添加の異常が検出された時に、制御装置２４により三方切替バルブ１７が自動的に燃料タンク１８側へ切り替えられ、燃料タンク１８内の軽油１２が還元剤として消費されていくことになるので、運転者に早期の尿素水１１の補充を促すことができる。
更に、本形態例では、尿素水１１の添加の異常が検出された時に、制御装置２４により表示装置２５に警告表示が成されるので、この警告表示により尿素水１１の添加の異常が運転者に確実に知らされることができる。
また、以上に述べた説明では、燃費の悪化を例示したが、これ以外にも尿素水１１の添加の異常が検出されている条件下でエンジントルクの制限を制御装置２４内のエンジン制御を掌る部分に指令（制御装置がエンジン制御コンピュータと別に設けられている場合には制御装置からエンジン制御コンピュータへ指令）するように制御装置２４を構成したり、尿素水１１の添加の異常が検出されている条件下で走行距離をカウントし且つそのカウントした走行距離が所定距離を超えた時にエンジン始動の阻止をエンジン制御コンピュータに指令するように制御装置２４を構成したりすることも可能である。
ここで、エンジントルクの制限は、燃料噴射装置への燃料噴射量の指示値を低減することで実行され、また、走行距離のカウントは、尿素水１１の添加の異常が検出されてからの時間を車速に乗算することで実行されることになる。
更に、尿素水１１の添加の異常が検出されてからの残りの走行距離については、表示装置２５に表示して運転者に知らせれば良く、この走行距離の制限については、付近のガソリンスタンドなど（将来的な尿素水１１の供給のインフラ整備を前提）で尿素水１１を補給するのに十分な走行距離を適宜に設定しておけば良い。
而して、このようにすれば、尿素水１１の添加の異常が検出されている条件下でエンジントルクや走行距離が制限されるので、運転者に早期の尿素水１１の補充を促すことができる。
尚、本発明の還元剤供給装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、流路切替手段は三方切替バルブに限定されないこと、異常検出手段はレベルセンサ、濃度センサ、濃度センサに限定されないこと、警告手段は表示装置以外にブザーなどの警報音を発するものであっても良いこと、また、制御装置がエンジン制御コンピュータと別に設けられていても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。 図１の選択還元型触媒を部分的に切り欠いて示す斜視図である。 異常発生時の制御手順を示すフローチャートである。 尿素水補充時の復帰手順を示すフローチャートである。
符号の説明
１ エンジン
７ 排出ガス
９ 排気管
１０ 選択還元型触媒
１１ 尿素水
１２ 軽油
１４ 尿素水タンク
１７ 三方切替バルブ（流路切替手段）
１７ａ 流路切替信号
１８ 燃料タンク
１９ 噴射装置
２０ レベルセンサ（異常検出手段）
２０ａ 検出信号
２１ 濃度センサ（異常検出手段）
２１ａ 検出信号
２２ ＮＯx濃度センサ（異常検出手段）
２２ａ 検出信号
２３ ＮＯx濃度センサ（異常検出手段）
２３ａ 検出信号
２４ 制御装置
２５ 表示装置（警告手段）
２５ａ 異常表示信号

Claims (5)

  1. ＮＯxを還元浄化するための選択還元型触媒に対し還元剤を供給する還元剤供給装置であって、常用の還元剤として尿素水を貯蔵する尿素水タンクと、エンジン燃料として軽油を貯蔵する燃料タンクと、これら尿素水タンク及び燃料タンクの何れか一方から流路切替手段を介し選択的に尿素水又は軽油を導いて選択還元型触媒の入側に噴射する噴射装置と、尿素水の添加に異常が生じたことを検出する異常検出手段と、該異常検出手段により尿素水の添加の異常が検出されている条件下で流路切替手段に燃料タンク側への切り替えを指令する制御装置とを備えたことを特徴とする還元剤供給装置。
  2. 尿素水の添加に異常が生じたことを運転者に知らせる警告手段を備え、異常検出手段により尿素水の添加の異常が検出されている条件下で制御装置から前記警告手段に警告作動を指令するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の還元剤供給装置。
  3. 尿素水タンク内の尿素水の液面レベルを検出するレベルセンサと、尿素水タンク内の尿素水の濃度を検出する濃度センサとにより異常検出手段を構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の還元剤供給装置。
  4. 異常検出手段により尿素水の添加の異常が検出されている条件下でエンジントルクの制限をエンジン制御コンピュータに指令するように制御装置を構成したことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の還元剤供給装置。
  5. 異常検出手段により尿素水の添加の異常が検出されている条件下で走行距離をカウントし且つそのカウントした走行距離が所定距離を超えた時にエンジン始動の阻止をエンジン制御コンピュータに指令するように制御装置を構成したことを特徴とする請求項１、２、３又は４に記載の還元剤供給装置。
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