JP6503742B2

JP6503742B2 - 尿素噴射装置

Info

Publication number: JP6503742B2
Application number: JP2015003592A
Authority: JP
Inventors: 和生大角; 竜介藤野
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2015-01-09
Filing date: 2015-01-09
Publication date: 2019-04-24
Anticipated expiration: 2035-01-09
Also published as: JP2016128678A

Description

本発明は、排ガス後処理装置の尿素噴射装置に関するものである。

ディーゼル排ガスに含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）を無害化する装置の１つとして、尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction；以下ＳＣＲと略記）が実用化されている。

ＳＣＲを用いたディーゼル排ガスの後処理装置は、ディーゼルエンジンの排ガス管に、ＤＯＣ（酸化触媒）、ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）、ＳＣＲが順に接続され、そのＳＣＲの上流側に尿素噴射ノズルを設けて構成される。

ディーゼルエンジンからの排ガスは、ＤＯＣ内で、排ガス中の未燃焼燃料（ＨＣ）や、一酸化炭素（ＣＯ）等が酸化された後、排ガス中のＰＭ（パティキュレートマター）がＤＰＦで捕集され、ＳＣＲの入口側の尿素噴射ノズルから噴射された尿素水が、排ガスの熱で加水分解されてアンモニアとなり、そのアンモニアと排ガス中のＮＯｘとが、ＳＣＲ内の触媒（選択還元触媒）で、反応して窒素と水とに還元されて無害化される。

この尿素噴射ノズルで噴射する尿素水は、サプライポンプで、尿素水タンク内の尿素水を吸込み、これを尿素水噴射ノズルに供給し、尿素噴射ノズルから直接尿素水を噴射していたが、尿素ノズルが高温にさらされるため、ノズル先端に付着した尿素水が結晶化して尿素由来の白色生成物が付着し、これがノズルを詰まらせて尿素水を噴射できない不具合が生じることがあった。

そこで、尿素水と空気を同時に噴射する二流体ノズルからなる尿素水噴射ノズルが提案されている。

この尿素水噴射ノズルからなる尿素噴射装置は、尿素水タンク内の尿素水をソレノイドポンプで噴射に必要な量を尿素水噴射ノズルに供給し、その尿素水噴射ノズルに供給された尿素水を、空気ポンプから供給された空気で吸引しつつ排気管に噴射することで、従来のように余剰の尿素水を尿素水タンクに戻す必要がなく、しかもソレノイドポンプの駆動周波数を制御することで線形的に流量を可変できる利点がある。

特開２００６−１２２８７８号公報特開２０１４−００５７４４号公報

しかしながら、ソレノイドポンプによる尿素水の供給量は、最大でも１５０ｍｌ／ｍｉｎであり、尿素水噴射ノズルとその配管系は排ガスの温度の影響を受けやすく、尿素水が、尿素水噴射ノズルや配管系内で、結晶化しやすくなることが避けられない問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、尿素水と空気とを同時に噴射する尿素水噴射ノズルを用いて尿素水を噴射するにおいて、尿素水の結晶化による詰まりを回避できる尿素噴射装置を提供することにある。

排気管に設けられ、尿素水と空気とを噴射する尿素水噴射ノズルと、尿素水タンクに尿素水吸込管を介して接続されると共に前記尿素水噴射ノズルに尿素水吐出管を介して接続され、前記尿素水吸込管を通じて前記尿素水タンクから尿素水を吸引すると共に前記尿素水吐出管を通じて前記尿素水噴射ノズルに尿素水を供給する尿素ポンプと、前記尿素水吸込管に設けられた尿素バルブと、前記尿素水噴射ノズルに空気供給管を介して接続され、前記空気供給管を通じて前記尿素水噴射ノズルに空気を供給するエアポンプと、前記空気供給管と前記尿素水吐出管とに接続された空気掃出し管と、前記空気掃出し管に設けられた空気バルブと、エンジン停止時に、前記尿素ポンプを駆動した状態、前記空気バルブを閉じた状態、且つ前記エアポンプを駆動した状態で前記尿素バルブを閉じて前記エアポンプから前記尿素水噴射ノズルの先端まで尿素水を吸出した後、前記尿素ポンプを停止すると共に前記空気バルブを開いて前記尿素水タンクから前記尿素水噴射ノズルの先端まで尿素水を掃出し、しかる後、前記エアポンプを停止する制御装置と、を備えた尿素噴射装置を提供する。

前記制御装置は、エンジン運転中に尿素水の噴射を停止するか否かを車両の運転状態から判定し、エンジン運転中に尿素水の噴射を停止すると判定した時に、前記尿素ポンプを駆動した状態、前記空気バルブを閉じた状態、且つ前記エアポンプを駆動した状態で前記尿素バルブを閉じて前記エアポンプから前記尿素水噴射ノズルの先端まで尿素水を吸出した後、前記尿素ポンプを停止すると共に前記空気バルブを開いて前記尿素水タンクから前記尿素水噴射ノズルの先端まで尿素水を掃出し、しかる後、前記空気バルブを閉じた後で前記エアポンプを停止することが好ましい。

前記制御装置は、エンジン始動時に、前記尿素バルブを開くと共に前記空気バルブを閉じた後で前記エアポンプを始動して前記エアポンプから前記尿素水噴射ノズルに空気を供給し、しかる後、前記尿素ポンプを始動して前記尿素水タンクから前記尿素水噴射ノズルに尿素水を供給することが好ましい。

前記制御装置は、エンジン運転中に尿素水の噴射を停止した後、エンジン運転中に尿素水の噴射を再開するか否かを車両の運転状態から判定し、尿素水の噴射を再開すると判定した時に、前記エアポンプを始動して前記エアポンプから前記尿素水噴射ノズルに空気を供給し、しかる後、前記尿素ポンプを始動して前記尿素水タンクから前記尿素水噴射ノズルに尿素水を供給することが好ましい。

本発明は、二流体を噴射する尿素水噴射ノズルでの尿素水の噴射を停止する際に、尿素水噴射ノズル内やその配管内に残った尿素水を、空気で吸い出した後、さらに空気で掃出してから停止することで、ノズルの詰まりを防止できるという優れた効果を発揮する。

本発明の尿素噴射装置が適用される排ガス後処理装置を示す概略図である。本発明の尿素噴射装置を示す図である。本発明の尿素噴射装置における指示電圧と尿素噴射量の関係を示す図である。本発明の尿素噴射装置において、車両始動時と停止時の制御フローを示し、（ａ）はキーオン時、（ｂ）はキーオフ時のフローを示す図である。本発明の尿素噴射装置において、車両運転時の尿素噴射停止の制御フローを示す図である。本発明の尿素噴射装置において、車両運転時の尿素噴射停止から噴射再開の制御フローを示す図である。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

先ず図１により排ガス後処理装置を説明する。

エンジン１０の吸排気系には、タービン１２とコンプレッサ１３からなる過給機１１が接続され、そのタービン１２に接続された排気管１４に、ＤＯＣ（酸化触媒）１５、ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）１６、ＳＣＲ１７が順に接続されて排ガス後処理装置１８が構成される。

本発明の尿素噴射装置２０は、ＳＣＲ１７の上流側に設けられ、空気と尿素水を同時に噴射する尿素水噴射ノズル２１と、その尿素水噴射ノズル２１に尿素水タンク２２からの尿素水を供給する尿素ポンプ２３と、尿素水噴射ノズル２１に空気を供給し、尿素ポンプ２３で供給される尿素水を吸い出して噴射するエアポンプ２４と、尿素ポンプ２３、エアポンプ２４を駆動制御すると共に後述する尿素バルブ２５と空気バルブ２６を開閉制御するＥＣＵからなる制御装置３０とで構成される。

この制御装置３０は、排ガス中のＮＯｘ濃度に応じて尿素ポンプ２３からの尿素流量を制御し、また、車両の運転情報と、尿素水噴射ノズル２１の近傍に設けた温度センサや排ガス温度から車両の運転状態を判定して、尿素水噴射を行ったり停止したりの制御を行う。すなわち制御装置３０は、例えばアイドリング運転や排ガス温度が２００℃以下と低く、尿素噴射ができないときに尿素噴射を停止し、車両の運転状態で、排ガス温度が２００℃を超えるときに、エアポンプ２４、尿素ポンプ２３を駆動して尿素水噴射の制御を行う。

図２は、尿素噴射装置２０の詳細を示したもので、尿素水タンク２２と尿素ポンプ２３とは、尿素水吸込管３１を介して接続され、尿素ポンプ２３と尿素水噴射ノズル２１とは、尿素水吐出管３２を介して接続される。尿素水吸込管３１には、電磁弁からなる尿素バルブ２５が接続される。

エアポンプ２４は、尿素水噴射ノズル２１に空気供給管３３を介して接続され、空気供給管３３と尿素水吐出管３２とが空気掃出し管３４で接続され、その空気掃出し管３４に電磁弁からなる空気バルブ２６が接続される。

尿素ポンプ２３は、ソレノイドポンプからなり、ポンプケーシング３５内にシリンダ室３６が形成され、そのシリンダ室３６の出入口側に入口側弁３７ｉと出口側弁３７ｏが設けられ、シリンダ室３６内に設けたピストンを有するプランジャ（図示せず）を、スプリング３８の付勢力と電磁コイル３９の電磁力にて往復移動することで、吸引時は、電磁コイル３９の電磁力でプランジャのピストンを吸引方向に移動し、入口側弁３７ｉを介してシリンダ室３６内に尿素水を吸引し、吐出時には、スプリング３８の付勢力でピストンを吐出方向に移動し、シリンダ室３６内に吸引した尿素水を出口側弁３７ｏを介して吐出するようになっている。

この尿素ポンプ２３は、図３に示すように、電磁コイル３９に通電する出力周波数を１〜１００Ｈｚで変化（指示電圧１〜５Ｖで調整）させることで、流量を０〜１５０ｍｌ／ｍｉｎに線形的に可変できる。

尿素水噴射ノズル２１は、中心に、尿素水吐出管３２につながり尿素水を噴射する尿素水噴射通路４０を有し、その尿素水噴射通路４０の外周に空気通路４１を有し、これら通路４０，４１が尿素水噴射ノズル２１の先端２１ａで開口するようにされる。

この尿素水噴射ノズル２１による尿素水の噴射は、尿素ポンプ２３による尿素水噴射通路４０への尿素水の供給と、エアポンプ２４からの空気を空気通路４１に流して噴射することによる吸引力とで、尿素水が噴霧状に噴射される。この尿素ポンプ２３と二流体ノズルからなる尿素水噴射ノズル２１による尿素噴射装置２０は、従来のサプライポンプと尿素噴射のインジェクタと違って低圧で噴射できると共に装置を小型にすることが可能となる。

従来においては、尿素を噴射していないときには、尿素水は尿素水タンクに戻され、またインジェクタは冷却水により冷却されるが、本発明の尿素水噴射ノズル２１は、尿素水を尿素水タンク２２に戻すことがなく、噴射停止後には、尿素水噴射ノズル２１が、排気管１４の高温環境にさらされたり、運転停止（キーオフ）後は、尿素水噴射通路４０内に尿素水が残った状態となる。

そこで本発明は、制御装置３０が、キーオフで車両を停止するときに、尿素ポンプ２３を停止し、その状態を保持して噴射空気による吸い出しを行った後に、空気バルブ２６を開き、エアポンプ２４からの空気を掃出し管３４から尿素水吐出管３２に空気を供給して尿素水噴射通路４０を通して噴射することで、尿素水噴射通路４０内に残った尿素水の掃出しを行うことで、尿素水の残留による白化生成物の堆積やそれによる詰まりを防止するようにしたものである。また、制御装置３０は、キーオンで、車両の運転開始するときに、尿素バルブ２５を開とすると共に空気バルブ２６を閉じ、エアポンプ２４を駆動して尿素水噴射ノズル２１から先に空気を流し、次に尿素ポンプ２３を始動して尿素水を尿素水噴射ノズル２１に供給して、尿素水を空気と共に噴射する。

さらに制御装置３０は、運転中に、尿素水噴射ノズル２１での尿素水噴射停止を、車両の運転状態から判定し、尿素水噴射停止と判定したとき、尿素ポンプ２３を停止し、その状態を保持して噴射空気による吸い出しを行った後に、空気バルブ２６を開いて尿素水吐出管３２内を空気で掃出した後、空気バルブ２６を閉じると共にエアポンプ２４を停止し、また、その尿素水噴射停止中に、車両の運転状態から噴射再開を判定し、噴射再開のとき、エアポンプ２４を駆動した後、尿素ポンプ２３を始動して尿素噴射を再開するものである。

次に、この制御装置３０の制御フローを図４〜図６により説明する。

図４は、車両の始動と運転停止の制御フローを示したものである。

車両の始動は、図４（ａ）に示すようにキーオン（ステップＳ１）されたとき、尿素バルブを開、空気バルブを閉とする（ステップＳ２）。この状態で、ステップＳ３でエアポンプを始動し、尿素水噴射ノズルに空気を供給する（ステップＳ４）。

ステップＳ５で、空気供給時間を所定時間（配管長さにより設定される時間）カウントしたなら、尿素ポンプを始動（ステップＳ６）して、尿素水噴射ノズルに尿素水を供給して空気と尿素水を噴射（ステップＳ７）して、ＳＣＲによるＮＯｘの除去を行う。

このように、先に空気を流すことで、尿素水噴射ノズル内に固形残留物が仮に残っていてもこれを排出することができる。

車両の停止は、図４（ｂ）に示すようにキーオフ（ステップＳ８）されたとき、尿素バルブを閉とする（ステップＳ９）。これにより、尿素水噴射ノズルからは空気のみが噴射され、尿素水噴射ノズル内に残った尿素水の吸出しが行われる（ステップＳ１０）。この吸出し時間を所定時間（配管長さにより設定される吸い出し時間）カウントし（ステップＳ１１）、カウントアップ後に尿素ポンプを停止する（ステップＳ１２）。

次に、ステップＳ１３で空気バルブ２６を開として尿素水吐出管３２にも空気を供給し、尿素水噴射通路４０内に残った尿素水を掃出しと共に尿素水吐出管３２や尿素ポンプ２３のシリンダ室３６内に残っている尿素水の掃出しを行う（ステップＳ１４）。この掃出し時間を所定時間（配管長さにより設定される掃出し時間）カウントし（ステップＳ１５）、カウントアップ後にエアポンプを停止する（ステップＳ１６）ことで、停止が完了する。

次に、車両運転中の尿素噴射停止を図５により、噴射停止中における噴射再開を図６により説明する。

先ず運転中に制御装置３０は、図５に示すようにステップＳ２０で、制御部（停止）が運転状態かを判断し、ステップＳ２１で、尿素噴射の一時停止判定を行う。この一時停止判定は、車両がアイドル運転や低負荷運転で、尿素水噴射ノズルの先端温度や排ガス温度が低く、尿素水を噴射しても尿素水が加水分解しない温度以下（例えば２００℃以下）であるかを判定するもので、停止が必要でないときには（Ｎｏ）、ステップＳ２０の制御部（停止）に戻し、停止が必要と判断したとき（Ｙｅｓ）には、噴射停止の制御を行う。

先ず、ステップＳ２２で、図４（ｂ）で説明したように、尿素バルブを閉じて尿素水の吸出しを行い、この吸い出し時間を、所定時間カウント（ステップＳ２３）した後、ステップＳ２４で一時停止かどうかを判定する。

この判定で一時停止が必要でなくなったとき（Ｎｏ）には、尿素バルブを開いてステップＳ２０の制御部（停止）に戻し、一時停止が必要なときには、尿素ポンプを停止する（ステップＳ２５）。

次に空気バルブを開として、尿素水吐出管や尿素ポンプ内の尿素水の掃出しを行い（ステップＳ２７）、この掃出し時間を、所定時間カウント（ステップＳ２８）した後、空気バルブを閉とする（ステップＳ２９）。

この後、ステップＳ３０で、停止準備完了かどうかを判断し、停止準備が完了した（Ｙｅｓ）ときにエアポンプを停止（ステップＳ３１）し、図６のステップＳ３４の制御部（再開）に移行させる。またステップＳ３０で、停止準備完了でないとき、例えば、エンジン回転数が上昇して排気温度の上昇が見込まれるなど、尿素水の噴射を直ちに準備しておいた方がよい場合に、エアポンプを駆動したままにして、図６のステップＳ３９の再開判定に移行させる。

図６の運転中の尿素水噴射の再開制御は、ステップＳ３４の制御部（再開）が車両運転状態から再開条件を監視し、ステップＳ３５で、再開判定を行う。再開判定で再開条件でないとき（Ｎｏ）は、ステップＳ３４に戻し、再開するとき（Ｙｅｓ）は、エアポンプを始動（ステップＳ３６）し、空気を尿素水噴射ノズルに供給し、その供給時間が所定時間カウント（ステップＳ３８）した後、ステップＳ３９の再開判定を行い、再開でないときは（Ｎｏ）、図５のステップＳ２０に移行させ、再開のとき（Ｙｅｓ）には、尿素ポンプを始動（ステップＳ４０）して、ステップＳ４１で尿素水供給を行って尿素水噴射を再開する。

以上説明したように本発明は、二流体ノズルからなる尿素水噴射ノズルとソレノイド制御ポンプからなる尿素ポンプを組み合わせることで、尿素噴射装置を小型化できると共に尿素噴射と停止の際に、
（１）キーオフして尿素水を停止する際には、尿素水噴射ノズルからの尿素水の噴射を停止した状態で、エアポンプから尿素水噴射ノズルの先端まで、あるいは尿素水タンクから噴射ノズルの先端まで尿素水を排出した後に空気を停止する、（２）通常、尿素水を噴射していない場合も常に空気は流しておく（ただし所定の時間、尿素水噴射の指令がない場合、もしくはかつその時のノズル先端温度が所定の所定の温度を超えた場合には空気を停止する）、
（３）再度尿素水を噴射する場合は、始めに空気を流し、尿素水噴射ノズルより空気が噴射された後に、尿素水を噴射する順で尿素水噴射を開始する、
ことで、尿素水噴射開始・停止のノズル先端の詰まり・堆積を回避できると共に、尿素水噴射間隔が長くなり、かつノズル先端温度が高くなる（２００℃以上）状況においてもノズル先端の詰まり・堆積を回避できる。

２０尿素噴射装置
２１尿素水噴射ノズル
２２尿素水タンク
２３尿素ポンプ
２４エアポンプ
２５尿素バルブ
２６空気バルブ
３０制御装置
３１尿素水吸込管
３２尿素水吐出管
３３空気供給管
３４空気掃出し管

Claims

排気管に設けられ、尿素水と空気とを噴射する尿素水噴射ノズルと、
尿素水タンクに尿素水吸込管を介して接続されると共に前記尿素水噴射ノズルに尿素水吐出管を介して接続され、前記尿素水吸込管を通じて前記尿素水タンクから尿素水を吸引すると共に前記尿素水吐出管を通じて前記尿素水噴射ノズルに尿素水を供給する尿素ポンプと、
前記尿素水吸込管に設けられた尿素バルブと、
前記尿素水噴射ノズルに空気供給管を介して接続され、前記空気供給管を通じて前記尿素水噴射ノズルに空気を供給するエアポンプと、
前記空気供給管と前記尿素水吐出管とに接続された空気掃出し管と、
前記空気掃出し管に設けられた空気バルブと、
エンジン停止時に、前記尿素ポンプを駆動した状態、前記空気バルブを閉じた状態、且つ前記エアポンプを駆動した状態で前記尿素バルブを閉じて前記エアポンプから前記尿素水噴射ノズルの先端まで尿素水を吸出した後、前記尿素ポンプを停止すると共に前記空気バルブを開いて前記尿素水タンクから前記尿素水噴射ノズルの先端まで尿素水を掃出し、しかる後、前記エアポンプを停止する制御装置と、
を備えたことを特徴とする尿素噴射装置。
前記制御装置は、エンジン運転中に尿素水の噴射を停止するか否かを車両の運転状態から判定し、エンジン運転中に尿素水の噴射を停止すると判定した時に、前記尿素ポンプを駆動した状態、前記空気バルブを閉じた状態、且つ前記エアポンプを駆動した状態で前記尿素バルブを閉じて前記エアポンプから前記尿素水噴射ノズルの先端まで尿素水を吸出した後、前記尿素ポンプを停止すると共に前記空気バルブを開いて前記尿素水タンクから前記尿素水噴射ノズルの先端まで尿素水を掃出し、しかる後、前記空気バルブを閉じた後で前記エアポンプを停止する
請求項１に記載の尿素噴射装置。
前記制御装置は、エンジン始動時に、前記尿素バルブを開くと共に前記空気バルブを閉じた後で前記エアポンプを始動して前記エアポンプから前記尿素水噴射ノズルに空気を供給し、しかる後、前記尿素ポンプを始動して前記尿素水タンクから前記尿素水噴射ノズルに尿素水を供給する
請求項１又は２に記載の尿素噴射装置。
前記制御装置は、エンジン運転中に尿素水の噴射を停止した後、エンジン運転中に尿素水の噴射を再開するか否かを車両の運転状態から判定し、尿素水の噴射を再開すると判定した時に、前記エアポンプを始動して前記エアポンプから前記尿素水噴射ノズルに空気を供給し、しかる後、前記尿素ポンプを始動して前記尿素水タンクから前記尿素水噴射ノズルに尿素水を供給する
請求項１乃至３の何れか一項に記載の尿素噴射装置。