JP5570188B2

JP5570188B2 - エンジンの排気浄化装置

Info

Publication number: JP5570188B2
Application number: JP2009260876A
Authority: JP
Inventors: 真仁野▲崎▼
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2009-11-16
Filing date: 2009-11-16
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2029-11-16
Also published as: JP2011106313A

Description

本発明は、エンジンの排気に含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）を選択的に還元浄化する排気浄化装置に関する。

エンジンの排気に含まれるＮＯｘを浄化する触媒浄化システムとして、特開２００９−１２７４７２号公報（特許文献１）に記載されるような排気浄化装置が提案されている。この排気浄化装置は、エンジン排気管に配設されたＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒の排気上流に、エンジン運転状態に応じた流量の液体還元剤又はその前駆体を噴射供給し、ＳＣＲ触媒でＮＯｘを選択還元反応させることで、ＮＯｘを無害成分に浄化処理する。

ところで、このような排気浄化装置においては、ＳＣＲ触媒の排気上流に噴射供給された液体還元剤又はその前駆体がエンジン排気管の内壁に付着すると、エンジン運転状態によっては、溶媒のみが蒸発して還元剤成分たる溶質が析出してしまうおそれがある。このため、排気温度が所定温度未満であるときには、液体還元剤又はその前駆体の噴射供給を停止し、エンジン排気管への還元剤成分の析出を抑制するようにしていた。

特開２００９−１２７４７２号公報

しかしながら、エンジン排気管の壁面温度は、外気温度や液体還元剤又はその前駆体の付着などにより低下するため、排気温度が所定温度以上であっても、エンジン排気管への還元剤成分の析出が起こるおそれがあった。

そこで、本発明は従来技術の問題点に鑑み、エンジン排気管の壁面温度が所定温度未満であるときには、排気温度の高低にかかわらず、液体還元剤又はその前駆体の噴射供給を減量することで、エンジン排気管への還元剤成分の析出を抑制したエンジンの排気浄化装置を提供することを目的とする。

このため、本発明に係るエンジンの排気浄化装置は、還元剤を使用してＮＯｘを選択還元浄化するＳＣＲ触媒と、その排気上流に液体還元剤又はその前駆体を噴射供給する噴射装置と、エンジン運転状態に応じた液体還元剤又はその前駆体の流量を算出する算出手段と、噴射装置とＳＣＲ触媒との間に位置するエンジン排気管の複数個所のうち、最低温度となった壁面温度を検出する温度検出手段と、温度検出手段により検出された壁面温度が所定温度未満のときに、算出手段により算出された流量を所定流量だけ減量する補正手段と、算出手段により算出された流量、又は、補正手段により減量された流量に基づいて、噴射装置から噴射供給される液体還元剤又はその前駆体の流量を制御する制御手段と、を含んで構成される。

本発明によれば、エンジン運転状態に応じた液体還元剤又はその前駆体の流量が算出されると共に、噴射装置とＳＣＲ触媒との間に位置するエンジン排気管の複数個所のうち、最低温度となった壁面温度が所定温度未満であるときには、エンジン運転状態に応じた液体還元剤又はその前駆体の流量が所定流量だけ減量される。そして、エンジン運転状態に応じた流量、又は、壁面温度が所定温度未満であるために減量された流量に基づいて、噴射装置から噴射供給される液体還元剤又はその前駆体の流量が制御される。このため、壁面温度が所定温度未満であるときには、液体還元剤又はその前駆体の流量減量を適切に行うことで、エンジン排気管の内壁に付着する液体還元剤又はその前駆体の絶対量が減り、エンジン排気管への還元剤成分の析出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一例を示す概略図制御プログラムの一例を示すフローチャート好ましい壁面温度センサの説明図

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一実施形態を示す。
ディーゼルエンジン１０の吸気マニフォールド１２に接続される吸気管１４には、吸気流通方向に沿って、空気中の埃などを除去するエアクリーナ１６，ターボチャージャ１８のコンプレッサ１８Ａ，ターボチャージャ１８により高温となった吸気を冷却するインタークーラ２０，吸気脈動を平滑化する吸気コレクタ２２がこの順番で配設される。

一方、ディーゼルエンジン１０の排気マニフォールド２４に接続される排気管２６には、排気流通方向に沿って、ターボチャージャ１８のタービン１８Ｂ，連続再生式ＤＦＰ（Diesel Particulate Filter）装置２８，還元剤前駆体としての尿素水溶液を噴射供給する噴射ノズル３０，尿素水溶液から生成されるアンモニアを使用してＮＯｘを選択還元浄化するＳＣＲ触媒３２，ＳＣＲ触媒３２を通過したアンモニアを酸化させる酸化触媒３４がこの順番で配設される。連続再生式ＤＰＦ装置２８は、少なくともＮＯ（一酸化窒素）をＮＯ₂（二酸化窒素）へと酸化させるＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）２８Ａと、排気中のＰＭ（Particulate Matter）を捕集除去するＤＰＦ２８Ｂと、を含んで構成される。なお、ＤＰＦ２８Ｂの代わりに、その表面に触媒（活性成分及び添加成分）を担持させたＣＳＦ（Catalyzed Soot Filter）を使用することもできる。ここで、噴射ノズル３０が、噴射装置の一例として挙げられる。

還元剤タンク３６に貯蔵される尿素水溶液は、ポンプ及び流量制御弁が内蔵された還元剤添加ユニット３８を経由して、噴射ノズル３０に供給される。ここで、還元剤添加ユニット３８としては、ポンプが内蔵されたポンプモジュールと、流量制御弁が内蔵されたドージングモジュールと、に２分割された構成であってもよい。また、噴射ノズル３０は、還元剤添加ユニット３８と一体化された構成であってもよい。

排気浄化装置の制御系として、連続再生式ＤＰＦ装置２８と噴射ノズル３０との間に位置する排気管２６には、エンジン運転状態の一例としての排気温度を検出する排気温度センサ４０が取り付けられる。また、噴射ノズル３０とＳＣＲ触媒３２との間に位置する排気管２６には、排気管２６の壁面温度を検出する壁面温度センサ４２（温度検出手段）が取り付けられる。ここで、尿素水溶液の付着により壁面温度が低下したことを確実に検知すべく、壁面温度センサ４２は、噴射ノズル３０から噴射供給された尿素水溶液が付着し易い部分の壁面温度を検出することが望ましい。

排気温度センサ４０及び壁面温度センサ４２の各出力信号は、コンピュータを内蔵した還元剤添加コントロールユニット（ＤＣＵ）４４に入力される。また、還元剤添加コントロールユニット４４は、エンジン運転状態の一例としての回転速度及び負荷を適宜読み込み可能とすべく、ＣＡＮ（Controller Area Network）などの車載ネットワークを介して、ディーゼルエンジン１０を電子制御するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）４６と接続される。そして、還元剤添加コントロールユニット４４は、ＲＯＭ（Read Only Memory）などに記憶された制御プログラムを実行することで、排気温度，壁面温度，回転速度及び負荷に応じて還元剤添加ユニット３８を電子制御する。

ここで、ディーゼルエンジン１０の負荷としては、例えば、燃料噴射流量，吸気流量，吸気圧力，過給圧力，アクセル開度，スロットル開度など、トルクと密接に関連する状態量を適用することができる。また、ディーゼルエンジン１０の回転速度及び負荷は、エンジンコントロールユニット４６から読み込む構成に限らず、公知のセンサによって直接検出するようにしてもよい。

なお、還元剤添加コントロールユニット４４は、制御プログラムを実行することで、算出手段及び補正手段を夫々具現化する。また、還元剤添加コントロールユニット４４と還元剤添加ユニット３８とが協働して、制御手段を具現化する。

図２は、ディーゼルエンジン１０が始動されたことを契機として、還元剤添加コントロールユニット４４が所定時間ごとに繰り返し実行する制御プログラムの内容を示す。
ステップ１（図では「Ｓ１」と略記する。以下同様。）では、排気温度センサ４０から排気温度を読み込む。

ステップ２では、エンジンコントロールユニット４６からディーゼルエンジン１０の回転速度及び負荷を読み込む。
ステップ３では、エンジン運転状態としての排気温度，回転速度及び負荷に応じた還元剤添加流量を算出する。即ち、エンジン運転状態に応じたＮＯｘ排出量を推定し、このＮＯｘを選択還元浄化するのに要する尿素水溶液の添加流量を算出する。

ステップ４では、壁面温度センサ４２から壁面温度を読み込む。
ステップ５では、壁面温度が所定温度未満であるか否かを判定する。ここで、所定温度は、尿素水溶液が排気管２６の内壁に付着したとき、溶媒のみが蒸発して還元剤成分が析出するおそれがあるか否かを判定するための閾値であって、例えば、尿素の融点（約１３５℃）より若干高い温度をとる。そして、壁面温度が所定温度未満であればステップ６へと進み（Ｙｅｓ）、ステップ３で算出した還元剤添加流量を所定流量だけ減量するための補正を行う。一方、壁面温度が所定温度以上であればステップ７へと進む（Ｎｏ）。

ステップ７では、還元剤添加ユニット４４に対して還元剤添加流量に応じた制御信号を出力することで、ＳＣＲ触媒３２の排気上流に尿素水溶液を噴射供給（添加）する。
かかる排気浄化装置において、ディーゼルエンジン１０の排気は、排気マニフォールド２４，ターボチャージャ１８のタービン１８Ｂを経て、連続再生式ＤＰＦ装置２８のＤＯＣ２８Ａに導入される。ＤＯＣ２８Ａに導入された排気は、ＮＯがＮＯ₂へと酸化されつつＤＰＦ２８Ｂへと流れる。ＤＰＦ２８Ｂでは、排気中のＰＭが捕集されると共に、ＤＯＣ２８Ａにより生成されたＮＯ₂を使用してＰＭが酸化される。

また、エンジン運転状態に応じて噴射ノズル３０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を使用して加水分解され、還元剤として機能するアンモニアへと転化される。このアンモニアは、ＳＣＲ触媒３２において排気中のＮＯｘと選択還元反応し、無害成分であるＨ₂Ｏ（水）及びＮ₂（窒素）へと浄化されることは知られたことである。一方、ＳＣＲ触媒３２を通過したアンモニアは、その排気下流に配設された酸化触媒３４により酸化されるので、アンモニアがそのまま大気中に放出されることを抑制できる。

このとき、排気管２６の壁面温度が所定温度未満であるときには、エンジン運転状態に応じた還元剤添加流量が減量補正されるため、排気管２６の内壁に付着する尿素水溶液の絶対量が減ることとなる。このため、排気管２６への還元剤成分（尿素）の析出を抑制することができる。

ここで、還元剤添加流量を減量補正する代わりに、尿素水溶液の噴射供給が停止されるように、その還元剤添加流量を０にするようにしてもよい。このようにすれば、排気管２６の壁面温度が所定温度未満であるときには、噴射ノズル３０から尿素水溶液が噴射供給されないため、排気管２６への還元剤成分の析出を効果的に抑制することができる。なお、尿素水溶液の噴射供給を一時的に停止しても、ＳＣＲ触媒３２にアンモニアが吸着されているので、ＮＯｘ浄化には影響が少ない。

ところで、排気流速の増減などにより、排気管２６に対する尿素水溶液の付着位置が変化することが想定される。このため、壁面温度センサ４２は、図３に示すように、噴射ノズル３０とＳＣＲ触媒３２との間に位置する排気管２６の複数個所のうち、最低温度となった壁面温度を検出するようにしてもよい。このようにすれば、尿素水溶液が付着して部分的に壁面温度が低下しても、その壁面温度に基づく尿素水溶液の噴射供給制御が行われるため、排気管２６への還元剤成分の析出抑制の実効を図ることができる。なお、壁面温度センサ４２は、４箇所の壁面温度を検出するものに限らない。

なお、以上説明した実施形態においては、噴射ノズル３０から尿素水溶液が噴射供給されているが、噴射ノズル３０を使用せずに、還元剤添加ユニット３８が尿素水溶液を直接噴射供給するようにしてもよい。この場合、還元剤添加ユニット３８が、噴射装置の一例として挙げられる。

本発明は、尿素水溶液を使用する排気浄化装置に限らず、炭化水素を主成分とするアルコール，ガソリン及び軽油などを液体還元剤又はその前駆体として使用する排気浄化装置にも適用することができる。また、本発明は、ディーゼルエンジン１０に限らず、ガソリンエンジンなどにも適用することができる。

１０ディーゼルエンジン
２６排気管
３０噴射ノズル
３２ＳＣＲ触媒
３８還元剤添加ユニット
４０排気温度センサ
４２壁面温度センサ
４４還元剤添加コントロールユニット
４６エンジンコントロールユニット

Claims

還元剤を使用して窒素酸化物を選択還元浄化するＳＣＲ触媒と、
前記ＳＣＲ触媒の排気上流に液体還元剤又はその前駆体を噴射供給する噴射装置と、
エンジン運転状態に応じた液体還元剤又はその前駆体の流量を算出する算出手段と、
前記噴射装置と前記ＳＣＲ触媒との間に位置するエンジン排気管の複数個所のうち、最低温度となった壁面温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段により検出された壁面温度が所定温度未満のときに、前記算出手段により算出された流量を所定流量だけ減量する補正手段と、
前記算出手段により算出された流量、又は、前記補正手段により減量された流量に基づいて、前記噴射装置から噴射供給される液体還元剤又はその前駆体の流量を制御する制御手段と、
を含んで構成されたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。