JP4091013B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents
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Description
本発明は、尿素水溶液等の還元剤を用いて、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元除去するエンジンの排気浄化装置（以下「排気浄化装置」という）に関し、特に、排気管内での還元剤の成分の蓄積を検出する技術に関する。
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ＮＯｘ還元触媒を配設し、ＮＯｘ還元触媒の排気上流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。還元反応は、ＮＯｘと反応性のよいアンモニアが用いられる。アンモニアは、還元剤としての尿素水溶液を排気中に噴射し、排気熱及び排気中の水蒸気を用いた加水分解反応により得られる。
特開２０００−２７６２７号公報
かかる排気浄化装置は、エンジンの排気管にＮＯｘ還元触媒を配設し、ＮＯｘ還元触媒の排気上流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。還元反応は、ＮＯｘと反応性のよいアンモニアが用いられる。アンモニアは、還元剤としての尿素水溶液を排気中に噴射し、排気熱及び排気中の水蒸気を用いた加水分解反応により得られる。
しかしながら、このような構成の排気浄化装置では、ＮＯｘ還元触媒の排気上流に噴射供給された尿素水溶液から水分のみが蒸発して尿素が析出し、噴射ノズルの近傍の排気管内に蓄積する恐れがある。このようになると、排気管内での排気の流通を妨げてしまうので、排気圧力が上昇したり、燃費が低下したりしてしまう恐れがあった。また、還元剤として、軽油、ガソリンまたはアルコール等が用いられる場合でも同様に、排気管内にカーボン等の成分が析出し、蓄積されてしまう恐れがあった。
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、還元剤の成分が蓄積される場所及び蓄積されない場所において排気管の外壁温度と排気温度との差を夫々検出することにより、あるいは還元剤の成分が蓄積される場所の上流と下流とで排気管内の圧力を検出することにより、排気管内での還元剤の成分の蓄積を検出できる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記載の発明は、エンジンの排気管に配設され、還元剤により窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、前記還元触媒の排気上流側の前記排気管内に還元剤を噴射供給する噴射ノズルと、前記噴射ノズルから噴射供給された還元剤が付着する部位における前記排気管の外壁温度と排気温度との温度差を検出する第１の温度差検出手段と、前記還元剤が付着しない部位における前記排気管の外壁温度と排気温度との温度差を検出する第２の温度差検出手段と、前記第１の温度差検出手段により検出された温度差が、前記第２の温度差検出手段により検出された温度差より所定値以上大きくなったときに、前記排気管内に前記還元剤の成分が蓄積されたと判定する第１の判定手段と、を含んでエンジンの排気浄化装置が構成されることを特徴とする。
請求項２記載の発明は、前記エンジンが過渡運転状態であることを検出する過渡運転検出手段を備え、前記第１の判定手段は、前記エンジンが過渡運転状態であると検出されたときのみ、前記排気管内に前記還元剤の成分が蓄積されたか否かを判定することを特徴とする。
請求項３記載の発明は、エンジンの排気管に配設され、還元剤により窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、前記還元触媒の排気上流側の前記排気管内に還元剤を噴射供給する噴射ノズルと、前記還元剤が付着する部位の排気上流側の前記排気管内と排気下流側の前記排気管内との差圧を検出する差圧検出手段と、前記差圧検出手段により検出された前記差圧が所定圧以上となったときに、前記排気管内に前記還元剤の成分が蓄積されたと判定する第２の判定手段と、を含んでエンジンの排気浄化装置が構成されることを特徴とする。
請求項３記載の発明は、エンジンの排気管に配設され、還元剤により窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、前記還元触媒の排気上流側の前記排気管内に還元剤を噴射供給する噴射ノズルと、前記還元剤が付着する部位の排気上流側の前記排気管内と排気下流側の前記排気管内との差圧を検出する差圧検出手段と、前記差圧検出手段により検出された前記差圧が所定圧以上となったときに、前記排気管内に前記還元剤の成分が蓄積されたと判定する第２の判定手段と、を含んでエンジンの排気浄化装置が構成されることを特徴とする。
請求項４記載の発明は、警報作動を行う警報手段と、前記還元剤の成分が蓄積されたと判定されたときに、警報作動を行うように警報手段を作動制御する警報制御手段と、を有することを特徴とする。
請求項１記載の発明によれば、噴射ノズルから還元触媒の排気上流側の排気管内に噴射供給された還元剤が付着する部位における排気管の外壁温度と排気温度との温度差が、還元剤が付着しない部位における排気管の外壁温度と排気温度との温度差より所定値以上大きくなったときには、還元剤の成分が蓄積されたと判定される。これは、還元剤の成分が蓄積された部分においては、外壁に排気熱が伝熱し難くなるためである。これにより、噴射ノズルから噴射供給された還元剤の成分が排気管内に蓄積されたことを検出することができる。
請求項２記載の発明によれば、エンジンが過渡運転状態であるときのみ排気管内に還元剤の成分が蓄積されたか否かが判定されるので、排気管の外壁温度と排気温度とが熱平衡状態にある定常運転時に、ノイズ等によって、還元剤の成分が蓄積されたと誤検出されることを防止できる。
請求項３記載の発明によれば、噴射ノズルから還元触媒の排気上流側の排気管内に噴射供給された還元剤が付着する部位の排気上流側の排気管内と排気下流側の排気管内との差圧が所定圧以上となったときには、排気管内に還元剤の成分が蓄積されたと判定される。これは、排気管内に還元剤の成分が蓄積されると、排気管内の流路面積が減少して流通抵抗が増加し、その前後の圧力差が増大するためである。これにより、噴射ノズルから噴射供給された還元剤の成分が排気管内に蓄積されたことを検出することができる。
請求項３記載の発明によれば、噴射ノズルから還元触媒の排気上流側の排気管内に噴射供給された還元剤が付着する部位の排気上流側の排気管内と排気下流側の排気管内との差圧が所定圧以上となったときには、排気管内に還元剤の成分が蓄積されたと判定される。これは、排気管内に還元剤の成分が蓄積されると、排気管内の流路面積が減少して流通抵抗が増加し、その前後の圧力差が増大するためである。これにより、噴射ノズルから噴射供給された還元剤の成分が排気管内に蓄積されたことを検出することができる。
請求項４記載の発明によれば、還元剤の成分が蓄積されたと判定されたときに、警報手段が警報作動を行うので、排気管内に還元剤の成分が蓄積されたことを容易に知ることができる。
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、本発明の実施形態の排気浄化装置の構成図である。
エンジン１の排気管２には、排気上流より順番に、排気中の一酸化窒素を二酸化窒素に酸化する酸化触媒３及びＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ還元触媒４が夫々介装されている。また、ＮＯｘ還元触媒４の排気上流には、排気管２内に開口した噴孔５から還元剤としての尿素水溶液を排気下流に向けて噴射供給する噴射ノズル６が配設されている。
図１は、本発明の実施形態の排気浄化装置の構成図である。
エンジン１の排気管２には、排気上流より順番に、排気中の一酸化窒素を二酸化窒素に酸化する酸化触媒３及びＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ還元触媒４が夫々介装されている。また、ＮＯｘ還元触媒４の排気上流には、排気管２内に開口した噴孔５から還元剤としての尿素水溶液を排気下流に向けて噴射供給する噴射ノズル６が配設されている。
噴射ノズル６は、配管７を介して還元剤供給装置８に連通接続されている。
還元剤供給装置８には、尿素水溶液及び圧縮空気が供給され、尿素水溶液が圧縮空気とともに噴射ノズル６から排気管２内に噴射供給される。また、エンジン運転状態に応じて、ＮＯｘ還元触媒４に供給する尿素水溶液の流量を制御するために、コンピュータを内蔵した還元剤供給コントローラ９が備えられる。還元剤供給コントローラ９は、ＣＡＮ（Controller Area Network）を介して入力されたエンジン運転状態即ちエンジン回転速度及び燃料噴射量に応じて還元剤供給装置８を制御する。
還元剤供給装置８には、尿素水溶液及び圧縮空気が供給され、尿素水溶液が圧縮空気とともに噴射ノズル６から排気管２内に噴射供給される。また、エンジン運転状態に応じて、ＮＯｘ還元触媒４に供給する尿素水溶液の流量を制御するために、コンピュータを内蔵した還元剤供給コントローラ９が備えられる。還元剤供給コントローラ９は、ＣＡＮ（Controller Area Network）を介して入力されたエンジン運転状態即ちエンジン回転速度及び燃料噴射量に応じて還元剤供給装置８を制御する。
噴射ノズル６から噴射供給された尿素水溶液が付着する部位の排気管２には、その部位の外壁温度Ｔ１を検出する第１の温度センサ１０と、排気温度Ｔ２を検出する第２の温度センサ１１とが設けられている。また、噴射ノズル５の排気上流であって噴射供給された尿素水溶液が付着する恐れがない部位には、排気管２の外壁温度Ｔ３を検出する第３の温度センサ１２と、排気温度Ｔ４を検出する第４の温度センサ１３とが設けられている。
更に、排気管２内に尿素が蓄積されていることを、表示やブザー等にて警報する警報装置１４が設けられている。
第１〜第４の温度センサ１０〜１３にて検出された温度を入力し、警報装置１４に警報作動信号を出力するコントローラ１５が設けられている。
ここで、図２を用いて、本発明の排気浄化装置の第１の実施形態におけるコントローラ１５で実行される制御手順を説明する。まず、コントローラ１５は、キースイッチ等の電源スイッチＯＮにて電源が供給され、制御を開始する。なお、図示するフローチャートによる制御は所定時間毎に繰り返して行われる。
第１〜第４の温度センサ１０〜１３にて検出された温度を入力し、警報装置１４に警報作動信号を出力するコントローラ１５が設けられている。
ここで、図２を用いて、本発明の排気浄化装置の第１の実施形態におけるコントローラ１５で実行される制御手順を説明する。まず、コントローラ１５は、キースイッチ等の電源スイッチＯＮにて電源が供給され、制御を開始する。なお、図示するフローチャートによる制御は所定時間毎に繰り返して行われる。
始めにステップ１（図ではＳ１と表記する、以下同様）では、第１〜４の温度センサ１０〜１３から、外壁温度Ｔ１、Ｔ３及び排気温度Ｔ２、Ｔ４を夫々入力する。
ステップ２では、排気温度Ｔ２から外壁温度Ｔ１を減算し、その温度差ΔＴｄを求める。なお、第１の温度センサ１０及び第２の温度センサ１１を用いたステップ１及び２の処理が、第１の温度差検出手段に該当する。
ステップ２では、排気温度Ｔ２から外壁温度Ｔ１を減算し、その温度差ΔＴｄを求める。なお、第１の温度センサ１０及び第２の温度センサ１１を用いたステップ１及び２の処理が、第１の温度差検出手段に該当する。
ステップ３では、排気温度Ｔ４から外壁温度Ｔ３を減算し、その温度差ΔＴｕを求める。なお、第３の温度センサ１２及び第４の温度センサ１３を用いたステップ１及び３の処理が、第２の温度差検出手段に該当する。
ステップ４では、温度差ΔＴｕから温度差ΔＴｄを減算して求められる温度差が、所定値Ｔａ以上であるか否かを判定する。所定値Ｔａ以上であるときは、ステップ５に進む。所定値Ｔａ未満であるときは、ステップ６に進む。所定値Ｔａは、排気管２内に尿素が蓄積されたときの温度差ΔＴｄと温度差ΔＴｕとの差をあらかじめ確認しておき、その値に設定すればよい。なお、ステップ４の処理が、第１の判定手段に該当する。
ステップ４では、温度差ΔＴｕから温度差ΔＴｄを減算して求められる温度差が、所定値Ｔａ以上であるか否かを判定する。所定値Ｔａ以上であるときは、ステップ５に進む。所定値Ｔａ未満であるときは、ステップ６に進む。所定値Ｔａは、排気管２内に尿素が蓄積されたときの温度差ΔＴｄと温度差ΔＴｕとの差をあらかじめ確認しておき、その値に設定すればよい。なお、ステップ４の処理が、第１の判定手段に該当する。
ステップ５では、警報作動信号を警報装置１４に出力する。その後ＥＮＤに進む。なお、ステップ５の処理が、警報制御手段に該当する。
ステップ６では、警報作動信号の出力を停止する。その後ＥＮＤに進む。
以上のような構成によれば、エンジン１の排気は、排気管２を通過してＮＯｘ還元触媒４へと導かれる。このとき、還元剤供給コントローラ９は、エンジン１の回転速度や燃料噴射量に基づいて還元剤供給装置８を作動制御することにより、エンジン運転状態に見合った量の尿素水溶液が、圧縮空気とともに配管７を通過して噴射ノズル６からＮＯｘ還元触媒４の排気上流である排気管２内に噴射される。噴射ノズル６から噴射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を生成しつつ排気とともにＮＯｘ還元触媒４に流入する。そして、ＮＯｘ還元触媒４において、アンモニアと排気中のＮＯｘとが反応することにより、排気中のＮＯｘが水及び無害なガスに浄化される。なお、ＮＯｘ還元触媒４の排気上流には酸化触媒３が設けられているので、ＮＯｘ還元
触媒４に導入される排気中のＮＯｘのうち一酸化窒素の割合が減り二酸化窒素の割合が多くなる。これにより、ＮＯｘ還元触媒４におけるＮＯｘの浄化効率が向上する。
ステップ６では、警報作動信号の出力を停止する。その後ＥＮＤに進む。
以上のような構成によれば、エンジン１の排気は、排気管２を通過してＮＯｘ還元触媒４へと導かれる。このとき、還元剤供給コントローラ９は、エンジン１の回転速度や燃料噴射量に基づいて還元剤供給装置８を作動制御することにより、エンジン運転状態に見合った量の尿素水溶液が、圧縮空気とともに配管７を通過して噴射ノズル６からＮＯｘ還元触媒４の排気上流である排気管２内に噴射される。噴射ノズル６から噴射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を生成しつつ排気とともにＮＯｘ還元触媒４に流入する。そして、ＮＯｘ還元触媒４において、アンモニアと排気中のＮＯｘとが反応することにより、排気中のＮＯｘが水及び無害なガスに浄化される。なお、ＮＯｘ還元触媒４の排気上流には酸化触媒３が設けられているので、ＮＯｘ還元
触媒４に導入される排気中のＮＯｘのうち一酸化窒素の割合が減り二酸化窒素の割合が多くなる。これにより、ＮＯｘ還元触媒４におけるＮＯｘの浄化効率が向上する。
このとき、コントローラ１５は、温度差ΔＴｄとΔＴｕとの差が所定値Ｔａ以上となったときには、尿素が蓄積されたと判定し、警報装置１４に警報作動信号を出力する。これにより、警報装置１４が警報作動を行うので、尿素が蓄積されたことを知ることができる。
なお、コントローラ１５は、エンジン１が過渡運転状態であるときのみ、排気管２内に尿素が蓄積されたか否かを判定するようにすればよい。エンジン１が過渡運転状態であるか否かは、例えば、コントローラ１５（過渡運転検出手段）にエンジン回転速度及び燃料噴射量を入力して判定させればよい。これにより、尿素が蓄積していても、蓄積された尿素を介して排気管２まで排気熱が到達して排気管２の外壁温度と排気温度との差が小さくなる恐れのある定常運転時に、蓄積が無いと誤検出されることを防止できる。
なお、コントローラ１５は、エンジン１が過渡運転状態であるときのみ、排気管２内に尿素が蓄積されたか否かを判定するようにすればよい。エンジン１が過渡運転状態であるか否かは、例えば、コントローラ１５（過渡運転検出手段）にエンジン回転速度及び燃料噴射量を入力して判定させればよい。これにより、尿素が蓄積していても、蓄積された尿素を介して排気管２まで排気熱が到達して排気管２の外壁温度と排気温度との差が小さくなる恐れのある定常運転時に、蓄積が無いと誤検出されることを防止できる。
ここで、温度差ΔＴｄとΔＴｕとの差から排気管２内に尿素が蓄積されたことを判定できる原理について説明する。エンジン１の運転状態の変化により排気温度が変動したときには、排気管２の外壁２ａと排気との間で温度差が発生する。このとき、排気管２の内壁２ｂに尿素が蓄積された部位では、外壁２ａに排気熱が伝熱し難くなるので、排気管２の外壁温度Ｔ１と排気温度Ｔ２との温度差ΔＴｄは、尿素が蓄積されていない部位での排気管２の外壁温度Ｔ３と排気温度Ｔ４との温度差ΔＴｕより大きくなる。従って、尿素が蓄積される部位での温度差ΔＴｄと、尿素が蓄積されない部位での温度差ΔＴｕと、で所定値以上差があるときには、排気管２の内壁２ｂに尿素が蓄積されたと判定できる。
なお、温度センサ１０〜１４を用いる代わりに、排気管２内の圧力から、尿素が蓄積されたことを判定することができる。これは、排気管２内に尿素が蓄積されると、その部位における排気管２内の流路面積が減少して流通抵抗が増加するので、尿素が蓄積された部分の前後での圧力差が増大するためである。例えば、図３に示すように、差圧計２０（差圧検出手段）により、噴射ノズル５の排気上流側の排気管２内とＮＯｘ還元触媒４の排気下流側の排気管２内との圧力差を検出する。そして、コントローラ１５（第２の判定手段）は、この圧力差が所定値Ｐａ以上になったときに、排気管２内に尿素が蓄積されたと判定すればよい。
なお、以上の実施例では、還元剤として尿素水溶液を用いたが、軽油、ガソリンまたはアルコール類等を用いた場合でも同様に、排気管２内に析出されるカーボン等の還元剤の成分の蓄積を検出することができる。
１ エンジン
２ 排気管
４ ＮＯｘ還元触媒
６ 噴射ノズル
８ 還元剤供給装置
１０ 第１の温度センサ
１１ 第２の温度センサ
１２ 第３の温度センサ
１３ 第４の温度センサ
１４ 警報装置
１５ コントローラ
２０ 差圧計
２ 排気管
４ ＮＯｘ還元触媒
６ 噴射ノズル
８ 還元剤供給装置
１０ 第１の温度センサ
１１ 第２の温度センサ
１２ 第３の温度センサ
１３ 第４の温度センサ
１４ 警報装置
１５ コントローラ
２０ 差圧計
Claims (4)
- エンジンの排気管に配設され、還元剤により窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、
前記還元触媒の排気上流側の前記排気管内に還元剤を噴射供給する噴射ノズルと、
前記噴射ノズルから噴射供給された還元剤が付着する部位における前記排気管の外壁温度と排気温度との温度差を検出する第１の温度差検出手段と、
前記還元剤が付着しない部位における前記排気管の外壁温度と排気温度との温度差を検出する第２の温度差検出手段と、
前記第１の温度差検出手段により検出された温度差が、前記第２の温度差検出手段により検出された温度差より所定値以上大きくなったときに、前記排気管内に前記還元剤の成分が蓄積されたと判定する第１の判定手段と、
を含んで構成されることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。 - 前記エンジンが過渡運転状態であることを検出する過渡運転検出手段を備え、
前記第１の判定手段は、前記エンジンが過渡運転状態であると検出されたときのみ、前記排気管内に前記還元剤の成分が蓄積されたか否かを判定す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。 - エンジンの排気管に配設され、還元剤により窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、
前記還元触媒の排気上流側の前記排気管内に還元剤を噴射供給する噴射ノズルと、
前記還元剤が付着する部位の排気上流側の前記排気管内と排気下流側の前記排気管内との差圧を検出する差圧検出手段と、
前記差圧検出手段により検出された前記差圧が所定圧以上となったときに、前記排気管内に前記還元剤の成分が蓄積されたと判定する第２の判定手段と、
を含んで構成されることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。 - 警報作動を行う警報手段と、
前記還元剤の成分が蓄積されたと判定されたときに、警報作動を行うように警報手段を作動制御する警報制御手段と、
を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。
Priority Applications (10)
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