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JP4325725B2 - 内燃機関の尿素水供給装置 - Google Patents

内燃機関の尿素水供給装置 Download PDF

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Description

本発明は内燃機関の尿素水供給装置に関する。
排気ガス中のＮＯxを還元するために機関排気通路内に尿素水を供給するようにした内燃機関では尿素水を貯留しておくために尿素水タンクが備えられている。この尿素水タンク内には尿素水から気化したアンモニアガスが充満しており、従って尿素水を補充すべく尿素水タンクの補充口の蓋をはずすとアンモニアガスが外気中に放出されてしまう。
そこでこのようにアンモニアガスが外気中に放出されるのを阻止するために、尿素水タンクの上部に尿素水タンク内で発生したアンモニアガスを強制的に排出させるための電動ファンと、電動ファンにより排出されたアンモニアガスを一時的に吸着するための吸着装置と、吸着装置から脱離したアンモニアを酸化させるための酸化触媒とを備えた尿素水タンクが公知である（例えば特許文献１を参照）。
特開２００５−１０５９１５号公報
しかしながらこの尿素水タンクでは発生したアンモニアガスが無駄に消費されるという問題がある。
上記問題を解決するために本発明によれば、ＮＯx選択還元触媒上流の機関排気通路内に配置された尿素水供給弁と、尿素水タンクと、尿素水タンク内に貯留されている尿素水を尿素水供給弁に送り込むための供給ポンプとを具備しており、尿素水供給弁から尿素水を供給すべきときには供給ポンプを正転させて尿素水タンク内の尿素水を尿素水供給弁に送り込むようにした内燃機関の尿素水供給装置において、供給ポンプから尿素水供給弁まで延びる尿素水送給通路の尿素水供給弁側の端部に、尿素水タンク内で発生したアンモニアガスを送り込むためのアンモニアガス送給管を接続し、尿素水供給弁からの尿素水の供給停止時に供給ポンプを逆転させて尿素水タンク内で発生したアンモニアガスをアンモニアガス送給管を介して尿素水送給通路内に引き込み、供給ポンプを正転させたときに尿素水送給通路内に引き込まれたアンモニアガスを尿素水供給弁から噴出させるようにしている。
尿素水タンク内で発生したアンモニアガスがＮＯxを還元するために使用される。
図１に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。
図１を参照すると、１は機関本体、２は吸気マニホルド、３は排気マニホルド、４は尿素水タンクを夫々示す。排気マニホルド３の出口は酸化触媒５の入口に連結され、酸化触媒５の出口は排気管６を介してＮＯx選択還元触媒７の入口に連結される。ＮＯx選択還元触媒７上流の排気管６内には尿素水供給弁８が配置される。
一方、尿素水タンク４の上部には尿素水タンク４内に貯留されている尿素水を尿素水供給弁８に送り込むための供給ポンプ９が配置されており、この供給ポンプ９は供給ポンプ９と尿素水供給弁８間を延びる尿素水送給通路１０を介して尿素水供給弁８に連結される。図１に示される実施例ではこの尿素水送給通路１０は導管から形成されている。
一方、図１に示されるように尿素水送給通路１０の尿素水供給弁８側の端部には尿素水タンク４内で発生したアンモニアガスを送り込むためのアンモニアガス送給管１１が接続されており、図１に示される実施例ではこのアンモニアガス送給管１１は尿素水タンク４内の上部空間に接続されている。また、アンモニアガス送給管１１の尿素水供給弁８側の端部にはアンモニアガス送給管１１内から尿素水送給通路１０内に向けてのみ流通可能な逆止弁１２が配置されている。
また、尿素水タンク４の上部には外部から尿素水タンク４内に向けてのみ流通可能な逆止弁１３が配置されている。尿素水タンク４内の圧力が大気圧以下になると外気が逆止弁１３を介して尿素水タンク４内に流入し、斯くして尿素水タンク４内の圧力はほぼ大気圧以上に保持されている。
電子制御ユニット２０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス２１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）２２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）２３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）２４、入力ポート２５および出力ポート２６を具備する。アクセルペダル３０にはアクセルペダル３０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ３１が接続され、負荷センサ３１の出力電圧は対応するＡＤ変換器２７を介して入力ポート２５に入力される。また、入力ポート２５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ３２が接続される。更に入力ポート２５にはイグニッションスイッチ３３のオン・オフ信号が入力される。一方、出力ポート２６は対応する駆動回路２８を介して尿素水供給弁８および供給ポンプ９に接続される。
ＮＯx選択還元触媒７は例えばアンモニア吸着タイプのＦｅゼオライトから構成されている。尿素水供給弁８から供給された尿素水はＮＯx選択還元触媒７に吸着され、吸着された尿素から発生したアンモニア（（ＮＨ2）2ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→２ＮＨ3＋ＣＯ2）によって排気ガス中に含まれるＮＯxがＮＯx選択還元触媒７において還元される。酸化触媒５は例えば白金のような貴金属触媒を担持しており、この酸化触媒５は排気ガス中に含まれるＨＣを酸化させる作用をなす。即ち、アンモニアが吸着するタイプのＮＯx選択還元触媒７ではＨＣが吸着するとアンモニアの吸着量が減少するためにＮＯx浄化率が低下する。従って図に示される実施例では酸化触媒５によりＨＣを酸化することによってＮＯx浄化率が低下するのを阻止するようにしている。
さて、尿素水供給弁８から尿素水を供給すべきときには供給ポンプ９が正転せしめられる。このとき尿素水タンク４内の尿素水が尿素水送給通路１０を介して尿素水供給弁８に送り込まれる。このとき逆止弁１２は閉弁している。ＮＯx選択還元触媒７のアンモニア吸着量が飽和すると尿素水の供給が停止される。
ところで尿素水タンク４の上部空間内には尿素水から発生したアンモニアガスが充満している。本発明ではこのアンモニアガスを減少させるために尿素水供給弁８からの尿素水の供給が停止されたときに供給ポンプ９が一時的に逆転せしめられる。供給ポンプ９が逆転せしめられると尿素水送給通路１０内に残存している尿素水が尿素水タンク４内に吸い戻され、このとき逆止弁１２が開弁して尿素水タンク４内で発生したアンモニアガスがアンモニアガス送給管１１を介して尿素水送給通路１０内に引き込まれる。従って尿素水送給通路１０内にはアンモニアガスが充満することになる。
次いで尿素水供給弁８から尿素水を供給すべく供給ポンプ９が正転せしめられると尿素水送給通路１０内に引き込まれたアンモニアガスが最初に尿素水供給弁８から噴出せしめられ、次いで尿素水が噴出せしめられる。このように尿素水の供給が再開される毎に尿素水タンク４内で発生したアンモニアガスが尿素水供給弁８から噴出せしめられるので尿素水タンク４内のアンモニアガスは徐々に減少することになる。
なお、逆止弁１２に代えて電磁弁を用いることもでき、この場合には供給ポンプ９が逆転せしめられたときに電磁弁が開弁せしめられる。即ち、アンモニアガス送給管１１内には供給ポンプ９が逆転せしめられたときに開弁する弁１４が配置されており、この弁１４としては逆止弁や電磁弁等種々の型式の弁を用いることができる。
また、図１に示される実施例では機関が停止せしめられるときにも供給ポンプ９が逆転せしめられる。従って機関始動時において尿素水供給弁８が最初に開弁せしめられたときには尿素水供給弁８からアンモニアガスが噴出せしめられることになる。機関始動時においてＮＯx選択還元触媒７の温度が低いときには尿素水供給弁８から尿素水を供給してもアンモニアが生成されずらく、斯くして低いＮＯx浄化率しか得られない。しかしながら上述の如く機関始動時に尿素水供給弁８からアンモニアガスが噴出せしめられるとこのアンモニアガスによって排気ガス中のＮＯxはただちに還元され、斯くして機関始動時から高いＮＯx浄化率が得られることになる。
図２に尿素水供給装置の運転制御ルーチンを示す。このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。
図２を参照するとまず初めにステップ４０においてイグニッションスイッチ３３がオンからオフに切換えられたか否かが判別される。イグニッションスイッチ３３がオンのときにはステップ４１に進んで尿素水を供給すべき状態であるか否か、即ち尿素水供給条件が成立しているか否かが判別される。尿素水供給条件が成立しているときにはステップ４２に進んで尿素水の供給量が算出され、次いでステップ４３では尿素水を供給すべく供給ポンプ９が正転せしめられる。
一方、ステップ４１において尿素水供給条件が不成立であると判断されたとき、例えばＮＯx選択還元触媒７のアンモニア吸着量が飽和したときにはステップ４４に進んで尿素水供給条件が成立から不成立に切換わったか否かが判別される。成立から不成立に切換わったときにはステップ４５に進んで供給ポンプ９が一時的に逆転せしめられる。一方、ステップ４０においてイグニッションスイッチ３３がオンからオフに切換えられたと判別されたとき、即ち機関が停止されたときにもステップ４５に進んで供給ポンプ９が一時的に逆転せしめられる。
図３に別の実施例を示す。この実施例では尿素水タンク４内で発生したアンモニアガスを貯留しておくためのアンモニアガス貯留タンク１４が設けられており、尿素水タンク４の上部空間は尿素水タンク４内からアンモニアガス貯留タンク１４に向けてのみ流通可能な逆止弁１５を介してアンモニアガス貯留タンク１４に連結されている。従ってアンモニアガス貯留タンク１４内には尿素水タンク４内で発生したアンモニアガスが充満している。この実施例では図３に示されるようにアンモニア送給管１１がアンモニアガス貯留タンク１４に接続されている。
図４に更に別の実施例を示す。この実施例では尿素水タンク４内で発生したアンモニアガスを吸着するためのアンモニア吸着剤１６を内蔵したアンモニア吸着装置１７が設けられており、アンモニアガス送給管１１がアンモニア吸着装置１７に接続されている。もう少し詳細に説明するとこの実施例では例えばゼオライトからなるアンモニア吸着剤１６両側のアンモニア吸着装置１７内には夫々アンモニアガス室１７ａと大気室１７ｂが形成されており、アンモニアガス送給管１１はアンモニアガス室１７ａに接続されている。
一方、尿素水タンク４の上部空間は尿素水タンク４内からアンモニアガス室１７ａに向けてのみ流通可能な逆止弁１８を介してアンモニアガス室１７ａに連結されている。従って尿素水タンク４内で発生したアンモニアガスはアンモニアガス室１７ａ内に流入し、アンモニアガス中のアンモニアがアンモニア吸着剤１６に吸着される。なお、このアンモニア吸着剤１６内にはヒータ１９が埋め込まれている。
この実施例では供給ポンプ９が逆転せしめられると大気室１７ｂ内の大気がアンモニア吸着剤１６内を通ってアンモニアガス室１７ａ内に引き込まれる。このときにアンモニアがアンモニア吸着剤１６から脱離し、アンモニア吸着剤１６から脱離したアンモニアがアンモニアガス送給管１１を介して尿素水送給通路１０内に送り込まれる。この実施例ではこのときアンモニア吸着剤１６からのアンモニアの脱離作用を促進するためにヒータ１９によってアンモニア吸着剤１６が加熱される。
圧縮着火式内燃機関の全体図である。 尿素水供給装置の運転制御を行うためのフローチャートである。 圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す全体図である。 圧縮着火式内燃機関の更に別の実施例を示す全体図である。
符号の説明
３ 排気マニホルド
４ 尿素水タンク
５ 酸化触媒
７ ＮＯx選択還元触媒
８ 尿素水供給弁
９ 供給ポンプ
１０ 尿素水送給通路
１１ アンモニアガス送給管
１２，１３ 逆止弁

Claims (7)

  1. ＮＯx選択還元触媒上流の機関排気通路内に配置された尿素水供給弁と、尿素水タンクと、尿素水タンク内に貯留されている尿素水を尿素水供給弁に送り込むための供給ポンプとを具備しており、尿素水供給弁から尿素水を供給すべきときには供給ポンプを正転させて尿素水タンク内の尿素水を尿素水供給弁に送り込むようにした内燃機関の尿素水供給装置において、供給ポンプから尿素水供給弁まで延びる尿素水送給通路の尿素水供給弁側の端部に、尿素水タンク内で発生したアンモニアガスを送り込むためのアンモニアガス送給管を接続し、尿素水供給弁からの尿素水の供給停止時に供給ポンプを逆転させて尿素水タンク内で発生したアンモニアガスをアンモニアガス送給管を介して尿素水送給通路内に引き込み、供給ポンプを正転させたときに尿素水送給通路内に引き込まれたアンモニアガスを尿素水供給弁から噴出させるようにした内燃機関の尿素水供給装置。
  2. 上記アンモニアガス送給管が尿素水タンク内の上部空間に接続されている請求項１に記載の内燃機関の尿素水供給装置。
  3. 尿素水タンク内で発生したアンモニアガスを貯留しておくためのアンモニアガス貯留タンクを具備しており、上記アンモニアガス送給管が該アンモニアガス貯留タンクに接続されている請求項１に記載の内燃機関の尿素水供給装置。
  4. 尿素水タンク内で発生したアンモニアガスを吸着するためのアンモニア吸着剤を内蔵したアンモニア吸着装置を具備しており、上記アンモニアガス送給管が該アンモニア吸着装置に接続されており、供給ポンプが逆転せしめられたときにアンモニア吸着剤から脱離したアンモニアがアンモニアガス送給管を介して尿素水送給通路内に送り込まれる請求項１に記載の内燃機関の尿素水供給装置。
  5. アンモニア吸着剤を加熱するためのヒータを具備しており、アンモニア吸着剤からアンモニアを脱離すべきときにはヒータによりアンモニア吸着剤が加熱される請求項４に記載の内燃機関の尿素水供給装置。
  6. アンモニアガス送給管内に供給ポンプが逆転せしめられたときに開弁する弁が配置されている請求項１に記載の内燃機関の尿素水供給装置。
  7. 機関始動時において尿素水供給弁が最初に開弁せしめられたときには尿素水供給弁からアンモニアガスが噴出せしめられる請求項１に記載の内燃機関の尿素水供給装置。
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