JP4912189B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの排気浄化装置（以下「排気浄化装置」という）において、尿素水溶液から生成されるアンモニアを還元剤として使用し、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元浄化する技術に関する。

エンジン排気に含まれるＮＯｘを浄化する触媒浄化システムとして、特開２０００−２７６２７号公報（特許文献１）に記載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、排気通路に配設されたＮＯｘ還元触媒の排気上流に、エンジン運転状態に応じた還元剤前駆体を噴射供給することで、排気中のＮＯｘと還元剤とを触媒還元反応させて、ＮＯｘを無害成分に浄化処理するものである。ここで、還元剤前駆体としては、安全性及び取扱性などを考慮し、排気熱及び排気中の水蒸気を利用した加水分解によりアンモニアを生成する尿素水溶液が用いられる。
特開２０００−２７６２７号公報

しかしながら、従来提案の排気浄化装置では、排気中のＮＯｘ濃度に応じて尿素水溶液の添加流量を増減制御していたため、例えば、ＮＯｘ還元触媒に未反応の尿素水溶液又はアンモニアが吸蔵されていた場合、尿素水溶液又はアンモニアが過剰供給され、その利用率低下につながるおそれがあった。また、ＮＯｘ濃度の瞬時変化に応じた尿素水溶液の噴射供給制御では、機械的又は電気的な制御遅れがあるため、意図したタイミングで尿素水溶液の噴射供給（添加）が行われず、過渡期にＮＯｘ浄化率が低下するおそれもあった。

そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、ＮＯｘ還元触媒における尿素水溶液又はアンモニアの吸蔵量を能動的に制御することで、尿素水溶液利用率，ＮＯｘ浄化率などを向上させた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記載の発明では、エンジンの排気浄化装置は、エンジン排気管に配設され、尿素水溶液から生成されるアンモニアを使用して排気中の窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、尿素水溶液を貯蔵する還元剤容器と、前記還元触媒の排気上流に尿素水溶液を噴射供給する噴射ノズルと、前記還元剤容器と前記噴射ノズルとを連通する配管に配設され、ポンプ及び流量制御弁としての開閉弁を内蔵した還元剤添加装置と、前記還元触媒の排気下流のアンモニア濃度を検出するアンモニア濃度検出手段と、前記還元触媒の排気下流の窒素酸化物濃度を検出する窒素酸化物濃度検出手段と、前記アンモニア濃度検出手段により検出されたアンモニア濃度が許容上限値未満、かつ、前記窒素酸化物濃度検出手段により検出された窒素酸化物濃度が目標値以上となったときに、前記還元剤添加装置の開閉弁を開いて尿素水溶液の噴射供給を開始する噴射供給開始手段と、前記アンモニア濃度検出手段により検出されたアンモニア濃度が許容上限値以上となったときに、前記還元剤添加装置の開閉弁を閉じて尿素水溶液の噴射供給を中止する噴射供給中止手段と、を含んで構成されたことを特徴とする。

請求項２記載の発明では、前記還元触媒に導入される排気の排気温度を検出する排気温度検出手段を備え、前記噴射供給開始手段は、前記条件に加え、前記排気温度検出手段により検出された排気温度が所定温度より高いときに、前記尿素水溶液の噴射供給を開始することを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、還元触媒の排気下流におけるアンモニア濃度及び窒素酸化物濃度が常時監視され、アンモニア濃度が許容上限値に達したことを契機として、尿素水溶液の噴射供給が中止される一方、アンモニア濃度が許容上限値未満かつ窒素酸化物濃度が目標値以上となったことを契機として、尿素水溶液の噴射供給が開始される。このため、大気中にアンモニアが許容上限値以上放出されないという条件下で、還元触媒における尿素水溶液又はアンモニアの吸蔵量が能動的に制御され、尿素水溶液利用率，窒素酸化物浄化率などを向上させることができる。また、尿素水溶液の噴射供給は、開始するか又は中止するか制御可能であれば足りるので、例えば、安価な開閉弁の使用が可能となり、コストダウンも併せて図ることができる。なお、尿素水溶液の噴射供給が中止された状態では、還元触媒に吸蔵された尿素水溶液又はアンモニアを使用して窒素酸化物浄化が行われるので、排気性状の低下を来たすことがない。

請求項２記載の発明によれば、尿素水溶液の噴射供給を開始する条件に、還元触媒に導入される排気温度が所定温度より高いことが付加されるため、還元触媒が活性していない状態での尿素水溶液の噴射供給が禁止され、尿素水溶液又はアンモニアが大気中に放出されることを抑制することができる。

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、本発明を具現化した排気浄化装置の全体構成を示す。
エンジン１０の排気マニフォールド１２に接続される排気管１４には、排気流通方向に沿って、一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ₂）へと酸化させる窒素酸化触媒１６と、尿素水溶液を噴射供給する噴射ノズル１８と、尿素水溶液を加水分解して生成されるアンモニアを利用してＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ還元触媒２０と、ＮＯｘ還元触媒２０を通過したアンモニアを酸化させるアンモニア酸化触媒２２と、が夫々配設される。また、還元剤容器２４に貯蔵される尿素水溶液は、その底部で吸込口が開口する配管２６を介して、ポンプ及び流量制御弁が内蔵された還元剤添加装置２８に供給される。なお、噴射ノズル１８，還元剤容器２４，配管２６及び還元剤添加装置２８を含んで噴射供給手段が構成される。

排気浄化装置の制御系として、アンモニア酸化触媒２２の排気下流に位置する排気管１４には、排気中のアンモニア（ＮＨ₃）濃度を検出するアンモニアセンサ３０（アンモニア濃度検出手段）と、排気中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ３２（窒素酸化物濃度検出手段）と、が夫々取り付けられる。噴射ノズル１８とＮＯｘ還元触媒２０との間に位置する排気管１４には、ＮＯｘ還元触媒２０に導入される排気の排気温度を検出する温度センサ３４（排気温度検出手段）が取り付けられる。アンモニアセンサ３０，ＮＯｘセンサ３２及び温度センサ３４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（以下「還元剤添加ＥＣＵ」という）３６へと入力される。また、還元剤添加ＥＣＵ３６は、ＣＡＮ（Controller Area Network）などのネットワークを介してエンジンコントロールユニット（以下「エンジンＥＣＵ」という）３８と通信可能に接続され、エンジン運転状態として、少なくとも、エンジン回転速度及びエンジン負荷を適宜読み込み可能となっている。なお、エンジン負荷としては、燃料噴射量，トルク，アクセル開度，吸気負圧，吸気流量などの公知の状態量を適用することができる。

そして、還元剤添加ＥＣＵ３６は、その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、各種入力信号に応じて還元剤添加装置２８を電子制御し、適量な尿素水溶液が噴射ノズル１８に供給される。なお、還元剤添加ＥＣＵ３６が制御プログラムを実行することで、噴射供給開始手段及び噴射供給中止手段が夫々具現化される。

かかる排気浄化装置において、噴射ノズル１８から添加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、アンモニアへと転化される。転化されたアンモニアは、ＮＯｘ還元触媒２０において排気中のＮＯｘと還元反応し、水（Ｈ₂Ｏ）及び窒素（Ｎ₂）へと浄化されることは知られたことである。このとき、ＮＯｘ還元触媒２０によるＮＯｘ浄化率を向上させるべく、窒素酸化触媒１６によりＮＯがＮＯ₂へと酸化され、排気中のＮＯとＮＯ₂との比率が触媒還元反応に適したものに改善される。一方、ＮＯｘ還元触媒２０を通過したアンモニアは、その排気下流に配設されたアンモニア酸化触媒２２により酸化されるので、アンモニアがそのまま放出されることを抑制できる。

図２は、還元剤添加ＥＣＵ３６において、エンジン始動を契機として、所定時間ごとに繰り返し実行される制御プログラムの第１実施形態を示す。なお、本制御プログラムにより、噴射供給開始手段及び噴射供給中止手段が夫々具現化される。
ステップ１（図では「Ｓ１」と略記する。以下同様）では、温度センサ３４により検出された排気温度が所定温度Ｔより高いか否かを判定する。ここで、所定温度Ｔは、ＮＯｘ還元触媒２０が活性化されているか否かを判定するための閾値であって、例えば、その触媒成分の活性温度より若干高い温度に設定される。そして、排気温度が所定温度Ｔより高ければステップ２へと進む一方（Ｙｅｓ）、排気温度が所定温度Ｔ以下であれば処理を終了する（Ｎｏ）。

ステップ２では、還元剤添加装置２８に添加開始信号を出力し、尿素水溶液の添加を開始する。
ステップ３では、アンモニアセンサ３０により検出されたアンモニア濃度が許容上限値Ｃ_NH3以上であるか否かを判定する。ここで、許容上限値Ｃ_NH3は、大気中へのアンモニア放出が許容される上限値を画定する閾値であって、例えば、法規による規定値若しくはこれよりも若干低い値に設定される。そして、アンモニア濃度が許容上限値Ｃ_NH3以上であればステップ４へと進む一方（Ｙｅｓ）、アンモニア濃度が許容上限値Ｃ_NH3未満であれば待機する（Ｎｏ）。

ステップ４では、還元剤添加装置２８に添加中止信号を出力し、尿素水溶液の添加を中止する。
ステップ５では、アンモニアセンサ３０により検出されたアンモニア濃度が許容上限値Ｃ_NH3未満であるか否かを判定する。そして、アンモニア濃度が許容上限値Ｃ_NH3未満であればステップ６へと進む一方（Ｙｅｓ）、アンモニア濃度が許容上限値Ｃ_NH3以上であれば待機する（Ｎｏ）。

ステップ６では、ＮＯｘセンサ３２により検出されたＮＯｘ濃度が目標値Ｃ_NOx以上であるか否かを判定する。ここで、目標値Ｃ_NOxは、排気中のＮＯｘ浄化の目標を画定する閾値であって、例えば、法規による規定値若しくはこれよりも若干低い値に設定される。そして、ＮＯｘ濃度が目標値Ｃ_NOx以上であれば処理を終了する一方（Ｙｅｓ）、ＮＯｘ濃度が目標値Ｃ_NOx未満であればステップ５へと戻る（Ｎｏ）。

かかる制御プログラムによれば、エンジン始動後、排気温度が所定温度Ｔより高くなると、エンジン運転状態の如何にかかわらず、図３に示すように、最大流量の尿素水溶液が添加される。この場合、添加された尿素水溶液の全量がＮＯｘ浄化に資されず、その一部が尿素水溶液のまま又はアンモニアへと転化された状態でＮＯｘ還元触媒２０に吸蔵される。ＮＯｘ還元触媒２０における吸蔵量が飽和状態に近づくと、アンモニア酸化触媒２２で酸化しきれなかったアンモニアの濃度が徐々に増加し、許容上限値Ｃ_NH3に達する。アンモニア濃度が許容上限値Ｃ_NH3に達すると、大気中へのアンモニア放出を抑制すべく、尿素水溶液の添加が中止される。その後、アンモニア濃度が許容上限値Ｃ_NH3未満、かつ、ＮＯｘ濃度が目標値Ｃ_NOx以上となるまで、尿素水溶液の添加が中止されたままとなる。このとき、排気中への尿素水溶液の添加は行われないが、ＮＯｘ還元触媒２０に吸蔵された尿素水溶液又はアンモニアを使用してＮＯｘ浄化が行われるので、排気性状の低下を来たすことはない。

即ち、ＮＯｘ還元触媒２０の排気下流におけるアンモニア濃度及びＮＯｘ濃度を常時監視し、アンモニア濃度が許容上限値Ｃ_NH3に達したことを契機として、尿素水溶液の添加を中止する一方、アンモニア濃度が許容上限値Ｃ_NH3未満かつＮＯｘ濃度が目標値Ｃ_NOx以上となったことを契機として、尿素水溶液の添加を開始する。このため、大気中にアンモニアが許容上限値Ｃ_NH3以上放出されないという条件下で、ＮＯｘ還元触媒２０における尿素水溶液又はアンモニアの吸蔵量が能動的に制御され、尿素水溶液利用率，ＮＯｘ浄化率などを向上させることができる。また、還元剤添加装置２８の流量制御弁としては、尿素水溶液を添加するか否か制御可能であれば足りるので、例えば、安価な開閉弁を用いることで、コストダウンなども図ることができる。

図４は、還元剤添加ＥＣＵ３６において、エンジン始動を契機として、所定時間ごとに繰り返し実行される制御プログラムの第２実施形態を示す。
ステップ１１では、温度センサ３４により検出された排気温度が所定温度Ｔより高いか否かを判定する。そして、排気温度が所定温度Ｔより高ければステップ１２へと進む一方（Ｙｅｓ）、排気温度が所定温度Ｔ以下であれば処理を終了する（Ｎｏ）。

ステップ１２では、図５に示すように、エンジン回転速度及び負荷に対応した添加流量が設定された制御マップを参照し、エンジンＥＣＵ３８から読み込んだエンジン回転速度及び負荷に適合した尿素水溶液の添加流量を決定する。
ステップ１３では、尿素水溶液の添加流量に応じた制御信号を還元剤添加装置２８に出力し、尿素水溶液の添加を開始する。

ステップ１４では、アンモニアセンサ３０により検出されたアンモニア濃度が許容上限値Ｃ_NH3以上であるか否かを判定する。そして、アンモニア濃度が許容上限値Ｃ_NH3以上であればステップ１５へと進む一方（Ｙｅｓ）、アンモニア濃度が許容上限値Ｃ_NH3未満であればステップ１７へと進む（Ｎｏ）。
ステップ１５では、還元剤添加装置２８に添加中止信号を出力し、尿素水溶液の添加を中止する。

ステップ１６では、ＮＯｘセンサ３２により検出されたＮＯｘ濃度が目標値Ｃ_NOx以上であるか否かを判定する。そして、ＮＯｘ濃度が目標値Ｃ_NOx以上であれば処理を終了する一方（Ｙｅｓ）、ＮＯｘ濃度が目標値Ｃ_NOx未満であれば待機する（Ｎｏ）。
ステップ１７では、ＮＯｘセンサ３２により検出されたＮＯｘ濃度が目標値Ｃ_NOx以下であるか否かを判定する。そして、ＮＯｘ濃度が目標値Ｃ_NOx以下であればステップ１８へと進む一方（Ｙｅｓ）、ＮＯｘ濃度が目標値Ｃ_NOxより高ければステップ１４へと戻る（Ｎｏ）。

ステップ１８では、図６に示すように、ＮＯｘ濃度及び排気温度に対応した低減率が設定された制御マップを参照し、ＮＯｘセンサ３２及び温度センサ３４により夫々検出されたＮＯｘ濃度及び排気温度に適合した流量低減率を決定する。
ステップ１９では、尿素水溶液の添加流量に流量低減率を乗算した値に応じた制御信号を還元剤添加装置２８に出力し、尿素水溶液の添加流量を低減させた後、ステップ１４へと戻る。

かかる制御プログラムによれば、エンジン始動後、排気温度が所定温度Ｔより高くなると、図７に示すように、エンジン運転状態に応じた添加流量の尿素水溶液の添加が開始される。この場合、添加された尿素水溶液の全量がＮＯｘ浄化に資されず、その一部が尿素水溶液のまま又はアンモニアへと転化された状態でＮＯｘ還元触媒２０に吸蔵される。ＮＯｘ還元触媒２０における吸蔵量が飽和状態に近づくと、アンモニア酸化触媒２２で酸化しきれなかったアンモニアの濃度が徐々に増加し、許容上限値Ｃ_NH3に達する。アンモニア濃度が許容上限値Ｃ_NH3に達すると、大気中へのアンモニア放出を抑制すべく、尿素水溶液の添加が中止される。その後、ＮＯｘ濃度が目標値Ｃ_NOx以上となるまで、尿素水溶液の添加が中止されたままとなる。このとき、排気中への尿素水溶液の添加は行われないが、ＮＯｘ還元触媒２０に吸蔵された尿素水溶液又はアンモニアを使用してＮＯｘ浄化が行われるので、排気性状の低下を来たすことはない。

一方、尿素水溶液が添加された状態において、アンモニア濃度が許容上限値Ｃ_NH3未満かつＮＯｘ濃度が目標値Ｃ_NOx以下であれば、ＮＯｘ浄化が十分行われているため、ＮＯｘ濃度及び排気温度に応じて尿素水溶液の添加流量が低減される。
即ち、ＮＯｘ還元触媒２０の排気下流におけるアンモニア濃度及びＮＯｘ濃度を常時監視し、アンモニア濃度が許容上限値Ｃ_NH3に達したことを契機として、尿素水溶液の添加を中止する一方、ＮＯｘ濃度が目標値Ｃ_NOx以上となったことを契機として、尿素水溶液の添加を開始する。このため、大気中にアンモニアが許容上限値Ｃ_NH3以上放出されないという条件下で、ＮＯｘ還元触媒２０における尿素水溶液又はアンモニアの吸蔵量が能動的に制御され、尿素水溶液利用率，ＮＯｘ浄化率などを向上させることができる。また、尿素水溶液が添加された状態において、アンモニア濃度が許容上限値Ｃ_NH3未満かつＮＯｘ濃度が目標値Ｃ_NOx以下であれば、ＮＯｘ濃度及び排気温度に応じて尿素水溶液の添加流量を低減することで、尿素水溶液の添加停止を極力短時間とし、例えば、噴射ノズル１８の噴孔に目詰まりが発生することを抑制できる。

さらに、制御プログラムの第１及び第２実施形態では、アンモニアセンサ３０でアンモニア排出量をモニタできるため、アンモニア酸化触媒２２が不要となり、システムの小型化及びコストダウンを図ることができる。
なお、制御プログラムの第１及び第２実施形態において、アンモニア酸化触媒２２の排気下流におけるＮＯｘ濃度と目標値Ｃ_NOxとを比較する代わりに、そのＮＯｘ濃度をエンジン１０の出口におけるＮＯｘ濃度で除算した浄化率と目標浄化率とを比較するようにしてもよい。この場合、エンジン１０の出口におけるＮＯｘ濃度は、ＮＯｘセンサで直接検出するか、又は、エンジン回転速度及び負荷から推測演算すればよい。また、制御プログラムの第１及び第２実施形態の一部を相互に置換するような制御としてもよい。さらに、アンモニアセンサ３０及びＮＯｘセンサ３２は、ＮＯｘ還元触媒２０の直後、即ち、ＮＯｘ還元触媒２０とアンモニア酸化触媒２２との間に位置する排気管１４に取り付けるようにしてもよい。

本発明を具現化した排気浄化装置の全体構成図 制御プログラムの第１実施形態を示すフローチャート アンモニア濃度，ＮＯｘ濃度及び添加流量の相関関係を示すタイムチャート 制御プログラムの第２実施形態を示すフローチャート 尿素水溶液の添加流量が設定された制御マップの説明図 尿素水溶液の低減率が設定された制御マップの説明図 アンモニア濃度，ＮＯｘ濃度及び添加流量の相関関係を示すタイムチャート

符号の説明

１０ エンジン
１４ 排気管
１８ 噴射ノズル
２０ ＮＯｘ還元触媒
２４ 還元剤容器
２６ 配管
２８ 還元剤添加装置
３０ アンモニアセンサ
３２ ＮＯｘセンサ
３４ 温度センサ
３６ 還元剤添加ＥＣＵ
３８ エンジンＥＣＵ

Claims (2)

1. エンジン排気管に配設され、尿素水溶液から生成されるアンモニアを使用して排気中の窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、
   尿素水溶液を貯蔵する還元剤容器と、
   前記還元触媒の排気上流に尿素水溶液を噴射供給する噴射ノズルと、
   前記還元剤容器と前記噴射ノズルとを連通する配管に配設され、ポンプ及び流量制御弁としての開閉弁を内蔵した還元剤添加装置と、
   前記還元触媒の排気下流のアンモニア濃度を検出するアンモニア濃度検出手段と、
   前記還元触媒の排気下流の窒素酸化物濃度を検出する窒素酸化物濃度検出手段と、
   前記アンモニア濃度検出手段により検出されたアンモニア濃度が許容上限値未満、かつ、前記窒素酸化物濃度検出手段により検出された窒素酸化物濃度が目標値以上となったときに、前記還元剤添加装置の開閉弁を開いて尿素水溶液の噴射供給を開始する噴射供給開始手段と、
   前記アンモニア濃度検出手段により検出されたアンモニア濃度が許容上限値以上となったときに、前記還元剤添加装置の開閉弁を閉じて尿素水溶液の噴射供給を中止する噴射供給中止手段と、
   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。
2. 前記還元触媒に導入される排気の排気温度を検出する排気温度検出手段を備え、
   前記噴射供給開始手段は、前記条件に加え、前記排気温度検出手段により検出された排気温度が所定温度より高いときに、前記尿素水溶液の噴射供給を開始することを特徴とする請求項１記載のエンジンの排気浄化装置。

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