(57)【要約】【課題】噴射路内に露出している添加弁の先端部が高温の排気に曝されて過熱しまうことを抑制することのできる内燃機関の排気浄化装置を提供する。【解決手段】排気浄化装置は、排気通路１０と、選択還元触媒３０と、排気通路１０における選択還元触媒３０よりも上流側の部分から分岐した噴射路１１と、を備えている。噴射路１１には、尿素添加弁４０が取り付けられている。また、排気浄化装置には、排気通路１０における噴射路１１が分岐している分岐部よりも上流側の部分と噴射路１１とを分岐部を経ずに直接連通させる連通路１２が設けられている。更に排気浄化装置は、連通路１２内を流れる排気を冷却する冷却装置５０と、冷却装置５０に冷却水を循環させる冷却水ポンプ５１と、冷却水ポンプ５１を制御する制御装置１００と、を備えている。制御装置１００は、噴射路１１内の温度を所定の水準に維持するように冷却水ポンプ５１を制御する。【選択図】図１
2015075003.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に接続される排気通路と、
前記排気通路の途中に設けられた触媒と、
前記排気通路における前記触媒よりも上流側の部分から分岐した噴射路と、
前記噴射路に取り付けられ、添加剤を噴射する添加弁と、
前記排気通路における前記噴射路が分岐している分岐部よりも上流側の排気通路と前記噴射路とを前記分岐部を経ずに直接連通させる連通路と、
前記連通路を取り囲む冷却水通路内に冷却水を循環させることにより前記連通路内を流れる排気を冷却する冷却装置と、
前記冷却装置に冷却水を循環させる冷却水ポンプと、
前記冷却水ポンプを制御する制御装置と、を備え、
前記噴射路内の温度を所定の水準に維持するように前記冷却水ポンプを制御する内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は排気中に添加剤を噴射する添加弁を備える内燃機関の排気浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、排気通路の途中に設けられた触媒に向けて添加剤を噴射する添加弁を備えた内燃機関の排気浄化装置が開示されている。特許文献１の排気浄化装置では、排気通路における触媒よりも上流側に排気通路から分岐した噴射路を設け、この噴射路に添加弁が配設されている。そして、特許文献１には、排気通路と噴射路との分岐部よりも上流側の排気通路内から分岐部を経ずにこの噴射路内に直接排気を導くガス導入管を設けた構成が開示されている。
【０００３】
また、特許文献１の排気浄化装置では、添加弁が取り付けられている台座の内部に冷却水通路が設けられており、添加弁をこの冷却水通路を流れる冷却水によって冷却するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９‐１５６０７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、上記のように台座の内部に設けられた冷却通路を流れる冷却水によって添加弁を冷却する場合には、排気通路内に露出して高温の排気に曝されている添加弁の先端部を直接冷却することができない。そのため、添加弁の先端が過熱しまうおそれがある。
【０００６】
この発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、噴射路内に露出している添加弁の先端部が高温の排気に曝されて過熱しまうことを抑制することのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決するための排気浄化装置は、内燃機関に接続される排気通路と、前記排気通路の途中に設けられた触媒と、前記排気通路における前記触媒よりも上流側の部分から分岐した噴射路と、前記噴射路に取り付けられ、添加剤を噴射する添加弁と、前記排気通路における前記噴射路が分岐している分岐部よりも上流側の排気通路と前記噴射路とを前記分岐部を経ずに直接連通させる連通路と、前記連通路を取り囲む冷却水通路内に冷却水を循環させることにより前記連通路内を流れる排気を冷却する冷却装置と、前記冷却水装置に冷却水を循環させる冷却水ポンプと、前記冷却水ポンプを制御する制御装置と、を備え、前記噴射路内の温度を所定の水準に維持するように前記冷却水ポンプを制御する。
【０００８】
上記構成によれば、冷却装置によって冷却された排気が噴射路内に供給されるようになる。そして、上記構成では、噴射路内の温度を所定の水準に維持するように、冷却装置に冷却水を循環させる冷却水ポンプを制御する。そのため、噴射路内の温度を制御することができ、噴射路内に露出している添加弁の先端部が高温の排気に曝されて過熱してしまうことを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】内燃機関の排気浄化装置の一実施形態についてその全体構成を示す模式図。
【図２】尿素由来の析出物の残留割合の温度による変化を示すグラフ。
【図３】尿素由来の析出物中の液相割合の温度による変化を示すグラフ。
【図４】冷却水ポンプの制御に加えて実施する添加弁保護制御にかかる一連の処理の流れを示すフローチャート。
【図５】内燃機関の排気浄化装置の変更例を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、内燃機関の排気浄化装置の一実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。
図１に示すように、この内燃機関の排気浄化装置では、内燃機関に接続される排気通路１０の内部に、酸化触媒２０と選択還元触媒３０とが上流側から順に設けられている。なお、図１では、排気通路１０内を流れる排気の流動方向を白抜き矢印で示している。
【００１１】
選択還元触媒３０は、還元剤として供給されるアンモニアを利用して排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を還元浄化する選択還元型の触媒である。そして、酸化触媒２０は、排気中に含まれるＮＯｘにおけるＮＯ（一酸化窒素）とＮＯ２（二酸化窒素）の比を「１．０」に近づけるための触媒であり、排気中に含まれるＮＯの一部を酸化させてＮＯ２にする。このように選択還元触媒３０の上流側に酸化触媒２０を設けるのは、排気中に含まれるＮＯとＮＯ２の比を「１．０」に近づけることにより、選択還元触媒３０におけるＮＯｘ浄化率が高くなるためである。
【００１２】
排気通路１０における酸化触媒２０と選択還元触媒３０との間に位置する部分には、排気通路１０から分岐した噴射路１１が接続されている。噴射路１１には添加剤として尿素水を噴射する尿素添加弁４０が取り付けられている。尿素添加弁４０は供給管４２を介して尿素ポンプ４１と接続されており、尿素添加弁４０には尿素ポンプ４１によってタンクから汲み上げられた尿素水が供給される。
【００１３】
また、排気通路１０には、酸化触媒２０よりも上流側の部分から分岐して噴射路１１に直接連通する連通路１２が設けられている。すなわち、この連通路１２は排気通路１０における噴射路１１が分岐している分岐部を経ずに噴射路１１に直接排気を導入する通路である。
【００１４】
そして、この排気浄化装置には、この連通路１２における噴射路１１に接続している部分と尿素添加弁４０の先端部とを冷却する冷却装置５０が設けられている。この冷却装置５０の内部には冷却水通路が設けられている。冷却装置５０の冷却水通路は、冷却水ポンプ５１と接続されており、冷却水ポンプ５１が駆動することによって冷却水が循環される。なお、この冷却水ポンプ５１は制御装置１００によって制御される。
【００１５】
制御装置１００には、排気通路１０を流れる排気の温度を検出する排気温センサ６０が接続されている。なお、排気温センサ６０は、排気通路１０内における酸化触媒２０よりも上流側の部分を流れる排気の温度を検出する。
【００１６】
制御装置１００は、排気温センサ６０によって検出された温度に基づいて尿素添加弁４０近傍の温度、例えば、噴射路１１内の温度を推定する。また、制御装置１００は、尿素添加弁４０の制御の履歴や、排気温センサ６０によって検出された温度の履歴などに基づいて選択還元触媒３０に吸着されているアンモニアの吸着量を推定し、尿素添加弁４０や尿素ポンプ４１を制御する。
【００１７】
この排気浄化装置では、尿素添加弁４０から噴射された尿素水は排気の熱により加水分解されてアンモニアになり、選択還元触媒３０に吸着される。そして選択還元触媒３０に吸着されたアンモニアによって排気中のＮＯｘが還元浄化される。
【００１８】
ところで、尿素添加弁４０から噴射された尿素水が尿素添加弁４０の先端や噴射路１１、排気通路１０内に付着していると、尿素由来の析出物が堆積することがある。
図２に示すように、尿素由来の析出物は約３５０℃まで昇温させないと完全に熱分解させることはできない。なお、図２は１００℃における析出物の堆積量を基準とした析出物の残留割合を示したものである。
【００１９】
噴射路１１ではなく、排気通路１０内に堆積した析出物であれば、高負荷運転時やディーゼルパティキュレートフィルタなどの再生処理時の高温環境下で、３５０℃以上まで昇温させて分解することが可能である。しかし、尿素添加弁４０は１２０℃以上になると信頼性上の問題が発生するおそれがあるため、尿素添加弁４０近傍の噴射路１１では、尿素添加弁４０を保護する観点から３５０℃以上まで昇温させることが難しい。
【００２０】
ところが、尿素添加弁４０近傍に堆積した析出物をそのまま放置すると、噴射路１１が閉塞してしまい、選択還元触媒３０にアンモニアを供給できなくなるおそれがある。
こうした課題に対して、尿素添加弁４０から噴射する尿素水の噴霧の噴射角を狭くして貫徹力を高め、尿素水の噴霧を液柱状にすることにより噴射路１１内に尿素噴霧が物理的に付着しないようにすることもできる。しかし、尿素水の噴霧を液柱状にすると、尿素水が選択還元触媒３０に到達するまでに排気中に十分に拡散しなくなる。その結果、アンモニアへの加水分解が進まなくなり、ＮＯｘ浄化率が低下してしまったり、選択還元触媒３０でアンモニアを吸着しきれずに選択還元触媒３０よりも下流側にアンモニアが排出されてしまったりするおそれがある。
【００２１】
そこで、この排気浄化装置では、図３に示すように尿素由来の析出物が１３０℃〜１６０℃の温度領域において液相で存在することに着目し、尿素由来の析出物を常に液相に保持し、排気通路１０内に排出させる。
【００２２】
なお、１００℃以下の温度では、加水分解がほとんど生じないため、尿素水がそのままの状態で存在し、尿素由来の析出物は発生しない。また、尿素は、１００℃以上の温度場で変質が進み、尿素から、ビウレット、更にはトリウレットになる。更に、トリウレットから１３０℃〜１６０℃の温度場でも固相で存在するシアヌル酸、アンメリド、メラミンへと順に変質する。そのため、長期間堆積させた尿素由来の析出物を１３０℃〜１６０℃の温度場に曝したとしても、シアヌル酸、アンメリド、メラミンにまで変質が進んでしまえば、液体にして噴射路１１から排出することは難しくなる。つまり、シアヌル酸まで変質が進む前に１３０℃〜１６０℃の温度環境を作り、析出物を液体にして噴射路１１から排出する必要がある。なお、その一方で、尿素の変質速度は温度が高いほど速くなるため、１６０℃以上の高温場に尿素由来の析出物を曝すことは好ましくない。
【００２３】
そこで、尿素由来の析出物を常に液相に保持するために、この排気浄化装置では、連通路１２を通じて噴射路１１内に導入される排気を冷却装置５０によって冷却し、噴射路１１内の尿素由来の析出物が付着する領域の温度が１３０℃〜１６０℃に維持されるようにする。具体的には、制御装置１００が冷却水ポンプ５１を制御して冷却装置５０を循環する冷却水の循環量を制御することにより、噴射路１１内の尿素由来の析出物が付着する領域の温度を１３０℃〜１６０℃に維持する。なお、冷却装置５０は、このように噴射路１１内の温度を１３０℃〜１６０℃に維持するように冷却水が循環されていれば、基本的には尿素添加弁４０の先端部の温度が１２０℃以下になるように設計されている。
【００２４】
また、この排気浄化装置では、通常は、上記の方法で尿素添加弁４０近傍の温度を管理するが、冷却装置５０による冷却水の循環だけでは、温度を管理しきれない場合には、併せて添加弁保護制御を実行する。
【００２５】
添加弁保護制御は、図４に示される一連の処理を通じて実行される。この一連の処理は内燃機関運転中に制御装置１００により所定の制御周期で繰り返し実行される。
制御装置１００は、この一連の処理を開始すると、ステップＳ１０１において尿素添加弁４０近傍の温度が１６０℃以上であるか否かを判定する。
【００２６】
ステップＳ１０１において尿素添加弁４０近傍の温度が１６０℃未満である旨の判定がなされた場合（ステップＳ１０１：ＮＯ）には、制御装置１００はステップＳ１０２において通常の尿素添加制御を実行する。こうして通常の尿素添加制御を実行すると、制御装置１００はこの一連の処理を一旦終了させる。
【００２７】
一方、ステップＳ１０１において尿素添加弁４０近傍の温度が１６０℃以上である旨の判定がなされた場合（ステップＳ１０１：ＹＥＳ）には、制御装置１００はステップＳ１０３以降の添加弁保護制御を実行する。
【００２８】
ステップＳ１０３では、制御装置１００は、選択還元触媒３０における現在のアンモニアの吸着量を判定する。そして、制御装置１００は、判定された吸着量に基づき、ステップＳ１０４において冷却添加が可能か否かを判定する。具体的には、選択還元触媒３０におけるアンモニアの吸着量が基準値以上であるか否かを判定し、アンモニアの吸着量が基準値未満であれば冷却添加の実行が可能であると判定し、アンモニアの吸着量が基準値以上であれば冷却添加の実行が不可能であると判定する。
【００２９】
こうして選択還元触媒３０におけるアンモニアの吸着量に基づいて冷却添加の実行可否を判定するのは、選択還元触媒３０が吸着することのできるアンモニアの量に上限が存在するためである。選択還元触媒３０におけるアンモニアの吸着量が上限を超え、冷却添加の実行により発生したアンモニアを選択還元触媒３０で吸着しきれなくなると、アンモニアが選択還元触媒３０よりも下流側に排出されてしまう。そのため、ここでは、冷却添加によって発生するアンモニアの量を考慮し、アンモニアが選択還元触媒３０よりも下流側に排出されてしまうことのない範囲の上限を示す値として基準値を設定している。
【００３０】
ステップＳ１０４において冷却添加が可能であると判定された場合（ステップＳ１０４：ＹＥＳ）には、制御装置１００はステップＳ１０５において冷却添加を実行する。ここでは、制御装置１００は尿素添加弁４０から尿素水を噴射させる。これにより、尿素噴霧の気化潜熱により、尿素添加弁４０近傍の温度が低下する。また、尿素添加弁４０から温まった尿素水が排出され、尿素ポンプ４１から新たな尿素水が供給されることになり、新たな尿素水と熱交換により尿素添加弁４０が冷却されるようになる。
【００３１】
こうして冷却添加を実行すると、制御装置１００はこの一連の処理を一旦終了させる。
一方、ステップＳ１０４において、冷却添加が不可能であると判定された場合（ステップＳ１０４：ＮＯ）には、制御装置１００はステップＳ１０６において尿素水の吸い戻しを実行する。ここでは、制御装置１００は尿素添加弁４０を開弁させた状態で尿素ポンプ４１を逆回転させることにより、尿素添加弁４０内に残っている尿素水を吸い戻す。こうして高温の尿素添加弁４０内に尿素水を残存させないようにすることにより、尿素添加弁４０内に残った尿素水が蒸発して高温高圧になり、尿素添加弁４０のシート部が腐蝕してしまうことを抑制することができる。
【００３２】
こうして尿素水の吸い戻しを実行すると、制御装置１００はこの一連の処理を一旦終了させる。
次に本実施形態にかかる内燃機関の排気浄化装置の作用について説明する。
【００３３】
冷却装置５０によって冷却された排気が噴射路１１内に供給されるようになる。また、噴射路１１内の温度を１３０℃〜１６０℃に維持することができるように冷却水ポンプ５１が制御される。
【００３４】
更に、冷却装置５０によって温度を制御しきれない場合には添加弁保護制御が実行される。そして、この添加弁保護制御を通じて、冷却添加が可能な場合には冷却添加が実行されて尿素添加弁４０及びその近傍が冷却され、冷却添加が不可能な場合であっても尿素添加弁４０内に残った尿素水が吸い戻される。
【００３５】
以上説明した実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
（１）冷却水ポンプ５１を制御することにより、噴射路１１内の温度を制御することができるため、噴射路１１内に露出している尿素添加弁４０の先端部が高温の排気に曝されて過熱してしまうことを抑制することができる。
【００３６】
（２）尿素添加弁４０近傍の温度が、尿素由来の析出物が液相状態になる１３０℃〜１６０℃の範囲に維持されるため、液体状態の析出物が噴射路１１から排気通路１０に排出されるようになる。そのため、析出物が尿素添加弁４０近傍に堆積して、噴射路１１を閉塞してしまうことを抑制することができる。
【００３７】
（３）尿素添加弁４０近傍の温度が１６０℃以上であり、冷却添加が実行可能な場合には、冷却装置５０による冷却と合わせて冷却添加が実行されるため、尿素添加弁４０の過熱をより確実に抑制することができる。
【００３８】
（４）選択還元触媒３０におけるアンモニアの吸着量が多い場合には、冷却添加を実施しないため、冷却添加により噴射したアンモニアが選択還元触媒３０に吸着しきれずに下流側に排出されてしまうことを抑制することができる。
【００３９】
（５）アンモニアの吸着量が多く、冷却添加が実行不可能な場合には、尿素水の水戻しを行うため、尿素添加弁４０近傍の温度が１６０℃以上であってもシート部の腐蝕を抑制し、尿素添加弁４０を保護することができる。
【００４０】
なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することもできる。
・上記実施形態では、排気温センサ６０によって検出された温度に基づいて噴射路１１内の温度を推定する例を示したが、温度を推定、検出する方法は適宜変更することができる。例えば、噴射路１１内に温度センサを設ける構成や、内燃機関における燃料の噴射量や機関冷却水温に基づいて噴射路１１内の温度を推定する構成を採用することもできる。
【００４１】
・上記実施形態では、尿素添加弁４０の制御の履歴や排気温センサ６０によって検出された温度の履歴などに基づいて選択還元触媒３０におけるアンモニアの吸着量を推定することを例示したが、アンモニアの吸着量の推定手段は適宜変更してもよい。
【００４２】
・上記実施形態では、噴射路１１内の温度を１３０℃〜１６０℃に維持するように冷却水ポンプ５１を制御する例を示したが、尿素添加弁４０を保護することを目的とするのであれば、維持する温度の水準は適宜変更可能であり、上記のような温度範囲には限定されない。例えば、尿素添加弁４０の先端部の温度が１２０℃以下になるような温度範囲に維持するようにすればよい。要するに維持する温度の水準は、尿素添加弁４０の規格にあわせて尿素添加弁４０の機能を保証することのできる水準に設定すればよい。
【００４３】
・添加弁保護制御において、選択還元触媒３０におけるアンモニアの吸着量が多いときには冷却添加を行わないようにしたが、ステップＳ１０３、Ｓ１０４、Ｓ１０６の処理を省略し、吸着量によらず、温度が高いときには冷却添加を実行するようにしてもよい。
【００４４】
・尿素添加弁４０近傍の温度が１６０℃以上の場合に添加弁保護制御を実行する例を示したが添加弁保護制御を実行するか否かを判定するための閾値となる温度は適宜変更してもよい。
【００４５】
・添加弁保護制御において冷却添加を実行する例を示したが、冷却添加を省略し、添加弁保護制御においては常に冷却水の吸い戻しを実行するようにしてもよい。
・また、添加弁保護制御自体を省略してもよい。
【００４６】
・上記実施形態では、添加剤として尿素水を噴射する排気浄化装置を例示したが、上記実施形態において開示した技術的思想を尿素水以外の添加剤を噴射する排気浄化装置に応用することもできる。
【００４７】
・冷却装置５０が、尿素添加弁４０の先端部と連通路１２とを冷却するように構成されている例を示したが、尿素添加弁４０を冷却する冷却装置と連通路１２を冷却する冷却装置とが別々に設けられていてもよい。また少なくとも連通路１２を冷却する冷却装置を備えていれば、噴射路１１内に露出している尿素添加弁４０の先端部が高温の排気に曝されて過熱してしまうことを抑制することができるため、尿素添加弁４０を冷却する冷却装置を備えていなくてもよい。
【００４８】
・排気通路１０の形状は適宜変更することができる。例えば、上記実施形態で開示した技術的思想は、図５に示すように酸化触媒２０の中心軸と選択還元触媒３０の中心軸とのなす角度θが−９０°〜９０°の範囲にある排気浄化装置に適用すると特に有効である。この範囲以外である場合は、酸化触媒２０から選択還元触媒３０に向かって排気通路１０が折り返すような形状となる。そのため、酸化触媒２０を通過した排気が選択還元触媒３０に流入するまでにその流速が減速し、尿素添加弁４０から噴射した尿素水が蒸発、拡散するまでの時間を確保することができる。これにより尿素水を蒸発、拡散させやすいため、噴霧を液柱状にすることができ、尿素添加弁４０近傍への尿素水の付着を抑制できる。これに対して角度θが−９０°〜９０°の範囲になる場合は、排気の流速が減速しにくいため、尿素水を蒸発、拡散させる時間を確保しにくい。すなわち、尿素噴霧を液柱状にすることが難しいため、上記実施形態で開示した技術的思想を適用して尿素添加弁４０近傍への尿素由来の析出物の堆積を抑制することが好ましい。
【符号の説明】
【００４９】
１０…排気通路、１１…噴射路、１２…連通路、２０…酸化触媒、３０…選択還元触媒、４０…尿素添加弁、４１…尿素ポンプ、４２…供給管、５０…冷却装置、５１…冷却水ポンプ、６０…排気温センサ、１００…制御装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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