(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気管に配設され、還元剤を用いて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に液体還元剤又はその前駆体を噴射供給する還元剤噴射ノズルと、
前記還元剤噴射ノズルと前記還元触媒との間に位置する排気管に配設されて、還元剤噴射ノズルから噴射された液体還元剤又はその前駆体を拡散する拡散装置と、
を含んで構成され、
前記拡散装置を、互いに平行な支軸周りに回動自由な複数の拡散板と、これら複数の拡散板を連動して回動させるように複数の拡散板に連結されたリンク機構と、を含んで構成すると共に、
前記複数の拡散板を、前記液体還元剤又はその前駆体を拡散させる通常位置から前記リンク機構を介して相異なる回動方向にそれぞれ回動させ、該拡散板同士の表裏面相互を接触させて各拡散板の表裏両面に堆積した析出物を除去する析出物除去機構と、
を含んで構成されたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記拡散板に堆積した析出物の堆積量を推定し、前記拡散板への析出物の堆積量が所定量以上に達したと推定されたときに、前記析出物除去機構を駆動して析出物を除去する制御手段を含んで構成される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記制御手段は、排気温度及び排気圧力の少なくとも一方に基づいて前記拡散板に堆積した析出物の堆積量を推定する請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記拡散板から排気管内に除去された析出物を、加熱して分解する加熱手段を含んで構成される請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、還元剤を用いて排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元浄化するエンジンの排気浄化装置において、特に、排気中に噴射供給された液体還元剤又はその前駆体を拡散する拡散板に堆積した析出物を除去する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジン排気中のＮＯｘを除去する触媒浄化システムとして、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、排気管に配設されたＮＯｘ還元触媒の排気上流に、エンジン運転状態に応じた液体還元剤又はその前駆体（以下液体還元剤で代表する）を噴射供給することで、ＮＯｘ還元触媒において排気中の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。また、ＮＯｘ還元触媒上流の排気管内に噴射供給された液体還元剤又はその前駆体を拡散する拡散板を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第２００９−１０８７２６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この種の排気浄化装置においては、市街地走行等、エンジンの負荷が低いところでの走行では、排気温度が低く、尿素水等の液体還元剤に由来する物質が排気管内に析出することがある。
このように、液体還元剤由来の物質が析出される走行が繰り返されると、析出物が前記拡散板に堆積して排気通路開口面積を狭めてしまい、エンジン出力低下に至る惧れもあった。
【０００５】
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、拡散板に堆積した析出物を除去し、もって良好な運転性を維持できるようにした内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このため本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、
内燃機関の排気管に配設され、還元剤を用いて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に液体還元剤又はその前駆体を噴射供給する還元剤噴射ノズルと、
前記還元剤噴射ノズルと前記還元触媒との間に位置する排気管に配設されて、還元剤噴射ノズルから噴射された液体還元剤又はその前駆体を拡散する拡散装置と、
を含んで構成され、
前記拡散装置を、互いに平行な支軸周りに回動自由な複数の拡散板と、これら複数の拡散板を連動して回動させるように複数の拡散板に連結されたリンク機構と、を含んで構成すると共に、
前記複数の拡散板を、前記液体還元剤又はその前駆体を拡散させる通常位置から前記リンク機構を介して相異なる回動方向にそれぞれ回動させ、該拡散板同士の表裏面相互を接触させて各拡散板の表裏両面に堆積した析出物を除去する析出物除去機構と、
を含んで構成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、析出物除去機構によって拡散板同士が接触し、拡散板に堆積した析出物を粉砕しつつ除去して、析出物堆積量の増大を抑制することができ、もって、排気通路開口面積の減少を抑制して良好な運転性能を維持することができる。特に、相異なる方向に回動させることで、各拡散板の表裏両面の析出物を接触させて除去することができる。
また、析出物が細かく粉砕されることにより、拡散板から除去した析出物が昇華されやすくなり、排気温度を上昇させて析出物を昇華させる運転の頻度、あるいは析出物昇華用のヒーターの駆動の頻度を減少させることができ、燃費を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態を示すエンジン排気系のシステム図である。
【図２】本発明に係る析出物除去機構の構成を示す断面図である。
【図３】同上析出物除去機構の斜視図である。
【図４】同上析出物除去機構及びヒーターの制御を示すフローチャートである。
【図５】析出物除去機構の別の例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は本発明の実施形態を示すエンジン排気系のシステム図である。
ディーゼルエンジン（エンジン本体）１の排気マニホールド２下流側の排気通路（排気管）３には、排気浄化装置を装備させるため、上流側の第１ケーシング４と、下流側の第２ケーシング５と、これらのケーシング４、５間の連通路６とが設けられる。
【００１０】
第１ケーシング４内には、前段にディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ；Diesel Oxidation Catalyst ）７が収納され、後段にディーゼルパティキュレートフィルタ（以下「ＤＰＦ」という）８が収納されている。
ＤＰＦ８は、排気中の粒子状物質であるＰＭ（Particulate Matter）を捕集するフィルタであり、例えば、多孔質セラミックのハニカム構造の担体からなり、上流側と下流側とを連通する通路が多数並設されると共に、隣接する通路同士において上流側と下流側とが交互に封止されたウォールフロータイプのフィルタである。従って、排気は、上流端が開口し下流端が封止された通路から流入し、通路壁（その気孔）を通って、上流端が封止され下流端が開口する通路へ流出し、この際に、排気中のＰＭが通路壁に捕集される。このようなＤＰＦ８では、捕集したＰＭの堆積によって、次第に排気抵抗が増大するため、後述するように、連続的に、また強制的に、ＤＰＦ８を再生する必要がある。
【００１１】
酸化触媒７は、排気中のＮＯを酸化させてＮＯ２を生成し、このＮＯ２を酸化剤としてＤＰＦ８に供給すると共に、酸化熱を発生させて、下流側のＤＰＦ８を昇温させる。このようにＤＰＦ８の前段に酸化触媒７を配置することにより、ＤＰＦ８に捕集されているＰＭは、酸化触媒７から供給されたＮＯ２と反応して酸化し、ＤＰＦ８の連続再生が行われるようになる。
【００１２】
第２ケーシング５内には、前段にアンモニアを還元剤としてＮＯｘを還元する機能を有するＳＣＲ触媒９が収納され、後段にＳＣＲ触媒９から流出したアンモニアを酸化してＮ２とする酸化触媒としての機能を有するアンモニア酸化触媒１０が収納されている。尚、「ＳＣＲ」は、Selective Catalytic Reduction の略語である。
そして、第２ケーシング５上流の連通路６には、ＳＣＲ触媒９へ向けて、還元剤（アンモニア）の前駆体としての尿素水溶液（以下「尿素水」という）を加圧空気と共に噴射する尿素水噴射ノズル１１が設けられている。尚、尿素水は、図示しない尿素水タンクから噴射量制御用の制御モジュール１２を介してノズル１１へ供給され、制御モジュール１２は電子制御ユニット（ＥＣＵ）５０により制御される。
【００１３】
尿素水噴射ノズル１１から噴射された尿素水は、排気の熱により加水分解してアンモニアとなる。ＳＣＲ触媒９は、このようにして生成されたアンモニアを吸着し、吸着したアンモニアを還元剤として、ＮＯｘとアンモニア（ＮＨ３）とを選択的に還元反応させ、ＮＯｘを無害な水（Ｈ２Ｏ）と窒素（Ｎ２）へ浄化する。ここにおいて、ＳＣＲ触媒９と尿素水噴射ノズル１１とでＮＯｘ還元装置を構成している。
【００１４】
また、連通路６の尿素水噴射ノズル１１とＳＣＲ触媒９との間の部分には、還元剤としてのアンモニアを含んだ排気を拡散する複数枚の拡散板２３が配設される。後述するように、通常運転中は、複数枚の拡散板２３が排気流通方向と平行ないし若干傾斜して配設されている。
かかる拡散板２３を通過することにより、アンモニアを含んだ排気は均一に拡散されるため、ＳＣＲ触媒９に供給されるアンモニア濃度のむらを抑制し、ＳＣＲ触媒９によるＮＯｘ浄化効率を向上させることができる。
【００１５】
ここで、既述したように、特に、低負荷走行運転時等で排気温度が低下すると、尿素水が拡散板２３の表面に液状で付着しやすく、付着した尿素水の水分が蒸発することにより、還元剤に由来する物質などが析出し、拡散板２３表面に堆積する。かかる現象の繰り返しにより、拡散板２３表面の析出物堆積量が増大すると、排気通路面積が減少して排気流通抵抗の増大によりエンジン出力が低下する惧れがある。
【００１６】
そこで、本実施形態では、拡散板に堆積した析出物を除去する析出物除去機構２１を、以下のように配設する。
図２，図３は、析出物除去機構２１の構成を示す。
上流側及び下流側の連通路６壁に円筒状リング部材２２が連結され、該円筒状リング部材２２の内側に複数枚の拡散板２３が互いに平行に配設される。これら拡散板２３の長手方向両側には支軸２４が連結され、各支軸２４の端部は円筒状リング部材２２壁に形成した係合部に係合して支持される。これにより、各拡散板２３が支軸２４周り回動自由に支持される。
【００１７】
前記各拡散板２３を、これらの並び方向（排気流通方向に垂直な方向）に貫通するロッド２５が配設される。該ロッド２５は、例えば、弾性変形する鋼製ワイヤ等で形成され、膨大形成した係合部２５ａ間に、各拡散板２３を相互の平行状態を維持しつつ挟持する。ロッド２５の一端（図では下端）部は、円筒状リング部材２２をスライド自由に貫通して、アクチュエータ２６の駆動軸２６ａに連結される。アクチュエータ２６は、支持部材２７を介して、円筒状リング部材２２に支持される。
【００１８】
アクチュエータ２６は、駆動軸２６ａが伸縮駆動され、例えば、電動式として、通電ＯＦＦでは、内蔵スプリングに付勢されて駆動軸２６ａが中立位置にあって、拡散板２３を排気流通方向と平行ないし若干傾斜させて維持する。また、一方向に通電すると駆動軸２６ａが中立位置から伸張し、逆方向に通電すると中立位置から引き込まれるように動作する。
【００１９】
また、アクチュエータ２６を、エアシリンダと、該エアシリンダの複数の圧力室へのエア供給経路を切り換える切換弁とで構成し、エアシリンダの駆動軸を通常の中立位置、伸張位置、引込位置に切換自由に構成してもよい。
かかる構成を備えた析出物除去機構の作用を説明する。
アクチュエータ２６を駆動して駆動軸２６ａを伸張すると、ロッド２５の伸張を介して各拡散板２３が図２で時計回りに回動する。これにより、図に点線ａで示すように、上下に隣合う拡散板２３同士において、上側の拡散板２３の中立位置において支軸２４より右側に位置する部分の下面と、下側の拡散板２３の同じく支軸２４より左側に位置する部分の上面とが重なって接触する。
【００２０】
次いで、アクチュエータ２６を駆動して駆動軸１５ａを引き込むと、ロッド２５の引込を介して各拡散板２３が図２で反時計回りに回動する。これにより、図に一点鎖線ｂで示すように、上下に隣合う拡散板２３同士において、中立位置において支軸２４より左側に位置する部分の下面と、下側の拡散板２３の同じく支軸２４より右側に位置する部分の上面とが重なって接触する。
【００２１】
このようにして、駆動軸２６ａの伸張及び引込によって、各拡散板２３の重なり合う面に堆積していた析出物同士が押し潰されて砕かれ、拡散板２３から剥がれ落ちて除去される。
なお、伸張と引込の順序を変えてもよいことは勿論である。
また、図で一番上の拡散板２３の上面と、一番下の拡散板２３の下面は、隣り合う拡散板２３と重ならないが、接触時に生じる振動によってこれらの面に堆積した析出物を振り落として除去することができる。
【００２２】
かかるアクチュエータ２６の駆動軸２６ａの伸張及び引込操作は、１回でもよいが、数回繰り返せば、より多くの析出物を除去することができる。
なお、拡散板２３への析出物の堆積は、堆積が進むほど尿素水が付着されやすくなって、さらに堆積が促進されることになるので、所定量以上堆積したときに析出物を除去しておくことが望ましい。
【００２３】
そこで、上記析出物除去機構２１を拡散板２３に所定量以上の析出物が堆積したときに駆動するように制御するため、図１に示すように、析出物堆積量を推定するための排気温度及び排気温度を検出するための排気温度センサ３１及び排気圧力センサ３２を、尿素水噴射ノズル１１近傍の連通路６壁に配設する。
また、析出物除去機構２１によって除去され連通路６壁に落下した尿素などの析出物を加熱してガス化しアンモニアに転化させるヒーター３３を拡散板２３下流直下の連通路６底壁に配設する。
【００２４】
次に、電子制御ユニット（ＥＣＵ）５０による析出物除去機構２１及びヒーター３３の制御を、図４のフローチャートに基づいて説明する。
このフローは、所定時間周期で実行される。
【００２５】
ステップＳ１では、排気温度ｔが、所定温度ｔ０未満であるかを判定する。所定温度ｔ０は、例えば、尿素水の析出物の融点とし、したがって、所定温度ｔ０未満では、析出が生じる。
ステップＳ１で所定温度ｔ０未満と判定されたときは、ステップＳ２へ進んで積算カウンタの値Ｃをインクリメントする（Ｃ←Ｃ＋１）。
そして、ステップＳ３で、積算カウンタの値Ｃが所定値Ｃ０以上に達したか、つまり、還元剤に由来する物質が析出している時間の積算値が所定時間以上に達して、拡散板２３への析出物の堆積量が所定値以上になったかを判定する。
【００２６】
また、積算カウンタの値Ｃが所定値Ｃ０に達する前は、ステップＳ４へ進み、拡散板２３上流の排気圧力Ｐが所定値Ｐ０以上であるかを判定する。排気圧力Ｐが所定値Ｐ０以上のときは、拡散板２３への析出物の堆積量が増大して拡散板２３の通路面積が減少し、その結果、排気抵抗の増大によって排気圧力Ｐが所定値Ｐ０以上に増大したと推定される。
そこで、ステップＳ３で積算カウンタの値Ｃが所定値Ｃ０に達したと判定されたとき、または、ステップＳ排気圧力Ｐが所定値Ｐ０以上に増大したと判定されたとき、ステップＳ５へ進み、拡散板２３に堆積した析出物を除去するため、前記析出物除去機構２１を駆動する。すなわち、上述したようにアクチュエータ１５を駆動して拡散板２３同士を接触させて、析出物を砕いて除去する。
【００２７】
ステップＳ６では、上記のようにして拡散板２３から連通路６壁上に落下した析出物を加熱する。あるいは、排気温度を上昇させる運転を行う。これにより、固形の析出物がガス化され、アンモニアガスとしてＳＣＲ触媒９に供給される。
このようにすれば、拡散板２３に析出物が所定量以上堆積する毎に拡散板２３同士を接触させて析出物を砕きつつ除去することができ、排気通路面積の減少による排気抵抗の増大、ひいてはエンジン出力の低減、燃費悪化を抑制して良好なエンジン性能を維持することができる。
【００２８】
特に、拡散板２３同士の接触により砕かれた析出物は、昇華されやすくなるため、ヒーター３３の加熱温度を低くしたり、加熱時間を短くしたりすることができ、燃費を向上できる。また、排気温度上昇運転で析出物を昇華する場合は、排気温度を下げたり、運転時間を短縮したりすることができ、燃費向上、排気エミッションの改善、及び、運転性向上を図れる。なお、析出物が昇華されやすくなることにより、ヒーターの設置を省略して排気温度上昇運転でも十分に昇華させることが可能となる場合もある。
【００２９】
また、拡散板２３上の析出物を砕くことにより、より効率的に除去することができるため、除去後、所定量に堆積するまでの時間を短縮でき、ひいては、燃費を向上できる。
なお、本制御では、排気温度（が所定値以下の積算時間）と、排気圧力との双方に基づいて、析出物堆積量を推定したが、簡易的にはいずれか一方のみに基づいて析出物堆積量を推定し、析出物除去機構を作動させる構成としてもよい。より簡易的には、キースイッチのＯＦＦ時に析出物除去機構を作動させる構成としてもよく、運転性への影響を回避できる。
【００３０】
また、上記実施形態では、アクチュエータ２６の駆動軸２６ａを中立位置に対して伸張及び引込操作することにより、拡散板２３同士が接触する総面積を大きくして、析出物の除去効率を高めることができる。但し、簡易的には、中立位置に対して伸張または引込操作の一方のみを行う構成としてもよく、低コストのアクチュエータを使用できる。
また、上記実施形態では、各拡散板２３を、これらを貫通するロッド２５を用いて連動させる構成としたため、ロッド２５ないし駆動軸２６ａが一箇所で円筒状リング部材２２壁（排気通路壁）を貫通させれば済み、排気シール処理が容易に行える。
【００３１】
但し、この構成に限らず、例えば、図５に示すように、各拡散板２３の支軸２４を、円筒状リング部材２２壁を貫通して外側に突出させ、これら支軸２４の突出端部にそれぞれレバー４１の一端部を連結し、該レバー４１の他端部に連結した一本のリンク４２をアクチュエータ２６に連結して駆動し、各拡散板２３を連動して回動させるような構成としてもよい。
【００３２】
さらに、拡散板に堆積した析出物の除去操作をマニュアルで行う構成としてもよい。マニュアル操作としては、手動スイッチでアクチュエータを駆動する構成の他、アクチュエータを省略し、排気通路外側に突出させた拡散板連動機構の操作部材を手動操作する構成としてもよい。
また、アクチュエータとして駆動軸の駆動量をリニアに制御できる構成とし、排気流量に応じて拡散板の排気流通方向に対する傾斜角を可変に制御するようにしてもよい。例えば、排気流量の小さい低負荷運転時には、拡散板の排気流通方向に対する傾斜角を大きくして、拡散板通過時の絞り機能を増大させて拡散機能を高めることができる。
【符号の説明】
【００３３】
１  ディーゼルエンジン
３  排気通路
６  連通路
９  ＳＣＲ触媒
１０  アンモニア酸化触媒
１１  尿素水噴射ノズル
１２  制御モジュール
２１  析出物除去機構
２２  円筒状リング部材
２３  拡散板
２４  支軸
２５  ロッド
２６  アクチュエータ
２６ａ  駆動軸
３１  排気温度センサ
３２  排気圧力センサ
５０  電子制御ユニット（ＥＣＵ）
【図１】
0005721413.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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