(57)【要約】【課題】ＮＯx触媒の上流側にインジェクタにより尿素水を噴射し、当該尿素水から加水分解されたアンモニアを還元剤として排気中のＮＯxを還元浄化する排気浄化装置において、インジェクタのノズルの詰まりを防止しつつ、ＮＯx触媒下流側へのアンモニアスリップを抑制し且つＮＯx触媒におけるＮＯx浄化率を高く維持可能な排気浄化装置を提供する。【解決手段】要求尿素水量が所定量以上のときには、要求尿素水量に応じて尿素水タンクからの尿素水のみを噴射するようインジェクタを駆動制御する一方(S14,16)、要求尿素水量が所定量未満のときには、希釈手段により尿素水を希釈液で希釈し全噴射量が所定量を維持するようにしてインジェクタを駆動制御する(S14,18)。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配設され、尿素水を加水分解して得られるアンモニアを還元剤として排気中のＮＯxを選択還元するＮＯx触媒と、
所定の濃度の尿素水を貯留する尿素水タンクと、
該尿素水タンクに接続され、前記ＮＯx触媒の排気上流側に尿素水を噴射するインジェクタと、
該尿素水タンクとは別に設けられ、尿素水の希釈液を貯留する希釈液タンクと、
前記インジェクタから噴射する尿素水を該希釈液タンクからの希釈液で希釈する希釈手段と、
内燃機関の運転状態に応じて前記ＮＯx触媒に要求される要求尿素水量を設定する要求尿素水量設定手段と、
該要求尿素水量設定手段により設定された要求尿素水量に基づき前記希釈手段を制御するとともに前記インジェクタを駆動制御する制御手段とを備え、
該制御手段は、前記要求尿素水量設定手段により設定される要求尿素水量が所定量以上のときには、要求尿素水量に応じて前記尿素水タンクからの尿素水のみを噴射するよう前記インジェクタを駆動制御する一方、要求尿素水量が前記所定量未満のときには、前記希釈手段により尿素水を希釈液で希釈し全噴射量が前記所定量を維持するようにして前記インジェクタを駆動制御することを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
前記所定量は、前記所定の濃度の尿素水から析出した尿素の結晶が前記インジェクタのノズルの壁面に固着しない範囲の最小値に設定されていることを特徴とする、請求項１記載の排気浄化装置。
【請求項３】
前記希釈液は水であることを特徴とする、請求項１または２記載の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの排気を浄化するための排気浄化装置に関し、特に、ＮＯx触媒の上流側にインジェクタにより尿素水を噴射し、当該尿素水から加水分解されたアンモニアを還元剤として排気中のＮＯxを還元浄化する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの排気中に含まれる汚染物質の１つであるＮＯx（窒素酸化物）を浄化するための排気浄化装置として、エンジンの排気通路に選択還元型のＮＯx触媒（ＳＣＲ触媒）を配設し、還元剤としてアンモニアをＮＯx触媒に供給することにより、排気中のＮＯxを浄化するようにした排気浄化装置が開発されている。
このような排気浄化装置では、ＮＯx触媒の上流側にインジェクタにより尿素水を噴射し、この尿素水が排気の熱により加水分解して生じたアンモニアがＮＯx触媒に供給される。ＮＯx触媒に供給されたアンモニアは一旦ＮＯx触媒に吸着し、このアンモニアと排気中のＮＯxとの間の脱硝反応がＮＯx触媒によって促進されることによりＮＯxの浄化が行われる。
【０００３】
ところで、上記尿素水からは温度変化等に応じて尿素が析出され、一方、尿素水を噴射する上記インジェクタはインジェクタノズル（以下、ノズル）を介して尿素水を霧状に噴射する構造であるため、析出した尿素の結晶がインジェクタ内、即ちノズルの壁面に固着してノズルが詰まり易いという問題がある。
これより、例えば尿素水を噴射するインジェクタから定期的に水のみを噴射させ、これによりノズルを洗浄して尿素の固着によるノズルの詰まりを防止する構成の装置が開発されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平９−１５００３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に記載の技術の場合、エンジンの運転中、即ち尿素水を噴射している間はノズルの洗浄を行うことができず、尿素が固着してノズルが詰まってしまうと、以降、尿素水の噴射量が減少してＮＯx触媒上のアンモニアが不足し、ＮＯx浄化率が低下するという問題がある。
一方、尿素の固着はインジェクタから噴射する尿素水の噴射量が少ないほど尿素水によるノズルの冷却効果が得にくくなる或いは尿素水の流速が低下する等の理由から顕著となるため、尿素水の噴射量を一定量以上にすることができれば、噴射の勢いでかかる尿素の固着ひいてはノズルの詰まりを防止することができると考えられる。
【０００５】
また、インジェクタから噴射する尿素水の噴射量が少ないと良好な噴霧が得られないこともあり、尿素水の噴射量を一定量以上にすることができれば、噴霧を良好に拡散させ、ＮＯx触媒にアンモニアを一様に吸着させてＮＯx浄化率の向上を図ることができるとも考えられる。
しかしながら、このように尿素水の噴射量を一定量以上にするとなると、特に尿素水を間歇的に噴射する場合、ＮＯx触媒に吸着するアンモニアの量は限られることから、例えば尿素水の過供給によって引き起こされるアンモニアのＮＯx触媒下流側への漏洩、即ちアンモニアスリップを防止しようとした場合には、必然的に噴射間隔を長くせざるを得ず、尿素水を次に噴射するまでの間にＮＯx触媒上のアンモニアが不足してＮＯx浄化率が低下してしまうという問題がある。逆に、例えばＮＯx触媒にアンモニアが不足しないよう噴射間隔を短くしてＮＯx浄化率の低下を防止しようとすると、一回に噴射する噴射量が多いため、トレードオフの関係により、尿素水が過剰となってアンモニアスリップが発生してしまうという問題がある。
【０００６】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ＮＯx触媒の上流側にインジェクタにより尿素水を噴射し、当該尿素水から加水分解されたアンモニアを還元剤として排気中のＮＯxを還元浄化する排気浄化装置において、インジェクタのノズルの詰まりを防止しつつ、ＮＯx触媒下流側へのアンモニアスリップを抑制し且つＮＯx触媒におけるＮＯx浄化率を高く維持可能な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】
上記目的を達成するため、本発明の請求項１に係る排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に配設され、尿素水を加水分解して得られるアンモニアを還元剤として排気中のＮＯxを選択還元するＮＯx触媒と、所定の濃度の尿素水を貯留する尿素水タンクと、該尿素水タンクに接続され、前記ＮＯx触媒の排気上流側に尿素水を噴射するインジェクタと、該尿素水タンクとは別に設けられ、尿素水の希釈液を貯留する希釈液タンクと、前記インジェクタから噴射する尿素水を該希釈液タンクからの希釈液で希釈する希釈手段と、内燃機関の運転状態に応じて前記ＮＯx触媒に要求される要求尿素水量を設定する要求尿素水量設定手段と、該要求尿素水量設定手段により設定された要求尿素水量に基づき前記希釈手段を制御するとともに前記インジェクタを駆動制御する制御手段とを備え、該制御手段は、前記要求尿素水量設定手段により設定される要求尿素水量が所定量以上のときには、要求尿素水量に応じて前記尿素水タンクからの尿素水のみを噴射するよう前記インジェクタを駆動制御する一方、要求尿素水量が前記所定量未満のときには、前記希釈手段により尿素水を希釈液で希釈し全噴射量が前記所定量を維持するようにして前記インジェクタを駆動制御することを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２に係る排気浄化装置は、請求項１において、前記所定量は、前記所定の濃度の尿素水から析出した尿素の結晶が前記インジェクタのノズルの壁面に固着しない範囲の最小値に設定されていることを特徴とする。
また、請求項３に係る排気浄化装置は、請求項１または２において、前記希釈液は水であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１の排気浄化装置によれば、尿素水から加水分解されたアンモニアを還元剤として排気中のＮＯxを還元浄化するＮＯx触媒に要求される要求尿素水量が所定量以上のときには、要求尿素水量に応じて尿素水タンクからの尿素水のみを噴射するようインジェクタを駆動制御する一方、要求尿素水量が所定量未満のときには、尿素水を希釈液で希釈し全噴射量が所定量を維持するようにしてインジェクタを駆動制御するので、要求尿素水量が所定量未満と少ないようなときには、インジェクタから噴射する尿素水量が少ないために尿素水から尿素が析出してインジェクタ内に尿素の結晶が固着し、インジェクタノズルが詰まり易いのであるが、尿素水を希釈液で希釈して全噴射量を所定量に維持することにより、要求尿素水量が少ないような場合であっても、インジェクタの噴射の勢いによってかかる尿素の固着を回避しながら、要求尿素水量を過不足なく確保するようにできる。
【００１０】
従って、ＮＯx触媒上のアンモニアの消費量が少ないうちに、アンモニアが不足しないよう、短い噴射間隔でもって、要求尿素水量が比較的少ない状況下で尿素水を頻繁に噴射するようにした場合であっても、インジェクタのノズルの詰まりを防止しつつ、ＮＯx触媒下流側へのアンモニアスリップを抑制し且つＮＯx触媒におけるＮＯx浄化率を高く維持することができる。
【００１１】
また、全噴射量を所定量に維持することにより、要求尿素水量が少ないような場合であっても尿素水の噴霧を良好に拡散させるようにしてＮＯx触媒にアンモニアを一様に吸着させるようにでき、やはりＮＯx浄化率の向上を図ることができる。
請求項２の排気浄化装置によれば、所定量は所定の濃度の尿素水から析出した尿素の結晶がインジェクタのノズルの壁面に固着しない範囲の最小値であるので、要求尿素水量が所定量未満と少なくインジェクタ内で尿素が固着しそうな状況下では、常に尿素水を希釈液で希釈して全噴射量を所定量に維持することになり、尿素の固着ひいてはノズルの詰まりを確実に防止することができる。
【００１２】
請求項３の排気浄化装置によれば、希釈液は水であるので、容易にして尿素水を希釈することができ、補充も容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面に基づき本発明の一実施形態について説明する。
図１を参照すると、本発明に係る排気浄化装置のシステム構成図が示されており、以下図１に基づき本発明に係る排気浄化装置の構成を説明する。
本発明に係る排気浄化装置はエンジン（内燃機関）の排気系に適用されるものであり、図示しないものの、当該エンジンは例えばディーゼルエンジンである。
【００１４】
エンジンには、各気筒に連通して排気ポートが形成されており、当該排気ポートには排気マニホールドを介して排気管（排気通路）２が接続されている。
排気管２には排気後処理ユニットの一つとして、アンモニア（ＮＨ３）を吸着し、吸着したアンモニアを還元剤として排気中のＮＯxを選択還元して浄化するＳＣＲ触媒（選択還元型ＮＯx触媒）４が介装されている。
【００１５】
ＳＣＲ触媒４の排気上流側には、排気中に尿素水を噴射供給する電磁式のインジェクタ６が設けられており、インジェクタ６には管路８を介して所定濃度に設定された尿素水を貯留する尿素水タンク１０が接続されている。インジェクタ６は、インジェクタノズル（以下、ノズル）７を介して尿素水を霧状に噴射するような構造を有している。ここに、所定濃度は例えば凍結温度を最も低くできる濃度である。
【００１６】
管路８には圧送ポンプ１２が介装されており、当該圧送ポンプ１２の作動によって尿素水が尿素水タンク１０から管路８を経てインジェクタ６に供給される。この際、圧送ポンプ１２の回転速度に応じて圧送ポンプ１２の吐出圧が決定され、インジェクタ６の噴射圧力が決定される。通常は圧送ポンプ１２の回転速度は所定値に設定されており、これにより、インジェクタ６から安定した量の尿素水が噴射される。
【００１７】
また、管路８のうちインジェクタ６と逆止弁１４との間の部分からは、分岐して管路１６が延びており、管路１６には尿素水を希釈するための水（Ｈ２Ｏ、希釈液）を貯留する水タンク（希釈液タンク）１８が接続されている。
管路１６には圧送ポンプ２０が介装されており、圧送ポンプ２０の作動によって水が水タンク１８から管路１６に供給される。この際、圧送ポンプ２０の回転速度に応じて圧送ポンプ２０の吐出圧が決定される。通常は圧送ポンプ２０の回転速度も上記圧送ポンプ１２と同様に所定値に設定されており、これにより、管路８と管路１６の内圧を等しくして管路８内を流れる尿素水に対して水を混入させることが可能である。
【００１８】
そして、管路１６のうち水の流れ方向で見て圧送ポンプ２０よりも下流の部分には、水の量を調節する電磁式の流量制御弁２２が介装されている。流量制御弁２２は開度を可変自在であり、これにより尿素水に対して所望の割合で水を混入させることが可能である。即ち、流量制御弁２２を調節することで、所望の希釈率で尿素水を希釈可能である（希釈手段）。
【００１９】
管路８のうち尿素水の流れ方向で見て圧送ポンプ１２よりも下流の部分には逆止弁１４が設けられており、当該逆止弁１４の作用により、水で希釈された希釈尿素水が尿素水タンク１０に逆流することが防止され、尿素水タンク１０内の尿素水を所定濃度に維持可能である。
同様に、管路１６のうち水の流れ方向で見て流量制御弁２２よりも下流の部分には逆止弁２４が設けられており、当該逆止弁２４の作用により、希釈尿素水の水タンク１８への逆流を防止可能である。
【００２０】
ＥＣＵ（電子コントロールユニット）３０は、エンジンの運転制御をはじめとして総合的な制御を行うための制御装置であり、ＣＰＵ、メモリ、タイマカウンタなどから構成され、様々な制御量の演算を行うと共に、その制御量に基づき各種デバイスの制御を行うことが可能である。
本発明に係る排気浄化装置に関して見れば、ＥＣＵ３０の入力側には、エンジン回転速度Ｎeを検出する回転速度センサ３２や図示しないアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ３４等の各種センサ類が接続されている。一方、出力側には、上述したインジェクタ６、圧送ポンプ１２、２０、流量制御弁２２等が接続されている。
【００２１】
これより、ＥＣＵ３０は、エンジンの各気筒への燃料噴射制御を行うとともに、回転速度センサ３２により検出されたエンジン回転速度Ｎe、アクセル開度センサ３４により検出されたアクセル開度θa（エンジン負荷）、上記燃料噴射量等のエンジン運転状態に基づき、排気中のＮＯxをＳＣＲ触媒４で選択還元するために必要な要求尿素水量を予め記憶しておいたマップデータから所定周期Ｔ1毎に求め、通常は、圧送ポンプ２０及び流量制御弁２２を作動させず、要求尿素水量に応じてインジェクタ６及び圧送ポンプ１２を制御して尿素水タンク１０内の尿素水のみをインジェクタ６から上記所定周期Ｔ1で間歇的に噴射する。なお、インジェクタ６の噴射量については一般には例えばデューティ比を制御する所謂デューティ制御により行われるが、これに限られるものではない。
【００２２】
このようにインジェクタ６から尿素水が噴射されると、尿素水は排気の熱により加水分解してアンモニアとなり、ＳＣＲ触媒４に吸着する。そして、ＳＣＲ触媒４は吸着したアンモニアとＳＣＲ触媒４に流入するＮＯxとの間の脱硝反応を促進し、これによりＮＯxは無害なＮ２となって大気中に放出される。
ところで、インジェクタ６はノズル７を介して尿素水を霧状に噴射する構造であるため、要求尿素水量が少ないとノズル７を流れる尿素水量が少なくなり、上述したように尿素水から析出した尿素の結晶がノズル７の壁面に固着し易く、ノズル７が詰まり易いという難点がある。このようにノズル７が詰まると、ＳＣＲ触媒４の機能の低下を招き好ましいことではない。
【００２３】
このようなことから、例えば、尿素の結晶がノズル７の壁面に固着しないよう、インジェクタ６から噴射する尿素水の量を少なくともノズル７の壁面に尿素の結晶が固着しない範囲の最小値以上に維持することが考えられる。しかしながら、上述したように、この場合には一般に要求尿素水量に対して尿素水が過剰となるため、ＳＣＲ触媒４にアンモニアを十分供給できるものの加水分解したアンモニアがＳＣＲ触媒４の下流側に流出し、所謂アンモニアスリップを引き起こし兼ねないという問題がある。一方、このアンモニアスリップを回避しようとして噴射間隔を長くすると、トレードオフの関係により、尿素水を次に噴射するまでの間にＳＣＲ触媒４上のアンモニアが不足してＮＯx浄化率が低下し兼ねないという問題がある。
【００２４】
本発明に係る排気浄化装置では、このような問題を解決するように図っており、以下、本発明に係る尿素水噴射制御の制御内容について説明する。
図２を参照すると、本発明に係る尿素水噴射制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同フローチャートに沿い説明する。
ステップＳ１０では、所定周期Ｔ1が経過したか否かを判別する。なお、所定周期Ｔ1は状況に応じて比較的短い値に任意に設定される。判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には当該ルーチンを抜けて所定周期Ｔ1が経過するのを待つ。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合にはステップＳ１２に進む。
【００２５】
ステップＳ１２では、上述したようにして要求尿素水量を算出する（要求尿素水量設定手段）。
ステップＳ１４では、要求尿素水量が所定値以上であるか否かを判別する。ここに、所定値は、例えば上述したインジェクタ６のノズル７の壁面に少なくとも尿素の結晶が固着しない範囲の最小値（最小デューティ）である。判別結果が真（Ｙｅｓ）で要求尿素水量が所定値以上である場合には、ステップＳ１６に進み、上述の如く要求尿素水量に応じてインジェクタ６及び圧送ポンプ１２を制御し、尿素水タンク１０内の尿素水のみをインジェクタ６から上記所定周期Ｔ1で間歇的に噴射する（制御手段）。一方、判別結果が偽（Ｎｏ）で要求尿素水量が所定値未満の場合には、ステップＳ１８に進む。
【００２６】
ステップＳ１８では、インジェクタ６及び圧送ポンプ１２の他、圧送ポンプ２０及び流量制御弁２２をも作動制御し、尿素水タンク１０から供給される尿素水を水タンク１８から供給される水で希釈し、全噴射量が所定量Ｑ1を維持するように当該希釈した尿素水、即ち希釈尿素水をインジェクタ６から噴射する（制御手段）。
つまり、図３を参照すると、要求尿素水量とインジェクタ６の全噴射量との関係及び要求尿素水量と水量との関係が図示されているが、同図に示すように、要求尿素水量が所定量Ｑ1未満の場合には、全噴射量が所定量Ｑ1となるように尿素水量のうち所定量Ｑ1に不足する分を水量で補うようにする（斜線部）。
【００２７】
このようにすると、要求尿素水量が少ないような場合であっても、インジェクタ６において少なくとも所定量Ｑ1の噴射量を維持でき、インジェクタ６内での尿素の固着を防止しつつ、要求尿素水量を過不足なく確保することが可能である。
これにより、ＳＣＲ触媒４でのアンモニアの消費量が少ないうちにＳＣＲ触媒４上のアンモニアが不足しないように所定周期Ｔ1を小さく設定し噴射間隔を短くした場合であって、要求尿素水量が比較的少ない状況下で尿素水を頻繁に噴射するような場合であっても、インジェクタ６のノズルの詰まりを防止しつつ、ＳＣＲ触媒４下流側へのアンモニアスリップを抑制し且つＳＣＲ触媒４におけるＮＯx浄化率を高く維持することができる。
【００２８】
特に、上記所定量Ｑ1を上記尿素の結晶が固着しない範囲の最小値とすることで、尿素の結晶がノズル７の壁面に一切固着しないようにでき、インジェクタ６の詰まりを確実に防止できる。
また、全噴射量を所定量Ｑ1に維持することにより、要求尿素水量が少ないような場合であっても尿素水の噴霧を良好に拡散させるようにしてＳＣＲ触媒４にアンモニアを一様に吸着させるようにできることになり、やはりＮＯx浄化率の向上を図ることができる。
【００２９】
ここで、図４を参照すると、上記尿素水噴射制御の実施結果として、要求尿素水量が所定量Ｑ1未満のときに尿素水を希釈して所定量Ｑ1を維持した場合のインジェクタ６からの全噴射量、ＳＣＲ触媒４のアンモニア吸着量及びＳＣＲ触媒４のＮＯx浄化率の時間変化がタイムチャートで示され、併せて尿素水のみで所定量Ｑ1を維持した従来の結果が破線で比較して示されているが、同図に示すように、噴射間隔を短くして所定周期Ｔ1とした場合であっても、アンモニアがＳＣＲ触媒４のアンモニア吸着量の許容量Ｘ1を越えないようにして従来見られたようなアンモニアスリップを発生させないようにでき、且つ、ＳＣＲ触媒４のＮＯx浄化率を従来値Ｒ0よりも高い値Ｒ1以上に保持するようにできる。
【００３０】
以上で本発明に係る排気浄化装置についての説明を終えるが、本発明の実施形態は上記実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態では、尿素水を所定周期Ｔ1で間歇的に噴射する場合を説明したが、本発明は尿素水を連続的に噴射する場合にも適用可能であり、これによりＮＯx浄化率をさらに高めることも可能である。
【００３１】
また、上記実施形態では、尿素水の希釈液を水としており、これにより尿素水を容易に希釈可能であり、水タンク１８の補充も容易であるが、尿素水を希釈可能であれば希釈液は水に限られるものではない。
また、上記実施形態では、排気後処理ユニットがＳＣＲ触媒４一つである場合を例に説明したが、排気後処理ユニットはＳＣＲ触媒４のみに限定されるものではなく、ＳＣＲ触媒４以外に酸化触媒やパティキュレートトラップ等を組み合わせるようにしてもよい。
【００３２】
また、上記実施形態では、エンジンがディーゼルエンジンである場合を示したが、エンジンの方式や形式等はこれに限られるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る排気浄化装置のシステム構成図である。
【図２】本発明に係る尿素水噴射制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図３】要求尿素水量とインジェクタの全噴射量との関係及び要求尿素水量と水量との関係を示す図である。
【図４】本発明に係る尿素水噴射制御の実施結果を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
【００３４】
２  排気管（排気通路）
４  ＳＣＲ触媒（選択還元型ＮＯx触媒）
６  インジェクタ
８  管路
１０  尿素水タンク
１２  圧送ポンプ
１６  管路
１８  水タンク（希釈液タンク）
２０  圧送ポンプ
２２  流量制御弁
３０  ＥＣＵ（電子コントロールユニット）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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