(57)【要約】【課題】エネルギの消費を抑制しつつ還元剤を供給する。【解決手段】内燃機関の排気通路に還元剤を噴射する噴射弁を備える還元剤供給装置において、噴射弁は、内燃機関の排気から熱が伝わる位置に設けられアンモニアの前駆体を加水分解する加水分解触媒と、加水分解触媒を迂回する第一通路と、加水分解触媒を通過する第二通路と、内燃機関の排気の熱が伝わる位置に設けられ温度に応じて変形する部材である変形部材であって、所定温度以上になると第一通路を開き、所定温度未満になると前記第一通路を閉じる変形部材と、を備える。【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還元剤を噴射する噴射弁を備える還元剤供給装置において、
前記噴射弁は、
前記内燃機関の排気から熱が伝わる位置に設けられアンモニアの前駆体を加水分解する加水分解触媒と、
前記加水分解触媒を迂回する第一通路と、
前記加水分解触媒を通過する第二通路と、
前記内燃機関の排気の熱が伝わる位置に設けられ温度に応じて変形する部材である変形部材であって、所定温度以上になると前記第一通路を開き、前記所定温度未満になると前記第一通路を閉じる変形部材と、
を備える還元剤供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、還元剤供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気通路に選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＳＣＲ触媒ともいう。）を設けることが知られている。このＳＣＲ触媒は、還元剤によりＮＯｘを選択還元する触媒である。そして、尿素水を噴射する噴射弁を２つ備え、一方の噴射弁からは排気中に直接尿素水を噴射し、他方の噴射弁からは尿素水を噴射するものの該尿素水をヒータ等で加熱した後さらに加水分解触媒を通してから排気中へ供給する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２１５１３３号公報
【特許文献２】特開２００４−２０２４５０号公報
【特許文献３】特表２００２−５２２３２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来では、排気の温度が低い場合には、尿素水をヒータ等で加熱しその後に加水分解触媒を通している。このようにヒータ等により外部から尿素水へ熱を加えているため、装置が大型化、複雑化する虞がある。また、ヒータ等を用いることによりエネルギを必要とする。さらに、ヒータ等を制御する必要も生じる。
【０００５】
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、エネルギの消費を抑制しつつ還元剤を供給することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために本発明は、内燃機関の排気通路に還元剤を噴射する噴射弁を備える還元剤供給装置において、前記噴射弁は、前記内燃機関の排気から熱が伝わる位置に設けられアンモニアの前駆体を加水分解する加水分解触媒と、前記加水分解触媒を迂回する第一通路と、前記加水分解触媒を通過する第二通路と、前記内燃機関の排気の熱が伝わる位置に設けられ温度に応じて変形する部材である変形部材であって、所定温度以上になると前記第一通路を開き、前記所定温度未満になると前記第一通路を閉じる変形部材と、を備える。
【０００７】
ここで、還元剤であるアンモニアの前駆体を、加水分解を行ってから排気中へ噴射することにより、より低温でアンモニアに転換されるため、排気通路内の温度及び選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）の温度がより低くてもＳＣＲ触媒によるアンモニアの吸着が可能となり、ＮＯｘを浄化することができる。一方、排気通路内の温度が十分に高くなった後では、加水分解を行っていない還元剤であっても、アンモニアに転換される。このため、排気通路内の温度が十分に高くなった後であれば、加水分解を行っていない還元剤を噴射することができる。逆に、排気通路内の温度が十分に高くなった後に、加水分解を行った還元剤を噴射すると、還元剤が早期にアンモニアまで転換されてしまい、場合によっては排気中の還元剤の濃度が不均一になる虞もある。したがって、加水分解が行われていない還元剤と、加水分解が行われた後の還元剤と、の何れかを状況に応じて供給することが望ましい。
【０００８】
内燃機関の冷間始動時などには、排気通路内の温度が所定温度未満となる。このような場合には、第一通路が閉じられるため、還元剤は第二通路を介して排気中へ供給される。第二通路には加水分解触媒が設けられているため、排気通路内の温度が所定温度未満の場合には、加水分解後の還元剤が供給される。ここで、加水分解触媒は排気から熱を受けて早期に活性化する。
【０００９】
一方、排気通路内の温度が所定温度以上になると、第一通路が開かれる。すなわち、第一通路に還元剤が流通可能となる。第二通路には加水分解触媒が設けられているために抵抗が大きいので、第一通路よりも還元剤が流れ難い。このため、第一通路が開かれると、還元剤は主に第一通路を流れる。したがって、アンモニアの前駆体は加水分解触媒において加水分解されないまま排気中へ供給される。
【００１０】
なお、所定温度は、加水分解触媒で加水分解が行われた還元剤を排気中へ供給するよりも加水分解触媒で加水分解が行われていない還元剤を排気中へ供給するほうが触媒におけるＮＯｘ浄化率が高くなる温度とすることができる。また、所定温度は、加水分解触媒で加水分解が行われていない還元剤をアンモニアに加水分解可能な温度としてもよい。
【００１１】
また、変形部材は、第一通路と第二通路とを選択的に切り換える構造を有していてもよい。すなわち、所定温度以上になると第一通路を開き且つ第二通路を閉じ、一方、所定温度未満になると第一通路を閉じ且つ第二通路を開いてもよい。
【００１２】
このように、排気通路内の温度に応じて噴射弁内で還元剤の加水分解が実施され、しかも、ヒータ等により加水分解触媒を加熱する必要もないため、エネルギの消費を抑制しつつ適切な還元剤を供給することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、エネルギの消費を抑制しつつ還元剤を供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例に係る還元剤供給装置の概略構成図である。
【図２】噴射弁を中心軸方向に切断した断面図である。
【図３】第二開口部をニードルの中心軸と直交する面で切断した場合の断面図であって、（Ａ）は、排気通路２内の温度が所定温度未満の場合を示し、（Ｂ）は、排気通路内の温度が所定温度以上の場合を示している。
【図４】図３における変形部材を拡大した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００１６】
＜実施例＞
図１は、本実施例に係る還元剤供給装置の概略構成図である。図１に示す内燃機関１は、複数の気筒を有する水冷式の４サイクル・ディーゼルエンジンである。なお、以下の実施例はガソリンエンジンであっても同様に適用することができる。内燃機関１は例えば車両に搭載される。
【００１７】
内燃機関１には、排気通路２が接続されている。排気通路２には、選択還元型ＮＯｘ触
媒３（ＳＣＲ触媒３）が設けられている。ＳＣＲ触媒３は、アンモニアを吸着しておき、ＮＯｘが通過するときに、吸着していたアンモニアによりＮＯｘを選択還元する。
【００１８】
ＳＣＲ触媒３よりも上流の排気通路２には、ＳＣＲ触媒３へ還元剤を供給する還元剤供給装置４が設けられている。還元剤供給装置４は、タンク４１、噴射弁４２、還元剤通路４３、ポンプ４４を備えている。
【００１９】
タンク４１は、還元剤としての尿素水溶液を貯留している。噴射弁４２はＳＣＲ触媒３よりも上流の排気通路２に取り付けられて還元剤を噴射する。還元剤通路４３は、タンク４１と噴射弁４２とを接続して還元剤を流通させる。ポンプ４４は、還元剤通路４３がタンク４１に接続される箇所に設けられており還元剤を吐出する。なお、ポンプ４４は、タンク４１内に設置してもよい。
【００２０】
また、噴射弁４２よりも上流の排気通路２には、排気の温度を検出する排気温度センサ５が設けられている。なお、本実施例において排気通路２内の温度といえば、特に断らない限り、排気温度センサ５により検出される温度を示すものとする。さらに、噴射弁４２よりも下流で且つＳＣＲ触媒３よりも上流の排気通路２には、還元剤を排気中に分散させるミキサ６が設けられている。このミキサ６は、液体の還元剤を衝突させることにより、該還元剤を排気中に広く分散させる。なお、ミキサ６は必ずしも必要ではない。
【００２１】
本実施例では、尿素、アンモニア、尿素を加水分解して得られる物質（例えば、カルバミン酸アンモニウムや炭酸アンモニウム等）をまとめて還元剤と称する。噴射弁４２からは、アンモニアの前駆体（尿素を加水分解して得られるカルバミン酸アンモニウム若しくは炭酸アンモニウム等、または、尿素）が噴射される。アンモニアの前駆体は、排気の熱またはＳＣＲ触媒３からの熱により加水分解されてアンモニアとなり、ＳＣＲ触媒３に吸着される。
【００２２】
以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１を制御する。
【００２３】
ＥＣＵ１０には、排気温度センサ５が電気配線を介して接続され、これらセンサの出力信号がＥＣＵ１０に入力される。そして、ＥＣＵ１０は、排気温度センサ５の出力信号に基づいて、ＳＣＲ触媒３の温度を推定する。なお、排気温度センサ５により検出される排気の温度がＳＣＲ触媒３の温度と等しいとしてもよい。一方、ＥＣＵ１０には、噴射弁４２、ポンプ４４が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ１０により噴射弁４２、ポンプ４４が制御される。ＥＣＵ１０は、ＳＣＲ触媒３に還元剤を供給する時期及び還元剤の供給量を算出し、還元剤を供給する時期になると噴射弁４２へ信号を送って該噴射弁４２から還元剤を噴射させる。
【００２４】
次に、本実施例に係る噴射弁４２について説明する。図２は、噴射弁４２を中心軸方向に切断した断面図である。噴射弁４２には、噴孔１０１が形成されたノズル１０２が設けられている。さらに、噴射弁４２には、噴孔１０１を開閉するニードル１０３が備えられており、ノズル１０２内のニードル１０３の先端部２０１の周囲には燃料が貯留される燃料貯留部１０４が形成されている。また、噴射弁４２には、ニードル１０３を閉弁方向に押すスプリング１０５が備わる。
【００２５】
ニードル１０３は、先端部２０１において閉塞する中空の管状に形成されている。ニードル１０３の内部には、還元剤通路４３を介して還元剤が供給される。ニードル１０３には、該ニードル１０３の内部と外部とを連通する第一開口部２０２及び第二開口部２０３
が設けられている。第一開口部２０２は、図２において後述する加水分解触媒１０６の上方側端部付近に設けられ、第二開口部２０３は、図２において加水分解触媒１０６の下方側端部付近に設けられる。第一開口部２０２及び第二開口部２０３は、夫々、複数設けられている。また、ニードル１０３の内部には、第二開口部２０３を開閉するための変形部材２０４が設けられている。変形部材２０４は、例えばバイメタルからなり、温度に応じて変形して第二開口部２０３を開閉する。ニードル１０３は、アクチュエータ（図示省略）に通電することにより噴孔１０１から離れる方向に移動する。この機構については周知のものを用いることができる。なお、変形部材２０４は、排気通路２を流通する排気の熱が伝わる位置に設けられる。
【００２６】
ニードル１０３の周囲には中空の円筒形状に形成された加水分解触媒１０６が備わる。加水分解触媒１０６の中心軸は、ニードル１０３の中心軸と等しい。加水分解触媒１０６は、所定温度以上で尿素を加水分解して、例えば、カルバミン酸アンモニウム、または、炭酸アンモニウムに転換する触媒である。加水分解触媒１０６として、例えば特開２００４−２０２４５０号公報、または、特表２００２−５２２３２８号公報に記載の触媒を用いることができる。なお、尿素水溶液を加水分解する方法としては、例えば特開２００４−２０２４５０号公報に記載の方法を用いてもよい。すなわち、本実施例では、加水分解時に還元剤がガス化することを抑制するために、還元剤供給装置４の内部の圧力を還元剤のガス化を抑制し得る圧力まで高くしてもよい。このようにして、加水分解触媒１０６を還元剤が流通しても、還元剤は液体の状態が維持される。このため、噴射弁４２からは液体（水溶液）の還元剤が噴射される。なお、加水分解触媒１０６は、排気通路２を流通する排気の熱が伝わる位置に設けられる。
【００２７】
噴射弁４２には、還元剤の通路として第一通路４２Ａと第二通路４２Ｂとが設けられている。第一通路４２Ａは、ニードル１０３内の還元剤が第二開口部２０３からニードル１０３外へ流出する通路（図２の一点鎖線参照。）であり、第二通路４２Ｂは、ニードル１０３内の還元剤が第一開口部２０２からニードル１０３外へ流出する通路（図２の二点鎖線参照。）である。すなわち、第一通路４２Ａを通る還元剤は、ニードル１０３内を通って第二開口部２０３からニードル１０３外へ流出し、その後、ニードル１０３外を通って燃料貯留部１０４へ達し、ニードル１０３がリフトすることにより噴孔１０１から噴射される。一方、第二通路４２Ｂを通る還元剤は、ニードル１０３内を通って第一開口部２０２からニードル１０３外へ流出し、その後、ニードル１０３外の加水分解触媒１０６を通って燃料貯留部１０４へ達し、ニードル１０３がリフトすることにより噴孔１０１から噴射される。そして、第一通路４２Ａと第二通路４２Ｂとの切り換えは、変形部材２０４によって行われる。
【００２８】
図３は、第二開口部２０３をニードル１０３の中心軸と直交する面で切断した場合の断面図である。図３（Ａ）は、排気通路２内の温度が所定温度未満の場合を示し、図３（Ｂ）は、排気通路２内の温度が所定温度以上の場合を示している。排気通路２内の温度が所定温度未満の場合には、変形部材２０４がニードル１０３の内壁面に密着することで、第二開口部２０３を閉じている。すなわち、変形部材２０４は、１枚の板状の部材であって、排気通路２内の温度が所定温度未満の場合にニードル１０３の内壁面に密着するように形成されている。そして、変形部材の端部２０５において変形部材２０４外周面とニードル１０３の内周面とが例えば溶接等により接合されることで、ニードル１０３の内壁面に変形部材２０４が固定されている。
【００２９】
ここで、図４は、図３における変形部材２０４を拡大した図である。図４における下方が、ニードル１０３の中心軸側であり、図４における上方が、ニードル１０３の内壁面側である。変形部材２０４は、ニードル１０３の中心軸側とニードル１０３の内壁面側とで温度に応じて膨張するときの膨張率が異なる部材が用いられている。ニードル１０３の中
心軸側の変形部材２０４を、内側部材２０４１とし、ニードル１０３の内壁面側の変形部材２０４を外側部材２０４２とする。外側部材２０４２の方が、内側部材２０４１よりも膨張率の大きな材料が用いられている。このため、温度が高くなるほど、変形部材２０４がニードル１０３の中心軸側に反る。
【００３０】
すなわち、排気通路２内の温度が所定温度以上となると、図３（Ｂ）に示したように、変形部材２０４がニードル１０３の中心軸側に丸まって該変形部材２０４の直径が縮小する。このため、端部２０５以外において変形部材２０４とニードル１０３の内壁面との間に隙間が生じる。すなわち、第二開口部２０３が開かれる。
【００３１】
ここで、噴射弁４２から尿素水溶液を噴射した場合と、尿素を加水分解して得られるカルバミン酸水溶液を噴射した場合とを比較すると、排気通路２内の温度が低い場合には、尿素を供給するよりも、カルバミン酸を供給するほうが、ＮＯｘ浄化率が高くなる。一方、排気通路２内の温度が高くなると、尿素を供給する場合とカルバミン酸を供給する場合とでＮＯｘ浄化率が逆転し、カルバミン酸を供給するよりも、尿素を供給するほうが、ＮＯｘ浄化率が高くなる。尿素よりもカルバミン酸を供給するほうがＮＯｘ浄化率が高くなる温度の範囲は、内燃機関１の冷間始動時における温度の範囲であり、内燃機関１の始動から十分に時間が経過すれば、排気通路２内の温度が、この範囲に入ることはほとんどない。
【００３２】
カルバミン酸よりも尿素のほうがＮＯｘ浄化率が高くなる温度の下限値を所定温度とすると、ＳＣＲ触媒３におけるＮＯｘ浄化率をより高くするためには、排気通路２内の温度が所定温度よりも低い場合には、噴射弁４２からカルバミン酸を噴射したほうがよく、排気通路２内の温度が所定温度以上の場合には、噴射弁４２から尿素を噴射したほうがよい。なお、尿素を加水分解して得られる例えば炭酸アンモニウム等であっても、カルバミン酸と同様の傾向を示す。ここで、カルバミン酸は、尿素よりも低い温度でアンモニアに転換し易いため、排気通路２内でガス化し易い。また、ミキサ６は、当該ミキサ６に衝突したガスを排気通路２内へ拡散させる衝突拡散部と、拡散させないで下流に流れる通路とを持つ場合がある。当該ミキサ６の場合には、還元剤がガス化しているとミキサ６の衝突拡散部に衝突しない還元剤の量が増加し、ミキサ６を通過しても排気と還元剤との混合度合や還元剤の分散が不十分となる場合がある。したがって、ＳＣＲ触媒３において尿素をアンモニアに転換することが可能である場合には、噴射弁４２から尿素を噴射したほうが、カルバミン酸等を噴射するよりも、ＮＯｘ浄化率が高くなる場合がある。ここで、内燃機関１の暖機が完了し排気通路２内の温度が高くなった後は、噴射弁４２から尿素を噴射しても、尿素がアンモニアに転換される。したがって、排気通路２内の温度が高い場合には、尿素を加水分解して噴射するよりも、尿素を噴射したほうがよい。このため、本実施例では、排気通路２内の温度が所定温度以上の場合には、噴射弁４２から尿素を噴射するように、変形部材２０４が第二開口部２０３を開いている。
【００３３】
一方、排気通路２内の温度が所定温度よりも低い場合には、噴射弁４２から尿素を噴射してもアンモニアまで転換されず、ＳＣＲ触媒３上に堆積する堆積物に変化する虞がある。そうすると、ＳＣＲ触媒３におけるアンモニア吸着量が減少して、ＮＯｘ浄化率が低下すると共に堆積物によるＳＣＲ触媒３の劣化を招く虞がある。したがって、排気通路２内の温度が所定温度よりも低い場合には、より低い温度でアンモニアに転換する還元剤を噴射したほうがよい。すなわち、尿素を供給するよりも、尿素を加水分解したカルバミン酸アンモニウムまたは炭酸アンモニウム等を噴射したほうがよい。そこで本実施例では、排気通路２内の温度が所定温度未満の場合には、加水分解が行われた還元剤を噴射弁４２から噴射するように、変形部材２０４が第二開口部２０３を閉じている。
【００３４】
ここで、尿素水溶液を低温で添加してしまうとビュレット等の化合物に変化しＳＣＲ触
媒３において堆積物になってしまう。このため、ＳＣＲ触媒３にアンモニアが吸着されない。しかし、尿素がアンモニアへ転換する温度（例えば１８０−１９０℃）以上でしか尿素水溶液を供給しないと、この排気通路２内の温度がこの温度まで上昇するまではＮＯｘを浄化することが困難となる。一方、排気通路２内の温度が低温でもアンモニアに転換可能な還元剤を供給することにより、ＮＯｘを浄化可能な温度の範囲をより広げることが可能となる。
【００３５】
変形部材２０４が第二開口部２０３を開く温度である所定温度は、尿素を加水分解しないほうが加水分解するよりもＮＯｘ浄化率が高くなる温度の下限値とすることができる。
【００３６】
このようにして、排気通路２内の温度が所定温度以上の場合には、第一通路４２Ａを介して還元剤を供給し、排気通路２内の温度が所定温度未満の場合には、第二通路４２Ｂを介して還元剤を供給する。そして、排気通路２内の温度が所定温度未満の場合には、第二通路４２Ｂを介して還元剤を流通させることにより、還元剤が加水分解触媒１０６により加水分解される。この加水分解触媒１０６は、排気の熱により活性化するため、外部からエネルギを供給する必要もない。一方、排気通路２内の温度が所定温度以上になると、変形部材２０４により還元剤の通路が第二通路４２Ｂから第一通路４２Ａへ自動的に切り替わるため、外部から還元剤の通路を操作する必要がない。このように、本実施例によれば、エネルギの消費を抑制しつつ、その時の排気通路２内の温度に応じた適切な還元剤を供給することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１     内燃機関
２     排気通路
３     選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）
４     還元剤供給装置
５     排気温度センサ
６     ミキサ
４１   タンク
４２   噴射弁
４２Ａ 第一通路
４２Ｂ 第二通路
４３   還元剤通路
４４   ポンプ
１０１ 噴孔
１０２ ノズル
１０３ ニードル
１０４ 燃料貯留部
１０５ スプリング
１０６ 加水分解触媒
２０１ 先端部
２０２ 第一開口部
２０３ 第二開口部
２０４ 変形部材
２０５ 端部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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