JP2008002425A - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】還元剤供給系に重大な詰まりが発生したか否かを高精度に判定する。
【解決手段】還元剤タンク２２に貯蔵された液体還元剤を吸い込んで圧送する電動ポンプ２６Ａと、圧送された液体還元剤の流量を制御する流量制御弁２８Ａと、流量が制御された液体還元剤をＮＯｘ還元触媒の排気上流に噴射供給する噴射ノズル３０と、を含んで構成される排気浄化装置において、エンジン始動時に、流量制御弁２８Ａ上流に位置する還元剤供給系に高圧空気を逆流させ、その圧力変化に応じて還元剤供給系に詰まりが発生したか否かを判定する。そして、還元剤供給系に詰まりが発生したと連続して判定された回数が所定回数以上になったときに、還元剤供給系に容易に解消され得ない重大な詰まりが発生したと判定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、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（以下「排気浄化装置」という）において、特に、液体還元剤又はその前駆体の供給系に重大な詰まりが発生したか否かを高精度に判定する技術に関する。

エンジンの排気に含まれる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、エンジン排気系に配設された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」という）を噴射供給することで、排気中のＮＯｘと還元剤とを還元反応させ、ＮＯｘを無害成分に浄化処理するものである。

また、このような排気浄化装置においては、還元剤成分の析出，異物混入などにより液体還元剤の供給系（以下「還元剤供給系」という）が詰まると、ＮＯｘ還元触媒に適量の還元剤が供給されず、所要のＮＯｘ浄化能力を発揮できなくなってしまう。このため、本出願人は、特願２００５−３２９４４１号において、還元剤供給系に高圧空気を逆流させたときの圧力変化に基づいて、還元剤供給系に詰まりが発生したか否かを判定する技術を提案した。この提案技術においては、還元剤供給系に高圧空気を逆流させる必要上、還元剤供給系内の圧力を一時的に低下させなければならない。還元剤供給系内の圧力を低下させた状態ではＮＯｘ還元触媒に還元剤を供給することができないため、排気性状の低下を防止する観点から、還元剤供給系に詰まりが発生したか否かは、エンジン始動時に１回だけしか判定できなかった。
特開２０００−２７６２７号公報

ところで、還元剤供給系の詰まりは、「還元剤成分の析出」と「異物混入」によるものに大別される。異物混入による詰まりは、これが除去されない限り解消されないが、還元剤成分の析出による軽微な詰まりは、還元剤供給系に液体還元剤が流通することで溶解して解消される可能性がある。しかし、従来提案技術では、エンジン始動時に１回だけ実行される処理により詰まりが発生したと判定されてしまうため、その後解消され得る還元剤成分の析出による軽微な詰まりであっても、還元剤供給系に詰まりが発生したと判定されてしまっていた。

そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、所定回数連続して還元剤供給系に詰まりが発生したと判定されたときに、その詰まりは容易に解消され得ないものであると判断することで、還元剤供給系に重大な詰まりが発生したか否かを高精度に判定できる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、エンジン排気系に配設され、排気中の窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、液体還元剤を貯蔵する還元剤タンクと、前記還元剤タンクに貯蔵された液体還元剤を吸い込んで圧送するポンプと、前記ポンプから圧送された液体還元剤の流量を制御する流量制御弁と、前記流量制御弁により流量が制御された液体還元剤を還元触媒の排気上流に噴射供給する噴射ノズルと、エンジン始動時に、前記ポンプを停止させた状態で流量制御弁を開弁させつつ、前記流量制御弁下流からその上流に位置する還元剤供給系に高圧空気を逆流させ、前記ポンプ下流かつ流量制御弁上流における圧力変化に基づいて還元剤供給系に詰まりが発生したか否かを判定する第１の判定手段と、前記第１の判定手段により還元剤供給系に詰まりが発生したと連続して判定された回数を計数する計数手段と、前記計数手段により計数された回数が所定回数以上になったときに、前記還元剤供給系に容易に解消され得ない重大な詰まりが発生したと判定する第２の判定手段と、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、前記計数手段は、前記第１の判定手段により還元剤供給系に詰まりが発生したと判定された後、前記流量制御弁の累積開弁時間が所定時間以上になったときに、前記回数を計数することを特徴とする。
請求項３記載の発明では、前記第１の判定手段は、前記ポンプ下流かつ流量制御弁上流における圧力変化が所定圧力未満であるときに、前記還元剤供給系に詰まりが発生したと判定することを特徴とする。

請求項４記載の発明では、前記第２の判定手段により還元剤供給系に重大な詰まりが発生したと判定されたときに、その旨を報知する報知手段が備えられたことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、エンジン始動時に、流量制御弁下流からその上流に位置する還元剤供給系に高圧空気を逆流させ、その圧力変化に基づいて還元剤供給系に詰まりが発生したか否かが判定される。そして、還元剤供給系に詰まりが発生したと連続して判定された回数が所定回数以上になったときに、還元剤供給系に容易に解消され得ない重大な詰まりが発生したと判定される。即ち、還元剤供給系の詰まりは、還元剤成分の析出と異物混入によるものに大別される。そのうち還元剤成分の析出による詰まりは、還元剤供給系に液体還元剤が流通することで、これが溶解して解消される可能性がある。このため、１回の詰まり判定ではなく、所定回数連続して詰まり判定がなされたときに、還元剤供給系に重大な詰まりが発生したと判定することで、軽微な詰まりが解消される時間を確保しつつ、その判定精度を向上させることができる。

請求項２記載の発明によれば、還元剤供給系に詰まりが発生したと判定された後、流量制御弁の累積開弁時間が所定時間に達したときに、詰まり判定が連続してなされた回数が計数されるため、還元剤供給系に発生した軽微な詰まりが解消される時間を確実に確保することができる。
請求項３記載の発明によれば、ポンプ下流かつ流量制御弁上流における圧力変化が所定圧力未満であるときに、還元剤供給系に詰まりが発生したと判定されるため、簡単な処理により詰まり発生の有無を判定することができる。

請求項４記載の発明によれば、還元剤供給系に重大な詰まりが発生した旨が報知されたときには、還元剤供給系を分解清掃するなどの処置を適宜行なうことで、排気浄化装置としての機能を発揮させることができる。

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、液体還元剤の前駆体たる尿素水溶液を使用し、エンジン排気中のＮＯｘを還元反応により浄化する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に接続された排気管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、アンモニアを還元剤として使用してＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ還元触媒１８と、ＮＯｘ還元触媒１８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２０と、がこの順番で配設される。

ＮＯｘ還元触媒１８に還元剤を供給する還元剤供給系は、尿素水溶液を貯蔵する還元剤タンク２２と、還元剤タンク２２の底部から尿素水溶液を吸い込んで圧送すると共に、エアリザーバ２４から供給された高圧空気の圧力を制御するポンプモジュール２６と、ポンプモジュール２６から圧送された尿素水溶液の流量を制御すると共に、その尿素水溶液に圧力が制御された高圧空気を混合して噴霧状態とする添加モジュール２８と、噴霧状態となった尿素水溶液をＮＯｘ還元触媒１８の排気上流に噴射供給する噴射ノズル３０と、を含んで構成される。ポンプモジュール２６には、図２に示すように、少なくとも、尿素水溶液を吸い込んで圧送する電動ポンプ２６Ａと、圧力変動を抑制するダンパ２６Ｂと、余剰な尿素水溶液を電動ポンプ２６Ａの入口側に戻すリリーフ弁２６Ｃと、エアリザーバ２４から供給された高圧空気の圧力を制御する圧力制御弁２６Ｄと、電動ポンプ２６Ａ下流かつ添加モジュール２８上流に位置する還元剤供給系を還元剤タンク２２に連通させる通気弁２６Ｅと、電動ポンプ２６Ａ下流に位置する還元剤供給系内の圧力ｐを検出する圧力センサ２６Ｆと、が内蔵される。一方、添加モジュール２８には、同図に示すように、少なくとも、ポンプモジュール２６の電動ポンプ２６Ａから圧送された尿素水溶液の流量を制御する流量制御弁２８Ａと、流量が制御された尿素水溶液に対して、ポンプモジュール２６の圧力制御弁２６Ｄにより圧力が制御された高圧空気を混合して噴霧状態とするミキシングチャンバ２８Ｂと、が内蔵される。

また、窒素酸化触媒１６と噴射ノズル３０との間に位置する排気管１４には、排気温度Ｔを検出する排気温度センサ３２が取り付けられる。
排気浄化装置の制御系として、ポンプモジュール２６に内蔵された圧力センサ２６Ｆ及び排気温度センサ３２からの各出力信号、並びに、ＣＡＮ（Controller Area Network）などを介して読み込まれたエンジン回転速度Ｎe及びエンジン負荷Ｑ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）３４に夫々入力される。そして、還元剤添加ＥＣＵ３４は、そのＲＯＭ（Read Only Memory）に記憶された制御プログラムにより、排気温度Ｔ，エンジン回転速度Ｎe及びエンジン負荷Ｑに応じて電動ポンプ２６Ａ，圧力制御弁２６Ｄ及び流量制御弁２８Ａを夫々電子制御し、噴射ノズル３０からエンジン運転状態に応じた尿素水溶液を噴射供給させる。また、還元剤添加ＥＣＵ３４は、制御プログラムにより、還元剤供給系に容易に解消され得ない重大な詰まりが発生したか否かを判定する詰まり判定処理を実行する。

なお、制御プログラムを実行する還元剤添加ＥＣＵ３４により、第１の判定手段，計数手段及び第２の判定手段が夫々実現される。また、制御プログラムを実行する還元剤添加ＥＣＵ３４及び後述する警報装置の協働により、報知手段が実現される。
かかる排気浄化装置において、噴射ノズル３０から噴射供給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、還元剤として機能する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１８において排気中のＮＯｘと還元反応し、水（Ｈ₂Ｏ）及び窒素（Ｎ₂）へと転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１８によるＮＯｘ浄化性能を向上させるべく、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との割合が還元反応に適したものに改善される。一方、ＮＯｘ還元触媒１８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２０により酸化されるので、アンモニアがそのまま大気中に排出されることはない。

図３は、エンジン１０が始動されたことを契機として、還元剤添加ＥＣＵ３４において実行される詰まり判定処理を示す。なお、排気浄化装置においては、この詰まり判定処理に並行して、噴射ノズル１８からエンジン運転状態に応じた尿素水溶液を噴射供給する還元剤添加処理が実行されるものとする。
ステップ１（図では「Ｓ１」と略記する。以下同様）では、還元剤添加ＥＣＵ３４を構成するＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）などの不揮発性メモリから、還元剤供給系に詰まりが発生したと連続して判定された回数（以下「連続判定回数」という）を読み込む。なお、連続判定回数は、後述する処理により、不揮発性メモリに適宜書き込まれたものである。

ステップ２では、還元剤供給系に詰まりが発生したか否かを判定すべく、そこに高圧空気を逆流させる。即ち、電動ポンプ２６Ａを停止させた状態で流量制御弁２８Ａを開弁させつつ、圧力制御弁２６Ｄを開弁させることで、エアリザーバ２４に貯蔵された高圧空気をミキシングチャンバ２８Ｂからその上流に位置する還元剤供給系に逆流させる。
ステップ３では、圧力センサ２６Ｆにより検出される圧力ｐを監視し、還元剤供給系に高圧空気を逆流させたときの圧力変化Δｐに基づいて、流量制御弁２８Ａ上流に位置する還元剤供給系に詰まりが発生しているか否かを判定する。即ち、還元剤供給系に詰まりが発生していないときには、電動ポンプ２６Ａが停止していることから、高圧空気は、流量制御弁２８Ａを通過して圧力センサ２６Ｆに到達する。このとき、電動ポンプ２６Ａ下流かつ流量制御弁２８Ａ上流における圧力ｐは、高圧空気を逆流させたときに急激に上昇するので、圧力変化Δｐが所定圧力以上であれば、還元剤供給系に詰まりが発生していないと判定することができる。そして、還元剤供給系に詰まりが発生していればステップ４へと進む（Ｙｅｓ）。一方、還元剤供給系に詰まりが発生していなければステップ９へと進み（Ｎｏ）、連続判定回数の計数をやり直すべく、これをリセットする。

ステップ４では、還元剤供給系に詰まりが発生したとき、それまでに計数した連続判定回数が所定回数Ｎ_th以上であるか否か判定する。そして、連続判定回数が所定回数Ｎ_th以上であればステップ５へと進み（Ｙｅｓ）、還元剤供給系に容易に解消され得ない重大な詰まりが発生したことを報知すべく、警告灯，ブザーなどの警報装置を作動させる。一方、連続判定回数が所定回数Ｎ_th未満であればステップ６へと進む（Ｎｏ）。

ステップ６では、還元剤供給系に詰まりが発生したと判定された後、流量制御弁２８Ａの累積開弁時間が所定時間ｔ_th以上となったか否かを判定する。ここで、累積開弁時間を用いる理由としては、エンジン運転状態によっては排気中のＮＯｘ濃度が低く、排気浄化が不要である状態が存在することに鑑み、尿素水溶液が断続的に噴射供給される構成が採用されているためである。そして、累積開弁時間が所定時間ｔ_th以上となったならばステップ７へと進み（Ｙｅｓ）、連続判定回数に１を加算（インクリメント）する。一方、累積開弁時間が所定時間ｔ_th未満であれば待機する（Ｎｏ）。なお、累積開弁時間が所定時間ｔ_thに達しないうちにエンジン１０が停止されたときには、その時点で詰まり判定処理が終了される。

ステップ８では、連続判定回数を不揮発性メモリに書き込む。
かかる排気浄化装置によれば、エンジン始動時に、流量制御弁２８Ａの上流に位置する還元剤供給系に高圧空気を逆流させ、還元剤供給系における圧力変化Δｐから詰まりが発生したか否かが判定される。そして、還元剤供給系に詰まりが発生したと判定され、かつ、それまでに計数された連続判定回数が所定回数Ｎ_th以上であれば、還元剤供給系に容易に解消され得ない重大な詰まりが発生したと判定し、その旨を報知すべく警報装置が作動される。

即ち、還元剤供給系の詰まりは、還元剤成分の析出と異物混入によるものに大別される。そのうち還元剤成分の析出による詰まりは、還元剤供給系に尿素水溶液が流通することで、還元剤成分が溶解して解消される可能性がある。このような軽微な詰まりが発生するだびにその旨が報知されると、本来不必要な清掃などが行なわれてしまう。このため、１回の詰まり判定ではなく、所定回数Ｎ_th連続して詰まり判定がなされたときに、還元剤供給系に重大な詰まりが発生したと判定することで、軽微な詰まりが解消される時間を確保しつつ、その判定精度を向上させることができる。

このとき、還元剤供給系に発生した軽微な詰まりが解消される時間を確実に確保すべく、詰まりが発生したと判定された後、流量制御弁２８Ａの累積開弁時間（尿素水溶液の累積噴射時間）が所定時間ｔ_thに達したときに、連続判定回数を計数するようにしている。
また、還元剤供給系に重大な詰まりが発生したことが報知されたときには、ポンプモジュール２６及び添加モジュール２８を分解清掃するなどの処置を適宜行なうことで、排気浄化装置としての機能を発揮させることができる。

なお、液体還元剤としては、尿素水溶液に限らず、ＮＯｘ還元触媒１８の特性などを考慮し、アンモニア水溶液や、炭化水素を主成分とするアルコール，軽油などを使用することができる。

本発明を具現化した排気浄化装置の全体構成図 還元剤供給系の詳細を示す構成図 還元剤供給系の詰まり判定処理を示すフローチャート

符号の説明

１０ エンジン
１４ 排気管
１８ ＮＯｘ還元触媒
２２ 還元剤タンク
２４ エアリザーバ
２６ ポンプモジュール
２６Ａ 電動ポンプ
２６Ｄ 圧力制御弁
２６Ｆ 圧力センサ
２８ 添加モジュール
２８Ａ 流量制御弁
３０ 噴射ノズル
３４ 還元剤添加ＥＣＵ

Claims (4)

1. エンジン排気系に配設され、排気中の窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、
   液体還元剤を貯蔵する還元剤タンクと、
   前記還元剤タンクに貯蔵された液体還元剤を吸い込んで圧送するポンプと、
   前記ポンプから圧送された液体還元剤の流量を制御する流量制御弁と、
   前記流量制御弁により流量が制御された液体還元剤を還元触媒の排気上流に噴射供給する噴射ノズルと、
   エンジン始動時に、前記ポンプを停止させた状態で流量制御弁を開弁させつつ、前記流量制御弁下流からその上流に位置する還元剤供給系に高圧空気を逆流させ、前記ポンプ下流かつ流量制御弁上流における圧力変化に基づいて還元剤供給系に詰まりが発生したか否かを判定する第１の判定手段と、
   前記第１の判定手段により還元剤供給系に詰まりが発生したと連続して判定された回数を計数する計数手段と、
   前記計数手段により計数された回数が所定回数以上になったときに、前記還元剤供給系に容易に解消され得ない重大な詰まりが発生したと判定する第２の判定手段と、
   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. 前記計数手段は、前記第１の判定手段により還元剤供給系に詰まりが発生したと判定された後、前記流量制御弁の累積開弁時間が所定時間以上になったときに、前記回数を計数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。
3. 前記第１の判定手段は、前記ポンプ下流かつ流量制御弁上流における圧力変化が所定圧力未満であるときに、前記還元剤供給系に詰まりが発生したと判定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置。
4. 前記第２の判定手段により還元剤供給系に重大な詰まりが発生したと判定されたときに、その旨を報知する報知手段が備えられたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。

Images