WO2007023601A1 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

　還元剤容器に貯蔵された還元剤の濃度が所定範囲を逸脱したとき、又は、還元剤の残量が所定量以下となったときに、還元剤は異種水溶液又は欠乏していると判定（異常判定）する。そして、エンジン再始動操作が行なわれたときに、異常判定がなされており、かつ、その判定後所定距離以上走行していれば、エンジン再始動を禁止する。このとき、エンジン停止から再始動までの経過時間が所定時間未満であれば、エンジン停止は意図しないものであると判定し、緊急時の対応を可能とすべく、エンジン再始動を許可する。一方、異常判定がなされたときであっても、その判定後所定距離以上走行していなければ、還元剤補充地点までの走行を可能とすべく、エンジン再始動を許可する。

Description

明 細 書

エンジンの排気浄ィ匕装置

技術分野

[0001] 本発明は、エンジンの排気浄ィ匕装置 (以下「排気浄ィ匕装置」という）において、特に 、還元剤を用いて排気中の窒素酸ィ匕物 (NOx)を還元浄ィ匕する技術に関する。 背景技術

[0002] エンジン排気に含まれる NOxを除去する触媒浄ィ匕システムとして、特開 2005— 14 7118号公報 (特許文献 1)に記載されたように、エンジン排気管に配設された還元触 媒の排気上流に、エンジン運転状態に応じた還元剤又はその前駆体を添加すること で、排気中の NOxと還元剤とを還元反応させて、 NOxを無害成分に浄化処理する 排気浄ィ匕装置が提案されている。カゝかる排気浄ィ匕装置では、正規還元剤の使用を 促すために、異種水溶液の使用又は還元剤欠乏が検知された後、イダ-ッシヨンスィ ツチによりエンジンを停止すると、その再始動を禁止する構成が採用されている。 特許文献 1：特開 2005— 147118号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0003] し力しながら、還元剤欠乏を原因としてエンジン再始動を禁止すると、例えば、目的 地到着直前に還元剤が欠乏したとき、エンジンを作動させたまま積荷などを降ろし、 還元剤補充可能地点まで走行しなければならな力つた。還元剤補充可能地点が近く にない場合には、車両運転者に過大な労力を課すると共に、物流とは無関係な車両 走行による無駄な燃料消費などを来たしてしまう。また、還元剤欠乏状態で車両運転 者が休憩をとろうとしても、エンジンを停止させることができず、地球環境の観点から も好ましくない。

[0004] そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、異種水溶液の使用又は還元 剤欠乏が検知されたとしても、その後所定距離走行するまではエンジン再始動を許 可することで、車両運転者の労力増大，無駄な燃料の消費などを防止した排気浄ィ匕 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

[0005] このため、本発明に係る排気浄化装置は、エンジン排気管に配設され、還元剤容 器から供給された還元剤を用いて排気中の窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と 、前記還元剤容器に貯蔵された還元剤の濃度を検出する濃度センサと、前記還元 剤容器に貯蔵された還元剤の残量が所定量以下になったことを検出する残量センサ と、コンピュータを内蔵したコントロールユニットと、を含んで構成され、前記コントロー ルユニットは、前記濃度センサにより検出された濃度が所定範囲を逸脱したとき、又 は、前記残量センサにより残量が所定量以下になったことが検出されたときに、前記 還元剤は異種水溶液又は欠乏して ヽると判定する還元剤判定処理と、エンジン再始 動操作が行なわれたときに、前記還元剤判定処理により還元剤は異種水溶液又は 欠乏していると判定されており、かつ、該判定後の走行距離が所定距離以上であれ ば、エンジン再始動を禁止する一方、それ以外であれば、エンジン再始動を許可す るエンジン制御処理と、を実行することを特徴とする。

発明の効果

[0006] 本発明に係る排気浄化装置によれば、還元剤容器に貯蔵された還元剤の濃度が 所定範囲を逸脱したとき、又は、還元剤容器に貯蔵された還元剤の残量が所定量以 下になつたときに、還元剤は異種水溶液又は欠乏していると判定される。そして、ェ ンジン再始動操作が行なわれたときに、還元剤は異種水溶液又は欠乏して 、ると判 定されており、かつ、その判定後の走行距離が所定距離以上であれば、エンジン再 始動が禁止される一方、それ以外であれば、エンジン再始動が許可される。このため 、還元剤が異種水溶液又は欠乏していることが検知されたときであっても、その後所 定距離走行するまでの間は、エンジン再始動の禁止が猶予される。従って、車両運 転者は、例えば、目的地到着直前に還元剤が欠乏したときであっても、目的地到着 後還元剤補充可能地点まで車両を運転することを強要されず、その労力増大を防止 することができる。また、還元剤補充のための車両運行又はアイドリングが防止される ことから、無駄な燃料消費防止及び地球環境保護も図ることができる。

図面の簡単な説明

[0007] [図 1]図 1は、本発明に係る排気浄化装置の全体構成図である。 [図 2]図 2は、濃度センサの検出部の詳細図である。

[図 3]図 3は、濃度センサの濃度検出原理の説明図である。

[図 4]図 4は、還元剤判定処理を示すフローチャートである。

[図 5]図 5は、停止時刻記憶処理を示すフローチャートである。

[図 6]図 6は、再始動許可 Z禁止処理を示すフローチャートである。

符号の説明

[0008] 10 エンジン

14 排気管

20 NOx還元触媒

24 還元剤容器

32 還元剤添加 ECU

34 濃度センサ

36 エンジン ECU

発明を実施するための最良の形態

[0009] 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、還元剤の前駆体たる尿素水溶液を使用し、エンジン排気に含まれる NOx を触媒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-フォールド 12に接続される排気管 14には、排気流通方向 に沿って、一酸ィ匕窒素 (NO)を二酸ィ匕窒素 (NO )へと酸化させる窒素酸化触媒 16

2

と、尿素水溶液を噴射供給する噴射ノズル 18と、尿素水溶液を加水分解して得られ るアンモニアを用いて NOxを還元浄ィ匕する NOx還元触媒 20と、 NOx還元触媒 20 を通過したアンモニアを酸ィ匕させるアンモニア酸ィ匕触媒 22と、が夫々配設される。ま た、還元剤容器 24に貯蔵される尿素水溶液は、その底部で吸込口が開口する供給 配管 26を通って還元剤添加装置 28に供給される。一方、還元剤添加装置 28に供 給された尿素水溶液のうち噴射に寄与しない余剰のものは、還元剤容器 24の上部 で戻り口が開口する戻り配管 30を通って戻される。そして、還元剤添加装置 28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」 t ヽ う） 32により電子制御され、エンジン運転状態に応じた流量の尿素水溶液を、圧縮空 気と混合した噴霧状態で噴射ノズル 18に供給する。

[0010] カゝかる排気浄ィ匕装置において、噴射ノズル 18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、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 20において排気中の NOxと還元反応し、水（H

2

O)及び窒素 (N )へと転ィ匕されることは知られたことである。このとき、 NOx還元触媒

2

20における NOx浄ィ匕効率を向上させるベぐ窒素酸ィ匕触媒 16により NOが NOへと

2 酸化され、排気中の NOと NOとの割合が触媒還元反応に適したものに改善される。

2

一方、 NOx還元触媒 20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-ァ酸化触媒 22により酸化されるので、アンモニアがそのまま排出されることを防 止できる。

[0011] また、還元剤容器 24には、尿素水溶液の濃度に関連した信号を出力する濃度セン サ 34が取り付けられる。即ち、還元剤容器 24の天板に、回路基板が内蔵された基部 34Aが固定される一方、基部 34Aから還元剤容器 24底部へと検出部 34Bが垂下さ れる。

ここで、検出部 34Bとしては、図 2に示すように、離間した 2位置に加熱ヒータ A及び 温度センサ Bが夫々配設される。そして、加熱ヒータ Aを作動させたとき、その熱が温 度センサ Bに伝達される熱的特性を介して、基部 34Aに内蔵された回路基板力ゝら尿 素水溶液の濃度に関連した信号が出力される。具体的には、図 3に示すように、加熱 ヒータ Aを所定時間 t作動させると、温度センサ Bでは、尿素水溶液の熱伝導率に応

1

じた特性でもって徐々に温度が上昇する。そして、加熱ヒータ Aを停止したときの温 度上昇特性、即ち、温度センサ Bにおける初期温度とピーク温度との差に応じて、尿 素水溶液の濃度を間接的に検出することができる。一方、加熱ヒータ Aを停止させた 後には、温度センサ Bにおける温度が徐々に低下し、時間 tを要して加熱ヒータ作動

2

前の温度まで戻る。このため、尿素水溶液の濃度を、所定時間 (t +t )ごとに検出す

1 2

ることができる。なお、濃度センサ 34としては、三井金属鉱業 (株)製造販売のものが 知られている。

[0012] ここで、濃度センサ 34は、離間した 2点間の熱伝達特性力 尿素水溶液の濃度を 間接的に検出するものであるから、尿素水溶液が欠乏、即ち、空又は残量が少なく なったことも併せて検出することができる。このため、本実施形態では、濃度センサ 34 力 残量センサとしての機能を兼備し、必要なセンサの個数が少なくなり、コスト上昇 などを抑制することができる。

[0013] 濃度センサ 34からの出力信号は、還元剤添加 ECU32に入力される。また、還元 ルユニット（以下「エンジン ECU」という） 36に接続され、イダ-ッシヨンスィッチ信号及 び走行距離信号などを適宜読み込み可能に構成される。そして、還元剤添加 ECU 32は、その ROM (Read Only Memory)に記憶された制御プログラムにより、還元剤 判定処理，エンジン制御処理，停止意図判定処理及び所定温度設定処理を夫々実 行し、エンジン ECU36に対してエンジン再始動の禁止信号及び許可信号を適宜出 力する。なお、イダ-ッシヨンスィッチ信号及び走行距離信号などは、エンジン ECU3 6から間接的に読み込まず、スィッチ及びセンサなどから直接読み込むようにしてもよ い。

[0014] 図 4は、還元剤添加 ECU32において、エンジン始動後所定時間（t +t )ごとに繰

1 2 り返し実行される還元剤判定処理を示す。

ステップ 1 (図では「S1」と略記する。以下同様)では、濃度センサ 34から濃度信号 を読み込む。即ち、濃度センサ 34の加熱ヒータ Aを所定時間 tだけ作動させ、温度

1

センサ Bにおける温度上昇特性に応じた濃度信号を読み込む。

[0015] ステップ 2では、濃度信号が所定範囲内にある力否かを判定する。ここで、所定範 囲としては、尿素水溶液が正規なものであれば取り得る範囲であって、例えば、尿素 水溶液の特性などカゝら適宜設定される。そして、濃度信号が所定範囲内にあればス テツプ 3へと進む一方 (Yes)、濃度信号が所定範囲を逸脱していればステップ 4へと 進む ）。

ステップ 3では、尿素水溶液は正規なものであると判定 (正常判定)する。

[0016] ステップ 4では、尿素水溶液は異種水溶液又は欠乏して 、ると判定 (異常判定)す る。ここで、異種水溶液としては、尿素水溶液を水などで過度に希釈したもの，尿素 水溶液の代わりに水道水を使用したものなどが想定される。そして、異常判定がなさ れたときには、車両運転者に対して尿素水溶液の補充又は正規尿素水溶液への入 れ替えなどを促すベぐブザー，警告灯などを作動させてその旨を報知することが望 ましい。なお、異常判定がさなれたことを報知する処理が報知処理に該当する。

[0017] ステップ 5では、尿素水溶液の判定結果を随時参照可能とすべぐステップ 3又はス テツプ 4による判定結果を、メモリなどの記憶媒体に記憶する。

力かる還元剤判定処理によれば、濃度センサ 34の検出原理に応じた時間間隔で、 還元剤容器 24に貯蔵された尿素水溶液の状態が順次判定され、その判定結果が記 憶媒体に記憶される。このため、尿素水溶液の状態を必要に応じていつでも参照可 能であると共に、車両走行中に尿素水溶液が欠乏したことも検知することができる。

[0018] 図 5は、還元剤添加 ECU32において、エンジン 10を停止したときに実行される停 止時刻記憶処理を示す。ここで、エンジン停止とは、イグニッションキーによりェンジ ン 10を停止したことを意味するだけではなぐ例えば、クラッチの不適切な操作により 、意に反してエンジン 10が停止したことも含む。

ステップ 11では、エンジン 10を停止した時刻を記憶媒体に記憶する。ここで、ェン ジン停止時刻は、例えば、還元剤添加 ECU32又はエンジン ECU36に内蔵されるク ロックタイマーの出力を用いればよい。

[0019] 力かる停止時刻記憶処理によれば、エンジン 10が停止した時刻が記憶媒体に記 憶される。なお、記憶媒体としては、還元剤添加 ECU32への電力供給が遮断されて も、その記憶内容を保持可能な不揮発性メモリを用いることが望ましい。

図 6は、還元剤添加 ECU32において、イダ-ッシヨンスィッチが ON、即ち、ェンジ ン再始動操作が行なわれたときに、エンジン ECU36のエンジン再始動処理に先立 つて実行される再始動許可 Z禁止処理 (エンジン制御処理)を示す。

[0020] ステップ 21では、記憶媒体に記憶された尿素水溶液の判定結果が異常判定であ る力否かを判定する。そして、判定結果が異常判定であればステップ 22へと進む一 方 (Yes)、判定結果が正常判定であればステップ 26へと進む (No)。

ステップ 22では、還元剤判定処理において異常判定された時点から、車両が所定 距離以上走行したカゝ否かを判定する。ここで、車両の走行距離は、例えば、異常判 定がなされたときの走行距離を記憶媒体に記憶し、異常判定後に順次読み込んだ 走行距離との差力も測定すればよい。そして、所定距離以上走行したならばステップ 23へと進む一方 (Yes)、所定距離以上走行して!/、なければステップ 26へと進む (N o) ₀

[0021] ステップ 23では、記憶媒体からエンジン停止時刻を読み込む。

ステップ 24では、クロックタイマーの出力に基づいて、エンジン停止時刻から所定 時間以上経過した力否かを判定する。そして、エンジン停止時刻から所定時間以上 経過したならばステップ 25へと進む一方 (Yes)、エンジン停止時刻から所定時間以 上経過していなければステップ 26へと進む（No)。なお、ステップ 24の処理が停止意 図判定処理に該当する。

[0022] ステップ 25では、エンジン ECU36に、エンジン再始動禁止信号を出力する。

ステップ 26では、エンジン ECU36に、エンジン再始動許可信号を出力する。 力かる再始動許可 Z禁止処理によれば、尿素水溶液の判定結果が異常判定、即 ち、尿素水溶液が異種水溶液又は欠乏していると判定されたときであっても、その異 常判定がなされた後所定距離走行するまでの間は、エンジン 10の再始動が許可さ れる。このため、還元剤容器 24に貯蔵される尿素水溶液が欠乏したとしても、その直 後からエンジン再始動が禁止されず、所定距離走行するまでエンジン再始動の禁止 が猶予される。従って、車両運転者は、例えば、目的地到着直前に尿素水溶液が欠 乏したとしても、目的地到着後に尿素水溶液の補充可能地点まで運転することが強 要されず、その労力増大を防止することができる。また、尿素水溶液を補充するため の車両運行又はアイドリングが防止されることから、無駄な燃料消費防止及び地球環 境保護ち図ることがでさる。

[0023] 一方、尿素水溶液が異種水溶液又は欠乏して!/ヽると判定された状態で所定距離以 上走行したときには、尿素水溶液の補充又は入れ替えが可能でありながらこれを行 なわない悪意があったものと判断し、原則として、エンジン 10の再始動が禁止される 。このため、車両運転者に対して、正規な尿素水溶液の使用を促すことが可能となり 、排気浄ィ匕装置としての機能が発揮される状態での車両運行を行なうことができる。

[0024] また、尿素水溶液が異種水溶液又は欠乏して!/、ると判定された状態で所定距離以 上走行したときであっても、エンジン停止力も再始動操作が行なわれたときまでの経 過時間が所定時間未満であるときには、そのエンジン停止は意図しないものであると 判定し、エンジン 10の再始動が許可される。このため、例えば、クラッチの不適切な 操作により踏切内でエンジン 10が停止したときには、エンジン再始動が許可されるこ とから、緊急時における迅速な対応を採ることができる。

[0025] なお、意図しないエンジン停止力否かは、エンジン 10の機関温度を間接的に検出 する冷却水温度を用い、エンジン停止時の冷却水温度と再始動操作が行われたとき の冷却水温度との差が所定温度未満であることから判定してもよ!/、。このようにすれ ば、水冷式エンジンに備えられている水温センサなどを利用して、エンジン温度が間 接的に検出されるため、コスト上昇を抑制することができる。このとき、エンジン停止後 の冷却水温度は、周囲の大気温度に応じて低下する割合 (速度）が変化するので、 大気温度を検出する大気温度センサを設け、検出された大気温度に応じて所定温 度を動的に設定するようにすれば、その判定精度を向上させることができる。ここで、 所定温度を動的に設定する処理が所定温度設定処理に該当する。

[0026] また、本実施形態においては、濃度センサ 34により尿素水溶液の濃度及び残量を 検出したが、他の検出原理力 尿素水溶液の濃度を検出する濃度センサ、及び、尿 素水溶液の残量を検出する水位センサを用いるようにしてもよい。さらに、排気浄ィ匕 装置の制御は、還元剤添加 ECU32単独ではなぐエンジン ECU36との協働により 行なうようにしてもよい。このとき、エンジン ECU36においては、例えば、エンジン 10 への燃料供給を遮断、又は、エンジンスタータへの電力供給を電気的に遮断するこ とで、エンジン再始動を禁止すればよい。

[0027] 本発明は、還元剤の前駆体として尿素水溶液を用いる排気浄ィ匕装置に限らず、ァ ンモユア水溶液、並びに、炭化水素を主成分とするガソリン，軽油などを還元剤又は その前駆体として用いるものにも適用可能である。

Claims

請求の範囲

[1] エンジン排気管に配設され、還元剤容器から供給された還元剤を用いて排気中の 窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、前記還元剤容器に貯蔵された還元剤の濃 度を検出する濃度センサと、前記還元剤容器に貯蔵された還元剤の残量が所定量 以下になったことを検出する残量センサと、コンピュータを内蔵したコントロールュニ ットと、を含んで構成され、

前記コントロールユニットは、前記濃度センサにより検出された濃度が所定範囲を 逸脱したとき、又は、前記残量センサにより残量が所定量以下になったことが検出さ れたときに、前記還元剤は異種水溶液又は欠乏して!/、ると判定する還元剤判定処理 と、エンジン再始動操作が行なわれたときに、前記還元剤判定処理により還元剤は 異種水溶液又は欠乏していると判定されており、かつ、該判定後の走行距離が所定 距離以上であれば、エンジン再始動を禁止する一方、それ以外であれば、エンジン 再始動を許可するエンジン制御処理と、を実行することを特徴とするエンジンの排気 浄化装置。

[2] 前記コントロールユニットは、エンジン停止は意図しないものであるか否かを判定す る停止意図判定処理をさらに実行し、

前記エンジン制御処理は、前記停止意図判定処理によりエンジン停止は意図しな

Vヽものであると判定されたときに、エンジン再始動を許可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ィ匕装置。

[3] 前記停止意図判定処理は、エンジン停止力 エンジン再始動操作が行なわれたと きまでの経過時間が所定時間未満であるときに、エンジン停止は意図しな 、ものであ ると判定することを特徴とする請求項 2記載のエンジンの排気浄ィ匕装置。

[4] 前記停止意図判定処理は、エンジン停止時に検出されたエンジン温度と、ェンジ ン再始動操作が行なわれたときに検出されたエンジン温度と、の差が所定温度未満 であるときに、エンジン停止は意図しないものであると判定することを特徴とする請求 項 2記載のエンジンの排気浄ィ匕装置。

[5] 前記エンジン温度は、エンジンの冷却水温度から間接的に検出されることを特徴と する請求項 4記載のエンジンの排気浄ィ匕装置。

[6] 大気温度を検出する大気温度センサを備え、

前記コントロールユニットは、前記大気温度センサにより検出された大気温度に基 づいて、前記所定温度を動的に設定する所定温度設定処理をさらに実行することを 特徴とする請求項 4記載のエンジンの排気浄ィ匕装置。

[7] 前記濃度センサ及び残量センサは、前記還元剤容器の底部における離間した 2点 間の熱伝達特性から、還元剤の濃度及び残量が所定量以下となった力否かを夫々 間接的に検出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。

[8] 前記コントロールユニットは、前記還元剤判定処理により還元剤は異種水溶液又は 欠乏していると判定したときに、その判定結果を報知する報知処理をさらに実行する 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。