エンジンの排気浄化装置
【課題】尿素ＳＣＲシステムにおいて尿素から派生する化合物の結晶が排気通路内で尿素水の十分な分散を図るためのミキシング部材に付着することによる排気抵抗増加の問題ひいてはそれに伴う出力性能低下の問題を抑制する。
【解決手段】排気通路３の尿素水供給手段１３と選択還元触媒１６との間に尿素水供給手段１３で供給された尿素水と排気ガスとのミキシングを促進するためのミキシング部材１５を備える。ミキシング部材１５の直上流と直下流との差圧を検出する第２差圧センサ２２を備え、このセンサ２２で検出された差圧が所定値以上となったとき排気ガスの温度を上昇させる。これにより、ミキシング部材１５に付着した化合物の結晶が溶融除去され、ミキシング部材１５の開口が再び広くなり、排気通路３内の排気抵抗の増加が低減し、エンジン１のトルク性能ひいては出力性能低下の問題が解消される。
【解決手段】排気通路３の尿素水供給手段１３と選択還元触媒１６との間に尿素水供給手段１３で供給された尿素水と排気ガスとのミキシングを促進するためのミキシング部材１５を備える。ミキシング部材１５の直上流と直下流との差圧を検出する第２差圧センサ２２を備え、このセンサ２２で検出された差圧が所定値以上となったとき排気ガスの温度を上昇させる。これにより、ミキシング部材１５に付着した化合物の結晶が溶融除去され、ミキシング部材１５の開口が再び広くなり、排気通路３内の排気抵抗の増加が低減し、エンジン１のトルク性能ひいては出力性能低下の問題が解消される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの排気浄化装置、特に、エンジンの排気ガスに含まれる窒素酸化物の低減を図るエンジンの排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンジンの排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減する技術として尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムが知られている。これは、エンジンの排気通路に、ＮＯｘを選択還元する選択還元触媒を配設し、この選択還元触媒の上流に、排気通路内に尿素水を噴射する尿素水噴射ノズルを配設したもので、このノズルから排気通路内に噴射された尿素水が排気ガスの熱により熱分解又は加水分解してアンモニアが生成し、このアンモニアが選択還元触媒に吸着されて、排気ガス中のＮＯｘと脱硝反応を起こし、ＮＯｘを窒素（Ｎ２）と水（Ｈ２Ｏ）とに還元するようにしたものである。
【０００３】
その場合に、前記尿素水噴射ノズルから噴射された尿素水が排気通路内で十分に分散しないと、この尿素水から生成するアンモニアが偏って選択還元触媒に吸着され、その結果、アンモニア濃度の高い部分では余剰のアンモニアが大気中に排出されるアンモニアスリップの問題が起き、一方、アンモニア濃度の低い部分ではＮＯｘの浄化性能が低下してＮＯｘ排出量の低減が不十分となる。
【０００４】
そこで、特許文献１に記載されるように、尿素水噴射ノズルと選択還元触媒との間の排気通路に、前記ノズルから噴射された尿素水と排気ガスとのミキシングを促進するためのミキシング部材を配設することが提案される。このミキシング部材は、例えば、排気通路の断面積より小さい断面積の開口が形成された仕切板で構成され、排気ガスがこの仕切板に衝突して開口を通過することにより排気ガスの流れが乱れ、その結果、排気ガス中に噴射された尿素水と排気ガスとが攪拌されて尿素水が排気ガス中で十分に分散することとなる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２３２２１８（段落００１２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、本発明者等は、尿素水噴射ノズルから噴射された尿素水中の尿素から派生してできたと考えられる化合物の結晶がミキシング部材に付着する場合があることを見出した。この結晶は、尿素水噴射ノズルから噴射された尿素水中の尿素が最初に熱分解反応を起こして生成するイソシアン酸が３分子集まってできたシアヌル酸の結晶であろうと考えられる。このような結晶の付着が進めば、ミキシング部材に形成された開口が塞がれて狭くなり、排気通路内の排気抵抗が増加して、エンジンのトルク性能ひいては出力性能の低下をもたらすという問題が生じる。
【０００７】
本発明は、排気ガス中のＮＯｘを低減する尿素ＳＣＲシステムにおいて、排気通路内での尿素水の十分な分散を図るためのミキシング部材を備えた場合の前記不具合に対処するもので、尿素から派生する化合物の結晶がミキシング部材に付着することによる排気抵抗増加の問題、ひいてはそれに伴う出力性能低下の問題を抑制することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するため、本発明では次のような手段を用いる。
【０００９】
すなわち、本願の請求項１に記載の発明は、エンジンの排気通路に配設され、排気ガス中のＮＯｘを選択還元する選択還元触媒と、この選択還元触媒の上流の排気通路に尿素還元剤を供給する尿素還元剤供給手段と、この尿素還元剤供給手段と前記選択還元触媒との間の排気通路に配設され、前記尿素還元剤供給手段で供給された尿素還元剤と排気ガスとのミキシングを促進するためのミキシング部材とを有するエンジンの排気浄化装置であって、前記ミキシング部材の直上流と直下流との差圧を検出する差圧検出手段と、この差圧検出手段で検出された差圧が所定値以上となったとき、排気ガスの温度を上昇させる排気ガス温度上昇手段とが備えられていることを特徴とする。
【００１０】
次に、本願の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置であって、前記尿素還元剤供給手段の上流の排気通路に配設され、排気ガス中の微粒子を捕集するためのフィルタ部材と、このフィルタ部材に堆積した微粒子の量が所定値以上となったとき、排気ガスの温度を上昇させることにより、前記フィルタ部材に堆積した微粒子を燃焼除去するフィルタ再生手段とが備えられ、前記排気ガス温度上昇手段は、このフィルタ再生手段で構成されると共に、前記排気ガス温度上昇手段は、前記差圧検出手段で検出された差圧が所定値以上となったときは、前記フィルタ部材に堆積した微粒子の量が所定値未満であっても、排気ガスの温度を上昇させることを特徴とする。
【００１１】
次に、本願の請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置であって、前記フィルタ部材の上流の排気通路に酸化触媒が備えられ、前記フィルタ再生手段は、エンジンで燃料を後噴射し、この後噴射した燃料を前記酸化触媒で酸化燃焼させることにより、排気ガスの温度を上昇させるものであることを特徴とする。
【００１２】
次に、本願の請求項４に記載の発明は、請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置であって、前記排気ガス温度上昇手段は、排気ガスの温度が、前記尿素還元剤供給手段で供給された尿素還元剤から生成され、前記ミキシング部材に付着した化合物の結晶の溶融温度に達していないときに、排気ガスの温度を上昇させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
まず、請求項１に記載の発明によれば、尿素還元剤（尿素水）と排気ガスとのミキシングを促進するためのミキシング部材が、尿素還元剤供給手段（尿素水噴射ノズル）と選択還元触媒との間の排気通路に配設された構成の尿素ＳＣＲシステムにおいて、前記ミキシング部材の直上流と直下流との差圧を検出する差圧検出手段を設けたから、この差圧検出手段で検出された差圧が所定値以上となったときは、前記ミキシング部材に付着した化合物の結晶の量が所定値以上となったと判断できる。そして、そのようなときは、排気ガスの温度を上昇させるようにしたから、ミキシング部材に付着した化合物の結晶が溶融して除去され、これにより、塞がれていたミキシング部材の開口が再び広くなり、排気通路内の排気抵抗の増加が低減して、エンジンのトルク性能ひいては出力性能低下の問題が解消されることとなる。
【００１４】
次に、請求項２に記載の発明によれば、尿素還元剤供給手段の上流の排気通路に配設されたフィルタ部材に堆積した微粒子の量が所定値以上となったときに、排気ガスの温度を上昇させることによって、前記フィルタ部材に堆積した微粒子を燃焼除去するフィルタ再生手段が備えられている場合に、このフィルタ再生手段を用いて、ミキシング部材に付着した化合物の結晶を溶融除去するための排気ガスの温度上昇を行わせるようにしたから、車載設備の兼用が図られ、車載設備の複雑化が免れることとなる。
【００１５】
しかも、その場合に、前記差圧検出手段で検出された差圧が所定値以上となったときは、前記フィルタ部材に堆積した微粒子の量が所定値未満であっても、排気ガスの温度上昇を行わせるようにしたから、フィルタ部材に堆積した微粒子の燃焼除去に加えて、ミキシング部材に付着した結晶の溶融除去が、相互に干渉されずに、確実に実行されることとなる。
【００１６】
次に、請求項３に記載の発明によれば、フィルタ部材の上流の排気通路に酸化触媒が備えられている場合に、前記フィルタ再生手段は、エンジンで燃料を後噴射し、この後噴射した燃料を前記酸化触媒で酸化燃焼させることによって、排気ガスの温度を上昇させるものとしたから、フィルタ部材に堆積した微粒子の燃焼除去や、ミキシング部材に付着した結晶の溶融除去のために、例えばヒータやバーナ等の専用設備を追加装備して排気ガスの温度を上昇させる必要がなくなる。
【００１７】
次に、請求項４に記載の発明によれば、排気ガスの温度が、尿素還元剤から生成した化合物の結晶の溶融温度に達していないときに、排気ガスの温度を上昇させるようにしたから、換言すれば、排気ガスの温度が、尿素還元剤から生成した化合物の結晶の溶融温度に達しているときは、排気ガスの温度を上昇させないようにしたから、無駄な排気ガスの温度上昇が回避されて、排気系の熱劣化の問題や、エネルギコストの問題（ヒータやバーナを使う場合）、あるいは燃費の悪化の問題（燃料を後噴射する場合）等が抑制されることとなる。
【００１８】
ここで、排気ガスの温度が化合物の結晶の溶融温度に達しているか否かは、直接排気ガスの温度を検出することの他、エンジン回転数やエンジン負荷等からも判定することができる。例えば、シアヌル酸の結晶の融点は、およそ３６０℃であり、エンジン回転数やエンジン負荷が相対的に小さい中回転以下あるいは中負荷以下では排気ガスの温度が３６０℃以上に達していないと判定できる。以下、発明の最良の実施形態を通して本発明をさらに詳しく説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、本実施形態に係るエンジン１の排気浄化装置１０の全体構成図である。エンジン１はディーゼルエンジンであって、吸気通路２、排気通路３、排気ガスの一部を吸気側へ還流するＥＧＲ通路４、及び該ＥＧＲ通路４上のＥＧＲバルブ５を備えている。
【００２０】
排気通路３上には、上流側から、排気ガス中の未燃燃料を酸化燃焼するための酸化触媒１１、排気ガス中の微粒子（パティキュレート）を捕集するためのディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）１２、尿素水タンク１４から供給される尿素水を排気通路３内に噴射するための尿素水噴射ノズル１３、このノズル１３から噴射された尿素水と排気ガスとのミキシングを促進するためのミキシングプレート１５、排気ガス中のＮＯｘを選択還元するＳＣＲ触媒１６、及び、前記ノズル１３から噴射された尿素水から生成したアンモニアの余剰分が大気中に放出されるのを防ぐためのアンモニア酸化触媒１７が、この順に配設されている。
【００２１】
排気通路３には、さらに、ＤＰＦ１２の直上流と直下流との差圧を検出する第１差圧センサ２１、ミキシングプレート１５の直上流と直下流との差圧を検出する第２差圧検出センサ２２、ミキシングプレート１５に流れ込む排気ガスの温度を検出するために尿素水噴射ノズル１３の直上流に配設された排気ガス温度センサ２３、及びＳＣＲ触媒１６の直下流のアンモニア濃度を検出するアンモニアセンサ２４が備えられている。
【００２２】
ここで、第１差圧センサ２１で検出される差圧（第１差圧）が所定値以上のときは、ＤＰＦ１２に堆積した微粒子の量が所定値以上となったことを表すもので、そのようなときは、ＤＰＦ１２に堆積した微粒子を燃焼除去してＤＰＦ１２を再生する必要がある。
【００２３】
一方、第２差圧センサ２２で検出される差圧（第２差圧）が所定値以上のときは、ミキシングプレート１５に付着した化合物の結晶（尿素から派生したもの：後述する）の量が所定値以上となったことを表すもので、そのようなときは、ミキシングプレート１５に付着した化合物の結晶を溶融除去してミキシングプレート１５が排気通路３に配設されたことによる排気抵抗の増加を低減する必要がある（便宜上、これをミキシングプレート１５の清掃という）。
【００２４】
本実施形態に係る排気浄化装置１０は、特に、エンジン１の排気ガスに含まれる窒素酸化物を低減するための尿素ＳＣＲシステムでなり、その浄化反応機序は、およそ次の通りである。
【００２５】
まず、尿素水噴射ノズル１３から噴射された尿素水中の尿素は、次の反応式（化１）に示すように、排気ガスの熱により熱分解反応を起こして、アンモニア及びイソシアン酸を生成する。この熱分解反応は、およそ１３５℃以上で開始し、主に尿素水噴射ノズル１３からＳＣＲ触媒１６までの区間内で起きる。
【化１】
【００２６】
また、尿素水噴射ノズル１３から噴射された尿素水中の尿素、及び、熱分解反応で生成したイソシアン酸は、次の反応式（化２、化３）に示すように、加水分解反応を起こして、それぞれアンモニア及び二酸化炭素を生成する。この加水分解反応は、およそ１６０℃以上で開始し、主に尿素水噴射ノズル１３からＳＣＲ触媒１６までの区間内で起きる。
【化２】
【化３】
【００２７】
そして、尿素から生成したアンモニアは、次の反応式（化４）に示すように、ＮＯ及びＮＯ２と脱硝反応を起こして、これらの窒素酸化物を窒素及び水に還元する。この還元反応は、およそ２００℃以上で開始し、主にＳＣＲ触媒１６内で起きる。
【化４】
【００２８】
また、尿素から生成したアンモニアは、次の反応式（化５）に示すように、酸素の存在下、ＮＯ２と脱硝反応を起こして、この窒素酸化物を窒素及び水に還元する。この還元反応は、およそ２００℃以上で開始し、主にＳＣＲ触媒１６内で起きる。
【化５】
【００２９】
ここで、前記反応式（化４）と前記反応式（化５）とをまとめると、次の反応式（化６）のようになる。つまり、排気ガス中のＮＯの濃度とＮＯ２の濃度との比は、１：１が最も反応速度が大きく効率がよいことが判る。
【化６】
【００３０】
なお、還元反応にあずからなかった余剰のアンモニアは、次の反応式（化７）に示すように、酸素の存在下、窒素及び水に分解される。この酸化反応は、アンモニア酸化触媒１７内で起きる。
【化７】
【００３１】
図２に、本実施形態で採用可能なミキシングプレート１５の具体的構成の１例を示す。図示したように、ミキシングプレート１５は、排気通路３を横断するように接続された仕切板本体部１５ａを有し、この仕切板本体部１５ａの一部（図例では扇形の４箇所の部分）１５ｂが切り込まれて下流側に曲り折げ加工されることにより、仕切板本体部１５ａに排気通路３の断面積より小さい断面積の開口１５ｃが形成された構造である。
【００３２】
これにより、図２（ｂ）に矢印で示したように、排気通路３を上流から流れてきた排気ガスがこのミキシングプレート１５に衝突して開口１５ｃを通過することにより排気ガスの流れが乱れ、その結果、上流で排気ガス中に噴射された尿素水と排気ガスとが攪拌されて尿素水が排気ガス中で十分に分散することとなる。
【００３３】
このように、ミキシングプレート１５は、排気通路３内での尿素水の十分な分散を図ることができるが、排気ガスの乱流度を増すために、開口１５ｃの断面積が小さくされたり、折り曲げ部分１５ｂの傾斜が緩くされている。したがって、ミキシングプレート１５は、排気通路３内における排気ガスの流れの抵抗となり、排気圧力を上昇させるので、エンジン１のトルク性能ひいては出力性能を低下させる可能性がある。
【００３４】
しかも、本発明者等の知見によれば、尿素水噴射ノズル１３から噴射された尿素水中の尿素から派生してできたと考えられる化合物の結晶がミキシングプレート１５に付着する場合のあることがわかっている。このような結晶の付着が進めば、ミキシングプレート１５に形成された開口１５ｃが塞がれてさらに狭くなり、ミキシングプレート１５による排気抵抗の増加がより増長され、それに伴い出力性能の低下もより増長されることとなる。そして、ミキシングプレート１５がそのような状態になったことは、第２差圧センサ４２で検出される第２差圧が所定値以上となったことで判定可能である。
【００３５】
なお、ミキシングプレート１５に付着する化合物の結晶は、尿素水噴射ノズル１３から噴射された尿素水中の尿素が最初に熱分解反応を起こして生成するイソシアン酸（化１参照）が３分子集まってできたシアヌル酸の結晶であろうと考えられる。このシアヌル酸の結晶の融点は、およそ３６０℃であるが、エンジン負荷やエンジン回転数が相対的に小さい中回転以下あるいは中負荷以下の運転が続くと、排気ガスの温度が３６０℃以上に達せず、その結果、結晶が溶融せずにミキシングプレート１５に付着し堆積してしまうのである。
【００３６】
図３に示すように、この排気浄化装置１０のコントロールユニット５０は、前記第１差圧センサ２１からの信号、前記第２差圧センサ２２からの信号、前記排気ガス温度センサ２３からの信号、エンジン１の回転数を検出するエンジン回転数センサ３１からの信号、及び、吸気通路２を通過する吸入空気量を検出する吸入空気量センサ３２からの信号等を入力し、その結果に応じて、前記尿素水噴射ノズル１３、及びエンジン１の燃料噴射弁３３等へ制御信号を出力する。
【００３７】
図４は、この排気浄化装置１０のコントロールユニット５０が行う具体的制御動作の１例を示すフローチャートである。
【００３８】
まず、ステップＳ１で、各種信号を読み込み、ステップＳ２で、メイン噴射（エンジン１において圧縮工程上死点付近で行う燃料噴射）の燃料噴射量を例えば吸入空気量に応じて演算する。
【００３９】
次いで、ステップＳ３で、第１差圧センサ２１で検出される第１差圧が所定値β未満か否かを判定する。ここで、図５に示すように、所定値βは、略ゼロに近い、極小さい値に設定されている。つまり、ＤＰＦ１２に微粒子がほとんど堆積していないことを確認するのである。
【００４０】
その結果、ＮＯのとき、つまり、第１差圧センサ２１で検出される第１差圧が所定値β以上のときは、ステップＳ４で、第１差圧センサ２１で検出される第１差圧が所定値α以上か否かを判定する。ここで、図５に示すように、所定値αは、所定値βよりも大きい値に設定されている。つまり、ＤＰＦ１２に微粒子が相当量堆積しており、ＤＰＦ１２の再生を行う必要があるか否かを判定するのである。
【００４１】
その結果、ＹＥＳのとき、つまり、ＤＰＦ１２の再生を行う必要があるときは、ステップＳ５で、再生フラグの値を１にセットしたうえで、ステップＳ６で、ポスト噴射（後噴射）を設定する。すなわち、エンジン１において燃料をメイン噴射の後の例えば排気工程で後噴射し、この後噴射した燃料をＤＰＦ１２の上流の酸化触媒１１で酸化燃焼させることにより、排気ガスの温度を上昇させ、これにより、ＤＰＦ１２に堆積した微粒子を燃焼除去してＤＰＦ１２の再生を図るのである。
【００４２】
その後、ステップＳ７で、燃料噴射を実行してリターンする。この場合、燃料噴射は、ステップＳ２で演算したメイン噴射量及びステップＳ６で設定した後噴射に係る噴射量を含んだ燃料噴射となる。
【００４３】
これに対し、ステップＳ４でＮＯのときは、ステップＳ８で、再生フラグの値が１か否かを判定する。その結果、ＹＥＳのとき、つまり、ＤＰＦ１２の再生を実行中のときは、ステップＳ６に進み、ＮＯのとき、つまり、ＤＰＦ１２の再生を実行中でないときは、ステップＳ９に進む。一方、ステップＳ３でＹＥＳのときも、ステップＳ９に進む。
【００４４】
ステップＳ９では、再生フラグの値を０にリセットする。その後、ステップＳ１０で、排気ガス温度センサ２３で検出された排気ガス温度（より詳しくはミキシングプレート１５に流れ込んでいる排気ガス温度）が所定温度Ａ未満か否かを判定する。ここで、所定温度Ａは、ミキシングプレート１５に付着した結晶の溶融温度（例えば結晶がシアヌル酸の場合、その融点の３６０℃）に設定されている。
【００４５】
その結果、ＹＥＳのとき、つまり、ミキシングプレート１５に付着した結晶を溶融除去するために排気ガス温度を上昇させる必要があるときは、ステップＳ１１で、第２差圧センサ２２で検出される第２差圧が所定値γ以上か否かを判定する。ここで、図５に示すように、所定値γは、最小所定値ｍｉｎよりも大きい値に設定されている。つまり、ミキシングプレート１５に尿素から生成した化合物の結晶が相当量付着しており、ミキシングプレート１５の清掃を行う必要があるか否かを判定するのである。
【００４６】
その結果、ＹＥＳのとき、つまり、ミキシングプレート１５の清掃を行う必要があるときは、ステップＳ１２で、ポスト噴射を所定時間ｔの間設定する。ここで、図５に示すように、所定時間ｔは、ミキシングプレート１５に付着した結晶が溶融除去されるのに十分な値に設定されている。すなわち、エンジン１において燃料をメイン噴射の後の例えば排気工程で後噴射し、この後噴射した燃料をミキシングプレート１５の上流の酸化触媒１１で酸化燃焼させることにより、排気ガスの温度を上昇させ、これにより、ミキシングプレート１５に付着した結晶を溶融除去してミキシングプレート１５の清掃を図るのである。
【００４７】
その後、ステップＳ７で、燃料噴射を実行してリターンする。この場合、燃料噴射は、ステップＳ２で演算したメイン噴射量及びステップＳ１２で設定した後噴射に係る噴射量を含んだ燃料噴射となる。
【００４８】
一方、ステップＳ１０でＮＯのとき、つまり、ミキシングプレート１５に流れ込んでいる排気ガス温度がミキシングプレート１５に付着した結晶の溶融温度Ａ以上であって、ミキシングプレート１５に付着した結晶を溶融除去するために排気ガス温度を上昇させる必要がないときは、ステップＳ１３で、ポスト噴射を非設定とする（たとえ前記所定時間ｔ内であってもポスト噴射を停止する）。
【００４９】
その後、ステップＳ７で、燃料噴射を実行してリターンする。この場合、燃料噴射は、ステップＳ２で演算したメイン噴射量のみを含んだ燃料噴射となる。
【００５０】
また、ステップＳ１１でＮＯのとき、つまり、ミキシングプレート１５の清掃を行う必要がないときも、ステップＳ１３で、ポスト噴射を非設定とする（ただし前記所定時間ｔ内はポスト噴射を続行する）。
【００５１】
その後、ステップＳ７で、燃料噴射を実行してリターンする。この場合、燃料噴射は、ステップＳ２で演算したメイン噴射量のみを含んだ燃料噴射となる（ただし前記所定時間ｔ内はステップＳ２で演算したメイン噴射量及びステップＳ１２で設定した後噴射に係る噴射量を含んだ燃料噴射となる）。
【００５２】
以上のような制御の結果、図５に示すように、ＤＰＦ１２での微粒子の堆積量を代表する第１差圧、及びミキシングプレート１５での結晶の付着量を代表する第２差圧は、時間の経過に連れて、増加減少を繰り返すこととなる。
【００５３】
例えば、符号アで示したように、第１差圧が所定値αまで増加すると（ステップＳ４でＹＥＳ）、再生フラグの値が１にセットされて（ステップＳ５）、ポスト噴射が実行され（ステップＳ６，Ｓ７）、ＤＰＦ１２の再生が開始されることとなる。このとき、第１差圧が減少するばかりでなく、昇温された排気ガスがミキシングプレート１５にも流れ込むから（酸化触媒１１がＤＰＦ１２及びミキシングプレート１５の両方に対して上流にあるから：図１参照）、ミキシングプレート１５に付着した結晶の溶融除去も同時に起こって、第２差圧も減少することとなる。そして、このＤＰＦ１２の再生は、第１差圧が所定値βまで減少した時点で終了する。
【００５４】
一方、符号イで示したように、第２差圧が所定値γまで増加すると（ステップＳ１１でＹＥＳ）、ポスト噴射が実行され（ステップＳ１２，Ｓ７）、ミキシングプレート１５の清掃が開始されることとなる。このとき、第２差圧が減少するばかりでなく、昇温された排気ガスがＤＰＦ１２にも流れ込むから（酸化触媒１１がＤＰＦ１２及びミキシングプレート１５の両方に対して上流にあるから：図１参照）、ＤＰＦ１２に付着した微粒子の燃焼除去も同時に起こって、第１差圧も減少することとなる。そして、このミキシングプレート１５の清掃は、所定時間ｔが経過した時点で終了する。
【００５５】
このように、本実施形態に係るエンジン１の排気浄化装置１０は、尿素水噴射ノズル１３から噴射された尿素水と排気ガスとのミキシングを促進するためのミキシングプレート１５が、尿素水噴射ノズル１３とＳＣＲ触媒１６との間の排気通路３に配設された構成の尿素ＳＣＲシステムでなる。そして、ミキシングプレート１５の直上流と直下流との差圧を検出する第２差圧センサ２２を設けたから、この第２差圧センサ２２で検出された第２差圧が所定値γ以上となったときは（ステップＳ１１でＹＥＳ）、ミキシングプレート１５に付着した化合物の結晶の量が所定値以上となったと判断できる。そして、そのようなときは、ポスト噴射を行って排気ガスの温度を上昇させるようにしたから（ステップＳ１２，Ｓ７）、ミキシングプレート１５に付着した化合物の結晶が溶融して除去され、これにより、塞がれていたミキシングプレート１５の開口が再び広くなり、排気通路３内の排気抵抗の増加が低減して、エンジン１のトルク性能ひいては出力性能低下の問題が解消されることとなる。
【００５６】
その場合に、コントロールユニット５０は、尿素水噴射ノズル１３の上流の排気通路３に配設されたＤＰＦ１２に堆積した微粒子の量が所定値以上となったときに（ステップＳ４でＹＥＳ）、ポスト噴射を行って排気ガスの温度を上昇させることによって（ステップＳ６，Ｓ７）、ＤＰＦ１２に堆積した微粒子を燃焼除去するＤＰＦ１２の再生を行うようになっている場合に、同様のポスト噴射を行うことによって（ステップＳ１２，Ｓ７）、ミキシングプレート１５に付着した化合物の結晶を溶融除去するための排気ガスの温度上昇を行うようになっているから、車載設備の兼用が図られ、車載設備の複雑化が免れることとなる。
【００５７】
しかも、その場合に、図５からも明らかなように、第２差圧センサ２２で検出された第２差圧が所定値γ以上となったときは（ステップＳ１１でＹＥＳ）、ＤＰＦ１２に堆積した微粒子の量が所定値未満であっても（ステップＳ４でＮＯ及びステップＳ８でＮＯ）、排気ガスの温度上昇を行わせるようにしたから（ステップＳ１２，Ｓ７）、ＤＰＦ１２に堆積した微粒子の燃焼除去（つまりＤＰＦ１２の再生）に加えて、ミキシングプレート１５に付着した結晶の溶融除去（つまりミキシングプレート１５の清掃）が、相互に干渉されずに、確実に実行されることとなる。
【００５８】
また、排気ガスの温度が、尿素から生成した化合物の結晶の溶融温度Ａに達していないときに（ステップＳ１０でＹＥＳ）、排気ガスの温度を上昇させるようにしたから（ステップＳ１２，Ｓ７）、換言すれば、排気ガスの温度が、尿素から生成した化合物の結晶の溶融温度Ａに達しているときは（ステップＳ１０でＮＯ）、排気ガスの温度を上昇させないようにしたから（ステップＳ１３，Ｓ７）、無駄な排気ガスの温度上昇が回避されて、排気系の熱劣化の問題や、ポスト噴射による燃費の悪化の問題等が抑制されることとなる。
【００５９】
なお、前記実施形態は、本発明の最良の実施形態ではあるが、特許請求の範囲を逸脱しない限り、さらに種々の修正や変更を施してよいことはいうまでもない。例えば、前記実施形態は、ＤＰＦ１２の上流ひいてはミキシングプレート１５の上流の排気通路３に酸化触媒１１を備え、ＤＰＦ１２の再生時及びミキシングプレート１５の清掃時には、エンジン１で燃料を後噴射し、この後噴射した燃料を酸化触媒１１で酸化燃焼させることによって、排気ガスの温度を上昇させるようにしたから、ＤＰＦ１２に堆積した微粒子の燃焼除去や、ミキシングプレート１５に付着した結晶の溶融除去のために、専用設備を追加装備する必要がないという利点があるが、それに限らず、状況に応じて、例えばヒータやバーナ等の専用設備を追加装備して排気ガスの温度を上昇させるようにしても一向構わない。
【００６０】
また、前記実施形態では、ミキシングプレート１５の清掃を所定時間ｔだけ行うようにしたが（ステップＳ１２）、それに限らず、所定値γまで増加した第２差圧が例えば最小所定値ｍｉｎに減少するまで、ミキシングプレート１５の清掃を行うようにすることもできる。
【００６１】
その場合に、ＤＰＦ１２再生時の排気ガスの上昇温度、ミキシングプレート１５清掃時の排気ガスの上昇温度、ＤＰＦ１２の再生時間（所定値α，β）、ミキシングプレート１５の清掃時間（所定値γ，ｍｉｎ、又は所定時間ｔ）等は、種々の条件に応じて適宜変更してよいものである。
【００６２】
また、前記実施形態では、排気ガス温度センサ２３を用いて、ミキシングプレート１５に流れ込む排気ガスの温度を直接検出することにより、排気ガス温度が、ミキシングプレート１５に付着した結晶の溶融温度Ａに達しているか否かを判定するようにしたが（ステップＳ１０）、それに限らず、エンジン回転数やエンジン負荷あるいはエンジンの運転領域から、排気ガス温度が結晶の溶融温度Ａに達しているか否かを判定することも可能である。例えば、前述したように、中回転以下あるいは中負荷以下の運転領域では、排気ガス温度が、シアヌル酸の結晶の融点である約３６０℃以上に達していないと判定することが可能である。
【００６３】
そして、ミキシングプレート１５をバイパスするバイパス通路及び該通路と排気通路３との切替弁を設けておいて、第２差圧が所定値γを超えているのに、走行条件等により排気ガス温度を上昇させることができず、ミキシングプレート１５に付着した結晶を溶融除去することが困難な場合には、排気ガスを前記バイパス通路に導いて、ミキシングプレート１５を通過させないようにするとよい。これにより走行性能の確保が図れる。また、その場合、併せて、運転者にはメータパネルのインジケータ等で異常を報知し、整備工場への車両の持込みを促すようにするとよい。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
以上、具体例を挙げて詳しく説明したように、本発明は、排気ガス中のＮＯｘを低減する尿素ＳＣＲシステムにおいて、排気通路内での尿素水の十分な分散を図るためのミキシング部材を備えた場合に、尿素から派生する化合物の結晶がミキシング部材に付着することによる排気抵抗増加の問題、ひいてはそれに伴う出力性能低下の問題を抑制することが可能な技術であるから、エンジンの排気浄化装置、特に、エンジンの排気ガスに含まれる窒素酸化物の低減を図るエンジンの排気浄化装置の技術分野において広範な産業上の利用可能性が期待される。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の最良の実施形態に係るエンジンの排気浄化装置の全体構成図である。
【図２】前記排気浄化装置に備えられたミキシング部材としてのミキシングプレートの（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ矢視断面図である。
【図３】前記排気浄化装置の制御システム図である。
【図４】前記排気浄化装置のコントロールユニットが行う具体的制御動作の１例を示すフローチャートである。
【図５】前記制御動作の作用を表すタイムチャートである。
【符号の説明】
【００６６】
１ エンジン
３ 排気通路
１０ エンジンの排気浄化装置
１１ 酸化触媒
１２ パティキュレートフィルタ（フィルタ部材）
１３ 尿素水噴射ノズル（尿素還元剤供給手段）
１５ ミキシングプレート（ミキシング部材）
１６ ＳＣＲ触媒（選択還元触媒）
２１ 第１差圧センサ
２２ 第２差圧センサ（差圧検出手段）
２３ 排気ガス温度センサ
５０ コントロールユニット（排気ガス温度上昇手段、フィルタ再生手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの排気浄化装置、特に、エンジンの排気ガスに含まれる窒素酸化物の低減を図るエンジンの排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンジンの排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減する技術として尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムが知られている。これは、エンジンの排気通路に、ＮＯｘを選択還元する選択還元触媒を配設し、この選択還元触媒の上流に、排気通路内に尿素水を噴射する尿素水噴射ノズルを配設したもので、このノズルから排気通路内に噴射された尿素水が排気ガスの熱により熱分解又は加水分解してアンモニアが生成し、このアンモニアが選択還元触媒に吸着されて、排気ガス中のＮＯｘと脱硝反応を起こし、ＮＯｘを窒素（Ｎ２）と水（Ｈ２Ｏ）とに還元するようにしたものである。
【０００３】
その場合に、前記尿素水噴射ノズルから噴射された尿素水が排気通路内で十分に分散しないと、この尿素水から生成するアンモニアが偏って選択還元触媒に吸着され、その結果、アンモニア濃度の高い部分では余剰のアンモニアが大気中に排出されるアンモニアスリップの問題が起き、一方、アンモニア濃度の低い部分ではＮＯｘの浄化性能が低下してＮＯｘ排出量の低減が不十分となる。
【０００４】
そこで、特許文献１に記載されるように、尿素水噴射ノズルと選択還元触媒との間の排気通路に、前記ノズルから噴射された尿素水と排気ガスとのミキシングを促進するためのミキシング部材を配設することが提案される。このミキシング部材は、例えば、排気通路の断面積より小さい断面積の開口が形成された仕切板で構成され、排気ガスがこの仕切板に衝突して開口を通過することにより排気ガスの流れが乱れ、その結果、排気ガス中に噴射された尿素水と排気ガスとが攪拌されて尿素水が排気ガス中で十分に分散することとなる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２３２２１８（段落００１２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、本発明者等は、尿素水噴射ノズルから噴射された尿素水中の尿素から派生してできたと考えられる化合物の結晶がミキシング部材に付着する場合があることを見出した。この結晶は、尿素水噴射ノズルから噴射された尿素水中の尿素が最初に熱分解反応を起こして生成するイソシアン酸が３分子集まってできたシアヌル酸の結晶であろうと考えられる。このような結晶の付着が進めば、ミキシング部材に形成された開口が塞がれて狭くなり、排気通路内の排気抵抗が増加して、エンジンのトルク性能ひいては出力性能の低下をもたらすという問題が生じる。
【０００７】
本発明は、排気ガス中のＮＯｘを低減する尿素ＳＣＲシステムにおいて、排気通路内での尿素水の十分な分散を図るためのミキシング部材を備えた場合の前記不具合に対処するもので、尿素から派生する化合物の結晶がミキシング部材に付着することによる排気抵抗増加の問題、ひいてはそれに伴う出力性能低下の問題を抑制することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するため、本発明では次のような手段を用いる。
【０００９】
すなわち、本願の請求項１に記載の発明は、エンジンの排気通路に配設され、排気ガス中のＮＯｘを選択還元する選択還元触媒と、この選択還元触媒の上流の排気通路に尿素還元剤を供給する尿素還元剤供給手段と、この尿素還元剤供給手段と前記選択還元触媒との間の排気通路に配設され、前記尿素還元剤供給手段で供給された尿素還元剤と排気ガスとのミキシングを促進するためのミキシング部材とを有するエンジンの排気浄化装置であって、前記ミキシング部材の直上流と直下流との差圧を検出する差圧検出手段と、この差圧検出手段で検出された差圧が所定値以上となったとき、排気ガスの温度を上昇させる排気ガス温度上昇手段とが備えられていることを特徴とする。
【００１０】
次に、本願の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置であって、前記尿素還元剤供給手段の上流の排気通路に配設され、排気ガス中の微粒子を捕集するためのフィルタ部材と、このフィルタ部材に堆積した微粒子の量が所定値以上となったとき、排気ガスの温度を上昇させることにより、前記フィルタ部材に堆積した微粒子を燃焼除去するフィルタ再生手段とが備えられ、前記排気ガス温度上昇手段は、このフィルタ再生手段で構成されると共に、前記排気ガス温度上昇手段は、前記差圧検出手段で検出された差圧が所定値以上となったときは、前記フィルタ部材に堆積した微粒子の量が所定値未満であっても、排気ガスの温度を上昇させることを特徴とする。
【００１１】
次に、本願の請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置であって、前記フィルタ部材の上流の排気通路に酸化触媒が備えられ、前記フィルタ再生手段は、エンジンで燃料を後噴射し、この後噴射した燃料を前記酸化触媒で酸化燃焼させることにより、排気ガスの温度を上昇させるものであることを特徴とする。
【００１２】
次に、本願の請求項４に記載の発明は、請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置であって、前記排気ガス温度上昇手段は、排気ガスの温度が、前記尿素還元剤供給手段で供給された尿素還元剤から生成され、前記ミキシング部材に付着した化合物の結晶の溶融温度に達していないときに、排気ガスの温度を上昇させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
まず、請求項１に記載の発明によれば、尿素還元剤（尿素水）と排気ガスとのミキシングを促進するためのミキシング部材が、尿素還元剤供給手段（尿素水噴射ノズル）と選択還元触媒との間の排気通路に配設された構成の尿素ＳＣＲシステムにおいて、前記ミキシング部材の直上流と直下流との差圧を検出する差圧検出手段を設けたから、この差圧検出手段で検出された差圧が所定値以上となったときは、前記ミキシング部材に付着した化合物の結晶の量が所定値以上となったと判断できる。そして、そのようなときは、排気ガスの温度を上昇させるようにしたから、ミキシング部材に付着した化合物の結晶が溶融して除去され、これにより、塞がれていたミキシング部材の開口が再び広くなり、排気通路内の排気抵抗の増加が低減して、エンジンのトルク性能ひいては出力性能低下の問題が解消されることとなる。
【００１４】
次に、請求項２に記載の発明によれば、尿素還元剤供給手段の上流の排気通路に配設されたフィルタ部材に堆積した微粒子の量が所定値以上となったときに、排気ガスの温度を上昇させることによって、前記フィルタ部材に堆積した微粒子を燃焼除去するフィルタ再生手段が備えられている場合に、このフィルタ再生手段を用いて、ミキシング部材に付着した化合物の結晶を溶融除去するための排気ガスの温度上昇を行わせるようにしたから、車載設備の兼用が図られ、車載設備の複雑化が免れることとなる。
【００１５】
しかも、その場合に、前記差圧検出手段で検出された差圧が所定値以上となったときは、前記フィルタ部材に堆積した微粒子の量が所定値未満であっても、排気ガスの温度上昇を行わせるようにしたから、フィルタ部材に堆積した微粒子の燃焼除去に加えて、ミキシング部材に付着した結晶の溶融除去が、相互に干渉されずに、確実に実行されることとなる。
【００１６】
次に、請求項３に記載の発明によれば、フィルタ部材の上流の排気通路に酸化触媒が備えられている場合に、前記フィルタ再生手段は、エンジンで燃料を後噴射し、この後噴射した燃料を前記酸化触媒で酸化燃焼させることによって、排気ガスの温度を上昇させるものとしたから、フィルタ部材に堆積した微粒子の燃焼除去や、ミキシング部材に付着した結晶の溶融除去のために、例えばヒータやバーナ等の専用設備を追加装備して排気ガスの温度を上昇させる必要がなくなる。
【００１７】
次に、請求項４に記載の発明によれば、排気ガスの温度が、尿素還元剤から生成した化合物の結晶の溶融温度に達していないときに、排気ガスの温度を上昇させるようにしたから、換言すれば、排気ガスの温度が、尿素還元剤から生成した化合物の結晶の溶融温度に達しているときは、排気ガスの温度を上昇させないようにしたから、無駄な排気ガスの温度上昇が回避されて、排気系の熱劣化の問題や、エネルギコストの問題（ヒータやバーナを使う場合）、あるいは燃費の悪化の問題（燃料を後噴射する場合）等が抑制されることとなる。
【００１８】
ここで、排気ガスの温度が化合物の結晶の溶融温度に達しているか否かは、直接排気ガスの温度を検出することの他、エンジン回転数やエンジン負荷等からも判定することができる。例えば、シアヌル酸の結晶の融点は、およそ３６０℃であり、エンジン回転数やエンジン負荷が相対的に小さい中回転以下あるいは中負荷以下では排気ガスの温度が３６０℃以上に達していないと判定できる。以下、発明の最良の実施形態を通して本発明をさらに詳しく説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、本実施形態に係るエンジン１の排気浄化装置１０の全体構成図である。エンジン１はディーゼルエンジンであって、吸気通路２、排気通路３、排気ガスの一部を吸気側へ還流するＥＧＲ通路４、及び該ＥＧＲ通路４上のＥＧＲバルブ５を備えている。
【００２０】
排気通路３上には、上流側から、排気ガス中の未燃燃料を酸化燃焼するための酸化触媒１１、排気ガス中の微粒子（パティキュレート）を捕集するためのディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）１２、尿素水タンク１４から供給される尿素水を排気通路３内に噴射するための尿素水噴射ノズル１３、このノズル１３から噴射された尿素水と排気ガスとのミキシングを促進するためのミキシングプレート１５、排気ガス中のＮＯｘを選択還元するＳＣＲ触媒１６、及び、前記ノズル１３から噴射された尿素水から生成したアンモニアの余剰分が大気中に放出されるのを防ぐためのアンモニア酸化触媒１７が、この順に配設されている。
【００２１】
排気通路３には、さらに、ＤＰＦ１２の直上流と直下流との差圧を検出する第１差圧センサ２１、ミキシングプレート１５の直上流と直下流との差圧を検出する第２差圧検出センサ２２、ミキシングプレート１５に流れ込む排気ガスの温度を検出するために尿素水噴射ノズル１３の直上流に配設された排気ガス温度センサ２３、及びＳＣＲ触媒１６の直下流のアンモニア濃度を検出するアンモニアセンサ２４が備えられている。
【００２２】
ここで、第１差圧センサ２１で検出される差圧（第１差圧）が所定値以上のときは、ＤＰＦ１２に堆積した微粒子の量が所定値以上となったことを表すもので、そのようなときは、ＤＰＦ１２に堆積した微粒子を燃焼除去してＤＰＦ１２を再生する必要がある。
【００２３】
一方、第２差圧センサ２２で検出される差圧（第２差圧）が所定値以上のときは、ミキシングプレート１５に付着した化合物の結晶（尿素から派生したもの：後述する）の量が所定値以上となったことを表すもので、そのようなときは、ミキシングプレート１５に付着した化合物の結晶を溶融除去してミキシングプレート１５が排気通路３に配設されたことによる排気抵抗の増加を低減する必要がある（便宜上、これをミキシングプレート１５の清掃という）。
【００２４】
本実施形態に係る排気浄化装置１０は、特に、エンジン１の排気ガスに含まれる窒素酸化物を低減するための尿素ＳＣＲシステムでなり、その浄化反応機序は、およそ次の通りである。
【００２５】
まず、尿素水噴射ノズル１３から噴射された尿素水中の尿素は、次の反応式（化１）に示すように、排気ガスの熱により熱分解反応を起こして、アンモニア及びイソシアン酸を生成する。この熱分解反応は、およそ１３５℃以上で開始し、主に尿素水噴射ノズル１３からＳＣＲ触媒１６までの区間内で起きる。
【化１】
【００２６】
また、尿素水噴射ノズル１３から噴射された尿素水中の尿素、及び、熱分解反応で生成したイソシアン酸は、次の反応式（化２、化３）に示すように、加水分解反応を起こして、それぞれアンモニア及び二酸化炭素を生成する。この加水分解反応は、およそ１６０℃以上で開始し、主に尿素水噴射ノズル１３からＳＣＲ触媒１６までの区間内で起きる。
【化２】
【化３】
【００２７】
そして、尿素から生成したアンモニアは、次の反応式（化４）に示すように、ＮＯ及びＮＯ２と脱硝反応を起こして、これらの窒素酸化物を窒素及び水に還元する。この還元反応は、およそ２００℃以上で開始し、主にＳＣＲ触媒１６内で起きる。
【化４】
【００２８】
また、尿素から生成したアンモニアは、次の反応式（化５）に示すように、酸素の存在下、ＮＯ２と脱硝反応を起こして、この窒素酸化物を窒素及び水に還元する。この還元反応は、およそ２００℃以上で開始し、主にＳＣＲ触媒１６内で起きる。
【化５】
【００２９】
ここで、前記反応式（化４）と前記反応式（化５）とをまとめると、次の反応式（化６）のようになる。つまり、排気ガス中のＮＯの濃度とＮＯ２の濃度との比は、１：１が最も反応速度が大きく効率がよいことが判る。
【化６】
【００３０】
なお、還元反応にあずからなかった余剰のアンモニアは、次の反応式（化７）に示すように、酸素の存在下、窒素及び水に分解される。この酸化反応は、アンモニア酸化触媒１７内で起きる。
【化７】
【００３１】
図２に、本実施形態で採用可能なミキシングプレート１５の具体的構成の１例を示す。図示したように、ミキシングプレート１５は、排気通路３を横断するように接続された仕切板本体部１５ａを有し、この仕切板本体部１５ａの一部（図例では扇形の４箇所の部分）１５ｂが切り込まれて下流側に曲り折げ加工されることにより、仕切板本体部１５ａに排気通路３の断面積より小さい断面積の開口１５ｃが形成された構造である。
【００３２】
これにより、図２（ｂ）に矢印で示したように、排気通路３を上流から流れてきた排気ガスがこのミキシングプレート１５に衝突して開口１５ｃを通過することにより排気ガスの流れが乱れ、その結果、上流で排気ガス中に噴射された尿素水と排気ガスとが攪拌されて尿素水が排気ガス中で十分に分散することとなる。
【００３３】
このように、ミキシングプレート１５は、排気通路３内での尿素水の十分な分散を図ることができるが、排気ガスの乱流度を増すために、開口１５ｃの断面積が小さくされたり、折り曲げ部分１５ｂの傾斜が緩くされている。したがって、ミキシングプレート１５は、排気通路３内における排気ガスの流れの抵抗となり、排気圧力を上昇させるので、エンジン１のトルク性能ひいては出力性能を低下させる可能性がある。
【００３４】
しかも、本発明者等の知見によれば、尿素水噴射ノズル１３から噴射された尿素水中の尿素から派生してできたと考えられる化合物の結晶がミキシングプレート１５に付着する場合のあることがわかっている。このような結晶の付着が進めば、ミキシングプレート１５に形成された開口１５ｃが塞がれてさらに狭くなり、ミキシングプレート１５による排気抵抗の増加がより増長され、それに伴い出力性能の低下もより増長されることとなる。そして、ミキシングプレート１５がそのような状態になったことは、第２差圧センサ４２で検出される第２差圧が所定値以上となったことで判定可能である。
【００３５】
なお、ミキシングプレート１５に付着する化合物の結晶は、尿素水噴射ノズル１３から噴射された尿素水中の尿素が最初に熱分解反応を起こして生成するイソシアン酸（化１参照）が３分子集まってできたシアヌル酸の結晶であろうと考えられる。このシアヌル酸の結晶の融点は、およそ３６０℃であるが、エンジン負荷やエンジン回転数が相対的に小さい中回転以下あるいは中負荷以下の運転が続くと、排気ガスの温度が３６０℃以上に達せず、その結果、結晶が溶融せずにミキシングプレート１５に付着し堆積してしまうのである。
【００３６】
図３に示すように、この排気浄化装置１０のコントロールユニット５０は、前記第１差圧センサ２１からの信号、前記第２差圧センサ２２からの信号、前記排気ガス温度センサ２３からの信号、エンジン１の回転数を検出するエンジン回転数センサ３１からの信号、及び、吸気通路２を通過する吸入空気量を検出する吸入空気量センサ３２からの信号等を入力し、その結果に応じて、前記尿素水噴射ノズル１３、及びエンジン１の燃料噴射弁３３等へ制御信号を出力する。
【００３７】
図４は、この排気浄化装置１０のコントロールユニット５０が行う具体的制御動作の１例を示すフローチャートである。
【００３８】
まず、ステップＳ１で、各種信号を読み込み、ステップＳ２で、メイン噴射（エンジン１において圧縮工程上死点付近で行う燃料噴射）の燃料噴射量を例えば吸入空気量に応じて演算する。
【００３９】
次いで、ステップＳ３で、第１差圧センサ２１で検出される第１差圧が所定値β未満か否かを判定する。ここで、図５に示すように、所定値βは、略ゼロに近い、極小さい値に設定されている。つまり、ＤＰＦ１２に微粒子がほとんど堆積していないことを確認するのである。
【００４０】
その結果、ＮＯのとき、つまり、第１差圧センサ２１で検出される第１差圧が所定値β以上のときは、ステップＳ４で、第１差圧センサ２１で検出される第１差圧が所定値α以上か否かを判定する。ここで、図５に示すように、所定値αは、所定値βよりも大きい値に設定されている。つまり、ＤＰＦ１２に微粒子が相当量堆積しており、ＤＰＦ１２の再生を行う必要があるか否かを判定するのである。
【００４１】
その結果、ＹＥＳのとき、つまり、ＤＰＦ１２の再生を行う必要があるときは、ステップＳ５で、再生フラグの値を１にセットしたうえで、ステップＳ６で、ポスト噴射（後噴射）を設定する。すなわち、エンジン１において燃料をメイン噴射の後の例えば排気工程で後噴射し、この後噴射した燃料をＤＰＦ１２の上流の酸化触媒１１で酸化燃焼させることにより、排気ガスの温度を上昇させ、これにより、ＤＰＦ１２に堆積した微粒子を燃焼除去してＤＰＦ１２の再生を図るのである。
【００４２】
その後、ステップＳ７で、燃料噴射を実行してリターンする。この場合、燃料噴射は、ステップＳ２で演算したメイン噴射量及びステップＳ６で設定した後噴射に係る噴射量を含んだ燃料噴射となる。
【００４３】
これに対し、ステップＳ４でＮＯのときは、ステップＳ８で、再生フラグの値が１か否かを判定する。その結果、ＹＥＳのとき、つまり、ＤＰＦ１２の再生を実行中のときは、ステップＳ６に進み、ＮＯのとき、つまり、ＤＰＦ１２の再生を実行中でないときは、ステップＳ９に進む。一方、ステップＳ３でＹＥＳのときも、ステップＳ９に進む。
【００４４】
ステップＳ９では、再生フラグの値を０にリセットする。その後、ステップＳ１０で、排気ガス温度センサ２３で検出された排気ガス温度（より詳しくはミキシングプレート１５に流れ込んでいる排気ガス温度）が所定温度Ａ未満か否かを判定する。ここで、所定温度Ａは、ミキシングプレート１５に付着した結晶の溶融温度（例えば結晶がシアヌル酸の場合、その融点の３６０℃）に設定されている。
【００４５】
その結果、ＹＥＳのとき、つまり、ミキシングプレート１５に付着した結晶を溶融除去するために排気ガス温度を上昇させる必要があるときは、ステップＳ１１で、第２差圧センサ２２で検出される第２差圧が所定値γ以上か否かを判定する。ここで、図５に示すように、所定値γは、最小所定値ｍｉｎよりも大きい値に設定されている。つまり、ミキシングプレート１５に尿素から生成した化合物の結晶が相当量付着しており、ミキシングプレート１５の清掃を行う必要があるか否かを判定するのである。
【００４６】
その結果、ＹＥＳのとき、つまり、ミキシングプレート１５の清掃を行う必要があるときは、ステップＳ１２で、ポスト噴射を所定時間ｔの間設定する。ここで、図５に示すように、所定時間ｔは、ミキシングプレート１５に付着した結晶が溶融除去されるのに十分な値に設定されている。すなわち、エンジン１において燃料をメイン噴射の後の例えば排気工程で後噴射し、この後噴射した燃料をミキシングプレート１５の上流の酸化触媒１１で酸化燃焼させることにより、排気ガスの温度を上昇させ、これにより、ミキシングプレート１５に付着した結晶を溶融除去してミキシングプレート１５の清掃を図るのである。
【００４７】
その後、ステップＳ７で、燃料噴射を実行してリターンする。この場合、燃料噴射は、ステップＳ２で演算したメイン噴射量及びステップＳ１２で設定した後噴射に係る噴射量を含んだ燃料噴射となる。
【００４８】
一方、ステップＳ１０でＮＯのとき、つまり、ミキシングプレート１５に流れ込んでいる排気ガス温度がミキシングプレート１５に付着した結晶の溶融温度Ａ以上であって、ミキシングプレート１５に付着した結晶を溶融除去するために排気ガス温度を上昇させる必要がないときは、ステップＳ１３で、ポスト噴射を非設定とする（たとえ前記所定時間ｔ内であってもポスト噴射を停止する）。
【００４９】
その後、ステップＳ７で、燃料噴射を実行してリターンする。この場合、燃料噴射は、ステップＳ２で演算したメイン噴射量のみを含んだ燃料噴射となる。
【００５０】
また、ステップＳ１１でＮＯのとき、つまり、ミキシングプレート１５の清掃を行う必要がないときも、ステップＳ１３で、ポスト噴射を非設定とする（ただし前記所定時間ｔ内はポスト噴射を続行する）。
【００５１】
その後、ステップＳ７で、燃料噴射を実行してリターンする。この場合、燃料噴射は、ステップＳ２で演算したメイン噴射量のみを含んだ燃料噴射となる（ただし前記所定時間ｔ内はステップＳ２で演算したメイン噴射量及びステップＳ１２で設定した後噴射に係る噴射量を含んだ燃料噴射となる）。
【００５２】
以上のような制御の結果、図５に示すように、ＤＰＦ１２での微粒子の堆積量を代表する第１差圧、及びミキシングプレート１５での結晶の付着量を代表する第２差圧は、時間の経過に連れて、増加減少を繰り返すこととなる。
【００５３】
例えば、符号アで示したように、第１差圧が所定値αまで増加すると（ステップＳ４でＹＥＳ）、再生フラグの値が１にセットされて（ステップＳ５）、ポスト噴射が実行され（ステップＳ６，Ｓ７）、ＤＰＦ１２の再生が開始されることとなる。このとき、第１差圧が減少するばかりでなく、昇温された排気ガスがミキシングプレート１５にも流れ込むから（酸化触媒１１がＤＰＦ１２及びミキシングプレート１５の両方に対して上流にあるから：図１参照）、ミキシングプレート１５に付着した結晶の溶融除去も同時に起こって、第２差圧も減少することとなる。そして、このＤＰＦ１２の再生は、第１差圧が所定値βまで減少した時点で終了する。
【００５４】
一方、符号イで示したように、第２差圧が所定値γまで増加すると（ステップＳ１１でＹＥＳ）、ポスト噴射が実行され（ステップＳ１２，Ｓ７）、ミキシングプレート１５の清掃が開始されることとなる。このとき、第２差圧が減少するばかりでなく、昇温された排気ガスがＤＰＦ１２にも流れ込むから（酸化触媒１１がＤＰＦ１２及びミキシングプレート１５の両方に対して上流にあるから：図１参照）、ＤＰＦ１２に付着した微粒子の燃焼除去も同時に起こって、第１差圧も減少することとなる。そして、このミキシングプレート１５の清掃は、所定時間ｔが経過した時点で終了する。
【００５５】
このように、本実施形態に係るエンジン１の排気浄化装置１０は、尿素水噴射ノズル１３から噴射された尿素水と排気ガスとのミキシングを促進するためのミキシングプレート１５が、尿素水噴射ノズル１３とＳＣＲ触媒１６との間の排気通路３に配設された構成の尿素ＳＣＲシステムでなる。そして、ミキシングプレート１５の直上流と直下流との差圧を検出する第２差圧センサ２２を設けたから、この第２差圧センサ２２で検出された第２差圧が所定値γ以上となったときは（ステップＳ１１でＹＥＳ）、ミキシングプレート１５に付着した化合物の結晶の量が所定値以上となったと判断できる。そして、そのようなときは、ポスト噴射を行って排気ガスの温度を上昇させるようにしたから（ステップＳ１２，Ｓ７）、ミキシングプレート１５に付着した化合物の結晶が溶融して除去され、これにより、塞がれていたミキシングプレート１５の開口が再び広くなり、排気通路３内の排気抵抗の増加が低減して、エンジン１のトルク性能ひいては出力性能低下の問題が解消されることとなる。
【００５６】
その場合に、コントロールユニット５０は、尿素水噴射ノズル１３の上流の排気通路３に配設されたＤＰＦ１２に堆積した微粒子の量が所定値以上となったときに（ステップＳ４でＹＥＳ）、ポスト噴射を行って排気ガスの温度を上昇させることによって（ステップＳ６，Ｓ７）、ＤＰＦ１２に堆積した微粒子を燃焼除去するＤＰＦ１２の再生を行うようになっている場合に、同様のポスト噴射を行うことによって（ステップＳ１２，Ｓ７）、ミキシングプレート１５に付着した化合物の結晶を溶融除去するための排気ガスの温度上昇を行うようになっているから、車載設備の兼用が図られ、車載設備の複雑化が免れることとなる。
【００５７】
しかも、その場合に、図５からも明らかなように、第２差圧センサ２２で検出された第２差圧が所定値γ以上となったときは（ステップＳ１１でＹＥＳ）、ＤＰＦ１２に堆積した微粒子の量が所定値未満であっても（ステップＳ４でＮＯ及びステップＳ８でＮＯ）、排気ガスの温度上昇を行わせるようにしたから（ステップＳ１２，Ｓ７）、ＤＰＦ１２に堆積した微粒子の燃焼除去（つまりＤＰＦ１２の再生）に加えて、ミキシングプレート１５に付着した結晶の溶融除去（つまりミキシングプレート１５の清掃）が、相互に干渉されずに、確実に実行されることとなる。
【００５８】
また、排気ガスの温度が、尿素から生成した化合物の結晶の溶融温度Ａに達していないときに（ステップＳ１０でＹＥＳ）、排気ガスの温度を上昇させるようにしたから（ステップＳ１２，Ｓ７）、換言すれば、排気ガスの温度が、尿素から生成した化合物の結晶の溶融温度Ａに達しているときは（ステップＳ１０でＮＯ）、排気ガスの温度を上昇させないようにしたから（ステップＳ１３，Ｓ７）、無駄な排気ガスの温度上昇が回避されて、排気系の熱劣化の問題や、ポスト噴射による燃費の悪化の問題等が抑制されることとなる。
【００５９】
なお、前記実施形態は、本発明の最良の実施形態ではあるが、特許請求の範囲を逸脱しない限り、さらに種々の修正や変更を施してよいことはいうまでもない。例えば、前記実施形態は、ＤＰＦ１２の上流ひいてはミキシングプレート１５の上流の排気通路３に酸化触媒１１を備え、ＤＰＦ１２の再生時及びミキシングプレート１５の清掃時には、エンジン１で燃料を後噴射し、この後噴射した燃料を酸化触媒１１で酸化燃焼させることによって、排気ガスの温度を上昇させるようにしたから、ＤＰＦ１２に堆積した微粒子の燃焼除去や、ミキシングプレート１５に付着した結晶の溶融除去のために、専用設備を追加装備する必要がないという利点があるが、それに限らず、状況に応じて、例えばヒータやバーナ等の専用設備を追加装備して排気ガスの温度を上昇させるようにしても一向構わない。
【００６０】
また、前記実施形態では、ミキシングプレート１５の清掃を所定時間ｔだけ行うようにしたが（ステップＳ１２）、それに限らず、所定値γまで増加した第２差圧が例えば最小所定値ｍｉｎに減少するまで、ミキシングプレート１５の清掃を行うようにすることもできる。
【００６１】
その場合に、ＤＰＦ１２再生時の排気ガスの上昇温度、ミキシングプレート１５清掃時の排気ガスの上昇温度、ＤＰＦ１２の再生時間（所定値α，β）、ミキシングプレート１５の清掃時間（所定値γ，ｍｉｎ、又は所定時間ｔ）等は、種々の条件に応じて適宜変更してよいものである。
【００６２】
また、前記実施形態では、排気ガス温度センサ２３を用いて、ミキシングプレート１５に流れ込む排気ガスの温度を直接検出することにより、排気ガス温度が、ミキシングプレート１５に付着した結晶の溶融温度Ａに達しているか否かを判定するようにしたが（ステップＳ１０）、それに限らず、エンジン回転数やエンジン負荷あるいはエンジンの運転領域から、排気ガス温度が結晶の溶融温度Ａに達しているか否かを判定することも可能である。例えば、前述したように、中回転以下あるいは中負荷以下の運転領域では、排気ガス温度が、シアヌル酸の結晶の融点である約３６０℃以上に達していないと判定することが可能である。
【００６３】
そして、ミキシングプレート１５をバイパスするバイパス通路及び該通路と排気通路３との切替弁を設けておいて、第２差圧が所定値γを超えているのに、走行条件等により排気ガス温度を上昇させることができず、ミキシングプレート１５に付着した結晶を溶融除去することが困難な場合には、排気ガスを前記バイパス通路に導いて、ミキシングプレート１５を通過させないようにするとよい。これにより走行性能の確保が図れる。また、その場合、併せて、運転者にはメータパネルのインジケータ等で異常を報知し、整備工場への車両の持込みを促すようにするとよい。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
以上、具体例を挙げて詳しく説明したように、本発明は、排気ガス中のＮＯｘを低減する尿素ＳＣＲシステムにおいて、排気通路内での尿素水の十分な分散を図るためのミキシング部材を備えた場合に、尿素から派生する化合物の結晶がミキシング部材に付着することによる排気抵抗増加の問題、ひいてはそれに伴う出力性能低下の問題を抑制することが可能な技術であるから、エンジンの排気浄化装置、特に、エンジンの排気ガスに含まれる窒素酸化物の低減を図るエンジンの排気浄化装置の技術分野において広範な産業上の利用可能性が期待される。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の最良の実施形態に係るエンジンの排気浄化装置の全体構成図である。
【図２】前記排気浄化装置に備えられたミキシング部材としてのミキシングプレートの（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ矢視断面図である。
【図３】前記排気浄化装置の制御システム図である。
【図４】前記排気浄化装置のコントロールユニットが行う具体的制御動作の１例を示すフローチャートである。
【図５】前記制御動作の作用を表すタイムチャートである。
【符号の説明】
【００６６】
１ エンジン
３ 排気通路
１０ エンジンの排気浄化装置
１１ 酸化触媒
１２ パティキュレートフィルタ（フィルタ部材）
１３ 尿素水噴射ノズル（尿素還元剤供給手段）
１５ ミキシングプレート（ミキシング部材）
１６ ＳＣＲ触媒（選択還元触媒）
２１ 第１差圧センサ
２２ 第２差圧センサ（差圧検出手段）
２３ 排気ガス温度センサ
５０ コントロールユニット（排気ガス温度上昇手段、フィルタ再生手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気通路に配設され、排気ガス中のＮＯｘを選択還元する選択還元触媒と、
この選択還元触媒の上流の排気通路に尿素還元剤を供給する尿素還元剤供給手段と、
この尿素還元剤供給手段と前記選択還元触媒との間の排気通路に配設され、前記尿素還元剤供給手段で供給された尿素還元剤と排気ガスとのミキシングを促進するためのミキシング部材とを有するエンジンの排気浄化装置であって、
前記ミキシング部材の直上流と直下流との差圧を検出する差圧検出手段と、
この差圧検出手段で検出された差圧が所定値以上となったとき、排気ガスの温度を上昇させる排気ガス温度上昇手段とが備えられていることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
【請求項２】
請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置であって、
前記尿素還元剤供給手段の上流の排気通路に配設され、排気ガス中の微粒子を捕集するためのフィルタ部材と、
このフィルタ部材に堆積した微粒子の量が所定値以上となったとき、排気ガスの温度を上昇させることにより、前記フィルタ部材に堆積した微粒子を燃焼除去するフィルタ再生手段とが備えられ、
前記排気ガス温度上昇手段は、このフィルタ再生手段で構成されると共に、
前記排気ガス温度上昇手段は、前記差圧検出手段で検出された差圧が所定値以上となったときは、前記フィルタ部材に堆積した微粒子の量が所定値未満であっても、排気ガスの温度を上昇させることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
【請求項３】
請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置であって、
前記フィルタ部材の上流の排気通路に酸化触媒が備えられ、
前記フィルタ再生手段は、エンジンで燃料を後噴射し、この後噴射した燃料を前記酸化触媒で酸化燃焼させることにより、排気ガスの温度を上昇させるものであることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
【請求項４】
請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置であって、
前記排気ガス温度上昇手段は、排気ガスの温度が、前記尿素還元剤供給手段で供給された尿素還元剤から生成され、前記ミキシング部材に付着した化合物の結晶の溶融温度に達していないときに、排気ガスの温度を上昇させることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
【請求項１】
エンジンの排気通路に配設され、排気ガス中のＮＯｘを選択還元する選択還元触媒と、
この選択還元触媒の上流の排気通路に尿素還元剤を供給する尿素還元剤供給手段と、
この尿素還元剤供給手段と前記選択還元触媒との間の排気通路に配設され、前記尿素還元剤供給手段で供給された尿素還元剤と排気ガスとのミキシングを促進するためのミキシング部材とを有するエンジンの排気浄化装置であって、
前記ミキシング部材の直上流と直下流との差圧を検出する差圧検出手段と、
この差圧検出手段で検出された差圧が所定値以上となったとき、排気ガスの温度を上昇させる排気ガス温度上昇手段とが備えられていることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
【請求項２】
請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置であって、
前記尿素還元剤供給手段の上流の排気通路に配設され、排気ガス中の微粒子を捕集するためのフィルタ部材と、
このフィルタ部材に堆積した微粒子の量が所定値以上となったとき、排気ガスの温度を上昇させることにより、前記フィルタ部材に堆積した微粒子を燃焼除去するフィルタ再生手段とが備えられ、
前記排気ガス温度上昇手段は、このフィルタ再生手段で構成されると共に、
前記排気ガス温度上昇手段は、前記差圧検出手段で検出された差圧が所定値以上となったときは、前記フィルタ部材に堆積した微粒子の量が所定値未満であっても、排気ガスの温度を上昇させることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
【請求項３】
請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置であって、
前記フィルタ部材の上流の排気通路に酸化触媒が備えられ、
前記フィルタ再生手段は、エンジンで燃料を後噴射し、この後噴射した燃料を前記酸化触媒で酸化燃焼させることにより、排気ガスの温度を上昇させるものであることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
【請求項４】
請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置であって、
前記排気ガス温度上昇手段は、排気ガスの温度が、前記尿素還元剤供給手段で供給された尿素還元剤から生成され、前記ミキシング部材に付着した化合物の結晶の溶融温度に達していないときに、排気ガスの温度を上昇させることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−２４６５５（Ｐ２００９−２４６５５Ａ）
【公開日】平成２１年２月５日（２００９．２．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１９０４４９（Ｐ２００７−１９０４４９）
【出願日】平成１９年７月２３日（２００７．７．２３）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年２月５日（２００９．２．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月２３日（２００７．７．２３）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
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