JP2002371835A

JP2002371835A - 内燃機関の排気ガス浄化装置

Info

Publication number: JP2002371835A
Application number: JP2001181992A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Nishiyama; 利彦西山; Kotaro Wakamoto; 晃太郎若本
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2001-06-15
Filing date: 2001-06-15
Publication date: 2002-12-26

Abstract

(57)【要約】【課題】煤による目詰まりを防止でき、かつＮＯｘの
還元作用を確実に行える内燃機関の排気ガス浄化装置を
提供すること。【解決手段】排気ガス浄化装置に用いられる担体７０
に、ＮＯｘ還元触媒７５Ａが担持されたＮＯｘ浄化部７
５を形成し、排気ガス中のＮＯｘを還元、浄化できるよ
うにした。また、担体７０の流入側端面７３側に、酸化
触媒７６Ａが担持された煤燃焼部７６を形成すること
で、排気ガス中の煤が流入側端面７３に衝突すると、煤
が燃焼して焼却されるようにし、流入側端面７３に煤が
蓄積することがなく、長期にわたって使用した場合で
も、流通孔７２の目詰まりを防止できるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の排気ガ
ス浄化装置に係り、詳しくは、内燃機関の排気通路に設
けられ、かつ還元剤によってＮＯｘを還元するＮＯｘ還
元触媒を備えた内燃機関の排気ガス浄化装置に関する。

【０００２】

【背景技術】従来より、ディーゼルエンジン等の内燃機
関から排出されるＮＯｘ量を低減させるために、内燃機
関の排気通路に排気ガス浄化装置を設けることが知られ
ている。特開平１０−１１８４５４号公報には、排気通
路の途中に酸化触媒を配置し、その下流側に間隔を空け
てＮＯｘ還元触媒を配置し、これらの酸化触媒およびＮ
Ｏｘ還元触媒の間の位置で炭化水素（ＨＣ）等の還元剤
を供給するようにした排気ガス浄化装置が開示されてい
る。この排気ガス浄化装置では、排気ガス中の一酸化窒
素（ＮＯ）を酸化触媒で二酸化窒素（ＮＯ₂）に転化
し、この二酸化窒素を還元剤および下流側の還元触媒に
より、窒素（Ｎ₂）に効率的に転化することが可能とさ
れている。

【０００３】一方、特開２０００−２５７４１９号公報
に開示されているように、排気通路に配置される担体の
同一層に、酸化触媒とＮＯｘ還元触媒とを混在して担持
させた排気ガス浄化装置も知られている。この排気ガス
浄化装置によれば、還元剤（例えば炭化水素）が酸化触
媒によって酸化されて反応性物質を生成し、この反応性
物質がＮＯｘを還元する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
公報記載の排気ガス浄化装置では、シリンダから排出さ
れた煤のうちの大部分は、酸化触媒を通過してＮＯｘ還
元触媒が担持された担体の流入側端面に衝突し、この流
入端面に蓄積してしまう。このため、ＮＯｘ還元触媒用
担体の流通孔が煤で塞がれてしまい、長期間の使用によ
って担体に目詰まりが生じるなど、排気ガスを排出でき
ないという問題に発展する。

【０００５】また、後者の公報記載の排気ガス浄化装置
によれば、排気ガスの温度が低い低温域では、反応性物
質の生成が順調に行われてＮＯｘを還元するが、高温域
では、酸化触媒が還元剤である炭化水素をＨ₂Ｏ＋ＣＯ₂
に酸化してしまうため（炭化水素を燃焼させてしまうた
め）、排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）と一酸化炭素（Ｃ
Ｏ）とが不足し、ＮＯｘ還元触媒でのＮＯｘの還元作用
が鈍る可能性がある。

【０００６】本発明の目的は、煤による目詰まりを防止
でき、かつＮＯｘの還元作用を確実に行える内燃機関の
排気ガス浄化装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段と作用効果】本発明の請求
項１の内燃機関の排気ガス浄化装置は、内燃機関の排気
通路に設けられ、かつ還元剤によってＮＯｘを還元する
ＮＯｘ還元触媒を備えた排気ガス浄化装置において、前
記ＮＯｘ還元触媒が担持された担体には、排気ガスの流
入側端面から排出側端面に向かう所定長さ部分に、酸化
触媒が担持されていることを特徴とする。

【０００８】このような排気ガス浄化装置においては、
ＮＯｘ還元触媒の排気ガス流入側端面に酸化触媒が担持
されているので、流入側端面に衝突した煤は、酸化触媒
によって酸化された後、排気ガスの温度域で容易に燃焼
して除去される。従って、シリンダから排出される煤で
担体の目詰まりが生じる心配がなく、長期間の使用によ
っても排気ガスが良好に排気される。また、酸化触媒の
担持量を還元剤が燃焼しない程度に抑えることにより、
この還元剤およびＮＯｘ還元触媒によって還元作用が確
実に行われる。以上により、前記目的が達成される。

【０００９】請求項２の内燃機関の排気ガス浄化装置
は、請求項１に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置にお
いて、前記酸化触媒が担持されている部分の表面積は、
前記担体の総表面積の２０％以下であることを特徴とす
る。酸化触媒が担持された表面積の割合を総表面積の２
０％以下に設定することにより、還元剤が酸化触媒によ
って燃焼するおそれがなくなり、ＮＯｘ還元触媒での還
元作用が良好に行われる。酸化触媒が担持された表面積
の割合が総表面積の２０％を越えると、還元剤の燃焼が
促進され、排気ガス中の例えば炭化水素や一酸化炭素が
不足するので、ＮＯｘ還元触媒での還元作用が鈍る。

【００１０】請求項３の内燃機関の排気ガス浄化装置
は、請求項１または請求項２に記載の内燃機関の排気ガ
ス浄化装置において、前記担体には、排気ガスの前記排
出側端面から前記流入側端面に向かう所定長さ部分に
も、酸化触媒が担持されていることを特徴とする。この
ような排気ガス浄化装置によれば、担体の排出側端面に
も酸化触媒が担持されているので、ＮＯｘの浄化に供さ
れなかった余分な還元剤がその排出側端面側の酸化触媒
によって燃焼し、外部に排出される心配がなくなる。

【００１１】請求項４の内燃機関の排気ガス浄化装置
は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の内燃機
関の排気ガス浄化装置において、前記内燃機関には、排
気再循環装置が設けられていることを特徴とする。排気
ガス浄化装置を具備することにより、シリンダ内での燃
焼温度が下がってＮＯｘの生成量が減少する反面、煤の
生成量が多くなり、通常であればＮＯｘ還元触媒での目
詰まりが生じ易くなる。しかし、本発明の排気ガス浄化
装置の作用により、そのような多量の煤が生成されて
も、ＮＯｘ還元触媒での目詰まりが生じる心配がなく、
本発明の効果が一層顕著となる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面
に基づいて説明する。図１には、本実施形態に係る排気
ガス浄化装置２が装着された内燃機関としてのディーゼ
ルエンジン１が示されている。

【００１３】先ず、ディーゼルエンジン１は、図示しな
い複数のシリンダを有するエンジン本体１０を備え、こ
のエンジン本体１０には、シリンダに空気を送るための
吸気系統２０と、排気ガスの排気を行うための排気系統
３０と、エンジン本体１０、過給機５０、および図示し
ないオイルクーラ等の冷却必要部位を冷却する冷却系統
４０と、コンプレッサ５１およびタービン５２を有する
前記過給機５０と、排気ガスの一部を抽出して吸気側に
還流させる排気再循環装置（ＥＧＲ装置）６０とが接続
されている。

【００１４】エンジン本体１０の各シリンダには、図示
しないシリンダヘッドを介して、吸気系統２０を構成す
る吸気通路２１および排気系統３０を構成する排気通路
３１が接続されている。また、エンジン本体１０には、
図示しない燃料噴射ノズルに加圧された燃料を供給する
燃料噴射ポンプ１１が設けられ、この燃料噴射ポンプ１
１への燃料タンク１２からの燃料供給が燃料フィードポ
ンプ１３によって行われる。燃料噴射ノズルからシリン
ダ内への燃料噴射量および燃料噴射時間は、燃料噴射ポ
ンプ１１の動作によって決定され、この燃料噴射ポンプ
１１の動作は、図示しないエンジンコントローラによっ
て制御されている。

【００１５】吸気系統２０は、前述した吸気通路２１の
途中に設けられたインタークーラ２２を含んで構成され
ている。インタークーラ２２の上流側には過給機５０の
コンプレッサ５１が配置され、コンプレッサ５１の入口
側がエアクリーナ（不図示）に、コンプレッサ５１の出
口側がインタークーラ２２に接続されている。インター
クーラ２２の出口は、吸気通路２１を介して各シリンダ
にそれぞれ連通している。

【００１６】排気系統３０は、前述した排気通路３１
と、この排気通路３１の下流側に設けられた本発明の排
気ガス浄化装置２とを含んで構成されている。また、排
気通路３１でのシリンダに近い側には、過給機５０のタ
ービン５２が配置されている。

【００１７】冷却系統４０は、クランクシャフト等によ
り駆動されるウォータポンプ４１を備え、当該ウォータ
ポンプ４１によって冷却液を圧送する。冷却液は、冷却
系統４０に設けられたラジエータ４２により空冷され
る。このラジエータ４２および吸気系統２０のインター
クーラ２２は、クランクシャフト等で回転駆動されるフ
ァン４３によって、その冷却効果が促進されている。

【００１８】過給機５０は、ディーゼルエンジンに一般
的に用いられるものであり、特に大きな出力トルクが要
求される建設機械用のディーゼルエンジンには一般的に
装着される場合が多い。

【００１９】排気再循環装置６０は、ディーゼルエンジ
ン１の吸気通路２１と排気通路３１とを接続する還流路
６１と、この還流路６１の管路の開き具合を調節するＥ
ＧＲバルブ６２と、吸気通路２１の途中に配置された吸
気絞り弁６３と、ＥＧＲバルブ６２の下流側に設けられ
たＥＧＲクーラ６４とを有し、吸気絞り弁６３で吸気通
路２１を絞り、吸気圧を排気圧に対して負圧にすること
で作動する。すなわち排気を還流することができるよう
になっている。

【００２０】具体的に還流路６１は、一端が吸気通路２
１のインタークーラ２２の下流側に接続され、他端が排
気通路３１のタービン５２の上流側に接続されている。
ＥＧＲバルブ６２は、例えばバタフライバルブからな
り、還流路６１内に配置された円板を適宜回転させるこ
とによって管路の開き具合を調節し、これにより、排気
通路３１から吸気通路２１へ還流させる排気ガス量を調
節できるようになっている。吸気絞り弁６３は、吸気通
路２１において、コンプレッサ５１の上流側に配置され
ている。この吸気絞り弁６３は、ＥＧＲバルブ６２と同
様な構成を有しており、シリンダへの吸気流量を調節で
きるとともに、ＥＧＲ量を制御できるようになってい
る。これらのＥＧＲバルブ６２および吸気絞り弁６３に
はそれぞれ、図示しないアクチュエータが設けられ、こ
れらのアクチュエータを介してエンジンコントローラで
動作制御される。

【００２１】エンジンコントローラは、燃料噴射ポンプ
１１に設けられたガバナ、排気再循環装置６０のＥＧＲ
バルブ６２、および吸気絞り弁６３等を制御するもので
あり、ディーゼルエンジン１の回転数を示す回転数信号
と、シリンダ内に噴射・供給される燃料量を示す燃料噴
射量信号とが入力される。このため、エンジン本体１０
および燃料噴射ポンプ１１には、上述したエンジン回転
数信号および燃料噴射量信号を得るために、その回転数
を検出する回転数センサと、シリンダ内に噴射される燃
料量を検出する燃料噴射量センサ（ラックセンサ）とが
設けられる。

【００２２】次に、本実施形態での最も特徴的な排気ガ
ス浄化装置２について説明する。排気ガス浄化装置２
は、ハウジングの内部に配置された図２に示す円柱状の
担体（コア）７０と、担体７０の直前で排気通路３１内
に還元剤（本実施形態では、燃料と同じ炭化水素であ
る）を噴射可能に設けられた還元剤噴射ノズル７１とを
備えている。

【００２３】担体７０は、コージュライトや炭化珪素か
らなるセラミック製、またはステンレス製などであり、
排気ガスの流れ方向に沿って貫通した断面六角形状ある
いは四角形状など（本実施形態では六角形状）の流通孔
７２を多数有している。

【００２４】担体７０における排気ガスの流入側端面７
３近傍および排気側端面７４近傍を除く大部分は、図２
中の断面図にも示すように、ＮＯｘ還元触媒７５Ａが担
持されたＮＯｘ浄化（還元）部７５とされている。ま
た、担体７０において、流入側端面７３から下流側に向
けた所定長さＬ１部分は、酸化触媒７６Ａが担持された
煤燃焼部７６とされ、排気側端面７４から上流側に向け
た所定長さＬ２部分は、やはり酸化触媒７７Ａが担持さ
れた余剰還元剤燃焼部７７とされている。

【００２５】ここで、ＮＯｘ還元触媒７５Ａとしては、
ゼオライトやイリジウムなどが用いられ、酸化触媒７６
Ａ，７７Ａとしては、白金、ロジウム、バナジウム、パ
ラジウムなどが用いられる。これらのＮＯｘ還元触媒７
５Ａおよび酸化触媒７６Ａ，７７Ａは、これらを含む水
溶液に担体７０を浸漬する浸漬法での含浸や、既知のウ
ォッシュコートあるいはイオン交換法などにより、担体
７０に担持される。

【００２６】また、所定長さＬ１を有して形成された煤
燃焼部７６の表面積は、担体７０全体の総表面積の２０
％以下に設定されている。煤燃焼部７６の表面積を総表
面積の２０％を越えて設定すると、供給された還元剤が
燃焼し、下流側のＮＯｘ浄化部７５での還元作用が損な
われるからである。所定長さＬ２を有して形成された余
剰還元剤燃焼部７７の表面積は、特に限定されるもので
はないが、後述する余剰還元剤の燃焼作用が確実に行わ
れ、かつＮＯｘ浄化部７５の領域も十分に確保できる程
度に設定される。なお、図２の斜視図では、作図上の理
由から、ＮＯｘ還元触媒７５Ａの担持状態が密に、酸化
触媒７６Ａ，７７Ａの担持状態が粗に描かれているが、
各触媒７５Ａ，７６Ａ，７７Ａの単位表面積あたりの担
持量は略同じである。

【００２７】一方、還元剤噴射ノズル７１は、燃料フィ
ードポンプ１３に接続されており、この燃料フィードポ
ンプ１３からの燃料の一部を還元剤として噴射する。還
元剤の噴射は、ディーゼルエンジン１の稼働中に常時行
われるが、その噴射量はディーゼルエンジン１の回転数
や負荷に従ってエンジンコントローラ、あるいは別途設
けられる専用のコントローラで制御される。

【００２８】このような排気ガス浄化装置２によれば、
担体７０のＮＯｘ浄化部７５では、ＮＯｘ還元触媒７５
Ａおよび供給された還元剤により、排気ガス中に含まれ
るＮＯｘを還元してＮ₂に転化し、ＮＯｘの排出量を低
減する。煤燃焼部７６では、シリンダ内での燃焼によっ
て生成された煤が流入側端面７３（流通孔７２の入り口
部分）に衝突した場合、その煤を酸化触媒７６Ａで酸化
して燃焼開始温度を低下させるとともに、排気ガスの温
度で燃焼、焼却する。余剰還元剤燃焼部７７では、供給
された還元剤のうち、ＮＯｘの還元に供されなかった余
剰分を酸化触媒７７Ａの作用で燃焼させ、還元剤をＨ₂
Ｏ＋ＣＯ₂に転化して排出する。

【００２９】このような本実施形態によれば、以下のよ
うな効果がある。 (１)排気ガス浄化装置２は、ＮＯｘ還元触媒７５Ａが担
持されたＮＯｘ浄化部７５を担体７０に有することで、
排気ガス中のＮＯｘを還元、浄化するものであるが、こ
の際、担体７０の流入側端面７３側には、酸化触媒７６
Ａが担持された煤燃焼部７６が形成されているので、排
気ガス中の煤が流入側端面７３に衝突すると、煤が燃焼
して焼却される。このため、流入側端面７３に煤が蓄積
することがなく、長期にわたって使用した場合でも、流
通孔７２の目詰まりを防止できる。

【００３０】(２)また、煤燃焼部７６の酸化触媒７６Ａ
により、還元剤として供給された高分子の炭化水素の鎖
が分断されるため、この炭化水素を炭素数の少ない還元
剤に転化でき、煤燃焼部７６の下流側に形成されたＮＯ
ｘ浄化部７５でのＮＯｘの浄化効率を向上させることが
できる。

【００３１】(３)煤燃焼部７６の表面積は、担体７０全
体の総表面積の２０％以下に設定されているため、供給
された還元剤が燃焼に至る心配がなく、還元剤をＮＯｘ
浄化部７５で確実に作用させてＮＯｘの浄化を良好に行
える。

【００３２】(４)担体７０の排気側端面７４側には、酸
化触媒７７Ａが担持された余剰還元剤燃焼部７７が形成
されているので、供給された還元剤のうち、ＮＯｘの浄
化に供されなかった余剰分を燃焼させることができ、還
元剤である炭化水素がそのまま外部に排出されるのを防
止できるとともに、一酸化炭素の排出量も低減できる。

【００３３】(５)ディーゼルエンジン１では、排気再循
環装置６０が設けられることでもＮＯｘの生成量の低減
が図られているが、この排気再循環装置６０によってシ
リンダ内での燃焼温度が下がり、その分煤の生成量が多
くなる。しかし、本実施形態のような排気ガス浄化装置
２を用いることにより、担体７０の流入側端面７３に多
量の煤が接触しても、煤を確実に焼却して流通孔７２の
目詰まりを防止できるので、煤燃焼部７６の効果を顕著
に発揮できる。

【００３４】(６)スルーフロータイプの担体を用いた場
合、ＮＯｘ浄化部７５、煤燃焼部７６、および余剰還元
剤燃焼部７７をそれぞれ別体の担体で形成すると、各担
体の継ぎ目部分では流通孔同士の升目が連通方向に正確
に一致しなかったり、各担体間に隙間が生じるため、煤
燃焼部７６で燃焼しきれなかった煤が流通孔の不一致部
分や隙間に詰まり易くなるうえ、詰まった煤がそのまま
燃焼せずに蓄積される心配がある。これに対して本実施
形態の排気ガス浄化装置２では、それらＮＯｘ浄化部７
５、煤燃焼部７６、および余剰還元剤燃焼部７７が一体
の担体７０に形成されているので、各部位７５〜７７間
で煤が詰まるといった心配がなく、上記の問題が発生す
るのを防止できる。

【００３５】なお、本発明は、前記実施形態に限定され
るものではなく、本発明の目的を達成できる他の構成等
を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。
例えば、前記実施形態では、ディーゼルエンジン１に排
気再循環装置６０が設けられていたが、このような排気
再循環装置６０は必要によって設けられればよく、省略
可能である。ただし、この排気再循環装置６０によって
ＮＯｘの生成量が低減するうえ、多く生成される煤によ
っても排気ガス浄化装置２での目詰まりが生じないの
で、排気再循環装置６０を設けることが望ましい。

【００３６】前記実施形態では、還元剤としてディーゼ
ルエンジン１の燃料、すなわち炭化水素が用いられてい
たが、還元剤としてはこれに限定されるものではなく、
例えば、尿素（(ＮＨ₂)₂ＣＯ）またはアンモニア（ＮＨ
₃）等であってもよく、通常用いられる還元剤の中か
ら、ＮＯｘ還元触媒や酸化触媒との反応具合を勘案して
適宜に選択して用いられてよい。

【００３７】また、前記実施形態では、担体７０に余剰
還元剤燃焼部７７が形成されているが、このような部分
がない場合でも本発明に含まれる。ただし、余剰還元剤
燃焼部７７によれば、余分な還元剤や一酸化炭素が外部
に排出されるのを防止でき、排気ガスをよりクリーンに
できるため、そのような余剰還元剤燃焼部７７を形成す
ることが望ましい。特に、還元剤として前述の尿素やア
ンモニアを用いた場合には、環境汚染の観点から、これ
らをそのまま外部に排出されるのを防ぐために、余剰還
元剤燃焼部７７の形成が重要になる。

【００３８】さらに、担体７０に形成された煤燃焼部７
６の表面積は、エンジンの稼働パターンによっても異な
るが、低い排気温度での稼働が多い稼働パターンのエン
ジンでは、その大きさが大きく、高い排気温度での稼働
が多い稼働パターンのエンジンでは、その大きさが小さ
くてよい傾向にある。このため、このようなエンジンの
稼働パターンを勘案し、煤燃焼部７６の表面積は、接触
したり詰まる等した煤が完全に燃焼してくれて、かつ還
元剤の酸化が殆どないような大きさに設定するのが最適
であり、好ましい。ただし、煤燃焼部７６の表面積が担
体７０の総面積の２０％を越えると、煤の燃焼は盛んに
行われるが、還元剤の酸化量も多くなり、還元剤が無駄
になる。従って、煤燃焼部７６の表面積を担体７０の総
面積の２０％以下に設定することが望ましい。

【００３９】その他、担体７０の形状、これに形成され
た流通孔７２等の具体的な形状などは、その実施にあた
って適宜変更可能であり、前記実施形態のものに限定さ
れない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る排気ガス浄化装置を
備えた内燃機関を示す構成図である。

【図２】前記排気ガス浄化装置の担体を示す斜視図およ
び断面図である。

【符号の説明】

１内燃機関であるディーゼルエンジン２排気ガス浄化装置３１排気通路６０排気再循環装置７０担体７３流入側端面７４排出側端面７５ＮＯｘ浄化部７５ＡＮＯｘ還元触媒７６煤燃焼部７６Ａ，７７Ａ酸化触媒７７余剰還元剤燃焼部Ｌ１，Ｌ２所定長さ

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関（１）の排気通路（３１）に設
けられ、かつ還元剤によってＮＯｘを還元するＮＯｘ還
元触媒（７５Ａ）を備えた排気ガス浄化装置において、前記ＮＯｘ還元触媒（７５Ａ）が担持された担体（７
０）には、排気ガスの流入側端面（７３）から排出側端
面（７４）に向かう所定長さ（Ｌ１）部分に、酸化触媒
（７６Ａ）が担持されていることを特徴とする内燃機関
（１）の排気ガス浄化装置（２）。
【請求項２】請求項１に記載の内燃機関（１）の排気
ガス浄化装置（２）において、前記酸化触媒（７６Ａ）が担持されている部分の表面積
は、前記担体（７０）の総表面積の２０％以下であるこ
とを特徴とする内燃機関（１）の排気ガス浄化装置
（２）。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載の内燃機
関（１）の排気ガス浄化装置（２）において、前記担体（７０）には、排気ガスの前記排出側端面（７
４）から前記流入側端面（７３）に向かう所定長さ（Ｌ
２）部分にも、酸化触媒（７７Ａ）が担持されているこ
とを特徴とする内燃機関（１）の排気ガス浄化装置
（２）。
【請求項４】請求項１ないし請求項３のいずれかに記
載の内燃機関（１）の排気ガス浄化装置（２）におい
て、前記内燃機関（１）には、排気再循環装置（６０）が設
けられていることを特徴とする内燃機関（１）の排気ガ
ス浄化装置（２）。