JP2005233066A

JP2005233066A - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP2005233066A
Application number: JP2004042674A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Hosoya; 満細谷
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2004-02-19
Filing date: 2004-02-19
Publication date: 2005-09-02

Abstract

【課題】運転条件にかかわらず常に高いＮＯx低減率を確保し得るようにした排気浄化装置を提供する。
【解決手段】排気管４の途中にＮＯx吸蔵還元触媒５を装備し且つ該ＮＯx吸蔵還元触媒５の上流側に還元剤（軽油１３）を添加してＮＯxを還元浄化するように構成した排気浄化装置に関し、ＮＯx吸蔵還元触媒５に通電によるジュール熱で触媒床温度を上昇し得るよう電気ヒータ７を内蔵せしめる。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気浄化装置に関するものである。

従来より、排気管の途中に装備した排気浄化用触媒により排気浄化を図ることが行われており、この種の排気浄化用触媒としては、排気空燃比がリーンの時に排気ガス中のＮＯxを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し、排気ガス中のＯ₂濃度が低下した時に未燃ＨＣやＣＯ等の介在によりＮＯxを分解放出して還元浄化する性質を備えたＮＯx吸蔵還元触媒が知られている。

この種のＮＯx吸蔵還元触媒としては、白金・バリウム・アルミナ触媒や、白金・カリウム・アルミナ触媒等が前述した如き性質を有するものとして既に知られている。

そして、ＮＯx吸蔵還元触媒においては、ＮＯxの吸蔵量が増大して飽和量に達してしまうと、それ以上のＮＯxを吸蔵できなくなるため、定期的にＮＯx吸蔵還元触媒に流入する排気ガスのＯ₂濃度を低下させてＮＯxを分解放出させる必要がある。

例えば、ガソリン機関に使用した場合であれば、機関の運転空燃比を低下（機関をリッチ空燃比で運転）することにより、排気ガス中のＯ₂濃度を低下し且つ排気ガス中の未燃ＨＣやＣＯ等の還元成分を増加してＮＯxの分解放出を促すことができるが、ＮＯx吸蔵還元触媒をディーゼル機関の排気浄化装置として使用した場合には機関をリッチ空燃比で運転することが困難である。

このため、ＮＯx吸蔵還元触媒の上流側で排気ガス中に燃料（ＨＣ）を添加することにより、この添加燃料を還元剤としてＮＯx吸蔵還元触媒上でＯ₂と反応させることで排気ガス中のＯ₂濃度を低下させる必要がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−３５６１２７号公報

しかしながら、このようにＮＯx吸蔵還元触媒の上流側で燃料添加を行う方式では、その添加燃料が蒸発して生じたＨＣの一部がＮＯx吸蔵還元触媒の表面上で排気ガス中のＯ₂と反応（燃焼）し、ＮＯx吸蔵還元触媒の周囲の雰囲気中におけるＯ₂濃度がほぼ零となってからＮＯxの分解放出が開始されることになるため、ＮＯx吸蔵還元触媒の表面上でＨＣがＯ₂と反応（燃焼）するのに必要な燃焼温度（約２２０〜２５０℃）が得られない運転条件下（例えば渋滞の多い都市内での徐行運転等）では、ＮＯx吸蔵還元触媒からＮＯxを効率良く分解放出させることができず、ＮＯx吸蔵還元触媒の再生が効率良く進まないことで触媒の容積中に占めるＮＯx吸蔵サイトの回復割合が小さくなって吸蔵能力が落ちるという問題があった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、運転条件にかかわらず常に高いＮＯx低減率を確保し得るようにした排気浄化装置を提供することを目的としている。

本発明は、排気管の途中にＮＯx吸蔵還元触媒を装備し且つ該ＮＯx吸蔵還元触媒の上流側に還元剤を添加してＮＯxを還元浄化するように構成した排気浄化装置であって、ＮＯx吸蔵還元触媒に通電によるジュール熱で触媒床温度を上昇し得るよう電気ヒータを内蔵せしめたことを特徴とするものである。

而して、このようにすれば、ＮＯx吸蔵還元触媒の表面上で還元剤がＯ₂と反応（燃焼）するのに必要な燃焼温度（約２２０〜２５０℃）が得られない運転条件であっても、ＮＯx吸蔵還元触媒に内蔵された電気ヒータに通電してジュール熱により発熱させれば、この発熱によりＮＯx吸蔵還元触媒の触媒床温度が反応に必要な温度まで強制的に昇温される結果、現状の運転条件にかかわらずＮＯx吸蔵還元触媒の表面上で還元剤がＯ₂と反応（燃焼）するのに必要な燃焼温度が確実に得られる。

また、本発明においては、ＮＯx吸蔵還元触媒に電気ヒータを内蔵させるにあたり、例えば、通電によりジュール熱を生じる可撓性発熱シートと、ＮＯx吸蔵還元触媒の触媒成分を担持した可撓性担体シートとを相互間に通気流路を確保しつつ重ね合わせて二層構造物とし、その二層構造物を巻物状に巻いてＮＯx吸蔵還元触媒を形成し、前記可撓性発熱シートを電気ヒータとして通電し得るように構成することが可能である。

また、これ以外にも、ＮＯx吸蔵還元触媒の触媒成分を担持する担体を、通電によりジュール熱を生じる材質により構成し、この担体を電気ヒータとして通電し得るように構成することも可能である。

更に、本発明をより具体的に実施するにあたっては、ＮＯx吸蔵還元触媒の触媒床温度を検出する温度センサと、該温度センサからの検出信号に基づき前記ＮＯx吸蔵還元触媒の触媒床温度が所定温度以下である条件下で当該温度を超えるまで電気ヒータに通電せしめる制御装置とを備えることが好ましい。

上記した本発明の排気浄化装置によれば、電気ヒータにより適宜にＮＯx吸蔵還元触媒を加熱して該ＮＯx吸蔵還元触媒の表面上で還元剤がＯ₂と反応（燃焼）するのに必要な燃焼温度を確実に得ることができるので、運転条件にかかわらず常に高いＮＯx低減率を確保することができ、ＮＯx吸蔵還元触媒を用いた排気浄化装置の実用性を大幅に向上することができるという優れた効果を奏し得る。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１〜図４は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１に示す如く、本形態例の排気浄化装置においては、ディーゼルエンジン１から排気マニホールド２を介して排出される排気ガス３が流通する排気管４の途中に、フロースルー方式のハニカム構造を有するＮＯx吸蔵還元触媒５がケーシング６に抱持されて装備されており、このＮＯx吸蔵還元触媒５には、後で詳述する電気ヒータ７が内蔵されている。

更に、前記ケーシング６より上流側の排気管４に噴射ノズル８が貫通設置されていると共に、該噴射ノズル８と所要場所に設けた軽油タンク９との間が軽油供給管１０により接続されており、該軽油供給管１０の途中に装備した供給ポンプ１１の駆動と軽油噴射弁１２の開作動とにより軽油タンク９内の軽油１３を還元剤として噴射ノズル８を介しケーシング６の入側に添加し得るようにしてある。

また、前記ディーゼルエンジン１には、その機関回転数を検出する回転センサ１４が装備されており、該回転センサ１４からの回転数信号１４ａと、アクセルセンサ１５（アクセルペダルの踏み込み角度を検出するセンサ）からの負荷信号１５ａとが制御装置１６に入力されるようになっている。

一方、制御装置１６においては、前述した回転センサ１４からの回転数信号１４ａと、アクセルセンサ１５からの負荷信号１５ａとから判断される現在の運転状態に基づきＮＯxの発生量が推定されると共に、その推定されたＮＯxの発生量に見合う軽油１３の添加量が更に算出され、必要量の軽油１３の添加が実行されるように前記制御装置１６から供給ポンプ１１への駆動指令信号１１ａと軽油噴射弁１２への開弁指令信号１２ａとが出力されるようになっている。

そして、図２及び図３に示す如く、前記電気ヒータ７を内蔵したＮＯx吸蔵還元触媒５は、ニクロム系のステンレス鋼等を材質として通電によりジュール熱を生じるようにした可撓性発熱シート７’と、可撓性のセラミックスシート等を材質としてＮＯx吸蔵還元触媒５の触媒成分を担持した可撓性担体シート１７とを重ね合わせた二層構造物とし、その二層構造物を巻物状に巻いて構成されており、しかも、前記可撓性発熱シート７’を図３の如き波板状に形成しておくことで、可撓性発熱シート７’と可撓性担体シート１７との間に、排気ガス３が通る通気流路１８が確保されるようにしてある。

更に、前記可撓性発熱シート７’には、リレースイッチ１９を介しバッテリ２０が電気的に接続されており、このように可撓性発熱シート７’に対し通電し得るように構成することによって、該可撓性発熱シート７’が電気ヒータ７として機能するようにしてある。

一方、前記ＮＯx吸蔵還元触媒５のケーシング６には、ＮＯx吸蔵還元触媒５の入口排気温度を検出する温度センサ２１と、ＮＯx吸蔵還元触媒５の出口排気温度を検出する温度センサ２２とが装備されており、これら各温度センサ２１，２２からの検出信号２１ａ，２２ａが前記制御装置１６に入力されるようになっている。

そして、制御装置１６においては、前述した各温度センサ２１，２２からの検出信号２１ａ，２２ａに基づきＮＯx吸蔵還元触媒５の入口排気温度と出口排気温度との温度差が求められ、更には、この温度差に基づきＮＯx吸蔵還元触媒５の触媒床温度が推定（間接的に検出）されると共に、その推定された触媒床温度が所定温度以下である条件下で当該温度を超えるまで電気ヒータ７への通電を実行させるべくリレースイッチ１９への通電指令信号１９ａが出力されるようになっている。

ただし、ここに図示している例では、ＮＯx吸蔵還元触媒５の内部に温度センサの検温部を差し込んで触媒床温度を直接検温することが技術的に難しいことから、ＮＯx吸蔵還元触媒５の前後に温度センサ２１，２２を配置して間接的に触媒床温度を検出（推定）する形式を採用しているが、可能であればＮＯx吸蔵還元触媒５の内部に温度センサ２１，２２の検温部を差し込んで触媒床温度を直接検温するようにしても良い。

尚、図１中における２３はターボチャージャ、２４は吸気管、２５はインタークーラ、２６は電気ヒータ７とバッテリ２０とを接続する電気コードを示す。

而して、このように排気浄化装置を構成すれば、ＮＯx吸蔵還元触媒５の表面上でＨＣがＯ₂と反応（燃焼）するのに必要な燃焼温度（約２２０〜２５０℃）が得られない運転条件であっても、各温度センサ２１，２２からの検出信号２１ａ，２２ａに基づいて、制御装置１６からリレースイッチ１９への通電指令信号１９ａが出力され、ＮＯx吸蔵還元触媒５に内蔵された電気ヒータ７が通電されてジュール熱により発熱するので、この発熱によりＮＯx吸蔵還元触媒５の触媒床温度が反応に必要な温度まで強制的に昇温されることになる。

この結果、現状の運転条件にかかわらずＮＯx吸蔵還元触媒５の表面上でＨＣがＯ₂と反応（燃焼）するのに必要な燃焼温度が確実に得られるので、制御装置１６からの駆動指令信号１１ａにより供給ポンプ１１を駆動させると共に、開弁指令信号１２ａにより軽油噴射弁１２を開作動させて、現在の運転状態から推定したＮＯxの発生量に見合う添加量の軽油１３を噴射ノズル８から噴射させると、還元剤として添加した軽油１３から生成されたＨＣがＮＯx吸蔵還元触媒５の表面上で排気ガス３中のＯ₂と反応（燃焼）し、これによりＮＯx吸蔵還元触媒５の周囲の雰囲気中におけるＯ₂濃度がほぼ零となってＮＯxの分解放出が開始され、そのままＮＯx吸蔵還元触媒５の表面上で残余のＨＣによりＮＯxが効率良くＮ₂に還元処理されることになる。

従って、以上に述べた如き形態例によれば、ＮＯx吸蔵還元触媒５に内蔵された電気ヒータ７により適宜にＮＯx吸蔵還元触媒５を加熱して、該ＮＯx吸蔵還元触媒５の表面上でＨＣがＯ₂と反応（燃焼）するのに必要な燃焼温度を確実に得ることができるので、運転条件にかかわらず常に高いＮＯx低減率を確保することができ、ＮＯx吸蔵還元触媒５を用いた排気浄化装置の実用性を大幅に向上することができる。

事実、本発明者等が行った実験結果によれば、図４のグラフに示す如く、先に説明した本形態例の装置構成で電気ヒータ７による加熱支援を実施したケースＸと、電気ヒータ７を内蔵させずにＮＯx吸蔵還元触媒５だけを装備したケースＹとを比較したところ、ケースＹよりもケースＸの方が低負荷領域（排気温度の低い運転領域）から高いＮＯx低減率を得られることが実証されている。

図５は本発明の別の形態例を示すもので、ここに図示している例では、ＮＯx吸蔵還元触媒５の触媒成分を担持する担体を、通電によりジュール熱を生じる炭化珪素等の材質により構成し、この担体を電気ヒータ７として機能させ得るよう電気コード２６によりリレースイッチ１９（図１参照）を介してバッテリ２０（図１参照）と接続するようにしてある。

ここで、電気ヒータ７を成す担体そのものに通電を行うに際しては、この担体の軸心部と外周部に電極２７，２８を配設し、これら電極２７，２８に電流を流すようにすると良い。

而して、このような形式でＮＯx吸蔵還元触媒５に電気ヒータ７を内蔵させても、該電気ヒータ７により触媒床温度を支障なく上昇させることができるので、前述した図１〜図４の形態例の場合と同様に、運転条件にかかわらず常に高いＮＯx低減率を確保することができ、ＮＯx吸蔵還元触媒５を用いた排気浄化装置の実用性を大幅に向上することができるという作用効果を奏し得る。

尚、本発明の排気浄化装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、還元剤として添加される燃料には、一般的なディーゼルエンジン用燃料である軽油を用いる以外に、灯油等の異種燃料を用いても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。図１のＮＯx吸蔵還元触媒の詳細を示す拡大図である。図２の可撓性発熱シートと可撓性担体シートに関する斜視図である。ＮＯx低減率と負荷との関係を比較例と共に示すグラフである。本発明を実施する別の形態例を示す斜視図である。

符号の説明

３排気ガス
４排気管
５ＮＯx吸蔵還元触媒
７電気ヒータ
８噴射ノズル
１３軽油
１６制御装置
１８通気流路
１９リレースイッチ
１９ａ通電指令信号
２０バッテリ
２１温度センサ
２１ａ検出信号
２２温度センサ
２２ａ検出信号
２６電気コード

Claims

排気管の途中にＮＯx吸蔵還元触媒を装備し且つ該ＮＯx吸蔵還元触媒の上流側に還元剤を添加してＮＯxを還元浄化するように構成した排気浄化装置であって、ＮＯx吸蔵還元触媒に通電によるジュール熱で触媒床温度を上昇し得るよう電気ヒータを内蔵せしめたことを特徴とする排気浄化装置。
通電によりジュール熱を生じる可撓性発熱シートと、ＮＯx吸蔵還元触媒の触媒成分を担持した可撓性担体シートとを相互間に通気流路を確保しつつ重ね合わせて二層構造物とし、その二層構造物を巻物状に巻いてＮＯx吸蔵還元触媒を形成し、前記可撓性発熱シートを電気ヒータとして通電し得るように構成したことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
ＮＯx吸蔵還元触媒の触媒成分を担持する担体を、通電によりジュール熱を生じる材質により構成し、この担体を電気ヒータとして通電し得るように構成したことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
ＮＯx吸蔵還元触媒の触媒床温度を検出する温度センサと、該温度センサからの検出信号に基づき前記ＮＯx吸蔵還元触媒の触媒床温度が所定温度以下である条件下で当該温度を超えるまで電気ヒータに通電せしめる制御装置とを備えたことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の排気浄化装置。