JP2006029172A

JP2006029172A - ディーゼルエンジンの排ガス浄化装置

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Publication number: JP2006029172A
Application number: JP2004207956A
Authority: JP
Inventors: Noboru Uchida; 登内田
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2004-07-15
Filing date: 2004-07-15
Publication date: 2006-02-02

Abstract

【課題】酸化触媒を用いなくても、排ガス温度が１００〜３５０℃と低温領域からやや高温領域の範囲で、選択還元型触媒の活性を向上する。
【解決手段】エンジン１１の排気通路１３から吸気通路１２にＥＧＲガスを還流するＥＧＲパイプ１７にＥＧＲ弁１７ａを設け、ＥＧＲ弁によりＥＧＲパイプを流れるＥＧＲガスの流量を調整する。燃料噴射装置２２がエンジンに燃料を噴射し、排気通路に選択還元型触媒１８を設ける。選択還元型触媒より排ガス上流側の排気通路に液体供給手段２１の液体噴射ノズル２１ａを挿入し、液体噴射ノズルから尿素系液体２１ｂを噴射する。コントローラ２６は、運転状況検出手段２４の検出出力に基づいて、選択還元型触媒より排ガス上流側の排気通路を流れる排ガス中のＮＯ／ＮＯ₂が重量比で０．８〜１．７の範囲になるように、ＥＧＲ弁及び燃料噴射装置を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの排ガスに含まれる窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）を低減する排ガス浄化装置に関するものである。

従来、排ガスの流通する排気管の途中に酸化触媒が設けられ、酸化触媒の下流側に酸素共存下でも選択的にＮＯｘを還元剤と反応させ得るＮＯｘ還元触媒が設けられ、ＮＯｘ還元触媒に対し還元剤を適宜に添加しかつ酸化触媒に対し排ガスを適宜に迂回させてＮＯｘ還元触媒に導き得るように構成された排気浄化装置（例えば、特許文献１参照。）が開示されている。この排気浄化装置では、酸化触媒に対し排ガスを迂回させてＮＯｘ還元触媒に導くバイパス流路が設けられ、このバイパス流路の排気管に対する分岐箇所に流路切換手段が設けられる。
このように構成された排気浄化装置では、酸化触媒上でサルフェートが生成されない条件下でのみ酸化触媒を使用して、この酸化触媒により酸化力の強いＮＯ₂を生成し、後段のＮＯｘ還元触媒上での還元剤による還元反応を著しく促進することができる。この結果、酸化触媒の無いＮＯｘ還元触媒の単独使用の場合より低い温度域から還元反応が起こるので、排ガス中のＮＯｘを良好に還元処理して浄化することができる。また酸化触媒上でサルフェートが生成されるおそれが生じた場合には、排ガスをバイパス流路側に流して酸化触媒を迂回させることにより、酸化触媒上でのサルフェートの生成を確実に回避できるようになっている。
特開２００１−３１７３４６号公報（請求項１及び２、段落［０００４］、段落［００３９］）

しかし、上記従来の特許文献１に示された排気浄化装置では、エンジンの軽負荷運転時のように、排ガス温度が１００〜２００℃と低温領域の排ガスがこの排ガスより低温の酸化触媒を通過すると、排ガスの温度が酸化触媒で更に低下し、ＮＯｘ還元触媒の低温活性が低下してしまう不具合があった。
また、上記従来の特許文献１に示された排気浄化装置では、エンジンの中負荷運転時のように、やや高い温度領域の排ガスが酸化触媒を通過すると、排ガス中のＮＯが酸化触媒でＮＯ₂に酸化されてしまい、ＮＯｘ還元触媒で非常に反応の遅いＮＯ₂主体の還元しか起こらず、排ガス温度が２５０〜３５０℃とやや高い温度領域で、ＮＯｘ還元触媒の活性の顕著な落ち込みが生じる問題点があった。
本発明の目的は、酸化触媒を用いなくても、排ガス温度が１００〜３５０℃と低温領域からやや高温領域の範囲で、選択還元型触媒の活性を向上できる、ディーゼルエンジンの排ガス浄化装置を提供することにある。

ディーゼルエンジンでの燃焼によって生じるＮＯｘはＮＯが主体であることが従来から知られている。また排ガス中のＮＯ／ＮＯ₂の重量比が約１であると、排ガスの低温領域での選択還元型触媒のＮＯｘ低減性能が高くなることが知られている。このため、酸化触媒ではなく、ＥＧＲガスのエンジンへの還流量やエンジンへの燃料の遅延噴射により、排ガス中のＮＯ／ＮＯ₂の重量比を制御できるのではないかと考えて、本発明をなすに至った。
請求項１に係る発明は、図１に示すように、ディーゼルエンジン１１の排気通路１３から吸気通路１２にＥＧＲガスを還流するＥＧＲパイプ１７と、ＥＧＲパイプ１７に設けられこのＥＧＲパイプ１７を流れるＥＧＲガスの流量を調整するＥＧＲ弁１７ａと、エンジン１１に燃料を噴射する燃料噴射装置２２と、排気通路１３に設けられた選択還元型触媒１８と、選択還元型触媒１８より排ガス上流側の排気通路１３に挿入された液体噴射ノズル２１ａを有しこの液体噴射ノズル２１ａから尿素系液体２１ｂを噴射する液体供給手段２１と、エンジン１１の運転状況を検出する運転状況検出手段２４と、運転状況検出手段２４の検出出力に基づいてＥＧＲ弁１７ａ、燃料噴射装置２２及び液体供給手段２１を制御するコントローラ２６とを備えたディーゼルエンジンの排ガス浄化装置であって、コントローラ２６が運転状況検出手段２４の検出出力に基づいて、選択還元型触媒１８より排ガス上流側の排気通路１３を流れる排ガス中のＮＯ／ＮＯ₂が重量比で０．８〜１．７の範囲になるように、ＥＧＲ弁１７ａ及び燃料噴射装置２２を制御することを特徴とするディーゼルエンジンの排ガス浄化装置である。

この請求項１に記載されたディーゼルエンジンの排ガス浄化装置では、ＥＧＲガスを吸気に還流せず、燃料噴射装置２２の噴射時期を遅延しない場合、ディーゼルエンジン１１の排ガスのＮＯｘはＮＯが主体であるけれども、排ガス温度が１００〜３５０℃と低温領域からやや高温領域の範囲で、コントローラ２６が、ＥＧＲ弁１７ａを制御してエンジン１１に所定量のＥＧＲガスを還流し、燃料噴射装置２２を制御してエンジン１１に燃料を所定のクランク角だけ遅延させて噴射すると、排ガス中のＮＯ／ＮＯ₂が重量比で０．８〜１．７の範囲になる。一方、液体噴射ノズル２１ａから噴射された尿素系液体２１ｂは加水分解してアンモニアが生成される。このアンモニアが排ガスとともに選択還元型触媒１８に導入されると、選択還元型触媒１８にて上記アンモニアと上記排ガス中のＮＯ及びＮＯ₂とが反応し、ＮＯ及びＮＯ₂がＮ₂に還元される。

以上述べたように、本発明によれば、コントローラが、運転状況検出手段の検出出力に基づいて、選択還元型触媒より排ガス上流側の排気通路を流れる排ガス中のＮＯ／ＮＯ₂が重量比で０．８〜１．７の範囲になるように、ＥＧＲ弁及び燃料噴射装置を制御する、換言すれば、排ガス温度が１００〜３５０℃と低温領域からやや高温領域の範囲で、ＥＧＲ弁を制御してエンジンに所定量のＥＧＲガスを還流し、燃料噴射装置を制御してエンジンに燃料を所定のクランク角だけ遅延させて噴射すると、排ガス中のＮＯ／ＮＯ₂が重量比で０．８〜１．７の範囲になる。この結果、排ガス中のＮＯｘが選択還元型触媒でＮ₂に速やかに還元されるので、酸化触媒を用いなくても、排ガス温度が上記低温領域からやや高温領域の範囲で、選択還元型触媒の活性を向上できる。

次に本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、ディーゼルエンジン１１の吸気ポートには吸気マニホルド１２ａを介して吸気管１２ｂが接続され、排気ポートには排気マニホルド１３ａを介して排気管１３ｂが接続される。吸気管１２ｂには、ターボ過給機１４のコンプレッサケース１４ａと、ターボ過給機１４により圧縮された吸気を冷却するインタクーラ１６とがそれぞれ設けられ、排気マニホルド１３ａに近い排気管１３ｂにはターボ過給機１４のタービンケース１４ｂが設けられる。図示しないがコンプレッサケース１４ａ内にはコンプレッサホイールが回転可能に設けられ、タービンケース１４ｂにはタービンホイールが回転可能に設けられ、これらのホイールはシャフトにより連結される。エンジン１１から排出される排ガスのエネルギによりタービンホイール及びシャフトを介してコンプレッサホイールが回転し、このコンプレッサホイールの回転により吸気管１２ｂ内の吸入空気が圧縮されるように構成される。

上記吸気マニホルド１２ａと吸気管１２ｂとにより吸気通路１２が構成され、上記排気マニホルド１３ａと排気管１３ｂにより排気通路１３が構成される。また排気マニホルド１３ａと吸気管１２ｂとはエンジン１１をバイパスするようにＥＧＲパイプ１７にて連通接続され、このＥＧＲパイプ１７には排気マニホルド１３ａから吸気管１２ｂに向って排ガスの一部であるＥＧＲガスが還流されるように構成される。更にＥＧＲパイプ１７には、このＥＧＲパイプを流れるＥＧＲガスの流量を調整するＥＧＲ弁１７ａと、ＥＧＲパイプ１７を流れるＥＧＲガスをエンジン冷却水により冷却するＥＧＲクーラ１７ｂとが設けられる。

一方、タービンケース１４ｂより排ガス下流側の排気管１３ｂには選択還元型触媒１８が設けられ、この選択還元型触媒１８は排気管１３ｂの直径より大径の筒状のコンバータ１９に収容される。選択還元型触媒１８は、例えば銅−ゼオライト系のモノリス触媒であって、コージェライト製のハニカム担体に銅イオン交換ゼオライト（Ｃｕ−ＺＳＭ−５）がコーティングされたものである。この銅イオン交換ゼオライト触媒はＮａ型のＺＳＭ−５ゼオライトのＮａイオンをＣｕイオンとイオン交換した物質である。なお、銅イオン交換ゼオライトを用いた触媒ではなく、ゼオライト、酸化チタン、酸化バナジウム又は酸化タングステン等を用いた触媒であってもよい。

一方、選択還元型触媒１８より排ガス上流側であってターボ過給機１４より排ガス下流側の排気管１３ｂには、液体供給手段２１の液体噴射ノズル２１ａが挿入される。液体供給手段２１は、選択還元型触媒１８に向って尿素系液体２１ｂを噴射する上記液体噴射ノズル２１ａと、尿素系液体２１ｂを貯留する液体タンク２１ｃと、液体タンク２１ｃ及び液体噴射ノズル２１ａを連通接続する液体供給管２１ｄと、この液体供給管２１ｄに設けられ液体噴射ノズル２１ａへの尿素系液体２１ｂの流量を調整する液体調整弁２１ｅと、液体調整弁２１ｅ及び液体タンク２１ｃ間の液体供給管２１ｄに設けられ液体タンク２１ｃ内の尿素系液体２１ｂを液体噴射ノズル２１ａに圧送する液体ポンプ２１ｆとを有する。上記尿素系液体２１ｂとしては、この実施の形態では尿素水溶液を用いたが、アンモニア水やアンモニア誘導物質等を用いてもよい。また液体調整弁２１ｅは液体供給管２１ｄの開度を変更することにより、液体噴射ノズル２１ａへの尿素水溶液２１ｂの流量を調整可能に構成される。

エンジン１１に燃料を噴射する燃料噴射装置２２は蓄圧型燃料噴射装置（図示せず）である。この蓄圧型燃料噴射装置２２は、エンジン１１の各シリンダに設けられた電子制御のインジェクタと、これらのインジェクタに接続されたコモンレールと、このコモンレールに接続された供給ポンプとを有する。上記インジェクタは、シリンダに臨む噴射ノズルと、噴射ノズルの噴孔を開閉可能なニードル弁と、このニードル弁を上下動させるインジェクタ用電磁弁２２ａとからなる。このインジェクタ用電磁弁２２ａがオフの状態では噴射ノズルの噴孔が閉止され、オンすると噴孔が開いて燃料がシリンダに噴射されるように構成される。

選択還元型触媒１８より排ガス上流側であって液体噴射ノズル２１ａより排ガス下流側のコンバータ１９には排ガスの温度を検出する温度センサ２３が挿入され、エンジン１１のクランク軸１１ａにはこの軸の回転速度を検出する回転センサ２４ａが設けられ、更にアクセルペダル（図示せず）にはこのペダルの踏込み量を検出することによりエンジン１１の負荷を検出する負荷センサ２４ｂが設けられる。上記温度センサ２３、回転センサ２４ａ及び負荷センサ２４ｂの各検出出力はマイクロコンピュータからなるコントローラ２６の制御入力に接続され、コントローラ２６の制御出力はＥＧＲ弁１７ａ、液体調整弁２１ｅ、液体ポンプ２１ｆ及びインジェクタ用電磁弁２２ａにそれぞれ接続される。なお、回転センサ２４ａ及び負荷センサ２４ｂにより運転状況検出手段２４が構成される。

またコントローラ２６にはメモリ２７が設けられ、このメモリ２７には、排ガス温度、エンジン回転及びエンジン負荷に応じたＥＧＲ弁１７ａの開度と、液体調整弁２１ｅの開度と、液体ポンプ２１ｆの作動又は不作動と、インジェクタ用電磁弁２２ａの開閉時期及び開閉時間が予めマップとして記憶される。そして、コントローラ２６は温度センサ２３、回転センサ２４ａ及び負荷センサ２４ｂの各検出出力に基づいてエンジン１１の運転状況を把握し、その運転状況からメモリ２７に記憶された条件に従ってＥＧＲ弁１７ａ、液体調整弁２１ｅ、液体ポンプ２１ｆ及びインジェクタ用電磁弁２２ａを制御し、その運転状況に応じて、所定のタイミングでエンジン１１に燃料を噴射し、所定の時期に最適な量のＥＧＲガスを吸気管１２ｂを通してエンジン１１に供給し、所定の時期に最適な量の尿素水溶液２１ｂを液体噴射ノズル２１ａから噴射するように構成される。

このように構成されたディーゼルエンジン１１の排ガス浄化装置の動作を説明する。
[1] エンジン１１の低負荷運転時（排ガス温度が１００℃未満と極めて低い場合）
エンジン１１始動直後は、選択還元型触媒１８の入口側の排ガス温度が低過ぎて選択還元型触媒１８によりＮＯｘを殆ど還元できないので、コントローラ２６は、温度センサ２３、回転センサ２４ａ及び負荷センサ２４ｂの各検出出力に基づいて、ＥＧＲ弁１７ａを制御しＥＧＲパイプ１７を第１の開度で開き、排ガスを吸気に対して４０〜６０％となるように還流する。これによりエンジン１１の排ガスの一部であるＥＧＲガスがＥＧＲパイプ１７、ＥＧＲクーラ１７ｂ、吸気管１２ｂ及び吸気マニホルド１２ａを通ってエンジン１１に還流されるので、エンジン１１における燃料の燃焼温度が低下し、ＮＯｘの発生を抑制できる。また排ガス温度が低いため、ＥＧＲガスがＥＧＲクーラ１７ｂを通過しても、ＥＧＲガスがＥＧＲクーラ１７ｂを流通するエンジン冷却水を殆ど昇温させない。なお、液体ポンプ２１ｆは不作動のままにし、かつ液体調整弁２１ｅにより液体供給管２１ｄを閉じて、液体噴射ノズル２１ａから尿素水溶液２１ｂを噴射しない状態に保つ。また、インジェクタ用電磁弁２２ａは燃料噴射時期を遅延させずに、通常の時期（上死点位置）に燃料をエンジン１１に噴射する。

[2] エンジン１１の低負荷から中負荷運転時（排ガス温度が１００〜３５０℃と低温領域からやや高温領域である場合）
エンジン１１が低負荷から中負荷運転に移行すると、選択還元型触媒１８の入口側の排ガス温度が高くなり選択還元型触媒１８にてＮＯｘを還元可能になるので、コントローラ２６は、温度センサ２３、回転センサ２４ａ及び負荷センサ２４ｂの各検出出力に基づいて、ＥＧＲ弁１７ａ及びインジェクタ用電磁弁２２ａをそれぞれ制御する。具体的には、ＥＧＲ弁１７ａを制御してＥＧＲパイプ１７を第２の開度で開き、排ガスを吸気に対して３０〜４０％、好ましくは３５〜４０％となるように還流する。またインジェクタ用電磁弁２２ａを制御して、燃料をクランク角で上死点前８〜４度、好ましくは上死点前６〜４度付近で噴射する。従来、燃料をクランク角で上死点前１０度付近で噴射していたため、この実施の形態の燃料噴射時期は遅延噴射となる。これによりエンジン１１から排出される排ガス中のＮＯ／ＮＯ₂の重量比を０．８〜１．７、好ましくは１．０〜１．５、更に好ましくは１．０〜１．２にする。同時に液体ポンプ２１ｆを作動させるとともに液体調整弁２１ｅを制御して液体供給管２１ｄを所定の開度で開く。

液体噴射ノズル２１ａから噴射された尿素水溶液２１ｂは加水分解してアンモニアが生成される。
(ＮＨ₂)₂ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂ ＋２ＮＨ₃ …（１）
上記式（１）は尿素水溶液２１ｂが加水分解してアンモニアが生成される化学反応式を示す。
この生成されたアンモニアは排ガスとともに選択還元型触媒１８に導入され、選択還元型触媒１８にて上記アンモニアと上記排ガス中のＮＯ及びＮＯ₂とが反応し、ＮＯ及びＮＯ₂がＮ₂に還元される。
２ＮＯ＋ＮＯ₂ ＋２ＮＨ₃ → ３Ｎ₂ ＋３Ｈ₂Ｏ …（２）
４ＮＯ＋４ＮＨ₃ ＋Ｏ₂ → ４Ｎ₂ ＋６Ｈ₂Ｏ …（３）
６ＮＯ₂ ＋８ＮＨ₃ → ７Ｎ₂ ＋１２Ｈ₂Ｏ …（４）
上記式（２）〜式（４）は排ガス中のＮＯ及びＮＯ₂がアンモニアと反応してＮ₂に還元される化学反応式を示す。この結果、酸化触媒を用いなくても、排ガス温度が１００〜３５０℃と低温領域からやや高温領域の範囲で、大気に排出される排ガス中のＮＯｘを効率良く低減でき、選択還元型触媒１８の活性を向上できる。
なお、この実施の形態では、エンジンとしてターボ過給機付ディーゼルエンジンを挙げたが、自然吸気型ディーゼルエンジンに本発明の排ガス浄化システムを用いてもよい。

次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。
＜実施例１＞
図１に示すように、７７００ｃｃのターボ過給機付ディーゼルエンジン１１の排気マニホルド１３ａから吸気管１２ｂにＥＧＲガスを還流するＥＧＲパイプ１７を設け、このＥＧＲパイプ１７にＥＧＲ弁１７ａを設けた。またエンジン１１には、インジェクタ、コモンレール、供給ポンプ及びインジェクタ用電磁弁２２ａを用いた蓄圧型燃料噴射装置２２を設けた。更に排気管１３ｂには選択還元型触媒１８を設け、選択還元型触媒１８より排ガス上流側の排気管１３ｂには尿素水溶液２１ｂを噴射する液体噴射ノズル２１ａを設けた。なお、上記選択還元型触媒１８はハニカム担体に金属イオン交換ゼオライトをコーティングしたものを用いた。この排ガス浄化装置を実施例１とした。
＜比較例１＞
ＥＧＲパイプ及びＥＧＲ弁を有しないことを除いて、実施例１と同一の排ガス浄化装置を用いた。この排ガス浄化装置を比較例１とした。
＜比較例２＞
液体噴射ノズルより排ガス上流側の排気管に酸化触媒を設けたことを除いて、比較例１と同一の排ガス浄化装置を用いた。この排ガス浄化装置を比較例２とした。
＜比較試験１及び評価＞
実施例１と比較例１及び２の排ガス浄化装置によるＮＯｘ低減率をそれぞれ測定した。具体的には、排ガス温度が１００〜３５０℃と低温領域からやや高温領域の範囲となるように、エンジンの負荷を周期的に変化させてＮＯｘ低減率をそれぞれ測定した。その結果を図１に示す。
図１から明らかなように、比較例１ではＮＯｘ低減率が１２％極めて低かったのに対し、実施例１ではＮＯｘ低減率が７８％と、比較例２のＮＯｘ低減率（６３％）より高くなった。

＜比較試験２及び評価＞
実施例１の排ガス浄化装置を備えたエンジンを用いて、排ガス温度が１００〜３５０℃と低温領域からやや高温領域の範囲となるように、エンジンの負荷を周期的に変化させ、またエンジンへのＥＧＲガスの還流量及びエンジンへの燃料噴射時期の遅延角度を変化させ、更にエンジンから排出される排ガス中のＮＯ／ＮＯ₂の重量比を０．３１、０．５８、０．８４、０．９７、１．２０、１．４７、１．７１及び２．３２に変化させたときのＮＯｘ低減率をそれぞれ測定した。その結果を図２に示す。
図２から明らかなように、ＮＯｘ低減率は、排ガス中のＮＯ／ＮＯ₂の重量比を０．８〜１．７、好ましくは１．０〜１．５、更に好ましくは１．０〜１．２の範囲にしたときに、最も高くなったことが分かった。

本発明実施形態のディーゼルエンジンの排ガス浄化装置を示す構成図である。実施例１、比較例１及び２の排ガス浄化装置を用いた場合の排ガス温度が１００〜３５０℃と低温領域からやや高温領域の範囲でのＮＯｘ低減率を示す図である。実施例１の排ガス浄化装置を用いた場合の排ガス温度が１００〜３５０℃と低温領域からやや高温領域の範囲でのＮＯ／ＮＯ₂の重量比の変化がＮＯｘ低減率に及ぼす影響を示す図である。

符号の説明

１１ディーゼルエンジン
１２吸気通路
１３排気通路
１７ＥＧＲパイプ
１７ａＥＧＲ弁
１８選択還元型触媒
２１液体供給手段
２１ａ液体噴射ノズル
２１ｂ尿素水溶液（尿素系液体）
２２燃料噴射装置
２４運転状況検出手段
２６コントローラ

Claims

ディーゼルエンジン(11)の排気通路(13)から吸気通路(12)にＥＧＲガスを還流するＥＧＲパイプ(17)と、
前記ＥＧＲパイプ(17)に設けられこのＥＧＲパイプ(17)を流れるＥＧＲガスの流量を調整するＥＧＲ弁(17a)と、
前記エンジン(11)に燃料を噴射する燃料噴射装置(22)と、
前記排気通路(13)に設けられた選択還元型触媒(18)と、
前記選択還元型触媒(18)より排ガス上流側の排気通路(13)に挿入された液体噴射ノズル(21a)を有しこの液体噴射ノズル(21a)から尿素系液体(21b)を噴射する液体供給手段(21)と、
前記エンジン(11)の運転状況を検出する運転状況検出手段(24)と、
前記運転状況検出手段(24)の検出出力に基づいて前記ＥＧＲ弁(17a)、前記燃料噴射装置(22)及び前記液体供給手段(21)を制御するコントローラ(26)と
を備えたディーゼルエンジンの排ガス浄化装置であって、
前記コントローラ(26)が前記運転状況検出手段(24)の検出出力に基づいて、前記選択還元型触媒(18)より排ガス上流側の排気通路(13)を流れる排ガス中のＮＯ／ＮＯ₂が重量比で０．８〜１．７の範囲になるように、前記ＥＧＲ弁(17a)及び前記燃料噴射装置(22)を制御することを特徴とするディーゼルエンジンの排ガス浄化装置。
運転状況検出手段(24)が、エンジン(11)の回転速度を検出する回転センサ(24a)と、前記エンジン(11)の負荷を検出する負荷センサ(24b)とを有する請求項１記載のディーゼルエンジンの排ガス浄化装置。