JP2006214337A

JP2006214337A - 排出ガス浄化装置

Info

Publication number: JP2006214337A
Application number: JP2005027607A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Okajima; 正博岡嶋
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-02-03
Filing date: 2005-02-03
Publication date: 2006-08-17

Abstract

【課題】還元剤としての燃料を燃料タンクから還元剤導入手段に直接配送するための燃料ポンプが必要なくなり、コストダウンが実現可能になるなどの効果を奏する排出ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】自動車用の内燃機関と、内燃機関の排気管と、前記排気管の途中に設けられ、前記排気管中を流れる排出ガス中の窒素酸化物成分を還元作用により浄化する窒素酸化物還元触媒担体と、前記窒素酸化物還元触媒担体の上流の前記排気管内に還元剤を導入する導入手段と、前記自動車用の内燃機関に供給される燃料を蓄える燃料タンクと、前記燃料タンクから燃料を汲み上げ、所定以上の圧力に加圧する高圧燃料ポンプと、前記高圧燃料ポンプにて加圧された高圧燃料を前記内燃機関の燃焼室に噴射供給する燃料供給装置と、前記燃料供給装置に設けられ、燃料の一部を前記導入手段に送るリーク燃料配送手段とを備えた排出ガス浄化装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車からの排出ガス、特にディーゼルエンジンの排出ガスの浄化装置に関する。

ディーゼルエンジンや希薄混合気燃焼方式（リーンバーン）のガソリンエンジンは希薄空燃比で運転されるため、低燃費であり、地球温暖化物質である二酸化炭素（ＣＯ₂）の排出量を抑制出来る利点がある。しかし、その排出ガスに窒素酸化物（ＮＯｘ）が含まれるという問題点がある。そこで、排出ガスに含まれるＮＯｘを浄化する方法として、排出ガスに微量の炭化水素（ＨＣ）を加えリッチガスとし、このリッチガスをＮＯｘ還元触媒担体へ供給する方法が知られている。

例えば、特許文献１では、ＮＯｘの還元に必要な中間体の生成を促す導入剤をＮＯｘ還元触媒担体の上流の排気管内に導入する排出ガス浄化装置が提案されている。また、図５は従来の構成を示す構成図である。図において、燃料ポンプ２６は、燃料タンク２５から還元剤導入インジェクタ３７へ燃料を汲み上げ供給している。
特開２００１−７３７４４

しかし、図５に示す従来技術では、還元剤としての燃料を燃料タンクから還元剤導入手段に配送するための燃料ポンプが必要であるため、これが装置全体のコストダウンの障害となるという問題があった。

本発明は、このような従来の問題点を考慮してなされたものであり、その目的は、還元剤としての燃料を燃料タンクから還元剤導入手段に直接配送するための燃料ポンプが必要なくなり、コストダウンが実現可能になるなどの効果を奏する排出ガス浄化装置を提供することである。

本発明においては、自動車用の内燃機関と、内燃機関の排気管と、前記排気管の途中に設けられ、前記排気管中を流れる排出ガス中の窒素酸化物成分を還元作用により浄化する窒素酸化物還元触媒担体と、前記窒素酸化物還元触媒担体の上流の前記排気管内に還元剤を導入する導入手段と、前記自動車用の内燃機関に供給される燃料を蓄える燃料タンクと、前記燃料タンクから燃料を汲み上げ、所定以上の圧力に加圧する高圧燃料ポンプと、前記高圧燃料ポンプにて加圧された高圧燃料を前記内燃機関の燃焼室に噴射供給する燃料供給装置と、前記燃料供給装置に設けられ、燃料の一部を前記導入手段に送るリーク燃料配送手段とを備えた排出ガス浄化装置を提供する。

これによると、高圧燃料ポンプにより加圧された燃料がリーク燃料配送手段を通して導入手段に送られるため、還元剤としての燃料を燃料タンクから還元剤導入手段に直接配送するための燃料ポンプが不要な構成に出来、コストダウンが実現可能となる。

また、高圧燃料ポンプにて加圧された燃料を利用することにより、燃料タンク内の燃料を使用する従来の構成に比べ、高温状態の燃料を排気管へ導入することが出来るため、減圧沸騰現象により早期に気化し、ＮＯｘ還元作用が促進され、ＮＯｘ浄化性能を向上することが出来る。

また、請求項２に記載の発明のように、前記リーク燃料配送手段が、前記高圧燃料ポンプにて加圧された高圧燃料を前記内燃機関の燃焼室に噴射供給する燃料噴射弁に設けられていると、燃料噴射弁におけるリーク燃料を有効活用することが出来る。

また、請求項３に記載の発明のように、前記リーク燃料配送手段が、前記高圧燃料ポンプにて加圧された高圧燃料を蓄積するコモンレールに設けられていると、コモンレールにおけるリーク燃料を有効活用することが出来る。

また、請求項４に記載の発明のように、前記リーク燃料配送手段が、前記コモンレール及び前記燃料噴射弁に設けられていると、コモンレール及び燃料噴射弁におけるリーク燃料を有効活用することが出来る。

また、請求項５に記載の発明のように、前記リーク燃料配管の途中には、燃料を一時的に貯える燃料調圧室が設けられ、前期燃料調圧室には、所定以上の圧力の燃料を前記燃料タンクに送る調圧手段が設けられていると良い。これによると、還元剤導入手段へ供給される燃料量のばらつきを低減出来る。

また、請求項６に記載の発明のように、前記リーク燃料配送手段としての配管の外周には、配管の放熱を防ぐ断熱手段が設けられていると良い。これによると、リーク燃料配管内を通る燃料の温度が低下し難くなることにより、高温状態の燃料を排気管へ導入することが出来るため、減圧沸騰現象により早期に気化し、ＮＯｘ還元作用が促進され、ＮＯｘ浄化性能を向上することが出来る。

以下、本発明に係わる排出ガス浄化装置の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。ここでは、本発明に係わる排出ガス浄化装置を自動車用ディーゼルエンジンに適用した場合を例に挙げて説明する。

図１に示す実施形態は、ディーゼルエンジン１と、冷却装置Ａと、燃料装置Ｂと、吸排気装置Ｃと、排出ガス浄化装置Ｄとから構成される。

ディーゼルエンジン１は、シリンダー４と、このシリンダー４内をクランク機構（図示せず）によって上下運動するピストン１３と、ディーゼルエンジン１の振動を検出するためのノックセンサ１６とから構成されている。

このような構成のディーゼルエンジン１では、ピストン１３の上下運動がクランク機構にて回転運動に変換されることで動力が得られる。前記ノックセンサ１６によりシリンダー４の振動を検出し、検出された値に応じてＥＣＵ（図示せず）により燃料噴射時期を調整しノッキングを防止するよう制御する。

冷却装置Ａは、ウォータージャケット１４と、ラジエーター（図示せず）と、サーモスタットバルブ（図示せず）とから構成される。

ウォータージャケット１４は、シリンダー４の周りに設けられている。このウォータージャケット１４には、エンジンを冷却するための冷却液が貯えられている。また、ウォータージャケット１４には冷却液の温度を検出するための水温センサ１５が設けられている。

このように構成された冷却装置Ａでは、水温センサ１５は冷却液の温度を検出し、冷却液の温度が高い場合はサーモスタットバルブを開き、冷却液をラジエーターへ導き、ラジエーターにより冷却液の温度を冷やし、ウォータージャケット１４へ戻す。

燃料装置Ｂは、インジェクタ１７と、コモンレール１９と、高圧燃料配管２１と、高圧ポンプ２２と、低圧燃料配管２３と、燃料タンク２５とから構成される。

インジェクタ１７は、シリンダー４のシリンダヘッドに設けられている。このインジェクタ１７は、リーク燃料配送手段としてのリーク燃料配管１０１を備えている。このリーク燃料配管１０１は、後述する燃料調圧室２８に繋がっている。

前記インジェクタ１７と後述する高圧ポンプ２２との間にはインジェクタ１７へ高圧燃料２０を供給するためのコモンレール１９が設けられている。このコモンレール１９は高圧燃料２０を蓄積するため高圧、例えば１００ＭＰａ以上に耐えられるような設計とすることが好ましい。前記コモンレール１９には、高圧燃料配管２１が設けられている。前記高圧燃料配管２１には、コモンレール１９へ高圧燃料２０を配送するための高圧ポンプ２２が設けられている。この高圧ポンプ２２は、低圧燃料配管２３を介して燃料タンク２５と連通している。またコモンレール１９には燃料圧力センサ１８が設けられている。

このように構成された燃料装置Ｂでは、燃料圧力センサ１８は、インジェクタ１７の噴射圧力を計測し、ＥＣＵ（図示せず）により噴射中の平均噴射圧力が一定になるよう制御する。

また、高圧ポンプ２２は、低圧燃料配管２３を介して燃料タンク２５から低圧燃料２３を汲み上げると共に、低圧燃料２４を加圧し高圧燃料２０へ変えて、高圧燃料配管２１および圧力制御回路（図示せず）を介してコモンレール１９へ高圧燃料２０を吐出し、コモンレール１９に高圧燃料２０を蓄積する。

そして、コモンレール１９に蓄積された高圧燃料２０をＥＣＵ（図示せず）によって定められたタイミングでシリンダ４の燃焼室へインジェクタ１７により噴射する。

このとき、インジェクタ１７の噴射中においてリークする燃料および摺動部からのリーク燃料が燃料配管１０１に流出する。

吸排気装置Ｃは、吸気管２及び排気管９と、吸気バルブ５及び排気バルブ１０とから構成される。

ディーゼルエンジン１には、空気を供給するための吸気管２及びエアフィルタ３が備えられており、吸気管２からシリンダー４の燃焼室に空気を吸入可能となっている。空気の中にはゴミが含まれており、そのまま吸入するとシリンダー４の燃焼室や通路を詰まらせエンジン不調の原因となるため、予めエアフィルタ３によりゴミが取り除かれている。前記燃焼室と吸気管２との境界部分には、吸入空気を導通または遮断するための吸気バルブ５が設けられている。この吸気バルブ５の上部には、吸気バルブ５を上下運動させることで吸入空気を導通および遮断するための吸気カム（図示せず）を備えた吸気カムシャフト８が設けられている。この吸気カムシャフト８の近傍には、吸気カムセンサ７が設けられている。

また、ディーゼルエンジン１には、燃焼ガスを排出するための排気管９が備えられており、シリンダー４の燃焼室から排気管９へ燃焼ガスを排出可能となっている。前記燃焼室と排気管９の境界部分には、燃焼ガスを導通または遮断するための排気バルブ１０が設けられている。この排気バルブ１０の上部には、排気バルブ１０を上下運動させることで燃焼ガスを導通および遮断するための排気カム（図示せず）を備えた排気カムシャフト１２が設けられている。

このように構成された吸排気装置Ｃでは、吸気カムにより吸気バルブ５が開き、又、ピストン１３が下がるとシリンダー４の燃焼室内の圧力が下がるため、吸気管２からシリンダー４の燃焼室へ空気が吸入される。（吸入工程）
次に、吸気カムシャフト８により吸気バルブ５が閉じてピストン１３が上がると、密閉されたシリンダー４の燃焼室の空気が圧縮される。この圧縮により空気は高温かつ高圧の状態となる。（圧縮工程）
次に、ピストン１３が上がり、インジェクタ１７は、シリンダー４の燃焼室の圧縮された空気へ所定のタイミングにて高圧燃料２０を噴射する。高温になった空気と混じった高圧燃料２０は自己着火を起こして燃焼する。この燃焼圧力によりピストン１３は押し下げられる。（燃焼行程）
次に、ピストン１３が下がり、排気カムにより排気バルブ１０を開き、ピストン１３を上げることでシリンダー４の燃焼室から燃焼したガスを排気管９へ押し出す。（排気工程）
排出ガス浄化装置Ｄは、ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）３２と、酸化触媒３４と、ＮＯｘ還元触媒担体３６と、燃料調圧室２８と、還元剤導入インジェクタ３７とから構成されている。

排気管９の途中には、ＤＰＦ３２が設けられている。このＤＰＦ３２の上流近傍には、排気管９の内部を通る燃焼ガスの温度を検出するための温度センサ３３が設けられている。

このように構成されたＤＰＦ３２では、排気管９内の燃焼ガスに含まれるＰＭを捕集し且つ燃焼ガスに含まれる酸素と反応させ燃焼させることで酸化・浄化する。

なお、ＤＰＦ３２は高温になると損傷するため、温度センサ３３によりＤＰＦ３２の近傍の温度を検出し、ＤＰＦ３２の近傍の温度が高くなった場合、例えば６５０℃以上となった場合は燃焼ガスの温度を下げるように制御する。一般には、インジェクタ１７の燃料噴射量を少なくする方法、排出ガスの一部を吸気へ還流させる方法（ＥＧＲ）があり、これにより燃焼温度および燃焼ガスの温度を下げる。

前記排気管９のＤＰＦ３２の下流には、酸化触媒３４が設けられている。また、酸化触媒３４の上流近傍には、排気管９の内部を通るガスの温度を検出するための温度センサ３５が設けられている。

このように構成された酸化触媒３４では、排気管９内の燃焼ガスに含まれるＨＣやＣＯを捕集し且つ燃焼ガスに含まれる酸素と反応させ燃焼させることで酸化・浄化する。また、燃焼ガスに含まれる一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ₂）に酸化させることにより、酸化触媒３４の下流に設けられたＮＯｘ還元触媒担体３６にて還元し易い成分に変える。

なお、酸化触媒３４は高温になると損傷するため、温度センサ３５により酸化触媒３４の近傍の温度を検出し、酸化触媒３４の近傍の温度が高くなった場合、例えば６５０℃以上となった場合は燃焼ガスの温度を下げるように制御する。一般には、インジェクタ１７の燃料噴射量を少なくする方法、排出ガスの一部を吸気へ還流させる方法（ＥＧＲ）があり、これにより燃焼温度および燃焼ガスの温度を下げる。

なお、ＤＰＦ３２および酸化触媒３４によって、燃焼ガスに含まれるＰＭ、ＨＣ、ＣＯを低減しているため、ＤＰＦ３２および酸化触媒３４の下流に設けられたＮＯｘ還元触媒担体３６はＮＯｘの低減を主目的として機能することが出来る。

ＮＯｘ還元触媒担体３６は、前記排気管９の酸化触媒３４の下流かつ後述する還元剤導入インジェクタ３７の下流に設けられている。

燃料調圧室２８については後述する。

還元剤導入インジェクタ３７は、燃料調圧室２８の下流かつＮＯｘ還元触媒担体３６の上流に設けられている。この還元剤導入インジェクタ３７は、ＥＣＵ３９からの信号により導入剤の噴射量が制御される。このＥＣＵ３９には、ＤＰＦ３２の上流近傍に設けられた温度センサ３３および酸化触媒３４の上流近傍に設けられた温度センサ３５にて検出された信号が取り込まれている。また、ＥＣＵ３９は、還元剤導入インジェクタ３７における導入剤の噴射量をエンジンの運転状況によって制御する。なお、導入剤噴射インジェクタ３７は、内燃機関用に一般的に用いられる燃料噴射弁で良く、排気管近傍に設けられるため、６００℃程度の耐熱性を持つものが好ましい。

このように構成されたＮＯｘ還元触媒担体３６と、還元剤導入インジェクタ３７と、燃料調圧室２８では、ディーゼルエンジン１の運転中、燃料調圧室２８に蓄積された燃料は、燃料配管３８を介して還元剤導入インジェクタ３７に供給され、導入剤としてＮＯｘ還元触媒担体３６の上流近傍へ噴射される。

ＮＯｘ還元触媒担体３６は、エンジンが希薄燃料運転下で燃焼ガスの酸素濃度が高いとき、燃焼ガス中のＮＯｘを吸蔵する。ここで、還元剤導入インジェクタ３７から燃料が噴射され、酸素濃度の低い燃焼ガスを形成する。このように生成した酸素濃度の低い燃焼ガスをＮＯｘ還元触媒担体３６に流入すると、ＮＯｘ還元触媒担体３６は吸蔵していたＮＯｘを放出させつつ、燃焼ガス中のＨＣやＣＯ等の還元成分を使用してＮＯｘを還元し窒素（Ｎ２）と酸素（Ｏ２）に分解することでＮＯｘを浄化する。

以下、本発明に係わる排出ガス浄化装置の発明の特徴部分について図１を用いて説明する。

本発明に係わる排出ガス浄化装置では、燃料の一部がインジェクタ１７からリーク燃料配管１０１を介して燃料調圧室２８へ供給される。

リーク燃料としては色々な種類があるが本実施例では、インジェクタ１７にて発生するリーク燃料を利用している。インジェクタ１７では、コモンレール１９から供給された燃料を燃焼室への噴射用の他、インジェクタ１７の制御油圧等に用いており、この制御油等はインジェクタ１７からリーク燃料配管１０１を介して、燃料調圧室２８へ還流される。また、内燃機関のクランキング開始直後などにおいて、コモンレール１９からインジェクタ１７へ過剰な燃料が供給された場合や、コモンレール１９からインジェクタ１７へ急激に燃料圧力がかかり圧力過昇となった場合には、一部の燃料がインジェクタ１７からリーク燃料配管１０１を介して燃料調圧室２８へ還流される。

燃料調圧室２８は、リーク燃料配管１０１の下流に設けられており、燃料配管３８を介して、還元剤導入インジェクタ３７に接続している。この燃料調圧室２８には、逆止弁３１が設けられている。

逆止弁３１は、所定の圧力、例えば４００ｋＰａ以上の圧力がかかった状態で開弁することにより、燃料配管３１１を介して燃料を燃料タンク２５へ戻す。これにより、燃料調圧室２８に燃料が滞留するのを防ぐとともに、リーク燃料配管１０１を介してインジェクタ１７へ燃料が逆流するのを防いでいる。これによると、還元剤導入インジェクタ３７へ供給される燃料量のばらつきを低減出来る。

本実施例の排出ガス浄化装置によると、高圧ポンプ２２により加圧された燃料がリーク燃料配管１０１を通して還元剤導入インジェクタ３７に送られるため、還元剤としての燃料を燃料タンク２５から還元剤添加インジェクタ３７に直接配送するための燃料ポンプが不要な構成に出来、コストダウンが実現可能となる。

また、高圧燃料ポンプにて加圧された燃料を利用することにより、燃料タンク２５内の燃料を使用する従来の構成に比べ、高温状態の燃料を排気管へ導入することが出来るため、減圧沸騰現象により早期に気化し、ＮＯｘ還元作用が促進され、ＮＯｘ浄化性能を向上することが出来る。

図２は、本発明の別の実施形態の排出ガス浄化装置の構成を示す構成図である。図２に示されるように、コモンレール１９は、リーク燃料配送手段としてのリーク燃料配管２０１を備えている。このリーク燃料配管２０１は、燃料調圧室２８に繋がっている。このように構成された排出ガス浄化装置では、コモンレール１９内に設けられた圧力制御弁（図示せず）を介して規定圧以上の燃料がリーク燃料配管２０１に流出する。このコモンレール１９から流出されたリーク燃料をＮＯｘ導入剤として有効活用することで、還元剤としての燃料を燃料タンク２５から還元剤添加インジェクタ３７に直接配送するための燃料ポンプを必要としない構成となっている。

図３は、本発明の別の実施形態の排出ガス浄化装置の構成を示す構成図である。図３に示されるように、インジェクタ１７は、リーク燃料配送手段としてのリーク燃料配管３０１を備えている。またコモンレール１９は、リーク燃料配送手段としてのリーク燃料配管３０２を備えている。このリーク燃料配管３０１及び３０２は途中で合流すると共に、燃料調圧室２８に繋がっている。このように構成された排出ガス浄化装置では、インジェクタ１７の噴射中においてリークする燃料が燃料配管３０１に流出する。また、コモンレール１９内に設けられた圧力制御弁（図示せず）を介して規定圧以上の燃料がリーク燃料配管３０２に流出する。このインジェクタ１７及びコモンレール１９から流出されたリーク燃料をＮＯｘ導入剤として有効活用することで、還元剤としての燃料を燃料タンク２５から還元剤添加インジェクタ３７に直接配送するための燃料ポンプを必要としない構成となっている。

図４は、本発明の別の実施形態の排出ガス浄化装置の構成を示す構成図である。図４に示されるように、リーク燃料配送手段としてのリーク燃料配管４０１は、外周にアスベスト等の熱伝導性の低い材料からなる断熱材４０２を備えている。このように構成された排出ガス浄化装置では、断熱材４０２によりリーク燃料配管４０１内を通る燃料の温度が低下し難く、高温状態の燃料を排気管へ導入することが出来るため、減圧沸騰現象により早期に気化し、ＮＯｘ還元作用が促進され、ＮＯｘ浄化性能を向上することが出来る。

以上述べたように本実施の形態に係わる排出ガス浄化装置では、還元剤としての燃料を燃料タンクから還元剤導入手段に直接配送するための燃料ポンプが不要な構成に出来るためコストダウンが出来る。

また、燃料タンク２５内の燃料を使用する従来の構成に比べ、高温状態の燃料を排気管へ導入することが出来るため、減圧沸騰現象により早期に気化し、ＮＯｘ還元作用が促進され、ＮＯｘ浄化性能を向上することが出来る。

なお、本発明に用いられる構成は本発明の課題を達成出来るものであれば、本実施例の構成に限定されない。例えば内燃機関は希薄混合気燃焼方式（リーンバーン）のガソリンエンジンであっても良く、コモンレールを備えていないエンジンであっても良い。

本発明の実施形態の排出ガス浄化装置の構成を示す構成図（１）である。本発明の実施形態の排出ガス浄化装置の構成を示す構成図（２）である。本発明の実施形態の排出ガス浄化装置の構成を示す構成図（３）である。本発明の実施形態の排出ガス浄化装置の構成を示す構成図（４）である。本発明の実施形態の排出ガス浄化装置の構成を示す構成図（５）である。

符号の説明

２５燃料タンク
２８燃料調圧室
３１逆止弁
３６ＮＯｘ還元触媒担体
３７還元剤導入インジェクタ
３９ＥＣＵ
４０選択透過膜

Claims

自動車用の内燃機関と、
内燃機関の排気管と、
前記排気管の途中に設けられ、前記排気管内を流れる排出ガス中の窒素酸化物成分を還元作用により浄化する窒素酸化物還元触媒担体と、
前記窒素酸化物還元触媒担体の上流の前記排気管内に還元剤を導入する導入手段と、
前記自動車用の内燃機関に供給される燃料を蓄える燃料タンクと、
前記燃料タンクから前記燃料を汲み上げ、所定以上の圧力に加圧する高圧燃料ポンプと、
前記高圧燃料ポンプにて加圧された高圧燃料を前記内燃機関の燃焼室に噴射供給する燃料供給装置と、
前記燃料供給装置に設けられ、前記高圧燃料の一部を前記導入手段に送るリーク燃料配送手段とを備えた排出ガス浄化装置
前記リーク燃料配送手段が、前記高圧燃料ポンプにて加圧された高圧燃料を前記内燃機関の燃焼室に噴射供給する燃料噴射弁に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の排出ガス浄化装置。
前記リーク燃料配送手段が、前記高圧燃料ポンプにて加圧された高圧燃料を蓄積するコモンレールに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の排出ガス浄化装置。
前記リーク燃料配送手段が、前記コモンレール及び前記燃料噴射弁に設けられていることを特徴とする請求項１乃至３に記載の排出ガス浄化装置。
前記リーク燃料配管の途中には、燃料を一時的に貯える燃料調圧室が設けられ、
前期燃料調圧室には、所定以上の圧力の燃料を前記燃料タンクに送る調圧手段が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４に記載の排出ガス浄化装置。
前記リーク燃料配送手段としての配管の外周には、配管の放熱を防ぐ断熱手段が設けられていることを特徴とする請求項１乃至５に記載の排出ガス浄化装置。