JP2006242010A - 排気浄化装置及び排気ガスの浄化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ディーゼルエンジン等の内燃機関における排気ガスを効率的に浄化することができる排気浄化装置及び排気ガスの浄化方法を提供する。
【解決手段】 内燃機関の排気通路中に配置され、触媒手段を含む排気浄化部材を備えた排気浄化装置であって、排気浄化部材に流入する排気ガスの空燃比を制御するために、排気ガス中に混合するλ制御用ガスを供給するためのλ制御用ガス供給手段と、排気ガス及びλ制御用ガスを混合する前に、当該排気ガス及びλ制御用ガスを熱交換させるための熱交換手段と、を備えることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関における排気浄化装置及び排気ガスの浄化方法に関し、特に、排気浄化部材に流入する排気ガス中に所定量の一酸化炭素及び熱量を確保して、排気ガスを効率的に浄化することができる排気浄化装置及び排気ガスの浄化方法に関する。

従来のディーゼルエンジン等の内燃機関には、その排気ガス中における粒子状物質（ＰＭ）やＮＯ_X等の化学物質を除去するために、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）やＮＯ_X吸蔵触媒（ＬＮＴ）に代表される排気浄化部材が備えられている。かかる排気浄化部材においては、排気ガス中のＰＭやＮＯ_X等を捕集するとともに、堆積したＰＭを燃焼させたり、ＮＯ_X等を酸化還元反応させたりして、排気ガスの浄化を行っている。
かかる排気浄化部材を備えた排気浄化装置において、排気浄化部材の上流側に、酸化触媒（ＤＯＣ）やＮＯ_X還元触媒（ＮＳＣ）等の触媒手段を配置して、排気浄化部材に捕集されたＰＭ等を効率的に燃焼させたり還元させたりして、排気ガスの浄化効率を向上させることが行われている。すなわち、ＤＯＣやＮＳＣを備えることにより、下流側に配置された排気浄化部材に流入する排気ガスの温度を昇温させて、当該排気浄化部材に捕集されたＰＭ等を効率的に燃焼させたり、ＮＯ_X等の還元反応を促進させたりすることができる。
しかしながら、かかるＤＯＣやＮＳＣを備えた場合であっても、排気ガスの温度がＤＯＣやＮＳＣの活性温度以下である場合には、排気ガス中からＰＭやＮＯ_X等を効率的に除去することができないという問題があった。

そこで、低温始動時等において、触媒手段に流入する排気ガス温度を強制的に昇温させて、触媒手段を迅速に活性化させることにより、ＤＰＦの再生効率を向上させた排気ガスの浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
より詳細には、図８に示すように、内燃機関が運転を開始すると、コントローラの燃料供給指示部は電磁ポンプ３５１による燃料の供給を開始させるとともに、コントローラの燃焼指示部はエアーサプライ部及び燃焼部に燃焼を指示し、これによって、バーナ装置３０５は燃焼を開始し燃焼ガスを熱交換器３０４に供給する。そして、排気ガス入口３１１から流入される排気ガスは、熱交換器３０４により酸化触媒３０３の活性化温度以上に加熱されて酸化触媒３０３に至り、ＤＰＦ３０２が再生される排気ガスの浄化装置である。

また、別の排気浄化装置として、排気ガスを触媒手段に二回通過させることにより、排気ガスの温度を迅速に昇温させて、ＤＰＦの再生効率を向上させた黒煙（ＰＭ）除去装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
より詳細には、図９に示すように、ＤＰＦ４０６の上流側に触媒燃焼器４１７を備えた黒煙（ＰＭ）除去装置４００において、触媒燃焼器４１７の酸化触媒の低温始動を迅速化し、かつ、耐久性を向上させた排気ガス黒煙除去装置４００である。かかる黒煙除去装置４００によれば、機関から排出される排気ガスを、触媒燃焼器４１７を通過させた後にさらにＤＰＦ４０６を通過させることにより、排気ガスに含まれる黒煙をＤＰＦ４０６に堆積させる。一方、触媒燃焼器４１７の酸化触媒の作用により、ＤＰＦ４０６に捕集された黒煙を燃焼除去する排気ガス黒煙除去装置４００において、触媒燃焼器４１７は、排ガスが異なる方向に流れる二つ以上の区域４１７ａ、４１７ｂに区分されるとともにこれらの区域間には熱交換可能な隔壁が介装されている。
特開２００３−３２８７２８号公報 （特許請求の範囲 図１） 特開平９−１２５９３２号公報 （特許請求の範囲 図１）

しかしながら、特許文献１に記載された排気浄化装置や、特許文献２に記載された黒煙除去装置は、排気ガスを昇温させつつ、その熱量を利用して、触媒手段を昇温、活性化させる構成であり、特に、始動時等の低温状況下においては、活性化温度に到達するまでに未だ時間がかかるという問題が見られた。
そのために、触媒手段に対して、特定構造のバーナ等を用いて不完全燃焼ガスを噴射するとともに、当該不完全燃焼ガス中に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）や生ガス（ＨＣ）を直接的に供給することによって、触媒手段を効率的に昇温、活性化させるという方法がある。
しかしながら、バーナから噴射される不完全燃焼ガスの温度が、ＣＯの自発火温度以上の状態で内燃機関の排気ガスと衝突、混合されると、排気ガス中の酸素（Ｏ₂）とＣＯとが反応して二酸化炭素（ＣＯ₂）が生成されてしまう場合があった。したがって、ＤＯＣやＮＳＣ等の触媒手段に対して、ＣＯを充分に供給することができなくなり、排気ガスの浄化効率が低下するという問題が見られた。

そこで、本発明の発明者らは以上の問題を鋭意検討した結果、所定のλ制御用ガス供給手段と、排気ガス及びλ制御用ガスを熱交換させるための熱交換手段と、を備えることにより、排気ガス中のＣＯ量及び熱量を充分に確保したままＤＯＣやＮＳＣ等の触媒手段に供給して、排気ガスを効率的に浄化できることを見出し、本発明を完成させたものである。
すなわち、本発明の目的は、ＤＯＣやＮＳＣ等の触媒手段に対して、ＣＯと熱量とを所定量以上確保した排気ガスを供給して、排気ガスの浄化を効率的に行なうことができる排気浄化装置及び排気ガスの浄化方法を提供することである。

本発明によれば、内燃機関の排気通路中に配置され、触媒手段を含む排気浄化部材を備えた排気浄化装置であって、排気浄化部材に流入する排気ガスの空燃比を制御するために、排気ガス中に混合するλ制御用ガスを供給するためのλ制御用ガス供給手段と、排気ガス及びλ制御用ガスを混合する前に、当該排気ガス及びλ制御用ガスを熱交換させるための熱交換手段と、を備えることを特徴とする排気浄化装置が提供され、上述した問題を解決することができる。

また、本発明の排気浄化装置を構成するにあたり、熱交換手段として、λ制御用ガス供給手段の供給口に配置され、表面に複数の凹凸を有する管状部材を備えることが好ましい。

また、本発明の排気浄化装置を構成するにあたり、熱交換手段として、排気通路と、当該排気通路と直交する方向に配置されたλ制御用ガスの流路と、を互いに接するように配置した熱交換部を備えることが好ましい。

また、本発明の排気浄化装置を構成するにあたり、λ制御用ガスの流路の長さを可変とすることが好ましい。

また、本発明の排気浄化装置を構成するにあたり、λ制御用ガス供給手段は、燃料を供給するためのインジェクタと、燃料に空気を混合するための第１の空気導入管と、供給された燃料を加熱して蒸発させるための燃料蒸発装置と、気化した燃料を拡散噴射させるためのオリフィスと、燃料の燃焼を補助するための空気を取り入れる第２の空気導入管と、噴射された燃料に着火して燃焼ガスとするための燃料点火装置と、を含むことが好ましい。

また、本発明の排気浄化装置を構成するにあたり、λ制御用ガス供給手段の供給口と、排気浄化部材と、の間に、排気浄化部材に流入する排気ガスの空燃比を測定するためのラムダセンサを備えることが好ましい。

また、本発明の別の態様は、内燃機関から排出される排気ガスを、触媒手段を含む排気浄化部材を用いて浄化する排気ガスの浄化方法であって、λ制御用ガス供給手段により、λ制御用ガスを発生させるとともに、当該λ制御用ガスと、排気ガスと、を熱交換させた後に、排気ガス中にλ制御用ガスを混合させて、排気浄化部材に流入させることを特徴とする排気ガスの浄化方法である。

本発明の排気浄化装置によれば、所定のλ制御用ガス供給手段と、熱交換手段とを備えることにより、酸化触媒（ＤＯＣ）やＮＯ_X還元触媒（ＮＳＣ）等の触媒手段に流入する排気ガス中に、一酸化炭素（ＣＯ）と熱量とを所定量以上確保することが容易になる。すなわち、ＣＯを多量に含むλ制御用ガスを供給するとともに、排気ガス及びλ制御用ガスをあらかじめ熱交換させることにより、熱損失が少なくなるようにして、λ制御用ガスの温度をＣＯが自発火する温度以下まで冷却させつつ、排気ガスの温度を昇温させることができる。したがって、ＣＯが、排気ガス中の酸素（Ｏ₂）と反応して二酸化炭素（ＣＯ₂）が生成されることを防ぎつつ、排気ガスの温度を比較的高温にした状態で、触媒手段に流入させることができる。よって、ＤＯＣやＮＳＣを効率的に昇温、活性化させて、ＤＰＦ等の排気浄化部材に捕集されたＰＭ等を燃焼させられるために、排気ガスの浄化効率を向上させることができる。

また、本発明の排気浄化装置において、熱交換手段として所定の管状部材を備えることにより、比較的簡易な構造で、排気ガス及びλ制御用ガスを熱交換させることができるとともに、熱損失を著しく小さくして、排気ガスの浄化効率を著しく向上させることができる。

また、本発明の排気浄化装置において、熱交換手段として所定の熱交換部を備えることにより、排気ガス及びλ制御用ガスそれぞれの流路を介して熱交換させることができるために、λ制御用ガスの供給口の設計の自由度を高めることができる。したがって、排気ガスとλ制御用ガスとの混合を均一にして、よりさらに効率的に排気ガスを浄化させることができる。

また、本発明の排気浄化装置において、λ制御用ガスの流路の長さを可変とすることにより、排気ガスと混合される時点でのλ制御用ガスの温度を制御することが容易になる。したがって、λ制御用ガス中のＣＯが、排気ガス中のＯ₂と反応してＣＯ₂が生成され、排気浄化部材に流入するＣＯ量が減少することをさらに有効に防止することができる。

また、本発明の排気浄化装置において、所定構造のλ制御用ガス供給手段とすることにより、小型かつ簡易な構成で、ＤＯＣやＮＳＣに対してＣＯやＨＣを効率的に供給することができるために、ＤＯＣやＮＳＣ等の触媒手段を有効に昇温、活性化させることができる。

また、本発明の排気浄化装置において、所定位置に、排気浄化部材に流入する排気ガスにおける空燃比を測定するためのラムダセンサ（酸素センサ）を備えることにより、排気ガスのラムダ値が所定範囲となるように、λ制御用ガスにおける設定空燃比を制御することができる。したがって、内燃機関の運転状態や、排気ガスの温度等の条件に応じてラムダ値を制御した、λ制御用ガスを効率的に供給することができる。

また、本発明の排気ガスの浄化方法によれば、λ制御用ガスを発生させるとともに、当該λ制御用ガスを所定温度に制御した状態で、排気ガスと混合させることにより、ＤＯＣやＮＳＣ等の触媒手段に対して、ＣＯを、排気ガス中に所定量含ませた状態で流入させることができる。したがって、触媒手段を効率的に昇温、活性化させて、ＤＰＦ等の排気浄化部材に捕集されたＰＭ等を燃焼させられるために、排気ガスの浄化を効率的に行うことができる。

本発明の実施形態は、内燃機関の排気通路中に備えられて排気ガスを浄化するための排気浄化部材を備えた排気浄化装置、及びそれを用いた排気ガスの浄化方法である。
以下、適宜図面を参照しつつ、本実施形態による内燃機関における排気浄化装置及び排気ガスの浄化方法について具体的に説明する。ただし、かかる実施形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の範囲内で任意に変更することが可能である。

１．排気浄化装置
（１）基本的構成
本実施形態の排気浄化装置１０、２０は、図１及び図２に示すように、内燃機関５１に接続される排気通路１９と、触媒手段１１を含む排気浄化部材１３と、排気ガスの空燃費を調整するためのλ制御用ガス供給手段１７と、排気ガス及びλ制御用ガスを熱交換させるための熱交換手段１５（１５ａ、１５ｂ）と、を備えることを特徴とする。すなわち、かかる排気浄化装置１０、２０によれば、λ制御用ガスを供給することにより、排気ガス中に一酸化炭素（ＣＯ）を容易に含ませることができる。また、排気ガス及びλ制御用ガスを、熱交換手段１５を用いて熱交換させることにより、熱損失を小さくして、比較的高温の排気ガスを触媒手段１１に流入させることができる。したがって、触媒手段１１を効率的に昇温、活性化させつつ、ＤＰＦ等の排気浄化部材１３に捕集されたＰＭやＮＯ_X等を効率的に除去することができる。

より具体的には、触媒手段１１を含む排気浄化部材１３に流入する排気ガス中にＣＯを含ませることにより、当該ＣＯが触媒手段１１の還元剤等として働き、触媒手段１１を昇温、活性化させることができるために、排気ガス中のＰＭやＮＯ_X等を効率的に浄化させることができる。このため、λ制御用ガス供給手段１７によりＣＯを多量に含むλ制御用ガスを供給して、触媒手段１１に流入するＣＯ量を増加させることが有効である。ところが、λ制御用ガスの温度が、ＣＯの自発火温度以上である状態で、排気ガスと混合、衝突した場合には、λ制御用ガス中のＣＯと排気ガス中のＯ₂とが反応して、二酸化炭素（ＣＯ₂）が生成されてしまい、触媒手段１１に流入するＣＯ量が減少してしまう。そこで、λ制御用ガスと排気ガスとを熱交換させることにより、λ制御用ガスをＣＯの自発火温度以下まで冷却させて、当該排気ガスに含まれるＣＯ量の減少を防止することができる。また、排気ガスの温度を昇温させることができるために、熱損失を小さく抑えて、排気浄化部材１３に流入する排気ガスの温度が過度に低下することを併せて防止することができる。
なお、本発明の排気浄化装置１０、２０による排気ガスの浄化方法については、後で詳しく説明する。

（２）内燃機関
排気ガスを排出する内燃機関５１としては、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンが典型的であるが、排気浄化部材の取り付けが必須であるばかりか、その再生が必須のディーゼルエンジンを対象とすることが適している。
また、図１及び図２中に示される運転状態検出手段５３は、内燃機関５１の運転状態、すなわち、内燃機関５１の回転数や、排気温度等を検出する手段であって、当該検出結果に基づいて、後述するλ制御用ガス供給手段１７から噴射されるλ制御用ガスにおける空燃比が制御されるように構成してあることが好ましい。

（３）排気通路
また、排気通路１９は、内燃機関の排気口に接続されており、当該排気通路１９の途中に、熱交換手段１５や触媒手段１１、排気浄化部材１３が備えられている。かかる排気通路１９の断面形状は、円形、楕円、あるいは角柱の排気通路１９であれば特にその形態は特に制限されるものではない。
ただし、内燃機関とは独立的に、所定量の一酸化炭素、燃料ガス、及び所定熱量を排気浄化部材に対して供給すべく、バーナ等のλ制御用ガス供給手段１７を取り付けやすくするために、図１や図２に例示するように、排気通路１９の途中に屈曲部２８を設けることが好ましい。そして、その屈曲部２８に供給口２９を介して、λ制御用ガス供給手段１７を接続できるように構成してあることが好ましい。

（４）排気浄化部材及び触媒手段
また、再生する対象である排気浄化部材１３としては、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）が典型的である。かかるＤＰＦは公知材料から構成することができるが、例えば、セラミック材料から構成されたハニカム構造のフィルタであって、排気ガス中のＰＭその他の微粒子を補集してこれを浄化するものである。また、かかるＤＰＦはフィルタ単体であっても構わないが、例えば、触媒やＮＯ_X吸着剤がコーティングされたものとすることもできる。
ただし、本発明の排気浄化装置は、ＤＰＦ１３の上流側に、酸化触媒（ＤＯＣ）やＮＯ_X還元触媒（ＮＳＣ）等の触媒手段１１を含んでいる。したがって、当該触媒手段１１に流入する排気ガス中に含まれるＣＯ等が還元剤等となって、触媒手段１１が昇温、活性化されるために、ＮＯ_Xを効率的に還元除去したり、下流側のＤＰＦ等に流入する排気ガスの温度を昇温して、捕集されたＰＭ等を効率的に燃焼させたりすることができる。

例えば、ＤＯＣを備える場合には、後述のλ制御用ガス供給手段から供給されるλ制御用ガスの熱により、ＤＯＣの温度が活性化温度以上に昇温させられる。また、λ制御用ガスに含まれるＣＯやＨＣが、活性化温度以上になったＤＯＣで酸化され、その反応熱によって、ＤＯＣの温度がさらに上昇させられるために、排気ガスの温度を高温状態にして、ＤＰＦに流入させることができる。
一方、ＮＳＣを備える場合には、λ制御用ガス供給手段から供給されるλ制御用ガスの熱により、ＮＳＣの温度が活性化温度以上に昇温させられる。また、活性化温度になったＮＳＣで、λ制御用ガスに含まれるＣＯやＨＣは、ＮＳＣに捕集されたＮＯ_X等の還元剤として働き、ＮＯ_Xが窒素に還元される一方で、ＣＯやＨＣは酸化される。そのときの反応熱によって、ＮＳＣの温度がさらに上昇させられるために、排気ガスの温度を高温状態にして、ＤＰＦに流入させることができる。
したがって、ＤＰＦの上流側にＤＯＣやＮＳＣ等の触媒手段を備えることにより、λ制御用ガス供給手段から供給されるλ制御用ガスによる熱により排気ガスを昇温させて、触媒燃焼を効率化させることができる。よって、さらに排気ガスは昇温させられ、ＤＰＦに捕集されたＰＭ等を効率的に燃焼させて、排気ガスを浄化することができる。

（５）λ制御用ガス供給手段
また、λ制御用ガス供給手段１７は、ＣＯを比較的多量に含むλ制御用ガスを発生させるとともに、排気通路１９中を通過する排気ガス中に供給させるための手段である。かかるλ制御用ガス供給手段１７から噴射されるλ制御用ガスは、排気浄化部材１３の上流側で排気通路１９に接続された供給口２９を介して、排気通路１９中に供給される。したがって、排気浄化部材における触媒手段１１に所定量以上のＣＯを流入させることができるために、触媒手段１１を昇温、活性化させて、排気ガスを効率よく浄化させることができる。

かかるλ制御用ガス供給手段１７としては、例えば、図３に示すように、高圧燃料を供給するためのインジェクタ６１と、高圧燃料に空気を混合するための第１の空気導入管６３と、供給された燃料を加熱して蒸発させるための燃料蒸発装置６５と、蒸発して気化した燃料を拡散噴射させるためのオリフィス６７と、燃料の燃焼を補助するための空気を取り入れる第２の空気導入管６９と、燃料に着火して燃焼ガスとするための燃料点火装置７１と、酸化触媒７３と、を含むバーナ６０とすることが好ましい。
この理由は、このように構成することにより、例えば、予混合タイプの構成のバーナと比較して、バーナの小型化を図ることができるとともに、噴射する燃焼ガスに含まれるＣＯ量を容易に制御することができるためである。より詳細には、拡散タイプのオリフィス６７によって噴射された燃料は、第１の空気導入管６３と第２の空気導入管６９とから取り入れた空気量の調節により、容易に不完全燃焼させることができる。また、未燃焼状態の生ガス（ＨＣ）を含む不完全燃焼ガスを、さらに、酸化触媒７３を通過することによって、ＣＯを生成することができる。
また、かかるバーナ６０であれは、例えば後述するラムダセンサ２３によって測定された排気ガスの空燃比に基づいて、内燃機関５１とは独立的にλ制御用ガス供給手段１７での設定空燃比の調整が可能であって、高温状態の排気通路１９の途中から、所定量のＣＯや所定熱量を排気浄化部材における触媒手段１１に供給することができる。したがって、内燃機関５１の運転状態に関わらず、排気ガスを効率的に浄化することができる。

（６）熱交換手段
また、熱交換手段１５は、排気ガス中にλ制御用ガスを混合させる前に、あらかじめ、排気ガス及びλ制御用ガスを熱交換させるための手段である。すなわち、λ制御用ガスの温度を、ＣＯの自発火温度以下まで冷却させるとともに、排気ガスの温度を昇温させることができる。したがって、排気ガスとλ制御用ガスとが衝突、混合する際に、λ制御用ガス中のＣＯと排気ガス中のＯ₂が反応して二酸化炭素（ＣＯ₂）が生成されることがなくなり、排気浄化部材における触媒手段に流入するＣＯ量が減少することを防ぐことができる。また、λ制御用ガスから失われた熱量によって、排気ガスを昇温させているために、触媒手段を含む排気浄化部材に供給される熱量を維持することができ、触媒手段１１の昇温、活性化を有効に行うことができる。
以下、熱交換手段の一例を説明するが、これらの例示されたものに限定されるものではなく、それ以外であっても、排気ガスとλ制御用ガスとを熱交換させることができる構造であれば、好適に使用することができる。

かかる熱交換手段１５としては、例えば、図１及び図４（ａ）〜（ｂ）に示すように、λ制御用ガス供給手段の供給口２９に配置され、表面に複数の凹凸（フィン部）１６を有する管状部材１５ａを備えることが好ましい。
この理由は、かかる管状部材１５ａであれば、比較的簡易な構成で、効率的に排気ガスとλ制御用ガスとの熱交換を行うことができるためである。
より具体的には、排気通路１９中を流れる排気ガスは、図５（ａ）に示すように、λ制御用ガス供給手段１７の供給口２９に配置された管状部材１５ａに衝突した後、その周囲に沿って流れ、さらに、管状部材１５ａにおけるフィン部１６に沿って流れる。また、管状部材１５ａの内側には、排気ガス温度よりも高温のλ制御用ガスが通過している。このとき、管状部材１５ａがフィン部１６を有することにより、排気ガスとλ制御用ガスとが、管状部材１５ａを介して接する面積が大きくなっている。したがって、図５（ｂ）に示すように、当該排気ガスがフィン部１６からの放熱によって加熱される一方、λ制御用ガスが排気ガスによってＣＯの自発火温度以下に効率的に冷却される。よって、熱損失を小さく抑えられるとともに、排気ガスとλ制御用ガスが衝突、混合される際に、ＣＯが酸化されないようにでき、高濃度のＣＯを含む、高温の排気ガスをＤＯＣやＮＳＣ等の触媒手段１１に流入させることができる。

また、熱交換手段１５の別の例としては、図２及び図６に示すように、排気通路１９と、当該排気通路１９と直交する方向に配置されたλ制御用ガスの流路２７と、を互いに接するように配置した熱交換部１５ｂを備えることが好ましい。
この理由は、それぞれの流路１９、２７の配置設計を変えることによって、効率的に熱交換させることができ、上述の管状部材１５ａを利用する場合と比較して、λ制御用ガスの供給口２９の配置設計の自由度を高めることができるためである。
より具体的には、図６に示すように、排気通路１９とλ制御用ガスの流路２７とが接する熱交換部１５ｂにおいて、排気ガスは、λ制御用ガスの熱量によって加熱される一方、λ制御用ガスが、排気ガスによってＣＯの自発火温度以下に効率的に冷却される。したがって、熱損失を小さく抑えつつ、排気ガスとλ制御用ガスが衝突、混合される際に、ＣＯが酸化されないようにでき、高濃度のＣＯを含む、高温の排気ガスをＤＯＣやＮＳＣ等の触媒手段１１に流入させることができる。このとき、上述の管状部材１５ａを使用した場合には、その大きさの関係で、管状部材１５ａの配置位置等を考慮する必要があり、λ制御用ガスの供給口２９の位置が制限される場合があるが、かかる熱交換部１５ｂとした場合には、さらに流路を通過して、排気通路１９に供給されるλ制御用ガスの噴射方向を、排気通路１９に対してあらゆる方向に設定することが可能になる。よって、かかる熱交換部１５ｂを備えた場合には、高濃度のＣＯを含むλ制御用ガスと排気ガスとをより均一に混合させて、ＤＯＣやＮＳＣ等の触媒手段に流入させることができる。

また、かかる熱交換手段と併せて、λ制御用ガス供給手段から供給されるλ制御用ガスの流路の長さが可変としてあることが好ましい。
この理由は、かかる流路の長さを変えることによって、放出される熱量が異なるために、λ制御用ガスが排気ガスと混合される時点でのλ制御用ガスの温度をさらに容易に調整することができるためである。
より具体的には、λ制御用ガスが排気ガスと熱交換されてもなお、ＣＯの酸化が促進される温度を超える状態にある場合には、λ制御用ガスの流路を長くすることによって、排気ガスと混合される時点でのλ制御用ガスの温度を低下させることができる。一方、λ制御用ガスが排気ガスと熱交換されて、温度が著しく低下する場合には、λ制御用ガスの流路を短くすることによって、排気ガスと混合される時点でのλ制御用ガスの温度を所定温度以上に保つことができる。
かかる流路の長さを可変とする手段としては、例えば、図７（ａ）〜（ｂ）に示すように、λ制御用ガスの流路２７の一部をテレスコピックパイプ２６から構成するとともに、λ制御用ガスの供給口２９におけるλ制御用ガスの温度をもとに制御可能に構成することができる。

（７）ラムダセンサ
また、λ制御用ガス供給手段１７の供給口２９と、触媒手段１１と、の間に、触媒手段１１に流入する排気ガスの空燃比を測定するためのラムダセンサ２３を備えることが好ましい。
この理由は、かかるラムダセンサ２３を備えることにより、λ制御用ガスが混合された排気ガスにおける空燃比に基づいて、λ制御用ガス供給手段１７での設定空燃比を調整することができるためである。したがって、内燃機関の運転状態や排気ガス温度に応じて、触媒手段１１を含む排気浄化部材１３に流入する排気ガスの空燃比を、触媒手段１１が最も活性化する状態に制御することができる。すなわち、内燃機関からの排気ガスの温度が比較的高い場合や低い場合、あるいはかかる排気ガスに含まれるＣＯの含有量が多い場合には、それらを考慮して、上述した所定のバーナ等により、ＣＯ量や所定熱量を調整した上で、λ制御用ガスを触媒手段１１に供給することができる。よって、触媒手段１１を効率的に昇温、活性化させて、排気ガスの浄化効率をさらに向上させることができる。

２．排気ガスの浄化方法
次に、上述した本発明の排気浄化装置１０、２０を用いて実施する、排気ガスの浄化方法について詳細に説明する。
かかる排気ガスの浄化方法は、ディーゼルエンジン等の内燃機関５１から排出される排気ガスを、触媒手段１１を含む排気浄化部材１３を用いて浄化する排気ガスの浄化方法であって、λ制御用ガス供給手段１７により、λ制御用ガスを発生させるとともに、当該λ制御用ガスと、排気ガスと、を熱交換させた後に、排気ガス中にλ制御用ガスを混合させて、排気浄化部材１３に流入させることを特徴とする。

まず、λ制御用ガス供給手段１７により、λ制御用ガスを発生させる。
上述した排気浄化装置においては、図３に示すような所定のバーナ６０を用いて、λ制御用ガスとしての、ＣＯを多量に含む不完全燃焼ガスを発生させる。かかるバーナ６０であれば、上述したとおり、燃料を効率的に不完全燃焼させることができるために、不完全燃焼ガス中に多量のＣＯを効率的に含ませることができる。このとき、バーナ６０から噴射される不完全燃焼ガス（λ制御用ガス）の温度は比較的高温状態であって、ＣＯの酸化が促進される温度（約６００℃）以上になっている。

次いで、発生させたλ制御用ガスを、排気通路中に供給させるために、排気通路１９を通過させる。このとき、λ制御用ガスと排気ガスとを衝突、混合させる前に、あらかじめ、排気ガス及びλ制御用ガスを、熱交換手段１５として、図４に示す管状部材１５ａや図６に示す熱交換部１５ｂを利用して熱交換させる。
より具体的には、ディーゼルエンジン等の内燃機関５１から排出される排気ガスの温度は、λ制御用ガスに比べて低温状態（約２００〜４００℃）となっている。そこで、排気ガスを利用して、λ制御用ガスの温度が、ＣＯの酸化が促進される温度（約６００℃）以下となるように、λ制御用ガスを冷却させるとともに、λ制御用ガスの熱量を利用して、排気ガスの温度を上昇させる。
このようにすることにより、排気ガスとλ制御用ガスとが衝突、混合した際に、λ制御用ガスに含まれるＣＯが排気ガス中のＯ₂と反応してＣＯ₂が生成されることが防ぐことができるためである。また、λ制御用ガスの熱量を利用して、排気ガスの温度を上昇させることができるために、熱損失を小さく抑えつつ、排気浄化部材における触媒手段に流入する排気ガスの温度が過度に低下することを防止することができるためである。
なお、図４に示す管状部材１５ａや、図６に示す熱交換部１５ｂを用いて、排気ガス及びλ制御用ガスが熱交換される原理については、上述したとおりである。

逆に、排気ガスとλ制御用ガスとを熱交換させないで混合した場合には、λ制御用ガス供給手段から噴射され、排気通路中に供給されるまでに、λ制御用ガスの温度をＣＯの酸化が促進される温度以下まで低下させて、所定量のＣＯを含めた状態とすることができるものの、温度が低下した分、熱損失が大きくなる。例えば、上述したバーナから噴射された不完全燃焼ガスはおよそ１，２００℃程度であり、これを６００℃以下に冷却した場合には、５０％の熱量が失われてしまうこととなる。したがって、触媒手段に流入する排気ガス温度が、本発明の排気ガスの浄化方法の場合と比較して、低くなってしまう。
すなわち、本発明の排気ガスの浄化方法によれば、熱交換される前の状態において、排気ガスの持つエンタルピー（熱量）及びλ制御用ガスの持つエンタルピー（熱量）の合計量をできる限り減少させないで、λ制御用ガスの温度を、ＣＯの酸化が促進される温度以下とすることができる。したがって、排気浄化部材における触媒手段１１に対して、比較的多量のＣＯ及び熱量を確保した排気ガスを流入させることができるために、触媒手段１１を効率的に昇温、活性化させて、排気ガスの浄化効率を向上させることができるようになる。

また、排気浄化装置が、図７（ａ）〜（ｂ）に示すλ制御用ガスの流路２７の可変手段２６を備えている場合に、熱交換された後のλ制御用ガスの温度を測定し、その供給口２９において、未だＣＯの酸化が促進される温度以上にあったり、あるいは、著しく低下したりしている際には、λ制御用ガスの流路２７の長さを調整することが好ましい。
この理由は、内燃機関の運転状態によって、排気ガスの温度が変化するために、当該排気ガスと熱交換されたλ制御用ガスの温度にもばらつきが生じる場合があるためである。したがって、かかる流路２７の長さを変えることにより、λ制御用ガスの温度を調整して、排気ガスと混合される時点でのλ制御用ガスの温度を、ＣＯの酸化が促進される温度以下に制御しつつ、熱量が過度に失われることがないようにすることができる。よって、多量のＣＯ及び熱量を排気ガス中に確保しつつ、触媒手段に流入させることができる。

次いで、排気通路１９中を流れる排気ガスに対して、λ制御用ガスを混合させて、触媒手段１１を含む排気浄化部材１３に流入させる。
このとき、上述したとおり、λ制御用ガス中に含まれるＣＯ量を減少させないで、排気ガスと混合させることができるために、触媒手段１１に対して、ＣＯを所定量含ませた状態で流入させることができる。また、λ制御用ガスの供給口２９と触媒手段１１との間にラムダセンサ２３を備えた場合には、当該ラムダセンサ２３によって測定される排気ガスのラムダ値（空燃比）を考慮して、λ制御用ガスの空燃比を制御することにより、内燃機関の運転状態や、排出される排気ガスの温度も考慮しつつ、触媒手段１１が効率的に昇温、活性化するように、排気ガスの空燃比を制御することができる。

例えば、ＤＯＣを備える場合には、後述のλ制御用ガス供給手段から供給されるλ制御用ガスの熱により、ＤＯＣの温度が活性化温度以上に昇温させられる。また、λ制御用ガスに含まれるＣＯやＨＣが、活性化温度以上になったＤＯＣで酸化され、その反応熱によって、ＤＯＣの温度がさらに上昇させられるために、排気ガスの温度を高温状態にして、ＤＰＦに流入させることができる。
一方、ＮＳＣを備える場合には、λ制御用ガス供給手段から供給されるλ制御用ガスの熱により、ＮＳＣの温度が活性化温度以上に昇温させられる。また、活性化温度になったＮＳＣで、λ制御用ガスに含まれるＣＯやＨＣは、ＮＳＣに捕集されたＮＯ_X等の還元剤として働き、ＮＯ_Xが窒素に還元される一方で、ＣＯやＨＣは酸化される。そのときの反応熱によって、ＮＳＣの温度がさらに上昇させられるために、排気ガスの温度を高温状態にして、ＤＰＦに流入させることができる。

以上のように、本発明の排気ガスの浄化方法によれば、内燃機関があらゆる運転状態にある場合であっても、排気浄化部材における触媒手段に流入させる排気ガス中に所定量のＣＯ及び熱量を確保することができる。したがって、排気浄化部材における触媒手段を効率的に昇温、活性化させて、排気ガスを効率的に浄化することができるようになる。

以上のように本発明によれば、排気浄化装置が、所定のλ制御用ガス供給手段及び熱交換手段を備えることにより、排気浄化部材における酸化触媒（ＤＯＣ）やＮＯ_X還元触媒（ＮＳＣ）等の触媒手段に流入させる排気ガスに、所定量の一酸化炭素（ＣＯ）と熱量を確保することができる。したがって、触媒手段を効率的に昇温、活性化させることができるために、さらに下流側に配置されたディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）に捕集された粒子状物質（ＰＭ）等を有効に燃焼させて、排気ガスを効率的に浄化することができる。

熱交換手段として所定の管状部材を備えた排気浄化装置を示す図である。 熱交換手段として所定の熱交換部を備えた排気浄化装置を示す図である。 λ制御用ガス供給手段としてのバーナを示す図である。 （ａ）〜（ｂ）は、管状部材を説明するために供する図である。 （ａ）〜（ｂ）は、管状部材によって熱交換される仕組みを説明するために供する図である。 熱交換部を説明するために供する図である。 （ａ）〜（ｂ）は、λ制御用ガスの流路の長さを可変とした排気浄化装置を説明するために供する図である。 従来の排気ガスの浄化装置を説明するために供する図である。 従来の黒煙除去装置を説明するために供する図である。

符号の説明

１０、２０：排気浄化装置
１１：触媒手段
１３：ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
１５：熱交換手段
１５ａ：管状部材
１５ｂ：熱交換部
１６：凹凸（フィン部）
１７：λ制御用ガス供給手段
１９：排気通路
２３：ラムダセンサ
２６：流路長可変手段（テレスコピックパイプ）
２７：λ制御用ガスの流路
２８：屈曲部
２９：供給口
５１：内燃機関
６０：バーナ（λ制御用ガス供給手段）

Claims (7)

1. 内燃機関の排気通路中に配置され、触媒手段を含む排気浄化部材を備えた排気浄化装置であって、
   前記排気浄化部材に流入する排気ガスの空燃比を制御するために、前記排気ガス中に混合するλ制御用ガスを供給するためのλ制御用ガス供給手段と、
   前記排気ガス及び前記λ制御用ガスを混合する前に、当該排気ガス及びλ制御用ガスを熱交換させるための熱交換手段と、
   を備えることを特徴とする排気浄化装置。
2. 前記熱交換手段として、前記λ制御用ガス供給手段の供給口に配置され、表面に複数の凹凸を有する管状部材を備えることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 前記熱交換手段として、前記排気通路と、当該排気通路と直交する方向に配置された前記λ制御用ガスの流路と、を互いに接するように配置した熱交換部を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気浄化装置。
4. 前記λ制御用ガスの流路の長さを可変とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
5. 前記λ制御用ガス供給手段は、燃料を供給するためのインジェクタと、前記燃料に空気を混合するための第１の空気導入管と、供給された前記燃料を加熱して蒸発させるための燃料蒸発装置と、気化した前記燃料を拡散噴射させるためのオリフィスと、前記燃料の燃焼を補助するための空気を取り入れる第２の空気導入管と、噴射された前記燃料に着火して燃焼ガスとするための燃料点火装置と、酸化触媒と、を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
6. 前記λ制御用ガス供給手段の供給口と、前記排気浄化部材と、の間に、前記排気浄化部材に流入する排気ガスの空燃比を測定するためのラムダセンサを備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 内燃機関から排出される排気ガスを、触媒手段を含む排気浄化部材を用いて浄化する排気ガスの浄化方法であって、
   λ制御用ガス供給手段により、λ制御用ガスを発生させるとともに、
   当該λ制御用ガスと、前記排気ガスと、を熱交換させた後に、前記排気ガス中にλ制御用ガスを混合させて、前記排気浄化部材に流入させることを特徴とする排気ガスの浄化方法。

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