JP2006329020A - エンジンの排ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＨＣの大気排出を防止するとともに、ＮＯｘの低減率を向上させる。
【解決手段】エンジン１１の排気管１６に設けられたＮＯｘ吸蔵還元触媒２４と、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４より排ガス上流側の排気管１６に設けられＮＯｘ吸蔵還元触媒２４に向けて炭化水素系液体３２を噴射可能な液体噴射ノズル２９と、液体噴射ノズル２９に液体調整弁３４を介して液体３２を供給する炭化水素系液体供給手段３６と、排気管１６内の排ガス温度を検出する温度センサ４３と、温度センサ４３の検出出力に基づいて液体調整弁３４を制御するコントローラ４４とを備える。液体噴射ノズル２９とＮＯｘ吸蔵還元触媒２４の間の排気管１６に酸化触媒３８が設けられ、酸化触媒３８とＮＯｘ吸蔵還元触媒２４の間の排気管１６にＨＣ吸着剤３９が設けられ、温度センサ４３は酸化触媒３８より排ガス上流側の排気管１６内の排ガス温度を検出する。
【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、エンジンの排気管にＮＯｘ吸蔵還元触媒を設け、そのＮＯｘ吸蔵還元触媒より排ガス上流側の排気管にＮＯｘ吸蔵還元触媒に向けて炭化水素系液体を噴射可能な液体噴射ノズルを設けた排ガス浄化装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この液体噴射ノズルには液体調整弁を介して液体を供給する炭化水素系液体供給手段が接続され、排気管にはその排気管内部の排ガス温度を検出する温度センサが設けられる。そして、その温度センサの検出出力に基づいて液体調整弁を制御するコントローラが更に備えられる。
このように構成されたエンジンの排ガス浄化装置では、排ガスが所定温度以上の比較的高温の場合、その排ガス中のＮＯｘをＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵させて排ガスを浄化させることができる。そしてＮＯｘの吸蔵量が増大すると、その段階で液体調整弁を所定時間だけ開いて液体噴射ノズルから液体を噴射させる。すると、触媒入口の排ガス中の炭化水素濃度が増加し、触媒入口の排ガスの空気過剰率が低下するとともに、ＨＣ，ＣＯ又はＨ₂が還元剤として増加する。これにより、触媒に吸蔵されたＮＯｘが上記ＨＣ等と反応しＮ₂，ＣＯ₂，Ｈ₂Ｏとなって触媒から放出され、触媒が再生できるようになっている。
特開２００２−３４９２３６号公報（特許請求の範囲、図１）

しかし、従来のＮＯｘ吸蔵還元触媒は所定温度以上でなければＮＯｘを還元させることができないので、エンジンが低負荷時又はアイドル運転時にあっては排ガス温度が低下して、排ガス中のＮＯｘを還元させることが困難になる。このため、排ガスの温度が低下した場合に、液体調整弁を所定時間だけ開いて液体噴射ノズルから炭化水素系液体を噴射して燃焼させ、これによりＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度を上昇させることが考えられる。しかし、一般的なＮＯｘ吸蔵還元触媒は、ＮＯｘを吸蔵させるためにＢａ等のアルカリ土類金属やＫ等のアルカリ金属を含んでいる。このアルカリ土類金属やアルカリ金属は白金等の触媒金属を被覆するため、例えば２５０℃未満の比較的低温時に液体噴射ノズルから炭化水素系液体である軽油を噴射しても、その液体はＮＯｘ吸蔵還元触媒において燃焼せずにその触媒の温度を上昇させることはできないという不具合があった。また、ＨＣ等はエンジンから排出される排ガス中にも含まれ、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の還元作用が機能しない比較的低温時にこのＨＣが大気に排出されることを防止する必要もある。
本発明の目的は、比較的低温時にＨＣが大気に排出されることを防止するとともに、大気に排出されるＮＯｘの低減率を向上し得るエンジンの排ガス浄化装置を提供することにある。

請求項１に係る発明は、図１に示すように、エンジン１１の排気管１６に設けられたＮＯｘ吸蔵還元触媒２４と、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４より排ガス上流側の排気管１６に設けられＮＯｘ吸蔵還元触媒２４に向けて炭化水素系液体３２を噴射可能な液体噴射ノズル２９と、液体噴射ノズル２９に液体調整弁３４を介して液体３２を供給する炭化水素系液体供給手段３６と、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４より上流側の排ガス温度を検出する温度センサ４３と、温度センサ４３の検出出力に基づいて液体調整弁３４を制御するコントローラ４４とを備えたエンジンの排ガス浄化装置の改良である。
その特徴ある構成は、液体噴射ノズル２９とＮＯｘ吸蔵還元触媒２４の間の排気管１６に酸化触媒３８が設けられたところにある。

この請求項1に記載されたエンジンの排ガス浄化装置では、排ガスに含まれるＮＯｘは酸化触媒３８を通過し、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４に吸蔵され、大気に排出されることが防止される。
一方、排ガスが例えば２２０℃を越えて比較的高温になったことを温度センサ４３が検出すると、その出力に基づいてコントローラ４４は液体調整弁３４を制御し、液体噴射ノズル２９から炭化水素系液体３２を噴射する。すると、その炭化水素系液体は酸化触媒３８において燃焼し、排ガスの温度を上昇させてその下流側に存在するＮＯｘ吸蔵還元触媒２４の温度を上昇させ、その触媒２４における還元作用を確保する。
また、炭化水素系液体が酸化触媒３８において燃焼すると、排ガスの空気過剰率が低下するとともに、ＨＣ，ＣＯ又はＨ₂が還元剤として増加する。すると、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４に吸蔵されたＮＯｘが排ガス中の上記還元剤と反応してＮＯ₂或いはＮ₂まで還元され、上記ＮＯ₂は排ガス中のＣＯ，ＨＣと更に反応して無害なＮ₂，ＣＯ₂，Ｈ₂Ｏが生成されて大気に排出される。この結果、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４が再生されるとともに、触媒２４により排ガス中のＮＯｘが吸蔵されかつ還元されてＮＯｘが大気に排出されることを防止する。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、酸化触媒３８とＮＯｘ吸蔵還元触媒２４の間の排気管１６にＨＣ吸着剤３９が設けられたことを特徴とする。
この請求項２に記載されたエンジンの排ガス浄化装置では、排ガスが例えば２２０℃未満の比較的低温時には、排ガスに含まれるＨＣはＨＣ吸着剤３９に吸着して大気に排出されることが防止される。
一方、排ガスが例えば２２０℃を越えて比較的高温になったことを温度センサ４３が検出すると、その出力に基づいてコントローラ４４は液体調整弁３４を制御し、液体噴射ノズル２９から炭化水素系液体３２を噴射する。すると、その炭化水素系液体は酸化触媒３８において燃焼して排ガスの温度が上昇するとＨＣ吸着剤３９の温度も上昇する。すると、そのＨＣ吸着剤３９に吸着されていたＨＣが排ガス中に放出され、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４においてＮＯｘを還元する還元剤として機能し、排ガス中のＮＯｘの低減率を向上させる。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る発明であって、温度センサ４３は酸化触媒３８より排ガス上流側の排気管１６内の排ガス温度を検出するように構成されたところにある。
この請求項３に記載されたエンジンの排ガス浄化装置では、炭化水素系液体を酸化触媒３８において燃焼させ得る排ガスの温度を温度センサ４３により比較的正確に検出させることができる。

本発明のエンジンの排ガス浄化装置では、液体噴射ノズルとＮＯｘ吸蔵還元触媒の間の排気管に酸化触媒を設け、酸化触媒とＮＯｘ吸蔵還元触媒の間の排気管にＨＣ吸着剤を設けたので、排ガスが２２０℃未満の比較的低温時には、排ガスに含まれるＨＣはＨＣ吸着剤に吸着して大気に排出されることを防止することができる。一方、排ガスが２２０℃を越えて比較的高温になったことを温度センサが検出すると、その出力に基づいてコントローラが液体調整弁を制御し、液体噴射ノズルから炭化水素系液体を噴射する。すると、その炭化水素系液体は酸化触媒において燃焼し、排ガスの温度を上昇させてその下流側に存在するＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度を上昇させてその還元作用を確保する。また、また、排ガスの温度が上昇してＨＣ吸着剤の温度が上昇すると、吸着されていたＨＣが排ガス中に放出されて還元剤として機能し、ＮＯｘ吸蔵還元触媒におけるＮＯｘの還元剤として機能し、排ガス中におけるＮＯｘの低減率を向上させる。

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１２を介して吸気管１３が接続され、排気ポートには排気マニホルド１４を介して排気管１６が接続される。吸気管１３には、ターボ過給機１７のコンプレッサ１７ａと、ターボ過給機１７により圧縮された吸気を冷却するインタクーラ１８とがそれぞれ設けられ、排気管１６にはターボ過給機１７のタービン１７ｂが設けられる。図示しないがコンプレッサ１７ａの回転翼とタービン１７ｂの回転翼と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１７ｂ及びシャフトを介してコンプレッサ１７ａが回転し、このコンプレッサ１７ａの回転により吸気管１３内の吸入空気が圧縮されるように構成される。また排気管１６の途中にはエンジン側（排ガス上流側）から順に、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４とパティキュレートフィルタ２６とが設けられる。ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４は排気管１６の直径を拡大した筒状のコンバータ２７に収容され、フィルタ２６は排気管１６の直径を拡大した筒状の捕集器２８に収容される。

ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４は排気管１６に流入する排ガス中のＮＯｘを吸蔵し、かつ排ガス中の炭化水素（ＨＣ）濃度が増加したときに上記吸蔵したＮＯｘを放出して再生処理される白金−バリウム−アルミナ触媒である。図示しないが、この触媒２４は排ガスの流れる方向に格子状（ハニカム状）の通路が形成された図示しないモノリス担体（材質：コージェライト）と、このモノリス担体上に形成されかつ貴金属（活性金属）及びＮＯｘ吸収剤が担持されたコート層を備えるものである。

フィルタ２６は酸化触媒としての機能を有する触媒付きハニカムフィルタであって、コージェライトのようなセラミックスからなる多孔質の隔壁で仕切られた多角形断面を有するものである。図示しないが、このフィルタ２６はこれらの隔壁により多数の互いに平行に形成された貫通孔の相隣接する入口部と出口部を交互に実質的に封止することにより構成される。そして、その隔壁に白金−アルミナ触媒又は白金−セリア−アルミナ触媒がコーティングされ、触媒機能が担持される。このフィルタ２６では、フィルタ２６の入口側から導入されたエンジン１１の排ガスが多孔質の隔壁を通過する際に、この排ガスに含まれる微粒子がろ過されて、出口側から排出されるようになっている。そして担持された触媒機能により、ろ過されてフィルタ２６に堆積した煤は酸化され、連続的に再生されるようになっている。

一方、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４の排ガス上流側の排気管１６、即ちその触媒２４の入口には、液体噴射ノズル２９が触媒２４に向けて設けられる。この液体噴射ノズル２９には液体供給管３１の一端が接続され、この液体供給管３１の他端は炭化水素系液体３２が貯留された液体タンク３３に接続される。また液体供給管３１には液体噴射ノズル２９への液体３２の供給量を調整する液体調整弁３４が設けられ、液体調整弁３４と液体タンク３３との間の液体供給管３１には液体タンク３３内の液体３２を液体噴射ノズル２９に供給可能なポンプ３６が設けられる。液体調整弁３４は第１〜第３ポート３４ａ〜３４ｃを有する三方弁であり、第１ポート３４ａはポンプ３６の吐出口に接続され、第２ポート３４ｂは液体噴射ノズル２９に接続され、更に第３ポート３４ｃは戻り管３７を介して液体タンク３３に接続される。上記炭化水素系液体３２は軽油である。なお、液体調整弁３４がオンすると第１及び第２ポート３４ａ，３４ｂが連通し、オフすると第１及び第３ポート３４ａ，３４ｃが連通するように構成される。

液体噴射ノズル２９及びＮＯｘ吸蔵還元触媒２４の間の排気管１６には酸化触媒３８が設けられ、この酸化触媒３８とＮＯｘ吸蔵還元触媒２４の間の排気管１６ににはＨＣ吸着剤３９が更に設けられる。この実施の形態における酸化触媒３８及びＨＣ吸着剤３９は前述した筒状のコンバータ２７にＮＯｘ吸蔵還元触媒２４とともに収容される。

酸化触媒３８は、排ガスの流れる方向に格子状（ハニカム状）の通路が形成された図示しないモノリス担体（材質：コージェライト）を有し、このモノリス担体上に白金−アルミナ触媒又は白金−セリア−アルミナ触媒がコーティングされる。白金−アルミナ触媒はモノリス担体にアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）の粉末を含むスラリーをコーティングした後、白金（活性金属）を担持させて構成される。また白金−セリア−アルミナ触媒は、モノリス担体にアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）の粉末及びセリア（ＣｅＯ₂）の粉末を含むスラリーをコーティングした後、白金（活性金属）を担持させて構成される。このようなコーティングにより、酸化触媒３８に煤や炭化水素（ＨＣなど）の酸化力が付与される。

一方、ＨＣ吸着剤３９は、排ガスの流れる方向に格子状（ハニカム状）の通路が形成された図示しないモノリス担体上にゼオライト又は白金ゼオライトがコーティングされる。白金ゼオライトはモノリス担体にゼオライト粉末を含むスラリーをコーティングした後、白金（活性金属）を担持させて構成される。このようなコーティングにより、ＨＣ吸着剤３９は排ガスの温度が２２０℃未満の比較的低温時に排ガス中のＨＣを吸着し、排ガスの温度が２２０℃以上になるとその吸着したＨＣを排ガス中に放出するように構成される。

液体噴射ノズル２９及びＮＯｘ吸蔵還元触媒２４間の排気管１６に設けられた酸化触媒３８の入口には排気管１６内の排ガス温度を検出する温度センサ４３が設けられる。この温度センサ４３の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４４の制御入力に接続される。その他コントローラ４４の制御入力には、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４及びフィルタ２６間の排気管１６、即ちＮＯｘ吸蔵還元触媒２４出口の排ガスの空気過剰率（実際の排ガス中の空気量／理論的な燃焼時の排ガス中の空気量）を検出するラムダセンサ４５の検出出力が接続される。コントローラ４４の制御出力は液体調整弁３４及びポンプ３６にそれぞれ接続される。コントローラ４４はメモリ４７を備える。メモリ４７には、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４入口の排ガス温度、その触媒２４出口の空気過剰率及び触媒２４出口のＮＯｘ濃度に応じた液体調整弁３４の開放時間及びその間隔や、ポンプ３６の作動の有無が予め記憶される。

このように構成されたエンジンの排ガス浄化装置の動作を説明する。
エンジン１１を始動し、温度センサ４３が２２０℃未満の排ガス温度を検出したとき、コントローラ４４はこの温度センサ４３の検出出力に基づいて、液体調整弁３４を閉じる。これによりエンジン１１から排出された排ガスは排気管１６を通って酸化触媒３８及びＨＣ吸着剤３９を通過し、更にＮＯｘ吸蔵還元触媒２４を通過する。このとき排ガスに含まれるＨＣは比較的低温であることから酸化触媒３８で酸化されることなくＨＣ吸着剤３９に達し、そのＨＣ吸着剤３９に排ガス中のＨＣが吸着して大気に排出されることを防止する。一方、排ガスに含まれるＮＯｘは酸化触媒３８及びＨＣ吸着剤３９を通過し、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４に達した時点でそのＮＯｘ吸蔵還元触媒２４に吸蔵され、大気に排出されることを防止される。

温度センサ４３が２２０℃以上の排ガス温度を検出した状態で、コントローラ４４におけるＮＯｘ累積算値の推定値が触媒２４によるＮＯｘの吸蔵量の飽和状態に近付くと、コントローラ４４は温度センサ４３及びエンジン回転及びエンジンの負荷の各検出出力に基づいて、液体調整弁３４を開く。これにより炭化水素系液体３２は液体噴射ノズル２９から間欠的に噴射される。液体噴射ノズル２９から炭化水素系液体３２が噴射されると、その炭化水素系液体は酸化触媒３８において燃焼し、排ガスの温度を上昇させてその下流側に存在するＮＯｘ吸蔵還元触媒２４の温度を上昇させ、その触媒２４における還元作用を確保する。

一方、液体噴射ノズル２９から噴射された炭化水素系液体が酸化触媒３８において燃焼すると、排ガスの空気過剰率が低下するとともに、ＨＣ，ＣＯ又はＨ₂が還元剤として増加する。すると、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４に吸蔵されたＮＯｘが排ガス中の上記還元剤と反応してＮＯ₂或いはＮ₂まで還元され、上記ＮＯ₂は排ガス中のＣＯ，ＨＣと更に反応して無害なＮ₂，ＣＯ₂，Ｈ₂Ｏが生成されて大気に排出される。この結果、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４が再生されるとともに、触媒２４により排ガス中のＮＯｘが吸蔵されかつ還元されてＮＯｘが大気に排出されることを防止する。また、排ガスの温度が上昇して、その下流側に存在するＨＣ吸着剤３９の温度が上昇すると、そのＨＣ吸着剤３９に吸着されていたＨＣが排ガス中に放出される。排ガス中に排出されたＨＣはＮＯｘ吸蔵還元触媒２４においてＮＯｘを還元する還元剤として機能し、排ガス中のＮＯｘの低減率を向上させる。

上記炭化水素系液体３２の噴射により生成されたＨＣやＨＣ吸着剤３９から放出されたＨＣは上述のようにＮＯｘ吸蔵還元触媒２４で還元剤として機能するけれども、全てのＨＣが還元剤として機能せず、一部のＨＣはＮＯｘ吸蔵還元触媒２４を通過してしまう場合がある。するとＮＯｘ吸蔵還元触媒２４出口のＨＣ濃度は増大することになるけれども、この実施の液体では、その下流側にフィルタ２６を設けているので、この未燃のＨＣはフィルタ２６により捕集される。このフィルタ２６に捕集された未燃のＨＣは、液体調整弁３４を閉じている間に後から到来する空気過剰率の高い、即ちリーン状態の排ガスがフィルタ２６に流入するので、フィルタ２６に担持された白金等の金属の酸化作用により酸化・燃焼される。この結果、フィルタ２６出口のＨＣ濃度は低く抑えられるので、大気中へのＨＣの排出を抑制できるとともに、フィルタ２６上に捕集された煤を含むパティキュレートを上記反応熱で燃焼処理できるので、大気中へのパティキュレートの排出を抑制できる。
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を浄化する装置を用いてもよい。

本発明実施形態のエンジンの排ガス浄化装置を示す構成図である。

符号の説明

１１ エンジン
１６ 排気管
２４ ＮＯｘ吸蔵還元触媒
２９ 液体噴射ノズル
３２ 炭化水素系液体
３４ 液体調整弁
３６ 炭化水素系液体供給手段
３８ 酸化触媒
３９ ＨＣ吸着剤
４３ 温度センサ
４４ コントローラ

Claims (3)

1. エンジン(11)の排気管(16)に設けられたＮＯｘ吸蔵還元触媒(24)と、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒(24)より排ガス上流側の前記排気管(16)に設けられ前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒(24)に向けて炭化水素系液体(32)を噴射可能な液体噴射ノズル(29)と、前記液体噴射ノズル(29)に液体調整弁(34)を介して前記液体(32)を供給する炭化水素系液体供給手段(36)と、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒(24)より上流側の排ガス温度を検出する温度センサ(43)と、前記温度センサ(43)の検出出力に基づいて前記液体調整弁(34)を制御するコントローラ(44)とを備えたエンジンの排ガス浄化装置において、
   前記液体噴射ノズル(29)と前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒(24)の間の前記排気管(16)に酸化触媒(38)が設けられたことを特徴とするエンジンの排ガス浄化装置。
2. 酸化触媒(38)とＮＯｘ吸蔵還元触媒(24)の間の排気管(16)にＨＣ吸着剤(39)が設けられた請求項１記載のエンジンの排ガス浄化装置。
3. 温度センサ(43)は酸化触媒(38)より排ガス上流側の排気管(16)内の排ガス温度を検出するように構成された請求項１又は２記載のエンジンの排ガス浄化装置。
   

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