JP2007113401A - エンジンの排ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排ガスの温度が比較的低温時においても排ガス中のＮＯｘを有効に排除する。
【解決手段】排ガス浄化装置は、ディーゼルエンジン１１の排気管１６に設けられたディーゼルパティキュレートフィルタ２２と、ディーゼルパティキュレートフィルタ２２の温度を所定値以上に上昇可能に構成されたフィルタ温度上昇手段とを備える。ディーゼルパティキュレートフィルタ２２より排ガス上流側の排気管１６に設けられた噴射ノズル２９と、噴射ノズル２９を介して排気管１６内部の排ガス中に尿素系液体３２を噴射可能な尿素系液体噴射手段３０とを備えたる。ディーゼルパティキュレートフィルタ２２より排ガス下流側の排気管１６に選択還元型触媒５６が設けらることが好ましく、噴射ノズル２９より排ガス上流側の排気管１６に酸化触媒５３が設けられることが更に好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの排ガス中に含まれるパティキュレートクレートや窒素酸化物を除去して排ガスを浄化するエンジンの排ガス浄化装置に関するものである。

従来、この種の排ガス浄化装置として、ディーゼルエンジンの排気通路の途中にパティキュレートフィルタを設けたディーゼルエンジンの排ガス浄化装置が知られている。この排ガス浄化装置では、排ガス中のパティキュレートをフィルタにより捕集してそのパティキュレートが大気に放出されることを防止するようになっている。一方、このフィルタにパティキュレートが堆積すると排ガスの流通が阻害され、背圧が上昇することから、排気管にディーゼルパティキュレートフィルタを設けた排ガス浄化装置にあっては、そのディーゼルパティキュレートフィルタの温度を所定値以上に上昇可能に構成されたフィルタ温度上昇手段が設けられる。このフィルタ温度上昇手段として、ピストンの上死点の後に燃料である軽油をシリンダに噴射するポスト噴射が可能に構成された燃料噴射装置が知られており（例えば、特許文献１参照。）、このポスト噴射によりエンジンから排気管に炭化水素が供給され、その炭化水素がフィルタにおいて燃焼してそのフィルタの温度を上昇させ、フィルタに堆積したパティキュレートフィルタを燃焼させてそのパティキュレートフィルタを再生させるようになっている。

一方、ディーゼルエンジンの排ガス中には窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」という。）も含まれ、このＮＯｘを低減させる排ガス浄化装置として、ディーゼルエンジンの排気通路の途中に選択還元型触媒を設け、その選択還元型触媒より排ガス上流側の排気管に、その選択還元型触媒に向けて尿素系液体を噴射可能な液体噴射ノズルを設けたディーゼルエンジンの排ガス浄化装置が知られている（例えば、特許文献２参照。）。そしてこの選択還元型触媒を備える従来のディーゼルエンジンの排ガス浄化装置では、液体噴射ノズルから噴射された尿素系液体が排ガスの熱により加熱されて加水分解し、アンモニアが生じる。そしてこのアンモニアは排ガス中のＮＯｘを選択還元型触媒によって浄化する還元剤として機能し、大気に排出されるＮＯｘの量を低減できるようになっている。
特開２００５−２９９１号公報（段落番号［００１５］） 特開２００４−２３９１０９号公報（段落番号［００１２］〜［００１５］、図２〜図４）

しかし、尿素系液体が加水分解して生じたアンモニアが還元剤として機能するのは、排ガスの温度が１７０℃を越える比較的高温時に制限され、排ガスの温度が１７０℃以下である場合にアンモニアは還元剤として機能しない。このことから排気管に選択還元型触媒を用いた排ガス浄化装置にあっては、排ガスの温度が１７０℃以下の比較的低温時において排ガス中のＮＯｘを有効に排除できない今だ解決すべき課題が残存していた。
本発明の目的は、排ガスの温度が比較的低温時においても排ガス中のＮＯｘを有効に排除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、ディーゼルエンジン１１の排気管１６に設けられたディーゼルパティキュレートフィルタ２２と、ディーゼルパティキュレートフィルタ２２の温度を所定値以上に上昇可能に構成されたフィルタ温度上昇手段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、ディーゼルパティキュレートフィルタ２２より排ガス上流側の排気管１６に設けられた噴射ノズル２９と、噴射ノズル２９を介して排気管１６内部の排ガス中に尿素系液体３２を噴射可能な尿素系液体噴射手段３０とを備えたところにある。

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、ディーゼルエンジン１１の排ガス中におけるパティキュレートをパティキュレートフィルタ２２により捕集して、そのパティキュレートが外部に排出されることを有効に防止することができる。
また、液体噴射ノズル２９から尿素系液体３２を噴射すると、その尿素系液体３２は加水分解してアンモニアが生じ、排ガスが比較的低温時にはそのアンモニアは排ガス中のＮＯｘと反応して硝酸アンモニウムを生じさせる。この硝酸アンモニウムは固形物であるため、噴射ノズル２９の下流側に設けられたパティキュレートフィルタ２２に捕集される。このように、比較的低温時には、ＮＯｘが反応して生じた硝酸アンモニウムを捕集することによりＮＯｘが大気に排出されることを防止できる。
一方、パティキュレートフィルタ２２に粒子状固形物の硝酸アンモニウムが堆積したりそのディーゼルパティキュレートフィルタ２２に捕集されたパティキュレートの量が増大すると、パティキュレートフィルタ２２を通過する排ガスの抵抗が増大する。この場合には、フィルタ温度上昇手段によりパティキュレートフィルタ２２の温度を上昇させてパティキュレート及び硝酸アンモニウムを燃焼させることによりパティキュレートフィルタ２２を再生することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、ディーゼルパティキュレートフィルタ２２より排ガス下流側の排気管１６に選択還元型触媒５６が設けられたことを特徴とする。
硝酸アンモニウムが堆積したパティキュレートフィルタ２２を再生させると、硝酸アンモニウムが酸化してＮ₂とＮ₂Ｏが生じる。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、ディーゼルパティキュレートフィルタ２２より排ガス下流側の排気管１６に選択還元型触媒５６を設けたので、パティキュレートフィルタ２２を再生させる際に生じたＮ₂Ｏは、パティキュレートフィルタ２２より排ガス下流側に設けられた選択還元型触媒５６においてアンモニアと反応して還元され、Ｎ₂に転換された後に大気に排出され、Ｎ₂Ｏがその状態で大気に直接排出されることを防止することができる。

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、噴射ノズル２９より排ガス上流側の排気管１６に酸化触媒５３が設けられたことを特徴とする。
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、排ガス中のＮＯを液体噴射ノズル２９より上流側に設けられた酸化触媒５３において酸化反応させてＮＯ₂に転換させる。このＮＯ₂はその酸化触媒５３の下流側に設けられた噴射ノズル２９から噴射されて加水分解したアンモニアと反応し、粒子状固形物である硝酸アンモニウムを生じさせてパティキュレートフィルタ２２に捕集することができる。

本発明のエンジンの排ガス浄化装置では、ディーゼルパティキュレートフィルタより排ガス上流側の排気管に設けられた噴射ノズルと、噴射ノズルを介して排気管内部の排ガス中に尿素系液体を噴射可能な尿素系液体噴射手段とを備えたので、液体噴射ノズルから尿素系液体を噴射すると、その尿素系液体は加水分解してアンモニアが生じ、排ガスが比較的低温時にはそのアンモニアは排ガス中のＮＯｘと反応して硝酸アンモニウムを生じさせる。この硝酸アンモニウムは固形物であるため、噴射ノズルの下流側に設けられたパティキュレートフィルタに捕集することによりＮＯｘが大気に排出されることを防止できる。

一方、パティキュレートフィルタを通過する排ガスの抵抗が増大した場合には、フィルタ温度上昇手段によりパティキュレートフィルタの温度を上昇させてパティキュレート及び硝酸アンモニウムを燃焼させることによりパティキュレートフィルタを再生することができる。
この場合、ディーゼルパティキュレートフィルタより排ガス下流側の排気管に選択還元型触媒を設ければ、パティキュレートフィルタを再生させる際に生じるＮ₂Ｏを、選択還元型触媒において還元させ、Ｎ₂に転換された後に大気に排出することができ、Ｎ₂Ｏがその状態で大気に直接排出されることを防止することができる。
また、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れば、排ガス中のＮＯをその酸化触媒において酸化反応させてＮＯ₂に転換させることができる。このＮＯ₂はその後アンモニアと反応して粒子状固形物である硝酸アンモニウムを生じさせてパティキュレートフィルタに捕集することができる。

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。

図示しないが、エンジン１１には燃料噴射装置が設けられる。この実施の形態における燃料噴射装置は先端部がシリンダに臨みシリンダに燃料である軽油を噴射可能な筒内インジェクタと、内部に軽油を蓄圧し上記インジェクタに軽油を圧送するコモンレールと、このコモンレールに軽油を供給するフィードポンプとを有する。筒内インジェクタはこのインジェクタに内蔵された電磁弁により軽油の噴射量及び噴射時期が調整可能に構成される。この燃料噴射装置は、ピストンの上死点の後に燃料である軽油をシリンダに噴射するポスト噴射が可能に構成され、このポスト噴射の有無により、エンジン１１から排気管１６に供給される炭化水素を増減可能に構成される。排気管１６の途中にはパティキュレートフィルタ２２が設けられる。パティキュレートフィルタ２２は排気管１６の直径を拡大した筒状のコンバータ２１に収容される。

図２に詳しく示すように、パティキュレートフィルタ２２は、担体２３とこの担体２３に担持された触媒作用を有する活性成分２４からなる。担体２３は例えばコージェライト、炭化ケイ素のようなセラミックからなる多孔質体からなり、多孔質の隔壁２３ａで仕切られた複数の通孔２３ｂ，２３ｃが互いに平行に形成される。複数の通孔２３ｂ，２３ｃは出口側が封止され入口側が開放された流入側通孔２３ｂと、入口側が封止され出口側が開放された流出側通孔２３ｃを有し、流入側通孔２３ｂと流出側通孔２３ｃは隔壁２３ａで仕切られた状態で交互に形成される。また、多孔質体の隔壁２３ａには活性成分２４がコーティングされて担持される。活性成分２４は酸化作用を有するものであって、貴金属系ゼオライト、貴金属系アルミナ等のようなものが用いられ、隔壁２３ａは活性成分２４が担持された状態で通気性を有するように構成される。そして、このパティキュレートフィルタ２２では、入口側が開放された流入側通孔２３ｂに流入した排ガスは、図２の実線矢印で示すようにその隔壁２３ａを通過する際に排ガス中のパティキュレートを捕集するように構成される。そして、隔壁２３ａを通過することによりパティキュレートが除去された排ガスは入口側が封止された流出側通孔２３ｃに流入し、その流出側通孔２３ｃの開放された出口側からフィルタ２２の外部に排出されるように構成される。

図示しないが、この排ガス浄化装置にはこのディーゼルパティキュレートフィルタ２２の温度を所定値に上昇可能に構成されたフィルタ温度上昇手段が設けられる。この実施の形態におけるフィルタ温度上昇手段は、前述した燃料噴射装置からなる。即ち、燃料噴射装置により軽油をシリンダ内にポスト噴射することにより、炭化水素を排ガス中に増加させてエンジン１１から排ガスとともに排気管１６に供給させると、排ガス中に炭化水素が増加する。すると、その増加した炭化水素はディーゼルパティキュレートフィルタ２２において酸化反応してそのパティキュレートフィルタ２２の温度を直接上昇させる。従って、この実施の形態における図示しない燃料噴射装置は、パティキュレートフィルタ２２の温度を所定値に上昇可能に構成されたフィルタ温度上昇手段としても機能するものである。

図１に戻って、このパティキュレートフィルタ２２の排ガス上流側の排気管１６、即ちパティキュレートフィルタ２２の入口には、液体噴射ノズル２９がパティキュレートフィルタ２２に向けて設けられる。また、この噴射ノズル２９には、この噴射ノズル２９を介して排気管１６内部の排ガス中に尿素系液体３２を噴射可能な尿素系液体噴射手段３０が接続される。この実施の形態における尿素系液体噴射手段３０は液体噴射ノズル２９に一端が接続された液体供給管３１を有し、この液体供給管３１の他端は尿素系液体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。そして、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。

一方、排気管１６にはその排気管１６内の排ガス温度を検出する第１及び第２温度センサ４３ａ，４３ｂが設けられる。即ち、液体噴射ノズル２９及びパティキュレートフィルタ２２間であるパティキュレートフィルタ２２の入口には、その入口における排気管１６内の排ガス温度を検出する第１温度センサ４３ａが設けられる。一方、パティキュレートフィルタ２２の出口には、その出口における排気管１６内の排ガス温度を検出する第２温度センサ４３ｂが設けられる。これらの第１及び第２温度センサ４３ａ，４３ｂ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の制御入力にそれぞれ接続される。その他コントローラ４４の制御入力には、エンジン１１の回転速度を検出する回転センサ４６と、エンジン１１の負荷を検出する負荷センサ４７などの各検出出力が接続される。上記負荷センサ４７はこの実施の形態では燃料噴射ポンプ（図示せず）のロードレバーの変位量を検出する。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４４ａを備える。メモリ４４ａには、パティキュレートフィルタ２２の入口及び出口の排ガス温度、エンジン回転、エンジン負荷等に応じた液体調整弁３４のオン又はオフ並びにオン時における開度、更にポンプ３６の作動の有無が予め記憶される。

また、噴射ノズル２９より排ガス上流側の排気管１６には、酸化触媒５３が設けられる。この酸化触媒５３は、噴射ノズル２９より上流側の排気管１６の直径を拡大した筒状のコンバータ５２に並べられて収容される。図示しないが、酸化触媒５３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−ゼオライト触媒又は白金−アルミナ触媒がコーティングされる。このコーティングにより、酸化触媒５３に煤や炭化水素（ＨＣなど）の酸化力が付与される。

一方、ディーゼルパティキュレートフィルタ２２より排ガス下流側の排気管１６には選択還元型触媒５６が設けられる。この選択還元型触媒５６はフィルタ２２が収容されたコンバータ２１にそのフィルタ２２と並んで収容される。図示しないが、この選択還元型触媒５６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排ガス中のＮＯｘを還元するような活性成分が担持される。この担体に担持された活性成分はエンジン１１の排ガス中のＮＯｘをアンモニア或いは尿素系液体と反応させて分解するように構成され、この例における活性成分は排気管１６に流入する排ガス中のＮＯｘを比較的低温で、例えば２００〜３００℃で還元するような酸化鉄／ゼオライト、酸化鉄／アルミナのようなものが用いられる。

このように構成されたエンジンの排ガス浄化装置の動作を説明する。
エンジン１１を始動すると、その排ガスは排気マニホルド１４から排気管１６に至り、その排気管１６を介してパティキュレートフィルタ２２に至る。そして、ディーゼルエンジン１１の排ガス中におけるパティキュレートはこのディーゼルパティキュレートフィルタ２２により捕集される。そして、パティキュレートが捕集されてそれが除去された排ガスはそのパティキュレートフィルタ２２を通過し、その後大気に排出される。

一方、排ガスの温度が比較的低温であることを第１及び第２温度センサ４３ａ，４３ｂの検出出力から判断したコントローラ４４は液体調整弁３４をオンして液体調整弁３４における第１及び第２ポート３４ａ，３４ｂを連通させ、液体噴射ノズル２９から尿素系液体３２を噴射する。排ガス中に噴射された尿素系液体は加水分解してアンモニアが生じ、排ガスの温度が比較的低温である場合には、そのアンモニアは排ガス中のＮＯｘと反応して硝酸アンモニウムを生じさせる。この硝酸アンモニウムは固形物であるため、噴射ノズル２９の下流側に設けられたパティキュレートフィルタ２２における担体２３の隔壁２３ａに捕集され、その隔壁２３ａに堆積する。そして、ＮＯｘが反応して生じた硝酸アンモニウムが捕集されてＮＯｘが除去された排ガスはそのパティキュレートフィルタ２２を通過し、その後大気に排出される。

ここで、アンモニアは主としてＮＯ₂と反応して硝酸アンモニウムを生じさせるけれども、排ガス中にはＮＯも比較的多く存在する。この場合、排ガス中のＮＯは液体噴射ノズル２９より上流側に設けられた酸化触媒５３において酸化反応してＮＯ₂となり、その酸化触媒５３の下流側に設けられた噴射ノズル２９から噴射されて加水分解したアンモニアと反応し、粒子状固形物である硝酸アンモニウムを生じさせる。従って、噴射ノズル２９より排ガス上流側の排気管１６に酸化触媒５３を設けることにより、エンジン１１から排出された排ガス中のＮＯも硝酸アンモニウムに転換させてパティキュレートフィルタ２２に捕集することができる。

一方、パティキュレートフィルタ２２にパティキュレートや粒子状固形物である硝酸アンモニウムが過度に堆積すると、そのフィルタ２２の隔壁２３ａにおける細孔を詰まらせたり、その隔壁２３ａの表面を覆ってしまうことにより、排ガスの流通が阻害され、背圧が上昇する。これを回避するためにはパティキュレートフィルタ２２を再生させる必要があり、そのパティキュレートフィルタ２２の再生は、図示しない燃料噴射装置により燃料である軽油をシリンダ内にポスト噴射させることにより行われる。このポスト噴射により、炭化水素を排ガス中に増加させてエンジン１１から排ガスとともに排気管１６に供給させる。すると、排ガス中に炭化水素が増加し、その増加した炭化水素はパティキュレートフィルタ２２において酸化反応してそのパティキュレートフィルタ２２の温度を上昇させる。ここで、パティキュレートフィルタ２２に堆積したパティキュレートや硝酸アンモニウムは２１０℃以上で燃焼するので、フィルタ２２の温度が上昇することによりパティキュレートフィルタ２２に堆積したパティキュレートや粒子状固形物である硝酸アンモニウムは燃焼して分解し、これによりパティキュレートフィルタ２２を再生することができる。

ここで、硝酸アンモニウムが酸化すると、Ｎ₂とＮ₂Ｏが生じるけれども、この実施の形態では、ディーゼルパティキュレートフィルタ２２より排ガス下流側の排気管１６に選択還元型触媒５６を設けたので、パティキュレートフィルタ２２を再生させる際に生じたＮ₂Ｏは、パティキュレートフィルタ２２より排ガス下流側に設けられた選択還元型触媒５６においてアンモニアと反応して還元され、Ｎ₂に転換された後に大気に排出され、Ｎ₂Ｏがその状態で大気に直接排出されることを防止することができる。

その後、排ガスの温度が上昇して、尿素系液体が加水分解して生じたアンモニアがＮＯｘに対する還元剤として機能するようになると、そのアンモニアは、排ガス中のＮＯｘを選択還元型触媒５６によって浄化するのに還元剤となる。コントローラ４４は回転センサ４６及び負荷センサ４７の各検出出力に基づいて求められるディーゼルエンジン１１の運転状態から排ガス中のＮＯｘ濃度を推定し、このＮＯｘを浄化するのに必要な還元剤としての尿素量を求める。そして、コントローラ４４は、求められた還元剤として必要な尿素量から具体的な尿素系液体３２の噴射量を決定し、液体調整弁３４をオンして噴射ノズル２９から最適な量の尿素系液体３２を噴射する。噴射された尿素系液体は、排ガスによって加熱されて加水分解しアンモニアを生じる。このアンモニアがパティキュレートフィルタ２２を通過して選択還元型触媒５６に流入すると、その担体に担持された図示しない活性成分において排ガス中のＮＯ、ＮＯ₂は還元されてＮ₂ やＨ₂Ｏに変化し、ＮＯｘが大気にそのまま排出される量を低減する。

なお、上述した実施の形態では、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。
また、上述した実施の形態では、フィルタ温度上昇手段としてポスト噴射可能な燃料噴射装置を用いて説明したが、フィルタ温度上昇手段は、排ガスの温度を上昇させる等してフィルタの温度を上昇させることができるものであれば、例えば、ＥＧＲ制御弁、吸気スロットル弁又は排気ブレーキ弁を閉じる、ＶＧ（Variable Geometry）ターボのズルベーン開度を大きくする等してエンジン負荷を大きくしたりしても良く、フィルタの直前に炭化水素を直接そのフィルタに向かって噴射可能なノズルを設けても良い。

本発明の実施形態の排ガス浄化装置の構成を示す構成図である。 そのパティキュレートフィルタの拡大断面図である。

符号の説明

１１ ディーゼルエンジン
１６ 排気管
２２ ディーゼルパティキュレートフィルタ
２９ 噴射ノズル
３０ 尿素系液体噴射手段
３２ 尿素系液体
５３ 酸化触媒
５６ 選択還元型触媒

Claims (3)

1. ディーゼルエンジン(11)の排気管(16)に設けられたディーゼルパティキュレートフィルタ(22)と、前記ディーゼルパティキュレートフィルタ(22)の温度を所定値以上に上昇可能に構成されたフィルタ温度上昇手段とを備えたエンジンの排ガス浄化装置において、
   前記ディーゼルパティキュレートフィルタ(22)より排ガス上流側の前記排気管(16)に設けられた噴射ノズル(29)と、
   前記噴射ノズル(29)を介して前記排気管(16)内部の排ガス中に尿素系液体(32)を噴射可能な尿素系液体噴射手段(30)と
   を備えたエンジンの排ガス浄化装置。
2. ディーゼルパティキュレートフィルタ(22)より排ガス下流側の排気管(16)に選択還元型触媒(56)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. 噴射ノズル(29)より排ガス上流側の排気管(16)に酸化触媒(53)が設けられた請求項１又は２記載のエンジンの排ガス浄化装置。

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