JP2007170350A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃費の悪化を最小限に抑えつつ、比較的低い温度領域でもＮＯx吸蔵還元触媒の再生を効率良く行なうことができ、ＮＯx低減率を向上し得る排気浄化装置を提供する。
【解決手段】ディーゼルエンジン１から排気マニホールド２を介して排出される排気ガス３が流通する排気管４を途中で二股に分岐させて再度合流せしめ、該二股に分岐させた各排気管４の途中に、燃料添加装置５と加熱装置６とＮＯx吸蔵還元触媒７とを有する排気浄化手段８を配設すると共に、前記排気管４の分岐箇所に、前記排気浄化手段８のいずれか一方に排気ガス３を振り分けて他方の排気ガス３の流量を絞り込む排気分配切換手段９を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気浄化装置に関するものである。

従来より、排気管の途中に装備した排気浄化用触媒により排気浄化を図ることが行われており、この種の排気浄化用触媒としては、排気空燃比がリーンの時に排気ガス中のＮＯxを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し、排気ガス中のＯ₂濃度が低下した時に未燃ＨＣやＣＯ等の介在によりＮＯxを分解放出して還元浄化する性質を備えたＮＯx吸蔵還元触媒が知られている。

この種のＮＯx吸蔵還元触媒としては、白金・バリウム・アルミナ触媒や、白金・カリウム・アルミナ触媒等が前述した如き性質を有するものとして既に知られている。

そして、ＮＯx吸蔵還元触媒においては、ＮＯxの吸蔵量が増大して飽和量に達してしまうと、それ以上のＮＯxを吸蔵できなくなるため、定期的にＮＯx吸蔵還元触媒に流入する排気ガスのＯ₂濃度を低下させてＮＯxを分解放出させる必要がある。

例えば、ガソリン機関に使用した場合であれば、機関の運転空燃比を低下させる（機関をリッチ空燃比で運転する）ことにより、排気ガス中のＯ₂濃度を低下させ且つ排気ガス中の未燃ＨＣやＣＯ等の還元成分を増加させてＮＯxの分解放出を促すことができるが、ＮＯx吸蔵還元触媒をディーゼル機関の排気浄化装置として使用した場合には機関をリッチ空燃比で運転することが困難である。

このため、ＮＯx吸蔵還元触媒の上流側で排気ガス中に燃料（ＨＣ）を添加することにより、この添加燃料を還元剤としてＮＯx吸蔵還元触媒上でＯ₂と反応させ排気ガス中のＯ₂濃度を低下させる必要がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−３５６１２７号公報

しかしながら、前述の如くＮＯx吸蔵還元触媒の上流側で燃料添加を行う方式では、その添加燃料が蒸発して生じたＨＣの一部がＮＯx吸蔵還元触媒の表面上で排気ガス中のＯ₂と反応（燃焼）し、ＮＯx吸蔵還元触媒の周囲の雰囲気中におけるＯ₂濃度がほぼ零となってからＮＯxの分解放出が開始されることになるため、排気温度が低く、ＮＯx吸蔵還元触媒の表面上でＨＣがＯ₂と反応（燃焼）するのに必要な燃焼温度（約２２０〜２５０［℃］）が得られない低負荷域での運転条件下（例えば、渋滞の多い都市内での徐行運転等）では、ＮＯx吸蔵還元触媒からＮＯxを効率良く分解放出させることができず、ＮＯx吸蔵還元触媒の再生が効率良く進まないことで触媒の容積中に占めるＮＯx吸蔵サイトの回復割合が小さくなって吸蔵能力が落ちるという問題があった。

しかも、このような問題に対処するために、エンジンに対して昇温制御を行なったり、燃料の添加量を増加させた場合には、大幅な燃費悪化を伴い、実用化が困難となっていた。

本発明は、斯かる実情に鑑み、燃費の悪化を最小限に抑えつつ、比較的低い温度領域でもＮＯx吸蔵還元触媒の再生を効率良く行なうことができ、ＮＯx低減率を向上し得る排気浄化装置を提供しようとするものである。

本発明は、エンジンから排出される排気ガスが流通する排気管を途中で分岐させて再度合流せしめ、該分岐させた各排気管の途中に、燃料添加装置と加熱装置とＮＯx吸蔵還元触媒とを有する排気浄化手段を配設すると共に、前記排気管の分岐箇所に、前記排気浄化手段のいずれか一方に排気ガスを振り分けて他方の排気ガスの流量を絞り込む排気分配切換手段を設けたことを特徴とする排気浄化装置にかかるものである。

上記手段によれば、以下のような作用が得られる。

ディーゼルエンジンからの排気ガスの主な流れを排気分配切換手段により一方の排気浄化手段に振り分けると共に、他方の排気浄化手段へ導かれる排気ガスの流量を絞り込んだ状態で、燃料添加装置により加熱装置の入側に燃料を還元剤として添加すると、該燃料が加熱装置により加熱されて高濃度のＨＣガスが生成され、後段のＮＯx吸蔵還元触媒に導入され、ＮＯx吸蔵還元触媒の表面上で従来の燃料添加での燃焼温度より低い温度からＮＯxが効率良くＮ₂に還元処理される。

しかも、燃料添加装置による燃料の添加、並びに加熱装置への通電は、排気分配切換手段により排気ガスの流量が絞り込まれた側の排気浄化手段において行われるだけなので、少ない添加量でも排気ガス中の空気過剰率が効果的に低下すると共に、排気ガスの流通による温度低下が抑えられることになり、必要最小限の燃料の添加と必要最小限の加熱装置への通電とにより効率良く前記排気浄化手段のＮＯx吸蔵還元触媒の再生が図られる。

そして、このように一方の排気浄化手段のＮＯx吸蔵還元触媒でＮＯxの吸蔵を行わせている間に他方の排気浄化手段のＮＯx吸蔵還元触媒を再生するようにすれば、常にＮＯx吸蔵還元触媒の一方を使用可能な状態として連続的にＮＯxの低減化を図りながら一対のＮＯx吸蔵還元触媒を片方ずつ交互に再生することが可能となる。

この結果、例えば、渋滞の多い都市内での徐行運転等のように、排気温度が低く、ＮＯx吸蔵還元触媒の表面上でＨＣがＯ₂と反応（燃焼）するのに必要な燃焼温度が得られない低負荷域での運転条件下であっても、エンジンに対して昇温制御を行なったり、燃料の添加量を増加させることなく、ＮＯx吸蔵還元触媒からＮＯxを効率良く分解放出させることが可能となり、ＮＯx吸蔵還元触媒の再生が効率良く進み、触媒の容積中に占めるＮＯx吸蔵サイトの回復割合が大きくなって吸蔵能力が落ちなくなり、燃費悪化が避けられ、実用化が可能となる。

前記排気浄化装置においては、排気浄化手段の加熱装置を、通電により昇温する電熱ヒータによって構成することができる。

又、前記排気浄化装置においては、排気浄化手段の加熱装置を、酸化触媒が担持され且つ通電により昇温する電熱ヒータによって構成することもでき、このようにすると、通電により酸化触媒床温度が高められた電熱ヒータを前記ＨＣガスが通る際に、雰囲気中に共存するＯ₂と反応して雰囲気温度を上げ且つＯ₂が消費された後に反応性の高いＨ₂とＣＯとに分解されて後段のＮＯx吸蔵還元触媒に導入されることになるため、その導入段階から雰囲気中のＯ₂濃度がほぼ零となってＮＯxの分解放出が直ちに開始され、そのままＮＯx吸蔵還元触媒の表面上で反応性の高いＨ₂及びＣＯにより従来の燃料添加での燃焼温度より低い温度からＮＯxが更に効率良くＮ₂に還元処理される。

本発明の排気浄化装置によれば、燃費の悪化を最小限に抑えつつ、比較的低い温度領域でもＮＯx吸蔵還元触媒の再生を効率良く行なうことができ、ＮＯx低減率を向上し得るという優れた効果を奏し得る。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１は本発明を実施する形態の一例であって、ディーゼルエンジン１から排気マニホールド２を介して排出される排気ガス３が流通する排気管４を途中で二股に分岐させて再度合流せしめ、該二股に分岐させた各排気管４の途中に、燃料添加装置５と加熱装置６とＮＯx吸蔵還元触媒７とを有する排気浄化手段８を配設すると共に、前記排気管４の分岐箇所に、前記排気浄化手段８のいずれか一方に排気ガス３を振り分けて他方の排気ガス３の流量を絞り込む排気分配切換手段９を設けたものである。

前記排気浄化手段８の燃料添加装置５は、前記加熱装置６の入側に噴射ノズル１０を配置すると共に、該噴射ノズル１０と燃料タンク１１との間を燃料供給管１２により接続し、該燃料供給管１２の途中に装備した供給ポンプ１３の駆動と添加弁１４の開作動とにより、前記燃料タンク１１内の還元剤としての軽油等の燃料１５を前記噴射ノズル１０から前記加熱装置６の入側に添加し得るようにした構成を有している。

前記排気浄化手段８の加熱装置６は、通電により昇温する電熱ヒータによって構成してある。尚、前記排気浄化手段８の加熱装置６は、単なる電熱ヒータとする代わりに、酸化触媒が担持された電熱ヒータによって構成しても良く、この例としては、例えば、図２に示す如く、通電により昇温する帯状の金属薄膜１６と、酸化触媒としてのアルミナ絶縁テープ１７とを重ねた状態で渦巻状に巻き付けて形成した薄膜メタルヒータ１８や、或いは、図３に示す如く、通電により昇温する金網１９の表面に酸化触媒を担持させ、これを排気ガス３の流通方向へ複数積層したワイヤメッシュヒータ２０等を挙げることができる。

前記排気分配切換手段９は、弁体２１の回動角度を調節することにより、排気ガス３の主な流れを排気浄化手段８のいずれか一方に振り分けて他方の排気ガス３の流量をおよそ７［％］程度まで絞り込むことができるようにしてある。

そして、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）をなす制御装置２２において、ディーゼルエンジン１の機関回転数を検出する回転センサ２３からの回転数信号２３ａと、アクセルセンサ２４（アクセルペダルの踏み込み角度を検出するセンサ）からの負荷信号２４ａと、各排気浄化手段８を通過した後の排気ガス３の温度を検出する温度センサ２５からの温度信号２５ａとから判断される現在の運転状態に基づき、排気分配切換手段９を切り換えるタイミング、燃料添加装置５による燃料１５の添加量、加熱装置６への通電時間等を決定し、前記制御装置２２から、排気分配切換手段９への切換指令信号９ａと、供給ポンプ１３への駆動指令信号１３ａと、添加弁１４への開閉指令信号１４ａと、加熱装置６への通電指令信号６ａとを出力し、排気ガス３が絞り込まれた他方の側の排気浄化手段８のＮＯx吸蔵還元触媒７の再生を行なうようにしてある。

尚、前記温度センサ２５は、排気管４を途中で二股に分岐させてから再度合流せしめた箇所より下流側に設けてあるが、各排気浄化手段８の下流側にそれぞれの温度を個別に検出するように設けても良い。又、温度センサ２５の代わりにＯ₂センサを設け、排気浄化手段８を通過した排気ガス３のＯ₂濃度に基づいて制御を行なうようにすることも可能である。

又、図１中、２６はディーゼルエンジン１の吸気管であって、該吸気管２６の上流端にはエアクリーナ２７が設けられ、それより下流側の吸気管２６途中には、排気マニホールド２の出側における排気管４途中に設けられたタービン２８によって駆動されるコンプレッサ２９が設けられ、該タービン２８とコンプレッサ２９とからターボチャージャ３０が構成されると共に、前記コンプレッサ２９より下流側における吸気管２６途中には、インタクーラ３１が設けられている。

次に、上記図示例の作用を説明する。

一例として図１に示している通り、ディーゼルエンジン１からの排気ガス３の主な流れを排気分配切換手段９により一方の排気浄化手段８に振り分けると共に、他方の排気浄化手段８へ導かれる排気ガス３の流量をおよそ７［％］程度まで絞り込んだ状態で、燃料添加装置５により加熱装置６の入側に燃料１５を還元剤として添加すると、該燃料１５が加熱装置６により加熱されて高濃度のＨＣガスが生成され、後段のＮＯx吸蔵還元触媒７に導入され、ＮＯx吸蔵還元触媒７の表面上で従来の燃料添加での燃焼温度より低い温度からＮＯxが効率良くＮ₂に還元処理される。

ここで、前記加熱装置６を、図２に示す如く、通電により昇温する帯状の金属薄膜１６と、酸化触媒としてのアルミナ絶縁テープ１７とを重ねた状態で渦巻状に巻き付けて形成した薄膜メタルヒータ１８や、或いは、図３に示す如く、通電により昇温する金網１９の表面に酸化触媒を担持させ、これを排気ガス３の流通方向へ複数積層したワイヤメッシュヒータ２０とした場合には、通電により酸化触媒床温度が高められた薄膜メタルヒータ１８或いはワイヤメッシュヒータ２０を前記ＨＣガスが通る際に、雰囲気中に共存するＯ₂と反応して雰囲気温度を上げ且つＯ₂が消費された後に反応性の高いＨ₂とＣＯとに分解されて後段のＮＯx吸蔵還元触媒７に導入されることになるため、その導入段階から雰囲気中のＯ₂濃度がほぼ零となってＮＯxの分解放出が直ちに開始され、そのままＮＯx吸蔵還元触媒７の表面上で反応性の高いＨ₂及びＣＯにより従来の燃料添加での燃焼温度より低い温度からＮＯxが、前記加熱装置６を単なる電熱ヒータとした場合に比べて更に効率良くＮ₂に還元処理される。

しかも、燃料添加装置５による燃料１５の添加、並びに加熱装置６への通電は、排気分配切換手段９により排気ガス３の流量がおよそ７［％］程度まで絞り込まれた側の排気浄化手段８において行われるだけなので、少ない添加量でも排気ガス３中の空気過剰率が効果的に低下すると共に、排気ガス３の流通による温度低下が抑えられることになり、必要最小限の燃料１５の添加と必要最小限の加熱装置６への通電とにより効率良く前記排気浄化手段８のＮＯx吸蔵還元触媒７の再生が図られる。

そして、このように一方の排気浄化手段８のＮＯx吸蔵還元触媒７でＮＯxの吸蔵を行わせている間に他方の排気浄化手段８のＮＯx吸蔵還元触媒７を再生するようにすれば、常にＮＯx吸蔵還元触媒７の一方を使用可能な状態として連続的にＮＯxの低減化を図りながら一対のＮＯx吸蔵還元触媒７を片方ずつ交互に再生することが可能となる。

この結果、例えば、渋滞の多い都市内での徐行運転等のように、排気温度が低く、ＮＯx吸蔵還元触媒７の表面上でＨＣがＯ₂と反応（燃焼）するのに必要な燃焼温度（約２２０〜２５０［℃］）が得られない低負荷域での運転条件下であっても、ディーゼルエンジン１に対して昇温制御を行なったり、燃料の添加量を増加させることなく、ＮＯx吸蔵還元触媒７からＮＯxを効率良く分解放出させることが可能となり、ＮＯx吸蔵還元触媒７の再生が効率良く進み、触媒の容積中に占めるＮＯx吸蔵サイトの回復割合が大きくなって吸蔵能力が落ちなくなり、燃費悪化が避けられ、実用化が可能となる。

こうして、燃費の悪化を最小限に抑えつつ、比較的低い温度領域でもＮＯx吸蔵還元触媒７の再生を効率良く行なうことができ、ＮＯx低減率を向上し得る。

尚、本発明の排気浄化装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。 本発明を実施する形態の一例における加熱装置として酸化触媒を担持した薄膜メタルヒータを示す斜視図である。 本発明を実施する形態の一例における加熱装置として酸化触媒を担持したワイヤメッシュヒータを示す斜視図である。

符号の説明

１ ディーゼルエンジン（エンジン）
３ 排気ガス
４ 排気管
５ 燃料添加装置
６ 加熱装置
７ ＮＯx吸蔵還元触媒
８ 排気浄化手段
９ 排気分配切換手段
１０ 噴射ノズル
１１ 燃料タンク
１２ 燃料供給管
１３ 供給ポンプ
１４ 添加弁
１５ 燃料

Claims (3)

1. エンジンから排出される排気ガスが流通する排気管を途中で分岐させて再度合流せしめ、該分岐させた各排気管の途中に、燃料添加装置と加熱装置とＮＯx吸蔵還元触媒とを有する排気浄化手段を配設すると共に、前記排気管の分岐箇所に、前記排気浄化手段のいずれか一方に排気ガスを振り分けて他方の排気ガスの流量を絞り込む排気分配切換手段を設けたことを特徴とする排気浄化装置。
2. 排気浄化手段の加熱装置を、通電により昇温する電熱ヒータによって構成した請求項１記載の排気浄化装置。
3. 排気浄化手段の加熱装置を、酸化触媒が担持され且つ通電により昇温する電熱ヒータによって構成した請求項１記載の排気浄化装置。

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