JP2007192148A - 内燃機関の排気浄化装置及び排気浄化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガスの温度が低い場合にＮＯ_X触媒を速やかに昇温活性化させることができる内燃機関の排気浄化装置及び排気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、内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯ_Xを選択的に還元するためのＮＯ_X触媒と、ＮＯ_X触媒の上流側で排気通路内に還元剤を噴射するための還元剤噴射装置と、を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、ＮＯ_X触媒の上流側に酸化触媒を備えるとともに、当該酸化触媒のさらに上流側にＮＯ_X触媒を昇温させるための加熱手段を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置及び排気浄化方法に関する。特に、還元剤を用いて排気ガス中のＮＯ_Xを選択的に還元させる内燃機関の排気浄化装置及び排気浄化方法に関する。

従来、ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気ガス中には、環境汚染を及ぼす窒素酸化物（以下、ＮＯ_Xと称する）等が含まれている。このＮＯ_Xを還元して排気ガスを浄化するために用いられる浄化装置としてＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムが知られている。

このＳＣＲシステムは、ＮＯ_X触媒に流入する排気ガス中に尿素や燃料ガス（ＨＣ）等の還元剤を供給し、ＮＯ_X触媒においてＮＯ_X（ＮＯやＮＯ₂）と還元剤とを還元反応させて、窒素や水、二酸化炭素等に効率的に分解して放出するものである。かかるＳＣＲシステムにおける還元剤の供給方法としては、図４に示すように、タンク３０７内に貯蔵された液体の還元剤を、液体還元剤供給ポンプ３０６によって液体の還元剤を圧送し、排気管３０２内に配置された噴射ノズル３２０を介して、ＮＯ_Xを吸収した触媒３０３に対して供給することが一般的である（特許文献１参照）。
特開２０００−２７６２７号公報 （特許請求の範囲 図１）

しかしながら、特許文献１に記載されたようなＳＣＲシステムにおいて、内燃機関がアイドリング運転状態にある場合等、排気ガスの温度が低く、ＮＯ_X触媒が活性化温度に達していない場合には、ＮＯ_X触媒において効率的な還元反応が行われないおそれがある。また、この場合には、還元剤としてのＨＣや、尿素が排気ガス中の熱によって加水分解されて生成されるアンモニアが、未反応のまま大気に放出され、環境の汚染化を招くおそれがある。

そこで、本発明の発明者らは鋭意努力し、ＮＯ_X触媒の上流側に酸化触媒を備えるとともに、当該酸化触媒のさらに上流側に加熱手段を備えることにより、このような問題を解決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、ＮＯ_X触媒の温度が低下した際に、当該ＮＯ_X触媒を効率的に昇温活性化させ、ＮＯ_Xの還元効率の低下を防止できる内燃機関の排気浄化装置及び排気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、内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯ_Xを選択的に還元するためのＮＯ_X触媒と、ＮＯ_X触媒の上流側で排気通路内に還元剤を噴射するための還元剤噴射装置と、を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、ＮＯ_X触媒の上流側に酸化触媒を備えるとともに、当該酸化触媒のさらに上流側にＮＯ_X触媒を昇温させるための加熱手段を備えた内燃機関の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、本発明の内燃機関の排気浄化装置を構成するにあたり、酸化触媒の入口及びＮＯ_X触媒の入口に、温度センサをそれぞれ備えることが好ましい。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置を構成するにあたり、加熱手段が燃焼バーナであることが好ましい。

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中に還元剤を噴射し、当該還元剤が混合された排気ガスをＮＯ_X触媒に流入させることにより、排気ガス中のＮＯ_Xを還元して排気ガスを浄化する内燃機関の排気浄化方法であって、ＮＯ_X触媒に流入する排気ガスの温度が所定温度以下となったときに、ＮＯ_X触媒の上流側に備えられた酸化触媒のさらに上流側で加熱手段を作動させて、排気ガスの温度を上昇させるとともに、当該温度が上昇した排気ガスを酸化触媒を通過させた後ＮＯ_X触媒に流入させることにより、ＮＯ_X触媒を昇温させる内燃機関の排気浄化方法である。

また、本発明の内燃機関の排気浄化方法を実施するにあたり、加熱手段が燃焼バーナであって、燃焼バーナを燃焼させる際に、酸化触媒に流入する排気ガスの温度に対応させて、燃焼バーナの出力を調整することが好ましい。

本発明の内燃機関の排気浄化装置及び排気浄化方法によれば、ＮＯ_X触媒の上流側に配置された加熱手段及び酸化触媒を用いて、ＮＯ_X触媒に流入する排気ガスの温度を効率的に上昇させることができる。したがって、内燃機関がアイドリング状態にある場合等、排気ガスの温度が低下している場合に、ＮＯ_X触媒を速やかに昇温活性化させて、排気ガス中のＮＯ_Xを効率的に還元させることができる。
また、ＮＯ_Xの還元効率の低下を防ぐことができることから、ＨＣや尿素等の還元剤が大気中に放出されて環境の汚染化につながることを抑止できる。

以下、図面を参照して、本発明の内燃機関の排気浄化装置及び排気浄化方法に関する実施形態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
本実施形態の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路中に配置され、前記内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯ_Xを選択的に還元するためのＮＯ_X触媒と、前記ＮＯ_X触媒の上流側で前記排気通路内に還元剤を噴射するための還元剤噴射装置と、を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、ＮＯ_X触媒の上流側に酸化触媒を備えるとともに、当該酸化触媒のさらに上流側にＮＯ_X触媒を昇温させるための加熱手段を備えることを特徴とする。
以下、内燃機関における排気浄化装置の構成について、図１及び図２に基づいて具体的に説明する。

（１）内燃機関及び排気通路
排気ガスを排出する内燃機関５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、現状においてＮＯ_Xの浄化が課題とされる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、内燃機関の回転数や、燃料噴射量、燃料噴射タイミング等を検出する内燃機関の運転状態検出手段１７を備えるとともに、当該検出結果を考慮して、ＮＯ_X濃度を推定したり、還元剤噴射量を制御したりできるように構成してあることが好ましい。
また、排気通路１１は、内燃機関５の排気ガスの排出口に接続されており、その途中に、ＮＯ_Xを還元するためのＮＯ_X触媒１３が備えられる。かかる排気通路の断面形状は、円形、楕円、あるいは角柱の排気通路等、特に制限されるものではない。

（２）ＮＯ_X触媒
本発明の排気浄化装置１０に用いられるＮＯ_X触媒１３は、還元剤噴射装置３０によって供給される還元剤を用いて、排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを選択的に還元するための触媒である。
使用できるＮＯ_X触媒は特に制限されるものではなく、公知のもの、例えば、多孔質担体上に、活性成分としてのストロンチウム又はバリウム、及びマグネシウム等のアルカリ土類金属や、セリウムとランタン等の希土類金属、白金とロジウム等の貴金属等を含むものを用いることができる。

（３）還元剤噴射装置
還元剤噴射装置３０は、ＮＯ_X触媒１３において排気ガス中のＮＯ_Xを還元させる還元剤を、ＮＯ_X触媒１３の上流側で排気通路１１中に噴射するための装置である。
かかる還元剤噴射装置３０は、一例として、図２に示すような構成とすることができる。この還元剤噴射装置３０は、液体の還元剤が貯蔵された貯蔵タンク３１と、貯蔵タンクからポンプによって汲み上げられた還元剤を混合室内に噴射するインジェクタ３６と、インジェクタ３６から噴射された還元剤に対して高圧エアを混合して霧状の還元剤とするためのエアポンプ３３と、霧状にされた還元剤５をＮＯ_X触媒１３の上流側で排気通路１１中に噴射する噴射ノズル１５と、を備えている。すなわち、貯蔵タンク３１内の液体の還元剤をインジェクタ３６により混合室内に噴射するとともに、エアポンプ３３で発生させた高圧エアを混合室内に送り込み、還元剤を霧状にした上で、噴射ノズル１５を介して排気通路中に噴射させることができる。

また、液体の還元剤としては、尿素水、アンモニア水溶液が典型的であるが、燃料（ＨＣ）を用いることもでき、さらには、ＮＯ_Xを還元させることができるものであれば、好適に使用することができる。
例えば、尿素水を使用した場合には、排気通路中に噴射された尿素が排気ガス中の熱によって加水分解することによりアンモニア（ＮＨ₃）が精製され、このＮＨ₃と排気ガス中のＮＯ_X（ＮＯやＮＯ₂）がＮＯ_X触媒中で反応することによりＮＯ_Xが還元され、窒素（Ｎ₂）と水（Ｈ₂Ｏ）に分解されて排出される。

（４）酸化触媒
酸化触媒１９は、ＮＯ_X触媒１３の上流側に配置され、主として、排気ガス中に含まれるＨＣやＣＯを酸化することにより、その酸化熱を利用して排気ガスを昇温させるための触媒である。
使用できる酸化触媒は特に制限されるものではなく、公知のもの、例えば、アルミナに白金を担持させたものに、所定量のセリウム等の希土類元素を添加したものを用いることができる。
なお、本発明の排気浄化措置１０では、酸化触媒１９は、還元剤の噴射位置（噴射ノズル１５の配置位置）よりも上流側に配置される。これによって、噴射された還元剤が酸化触媒によって酸化され、還元剤の消費量が増加することを防ぐことができる。

（５）加熱手段
加熱手段２０は、酸化触媒１９の上流側に配置され、ＮＯ_X触媒１３を昇温活性化させるための手段である。すなわち、内燃機関から排出される排気ガスの温度が低下している場合等に加熱手段を作動させ、排気ガスを加熱することにより、一次的には酸化触媒を昇温活性化させて排気ガスの温度をさらに上昇させ、当該昇温された排気ガスをＮＯ_X触媒に流入させることで、二次的にＮＯ_X触媒を昇温活性化させる。これによって、内燃機関がアイドリング状態にある場合等、排気ガスの温度が低いためにＮＯ_X触媒の温度が低下しており、ＮＯ_Xの還元効率が低下している場合に、ＮＯ_X触媒を速やかに昇温活性化させてＮＯ_Xの還元効率を向上させることができる。

この加熱手段２０としては、電気ヒータや燃焼バーナ等、種々のものが挙げられ、特に制限されるものではない。ただし、必要十分な出力に調整でき、熱効率がより高いことから、燃焼バーナを用いることが好ましい。この燃焼バーナは、拡散燃焼型、予混合型、さらには、エアアシスト式のバーナ等、あらゆる態様で用いることができる。

（６）温度センサ
本実施形態の排気浄化装置１０において、酸化触媒１９の入口及びＮＯ_X触媒１３の入口に、温度センサ２１、２３をそれぞれ備えることが好ましい。すなわち、内燃機関から排出される排気ガスの温度や、ＮＯ_X触媒に流入する排気ガスの温度について、内燃機関の運転状況等に基づいて推定することもできるが、温度センサを備えることにより、精度よく温度を測定することができる。
この温度センサについても、公知のものを適宜使用することができる。

（７）制御手段
また、本実施形態の排気浄化装置１０は、ＮＯ_X触媒１３に流入する排気ガスの温度に基づいて、加熱手段２０を作動させる制御手段２５を備えている。すなわち、ＮＯ_X触媒１３の入口に配置された温度センサ２１によって測定された温度信号や、内燃機関５の運転状況から推定される温度信号に基づいて、加熱手段２０の電源をオンオフするための手段である。
また、加熱手段が燃焼バーナである場合に、酸化触媒の上流側に配置された温度センサによって測定された温度信号や、内燃機関の運転状況から推定される温度信号に対応させて、燃焼バーナの出力を調整可能に構成させることもできる。

２．排気浄化方法
次に、これまで説明した本実施形態の内燃機関の排気浄化装置を用いて行われる排気浄化方法について、図１及び図３のフローを参照しつつ説明する。
かかる内燃機関の排気浄化方法は、内燃機関から排出される排気ガス中に還元剤を噴射し、当該還元剤が混合された排気ガスをＮＯ_X触媒に流入させることにより、排気ガス中のＮＯ_Xを還元して排気ガスを浄化する内燃機関の排気浄化方法であって、ＮＯ_X触媒に流入する排気ガスの温度が所定温度以下となったときに、ＮＯ_X触媒の上流側に備えられた酸化触媒のさらに上流側で加熱手段を作動させて、排気ガスの温度を上昇させるとともに、当該温度が上昇した排気ガスを酸化触媒を通過させた後ＮＯ_X触媒に流入させることにより、ＮＯ_X触媒を昇温させることを特徴とする内燃機関の排気浄化方法である。
なお、以下の排気浄化方法は、加熱手段として燃焼バーナを用いた例である。

図１に示す排気浄化装置１０において、内燃機関５から排出される排気ガスは、含まれるＨＣ及びＣＯが酸化触媒１９において酸化され、その酸化熱によって昇温される。また、この排気ガスに対して、酸化触媒１９の下流側であってＮＯ_X触媒１３の上流側に配置された還元剤噴射装置３０の噴射ノズル１５から還元剤が噴射され、排気ガス中に還元剤が混合された状態で、ＮＯ_X触媒１３に流入する。そして、還元剤によって排気ガス中のＮＯ_Xが還元されることにより、排気ガスが浄化される。

ここで、温度センサ２１を用いて測定したり、あるいは、内燃機関における回転数、燃料噴射量、燃料噴射タイミング等から推定したりすることにより、ＮＯ_X触媒１３に流入する排気ガスの温度を継続的に読み取る（Ｓ１）。この測定されるＮＯ_X触媒１３上流側の排気ガスの温度（Ｄ）が、触媒が活性化する温度（Ｄｎ：例えば２００℃）以上にあるかを判定する（Ｓ２）。
例えば、内燃機関５が通常運転状態にあり、ＮＯ_X触媒１３に流入する排気ガスが所定温度以上である場合には、ＮＯ_X触媒１３が活性化状態にあり、ＮＯ_X触媒１３におけるＮＯ_Xの還元効率が極端に低下していることはない。したがって、この場合には、燃焼バーナ２０を作動させることなく、引き続き排気ガスの温度を読み取る（Ｓ１に戻る）。
なお、ＮＯ_X触媒１３の活性化温度は、触媒の仕様に応じて変化するものであり、上述の２００℃に限定されるものではない。

一方、内燃機関５がアイドリング状態にあり、ＮＯ_X触媒１３に流入する排気ガスが所定温度未満（例えば２００℃未満）となった場合には、ＮＯ_X触媒１３が活性化状態にないために、ＮＯ_Xの還元効率が低下することとなる。また、この状態においては、酸化触媒１９も活性化状態にないものと考えられる。したがって、このような場合には、燃焼バーナ２０を作動させる（Ｓ３）。これによって、酸化触媒１９の上流側における排気ガスの温度が上昇する。

次いで、検知手段１７によって内燃機関５における吸入空気流量や燃料噴射量を読み取るとともに（Ｓ４）、温度センサ２３を用いたり、内燃機関５の回転数や燃焼噴射量、燃料噴射タイミング等から推定したりして、酸化触媒１９に流入する排気ガスの温度を読み取る（Ｓ５）。そして、測定される酸化触媒１９上流側の排気ガスの温度が所定温度（例えば３００℃）となるように、燃焼バーナ２０の出力を調整する（Ｓ６）。これによって、酸化触媒１９を活性化させて、排気ガスの温度をさらに昇温させることができるとともに、燃焼バーナ２０の出力が過度に大きくなって、燃焼消費量が増加したり、酸化触媒１９やＮＯ_X触媒１３が熱損傷したりすることを防止することができる。すなわち、熱効率の向上を図ることができる。
なお、酸化触媒１９の活性化温度についても、触媒の仕様に応じて変化するものであり、上述の３００℃に限定されるものではない。

このように燃焼バーナ２０の出力の調整を行いながら、燃焼バーナ２０の出力が０以下となるかを判定する（Ｓ７）。
例えば、酸化触媒１９に流入する排気ガスの温度が所定温度を超えるため、燃焼バーナ２０の出力が０となった場合には、速やかに燃焼バーナ２０を消化する（Ｓ１０）。
一方、内燃機関５から排出される排気ガスの温度が低く、未だ酸化触媒１９に流入する排気ガスの温度が所定温度未満である場合には、燃焼バーナ２０の出力は０を超える状態に保たれ、再び、ＮＯ_X触媒１３に流入する排気ガスの温度を読み取る（Ｓ８）。

この測定されるＮＯ_X触媒１３上流側の排気ガスの温度（Ｄ）が、触媒が活性化する温度（Ｄｎ：例えば２００℃）以上にあるかを判定する（Ｓ９）。そして、ＮＯ_X触媒１３に流入する排気ガスが未だ所定温度未満である場合には、ＮＯ_X触媒１３が活性化状態にないために、引き続き燃焼バーナ２０を燃焼させるとともに、Ｓ４に戻り、同様のステップを繰り返す。一方、ＮＯ_X触媒１３に流入する排気ガスが所定温度以上となった場合には、ＮＯ_X触媒１３が活性化状態に戻されるため、速やかに燃焼バーナ２０を消化する（Ｓ１０）。
その後は、再びＳ１に戻り、同様のステップが繰り返される。

以上説明したように、本発明の内燃機関の排気浄化装置、排気浄化方法によれば、内燃機関がアイドリング状態等にあることから排気ガスの温度が低く、ＮＯ_X触媒の温度が低下してＮＯ_Xの還元効率が低下しているような場合に、加熱手段及び酸化触媒を用いて速やかに排気ガスを昇温し、ＮＯ_X触媒を活性化させることができる。したがって、ＮＯ_Xの還元効率を向上させることができるとともに、噴射した還元剤が未反応のまま大気中に放出されることを防ぐことができる。

本発明の内燃機関の排気浄化装置の構成を説明するために供する図である。 本実施形態の排気浄化装置に適用可能な還元剤噴射装置の構成例を示す図である。 本実施形態の内燃機関の排気浄化方法を示すフロー図である。 従来の排気浄化装置の構成を説明するために供する図である。

符号の説明

５：還元剤、１０：排気浄化装置、１１：排気通路、１３：ＮＯ_X触媒、１５：噴射ノズル、１７：運転状態検知手段、１９：酸化触媒、２０：加熱手段、２１・２３：温度センサ、２５：制御手段、３０：還元剤噴射装置、３１：貯蔵タンク、３３：エアポンプ、３５：ポンプ、３６：インジェクタ

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路中に配置され、前記内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯ_Xを選択的に還元するためのＮＯ_X触媒と、前記ＮＯ_X触媒の上流側で前記排気通路内に還元剤を噴射するための還元剤噴射装置と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
   前記ＮＯ_X触媒の上流側に酸化触媒を備えるとともに、当該酸化触媒のさらに上流側に前記ＮＯ_X触媒を昇温させるための加熱手段を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記酸化触媒の入口及びＮＯ_X触媒の入口に、温度センサをそれぞれ備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記加熱手段が燃焼バーナであることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 内燃機関から排出される排気ガス中に還元剤を噴射し、当該還元剤が混合された排気ガスをＮＯ_X触媒に流入させることにより、前記排気ガス中のＮＯ_Xを還元して前記排気ガスを浄化する内燃機関の排気浄化方法において、
   前記ＮＯ_X触媒に流入する前記排気ガスの温度が所定温度以下となったときに、前記ＮＯ_X触媒の上流側に備えられた酸化触媒のさらに上流側で加熱手段を作動させて、前記排気ガスの温度を上昇させるとともに、当該温度が上昇した排気ガスを前記酸化触媒を通過させた後前記ＮＯ_X触媒に流入させることにより、前記ＮＯ_X触媒を昇温させることを特徴とする内燃機関の排気浄化方法。
5. 前記加熱手段が燃焼バーナであって、当該燃焼バーナを燃焼させる際に、前記酸化触媒に流入する前記排気ガスの温度に対応させて、前記燃焼バーナの出力を調整することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気浄化方法。

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