JP2008008201A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気温度の低い運転状態から急加速した場合に選択還元型触媒上で還元剤が処理しきれなくなるような事態を確実に回避し得るようにした排気浄化装置を提供する。
【解決手段】排気管１１の途中に選択還元型触媒１２を装備し且つ該選択還元型触媒１２の上流側に尿素水１５（還元剤）を添加してＮＯxを還元浄化するようにした排気浄化装置に関し、排気マニホールド１０（排気流路）から排気ガス９の一部を抜き出して冷却しないまま吸気管５（吸気流路）に再循環するホットＥＧＲライン２３を備え、排気温度が所定の下限温度以下となっている条件下でアクセルペダル２７の踏み込みの角加速度が所定の許容値以上となった時にホットＥＧＲライン２３を適宜な開度で開通し得るように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＮＯxを還元剤と反応させて還元浄化する選択還元型触媒を排気管の途中に装備した排気浄化装置に関するものである。

従来より、ディーゼルエンジンにおいては、排気ガスが流通する排気管の途中に、酸素共存下でも選択的にＮＯxを還元剤と反応させる性質を備えた選択還元型触媒を装備し、該選択還元型触媒の上流側に必要量の還元剤を添加して該還元剤を選択還元型触媒上で排気ガス中のＮＯx（窒素酸化物）と還元反応させ、これによりＮＯxの排出濃度を低減し得るようにしたものがある。

他方、プラント等における工業的な排煙脱硝処理の分野では、還元剤にアンモニア（ＮＨ₃）を用いてＮＯxを還元浄化する手法の有効性が既に広く知られているところであるが、自動車の場合には、アンモニアそのものを搭載して走行することに関し安全確保が困難であるため、近年においては、毒性のない尿素水を還元剤として使用することが考えられており、既に一部の車両では、尿素水を選択還元型触媒の還元剤としてＮＯxの低減化を図るシステムが実現しているという状況にある。

即ち、尿素水を選択還元型触媒の上流側で排気ガス中に添加すれば、約１７０℃以上の温度条件下で前記尿素水がアンモニアと炭酸ガスに分解され、選択還元型触媒上で排気ガス中のＮＯxがアンモニアにより良好に還元浄化されることになる。

尚、尿素水を還元剤としてＮＯxを還元浄化する選択還元型触媒を用いた排気浄化装置に関連する先行技術文献情報としては、例えば本発明と同じ出願人による下記の特許文献１等がある。
特開２００４−２７０５６５号公報

しかしながら、前述した如き従来の排気浄化装置においては、ＮＯxの発生量に見合う尿素水の添加を実行する制御が行われることになるが、渋滞時等にＮＯxの還元反応に必要な排気温度を下まわる低い排気温度での運転状態が続き、斯かる運転状態から渋滞が解消する等して急加速したような場合には、ＮＯxの発生量の急増に対応し得るよう尿素水の添加量を急激に増加しても、その添加した尿素水から生じたアンモニアが活性の低い選択還元型触媒上で処理しきれずに後方へ通り抜けてしまい、アンモニアを多く含む排気ガスが車外へ排出されてしまう虞れがあった。

特に還元剤として尿素水を使用する場合には、蒸発、加熱、アンモニア化反応、ＮＯx還元浄化反応といった一連の行程を経るのに時間がかかり、しかも、尿素水の蒸発に多くの潜熱が奪われることになるため、軽油等を還元剤として使用する場合よりも未処理分を生じ易いという事情がある。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、排気温度の低い運転状態から急加速した場合に選択還元型触媒上で還元剤が処理しきれなくなるような事態を確実に回避し得るようにした排気浄化装置を提供することを目的としている。

本発明は、排気管の途中に選択還元型触媒を装備し且つ該選択還元型触媒の上流側に還元剤を添加してＮＯxを還元浄化するようにした排気浄化装置であって、排気流路から排気ガスの一部を抜き出して冷却しないまま吸気流路に再循環するホットＥＧＲラインを備え、排気温度が所定の下限温度以下となっている条件下でアクセルペダルの踏み込みの角加速度が所定の許容値以上となった時にホットＥＧＲラインを適宜な開度で開通し得るように構成したことを特徴とするものである。

而して、このようにすれば、排気温度の低い運転状態から急加速した場合に、排気温度が所定の下限温度以下となっている条件下でアクセルペダルの踏み込みの角加速度が所定の許容値以上となることでホットＥＧＲラインが適宜な開度で開通され、急加速の初期段階で排気ガスの一部が冷却されないまま吸気流路に再循環されることになる。

このように排気ガスの一部が冷却されないまま吸気流路に再循環されると、エンジンの気筒内に取り込まれる吸気に対し比較的温度の高い排気ガスが混合され、この比較的温度の高い排気ガスを多く含む気筒内の空気が圧縮行程で圧縮されて爆発行程を迎えることにより排気温度の大幅な上昇が図られ、選択還元型触媒に対して高温の排気ガスが導入されることになる。

この結果、アクセルペダルの踏み込みにより急加速が開始されてから短時間のうちに選択還元型触媒の床温度が上昇されて触媒活性が大幅に向上し、選択還元型触媒上でのＮＯxの還元反応が促進されることになる。

しかも、急加速の初期段階からホットＥＧＲラインを通して排気ガスの一部が再循環されることにより、気筒内の燃焼温度が抑制されてＮＯxの発生自体が著しく低減されるので、選択還元型触媒上で処理しなければならないＮＯxの処理量が少なくなり、前述の選択還元型触媒の触媒活性が向上する作用と相俟って、選択還元型触媒上で還元剤が余剰することなく効率良くＮＯxが還元浄化されることになる。

また、本発明をより具体的に実施するに際しては、還元剤を尿素水として、選択還元型触媒を酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させ得る性質を有するものとすることが可能であり、更には、排気温度を検出する温度センサと、アクセルペダルの踏み込み角を検出するアクセルセンサと、これら温度センサ及びアクセルセンサからの検出信号に基づいて排気温度が所定の下限温度以下で且つアクセルペダルの踏み込みの角加速度が所定の許容値以上であると判定された時にホットＥＧＲラインを適宜な開度で開通する制御装置とを備えたものとすることが可能である。

上記した本発明の排気浄化装置によれば、排気温度の低い運転状態から急加速した場合であっても、アクセルペダルの踏み込みにより急加速が開始されてから短時間のうちに選択還元型触媒の床温度を上昇させて触媒活性を大幅に向上し、選択還元型触媒上でのＮＯxの還元反応を著しく促進することができ、しかも、この際に排気ガスの一部を再循環することでＮＯxの発生自体を著しく低減して選択還元型触媒上で処理しなければならないＮＯxの処理量を少なくすることもできるので、選択還元型触媒上で還元剤が処理しきれなくなるような事態を確実に回避することができ、未処理の還元剤を多く含む排気ガスが車外へ排出されてしまう虞れを未然に防止することができ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図面を参照しつつ説明する。

図１は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１中における１はターボチャージャ２を装備したディーゼルエンジンを示しており、エアクリーナ３から導かれた吸気４が吸気管５を通し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへと送られ、該コンプレッサ２ａで加圧された吸気４がインタークーラ６へと送られて冷却され、該インタークーラ６から更に吸気マニホールド７へと吸気４が導かれてディーゼルエンジン１の各気筒８（図１では直列６気筒の場合を例示している）に分配されるようになっている。

一方、このディーゼルエンジン１の各気筒８から排出された排気ガス９は、排気マニホールド１０を介しターボチャージャ２のタービン２ｂへと送られ、該タービン２ｂを駆動した排気ガス９が排気管１１を介し車外へ排出されるようにしてある。

また、この排気管１１の途中には、酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させ得る性質を備えた選択還元型触媒１２が触媒ケーシング１３に抱持されて装備されており、この選択還元型触媒１２の後段には、該選択還元型触媒１２を未反応のまま通過した余剰のアンモニアを酸化処理するＮＨ₃スリップ防止触媒１４が装備されている。

そして、この選択還元型触媒１２の入側と、所要場所に設けられて尿素水１５を貯蔵するタンク１６との間が添加ライン１７により接続されていて、該添加ライン１７の途中に装備したポンプ１８の駆動によりタンク１６内の尿素水１５が抜き出されるようになっている。

また、添加ライン１７のポンプ１８より下流側に添加バルブ１９が設けられ、該添加バルブ１９に対しエアタンク２０からプロテクションバルブ２１を介して加圧空気を導く添加用エアライン２２が接続されており、前記添加バルブ１９にて添加用エアライン２２からの加圧空気の流れに尿素水１５を随伴させてエア吹きにより前記選択還元型触媒１２の入側に還元剤として噴霧し得るようにしてある。

ここで、前記エアタンク２０は、従来よりバスやトラック等の車両に搭載されているもので、図示しないエンジン駆動のエアコンプレッサにより昇圧された加圧空気をドライヤを通して湿分を除去した上で貯えるようにしたものである。

更に、図１に図示している例では、排気流路の一部を成す排気マニホールド１０における各気筒８の並び方向の一端部と、吸気マニホールド７に接続されている吸気管５（吸気流路）の一端部との間がホットＥＧＲライン２３で接続されており、排気マニホールド１０から抜き出した排気ガス９の一部を冷却しないままＥＧＲバルブ２４を介して吸気管５に再循環するようにしてあり、このホットＥＧＲライン２３のＥＧＲバルブ２４は、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置２５からの開度指令信号２４ａにより適宜な開度に制御されるようになっている。

また、この制御装置２５には、排気管１１における選択還元型触媒１２の入側に設置されて排気温度を検出する温度センサ２６からの検出信号２６ａと、アクセルペダル２７の踏み込み角を検出するアクセルセンサ２８からの検出信号２８ａとが入力されるようになっており、これら温度センサ２６及びアクセルセンサ２８からの検出信号２６ａ，２８ａに基づいて、排気温度が所定の下限温度以下で且つアクセルペダル２７の踏み込みの角加速度が所定の許容値以上であると判定された時に、ＥＧＲバルブ２４を適宜な開度で開操作してホットＥＧＲライン２３を閉塞するようにしてある。

ただし、温度センサ２６からの検出信号２６ａに基づいて、選択還元型触媒１２に導入される排気ガス９の温度が所定温度まで到達したことが確認された時には、前記ＥＧＲバルブ２４を閉止してホットＥＧＲライン２３を閉塞状態に戻すようにしてあるが、排気温度の上昇に応じて段階的にＥＧＲバルブ２４の開度を絞り込んで閉止するようにしても良い。

尚、ここで図示している例では、排気管１１における選択還元型触媒１２の入側に温度センサ２６を設置し、この温度センサ２６からの検出信号２６ａに基づいて、選択還元型触媒１２に導入される排気ガス９の温度を確認するようにしているが、エンジン冷却水の温度等を代用値として用いても良く、更には、ディーゼルエンジン１の回転数と負荷（アクセル開度）に基づき排気温度の推定値を制御マップから読み出して確認するようにしても良い。

而して、このように排気浄化装置を構成すれば、ＮＯxの還元反応に必要な排気温度を下まわるような排気温度の低い運転状態から急加速した場合に、温度センサ２６及びアクセルセンサ２８からの検出信号２６ａ，２８ａに基づいて、排気温度が所定の下限温度以下で且つアクセルペダル２７の踏み込みの角加速度が所定の許容値以上となったことが制御装置２５で検知され、該制御装置２５からＥＧＲバルブ２４へ向け開度指令信号２４ａが出力されてホットＥＧＲライン２３が適宜な開度で開通され、急加速の初期段階で排気ガス９の一部が冷却されないまま吸気管５に再循環されることになる。

このように排気ガス９の一部が冷却されないまま吸気管５に再循環されると、ディーゼルエンジン１の気筒８内に取り込まれる吸気４に対し比較的温度の高い排気ガス９が混合され、この比較的温度の高い排気ガス９を多く含む気筒８内の空気が圧縮行程で圧縮されて爆発行程を迎えることにより排気温度の大幅な上昇が図られ、選択還元型触媒１２に対して高温の排気ガス９が導入されることになる。

この結果、アクセルペダル２７の踏み込みにより急加速が開始されてから短時間のうちに選択還元型触媒１２の床温度が上昇されて触媒活性が大幅に向上し、選択還元型触媒１２上でのＮＯxの還元反応が促進されることになる。

しかも、急加速の初期段階からホットＥＧＲライン２３を通して排気ガス９の一部が再循環されることにより、気筒８内の燃焼温度が抑制されてＮＯxの発生自体が著しく低減されるので、選択還元型触媒１２上で処理しなければならないＮＯxの処理量が少なくなり、前述の選択還元型触媒１２の触媒活性が向上する作用と相俟って、選択還元型触媒１２上でアンモニアが余剰することなく効率良くＮＯxが還元浄化されることになる。

尚、選択還元型触媒１２に導入される排気ガス９の温度が所定温度まで到達したことが温度センサ２６により確認されたら、前記ＥＧＲバルブ２４は閉止してホットＥＧＲライン２３が閉塞されることになるが、この段階では選択還元型触媒１２の触媒活性が向上して該選択還元型触媒１２によるＮＯxの処理量が十分に増大しているので、もはやホットＥＧＲライン２３を通した排気ガス９の再循環は不要となる。

従って、上記形態例によれば、排気温度の低い運転状態から急加速した場合であっても、アクセルペダル２７の踏み込みにより急加速が開始されてから短時間のうちに選択還元型触媒１２の床温度を上昇させて触媒活性を大幅に向上し、選択還元型触媒１２上でのＮＯxの還元反応を著しく促進することができ、しかも、この際に排気ガス９の一部を再循環することでＮＯxの発生自体を著しく低減して選択還元型触媒１２上で処理しなければならないＮＯxの処理量を少なくすることもできるので、選択還元型触媒１２上でアンモニアが処理しきれなくなるような事態を確実に回避することができ、未処理のアンモニアを多く含む排気ガス９が車外へ排出されてしまう虞れを未然に防止することができる。

尚、本発明の排気浄化装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、選択還元型触媒に対し軽油等の尿素水以外の還元剤を添加する形式の排気浄化装置にも同様に適用し得ること、また、ホットＥＧＲラインは、排気管の途中から排気ガスを抜き出したり、吸気マニホールドに排気ガスを再循環させたりする形式のものであっても良いこと、その他、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。

符号の説明

１ ディーゼルエンジン（エンジン）
５ 吸気管（吸気流路）
９ 排気ガス
１０ 排気マニホールド（排気流路）
１１ 排気管
１２ 選択還元型触媒
１５ 尿素水（還元剤）
２３ ホットＥＧＲライン
２４ ＥＧＲバルブ
２４ａ 開度指令信号
２５ 制御装置
２６ 温度センサ
２６ａ 検出信号
２７ アクセルペダル
２８ アクセルセンサ
２８ａ 検出信号

Claims (3)

1. 排気管の途中に選択還元型触媒を装備し且つ該選択還元型触媒の上流側に還元剤を添加してＮＯxを還元浄化するようにした排気浄化装置であって、排気流路から排気ガスの一部を抜き出して冷却しないまま吸気流路に再循環するホットＥＧＲラインを備え、排気温度が所定の下限温度以下となっている条件下でアクセルペダルの踏み込みの角加速度が所定の許容値以上となった時にホットＥＧＲラインを適宜な開度で開通し得るように構成したことを特徴とする排気浄化装置。
2. 還元剤が尿素水であり、選択還元型触媒が酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させ得る性質を有するものであることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 排気温度を検出する温度センサと、アクセルペダルの踏み込み角を検出するアクセルセンサと、これら温度センサ及びアクセルセンサからの検出信号に基づいて排気温度が所定の下限温度以下で且つアクセルペダルの踏み込みの角加速度が所定の許容値以上であると判定された時にホットＥＧＲラインを適宜な開度で開通する制御装置とを備えた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。

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