JP2008045445A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯx吸蔵還元触媒を用いた排気浄化装置における燃費の悪化を従来より改善する。
【解決手段】排気管１１の途中にＮＯx吸蔵還元触媒１３を装備し且つ該ＮＯx吸蔵還元触媒１３の入側に燃料添加弁１４（第一の燃料添加手段）により燃料を添加してＮＯxを還元浄化するようにした排気浄化装置に関し、燃料添加弁１４の燃料添加位置より上流側の排気管１１から排気ガス９を抜き出して前記燃料添加位置の直前に導くバイパス管１５と、該バイパス管１５の途中に装備されて排気空燃比がリーンの時に排気ガス９中の酸素を吸蔵し且つ排気空燃比がリッチの時に吸蔵酸素を放出する酸素吸蔵材１６と、該酸素吸蔵材１６の入側に燃料を添加する燃料添加弁１７（第二の燃料添加手段）と、排気ガス９の流れを適宜に前記バイパス管１５側へ振り替える流路切替バルブ１８（流路切替手段）とを備える。
【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、排気ガス中の酸素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。

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酸素濃度を低下させて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（機関をリッチ空燃比で運転）することにより、排気ガス中の酸素濃度を低下し且つ排気ガス中の未燃ＨＣやＣＯ等の還元成分を増加して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吸蔵還元触媒上で酸素と反応させることで排気ガス中の酸素濃度を低下させる必要があった（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−３５６１２７号公報

しかしながら、このように燃料添加により排気ガス中の酸素濃度を低下させてＮＯx吸蔵還元触媒の再生を図る方式では、ＮＯx吸蔵還元触媒の雰囲気中の酸素が添加燃料との酸化反応により十分に消費され尽くし、これによりリッチ状態が周囲に形成されてから吸蔵ＮＯxの還元浄化が初めて進行することになるため、排気ガス中の酸素濃度が高いほど燃料の添加量が多く必要となって燃費の悪化を招いてしまうという問題があった。

本発明は、上述の実情に鑑みてなされたものであり、ＮＯx吸蔵還元触媒を用いた排気浄化装置における燃費の悪化を従来より改善することを目的としている。

本発明は、排気管の途中にＮＯx吸蔵還元触媒を装備し且つ該ＮＯx吸蔵還元触媒の入側に第一の燃料添加手段により燃料を添加してＮＯxを還元浄化するようにした排気浄化装置であって、前記第一の燃料添加手段の燃料添加位置より上流側の排気管から排気ガスを抜き出して前記燃料添加位置の直前に導くバイパス管と、該バイパス管の途中に装備されて排気空燃比がリーンの時に排気ガス中の酸素を吸蔵し且つ排気空燃比がリッチの時に吸蔵酸素を放出する酸素吸蔵材と、該酸素吸蔵材の入側に燃料を添加する第二の燃料添加手段と、排気ガスの流れを適宜に前記バイパス管側へ振り替える流路切替手段とを備え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、流路切替手段により排気ガスの流れをバイパス管を経由せずにＮＯx吸蔵還元触媒へ直接向かう流れに切り替えた際に、該ＮＯx吸蔵還元触媒に排気ガス中のＮＯxが硝酸塩の状態で吸蔵されてＮＯxの低減が図られる。

また、ＮＯx吸蔵還元触媒を再生するに際し、流路切替手段により排気ガスの流れをバイパス管側に切り替えると、該バイパス管の酸素吸蔵材を通過する間に排気ガス中の酸素が前記酸素吸蔵材に吸蔵され、ＮＯx吸蔵還元触媒に対し酸素濃度が低下した排気ガスが導入される。

斯かる状態で第一の燃料添加手段によりＮＯx吸蔵還元触媒の入側に燃料を添加すると、該ＮＯx吸蔵還元触媒に導入される排気ガスの酸素濃度が既に低下していることから比較的少ない添加量でも排気ガスの空気過剰率が効果的に低下して排気空燃比が急速にリッチ状態となり、ＮＯx吸蔵還元触媒からＮＯxが分解放出されて効率良く再生が図られる一方、その放出されたＮＯxが残余の燃料成分（主として炭化水素）と反応して還元浄化される。

即ち、このようにバイパス管側へ排気ガスの流れを切り替えてＮＯx吸蔵還元触媒の再生を行えば、添加された燃料のうちで酸素消費に用いられる量が少なくて済み、添加燃料の大半をＮＯxの還元浄化のみに用いることが可能となるので、必要最小限の燃料添加により効率良くＮＯx吸蔵還元触媒の再生を図ることが可能となる。

そして、ＮＯx吸蔵還元触媒の再生が完了した後に、流路切替手段により排気ガスの流れをバイパス管を経由せずにＮＯx吸蔵還元触媒へ直接向かう流れに切り替えると、バイパス管側への排気ガスの流れが絞り込まれてＮＯx吸蔵還元触媒によるＮＯxの吸蔵が再開されることになる。

この際、第二の燃料添加手段により酸素吸蔵材の入側に燃料添加を行うと、バイパス管における排気ガスの流量が絞り込まれていることから僅かな添加量でも排気空燃比が直ちにリッチ状態となり、しかも、バイパス管内の排気ガスの流速が極度に遅くなっていることから十分な反応時間も確保されるので、僅かな燃料添加により酸素吸蔵材に吸蔵された酸素を効率良く放出させて酸素吸蔵材の再生を図ることが可能となる。

上記した本発明の排気浄化装置によれば、排気ガスをバイパス管へ流して酸素吸蔵材に酸素を吸蔵させることで排気ガスの酸素濃度を下げ、これにより必要最小限の燃料添加で効率良くＮＯx吸蔵還元触媒の再生を図ることができ、しかも、排気ガスの流れを絞り込んだ状態とすることで前記酸素吸蔵材の再生を僅かな燃料添加で実現することもできるので、ＮＯx吸蔵還元触媒を用いた排気浄化装置における燃費の悪化を従来より大幅に改善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〜図３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に分配されるようになっている。

更に、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の途中に装備された触媒ケース１２内には、排気空燃比がリーンの時に排気ガス９中のＮＯxを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し且つ排気ガス９中の酸素濃度が低下した時に還元剤の介在によりＮＯxを分解放出して還元浄化するＮＯx吸蔵還元触媒１３が収容されており、該ＮＯx吸蔵還元触媒１３へ向けた燃料添加を実行するための燃料添加弁１４が第一の燃料添加手段として触媒ケース１２の入側に装備されている。

そして、この燃料添加弁１４の燃料添加位置より上流側の排気管１１から排気ガス９を抜き出して前記燃料添加位置の直前に導くバイパス管１５が備えられていると共に、該バイパス管１５の途中に排気空燃比がリーンの時に排気ガス９中の酸素を吸蔵し且つ排気空燃比がリッチの時に吸蔵酸素を放出する酸素吸蔵材１６が収容されている。

ここで、前述の如き酸素吸放出特性を有する物質としては、セリウムの酸化物であるセリアが代表的なものとして知られているので、例えば、このセリアを原料としてフロースルー型のハニカム構造とした担体に担持せしめて酸素吸蔵材１６を構成するようにすれば良い。

また、前記酸素吸蔵材１６の入側には、燃料を添加する燃料添加弁１７が第二の燃料添加手段として装備されていると共に、前記バイパス管１５の入口部には、排気ガス９の流れを適宜にバイパス管１５側へ振り替える流路切替バルブ１８が流路切替手段として配設されている。

尚、図１中における１９は排気マニホールド１０から排気ガス９の一部を抜き出して吸気マニホールド７の入口部に再循環するＥＧＲパイプ、２０は該ＥＧＲパイプ１９の途中に装備されて排気ガス９を水冷するＥＧＲクーラ、２１はＥＧＲパイプ１９の再循環量を制御するＥＧＲバルブを示す。

而して、図１に示すように、流路切替バルブ１８により排気ガス９の流れをバイパス管１５を経由せずにＮＯx吸蔵還元触媒１３へ直接向かう流れに切り替えた際に、該ＮＯx吸蔵還元触媒１３に排気ガス９中のＮＯxが硝酸塩の状態で吸蔵されてＮＯxの低減が図られる。

また、図２に示すように、ＮＯx吸蔵還元触媒１３を再生するに際し、流路切替バルブ１８により排気ガス９の流れをバイパス管１５側に切り替えると、該バイパス管１５の酸素吸蔵材１６を通過する間に排気ガス９中の酸素が前記酸素吸蔵材１６に吸蔵され、ＮＯx吸蔵還元触媒１３に対し酸素濃度が低下した排気ガス９が導入される。

斯かる状態で燃料添加弁１４によりＮＯx吸蔵還元触媒１３の入側に燃料を添加すると、該ＮＯx吸蔵還元触媒１３に導入される排気ガス９の酸素濃度が既に低下していることから比較的少ない添加量でも排気ガス９の空気過剰率が効果的に低下して排気空燃比が急速にリッチ状態となり、ＮＯx吸蔵還元触媒１３からＮＯxが分解放出されて効率良く再生が図られる一方、その放出されたＮＯxが残余の燃料成分（主として炭化水素）と反応して還元浄化される。

即ち、一般的に、ＮＯx吸蔵還元触媒１３を再生するために添加される燃料のうち約２０％は雰囲気中の酸素を消費するために用いられているとされているが、このようにバイパス管１５側へ排気ガス９の流れを切り替えてＮＯx吸蔵還元触媒１３の再生を行えば、添加された燃料のうちで酸素消費に用いられる量が少なくて済み、添加燃料の大半をＮＯxの還元浄化のみに用いることが可能となるので、必要最小限の燃料添加により効率良くＮＯx吸蔵還元触媒１３の再生を図ることが可能となる。

そして、ＮＯx吸蔵還元触媒１３の再生が完了した後に、流路切替バルブ１８により排気ガス９の流れをバイパス管１５を経由せずにＮＯx吸蔵還元触媒１３へ直接向かう流れに切り替えると、バイパス管１５側への排気ガス９の流れが絞り込まれてＮＯx吸蔵還元触媒１３によるＮＯxの吸蔵が再開されることになる。

この際、燃料添加弁１７により酸素吸蔵材１６の入側に燃料添加を行うと、バイパス管１５における排気ガス９の流量が絞り込まれていることから僅かな添加量でも排気空燃比が直ちにリッチ状態となり、しかも、バイパス管１５内の排気ガス９の流速が極度に遅くなっていることから十分な反応時間も確保されるので、僅かな燃料添加により酸素吸蔵材１６に吸蔵された酸素を効率良く放出させて酸素吸蔵材１６の再生を図ることが可能となり、特に本形態例のようにセリアを原料として酸素吸蔵材１６を構成した場合には、その放出された酸素を酸素吸蔵材１６の表面上で直ちに雰囲気中の水素等の燃料成分と反応させて酸化処理することが可能となる。

従って、上記形態例によれば、排気ガス９をバイパス管１５へ流して酸素吸蔵材１６に酸素を吸蔵させることで排気ガス９の酸素濃度を下げ、これにより必要最小限の燃料添加で効率良くＮＯx吸蔵還元触媒１３の再生を図ることができ、しかも、排気ガス９の流れを絞り込んだ状態とすることで前記酸素吸蔵材１６の再生を僅かな燃料添加で実現することもできるので、ＮＯx吸蔵還元触媒１３を用いた排気浄化装置における燃費の悪化を従来より大幅に改善することができる。

事実、本発明者による検証実験によれば、図３にグラフで示す如く、本形態例の如きバイパス管を採用したものと、バイパス管を採用しないものとで比較した場合に、同じＮＯx低減性能を保持しながらも燃費を約１５％程度向上できることが確認された。

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、酸素吸蔵材は必ずしもセリアを原料とするものでなくても良いこと、流路切替手段は図示の如き形式に限定されないこと、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。 排気ガスの流れをバイパス管側へ切り替えた状態を示す概略図である。 ＮＯx低減率と燃費悪化の改善について従来技術と比較したグラフである。

符号の説明

９ 排気ガス
１１ 排気管
１３ ＮＯx吸蔵還元触媒
１４ 燃料添加弁（第一の燃料添加手段）
１５ バイパス管
１６ 酸素吸蔵材
１７ 燃料添加弁（第二の燃料添加手段）
１８ 流路切替バルブ（流路切替手段）

Claims (1)

1. 排気管の途中にＮＯx吸蔵還元触媒を装備し且つ該ＮＯx吸蔵還元触媒の入側に第一の燃料添加手段により燃料を添加してＮＯxを還元浄化するようにした排気浄化装置であって、前記第一の燃料添加手段の燃料添加位置より上流側の排気管から排気ガスを抜き出して前記燃料添加位置の直前に導くバイパス管と、該バイパス管の途中に装備されて排気空燃比がリーンの時に排気ガス中の酸素を吸蔵し且つ排気空燃比がリッチの時に吸蔵酸素を放出する酸素吸蔵材と、該酸素吸蔵材の入側に燃料を添加する第二の燃料添加手段と、排気ガスの流れを適宜に前記バイパス管側へ振り替える流路切替手段とを備えたことを特徴とする排気浄化装置。

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