JP2008075620A

JP2008075620A - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP2008075620A
Application number: JP2006258589A
Authority: JP
Inventors: Shinya Sato; 信也佐藤; Mitsuru Hosoya; 満細谷
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2006-09-25
Filing date: 2006-09-25
Publication date: 2008-04-03

Abstract

【課題】パティキュレートフィルタの強制再生時における高温の排気ガスから選択還元型触媒を保護する。
【解決手段】排気管４の途中に選択還元型触媒５を装備し且つ該選択還元型触媒５の上流側に還元剤として尿素水１１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、尿素水１１の添加位置（噴射ノズル６の開口位置）より上流の排気管４に、酸化触媒１３を前段に付帯装備したパティキュレートフィルタ１４を配設すると共に、前記尿素水１１の添加位置と前記選択還元型触媒５との間に、排気ガス３の熱を蓄え得る通気構造の蓄熱材１５を配設し、前記酸化触媒１３より上流で排気ガス３中に燃料を添加する燃料添加手段（燃料噴射装置２０）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、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研究されている。

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、該排気ガス中で尿素水がアンモニアと炭酸ガスに熱分解され、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（例えば特許文献１参照）。

他方、ディーゼルエンジンの排気浄化を図る場合、排気ガス中のＮＯxを除去するだけでは十分ではなく、排気ガス中に含まれるパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）についてもパティキュレートフィルタを通して捕集する必要があるが、この種のパティキュレートフィルタを採用する場合には、目詰まりにより排気抵抗が増加しないうちにパティキュレートを適宜に燃焼除去してパティキュレートフィルタの再生を図る必要がある。

このため、パティキュレートフィルタの前段に、フロースルー型の酸化触媒を付帯装備させ、パティキュレートの堆積量が増加してきた段階で前記酸化触媒より上流の排気ガス中に燃料を添加してパティキュレートフィルタを強制再生することが考えられている。

つまり、酸化触媒より上流の排気ガス中に燃料を添加すれば、その添加燃料（ＨＣ）が前段の酸化触媒を通過する間に酸化反応するので、その反応熱で昇温した排気ガスの流入により直後のパティキュレートフィルタの触媒床温度が上げられてパティキュレートが燃やし尽くされ、パティキュレートフィルタの再生化が図られることになる。

一般的に、前述した如き燃料添加を実行するための具体的手段としては、圧縮上死点付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射を実行して排気ガス中に燃料を添加することが考えられているが、その添加燃料を効率良く強制再生に活用し且つ排気ガスが極力温度降下しないうちに添加燃料を酸化処理するためには、前記パティキュレートフィルタ及びその前段の酸化触媒を選択還元型触媒より上流側に配置することが好ましいものと考えられている。
特開２００４−２１８４７５号公報

しかしながら、選択還元型触媒の前段でパティキュレートフィルタの強制再生を行うと、その前段の酸化触媒で添加燃料が酸化反応することによる発熱と、パティキュレートフィルタで捕集済みパティキュレートが燃焼することによる発熱とにより、パティキュレートフィルタの出側における排気ガスの温度が約５００℃以上にも上昇し、選択還元型触媒が熱劣化して触媒機能が大幅に低下してしまう虞れがあった。

本発明は、上述の実情に鑑みてなされたものであり、パティキュレートフィルタの強制再生時における高温の排気ガスから選択還元型触媒を保護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として尿素水を添加してＮＯxを還元浄化するようにした排気浄化装置であって、尿素水の添加位置より上流の排気管に、酸化触媒を前段に付帯装備したパティキュレートフィルタを配設すると共に、前記尿素水の添加位置と前記選択還元型触媒との間に、排気ガスの熱を蓄え得る通気構造の蓄熱材を配設し、前記酸化触媒より上流で排気ガス中に燃料を添加する燃料添加手段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、パティキュレートフィルタにより排気ガス中のパティキュレートが捕集されると共に、その下流で尿素水が排気ガス中に添加されて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ので、排気ガス中のパティキュレートとＮＯxの同時低減が図られる。

しかも、パティキュレートフィルタの強制再生時において、前段の酸化触媒で添加燃料が酸化反応し且つ後段のパティキュレートフィルタで捕集済みパティキュレートが燃焼することで高温の排気ガスが生じても、この高温の排気ガスは、蓄熱材を通過する際に熱を吸収されて温度低下するので、選択還元型触媒への熱衝撃が緩和されて該選択還元型触媒の熱劣化が回避されることになる。

この際、選択還元型触媒に向けて添加される尿素水が、固体物である蓄熱材に対し直接衝突して効率の良い熱交換（従来の排気ガスを熱媒体とした熱交換と比較して効率が良い）が成される結果、尿素水からアンモニア及び炭酸ガスへの分解が著しく促進され、この分解反応時における水の蒸発潜熱やアンモニア生成熱（何れも吸熱）が効果的に排気ガスから排熱を奪うことでも選択還元型触媒への熱衝撃が緩和されることになる。

尚、蓄熱材には、パティキュレートフィルタの強制再生時に限らず排気ガスの熱が効率良く蓄えられ、しかも、運転状態の変化により排気ガスの温度が急激に低下しても、蓄熱材に蓄えられた熱により尿素水の分解反応が暫時継続されて選択還元型触媒へアンモニアが供給され続けるので、排気ガスの温度が低くなる運転領域での選択還元型触媒のＮＯx低減率が従来よりも向上されることになる。

また、本発明においては、エンジンの各気筒に燃料を噴射する燃料噴射装置を燃料添加手段として採用し、気筒内への燃料噴射を制御して排気ガス中に未燃燃料分を多く残すことで燃料添加を実行するように構成すると良い。

上記した本発明の排気浄化装置によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

（Ｉ）選択還元型触媒より上流で高温の排気ガスが生じても、該排気ガスの熱を蓄熱材で吸収して選択還元型触媒への熱衝撃を緩和することができ、しかも、尿素水を蓄熱材に直接衝突させて効率良く熱交換させることで尿素水からアンモニア及び炭酸ガスへの分解を著しく促進し、この分解反応時における水の蒸発潜熱やアンモニア生成熱で効果的に排気ガスから排熱を奪うことでも選択還元型触媒への熱衝撃を緩和することができるので、パティキュレートフィルタの強制再生時における高温の排気ガスから選択還元型触媒を確実に保護することができ、これによって、選択還元型触媒の上流へのパティキュレートフィルタの配置を可能ならしめてパティキュレートとＮＯxの同時低減を実現することができる。

（ＩＩ）尿素水を蓄熱材に直接衝突させて効率良く熱交換させることで尿素水からアンモニア及び炭酸ガスへの分解を著しく促進することができる上に、蓄熱材に蓄えた熱を排気ガスの温度が低くなる運転領域で有効に活用することもできるので、排気ガスの温度が低くなる運転領域での選択還元型触媒のＮＯx低減率を従来よりも大幅に向上することができる。

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、本形態例の排気浄化装置においては、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の途中に、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５が装備されている。

この選択還元型触媒５の入側には噴射ノズル６が設置されており、該噴射ノズル６と所要場所に設けた尿素水タンク８との間が、尿素水噴射弁７を備えた尿素水供給ライン９により接続され、該尿素水供給ライン９の途中に装備した供給ポンプ１０の駆動により尿素水タンク８内の尿素水１１（還元剤）を尿素水噴射弁７を介し選択還元型触媒５の上流側に添加し得るようになっていて、これら尿素水噴射弁７、尿素水タンク８、尿素水供給ライン９、供給ポンプ１０により尿素水添加装置１２が構成されている。

そして、この尿素水添加装置１２による尿素水１１の添加位置（噴射ノズル６の開口位置）より上流の排気管４に、酸化触媒１３を前段に付帯装備し且つ自身にも酸化触媒を一体的に担持したパティキュレートフィルタ１４が装備されていると共に、前記尿素水１１の添加位置（噴射ノズル６の開口位置）と前記選択還元型触媒５との間には、排気ガス３の熱を蓄え得る通気構造の蓄熱材１５が設けられており、また、前記選択還元型触媒５の直後には、リークアンモニア対策として余剰のアンモニアを酸化処理するＮＨ₃スリップ触媒１６が装備されている。

ここで、排気ガス３の熱を蓄え得る通気構造の蓄熱材１５には、ハニカム構造のセラミックスや、金属フィルタ（ミクロンオーダーの金属繊維を積層焼結したもの、金属粉末の焼結体、金属メッシュを積層焼結したもの、金属メッシュに金属粉末を焼結させたもの等）、メタルハニカム等を採用することが可能である。

また、図示しない運転席のアクセルには、アクセル開度をディーゼルエンジン１の負荷として検出するアクセルセンサ１７（負荷センサ）が備えられていると共に、ディーゼルエンジン１の適宜位置には、その回転数を検出する回転センサ１８が装備されており、これらアクセルセンサ１７及び回転センサ１８からのアクセル開度信号１７ａ及び回転数信号１８ａがエンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置１９（燃料噴射制御装置）に対し入力されるようになっている。

一方、前記制御装置１９においては、アクセル開度信号１７ａ及び回転数信号１８ａから判断される現在の運転状態に応じ、各気筒内に燃料を噴射する燃料噴射装置２０に向け燃料の噴射タイミング及び噴射量を指令する燃料噴射信号２０ａが出力されるようになっている。

ここで、前記燃料噴射装置２０は、各気筒毎に装備される図示しない複数のインジェクタにより構成されており、これら各インジェクタの電磁弁が前記制御装置１９からの燃料噴射信号２０ａにより適宜に開弁制御されて燃料の噴射タイミング及び噴射量（開弁時間）が適切に制御されるようになっている。

ただし、本形態例においては、制御装置１９でアクセル開度信号１７ａ及び回転数信号１８ａに基づき通常モードの燃料噴射信号２０ａが決定されるようになっている一方、パティキュレートフィルタ１４の強制再生を行う必要が生じた際に、通常モードから再生モードに切り替わり、圧縮上死点（クランク角０゜）付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミング（開始時期がクランク角９０゜〜１３０゜の範囲）でポスト噴射を行うような燃料噴射信号２０ａが決定されるようになっている。

つまり、このようにメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射が行われると、このポスト噴射により排気ガス３中に未燃の燃料（主としてＨＣ：炭化水素）が添加されることになり、この未燃の燃料がパティキュレートフィルタ１４の前段の酸化触媒１３を通過する間に酸化反応し、その反応熱で昇温した排気ガス３の流入により直後のパティキュレートフィルタ１４の触媒床温度が上げられてパティキュレートが燃焼除去されることになる。

また、この制御装置１９においては、ディーゼルエンジン１の回転数と燃料噴射信号２０ａの出力値から判る燃料の噴射量とを抽出し、これら回転数と噴射量とによるパティキュレートの発生量マップからディーゼルエンジン１の現在の運転状態に基づくパティキュレートの基本的な発生量を推定し、この基本的な発生量に対しパティキュレートの発生にかかわる各種の条件を考慮した補正係数を掛け且つ現在の運転状態におけるパティキュレートの処理量を減算して最終的な発生量を求め、この最終的な発生量を時々刻々積算してパティキュレートの堆積量を推定し、その堆積量が所定の目標値に達したものと推定された際に、燃料噴射制御が通常モードから再生モードへ切り替わり、パティキュレートフィルタ１４の上流側の排気ガス３中に燃料が添加されるようになっている。

尚、このようなパティキュレートの堆積量を推定する方法には各種の考え方があり、ここに例示した推定方法以外の手法を用いてパティキュレートの堆積量を推定することも勿論可能であり、パティキュレートフィルタの前後の差圧に基づいてパティキュレートの堆積量を推定したり、運転時間や走行距離を目安としてパティキュレートの堆積量を推定したりすることも可能である。

また、前記制御装置１９においては、ディーゼルエンジン１の回転数と燃料の噴射量等に基づきＮＯxの発生量も推定され、このＮＯxの発生量に見合う必要量の尿素水１１の添加が前記尿素水添加装置１２に向け指示されるようになっており、より具体的には、前記制御装置１９から出力される供給ポンプ１０への駆動指令信号１０ａと尿素水噴射弁７への開弁指令信号７ａとにより前記尿素水添加装置１２による尿素水１１の添加が実行されるようになっている。

ただし、前記制御装置１９には、蓄熱材１５の入口温度を検出する温度センサ２１からの温度信号２１ａと、選択還元型触媒５の入口温度を検出する温度センサ２２からの温度信号２２ａも入力されるようになっていて、蓄熱材１５の入口温度が所定の閾値を超えたことが前記制御装置１９で確認されてから尿素水１１の添加が開始されるようになっていると共に、選択還元型触媒５の入口温度に応じて尿素水１１の添加量が適宜に修正されるようになっている。

而して、このように排気浄化装置を構成すれば、パティキュレートフィルタ１４により排気ガス３中のパティキュレートが捕集されると共に、その下流で尿素水添加装置１２の噴射ノズル６から尿素水１１が排気ガス３中に添加されてアンモニアと炭酸ガスに熱分解され、選択還元型触媒５上で排気ガス３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ので、排気ガス３中のパティキュレートとＮＯxの同時低減が図られる。

しかも、パティキュレートフィルタ１４の強制再生を行う必要が生じた際に、制御装置１９における燃料噴射制御が通常モードから再生モードに切り替わり、ポスト噴射によりディーゼルエンジン１側で添加された燃料が前段の酸化触媒１３で酸化反応し且つ後段のパティキュレートフィルタ１４で捕集済みパティキュレートが燃焼することで高温の排気ガス３が生じても、この高温の排気ガス３は、蓄熱材１５を通過する際に熱を吸収されて温度低下するので、選択還元型触媒５への熱衝撃が緩和されて該選択還元型触媒５の熱劣化が回避されることになる

この際、選択還元型触媒５に向けて添加される尿素水１１が、固体物である蓄熱材１５に対し直接衝突して効率の良い熱交換（従来の排気ガス３を熱媒体とした熱交換と比較して効率が良い）が成される結果、尿素水１１からアンモニア及び炭酸ガスへの分解が著しく促進され、この分解反応時における水の蒸発潜熱やアンモニア生成熱（何れも吸熱）が効果的に排気ガス３から排熱を奪うことでも選択還元型触媒５への熱衝撃が緩和されることになる。

尚、蓄熱材１５には、パティキュレートフィルタ１４の強制再生時に限らず排気ガス３の熱が効率良く蓄えられ、しかも、運転状態の変化により排気ガス３の温度が急激に低下しても、蓄熱材１５に蓄えられた熱により尿素水１１の分解反応が暫時継続されて選択還元型触媒５へアンモニアが供給され続けるので、排気ガス３の温度が低くなる運転領域での選択還元型触媒５のＮＯx低減率が従来よりも向上されることになる。

従って、上記形態例によれば、選択還元型触媒５より上流で高温の排気ガス３が生じても、該排気ガス３の熱を蓄熱材１５で吸収して選択還元型触媒５への熱衝撃を緩和することができ、しかも、尿素水１１を蓄熱材１５に直接衝突させて効率良く熱交換させることで尿素水１１からアンモニア及び炭酸ガスへの分解を著しく促進し、この分解反応時における水の蒸発潜熱やアンモニア生成熱で効果的に排気ガス３から排熱を奪うことでも選択還元型触媒５への熱衝撃を緩和することができるので、パティキュレートフィルタ１４の強制再生時における高温の排気ガス３から選択還元型触媒５を確実に保護することができる。

また、前述した通り、尿素水１１を蓄熱材１５に直接衝突させて効率良く熱交換させることで尿素水１１からアンモニア及び炭酸ガスへの分解を著しく促進することができ、しかも、蓄熱材１５に蓄えた熱を排気ガス３の温度が低くなる運転領域で有効に活用することもできるので、排気ガス３の温度が低くなる運転領域での選択還元型触媒５のＮＯx低減率を従来よりも大幅に向上することができる。

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、先の形態例においては、燃料添加手段として燃料噴射装置を採用し、圧縮上死点付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射を行うことで排気ガス中に燃料を添加するようにしているが、気筒内へのメイン噴射の時期を通常より遅らせることで排気ガス中に燃料を添加するようにしても良く、更には、このように気筒内への燃料噴射を制御して排気ガス中に未燃燃料分を多く残すことにより燃料添加を行う手段だけでなく、排気管の適宜位置（排気マニホールドでも可）に燃料添加手段としてインジェクタを貫通装着し、このインジェクタにより排気ガス中に燃料を直噴して添加するようにしても良いこと、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

３排気ガス
４排気管
５選択還元型触媒
６噴射ノズル
１１尿素水
１２尿素水添加装置
１３酸化触媒
１４パティキュレートフィルタ
１５蓄熱材
２０燃料噴射装置（燃料添加手段）

Claims

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として尿素水を添加してＮＯxを還元浄化するようにした排気浄化装置であって、尿素水の添加位置より上流の排気管に、酸化触媒を前段に付帯装備したパティキュレートフィルタを配設すると共に、前記尿素水の添加位置と前記選択還元型触媒との間に、排気ガスの熱を蓄え得る通気構造の蓄熱材を配設し、前記酸化触媒より上流で排気ガス中に燃料を添加する燃料添加手段を備えたことを特徴とする排気浄化装置。
エンジンの各気筒に燃料を噴射する燃料噴射装置を燃料添加手段として採用し、気筒内への燃料噴射を制御して排気ガス中に未燃燃料分を多く残すことで燃料添加を実行するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。