JP2009013930A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気温度の低い運転状態が長く続くような運行形態の車両であっても、従来より低い排気温度から良好なＮＯx低減効果を得られるようにする。
【解決手段】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選択還元型触媒５を設け且つ該選択還元型触媒５より上流側の排気管４内に還元剤として尿素水６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６の添加位置より上流側の排気管４に酸化触媒９を設け、該酸化触媒９より上流側で排気ガス３中に燃料を添加する燃料添加手段（燃料噴射装置１４）を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジン等のエンジンに適用される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、アンモニアのような有毒な物質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（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１６１７３２号公報

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。

しかしながら、このような尿素水を還元剤として使用する場合、その還元反応時における十分な触媒活性を得るのに約２００℃以上の排気温度が必要となるので、排気温度が２００℃を下まわるような低い運転状態（一般的に低負荷運転領域に排気温度が低い領域が拡がっている）が続くと、ＮＯx低減率がなかなか高まらないという問題があり、例えば、都市部の路線バス等のように渋滞路ばかりを走行するような運行形態の車両では、必要な所定温度以上での運転が長く継続しないため、ＮＯx低減率が低いまま推移してしまって良好なＮＯx低減効果を得ることができなかった。

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が長く続くような運行形態の車両であっても、従来より低い排気温度から良好なＮＯx低減効果を得られるようにすることを目的としている。

本発明は、排気管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選択還元型触媒を設け且つ該選択還元型触媒より上流側の排気管内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側の排気管に酸化触媒を設け、該酸化触媒より上流側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、排気ガスの温度が低くて選択還元型触媒が活性下限温度に達していない運転状態であっても、酸化触媒の上流側で燃料添加手段により燃料を添加すると、該燃料が排気ガスに随伴して酸化触媒に導入され、該酸化触媒の表面上で排気ガス中の酸素との酸化反応が促進される結果、その反応熱により排気ガスの温度が必要温度まで上昇されることになる。

そして、このような酸化触媒への燃料添加により排気ガスの温度を上昇させた上で、選択還元型触媒の上流側に尿素水を添加すると、該尿素水が排気ガス中でアンモニアと炭酸ガスに熱分解され、活性下限温度以上の温度条件下で活性状態となっている選択還元型触媒上で排気ガス中のＮＯxがアンモニアと効果的に反応して良好に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、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く、このようにすれば、既存の燃料噴射装置を有効に活用して燃料添加を実施することが可能となり、燃料添加の実施に新たな付帯設備を設けなくて済む。
更に、本発明においては、酸化触媒を通過する排気ガスの温度が選択還元型触媒の活性下限温度に達していない場合に、前記排気ガスの温度が前記酸化触媒の活性下限温度以上であることを確認した上で燃料添加手段による燃料添加を実行するように構成すると良く、このようにすれば、燃料の添加量が必要最小限に抑えられて燃費の悪化が著しく抑制され、しかも、酸化触媒に添加燃料が未処理のまま残留してしまうといった不具合も未然に回避される。

上記した本発明の排気浄化装置によれば、排気ガスの温度が低くて選択還元型触媒が活性下限温度に達していない運転状態であっても、燃料添加手段により添加した燃料を酸化触媒上で酸化反応させ、その反応熱により排気ガスの温度を必要温度まで上昇させることができるので、排気温度の低い運転状態が長く続くような運行形態の車両であっても、従来より低い排気温度から良好なＮＯx低減効果が得られるように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、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。

そして、この選択還元型触媒５より上流側の排気管４に、尿素水６を還元剤として噴射する尿素水添加用インジェクタ７（尿素水添加手段）が設置されていると共に、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８が装備されている。

また、前記尿素水添加用インジェクタ７による尿素水６の添加位置より上流側の排気管４に、排気ガス３中の未燃燃料分を酸化処理する機能を高めた酸化触媒９が装備されていると共に、該酸化触媒９の直後には、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１０が装備されている。

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１１（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１２が装備されており、これらアクセルセンサ１１及び回転センサ１２からのアクセル開度信号１１ａ及び回転数信号１２ａがエンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置１３に対し入力されるようになっている。

一方、前記制御装置１３においては、アクセル開度信号１１ａ及び回転数信号１２ａ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１４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１４ａ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１４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１３からの燃料噴射信号１４ａ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１３でアクセル開度信号１１ａ及び回転数信号１２ａに基づき通常モードの燃料噴射信号１４ａが決定されるようになっている一方、酸化触媒９直後に備えた温度センサ１５からの検出信号１５ａに基づき前記酸化触媒９を通過する排気ガス３の温度が選択還元型触媒５の活性下限温度に達していないことが確認された場合に、その排気ガス３の温度が酸化触媒９の活性下限温度（約１５０℃程度）以上となっていることを確認した上で通常モードから昇温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１４ａが決定されるようになっている。

つまり、本形態例における燃料噴射装置１４は、酸化触媒９より上流側で排気ガス３中に燃料を添加する燃料添加手段としての機能を果たすようになっており、前述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、この未燃の燃料が酸化触媒９を通過する間に酸化反応し、その反応熱で排気ガス３が昇温されて後方の選択還元型触媒５の触媒床温度が上げられるようにしてある。

更に、この制御装置１３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１４ａ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ＮＯx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ＮＯxの基本的な発生量を推定し、このＮＯxの発生量に見合う必要量の尿素水６の添加が尿素水添加用インジェクタ７に向け尿素水噴射信号７ａとして指示されるようになっている。

ただし、制御装置１３には、選択還元型触媒５の直前に備えた温度センサ１６からの検出信号１６ａも入力されるようになっており、この検出信号１６ａから判断される選択還元型触媒５直前の排気温度に応じて尿素水６の添加量が適宜に修正されるようにもなっている。

また、ここに図示している例では、酸化触媒９の後段にパティキュレートフィルタ１０が装備されているので、該パティキュレートフィルタ１０の強制再生を行う必要が生じた際にも通常モードから昇温モードに切り替わり、前述と同様のポスト噴射による燃料添加すが実行されるようになっており、排気ガス３中に添加された未燃の燃料（主としてＨＣ：炭化水素）が前段の酸化触媒９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の流入により後段のパティキュレートフィルタ１０の触媒床温度が上げられてパティキュレートが強制的に燃焼除去されるようにもしてある。

尚、ポスト噴射により燃料添加を行うという手法自体は同じでも、パティキュレートフィルタ１０の強制再生を行う場合と、選択還元型触媒５の触媒床温度を上げる場合とでは、自ずからポスト噴射の制御ロジックが異なるものとなることは勿論である。

更に付言すると、この制御装置１３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１４ａ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、パティキュレートフィルタ１０の強制再生を行う必要が生じたものと判定されるようになっている。

ただし、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。

而して、このように構成すれば、排気ガス３の温度が低くて選択還元型触媒５が活性下限温度に達していない運転状態であっても、温度センサ１５からの検出信号１５ａに基づき酸化触媒９を通過する排気ガス３の温度が選択還元型触媒５の活性下限温度に達していないことが確認された場合に、その排気ガス３の温度が酸化触媒９の活性下限温度（約１５０℃程度）以上となっていることを確認した上で通常モードから昇温モードに切り替わり、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ような燃料噴射信号１４ａが出力され、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）が添加されるので、この未燃の燃料が酸化触媒９の表面上で酸化反応することによる反応熱で排気ガス３が昇温されて後方の選択還元型触媒５の触媒床温度が上げられることになる。
また、酸化触媒９を通過する排気ガス３の温度が選択還元型触媒５の活性下限温度に達していない場合に限り、酸化触媒９の活性下限温度以上であること確認した上でディーゼルエンジン１側でのポスト噴射を実行するようにしているので、ポスト噴射による燃料の添加量が必要最小限に抑えられて燃費の悪化が著しく抑制され、しかも、酸化触媒９に添加燃料が未処理のまま残留してしまうといった不具合も未然に回避される。

そして、温度センサ１６からの検出信号１６ａに基づき制御装置１３にて排気ガス３の温度が選択還元型触媒５の活性下限温度以上となったことが確認されたら、制御装置１３から尿素水添加用インジェクタ７に向け尿素水噴射信号７ａが出力され、この尿素水添加用インジェクタ７から尿素水６が噴射されて排気ガス３中でアンモニアと炭酸ガスに熱分解され、活性下限温度以上の温度条件下で活性状態となっている選択還元型触媒５上で排気ガス３中のＮＯxがアンモニアと効果的に反応して良好に還元浄化されることになる。

従って、上記形態例によれば、排気ガス３の温度が低くて選択還元型触媒５が活性下限温度に達していない運転状態であっても、燃料噴射装置１４のポスト噴射により酸化触媒９の上流側に添加した燃料を酸化触媒９上で酸化反応させ、その反応熱により排気ガス３の温度を必要温度まで上昇させることができるので、排気温度の低い運転状態が長く続くような運行形態の車両であっても、従来より低い排気温度から良好なＮＯx低減効果が得られるようにすることができる。

事実、本発明者等が行った実験結果によれば、図２に長時間のエンジン停止後の始動時における排気温度の推移を一例としてグラフに示す如く、温度センサ１５で検出される酸化触媒９直後の排気温度は曲線Ａで示すように推移し、酸化触媒９の活性下限温度である約１５０℃付近に達したｔ₁で排気昇温のためのポスト噴射を開始すると、曲線Ａに併記した通常モード（ポスト噴射なし）での鎖線の曲線Ａ’の推移と比較して良好な排気昇温が図られる一方、温度センサ１６で検出される選択還元型触媒５直前の排気温度は曲線Ｂで示すように推移し、前記酸化触媒９直後の排気温度のポスト噴射開始後の上昇に対し僅かな時間遅れをもって追従し、曲線Ｂに併記した通常モード（ポスト噴射なし）での鎖線の曲線Ｂ’の推移と比較して良好な排気昇温が図られ、この通常モードでの曲線Ｂ’で選択還元型触媒５の活性下限温度である約２００℃程度に達していたｔ₃よりも早いｔ₂の段階で選択還元型触媒５の活性下限温度である約２００℃程度に到達させることができた。

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、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。 各温度センサで検出される排気温度の推移を示すグラフである。

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 選択還元型触媒
６ 尿素水
７ 尿素水添加用インジェクタ（尿素水添加手段）
９ 酸化触媒
１４ 燃料噴射装置（燃料添加手段）

Claims (3)

1. 排気管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選択還元型触媒を設け且つ該選択還元型触媒より上流側の排気管内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側の排気管に酸化触媒を設け、該酸化触媒より上流側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。
2. 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。
3. 酸化触媒を通過する排気ガスの温度が選択還元型触媒の活性下限温度に達していない場合に、前記排気ガスの温度が前記酸化触媒の活性下限温度以上であることを確認した上で燃料添加手段による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又は２に記載の排気浄化装置。

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