JP2010265862A - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】エンジン本体の稼働状況にかかわらず、ＳＣＲ触媒の浄化効率が最大化される排気ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】ディーゼルエンジン本体１から排出された排気ガスが流通する排気経路２の途中には、上流から順に、酸化触媒３と、ＤＰＦ４と、ＳＣＲ触媒５と、酸化触媒６とが設けられている。酸化触媒３の上流側の端面には、酸化触媒３を加熱するための温度制御可能な電気ヒータ８が取り付けられている。また、酸化触媒３の下流には、酸化触媒３の温度を測定するための温度センサ９が取り付けられている。ＥＣＵ１０は、エンジン本体１の燃料噴射量及び回転数に基づいて電気ヒータ８を制御することによって、ＳＣＲ触媒５に流入する排気ガス中に含まれるＮＯとＮＯ２とのモル比が１：１となるように酸化触媒３の温度を調整する。
【選択図】図１

Description

この発明は、排気ガス浄化装置に係り、特にディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれる窒素酸化物(ＮＯｘ)を浄化するための尿素ＳＣＲ(Selective Catalytic Reduction)システムを備えた排気ガス浄化装置に関する。
ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるＮＯｘを浄化するための尿素ＳＣＲシステムが開発されている。尿素ＳＣＲシステムでは、尿素水の加水分解により生成されたアンモニアとＮＯｘとの化学反応によってＮＯｘを窒素及び水に浄化するために、ＳＣＲ触媒と呼ばれる触媒が用いられる。
ＳＣＲ触媒の浄化効率は、排気ガス中に含まれる一酸化窒素（ＮＯ)と二酸化窒素（ＮＯ２）とのモル比が１：１のときに最大となるが、通常の排気ガス中にはＮＯ２よりもＮＯの方が多く含まれている。そのため、ＳＣＲ触媒の上流にＮＯの一部をＮＯ２に酸化するための酸化触媒を設けることによって、排気ガス中に含まれるＮＯとＮＯ２とのモル比を１：１に近づけることが行われている。
また、酸化触媒におけるＮＯからＮＯ２への転化率は、酸化触媒の温度に依存する。特に酸化触媒の温度が低い場合には、ＮＯをＮＯ２に酸化する作用よりもＮＯ２をＮＯに還元する作用の方が優勢となり、酸化触媒を通過した後の排気ガス中に含まれるＮＯのモル比が増大してしまう。
特許文献１には、電気ヒータにより酸化触媒を加熱することによって、酸化触媒を通過した後の排気ガス中に含まれるＮＯ２のモル比を増大させる技術が記載されている。
特開平０８−３３８２２９号公報
従来の尿素ＳＣＲシステムを備えた排気ガス浄化装置では、特にコールドスタート時などに酸化触媒の温度が低い場合には、ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中に含まれるＮＯのモル比が増大してしまい、ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘの浄化効率が低下してしまうという問題があった。
また、排気ガス中に含まれるＮＯとＮＯ２とのモル比は、エンジン本体の稼働状況（主に燃料噴射量及び回転数）に依存して変化する。そのため、従来の尿素ＳＣＲシステムに対して特許文献１に記載の技術を適用したとしても、電気ヒータにより酸化触媒を加熱してＮＯ２のモル比を増大させるだけでは、ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中に含まれるＮＯとＮＯ２とのモル比が１：１となる保証はなく、必ずしもＳＣＲ触媒の浄化効率が最大化されるとは限らないという問題がある。
この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、エンジン本体の稼働状況にかかわらず、ＳＣＲ触媒の浄化効率が最大化される排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、この発明に係る排気ガス浄化装置によれば、内燃機関から排出された排気ガスが流通する排気経路と、排気経路の途中に設けられた酸化触媒と、排気経路における酸化触媒よりも下流に設けられたＳＣＲ触媒と、ＳＣＲ触媒の上流において尿素水を添加する尿素水添加手段とを備える排気ガス浄化装置において、酸化触媒を加熱する第１の加熱手段と、第１の加熱手段を制御することによって、ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中に含まれる一酸化窒素と二酸化窒素とのモル比が１：１となるように酸化触媒の温度を調整する制御手段とを有する。
これにより、内燃機関の稼働状況にかかわらず、ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中に含まれるＮＯとＮＯ２とのモル比が常に１：１となり、ＳＣＲ触媒の浄化効率が最大化される。
酸化触媒は、第１の加熱手段に担持されてもよい。
これにより、排気ガス浄化装置を小型化することができる。
ＳＣＲ触媒を加熱する第２の加熱手段を備えてもよい。
これにより、特にコールドスタート時などにＳＣＲ触媒の温度が低いためにＮＯｘの十分な浄化効率が得られない場合にも、第２の加熱手段によってＳＣＲ触媒が加熱されるため、十分な浄化効率が得られるようになるまでの時間を短縮することができる。
ＳＣＲ触媒は、第２の加熱手段に担持されてもよい。
これにより、排気ガス浄化装置を小型化することができる。
排気経路における酸化触媒とＳＣＲ触媒との間には、ディーゼルパティキュレートフィルタが設けられてもよい。
これにより、排気ガス中に含まれるパティキュレートマターを除去することができる。また、ディーゼルパティキュレートフィルタが設けられていても、ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中に含まれるＮＯとＮＯ２とのモル比は常に１：１となり、ＳＣＲ触媒の浄化効率は最大化される。
この発明に係る排気ガス浄化装置によれば、第１の加熱手段を制御することによって、ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中に含まれるＮＯとＮＯ２とのモル比が１：１となるように酸化触媒の温度を調整する。これにより、内燃機関の稼働状況にかかわらず、ＳＣＲ触媒の浄化効率が最大化される。
この発明の実施の形態１に係る排気ガス浄化装置の構成を示す図である。 酸化触媒のＮＯからＮＯ２への転化率の温度依存性を示す図である。 実施の形態１に係る排気ガス浄化装置のＥＣＵが備えるマップである。 この発明の実施の形態２に係る排気ガス浄化装置の構成を示す図である。
以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る排気ガス浄化装置の構成を図１に示す。内燃機関であるディーゼルエンジン本体１から排出された排気ガスが流通する排気経路２の途中には、酸化触媒３が設けられている。酸化触媒３は、排気ガス中に含まれるＮＯの一部を酸化してＮＯ２にするためのものである。
酸化触媒３の下流には、排気ガス中に含まれるパティキュレートマター（ＰＭ)を除去するためのディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）４が設けられている。
ＤＰＦ４の下流には、尿素水の加水分解により生成されたアンモニアとＮＯｘとの化学反応によってＮＯｘを窒素及び水に浄化するためのＳＣＲ触媒５が設けられている。
ＳＣＲ触媒５の下流には、ＳＣＲ触媒５における化学反応で消費されずに残ったアンモニアを酸化するための酸化触媒６が設けられている。
また、ＤＰＦ４とＳＣＲ触媒５との間には、ＳＣＲ触媒５の上流において尿素水を添加するために、図示しない尿素水タンクに連通する尿素水添加手段である尿素水添加ノズル７が設けられている。
酸化触媒３の上流側の端面には、酸化触媒３を加熱するための温度制御可能な第１の加熱手段である電気ヒータ８が取り付けられている。また、酸化触媒３の下流には温度センサ９が取り付けられている。ここで、この実施の形態１において温度センサ９によって測定された温度は酸化触媒３の温度と見なされる。電気ヒータ８及び温度センサ９は、制御装置であるＥＣＵ(Engine Control Unit)１０に電気的に接続されている。
次に、この実施の形態１に係る排気ガス浄化装置の動作について説明する。
エンジン本体１から排出された排気ガスは、排気経路２を流通する過程でまず酸化触媒３に流入し、排気ガス中に含まれるＮＯの一部は酸化されてＮＯ２となる。次に、酸化触媒３を通過した排気ガスはＤＰＦ４に流入して排気ガス中のＰＭが捕集され、捕集されたＰＭは排気ガス中に含まれるＮＯ２との反応によって燃焼除去される。続いて、ＤＰＦ４を通過した排気ガスはＳＣＲ触媒５に流入する。
ここで、先に述べたように、ＳＣＲ触媒５におけるＮＯｘの浄化効率は、ＮＯとＮＯ２とのモル比が１：１のときに最大となる。また、エンジン本体１から排出される排気ガス中に含まれるＮＯとＮＯ２とのモル比は、主にエンジン本体１の燃料噴射量及び回転数に依存する。さらに、図２に示されるように、酸化触媒３におけるＮＯからＮＯ２への転化率は、酸化触媒３の温度に依存する。そのため、ＥＣＵ１０は、エンジン１の燃料噴射量及び回転数に基づいて電気ヒータ８を制御することによって、ＳＣＲ触媒５に流入する排気ガス中に含まれるＮＯとＮＯ２とのモル比が１：１となるように酸化触媒３の温度を調整する。
詳細には、ＥＣＵ１０は、エンジン本体１の所与の燃料噴射量及び回転数において、酸化触媒３及びＤＰＦ４を通過した後の排気ガス中に含まれるＮＯとＮＯ２とのモル比が１：１となるような酸化触媒３の温度を予め実験的に取得しておき、各燃料噴射量及び回転数に応じた温度を格納した図３に示されるようなマップを備えている。そして、所定の時間間隔ごとにエンジン本体１の燃料噴射量及び回転数を取得して、その条件においてＮＯとＮＯ２とのモル比が１：１となるような酸化触媒３の温度を図３のマップから求めた後、温度センサ９で検出される温度が求められた温度と一致するように電気ヒータ８を制御する。
図１に戻って、ＮＯとＮＯ２とのモル比が１：１となるように調整された排気ガスがＳＣＲ触媒５に流入する際、ＳＣＲ触媒５の上流において尿素水添加ノズル７から添加された尿素水が排気ガスの熱によって加水分解されてアンモニア及び二酸化炭素となる。そして、生成されたアンモニアと排気ガス中のＮＯｘとが反応して窒素及び水になる。ＳＣＲ触媒５において消費されずに残ったアンモニアは酸化触媒６において酸化され、ＮＯｘが浄化された排気ガスは大気中へ放出される。
以上説明したように、この発明の実施の形態１に係る排気ガス浄化装置によれば、酸化触媒３に取り付けられた電気ヒータ８を制御することによって、ＳＣＲ触媒５に流入する排気ガス中に含まれるＮＯとＮＯ２とのモル比が１：１となるように酸化触媒３の温度を調整する。これにより、エンジンの稼働状況にかかわらず、ＳＣＲ触媒５に流入する排気ガス中に含まれるＮＯとＮＯ２とのモル比が常に１：１となり、ＳＣＲ触媒５の浄化効率が最大化される。
また、酸化触媒３とＳＣＲ触媒５との間に設けられたＤＰＦ４によって、排気ガス中のＰＭを除去することができる。
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る排気ガス浄化装置について、図４を用いて説明する。尚、以降の説明において、図１の参照符号と同一の符号は、同一又は同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
実施の形態２に係る排気ガス浄化装置は、実施の形態１におけるＳＣＲ触媒５の上流側の端面にＳＣＲ触媒５を加熱するための第２の加熱手段である電気ヒータ２１１を取り付けると共に、ＳＣＲ触媒６の下流に温度センサ２１２を取り付けたものである。ここで、この実施の形態２において温度センサ２１２によって測定された温度はＳＣＲ触媒５の温度と見なされる。電気ヒータ２１１及び温度センサ２１２は、ＥＣＵ２１０に電気的に接続されている。
一般に、ＳＣＲ触媒５の触媒作用が最も活性化される温度範囲は２００〜５００℃である。そのため、ＥＣＵ１０は、温度センサ２１２で検出される温度が２００〜５００℃の範囲内となるように電気ヒータ２１１を制御する。これにより、特にコールドスタート時などにＳＣＲ触媒５の温度が低いためにＮＯｘの十分な浄化効率が得られない場合にも、電気ヒータ２１１によってＳＣＲ触媒５が加熱されるため、十分な浄化効率が得られるようになるまでの時間を短縮することができる。
その他の実施の形態．
実施の形態１及び２において、電気ヒータ８の表面に酸化触媒３のコーティング層を設けることによって、酸化触媒３を電気ヒータ８に担持させ、電気加熱触媒(EHC : Electrically Heated Catalyst)としてもよい。同様に、実施の形態２において、電気ヒータ２１１の表面にＳＣＲ触媒５のコーティング層を設けることによって、ＳＣＲ触媒５を電気ヒータ２１１に担持させてもよい。これらにより、排気ガス浄化装置を小型化することができる。
実施の形態１及び２において、ＤＰＦ４は省略してもよい。その場合、図３に示されるようなマップを作成する際には、エンジン本体１の所与の燃料噴射量及び回転数において、酸化触媒３を通過した後の排気ガス中に含まれるＮＯとＮＯ２とのモル比が１：１となるような酸化触媒３の温度を実験的に取得してマップを作成する。
１ ディーゼルエンジン本体（内燃機関）、２ 排気経路、３ 酸化触媒、４ ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）、５ ＳＣＲ触媒、７ 尿素水添加ノズル（尿素水添加手段）、８ 電気ヒータ（第１の加熱手段）、２１１ 電気ヒータ（第２の加熱手段）。

Claims (5)

  1. 内燃機関から排出された排気ガスが流通する排気経路と、
    前記排気経路の途中に設けられた酸化触媒と、
    前記排気経路における前記酸化触媒よりも下流に設けられたＳＣＲ触媒と、
    前記ＳＣＲ触媒の上流において尿素水を添加する尿素水添加手段と
    を備える排気ガス浄化装置において、
    前記酸化触媒を加熱する第１の加熱手段と、
    前記第１の加熱手段を制御することによって、前記ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中に含まれる一酸化窒素と二酸化窒素とのモル比が１：１となるように前記酸化触媒の温度を調整する制御手段と
    を有することを特徴とする排気ガス浄化装置。
  2. 前記酸化触媒は、前記第１の加熱手段に担持されることを特徴とする、請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
  3. 前記ＳＣＲ触媒を加熱する第２の加熱手段を備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載の排気ガス浄化装置。
  4. 前記ＳＣＲ触媒は、前記第２の加熱手段に担持されることを特徴とする、請求項３に記載の排気ガス浄化装置。
  5. 前記排気経路における前記酸化触媒と前記ＳＣＲ触媒との間には、ディーゼルパティキュレートフィルタが設けられることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置。
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