JP2011033018A - 排気ガス内の窒素酸化物の浄化方法及びこの方法を実行する排気装置 - Google Patents

排気ガス内の窒素酸化物の浄化方法及びこの方法を実行する排気装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 排気ガスに含まれる窒素酸化物を低減させる排気システムを提供する。
【解決手段】 排気パイプに装着されて燃料を追加噴射するインジェクター、前記インジェクターの後端の排気パイプに装着されて、追加噴射された燃料を、熱分解によって高反応性の還元剤に変換させるディーゼル燃料分解触媒、前記ディーゼル燃料分解触媒の後端の排気パイプに装着されて排気ガスに含まれる窒素酸化物を貯蔵し、追加噴射される燃料によって、前記貯蔵された窒素酸化物を脱着して、前記高反応性の還元剤との酸化−還元反応を通じて還元させる窒素酸化物低減触媒、そしてエンジンの運転条件に応じて燃料の追加噴射を制御する制御部を含み、前記制御部は、エンジンの運転条件が燃料の追加噴射条件と燃料の追加噴射時期条件を満足する場合、設定された噴射パターンに従って燃料を追加噴射するように前記インジェクターを制御することを特徴とする。
【選択図】 図６

Description

本発明は、排気ガス内の窒素酸化物の浄化方法及びこの方法を実行する排気装置に係り、より詳しくは、排気ガスに含まれる窒素酸化物を貯蔵し、設定された条件を満足する場合に、加噴射される燃料によって貯蔵された窒素酸化物を脱着して、追加噴射された燃料との酸化−還元反応を起こすことによって窒素酸化物の浄化効率が向上した排気ガス内の窒素酸化物の浄化方法及びこの方法を実行する排気装置に関する。
一般に、エンジンより排気マニホールドを通して排出される排気ガスは、排気パイプの途中で形成された触媒コンバーター（Ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）に誘導されて浄化され、マフラを通過しながら騒音が減殺された後、排気パイプを通して大気中に放出される。
前記触媒コンバーターは排気ガスに含まれている汚染物質を処理する。そして、排気パイプ上には、排気ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集するための媒煙フィルターが装着される。
窒素酸化物低減触媒（Ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｃａｔａｌｙｓｔ；ＤＥ−ＮＯｘ ｃａｔａｌｙｓｔ）は、排気ガスに含まれる窒素酸化物を浄化させる触媒コンバーターの一つの形式である。ウレア（Ｕｒｅａ）、アンモニア（Ａｍｍｏｎｉａ）、一酸化炭素及び炭化水素（Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ；ＨＣ）などのような還元剤を排気ガスに提供すれば、窒素酸化物低減触媒により、排気ガスに含まれる窒素酸化物が前記還元剤との酸化−還元反応を通じて還元されるようになる。
最近は、このような窒素酸化物低減触媒としてＬＮＴ触媒（Ｌｅａｎ ＮＯｘ ｔｒａｐ ｃａｔａｌｙｓｔ）が使用されている。ＬＮＴ触媒は、エンジンが希薄な（ｌｅａｎ）雰囲気で作動すると、排気ガスに含まれる窒素酸化物を吸着し、エンジンが濃厚な（ｒｉｃｈ）雰囲気で作動すると、吸着した窒素酸化物を脱着する。
特許文献１参照。
このようなＬＮＴ触媒を使用する排気装置は、ＬＮＴ触媒に貯蔵された窒素酸化物の量に応じてエンジンの運転状態（ｌｅａｎ ｏｒ ｒｉｃｈ）を調節する。しかし、窒素酸化物の量を測定して混合気の状態を調節する場合には、ＬＮＴ触媒の再生時点が遅れるようになる。つまり、制御部で再生時点を判断しても、所望の混合比を合わせるまでに時間がかかる。したがって、窒素酸化物の浄化効率が落ちた。
また、ＮＯｘセンサーの信号より、窒素酸化物低減触媒の再生時点を判断するため、センサーの誤動作及び高価のセンサーを使用しなければならないという問題点があった。
特表２００５−５０３２５３号公報
本発明は前記のような点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、エンジンの運転条件だけで窒素酸化物低減触媒の再生時点を判断することにより、窒素酸化物の浄化効率が向上した排気ガス内の窒素酸化物の浄化方法、及びこの方法を実行する排気装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、燃料を追加噴射するインジェクターを排気パイプ内に装着し、ディーゼル燃料分解触媒を利用して、追加噴射される燃料を活性化することにより、窒素酸化物の浄化効率が更に向上した排気ガス内の窒素酸化物の浄化方法、及びこの方法を実行する排気装置を提供することにある。
前記目的を達成するための本発明は、排気パイプに装着された排気装置を利用して、排気ガスに含まれる窒素酸化物を浄化する窒素酸化物の浄化方法において、前記排気装置は、排気パイプまたはエンジンに装着されて燃料を追加噴射するインジェクター、前記インジェクターの後端の排気パイプに装着されて、追加噴射された燃料を、熱分解によって高反応性の還元剤に変換させるディーゼル燃料分解触媒、前記ディーゼル燃料分解触媒の後端の排気パイプに装着されて排気ガスに含まれる窒素酸化物を貯蔵し、追加噴射される燃料によって、前記貯蔵された窒素酸化物を脱着して、前記高反応性の還元剤との酸化−還元反応を通じて還元させる窒素酸化物低減触媒、そしてエンジンの運転条件に応じて燃料の追加噴射を制御する制御部を含み、前記窒素酸化物の浄化方法は、エンジンの運転条件が燃料の追加噴射条件と燃料の追加噴射時期条件を満たす場合、設定された噴射パターンに従って燃料を追加噴射することによって窒素酸化物低減触媒を再生することを特徴とする。
前記燃料の追加噴射条件は、エンジンが正常作動中であり、アイドル状態でなく、変速が発生せず、現在の変速段が１段以上であり、窒素酸化物低減触媒の入口の温度が触媒の活性化温度の範囲内であり、エンジン回転速度が設定された回転速度の範囲内であり、連続再生でない場合に満たされることを特徴とする。
前記燃料の追加噴射時期条件は、窒素酸化物低減触媒の後端で窒素酸化物のスリップ量が設定されたスリップ量以上であったり、窒素酸化物低減触媒に貯蔵された窒素酸化物の量が設定された量以上であったり、窒素酸化物に対する炭化水素の比率が設定された比率以上である場合に満たされることを特徴とする。
前記設定された噴射パターンは、エンジンの運転条件、エンジンの状態または窒素酸化物低減触媒の状態に応じて変化することができることを特徴とする。
また、本願発明は、排気パイプに装着されており、排気ガスに含まれる窒素酸化物を浄化する排気装置において、排気パイプに装着されて燃料を追加噴射するインジェクター、前記インジェクターの後端の排気パイプに装着されて、追加噴射された燃料を、熱分解によって高反応性の還元剤に変換させるディーゼル燃料分解触媒、前記ディーゼル燃料分解触媒の後端の排気パイプに装着されて、排気ガスに含まれる窒素酸化物を一時的に貯蔵し、追加噴射される燃料によって、前記貯蔵された窒素酸化物を脱着して、前記高反応性の還元剤との酸化−還元反応を通じて還元させる窒素酸化物低減触媒、及びエンジンの運転条件が燃料の追加噴射条件と燃料の追加噴射時期条件を満足する場合、設定された噴射パターンに従って燃料を追加噴射するように前記インジェクターの作動を制御する制御部を含むことを特徴とする
前記窒素酸化物低減触媒の再生中のエンジン運転条件、エンジンの状態または窒素酸化物低減触媒の状態が変化する場合には、燃料の追加噴射を中止するようにインジェクターを制御することを特徴とする。
前記排気装置は、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集する媒煙フィルターをさらに含むことを特徴とする。
前記制御部は、前記媒煙フィルターの再生条件を満たす場合には、前記燃料の追加噴射時期条件もまた満足たすと見なすことを特徴とする。
前記媒煙フィルターの再生条件は、前記媒煙フィルターの入口と出口の圧力差が設定された値以上である場合に満たされることを特徴とする。
本発明によれば、追加噴射される燃料の量をエンジン運転条件に応じて精密に調節することにより、排気ガスに含まれる窒素酸化物の浄化効率を向上できる。
また、追加噴射される燃料がディーゼル燃料分解触媒によって活性化するので、窒素酸化物低減触媒で起こる酸化−還元反応が活性化し、これにより、排気ガスに含まれる窒素酸化物の浄化効率がさらに向上する。
本発明の実施例による排気ガス内の窒素酸化物の浄化方法を実行する排気装置を示した概略図である。 本発明の実施例による排気装置に使用される窒素酸化物低減触媒に窒素酸化物が貯蔵されることを示した概略図である。 本発明の実施例による排気装置に使用される窒素酸化物低減触媒で、窒素酸化物が脱着することを示した概略図である。 本発明の実施例による排気装置に使用される窒素酸化物低減触媒で、第１触媒層の構成を示した概略図である。 本発明の実施例による排気装置に使用される制御部での入力と出力の関係を示したブロック図である。 本発明の実施例による排気ガス内の窒素酸化物の浄化方法のフローチャートである。
以下、本発明の望ましい実施例を、添付した図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施例による排気ガス内の窒素酸化物の浄化方法を実行する排気装置を示した概略図である。
図１に示すように、排気装置は、エンジン１０、排気パイプ２０、排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ；ＥＧＲ）装置８０、ディーゼル燃料分解触媒３２、媒煙フィルター（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）３０、窒素酸化物低減触媒４０、そして制御部５０を含む。
エンジン１０は、燃料と空気が混合された混合気を燃焼させて、化学的エネルギーを機械的エネルギーに変換する。エンジン１０は、吸気マニホールド１８に連結されて、燃焼室１２内部に空気の流入を受け、排気マニホールド１６に連結されて、燃焼過程で発生した排気ガスは排気マニホールド１６に集まった後、車両の外部に排出される。前記燃焼室１２には第１インジェクター１４が装着されて、燃料を燃焼室１２内部に噴射する。
ここではディーゼルエンジンを例示したが、ガソリンエンジンを使用することもできる。ガソリンエンジンを使用する場合、吸気マニホールド１８を通して、混合気が燃焼室１２内部に流入し、燃焼室１２の上部には、点火のための点火プラグ（図示せず）が装着される。
また、多様な圧縮比、好ましくは１６．５以下の圧縮比を有するエンジンが用いられる。
排気パイプ２０は、前記排気マニホールド１６に連結されて、排気ガスを車両の外部に排出させる。前記排気パイプ２０上には、媒煙フィルター３０と窒素酸化物低減触媒４０が装着されて、排気ガス内に含まれる炭化水素、一酸化炭素、そして窒素酸化物などを除去する。
排気ガス再循環装置８０は、排気パイプ２０上に装着されて、エンジン１０より排出される排気ガスが前記排気ガス再循環装置８０を通過する。また、前記排気ガス再循環装置８０は、前記吸気マニホールド１８に連結されて、排気ガスの一部を空気に混合して、燃焼温度を制御する。このような燃焼温度の制御は、制御部５０の制御によって、吸気マニホールド１８に供給される排気ガスの量を調節することによって行われる。
前記排気ガス再循環装置８０の後方の排気パイプ２０には第１酸素センサー２５が装着されて、排気ガス再循環装置８０を通過した排気ガス内の酸素量を検出する。
第２インジェクター９０は、前記排気ガス再循環装置８０の後方の排気パイプ２０に装着されており、前記制御部５０に電気的に連結されて、制御部５０の制御に従って排気パイプ２０内に燃料の追加噴射を行う。
媒煙フィルター３０は、前記第２インジェクター９０の後方の排気パイプ２０に装着されている。前記媒煙フィルター３０の前端部にはディーゼル燃料分解触媒（Ｄｉｅｓｅｌ Ｆｕｅｌ Ｃｒａｃｋｉｎｇ Ｃａｔａｌｙｓｔ）３２が備えられている。この場合、ディーゼル燃料分解触媒３２は、第２インジェクター９０と窒素酸化物低減触媒４０の間に配置される。ここでは、媒煙フィルター３０とは別途にディーゼル燃料分解触媒３２が備えられたものを例示したが、ディーゼル燃料分解触媒３２を媒煙フィルター３０の前端部にコーティングすることもできる。
前記ディーゼル燃料分解触媒３２は、触媒反応を通じて、燃料内に含まれる炭素化合物のチェーン環を切って分解させる。つまり、ディーゼル燃料分解触媒３２は、熱分解（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｒａｃｋｉｎｇ）機能を通じて、炭化水素を構成する連結環を切って、分解するようになる。これにより、追加噴射された燃料の有効反応表面積が増加し、反応性の高い酸素が含まれる炭化水素（ｏｘｙｇｅｎａｔｅｄ ＨＣ）、ＣＯ、Ｈ２などを生成する。
熱分解は、下記のような手順によって進められる。

Ｃ１６Ｈ３４→２ｎ−Ｃ８Ｈ１７＊→ｎ−Ｃ６Ｈ１３＊→ｎ−Ｃ４Ｈ９＊→Ｃ２Ｈ５＊→Ｃ２Ｈ４
Ｃ１６Ｈ３４→８Ｃ２Ｈ４＋Ｈ２

ここで、＊はラジカルを意味する。
ここで、炭化水素は、排気ガス、燃料に含まれる炭素、及び水素から構成された化合物を全て称するものとする。
前記ディーゼル燃料分解触媒３２の後方には、前記媒煙フィルター３０の一種類である媒煙ろ過装置（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ；ＤＰＦ）が装着されて、排気パイプ２０を通して排出される排気ガスに含まれる粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒｓ；ＰＭ）を捕集する。ここでは、媒煙フィルター３０は媒煙ろ過装置と同一な意味に使用される。しかし、媒煙ろ過装置の代わりに他の種類の媒煙フィルター３０（例えば、触媒媒煙フィルター（ｃａｔａｌｙｚｅｄ ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ｆｉｌｔｅｒ；ＣＰＦ））が用いられることもできる。
また、前記媒煙ろ過装置には、酸化触媒（Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｃａｔａｌｙｓｔ）がコーティングされることができる。このような酸化触媒は、排気ガスに含まれる炭化水素と一酸化炭素を二酸化炭素に酸化させ、排気ガスに含まれる一酸化窒素を二酸化窒素に酸化させる。前記酸化触媒は、媒煙フィルター３０の一定の部分に集中してコーティングすることもでき、媒煙フィルター３０の全ての領域に均等にコーティングすることもできる。
前記ディーゼル燃料分解触媒３２の前方の排気パイプには第１温度センサー３５が装着されて、ディーゼル燃料分解触媒３２の入口の温度を測定し、ディーゼル燃料分解触媒３２の後方には第２温度センサー３６が装着されて、ディーゼル燃料分解触媒３２の出口温度または媒煙フィルター３０の入口の温度を測定する。
一方、前記排気パイプ２０には差圧センサー５５が装着されている。差圧センサー５５は、前記媒煙フィルター３０の前端部と後端部の圧力差を測定し、これに対する信号を前記制御部５０に伝達する。前記制御部５０は、前記差圧センサー５５で測定された圧力差が設定値以上である場合、前記媒煙フィルター３０を再生するように制御することができる。この場合、前記第１インジェクター１４より燃料を後噴射することによって、媒煙フィルター３０内部に捕集された、すす（ｓｏｏｔ）を燃焼させることができる。
窒素酸化物低減触媒４０は、前記媒煙フィルター３０の後方で前記排気パイプ２０上に装着されて、排気ガスに含まれる窒素酸化物を貯蔵し、燃料の追加噴射によって貯蔵された窒素酸化物を脱着して、還元反応を行うことにより、排気ガスに含まれる窒素酸化物を浄化する。
前記窒素酸化物低減触媒４０の前方または後方には、第３温度センサー６０と第４温度センサー６５がそれぞれ装着されて、窒素酸化物低減触媒４０の入口部の温度と出口部の温度を測定する。
ここでは、窒素酸化物低減触媒４０が２つの部分に分けられていることを示した。これは、担体にコーティングされた金属の比率を異なるようにすることで特定の機能を行うようにするためである。
例えば、エンジン１０に近い第１触媒層４４には、パラジウム（Ｐｄ）の比率を高めることによって耐熱機能を強化し、排気パイプに近い第２触媒層４６には、白金（Ｐｔ）の比率を高めることによって炭化水素のスリップを防止することができる。
これとは異なって、担体にコーティングされた金属の比率が全ての領域で同一である窒素酸化物低減触媒４０を使用することもできる。
また、前記窒素酸化物低減触媒４０の後方の排気パイプ２０には第２酸素センサー７０が装着されている。前記第２酸素センサー７０は、本発明の実施例による排気装置が排気ガスに含まれる有害物質を正常に除去しているか否か監視するためのものである。
制御部５０は、各センサー２５、３５、３６、５５、６０、６５、７０で検出された信号に応じてエンジンの運転条件を判断し、前記エンジンの運転条件に基づいて燃料の追加噴射量及び追加噴射時期を制御することにより、窒素酸化物低減触媒４０に貯蔵された窒素酸化物を脱着する。例えば、制御部５０は、前記窒素酸化物低減触媒４０に貯蔵された窒素酸化物の量が設定された値以上である場合には、燃料を追加噴射するように制御する。
また、前記制御部５０は、窒素酸化物低減触媒４０で窒素酸化物の還元反応が活性化するように、排気ガス内で窒素酸化物に対する炭化水素の比率が設定された比率以上になるように制御する。前記設定された比率は８であるのが好ましい。
一方、前記制御部５０は、エンジンの運転条件に基づいて、窒素酸化物低減触媒４０に貯蔵された窒素酸化物の量、窒素酸化物低減触媒の後端での窒素酸化物のスリップ量、そして窒素酸化物に対する炭化水素の比率を計算する。このような計算は、数多くの実験によって定められたマップに基づいて行われる。
また、制御部５０は、エンジンの運転条件、エンジンの状態または窒素酸化物低減触媒の状態に応じて、第２インジェクター９０の燃料噴射パターンを変化させる。ここで、エンジンの状態はエンジンの作動期間を考慮して推定され、窒素酸化物低減触媒の状態は窒素酸化物低減触媒の劣化を考慮して推定される。
一方、制御部５０は、第２インジェクター９０での追加噴射を制御する代わりに、第１インジェクター１４での後噴射を制御することによって、窒素酸化物低減触媒４０で窒素酸化物の還元反応を活性化することができる。
この場合、後噴射された燃料は、ディーゼル燃料分解触媒３２で高反応性の還元剤に変化されて、窒素酸化物低減触媒４０で窒素酸化物の還元反応を促進させる。したがって、この明細書及び特許請求の範囲での追加噴射は、後噴射を含むものと解釈されなければならない。
以下、図２乃至図４を参照して、窒素酸化物低減触媒４０についてより詳細に説明する。
図２は、本発明の実施例による排気装置に使用される窒素酸化物低減触媒４０に窒素酸化物が貯蔵されていることを示した概略図であり、図３は、本発明の実施例による排気装置に使用される窒素酸化物低減触媒４０で窒素酸化物が脱着することを示した概略図であり、図４は、本発明の実施例による排気装置に使用される窒素酸化物低減触媒４０で第１触媒層の構成を示した概略図である。
図２及び図３に示しているように、前記窒素酸化物低減触媒４０は、担体にコーティングされた第１、第２触媒層４４、４６を含む。前記第１触媒層４４は排気ガスに近接して配置され、前記第２触媒層４６は担体に近接して配置される。
前記第１触媒層４４は、排気ガスに含まれる窒素酸化物を酸化させ、酸化された窒素酸化物の一部を、燃焼されていない燃料または排気ガスに含まれる炭化水素との酸化−還元反応によって、還元させる。また、酸化された窒素酸化物の他の一部は第２触媒層４６へ拡散する。前記前記第１触媒層４４は、図４に示されているように、ゼオライト触媒１１２と、多孔性アルミナに担持された金属触媒１１４のうちの少なくとも一つを含むことができる。
前記ゼオライト触媒１１２は、白金、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛、銀、セリウム、ガリウムのうちの少なくとも一つ以上の元素がイオン交換された触媒である。前記ゼオライト触媒１１２で起こる化学反応は下記の通りである。
Ｚ−Ｃｕ２＋Ｏ−＋ＮＯ→Ｚ−Ｃｕ２＋（ＮＯ２−）ａｄｓ→Ｚ−Ｃｕ２＋＋ＮＯ２
Ｚ＋Ｏ−＋ＮＯ→Ｚ＋（ＮＯ２ −）ａｄｓ→Ｚ＋＋ＮＯ２
Ｚ−Ｃｕ２＋（ＮＯ２ −）ａｄｓ＋ＮＯ→Ｚ−Ｃｕ２＋（Ｎ２Ｏ３）− ａｄｓ→Ｚ−Ｃｕ２＋Ｏ−＋Ｎ２＋Ｏ２
Ｚ−Ｈ＋＋ＣｎＨ２ｎ→Ｚ−ＣｎＨ２ｎ＋１ ＋→ｎ（Ｚ−Ｈ）＋ＣｎＨ２ｎ ＋
ｍＮＯ２＋ＣｎＨ２ｎ ＋→ＣｎＨ２ｎＮｍＯ２ｍ→Ｎ２＋ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ

ここで、Ｚはゼオライトを意味し、下添字ａｄｓは吸着を意味する。
また、前記多孔性アルミナに担持された金属触媒１１４には、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、タングステン、クロム、マンガン、鉄、コバルト、銅、亜鉛、銀のうちの少なくとも一つ以上の金属が用いられる。前記多孔性アルミナに担持された金属触媒１１４で起こる化学反応は下記の通りである。
ＮＯ＋Ｏ２→（ＮＯｘ）ａｄｓ
ＴＨＣ＋（ＮＯｘ）ａｄｓ→ＴＨＣ−ＯＮＯ または ＴＨＣ−ＮＯ２
ＴＨＣ−ＮＯ２→ＴＨＣ−ＮＣＯ
ＴＨＣ−ＮＣＯ＋ＮＯ＋Ｏ２→Ｎ２＋ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ
ここで、ＴＨＣは炭化水素を意味する。前述の通り、炭化水素は、排気ガスと燃料に含まれる炭素と水素から構成された化合物を全て称することとする。
前記第２触媒層４６は、第１触媒層４４より拡散した窒素酸化物を貯蔵し、追加噴射される燃料によって、前記貯蔵された窒素酸化物を脱着して、前記第１触媒層４４で還元するようにする。
前記第２触媒層４６は貴金属１０８と窒素酸化物貯蔵物質１０６を含む。窒素酸化物貯蔵物質１０６には酸化バリウム（ＢａＯ）が用いられる。前記貴金属１０８は、窒素酸化物貯蔵物質１０６が窒素酸化物を貯蔵することを促進させる。前記貴金属１０８には、白金、パラジウムなど多様な金属物質が用いられる。
以下では、窒素酸化物低減触媒の作動原理について詳細に説明する。
窒素酸化物貯蔵モード
第２インジェクター９０より燃料が追加噴射されなかった場合には、排気ガスに含まれる窒素酸化物は第１触媒層４４で酸化される。酸化された窒素酸化物の一部は、排気ガスに含まれる炭化水素と酸化−還元反応を起こして、窒素気体に還元される。この過程で、排気ガスに含まれる炭化水素は二酸化炭素に酸化される。第１触媒層４４で起こる反応は下記の式の通りに簡略に表現される。
ＮＯ＋１／２Ｏ２→ＮＯ２
ＮＯ２＋ＨＣ→１／２Ｎ２＋ＣＯ２
また、酸化された窒素酸化物の他の一部と排気ガスに含まれる窒素酸化物は、第２触媒層４６に拡散して貯蔵される。この時、第２触媒層４６の貴金属１０８は、窒素酸化物貯蔵物質１０６が窒素酸化物を貯蔵することを促進する。第２触媒層４６で起こる反応は下記の式の通りに簡略に表現される。
ＢａＯ＋２ＮＯ２＋１／２Ｏ２→Ｂａ（ＮＯ３）２
窒素酸化物再生モード
第２インジェクター９０より燃料が追加噴射される場合には、追加噴射された燃料がディーゼル燃料分解触媒３２を通過し、この過程で、燃料が低分子の炭化水素に変換される。また、低分子の炭化水素の一部は酸素と結合した炭化水素に変換されて、窒素酸化物低減触媒４０を通過する。
この時、第２触媒層４６では、窒素酸化物が前記炭化水素との置換反応を通じて脱着されるが、これは下記の式の通りに簡略に表現される。
Ｂａ（ＮＯ３）２＋３ＣＯ→ＢａＣＯ３＋２ＮＯ＋２ＣＯ２
また、第１触媒層４４では、前記脱着された窒素酸化物と酸素と結合した炭化水素の間の酸化−還元反応によって、窒素酸化物は窒素気体に還元され、酸素と結合した炭化水素は二酸化炭素に酸化される。これは下記の式の通りに簡略に表現される。
ＮＯ＋ＨＣ／酸素＝１／２Ｎ２＋ＣＯ２
したがって、排気ガスに含まれる窒素酸化物と炭化水素が浄化される。
図５は、本発明の実施例による排気装置に使用される制御部で、入力と出力の関係を示したブロック図である。
図５に示しているように、第１、第２酸素センサー２５、７０、第１、第２、第３、第４温度センサー３５、３６、６０、６５、エンジン速度センサー７５、そしてタイマー８５で測定された値は制御部５０に伝達される。制御部５０では、前記伝達された値に基づいて、エンジン運転条件、燃料の追加噴射量、追加噴射時期、及び追加噴射パターンを決定し、第２インジェクター９０を制御するための信号を第２インジェクター９０に出力する。
エンジン速度センサー７５はエンジンの回転速度を検出して、これに対する信号を前記制御部５０に伝達する。
タイマー８５は、窒素酸化物低減触媒４０の再生が完了したり、窒素酸化物低減触媒４０の再生中にエンジンの運転状態が変化して、燃料の追加噴射が中断されると点灯する。これとは反対に、タイマー８５は、点灯された状態で燃料の追加噴射が始まるとリセットされる。
一方、本発明の実施例による排気装置には、図５に示したセンサー以外に多数のセンサーが装着されるが、説明の便宜のために省略する。
以下本発明の実施例による排気ガス内の窒素酸化物の浄化方法について詳細に説明する。
図６は、本発明の実施例による排気ガス内の窒素酸化物の浄化方法のフローチャートである。
図６に示しているように、エンジンが作動中である状態で、制御部５０は、各センサー２５、３５、３６、５５、６０、６５、７０、７５より測定された値に基づいてエンジンの運転状態を推定する（Ｓ２１０）。
制御部５０は、前記エンジンの運転状態に基づいて窒素酸化物の発生量を計算し、これに基づいて、窒素酸化物低減触媒４０に貯蔵されている窒素酸化物貯蔵量が設定された窒素酸化物の量以上であるか否かを判断する（Ｓ２２０）。
前記Ｓ２２０段階で、窒素酸化物貯蔵量が設定された窒素酸化物の量より少なければ、エンジンの運転状態に基づいて、窒素酸化物貯蔵量を継続して計算する。
前記Ｓ２２０段階で、窒素酸化物貯蔵量が設定された窒素酸化物の量以上であれば、制御部５０は、燃料の追加噴射条件を満たすか否かを判断する（Ｓ２３０）。
前記燃料の追加噴射条件は、エンジンが正常作動中であり、アイドル状態でなく、変速が発生せず、現在の変速段が１段以上であり、窒素酸化物低減触媒の入口の温度が触媒の活性化温度の範囲内（例えば、２００℃〜６００℃）であり、エンジン回転速度が設定された回転速度の範囲内であり、連続再生でない場合に満たされるものとする。
エンジンが正常作動中であるか否かを判断するために、燃料温度、吸入空気温度、大気圧、冷却水温度、燃料噴射量などを追加的に検出する。
また、窒素酸化物低減触媒では、温度が低過ぎたり高過ぎた場合には窒素酸化物の還元反応が正常に起こらないので、窒素酸化物低減触媒の入口の温度が低過ぎたり高過ぎる場合には、窒素酸化物低減触媒４０の再生は行わない。
また、窒素酸化物低減触媒４０の再生が終了した後、一定の時間が経過する前には窒素酸化物低減触媒４０の再生を行わない。つまり、窒素酸化物低減触媒４０の連続再生は禁止される。
前記Ｓ２３０段階で、燃料の追加噴射条件を満足しなければ、制御部５０は、継続して燃料の追加噴射条件を満たすか否かを判断する（Ｓ２３０）。
前記Ｓ２３０段階で、燃料の追加噴射条件を満足すれば、制御部５０は、燃料の追加噴射時期条件を満たすかを判断する（Ｓ２４０）。つまり、前記Ｓ２３０段階で燃料の追加噴射のための用意をしたので、燃料の追加噴射時期条件が満たされれば、直ちに燃料を追加噴射する。
前記燃料の追加噴射時期条件は、窒素酸化物低減触媒４０の後端で、窒素酸化物のスリップ量が設定されたスリップ量以上であったり、窒素酸化物低減触媒４０に貯蔵された窒素酸化物の量が設定された量（前記Ｓ２２０段階で設定された量よりは大きいのが好ましい。）以上であったり、窒素酸化物に対する炭化水素の比率が設定された比率以上である場合に満たされるものと看做す。
前記設定されたスリップ量、設定された量、そして設定された比率は、当業者がエンジン１０の状態及び窒素酸化物低減触媒４０の状態に応じて適当な値に設定することができる。
前記Ｓ２４０段階で、燃料の追加噴射時期条件を満足しなければ、制御部５０は、継続して、燃料の追加噴射時期条件を満たすか否かを判断する（Ｓ２４０）。
前記Ｓ２４０段階で、燃料の追加噴射時期条件が満たされれば、制御部５０は、燃料の追加噴射パターンを決定する（Ｓ２５０）。前述の通り、制御部５０は、エンジンの運転条件、エンジンの状態または窒素酸化物低減触媒の状態に応じて、第２インジェクター９０の燃料の追加噴射パターンを変化させる。
燃料の追加噴射パターンは、噴射回数と噴射期間（つまり、第２インジェクター９０に印加されるバルブ開閉信号のパルスの幅）によって、決定される。したがって、制御部５０は、エンジンの運転条件、エンジンの状態または窒素酸化物低減触媒の状態に応じて、最適の噴射回数と噴射期間を決定する。
その後、制御部５０は、前記決められた燃料の追加噴射パターンに従って燃料を追加噴射するように、第２インジェクター９０を制御し、第２インジェクター９０は燃料を追加噴射することによって、窒素酸化物低減触媒４０を再生する（Ｓ２６０）。窒素酸化物低減触媒４０の再生とは、窒素酸化物低減触媒４０に貯蔵された窒素酸化物を脱着させることを意味する。
窒素酸化物低減触媒４０を再生する途中、制御部５０は、エンジンの運転条件、エンジンの状態または窒素酸化物低減触媒の状態が変化したかを判断する（Ｓ２７０）。
エンジンの運転条件、エンジンの状態または窒素酸化物低減触媒の状態の変化とは、窒素酸化物低減触媒４０の再生を禁止しなければならない状態が発生したことを意味し、変速信号が検出されたり、エンジンの回転速度が設定速度の範囲を超えたり、または窒素酸化物低減触媒４０の入口の温度が触媒の活性化温度の範囲を超えたりするのが、エンジンの運転条件、エンジンの状態または窒素酸化物低減触媒の状態の変化の例である。
また、当業者が窒素酸化物低減触媒４０の再生を禁止しなければならないと判断する全ての場合は、エンジンの運転条件、エンジンの状態または窒素酸化物低減触媒の状態の変化に含まれる。
前記Ｓ２７０段階で、エンジンの運転条件、エンジンの状態または窒素酸化物低減触媒の状態変化が発生しなければ、制御部５０は、窒素酸化物低減触媒４０の再生が完了したかを判断する（Ｓ２９０）。前記Ｓ２７０段階で、エンジンの運転条件、エンジンの状態または窒素酸化物低減触媒の状態変化が発生すれば、制御部５０は、燃料の追加噴射を中止するように第２インジェクター９０を制御し、前記Ｓ２３０段階に戻る。
窒素酸化物低減触媒４０の再生が完了していなければ前記Ｓ２６０段階に戻り、窒素酸化物低減触媒４０の再生が完了すれば、本発明の実施例による排気ガス内の窒素酸化物の浄化方法を終了する。
前述のように本発明によれば、追加噴射される燃料の量をエンジン運転条件に応じて精密に調節することによって、排気ガスに含まれる窒素酸化物の浄化効率が向上する。
また、追加噴射される燃料がディーゼル燃料分解触媒によって活性化するので、窒素酸化物低減触媒で起こる酸化−還元反応が活性化し、これにより、排気ガスに含まれる窒素酸化物の浄化効率がさらに向上する。
以上で、本発明に関する望ましい実施例を説明したが、本発明は前記実施例に限定されず、当該発明が属する技術分野において通常の知識を有する者は、その技術的範囲内において容易に変更することができる。
本発明は、排気ガスに含まれる窒素酸化物を低減させる排気システムの分野に適用できる。
１０ エンジン
１２ 燃焼室
１４ 第１インジェクター
１６ 排気マニホールド
１８ 吸気マニホールド
２０ 排気パイプ
２５ 第１酸素センサー
３０ 媒煙フィルター
３２ ディーゼル燃料分解触媒
３５ 第１温度センサー
３６ 第２温度センサー
４０ 窒素酸化物低減触媒
４４ 第１触媒層
４６ 第２触媒層
５０ 制御部
５５ 差圧センサー
６０ 第３温度センサー
６５ 第４温度センサー
７０ 第２酸素センサー
７５ エンジン速度センサー
８０ 排気ガス再循環装置
８５ タイマー
９０ 第２インジェクター
１０６ 窒素酸化物貯蔵物質
１０８ 貴金属
１１２ ゼオライト触媒
１１４ 金属触媒

Claims (13)

  1. 排気パイプに装着された排気装置を利用して、排気ガスに含まれる窒素酸化物を浄化する窒素酸化物の浄化方法において、
    前記排気装置は、排気パイプまたはエンジンに装着されて燃料を追加噴射するインジェクター、前記インジェクターの後端の排気パイプに装着されて、追加噴射された燃料を、熱分解によって高反応性の還元剤に変換させるディーゼル燃料分解触媒、前記ディーゼル燃料分解触媒の後端の排気パイプに装着されて排気ガスに含まれる窒素酸化物を貯蔵し、追加噴射される燃料によって、前記貯蔵された窒素酸化物を脱着して、前記高反応性の還元剤との酸化−還元反応を通じて還元させる窒素酸化物低減触媒、そしてエンジンの運転条件に応じて燃料の追加噴射を制御する制御部を含み、
    前記窒素酸化物の浄化方法は、エンジンの運転条件が燃料の追加噴射条件と燃料の追加噴射時期条件を満たす場合、設定された噴射パターンに従って燃料を追加噴射することによって窒素酸化物低減触媒を再生することを特徴とする、排気ガス内の窒素酸化物の浄化方法。
  2. 前記燃料の追加噴射条件は、エンジンが正常作動中であり、アイドル状態ではなく、変速が発生せず、現在の変速段が１段以上であり、窒素酸化物低減触媒の入口の温度が触媒の活性化温度の範囲内であり、エンジン回転速度が設定された回転速度の範囲内であり、連続再生でない場合に満たされることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス内の窒素酸化物の浄化方法。
  3. 前記燃料の追加噴射時期条件は、窒素酸化物低減触媒の後端での窒素酸化物のスリップ量が設定されたスリップ量以上であったり、窒素酸化物低減触媒に貯蔵された窒素酸化物の量が設定された量以上であったり、窒素酸化物に対する炭化水素の比率が設定された比率以上である場合に満たされることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス内の窒素酸化物の浄化方法。
  4. 前記設定された噴射パターンはエンジンの運転条件、エンジンの状態または窒素酸化物低減触媒の状態に応じて変化することを特徴とする請求項１に記載の排気ガス内の窒素酸化物の浄化方法。
  5. 前記窒素酸化物低減触媒の再生中のエンジンの運転条件、エンジンの状態または窒素酸化物低減触媒の状態が変化する場合には、燃料の追加噴射を中止することを特徴とする請求項１に記載の排気ガス内の窒素酸化物の浄化方法。
  6. 前記排気装置は、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集する媒煙フィルターをさらに含み、
    前記媒煙フィルターの再生条件を満たす場合には、前記燃料の追加噴射時期の条件もまた満たすことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載の排気ガス内の窒素酸化物の浄化方法。
  7. 排気パイプに装着されており、排気ガスに含まれる窒素酸化物を浄化する排気装置において、
    排気パイプに装着されて燃料を追加噴射するインジェクター、
    前記インジェクターの後端の排気パイプに装着されて、追加噴射された燃料を、熱分解によって高反応性の還元剤に変換させるディーゼル燃料分解触媒、
    前記ディーゼル燃料分解触媒の後端の排気パイプに装着されて、排気ガスに含まれる窒素酸化物を一時的に貯蔵し、追加噴射される燃料によって、前記貯蔵された窒素酸化物を脱着して、前記高反応性の還元剤との酸化−還元反応を通じて還元させる窒素酸化物低減触媒、及び
    エンジンの運転条件が燃料の追加噴射条件と燃料の追加噴射時期条件を満たす場合、設定された噴射パターンに従って燃料を追加噴射するように前記インジェクターの作動を制御する制御部、
    を含むことを特徴とする排気装置。
  8. 前記燃料の追加噴射条件は、エンジンが正常作動中であり、アイドル状態でなく、変速が発生せず、現在の変速段が１段以上であり、窒素酸化物低減触媒の入口の温度が触媒の活性化温度の範囲内であり、エンジン回転速度が設定された回転速度の範囲内であり、連続再生でない場合に満足されることを特徴とする請求項７に記載の排気装置。
  9. 前記燃料の追加噴射時期条件は、窒素酸化物低減触媒の後端で窒素酸化物のスリップ量が設定されたスリップ量以上であったり、窒素酸化物低減触媒に貯蔵された窒素酸化物の量が設定された量以上であったり、窒素酸化物に対する炭化水素の比率が設定された比率以上である場合に満たされることを特徴とする請求項７に記載の排気装置。
  10. 前記設定された噴射パターンは、エンジンの運転条件、エンジンの状態または窒素酸化物低減触媒の状態に応じて変化することを特徴とする請求項７に記載の排気装置。
  11. 前記窒素酸化物低減触媒の再生中のエンジンの運転条件、エンジンの状態または窒素酸化物低減触媒の状態が変化する場合には、燃料の追加噴射を中止することを特徴とする請求項７に記載の排気装置。
  12. 排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集する媒煙フィルターをさらに含み、
    前記媒煙フィルターの再生条件を満たす場合には、前記燃料の追加噴射時期条件もまた満足することを特徴とする請求項７乃至１１のいずれか一つに記載の排気装置。
  13. 前記媒煙フィルターの再生条件は、前記媒煙フィルターの入口と出口の圧力差が設定された値以上である場合に満たされることを特徴とする請求項１２に記載の排気装置。
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