JP2011058478A

JP2011058478A - 還元剤供給装置、それを備える排気浄化システム及び還元剤の供給方法

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Publication number: JP2011058478A
Application number: JP2009212112A
Authority: JP
Inventors: Yoshiki Takatori; 芳樹高鳥; Taketoshi Fujikawa; 武敏藤川; Takamitsu Asanuma; 孝充浅沼
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2009-09-14
Filing date: 2009-09-14
Publication date: 2011-03-24

Abstract

【課題】排気浄化システム等において触媒に対して還元剤をより均一に供給することを可能とする。
【解決手段】屈曲部２２ａを有する排気管２２に還元剤を噴射するインジェクタ３０ａ，３０ｂを備え、排気管２２の周方向に向けて互いに対向する方向Ａ，Ｂに還元剤をインジェクタ３０ａ，３０ｂから噴射する。前記第１インジェクタ及び前記第２インジェクタを前記流路の周方向に向けて互いに対向する位置に設ける。前記インジェクタから噴射された還元剤を前記流路の周方向に向けて互いに対向する方向に変化させる衝突板を有する。前記インジェクタから噴射された還元剤の一部を前記流路の周方向に向く方向に変化させ、残りの一部の方向を変化させない反射板を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、還元剤供給装置、それを備える排気浄化システム及び還元剤の供給方法に関する。

自動車等のエンジンから排出される排気ガスに含まれる一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等の汚染物質や微粒子状物質（ＰＭ：ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ）等を除外する排気浄化システムが用いられている。例えば、排気ガスを排出するための排気管に、汚染物質を分解（還元）するための三元触媒やＰＭを捕捉するためのパーティキュレートフィルタ等を設け、排気ガスを浄化するシステムが知られている。

特に、ディーゼルエンジン等においては排気ガス中に窒素酸化物（ＮＯｘ）が多く含まれるため、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を効率的に除去するために、窒素酸化物（ＮＯｘ）の吸着及び還元を繰り返して分解（還元）する窒素酸化物浄化触媒が用いられている。窒素酸化物浄化触媒では、吸着した窒素酸化物（ＮＯｘ）を分解（還元）するために外部から還元剤を供給する必要がある。例えば、排気通路にインジェクタを配置し、燃料（軽油）等を還元剤として排気通路内に噴射して窒素酸化物浄化触媒に供給する。

このとき、窒素酸化物浄化触媒において還元剤を有効に利用するためには、触媒への入口において還元剤を均一に供給することが好ましい。

例えば、還元剤を均一に触媒へ導入するために、排気管内に分散板や整流板を配置し、排気管内の上流から供給される還元剤の流れを制御する方法等が知られている。

また、例えば、エンジンに連通する排気通路に介装される窒素酸化物浄化触媒に対して、窒素酸化物浄化触媒の上流側に近接してＬ字状に湾曲する導入部を排気通路に形成して、窒素酸化物浄化触媒の上流側の還元剤の導入部の曲率半径方向外側部分に還元剤を噴射するインジェクタを設け、そのインジェクタより下流側かつ窒素酸化物浄化触媒より上流側の領域に向かって還元剤を噴射する技術が開示されている（特許文献１）。

特開２００８−１２８０４８号公報

ところで、排気管内に分散板や整流板を配置する方法では、板自体に上流側から流れ込む還元剤を均一化させる効果を持たせる必要があるため、分散板や整流板及びその周辺の排気管の構造が複雑になりがちであり、圧力損失の増大や製造コストの増大を招くおそれがある。

また、排気管が屈曲部を有する場合、インジェクタから排気管に単に還元剤を噴射する方法では、排気管内の還元剤を十分に均一化させることができず、触媒に対して均一に還元剤を供給することが困難である。

例えば、図１２に示すように、下向きに屈曲した屈曲部を有する排気管１０に対して下向き４５°に設けられたインジェクタ１２から還元剤を噴射した場合、図１３に示すように、噴射開始初期は排気管１０内の還元剤の濃度は比較的均一であるが、時間が経過するにつれて気流の旋回の影響により排気管１０の屈曲部内側に還元剤が偏在する。なお、図１３において、領域の輝度が明るいほど還元剤の濃度が高く、領域の輝度が暗いほど還元剤の濃度が低いことを示す。一方、図１４に示すように、排気管１０に対して上向き４５°に設けられたインジェクタ１２から還元剤を噴射した場合、図１５に示すように、噴射開始初期は排気管１０の屈曲部外側に還元剤が偏在するが、時間が経過するにつれて比較的均一な分布となる。なお、図１５において、領域の輝度が明るいほど還元剤の濃度が高く、領域の輝度が暗いほど還元剤の濃度が低いことを示す。

本発明は、上記課題を鑑み、還元剤をより均一に供給することを可能とする還元剤供給装置、それを備える排気浄化システム及び還元剤の供給方法を提供することを目的とする。

本発明の１つの態様は、流路に還元剤を噴射する少なくとも１つのインジェクタを備え、前記流路の周方向に向けて互いに対向するように還元剤を前記インジェクタから噴射することを特徴とする還元剤供給装置である。

また、本発明の別の態様は、少なくとも１つのインジェクタから、流路の周方向に向けて互いに対向するように還元剤を噴射することを特徴とする還元剤の供給方法である。

例えば、第１インジェクタ及び第２インジェクタを備え、前記第１インジェクタ及び前記第２インジェクタを前記流路の周方向に向けて互いに対向する位置に設け、前記第１インジェクタ及び前記第２インジェクタから還元剤を前記流路内へ噴射することが好適である。

また、前記流路内に前記インジェクタから噴射された還元剤を前記流路の周方向に向けて互いに対向する方向に変化させる衝突板を有することが好適である。

また、前記流路内に前記インジェクタから噴射された還元剤の一部を前記流路の周方向に向く方向に変化させ、残りの一部の方向を変化させない反射板を有することが好適である。

また、前記インジェクタからの還元剤の噴射量及び噴射タイミングの少なくとも一方を制御することが好適である。

なお、本願発明における還元剤供給装置は、前記流路の前記インジェクタよりも下流側に浄化触媒を有する排気浄化システムに適用することが好適である。

本発明によれば、触媒に対して還元剤をより均一に供給することを可能とすることが可能となる。

本発明の実施の形態における排気浄化システムの基本構成を示す図である。本発明の実施の形態における排気浄化システムの基本構成を示す図である。第１の実施の形態における排気浄化システムの構成を示す拡大図である。本発明の実施の形態における還元剤の濃度分布を示す図である。第２の実施の形態における排気浄化システムの構成を示す拡大図である。第２の実施の形態における排気浄化システムの構成を示す拡大図である。第３の実施の形態における排気浄化システムの構成を示す拡大図である。第３の実施の形態における排気浄化システムの構成を示す拡大図である。第４の実施の形態における還元剤の噴射制御を示す図である。第４の実施の形態における還元剤の噴射制御を示す図である。第４の実施の形態における還元剤の噴射制御を示す図である。第４の実施の形態における還元剤の噴射制御を示す図である。従来の排気浄化システムの構成を示す図である。従来の排気浄化システムにおける還元剤の濃度分布を示す図である。従来の排気浄化システムの構成を示す図である。従来の排気浄化システムにおける還元剤の濃度分布を示す図である。

＜第１の実施の形態＞
本発明の実施の形態における排気浄化システム１００は、図１（ａ）に示すように、エンジン２０の排気管２２に接続された酸化浄化部２４、窒素酸化物浄化部２６、パーティキュレートフィルタ（ＰＦ：Particulate Filter）２８を含んで構成される。また、図１（ｂ）に示す排気浄化システム１０１のように、酸化浄化部２４を設けず、窒素酸化物浄化部２６及びパーティキュレートフィルタ２８を含んだ構成としてもよい。排気管２２に接続された排気浄化システム１００は、排気管２２内に還元剤を噴射するインジェクタ３０も含んで構成される。さらに、エンジン２０及びインジェクタ３０の動作を制御する電子制御部（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）３２を含んで構成される。

エンジン２０は、シリンダ、ピストン等を備え、シリンダとピストンとの間で形成される燃焼室において燃料を燃焼させることによって動力を生み出す。燃焼により生じる排気ガスは、シリンダに設けられた排気ポートを通じて排気管２２へ排気される。排気ポートには排気弁が設けられ、排気のタイミングが制御される。なお、エンジン２０の構成についてはこれに限定されるものでなく、排気ガスの浄化が必要なものであれは本願発明の対象となり得る。

排気管２２の下流側には、酸化浄化部２４が接続される。酸化浄化部２４は、筐体２４ａ内に酸化触媒２４ｂを配置して構成される。なお、図１（ｂ）に示す排気浄化システム１０１のように、酸化浄化部２４は設けなくてもよい。

酸化触媒２４ｂは、例えば、セラミックス材料で形成された担体に、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属を担持させて構成される。担体は、ハニカム構造とすることが好適である。

酸化触媒２４ｂに排気ガスが流れると、排気ガスに含まれる一酸化窒素（ＮＯ）が酸化されて二酸化窒素（ＮＯ₂）が生成される。酸化触媒２４ｂにおいて酸化反応を起こすためには、酸化触媒２４ｂが所定の温度以上に加熱されている必要があるので、酸化浄化部２４は窒素酸化物浄化部２６及びＰＦ２８よりも上流側に配置することが好ましい。

酸化浄化部２４の下流側、又は、酸化浄化部２４を設けない場合には排気管２２の下流側には、排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸蔵する窒素酸化物浄化部２６が接続される。窒素酸化物浄化部２６は、筐体２６ａ内に窒素酸化物吸蔵触媒２６ｂを配置して構成される。

窒素酸化物吸蔵触媒２６ｂは、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）からなる担体に、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属を担持させると共に、窒素酸化物（ＮＯｘ）の吸蔵剤となるバリウム（Ｂａ）等のアルカリ土類金属又はアルカリ金属を担持させて構成される。担体は、ハニカム構造とすることが好適である。

窒素酸化物吸蔵触媒２６ｂは、酸化雰囲気において排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）、例えば二酸化窒素（ＮＯ₂）や一酸化窒素（ＮＯ）を吸蔵する。また、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）を含む還元雰囲気において窒素酸化物（ＮＯｘ）を窒素（Ｎ₂）等に還元する。

窒素酸化物浄化部２６の下流側には、ＰＦ２８が接続される。ＰＦ２８は、筐体２８ａ内にフィルタ２８ｂを配置して構成される。

フィルタ２８ｂは、例えば、多孔性のセラミックス材料で形成されたフィルタである。フィルタ２８ｂは、上流側端部が開口され、下流側端部が閉口されたガス流路と、上流側端部が閉口され、下流側端部が開口されたガス流路とを交互に並べたハニカム構造とすることが好適である。また、フィルタ２８ｂは、蛇腹状に形成された構造としてもよい。

フィルタ２８ｂを排気ガスが透過する際に、排気ガスに含まれる微粒子状物質（ＰＭ）がフィルタ２８ｂの壁面に吸着される。吸着された微粒子状物質（ＰＭ）は、排気ガス中の二酸化窒素（ＮＯ₂）等によって酸化されて二酸化炭素（ＣＯ２）として排出される。また、二酸化窒素（ＮＯ₂）は一酸化窒素（ＮＯ）に分解されて排出される。

インジェクタ３０は、排気管２２のエンジン２０と酸化浄化部２４との間の領域に設けられる。本実施の形態では、２つのインジェクタ３０ａ，３０ｂが設けられる。

通常、エンジン２０からの排気ガスには一酸化窒素（ＮＯ）が最も多く含まれており、炭化水素（ＨＣ）等の還元物質の含有量は少ない。したがって、窒素酸化物浄化部２６内が酸化雰囲気となり、窒素酸化物吸蔵触媒２６ｂに窒素酸化物（ＮＯｘ）が吸着されるだけとなり、吸着された窒素酸化物（ＮＯｘ）が還元され難い状態となる。そこで、窒素酸化物吸蔵触媒２６ｂにある程度の窒素酸化物（ＮＯｘ）が吸着されるとインジェクタ３０ａ，３０ｂから還元剤を噴射して排気ガスを還元雰囲気とする。これにより、窒素酸化物浄化部２６に還元雰囲気となった排気ガスが導入され、窒素酸化物吸蔵触媒２６ｂに吸着された窒素酸化物（ＮＯｘ）が還元され易くなる。なお、還元剤は軽油等の燃料とすることが好適である。

また、排気管２２には温度センサ３４が設けられる。温度センサ３４は単数でも複数でもよい。温度センサ３４により、排気管２２を流れる排気ガスの温度を検知する。ＥＣＵ３２は、検知された温度を温度センサ３４から取得する。また、排気管２２には酸素センサ３６が設けられる。酸素センサ３６は単数でも複数でもよい。酸素センサ３６により、排気管２２を流れる酸素濃度を検知する。ＥＣＵ３２は、検知された酸素濃度を酸素センサ３６から取得する。

ＥＣＵ３２は、マイクロコンピュータを含んで構成され、エンジン２０及びインジェクタ３０の制御を行う。また、温度センサ３４から取得した排気ガスの温度及び酸素センサ３６から取得した排気ガス中の酸素濃度に基づいてエンジン２０及びインジェクタ３０の制御を行うものとしてもよい。

以下、インジェクタ３０が設けられた排気管２２の導入部について説明する。図２は、排気管２２におけるインジェクタ３０が配置された部分の拡大断面図である。

インジェクタ３０ａ及び３０ｂは屈曲部２２ａを有する排気管２２の周方向に向けて互いに対向する位置に配置される。本実施の形態では、排気管２２の屈曲部２２ａの屈曲方向（紙面と平行な方向）にインジェクタ３０ａ及び３０ｂを互いに対向するように配置する。ただし、これに限定されるものではなく、インジェクタ３０ａ及び３０ｂが排気管２２の周方向に向けて互いに対向する位置に配置されていればよく、例えば、排気管２２の屈曲部２２ａの屈曲方向に垂直な方向（紙面と垂直な方向）にインジェクタ３０ａ及び３０ｂを互いに対向するように配置してもよい。

このような配置とすることによって、図２に示すように、排気管２２の周方向に向けて互いに対向する方向Ａ及びＢに還元剤を噴射することができる。本実施の形態では、インジェクタ３０ａ及び３０ｂからの噴射方向は排気管２２の上流側から下流側へ向けて排気管２２の内面に対して約４５°とした。ただし、これに限定されるものではなく、排気管２２の屈曲部２２ａの曲率等に応じて適宜調整することが好ましい。

図３に、ラインＣ−Ｃに沿った酸化浄化部２４の入口付近の断面における還元剤の濃度分布を示す。本実施の形態におけるインジェクタ３０ａ及び３０ｂの配置によって、インジェクタ３０ａ及び３０ｂから噴射された還元剤が互いに排気管２２内で重ね合わされ、図３に示すように、還元剤は酸化浄化部２４の入口付近においてほぼ均一な濃度になる。

このように、本実施の形態によれば、還元剤を均一な濃度分布で酸化浄化部２４へ供給することができる。

＜第２の実施の形態＞
図４に、第２の実施の形態における排気管２２におけるインジェクタ３０が配置された部分の拡大断面図を示す。

本実施の形態では、インジェクタ３０は１つだけ設け、排気管２２の内部にインジェクタ３０から噴射された還元剤を排気管２２の周方向に向けて互いに対向する方向Ａ及びＢに変化させる衝突板４０を設ける。

本実施の形態では、排気管２２の屈曲部２２ａの屈曲方向（紙面と平行な方向）にインジェクタ３０から噴射された還元剤を向けるように衝突板４０を配置する。ただし、これに限定されるものではなく、インジェクタ３０から噴射された還元剤が排気管２２の周方向に向けて互いに対向する方向に向けられればよく、例えば、図５に示すように、図４の構成とは上下対称にインジェクタ３０及び衝突板４０を配置してもよいし、排気管２２の屈曲部２２ａの屈曲方向に垂直な方向（紙面と垂直な方向）にインジェクタ３０から噴射された還元剤を向けるようにインジェクタ３０及び衝突板４０を配置してもよい。

このような配置とすることによって、図４及び図５に示すように、排気管２２の周方向に向けて互いに対向する方向Ａ及びＢに還元剤を噴射することができる。これによって、第１の実施の形態と同様に、排気管２２内に噴射された還元剤は酸化浄化部２４の入口付近においてほぼ均一な濃度になる。

＜第３の実施の形態＞
図６に、第３の実施の形態における排気管２２におけるインジェクタ３０が配置された部分の拡大断面図を示す。

本実施の形態では、インジェクタ３０は１つだけ設け、排気管２２の内部にインジェクタ３０から噴射された還元剤の一部を排気管２２の周方向に向く方向に変化させ、残りの一部の方向を変化させないように配置された反射板４２を設ける。

本実施の形態では、排気管２２の屈曲部２２ａの屈曲方向（紙面と平行な方向）にインジェクタ３０から噴射された還元剤を向けるように反射板４２を配置する。ただし、これに限定されるものではなく、インジェクタ３０から噴射された還元剤が排気管２２の周方向に向けて互いに対向する方向に向けられればよく、例えば、図７に示すように、図６の構成とは上下対称にインジェクタ３０及び反射板４２を配置してもよいし、排気管２２の屈曲部２２ａの屈曲方向に垂直な方向（紙面と垂直な方向）にインジェクタ３０から噴射された還元剤を向けるようにインジェクタ３０及び反射板４２を配置してもよい。

このような配置とすることによって、図６及び図７に示すように、排気管２２の周方向に向けて互いに対向する方向Ａ及びＢに還元剤を噴射することができる。これによって、第１の実施の形態と同様に、排気管２２内に噴射された還元剤は酸化浄化部２４の入口付近においてほぼ均一な濃度になる。

＜第４の実施の形態＞
第４の実施の形態では、インジェクタ３０からの還元剤の噴射量及び噴射タイミングを制御することによって、より均一な還元剤の濃度分布を得る。以下、図８〜図１１において、横軸は時間、縦軸は互いに対向する方向Ａ，Ｂへの還元剤の噴射量を示す。

第１の制御は、図８に示すように、排気管２２の周方向に向けて互いに対向する方向にインジェクタ３０から同時に還元剤を噴射するものである。図９に示すように、それぞれの噴射における還元剤の噴射時間及び噴射量を調整することによって還元剤の均一に分布させてもよい。第１の制御は、第１〜第３の実施の形態のいずれにおいても実行することができる。

第２の制御は、図１０に示すように、排気管２２の周方向に向けて互いに対向する方向にインジェクタ３０から時間をずらして還元剤を噴射するものである。互いに対向する方向への還元剤の噴射タイミングをずらすことによって還元剤の均一に分布させることができる。この場合も、それぞれの噴射における還元剤の噴射時間及び噴射量を調整してもよい。また、互いの噴射時間の一部が重複するようにしてもよいし、互いの噴射時間が重複しないようにしてもよい。第２の制御は、第１の実施の形態のようにインジェクタ３０が複数設けられている場合に実行することができる。

第３の制御は、図１１に示すように、排気管２２の周方向に向けて互いに対向する方向にインジェクタ３０から時分割的に還元剤を噴射するものである。この場合、一度噴射した還元剤が排気管２２、酸化浄化部２４及び窒素酸化物浄化部２６のいずれかにまだ残っている状態で次の噴射を行うことを複数回繰り返す。それぞれの噴射における還元剤の噴射時間、噴射量及び噴射間隔を調整することによって還元剤の均一に分布させることができる。第３の制御は、第１〜第３の実施の形態のいずれにおいても実行することができる。ただし、互いに対向する方向への噴射のタイミングをずらす場合には第１の実施の形態のようにインジェクタ３０が複数設けられている場合に実行することができる。

これらの制御は、ＥＣＵ３２によりインジェクタ３０を制御することで行うことができる。なお、ＥＣＵ３２は、温度センサ３４から取得した排気ガスの温度及び酸素センサ３６から取得した排気ガス中の酸素濃度に基づいてこれらの制御を行ってもよい。

１０排気管、１２インジェクタ、２０エンジン、２２排気管、２２ａ屈曲部、２４酸化浄化部、２４ａ筐体、２４ｂ酸化触媒、２６窒素酸化物浄化部、２６ａ筐体、２６ｂ窒素酸化物吸蔵触媒、２８ＰＦ、２８ａ筐体、２８ｂフィルタ、３０（３０ａ，３０ｂ）インジェクタ、３４温度センサ、３６酸素センサ、４０衝突板、４２反射板、１００排気浄化システム。

Claims

屈曲部を有する流路に還元剤を噴射する少なくとも１つのインジェクタを備え、
前記流路の周方向に向けて互いに対向するように還元剤を前記インジェクタから噴射することを特徴とする還元剤供給装置。
請求項１に記載の還元剤供給装置であって、
第１インジェクタ及び第２インジェクタを備え、
前記第１インジェクタ及び前記第２インジェクタを前記流路の周方向に向けて互いに対向する位置に設け、前記第１インジェクタ及び前記第２インジェクタから還元剤を前記流路内へ噴射することを特徴とする還元剤供給装置。
請求項１に記載の還元剤供給装置であって、
前記流路内に前記インジェクタから噴射された還元剤を前記流路の周方向に向けて互いに対向する方向に変化させる衝突板を有することを特徴とする還元剤供給装置。
請求項１に記載の還元剤供給装置であって、
前記流路内に前記インジェクタから噴射された還元剤の一部を前記流路の周方向に向く方向に変化させ、残りの一部の方向を変化させない反射板を有することを特徴とする還元剤供給装置。
請求項１〜４のいずれか１つに記載の還元剤供給装置であって、
前記インジェクタからの還元剤の噴射量及び噴射タイミングの少なくとも一方を制御することを特徴とする還元剤供給装置。
請求項１〜５のいずれか１つに記載の還元剤供給装置と、
前記流路の前記インジェクタよりも下流側に浄化触媒と、
を備えることを特徴とする排気浄化システム。
少なくとも１つのインジェクタから、屈曲部を有する流路の周方向に向けて互いに対向するように還元剤を噴射することを特徴とする還元剤の供給方法。