JP2011111945A

JP2011111945A - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP2011111945A
Application number: JP2009267665A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Tashiro; 欣久田代
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2009-11-25
Filing date: 2009-11-25
Publication date: 2011-06-09
Anticipated expiration: 2029-11-25
Also published as: JP5763294B2

Abstract

【課題】排気温度が低い低負荷運転時でもＤＰＦの強制再生を可能とし、更にＳＣＲ触媒による高いＮＯｘ浄化性能を確保する。
【解決手段】ターボ付きディーゼルエンジンの排気通路１７のターボ１４よりも下流側に、上流側から順に、触媒を担持していないディーゼルパティキュレートフィルター２７とＳＣＲ触媒２８とを配設した排気浄化装置であって、排気通路１７のターボ１４よりも上流側に、上流側から順に一段目酸化触媒２９と二段目酸化触媒３０とが配設され、排気通路１７の一段目酸化触媒２９と二段目酸化触媒３０との間に、燃料を排気通路１７内に噴射する燃料噴射ノズル３１が設けられ、排気通路１７の二段目酸化触媒３０とターボ１４との間に、尿素を排気通路１７内に噴射する尿素噴射ノズル３２が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターボ付きディーゼルエンジンの排気通路のターボよりも下流側に、ディーゼルパティキュレートフィルターとＳＣＲ触媒とを有する後処理装置を装着している排気浄化装置に関する。

図３に示すように、ターボ付きディーゼルエンジンの排気浄化装置４０であって、エンジン本体４１に排気マニホールド４２を介して接続された排気管４３のターボ（ターボチャージャー）４４よりも排気下流側に、ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルター）４５とＳＣＲ触媒（選択還元触媒）４６とを有する後処理装置を装着している排気浄化装置４０においては、排気管４３のＤＰＦ４５とＳＣＲ触媒４６との間に、還元剤としての尿素を排気管４３内に噴射する尿素噴射ノズル４７が設けられている。

また、図３に示す排気浄化装置４０においては、排気管４３のターボ４４とＤＰＦ４５との間に、排気ガス中のＨＣ（炭化水素）及びＣＯ（一酸化炭素）を浄化する一段目ＤＯＣ（酸化触媒）４８が配設されており、排気管４３のＳＣＲ触媒４６よりも排気下流側には、ＮＨ₃（アンモニア）を分解する二段目ＤＯＣ４９が配設されている。

なお、図３中、５０は吸気マニホールド、５１は吸気管、５２はエアクリーナー、５３はターボ４４のコンプレッサー、５４はインタークーラー、５５はターボ４４のタービン、５６は差圧センサー、５７は排気スロットル（排気絞りバルブ）、５８はＥＣＵ（エンジン制御ユニット或いは電子制御ユニット）である。

ＤＰＦ４５の強制再生時には、コモンレールシステム（図示せず）のマルチ噴射により排気ガスを昇温させると共に、更に一段目ＤＯＣ４８で排気ガスを昇温させ、その排気ガスでＤＰＦ４５内に溜め込まれたスート及びＰＭ等を燃焼させるようになっている。

一方、ＳＣＲ触媒４６のＮＯｘ還元時には、尿素噴射ノズル４７により尿素を排気管４３内に噴射し、噴射した尿素を排気管４３の中でＮＨ₃に転換させ、そのＮＨ₃をＳＣＲ触媒４６によるＮＯｘ還元に使用するようになっている。

特開２００８−１０１５３５号公報

図３に示す排気浄化装置４０においては、一段目ＤＯＣ４８がターボ４４後段に位置しているため、排気温度が低い低負荷運転時に、一段目ＤＯＣ４８の温度が上がらず、活性温度に達せず、ＤＰＦ４５の強制再生ができない問題があった。

また、図３に示す排気浄化装置４０においては、ＳＣＲ触媒４６がターボ４４後段に位置しているため、排気温度が低い低負荷運転時に、ＳＣＲ触媒４６の温度が上がらず、活性温度に達せず、ＳＣＲ触媒４６による高いＮＯｘ浄化性能が確保できない問題を有していた。

さらに、ＳＣＲ触媒４６の浄化のために尿素噴射ノズル４７により尿素を排気管４３内に噴射し、噴射した尿素を排気管４３の中でＮＨ₃に転換させ、そのＮＨ₃をＳＣＲ触媒４６によるＮＯｘ還元に使用するが、尿素からＮＨ₃への転換効率が低く、これもＮＯｘ浄化率低下の原因の一つでもあった（図２参照）。その改良方法として排気管４３の尿素噴射ノズル４７とＳＣＲ触媒４６との間にミキシングデバイスを装着する方法が提案されているが、排気圧力の上昇を招く問題があった。

そこで、本発明の目的は、排気温度が低い低負荷運転時でもＤＰＦの強制再生を可能とし、更にＳＣＲ触媒による高いＮＯｘ浄化性能を確保することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、ターボ付きディーゼルエンジンの排気通路の前記ターボよりも下流側に、上流側から順に、触媒を担持していないディーゼルパティキュレートフィルターとＳＣＲ触媒とを配設した排気浄化装置であって、前記排気通路の前記ターボよりも上流側に、上流側から順に一段目酸化触媒と二段目酸化触媒とが配設され、前記排気通路の前記一段目酸化触媒と前記二段目酸化触媒との間に、燃料を前記排気通路内に噴射する燃料噴射ノズルが設けられ、前記排気通路の前記二段目酸化触媒と前記ターボとの間に、尿素を前記排気通路内に噴射する尿素噴射ノズルが設けられているものである。

前記排気通路の前記一段目酸化触媒と前記燃料噴射ノズルとの間に、前記排気通路内の排気ガスの一部をＥＧＲガスとして前記ターボ付きディーゼルエンジンの吸気通路に導入するべくＥＧＲガス取出口が設けられていても良い。

本発明によれば、排気温度が低い低負荷運転時でもＤＰＦの強制再生を可能とし、更にＳＣＲ触媒による高いＮＯｘ浄化性能を確保することができるという優れた効果を奏する。

図１は、本発明の一実施形態に係る排気浄化装置を備えたターボ付きディーゼルエンジンの概略図である。図２は、ＮＨ₃への転換効率を示す図である。図３は、従来例に係る排気浄化装置を備えたターボ付きディーゼルエンジンの概略図である。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示すように、本実施形態に係る排気浄化装置１０を備えたターボ付きディーゼルエンジンでは、エンジン本体１１の吸気通路１２に、吸気上流側から順に、エアクリーナー１３と、ターボ（ターボチャージャー）１４のコンプレッサー１５と、インタークーラー１６とが配設されている。また、エンジン本体１１の排気通路１７には、排気上流側から順に、ターボ１４のタービン１８と、排気スロットル（排気絞りバルブ）１９とが配設されている。また、排気通路１７と吸気通路１２とは、排気通路１７内の排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気通路１２に導入するためにＥＧＲ通路２０で連通されており、ＥＧＲ通路２０にはＥＧＲクーラー２１とＥＧＲバルブ（図示せず）とが設けられている。

本実施形態では、吸気通路１２は、エンジン本体１１に装着された吸気マニホールド２２と、吸気マニホールド２２に接続された吸気管２３とから構成されている。また、排気通路１７は、エンジン本体１１に装着された排気マニホールド２４と、排気マニホールド２４に接続された排気管２５とから構成されている。また、ＥＧＲ通路２０は、一端が排気マニホールド２４に接続され且つ他端が吸気管２３に接続されたＥＧＲ管２６から構成されている。

本実施形態に係る排気浄化装置１０においては、排気通路１７のターボ１４よりも排気下流側に後処理装置が設けられており、この後処理装置は、触媒を担持していないＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルター）２７と、その下流側のＳＣＲ触媒（選択還元触媒）２８とを有している。ＤＰＦ２７は、排気ガス中のスート（すす）及びＰＭ（粒子状物質）等を捕集するフィルターであり、本実施形態では排気管２５に装着されている。また、ＳＣＲ触媒２８は、尿素から転換されるＮＨ₃（アンモニア）で排気ガス中のＮＯｘを還元する触媒であり、本実施形態では排気管２５に装着されている。

また、本実施形態に係る排気浄化装置１０においては、排気通路１７のターボ１４よりも排気上流側には、排気上流側から順に一段目ＤＯＣ（酸化触媒）２９と二段目ＤＯＣ３０とが配設され、排気通路１７の一段目ＤＯＣ２９と二段目ＤＯＣ３０との間には、燃料（本実施形態では、軽油）を排気通路１７内に噴射する燃料噴射ノズル（本実施形態では、軽油噴射ノズル）３１が装着され、排気通路１７の二段目ＤＯＣ３０とターボ１４との間には、還元剤としての尿素（尿素水）を排気通路１７内に噴射する尿素噴射ノズル３２が装着されている。本実施形態に係る排気浄化装置１０においては、更に排気通路１７の一段目ＤＯＣ２９と軽油噴射ノズル３１との間に、排気通路１７内の排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気通路１２に導入すべくＥＧＲガス取出口３３が取り付けられている。

つまり、本実施形態に係る排気浄化装置１０においては、排気通路１７のターボ１４よりも排気上流側に、排気上流側から順番に、一段目ＤＯＣ２９と、ＥＧＲガス取出口３３と、軽油噴射ノズル３１と、二段目ＤＯＣ３０と、尿素噴射ノズル３２とが設けられている。

本実施形態の一段目ＤＯＣ２９及び二段目ＤＯＣ３０は、排気ガス中のＨＣ（炭化水素）及びＣＯ（一酸化炭素）を浄化する触媒である。本実施形態では、一段目ＤＯＣ２９は排気マニホールド２４の入口部に気筒毎に装着されており、二段目ＤＯＣ３０は排気マニホールド２４の出口部に装着されている。また、本実施形態では、ＥＧＲガス取出口３３は排気マニホールド２４に取り付けられている。さらに、本実施形態では、軽油噴射ノズル３１は排気マニホールド２４に装着されており、尿素噴射ノズル３２は排気管２５に装着されている。

また、本実施形態に係る排気浄化装置１０においては、排気通路１７のＳＣＲ触媒２８よりも排気下流側には、三段目ＤＯＣ３４が配設されている。本実施形態の三段目ＤＯＣ３４は、ＮＨ₃を分解する触媒であり、排気管２５に装着されている。

さらに、本実施形態に係る排気浄化装置１０においては、排気通路１７には、二段目ＤＯＣ３０の入口の排気温度を検出する第一排気温度センサー３５と、ＤＰＦ２７の入口の排気温度を検出する第二排気温度センサー３６と、ＳＣＲ触媒２８の入口の排気温度を検出する第三排気温度センサー３７と、ＤＰＦ２７の出入口の差圧を検出する差圧センサー３８とが設けられており、これら第一排気温度センサー３５、第二排気温度センサー３６、第三排気温度センサー３７、差圧センサー３８等の検出値に基づいて、ＥＣＵ（エンジン制御ユニット或いは電子制御ユニット）３９が軽油噴射ノズル３１及び尿素噴射ノズル３２等を制御するようになっている。本実施形態では、第一排気温度センサー３５は排気マニホールド２４に装着されており、第二排気温度センサー３６、第三排気温度センサー３７及び差圧センサー３８は排気管２５に装着されている。

以上の構成からなる本実施形態に係る排気浄化装置１０の作用を説明する。

一段目ＤＯＣ２９を通過した排気ガスは一部浄化され、一段目ＤＯＣ２９を通過した排気ガスの一部はＥＧＲガスとしてＥＧＲ管２６を介して吸気管２３に導入される。ＥＧＲガスはＥＧＲ管２６に設けられたＥＧＲクーラー２１で冷却されるので、ＥＧＲ効果が促進され、エンジン本体１１でＮＯｘ低減が行われる。しかし、低負荷運転時において、ＥＧＲガス温度が低い場合、ＥＧＲガス中の高沸点ＨＣ成分がＥＧＲ系（ＥＧＲ管２６、ＥＧＲクーラー２１及びＥＧＲバルブ等）を汚損させる問題があった。本実施形態では、一段目ＤＯＣ２９によりＥＧＲガス中の高沸点ＨＣ成分も浄化されるため、ＥＧＲ系の汚損は発生しない。

また、ＤＰＦ２７の強制再生時には、コモンレールシステム（図示せず）のマルチ噴射により一段目ＤＯＣ２９の入口の排気温度を一段目ＤＯＣ２９の活性温度まで上昇させる。エンジン本体１１から排出された排気ガスは一段目ＤＯＣ２９でＨＣ及びＣＯの一部が浄化され更に昇温され、二段目ＤＯＣ３０に導入される。第一排気温度センサー３５で検出される二段目ＤＯＣ３０の入口の排気温度が二段目ＤＯＣ３０の活性温度（例えば２５０℃）以上に達すると更に排気温度を上昇させるため、軽油噴射ノズル３１により軽油が排気マニホールド２４内に噴射される。ＤＰＦ２７内に溜め込まれたスート及びＰＭ等を燃焼させるため、排気マニホールド２４内に噴射された軽油により、第二排気温度センサー３６により検出されるＤＰＦ２７の入口の排気温度はＤＰＦ２７中のスート及びＰＭ等を燃焼させる温度前後（例えば約６００℃前後）に上げられ、この温度近辺に所定時間の間制御維持されて、ＤＰＦ２７の強制再生は終了する。

また、本実施形態に係る排気浄化装置１０では、ＤＰＦ２７の強制再生中、ＥＧＲ管２６に設けたＥＧＲバルブが全閉とされ、ＥＧＲカットがなされる。ＤＰＦ２７の強制再生中はＥＧＲカットがなされるので、排気噴射（軽油噴射ノズル３１による軽油噴射）と尿素噴射との同時作動が可能となる。つまり、ＤＰＦ２７の強制再生中はＥＧＲバルブが全閉とされるので、軽油噴射ノズル３１により排気マニホールド２４内に噴射された軽油がＥＧＲ管２６、吸気管２３及び吸気マニホールド２２を通ってエンジン本体１１に導入されることがないので、排気ガスが悪化することはない。

一方、ＳＣＲ触媒２８のＮＯｘ還元時には、第三排気温度センサー３７により検出されるＳＣＲ触媒２８の入口の排気温度がＳＣＲ触媒２８の活性温度に達したとき、尿素噴射ノズル３２によりＮＯｘの量に見合った量の尿素が排気管２５内に噴射される。

本実施形態に係る排気浄化装置１０では、排気温度の低下の少ないターボ１４前段の排気通路１７に二段階の酸化触媒（一段目ＤＯＣ２９、二段目ＤＯＣ３０）を配設しているので、ＤＰＦ２７の強制再生時に、一段目ＤＯＣ２９はエンジン本体１１に近いためコモンレールシステムのマルチ噴射による温度上昇が早く、二段目ＤＯＣ３０の温度上昇を促進することができ、排気温度が低い低負荷運転時でもＤＰＦ２７の強制再生を可能とすることができる。

二段目ＤＯＣ３０は軽油噴射ノズル３１から噴射された軽油を浄化するには触媒容量が比較的大きいことが必要とされるが、容量の確保可能な位置に配設されるので、二段目ＤＯＣ３０の容量を比較的大きくすることができ、二段目ＤＯＣ３０の温度が早期にＤＰＦ２７中のスート及びＰＭ等を燃焼させる温度に達することができる。

また、本実施形態に係る排気浄化装置１０では、排気温度の低下の少ないターボ１４前段の排気通路１７に尿素噴射ノズル３２を装着しているので、低負荷運転時の早期に尿素噴射ノズル３２による尿素噴射が可能となり、尿素からＮＨ₃への転換効率は図２の如く大幅に上昇し、ＳＣＲ触媒２８によるＮＯｘ浄化率を高くできる。

また、本実施形態に係る排気浄化装置１０では、ターボ１４前段の排気通路１７に尿素噴射ノズル３２を装着しているので、タービン１８通過により排気ガスと尿素とのミキシングが良く、尿素噴射ノズル３２をターボ１４後段の排気通路１７に装着する場合よりも尿素からＮＨ₃への転換効率は高く、また、排気管２５にミキシングデバイスを装着したときのような排気圧力が上昇する不具合は発生しない。

また、本実施形態に係る排気浄化装置１０では、ＤＰＦ２７は触媒を担持していないため、ＤＰＦ２７を通過した尿素から熱分解されたＮＨ₃はＮＯｘに変換されること無くＳＣＲ触媒２８に導入されるので、ＳＣＲ触媒２８によるＮＯｘ浄化率を高くできる。

さらに、本実施形態に係る排気浄化装置１０では、排気通路１７の一段目ＤＯＣ２９と軽油噴射ノズル３１との間にＥＧＲガス取出口３３を設けているので、一段目ＤＯＣ２９で排気ガス中の高沸点ＨＣ成分が浄化され、その排気ガスの一部がＥＧＲガス取出口３３からＥＧＲ通路２０に導入されるので、汚損物質（高沸点ＨＣ）によるＥＧＲ系（ＥＧＲ管２６、ＥＧＲクーラー２１及びＥＧＲバルブ等）の汚損という不具合を解消することができる。

１０排気浄化装置
１１エンジン本体
１２吸気通路
１４ターボ
１７排気通路
２７ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルター）
２８ＳＣＲ触媒
２９一段目ＤＯＣ（一段目酸化触媒）
３０二段目ＤＯＣ（二段目酸化触媒）
３１軽油噴射ノズル（燃料噴射ノズル）
３２尿素噴射ノズル
３３ＥＧＲガス取出口

Claims

ターボ付きディーゼルエンジンの排気通路の前記ターボよりも下流側に、上流側から順に、触媒を担持していないディーゼルパティキュレートフィルターとＳＣＲ触媒とを配設した排気浄化装置であって、
前記排気通路の前記ターボよりも上流側に、上流側から順に一段目酸化触媒と二段目酸化触媒とが配設され、前記排気通路の前記一段目酸化触媒と前記二段目酸化触媒との間に、燃料を前記排気通路内に噴射する燃料噴射ノズルが設けられ、前記排気通路の前記二段目酸化触媒と前記ターボとの間に、尿素を前記排気通路内に噴射する尿素噴射ノズルが設けられていることを特徴とする排気浄化装置。
前記排気通路の前記一段目酸化触媒と前記燃料噴射ノズルとの間に、前記排気通路内の排気ガスの一部をＥＧＲガスとして前記ターボ付きディーゼルエンジンの吸気通路に導入するべくＥＧＲガス取出口が設けられている請求項１に記載の排気浄化装置。