JP2012057633A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気浄化触媒に対して反応しやすい状態で添加剤を供給し、添加剤が未反応のまま排気浄化触媒を通過し、排気浄化触媒での処理が十分に行われないことによる排ガス性能の悪化を防止する。
【解決手段】燃料タンク３０内で蒸発した燃料蒸気を圧縮手段６２で加圧し、液化手段６３で凝縮して低沸点成分が分離された燃料を得て、排気浄化触媒との反応が促進される状態の添加剤（燃料）をインジェクタ３４から噴射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関から排出される排気ガスを浄化する排気浄化装置に関する。

自動車等に搭載されるエンジン、特にディーゼルエンジンから排出される排気ガス中には、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等、環境に悪影響を与える虞のある汚染物質や、微粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）等が多く含まれている。このため、エンジンから排出される排気ガスが通過する排気通路に、例えば、上記汚染物質を分解（還元等）するための三元触媒や、ＰＭを捕捉するためのパティキュレートフィルタ等を設け、排気ガスができるだけ無害化された状態で大気中に放出されるようにしている。

パティキュレートフィルタは、使用に伴ってフィルタ内にＰＭが堆積して通過抵抗が増大するため、必要に応じて再生処理を行う必要がある。再生処理としては、パティキュレートフィルタの上流に設けられた酸化触媒に燃料（軽油）などの炭化水素系液体（添加剤）を流入させて発熱反応を生じさせ、この熱によりパティキュレートフィルタの再生処理を行う方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、ディーゼルエンジンにおいては、排気ガスが酸化雰囲気であるため、三元触媒を用いた窒素酸化物（ＮＯｘ）の浄化が難しい。このため、ディーゼルエンジンには、排気ガス中のＮＯｘを効率的に浄化するために、例えば、ＮＯｘの吸着と還元とを繰り返し行ってＮＯｘを分解（還元）する、いわゆるＮＯｘ吸蔵触媒が多く採用されている。

このようなＮＯｘ吸蔵触媒は、吸着したＮＯｘを分解（還元）するため、ＮＯｘ吸蔵触媒に外部から還元剤（添加剤）を適宜供給する必要がある。このため、一般的には、燃料（軽油）等を還元剤（添加剤）として排気通路内に噴射することでＮＯｘ吸蔵触媒に供給するようにしている。例えば、排気通路にインジェクタを設け、インジェクタによってＮＯｘ還元剤である燃料をＮＯｘ吸蔵触媒に向かって噴射するようにした技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。

触媒に添加剤として燃料を供給する場合、触媒に対して燃料を十分に霧化・拡散させる必要がある。しかし、スペースの問題等によりインジェクタと触媒との位置関係を最適にすることが困難なことがあり、触媒に対して燃料を十分に霧化・拡散できずに燃料が供給される虞があった。燃料の霧化・拡散が不十分になると、触媒で燃料が十分に反応できずに燃料の状態のまま触媒を通過し、ＮＯｘ処理等が十分に行われずに排ガスが悪化する虞があった。

少ない還元剤の添加で必要な触媒反応を生じさせるために、噴射した燃料を改質する技術が知られている（例えば、特許文献３参照）。特許文献３で開示された技術は、噴射した燃料を改質し、最小量の還元剤によりＮＯｘ等を効率的に除去する技術である。このため、燃料のまま触媒を通過し、ＮＯｘ処理等が十分に行われないことに起因する排ガス悪化に関しては何ら考慮されていない。また、噴射後に燃料を改質するものであるため、触媒に燃料が付着し堆積する恐れもある。

特開２００２−８９２３７号公報 特開２００５−２１４１００号公報 特開平９−３８４６７号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、排気浄化触媒に対して反応しやすい状態で添加剤を供給することができる排気浄化装置を提供し、もって、添加剤が未反応のまま排気浄化触媒を通過し、排気浄化触媒での処理が十分に行われないことによる排ガス性能の悪化を防止することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられる排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒の反応のために添加剤を前記排気浄化触媒の上流側に噴射するインジェクタと、燃料タンク内で蒸発した燃料を前記インジェクタに供給する添加剤供給系統とを備えたことを特徴とする。

請求項１に係る本発明では、燃料タンク内で蒸発した燃料を添加剤として供給し、添加剤を排気浄化触媒で十分に反応させる。これにより、添加剤が未反応のまま排気浄化触媒を通過し、排気浄化触媒での処理が十分に行われないことによる排ガス性能の悪化を防止することができる。

そして、請求項２に係る本発明の排気浄化装置は、請求項１に記載の排気浄化装置において、前記添加剤供給系統に介装され、前記燃料タンク内で蒸発した燃料蒸気を液化して低沸点成分の燃料を得る液化手段を有することを特徴とする。

請求項２に係る本発明では、液化手段により低沸点成分の燃料を得ることで、排気浄化触媒との反応が促進される状態の添加剤になるように調整され、排気浄化触媒に対して反応しやすい状態で添加剤を供給することができる。

また、請求項３に係る本発明の排気浄化装置は、請求項２に記載の排気浄化装置において、前記燃料タンク内の燃料を前記インジェクタに供給する補助系統を備え、前記補助系統は前記インジェクタの手前で前記添加剤供給系統に接続されることを特徴とする。

請求項３に係る本発明では、インジェクタから噴射される添加剤を液化手段にて低沸点成分の燃料とされた添加剤か燃料タンクの燃料（調整されていない添加剤）に切り替えることができる。

また、請求項４に係る本発明の排気浄化装置は、請求項３に記載の排気浄化装置において、前記排気浄化触媒の温度を検出する温度検出手段と、前記添加剤供給系統と前記補助系統との接続部に設けられる切換手段とを備え、前記切換手段は、前記温度検出手段が所定の温度を超えている場合には前記補助系統からの燃料を前記インジェクタに供給し、前記温度検出手段が所定の温度を超えていない場合には前記添加剤供給手段系統からの燃料を前記インジェクタに供給することを特徴とする。

請求項４に係る本発明では、排気浄化触媒の温度が高いときに、液化手段を備えていない補助系統に燃料を流通させて通常の燃料を供給し、排気浄化触媒の温度が低い時に、液化手段により得られた低沸点成分の燃料を添加剤供給系統に流通させて気化潜熱による冷却の影響および触媒反応の低下を抑制する。

本発明の排気浄化装置は、排気浄化触媒に対して反応しやすい状態で添加剤を供給することができるので、添加剤が未反応のまま排気浄化触媒を通過し、排気浄化触媒での処理が十分に行われないことによる排ガス性能の悪化を防止することができる。

本発明の第１実施形態例に係る排気浄化装置を備えたディーゼルエンジンの全体構成図である。 本発明の第２実施形態例に係る排気浄化装置を備えたディーゼルエンジンの全体構成図である。

図１には本発明の第１実施形態例に係る排気浄化装置を備えたディーゼルエンジンの全体、図２には本発明の第２実施形態例に係る排気浄化装置を備えたディーゼルエンジンの全体を示してある。

図１に基づいて第１実施形態例を説明する。

図に示すように、多気筒ディーゼルエンジン（エンジン）１のシリンダブロック２にはシリンダボア３が形成され、シリンダボア３内にはピストン４が往復移動自在に収容されている。ピストン４及びシリンダボア３及びシリンダヘッド５により燃焼室８が形成されている。ピストン４にはコネクティングロッド６の上端が回動自在に連結され、コネクティングロッド６の下端はクランクシャフト７のピン部に回転自在に接続されている。これにより、ピストン４の往復運動がコネクティングロッド６を介してクランクシャフト７の回転運動に変換される。

シリンダヘッド５には吸気ポート１１が形成され、吸気ポート１１には吸気マニホールドを含む吸気管１３が接続されている。吸気ポート１１には吸気弁１４が設けられ、吸気弁１４により吸気ポート１１が開閉される。また、シリンダヘッド５には排気ポート１５が形成され、排気ポート１５には排気マニホールドを含む排気管１７（排気通路）が接続されている。排気ポート１５には排気弁１８が設けられ、排気弁１８により排気ポート１５が開閉される。

吸気管１３及び排気管１７の途中部にはターボチャージャ２１が介装され、排気管１７の排気によりターボチャージャ２１が駆動されて吸気管１３の吸気が過給される。即ち、ターボチャージャ２１は、タービン及びコンプレッサを有し、排気管１７の排気によりタービンが回転し、タービンの回転に伴ってコンプレッサが回転して吸気管１３からの空気が加圧されて吸気ポート１１に供給される。

シリンダヘッド５には燃焼室８に燃料を噴射する電子制御式の燃料噴射弁２２が設けられ、燃料噴射弁２２にはコモンレール２３から燃料が供給される。コモンレール２３にはサプライポンプ２９により燃料タンク３０内の燃料が供給され、エンジン１の回転速度に応じてサプライポンプ２９から所定圧で燃料がコモンレール２３に供給される。コモンレール２３では燃料が所定の燃圧に調整され、コモンレール２３から所定の燃圧に制御された高圧燃料が燃料噴射弁２２に供給される。

尚、図中の符号で２４は排気の一部を吸気管１３側に循環させるＥＧＲ系、２５は吸入空気量が調整されるスロットルバルブ、２６は過給された吸気の温度を調整するインタークーラーである。

ターボチャージャ２１の下流側の排気管１７には、排気浄化触媒１０であるディーゼル酸化触媒（酸化触媒）３１及びＮＯｘ吸蔵触媒３２及びディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter）３３が上流側から順に配されている。

ターボチャージャ２１と酸化触媒３１との間の排気管１７には、添加剤として還元剤である燃料（軽油）を酸化触媒３１に向かって噴射するインジェクタ３４が設けられている。燃料タンク３０には燃料の表面から蒸発した燃料蒸気を捕捉する捕捉配管６１が接続され、捕捉配管６１には圧縮手段６２が接続されている。圧縮手段６２は液化手段６３に備えられ、液化手段６３では圧縮手段６２で圧縮された燃料蒸気が冷却されて液化される。燃料蒸気が加圧・凝縮されることで、低沸点成分が分離された液体（燃料）が得られる（調整手段）。

液化手段６３には添加剤供給系としての供給配管６４が接続され、供給配管６４には加圧ポンプ６５が設けられている。供給配管６４はインジェクタ３４に接続され、低沸点成分が分離された液体燃料が加圧ポンプ６５によりインジェクタ３４に供給される。

上述した排気浄化装置では、気化しやすく、また、分子量が通常の燃料より小さいため反応もしやすい低沸点成分に変化された液体燃料がインジェクタ３４から噴射されることで、燃料が触媒に対して十分に霧化・拡散できずに供給されても、排気浄化触媒１０での反応を十分に行わせることができる。

酸化触媒３１は、例えば、セラミックス材料で形成されたハニカム構造の担体に、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属が担持された触媒層を有する触媒本体部２０を備え、触媒本体部２０は排気管１７に保持されている。酸化触媒３１では、排気ガスが流入すると、排気ガス中の一酸化窒素（ＮＯ）が酸化されて二酸化窒素（ＮＯ_２）が生成されるとともにＨＣが酸化されて一酸化炭素（ＣＯ）あるいは二酸化炭素（ＣＯ_２）が生成される。

酸化触媒３１における酸化反応が起こるには、酸化触媒３１が活性温度以上に温度を上昇させる必要があるため、酸化触媒３１は可及的にエンジン１に近い位置に配されていることが好ましい。エンジン１に近い位置に配置されることにより、酸化触媒３１がエンジン１から排出される既燃ガスの熱によって加熱され、始動時等であっても比較的短時間で酸化触媒３１を活性温度以上の温度に上昇させることができる。

ＮＯｘ吸蔵触媒３２は、例えば、セラミックス材料で形成されたハニカム構造の担体に、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属が担持されると共に、吸蔵剤としてバリウム（Ｂａ）等のアルカリ金属、あるいはアルカリ土類金属が担持される。ＮＯｘ吸蔵触媒３２では、酸化雰囲気においてＮＯｘを一旦吸蔵し、即ち、酸化触媒３１で生成されたＮＯ_２、また酸化触媒３１で酸化されずに排気ガス中に残存するＮＯを一旦吸蔵し、例えば、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）等を含む還元雰囲気中において、ＮＯｘを放出して窒素（Ｎ_２）等に還元する。

尚、酸化触媒３１で生成されたＮＯ_２の多くはＮＯｘ吸蔵触媒３２によって吸着・分解（還元）されるが、吸着・分解されなかった残りのＮＯ_２はＤＰＦ３３での反応により浄化される。

通常、エンジン１から排出される排気ガスは酸化雰囲気であるため、ＮＯｘ吸蔵触媒３２の内部が酸化雰囲気となり、ＮＯｘ吸蔵触媒３２ではＮＯｘが吸着されるのみで吸着されたＮＯｘが分解（還元）されることはない。このため、ＮＯｘ吸蔵触媒３２に所定量のＮＯｘが吸着されると、インジェクタ３４から還元剤である燃料（軽油）が噴射される。

インジェクタ３４から燃料（軽油）が噴射されることにより、燃料が混合された排気ガスが酸化触媒３１で反応し、酸素を消費するとともに還元能力の高い一酸化炭素（ＣＯ）を生成することで、ＮＯｘ吸蔵触媒３２の内部が還元雰囲気となり、吸着されたＮＯｘが分解（還元）される。

ＤＰＦ３３は、例えば、セラミックス材料で形成されたハニカム構造のフィルタであり、ＤＰＦ３３の内部には、上流側端部が開放され下流側端部が閉塞された排気ガス通路３３ａと下流側端部が開放され上流側端部が閉塞された排気ガス通路３３ｂとが多孔質の壁面を介して交互に配列されている。排気ガスは、上流側端部が開放された排気ガス通路３３ａに流入し、多孔質の壁面を通って隣接する排気ガス通路３３ｂに流入して下流側に流出する。排気ガスの流通過程で、排気ガス中の微粒子状物質（ＰＭ）が壁面に衝突し吸着されて捕捉される。

捕捉されたＰＭは排気ガス中のＮＯ_２によって酸化（燃焼）されＣＯ_２として排出され、ＤＰＦ３３の内部に残存するＮＯ_２はＮ_２に分解されて排出される。即ち、ＤＰＦ３３では、排気ガスを浄化して、ＰＭ及びＮＯｘの排出量を大幅に低減している。また、ＰＭが燃焼されることで、ＤＰＦ３３の性能は再生される。

通常、ＮＯｘはＮＯｘ吸蔵触媒３２で吸着されるため、ＤＰＦ３３に供給される排気ガス中のＮＯ_２の量は少なく、ＤＰＦ３３にはＰＭが徐々に堆積される。ＤＰＦ３３に所定量のＰＭが堆積すると、インジェクタ３４から所定量の燃料が噴射され、排気ガスに燃料が混合される。排気ガスに燃料が混合されると、ＮＯｘ吸蔵触媒３２では吸着されたＮＯｘが還元されるため、還元反応による反応熱でＤＰＦ３３の温度が上昇する。また、ＮＯｘ吸蔵触媒３２で吸着したＮＯｘ（ＮＯ_２）の一部が還元されずにＤＰＦ３３に供給される。これにより、ＤＰＦ３３におけるＰＭの燃焼が促進される。

酸化触媒３１、ＮＯｘ吸蔵触媒３２及びＤＰＦ３３の上流側近傍及びＤＰＦ３３の下流側近傍には、それぞれ排気温センサが設けられ、複数の排気温センサによって、酸化触媒３１、ＮＯｘ吸蔵触媒３２及びＤＰＦ３３に流入する排気ガスの温度と排出される排気ガスの温度が検出される。また、酸化触媒３１及びＤＰＦ３３の上流側近傍には、排気ガス中の酸素濃度を検出するための酸素濃度センサが設けられている。

また、ＤＰＦ３３の上流側及び下流側の圧力を検出する圧力センサが設けられ、ＤＰＦ３３の入口側の圧力や入口側と出口側の圧力の差圧が検出される。そして、ＤＰＦ３３の下流側の排気管１７には空燃比センサ３６が設けられ、空燃比センサ３６により排気空燃比が検出され、排気管１７内の排気ガスが所定の空燃比で運転されるようにフィードバック制御される。

車両には、図示しない電子制御ユニット（ＥＣＵ）が設けられ、ＥＣＵには、入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶を行う記憶装置、中央処理装置及びタイマやカウンタ類が備えられている。そして、各種センサからの情報に基づいて、ＥＣＵの指令により、エンジン１及び排気浄化装置の総合的な制御を行っている。

触媒に添加剤を供給する場合、インジェクタ３４を排気浄化装置から相当な距離だけ離間して配置することで、還元剤である添加剤を触媒に到達するまでに十分に霧化・拡散させることができる。しかし、配置スペースの関係から、インジェクタ３４と触媒との位置関係を最適にすることが困難なことがあり、触媒に対して燃料を十分に霧化・拡散できずに添加剤が供給されることが考えられる。

このため、燃料蒸気が加圧・凝縮されることで、低沸点成分が分離された液体（添加剤）が得られる液化手段６３を備えている。インジェクタ３４に供給される添加剤は低沸点成分が分離された液体（燃料）となっているので、気化しやすく、また、分子量が通常の燃料より小さいため反応もしやすくなる。このため、低沸点成分に変化された燃料がインジェクタ３４から噴射されると、燃料が触媒に対して十分に霧化・拡散できずに供給されても、排気浄化触媒１０での反応を十分に行わせることができる。

従って、還元剤である燃料が未反応のまま排気浄化触媒１０を通過して、排気浄化触媒１０での処理が十分に行われないことによる排ガス性能の悪化を防止することができる。つまり、供給した低沸点成分の燃料の全てが触媒で反応し、排ガスを悪化させることなく、ＮＯｘ吸蔵触媒３２でのＮＯｘ放出（分解）に必要な条件（還元剤であるＣＯ等の生成）を作り出すことができる。これにより、添加剤が未反応のまま排気浄化触媒１０を通過し、排気浄化触媒１０での処理が十分に行われないことによる排ガス性能の悪化を防止することができる。

図２に基づいて第２実施形態例を説明する。

図１に示した第１実施形態例と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。第２実施形態例は、第１実施形態例の装置に対し、補助系統を設け、触媒の温度が高い場合に燃料タンク内の燃料をインジェクタ３４に供給する構成となっている。その他の構成は同一である。

図に示すように、サプライポンプ２９には補助系統としての燃料配管７１が接続され、インジェクタ３４の手前側で燃料配管７１は供給配管６４に接続されている。供給配管６４に対する燃料配管７１の接続部には切換手段としての切換弁７２が設けられている。切換弁７２は温度センサ４７の検出情報に応じて、燃料配管７１からの低沸点成分が分離された液体燃料の供給、もしくは、燃料配管７１からの通常の燃料の供給が切換えられる。

温度センサ４７により酸化触媒３１が所定の温度を超えていると判断された場合（十分な活性温度に達していると判断された場合）、切換弁７２の切換によりサプライポンプ２９からの燃料を燃料配管７１からインジェクタ３４に供給する。温度センサ４７により酸化触媒３１が所定の温度を超えていないと判断された場合、切換弁７２の切換により低沸点成分が分離された液体燃料を加圧ポンプ６５によりインジェクタ３４に供給する。

上述した排気浄化装置では、排気浄化触媒１０の温度が高い時に、切換弁７２の切換によりサプライポンプ２９からの燃料が燃料配管７１からインジェクタ３４に供給される。このため、低沸点成分に比べて燃料が気化しにくく、また、触媒上での反応もしにくくなり、気化潜熱及び触媒反応の低下によって排気浄化触媒１０が冷却されて過昇温を防止することができる。

排気浄化装置の温度が低い時には、切換弁７２の切換により低沸点成分が分離された液体燃料が加圧ポンプ６５によりインジェクタ３４に供給される。低沸点成分は気化しやすく、また、分子量が通常の燃料より小さいため反応もしやすくなる。このため、燃料の霧化・拡散が十分ではない状態でも、供給した全ての燃料が排気浄化触媒１０で反応する。

従って、排気浄化触媒１０の失活を防止した状態で、未反応のままの添加剤が排気浄化触媒１０を通過して排気浄化触媒１０での処理が十分に行われないことによる排ガス性能の悪化を防止することができる。

本発明は、内燃機関から排出される排気ガスを浄化する排気浄化装置の産業分野で利用することができる。

１ 多気筒ディーゼルエンジン（エンジン）
２ シリンダブロック
３ シリンダボア
４ ピストン
５ シリンダヘッド
６ コネクティングロッド
７ クランクシャフト
８ 燃焼室
１１ 吸気ポート
１３ 吸気管
１４ 吸気弁
１５ 排気ポート
１７ 排気管
１８ 排気弁
２０ 触媒本体部
２１ ターボチャージャ
２２ 燃料噴射弁
２３ コモンレール
２４ ＥＧＲ系
２５ スロットルバルブ
２６ インタークーラー
２９ サプライポンプ
３０ 燃料タンク
３１ ディーゼル酸化触媒（酸化触媒）
３２ ＮＯｘ吸蔵触媒
３３ ディーゼルパティキュレート触媒（ＤＰＦ）
３４ インジェクタ
３６ 空燃比センサ
４７ 温度センサ
６１ 捕捉配管
６２ 圧縮手段
６３ 液化手段
６４ 供給配管
７１ 燃料配管
７２ 切換弁

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に設けられる排気浄化触媒と、
   前記排気浄化触媒の反応のために添加剤を前記排気浄化触媒の上流側に噴射するインジェクタと、
   燃料タンク内で蒸発した燃料を前記インジェクタに供給する添加剤供給系統とを備えた
   ことを特徴とする排気浄化装置。
2. 請求項１に記載の排気浄化装置において、
   前記添加剤供給系統に介装され、前記燃料タンク内で蒸発した燃料蒸気を液化して低沸点成分の燃料を得る液化手段を有する
   ことを特徴とする排気浄化装置。
3. 請求項２に記載の排気浄化装置において、
   前記燃料タンク内の燃料を前記インジェクタに供給する補助系統を備え、
   前記補助系統は前記インジェクタの手前で前記添加剤供給系統に接続される
   ことを特徴とする排気浄化装置。
4. 請求項３に記載の排気浄化装置において、
   前記排気浄化触媒の温度を検出する温度検出手段と、
   前記添加剤供給系統と前記補助系統との接続部に設けられる切換手段とを備え、
   前記切換手段は、前記温度検出手段が所定の温度を超えている場合には前記補助系統からの燃料を前記インジェクタに供給し、前記温度検出手段が所定の温度を超えていない場合には前記添加剤供給手段系統からの燃料を前記インジェクタに供給する
   ことを特徴とする排気浄化装置。

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