JP2012092690A - 内燃機関の排気処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 炭化水素選択還元型ＮＯｘ触媒（ＨＣ−ＳＣＲ触媒）のＮＯｘ還元作用を有効に発揮させることができ、以ってＮＯｘの浄化処理をより一層きめ細かく効果的に行う。
【解決手段】 本発明に係る内燃機関１０の排気処理装置３０は、低温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒４０と、高温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒５０と、中温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒６０と、低温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒４０に対してＨＣを供給する第１の炭化水素供給手段７０Ａと、高温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒５０に対してＨＣを供給する第２の炭化水素供給手段７０Ｂと、中温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒６０に対してＨＣを供給する第３の炭化水素供給手段７０Ｃと、を備え、各触媒４０、５０、６０の活性度合いに応じて、第１の炭化水素供給手段７０Ａ、第２の炭化水素供給手段７０Ｂ、第３の炭化水素供給手段７０ＣからのＨＣの供給量を制御することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関から排出され種々の排出物質を含む気体（排気）を処理する排気処理装置に関する。

内燃機関からの排気を浄化して大気汚染の拡大を抑制することは重要な課題であるが、特許文献１に記載されるように、例えば、ディーゼル機関において、排気が導かれる排気通路の途中に、酸素共存下でも選択的にＮＯｘ（窒素酸化物）をＨＣ（炭化水素）と反応させ得るよう反応選択性を高めたＨＣ（炭化水素）選択還元型ＮＯｘ触媒｛ＨＣ−ＳＣＲ（ＨＣ−Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）方式の触媒（以下、ＨＣ−ＳＣＲ触媒とも言う）｝を介装し、該ＨＣ選択還元型ＮＯｘ触媒の排気上流側に必要量のＨＣを添加して該ＨＣをＨＣ選択還元型ＮＯｘ触媒上で排気中のＮＯｘと還元反応させ、これによりＮＯｘの排出量の低減を図るようにしたものがある。

また、例えば、ＨＣ選択還元型ＮＯｘ触媒を利用した、次のような排気処理装置も提案されている。このものは、例えば、図４に示すように、ディーゼル機関１から排出された排気が、排気通路２を介して排気処理装置３に導かれる。前記排気処理装置３には、排気上流側から、ＨＣ−ＳＣＲ触媒（例えば、ＤＯＣ（ディーゼルエンジン用酸化触媒機能付きの低温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒など）４、触媒化ディーゼルパティキュレートフィルタ５、酸化触媒６が、この順番で配設されると共に、前記ＨＣ−ＳＣＲ触媒４の排気上流側に、排気に対して燃料を添加供給するための燃料添加装置７が介装されている。
そして、排気温度（触媒温度）を測定するための温度センサ８、９が、ＨＣ−ＳＣＲ触媒４の上流側と下流側に配設されている。

ここで、前記燃料添加装置７は、温度センサ８、９の測定結果に基づいて、所望の触媒温度（触媒活性温度）が得られるように、燃料タンク７Ｃに収容される燃料を燃料加圧ポンプ７Ｂを介して燃料添加ノズル７Ａに給送し、該燃料添加ノズル７Ａは排気通路２を流れる排気に対して燃料を調量しながら添加供給し、前記ＨＣ−ＳＣＲ触媒５において、前記燃料添加と排気中のＮＯｘとを反応させて、ＮＯｘの浄化を図るようになっている。

そして、その排気下流側において、ＰＭを触媒化ディーゼルパティキュレートフィルタ５で捕集して排気中からＰＭを除去する一方、酸化触媒６と共に排気中のＨＣ、ＣＯ等を酸化除去することで、排気に含まれる各種の有害物質の大気中への排出を抑制している。

なお、触媒化ディーゼルパティキュレートフィルタ５は、排気中のＰＭ（パティキュレートマター：粒子状物質＝主に黒煙（スス）、ＳＯＦと称される燃え残った燃料や潤滑油の成分、サルフェートと称される軽油燃料中の硫黄分から生成される成分を含む）の大気への排出を抑えるために排気中のＰＭを捕集するためのディーゼルパティキュレートフィルタであって、当該ディーゼルパティキュレートフィルタを酸化触媒の反応熱を利用して良好に再生可能にするために酸化触媒を一体的に担持させたディーゼルパティキュレートフィルタである。
特開２００４−２０４７００号公報

本発明者等は、種々の実験研究を重ね、特許文献１に記載のものや、図６に示したものでは、ＨＣ−ＳＣＲ触媒４の活性温度領域は比較的狭く、使用しているＨＣ−ＳＣＲ触媒４の触媒種等によって定まる活性温度領域を外れた温度領域では十分にＮＯｘを浄化することができなくなるため、更なる改良の必要があることを確認する一方、より一層良好に排気中のＮＯｘを浄化させることができる手法を見出した。

本発明は、かかる実情に鑑みなされたもので、簡単かつ安価な構成としながら、炭化水素（ＨＣ）選択還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ還元作用を有効に発揮させることができ、以ってＮＯｘの浄化処理をより一層きめ細かく効果的に行うことができる内燃機関の排気処理装置を提供することを目的とする。

本発明に係る内燃機関の排気処理装置は、
内燃機関から排気通路を介して排出される排気を処理する内燃機関の排気処理装置であって、
ＮＯｘを炭化水素と反応させ得るよう反応選択性を高めた炭化水素選択還元型ＮＯｘ触媒であって低温領域において活性度合いが高い低温型炭化水素選択還元型ＮＯｘ触媒と、
高温領域において活性度合いが高い高温型炭化水素選択還元型ＮＯｘ触媒と、
低温領域と高温領域の中間領域で活性度合いが高い中温型炭化水素選択還元型ＮＯｘ触媒と、
低温型炭化水素選択還元型ＮＯｘ触媒に対して炭化水素を供給する第１の炭化水素供給手段と、
高温型炭化水素選択還元型ＮＯｘ触媒に対して炭化水素を供給する第２の炭化水素供給手段と、
中温型炭化水素選択還元型ＮＯｘ触媒に対して炭化水素を供給する第３の炭化水素供給手段と、
を備え、
内燃機関の運転状態と、低温型炭化水素選択還元型ＮＯｘ触媒、高温型炭化水素選択還元型ＮＯｘ触媒、中温型炭化水素選択還元型ＮＯｘ触媒の活性度合いに基づいて、第１の炭化水素供給手段、第２の炭化水素供給手段、第３の炭化水素供給手段からの炭化水素の供給量を制御することを特徴とする。

本発明において、低温型炭化水素選択還元型ＮＯｘ触媒、高温型炭化水素選択還元型ＮＯｘ触媒、中温型炭化水素選択還元型ＮＯｘ触媒は、排気通路下流側に向けて、この順番で、排気通路に介装されることを特徴とすることができる。

本発明において、前記低温型炭化水素選択還元型ＮＯｘ触媒には、酸化触媒が担持されていることを特徴とすることができる。

本発明によれば、簡単かつ安価な構成としながら、炭化水素（ＨＣ）選択還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ還元作用を有効に発揮させることができ、以ってＮＯｘの浄化処理をより一層きめ細かく効果的に行うことができる内燃機関の排気処理装置を提供することができる。

本発明の一実施の形態に係る内燃機関の排気処理装置の全体的な構成を概略的に示す図である。 同上実施の形態において利用されるＨＣ−ＳＣＲ触媒の触媒種による触媒活性温度の相違を示す図である。 本発明の効果の一例を示す図である。 従来の内燃機関の排気処理装置の構成例を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態を、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

図１に示すように、本発明の一実施の形態では、内燃機関１０から排出された排気が排気通路２０を介して排気処理装置３０に導かれる。なお、内燃機関１０は、例えばディーゼル燃焼を行うディーゼルエンジンとすることができるが、これに限定されるものではなく、排気を伴う燃焼装置であれば、ガソリンエンジンその他の内燃機関の他、外燃機関とすることもでき、燃焼方式に拘わらず、あらゆる移動式・定置式の燃焼装置とすることができる。

前記排気処理装置３０には、排気上流側から、ＤＯＣ（ディーゼルエンジン用酸化触媒）機能付き低温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒４０、高温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒５０、中間型ＨＣ−ＳＣＲ触媒６０が、この順番で配設される配設されている。また、これらの更に下流側には、必要に応じて、酸化触媒や触媒化ディーゼルパティキュレートフィルタなど（図示せず）が配設される。

また、本実施の形態においては、ＤＯＣ機能付き低温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒４０の排気上流側に、排気通路２０内に燃料を添加供給する燃料添加弁７０Ａ（第１の炭化水素供給手段）が設けられると共に、ＤＯＣ機能付き低温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒４０と高温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒５０の間の排気通路２０に燃料を添加供給する燃料添加弁７０Ｂ（第２の炭化水素供給手段）が配設され、更に、高温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒５０と中温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒６０の間の排気通路２０に燃料を添加供給する燃料添加弁７０Ｃ（第３の炭化水素供給手段）が配設される。

前記燃料添加弁７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃには、燃料タンク７２に収容される燃料（軽油その他の燃料（ＨＣを成分として含むもの）等）が燃料ポンプ７１により給送され、これら燃料添加弁７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃから、それぞれ排気通路２０内の排気に対して燃料を噴射供給することが可能に構成されている。

ここで、本実施の形態においては、ＨＣ−ＳＣＲ触媒として、低温型、高温型、中温型のものが利用されているが、図２に示すように、低温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒５０は、例えばＰｔなどを主な成分として構成され、比較的低温領域において活性度合い（ＮＯｘ還元効率）が高く、それ以外の温度領域では活性度合いが低い特性を有する。

また、高温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒６０は、例えばＣｕなどを主な成分として構成され、比較的高温領域において活性度合いが高く、それ以外の温度領域では活性度合いが低い特性を有する。高温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒６０としては、例えば銅系ゼオライト、コバルト系ゼオライト、銀アルミナ等を主な成分とするものなどを採用することができるが、白金系の低温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒よりも高温領域で活性度合いが高いＨＣ−ＳＣＲ触媒であれば特に限定されるものではない。

そして、中温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒６０は、例えばＰｔ，Ｃｕを主な成分として構成され、低温領域と高温領域の略中間の中間温度領域において活性度合いが高く、それ以外の温度領域では活性度合いが低い特性を有する。

更に、本実施の形態では、排気温度を検出する排気温度センサ８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃが、それぞれ、図１に示したように、ＤＯＣ機能付き低温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒４０、高温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒５０、中温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒６０の排気上流側近傍に配設されている。

このような構成を備えた本実施の形態に係る内燃機関１０のＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）１００では、排気温度センサ８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃにより、内燃機関１０の回転速度や負荷などの運転状態に応じて変化する各触媒温度（ＤＯＣ機能付き低温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒４０、高温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒５０、中温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒６０）を取得し、それぞれの温度状況をモニターする。

そして、ＥＣＵ１００では、内燃機関１０の運転状態（回転速度や負荷など）及び取得した温度情報などに基づいて、予め定めたマップ等を参照して、現在の運転状態（回転速度、負荷、機関温度）や触媒温度に応じて最適なＮＯｘ還元処理を行えるように、例えば活性状態となる或いは既に活性状態にあるＨＣ−ＳＣＲ触媒に対して燃料を供給するような制御を実行する。

すなわち、温度状況により、排気温度が低温の場合には、燃料添加弁７０Ａから燃料を排気に添加して、直下のＤＯＣ機能付き低温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒４０におけるＮＯｘ還元を主に行わせる。

排気温度が高温の場合には、燃料添加弁７０Ｂから燃料を排気に添加して、直下の高温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒５０におけるＮＯｘ還元を主に行わせ、排気温度が低温と高温の中間領域（中温）の場合には、燃料添加弁７０Ｃから燃料を排気に添加して、直下の中温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒６０におけるＮＯｘ還元を主に行わせる。

なお、低温始動時には、種々の悪影響のためにＥＧＲ処理を十分に行うことができないため、低温領域で活性度合いの高い低温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒４０を、最上流側へ配設することで、熱容量の比較的大きな他の触媒によって熱が奪われて活性化が遅れることを抑制し、低温始動時において始動直後からＮＯｘ低減効果を高めることができるようになっている。

なお、ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：排気再循環）処理とは、内燃機関からの排気の一部を燃焼室内に還流させて再燃焼させることで燃焼温度を下げ、排気中の窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）の濃度（排出量）を低減することができる処理である。

また、本実施の形態においては、低温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒４０には、酸化触媒が担持されているので、ある程度昇温した後は反応熱によって、下流側の高温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒５０の早期活性化に貢献することができる。

そして、本実施の形態では、更に、最下流に中温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒６０を配設し、これにより、ＤＯＣ機能付き低温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒４０、高温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒５０によって還元されず通り抜けてきた排気中のＮＯｘを還元することができ、以って装置全体として効率良くＮＯｘの排出量を低減することができるようになっている。

このように、本実施の形態によれば、排気温度センサ８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃにより、ＤＯＣ機能付き低温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒４０、高温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒５０、中温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒６０の温度を取得し、それぞれの温度状況（活性度合い）を把握する一方で、内燃機関１０の運転状態（回転速度、負荷、機関温度など）と、該運転状態に応じたＮＯｘ排出特性と、各触媒４０、５０、６０の活性度合いと、に基づいて、燃料添加弁７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃから、ＤＯＣ機能付き低温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒４０、高温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒５０、中温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒６０へそれぞれ供給する燃料添加量を制御するようにしたので、きめ細かな制御が可能となるため、例えば過渡運転時などにおいても、過不足のない良好な燃料供給制御を行うことができ、以って排気中のＮＯｘを効率良く還元して排気を浄化することができる。
例えば、図３に示すように、ある排出ガス認定モードにおいてＮＯｘ浄化率を向上させることができる。

また、本実施の形態では、ＤＯＣ機能付き低温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒４０、高温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒５０、中温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒６０を、この順番で排気通路２０に介装したので、暖機後の通常運転時におけるＮＯｘ浄化は勿論、例えば、高いＥＧＲ率でのＥＧＲ処理を実行できないような低温始動時においても、ＤＯＣ機能付き低温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒４０を最上流側に設けたことで、排気中のＮＯｘを良好に還元して浄化することができると共に、下流側の高温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒５０、更には中温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒６０の早期活性化に貢献することができる。

なお、本実施の形態では、排気温度センサ８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃを設けた構成としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、これら温度センサを省略し、例えば、予め実験等を行って、内燃機関１０の運転状態と対応付けて各触媒４０、５０、６０の温度状況をマップなどに定めておき、これをＥＣＵ１００内に記憶しておいて、実際の運転状態に基づきマップを参照して、各触媒４０、５０、６０の温度状態（状況）を予測・推定するような構成とすることも可能である。

また、本実施の形態では、ＤＯＣ機能付き低温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒４０、高温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒５０、中温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒６０を、この順番で排気通路２０に介装しているが、本発明は、これに限定されるものではなく、種々の要求に応じて、他の順番で配設するようにすることも可能である。

なお、本実施の形態では、ＤＯＣ機能付き低温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒４０、高温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒５０、中温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒６０のそれぞれに向けてＮＯｘの還元剤（炭化水素）としての燃料を供給する第１の炭化水素供給手段７０Ａ、第２の炭化水素供給手段７０Ｂ、第３の炭化水素供給手段７０Ｃをそれぞれ設けているが、上述したＮＯｘの通り抜けと同様に、ＤＯＣ機能付き低温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒４０、高温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒５０、中温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒６０において還元に使用されず通り抜けてきた排気中のＨＣを、その下流に配されたＨＣ−ＳＣＲ触媒がＮＯｘの還元剤として使用することもできる。

このように、高温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒５０、中温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒６０が、それぞれの上流に配されたＨＣ−ＳＣＲ触媒でＮＯｘの還元剤として使用されずに通り抜けてきた排気中のＨＣを、それぞれの触媒での還元剤として使用することにより所定のＮＯｘ浄化性能を発揮することができる場合には、それぞれの触媒に向けて燃料を供給する炭化水素供給手段の少なくとも一部を省略することも可能である。かかる場合、第２の炭化水素供給手段７０Ｂ、第３の炭化水素供給手段７０Ｃの少なくとも一方を設けない構成とすることも可能である。

更に、内燃機関１０に備わる燃料噴射装置（図示せず）を使用して（例えば、所謂ポスト噴射やアフター噴射などにより）排気中に未燃の炭化水素を生成させ、この未燃の炭化水素によって、第１の炭化水素供給手段７０Ａが低温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒４０へ供給すべきＮＯｘの還元剤（炭化水素）の必要量を供給可能な場合には、第１の炭化水素供給手段７０Ａを設けない構成とすることも可能である。

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更を加え得ることは勿論である。

１０ 内燃機関
２０ 排気通路
３０ 排気処理装置
４０ ＤＯＣ機能付き低温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒
５０ 高温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒
６０ 中温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒
７０Ａ 燃料添加弁（第１の炭化水素供給手段）
７０Ｂ 燃料添加弁（第２の炭化水素供給手段）
７０Ｃ 燃料添加弁（第３の炭化水素供給手段）
８０Ａ〜８０Ｃ 排気温度センサ

Claims (3)

1. 内燃機関から排気通路を介して排出される排気を処理する内燃機関の排気処理装置であって、
   ＮＯｘを炭化水素と反応させ得るよう反応選択性を高めた炭化水素選択還元型ＮＯｘ触媒であって低温領域において活性度合いが高い低温型炭化水素選択還元型ＮＯｘ触媒と、
   高温領域において活性度合いが高い高温型炭化水素選択還元型ＮＯｘ触媒と、
   低温領域と高温領域の中間領域で活性度合いが高い中温型炭化水素選択還元型ＮＯｘ触媒と、
   低温型炭化水素選択還元型ＮＯｘ触媒に対して炭化水素を供給する第１の炭化水素供給手段と、
   高温型炭化水素選択還元型ＮＯｘ触媒に対して炭化水素を供給する第２の炭化水素供給手段と、
   中温型炭化水素選択還元型ＮＯｘ触媒に対して炭化水素を供給する第３の炭化水素供給手段と、
   を備え、
   内燃機関の運転状態と、低温型炭化水素選択還元型ＮＯｘ触媒、高温型炭化水素選択還元型ＮＯｘ触媒、中温型炭化水素選択還元型ＮＯｘ触媒の活性度合いと、に基づいて、第１の炭化水素供給手段、第２の炭化水素供給手段、第３の炭化水素供給手段からの炭化水素の供給量を制御することを特徴とする内燃機関の排気処理装置。
2. 低温型炭化水素選択還元型ＮＯｘ触媒、高温型炭化水素選択還元型ＮＯｘ触媒、中温型炭化水素選択還元型ＮＯｘ触媒は、排気通路下流側に向けて、この順番で、排気通路に介装されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気処理装置。
3. 前記低温型炭化水素選択還元型ＮＯｘ触媒には、酸化触媒が担持されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の排気処理装置。

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