JP2013127209A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】還元剤添加弁から排気通路に添加された還元剤が固形物となって堆積することを抑制できる内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】内燃機関１の排気通路２において、還元剤添加弁７から同排気通路２に添加された尿素水と接触する位置には、その尿素水を加熱する昇温装置としてグロープラグ８及び昇温用酸化触媒９が設けられる。そして、還元剤添加弁７から排気通路２に添加された尿素水は、グロープラグ８及び昇温用酸化触媒９といった昇温装置に接触して加熱され、それによって効率よく加水分解される。このため、還元剤添加弁７から排気通路２に添加された尿素水の加水分解が進まず、同尿素水の水分が蒸発して固形物が生成されること、ひいては同固形物が排気通路２に堆積することを抑制できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

自動車等の車両に搭載される内燃機関の排気浄化装置として、特許文献１に示されるように、同機関の排気通路に設けられた選択還元型のＮＯｘ浄化触媒を設け、そのＮＯｘ浄化触媒で排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の浄化を行うものが知られている。同装置では、内燃機関の排気通路における上記ＮＯｘ浄化触媒の上流に、還元剤添加弁からアンモニア由来の還元剤（例えば尿素水）が添加される。このように還元剤添加弁から排気通路に添加された尿素水が排気の熱を受けて加水分解すると、それによって生成されたアンモニア（ＮＨ3 ）がＮＯｘ浄化触媒に流れて同触媒でのＮＯｘの浄化に用いられる。すなわち、上記ＮＯｘ浄化触媒では、上記アンモニアにより排気中のＮＯｘが還元されて窒素（Ｎ2 ）及び水（Ｈ2 Ｏ）が生成される。

特開２００９−２２１３公報

ところで、上述した排気浄化装置では、還元剤添加弁から添加された尿素水が排気通路の壁面等に付着したとき、その付着した尿素水の周囲の温度が低いと、同尿素水の加水分解が進まないおそれがある。この場合、上記付着した尿素水の水分が蒸発して固形物が生成され、その固形物が徐々に堆積してゆくようになる。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、還元剤添加弁から排気通路に添加された還元剤が固形物となって堆積することを抑制できる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１記載の発明によれば、内燃機関の排気通路に設けられたＮＯｘ浄化触媒の上流に、還元剤添加弁から尿素水等の還元剤の添加が行われる。排気通路における還元剤添加弁の下流であって、その還元剤添加弁から添加された還元剤と接触する位置には、同還元剤を加熱する昇温装置が設けられる。同昇温装置としては、グロープラグと昇温用酸化触媒とのうちの少なくとも一方が設けられる。なお、上記昇温用酸化触媒は、同触媒の上流に設けられた燃料添加弁からの燃料添加を通じて発熱するものである。従って、還元剤添加弁から排気通路に添加された還元剤は、上記昇温装置に接触して加熱されることから効率よく加水分解される。その結果、上記還元剤の加水分解が進まずに同関係剤の水分が蒸発して固形物が生成されること、ひいては同固形物が排気通路に堆積することを抑制できる。

請求項２記載の発明によれば、排気通路におけるＮＯｘ浄化触媒の上流に、排気中の微粒子を除去するフィルタと、そのフィルタの上流に位置して排気中の炭化水素及び一酸化炭素を浄化する浄化用酸化触媒とが設けられる内燃機関において、浄化用酸化触媒の上流に還元剤添加弁、昇温用酸化触媒、及び燃料添加弁が設けられる。この場合、上記燃料添加弁からの燃料添加により、浄化用酸化触媒を活性温度まで上昇させたり、同浄化用酸化触媒の温度上昇によってフィルタの昇温を行ったりすることができる。また、上記燃料添加弁からの燃料添加により、昇温用酸化触媒の昇温を行うこともできる。従って、浄化用酸化触媒及びフィルタの昇温と昇温用酸化触媒の昇温とを共通の燃料添加弁からの燃料添加によって実現することができ、それによって排気浄化装置の部品点数を少なく抑えることができる。

請求項３記載の発明によれば、排気通路におけるＮＯｘ浄化触媒の上流に、排気中の微粒子を除去するフィルタと、そのフィルタの上流に位置して排気中の炭化水素及び一酸化炭素を浄化する浄化用酸化触媒とが設けられる内燃機関において、上記フィルタの下流且つ上記ＮＯｘ浄化触媒の上流に、還元剤添加弁及び昇温装置が設けられる。この場合、還元剤添加弁から排気通路に添加された還元剤が加水分解されることによって生成されるアンモニアが、浄化用酸化触媒やフィルタを通過することなくＮＯｘ浄化触媒に流れる。このため、上記アンモニアが浄化用酸化触媒やフィルタでの排気浄化に影響を及ぼすことがない。

請求項４記載の発明によれば、還元剤添加弁から排気通路に添加された還元剤が昇温装置に接触して加熱されることで効率よく加水分解される。また、還元剤添加弁から添加された還元剤のうち、加水分解されずに昇温装置の下流且つＮＯｘ浄化触媒の上流に設けられたミキサまで流れたものについては、そのミキサでの還元剤と排気との混合の促進によって効果的に加水分解される。従って、還元剤添加弁から添加された還元剤をより効果的に加水分解することができる。更に、ミキサまで流れてくる還元剤は昇温装置で加水分解されなかったもののみとなるため、その還元剤がミキサに付着して固形物となることを抑制でき、更には同固形物がミキサに堆積することも抑制できる。

請求項５記載の発明によれば、還元剤添加弁から排気通路に添加された還元剤がグロープラグによって加熱される。また、燃料添加弁から排気通路に添加された燃料が昇温用酸化触媒に流れると、同触媒での酸化反応による発熱が生じる。更に、燃料添加弁から排気通路に添加された燃料がグロープラグにより着火されて燃焼すると、その際に昇温用酸化触媒が温度上昇するようにもなる。そして、還元剤添加弁から排気通路に還元剤が添加されると、その添加剤が上記昇温用酸化触媒によっても加熱される。このように還元剤添加弁から排気通路に添加された還元剤がグロープラグ及び昇温用酸化触媒によって効果的に加熱されるため、その還元剤の加水分解が効率良く行われるようになる。

本発明の排気浄化装置の全体構成を示す略図。 同排気浄化装置の他の例を示す略図。 同排気浄化装置の他の例を示す略図。

以下、本発明を内燃機関の排気浄化装置に具体化した一実施形態について、図１を参照して説明する。
図１に示すように、内燃機関１の排気浄化装置は、同機関１の排気通路２に設けられて排気中の炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）を浄化する浄化用酸化触媒３と、その浄化用酸化触媒３の下流に設けられて排気中の微粒子を捕集するフィルタ４とを備えている。上記浄化用酸化触媒３は排気中の燃料成分と酸化反応して発熱するものであり、そうした発熱を利用して排気を浄化可能な活性温度まで昇温したり、フィルタ４に捕集された微粒子を除去するための同フィルタ４の昇温が行われたりする。

内燃機関１の排気通路２において、フィルタ４の下流には、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するための選択還元型のＮＯｘ浄化触媒５が設けられている。このＮＯｘ浄化触媒５としては、アンモニア（ＮＨ3 ）により排気中のＮＯｘを還元するものが用いられる。そして、上記ＮＯｘ浄化触媒５でアンモニアにより排気中のＮＯｘが還元されると、窒素（Ｎ2 ）及び水（Ｈ2 Ｏ）が生成される。

内燃機関１の排気通路２におけるＮＯｘ浄化触媒５の上流、より詳しくは浄化用酸化触媒３の上流には、排気通路２に燃料を添加する燃料添加弁６、及び、排気通路２にアンモニア由来の還元剤として尿素水を添加する還元剤添加弁７が設けられている。この還元剤添加弁７から排気通路２に添加された尿素水が排気の熱等を受けて加水分解すると、それによってアンモニアが生成される。そして、こうして生成されたアンモニアがＮＯｘ浄化触媒５に流れて同触媒５での排気中のＮＯｘの浄化に用いられる。

内燃機関１の排気通路２における浄化用酸化触媒３の上流であって、還元剤添加弁７から排気通路２に添加された尿素水と接触する位置には、その尿素水を加熱する昇温装置としてグロープラグ８及び昇温用酸化触媒９が設けられている。これらグロープラグ８及び昇温用酸化触媒９は、還元剤添加弁７から排気通路２に添加された尿素水を加熱して同尿素水の加水分解を促進するためのものである。なお、昇温装置の下流、より詳しくはフィルタ４の下流且つＮＯｘ浄化触媒５の上流には、上記昇温装置による加熱では加水分解しきれなかった尿素水の加水分解を図るべく、同尿素水と排気との混合を促進させるミキサ１０が設けられている。

上記昇温装置のうち、昇温用酸化触媒９は、上記燃料添加弁６から添加された燃料との酸化反応を通じて発熱する。なお、上記燃料添加弁６は、浄化用酸化触媒３やフィルタ４の昇温を目的とした燃料の添加に用いることも可能である。また、上記昇温装置のうち、グロープラグ８は、還元剤添加弁７から排気通路２に添加された尿素水を直接的に加熱する他、上記燃料添加弁６から排気通路２における昇温用酸化触媒９の上流に添加された燃料に対する着火も行う。このように燃料添加弁６から添加された燃料がグロープラグ８により着火されて燃焼すると、その際に昇温用酸化触媒９が温度上昇するようになる。

次に、本実施形態の排気浄化装置の作用について説明する。
排気浄化装置におけるＮＯｘ浄化触媒５での排気中のＮＯｘの浄化を行う際には、還元剤添加弁７から排気通路２に尿素水が添加されるとともに、燃料添加弁６から排気通路２に燃料が添加される。上記還元剤添加弁７から排気通路２に添加された尿素水は、グロープラグ８（昇温装置）に接触して加熱される。また、燃料添加弁６から排気通路２に添加された燃料が昇温用酸化触媒９（昇温装置）に流れると、同触媒９での酸化反応による発熱が生じる。更に、燃料添加弁６から排気通路２に添加された燃料の一部はグロープラグ８により着火されて燃焼し、その際に昇温用酸化触媒９が温度上昇するようにもなる。そして、還元剤添加弁７から排気通路２に添加された尿素水は、上記グロープラグ８だけでなく上記昇温用酸化触媒９によっても加熱される。

このように排気通路２に添加された尿素水は、グロープラグ８及び昇温用酸化触媒９といった昇温装置に接触して加熱され、それによって効率よく加水分解される。その結果、還元剤添加弁７から排気通路２に添加された尿素水の加水分解が進まず、同尿素水の水分が蒸発して固形物が生成されること、ひいては同固形物が排気通路２に堆積することを抑制できる。また、還元剤添加弁７から排気通路２に添加された尿素水が効率よく加水分解されるということは、同尿素水の加水分解によって効率よくアンモニアが生成されることを意味する。こうして生成されたアンモニアがＮＯｘ浄化触媒５に流れると、同触媒５にて排気中のＮＯｘが上記アンモニアによる還元を通じて効率よく窒素及び水となる。

なお、還元剤添加弁７から添加された尿素水のうち、加水分解されずにグロープラグ８や昇温用酸化触媒９といった昇温装置の下流、且つＮＯｘ浄化触媒の上流に設けられたミキサ１０まで流れたものについては、そのミキサ１０での尿素水と排気との混合の促進によって効果的に加水分解される。

以上詳述した本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）還元剤添加弁７から排気通路２に添加された尿素水は、グロープラグ８及び昇温用酸化触媒９といった昇温装置に接触して加熱され、それによって効率よく加水分解される。このため、還元剤添加弁７から排気通路２に添加された尿素水の加水分解が進まず、同尿素水の水分が蒸発して固形物が生成されること、ひいては同固形物が排気通路２に堆積することを抑制できる。また、還元剤添加弁７から排気通路２に添加された尿素水が固形物となって堆積せずに効率よく加水分解されることにより、同尿素水から効率よくアンモニアが生成される。このため、そのアンモニアを用いてＮＯｘ浄化触媒５で効率よく排気中のＮＯｘを浄化することができる。

（２）排気通路２における浄化用酸化触媒３及び昇温用酸化触媒９の上流に設けられた燃料添加弁６からの燃料添加により、浄化用酸化触媒３を活性温度まで上昇させたり、同浄化用酸化触媒３の温度上昇によってフィルタ４の昇温を行ったりすることができる。また、上記燃料添加弁６からの燃料添加により、昇温用酸化触媒９の昇温を行うこともできる。従って、浄化用酸化触媒３及びフィルタ４の昇温と昇温用酸化触媒９の昇温とを共通の燃料添加弁６からの燃料添加によって実現することができ、それによって排気浄化装置の部品点数を少なく抑えることができる。

（３）燃料添加弁６から排気通路２に添加された燃料が昇温用酸化触媒９に流れると、同触媒９での酸化反応による発熱が生じる。更に、燃料添加弁６から排気通路２に添加された燃料の一部はグロープラグ８により着火されて燃焼し、その際に昇温用酸化触媒９が温度上昇するようにもなる。そして、還元剤添加弁７から排気通路２に添加された尿素水は、グロープラグ８だけでなく昇温用酸化触媒９によっても加熱される。このように還元剤添加弁７から排気通路２に添加された尿素水がグロープラグ８及び昇温用酸化触媒９によって効果的に加熱されるため、その尿素水の加水分解を効率良く行うことができる。

（４）グロープラグ８及び昇温用酸化触媒９といった昇温装置の下流、且つＮＯｘ浄化触媒５の上流には、尿素水と排気との混合を促進させるミキサ１０が設けられている。そして、還元剤添加弁７から添加された尿素水のうち、加水分解されずにグロープラグ８や昇温用酸化触媒９といった昇温装置の下流、且つＮＯｘ浄化触媒の上流に設けられたミキサ１０まで流れたものについては、そのミキサ１０での尿素水と排気との混合の促進によって効果的に加水分解される。従って、還元剤添加弁７から添加された尿素水をより効果的に加水分解することができる。更に、ミキサ１０まで流れてくる尿素水は、グロープラグ８及び昇温用酸化触媒９といった昇温装置で加水分解されなかったもののみとなる。このため、その尿素水がミキサ１０に付着して固形物となることを抑制でき、更には同固形物がミキサ１０に堆積することも抑制できる。

なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・図２に示すように、還元剤添加弁７及び昇温装置（グロープラグ８及び昇温用酸化触媒９）を、フィルタ４の下流且つＮＯｘ浄化触媒５の上流に設けてもよい。この場合、浄化用酸化触媒３の上流に設けられた燃料添加弁６の他に、上記昇温用酸化触媒９を発熱させるための燃料添加を行う燃料添加弁１１が、フィルタ４の下流且つ昇温用酸化触媒９の上流に設けられる。こうした構成を採用することで、還元剤添加弁７から排気通路２に添加された尿素水の加水分解を通じて生成されるアンモニアが、浄化用酸化触媒３やフィルタ４を通過することなくＮＯｘ浄化触媒５に流れるようになる。このため、上記アンモニアが浄化用酸化触媒３やフィルタ４での排気浄化に影響を及ぼすことがない。

・図３に示すように、グロープラグ８のみを昇温装置とし、そのグロープラグ８及び還元剤添加弁７をフィルタ４の下流且つＮＯｘ浄化触媒５の上流に設けてもよい。この場合、図２のような燃料添加弁１１及び昇温用酸化触媒９を設けない分、排気浄化装置の部品点数が少なくなる。

・図１の排気浄化装置において、グロープラグ８と昇温用酸化触媒９との一方のみを昇温装置として設けるようにしてもよい。
・図２の排気浄化装置において、昇温用酸化触媒９のみを昇温装置として設けるようにしてもよい。

・図１及び図２の排気浄化装置において、グロープラグ８と昇温用酸化触媒９とを一体化した構造の昇温装置を採用してもよい。
・ミキサ１０については必ずしも設ける必要はない。

１…内燃機関、２…排気通路、３…浄化用酸化触媒、４…フィルタ、５…ＮＯｘ浄化触媒、６…燃料添加弁、７…還元剤添加弁、８…グロープラグ、９…昇温用酸化触媒、１０…ミキサ、１１…燃料添加弁。

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に設けられたＮＯｘ浄化触媒の上流に還元剤添加弁からの還元剤の添加を行うことにより、前記ＮＯｘ浄化触媒で排気中のＮＯｘの浄化を行う内燃機関の排気浄化装置において、
   前記還元剤添加弁の下流であって同還元剤添加弁から添加された還元剤と接触する位置に同還元剤を加熱する昇温装置を設け、
   前記昇温装置は、グロープラグと昇温用酸化触媒とのうちの少なくとも一方であり、
   前記昇温用酸化触媒は、同触媒の上流に設けられた燃料添加弁からの燃料添加を通じて発熱するものである
   ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置において、
   内燃機関の排気通路における前記ＮＯｘ浄化触媒の上流には、排気中の微粒子を除去するフィルタと、そのフィルタの上流に位置して排気中の炭化水素及び一酸化炭素を浄化する浄化用酸化触媒とが設けられており、
   前記浄化用酸化触媒の上流には、前記還元剤添加弁、前記昇温用酸化触媒、及び前記燃料添加弁が設けられている
   ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
3. 請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置において、
   内燃機関の排気通路における前記ＮＯｘ浄化触媒の上流には、排気中の微粒子を除去するフィルタと、そのフィルタの上流に位置して排気中の炭化水素及び一酸化炭素を浄化する浄化用酸化触媒とが設けられており、
   前記フィルタの下流且つ前記ＮＯｘ浄化触媒の上流には、前記還元剤添加弁及び前記昇温装置が設けられている
   ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
4. 請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置において、
   前記昇温装置の下流且つ前記ＮＯｘ浄化触媒の上流には、還元剤と排気との混合を促進させるミキサが設けられている
   ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記昇温装置は、前記グロープラグと前記昇温用酸化触媒との両方であり、
   前記グロープラグは、前記昇温用酸化触媒の上流に設けられ、前記還元剤添加弁から添加された還元剤を加熱するとともに、前記燃料添加弁から前記昇温用酸化触媒の上流に添加された燃料に対する着火も行う
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。