JP3284274B2 - ディーゼル車両用窒素酸化物の浄化制御方法 - Google Patents

ディーゼル車両用窒素酸化物の浄化制御方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ディーゼル車両用
窒素酸化物の浄化制御方法に関するもので、特にＮＯｘ
吸蔵触媒変換器と尿素触媒変換器を設け、上記尿素触媒
変換器の前端の一側に尿素を供給するためのインゼクタ
を設けてディーゼルエンジンの排気ガスである窒素酸化
物量を温度に応じて尿素の噴射時期及び噴射量を正確に
判断して噴射することができることにより排気ガスの浄
化効率を向上させる、ディーゼル車両用窒素酸化物の浄
化制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に、車両用の触媒コンバータは、排
気パイプ内、或いは排気マニホルドに設けられ、上記触
媒コンバータの内部へ排気ガスが通過させることによ
り、排気ガスに含まれる有害なＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘを、
無害なＣＯ２、Ｈ２０、Ｎ２に酸化・還元させるもので
ある。
【０００３】特に、ＮＯｘは窒素酸化物と称し、これ
は、ＮＯ、ＮＯ２、Ｎ２Ｏ等のあらゆる酸化物の総称で
ある。窒素は、空気中の約７７％を占めており、安定的
な燃焼下では容易に酸化されないが、高温・高圧下での
燃焼においては、空気と接触すれことより酸化されて窒
素酸化物になる。窒素は、目に刺激を与え、肺機能に障
害を発生させるとともに、光化学スモッグの原因物質で
ある。従って、窒素酸化物の発生を減少させることが切
実に要求されている。
【０００４】特に、ディーゼルエンジンが駆動される際
には、炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物のガスが多く
排出されることから、これらの排出ガスを除去するため
の多大な研究・開発努力が続けられている。その中で
も、窒素酸化物を除去する方法として、４元触媒を用い
る炭化水素選択的接触還元法（ｈｙｄｒｏ−Ｃａｒｂｏ
ｎ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｃａｔａｌｙｓｔ ｒｅｄｕ
ｃｔｉｏｎ）、尿素選択的接触還元法（ｕｒｅａ ｓｅ
ｌｅｃｔｉｏｎ ｃａｔａｌｙｓｔ ｒｅｄｕｃｔｉｏ
ｎ）がある。
【０００５】上記４元触媒は、車に搭載して約１０％程
度の低い窒素酸化物の浄化率であることから、窒素酸化
物を低減する根本的な解決方法とはなりえない。また、
炭化水素選択的接触還元法は、窒素酸化物の浄化率が車
に搭載して約３５％であり、この低減法は、燃料ペナル
ティーが約３％にもかかわらず、高い浄化率を達成する
ことができない。これに対し、車に搭載して約６５％以
上の高い浄化率を示す尿素選択的接触還元法は、窒素酸
化物を低減するための方法としては、一番現実的な方法
といえる。
【０００６】しかし、上記尿素選択的接触還元法を実現
するためのシステムでは、窒素酸化物のセンサがまだ開
発されていないので、現在においては各種の入力データ
を感知した後、その出力により尿素噴射システムを駆動
しているのが実情である。特に、ディーゼルエンジン車
両を多く使用しているヨーロッパの安全性規制を充足す
るためには、ＮＯｘの浄化率を数十％まで高めなければ
ならないので、上に述べた方法とは別な視点からの新た
な技術が要求されている。
【０００７】また、多く使用されている触媒としては、
一般的な選択的接触還元（ＳＣＲ：ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ
ｃａｔａｌｙｔｌｃ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）触媒とＮ
Ｏｘ吸蔵触媒等が挙げられる。一般的なＳＣＲ触媒は、
Ｐｔ／Ａｌ２Ｏ３触媒を使用する。一例として、ヨーロ
ッパの安全性に関する資料を参照して、温度別の単位距
離当たりに排出されるＮＯｘ量は次の表１に示すとおり
である。
【０００８】
【表１】
【０００９】表１から解るように、約５０％が２００℃
以下の温度を示している。従って、一般的なＳＣＲ触媒
（例：Ｐｔ／Ａｌ２Ｏ３）は、その活性温度が２００℃
以上であるので、ヨーロッパの安全性規制を適用すれ
ば、５０％以上の活性を得ることが難しい。他の技術で
あるＮＯｘ吸蔵触媒は、リーンバーンエンジン（ｌｅａ
ｎ−ｂｕｒｎ ｅｎｇｉｎｅ）に用いられる触媒として
酸素の過剰雰囲気が続くディーゼル車両には適用するの
が難しい短所がある。
【００１０】上記ＮＯｘ吸蔵触媒は、常温で約２００℃
までＮＯｘを吸蔵し、それ以上の温度では電子制御装置
の制御により、理論空燃比を１４．７に調節してＮＯｘ
触媒を活性化させてＮＯｘを除去する。しかし、ディー
ゼル車両の理論空燃比は、電子制御装置の制御により１
４．７に調節することが難しい。結局、ヨーロッパ方向
に向かうディーゼル車両が、当地の安全性規制を充足す
るために、少なくとも５０％以上のＮＯｘを低減する技
術が必須である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】本発明者は従来の前記
問題に鑑みて創案されたものであり、ＮＯｘ吸蔵触媒変
換器と尿素触媒変換器を設け、上記尿素触媒変換器の前
端の一側に尿素を供給するためのインゼクタを設けて、
ディーゼルエンジンの排気ガスである窒化酸化物量を温
度に応じて尿素の噴射時期及び噴射量を正確に判断して
噴射させることにより、排気ガスの浄化効率を向上させ
るディーゼル車両用窒素酸化物の浄化制御方法の提供に
その目的がある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記のような目的を達成
するために、本発明は、ディーゼルエンジンの排気管に
窒素酸化物吸蔵触媒変換器を設け、上記窒素酸化物吸蔵
触媒変換器の下端に尿素触媒変換器を設け、上記尿素触
媒変換器の前端の一端に尿素供給手段を備えるディーゼ
ル車両用窒素酸化物の浄化システムにおいて、排気ガス
の温度を時間単位として感知しこれを平均した平均温度
値（Ｔ）、および２個の上記平均温度から求めた温度の
傾き（ｄＴ／ｄｔ）から、平均温度値（Ｔ）が２００℃
未満であるときは、空気を遮断し、尿素を噴射せず；平
均温度値（Ｔ）が２００℃以上３５０℃以下であってか
つ温度の傾き（ｄＴ／ｄｔ）が０未満であるときは、空
気を供給し、尿素を噴射せず；平均温度値（Ｔ）が２０
０℃以上３５０℃以下であってかつ温度の傾き（ｄＴ／
ｄｔ）が０以上であるときは、空気を供給し、尿素を噴
射し；平均温度値（Ｔ）が３５０℃を超えるときは、空
気を供給し、尿素を噴射しない；ことからなるディーゼ
ル車両用窒素酸化物の浄化制御方法、および前記排気ガ
スの温度を時間単位として感知しこれを平均した平均温
度値（Ｔ）は、５回／秒の頻度で求めることを特徴とす
るディーゼル車両用窒素酸化物の浄化制御方法である。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、添付された図面により本発
明の構成と作用を詳細に説明する。図１は、本発明によ
るディーゼル車両用窒素酸化物の浄化システムの構成を
示す図である。本発明は、エンジン１０の排気管２０に
ＮＯｘ吸蔵触媒変換器３０を設け、上記ＮＯｘ吸蔵触媒
変換器３０の前端にある排気管２０の一側に温度センサ
５０を付着する。この温度センサ５０は、エンジン１０
から排出された排気ガスの温度を検出するように熱伝対
を用いることが望ましい。
【００１４】図２は、上記ＮＯｘ吸蔵触媒変換器３０か
ら酸素雰囲気（８．５％）下で５００ｐｐｍのＮＯを注
入し、温度を変化させた際のＮＯ量の変化を求める実験
結果を示すグラフである。触媒としてＢａＯ（ＮＯｘ吸
蔵物質）を使用し、酸素の過剰雰囲気と２００℃以下の
条件で、酸素を吸蔵し、２００℃以上ではＮＯを脱着す
る。従って、ヨーロッパの安全性規制値である２００℃
以下（全体の５０％）のＮＯｘを吸収することができ
る。上記ＮＯｘ吸蔵触媒変換器３０の下端には、直列に
尿素触媒変換器４０を設置する。
【００１５】図３は、図１に示す‘Ａ’部である尿素触
媒変換器の拡大断面図である。上記図面に示すように、
尿素触媒変換器４０の内部には、塩基触媒４４とＰｔ触
媒４８が直列に設けられる。例えば、図４に示したよう
に、一般的なＰｔ／Ａｌ２Ｏ３触媒１では、活性温度が
約２００℃である。しかし、活性温度の窓（ｗｉｎｄｏ
ｗ）が制限的であるので、２００〜２５０℃しか活性領
域を持たない。類似する塩基金属触媒２は、３００℃以
上で活性を持つ。従って、それぞれ単独の触媒だけでは
活性温度の窓が狭いので、尿素触媒変換器に塩基触媒と
Ｐｔ触媒を直列に設けることにより、より広い範囲の活
性温度を有することになる。
【００１６】上記尿素触媒変換器４０の前端の一側に尿
素供給手段を備える。この尿素供給手段は、尿素の盛ら
れた尿素タンク７０と、上記尿素タンク７０の尿素を供
給するためのフィードポンプ８０と、上記フィードポン
プ８０により供給された尿素が空気と混合されて排出さ
れるインゼクタ９０と、上記排気管２０の温度を検出す
る温度センサ５０と、上記温度センサ５０から検出され
た信号を入力して所定の温度より高くなると、フィード
ポンプ８０及びインゼクタ９０を駆動する制御部６０か
らなる。
【００１７】上に述べたように、上記温度センサ５０
は、エンジン１０とＮＯｘ吸蔵触媒変換器３０の間にあ
る排気管２０の一側に取りつけられ、エンジン１０から
出る排出される排気ガスの温度を測定し、この測定結果
を制御部６０に送信する。制御部６０では、上記温度セ
ンサ５０で検出された温度に基づいて出力信号を送信す
る。この制御部６０から送信された制御信号によりフィ
ードポンプ８０が駆動されて尿素タンク７０にある尿素
をインゼクタ９０に供給される。これにより、上記イン
ゼクタ９０では、供給された尿素と空気とを混合させて
供給する。この、尿素と空気との混合比も、上記制御部
６０の制御信号により制御される。
【００１８】以下、本発明による制御部の制御信号によ
り作動される方法を、より詳細に説明する。図５は、本
発明によるディーゼル車両用窒素酸化物の浄化制御方法
に対する流れ図である。
【００１９】本発明は、ディーゼルエンジンから排出さ
れる排気ガスの温度を時間単位として平均温度値を感知
する段階（Ｓ２０）と；上記段階（Ｓ２０）から感知さ
れた平均温度が排気ガスを浄化する温度条件にあること
を判断する段階（Ｓ２１）と；上記段階（Ｓ２１）から
判断，感知された温度が排気ガスを浄化する温度条件以
下、或いは以上であると、空気の遮断及び尿素を噴射し
ない段階（Ｓ２１、Ｓ２３）と；上記段階（Ｓ２１）か
ら感知された温度が排気ガスを浄化する温度条件であれ
ば温度の傾きが尿素を噴射する条件にあることを判断す
る段階（Ｓ２４）と；上記段階（Ｓ２１）から上記温度
の傾きが尿素を噴射する条件以下にあれば空気が供給さ
れて尿素は噴射しない段階（Ｓ２５）と；上記段階（Ｓ
２４）から温度の傾きが尿素を噴射する条件にあれば、
任意に設定された所定の間隔と所定の時間により空気と
燃料を噴射する段階（Ｓ２６）と；上記段階（Ｓ２４）
から温度の傾きが尿素を噴射する条件の以上であれば上
記段階（Ｓ２６）より多くの回数で空気と燃料を噴射す
る段階（Ｓ２７）からなる。
【００２０】前記のように構成される本発明は、ディー
ゼルエンジンが駆動されると排気ガスが排出されるが、
この排出される排気ガスの温度を温度センサにて感知す
る。排出される排気ガス量の温度分布を見ると、図６に
示すように、略同様な様相が認められる。ちなみに、窒
素酸化物分析器の応答時間による検出の遅延が発生する
ことから、上記遅延時間を約１０秒として補正すれば、
略同様なパターンの温度と窒素酸化物となることが認め
られる。
【００２１】また、時間の経過による温度の傾き（１秒
単位）を図７に示した。上記結果に基づいて、温度及び
温度の傾きの関数により窒素酸化物の排出量を判断する
ことができる。従って、制御部６０では、上記温度セン
サ５０により排気ガスの温度を検出し、上記検出された
温度に対して１秒単位の平均値（Ｔ：１秒の平均値、ｄ
Ｔ／ｄｔ：２個のＴの傾き）を感知することになる（Ｓ
２０）。続いて、制御部６０では、感知された温度が排
気ガスを浄化する温度条件（２００℃≦Ｔ≦３５０℃）
にあるか否かを判断する（Ｓ２１）。
【００２２】この判断の結果、上記感知された温度
（Ｔ）が、浄化ガスを浄化する温度条件（２００℃≦Ｔ
≦３５０℃）から外れた温度条件、即ち温度（Ｔ）が２
００℃未満であれば、制御部６０は浄化不要と判断し、
インゼクタ９０を作動させず、空気の供給を遮断すると
ともに、尿素を尿素触媒変換器４０の入口側に噴射しな
くなる（Ｓ２２）。しかし、上記感知された温度が浄化
ガスを浄化する温度条件（２００℃≦Ｔ≦３５０℃）か
ら外れた温度条件、即ち温度（Ｔ）が３５０℃を超えれ
ば、制御部６０はインゼクタ９０を制御することにより
空気だけを供給して、インゼクタ９０を冷却するが、そ
の反面、尿素は噴射せずに中断する（Ｓ２３）。
【００２３】一方、上記制御部６０では、感知された温
度が排気ガスを浄化する温度条件（２００℃≦Ｔ≦３５
０℃）にあると、温度の傾き（ｄＴ／ｄｔ）により尿素
を噴射する条件範囲（０≦ｄＴ／ｄｔ≦３）であること
を判断する（Ｓ２４）。上記温度の傾き（ｄＴ／ｄｔ）
が、尿素を噴射する条件範囲（０≦ｄＴ／ｄｔ≦３）を
外れる条件、即ち温度の傾き（ｄＴ／ｄｔ）が０未満で
あれば上記制御部６０では窒素酸化物量が極に減少して
いると判断し、インゼクタ９０を制御して空気だけを供
給し、尿素は噴射しない（Ｓ２５）。
【００２４】しかし、上記平均温度から求めた温度の傾
き（ｄＴ／ｄｔ）が尿素を噴射する条件範囲（０≦ｄＴ
／ｄｔ≦３）であると、上記制御部６０の制御信号によ
りフィードポンプ８０が作動して尿素タンク７０から尿
素をボンピングする同時に、上記制御部の他の制御信号
によりインゼクタ９０から空気と尿素を混合させて尿素
触媒変換器４０の入口側に噴射する。上記尿素は任意に
設定された回数、例えば５ｍｓ噴射させて１０ｍｓ噴射
を中止するサイクルで反復実施する（Ｓ２６）。
【００２５】また、上記平均温度から求めた温度の傾き
（ｄＴ／ｄｔ）が上記尿素を噴射する条件範囲（０≦ｄ
Ｔ／ｄｔ≦３）以上、即ち上記温度の傾きがｄＴ／ｄｔ
＞３であれば、上記制御部６０ではインゼクタ９０とフ
ィードポンプ８０を作動させ、尿素タンク７０から尿素
をボンピングしてインゼクタ９０を通じて尿素触媒変換
器４０の入口側に空気と共に噴射する。このとき尿素は
上記条件範囲（０≦ｄＴ／ｄｔ≦３）にある時より多い
頻度で反復噴射し、尿素噴射量を多くする（Ｓ２７）。
【００２６】従って、本発明は、ＮＯｘ吸蔵触媒変換器
３０により、２００℃まではＢａＯ触媒によりＮＯｘを
吸蔵し、それ以上の温度ではＮＯｘを脱着する。また、
そのように脱着されたＮＯｘは、２００℃以上で尿素の
注入とともに、尿素触媒変換器４０の塩基触媒とＰｔ触
媒により、同時にＮＯｘを浄化することができる。一般
的な尿素触媒変換器では、その浄化率が６５％である
が、本発明の吸蔵触媒、尿素注入及び尿素触媒変換器に
おいては、最大８０％の浄化効率を達成することができ
る。
【００２７】
【発明の効果】上記のように構成されたディーゼル車両
用窒素酸化物の浄化システムは、エンジンの排気管にＮ
Ｏｘ吸蔵触媒変換器と尿素触媒変換器を設け、上記尿素
触媒変換器の前端の一側に尿素を供給するためのインゼ
クタを設ける構成により、排気ガスの浄化効率を向上さ
せることができるディーゼル車両用窒素酸化物の浄化制
御方法とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるディーゼル車両用窒化酸化物の浄
化システムの構成図である。
【図２】本発明による実験結果を示すグラフである。
【図３】図１に示す‘Ａ’部である尿素触媒変換器の拡
大断面図である。
【図４】触媒温度による浄化率を示したグラフである。
【図５】本発明によるディーゼル車両用窒化酸化物の浄
化システム及びその制御方法を示す流れ図である。
【図６】本発明に利用される時間の経過による温度及び
窒化酸化物の量を示すグラフである。
【図７】本発明に利用される時間の経過による温度の傾
きを示すグラフである。
【符号の説明】
１０：エンジン ２０：排気管 ３０：Ｎｎｘ吸蔵触媒変換器 ４０：尿素触媒変
換器 ４４：塩基触媒 ４８：Ｐｔ触媒 ５０：温度センサ ６０：制御部 ７０：尿素タンク ８０：フィードポ
ンプ ９０：インゼクタ
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−102948（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−193511（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−213614（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−30118（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−280453（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−173655（ＪＰ，Ａ) 特開2000−230414（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−30119（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−343834（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F01N 3/08 - 3/36 B01D 53/86

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ディーゼルエンジンの排気管に窒素酸化
    物吸蔵触媒変換器を設け、上記窒素酸化物吸蔵触媒変換
    器の下端に尿素触媒変換器を設け、上記尿素触媒変換器
    の前端の一端に尿素供給手段を備えるディーゼル車両用
    窒素酸化物の浄化システムにおいて、排気ガスの温度を
    時間単位として感知しこれを平均した平均温度値
    （Ｔ）、および２個の上記平均温度から求めた温度の傾
    き（ｄＴ／ｄｔ）から、平均温度値（Ｔ）が２００℃未
    満であるときは、空気を遮断し、尿素を噴射せず；平均
    温度値（Ｔ）が２００℃以上３５０℃以下であってかつ
    温度の傾き（ｄＴ／ｄｔ）が０未満であるときは、空気
    を供給し、尿素を噴射せず；平均温度値（Ｔ）が２００
    ℃以上３５０℃以下であってかつ温度の傾き（ｄＴ／ｄ
    ｔ）が０以上であるときは、空気を供給し、尿素を噴射
    し；平均温度値（Ｔ）が３５０℃を超えるときは、空気
    を供給し、尿素を噴射しない；ことからなることを特徴
    とするディーゼル車両用窒素酸化物の浄化制御方法。
  2. 【請求項２】 排気ガスの温度を時間単位として感知し
    これを平均した平均温度値（Ｔ）は、５回／秒の頻度で
    求めることを特徴とする請求項１記載のディーゼル車両
    用窒素酸化物の浄化制御方法。
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