JP3367813B2 - ディーゼルエンジンの排気浄化装置 - Google Patents

ディーゼルエンジンの排気浄化装置

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ディーゼルエンジ
ンの排気浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】ディーゼルエンジンは、通常、燃料を空
気過剰状態で燃焼させるために、その排気ガス中には比
較的多くの窒素酸化物(以下、NOxと称する)が含ま
れている。有害なNOxを浄化するための装置として、
排気系に配置されたNOx触媒と、このNOx触媒の排
気上流側へアンモニア等の還元剤を供給する手段とを有
するものが公知である。
【0003】特開平5−222923号公報に開示され
ているNOx浄化装置は、還元剤の車両搭載性を考慮し
て、ディーゼルエンジンの燃料と同様な軽油を還元剤と
して使用することが提案されている。軽油は、炭素数の
多い炭化水素を主成分とし沸点が高いものであるため
に、直接的にNOx触媒へ供給しても良好に気化せず、
十分にNOxを還元することができない。それにより、
この浄化装置では、軽油をNOx触媒へ供給する以前
に、ヒータにより加熱された改質触媒へ供給し、炭素数
の少ない炭化水素に改質されたものだけをNOx触媒の
排気上流側へ供給するようになっている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】前述の従来技術によっ
て、軽油を還元剤として使用することが可能となるが、
改質触媒を加熱するために、多大な電力を消費するヒー
タが設けられ、バッテリの大型化が必要とされる。
【0005】従って、本発明の目的は、ヒータを必要と
することなく、軽油等の炭化水素系燃料を炭化水素系還
元剤に改質し、NOx触媒によって排気ガス中のNOx
を良好に還元することができるディーゼルエンジンの排
気浄化装置を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】請求項1に記載の本発明
によるディーゼルエンジンの排気浄化装置は、機関排気
系に窒素酸化物を浄化するためのNOx触媒と炭化水素
系燃料を炭化水素系還元剤に改質するための改質触媒と
を配置したディーゼルエンジンの排気浄化装置におい
て、前記改質触媒に排気ガスが直接的に流入することを
防止する流入防止手段と、前記改質触媒を取り囲む熱容
量の大きな部材と、炭化水素系燃料を前記改質触媒を介
して前記NOx触媒へ供給する供給手段、とを具備する
ことを特徴とする。
【0007】このディーゼルエンジンの排気浄化装置に
おいては、排気ガスが改質触媒へ直接的に流入せず、排
気ガスと改質触媒との間の熱交換が熱容量の大きな部材
を介して行われるために、機関運転状態によって排気ガ
ス温度が大きく変化しても改質触媒は常に炭化水素系燃
料を炭化水素系還元剤に改質可能な温度に維持される。
【0008】また、請求項2に記載の本発明によるディ
ーゼルエンジンの排気浄化装置は、請求項1に記載のデ
ィーゼルエンジンの排気浄化装置において、前記NOx
触媒が前記熱容量の大きな部材としても機能することを
特徴とする。
【0009】また、請求項3に記載の本発明によるディ
ーゼルエンジンの排気浄化装置は、請求項1に記載のデ
ィーゼルエンジンの排気浄化装置において、前記熱容量
の大きな部材が前記改質触媒の少なくとも排気上流側を
取り囲み前記流入防止手段としても機能することを特徴
とする。
【0010】
【発明の実施の形態】図1は、本発明によるディーゼル
エンジンの排気浄化装置の第1実施形態を示す概略断面
図である。同図において、1はディーゼルエンジンの排
気通路である。排気通路1の拡管部1aには、排気ガス
中のNOxを浄化するためのNOx触媒2が配置されて
いる。このNOx触媒2は、熱容量の大きなコージェラ
イト又は炭化ケイ素(SiC)等のセラミックを基材と
して銅イオン交換ゼオライト(Cu−ZSM−5)等を
担持したものであり、炭化水素を還元剤として良好にN
Oxを還元するものである。このNOx触媒2は、その
中心に貫通穴2aを有している。
【0011】本実施形態の排気浄化装置は、還元剤とし
ての炭化水素として、ディーゼルエンジンの燃料である
軽油を使用する。軽油の主成分は炭素数の多い炭化水素
であるために、その沸点が高く、そのままNOx触媒2
へ供給しても気化し難く、還元剤として良好に機能しな
い。従って、NOx触媒2へ供給する以前に、炭素数を
少なく改質する必要があり、そのための改質触媒3が、
NOx触媒2の貫通穴2aの排気下流側に配置されてい
る。
【0012】改質触媒3は、NOx触媒2と同様な基材
に貴金属が担持された酸化触媒であり、所定温度以上で
活性化して軽油を改質するものである。改質触媒3の排
気下流側端面には、板部材4が配置されている。それに
より、NOx触媒2の貫通穴2aは閉鎖され、排気ガス
が貫通穴2aを通過しないようになっており、従って、
改質触媒3へは排気ガスが流入しない。改質触媒3とN
Ox触媒2とが接触している部分において、改質触媒3
からNOx触媒2へ還元剤が通過しないように遮蔽され
ている。又は、この部分には、改質触媒3からNOx触
媒2へ還元剤が通過し難くなるような構造が設けられて
いる。
【0013】板部材4には、改質触媒3へ軽油及び空気
を供給するための供給管5が接続されている。供給管5
は、排気通路1の外部へ延在して二股に分岐し、その一
方が軽油供給量を制御するための第1制御弁5aを介し
て燃料ポンプ(図示せず)へ接続され、他方が空気供給
量を制御するための第2制御弁5bを介して空気ポンプ
(図示せず)へ接続されている。
【0014】20は、第1及び第2制御弁5a,5bを
制御するための制御装置であり、機関回転を検出するた
めの回転センサ21と、吸入空気量を検出するためのエ
アフローメータ22、及び排気通路1のNOx触媒2の
下流側に位置して排気ガスの温度を検出するための温度
センサ23等が接続されている。
【0015】本実施形態において、改質触媒3は、NO
x触媒2によって取り囲まれ、板部材4によって排気ガ
スの流入が防止されている。従って、改質触媒3と排気
ガスとの間の熱交換は、大きな熱容量を有するNOx触
媒2を介して行われ、機関運転状態に応じて大きく変化
する排気ガス温度に対して、改質触媒の温度変化は小さ
く維持される。改質触媒3は、特に、NOx触媒2の各
部分のうちで、排気ガスの温度変化に対して最も影響さ
れ難い排気下流部分によって取り囲まれているために、
さらに温度変化は小さく維持される。
【0016】従って、排気ガス温度がかなり低くなって
も(100°C前後)、改質触媒3の温度は、常に、所
定温度(200°C前後)以上となっている。それによ
り、供給管5から改質触媒3へ軽油及び空気が供給され
ると、軽油の一部が燃焼を開始する。それにより、この
燃焼熱によってさらに改質触媒3の温度が上昇し、改質
触媒3が残りの軽油を改質させるのに適した温度とな
り、残りの軽油を確実に改質して気化させることが可能
となる。このように改質及び気化された軽油は、空気流
によってNOx触媒2の排気上流側に移動して排気ガス
と十分に混合し、還元剤として、NOx触媒2において
排気ガス中のNOxを良好に還元させることが可能とな
る。
【0017】このように、改質触媒3を介してNOx触
媒2へ供給される軽油量は、排気ガス中に含まれるNO
xの量に対応させることが望ましい。図2は、機関回転
数N及び機関負荷としての単位回転数当たりの吸入空気
量Q/Nに対するNOxの発生量を示すマップである。
このように、機関運転状態に応じてNOx発生量が変化
するために、制御装置20は、回転センサ21及びエア
フローメータ22により検出される現在の機関回転数N
及び吸入空気量Qに基づき、現在のNOx発生量を把握
して、これに対応させた軽油量がNOx触媒2へ供給さ
れるように、また、改質触媒3で燃焼する軽油量も考慮
し、第1制御弁5aの開度を制御するようになってい
る。
【0018】また、改質触媒3へ供給される空気量は、
一部の軽油が改質触媒3で燃焼して改質触媒3の温度を
残りの軽油が改質触媒3で確実に改質及び気化されるよ
うに決定され、制御装置20は、この空気量が実現され
るように第2制御弁5bの開度を制御するようになって
いる。例えば、改質触媒に供給される軽油は、2000
ccのエンジンで通常走行においては約1cc/分であ
り、そのうちの約10%、すなわち0.1cc/分を改
質触媒で燃焼させるようになっている。この燃焼に必要
な空気は約1リットル/分であり、この量の空気が改質
触媒へ供給されるようになっている。
【0019】NOx触媒2は、所定温度範囲を外れる
と、NOxを十分に還元することができない。従って、
制御装置20は、温度センサ23により検出されるNO
x触媒2下流側の排気ガス温度からNOx触媒2の温度
を推定し、これが所定範囲内にある時だけ前述したよう
に軽油及び空気を改質触媒3へ供給するようになってい
る。
【0020】図3は、本発明によるディーゼルエンジン
の排気浄化装置の第2実施形態を示す概略断面図であ
る。第1実施形態との違いについてのみ以下に説明す
る。本実施形態では、NOx触媒2’には貫通穴は設け
られていない。改質触媒3’は、拡管部1a’のNOx
触媒2’の排気上流側に配置されている。
【0021】この改質触媒3’は球形状を有し、それに
軽油及び空気を供給するための供給管5’によって拡管
部1a’のほぼ中心に支持されている。また、改質触媒
3’の排気上流側半分を被うセラミック製のカバー6が
設けられている。このカバー6は、非常に大きな熱容量
を有している。
【0022】本実施形態において、改質触媒3’は、熱
容量の大きなカバー6によって取り囲まれ、また、この
カバー6によって排気ガスの流入が防止されている。従
って、第1実施形態と同様に、改質触媒3’と排気ガス
との間の熱交換は、大きな熱容量を有するカバー6を介
して行われ、機関運転状態に応じて大きく変化する排気
ガス温度に対して、改質触媒3’の温度変化は小さく維
持される。それにより、第1実施形態と同様に軽油及び
空気を改質触媒3’へ供給することによって、軽油は良
好に改質及び気化され、空気流及び排気ガス流によって
排気下流側に位置するNOx触媒2’へ供給される。
【0023】前述した二つの実施形態において、改質触
媒への空気供給は必ずしも必要ではない。例えば、第1
実施形態のNOx触媒2及び第2実施形態のカバー6の
熱容量をかなり大きくすることで、改質触媒の温度を常
に軽油の改質に適した温度に維持することも可能であ
る。また、炭化水素系還元剤として軽油より沸点の低い
灯油等を使用すれば、NOx触媒2及びカバー6の熱容
量をそれほど大きくすることなく、十分に改質触媒をそ
の改質に適した温度に維持することができる。
【0024】また、改質触媒において燃料を燃焼させる
とカーボン等が生成されて、改質触媒に目詰まりを発生
させることがある。これを防止するために、定期的に供
給管から空気のみを供給することにより、このカーボン
を燃焼させることができる。
【0025】
【発明の効果】このように、請求項1に記載の本発明に
よるディーゼルエンジンの排気浄化装置によれば、流入
防止手段によって排気ガスが改質触媒へ直接的に流入せ
ず、また、熱容量の大きな部材が改質触媒を取り囲むた
めに、排気ガスと改質触媒との間の熱交換が熱容量の大
きな部材を介して行われ、機関運転状態によって排気ガ
ス温度が大きく変化しても改質触媒は常に炭化水素系燃
料を炭化水素系還元剤にに改質可能な温度に維持され
る。それにより、供給手段が、この改質触媒を介して炭
化水素系燃料をNOx触媒へ供給することにより、ヒー
タを必要とすることなく、排気ガスの熱を有効に利用し
て改質された炭化水素系還元剤をNOx触媒へ供給する
ことができ、NOx触媒における良好なNOxの還元が
実現される
【0026】また、請求項2に記載の本発明によるディ
ーゼルエンジンの排気浄化装置によれば、NOx触媒が
熱容量の大きな部材としても機能するために、請求項1
に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置に比較して
コストを低減することができる。
【0027】また、請求項3に記載の本発明によるディ
ーゼルエンジンの排気浄化装置によれば、熱容量の大き
な部材が改質触媒の少なくとも排気上流側を取り囲み流
入防止手段としても機能するために、請求項1に記載の
ディーゼルエンジンの排気浄化装置に比較してコストを
低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるディーゼルエンジンの排気浄化装
置の第1実施形態を示す概略断面図である。
【図2】機関回転数及び機関負荷に対するNOx発生量
を示すマップである。
【図3】本発明によるディーゼルエンジンの排気浄化装
置の第2実施形態を示す概略断面図である。
【符号の説明】
1,1’…排気通路 2,2’…NOx触媒 3,3’…改質触媒 4…板部材 5,5’…供給管 6…カバー 20…制御装置 23…温度センサ
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI F01N 3/28 301 B01D 53/36 ZAB 3/36 101A (72)発明者 高田 保夫 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の1 株式会社豊田中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭51−72822(JP,A) 特開 平9−38467(JP,A) 特開 平6−137138(JP,A) 実開 平4−54926(JP,U) 実開 平6−73312(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F01N 3/08 - 3/36 B01D 53/86 B01D 53/94 B01J 29/46

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 機関排気系に窒素酸化物を浄化するNO
    x触媒と炭化水素系燃料を炭化水素系還元剤に改質する
    ための改質触媒とを配置したディーゼルエンジンの排気
    浄化装置において、前記改質触媒に排気ガスが直接的に
    流入することを防止する流入防止手段と、前記改質触媒
    を取り囲む熱容量の大きな部材と、炭化水素系燃料を前
    記改質触媒を介して前記NOx触媒へ供給する供給手
    段、とを具備することを特徴とするディーゼルエンジン
    の排気浄化装置。
  2. 【請求項2】 前記NOx触媒が前記熱容量の大きな部
    材としても機能することを特徴とする請求項1に記載の
    ディーゼルエンジンの排気浄化装置。
  3. 【請求項3】 前記熱容量の大きな部材が前記改質触媒
    の少なくとも排気上流側を取り囲み前記流入防止手段と
    しても機能することを特徴とする請求項1に記載のディ
    ーゼルエンジンの排気浄化装置。
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