JP3788501B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、パティキュレートマターを捕捉するパティキュレートフィルタの上流に酸化触媒を有する連続再生式のパティキュレートフィルタとともにNOx触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置に係り、詳しくは、NOx触媒の効率化を図る技術に関する。
【0002】
【関連する背景技術】
バス、トラック等に搭載されるディーゼルエンジンから排出される排ガスには、HC、CO、NOx等のほか、パティキュレートマター(PMと略す)が多く含まれている。そこで、ディーゼルエンジンの後処理装置として、PMを捕捉し外部熱源により焼却除去するディーゼル・パティキュレートフィルタ(DPFと略す)が実用化されている。また、最近では、DPFの外部熱源の代わりにDPFの上流側にPMを酸化除去するための酸化剤(NO2)を生成し供給する酸化触媒を設け、連続的にDPF上のPMを酸化処理する連続再生式DPFが考えられている。
【0003】
また、NOxを浄化処理するために、連続再生式DPFとともにNOx触媒を排気通路に介装することも考えられている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、NOx触媒を介装する場合、連続再生式DPF上のPMを酸化除去するにはNO2が必要であること、また、連続再生式DPFの酸化触媒により生成されてDPFで使用されずに下流側に流れてしまうNO2をも処理する必要があることから、一般にNOx触媒は例えばDPFの下流に設けられる。
【0005】
また、NOx触媒によりNOxを還元する場合、還元作用を促進するために、NOx触媒上流でNOx還元剤(燃料等)を供給するようにしている。この場合、NOx還元剤の部分酸化を促進させるべく、還元剤の供給はできるだけ内燃機関の燃焼室に近い位置であることが望まれる。
ところが、本来NOxの浄化効率を高めるためにNOx触媒は高温状態に保持するのがよいにも拘わらず、上記のようにNOx触媒を連続再生式DPFの下流に配置させると、触媒温度が低くなり十分に機能させることができないという問題がある。
【0006】
また、連続再生式DPFの酸化触媒の上流に還元剤を供給するようにすると、酸化触媒によって還元剤の多くが酸化されてしまうという問題もある。この場合、酸化触媒の下流に還元剤を供給することも考えられるが、これでは還元剤の部分酸化が促進されず、有効なものとはいえない。
また、内燃機関が高負荷状態にあり酸化触媒の温度が高い状況下では、酸化触媒に排ガスを流すと酸化触媒において燃料中の硫黄成分が反応してサルフェート(硫黄酸化物)が多く生成されてしまうという問題もある。
【0007】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、連続再生式のパティキュレートフィルタとともにNOx触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置において、NOx触媒の効率化を図った内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、請求項1の発明では、内燃機関の排気通路に介装された酸化触媒と、前記排気通路の前記酸化触媒よりも下流の部分に配設されたパティキュレートフィルタと、前記排気通路のうち前記酸化触媒の上流の部分と前記酸化触媒の下流且つ前記パティキュレートフィルタの上流の部分とを接続するバイパス通路と、前記バイパス通路に介装されたNO x 触媒と、前記バイパス通路の前記NO x 触媒よりも上流にNOx還元剤を供給する還元剤供給手段と、前記バイパス通路の前記酸化触媒の上流の分岐部に設けられ、排気の前記酸化触媒側への流通と前記バイパス通路への流通とを切り換える切換弁と、前記切換弁を排気温度または前記酸化触媒の温度もしくは内燃機関の運転状態に応じて切り換える制御手段とを備えたことを特徴としている。
【0013】
これにより、排気温度が低く、パティキュレートマター(PM)が多く発生するようなときには、排ガスが酸化触媒側に流れるように切換弁を切り換えることにより、排ガスは酸化触媒とパティキュレートフィルタからなる連続再生式のパティキュレートフィルタを通ることになり、パティキュレートフィルタに堆積するPMが酸化触媒により生成される酸化剤(NO2)によって連続的に酸化処理される一方、排気温度が高く、NOxが発生し易いようなときには、切換弁を切り換えることにより、排ガスはバイパス通路のNOx触媒に流れ、このときバイパス通路のNOx触媒上流にNOx還元剤(燃料)を供給することで、NOxが効率よく還元処理される。
【0014】
そして、この場合も、排気温度が高いときには排ガスが酸化触媒を通ることがないので、サルフェートが生成されることがなくなる。また、このようにNOx触媒がバイパス通路に設けられていると、NOx触媒が比較的内燃機関の燃焼室に近くなり、NOx触媒が十分に高温状態に保持されてNOx触媒の浄化効率が向上する。
【0015】
また、排気温度が高く、パティキュレートフィルタが高温状態にあるときには、PMは排ガス中の酸素によって酸化除去されるため、切換弁を切り換えて排ガスがバイパス通路を流れるようにしても、つまり排ガスを酸化触媒に流さずに酸化剤(NO2)が生成されないようにしても、PMは排ガス中の酸素によって良好に酸化除去され続ける。
【0016】
従って、本発明では、PMを常に良好に酸化除去し続けながら、同時にNOxを浄化効率高く良好に浄化することが可能とされる。
好ましくは、還元剤はバイパス通路のできるだけ上流から供給するのがよく、これにより、還元剤の部分酸化が十分に促進され、NOx触媒における還元性能がより一層向上する。
【0017】
また、請求項2の発明では、前記パティキュレートフィルタは酸化触媒を担持してなることを特徴としている。
従って、切換弁が切り換えられて排ガスがバイパス通路を流れるとともにバイパス通路にNOx還元剤(燃料)が供給される場合、還元剤の量が多いと余剰の還元剤がパティキュレートフィルタに達するおそれがあるが、パティキュレートフィルタに酸化触媒を担持することにより、かかる余剰の還元剤を大気中に放出することなく酸化触媒によって良好に酸化除去可能である。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の実施例を説明する。
先ず、第1実施例について説明する。
図1を参照すると、本発明の第1実施例に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図が示されており、以下同図に基づき説明する。
【0019】
エンジン1としては、ここでは直列4気筒ディーゼルエンジン(以下、単にエンジンと記す)が採用される。
エンジン1の吸気ポートには、吸気マニホールド2を介して吸気管4が接続されており、一方、排気ポートには、排気マニホールド6を介して排気管8が接続されている。
【0020】
同図に示すように、排気管8には後処理装置20が介装されている。後処理装置20は、排ガスに含まれる有害成分(HC、CO、NOx等)やPM(パティキュレートマター)を浄化処理するための触媒コンバータやディーゼル・パティキュレートフィルタ(DPF)からなる排気浄化装置であり、ここでは、NOx触媒担持型DPF24の上流に酸化触媒26を備えた、所謂、連続再生式ディーゼル・パティキュレートフィルタ(連続再生式DPF)22として構成されている。
【0021】
連続再生式DPF22は、酸化触媒26によって酸化剤(NO2)を生成し、このNO2をDPF24に供給することで連続的にDPF24上に堆積するPMを酸化反応させ、浄化処理するような装置である。また、NOx触媒担持型DPF24に担持されたNOx触媒は、排ガス中のNOx成分を還元除去するものであり、ここでは、例えば選択還元型のNOx触媒が担持されている。この選択還元型のNOx触媒は、還元雰囲気中において、NOxを選択的に還元処理することの可能な触媒であり、公知のものである。
【0022】
また、酸化触媒26とは別に、NOx触媒担持型DPF24の下流部分に酸化触媒が担持されている。
そして、排気管8からは、酸化触媒26の上流部分で分岐してバイパス管(バイパス通路)30が延びており、当該バイパス管30は酸化触媒26とDPF24との間で再び排気管8に合流している。
【0023】
排気管8とバイパス管30との分岐部には、切換弁32が設けられている。この切換弁32は、排ガスの連続再生式DPF22側への流通と遮断及びバイパス管30への流通と遮断とを切り換える電磁式の3方弁である。従って、例えば切換弁32によりバイパス管30への流通が遮断されると、排ガスは酸化触媒26を経てNOx触媒担持型DPF24に流れ、切換弁32によりバイパス管30への流通が許容されると、排ガスはバイパス管30を経てNOx触媒担持型DPF24に流れる。
【0024】
また、バイパス管30の上流部分には、電磁式の燃料噴射装置(還元剤供給手段)34がバイパス管30内にNOx還元剤としての燃料を供給可能に設けられている。燃料噴射装置34は、燃料管36を介し、エンジン1の各気筒に燃料を噴射する燃料噴射弁10と同様に燃料タンク40に接続されており、つまり燃料噴射装置34は、NOx還元剤として燃料タンク40の燃料(ここでは、軽油)をバイパス管30内に供給(例えば、噴霧)可能である。
【0025】
図中、符号27は、酸化触媒26の温度、即ち触媒温度を検出する触媒温度センサである。
電子コントローラ(ECU)50は、エンジン1を含めた本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の総合的な制御を行うための制御装置である。
ECU50の入力側には、エンジン1に設けられたエンジン回転速度等を検出する各種センサ類とともに、上記触媒温度センサ27が接続されている。
【0026】
一方、ECU50の出力側には、エンジン1に設けられた燃料噴射弁10等の他、上記電磁式の切換弁32、電磁式の燃料噴射装置34が接続されている。
以下、上記のように構成された本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の作用について説明する。
触媒温度センサ27からの温度情報に基づき、ECU50において、触媒温度が所定温度(例えば、350℃)よりも低いと判定された場合には、ECU50は、切換弁32をバイパス管30への流通が遮断されるよう、即ち排ガスが酸化触媒26に流れるように切り換える。
【0027】
このようにすると、排気中のPMがDPF24に捕捉されるとともに、酸化触媒26では、酸化反応により、COやHCが酸化除去されるとともに、酸化剤として例えば排気中の窒素成分Nの酸化物であるNO2が生成される。
そして、酸化触媒26で生成されたNO2は、DPF24に供給されることになり、DPF24に捕捉されたPMがNO2によって酸化処理される。つまり、連続再生式DPF22では、DPF24に捕捉されたPMは、酸化触媒26で生成された酸化剤としてのNO2によって連続的に酸化され、除去される。
【0028】
一方、触媒温度センサ27からの温度情報に基づき、触媒温度が所定温度(例えば、350℃)以上である場合には、ECU50は、切換弁32をバイパス管30への流通を許容するよう、即ち排ガスがバイパス管30を経てNOx触媒担持型DPF24に流れるように切り換える。
つまり、触媒温度が所定温度と高く、排気温度が高いような状況では、NOxが発生し易いと考えられ、このような場合には、排ガスをバイパス管30を経てNOx触媒担持型DPF24に流すようにする。
【0029】
そして、切換弁32の切り換えと同時に、燃料噴射装置34から燃料(軽油)をバイパス管30内に噴霧する。なお、燃料噴射装置34から噴霧する燃料量は、エンジン1の運転状態に応じて予め適切な量に設定されている。
このように、排気温度が高い場合に、排ガスが直接NOx触媒担持型DPF24に流れるように切換弁32を切り換え、燃料噴射装置34からバイパス管30内に燃料を噴霧するようにすると、排ガスは酸化触媒26を通らずに直接NOx触媒担持型DPF24に流れることになるため、排ガス中の硫黄成分が酸化されてサルフェート(硫黄酸化物)を生成することがなくなる。
【0030】
また、燃料噴射装置34は、バイパス管30の上流部分に燃料を供給するようにしているため、燃料はNOx触媒担持型DPF24に到達するまでの間に十分に部分酸化が促進されることになり、排気中のNOxが部分的に改質された還元剤によって十分に還元処理される。
また、NOx触媒担持型DPF24では、NOx触媒はDPFと一体となっているため、DPFにおけるPMの反応熱によりNOx触媒はある程度高温に維持される。これにより、NOxの浄化効率の低下が防止される。
【0031】
ところで、酸化触媒26が所定温度(例えば、350℃)以上では、DPF24も当該所定温度以上であると考えられる。そして、DPF24が当該所定温度以上の高温状態になると、DPF24に捕捉されたPMは、排気中の酸素と良好に酸化反応し、除去されることになる。つまり、所定温度以上では、酸化触媒26によって酸化剤であるNO2を生成しなくても、排気中の酸素によって十分に酸化除去される。従って、このように酸化触媒26が所定温度以上で排ガスを酸化触媒26に流さないようにしても、DPF24に捕捉されたPMは問題なく除去され続けることになる。なお、エンジン1が高負荷状態で触媒温度が高い状況では、酸化触媒26での酸化剤であるNO2の生成能力が低下するため、現実問題として、所定温度以上で排ガスを酸化触媒26に流したとしてもNO2は殆ど生成されることはない。
【0032】
即ち、本発明のように構成することにより、触媒温度に拘わらずPMを常に良好に酸化除去し続けながら、同時に、環境に悪影響を与えるサルフェートの生成もなく、NOx還元剤の供給によりNOx触媒近傍に良好に還元雰囲気を形成するようにでき、NOxをも良好に浄化することができることになる。
なお、燃料噴射装置34から供給する燃料量は、上述したように予め適切な量に設定されているが、NOxの還元に使用されない燃料があっても、かかる余剰となった燃料は、NOx触媒担持型DPF24の下流部分に担持された酸化触媒によって確実に酸化処理され、大気中に放出されることはない。
【0033】
次に、第2実施例について説明する。
図2を参照すると、本発明の第2実施例に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図が示されており、以下同図に基づき説明する。但し、構成の大部分は上記第1実施例と同一であるため、ここでは、第1実施例と異なる部分についてのみ説明する。
【0034】
上記第1実施例では、NOx触媒担持型DPF24のように、DPFにNOx触媒が担持されていたが、当該第2実施例では、DPF24’はNOx触媒を有さず、排気管8から分岐するバイパス管30にNOx触媒28が介装されている。そして、NOx触媒28よりも上流に燃料噴射装置34が設けられている。
このようにNOx触媒28をバイパス管30に設けるようにすると、NOx触媒28がエンジン1の燃焼室に近くなるため、高い排気温度で排ガスがNOx触媒28に流入することになり、NOx触媒28の温度がより一層高く維持される。そして、NOx触媒28が高温に保持されると、NOxの浄化効率が向上し安定したものとなり、NOxをさらに良好に浄化することができる。
【0035】
特に、この第2実施例の構成は、NOx触媒28が高温型(例えば、銀系触媒)である場合に有効である。
なお、この場合にも、燃料噴射装置34から供給され、使用されずに余剰となった燃料は、DPF24’の下流部分に担持された酸化触媒によって確実に酸化処理され、大気中に放出されることはない。
【0036】
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限られるものではない。
例えば、上記実施形態では、バイパス管30に燃料噴射装置34を設けるようにし、これによりNOx還元剤(燃料)を供給するようにしたが、他の実施例として、燃料噴射装置34を設けず、エンジン1の各気筒に配設された燃料噴射弁10によってNOx還元剤(燃料)を供給するような構成にしてもよい(還元剤供給手段)。
【0037】
即ち、燃料噴射弁10により、主燃焼用の燃料を主噴射した後、膨張行程或いは排気行程でポスト噴射(副噴射)を行い、膨張仕事に寄与しないポスト噴射による未燃燃料をバイパス管30に導くようにしてもよい。かかるポスト噴射は、コモンレール式のディーゼルエンジンであれば容易に実現可能である。
このようにポスト噴射を用いてNOx還元剤(燃料)を供給するようにすると、温度が高く且つNOx触媒までの距離が長くなるため、より一層部分酸化が促進され、NOxをさらに良好に浄化することができる。
【0038】
また、上記実施形態では、NOx還元剤として例えば軽油を用いるようにしたが、NOx還元剤は軽油以外でも、アルコール類や尿素水であってもよい。
また、上記実施形態では、酸化触媒26の温度により切換弁32を切換制御するようにしたが、酸化触媒26の温度に代えて、排気温度、或いはエンジン1の運転状態と排気温度とを対応させておき、そのときの運転状態に応じて切換制御を行うようにしてもよい。
【0039】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の請求項1の内燃機関の排気浄化装置によれば、排気温度が低く、パティキュレートマター(PM)が多く発生するようなときには、排ガスを酸化触媒とパティキュレートフィルタからなる連続再生式のパティキュレートフィルタに通すことにより、パティキュレートフィルタに堆積するPMを酸化触媒により生成される酸化剤(NO2)によって連続的に酸化処理でき、一方、排気温度が高く、NOxが発生し易いようなときには、切換弁を切り換えて排ガスをバイパス通路のNOx触媒に流すとともにバイパス通路にNOx還元剤(燃料)を供給することにより、NOxを還元処理することができる。
【0040】
そして、排気温度が高い場合には、切換弁を切り換えて排ガスをバイパス通路に流すことにより、排ガスが酸化触媒を通ることがないので、サルフェートの生成を防止できる。
また、切換弁を切り換えて排ガスがバイパス通路を流れるようにした場合であっても、パティキュレートフィルタが高温状態にあるときには、PMは排ガス中の酸素によって良好に酸化除去され続けることになる。
【0041】
従って、PMを常に良好に酸化除去し続けながら、同時にNOxを効率よく良好に浄化することができる。
この際、還元剤をバイパス通路のできるだけ上流から供給するようにすれば、還元剤の部分酸化を十分に促進でき、NOx触媒における還元性能をより一層向上させることができる。
【0042】
また、NOx触媒がバイパス通路に設けられているので、NOx触媒を比較的内燃機関の燃焼室に近くでき、NOx触媒を十分に高温状態に保持してNOx触媒の浄化効率を向上させることができる。
更に、請求項2の内燃機関の排気浄化装置によれば、切換弁を切り換えて排ガスをバイパス通路を流すとともにバイパス通路にNOx還元剤(燃料)を供給した場合において、使用されず余剰となる還元剤をパティキュレートフィルタに担持された酸化触媒によって良好に酸化除去するようにできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。
【図2】本発明の第2実施例に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。
【符号の説明】
1 ディーゼルエンジン
8 排気管
10 燃料噴射弁(還元剤供給手段)
22 連続再生式DPF
24 NOx触媒担持型DPF
26 酸化触媒
27 触媒温度センサ
30 バイパス管(バイパス通路)
32 切換弁
34 燃料噴射装置(還元剤供給手段)
50 電子コントローラ(ECU)
Claims (2)
- 内燃機関の排気通路に介装された酸化触媒と、
前記排気通路の前記酸化触媒よりも下流の部分に配設されたパティキュレートフィルタと、
前記排気通路のうち前記酸化触媒の上流の部分と前記酸化触媒の下流且つ前記パティキュレートフィルタの上流の部分とを接続するバイパス通路と、
前記バイパス通路に介装されたNOx触媒と、
前記バイパス通路の前記NOx触媒よりも上流にNOx還元剤を供給する還元剤供給手段と、
前記バイパス通路の前記酸化触媒の上流の分岐部に設けられ、排気の前記酸化触媒側への流通と前記バイパス通路への流通とを切り換える切換弁と、
前記切換弁を排気温度または前記酸化触媒の温度もしくは内燃機関の運転状態に応じて切り換える制御手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 前記パティキュレートフィルタは酸化触媒を担持してなることを特徴とする、請求項1記載の内燃機関の排気浄化装置。
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