JP3809489B2 - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ガスにより還元剤を部分酸化して排気ガス浄化装置に供給する排気ガス浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンにおいて、排気ガスに含まれるＮＯｘの浄化手段として、還元雰囲気でＮＯｘを処理する還元触媒がある。特に、酸素過剰下における排気ガスに含まれるＮＯｘの浄化処理する場合、ＨＣ等の還元剤を用いて浄化率を向上させることが必要である。
【０００３】
このようなＮＯｘ浄化システムとして、図３に示すようにエンジン２１の排気通路２２に介装されているＮＯｘ触媒装置２３の上流側のエンジン直下にインジェクタ２４を設けて燃料タンク２５から燃料（軽油）を供給し、還元剤（ＨＣ）としての軽油を排気通路２２に噴射（添加）して高温の排気ガスの熱と残留酸素とにより部分酸化させてＮＯｘ触媒装置２３に対して都合の良い還元剤（ＨＣ）に改質し、ＮＯｘ触媒装置２３によるＮＯｘの還元を促進するようにしたものがある。
【０００４】
或いは、図４に示すようにＮＯｘ触媒装置２３の上流側の排気通路２２に、還元剤を改質するための空気を導入する空気通路２７と、この空気通路２７内の空気に還元剤（ＨＣ）としての燃料（軽油）を供給するインジェクタ２８と、空気通路２７内の空気（酸素）と還元剤（ＨＣ）との混合気を加熱する加熱手段２９とから成る還元剤の部分酸化装置３０を設け、前記還元剤（ＨＣ）を部分酸化させてＮＯｘ触媒２３に対して都合の良い形態の還元剤に改質してＮＯｘ触媒装置２３に供給し、ＮＯｘの還元を促進するようにしたものがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、排気ガス中の熱と残留酸素とにより還元剤（ＨＣ）が部分酸化されるためには或る程度の時間（化学反応の時間）が必要である。図５は、還元剤と高温（約６００℃）排気ガスとの接触時間と部分酸化物の生成との関係を示し、排気通路内の還元剤（ＨＣ）の濃度は、実線Ｉで示すように還元剤が噴射（添加）されると略瞬時に飽和値に達する。一方、部分酸化物の濃度がＮＯｘ触媒によるＮＯｘの還元を促進するに十分な濃度に達するには実線IIで示すように還元剤が噴射された時点から約０.１秒以上経過することが必要である。即ち、還元剤が排気ガスにより部分酸化されてＮＯｘの還元を促進するに十分な濃度に達するまでには排気ガスとの接触時間（改質時間）が０.１秒以上必要である。
【０００６】
しかしながら、図３示すＮＯｘ浄化システムにおいては、インジェクタ２４をエンジン直下に設置することで、添加する還元剤（ＨＣ）としての軽油と高温の排気ガスとの接触時間を或る程度確保して部分酸化を促進することはできるが、接触時間が短いために十分ではない。これは、車両においては、レイアウト上の種々の制約によりインジェクタ２４からＮＯｘ触媒装置２３までの排気通路２２の長さ（距離）を長く取ることができないために、燃料（還元剤）と排気ガスとの接触時間を改質に十分な前記時間（０.１秒以上）確保することができないためである。
【０００７】
また、図４に示す還元剤の部分酸化装置３０を搭載する場合、車両の重量が増加すると共に搭載スペースの増大、ＮＯｘ浄化システムのコストアップ、空気加熱手段であるヒータによる消費電力が増大する等の問題がある。
このため、本発明では、還元剤と高温排気ガスとの接触時間を十分に確保して還元剤の部分酸化を促進し、ＮＯｘ触媒装置の活性化を向上させるようにした排気ガス浄化装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明では、エンジンから排気通路に排出された排ガスは、排気ガス浄化装置に流れると共に、一部がバイパス流量制御弁を通してバイパス通路に流入する。一方、還元剤噴射装置から還元剤がバイパス通路に噴射される。バイパス温度検出手段により検出されたバイパス通路内の排気ガス温度が所定温度（還元剤改質可能温度）よりも高いときには、バイパス流量制御弁の開度設定手段によりエンジンの運転状態に応じて、バイパス通路内において前記噴射された還元剤と排気ガスとの接触時間が改質に十分な時間となるようにバイパス通路を流れる排気ガスの流量を略一定に保持すべく、バイパス通路内に流入する排気ガス量を制御する。これにより、バイパス通路内を流れる排気ガスの流速が低下して還元剤の改質に必要な接触時間が確保され、還元剤は、高温の排気ガスの熱と残留酸素とにより部分酸化されて改質される。還元剤の部分酸化が促進されることで排気ガス浄化装置の活性化が向上し、ＮＯｘの浄化が良好に行われる。
【０００９】
請求項２の発明では、開度設定手段によりバイパス流量制御弁の開度を制御して排気通路に対してバイパス通路におけるバイパス流量を減少させ、流速を差下げることで、エンジンの排気量、運転条件によらず接触時間を０.１秒以上の長さに確保する。これにより、還元剤の部分酸化が促進され、排気ガス温度が低い温度範囲までのＮＯｘの浄化率が大幅に向上する。
【００１０】
また、エンジンの運転状態によっては、バイパス通路内の排気ガスの温度が所定温度（還元剤改質可能温度）よりも低い場合がある。このようにバイパス温度検出手段により検出されたバイパス通路内の排気ガス温度が所定温度より低いときには、加熱手段によりバイパス通路内を流れる排気ガスを加熱して前記所定温度以上に高くすることが好ましい。これにより、バイパス通路内に噴射された還元剤を改質することが可能となる。この場合、バイパス通路を流れる排気ガス量（バイパス流量）が少なく、しかも、排気ガスを加熱するために前記加熱手段による加熱は少なくてよく、更に排気ガスの温度が前記所定温度よりも高くなれば加熱は不要となることで加熱手段の消費電力を大幅に少なくすることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。
図１は、本発明に係る排気ガス浄化装置の概略構成図である。図１に示すようにエンジン１は、例えば、ディーゼルエンジンで、各燃料噴射装置２が燃料通路３を介して燃料タンク４に接続されている。燃料タンク４には軽油が給油されている。エンジン１の排気通路５には排気ガス浄化装置としてのＮＯｘ触媒装置６が介装されており、排気通路５にはＮＯｘ触媒装置６の上流にバイパス通路７が設けられている。このバイパス通路７は、上流側（排気ガス入口側）が排気通路５のエンジン１の近傍において分岐され、下流側（排気ガス出口側）がＮＯｘ触媒装置６の直ぐ上流で排気通路２に合流されている。
【００１２】
バイパス通路７の上流側の排気通路５との分岐部にはバイパス通路７を流れる排気ガスの流量を制御するバイパス流量制御弁８が設けられている。このバイパス流量制御弁８は、モータ９により開閉制御される。バイパス流量制御弁８の直ぐ下流位置にバイパス通路７に還元剤を噴射可能な還元剤噴射装置（以下「インジェクタ」という）１１が装着されている。このインジェクタ１１は、燃料通路１２を介してエンジン１の燃料通路３に接続されており、燃料タンク４から還元剤（ＨＣ）としての燃料（軽油）が供給されるようになっている。バイパス通路７のバイパス流量制御弁８の下流に当該バイパス通路７に沿って排気ガス温度が低温のときに加熱するための加熱手段としての補助ヒータ１３が装着されており、出口近傍にはバイパス通路内の排気ガスの温度を検出する温度検出手段としての温度センサ１４が装着されている。また、ＮＯｘ触媒装置６内には触媒温度を検出する温度検出手段としての温度センサ１５が装着されている。
【００１３】
電子制御装置（ＥＣＵ）１６は、エンジン１の運転状態を検出する運転状態検出手段としてのエンジン回転センサ１７、エンジン負荷を検出するためのアクセルペダルセンサ１８等からの信号に基づいてエンジン１の燃料噴射弁２を制御する。また、電子制御装置１６は、インジェクタ１１を開弁制御すると共に、エンジン１の運転状態に応じてバイパス流量制御弁８の開度を設定するための開度設定手段としてのマップを備えている。この開度設定手段は、インジェクタ１１から噴射された還元剤（燃料）がＮＯｘ触媒装置６に到達するまでの時間が所定時間（０.１秒）以上となるようエンジン１の運転状態に応じて予め設定されている。電子制御装置１６は、エンジン回転数、エンジン負荷により前記マップからバイパス流量制御弁８の設定開度を読み出してモータ９を駆動制御し、バイパス流量制御弁８を開閉制御する。また、電子制御装置１６は、温度センサ１４からの信号により補助ヒータ１３の通電を制御し、温度センサ１５からの信号により還元剤を改質するか否かを制御する。
【００１４】
以下に作用を説明する。
エンジン１から排気通路５に排出された排気ガスは、ＮＯｘ触媒装置６に流れると共に、一部がバイパス流量制御弁８を通してバイパス通路７に流入する。一方、インジェクタ１１から還元剤（ＨＣ）としての燃料（軽油）がバイパス通路７の上流側に噴射（添加）される。インジェクタ１１から噴射された燃料は、高温の排気ガスの熱と残留酸素とにより部分酸化されて改質される。電子制御装置１６は、バイパス通路７内において前記噴射された燃料と排気ガスとの接触時間が改質に十分な時間（０.１秒以上）となるように、バイパス流量制御弁８によりバイパス通路７内に流入する排気ガス量を、全排気ガス量の１／１０〜１／５程度に制御する。これにより、バイパス通路７内を流れる排気ガスの流速が低下して前記燃料即ち、還元剤（ＨＣ）の改質に必要な接触時間が長く（０.１秒以上）確保され、還元剤の部分酸化が促進されてＮＯｘ触媒装置６の活性化が向上し、ＮＯｘの浄化が良好に行われる。
【００１５】
上述したように、排気通路５に対してバイパス通路７における排気ガスのバイパス流量を減少して流速を下げることで、エンジン１の排気量、運転条件によらず排気ガスと燃料との接触時間を充分に確保し、ＮＯｘの浄化を図る。
図６に排気ガス温度（エンジン出口温度）とＮＯｘ浄化率の特性の一例を示す。図６において実線Iは接触時間が０.１秒の場合、破線IIは接触時間が０.０５秒の場合、１点鎖線IIIは接触時間が０.０１秒の場合を示す。この特性図から明らかなように、接触時間が０.１秒の場合には、還元剤と排気ガスとの接触時間が長くなり還元剤の部分酸化が促進されることで、排気ガス温度が低い温度範囲（約３３０℃〜４２０℃）に亘りＮＯｘの浄化率が大幅に向上する。これは、還元剤が十分に部分酸化されることでＮＯｘの還元を促進し、特に、触媒の酸化力の弱い低温側における効果が得られたものと思われる。
【００１６】
また、エンジンの運転状態によっては、ＮＯｘ触媒装置６の温度が触媒活性温度よりも低い場合、或いは、バイパス通路７内の排気ガス流量が少なく、排気ガスの温度が所定温度としての還元剤改質可能温度よりも低い場合がある。電子制御装置２０は、温度センサ１５からの信号によりＮＯｘ触媒装置６の温度が触媒の活性温度よりも低い場合には、インジェクタ１１からの燃料噴射を行わずに還元剤のＮＯｘ触媒装置６の供給を停止する。
【００１７】
また、電子制御装置２０は、温度センサ１４からの信号によりバイパス通路７内の排気ガス温度が前記所定温度（還元剤改質可能温度）よりも低いときには、補助ヒータ１３に通電してバイパス通路７内を流れる排気ガスを加熱し、排気ガスの温度が前記所定温度を超えたら燃料を噴射させる。これにより、バイパス通路７内に噴射された燃料（還元剤）が改質される。この場合、バイパス通路７の排気ガス量（バイパス流量）が少なく、しかも、温度の高い排気ガスを加熱するために従来の還元剤の部分酸化装置（図４）における空気加熱の場合に比べて補助ヒータ１３による加熱は少なくてよく、更に、排気温度が前記温度（還元剤改質可能温度）よりも高くなれば補助ヒータ１３による加熱は不要となることで、補助ヒータ１３の消費電力を大幅に少なくすることができる。
【００１８】
次に、図２に示すフローチャートにより制御手順を説明する。
電子制御装置２０は、温度センサ１５からの温度信号によりＮＯｘ触媒装置６の温度Ｔ１が触媒活性温度Ｔａよりも高いか（Ｔ１＞Ｔａ）否かを判定し（ステップＳ１）、高くないときには、この判定を繰り返し、高いときにはバイパス流量制御弁８の開度設定手段としてのマップからエンジン回転数とエンジン負荷とによりエンジンの運転状態に応じたバイパス流量制御弁８の設定開度を読み出してモータ９を制御し、バイパス流量制御弁８の開度を調整する（ステップＳ２）。この開度の調整は、基本的には、バイパス通路７に流す排気ガスのバイパス流量を一定にするもので、エンジン回転数が高くなりエンジンから排出される排気ガス量が多くなるとバイパス流量制御弁８の開度を小さくし、エンジン負荷が高くなりエンジンから排出される排気ガス量が多くなるとバイパス流量制御弁８の開度を小さくする。
【００１９】
次いで、電子制御装置２０は、温度センサ１４からの信号によりバイパス通路７内の排気ガス温度Ｔ２が所定温度（還元剤改質可能温度）Ｔｂよりも高いか（Ｔ２＞Ｔｂ）否かを判定し（ステップＳ３）、高いときには排気ガスによる還元剤の部分酸化が可能と判断してインジェクタ１１により還元剤（燃料）を噴射させ（ステップＳ５）、高くないときには、補助ヒータ１３に通電してバイパス通路７内の排気ガス温度を前記所定温度（還元剤改質可能温度）Ｔｂに達するまで加熱する（ステップＳ５）。このようにしてバイパス通路７に分流させた排気ガスにより還元剤を充分に部分酸化して改質する。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１の発明では、高温排気ガスの一部をバイパス通路にバイパスさせてバイパス通路を流れる排気ガスの流速を下げて排気ガス流量を略一定に保持した状態で還元剤を添加することで、前記還元剤と高温排気ガスとの接触時間を十分に確保することが可能となり、前記還元剤の部分酸化を促進することができ、触媒の低温活性化を大幅に向上させることができ、ＮＯｘ浄化率を向上させることができる。また、比較的シンプルな構成で効率的に還元剤の部分酸化を促進することができ、排気ガス浄化装置の小型、軽量化、及びコストアップを抑えることが可能となる。
【００２１】
請求項２の発明では、バイパス通路に導入する排気ガス量を制御することで、バイパス通路内を流れる排気ガスの流速を遅くするができ、これにより還元剤と排気ガスとの接触時間を０.１秒以上とすることで充分な還元剤の部分酸化が得られるので、ＮＯｘの浄化率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る排気ガス浄化装置の実施の形態を示す概略構成図である。
【図２】図１に示す排気ガス浄化装置の制御手順の一例を示すフローチャートである。
【図３】従来の排気ガス浄化装置の概略構成図である。
【図４】従来の排気ガス浄化システムに適用する還元剤の部分酸化装置の概略構成図である。
【図５】排気ガスにより還元剤を改質して部分酸化物を生成する場合の排気ガスと還元剤との接触時間に対する還元剤及び部分酸化物の濃度の関係を示す特性図である。
【図６】還元剤の排気ガスとの接触時間に対する排気ガス温度とＮＯｘ浄化率との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１ エンジン
４ 燃料タンク
５ 排気通路
６ ＮＯｘ触媒装置（排気ガス浄化装置）
７ バイパス通路
８ バイパス流量制御弁
９ モータ
１１ インジェクタ（還元剤噴射装置）
１３ 補助ヒータ
１４、１５ 温度センサ
１６ 電子制御装置（バイパス流量制御弁開度設定手段、制御手段）
１７ エンジン回転センサ
１８ アクセルペダルセンサ

Claims (2)

1. エンジンの排気通路に配設された排気ガス浄化装置と、
   前記排気ガス浄化装置上流の前記排気通路を一旦分岐して再度前記排気ガス浄化装置上流の前記排気通路に接続されたバイパス通路と、
   前記バイパス通路に還元剤を噴射可能に配置された還元剤噴射装置と、
   前記バイパス通路を流れる排気ガスの流量を制御可能に配設されたバイパス流量制御弁と、
   前記エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、
   前記還元剤噴射装置から噴射された還元剤が前記排気ガス浄化装置に到達するまでの時間が所定の時間以上になるように前記バイパス通路を流れる排気ガスの流量を略一定に保持すべく、前記エンジンの運転状態に応じて予め設定された前記バイパス流量制御弁の開度設定手段と、
   前記バイパス通路内の排気ガス温度を検出するバイパス温度検出手段と、
   前記バイパス温度検出手段の検出温度が所定値以上の時、前記運転状態検出手段の情報に応じて前記還元剤噴射装置を駆動して還元剤を噴射するとともに、前記バイパス流量制御弁を前記開度設定手段の情報を基に制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする排気ガス浄化装置。
2. 請求項１に記載の排気ガス浄化装置において、
   前記開度設定手段は、前記還元剤噴射装置から噴射された還元剤が前記排気ガス浄化装置に到達するまでの時間が、０.１秒以上となるように前記バイパス流量制御弁の開度を設定することを特徴とする排気ガス浄化装置。

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