JP2005307769A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの様々な運転状態に応じて過不足のない最適な燃料添加を実現し、触媒劣化や余剰燃料の漏出といった不具合を招くことなく高いＮＯx低減率を得られるようにした排気浄化装置を提供する。
【解決手段】ＮＯx吸蔵還元触媒５の上流側に還元剤として軽油１２（燃料）を添加してＮＯxを還元浄化するように構成した排気浄化装置に関し、ＮＯx吸蔵還元触媒５より上流側の排気管４に設置されて軽油１２を噴射するインジェクタ７と、該インジェクタ７へ導く軽油１２を高圧化して蓄える蓄圧タンク９（蓄圧手段）と、該蓄圧タンク９へ軽油１２を圧送する軽油加圧ポンプ１１（燃料加圧ポンプ）とを備え、該軽油加圧ポンプ１１により前記蓄圧タンク９に蓄えられる軽油１２の圧力を適宜に調整し得るように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気浄化装置に関するものである。

従来より、排気管の途中に装備した排気浄化用触媒により排気浄化を図ることが行われており、この種の排気浄化用触媒としては、排気空燃比がリーンの時に排気ガス中のＮＯxを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し、排気ガス中のＯ₂濃度が低下した時に未燃ＨＣやＣＯ等の介在によりＮＯxを分解放出して還元浄化する性質を備えたＮＯx吸蔵還元触媒がある。

この種のＮＯx吸蔵還元触媒としては、白金・バリウム・アルミナ触媒や、白金・カリウム・アルミナ触媒等が前述した如き性質を有するものとして既に知られている。

そして、ＮＯx吸蔵還元触媒においては、ＮＯxの吸蔵量が増大して飽和量に達してしまうと、それ以上のＮＯxを吸蔵できなくなるため、定期的にＮＯx吸蔵還元触媒に流入する排気ガスのＯ₂濃度を低下させてＮＯxを分解放出させる必要がある。

例えば、ガソリン機関に使用した場合であれば、機関の運転空燃比を低下（機関をリッチ空燃比で運転）することにより、排気ガス中のＯ₂濃度を低下し且つ排気ガス中の未燃ＨＣやＣＯ等の還元成分を増加してＮＯxの分解放出を促すことができるが、ＮＯx吸蔵還元触媒をディーゼル機関の排気浄化装置として使用した場合には機関をリッチ空燃比で運転することが困難である。

このため、ＮＯx吸蔵還元触媒より上流側の排気管にインジェクタを設置し、該インジェクタにより排気ガス中に燃料（ＨＣ）を噴射して添加することにより、この添加燃料を還元剤としてＮＯx吸蔵還元触媒上でＯ₂と反応させることで排気ガス中のＯ₂濃度を低下させる必要がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−３５６１２７号公報

しかしながら、従来においては、ＮＯx吸蔵還元触媒への燃料添加を一定の噴射圧で行うのが一般的であり、しかも、エンジンの全運転領域にてＯ₂濃度を確実に零まで下げられるような比較的高めの噴射圧が設定されることになるため、エンジンの様々な運転状態に応じた最適な燃料添加を実現するのが困難であった。

即ち、比較的高い一定の噴射圧で行われる燃料添加では、その噴射時間（開弁時間）を調整することでしか添加量を制御できないため、添加量が少なくて済む時（負荷や回転数が低くてＮＯx発生量が少ない時）に噴射時間が短くなり過ぎてＮＯx吸蔵還元触媒と添加燃料との接触時間が十分にとれなくなり、高いＮＯx低減率が得られないという問題があった。

他方、ＮＯx吸蔵還元触媒と添加燃料との接触時間を十分にとるべく噴射圧一定のまま噴射時間を長くしてしまうことは、過剰な燃料添加によりＮＯx吸蔵還元触媒の触媒床温度が上がり過ぎて触媒劣化を生じたり、余剰の燃料が車外へ漏出してしまうといった新たな問題を招いてしまうので、実用上採用できないものであった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、エンジンの様々な運転状態に応じて過不足のない最適な燃料添加を実現し、触媒劣化や余剰燃料の漏出といった不具合を招くことなく高いＮＯx低減率を得られるようにした排気浄化装置を提供することを目的としている。

本発明は、排気流路の途中にＮＯx吸蔵還元触媒を装備し且つ該ＮＯx吸蔵還元触媒の上流側に還元剤として燃料を添加してＮＯxを還元浄化するように構成した排気浄化装置であって、ＮＯx吸蔵還元触媒より上流側の排気流路に設置されて燃料を噴射するインジェクタと、該インジェクタへ導く燃料を高圧化して蓄える蓄圧手段と、該蓄圧手段へ燃料を圧送する燃料加圧ポンプとを備え、該燃料加圧ポンプにより前記蓄圧手段に蓄えられる燃料の圧力を適宜に調整し得るように構成したことを特徴とするものである。

而して、蓄圧手段に蓄えられる燃料の圧力を適宜に調整すれば、この圧力を噴射圧としてインジェクタから噴射される燃料の噴射率（単位時間あたりの添加量）が任意に決まり、エンジンの様々な運転状態に応じて過不足のない最適な燃料添加が実現されることになる。

より具体的には、エンジンの運転状態に応じ燃料添加時の空気過剰率（λ）が約０．８〜１．０に維持されるように燃料の噴射率を決め、エンジンの運転状態（排気ガスの流量）に応じてＮＯx吸蔵還元触媒と添加燃料との接触時間が十分にとれるように噴射時間を決めることが可能となる。

そして、燃料添加時の空気過剰率（λ）を約０．８〜１．０に維持できれば、ＮＯx吸蔵還元触媒から効率良くＮＯxが分解放出されて還元浄化され、添加燃料が過不足なく消費されることになるため、ＮＯx吸蔵還元触媒と添加燃料との接触時間を十分にとるべく噴射時間を長くしても、ＮＯx吸蔵還元触媒に対し燃料添加が過剰となる事態が起こらず、ＮＯx吸蔵還元触媒の触媒床温度が上がり過ぎて触媒劣化を生じたり、余剰の燃料が車外へ漏出してしまうといった不具合が回避されることになる。

ここで、燃料加圧ポンプにより蓄圧手段に蓄えられる燃料の圧力を適宜に調整し得るように構成するにあたっては、例えば、蓄圧手段に蓄えられた燃料の圧力を検出する圧力センサと、前記蓄圧手段から圧力調整弁を介して燃料加圧ポンプの入側に燃料を還流する還流ラインと、前記圧力センサからの検出信号を入力し且つその検出値が目標圧力となるように前記還流ラインの圧力調整弁の開度を制御する制御装置とを備えると良いが、これらに替えて、蓄圧手段に蓄えられた燃料の圧力を検出する圧力センサと、該圧力センサからの検出信号を入力し且つその検出値が目標圧力となるように燃料加圧ポンプの回転数を制御する制御装置とを備えても良い。

また、以上に述べたように、蓄圧手段を用いて燃料の噴射圧を調整する以外に、ＮＯx吸蔵還元触媒より上流側の排気流路に設置されて燃料を噴射する複数本のインジェクタと、該各インジェクタへ燃料を圧送する燃料加圧ポンプとを備え、燃料噴射を実行するインジェクタの数を適宜に増減し得るように構成することも可能である。

即ち、燃料噴射を実行するインジェクタの数を適宜に増減すれば、実際に排気ガス中に噴射される燃料の噴射率（単位時間あたりの添加量）が任意に決まり、前述の蓄圧手段を用いて燃料の噴射圧を調整する場合と同様に、エンジンの様々な運転状態に応じて過不足のない最適な燃料添加が実現されることになる。

上記した本発明の排気浄化装置によれば、インジェクタから噴射される燃料の噴射率（単位時間あたりの添加量）を任意に決めることができるので、エンジンの様々な運転状態に応じて過不足のない最適な燃料添加を実現することができ、触媒劣化や余剰燃料の漏出といった不具合を招くことなく高いＮＯx低減率を得ることができるという優れた効果を奏し得る。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１〜図５は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１に示す如く、本形態例の排気浄化装置においては、ディーゼルエンジン１から排気マニホールド２を介して排出される排気ガス３が流通する排気管４（排気流路）の途中に、フロースルー方式のハニカム構造を有するＮＯx吸蔵還元触媒５がケーシング６に抱持されて装備されている。

そして、前記ケーシング６より上流側の排気管４には、燃料添加を実行するインジェクタ７が貫通設置され、該インジェクタ７と所要場所に設けた軽油タンク８との間が蓄圧タンク９（蓄圧手段）を介して軽油供給ライン１０により接続されており、該軽油供給ライン１０途中の軽油加圧ポンプ１１（燃料加圧ポンプ）の駆動により軽油タンク８内の軽油１２（還元剤としての燃料）が蓄圧タンク９に圧送されて高圧状態で蓄えられるようになっている。

この蓄圧タンク９には、該蓄圧タンク９に蓄えられた軽油１２の圧力を検出する圧力センサ１３が装備されており、該圧力センサ１３からの検出信号１３ａがエンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を兼ねた制御装置１４に入力されている。

また、前記軽油供給ライン１０には、前記蓄圧タンク９から圧力調整弁１５を介し軽油加圧ポンプ１１の入側へ軽油１２を還流する還流ライン１６が備えられており、該還流ライン１６の圧力調整弁１５の開度が前記制御装置１４から開度指令信号１５ａにより制御されるようになっている。

尚、前記インジェクタ７の開弁作動と前記軽油加圧ポンプ１１の駆動については、前記制御装置１４からの開弁指令信号７ａと駆動指令信号１１ａとにより制御されるようにしてある。

更に、前記ディーゼルエンジン１には、その機関回転数を検出する回転センサ１７が装備されており、該回転センサ１７からの回転数信号１７ａと、アクセルセンサ１８（アクセルペダルの踏み込み角度を検出するセンサ）からの負荷信号１８ａとが制御装置１４に入力されている。

一方、制御装置１４においては、前述した回転センサ１７からの回転数信号１７ａと、アクセルセンサ１８からの負荷信号１８ａとに基づいて、蓄圧タンク９の目標圧力が図２の制御マップから読み出されて決定されると共に、インジェクタ７による軽油１２の目標噴射時間が図３の制御マップから読み出されて決定されるようになっている。

ここで、図２の制御マップから読み出される目標圧力は、現在のディーゼルエンジン１の運転状態で軽油１２を添加した際に、空気過剰率（λ）が約０．８〜１．０に維持されるような軽油１２の噴射率（単位時間あたりの添加量）を実現するものであり、ディーゼルエンジン１の回転数と負荷（アクセル開度から換算される各シリンダへの燃料噴射量）が高まるのに従い目標圧力が高くなるようにしてある。

即ち、ディーゼルエンジン１の回転数と負荷（アクセル開度から換算される各シリンダへの燃料噴射量）が判れば、現在の排気ガス３中の残存Ｏ₂濃度が推定できるので、空気過剰率（λ）が約０．８〜１．０に維持されるような軽油１２の噴射率を実現するための目標圧力は、ディーゼルエンジン１の回転数と負荷から一義的に決めることが可能であり、ここで決められた目標圧力と前記蓄圧タンク９の圧力とが等しくなるように前記圧力調整弁１５の開度が開度指令信号１５ａにより制御されることになる。

また、図３の制御マップから読み出される目標噴射時間は、現在のディーゼルエンジン１の運転状態で軽油１２を添加した際に、触媒再生に必要なＮＯx吸蔵還元触媒５と添加燃料との接触時間を実現するものであり、ディーゼルエンジン１の回転数と負荷（アクセル開度から換算される各シリンダへの燃料噴射量）が高まるのに従い目標噴射時間が長くなるようにしてある。

即ち、ディーゼルエンジン１の回転数と負荷（アクセル開度から換算される各シリンダへの燃料噴射量）が判れば、現在の排気ガス３の流量が推定できるので、触媒再生に必要なＮＯx吸蔵還元触媒５と添加燃料との接触時間を実現するための目標噴射時間は、ディーゼルエンジン１の回転数と負荷から一義的に決めることが可能であり、ここで決められた目標噴射時間でインジェクタ７の開弁作動が開弁指令信号７ａにより制御されることになる。

尚、図１中における１９はターボチャージャ、２０は吸気管、２１はインタークーラを示す。

而して、このように排気浄化装置を構成すれば、回転センサ１７及びアクセルセンサ１８からの回転数信号１７ａ及び負荷信号１８ａに基づき蓄圧タンク９の目標圧力とインジェクタ７による軽油１２の目標噴射時間が制御装置１４で決定され、該制御装置１４からの開度指令信号１５ａにより圧力調整弁１５の開度が制御されて蓄圧タンク９の圧力が目標圧力となり、前記制御装置１４からの開弁指令信号７ａによりインジェクタ７の開弁作動が制御されて目標噴射時間での軽油１２の添加が実行されることになる。

この結果、ディーゼルエンジン１の運転状態に応じ燃料添加時の空気過剰率（λ）が約０．８〜１．０に維持されるように軽油１２の噴射率が決まり、更には、ディーゼルエンジン１の運転状態（排気ガスの流量）に応じてＮＯx吸蔵還元触媒５と添加燃料との接触時間が十分にとれるように噴射時間が決まるので、ディーゼルエンジン１の様々な運転状態に応じて過不足のない最適な燃料添加が実現されることになる。

即ち、燃料添加時の空気過剰率（λ）を約０．８〜１．０に維持できれば、ＮＯx吸蔵還元触媒５から効率良くＮＯxが分解放出されて還元浄化され、添加した軽油１２が過不足なく消費されることになるため、ＮＯx吸蔵還元触媒５と添加燃料との接触時間を十分にとるべく噴射時間を長くしても、ＮＯx吸蔵還元触媒５に対し燃料添加が過剰となる事態が起こらず、ＮＯx吸蔵還元触媒５の触媒床温度が上がり過ぎて触媒劣化を生じたり、余剰の燃料が車外へ漏出してしまうといった不具合が回避されることになる。

従って、上記形態例によれば、インジェクタ７から噴射される軽油１２の噴射率を任意に決めることができるので、ディーゼルエンジン１の様々な運転状態に応じて過不足のない最適な燃料添加を実現することができ、触媒劣化や余剰燃料の漏出といった不具合を招くことなく高いＮＯx低減率を得ることができる。

事実、本発明者等が行った実験結果によれば、図４のグラフに示す如く、本形態例で燃料添加を実行した場合に、その添加時の空気過剰率（λ）を約０．８程度に抑えて十分な持続時間を確保でき、その結果として触媒出口のＮＯx濃度も十分に低減できたのに対し、従来の如き燃料添加を一定の噴射圧で行っていた場合の比較例では、燃料添加時の空気過剰率（λ）を約０．４以下にまで必要以上に低下してしまう上に、過剰な燃料添加を回避するべく噴射時間が短く制限されるためにごく短い不十分な持続時間しか適切な還元性雰囲気を維持できず、その結果として触媒出口のＮＯx濃度も十分に低減できなかった。

また、図５に別のグラフで示す通り、本形態例で約７９％もの高いＮＯx低減率が得られたのに対し、図４と同じ比較例では、約５３％のＮＯx低減率しか得られないという結果も得られた。

図６は本発明の別の形態例を示すもので、先に説明した図１の形態例における還流ライン１６を不要として、その替わりに軽油加圧ポンプ１１を回転数制御により単位時間当たりの吐出量を変更できるものとし、圧力センサ１３で検出される蓄圧タンク９の圧力が目標圧力となるように制御装置１４からの駆動指令信号１１ａで前記軽油加圧ポンプ１１の回転数を制御するようにしている。

而して、このようにした場合にも、蓄圧タンク９に蓄えられる軽油１２の圧力を目標圧力に調整し、この圧力を噴射圧としてインジェクタ７から噴射される軽油１２の噴射率を任意に決めることができるので、ディーゼルエンジン１の様々な運転状態に応じて過不足のない最適な燃料添加を実現することができ、触媒劣化や余剰燃料の漏出といった不具合を招くことなく高いＮＯx低減率を得ることができる。

図７は本発明の更に別の形態例を示すもので、前述した如き蓄圧タンク９を用いて軽油１２の噴射圧を調整するのではなく、ＮＯx吸蔵還元触媒５より上流側の排気管４に複数本（図示する例では三本）のインジェクタ７を並設し、該各インジェクタ７に対し軽油加圧ポンプ１１により軽油タンク８から軽油１２を圧送するように構成し、燃料噴射を実行するインジェクタ７の数を制御装置１４からの開弁指令信号７ａ（図示では一つの信号線しか示していないが各インジェクタ７ごとに個別に信号出力されていることは勿論である）により適宜に増減し得るようにしてある。

即ち、ディーゼルエンジン１の回転数と負荷から把握される運転状態に応じ、燃料噴射を実行するインジェクタ７の数を適宜に増減すれば、実際に排気ガス３中に噴射される軽油１２の噴射率（単位時間あたりの添加量）を任意に決めることが可能となり、前述の蓄圧タンク９の圧力制御により軽油１２の噴射圧を調整する場合と同様に、ディーゼルエンジン１の様々な運転状態に応じて過不足のない最適な燃料添加を実現することができる。

尚、本発明の排気浄化装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、還元剤として添加される燃料には、一般的なディーゼルエンジン用燃料である軽油を用いる以外に、灯油等の異種燃料を用いても良いこと、また、複数のインジェクタを用いる場合には、二本又は四本以上のインジェクタを用いても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。 目標圧力の制御マップを示すグラフである。 目標噴射時間の制御マップを示すグラフである。 空気過剰率とＮＯx濃度について比較例と比較したグラフである。 ＮＯx低減率について比較例と比較したグラフである。 本発明の別の形態例を示す概略図である。 本発明の更に別の形態例を示す概略図である。

符号の説明

１ ディーゼルエンジン（エンジン）
４ 排気管（排気流路）
５ ＮＯx吸蔵還元触媒
７ インジェクタ
９ 蓄圧タンク（蓄圧手段）
１１ 軽油加圧ポンプ（燃料加圧ポンプ）
１２ 軽油（還元剤としての燃料）
１３ 圧力センサ
１３ａ 検出信号
１４ 制御装置
１５ 圧力調整弁
１５ａ 開度指令信号
１６ 還流ライン

Claims (4)

1. 排気流路の途中にＮＯx吸蔵還元触媒を装備し且つ該ＮＯx吸蔵還元触媒の上流側に還元剤として燃料を添加してＮＯxを還元浄化するように構成した排気浄化装置であって、ＮＯx吸蔵還元触媒より上流側の排気流路に設置されて燃料を噴射するインジェクタと、該インジェクタへ導く燃料を高圧化して蓄える蓄圧手段と、該蓄圧手段へ燃料を圧送する燃料加圧ポンプとを備え、該燃料加圧ポンプにより前記蓄圧手段に蓄えられる燃料の圧力を適宜に調整し得るように構成したことを特徴とする排気浄化装置。
2. 蓄圧手段に蓄えられた燃料の圧力を検出する圧力センサと、前記蓄圧手段から圧力調整弁を介して燃料加圧ポンプの入側に燃料を還流する還流ラインと、前記圧力センサからの検出信号を入力し且つその検出値が目標圧力となるように前記還流ラインの圧力調整弁の開度を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 蓄圧手段に蓄えられた燃料の圧力を検出する圧力センサと、該圧力センサからの検出信号を入力し且つその検出値が目標圧力となるように燃料加圧ポンプの回転数を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
4. 排気流路の途中にＮＯx吸蔵還元触媒を装備し且つ該ＮＯx吸蔵還元触媒の上流側に還元剤として燃料を添加してＮＯxを還元浄化するように構成した排気浄化装置であって、ＮＯx吸蔵還元触媒より上流側の排気流路に設置されて燃料を噴射する複数本のインジェクタと、該各インジェクタへ燃料を圧送する燃料加圧ポンプとを備え、燃料噴射を実行するインジェクタの数を適宜に増減し得るように構成したことを特徴とする排気浄化装置。

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