JP2006037768A

JP2006037768A - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP2006037768A
Application number: JP2004215764A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Hosoya; 満細谷
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2004-07-23
Filing date: 2004-07-23
Publication date: 2006-02-09

Abstract

【課題】比較的低い温度領域から高い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】排気管４の途中に並列に装備された一対のＮＯx吸蔵還元触媒５と、該各ＮＯx吸蔵還元触媒５の何れか一方に排気ガス３を振り分ける排気切替バルブ８（第一の排気切替手段）と、これより上流側で排気ガス３の一部を抜き出して前記各ＮＯx吸蔵還元触媒５の入側に導くバイパス管１３と、該バイパス管１３の途中に装備されて軽油２０（燃料）をＨ₂とＣＯに分解する改質触媒１４と、該改質触媒１４の入側に還元剤として軽油２０を添加する燃料添加手段２１と、前記バイパス管１３により前記改質触媒１４を通して導いた排気ガス３を前記各ＮＯx吸蔵還元触媒５の何れか一方に振り分ける開閉バルブ２５（第二の排気切替手段）とにより排気浄化装置を構成する。
【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吸蔵還元触媒が知られている。

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吸蔵還元触媒の上流側で排気ガス中に燃料（ＨＣ）を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、このようにＮＯx吸蔵還元触媒の上流側で燃料添加を行う方式では、その添加燃料が蒸発して生じたＨＣの一部がＮＯx吸蔵還元触媒の表面上で排気ガス中のＯ₂と反応（燃焼）し、ＮＯx吸蔵還元触媒の周囲の雰囲気中におけるＯ₂濃度がほぼ零となってからＮＯxの分解放出が開始されることになるため、ＮＯx吸蔵還元触媒の表面上でＨＣがＯ₂と反応（燃焼）するのに必要な燃焼温度（約２２０〜２５０℃）が得られない運転条件下（例えば渋滞の多い都市内での徐行運転等）では、ＮＯx吸蔵還元触媒からＮＯxを効率良く分解放出させることができず、ＮＯx吸蔵還元触媒の再生が効率良く進まないことで触媒の容積中に占めるＮＯx吸蔵サイトの回復割合が小さくなって吸蔵能力が落ちるという問題があった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、比較的低い温度領域から高い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、排気管の途中に並列に装備された一対のＮＯx吸蔵還元触媒と、該各ＮＯx吸蔵還元触媒の何れか一方に排気ガスを振り分ける第一の排気切替手段と、該第一の排気切替手段より上流側で排気ガスの一部を抜き出して前記各ＮＯx吸蔵還元触媒の入側に導くバイパス管と、該バイパス管の途中に装備されて燃料をＨ₂とＣＯに分解する改質触媒と、該改質触媒の入側に還元剤として燃料を添加する燃料添加手段と、前記バイパス管により前記改質触媒を通して導いた排気ガスを前記各ＮＯx吸蔵還元触媒の何れか一方に振り分ける第二の排気切替手段とを備えたことを特徴とする排気浄化装置、に係るものである。

而して、エンジンからの排気ガスの流れを第一の排気切替手段により一方のＮＯx吸蔵還元触媒に振り分けると共に、バイパス管により改質触媒を通して導いた排気ガスを第二の排気切替手段により他方のＮＯx吸蔵還元触媒に振り分け、前記燃料添加手段により改質触媒の入側に燃料を還元剤として添加すると、該燃料が改質触媒にて燃料と共存するＯ₂と反応して雰囲気温度を上げ且つＯ₂が消費された後に燃料中のＨＣがＨ₂とＣＯに分解されて他方のＮＯx吸蔵還元触媒に導入されるので、その導入段階から雰囲気中のＯ₂濃度がほぼ零となってＮＯxの分解放出が直ちに開始され、そのままＮＯx吸蔵還元触媒の表面上で反応性の高いＨ₂及びＣＯにより従来のＨＣの燃焼温度より低い温度からＮＯxが効率良くＮ₂に還元処理される。

この際、燃料添加手段による燃料の添加は、バイパス管により導かれる比較的少ない流量の排気ガスに対して行われるだけなので、従来より少ない添加量でも排気ガス中の空気過剰率が効果的に低下することになり、必要最小限の燃料の添加により効率良くＮＯx吸蔵還元触媒の再生が図られる。

そして、このように一方のＮＯx吸蔵還元触媒でＮＯxの吸蔵を行わせている間に他方のＮＯx吸蔵還元触媒を再生するようにすれば、常にＮＯx吸蔵還元触媒の一方を使用可能な状態として連続的にＮＯxの低減化を図りながら一対のＮＯx吸蔵還元触媒を片方ずつ交互に再生することが可能となる。

更に、本発明においては、ターボチャージャのタービンを迂回するようにバイパス管が設けられていることが好ましく、このようにすれば、還元剤として添加した燃料が改質触媒にてＨ₂とＣＯに分解される際に生じた熱で排気ガスが昇温しても、その昇温した排気ガスがタービンを迂回して一方のＮＯx吸蔵還元触媒に導入されるので、タービンの異常回転が未然に回避されてトルク変動が防止されることになり、しかも、このようにした場合には、タービンで仕事をする前のエンジンから排出されたばかりの比較的温度の高い排気ガスがバイパス管に抜き出されるので、排気ガスの持つ熱が有効に活用されて改質触媒での燃料の分解反応が最大限に促進されることになる。

上記した本発明の排気浄化装置によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

（Ｉ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、還元剤として添加した燃料を改質触媒にてＨ₂とＣＯに分解させ、これらの反応性の高いＨ₂及びＣＯにより比較的低い温度領域から必要最小限の燃料添加で効率良く各ＮＯx吸蔵還元触媒の再生を交互に図ることができるので、例えば渋滞の多い都市内での徐行運転等のように低負荷で排気温度が低い運転状態が継続され易い運転条件下であっても、車外に排出される排気ガス中に含まれるＮＯxを従来より効果的に低減することができ、ＮＯx吸蔵還元触媒を用いた排気浄化装置の実用性を大幅に向上することができる。

（ＩＩ）本発明の請求項２に記載の発明によれば、還元剤として添加した燃料が改質触媒にてＨ₂とＣＯに分解される際に生じた熱で排気ガスが昇温しても、その昇温した排気ガスをタービンを迂回させて一方のＮＯx吸蔵還元触媒に導入することができるので、タービンの異常回転を未然に回避し得てトルク変動を確実に防止することができ、しかも、エンジンから排出されたばかりの高温の排気ガスの熱を有効に利用することで改質触媒での燃料の分解反応を最大限に促進させることができるので、燃料から効率良くＨ₂及びＣＯを生成することができる。

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及び図２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の途中に、フロースルー方式のハニカム構造を有する一対のＮＯx吸蔵還元触媒５がケーシング６に抱持されて並列に装備されており、このケーシング６の内部空間の前半部分は、前記各ＮＯx吸蔵還元触媒５に個別に排気ガス３を流し得るよう仕切板７により二分割されている。

また、前記ケーシング６の入口部分には、排気ガス３の流れを前記各ＮＯx吸蔵還元触媒５の何れか一方に振り分ける排気切替バルブ８（第一の排気切替手段）が回動自在に設けられており、この排気切替バルブ８は、ケーシング６の外部に配置したアクチュエータ９によりレバー及びリンク機構を介し駆動されるようになっている。

また、ここに図示している例では、前記各ＮＯx吸蔵還元触媒５の後段に酸化触媒を一体的に担持したパティキュレートフィルタ１０が配置されており、各ＮＯx吸蔵還元触媒５を経た排気ガス３が通されて該排気ガス３中のパティキュレートが捕集されるようにしてある。

更に、前記排気切替バルブ８により排気ガス３の流れを振り分けられる各ＮＯx吸蔵還元触媒５の入側に対し、ターボチャージャ１１のタービン１２より上流の排気マニホールド２の出口部から排気ガス３の一部を抜き出して導くバイパス管１３が途中で分岐した上で接続されるようにしてあり、このバイパス管１３の分岐位置より上流の適宜位置には、軽油をＨ₂とＣＯに分解する改質触媒１４が装備されている。

ここで、この種の改質触媒１４には、例えばアルミナやシリカ等の酸化物又はゼオライト等の複合酸化物を担体として、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ等を活性金属として担持させたものを用いれば良い。

更に、前記バイパス管１３における改質触媒１４の入側に噴射ノズル１５が貫通設置され、該噴射ノズル１５と所要場所に設けた軽油タンク１６との間が軽油供給管１７により接続されており、該軽油供給管１７の途中に装備した供給ポンプ１８の駆動と軽油噴射弁１９の開作動とにより軽油タンク１６内の軽油２０（還元剤としての燃料）を前記噴射ノズル１５を介し改質触媒１４の入側に添加し得るようにしてあり、これら噴射ノズル１５、軽油タンク１６、軽油供給管１７、供給ポンプ１８、軽油噴射弁１９により燃料添加手段２１が構成されている。

そして、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置２４において、ディーゼルエンジン１の機関回転数を検出する回転センサ２２からの回転数信号２２ａと、アクセルセンサ２３（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２３ａとから判断される現在の運転状態に基づき軽油２０の適切な添加量と噴射タイミングが決定され、この適切な添加量と噴射タイミングでの軽油２０の添加が実行されるように前記制御装置２４から供給ポンプ１８への駆動指令信号１８ａと軽油噴射弁１９への開弁指令信号１９ａとが出力されるようになっている。

また、前記バイパス管１３の分岐された各流路には、前記改質触媒１４を通して導いた排気ガス３を前記各ＮＯx吸蔵還元触媒５の何れか一方に振り分け得るよう開閉バルブ２５（第二の排気切替手段）が夫々装備されており、これら開閉バルブ２５は、前記制御装置２４からのアクチュエータ９に向けた切替指令信号９ａにより切り替わる排気切替バルブ８と連動し、該排気切替バルブ８によりディーゼルエンジン１からの排気ガス３が堰き止められた側のＮＯx吸蔵還元触媒５へ改質触媒１４を経た排気ガス３を導き得るように開閉指令信号２５ａにより開閉制御されるようになっている。

尚、図１中における２６はバイパス管１３の上流側に装備された流量調整バルブ、２７は吸気管、２８はインタークーラを夫々示している。

而して、ディーゼルエンジン１からの排気ガス３の流れを排気切替バルブ８により一方のＮＯx吸蔵還元触媒５に振り分けると共に、バイパス管１３により改質触媒１４を通して導いた排気ガス３を開閉バルブ２５により他方のＮＯx吸蔵還元触媒５に振り分け、前記燃料添加手段２１により改質触媒１４の入側に軽油２０を還元剤として添加すると、該軽油２０が改質触媒１４にて軽油２０と共存するＯ₂と反応して雰囲気温度を上げ且つＯ₂が消費された後に軽油２０中のＨＣがＨ₂とＣＯに分解されて他方のＮＯx吸蔵還元触媒５に導入されるので、その導入段階から雰囲気中のＯ₂濃度がほぼ零となってＮＯxの分解放出が直ちに開始され、そのままＮＯx吸蔵還元触媒５の表面上で反応性の高いＨ₂及びＣＯにより従来のＨＣの燃焼温度より低い温度からＮＯxが効率良くＮ₂に還元処理される。

この際、燃料添加手段２１による軽油２０の添加は、バイパス管１３により導かれる比較的少ない流量の排気ガス３に対して行われるだけなので、従来より少ない添加量でも排気ガス３中の空気過剰率が効果的に低下することになり、必要最小限の軽油２０の添加により効率良くＮＯx吸蔵還元触媒５の再生が図られる。

そして、このように一方のＮＯx吸蔵還元触媒５でＮＯxの吸蔵を行わせている間に他方のＮＯx吸蔵還元触媒５を再生するようにすれば、常にＮＯx吸蔵還元触媒５の一方を使用可能な状態として連続的にＮＯxの低減化を図りながら一対のＮＯx吸蔵還元触媒５を片方ずつ交互に再生することが可能となる。

更に、特に本形態例においては、ターボチャージャ１１のタービン１２を迂回するようにバイパス管１３が設けられているので、還元剤として添加した軽油２０が改質触媒１４にてＨ₂とＣＯに分解される際に生じた熱で排気ガス３が昇温しても、その昇温した排気ガス３がタービン１２を迂回して一方のＮＯx吸蔵還元触媒５に導入されるので、タービン１２の異常回転が未然に回避されてトルク変動が防止されることになり、しかも、このようにした場合には、タービン１２で仕事をする前のディーゼルエンジン１から排出されたばかりの比較的温度の高い排気ガス３がバイパス管１３に抜き出されるので、排気ガス３の持つ熱が有効に活用されて改質触媒１４での軽油２０の分解反応が最大限に促進されることになる。

従って、上記形態例によれば、還元剤として添加した軽油２０を改質触媒１４にてＨ₂とＣＯに分解させ、これらの反応性の高いＨ₂及びＣＯにより比較的低い温度領域から必要最小限の軽油２０の添加で効率良く各ＮＯx吸蔵還元触媒５の再生を交互に図ることができるので、例えば渋滞の多い都市内での徐行運転等のように低負荷で排気温度が低い運転状態が継続され易い運転条件下であっても、車外に排出される排気ガス３中に含まれるＮＯxを従来より効果的に低減することができ、ＮＯx吸蔵還元触媒５を用いた排気浄化装置の実用性を大幅に向上することができる。

事実、本発明者が行った実験結果によれば、図２のグラフに示す如く、軽油２０から生成されたＨＣをそのままＮＯx吸蔵還元触媒５上で反応させたケースＡと、軽油２０から生成されたＨＣをＨ₂とＣＯに分解させてＮＯx吸蔵還元触媒５上で反応させたケースＢとを比較したところ、ケースＡよりもケースＢの方が低い温度領域から高いＮＯx低減率を得られることが確認された。尚、図２のグラフにおける縦軸はＮＯx低減率を、横軸は排気温度を夫々示している。

また、還元剤として添加した軽油２０が改質触媒１４にてＨ₂とＣＯに分解される際に生じた熱で排気ガス３が昇温しても、その昇温した排気ガス３をタービン１２を迂回させて一方のＮＯx吸蔵還元触媒５に導入することができるので、タービン１２の異常回転を未然に回避し得てトルク変動を確実に防止することができ、しかも、エンジンから排出されたばかりの高温の排気ガス３の熱を有効に利用することで改質触媒１４での軽油２０の分解反応を最大限に促進させることができるので、軽油２０から効率良くＨ₂及びＣＯを生成することができる。

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、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。ＮＯx低減率と触媒温度との関係を比較例と共に示すグラフである。

符号の説明

１ディーゼルエンジン（エンジン）
３排気ガス
４排気管
５ＮＯx吸蔵還元触媒
８排気切替バルブ（第一の排気切替手段）
１１ターボチャージャ
１２タービン
１３バイパス管
１４改質触媒
２０軽油（燃料）
２１燃料添加手段
２４制御装置
２５開閉バルブ（第二の排気切替手段）

Claims

排気管の途中に並列に装備された一対のＮＯx吸蔵還元触媒と、該各ＮＯx吸蔵還元触媒の何れか一方に排気ガスを振り分ける第一の排気切替手段と、該第一の排気切替手段より上流側で排気ガスの一部を抜き出して前記各ＮＯx吸蔵還元触媒の入側に導くバイパス管と、該バイパス管の途中に装備されて燃料をＨ₂とＣＯに分解する改質触媒と、該改質触媒の入側に還元剤として燃料を添加する燃料添加手段と、前記バイパス管により前記改質触媒を通して導いた排気ガスを前記各ＮＯx吸蔵還元触媒の何れか一方に振り分ける第二の排気切替手段とを備えたことを特徴とする排気浄化装置。
ターボチャージャのタービンを迂回するようにバイパス管が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。