JP2006266192A - エンジンの排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯｘを低減するとともにその排気ガス中の微粒子も同時に捕集し得る比較的単純な構成のエンジンの排気ガス浄化装置を得る。
【解決手段】排気ガス浄化装置は、排気管１６に設けられた選択還元型触媒２４と、それに向けて尿素系液体３２を噴射可能な液体噴射ノズル２９とを備える。選択還元型触媒より排気ガス下流側の排気管にディーゼルパティキュレートフィルタ５１が設けられ、排気管に供給される炭化水素を増減可能に構成される。選択還元型触媒より排気ガス下流側であってフィルタより排気ガス上流側の排気管に第１酸化触媒５２が設けられる。液体噴射ノズル２９より排気ガス上流側の排気管１６に第２酸化触媒５３が更に設けられる。排気管１６に単一のコンバータ２７が設けられ、コンバータ２７に選択還元型触媒２４と第１酸化触媒５２とディーゼルパティキュレートフィルタ５１が収容される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれる窒素酸化物を低減するとともにその排気ガス中の微粒子も同時に捕集し得る排気ガス浄化装置に関するものである。

従来、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれる窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」という。）を低減させる排気ガス浄化装置として、ディーゼルエンジンの排気通路の途中に選択還元型触媒を設け、その選択還元型触媒より排気ガス上流側の排気管に、その選択還元型触媒に向けて尿素系液体を噴射可能な液体噴射ノズルを設けたディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。このディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置では、液体噴射ノズルから噴射された尿素系液体が排気ガスの熱により加熱されて加水分解し、アンモニアが生じる。そしてこのアンモニアは排気ガス中のＮＯｘを選択還元型触媒によって浄化する還元剤として機能し、大気に排出されるＮＯｘの量を低減できるようになっている。

一方、ディーゼルエンジンの排気ガス中には排気微粒子（以下、「パティキュレート」という。）も比較的多く含まれており、これらの大気放出を防止する必要もある。このパティキュレートの大気放出を防止するためにディーゼルエンジンの排気通路にパティキュレートフィルタを配置して排気ガス中のパティキュレートを捕集することが知られている。従って、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるＮＯｘを低減するとともにその排気ガス中に含まれるパティキュレートを捕集するには、ＮＯｘを低減するための上述した選択還元型触媒等とともにパティキュレートフィルタを別に排気通路に設けることが考えられる。
特開２００３−２３２２１８号公報（特許請求の範囲、図１）

しかし、パティキュレートフィルタでは、そこに捕集されたパティキュレートの量が増大すると、パティキュレートフィルタを通る排気の流路抵抗が増大してエンジンの排気抵抗を上昇させ、エンジン出力の低下や燃費の増大を生じさせる。これを防止するため、従来パティキュレートフィルタを排気通路に設けた場合には、そのパティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを定期的に燃焼させてパティキュレートフィルタの再生を行う電気ヒータやバーナ、及びそれらを駆動させるための動力装置等を更に備えることが必要とされ、これらを備える必要から排気ガス浄化装置が大型化してその単価が押し上げられる不具合があった。
本発明の目的は、ＮＯｘを低減するとともにその排気ガス中の微粒子も同時に捕集し得る比較的単純な構成のエンジンの排気ガス浄化装置を提供することを目的としている。

請求項１に係る発明は、図１に示すように、ディーゼルエンジン１１の排気管１６に設けられた選択還元型触媒２４と、選択還元型触媒２４より排気ガス上流側の排気管１６に設けられ選択還元型触媒２４に向けて尿素系液体３２を噴射可能な液体噴射ノズル２９とを備えたエンジンの排気ガス浄化装置の改良である。
その特徴ある構成は、選択還元型触媒２４より排気ガス下流側の排気管１６にディーゼルパティキュレートフィルタ５１が設けられ、ディーゼルエンジン１１から排気管１６に供給される炭化水素を増減可能に構成されたところにある。

この請求項1に記載されたエンジンの排気ガス浄化装置では、液体噴射ノズルから尿素系液体を噴射すると、その尿素系液体は加水分解してアンモニアが生じ、そのアンモニアは排気ガス中のＮＯｘを選択還元型触媒によって浄化する還元剤として機能し、大気に排出されるＮＯｘの量を低減する。一方、排気ガス中のパティキュレートは選択還元型触媒２４を通過してディーゼルパティキュレートフィルタ５１により捕集され、パティキュレートが外部に排出されることを有効に防止する。
一方、パティキュレートフィルタ５１に捕集されたパティキュレートの量が増大すると、ディーゼルエンジン１１から排気管１６に供給される炭化水素を増加させる。この炭化水素は選択還元型触媒２４で酸化され、排気ガスの温度を著しく上昇させる。この排気ガスの温度がパティキュレートの燃焼温度を超えるとパティキュレートフィルタ５１に捕集されたパティキュレートはその排気ガスの熱により燃焼し、これによりパティキュレートフィルタ５１は再生される。よって、従来パティキュレートフィルタを再生させるために必要とされた電気ヒータやバーナ、及びそれらを駆動させるための動力装置等が不要となり、その構造を比較的単純にすることができる。

請求項２に係る発明は、請求項1に係る発明であって、図２に示すように、選択還元型触媒２４より排気ガス下流側であってディーゼルパティキュレートフィルタ５１より排気ガス上流側の排気管１６に第１酸化触媒５２が設けられたことを特徴とする。
この請求項２に記載されたエンジンの排気ガス浄化装置では、排気管１６に供給された炭化水素であって選択還元型触媒２４を通過したものを第１酸化触媒５２において酸化させることができる。このため、排気ガスの温度を第１酸化触媒５２において更に上昇させることができ、パティキュレートフィルタ５１に捕集されたパティキュレートを効果的に燃焼させてパティキュレートフィルタ５１を有効に再生させることができる。

請求項３に係る発明は、請求項２に係る発明であって、液体噴射ノズル２９より排気ガス上流側の排気管１６に第２酸化触媒５３が更に設けられたことを特徴とする。
この請求項３に記載されたエンジンの排気ガス浄化装置では、第２酸化触媒５３において排気ガス中のＮＯxの大半を占めるＮＯを反応性の高いＮＯ₂とするとともに、その排気ガスの温度を高めることができる。これにより、その下流側に存在する選択還元型触媒２４におけるアンモニアとの反応性を高めることができる。

請求項４に係る発明は、請求項２又は３に係る発明であって、排気管１６に単一のコンバータ２７が設けられ、コンバータ２７に選択還元型触媒２４と第１酸化触媒５２とディーゼルパティキュレートフィルタ５１が収容されたことを特徴とする。
この請求項４に記載されたエンジンの排気ガス浄化装置では、単一のコンバータ２７に選択還元型触媒２４と第１酸化触媒５２とディーゼルパティキュレートフィルタ５１を収容することにより、更にその構造を単純化させることができる。

本発明のエンジンの排気ガス浄化装置では、選択還元型触媒より排気ガス下流側の排気管にディーゼルパティキュレートフィルタを設けたので、排気ガス中のパティキュレートをそのディーゼルパティキュレートフィルタにより捕集することができる。一方、ディーゼルエンジンから排気管に供給される炭化水素を増減可能に構成したので、炭化水素を増加させて選択還元型触媒で酸化させることにより、その排気ガスの温度を著しく上昇させることができる。この排気ガスの温度がパティキュレートの燃焼温度を超えるとパティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートはその排気ガスの熱により燃焼し、これによりパティキュレートフィルタを再生させることができる。よって、パティキュレートを燃焼させるために従来必要とされた電気ヒータやバーナ、及びそれらを駆動させるための動力装置等が不要となり、その構造を比較的単純にすることができる。

この場合、選択還元型触媒より排気ガス下流側であってディーゼルパティキュレートフィルタより排気ガス上流側の排気管に第１酸化触媒を設ければ、排気管に供給された炭化水素であって選択還元型触媒を通過したものをこの第１酸化触媒において酸化させることができ、排気ガスの温度を更に上昇させることができる。また、液体噴射ノズルより排気ガス上流側の排気管に第２酸化触媒を更に設ければ、第２酸化触媒において排気ガス中のＮＯxの大半を占めるＮＯを反応性の高いＮＯ₂とすることができ、その下流側に存在する選択還元型触媒におけるアンモニアとの反応性を高めるとともに、その排気ガスの温度を更に高めることができる。更に、排気管に設けられれた単一のコンバータに選択還元型触媒と第１酸化触媒とディーゼルパティキュレートフィルタを収容すれば、更にその構造を単純化させることができる。

次に本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、ディーゼルエンジン１１の吸気ポートには吸気マニホルド１２を介して吸気管１３が接続され、排気ポートには排気マニホルド１４を介して排気管１６が接続される。吸気管１３には、ターボ過給機１７のコンプレッサ１７ａと、ターボ過給機１７により圧縮された吸気を冷却するインタクーラ１８とがそれぞれ設けられ、排気管１６にはターボ過給機１７のタービン１７ｂが設けられる。図示しないがコンプレッサ１７ａの回転翼とタービン１７ｂの回転翼とはシャフトにより連結される。エンジン１１から排出される排気ガスのエネルギによりタービン１７ｂ及びシャフトを介してコンプレッサ１７ａが回転し、このコンプレッサ１７ａの回転により吸気管１３内の吸入空気が圧縮されるように構成される。

図示しないが、エンジン１１には燃料噴射装置が設けられる。この実施の形態における燃料噴射装置は先端部がシリンダに臨みシリンダに燃料である軽油を噴射可能な筒内インジェクタと、内部に軽油を蓄圧し上記インジェクタに軽油を圧送するコモンレールと、このコモンレールに軽油を供給するフィードポンプとを有する。筒内インジェクタはこのインジェクタに内蔵された電磁弁により軽油の噴射量及び噴射時期が調整可能に構成される。この燃料噴射装置は、ピストンの上死点の後に燃料である軽油をシリンダに噴射するポスト噴射が可能に構成され、このポスト噴射の有無により、エンジン１１から排気管１６に供給される炭化水素を増減可能に構成される。

排気管１６の途中には選択還元型触媒２４が設けられる。選択還元型触媒２４は排気管１６の直径を拡大した筒状のコンバータ２７に収容される。この実施の形態における選択還元型触媒２４は、排気管１６に流入する排気ガス中のＮＯｘを比較的低温で、例えば２００〜３００℃で還元するゼオライト系の触媒が用いられる。この選択還元型触媒２４の排気ガス上流側の排気管１６、即ち選択還元型触媒２４の入口には、液体噴射ノズル２９が選択還元型触媒２４に向けて設けられる。この液体噴射ノズル２９には液体供給管３１の一端が接続され、この液体供給管３１の他端は尿素系液体３２が貯留された液体タンク３３に接続される。また液体供給管３１には液体噴射ノズル２９への液体３２の供給量を調整する液体調整弁３４が設けられ、液体調整弁３４と液体タンク３３との間の液体供給管３１には液体タンク３３内の液体３２を液体噴射ノズル２９に供給可能なポンプ３６が設けられる。液体調整弁３４の第１ポート３４ａはポンプ３６の吐出口に接続され、第２ポート３４ｂは液体噴射ノズル２９に接続される。そして、液体調整弁３４がオンすると第１及び第２ポート３４ａ，３４ｂが所定の開度で連通し、オフすると第１及び第２ポート３４ａ，３４ｂの連通が遮断されるように構成される。

一方、液体噴射ノズル２９及び選択還元型触媒２４間の排気管１６、即ち選択還元型触媒２４の入口には排気管１６内の排気ガス温度を検出する温度センサ４３が設けられる。この温度センサ４３の検出出力はマイクロコンピュータからなるコントローラ４４の制御入力に接続される。その他コントローラ４４の制御入力には、エンジン１１の回転速度を検出する回転センサ４６と、エンジン１１の負荷を検出する負荷センサ４７の各検出出力が接続される。上記負荷センサ４７はこの実施の形態では燃料噴射ポンプ（図示せず）のロードレバーの変位量を検出する。コントローラ４４の制御出力は液体調整弁３４及びポンプ３６にそれぞれ接続される。コントローラ４４はメモリ４４ａを備える。メモリ４４ａには、選択還元型触媒２４の入口の排気ガス温度、エンジン回転、エンジン負荷等に応じた液体調整弁３４のオン又はオフ並びにオン時における開度、更にポンプ３６の作動の有無が予め記憶される。

また、選択還元型触媒２４より排気ガス下流側の排気管１６には多孔質セラミックから成るディーゼルパティキュレートフィルタ５１が設けられる。図示しないが、このパティキュレートフィルタ５１内には、上流側に栓が施された第１通路と下流側に栓が施された第２通路とが交互に配置されたハニカム状をなし、排気ガスは第２通路から多孔質セラミックの流路壁面を通過して第１通路に流入して下流側に流れるように構成される。そして、排気ガス中のパティキュレートは多孔質セラミックによって捕集され、パティキュレートの大気への放出を防止するように構成される。このディーゼルパティキュレートフィルタ５１は選択還元型触媒２４に隣接した状態で選択還元型触媒２４とともに前述した単一のコンバータ２７に収容される。

このように構成されたエンジンの排気ガスを浄化する装置の動作を説明する。
エンジン１１を始動すると、その排気ガスは排気マニホルド１４から排気管１６に至り、その排気管１６を介して選択還元型触媒２４に至る。排気ガスの温度が上昇して尿素が加水分解する温度であることを温度センサ４３の検出出力から判断したコントローラ４４は液体調整弁３４をオンして液体調整弁３４における第１及び第２ポート３４ａ，３４ｂを連通させ、液体噴射ノズル２９から尿素系液体３２を噴射する。これは、排気ガス中のＮＯｘを選択還元型触媒２４によって浄化するのに還元剤が必要だからであり、尿素系液体３２は予め所定の濃度に調整されたものが液体タンク３３に貯留される。コントローラ４４は回転センサ４６及び負荷センサ４７の各検出出力に基づいて求められるディーゼルエンジン１１の運転状態から排気ガス中のＮＯｘ濃度を推定し、このＮＯｘを浄化するのに必要な還元剤としての尿素量を求める。そして、コントローラ４４は、求められた還元剤として必要な尿素量から具体的な尿素系液体３２の噴射量を決定し、液体調整弁３４をオンして噴射ノズル２９から最適な量の尿素系液体３２を噴射する。

噴射された尿素系液体は、排気ガスによって加熱されて次のような化学反応により加水分解しアンモニアを生じる。
（ＮＨ₂）２・ＣＯ ＋ Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂ ＋ ２ＮＨ₃
このアンモニアが選択還元型選択還元型触媒２４に流入すると、次のような化学反応によりＮＯ、ＮＯ₂は還元されてＮＯｘの排出量を低減する。
６ＮＯ ＋ ４ＮＨ₃ → ５Ｎ₂ ＋ ６Ｈ₂Ｏ
６ＮＯ₂ ＋ ８ＮＨ₃ → ７Ｎ₂ ＋ １２Ｈ₂Ｏ
一方、ディーゼルエンジンの排気ガス中にはパティキュレートも比較的多く含まれており、このパティキュレートは選択還元型触媒２４を通過し、選択還元型触媒２４の下流側に設けられたディーゼルパティキュレートフィルタ５１に達し、このディーゼルパティキュレートフィルタ５１により捕集される。このパティキュレートフィルタ５１では、そこに捕集されたパティキュレートの量が増大すると、パティキュレートフィルタ５１を通る排気の流路抵抗が増大するため、コントローラ４４は捕集されたパティキュレートを定期的に燃焼させてパティキュレートフィルタ５１を再生させる。

このパティキュレートフィルタ５１の再生は、図示しない燃料噴射装置により燃料のポスト噴射を行わせる。このポスト噴射により排ガス温度が上昇するとともに、炭化水素を増加させてエンジン１１から排ガスとともに排気管１６に供給させる。排気ガス中に炭化水素が増加すると、その増加した炭化水素はパティキュレートフィルタ５１より上流側の選択還元型触媒２４上で酸化反応し、その反応熱により排気ガスの温度を著しく上昇させる。この排気ガスの温度が上昇してパティキュレートが燃焼可能な温度、例えば６００℃を越えると、パティキュレートフィルタ５１に捕集されたパティキュレートはその排気ガスの熱により燃焼し、これによりパティキュレートフィルタ５１は再生する。このため、従来パティキュレートフィルタ５１を再生させるために必要とされた電気ヒータやバーナ、及びそれらを駆動させるための動力装置等が不要となり、その構造は従来よりも単純する。また、還元剤として使用されない過剰のアンモニアはパティキュレートフィルタ５１により酸化し、大気中に排出されるのを有効に防止することができる。

図２は、本発明の別に実施の形態を示す。この図２において図１と同一の符号は同一の部品を示し、繰り返しての説明を省略する。
この別の実施の形態の特徴ある構成は、図２に詳しく示すように、第１及び第２酸化触媒５２，５３が設けられたところにある。第１酸化触媒５２は、選択還元型触媒２４より排気ガス下流側であってそのディーゼルパティキュレートフィルタ５１より排気ガス上流側の排気管１６に設けられる。この第１酸化触媒５２は、この実施の形態ではモノリス触媒であり、アルミナ製のハニカム担体にＰｔを担持して構成される。これらの選択還元型触媒２４と第１酸化触媒５２とディーゼルパティキュレートフィルタ５１は隣接した状態で前述した単一のコンバータ２７に収容される。
一方、第２酸化触媒５３は、液体噴射ノズル２９より排気ガス上流側の排気管１６に設けられる。この第２酸化触媒５３は第１酸化触媒５２と同一のものが用いられ、液体噴射ノズル２９より排気ガス上流側の排気管１６の直径を拡大した筒部５４に収容される。

このように構成されたエンジンの排気ガスを浄化する装置の動作を説明する。
エンジン１１を始動すると、その排気ガスは排気マニホルド１４から排気管１６に至り、その排気管１６を介して第２酸化触媒５３に至る。この第２酸化触媒５３において排気ガス中のＮＯxの大半を占めるＮＯが反応性の高いＮＯ₂となり、その下流側に存在する選択還元型触媒２４におけるアンモニアとの反応性を高めるととも、その排気ガスの温度を上昇させる。
一方、ディーゼルエンジンの排気ガス中にはパティキュレートも比較的多く含まれており、このパティキュレートは第２酸化触媒５３、選択還元型触媒２４及び第１酸化触媒５２をそれぞれ通過し、第１酸化触媒５２の下流側に設けられたディーゼルパティキュレートフィルタ５１に達し、このディーゼルパティキュレートフィルタ５１により捕集される。このパティキュレートフィルタ５１では、そこに捕集されたパティキュレートの量が増大すると、パティキュレートフィルタ５１を通る排気の流路抵抗が増大するため、コントローラ４４は捕集されたパティキュレートを定期的に燃焼させてパティキュレートフィルタ５１を再生させる。

このパティキュレートフィルタ５１の再生は、図示しない燃料噴射装置によりエンジン筒内に燃料のポスト噴射を行わせる。このポスト噴射により排ガス温度が上昇するとともに、炭化水素をエンジン１１から排ガスとともに排気管１６に供給させる。排気ガス中に炭化水素が増加すると、その増加した炭化水素はパティキュレートフィルタ５１より上流側の選択還元型触媒２４において及びその選択還元型触媒２４を通過したものは第１酸化触媒５２において酸化反応し、その反応熱により排気ガスの温度を著しく上昇させる。この排気ガスの温度が上昇してパティキュレートが燃焼可能な温度、例えば６００℃を越えると、パティキュレートフィルタ５１に捕集されたパティキュレートはその排気ガスの熱により燃焼し、これによりパティキュレートフィルタ５１は再生する。
なお、この実施の形態では、エンジンとしてターボ過給機付ディーゼルエンジンを挙げたが、自然吸気型ディーゼルエンジンに本発明の排気ガスを浄化する装置を用いてもよい。

本発明の実施形態の排気ガス浄化装置の構成を示す構成図である。 本発明の別の実施形態の排気ガス浄化装置の構成を示す構成図である。

符号の説明

１１ ディーゼルエンジン
１６ 排気管
２４ 選択還元型触媒
２７ コンバータ
２９ 液体噴射ノズル
３２ 尿素系液体
５１ ディーゼルパティキュレートフィルタ
５２ 第１酸化触媒
５３ 第２酸化触媒

Claims (4)

1. ディーゼルエンジン(11)の排気管(16)に設けられた選択還元型触媒(24)と、前記選択還元型触媒(24)より排気ガス上流側の前記排気管(16)に設けられ前記選択還元型触媒(24)に向けて尿素系液体(32)を噴射可能な液体噴射ノズル(29)とを備えたエンジンの排気ガス浄化装置において、
   前記選択還元型触媒(24)より排気ガス下流側の前記排気管(16)にディーゼルパティキュレートフィルタ(51)が設けられ、
   前記ディーゼルエンジン(11)から前記排気管(16)に供給される炭化水素を増減可能に構成された
   ことを特徴とするエンジンの排気ガス浄化装置。
2. 前記選択還元型触媒(24)より排気ガス下流側であって前記ディーゼルパティキュレートフィルタ(51)より排気ガス上流側の前記排気管(16)に第１酸化触媒(52)が設けられた請求項１記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
3. 液体噴射ノズル(29)より排気ガス上流側の排気管(16)に第２酸化触媒(53)が更に設けられた請求項２記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
4. 排気管(16)に単一のコンバータ(27)が設けられ、前記コンバータ(27)に選択還元型触媒(24)と第１酸化触媒(52)とディーゼルパティキュレートフィルタ(51)が収容された請求項２又は３記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
   

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