JP2007051924A

JP2007051924A - 排ガスのＮＨ３及びＮＯｘの計測装置

Info

Publication number: JP2007051924A
Application number: JP2005237091A
Authority: JP
Inventors: Noboru Uchida; 登内田
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2005-08-18
Filing date: 2005-08-18
Publication date: 2007-03-01

Abstract

【課題】比較的単純な構成で、排ガスのＮＨ₃及びＮＯｘの濃度を比較的正確に計測する。
【解決手段】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に向けて噴射した尿素系液体３２が加水分解して生じたＮＨ₃により排ガス中のＮＯｘを浄化する排ガス浄化装置に設けられ、排気管１６を通過する排ガスのＮＨ₃及びＮＯｘを同時に計測する。排気管１６に設けられ安定化ジルコニアを固体電解質としてＮＯｘの濃度とＮＨ₃の濃度の双方の和を出力するＮＯｘセンサ５１と、そのＮＯｘセンサ５１の検出出力から所定の周波数以上の値で示されるＮＯｘの濃度を減衰させて所定の周波数未満の値で示されるＮＨ₃の濃度を出力するローパスフィルタ５２と、ＮＯｘセンサ５１の検出出力からローパスフィルタ５２の出力を減じて所定の周波数以上の値で示されるＮＯｘの濃度を出力する演算器５３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの排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ガス中の微粒子も同時に捕集し得る排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ガスの熱により加熱されて加水分解し、アンモニア（ＮＨ₃）が生じる。そしてこのアンモニア（ＮＨ₃）は排ガス中の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、このような排ガス浄化装置には、ＮＯｘが浄化されていることを確認するとともに、その濃度をフィードバックさせて最適な浄化状態を維持するために、排ガス中のＮＯｘの濃度を測定するＮＯｘセンサが設けられる。そして、従来から用いられているＮＯｘセンサとしては、安定化ジルコニアを固体電解質とするＮＯｘセンサが知られている。このＮＯｘセンサでは、安定化ジルコニアからなる固体電解質の積層構造体からなり、排ガス中のＮＯｘをＯ₂とＮ₂に分解してそのＯ₂分圧を検出し、これにより排ガス中のＮＯｘ濃度を検出するようになっている。
特開２００３−２３２２１８号公報（特許請求の範囲、図１）

しかし、選択還元型触媒を排気管に設けた排ガス浄化装置にあっては、還元剤として機能するアンモニアであるＮＨ₃が排ガス中に存在し得る。このＮＨ₃はセンサの安定化ジルコニアからなる固体電解質において酸化されてＮＯに変わることから、安定化ジルコニアを固体電解質とするＮＯｘセンサの検出出力は、排ガス中のＮＯｘの濃度とＮＨ₃の濃度の双方の和として出力されることが知られている。このため選択還元型触媒を排気管に設けた排ガス浄化装置に安定化ジルコニアを固体電解質とするＮＯｘセンサを設けても、正確なＮＯｘの濃度を検出することができない不具合があった。
この点を解消するためには、ＮＯｘセンサとは別にそのＮＯｘセンサの上流側に酸化触媒を設け、その酸化触媒において排ガス中のＮＨ₃を酸化させ、そのＮＨ₃がセンサの固体電解質において酸化されることを防止する必要がある。しかし、ＮＯｘセンサとは別に酸化触媒を設けることは、新たな触媒を追加する必要から排ガス浄化装置が大型化するとともに、部品点数と取付け作業工数がそれぞれ増加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、比較的単純な構成であって、排ガスのＮＨ₃及びＮＯｘの濃度を比較的正確に計測し得る排ガスのＮＨ₃及びＮＯｘの計測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に向けて噴射した尿素系液体３２が加水分解して生じたＮＨ₃により排ガス中のＮＯｘを浄化する排ガス浄化装置に設けられ、排気管１６を通過する排ガスのＮＨ₃及びＮＯｘを同時に計測する装置である。
その特徴ある構成は、排気管１６に設けられ安定化ジルコニアを固体電解質としてＮＯｘの濃度とＮＨ₃の濃度の双方の和を出力するＮＯｘセンサ５１と、そのＮＯｘセンサ５１の検出出力から所定の周波数以上の値で示されるＮＯｘの濃度を減衰させて所定の周波数未満の値で示されるＮＨ₃の濃度を出力するローパスフィルタ５２と、ＮＯｘセンサ５１の検出出力からローパスフィルタ５２の出力を減じて所定の周波数以上の値で示されるＮＯｘの濃度を出力する演算器５３とを備えたところにある。

この請求項１に記載された排ガスのＮＨ₃及びＮＯｘの計測装置では、ＮＯｘセンサ５１が安定化ジルコニアを固体電解質とするものであり、排ガス中のＮＯｘの濃度とＮＨ₃の濃度の双方の和を検出して出力する。ここで、ＮＯｘの濃度はエンジン１１の運転状態に応じて常に変動し、ＮＯｘセンサ５１が検出する排ガス中のＮＯｘの濃度は、比較的高い周波数として検出される。これに対して、ＮＨ₃がＮＯｘセンサ５１においてＮＯに変わる酸化反応は比較的緩やかであり、排ガス中のＮＨ₃の濃度は比較的低い周波数として検出される。そして、この計測装置におけるローパスフィルタ５２は、ＮＯｘセンサ５１の検出出力から所定の周波数以上の値で示されるＮＯｘの濃度を減衰して、所定の周波数未満の値で示されるＮＨ₃の濃度を出力する。更に、演算器５３は、ＮＯｘセンサ５１の検出出力からローパスフィルタ５２の出力を減じるので、所定の周波数以上の値で示されるＮＯｘの濃度を比較的正確に出力する。また、この計測装置では、排気管１６にＮＨ₃を酸化させるような触媒を不要にするため、その構造を比較的単純にすることができる。

本発明の排ガスのＮＨ₃及びＮＯｘの計測装置では、排気管に設けられ安定化ジルコニアを固体電解質として用いるＮＯｘセンサを備えるので、ＮＯｘの濃度とＮＨ₃の濃度の双方の和をそのＮＯｘセンサにおいて出力させることができる。また、そのＮＯｘセンサの検出出力から所定の周波数以上の値で示されるＮＯｘの濃度を減衰させるローパスフィルタを備えるので、所定の周波数未満の値で示されるＮＨ₃の濃度をそのローパスフィルタから出力させることができる。更に、ＮＯｘセンサの検出出力からローパスフィルタの出力を減じる演算器を備えるので、所定の周波数以上の値で示されるＮＯｘの濃度をその演算器から出力させることができる。これにより、排気管にＮＨ₃を酸化させるような従来必要とされた触媒等が不要になり、その構造を比較的単純にすることができ、排ガスのＮＨ₃及びＮＯｘの濃度を比較的正確に計測することができる。

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。

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、このエンジン１１にはマイクロコンピュータからなるコントローラ４４が設けられる。このコントローラ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アクセルペダル４７ａの踏み込み量を検出するように構成される。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、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。

このように選択還元型触媒２４が設けられた排ガス浄化装置には、排気管１６を通過する排ガスのＮＨ₃及びＮＯｘを同時に計測する装置５０が設けられる。このＮＨ₃及びＮＯｘの計測装置５０は、排気管１６に設けられ安定化ジルコニアを固体電解質としてＮＯｘの濃度とＮＨ₃の濃度の双方の和を出力するＮＯｘセンサ５１と、そのＮＯｘセンサ５１の検出出力から所定の周波数以上の値を減衰させて所定の周波数未満の値を出力するローパスフィルタ５２と、ＮＯｘセンサ５１の検出出力からローパスフィルタ５２の検出出力を減じて所定の周波数以上の値を出力する演算器５３とを備える。ここで、所定の周波数とは、ＮＯｘセンサ５１の感度にもよるが、１．０〜２．５Ｈｚの範囲にあることが好ましく、１．５〜２．０Ｈｚの範囲にあることが更に好ましい。

このように構成されたエンジンの排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。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
このアンモニアであるＮＨ₃が選択還元型触媒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
アンモニアであるＮＨ₃が還元剤として機能し、選択還元型触媒２４においてＮＯ、ＮＯ₂が還元されてＮＯｘが低減した排ガスは、選択還元型触媒２４より下流側の排気管１６を通過して大気の放出される。

一方、この排ガス浄化装置に設けられたＮＨ₃及びＮＯｘの計測装置５０は、選択還元型触媒２４より下流側の排気管１６を通過する排ガスのＮＨ₃及びＮＯｘを同時に計測する。この計測装置５０におけるＮＯｘセンサ５１は安定化ジルコニアを固体電解質とするものであり、排ガス中のＮＯｘをＯ₂とＮ₂に分解してそのＯ₂分圧を検出し、これにより排ガス中のＮＯｘ濃度を検出するようになっている。ここで、排ガス浄化装置は選択還元型触媒２４を排気管１６に設けているため、還元剤として機能するＮＨ₃が排ガス中に存在すると、このＮＨ₃はＮＯｘセンサ５１の安定化ジルコニアからなる固体電解質において酸化されてＮＯに変わり、このＮＨ₃が酸化することにより生じたＮＯも排ガス中のＮＯｘとして検出してしまうことから、このＮＯｘセンサ５１の検出出力は、排ガス中のＮＯｘの濃度とＮＨ₃の濃度の双方の和として出力される。

即ち、エンジン１１から排出された排ガス中に存在するＮＯｘの濃度はエンジン１１の運転状態に応じて常に変動し、ＮＯｘセンサ５１が検出する排ガス中のＮＯｘの濃度は、例えば２．５〜１０Ｈｚの範囲内に示されるような比較的高い周波数として検出される。これに対して、ＮＨ₃がＮＯｘセンサ５１の安定化ジルコニアからなる固体電解質においてＮＯに変わる酸化反応は比較的緩やかであり、ＮＯｘセンサ５１の検出出力において、排ガス中のＮＨ₃の濃度は、例えば０．１〜１．０Ｈｚの範囲内に示されるような比較的低い周波数として検出される。従って、このＮＯｘセンサ５１の検出出力は、図２に示すように、排ガス中のＮＯｘの濃度とＮＨ₃の濃度の双方の和として出力される。
また、この計測装置５０におけるローパスフィルタ５２は、ＮＯｘセンサ５１の検出出力から所定の周波数以上の値を減衰させて所定の周波数未満の値を出力するものである。してみると、このローパスフィルタ５２の出力は、ＮＯｘセンサ５１の検出出力から所定の周波数以上の値で示されるＮＯｘの濃度が減衰されたものであるので、図３に示すように、所定の周波数未満の値で示されるＮＨ₃の濃度が出力される。

また、この計測装置５０における演算器５３は、ＮＯｘセンサ５１の検出出力からローパスフィルタ５２の出力を減じるように構成される。ここで、ＮＯｘセンサ５１の検出出力は排ガス中のＮＯｘの濃度とＮＨ₃の濃度の双方の和として出力され、ローパスフィルタ５２の出力はＮＨ₃の濃度である。してみると、この演算器５３からは、図４に示すように、所定の周波数以上の値で示されるＮＯｘの濃度が出力される。従って、本発明の計測装置５０では、排気管１６にＮＨ₃を酸化させるような従来必要とされた触媒等が不要になり、その構造が比較的単純にすることができるとともに、排ガスのＮＨ₃及びＮＯｘの濃度を比較的正確に計測することができる。そして、この演算器５３から出力されるＮＯｘの濃度はコントローラ４４に入力され、排ガス中のＮＯｘが浄化されていることをそのコントローラ４４において確認するとともに、その濃度をフィードバックさせて最適な浄化状態が維持される。
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ガスのＮＨ₃及びＮＯｘの計測装置を含む排ガス浄化装置の構成を示す構成図である。その計測装置におけるＮＯｘセンサの検出出力信号波形を示す図である。その計測装置におけるローパスフィルタの出力信号波形を示す図である。その計測装置における演算器の出力信号波形を示す図である。

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
３２尿素系液体
５０計測装置
５１ＮＯｘセンサ
５２ローパスフィルタ
５３演算器

Claims

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)に向けて噴射した尿素系液体(32)が加水分解して生じたＮＨ₃により排ガス中のＮＯｘを浄化する排ガス浄化装置に設けられ、前記排気管(16)を通過する排ガスのＮＨ₃及びＮＯｘを同時に計測する装置であって、
前記排気管(16)に設けられ安定化ジルコニアを固体電解質としてＮＯｘの濃度とＮＨ₃の濃度の双方の和を出力するＮＯｘセンサ(51)と、
前記ＮＯｘセンサ(51)の検出出力から所定の周波数以上の値で示されるＮＯｘの濃度を減衰させて前記所定の周波数未満の値で示されるＮＨ₃の濃度を出力するローパスフィルタ(52)と、
前記ＮＯｘセンサ(51)の検出出力から前記ローパスフィルタ(52)の出力を減じて前記所定の周波数以上の値で示されるＮＯｘの濃度を出力する演算器(53)と
を備えたことを特徴とする排ガスのＮＨ₃及びＮＯｘの計測装置。