JP3571660B2 - 内燃機関の還元剤供給装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯｘを浄化する排気浄化装置において使用する還元剤に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
酸素過剰の雰囲気で、還元剤により排気ガス中の有害なＮＯｘを還元または分解する選択還元型ＮＯｘ触媒は、リーン空燃比で燃焼可能な内燃機関（例えばディーゼルエンジンやリーンバーンガソリンエンジン）から排出される排気ガス中のＮＯｘを浄化する排気浄化装置として多用されている。
【０００３】
このような選択還元型ＮＯｘ触媒では還元剤として尿素等、アンモニア由来の還元剤を使用することが可能である。この場合は、排気ガスに還元剤を添加した後、これを下流の脱硝触媒と接触させてＮＯｘを還元し、浄化する。例えば、固体尿素を還元剤として用いたものとしては、特開平７−３２３２１６号公報に記載の還元剤供給装置がある。
【０００４】
この特開平７−３２３２１６号公報に記載の還元剤供給装置は、脱硝装置の上流側の排ガス通路に燃焼触媒層を設置し、燃焼装置起動時に該燃焼触媒層上流に燃料を噴霧して燃焼させ、該脱硝装置温度が所定の温度に到達した時点で燃料の供給を停止し、固体または液体状の還元剤物質を該燃焼触媒層上流に供給するものである。この装置では、粉体の還元剤としてメラミン、尿素 シアヌル酸等を用いることが示されている。
【０００５】
この還元剤の粉体を燃焼触媒層に噴霧することによって、還元剤を気化させて、排ガス中のＮＯｘとの間で脱硝反応が行われ、排ガス中のＮＯｘが窒素に変化することになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記の特開平７−３２３２１６号公報に記載の排ガスの脱硝装置では、固体還元剤等を貯蔵タンクに貯蔵して使用するのであるが、固体尿素を還元剤として使用する場合には、これを単独で用いようとすると、これが保管時に水分を吸収することで固まってしまうので搬送性が悪く、また添加の際に添加量を制御することが困難になる。
【０００７】
一方、特開２０００−２７６２６号公報に記載の還元剤供給装置にように、固体尿素の貯蔵タンクと、この貯蔵タンクの内部上面に固定されたバネ部材と、バネ部材の下方先端部に固定された粉砕機構とからなる粉砕手段が配置されたものがある。これは還元剤である固体尿素の貯蔵装置への供給に際して、ガイド部材により上下方向に摺動可能に案内された粉砕機構が、車両振動によってバネ部材を介して上下に振動して、尿素の塊を貯蔵装置内の全体に亘り粉砕する。
【０００８】
しかし、この装置では還元剤を排出させるためにバネ部材と粉砕機構等を必要とし、貯蔵タンク内の構造が複雑化する問題がある。
【０００９】
また排気通路にＮＨ３をＮＯに変換する触媒装置が存在する場合、かかる触媒の上流に固体尿素等の還元剤を添加すると、この触媒装置を通過することで還元剤が酸化されてしまう。すると固体尿素等の還元剤が、下流の脱硝触媒において排気中のＮＯｘの還元、浄化するために作用しなくなる。よって排気通路における触媒装置の配置の相違によって、還元剤の添加位置をそれぞれ決定する必要がある。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてされたものであり、還元剤供給装置の構造を複雑にすることなく、保存時や搬送時に互いに固着することがない固体還元剤を効率的に供給するための還元剤供給装置を提供することを技術的課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、固体還元剤を脱硝触媒へ供給するための内燃機関の還元剤供給装置であって、前記固体還元剤はアンモニア由来の固体還元剤物質と非水溶性液体との混合剤から構成され、前記固体還元剤を内燃機関の排気通路に設置した脱硝触媒の上流に添加することを特徴とする。ここで脱硝触媒とは、ＮＯｘとアンモニア（ＮＨ３）が反応して、ＮＯｘが窒素（Ｎ２）に変化することを促進するもので、例えば、チタニア担持モリブデン酸化物及びパナジウム酸化物触媒等である。
【００１２】
このように、内燃機関の排気通路に脱硝触媒のみを備える場合には、内燃機関と脱硝触媒との間の排気通路内に前記固体還元剤を添加する。すると排気中のＮＯｘとの間で脱硝反応が生じて、ＮＯｘが無害の窒素に変化する。
【００１３】
一方、内燃機関と脱硝触媒との間の排気通路にＮＨ３をＮＯに変換する触媒を備える場合には、前記触媒と脱硝触媒との間に前記固体還元剤を添加する。このようにすれば、固体還元剤が前記触媒によって酸化されることなく、下流の脱硝触媒において排気中のＮＯｘとの間で脱硝反応が生じる。
【００１４】
ＮＨ３をＮＯに変換する前記触媒は、排気通路の前段に設置されるもので、酸化触媒、三元触媒、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒、選択還元型触媒、ＤＰＲ、ＤＰＮＲ、吸着触媒等である。
【００１５】
前記の酸化触媒とは、排ガス中のＨＣ、ＣＯを酸化して、これらをＨ２Ｏ及びＣＯ２に変化させるためのものであり、三元触媒とは、これらの機能の他に理論空燃比にするとＮＯｘの還元を同時に行うことができ、排ガス中の有害ガス三成分を無害なＣＯ２、Ｈ２Ｏ、Ｎ２に清浄化するものである。
【００１６】
吸蔵還元型ＮＯｘ触媒とは、流入排気の空燃比がリーンのときにはＮＯｘを吸収し、流入排気の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯｘを放出し、Ｎ２に還元する触媒である。
【００１７】
選択還元型ＮＯｘ触媒とは、酸素過剰の雰囲気でＨＣの存在下でＮＯｘを還元または分解する触媒である。
【００１８】
ＤＰＲ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｒｅａｃｔｏｒ）またはＤＰＮＲ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ＮＯｘ Ｒｅａｃｔｏｒ）は、活性酸素放出剤をパティキュレートフィルター上に担持し、このフィルタ上に付着したパティキュラーマターを酸化させるものである。同時に流入排気の空燃比がリーン空燃比のときにはＮＯｘを吸収し、流入排気の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯｘを放出し、これをＮ２に還元するものである。
【００１９】
ここでアンモニア由来の固体還元剤物質とは、例えば尿素、ビウレット、カルバミン酸アンモニウムを挙げることができる。
【００２０】
前記固体還元剤物質の形態は粉体、または球状とすることができる。その大きさは、これを用いるシステム、調量装置等に適した大きさで３．０ｍｍ以下が適当である。
【００２１】
また非水溶性液体としては、鉱物油、植物油等を広く用いることができる。鉱物油としては、軽油、灯油、ケロシン、ガソリン、シリコン油、また植物油としては菜種油、椰子の実油、ユーカリ油等が例示でき、これらのうちの少なくとも一つを非水溶性液として用いることができる。これらは可能な限り二以上を混合して使用することもできる。
【００２２】
また非水溶性液体としては、その液体中に浸した固体還元剤物質が溶出せず、また固体還元剤物質を添加すべき触媒に対して悪影響がないものであれば特に限定されるものではない。内燃機関の排ガスの浄化に使用する触媒の還元剤として使用する場合は、その内燃機関の駆動油、例えばガソリン、軽油などが取り扱い上において好適なことは勿論である。
【００２３】
前記混合剤の温度は、固体還元剤物質が溶融しない範囲の温度とすることが好ましい。これは添加制御を実施し易くし、固体還元剤物質のみを効率的に添加することが望ましいためである。具体的には、貯蔵時または搬送時には非水溶性液体の沸点以下、または固体還元剤物質が溶融しない温度以下のうち、いずれか低い温度以下とする。例えば、固体還元剤として尿素を使用し、非水溶性液体として軽油を用いた場合は、軽油の沸点が２５０℃から３５０℃であり、他方、固体尿素の溶融温度の１３０℃程度であるので、後者の温度以下とする。
【００２４】
前記非水溶性液体の比重は、前記固体還元剤物質の比重よりも軽くすることが好適である。その理由は、固定還元剤が非水溶性液体の表面に浮くように偏って存在することなく、固体還元剤物質が非水溶性液体中に分散していることが固着防止上、または使用上において望ましいからである。
【００２５】
また固体還元剤貯蔵部に貯蔵された固体状の還元剤は、固体還元剤搬送手段により溶融還元剤貯蔵部に導かれて加熱液化され、液化した還元剤は溶融還元剤供給手段によって選択還元型ＮＯｘ触媒よりも上流の排気通路に供給される。
【００２６】
本発明における内燃機関は、筒内直接噴射式のリーンバーンガソリンエンジンやディーゼルエンジンを例示することができる。
【００２７】
前記脱硝触媒としては、ゼオライトにＣｕ等の遷移金属をイオン交換して担持した触媒、ゼオライトまたはアルミナに貴金属を担持した触媒等が例示できる。
【００２８】
固体還元剤は、例えばエンジンコントロール用電子制御ユニット（ＥＣＵ）により作動が制御され、所定量ずつを排気ガス路中に噴射するインジェクタ等の供給量制御手段によって供給することができる。
【００２９】
なお、固体還元剤は供給時に液化または気化させる必要はなく、例えば粉体のまま供給することが可能である。
【００３０】
また、内燃機関と脱硝触媒との間の排気通路に、前述のＮＨ３をＮＯに変換する触媒を備える場合には、前記触媒と脱硝触媒との間に前記固体還元剤を添加する。
【００３１】
以上のように本発明では、固体還元剤が非水溶性液体との混合状態で保存されるので、固体還元剤が空気中の水分を吸収することがなく、固体還元剤どうしの固着が防止される。また非水溶性液体の存在により固体還元剤の流動性が確保できるので添加が容易になる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る還元剤の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、この実施の形態は、本発明を内燃機関としての車両駆動用ディーゼルエンジン用の固体還元剤としたものである。
【００３３】
図１は、アンモニア由来の還元剤物質として固体尿素１を使用した例を示す。この固体尿素１は粉末状で、粒径約５μｍとしてある。これは収納容器１２内において非水溶性液体である軽油２との混合体として保存される。
【００３４】
非水溶性液体としては、固体尿素１の比重（約１．２）よりも小さい比重のものを使用することが好ましく、ここでは比重の小さい軽油２を使用している。よって固体尿素１は軽油２の表面に浮かぶことなく、軽油２中に散在するので、全体に均一な尿素１と軽油２の混合体が形成される。
【００３５】
なお、アンモニア由来の還元剤物質としては、固体尿素の他、ビウレット、カルバミン酸アンモニウム等を使用できるが、これらと組み合わせる非水溶性液体の比重は、これらの還元剤物質よりも軽いものを選択することが好ましい。
【００３６】
次に、このような還元剤を使用する排気浄化装置の例について、図２及図３を参照して説明する。ディーゼルエンジン５０の各気筒の燃焼室５１にはピストン６が設けられ、この燃焼室２内には、エアクリーナ３を経て吸気管４から空気が導入されるようになっている。また各燃焼室５１には燃料噴射弁５から燃料が噴射され、これはリーン空燃比で燃焼する。
【００３７】
各燃焼室５１から排出された排気ガスは、排気管７、ＮＯｘ触媒コンバータ８、及び排気管９を通って大気中に排気される。ＮＯｘ触媒コンバータ８には、還元剤の存在下で、排気ガス中のＮＯｘを還元または分解するゼオライト・シリカ系の選択還元型ＮＯｘ触媒１０が収容されている。
【００３８】
この選択還元型ＮＯｘ触媒１０により排気ガス中のＮＯｘを浄化するには、これに用いる還元剤の存在が必要である。そのためこの排気浄化装置には、ＮＯｘ触媒コンバータ８よりも上流の排気管７内に還元剤を添加する還元剤添加装置１１が、排気管７に近接して設けられている。
【００３９】
この還元剤添加装置１１は、還元剤として固体尿素１と軽油２の流動体である混合体を排気管７内に供給するものである。この装置は、固体還元剤貯蔵部であって固体尿素１を収容する収納容器１２と、この収納容器１２の下部に連結された還元剤貯蔵部である尿素収納室１３と、この尿素収納室１３の下部に設けた添加制御弁１４と、からなる。
【００４０】
収納容器１２は、上部に還元剤投入口１２ａを有し、この投入口１２ａは蓋１２ｂによって開閉可能になっており、図２に示すように、その底面１２ｃは傾斜面になっている。底面１２ｃの最低部には排出口１２ｄが形成され、これは連通路１２ｅを介して尿素収納室１３に連通している。
【００４１】
図２では、収納容器１２に収容されている固体尿素１は、軽油２と共に混合体を形成し、この固体尿素１は軽油２との混合体で流動性があるので、排出口１２ｄから尿素収納室１３に向かって流下する。
【００４２】
この液体尿素は、図３に示す添加制御弁１４により流量制御されて排気管７内に添加される。添加制御弁１４は先端がニードルバルブ１４ａとなっており、軸方向に軸状の弁体１４ｃが貫通した供給路１４ｄに尿素収納室１３からの連通路１２ｃが接続され、弁体１４ｃは往復動可能なように支持体１４ｅにより案内されている。この添加制御弁１４の後端には、貫通した弁体１４ｃの後部に装着したストッパ１４ｆが設けられ、これは添加制御弁１４の本体の後端面に係止している。このストッパ１４ｆの後方にはソレノイド３７が配置されており、これが励磁するとストッパ１４ｆを後方に引き寄せるようになっている。
【００４３】
また弁体１４ｃの支持体１４ｅの外周面には、供給された液体尿素が漏出しないようにシール１４ｂが設けられている。
【００４４】
この添加制御弁１４は、その開閉時間をＥＣＵ１６によってデューティ比制御され、これによって液体尿素の流量や添加タイミングが制御されるので、ＥＣＵ１６からの命令によってソレノイド３７が通電によって励磁し、ストッパ１４ｆが後方に移動し、弁体１４ｃがこれに伴って後方に移動して先端のニードルバルブ１４ａが開くと、開弁中の所定時間にわたって所定量の尿素が排気通路内に添加される。
【００４５】
ソレノイド３７への通電が停止すると、ストッパ１４ｆはスプリング３８により原位置に戻されてニードルバルブ１４ａが閉じられ、尿素の添加が終了する。
【００４６】
なお、この添加制御弁１４と尿素収納室１３の間には、尿素を加圧してこれを調圧部に送るポンプ（図示せず）と、調圧部において尿素を一定圧力に加圧するプレッシャレギュレータ３９を備えている。
【００４７】
前記尿素収納室１３に備えられた電気ヒータ等の加熱源は、尿素収納室１３内において固体尿素１が液化するのに最適な温度（約１６０〜２３０℃）となるように、ＥＣＵ１６によってその作動が制御される。これは固体尿素１を前記最適温度以上の高温に加熱すると、固体尿素１がガス化してしまう虞があるからである。
【００４８】
また、収納容器１２には固体尿素１と軽油２の混合体の残量を検出する残量センサ１７が設けられており、残量センサ１７は検出した混合体の残量に比例した出力信号をＥＣＵ１６に出力する。ＥＣＵ１６は、残量センサ１７から所定の残量値（以下、これを警報残量値と称す）を示す入力信号を入力したときに、メータパネル２２の警報ランプ２３を点灯し、尿素１の残量が少なくなったことを知らせる。
【００４９】
ＥＣＵ１６は、残量センサ１７から警報残量値よりもさらに少ない下限値を示す入力信号を入力したときに、還元剤添加装置１１の稼動を停止し、添加制御弁１４を全閉にして、尿素の添加を停止する。
【００５０】
尿素収納室１３には尿素の液温を検出する温度センサ１８が設けられており、温度センサ１８は検出した尿素の液温に比例した出力信号をＥＣＵ１６に出力する。
【００５１】
一方、ＮＯｘ触媒コンバータ８より上流の排気管７には、ＮＯｘ触媒コンバータ８に流入する排気ガスの温度を検出する触媒入ガス温センサ１９が設けられており、検出した触媒入ガス温度に比例した出力信号をＥＣＵ１６に出力する。
【００５２】
前記触媒入ガス温センサ１９より上流の排気管７には、ＮＯｘセンサ２１が設けられ排気ガス中のＮＯｘ量を計測する。
【００５３】
また前記触媒入ガス温センサ１９より下流の排気管７には、アンモニアガスセンサ３６が設置され、計測されたアンモニアガス量に比例した出力信号をＥＣＵ１６に出力する。該センサ３６は、アンモニアリークを抑制するために使用するもので、センサ出力値をフィードバックして制御することにより、アンモニアリークを感知し、尿素の添加量を調整して、リークを抑制する。
【００５４】
またＥＣＵ１６はデジタルコンピュータからなり、双方向バスによって相互に接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＣＰＵ（セントラルプロセッサユニット）、入出力ポート、出力ポートを具備し、エンジン１の燃料噴射量制御等の基本制御を行うほか、この実施の形態では、液体尿素の添加量制御を行っている。
【００５５】
これらの制御のために、ＥＣＵ１６の入力ポートには、エアフロメータ２０からの入力信号がＡ／Ｄコンバータを介して入力される。エアフロメータ２０は吸気量に比例した出力信号をＥＣＵ１６に出力し、ＥＣＵ１６はエアフロメータ２０の出力信号に基づいて吸気量を演算する。
【００５６】
前記ＮＯｘセンサ２１は、ＮＯｘ触媒コンバータ８より上流の排気管７に設置されているので、ＮＯｘ触媒コンバータ８に流入するＮＯｘ量を検出することができ、検出したＮＯｘ濃度に比例した出力信号をＥＣＵ１６に出力する。ＥＣＵ１６は、このＮＯｘセンサで検出したＮＯｘ濃度と、エアフロメータ２０で検出した吸気量からＮＯｘ排出量を演算する。
【００５７】
ＥＣＵ１６は、上記のＮＯｘ排出量を基にＮＯｘを浄化するのに必要な尿素の目標添加量を演算し、この目標添加量に対応する流量が得られる添加制御弁１４のデューティ比を演算し、添加制御弁１４をデューティ比制御する。
【００５８】
なお、添加制御弁１４を流れる尿素の流量は、添加制御弁１６のデューティ比が同じであっても尿素の温度や添加制御弁１４の出口側の背圧が異なると変化するので、添加制御弁１４をデューティ比制御する際に、ＥＣＵ１６は、温度センサ１８により検出した液体尿素の液温と、入りガス圧センサ１９により検出したガス圧力に基づいて、目標デューティ比の補正を行う。
【００５９】
次に、この内燃機関の排気浄化装置の作用を説明する。前述したように、ＥＣＵ１６は、エンジン１の運転状態に応じて、即ちＮＯｘ排出量に応じて、添加制御弁１４のデューティ比制御を行い、排気管７内に適正量の尿素を添加する。排気管７内に添加された尿素は排気ガスによって加熱される結果、直ちに気化して還元ガス（アンモニアガス）となり、排気ガスと共にＮＯｘ触媒コンバータ８に流入する。
【００６０】
還元ガスは、選択還元型ＮＯｘ触媒１０上において排気ガスに含まれるＮＯｘを還元あるいは分解する。浄化された排気ガスは排気管９を通って大気中に放出される。
【００６１】
なお、この選択還元型ＮＯｘ触媒１０は排気ガス温がある所定の温度以下のときにはＮＯｘ浄化率が低く、排気ガス温が前記所定温度を越えると急激にＮＯｘ浄化率が高くなる性質がある。そのため、排気ガス温が低いときに還元ガスを添加しても、その添加された還元ガスはＮＯｘの還元反応に利用されないままＮＯｘコンバータ８を素通りし、大気に放出されてしまう。
【００６２】
そこで、この実施の形態では、入りガス温センサ１９で検出した入りガス温度が前記所定温度以下のときには、ＥＣＵ１６が添加制御弁１４を全閉に制御し、これにより液体尿素の添加を停止して、還元ガスのリークを未然に防止するようにしている。
【００６３】
なお、上述した実施の形態では、ＮＯｘ触媒コンバータ８の上流側の排気管７に、排気ガスのＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサを設け、このＮＯｘセンサで検出したＮＯｘ濃度とエアフロメータ２０で検出した吸気量から、ＮＯｘ排出量を演算するようにしているが、これに代えて次のような方法を採用していもよい。
【００６４】
すなわち、エンジン負荷とエンジン回転数に基づいてエンジン１から排出されるＮＯｘ量との関係を求めて予めマップ化し、このＮＯｘ排出量マップをＥＣＵ１６に記憶しておく。ＥＣＵ１６は、このＮＯｘ排出量マップを参照し、エンジン負荷とエンジン回転速度に基づいてエンジン１から排出されるるＮＯｘ排出量を推定算出する。この場合、ＥＣＵ１６の入力ポートには、図示しないアクセル開度センサからの入力信号と、クランク角センサからの入力信号が入力されるようにする。このアクセル開度センサはアクセル開度に比例した出力電圧をＥＣＵ１６に出力し、ＥＣＵ１６はアクセル開度センサからの出力信号に基づいて機関負荷を演算する。クランク角センサはエンジン１のクランクシャフトが一定角度回転する毎に出力パルスをＥＣＵ１６に出力し、ＥＣＵ１６はこの出力パルスに基づいて機関回転速度を演算することができる。
【００６５】
還元剤の供給は、固体還元剤と非水溶性液体との混合状態のまま行うことができる。この場合は制御対象が気体ではなく液体であるため、添加制御弁１４により高精度の流量制御が十分可能である。
（実施例２）
図４は内燃機関から排出される排ガスの排気通路に、前段触媒が設置され、その下流に脱硝酸触媒が配置されている例を示している。前段触媒とは、一般には、脱硝触媒の上流に位置し、脱硝触媒の活性温度よりも低い温度でＨＣ、ＣＯを酸化することができるものである。
【００６６】
このような触媒は脱硝触媒をより早く活性化する作用も有し、排気路の上流に設置されているため、仮に、尿素である還元剤をこの酸化触媒等よりも上流に添加すると、ＮＨ３が酸化触媒等を通過する際に酸化されこれがＮＯに変化することになる。
【００６７】
したがって所期のＮＯｘ浄化が達成されないことになるので、この実施例のように触媒が配置されている場合は、前段触媒と脱硝触媒の間に還元剤を添加する。
（実施例３）
図５は内燃機関から排出される排ガスの排気通路に、ＤＰＲまたはＤＰＮＲが設置されている例を示している。ＤＰＲまたはＤＰＮＲは、活性酸素放出剤をパティキュレートフィルター上に担持し、このフィルタ上に付着したパティキュラーマターを酸化させるものである。同時に流入排気の空燃比がリーン空燃比のときにはＮＯｘを吸収し、流入排気の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯｘを放出し、これをＮ２に還元するものである。
【００６８】
仮に、尿素である還元剤をこの酸化触媒等よりも上流に添加すると、ＮＨ３が酸化触媒等を通過する際に酸化されこれがＮＯに変化することになる。
【００６９】
したがって所期のＮＯｘ浄化が達成されないことになるので、この実施例のように触媒が配置されている場合は、前段触媒と脱硝触媒の間に還元剤を添加する。
（実施例４）
図６は内燃機関から排出される排ガスの排気通路に、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が設置され、その下流に脱硝酸触媒が配置されている例を示している。吸蔵還元型ＮＯｘ触媒とは、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を担体とし、この担体上に例えばカリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃｓ）のようなアルカリ金属と、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、のようなアルカリ土類と、ランタン（Ｌａ）イットリウム（Ｙ）のような希土類との中から選ばれた少なくとも１つと、白金（Ｐｔ）のような貴金属とを坦持してなる。これは、流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときは排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸蔵し、流入排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときは吸蔵していた窒素酸化物（ＮＯｘ）を放出しつつ還元及び浄化する。
【００７０】
このような吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が排気路の上流に設置されているため、仮に尿素である還元剤をこの触媒等よりも上流に添加すると、ＮＨ３が上記触媒等を通過する際に酸化される場合があり、これがＮＯに変化することになる。
【００７１】
したがって所期のＮＯｘ浄化が達成されないので、この実施例のように触媒が配置されている場合は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と脱硝触媒の間に還元剤を添加する。
（実施例５）
図７は内燃機関から排出される排ガスの排気通路に、酸化触媒が設置され、その下流に脱硝酸触媒が配置されている例を示している。酸化触媒とは、排ガス中のＣＯ、ＨＣを酸化させ、これを無害な二酸化炭素及び水蒸気とするものである。
【００７２】
このような酸化触媒が排気路の上流に設置されているため、仮に尿素である還元剤をこの酸化触媒等よりも上流に添加すると、ＮＨ３が上記触媒等を通過する際に酸化され、これがＮＯに変化することになる。
【００７３】
したがって所期のＮＯｘ浄化が達成されないことになるので、この実施例のように触媒が配置されている場合は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と脱硝触媒の間に還元剤を添加する。
（実施例６）
図８は内燃機関から排出される排ガスの排気通路に、三元触媒が設置され、その下流に脱硝酸触媒が配置されている例を示している。三元触媒とは、排ガス中のＣＯ、ＨＣの酸化と、ＮＯｘの還元を同時に行う触媒であり、これらを二酸化炭素、水蒸気及び窒素に変化させて、排気浄化をするものである。
【００７４】
このような三元触媒が排気路の上流に設置されているため、仮に尿素である還元剤をこの酸化触媒等よりも上流に添加すると、ＮＨ３が上記触媒等を通過する際に酸化され、これがＮＯに変化することになる。
【００７５】
したがって所期のＮＯｘ浄化が達成されないことになるので、この実施例のように触媒が配置されている場合は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と脱硝触媒の間に還元剤を添加する。
（実施例７）
図９は内燃機関から排出される排ガスの排気通路に、酸化触媒とその後段にあるＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）が設置され、さらにその下流に脱硝酸触媒が配置されている例を示している。この場合、酸化触媒をＤＰＦに担持したものとすることが可能である。このようにすればＤＰＦ内での還元剤と酸素の反応が活発化し、ＤＰＦの床温度が早期に上昇して、Ｐａｔｉｃｕｌａｔｅ ｍａｔｔｅｒの燃焼が促進される。
【００７６】
しかし、このような酸化触媒の上流において、仮に尿素である還元剤を添加すると、ＮＨ３が上記触媒等を通過する際に酸化され、これがＮＯに変化することになる。
【００７７】
したがって所期のＮＯｘ浄化が達成されないことになるので、この実施例のようにな触媒が配置されている場合は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と脱硝触媒の間に還元剤を添加する。
（実施例８）
図１０は内燃機関から排出される排ガスの排気通路に、ＨＣ、ＮＯｘの吸着触媒が設置され、その下流に脱硝酸触媒が配置されている例を示している。ＨＣ、ＮＯｘの吸着触媒は、少なくともその後段の脱硝触媒が活性化するまでの間、排ガス中のＨＣ、ＮＯｘが脱硝触媒をすり抜け大気中に放出されないように、これらを吸着しておくものである。
【００７８】
この吸着触媒をＮＨ３が通過すると、これをＮＯに変化させることになるので、期のＮＯｘ浄化が達成されないことになるので、この実施例のようにな触媒が配置されている場合は、吸着触媒と脱硝触媒の間に還元剤を添加する。
（実施例９）
図１１は内燃機関から排出される排ガスの排気通路に、上流側に低温型脱硝触媒が設置され、その下流に高温型脱硝酸触媒が配置されている例を示している。
【００７９】
したがって低温型脱硝触媒を使用するときはその上流に還元剤を添加し、さらに高温型脱硝酸触媒を使用するときはその上流に還元剤を添加する。また両方を使用するときは両者のそれぞれの上流に、還元剤を添加する。
（実施例１０）
図１２は内燃機関から排出される排ガスの排気通路に、ＤＰＦが設置され、その下流に脱硝酸触媒が配置されている例を示している。一般のＤＰＦは排ガス中のパティキュラーマターを取り除くだけであり、ＮＨ３を酸化することはないので、この場合は、内燃機関と脱硝触媒の間の排気通路のいずれの場所においても還元剤の添加が可能である。
【００８０】
【発明の効果】
以上のように、本発明の排気浄化装置用の還元剤によれば、固体の還元剤が非水溶性液体と混合された混合体として保存されるので、固体還元剤どうしの固着が防止され、保存されている固体還元剤の搬送が容易になる。これは液体の還元剤と同様に取り扱うことができ、固体還元剤であっても流動性が確保されるために添加量の制御が容易になる。排気路における還元剤の添加の場所を触媒の配置に応じて適切に選択することにより、ＮＨ３をＮＯに変化させずに脱硝触媒に到達させてＮＯｘ浄化を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる固体還元剤を収納容器に収納した状態を示す図である。
【図２】本発明の固体還元剤を適用する排気浄化装置の一例の概略構成図である。
【図３】尿素の添加制御弁の概略を示す断面図である。
【図４】排気通路に前段触媒が設置され、その下流に脱硝酸触媒が配置されている例を示す図である。
【図５】排気通路にＤＰＲまたはＤＰＮＲが設置され、その下流に脱硝酸触媒が配置されている例を示す図である。
【図６】排気通路に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が設置され、その下流に脱硝酸触媒が配置されている例を示す図である。
【図７】排気通路に酸化触媒が設置され、その下流に脱硝酸触媒が配置されている例を示す図である。
【図８】排気通路に三元触媒が設置され、その下流に脱硝酸触媒が配置されている例を示す図である。
【図９】排気通路に酸化触媒とその後段にあるＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）が設置され、さらにその下流に脱硝酸触媒が配置されている例を示す図である。
【図１０】排気通路にＨＣ、ＮＯｘの吸着触媒が設置され、その下流に脱硝酸触媒が配置されている例を示す図である。
【図１１】排気通路の上流側に低温型脱硝触媒が設置され、その下流に高温型脱硝酸触媒が配置されている例を示す図である。
【図１２】排気通路に、ＤＰＦが設置され、その下流に脱硝酸触媒が配置されている例を示す図である。
【符号の説明】
１・・・固体尿素
２・・・軽油
３・・・エアクリーナ
４・・・吸気管
５・・・燃料噴射弁
６・・・ピストン
７・・・排気管（吸気系）
８・・・ＮＯｘ触媒コンバータ
９・・・排気管（排気通路）
１０・・・選択還元型ＮＯｘ触媒
１１・・・還元剤添加装置
１２・・・収納容器
１３・・・液体尿素収納室
１４・・・添加制御弁（供給量制御手段）
１５・・・除湿手段
１６・・・ＥＣＵ
１７・・・残量センサ
１９・・・触媒入りガス温センサ
２０・・・エアフロメータ
２１・・・ＮＯｘセンサ
２２ ・・・メータパネル
２３・・・警報ランプ
５０・・・ディーゼルエンジン（内燃機関）
５１・・・燃焼室
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯｘを浄化する排気浄化装置において使用する還元剤に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
酸素過剰の雰囲気で、還元剤により排気ガス中の有害なＮＯｘを還元または分解する選択還元型ＮＯｘ触媒は、リーン空燃比で燃焼可能な内燃機関（例えばディーゼルエンジンやリーンバーンガソリンエンジン）から排出される排気ガス中のＮＯｘを浄化する排気浄化装置として多用されている。
【０００３】
このような選択還元型ＮＯｘ触媒では還元剤として尿素等、アンモニア由来の還元剤を使用することが可能である。この場合は、排気ガスに還元剤を添加した後、これを下流の脱硝触媒と接触させてＮＯｘを還元し、浄化する。例えば、固体尿素を還元剤として用いたものとしては、特開平７−３２３２１６号公報に記載の還元剤供給装置がある。
【０００４】
この特開平７−３２３２１６号公報に記載の還元剤供給装置は、脱硝装置の上流側の排ガス通路に燃焼触媒層を設置し、燃焼装置起動時に該燃焼触媒層上流に燃料を噴霧して燃焼させ、該脱硝装置温度が所定の温度に到達した時点で燃料の供給を停止し、固体または液体状の還元剤物質を該燃焼触媒層上流に供給するものである。この装置では、粉体の還元剤としてメラミン、尿素 シアヌル酸等を用いることが示されている。
【０００５】
この還元剤の粉体を燃焼触媒層に噴霧することによって、還元剤を気化させて、排ガス中のＮＯｘとの間で脱硝反応が行われ、排ガス中のＮＯｘが窒素に変化することになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記の特開平７−３２３２１６号公報に記載の排ガスの脱硝装置では、固体還元剤等を貯蔵タンクに貯蔵して使用するのであるが、固体尿素を還元剤として使用する場合には、これを単独で用いようとすると、これが保管時に水分を吸収することで固まってしまうので搬送性が悪く、また添加の際に添加量を制御することが困難になる。
【０００７】
一方、特開２０００−２７６２６号公報に記載の還元剤供給装置にように、固体尿素の貯蔵タンクと、この貯蔵タンクの内部上面に固定されたバネ部材と、バネ部材の下方先端部に固定された粉砕機構とからなる粉砕手段が配置されたものがある。これは還元剤である固体尿素の貯蔵装置への供給に際して、ガイド部材により上下方向に摺動可能に案内された粉砕機構が、車両振動によってバネ部材を介して上下に振動して、尿素の塊を貯蔵装置内の全体に亘り粉砕する。
【０００８】
しかし、この装置では還元剤を排出させるためにバネ部材と粉砕機構等を必要とし、貯蔵タンク内の構造が複雑化する問題がある。
【０００９】
また排気通路にＮＨ３をＮＯに変換する触媒装置が存在する場合、かかる触媒の上流に固体尿素等の還元剤を添加すると、この触媒装置を通過することで還元剤が酸化されてしまう。すると固体尿素等の還元剤が、下流の脱硝触媒において排気中のＮＯｘの還元、浄化するために作用しなくなる。よって排気通路における触媒装置の配置の相違によって、還元剤の添加位置をそれぞれ決定する必要がある。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてされたものであり、還元剤供給装置の構造を複雑にすることなく、保存時や搬送時に互いに固着することがない固体還元剤を効率的に供給するための還元剤供給装置を提供することを技術的課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、固体還元剤を脱硝触媒へ供給するための内燃機関の還元剤供給装置であって、前記固体還元剤はアンモニア由来の固体還元剤物質と非水溶性液体との混合剤から構成され、前記固体還元剤を内燃機関の排気通路に設置した脱硝触媒の上流に添加することを特徴とする。ここで脱硝触媒とは、ＮＯｘとアンモニア（ＮＨ３）が反応して、ＮＯｘが窒素（Ｎ２）に変化することを促進するもので、例えば、チタニア担持モリブデン酸化物及びパナジウム酸化物触媒等である。
【００１２】
このように、内燃機関の排気通路に脱硝触媒のみを備える場合には、内燃機関と脱硝触媒との間の排気通路内に前記固体還元剤を添加する。すると排気中のＮＯｘとの間で脱硝反応が生じて、ＮＯｘが無害の窒素に変化する。
【００１３】
一方、内燃機関と脱硝触媒との間の排気通路にＮＨ３をＮＯに変換する触媒を備える場合には、前記触媒と脱硝触媒との間に前記固体還元剤を添加する。このようにすれば、固体還元剤が前記触媒によって酸化されることなく、下流の脱硝触媒において排気中のＮＯｘとの間で脱硝反応が生じる。
【００１４】
ＮＨ３をＮＯに変換する前記触媒は、排気通路の前段に設置されるもので、酸化触媒、三元触媒、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒、選択還元型触媒、ＤＰＲ、ＤＰＮＲ、吸着触媒等である。
【００１５】
前記の酸化触媒とは、排ガス中のＨＣ、ＣＯを酸化して、これらをＨ２Ｏ及びＣＯ２に変化させるためのものであり、三元触媒とは、これらの機能の他に理論空燃比にするとＮＯｘの還元を同時に行うことができ、排ガス中の有害ガス三成分を無害なＣＯ２、Ｈ２Ｏ、Ｎ２に清浄化するものである。
【００１６】
吸蔵還元型ＮＯｘ触媒とは、流入排気の空燃比がリーンのときにはＮＯｘを吸収し、流入排気の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯｘを放出し、Ｎ２に還元する触媒である。
【００１７】
選択還元型ＮＯｘ触媒とは、酸素過剰の雰囲気でＨＣの存在下でＮＯｘを還元または分解する触媒である。
【００１８】
ＤＰＲ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｒｅａｃｔｏｒ）またはＤＰＮＲ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ＮＯｘ Ｒｅａｃｔｏｒ）は、活性酸素放出剤をパティキュレートフィルター上に担持し、このフィルタ上に付着したパティキュラーマターを酸化させるものである。同時に流入排気の空燃比がリーン空燃比のときにはＮＯｘを吸収し、流入排気の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯｘを放出し、これをＮ２に還元するものである。
【００１９】
ここでアンモニア由来の固体還元剤物質とは、例えば尿素、ビウレット、カルバミン酸アンモニウムを挙げることができる。
【００２０】
前記固体還元剤物質の形態は粉体、または球状とすることができる。その大きさは、これを用いるシステム、調量装置等に適した大きさで３．０ｍｍ以下が適当である。
【００２１】
また非水溶性液体としては、鉱物油、植物油等を広く用いることができる。鉱物油としては、軽油、灯油、ケロシン、ガソリン、シリコン油、また植物油としては菜種油、椰子の実油、ユーカリ油等が例示でき、これらのうちの少なくとも一つを非水溶性液として用いることができる。これらは可能な限り二以上を混合して使用することもできる。
【００２２】
また非水溶性液体としては、その液体中に浸した固体還元剤物質が溶出せず、また固体還元剤物質を添加すべき触媒に対して悪影響がないものであれば特に限定されるものではない。内燃機関の排ガスの浄化に使用する触媒の還元剤として使用する場合は、その内燃機関の駆動油、例えばガソリン、軽油などが取り扱い上において好適なことは勿論である。
【００２３】
前記混合剤の温度は、固体還元剤物質が溶融しない範囲の温度とすることが好ましい。これは添加制御を実施し易くし、固体還元剤物質のみを効率的に添加することが望ましいためである。具体的には、貯蔵時または搬送時には非水溶性液体の沸点以下、または固体還元剤物質が溶融しない温度以下のうち、いずれか低い温度以下とする。例えば、固体還元剤として尿素を使用し、非水溶性液体として軽油を用いた場合は、軽油の沸点が２５０℃から３５０℃であり、他方、固体尿素の溶融温度の１３０℃程度であるので、後者の温度以下とする。
【００２４】
前記非水溶性液体の比重は、前記固体還元剤物質の比重よりも軽くすることが好適である。その理由は、固定還元剤が非水溶性液体の表面に浮くように偏って存在することなく、固体還元剤物質が非水溶性液体中に分散していることが固着防止上、または使用上において望ましいからである。
【００２５】
また固体還元剤貯蔵部に貯蔵された固体状の還元剤は、固体還元剤搬送手段により溶融還元剤貯蔵部に導かれて加熱液化され、液化した還元剤は溶融還元剤供給手段によって選択還元型ＮＯｘ触媒よりも上流の排気通路に供給される。
【００２６】
本発明における内燃機関は、筒内直接噴射式のリーンバーンガソリンエンジンやディーゼルエンジンを例示することができる。
【００２７】
前記脱硝触媒としては、ゼオライトにＣｕ等の遷移金属をイオン交換して担持した触媒、ゼオライトまたはアルミナに貴金属を担持した触媒等が例示できる。
【００２８】
固体還元剤は、例えばエンジンコントロール用電子制御ユニット（ＥＣＵ）により作動が制御され、所定量ずつを排気ガス路中に噴射するインジェクタ等の供給量制御手段によって供給することができる。
【００２９】
なお、固体還元剤は供給時に液化または気化させる必要はなく、例えば粉体のまま供給することが可能である。
【００３０】
また、内燃機関と脱硝触媒との間の排気通路に、前述のＮＨ３をＮＯに変換する触媒を備える場合には、前記触媒と脱硝触媒との間に前記固体還元剤を添加する。
【００３１】
以上のように本発明では、固体還元剤が非水溶性液体との混合状態で保存されるので、固体還元剤が空気中の水分を吸収することがなく、固体還元剤どうしの固着が防止される。また非水溶性液体の存在により固体還元剤の流動性が確保できるので添加が容易になる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る還元剤の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、この実施の形態は、本発明を内燃機関としての車両駆動用ディーゼルエンジン用の固体還元剤としたものである。
【００３３】
図１は、アンモニア由来の還元剤物質として固体尿素１を使用した例を示す。この固体尿素１は粉末状で、粒径約５μｍとしてある。これは収納容器１２内において非水溶性液体である軽油２との混合体として保存される。
【００３４】
非水溶性液体としては、固体尿素１の比重（約１．２）よりも小さい比重のものを使用することが好ましく、ここでは比重の小さい軽油２を使用している。よって固体尿素１は軽油２の表面に浮かぶことなく、軽油２中に散在するので、全体に均一な尿素１と軽油２の混合体が形成される。
【００３５】
なお、アンモニア由来の還元剤物質としては、固体尿素の他、ビウレット、カルバミン酸アンモニウム等を使用できるが、これらと組み合わせる非水溶性液体の比重は、これらの還元剤物質よりも軽いものを選択することが好ましい。
【００３６】
次に、このような還元剤を使用する排気浄化装置の例について、図２及図３を参照して説明する。ディーゼルエンジン５０の各気筒の燃焼室５１にはピストン６が設けられ、この燃焼室２内には、エアクリーナ３を経て吸気管４から空気が導入されるようになっている。また各燃焼室５１には燃料噴射弁５から燃料が噴射され、これはリーン空燃比で燃焼する。
【００３７】
各燃焼室５１から排出された排気ガスは、排気管７、ＮＯｘ触媒コンバータ８、及び排気管９を通って大気中に排気される。ＮＯｘ触媒コンバータ８には、還元剤の存在下で、排気ガス中のＮＯｘを還元または分解するゼオライト・シリカ系の選択還元型ＮＯｘ触媒１０が収容されている。
【００３８】
この選択還元型ＮＯｘ触媒１０により排気ガス中のＮＯｘを浄化するには、これに用いる還元剤の存在が必要である。そのためこの排気浄化装置には、ＮＯｘ触媒コンバータ８よりも上流の排気管７内に還元剤を添加する還元剤添加装置１１が、排気管７に近接して設けられている。
【００３９】
この還元剤添加装置１１は、還元剤として固体尿素１と軽油２の流動体である混合体を排気管７内に供給するものである。この装置は、固体還元剤貯蔵部であって固体尿素１を収容する収納容器１２と、この収納容器１２の下部に連結された還元剤貯蔵部である尿素収納室１３と、この尿素収納室１３の下部に設けた添加制御弁１４と、からなる。
【００４０】
収納容器１２は、上部に還元剤投入口１２ａを有し、この投入口１２ａは蓋１２ｂによって開閉可能になっており、図２に示すように、その底面１２ｃは傾斜面になっている。底面１２ｃの最低部には排出口１２ｄが形成され、これは連通路１２ｅを介して尿素収納室１３に連通している。
【００４１】
図２では、収納容器１２に収容されている固体尿素１は、軽油２と共に混合体を形成し、この固体尿素１は軽油２との混合体で流動性があるので、排出口１２ｄから尿素収納室１３に向かって流下する。
【００４２】
この液体尿素は、図３に示す添加制御弁１４により流量制御されて排気管７内に添加される。添加制御弁１４は先端がニードルバルブ１４ａとなっており、軸方向に軸状の弁体１４ｃが貫通した供給路１４ｄに尿素収納室１３からの連通路１２ｃが接続され、弁体１４ｃは往復動可能なように支持体１４ｅにより案内されている。この添加制御弁１４の後端には、貫通した弁体１４ｃの後部に装着したストッパ１４ｆが設けられ、これは添加制御弁１４の本体の後端面に係止している。このストッパ１４ｆの後方にはソレノイド３７が配置されており、これが励磁するとストッパ１４ｆを後方に引き寄せるようになっている。
【００４３】
また弁体１４ｃの支持体１４ｅの外周面には、供給された液体尿素が漏出しないようにシール１４ｂが設けられている。
【００４４】
この添加制御弁１４は、その開閉時間をＥＣＵ１６によってデューティ比制御され、これによって液体尿素の流量や添加タイミングが制御されるので、ＥＣＵ１６からの命令によってソレノイド３７が通電によって励磁し、ストッパ１４ｆが後方に移動し、弁体１４ｃがこれに伴って後方に移動して先端のニードルバルブ１４ａが開くと、開弁中の所定時間にわたって所定量の尿素が排気通路内に添加される。
【００４５】
ソレノイド３７への通電が停止すると、ストッパ１４ｆはスプリング３８により原位置に戻されてニードルバルブ１４ａが閉じられ、尿素の添加が終了する。
【００４６】
なお、この添加制御弁１４と尿素収納室１３の間には、尿素を加圧してこれを調圧部に送るポンプ（図示せず）と、調圧部において尿素を一定圧力に加圧するプレッシャレギュレータ３９を備えている。
【００４７】
前記尿素収納室１３に備えられた電気ヒータ等の加熱源は、尿素収納室１３内において固体尿素１が液化するのに最適な温度（約１６０〜２３０℃）となるように、ＥＣＵ１６によってその作動が制御される。これは固体尿素１を前記最適温度以上の高温に加熱すると、固体尿素１がガス化してしまう虞があるからである。
【００４８】
また、収納容器１２には固体尿素１と軽油２の混合体の残量を検出する残量センサ１７が設けられており、残量センサ１７は検出した混合体の残量に比例した出力信号をＥＣＵ１６に出力する。ＥＣＵ１６は、残量センサ１７から所定の残量値（以下、これを警報残量値と称す）を示す入力信号を入力したときに、メータパネル２２の警報ランプ２３を点灯し、尿素１の残量が少なくなったことを知らせる。
【００４９】
ＥＣＵ１６は、残量センサ１７から警報残量値よりもさらに少ない下限値を示す入力信号を入力したときに、還元剤添加装置１１の稼動を停止し、添加制御弁１４を全閉にして、尿素の添加を停止する。
【００５０】
尿素収納室１３には尿素の液温を検出する温度センサ１８が設けられており、温度センサ１８は検出した尿素の液温に比例した出力信号をＥＣＵ１６に出力する。
【００５１】
一方、ＮＯｘ触媒コンバータ８より上流の排気管７には、ＮＯｘ触媒コンバータ８に流入する排気ガスの温度を検出する触媒入ガス温センサ１９が設けられており、検出した触媒入ガス温度に比例した出力信号をＥＣＵ１６に出力する。
【００５２】
前記触媒入ガス温センサ１９より上流の排気管７には、ＮＯｘセンサ２１が設けられ排気ガス中のＮＯｘ量を計測する。
【００５３】
また前記触媒入ガス温センサ１９より下流の排気管７には、アンモニアガスセンサ３６が設置され、計測されたアンモニアガス量に比例した出力信号をＥＣＵ１６に出力する。該センサ３６は、アンモニアリークを抑制するために使用するもので、センサ出力値をフィードバックして制御することにより、アンモニアリークを感知し、尿素の添加量を調整して、リークを抑制する。
【００５４】
またＥＣＵ１６はデジタルコンピュータからなり、双方向バスによって相互に接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＣＰＵ（セントラルプロセッサユニット）、入出力ポート、出力ポートを具備し、エンジン１の燃料噴射量制御等の基本制御を行うほか、この実施の形態では、液体尿素の添加量制御を行っている。
【００５５】
これらの制御のために、ＥＣＵ１６の入力ポートには、エアフロメータ２０からの入力信号がＡ／Ｄコンバータを介して入力される。エアフロメータ２０は吸気量に比例した出力信号をＥＣＵ１６に出力し、ＥＣＵ１６はエアフロメータ２０の出力信号に基づいて吸気量を演算する。
【００５６】
前記ＮＯｘセンサ２１は、ＮＯｘ触媒コンバータ８より上流の排気管７に設置されているので、ＮＯｘ触媒コンバータ８に流入するＮＯｘ量を検出することができ、検出したＮＯｘ濃度に比例した出力信号をＥＣＵ１６に出力する。ＥＣＵ１６は、このＮＯｘセンサで検出したＮＯｘ濃度と、エアフロメータ２０で検出した吸気量からＮＯｘ排出量を演算する。
【００５７】
ＥＣＵ１６は、上記のＮＯｘ排出量を基にＮＯｘを浄化するのに必要な尿素の目標添加量を演算し、この目標添加量に対応する流量が得られる添加制御弁１４のデューティ比を演算し、添加制御弁１４をデューティ比制御する。
【００５８】
なお、添加制御弁１４を流れる尿素の流量は、添加制御弁１６のデューティ比が同じであっても尿素の温度や添加制御弁１４の出口側の背圧が異なると変化するので、添加制御弁１４をデューティ比制御する際に、ＥＣＵ１６は、温度センサ１８により検出した液体尿素の液温と、入りガス圧センサ１９により検出したガス圧力に基づいて、目標デューティ比の補正を行う。
【００５９】
次に、この内燃機関の排気浄化装置の作用を説明する。前述したように、ＥＣＵ１６は、エンジン１の運転状態に応じて、即ちＮＯｘ排出量に応じて、添加制御弁１４のデューティ比制御を行い、排気管７内に適正量の尿素を添加する。排気管７内に添加された尿素は排気ガスによって加熱される結果、直ちに気化して還元ガス（アンモニアガス）となり、排気ガスと共にＮＯｘ触媒コンバータ８に流入する。
【００６０】
還元ガスは、選択還元型ＮＯｘ触媒１０上において排気ガスに含まれるＮＯｘを還元あるいは分解する。浄化された排気ガスは排気管９を通って大気中に放出される。
【００６１】
なお、この選択還元型ＮＯｘ触媒１０は排気ガス温がある所定の温度以下のときにはＮＯｘ浄化率が低く、排気ガス温が前記所定温度を越えると急激にＮＯｘ浄化率が高くなる性質がある。そのため、排気ガス温が低いときに還元ガスを添加しても、その添加された還元ガスはＮＯｘの還元反応に利用されないままＮＯｘコンバータ８を素通りし、大気に放出されてしまう。
【００６２】
そこで、この実施の形態では、入りガス温センサ１９で検出した入りガス温度が前記所定温度以下のときには、ＥＣＵ１６が添加制御弁１４を全閉に制御し、これにより液体尿素の添加を停止して、還元ガスのリークを未然に防止するようにしている。
【００６３】
なお、上述した実施の形態では、ＮＯｘ触媒コンバータ８の上流側の排気管７に、排気ガスのＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサを設け、このＮＯｘセンサで検出したＮＯｘ濃度とエアフロメータ２０で検出した吸気量から、ＮＯｘ排出量を演算するようにしているが、これに代えて次のような方法を採用していもよい。
【００６４】
すなわち、エンジン負荷とエンジン回転数に基づいてエンジン１から排出されるＮＯｘ量との関係を求めて予めマップ化し、このＮＯｘ排出量マップをＥＣＵ１６に記憶しておく。ＥＣＵ１６は、このＮＯｘ排出量マップを参照し、エンジン負荷とエンジン回転速度に基づいてエンジン１から排出されるるＮＯｘ排出量を推定算出する。この場合、ＥＣＵ１６の入力ポートには、図示しないアクセル開度センサからの入力信号と、クランク角センサからの入力信号が入力されるようにする。このアクセル開度センサはアクセル開度に比例した出力電圧をＥＣＵ１６に出力し、ＥＣＵ１６はアクセル開度センサからの出力信号に基づいて機関負荷を演算する。クランク角センサはエンジン１のクランクシャフトが一定角度回転する毎に出力パルスをＥＣＵ１６に出力し、ＥＣＵ１６はこの出力パルスに基づいて機関回転速度を演算することができる。
【００６５】
還元剤の供給は、固体還元剤と非水溶性液体との混合状態のまま行うことができる。この場合は制御対象が気体ではなく液体であるため、添加制御弁１４により高精度の流量制御が十分可能である。
（実施例２）
図４は内燃機関から排出される排ガスの排気通路に、前段触媒が設置され、その下流に脱硝酸触媒が配置されている例を示している。前段触媒とは、一般には、脱硝触媒の上流に位置し、脱硝触媒の活性温度よりも低い温度でＨＣ、ＣＯを酸化することができるものである。
【００６６】
このような触媒は脱硝触媒をより早く活性化する作用も有し、排気路の上流に設置されているため、仮に、尿素である還元剤をこの酸化触媒等よりも上流に添加すると、ＮＨ３が酸化触媒等を通過する際に酸化されこれがＮＯに変化することになる。
【００６７】
したがって所期のＮＯｘ浄化が達成されないことになるので、この実施例のように触媒が配置されている場合は、前段触媒と脱硝触媒の間に還元剤を添加する。
（実施例３）
図５は内燃機関から排出される排ガスの排気通路に、ＤＰＲまたはＤＰＮＲが設置されている例を示している。ＤＰＲまたはＤＰＮＲは、活性酸素放出剤をパティキュレートフィルター上に担持し、このフィルタ上に付着したパティキュラーマターを酸化させるものである。同時に流入排気の空燃比がリーン空燃比のときにはＮＯｘを吸収し、流入排気の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯｘを放出し、これをＮ２に還元するものである。
【００６８】
仮に、尿素である還元剤をこの酸化触媒等よりも上流に添加すると、ＮＨ３が酸化触媒等を通過する際に酸化されこれがＮＯに変化することになる。
【００６９】
したがって所期のＮＯｘ浄化が達成されないことになるので、この実施例のように触媒が配置されている場合は、前段触媒と脱硝触媒の間に還元剤を添加する。
（実施例４）
図６は内燃機関から排出される排ガスの排気通路に、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が設置され、その下流に脱硝酸触媒が配置されている例を示している。吸蔵還元型ＮＯｘ触媒とは、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を担体とし、この担体上に例えばカリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃｓ）のようなアルカリ金属と、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、のようなアルカリ土類と、ランタン（Ｌａ）イットリウム（Ｙ）のような希土類との中から選ばれた少なくとも１つと、白金（Ｐｔ）のような貴金属とを坦持してなる。これは、流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときは排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸蔵し、流入排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときは吸蔵していた窒素酸化物（ＮＯｘ）を放出しつつ還元及び浄化する。
【００７０】
このような吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が排気路の上流に設置されているため、仮に尿素である還元剤をこの触媒等よりも上流に添加すると、ＮＨ３が上記触媒等を通過する際に酸化される場合があり、これがＮＯに変化することになる。
【００７１】
したがって所期のＮＯｘ浄化が達成されないので、この実施例のように触媒が配置されている場合は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と脱硝触媒の間に還元剤を添加する。
（実施例５）
図７は内燃機関から排出される排ガスの排気通路に、酸化触媒が設置され、その下流に脱硝酸触媒が配置されている例を示している。酸化触媒とは、排ガス中のＣＯ、ＨＣを酸化させ、これを無害な二酸化炭素及び水蒸気とするものである。
【００７２】
このような酸化触媒が排気路の上流に設置されているため、仮に尿素である還元剤をこの酸化触媒等よりも上流に添加すると、ＮＨ３が上記触媒等を通過する際に酸化され、これがＮＯに変化することになる。
【００７３】
したがって所期のＮＯｘ浄化が達成されないことになるので、この実施例のように触媒が配置されている場合は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と脱硝触媒の間に還元剤を添加する。
（実施例６）
図８は内燃機関から排出される排ガスの排気通路に、三元触媒が設置され、その下流に脱硝酸触媒が配置されている例を示している。三元触媒とは、排ガス中のＣＯ、ＨＣの酸化と、ＮＯｘの還元を同時に行う触媒であり、これらを二酸化炭素、水蒸気及び窒素に変化させて、排気浄化をするものである。
【００７４】
このような三元触媒が排気路の上流に設置されているため、仮に尿素である還元剤をこの酸化触媒等よりも上流に添加すると、ＮＨ３が上記触媒等を通過する際に酸化され、これがＮＯに変化することになる。
【００７５】
したがって所期のＮＯｘ浄化が達成されないことになるので、この実施例のように触媒が配置されている場合は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と脱硝触媒の間に還元剤を添加する。
（実施例７）
図９は内燃機関から排出される排ガスの排気通路に、酸化触媒とその後段にあるＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）が設置され、さらにその下流に脱硝酸触媒が配置されている例を示している。この場合、酸化触媒をＤＰＦに担持したものとすることが可能である。このようにすればＤＰＦ内での還元剤と酸素の反応が活発化し、ＤＰＦの床温度が早期に上昇して、Ｐａｔｉｃｕｌａｔｅ ｍａｔｔｅｒの燃焼が促進される。
【００７６】
しかし、このような酸化触媒の上流において、仮に尿素である還元剤を添加すると、ＮＨ３が上記触媒等を通過する際に酸化され、これがＮＯに変化することになる。
【００７７】
したがって所期のＮＯｘ浄化が達成されないことになるので、この実施例のようにな触媒が配置されている場合は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と脱硝触媒の間に還元剤を添加する。
（実施例８）
図１０は内燃機関から排出される排ガスの排気通路に、ＨＣ、ＮＯｘの吸着触媒が設置され、その下流に脱硝酸触媒が配置されている例を示している。ＨＣ、ＮＯｘの吸着触媒は、少なくともその後段の脱硝触媒が活性化するまでの間、排ガス中のＨＣ、ＮＯｘが脱硝触媒をすり抜け大気中に放出されないように、これらを吸着しておくものである。
【００７８】
この吸着触媒をＮＨ３が通過すると、これをＮＯに変化させることになるので、期のＮＯｘ浄化が達成されないことになるので、この実施例のようにな触媒が配置されている場合は、吸着触媒と脱硝触媒の間に還元剤を添加する。
（実施例９）
図１１は内燃機関から排出される排ガスの排気通路に、上流側に低温型脱硝触媒が設置され、その下流に高温型脱硝酸触媒が配置されている例を示している。
【００７９】
したがって低温型脱硝触媒を使用するときはその上流に還元剤を添加し、さらに高温型脱硝酸触媒を使用するときはその上流に還元剤を添加する。また両方を使用するときは両者のそれぞれの上流に、還元剤を添加する。
（実施例１０）
図１２は内燃機関から排出される排ガスの排気通路に、ＤＰＦが設置され、その下流に脱硝酸触媒が配置されている例を示している。一般のＤＰＦは排ガス中のパティキュラーマターを取り除くだけであり、ＮＨ３を酸化することはないので、この場合は、内燃機関と脱硝触媒の間の排気通路のいずれの場所においても還元剤の添加が可能である。
【００８０】
【発明の効果】
以上のように、本発明の排気浄化装置用の還元剤によれば、固体の還元剤が非水溶性液体と混合された混合体として保存されるので、固体還元剤どうしの固着が防止され、保存されている固体還元剤の搬送が容易になる。これは液体の還元剤と同様に取り扱うことができ、固体還元剤であっても流動性が確保されるために添加量の制御が容易になる。排気路における還元剤の添加の場所を触媒の配置に応じて適切に選択することにより、ＮＨ３をＮＯに変化させずに脱硝触媒に到達させてＮＯｘ浄化を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる固体還元剤を収納容器に収納した状態を示す図である。
【図２】本発明の固体還元剤を適用する排気浄化装置の一例の概略構成図である。
【図３】尿素の添加制御弁の概略を示す断面図である。
【図４】排気通路に前段触媒が設置され、その下流に脱硝酸触媒が配置されている例を示す図である。
【図５】排気通路にＤＰＲまたはＤＰＮＲが設置され、その下流に脱硝酸触媒が配置されている例を示す図である。
【図６】排気通路に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が設置され、その下流に脱硝酸触媒が配置されている例を示す図である。
【図７】排気通路に酸化触媒が設置され、その下流に脱硝酸触媒が配置されている例を示す図である。
【図８】排気通路に三元触媒が設置され、その下流に脱硝酸触媒が配置されている例を示す図である。
【図９】排気通路に酸化触媒とその後段にあるＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）が設置され、さらにその下流に脱硝酸触媒が配置されている例を示す図である。
【図１０】排気通路にＨＣ、ＮＯｘの吸着触媒が設置され、その下流に脱硝酸触媒が配置されている例を示す図である。
【図１１】排気通路の上流側に低温型脱硝触媒が設置され、その下流に高温型脱硝酸触媒が配置されている例を示す図である。
【図１２】排気通路に、ＤＰＦが設置され、その下流に脱硝酸触媒が配置されている例を示す図である。
【符号の説明】
１・・・固体尿素
２・・・軽油
３・・・エアクリーナ
４・・・吸気管
５・・・燃料噴射弁
６・・・ピストン
７・・・排気管（吸気系）
８・・・ＮＯｘ触媒コンバータ
９・・・排気管（排気通路）
１０・・・選択還元型ＮＯｘ触媒
１１・・・還元剤添加装置
１２・・・収納容器
１３・・・液体尿素収納室
１４・・・添加制御弁（供給量制御手段）
１５・・・除湿手段
１６・・・ＥＣＵ
１７・・・残量センサ
１９・・・触媒入りガス温センサ
２０・・・エアフロメータ
２１・・・ＮＯｘセンサ
２２ ・・・メータパネル
２３・・・警報ランプ
５０・・・ディーゼルエンジン（内燃機関）
５１・・・燃焼室
Claims (3)
- 固体還元剤を脱硝触媒へ供給するための内燃機関の還元剤供給装置であって、前記固体還元剤はアンモニア由来の固体還元剤物質と非水溶性液体との混合剤から構成され、前記固体還元剤を内燃機関の排気通路に設置した脱硝触媒の上流に添加することを特徴とする内燃機関の還元剤供給装置。
- 固体還元剤を脱硝触媒へ供給するための内燃機関の還元剤供給装置であって、前記固体還元剤はアンモニア由来の固体還元剤物質と非水溶性液体との混合剤から構成され、内燃機関の排気通路に脱硝触媒のみを備える場合には、内燃機関と脱硝触媒との間の排気通路内に前記固体還元剤を添加することを特徴とする内燃機関の還元剤供給装置。
- 固体還元剤を脱硝触媒へ供給するための内燃機関の還元剤供給装置であって、前記固体還元剤はアンモニア由来の固体還元剤物質と非水溶性液体との混合剤から構成され、内燃機関と脱硝触媒との間の排気通路にＮＨ３をＮＯに変換する触媒を備える場合には、前記触媒と脱硝触媒との間に前記固体還元剤を添加することを特徴とする内燃機関の還元剤供給装置。
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