JP2004108185A - ディーゼルエンジンの排気浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】還元剤の拡散性を高めると共に、窒素酸化物還元触媒の活性の低下を防止することで、窒素酸化物還元触媒による窒素酸化物浄化効率を向上させる。
【解決手段】尿素水溶液を貯蔵する尿素水溶液タンク６と、ディーゼルエンジン１の排気熱を利用して尿素水溶液からアンモニアガスを生成する尿素加水分解触媒を内臓するアンモニア発生装置５と、尿素水溶液タンク６に貯蔵された尿素水溶液をアンモニア発生装置５に供給するポンプ７と、アンモニア発生装置５において生成されたアンモニアガスを貯蔵するアンモニアガスタンク１０と、ディーゼルエンジン１の排気通路２に介装され、排気中の窒素酸化物を還元除去する窒素酸化物還元触媒４と、アンモニアガスタンク１０に貯蔵されたアンモニアガスを窒素酸化物還元触媒４の上流側に添加するアンモニアガス添加手段１１と、を含んでディーゼルエンジンの排気浄化装置を構成する。
【選択図】 図１
【解決手段】尿素水溶液を貯蔵する尿素水溶液タンク６と、ディーゼルエンジン１の排気熱を利用して尿素水溶液からアンモニアガスを生成する尿素加水分解触媒を内臓するアンモニア発生装置５と、尿素水溶液タンク６に貯蔵された尿素水溶液をアンモニア発生装置５に供給するポンプ７と、アンモニア発生装置５において生成されたアンモニアガスを貯蔵するアンモニアガスタンク１０と、ディーゼルエンジン１の排気通路２に介装され、排気中の窒素酸化物を還元除去する窒素酸化物還元触媒４と、アンモニアガスタンク１０に貯蔵されたアンモニアガスを窒素酸化物還元触媒４の上流側に添加するアンモニアガス添加手段１１と、を含んでディーゼルエンジンの排気浄化装置を構成する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジンの排気浄化装置において、特に、窒素酸化物の浄化効率を向上させる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンから排出される排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する排気浄化装置として、例えば、特開２００２−４８４０号公報に開示されるような排気浄化装置が提案されている。かかる排気浄化装置は、酸素過剰雰囲気で窒素酸化物を無害な窒素（Ｎ２）、酸素（Ｏ２）等に転化すべく、ディーゼルエンジンの排気通路に窒素酸化物還元触媒が介装されている。また、窒素酸化物還元触媒における窒素酸化物浄化効率を高めるべく、固体状の尿素（（ＮＨ２）２ＣＯ）等の還元剤を車両上に搭載し、加熱液化して、液体状となった還元剤を窒素酸化物還元触媒の上流側の排気通路に添加する構成が採用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように、液体状の還元剤を排気通路に添加すると、還元剤が液滴状態で添加されるため、窒素酸化物還元触媒に対する還元剤の供給にむらが生じ、還元剤の拡散が不十分になり易いおそれがあった。また、還元剤が液滴状態で排気と混合するため、気化熱により排気温度が低下し、窒素酸化物還元触媒の活性が低下してしまうという問題点があった。このため、従来技術においては、液体状の還元剤を添加しても、窒素酸化物還元触媒による窒素酸化物浄化効率が期待したほど向上しなかった。
【０００４】
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、還元剤の拡散性を高めると共に、窒素酸化物還元触媒の活性の低下を防止することで、窒素酸化物還元触媒による窒素酸化物浄化効率を向上させたディーゼルエンジンの排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１記載の発明では、尿素水溶液を貯蔵する尿素水溶液貯蔵手段と、ディーゼルエンジンの排気熱を利用して、尿素水溶液からアンモニアガスを生成する尿素加水分解触媒と、前記尿素水溶液貯蔵手段に貯蔵された尿素水溶液を前記尿素加水分解触媒に供給する尿素水溶液供給手段と、前記尿素加水分解触媒により生成されたアンモニアガスを貯蔵するアンモニアガス貯蔵手段と、前記ディーゼルエンジンの排気通路に介装され、前記ディーゼルエンジンの排気中の窒素酸化物を還元除去する窒素酸化物還元触媒と、前記アンモニアガス貯蔵手段に貯蔵されたアンモニアガスを前記窒素酸化物還元触媒の上流側に添加するアンモニアガス添加手段と、を含んで構成されることを特徴とする。
【０００６】
かかる構成によれば、尿素加水分解触媒により、ディーゼルエンジンの排気熱を利用して、尿素水溶液貯蔵手段に貯蔵された尿素水溶液からアンモニアガスが生成され、アンモニアガス貯蔵手段に貯蔵される。そして、このアンモニアガス貯蔵手段に貯蔵されたアンモニアガスが、還元剤として窒素酸化物還元触媒の上流側に添加されるので、排気中に十分に拡散され、かつ排気温度を低下させることなく、窒素酸化物還元触媒の活性を高められ、窒素酸化物浄化効率を向上させたディーゼルエンジンの排気浄化装置が得られる。
【０００７】
請求項２記載の発明は、前記ディーゼルエンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記運転状態検出手段により検出された運転状態に基づいて、前記アンモニアガス添加手段によるアンモニアガスの添加流量を制御する添加制御手段と、を含んで構成されることを特徴とする。
かかる構成によれば、添加制御手段により、ディーゼルエンジンの運転状態に基づいて窒素酸化物還元触媒の上流側へのアンモニアガスの添加流量が最適な流量に制御され、アンモニアガスの消費量が最小限に抑制される。
【０００８】
請求項３記載の発明は、前記尿素加水分解触媒の触媒温度を検出する触媒温度検出手段と、前記アンモニアガス貯蔵手段内のガス圧力を検出する圧力検出手段と、前記触媒温度検出手段及び圧力検出手段により夫々検出された触媒温度及びガス圧力に基づいて、前記尿素水溶液供給手段による尿素水溶液の供給流量を制御する供給制御手段と、を含んで構成されることを特徴とする。
【０００９】
かかる構成によれば、供給制御手段は、アンモニアガス貯蔵手段内のガス圧力及び尿素加水分解触媒の触媒温度に基づいて、尿素水溶液供給手段による尿素水溶液の供給流量を制御することによって、尿素加水分解触媒におけるアンモニアガスの発生量を制御するので、アンモニアガス貯蔵手段内のアンモニアガスが常に十分な圧力に保持されるようになる。その際に、供給制御手段は、尿素加水分解触媒の触媒温度が活性温度未満の場合に、尿素水溶液を尿素加水分解触媒に供給しないように尿素水溶液供給手段を制御すれば、尿素水溶液の消費量を抑制できる。
【００１０】
請求項４記載の発明は、前記尿素加水分解触媒の触媒温度を検出する触媒温度検出手段と、前記尿素加水分解触媒を加熱する加熱手段と、前記触媒温度検出手段により検出された触媒温度に基づいて、前記加熱手段の作動を制御する加熱制御手段と、を含んで構成されることを特徴とする。
かかる構成によれば、尿素加水分解触媒は、触媒温度が低いときには、加熱手段により加熱されるので、単位時間当たりのアンモニアガスの生成量を増加することができる。
【００１１】
請求項５記載の発明は、前記尿素加水分解触媒は、前記排気通路から受熱可能に、略鉛直方向に沿って延びるように配置され、鉛直方向下部に尿素水溶液が流入する流入口が設けられるとともに、鉛直方向上部に前記アンモニアガス貯蔵手段が一体的に設けられたことを特徴とする。
かかる構成によれば、尿素加水分解触媒の鉛直方向下部に尿素水溶液の流入口が設けられると共に、鉛直方向上部にアンモニアガス貯蔵手段を設けたので、尿素加水分解触媒において尿素水溶液からアンモニアガスを生成する際に残った尿素水溶液が、アンモニアガス貯蔵手段に流入することはない。更に、アンモニア貯蔵手段と尿素加水分解触媒を一体化してコンパクトにすることができる。
【００１２】
請求項６記載の発明は、前記アンモニアガス貯蔵手段は、前記アンモニア貯蔵手段内で冷却して液化したアンモニアを、鉛直方向下方に位置する前記尿素加水分解触媒に戻すように、傾斜した底板を有することを特徴とする。
かかる構成によれば、アンモニア貯蔵手段内のアンモニアガスは、冷却して液化しても、傾斜した底板に沿って鉛直下方に流れ落ちて、尿素加水分解触媒に戻り、再度加熱され、気化するので、アンモニアガス貯蔵手段に液化したアンモニアが溜まることなく、添加制御手段により排気中に液体のアンモニアが添加されることを防止する。
【００１３】
請求項７記載の発明は、前記加熱手段から外気への放熱を抑制する断熱手段が設けられたことを特徴とする。
かかる構成によれば、加熱手段により発生した熱量が外気へ極力漏れることなく、加熱手段により効率よく尿素加水分解触媒を加熱できるので、加熱手段の消費エネルギーが極力抑制される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、本発明に係るディーゼルエンジンの排気浄化装置の構成を示すブロック図である。
車両のディーゼルエンジン１の排気通路２には、排気流通方向に沿って、粒子状物質（ＰＭ）を捕集除去するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）３と窒素酸化物を還元浄化する窒素酸化物還元触媒４とが、介装されている。
【００１５】
ＤＰＦ３は、セラミック等の多孔性部材からなる隔壁により排気流と略平行なセルが多数形成され、各セルの入口と出口とが目封材により互い違いに千鳥格子状に目封じされた構成をなす。そして、出口が塞がれたセル内の排気が、隔壁を介して入口が塞がれている隣接するセルに流入するとき、排気中のＰＭが隔壁を形成する多孔性部材により捕集除去される。
【００１６】
一方、窒素酸化物還元触媒４は、セラミックのコーディライトやＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系の耐熱鋼からなるハニカム形状の横断面を有するモノリスタイプの触媒担体に、例えば、ゼオライト系の活性成分が担持された構成をなす。そして、触媒担体に担持された活性成分は、還元剤としてのアンモニア（ＮＨ３）の供給を受けて活性化し、窒素酸化物を効果的に無害物質に転化させる。
【００１７】
ディーゼルエンジン１とＤＰＦ３の間の排気通路２には、尿素水溶液からアンモニアと二酸化炭素（ＣＯ２）の混合気であるアンモニアガスを発生させるアンモニア発生装置５が設けられている。アンモニア発生装置５は、図２に示すように、排気通路２の周囲を囲むように鉛直方向に立設し、両端を閉塞した略円筒状の本体３０の内部に尿素加水分解触媒３１が充填されており、鉛直方向下端に尿素水溶液が流入される流入口３２が設けられ、鉛直方向上端にはアンモニアガスを排出する排出口３３が設けられている。また、本体３０の周囲には、電気ヒータ３４（加熱手段）が設けられていて、この電気ヒータ３４は、発熱することにより、尿素加水分解触媒３１の触媒温度を上昇させる。本体３０には、触媒温度センサ３５（触媒温度検出手段）が設けられていて、尿素加水分解触媒３１の触媒温度を検出する。
【００１８】
なお、尿素加水分解触媒３１は、酸化チタン（ＴｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリカ（ＳｉＯ２）等を混合して生成したペレットから構成される。このような構成により、アンモニア発生装置５は、下記の化学式のように、外部から供給された尿素水溶液から、アンモニアと二酸化炭素とを生成する。
（ＮＨ２）２ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→２ＮＨ３＋ＣＯ２
更に、車両には、尿素水溶液が貯蔵される尿素水溶液タンク６（尿素水溶液貯蔵手段）が設けられている。そして、この尿素水溶液タンク６に貯蔵された尿素水溶液は、ポンプ７（尿素水溶液供給手段）により第１のチェックバルブ８を通って、アンモニア発生装置５に供給され、ここで発生したアンモニアガスは、第２のチェックバルブ９を通って、車両に設けられたアンモニアガスタンク１０（アンモニアガス貯蔵手段）に貯蔵される。
【００１９】
このアンモニアガスタンク１０と、窒素酸化物還元触媒４の上流側の排気通路２と、の間には、排気中にアンモニアガスを添加するアンモニアガス添加手段１１が設けられる。このアンモニアガス添加手段１１は、アンモニアガス導入路１１Ａと、制御弁１１Ｂと、を含んで構成される。アンモニアガス導入路１１Ａは、アンモニアガスタンク１０と、窒素酸化物還元触媒４の上流側の排気通路２と、を連通した配管であり、制御弁１１Ｂは、このアンモニアガス導入路１１Ａに介装されており、アンモニアガス導入路１１Ａを流れるアンモニアガスの流量を調節する。
【００２０】
そして、窒素酸化物還元触媒４はこのアンモニアガスを還元剤として、ディーゼルエンジン１から排出された排気から、窒素酸化物を還元除去する。
更に、窒素酸化物還元触媒４の下流側の排気通路２には余剰還元剤酸化触媒１２が設けられ、窒素酸化物還元触媒４にて余ったアンモニアガスを酸化して排気中から除去する。
【００２１】
ところで、ディーゼルエンジン１には、運転状態を検出する運転状態検出手段として、吸気流量を検出する吸気流量センサ１３、回転速度を検出する回転速度センサ１４、負荷を検出する負荷センサ１５が設けられ、更に、排気通路２には、排気温度を検出する排気温度センサ１６、排気中の窒素酸化物の濃度を検出する窒素酸化物センサ１７及び排気圧力を検出する排気圧力センサ１８が設けられている。そして、車両には、マイクロコンピュータを内蔵したアンモニアガス供給コントロールユニット１９（添加制御手段）が設けられ、このアンモニアガス供給コントロールユニット１９は、上述の吸気流量センサ１３、回転速度センサ１４、負荷センサ１５、排気温度センサ１６、窒素酸化物センサ１７、排気圧力センサ１８により夫々検出された、吸気流量、回転速度、負荷、排気温度、窒素酸化物濃度及び排気圧力から、排気中の窒素酸化物を還元するために必要なアンモニアガスの添加流量を演算し、制御弁１１Ａを制御することにより、アンモニアガスタンク１０に貯蔵されたアンモニアガスの窒素酸化物還元触媒４の上流側の排気通路２への添加流量を調節する。これにより、アンモニアガスタンク１０からディーゼルエンジン１の運転状況に見合った最適な量のアンモニアガスが窒素酸化物還元触媒４の上流側に添加される。
【００２２】
更に、車両には、尿素加水分解コントロールユニット２０（供給制御手段、加熱制御手段）が設けられている。この尿素加水分解コントロールユニット２０は、アンモニアガスタンク１０に設けられた圧力センサ２１（圧力検出手段）により検出されたアンモニアガスタンク１０内の圧力と、アンモニア発生装置５に設けられた触媒温度センサ３５により検出された尿素加水分解触媒３１の触媒温度に応じて、ポンプ７及びアンモニア発生装置５に設けられた電気ヒータ３４の作動を制御する。
【００２３】
ここで、図３を用いて、尿素加水分解コントロールユニット２０における制御方法を詳述する。まず、尿素加水分解コントロールユニット２０は、車両のキースイッチＯＮにて電源が供給され、制御を開始する。始めにステップ１（図ではＳ１と表記する、以下同様）では、電気ヒータ３４の作動を停止させる。次にステップ２では、ポンプ７の作動を停止させる。そして、ステップ３では、回転速度センサ１４からの信号により、ディーゼルエンジン１が稼動中であるかを判定し、稼動中でない（停止した）場合は制御が終了する。ディーゼルエンジン１が稼動中である場合はステップ４へ進む。
【００２４】
ステップ４では、圧力センサ２１からの信号によりアンモニアガスタンク１０内の圧力が設定圧未満であるか判定し、設定圧未満でない場合は、ステップ１に戻る。設定圧未満の場合は、ステップ５に進み、ステップ５では、触媒温度センサ３５からの信号により、尿素加水分解触媒３１の触媒温度が活性温度以上であるか判定する。活性温度以上でない場合は、ステップ６に進み、ステップ６では、ポンプ７の作動を停止させ、次に、ステップ７では、電気ヒータ３４を作動させ、尿素加水分解触媒３１を加熱し、再びステップ５に戻る。
【００２５】
一方、尿素加水分解触媒３１の触媒温度が活性温度以上である場合は、ステップ８に進む。ステップ８では、電気ヒータ３４の作動を停止させ、次にステップ９では、ポンプ７を作動させる。そして、ステップ３に戻る。なお、ステップ４，ステップ５、ステップ６及びステップ９が供給制御手段に、ステップ５、ステップ７及びステップ８が加熱制御手段に相当する。
【００２６】
以上のようにして、アンモニアガスタンク１０内の圧力が設定圧未満の場合は、ポンプ７を作動して、尿素水溶液をアンモニア発生装置５に供給する。また、尿素加水分解触媒３１の触媒温度が活性温度未満の場合は、ポンプ７の作動は行わず、電気ヒータ３４を作動して尿素加水分解触媒３１を活性温度になるまで加熱する。そして、尿素加水分解触媒３１の触媒温度が活性温度以上となったら、電気ヒータ３４の作動を停止させ、ポンプ７を作動して、尿素水溶液をアンモニア発生装置５に供給する。
【００２７】
以上により、尿素加水分解触媒３１によって、ディーゼルエンジン１の排気熱を利用して、尿素水溶液タンク６に貯蔵された尿素水溶液からアンモニアガスが生成され、アンモニアガスタンク１０に貯蔵される。そして、このアンモニアガスは窒素酸化物還元触媒４の上流側に必要量添加され、ディーゼルエンジン１の排気中の窒素酸化物が還元除去される。
【００２８】
なお、アンモニア発生装置５は、排気通路のいずれの位置に配置しても実施はできるが、ディーゼルエンジン１の排気マニフォールド近傍の排気通路２に設けることが好ましい。これは、ディーゼルエンジン１の排気マニフォールド近傍に配置することによって、排気熱を有効に利用できるためである。
第２の実施例として、図４に示すように、アンモニア発生装置５の鉛直方向上部に、本体３０と一体となるように、アンモニアガスタンク１０を設けても良い。これにより、本発明のディーゼルエンジンの排気浄化装置をコンパクトに構成できる。更に、排気通路２の排気熱により、アンモニアガスタンク１０内のアンモニアガスが加熱されるので、アンモニアガスが冷却して液化するのを抑制できる。また、アンモニアガスタンク１０の底板３６を、アンモニア発生装置５に向かって鉛直方向下方に傾斜することにより、例えアンモニアガスタンク１０内のアンモニアガスが冷却してアンモニアが液化しても、傾斜した底板に沿って鉛直下方のアンモニア発生装置５に流れ落ちるので、液化したアンモニアは排気熱によって加熱され気化される。これにより、アンモニアガスタンク１０に液化したアンモニアが溜まらずに、排気通路２に液体のアンモニアが添加されることを防止できる。
【００２９】
第３の実施例として、図５に示すように、排気通路２に配管３７を巻きつけるような構成としても良い。この配管３７の中には尿素加水分解触媒３０が充填されており、この配管３７に尿素水溶液を通すことにより、排気通路２の排気熱によりアンモニアガスが得られる。
更に、以上述べたいずれの実施例においても、アンモニア発生装置５の周囲を断熱材（断熱手段）で包むことが好ましい。これにより、排気通路２の熱及び電気ヒータ３４の熱が外気へ放熱することなく、効率よく尿素加水分解触媒３０の加熱に利用され、電気ヒータの消費電力を低減することができる。
【００３０】
また、以上の実施例では、アンモニアガス供給コントロールユニット１９及び尿素加水分解コントロールユニット２０は、独立して設けられているが、一体にして設けても良い。一体にすることにより、部品点数が削減できる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、アンモニアガス貯蔵手段に貯蔵されたアンモニアガスが、還元剤として窒素酸化物還元触媒の上流側に添加されるので、排気中に十分に拡散され、かつ排気温度を低下させることなく、窒素酸化物還元触媒の活性を高められ、窒素酸化物浄化効率を向上させたディーゼルエンジンの排気浄化装置が得られる。
【００３２】
請求項２記載の発明によれば、添加制御手段により、ディーゼルエンジンの運転状態に基づいて窒素酸化物還元触媒の上流側へのアンモニアガスの添加流量が最適な流量に制御され、アンモニアガスの消費量が最小限に抑制される。
請求項３記載の発明によれば、供給制御手段は、アンモニアガス貯蔵手段内のガス圧力及び尿素加水分解触媒の触媒温度に基づいて、尿素水溶液供給手段による尿素水溶液の供給流量を制御することによって、尿素加水分解触媒におけるアンモニアガスの発生量を制御するので、アンモニアガス貯蔵手段内のアンモニアガスが常に十分な圧力に保持されるようになる。その際に、供給制御手段は、尿素加水分解触媒の触媒温度が活性温度未満の場合に、尿素水溶液を尿素加水分解触媒に供給しないように尿素水溶液供給手段を制御すれば、尿素水溶液の消費量を抑制できる。
【００３３】
請求項４記載の発明によれば、尿素加水分解触媒は、触媒温度が低いときには、加熱手段により加熱されるので、単位時間当たりのアンモニアガスの生成量を増加することができ、ディーゼルエンジンの始動直後など、触媒温度が低いときでも、アンモニアガスの不足による窒素酸化物の除去性能の低下を抑制できる。請求項５記載の発明によれば、尿素加水分解触媒の鉛直方向下部に尿素水溶液の流入口が設けられると共に、鉛直方向上部にアンモニアガス貯蔵手段が設けられたので、尿素加水分解触媒において、尿素水溶液からアンモニアガスを生成する際に残った尿素水溶液が、アンモニアガス貯蔵手段に流入することはない。更に、アンモニア貯蔵手段と尿素加水分解触媒を一体化してコンパクトにすることができる。
請求項６記載の発明によれば、アンモニア貯蔵手段内のアンモニアガスは、冷却して液化しても、傾斜した底板に沿って鉛直下方に流れ落ちて、尿素加水分解触媒に戻り、再度加熱され、気化するので、アンモニアガス貯蔵手段に液化したアンモニアが溜まることなく、添加制御手段により排気中に液体のアンモニアが添加されることを防止する。
【００３４】
請求項７記載の発明によれば、加熱手段により発生した熱量が外気へ極力漏れることなく、加熱手段により効率よく尿素加水分解触媒を加熱できるので、加熱手段の消費エネルギーが極力抑制される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のディーゼルエンジンの排気浄化装置の構成を示すブロック図
【図２】同上の第１実施例におけるアンモニア発生装置の構造図
【図３】同上の尿素加水分解コントロールユニットにおける制御内容を示すフローチャート
【図４】本発明の第２実施例におけるアンモニア発生装置の構造図
【図５】本発明の第３実施例におけるアンモニア発生装置の構造図
【符号の説明】
１ ディーゼルエンジン
２ 排気通路
４ 窒素酸化物還元触媒
５ アンモニア発生装置
６ 尿素水溶液タンク
７ ポンプ
１０ アンモニアガスタンク
１１ アンモニアガス添加手段
１１Ａ アンモニアガス導入路
１１Ｂ 制御弁
１３ 吸気流量センサ
１４ 回転速度センサ
１５ 負荷センサ
１６ 排気温度センサ
１７ 窒素酸化物センサ
１８ 排気圧力センサ
１９ アンモニアガス供給コントロールユニット
２０ 尿素加水分解コントロールユニット
２１ タンク内圧力センサ
３５ 触媒温度センサ
３１ 尿素加水分解触媒
３４ 電気ヒータ
３６ 底板
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジンの排気浄化装置において、特に、窒素酸化物の浄化効率を向上させる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンから排出される排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する排気浄化装置として、例えば、特開２００２−４８４０号公報に開示されるような排気浄化装置が提案されている。かかる排気浄化装置は、酸素過剰雰囲気で窒素酸化物を無害な窒素（Ｎ２）、酸素（Ｏ２）等に転化すべく、ディーゼルエンジンの排気通路に窒素酸化物還元触媒が介装されている。また、窒素酸化物還元触媒における窒素酸化物浄化効率を高めるべく、固体状の尿素（（ＮＨ２）２ＣＯ）等の還元剤を車両上に搭載し、加熱液化して、液体状となった還元剤を窒素酸化物還元触媒の上流側の排気通路に添加する構成が採用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように、液体状の還元剤を排気通路に添加すると、還元剤が液滴状態で添加されるため、窒素酸化物還元触媒に対する還元剤の供給にむらが生じ、還元剤の拡散が不十分になり易いおそれがあった。また、還元剤が液滴状態で排気と混合するため、気化熱により排気温度が低下し、窒素酸化物還元触媒の活性が低下してしまうという問題点があった。このため、従来技術においては、液体状の還元剤を添加しても、窒素酸化物還元触媒による窒素酸化物浄化効率が期待したほど向上しなかった。
【０００４】
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、還元剤の拡散性を高めると共に、窒素酸化物還元触媒の活性の低下を防止することで、窒素酸化物還元触媒による窒素酸化物浄化効率を向上させたディーゼルエンジンの排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１記載の発明では、尿素水溶液を貯蔵する尿素水溶液貯蔵手段と、ディーゼルエンジンの排気熱を利用して、尿素水溶液からアンモニアガスを生成する尿素加水分解触媒と、前記尿素水溶液貯蔵手段に貯蔵された尿素水溶液を前記尿素加水分解触媒に供給する尿素水溶液供給手段と、前記尿素加水分解触媒により生成されたアンモニアガスを貯蔵するアンモニアガス貯蔵手段と、前記ディーゼルエンジンの排気通路に介装され、前記ディーゼルエンジンの排気中の窒素酸化物を還元除去する窒素酸化物還元触媒と、前記アンモニアガス貯蔵手段に貯蔵されたアンモニアガスを前記窒素酸化物還元触媒の上流側に添加するアンモニアガス添加手段と、を含んで構成されることを特徴とする。
【０００６】
かかる構成によれば、尿素加水分解触媒により、ディーゼルエンジンの排気熱を利用して、尿素水溶液貯蔵手段に貯蔵された尿素水溶液からアンモニアガスが生成され、アンモニアガス貯蔵手段に貯蔵される。そして、このアンモニアガス貯蔵手段に貯蔵されたアンモニアガスが、還元剤として窒素酸化物還元触媒の上流側に添加されるので、排気中に十分に拡散され、かつ排気温度を低下させることなく、窒素酸化物還元触媒の活性を高められ、窒素酸化物浄化効率を向上させたディーゼルエンジンの排気浄化装置が得られる。
【０００７】
請求項２記載の発明は、前記ディーゼルエンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記運転状態検出手段により検出された運転状態に基づいて、前記アンモニアガス添加手段によるアンモニアガスの添加流量を制御する添加制御手段と、を含んで構成されることを特徴とする。
かかる構成によれば、添加制御手段により、ディーゼルエンジンの運転状態に基づいて窒素酸化物還元触媒の上流側へのアンモニアガスの添加流量が最適な流量に制御され、アンモニアガスの消費量が最小限に抑制される。
【０００８】
請求項３記載の発明は、前記尿素加水分解触媒の触媒温度を検出する触媒温度検出手段と、前記アンモニアガス貯蔵手段内のガス圧力を検出する圧力検出手段と、前記触媒温度検出手段及び圧力検出手段により夫々検出された触媒温度及びガス圧力に基づいて、前記尿素水溶液供給手段による尿素水溶液の供給流量を制御する供給制御手段と、を含んで構成されることを特徴とする。
【０００９】
かかる構成によれば、供給制御手段は、アンモニアガス貯蔵手段内のガス圧力及び尿素加水分解触媒の触媒温度に基づいて、尿素水溶液供給手段による尿素水溶液の供給流量を制御することによって、尿素加水分解触媒におけるアンモニアガスの発生量を制御するので、アンモニアガス貯蔵手段内のアンモニアガスが常に十分な圧力に保持されるようになる。その際に、供給制御手段は、尿素加水分解触媒の触媒温度が活性温度未満の場合に、尿素水溶液を尿素加水分解触媒に供給しないように尿素水溶液供給手段を制御すれば、尿素水溶液の消費量を抑制できる。
【００１０】
請求項４記載の発明は、前記尿素加水分解触媒の触媒温度を検出する触媒温度検出手段と、前記尿素加水分解触媒を加熱する加熱手段と、前記触媒温度検出手段により検出された触媒温度に基づいて、前記加熱手段の作動を制御する加熱制御手段と、を含んで構成されることを特徴とする。
かかる構成によれば、尿素加水分解触媒は、触媒温度が低いときには、加熱手段により加熱されるので、単位時間当たりのアンモニアガスの生成量を増加することができる。
【００１１】
請求項５記載の発明は、前記尿素加水分解触媒は、前記排気通路から受熱可能に、略鉛直方向に沿って延びるように配置され、鉛直方向下部に尿素水溶液が流入する流入口が設けられるとともに、鉛直方向上部に前記アンモニアガス貯蔵手段が一体的に設けられたことを特徴とする。
かかる構成によれば、尿素加水分解触媒の鉛直方向下部に尿素水溶液の流入口が設けられると共に、鉛直方向上部にアンモニアガス貯蔵手段を設けたので、尿素加水分解触媒において尿素水溶液からアンモニアガスを生成する際に残った尿素水溶液が、アンモニアガス貯蔵手段に流入することはない。更に、アンモニア貯蔵手段と尿素加水分解触媒を一体化してコンパクトにすることができる。
【００１２】
請求項６記載の発明は、前記アンモニアガス貯蔵手段は、前記アンモニア貯蔵手段内で冷却して液化したアンモニアを、鉛直方向下方に位置する前記尿素加水分解触媒に戻すように、傾斜した底板を有することを特徴とする。
かかる構成によれば、アンモニア貯蔵手段内のアンモニアガスは、冷却して液化しても、傾斜した底板に沿って鉛直下方に流れ落ちて、尿素加水分解触媒に戻り、再度加熱され、気化するので、アンモニアガス貯蔵手段に液化したアンモニアが溜まることなく、添加制御手段により排気中に液体のアンモニアが添加されることを防止する。
【００１３】
請求項７記載の発明は、前記加熱手段から外気への放熱を抑制する断熱手段が設けられたことを特徴とする。
かかる構成によれば、加熱手段により発生した熱量が外気へ極力漏れることなく、加熱手段により効率よく尿素加水分解触媒を加熱できるので、加熱手段の消費エネルギーが極力抑制される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、本発明に係るディーゼルエンジンの排気浄化装置の構成を示すブロック図である。
車両のディーゼルエンジン１の排気通路２には、排気流通方向に沿って、粒子状物質（ＰＭ）を捕集除去するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）３と窒素酸化物を還元浄化する窒素酸化物還元触媒４とが、介装されている。
【００１５】
ＤＰＦ３は、セラミック等の多孔性部材からなる隔壁により排気流と略平行なセルが多数形成され、各セルの入口と出口とが目封材により互い違いに千鳥格子状に目封じされた構成をなす。そして、出口が塞がれたセル内の排気が、隔壁を介して入口が塞がれている隣接するセルに流入するとき、排気中のＰＭが隔壁を形成する多孔性部材により捕集除去される。
【００１６】
一方、窒素酸化物還元触媒４は、セラミックのコーディライトやＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系の耐熱鋼からなるハニカム形状の横断面を有するモノリスタイプの触媒担体に、例えば、ゼオライト系の活性成分が担持された構成をなす。そして、触媒担体に担持された活性成分は、還元剤としてのアンモニア（ＮＨ３）の供給を受けて活性化し、窒素酸化物を効果的に無害物質に転化させる。
【００１７】
ディーゼルエンジン１とＤＰＦ３の間の排気通路２には、尿素水溶液からアンモニアと二酸化炭素（ＣＯ２）の混合気であるアンモニアガスを発生させるアンモニア発生装置５が設けられている。アンモニア発生装置５は、図２に示すように、排気通路２の周囲を囲むように鉛直方向に立設し、両端を閉塞した略円筒状の本体３０の内部に尿素加水分解触媒３１が充填されており、鉛直方向下端に尿素水溶液が流入される流入口３２が設けられ、鉛直方向上端にはアンモニアガスを排出する排出口３３が設けられている。また、本体３０の周囲には、電気ヒータ３４（加熱手段）が設けられていて、この電気ヒータ３４は、発熱することにより、尿素加水分解触媒３１の触媒温度を上昇させる。本体３０には、触媒温度センサ３５（触媒温度検出手段）が設けられていて、尿素加水分解触媒３１の触媒温度を検出する。
【００１８】
なお、尿素加水分解触媒３１は、酸化チタン（ＴｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリカ（ＳｉＯ２）等を混合して生成したペレットから構成される。このような構成により、アンモニア発生装置５は、下記の化学式のように、外部から供給された尿素水溶液から、アンモニアと二酸化炭素とを生成する。
（ＮＨ２）２ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→２ＮＨ３＋ＣＯ２
更に、車両には、尿素水溶液が貯蔵される尿素水溶液タンク６（尿素水溶液貯蔵手段）が設けられている。そして、この尿素水溶液タンク６に貯蔵された尿素水溶液は、ポンプ７（尿素水溶液供給手段）により第１のチェックバルブ８を通って、アンモニア発生装置５に供給され、ここで発生したアンモニアガスは、第２のチェックバルブ９を通って、車両に設けられたアンモニアガスタンク１０（アンモニアガス貯蔵手段）に貯蔵される。
【００１９】
このアンモニアガスタンク１０と、窒素酸化物還元触媒４の上流側の排気通路２と、の間には、排気中にアンモニアガスを添加するアンモニアガス添加手段１１が設けられる。このアンモニアガス添加手段１１は、アンモニアガス導入路１１Ａと、制御弁１１Ｂと、を含んで構成される。アンモニアガス導入路１１Ａは、アンモニアガスタンク１０と、窒素酸化物還元触媒４の上流側の排気通路２と、を連通した配管であり、制御弁１１Ｂは、このアンモニアガス導入路１１Ａに介装されており、アンモニアガス導入路１１Ａを流れるアンモニアガスの流量を調節する。
【００２０】
そして、窒素酸化物還元触媒４はこのアンモニアガスを還元剤として、ディーゼルエンジン１から排出された排気から、窒素酸化物を還元除去する。
更に、窒素酸化物還元触媒４の下流側の排気通路２には余剰還元剤酸化触媒１２が設けられ、窒素酸化物還元触媒４にて余ったアンモニアガスを酸化して排気中から除去する。
【００２１】
ところで、ディーゼルエンジン１には、運転状態を検出する運転状態検出手段として、吸気流量を検出する吸気流量センサ１３、回転速度を検出する回転速度センサ１４、負荷を検出する負荷センサ１５が設けられ、更に、排気通路２には、排気温度を検出する排気温度センサ１６、排気中の窒素酸化物の濃度を検出する窒素酸化物センサ１７及び排気圧力を検出する排気圧力センサ１８が設けられている。そして、車両には、マイクロコンピュータを内蔵したアンモニアガス供給コントロールユニット１９（添加制御手段）が設けられ、このアンモニアガス供給コントロールユニット１９は、上述の吸気流量センサ１３、回転速度センサ１４、負荷センサ１５、排気温度センサ１６、窒素酸化物センサ１７、排気圧力センサ１８により夫々検出された、吸気流量、回転速度、負荷、排気温度、窒素酸化物濃度及び排気圧力から、排気中の窒素酸化物を還元するために必要なアンモニアガスの添加流量を演算し、制御弁１１Ａを制御することにより、アンモニアガスタンク１０に貯蔵されたアンモニアガスの窒素酸化物還元触媒４の上流側の排気通路２への添加流量を調節する。これにより、アンモニアガスタンク１０からディーゼルエンジン１の運転状況に見合った最適な量のアンモニアガスが窒素酸化物還元触媒４の上流側に添加される。
【００２２】
更に、車両には、尿素加水分解コントロールユニット２０（供給制御手段、加熱制御手段）が設けられている。この尿素加水分解コントロールユニット２０は、アンモニアガスタンク１０に設けられた圧力センサ２１（圧力検出手段）により検出されたアンモニアガスタンク１０内の圧力と、アンモニア発生装置５に設けられた触媒温度センサ３５により検出された尿素加水分解触媒３１の触媒温度に応じて、ポンプ７及びアンモニア発生装置５に設けられた電気ヒータ３４の作動を制御する。
【００２３】
ここで、図３を用いて、尿素加水分解コントロールユニット２０における制御方法を詳述する。まず、尿素加水分解コントロールユニット２０は、車両のキースイッチＯＮにて電源が供給され、制御を開始する。始めにステップ１（図ではＳ１と表記する、以下同様）では、電気ヒータ３４の作動を停止させる。次にステップ２では、ポンプ７の作動を停止させる。そして、ステップ３では、回転速度センサ１４からの信号により、ディーゼルエンジン１が稼動中であるかを判定し、稼動中でない（停止した）場合は制御が終了する。ディーゼルエンジン１が稼動中である場合はステップ４へ進む。
【００２４】
ステップ４では、圧力センサ２１からの信号によりアンモニアガスタンク１０内の圧力が設定圧未満であるか判定し、設定圧未満でない場合は、ステップ１に戻る。設定圧未満の場合は、ステップ５に進み、ステップ５では、触媒温度センサ３５からの信号により、尿素加水分解触媒３１の触媒温度が活性温度以上であるか判定する。活性温度以上でない場合は、ステップ６に進み、ステップ６では、ポンプ７の作動を停止させ、次に、ステップ７では、電気ヒータ３４を作動させ、尿素加水分解触媒３１を加熱し、再びステップ５に戻る。
【００２５】
一方、尿素加水分解触媒３１の触媒温度が活性温度以上である場合は、ステップ８に進む。ステップ８では、電気ヒータ３４の作動を停止させ、次にステップ９では、ポンプ７を作動させる。そして、ステップ３に戻る。なお、ステップ４，ステップ５、ステップ６及びステップ９が供給制御手段に、ステップ５、ステップ７及びステップ８が加熱制御手段に相当する。
【００２６】
以上のようにして、アンモニアガスタンク１０内の圧力が設定圧未満の場合は、ポンプ７を作動して、尿素水溶液をアンモニア発生装置５に供給する。また、尿素加水分解触媒３１の触媒温度が活性温度未満の場合は、ポンプ７の作動は行わず、電気ヒータ３４を作動して尿素加水分解触媒３１を活性温度になるまで加熱する。そして、尿素加水分解触媒３１の触媒温度が活性温度以上となったら、電気ヒータ３４の作動を停止させ、ポンプ７を作動して、尿素水溶液をアンモニア発生装置５に供給する。
【００２７】
以上により、尿素加水分解触媒３１によって、ディーゼルエンジン１の排気熱を利用して、尿素水溶液タンク６に貯蔵された尿素水溶液からアンモニアガスが生成され、アンモニアガスタンク１０に貯蔵される。そして、このアンモニアガスは窒素酸化物還元触媒４の上流側に必要量添加され、ディーゼルエンジン１の排気中の窒素酸化物が還元除去される。
【００２８】
なお、アンモニア発生装置５は、排気通路のいずれの位置に配置しても実施はできるが、ディーゼルエンジン１の排気マニフォールド近傍の排気通路２に設けることが好ましい。これは、ディーゼルエンジン１の排気マニフォールド近傍に配置することによって、排気熱を有効に利用できるためである。
第２の実施例として、図４に示すように、アンモニア発生装置５の鉛直方向上部に、本体３０と一体となるように、アンモニアガスタンク１０を設けても良い。これにより、本発明のディーゼルエンジンの排気浄化装置をコンパクトに構成できる。更に、排気通路２の排気熱により、アンモニアガスタンク１０内のアンモニアガスが加熱されるので、アンモニアガスが冷却して液化するのを抑制できる。また、アンモニアガスタンク１０の底板３６を、アンモニア発生装置５に向かって鉛直方向下方に傾斜することにより、例えアンモニアガスタンク１０内のアンモニアガスが冷却してアンモニアが液化しても、傾斜した底板に沿って鉛直下方のアンモニア発生装置５に流れ落ちるので、液化したアンモニアは排気熱によって加熱され気化される。これにより、アンモニアガスタンク１０に液化したアンモニアが溜まらずに、排気通路２に液体のアンモニアが添加されることを防止できる。
【００２９】
第３の実施例として、図５に示すように、排気通路２に配管３７を巻きつけるような構成としても良い。この配管３７の中には尿素加水分解触媒３０が充填されており、この配管３７に尿素水溶液を通すことにより、排気通路２の排気熱によりアンモニアガスが得られる。
更に、以上述べたいずれの実施例においても、アンモニア発生装置５の周囲を断熱材（断熱手段）で包むことが好ましい。これにより、排気通路２の熱及び電気ヒータ３４の熱が外気へ放熱することなく、効率よく尿素加水分解触媒３０の加熱に利用され、電気ヒータの消費電力を低減することができる。
【００３０】
また、以上の実施例では、アンモニアガス供給コントロールユニット１９及び尿素加水分解コントロールユニット２０は、独立して設けられているが、一体にして設けても良い。一体にすることにより、部品点数が削減できる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、アンモニアガス貯蔵手段に貯蔵されたアンモニアガスが、還元剤として窒素酸化物還元触媒の上流側に添加されるので、排気中に十分に拡散され、かつ排気温度を低下させることなく、窒素酸化物還元触媒の活性を高められ、窒素酸化物浄化効率を向上させたディーゼルエンジンの排気浄化装置が得られる。
【００３２】
請求項２記載の発明によれば、添加制御手段により、ディーゼルエンジンの運転状態に基づいて窒素酸化物還元触媒の上流側へのアンモニアガスの添加流量が最適な流量に制御され、アンモニアガスの消費量が最小限に抑制される。
請求項３記載の発明によれば、供給制御手段は、アンモニアガス貯蔵手段内のガス圧力及び尿素加水分解触媒の触媒温度に基づいて、尿素水溶液供給手段による尿素水溶液の供給流量を制御することによって、尿素加水分解触媒におけるアンモニアガスの発生量を制御するので、アンモニアガス貯蔵手段内のアンモニアガスが常に十分な圧力に保持されるようになる。その際に、供給制御手段は、尿素加水分解触媒の触媒温度が活性温度未満の場合に、尿素水溶液を尿素加水分解触媒に供給しないように尿素水溶液供給手段を制御すれば、尿素水溶液の消費量を抑制できる。
【００３３】
請求項４記載の発明によれば、尿素加水分解触媒は、触媒温度が低いときには、加熱手段により加熱されるので、単位時間当たりのアンモニアガスの生成量を増加することができ、ディーゼルエンジンの始動直後など、触媒温度が低いときでも、アンモニアガスの不足による窒素酸化物の除去性能の低下を抑制できる。請求項５記載の発明によれば、尿素加水分解触媒の鉛直方向下部に尿素水溶液の流入口が設けられると共に、鉛直方向上部にアンモニアガス貯蔵手段が設けられたので、尿素加水分解触媒において、尿素水溶液からアンモニアガスを生成する際に残った尿素水溶液が、アンモニアガス貯蔵手段に流入することはない。更に、アンモニア貯蔵手段と尿素加水分解触媒を一体化してコンパクトにすることができる。
請求項６記載の発明によれば、アンモニア貯蔵手段内のアンモニアガスは、冷却して液化しても、傾斜した底板に沿って鉛直下方に流れ落ちて、尿素加水分解触媒に戻り、再度加熱され、気化するので、アンモニアガス貯蔵手段に液化したアンモニアが溜まることなく、添加制御手段により排気中に液体のアンモニアが添加されることを防止する。
【００３４】
請求項７記載の発明によれば、加熱手段により発生した熱量が外気へ極力漏れることなく、加熱手段により効率よく尿素加水分解触媒を加熱できるので、加熱手段の消費エネルギーが極力抑制される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のディーゼルエンジンの排気浄化装置の構成を示すブロック図
【図２】同上の第１実施例におけるアンモニア発生装置の構造図
【図３】同上の尿素加水分解コントロールユニットにおける制御内容を示すフローチャート
【図４】本発明の第２実施例におけるアンモニア発生装置の構造図
【図５】本発明の第３実施例におけるアンモニア発生装置の構造図
【符号の説明】
１ ディーゼルエンジン
２ 排気通路
４ 窒素酸化物還元触媒
５ アンモニア発生装置
６ 尿素水溶液タンク
７ ポンプ
１０ アンモニアガスタンク
１１ アンモニアガス添加手段
１１Ａ アンモニアガス導入路
１１Ｂ 制御弁
１３ 吸気流量センサ
１４ 回転速度センサ
１５ 負荷センサ
１６ 排気温度センサ
１７ 窒素酸化物センサ
１８ 排気圧力センサ
１９ アンモニアガス供給コントロールユニット
２０ 尿素加水分解コントロールユニット
２１ タンク内圧力センサ
３５ 触媒温度センサ
３１ 尿素加水分解触媒
３４ 電気ヒータ
３６ 底板
Claims (7)
- 尿素水溶液を貯蔵する尿素水溶液貯蔵手段と、
ディーゼルエンジンの排気熱を利用して、尿素水溶液からアンモニアガスを生成する尿素加水分解触媒と、
前記尿素水溶液貯蔵手段に貯蔵された尿素水溶液を前記尿素加水分解触媒に供給する尿素水溶液供給手段と、
前記尿素加水分解触媒により生成されたアンモニアガスを貯蔵するアンモニアガス貯蔵手段と、
前記ディーゼルエンジンの排気通路に介装され、前記ディーゼルエンジンの排気中の窒素酸化物を還元除去する窒素酸化物還元触媒と、
前記アンモニアガス貯蔵手段に貯蔵されたアンモニアガスを前記窒素酸化物還元触媒の上流側に添加するアンモニアガス添加手段と、
を含んで構成されることを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化装置。 - 前記ディーゼルエンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記運転状態検出手段により検出された運転状態に基づいて、前記アンモニアガス添加手段によるアンモニアガスの添加流量を制御する添加制御手段と、
を含んで構成されることを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。 - 前記尿素加水分解触媒の触媒温度を検出する触媒温度検出手段と、
前記アンモニアガス貯蔵手段内のガス圧力を検出する圧力検出手段と、
前記触媒温度検出手段及び圧力検出手段により夫々検出された触媒温度及びガス圧力に基づいて、前記尿素水溶液供給手段による尿素水溶液の供給流量を制御する供給制御手段と、
を含んで構成されることを特徴とする請求項１又は２記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。 - 前記尿素加水分解触媒の触媒温度を検出する触媒温度検出手段と、
前記尿素加水分解触媒を加熱する加熱手段と、
前記触媒温度検出手段により検出された触媒温度に基づいて、前記加熱手段の作動を制御する加熱制御手段と、
を含んで構成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。 - 前記尿素加水分解触媒は、前記排気通路から受熱可能に、略鉛直方向に沿って延びるように配置され、鉛直方向下部に尿素水溶液が流入する流入口が設けられるとともに、鉛直方向上部に前記アンモニアガス貯蔵手段が一体的に設けられたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
- 前記アンモニアガス貯蔵手段は、前記アンモニア貯蔵手段内で冷却して液化したアンモニアを、鉛直方向下方に位置する前記尿素加水分解触媒に戻すように、傾斜した底板を有することを特徴とする請求項５記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
- 前記加熱手段から外気への放熱を抑制する断熱手段が設けられたことを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１つに記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
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