JP2006242020A - 排気浄化装置 - Google Patents

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ＮＯx吸蔵還元触媒５を装備してなる排気浄化装置において、空気を供給する空気供給手段１１と、該空気供給手段１１から供給される空気に対し軽油１７を添加する燃料添加手段１８と、該燃料添加手段１８によって空気に対し添加される軽油１７を所要温度に上昇させる昇温手段２０と、該昇温手段２０によって所要温度に昇温させた軽油１７をＨ₂とＣＯに分解する改質触媒２１と、該改質触媒２１によって分解されたＨ₂とＣＯをＮＯx吸蔵還元触媒５の入側に還元剤として供給する還元剤供給管２２とを備える。
【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させる（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濃度を低下させ且つ排気ガス中の未燃ＨＣやＣＯ等の還元成分を増加させて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、前述の如く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、斯かる実情に鑑み、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しようとするものである。

本発明は、排気管の途中にＮＯx吸蔵還元触媒を装備してなる排気浄化装置において、
空気を供給する空気供給手段と、
該空気供給手段から供給される空気に対し燃料を添加する燃料添加手段と、
該燃料添加手段によって空気に対し添加される燃料を所要温度に上昇させる昇温手段と、
該昇温手段によって所要温度に昇温させた燃料をＨ₂とＣＯに分解する改質触媒と、
該改質触媒によって分解されたＨ₂とＣＯをＮＯx吸蔵還元触媒の入側に還元剤として供給する還元剤供給手段と
を備えたことを特徴とする排気浄化装置にかかるものである。

上記排気浄化装置によれば、以下のような作用が得られる。

空気供給手段から供給される空気に対し燃料添加手段によって添加される燃料は、昇温手段によって所要温度に昇温され、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に分解されて還元剤供給手段によりＮＯx吸蔵還元触媒の入側に還元剤として導入されるので、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。

前記排気浄化装置においては、昇温手段を、酸化触媒が一体的に担持され且つ通電が行われるヒータ触媒によって構成することが好ましい。

又、前記排気浄化装置においては、昇温手段を、燃料添加手段からの燃料の一部を燃焼させて昇温させるバーナによって構成すると共に、該バーナによって昇温させた雰囲気のもと燃料添加手段からの燃料を添加用として改質触媒の入側に導くよう構成することもできる。

本発明の排気浄化装置によれば、空気に対して添加した燃料を所要温度に昇温させ改質触媒にて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ＮＯx吸蔵還元触媒の再生を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させることができ、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させることができるという優れた効果を奏し得る。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１は本発明を実施する形態の一例であって、本図示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ＮＯx吸蔵還元触媒５がケーシング６に抱持されるように装備されている。

又、ここに図示している例では、前記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７が配置されており、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。

そして、圧縮空気が貯留されたエアタンク８から延びる空気供給管９の途中に、空気流量調節弁１０を設けて空気供給手段１１を構成し、該空気供給手段１１の空気流量調節弁１０より下流側における空気供給管９の途中に、噴射ノズル１２を貫通配置し、該噴射ノズル１２と軽油タンク１３との間を軽油供給管１４により接続し、該軽油供給管１４の途中に装備した供給ポンプ１５の駆動と軽油噴射弁１６の開作動とにより軽油タンク１３内の軽油１７（還元剤としての燃料）を前記噴射ノズル１２を介し前記空気供給管９の途中（後述するヒータ触媒２５及び改質触媒２１の入側）に添加し得るようにしてあり、これら噴射ノズル１２、軽油タンク１３、軽油供給管１４、供給ポンプ１５、軽油噴射弁１６により燃料添加手段１８を構成してある。

更に、前記空気供給手段１１の空気供給管９の延長線上に形成されたケーシング１９内に、前記燃料添加手段１８の噴射ノズル１２から噴射されて空気に対し添加される軽油１７を所要温度に上昇させる昇温手段２０と、該昇温手段２０によって所要温度に昇温させた軽油１７をＨ₂とＣＯに分解する改質触媒２１とを順次配設し、該改質触媒２１によって分解されたＨ₂とＣＯをＮＯx吸蔵還元触媒５の入側に還元剤として供給する還元剤供給管２２（還元剤供給手段）を、前記ケーシング１９の下流側端部に接続してある。

本図示例の場合、前記昇温手段２０は、バッテリ２３から電流コントローラ２４を介して通電が行われるヒータ触媒２５によって構成してあり、該ヒータ触媒２５としては、例えば、ハニカム状に形成したステンレス等の金属に白金等の酸化触媒を一体的に担持したものを採用することができる。

又、前記改質触媒２１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。

そして、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）をなす制御装置２６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２７からの回転数信号２７ａと、アクセルセンサ２８（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２８ａと、ＮＯx吸蔵還元触媒５の入側の温度を検出する温度センサ２９からの温度信号２９ａとから判断される現在の運転状態に基づき、軽油１７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１７の添加が実行されるように前記制御装置２６から供給ポンプ１５への駆動指令信号１５ａと軽油噴射弁１６への開度指令信号１６ａとが出力されると共に、空気流量調節弁１０への開度指令信号１０ａ、並びに電流コントローラ２４への電流調節信号２４ａが出力されるようになっている。

尚、前記空気供給手段１１を構成するエアタンク８としては、ブレーキ等に使用される圧縮空気を貯留するエアタンクを兼用すれば良いが、圧縮空気の消費量がブレーキ側から制限されるような場合には、専用のエアタンクをブレーキ用とは別に設けるようにすれば良い。

又、図１中、３０は吸気管であって、該吸気管３０途中には、排気マニホールド２の出側における排気管４途中に設けられたタービン３１によって駆動されるコンプレッサ３２が設けられ、該タービン３１とコンプレッサ３２とからターボチャージャ３３が構成されると共に、前記コンプレッサ３２より下流側における吸気管３０途中には、インタクーラ３４が設けられている。

次に、上記図示例の作用を説明する。

制御装置２６において、回転センサ２７からの回転数信号２７ａと、アクセルセンサ２８からの負荷信号２８ａと、温度センサ２９からの温度信号２９ａとから現在の運転状態が判断され、これに基づき、軽油１７の適切な添加量と噴射タイミングが決定され、前記制御装置２６から燃料添加手段１８の供給ポンプ１５へ駆動指令信号１５ａが出力され且つ軽油噴射弁１６へ開度指令信号１６ａが出力されると共に、空気供給手段１１の空気流量調節弁１０へ開度指令信号１０ａが出力され、更に電流コントローラ２４へ電流調節信号２４ａが出力される。

これにより、空気供給手段１１を構成するエアタンク８から空気供給管９へ所要量の空気が供給されると共に、燃料添加手段１８を構成する軽油タンク１３から所要量の軽油１７が軽油供給管１４を経て噴射ノズル１２より空気供給管９内の空気へ添加され、更に昇温手段２０を構成するバッテリ２３から電流コントローラ２４を介してヒータ触媒２５へ通電が行われ、前記燃料添加手段１８の噴射ノズル１２から空気供給管９内の空気へ添加される軽油１７は、昇温手段２０のヒータ触媒２５によって所要温度（およそ２２０〜３００［℃］程度）に昇温された後、改質触媒２１へ導かれ、該改質触媒２１にて軽油１７と共存するＯ₂と反応して雰囲気温度をおよそ６００［℃］前後まで上げ且つＯ₂が消費された後に軽油１７中のＨＣがＨ₂とＣＯに分解されて還元剤供給手段としての還元剤供給管２２によりＮＯx吸蔵還元触媒５の入側に還元剤として導入されるので、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。

こうして、空気に対して添加した軽油１７を所要温度に昇温させ改質触媒２１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１７の添加で効率良くＮＯx吸蔵還元触媒５の再生を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させることができ、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させることができる。

事実、本発明者等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１７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（破線で図示）と、軽油１７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（実線で図示）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。

図３は本発明を実施する形態の他の例であって、図中、図１と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、基本的な構成は図１に示すものと同様であるが、本図示例の特徴とするところは、図３に示す如く、昇温手段２０を、燃料添加手段１８からの軽油１７の一部を燃焼させて昇温させるバーナ３５によって構成すると共に、該バーナ３５によって昇温させた雰囲気のもと燃料添加手段１８からの軽油１７を添加用として改質触媒２１の入側に導くよう構成した点にある。

本図示例の場合、燃料添加手段１８の軽油供給管１４途中から昇温用軽油供給管１４´を分岐せしめ、該昇温用軽油供給管１４´から供給される軽油１７を、バーナ３５の点火プラグ３６近傍に導いて完全燃焼させると共に、前記燃料添加手段１８の噴射ノズル１２を改質触媒２１の入側に配置してある。

図３に示す例においては、昇温用軽油供給管１４´から供給される軽油１７がバーナ３５の点火プラグ３６近傍に導かれて完全燃焼することによって、改質触媒２１の入側の温度がおよそ２２０〜３００［℃］程度に昇温され、この雰囲気のもと、燃料添加手段１８の噴射ノズル１２から軽油１７を添加用として改質触媒２１の入側に導くと、該添加用の軽油１７が、改質触媒２１にて軽油１７と共存するＯ₂と反応して雰囲気温度をおよそ６００［℃］前後まで上げ且つＯ₂が消費された後に軽油１７中のＨＣがＨ₂とＣＯに分解されて還元剤供給手段としての還元剤供給管２２によりＮＯx吸蔵還元触媒５の入側に還元剤として導入されるので、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。

こうして、図３に示す例の場合にも、図１に示す例の場合と同様、空気に対して添加した軽油１７を所要温度に昇温させ改質触媒２１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１７の添加で効率良くＮＯx吸蔵還元触媒５の再生を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させることができ、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させることができる。

尚、本発明の排気浄化装置は、上述の図示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等、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低減率と排気温度との関係を比較例と共に示すグラフである。 本発明を実施する形態の他の例を示す概略図である。

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
５ ＮＯx吸蔵還元触媒
８ エアタンク
９ 空気供給管
１０ 空気流量調節弁
１１ 空気供給手段
１２ 噴射ノズル
１３ 軽油タンク
１４ 軽油供給管
１４´ 昇温用軽油供給管
１５ 供給ポンプ
１６ 軽油噴射弁
１７ 軽油
１８ 燃料添加手段
２０ 昇温手段
２１ 改質触媒
２２ 還元剤供給管（還元剤供給手段）
２５ ヒータ触媒
２６ 制御装置
３５ バーナ

Claims (3)

1. 排気管の途中にＮＯx吸蔵還元触媒を装備してなる排気浄化装置において、
   空気を供給する空気供給手段と、
   該空気供給手段から供給される空気に対し燃料を添加する燃料添加手段と、
   該燃料添加手段によって空気に対し添加される燃料を所要温度に上昇させる昇温手段と、
   該昇温手段によって所要温度に昇温させた燃料をＨ₂とＣＯに分解する改質触媒と、
   該改質触媒によって分解されたＨ₂とＣＯをＮＯx吸蔵還元触媒の入側に還元剤として供給する還元剤供給手段と
   を備えたことを特徴とする排気浄化装置。
2. 昇温手段を、酸化触媒が一体的に担持され且つ通電が行われるヒータ触媒によって構成した請求項１記載の排気浄化装置。
3. 昇温手段を、燃料添加手段からの燃料の一部を燃焼させて昇温させるバーナによって構成すると共に、該バーナによって昇温させた雰囲気のもと燃料添加手段からの燃料を添加用として改質触媒の入側に導くよう構成した請求項１記載の排気浄化装置。

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