JP2006161697A

JP2006161697A - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP2006161697A
Application number: JP2004355041A
Authority: JP
Inventors: Yoshihide Takenaka; 嘉英竹中
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2004-12-08
Filing date: 2004-12-08
Publication date: 2006-06-22

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】ディーゼルエンジン１から排気ガス３を導く排気管４の途中に装備されたＮＯx吸蔵還元触媒５と、該ＮＯx吸蔵還元触媒５への還元剤として適宜に多くの未燃燃料を排気ガス３中に残し得るよう前記ディーゼルエンジン１の各気筒内への燃料噴射を制御する制御装置１４と、前記ＮＯx吸蔵還元触媒５より上流側で排気ガス３中に放電してプラズマを発生させ且つそのプラズマにより未燃燃料をＨ₂とＣＯに分解するプラズマ発生装置７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。

そして、斯かる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（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濃度を低下し且つ排気ガス中の未燃ＨＣやＣＯ等の還元成分を増加して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）を添加する手段を新たに設け、これにより添加された燃料を還元剤としてＮＯx吸蔵還元触媒上でＯ₂と反応させ、排気ガス中のＯ₂濃度を積極的に低下させてＮＯx吸蔵還元触媒の再生を図る必要がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−３５６１２７号公報

しかしながら、このようにＮＯx吸蔵還元触媒の上流側で燃料添加を行うだけでは、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。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、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ことを目的としている。

本発明は、エンジンから排気ガスを導く排気管に装備されたＮＯx吸蔵還元触媒と、該ＮＯx吸蔵還元触媒の再生時に還元剤として未燃燃料を排気ガス中に多く残し得るよう前記エンジンの燃料噴射を制御する燃料噴射制御装置と、前記ＮＯx吸蔵還元触媒より上流側で排気ガス中に放電してプラズマを発生させ且つそのプラズマにより未燃燃料をＨ₂とＣＯに分解するプラズマ発生装置とを備えたことを特徴とする排気浄化装置、に係るものである。

而して、燃料噴射制御装置によりエンジンの各気筒内への燃料噴射を制御して排気ガス中に未燃燃料を多く残すと、該未燃燃料がＮＯx吸蔵還元触媒への還元剤として排気ガスと共に導かれることになる。

この未燃燃料を多く含む排気ガスに対し前段のプラズマ発生装置により放電を行うと、排気ガス中の未燃燃料（ＨＣ）がプラズマによる部分酸化反応でＨ₂とＣＯに分解されるので、後段のＮＯx吸蔵還元触媒の表面上で反応性の高いＨ₂及びＣＯが従来のＨＣの燃焼温度より低い燃焼温度から排気ガス中のＯ₂と反応（燃焼）する。

これにより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ＮＯxの分解放出が開始され、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ＮＯxが効率良くＮ₂に還元処理される結果、未燃燃料から生成されたＨＣをそのままＮＯx吸蔵還元触媒上で反応させる場合よりも比較的低い温度領域から高いＮＯx低減率が得られることになる。

更に、本発明においては、プラズマ発生装置より上流側の排気管に燃料を直接添加し得るよう燃料添加装置を追加装備しても良く、このようにすれば、必要に応じて燃料添加装置により燃料を排気管内に直接添加し、より確実にＮＯx吸蔵還元触媒の再生に必要な還元性雰囲気を実現することが可能となる。

上記した本発明の排気浄化装置によれば、エンジン側で各気筒内への燃料噴射を制御して排気ガス中に未燃燃料を多く残すことにより燃料添加を行い、その排気ガス中の未燃燃料（ＨＣ）を前段のプラズマ発生装置の放電で生じたプラズマによりＨ₂とＣＯとに分解し、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高いＮＯx低減率を得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することができ、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す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図面を参照しつつ説明する。

図１〜図３は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１に示す如く、本形態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に抱持されて装備されており、このケーシング６の前段には、排気ガス３中に放電してプラズマを発生させるプラズマ発生装置７が装備されている。

このプラズマ発生装置７は、電極８，９を対向配置して相互間に放電を行い得るようにしてあるが、この電極８，９の相互間距離がほぼ一様に設定できるものであれば、板型、ロッド型、円筒型等の様々な形状を適宜に採用することが可能である。

また、各電極８，９に対しては、インバータ１０を介し電源１１を接続した構造となっており、特に本形態例では、電源１１として車両搭載のバッテリを想定しているので、インバータ１０により放電可能な適切な電圧と周波数の交流高電圧を各電極８，９へ印加し得るようにしてある。

また、図示しない運転席のアクセルには、アクセル開度をディーゼルエンジン１の負荷として検出するアクセルセンサ１２（負荷センサ）が備えられていると共に、ディーゼルエンジン１の適宜位置には、その回転数を検出する回転センサ１３が装備されており、これらアクセルセンサ１２及び回転センサ１３からのアクセル開度信号１２ａ及び回転数信号１３ａがエンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置１４（燃料噴射制御装置）に対し入力されるようになっている。

一方、前記制御装置１４においては、アクセル開度信号１２ａ及び回転数信号１３ａから判断される現在の運転状態に応じ、各気筒内に燃料を噴射する燃料噴射装置１５に向け燃料の噴射タイミング及び噴射量を指令する燃料噴射信号１５ａが出力されるようになっている。

ここで、前記燃料噴射装置１５は、各気筒毎に装備される図示しない複数のインジェクタにより構成されており、これら各インジェクタの電磁弁が前記制御装置１４からの燃料噴射信号１５ａにより適宜に開弁制御されて燃料の噴射タイミング及び噴射量（開弁時間）が適切に制御されるようになっている。

ただし、本形態例においては、制御装置１４でアクセル開度信号１２ａ及び回転数信号１３ａに基づき通常モードの燃料噴射信号１５ａが決定されるようになっている一方、定期的に通常モードから再生モードに切り替わり、この再生モードに切り替わった際には、圧縮上死点（クランク角０゜）付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミング（開始時期がクランク角９０゜〜１２０゜の範囲）で適宜な回数のポスト噴射（１回若しくは複数回に分けて噴射）が実行されるようになっている。

つまり、このようにメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射が行われると、このポスト噴射により排気ガス３中に未燃の燃料（主としてＨＣ：炭化水素）が添加されることになり、この未燃の燃料により生じたＨＣがＮＯx吸蔵還元触媒５への還元剤として導かれることになる。

しかも、前記制御装置１４からは、アクセル開度信号１２ａ及び回転数信号１３ａに基づき排気温度が低い運転状態であると判断された際に、前記プラズマ発生装置７のインバータ１０に向け放電指令信号１０ａが出力され、この放電指令信号１０ａを受けたインバータ１０によりプラズマ発生装置７が作動されて排気ガス３中に放電が行われるようになっている。

更に、前記プラズマ発生装置７より上流側の排気管４には、噴射ノズル１６が貫通設置されており、該噴射ノズル１６と所要場所に設けた軽油タンク１７との間が軽油供給管１８により接続され、該軽油供給管１８の途中に装備した供給ポンプ１９の駆動と軽油噴射弁２０の開作動とにより軽油タンク１７内の軽油（還元剤としての燃料）を噴射ノズル１６を介し排気管４内に直接添加し得るようにしてあり、これら噴射ノズル１６、軽油タンク１７、軽油供給管１８、供給ポンプ１９、軽油噴射弁２０により燃料添加装置２１が構成されている。

そして、前記制御装置１４から必要に応じて出力される供給ポンプ１９への駆動指令信号１９ａと軽油噴射弁２０への開弁指令信号２０ａとにより、前記燃料添加装置２１の補助的な燃料添加が適宜に実行されるようになっている。

而して、制御装置１４における燃料噴射制御が定期的に通常モードから再生モードに切り替わり、圧縮上死点付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射が実行されると、このポスト噴射により排気ガス３中に未燃燃料（主としてＨＣ：炭化水素）が多く残り、該未燃燃料がＮＯx吸蔵還元触媒５への還元剤として排気ガス３と共に導かれることになる。

この未燃燃料を多く含む排気ガス３に対し前段のプラズマ発生装置７により放電を行うと、排気ガス３中の未燃燃料（ＨＣ）がプラズマによる部分酸化反応でＨ₂とＣＯに分解されるので、後段のＮＯx吸蔵還元触媒５の表面上で反応性の高いＨ₂及びＣＯが従来のＨＣの燃焼温度より低い燃焼温度から排気ガス３中のＯ₂と反応（燃焼）する。

これによりＮＯx吸蔵還元触媒５の周囲の雰囲気中におけるＯ₂濃度がほぼ零となってＮＯxの分解放出が開始され、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ＮＯxが効率良くＮ₂に還元処理される結果、未燃燃料から生成されたＨＣをそのままＮＯx吸蔵還元触媒５上で反応させる場合よりも比較的低い温度領域から高いＮＯx低減率が得られることになる。

また、特に本形態例においては、プラズマ発生装置７より上流側の排気管４に軽油を直接添加し得るよう燃料添加装置２１を追加装備してあるので、該燃料添加装置２１により必要に応じて燃料を排気管４内に直接添加しても良く、このようにすれば、ＮＯx吸蔵還元触媒５の再生に必要な還元性雰囲気がより確実に実現されることになる。

従って、以上に述べた如き形態例によれば、ディーゼルエンジン１側で各気筒内への燃料噴射を制御してメイン噴射に続くポスト噴射を実行し、このポスト噴射で排気ガス３中に未燃燃料を多く残すことにより燃料添加を行い、その排気ガス３中の未燃燃料（ＨＣ）を前段のプラズマ発生装置７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高いＮＯx低減率を得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３中に含まれるＮＯxを従来より効果的に低減することができ、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することができる。

事実、本発明者が行った実験結果によれば、図２のグラフに示す如く、添加燃料から生成された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と、Ｈ₂をＮＯx吸蔵還元触媒５上で反応させたケースＢと、ＣＯをＮＯx吸蔵還元触媒５上で反応させたケースＣとを比較したところ、ケースＡよりもケースＣ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、更には、このケースＣ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ている。尚、図２のグラフにおける縦軸はＮＯx低減率を、横軸は触媒温度を夫々示している。

また、図３に示す如く、先に説明した本形態例の装置構成で未燃燃料を添加したケースＸと、プラズマ発生装置７を装備せずにＮＯx吸蔵還元触媒５だけを装備して未燃燃料を添加したケースＹとを比較したところ、ケースＹよりもケースＸの方が低負荷領域（排気温度の低い運転領域）から高いＮＯx低減率を得られることが確認されている。尚、図３のグラフにおける縦軸はＮＯx低減率を、横軸はディーゼルエンジン１の負荷を夫々示している。

尚、本発明の排気浄化装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、メイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射を実行することで未燃燃料を多く残すほか、メイン噴射自体の噴射時期を通常より遅らせたり、早めたりすることで未燃燃料（ＨＣ）を多く残すようにしても良いこと、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低減率と触媒温度との関係を比較例と共に示すグラフである。ＮＯx低減率と負荷との関係を比較例と共に示すグラフである。

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
５ＮＯx吸蔵還元触媒
７プラズマ発生装置
１４制御装置（燃料噴射制御装置）
１５燃料噴射装置
１５ａ燃料噴射信号
２１燃料添加装置

Claims

エンジンから排気ガスを導く排気管に装備されたＮＯx吸蔵還元触媒と、該ＮＯx吸蔵還元触媒の再生時に還元剤として未燃燃料を排気ガス中に多く残し得るよう前記エンジンの燃料噴射を制御する燃料噴射制御装置と、前記ＮＯx吸蔵還元触媒より上流側で排気ガス中に放電してプラズマを発生させ且つそのプラズマにより未燃燃料をＨ₂とＣＯに分解するプラズマ発生装置とを備えたことを特徴とする排気浄化装置。
プラズマ発生装置より上流側の排気管に燃料を直接添加し得るよう燃料添加装置を追加装備したことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。