JP3620291B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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粒子状物質を除去する排気浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンから排出される排気ガスには、煤やＳＯＦ（Ｓｏｌｕｂｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｃｔｉｏｎ）等の粒子状物質（以下、ＰＭと略す）やＮＯｘが含まれており、大気に排気するにはこれらを除去する必要がある。
【０００３】
特開平７−３１０５３５号公報には、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれる煤、即ちカーボンを還元剤として、ＮＯｘをＮＯｘ触媒上で還元するようにした排気浄化装置が開示されており、この排気浄化装置によれば、ＮＯｘの還元浄化と煤の除去が同時に行われるとしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ディーゼルエンジンの排気ガス中、煤と反応し易いＮＯ_２の濃度は、排気ガス中の煤の全てを酸化するのに十分な濃度とは言えない。そのため、ＮＯｘ触媒上で煤を十分に反応させることができず、多くの煤が除去されないまま大気に放出されてしまうという問題があった。
【０００５】
本発明はこのような従来の技術の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、ＰＭ捕集手段にＮＯ_２を供給することによって、ＰＭ捕集手段に捕集されたＰＭを酸化し、排気ガスの浄化を図ることにある。
【０００６】
【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。本発明は、内燃機関から排出される酸素を過剰に含む排気ガスが流れる排気通路に、粒子状物質を捕集するＰＭ捕集手段と、前記ＰＭ捕集手段にＮＯ ₂ を供給するＮＯ ₂ 供給手段と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記ＮＯ ₂ 供給手段は尿素を供給する尿素供給手段と、前記尿素供給手段から供給された尿素を反応させる酸化能を有する触媒と、から構成されていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。
【０００７】
本発明においては、前記ＮＯ ₂ 供給手段を、尿素を供給する尿素供給手段と、前記尿素供給手段から供給された尿素を反応させる酸化能を有する触媒と、から構成する。尿素を加熱すると加水分解してアンモニアが生じ、アンモニアは触媒上で酸化してＮＯ ₂ に変化する。排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）はＰＭ捕集手段に捕集されるので、排気ガス中からＰＭが除去される。捕集されたＰＭを構成する炭素（Ｃ）はＮＯ₂供給手段から供給されたＮＯ₂と化学反応をしてＣＯ₂とＮＯになり、ＰＭ捕集手段からＰＭが除去される。
【０００８】
本発明における内燃機関としては、ディーゼルエンジンやリーンバーンガソリンエンジンを例示することができる。本発明におけるＰＭ捕集手段としては、ＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ｆｉｌｔｅｒ）と称されるフィルタを例示することができ、フィルタの構造例としては、ウォールフロータイプやフォームタイプを例示することができる。
【００１０】
また、本発明は、前記ＰＭ捕集手段の下流にＮＯｘ触媒を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。ＮＯｘ触媒は、排気ガス中のＮＯｘ、ＮＯ_２供給手段から供給されたＮＯ_２とＰＭの反応によって生成されたＮＯ、及び、ＮＯ_２供給手段から供給されたがＰＭと反応しなかった未反応のＮＯ_２を浄化する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の実施の形態を図１から図５の図面に基いて説明する。尚、以下の各実施の形態は、内燃機関としての車両用ディーゼルエンジンに適用した態様である。
【００１２】
〔第１の実施の形態〕
図１は、第１の実施の形態における内燃機関の排気浄化装置の概略構成を示す図である。車両用ディーゼルエンジン（内燃機関）１の燃焼室（図示せず）で燃料の軽油が燃焼して生じた排気ガスは、排気管２、ＰＭ捕集手段としてのＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ｆｉｌｔｅｒ）３、排気管４を通って大気中に排気される。ＤＰＦ３には、酸化能の高い触媒、例えば白金（Ｐｔ）系の触媒が坦持されている。
【００１３】
排気管２には、尿素（（ＮＨ_２）_２・ＣＯ）の水溶液（以下、尿素水という）を排気ガス中に噴射する噴射ノズル５が設けられている。噴射ノズル５は供給管６を介してポンプ等からなる尿素水供給装置７に接続されており、これらは尿素供給手段を構成する。尿素水供給装置７はエンジンコントロール用電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと略す）８によって運転制御される。尿素水供給装置７の運転制御については後で詳述する。
【００１４】
ＤＰＦ３の上流の排気管２には、ＤＰＦ３の直前の排気ガス圧力、即ち背圧を検出する背圧センサ９が設けられており、背圧センサ９は検出した背圧に比例した出力信号をＥＣＵ８に出力する。
【００１５】
ＤＰＦ３の下流の排気管４には、ＤＰＦ３を通った排気ガスの温度を検出する排気温センサ１０が設けられており、排気温センサ１０は検出した排気ガス温度に比例した出力信号をＥＣＵ８に出力する。
【００１６】
ＥＣＵ８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）、入力ポート、出力ポートを具備し、エンジン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、ＤＰＦ３の再生制御を行っている。
【００１７】
これら制御のために、ＥＣＵ８の入力ポートには、アクセル開度センサ１１からの入力信号と、クランク角センサ１２からの入力信号が入力される。アクセル開度センサ１１はアクセル開度に比例した出力電圧をＥＣＵ８に出力し、ＥＣＵ８はアクセル開度センサ１１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１２は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ＥＣＵ８に出力し、ＥＣＵ８はこの出力パルスに基づいて機関回転速度を演算する。これらエンジン負荷とエンジン回転速度によってエンジン運転状態が判別される。
【００１８】
この排気浄化装置では、ディーゼルエンジン１の排気ガス中に含まれる粒子状物質（ＰＭ）がＤＰＦ３に捕集される。ＤＰＦ３はＰＭの捕集によって目詰まりを起こしガスが流れにくくなるので、適宜にフィルタに捕集されたＰＭを除去してフィルタを再生する必要がある。そこで、この排気浄化装置では、ＤＰＦ３に規定量のＰＭが捕集された時に、排気ガス中に尿素水を添加し、尿素水から生成したＮＯ_２をＤＰＦ３に供給し、ＤＰＦ３に捕集されたＰＭをＮＯ_２と反応させて燃焼することにより、ＤＰＦ３の再生を行うようにしている。
【００１９】
ＤＰＦ３の再生処理制御について、図２に従って説明する。図２の制御ルーチンは、ＥＣＵ８のＲＯＭに格納されＣＰＵに呼び出されて演算が実行され、一定時間毎に割り込まれる。
【００２０】
まず、ＥＣＵ８は、ステップ１００において、ＤＰＦ３が再生時期か否かを判定する。ステップ１００で再生時期であると判定されたときにはステップ１０１に進んで排気ガス温が再生可能温度か否かを判定し、ステップ１００で再生時期ではないと判定されたときには本制御ルーチンを終了する。ステップ１０１で再生可能温度であると判定されたときにはステップ１０２に進んで尿素添加処理を実行し、ステップ１０１で再生可能温度でないと判定されたときにはステップ１０３に進んで排気ガス温を上昇させるべく昇温処理を実行する。以下、各ステップ毎に詳述する。
【００２１】
ステップ１００におけるＤＰＦ３の再生時期か否かの判定については、ＤＰＦ３に流れる排気ガス流量と、背圧センサ９で検出される背圧に基づいて行う。ＤＰＦ３に捕集されたＰＭの捕集量と、背圧センサ９により検出される背圧と、排気ガス流量との間には相関関係がある。つまり、排気ガス流量を一定とした場合には、ＰＭ捕集量が増大するにしたがって背圧は増大し、ＰＭ捕集量を一定とした場合には、排気ガス流量が増大すると背圧は増大する。そこで、ＤＰＦ３を再生すべきとするＰＭ捕集量（以下、これを再生捕集量と称す）を予め設定しておき、再生捕集量となったときの背圧と排気ガス流量との対応関係を予め実験により求め、これをマップ化してＥＣＵ８のＲＯＭに記憶しておく。ＥＣＵ８は、クランク角センサ１２の出力信号から機関回転速度を求め、さらに機関回転速度から排気ガス流量を演算し、この排気ガス流量と背圧センサ９で検出された背圧に基づいて、前記マップを参照して再生時期か否かを判定する。
【００２２】
ステップ１０１における再生可能温度か否かの判定は、排気温センサ１０で検出される排気ガス温度に基づいて行う。ＰＭを構成する炭素（Ｃ）とＮＯ_２を反応させるためにはＤＰＦ３のフィルタ床温度として約３００゜Ｃ以上の温度が必要であり、この温度以上でなければＤＰＦ３を再生することはできない。そこで、フィルタ床温度として排気ガス温度を代用し、排気ガス温度が再生可能温度以上であればステップ１０２に進んで尿素添加を実行してＤＰＦ３の再生を実行し、再生可能温度に満たない場合はステップ１０３に進んで昇温処理を実行し、ＤＰＦ３のフィルタ床温度を上昇させる。
【００２３】
ステップ１０３における昇温処理は、例えば、ＤＰＦ３の周囲にヒータを設置したり、あるいはＤＰＦ３よりも上流に位置する排気管２にヒータを設置し、これらヒータを稼働することにより行うことができる。
【００２４】
ステップ１０２における尿素添加は、尿素水供給装置７を運転し噴射ノズル５から所定量の尿素水を排気管２内に噴射することにより実行される。ここで、尿素水は予め所定の濃度に調整されたものが使用され、尿素水の噴射量は、前記再生捕集量のＰＭをほぼ完全に燃焼させるのに必要な尿素水量とする。
【００２５】
排気管２内に噴射された尿素水（（ＮＨ_２）_２・ＣＯ）は、排気ガスによって加熱されて加水分解しアンモニアを生じる。
（ＮＨ_２）_２・ＣＯ ＋ Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２ ＋ ２ＮＨ_３
このアンモニアがＤＰＦ３に流入すると、ＤＰＦ３に坦持されている触媒の酸化作用により、次のように化学反応を起こし、ＮＯ_２を生成する。
４ＮＨ_３ ＋ ５Ｏ_２ → ４ＮＯ ＋ ６Ｈ_２Ｏ
２ＮＯ ＋ Ｏ_２ → ２ＮＯ_２
このＮＯ_２はＰＭを構成する炭素と反応して二酸化炭素と一酸化窒素を生成する。
２ＮＯ_２ ＋ Ｃ → ＣＯ_２ ＋ ２ＮＯ
このようにして、ＤＰＦ３に捕集されたＰＭはＮＯ_２によって燃焼され、ＤＰＦ３から離脱することになる。
【００２６】
尚、ＤＰＦ３の再生処理中もディーゼルエンジン１から排出される排気ガスがＤＰＦ３に流入する。この排気ガス中にはＮＯｘが含まれており、排気ガス中のＮＯｘもＤＰＦ３に坦持された触媒によって酸化されＮＯ_２を生成し、このＮＯ_２もＰＭの燃焼に利用されることになる。そこで、ＤＰＦ３の再生中に流入する排気ガス中のＮＯｘから生成されるＮＯ_２量を機関運転状態から推定して、このＮＯ_２量に相当する分、噴射ノズル５から噴射すべき尿素水の量を低減させるようにするのが、より好ましい。
【００２７】
〔第２の実施の形態〕
前述第１の実施の形態では、ＤＰＦ３の再生を達成することはできるものの、ＮＯ_２とＰＭの反応によりＮＯが生成されること、及び、ＰＭと反応しなかったＮＯ_２が排気管４に流出することにより、排気ガス中のＮＯｘ濃度が増大してしまう。そこで、この第２の実施の形態では、ＤＰＦ３の下流にＮＯｘ触媒を配置して排気ガス中のＮＯｘも浄化しようするものである。
【００２８】
図３は、第２の実施の形態における内燃機関の排気浄化装置の概略構成を示す図である。第１の実施の形態と同一態様部分には同一符号を付して説明を省略し、第１の実施の形態との相違点についてだけ説明する。
【００２９】
排気管４の下流には、選択還元型ＮＯｘ触媒１３と排気管１４が設置されている。選択還元型ＮＯｘ触媒１３をＤＰＦ３の直ぐ近くに配置する場合には、ＤＰＦ３の再生時には比較的高温の排気ガスが選択還元型ＮＯｘ触媒１３に流入することとなるので、選択還元型ＮＯｘ触媒１３には、比較的高温時（３００゜Ｃ以上）にＮＯｘを選択的に還元するものを採用し、例えば、銅（Ｃｕ）系あるいはコバルト（Ｃｏ）系のように酸化能の低い触媒を用いる。選択還元型ＮＯｘ触媒をＤＰＦ３から離れた位置に配置する場合には、選択還元型ＮＯｘ触媒１３に至るまでに排気ガス温が低下するので、選択還元型ＮＯｘ触媒１３には比較的低温時（例えば２００〜３００゜Ｃ）にＮＯｘを選択的に還元するもの（例えば白金（Ｐｔ）系の触媒）を採用する。
【００３０】
排気管４には、尿素水を排気ガス中に噴射する噴射ノズル１５が設けられている。噴射ノズル１５は供給管１６を介してポンプ等からなる尿素水供給装置１７に接続されており、尿素水供給装置１７はＥＣＵ８によって運転制御される。
【００３１】
尿素水は予め所定の濃度に調整されたものが使用され、ＤＰＦ３の再生中において噴射ノズル１５から噴射される尿素水の噴射量は、噴射ノズル５から噴射された尿素水から生成されるＮＯ、及び未反応のＮＯ_２を還元させるのに必要な尿素水量とする。
【００３２】
排気管４内に噴射された尿素水は、排気ガスによって加熱されて加水分解しアンモニアを生じる。
（ＮＨ_２）_２・ＣＯ ＋ Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２ ＋ ２ＮＨ_３
このアンモニアが選択還元型ＮＯｘ触媒１３に流入すると、次のような化学反応によりＮＯ、ＮＯ_２は還元される。
６ＮＯ ＋ ４ＮＨ_３ → ５Ｎ_２ ＋ ６Ｈ_２Ｏ
６ＮＯ_２ ＋ ８ＮＨ_３ → ７Ｎ_２ ＋ １２Ｈ_２Ｏ
尚、第１の実施の形態において説明したように、ＤＰＦ３の再生処理中もディーゼルエンジン１から排出される排気ガスがＤＰＦ３に流入し、この排気ガス中のＮＯｘから生成されたＮＯ_２もＰＭの燃焼に利用されてＮＯを生成する。そして、排気ガス中のＮＯｘから生成されたＮＯも選択還元型ＮＯｘ触媒１３に流入するので、ＤＰＦ３の再生中に流入する排気ガス中のＮＯｘから生成されるＮＯ量を機関運転状態から推定して、このＮＯ量に相当する分、噴射ノズル１５から噴射すべき尿素水の量を増大させるようにするのが、より好ましい。
【００３３】
また、この尿素水供給装置１７は、ＤＰＦ３を再生処理をしていない時にも運転され、所定量の尿素水が噴射ノズル１５から排気管４内に噴射される。これは、ＤＰＦ３の非再生時に排気ガス中のＮＯｘを選択還元型ＮＯｘ触媒１３によって浄化するのに還元剤（尿素）が必要だからであり、ディーゼルエンジン１の運転状態から排気ガス中のＮＯｘ濃度を推定し、このＮＯｘを浄化するのに必要な尿素水量を噴射ノズル１５から噴射する。
【００３４】
〔その他の実施の形態〕
前述した第１及び第２の実施の形態では、尿素水供給装置７と噴射ノズル５とＤＰＦ３に坦持された触媒によって、ＮＯ_２供給手段を構成したが、ＮＯ_２供給手段は図４あるいは図５に示すように構成することも可能である。尚、図中、第１の実施の形態と同一態様部分には同一符号を付している。
【００３５】
図４に示す例は、ＤＰＦ３には触媒を坦持せず、ＤＰＦ３の上流の排気管２の途中に酸化触媒１８を設置し、この酸化触媒１８の上流に尿素水を噴射する噴射ノズル５を設置したものである。尿素水供給装置７から供給管６を通って噴射ノズル５から噴射された尿素水は加水分解してアンモニアを生成し、このアンモニアが酸化触媒１８を通過する際に酸化されてＮＯ_２が生成され、このＮＯ_２がＤＰＦ３のＰＭの燃焼に供される。この場合には、ＮＯ_２供給手段は、尿素水供給装置７と噴射ノズル５と酸化触媒１８によって構成されることとなる。
【００３６】
図５に示す例は、ＤＰＦ３には触媒を坦持せず、排気管２にＮＯ_２供給管１９を接続し、ＮＯ_２供給管１９の途中に酸化触媒１８を設置し、酸化触媒１８の上流に尿素水を噴射する噴射ノズル５を設置したものである。尿素水供給装置７から供給管６を通って噴射ノズル５から噴射された尿素水は加水分解してアンモニアを生成し、このアンモニアが酸化触媒１８を通過する際に酸化されてＮＯ_２が生成され、このＮＯ_２がＮＯ_２供給管１９を介して排気管２内に供給され、ＤＰＦ３のＰＭの燃焼に供される。この場合も、ＮＯ_２供給手段は、尿素水供給装置７と噴射ノズル５と酸化触媒１８によって構成されることとなる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、排気通路にＰＭ捕集手段と、前記ＰＭ捕集手段にＮＯ ₂ を供給するＮＯ ₂ 供給手段と、を設け、前記ＮＯ ₂ 供給手段は尿素を供給する尿素供給手段と、前記尿素供給手段から供給された尿素を反応させる酸化能を有する触媒と、から構成されていることにより、ＰＭ捕集手段に捕集された粒子状物質をＮＯ₂によって確実に燃焼させることができ、ＰＭ捕集手段の再生を確実に行うことができる。
【００３８】
また、前記ＰＭ捕集手段の下流にＮＯｘ触媒を備えた場合には、ＮＯ_２供給手段からのＮＯ_２の供給により増大する排気ガス中のＮＯｘを浄化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る排気浄化装置の第１の実施の形態における概略構成を示す図である。
【図２】前記第１の実施の形態におけるＰＭ捕集手段の再生処理制御手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明に係る排気浄化装置の第２の実施の形態における概略構成を示す図である。
【図４】本発明に係る排気浄化装置におけるＮＯ_２供給手段の他の実施の形態を示す図である。
【図５】本発明に係る排気浄化装置におけるＮＯ_２供給手段のさらに別の実施の形態を示す図である。
【符号の説明】
１ ディーゼルエンジン（内燃機関）
２，４，１４ 排気管（排気通路）
３ ＤＰＦ（ＰＭ捕集手段）
５ 噴射ノズル（尿素供給手段、ＮＯ_２供給手段）
６ 供給管（尿素要求手段、ＮＯ_２供給手段）
７ 尿素水供給装置（尿素供給手段、ＮＯ_２供給手段）
８ ＥＣＵ
１３ 選択還元型ＮＯｘ触媒（ＮＯｘ触媒）
１８ 酸化触媒（ＮＯ_２供給手段）

Claims (2)

1. 内燃機関から排出される酸素を過剰に含む排気ガスが流れる排気通路に、粒子状物質を捕集するＰＭ捕集手段と、前記ＰＭ捕集手段にＮＯ ₂ を供給するＮＯ ₂ 供給手段と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記ＮＯ ₂ 供給手段は尿素を供給する尿素供給手段と、前記尿素供給手段から供給された尿素を反応させる酸化能を有する触媒と、から構成されていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記ＰＭ捕集手段の下流にＮＯx触媒を備えたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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