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発明の名称 内燃機関の排気浄化装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−16635(P2007−16635A)
公開日 平成19年1月25日(2007.1.25)
出願番号 特願2005−196816(P2005−196816)
出願日 平成17年7月5日(2005.7.5)
代理人 【識別番号】100077481
【弁理士】
【氏名又は名称】谷 義一
発明者 矢作 秀夫
要約 課題
DPFとNOx触媒とを直列に接続した排気浄化装置において、酸化剤の最適な供給によって浄化性能を向上する。

解決手段
第2分岐路12によるNOx触媒5への酸化剤の供給量を、第1分岐路11によるDPF4への酸化剤の供給量よりも大とする。第2分岐路12によって供給される酸化剤により、3NO+O→3NOの反応によって十分な量のNOがNOx触媒5に供給されて、好適な量ないし割合のNOによりNOx触媒5の活性化を促進することができる。
特許請求の範囲
【請求項1】
内燃機関からの排気経路中に設けられPMを捕集するPM捕集装置と、当該PM捕集装置よりも下流側に設けられたNOx触媒装置と、前記PM捕集装置の直前に酸化剤を供給する第1の酸化剤供給手段と、前記NOx触媒装置の直前に酸化剤を供給する第2の酸化剤供給手段と、を有する内燃機関の排気浄化装置において、
前記第2の酸化剤供給手段による酸化剤の供給量を、前記第1の酸化剤供給手段による酸化剤の供給量よりも大としたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項2】
請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置であって、
前記第2の酸化剤供給手段による酸化剤の供給量は、前記NOx触媒装置の所定の必要酸化剤量を上回るように設定されていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項3】
請求項1または2に記載の内燃機関の排気浄化装置であって、
前記第1および第2の酸化剤供給手段による供給量を可変する制御手段を更に備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項4】
請求項3に記載の内燃機関の排気浄化装置であって、
前記制御手段は、前記PM捕集装置におけるPMの堆積量に基づいて前記供給量を可変することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項5】
請求項3または4に記載の内燃機関の排気浄化装置であって、
前記制御手段は、前記PM捕集装置の温度に基づいて前記供給量を可変することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項6】
請求項1ないし5のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置であって、
前記NOx触媒装置の直前に還元剤を供給する還元剤供給手段を更に備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、車両の内燃機関からの排ガスを浄化するための排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【0002】
ディーゼルエンジンやリーンバーンエンジン等の排ガス中の粒子状物質(PM;Particulate Matter)を除去するための技術として、排ガス中のPMが捕集されるための多孔質のハニカム構造体を用いたDPF(Diesel Particulate Filter)が実用化されている。また、排ガス中の窒素酸化物(NOx)を浄化するための技術として、選択還元触媒(SCR)、吸蔵還元触媒(NSR)などの各種のNOx触媒が実用化されている。
【0003】
これらDPFとNOx触媒とを直列に接続する構成も種々試みられている。特許文献1は、DPFとNOx触媒とを直列に接続した排気浄化装置において、DPFとNOx触媒のそれぞれの直前に、酸化剤を供給するようにした装置を開示している。
【特許文献1】国際公開第WO2004/024301号のパンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、特許文献1の装置では、NOx触媒による浄化率が低い場合があった。これについて出願人が詳細に調査したところ、NOx触媒による浄化が不十分となる原因は、DPFにおいてPMを酸化する際にNOが消費されてしまい、NOx触媒に供給されるNOが不足することにあることが判明した。
【0005】
本発明はこのような新知見に基づいてなされたものであり、その目的は、DPFとNOx触媒とを直列に接続した排気浄化装置において、酸化剤の最適な供給によって浄化性能を向上することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の一態様は、内燃機関からの排気経路中に設けられPMを捕集するPM捕集装置と、当該PM捕集装置よりも下流側に設けられたNOx触媒装置と、前記PM捕集装置の直前に酸化剤を供給する第1の酸化剤供給手段と、前記NOx触媒装置の直前に酸化剤を供給する第2の酸化剤供給手段と、を有する内燃機関の排気浄化装置において、前記第2の酸化剤供給手段による酸化剤の供給量を、前記第1の酸化剤供給手段による酸化剤の供給量よりも大としたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0007】
PM捕集装置に酸化剤として例えばオゾンOを供給した場合に、PM捕集装置の直前の排気管路などで3NO+O→3NOの反応が生じて、PM捕集装置にはNOが供給される。PM捕集装置では、炭素CからなるPMがC+2NO→CO+2NOのように反応し、PMが酸化される一方、NOはNOに還元される。すなわち、PM捕集装置における反応に起因して、NOx触媒装置に供給されるNOが不足することになる。この点、本発明では、第2の酸化剤供給手段によるNOx触媒装置への酸化剤の供給量を、第1の酸化剤供給手段によるPM捕集装置への酸化剤の供給量よりも大としたので、第2の酸化剤供給手段によって供給された酸化剤により、3NO+O→3NOの反応によって十分な量のNOがNOx触媒装置に供給されて、NOによるNOx触媒装置の活性化を促進することができる。
【0008】
前記第2の酸化剤供給手段による酸化剤の供給量は、前記NOx触媒装置の所定の必要酸化剤量を上回るように設定するのが好適である。
【0009】
本発明では、前記第1および第2の酸化剤供給手段による供給量を可変する制御手段を更に備えてもよい。この場合には、制御手段によって浄化を更に適正に行うことが可能になる。
【0010】
前記制御手段による供給量の可変は、前記PM捕集装置におけるPMの堆積量、および/または前記PM捕集装置の温度に基づいて行うこととするのが好適である。
【0011】
本発明では、前記NOx触媒装置の直前に還元剤を供給する還元剤供給手段を更に備えてもよい。この場合には、還元剤の作用により、NOx触媒装置による浄化を更に促進できる。
【0012】
以下、本発明の実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置につき、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【0013】
図1において、本発明の実施形態の内燃機関の排気浄化装置1は、エンジン2から延びる排気経路3と、この排気経路3中に直列に設けられたDPF4、NOx触媒5、および酸化触媒6とを有する。酸化触媒6の下流側は、不図示の消音器などを経て外気に連通している。エンジン2は自然着火式のディーゼルエンジンであって、ターボ過給機を備えることができる。
【0014】
DPF4は、容器内にハニカム構造体20(図2参照)を備えたPM捕集装置である。ハニカム構造体20は、多孔質のセラミックス材料(例えばコーディエライトや炭化珪素SiC)からなり、多孔質の隔壁21により仕切られた多数のセル22すなわち排ガス通路を備えており、排ガス通路はいずれも排ガスの流入方向に平行である。各セル22は詰栓23によって交互に閉塞され、且つ前端開放のセル22と後端開放のセル22とが交互に隣り合うように配置されている。前端開放のセル22に流入した排ガスが隔壁21を通過して、後端開放のセル22から排出され、その際に隔壁21によってPMが濾過される。ハニカム構造体20の表面には、酸化触媒などの触媒物質が担持されていてもよい。
【0015】
NOx触媒5は、排ガス中の窒素酸化物NOxを還元して、無害の窒素ガスNとして排出する触媒装置である。NOx触媒5の触媒物質としては、選択還元触媒(SCR)を用いることができる。選択還元触媒は、排ガス中のNOに対して還元剤を添加してガス混合物を形成し、このガス混合物によりNOxをNに転化させるものである。SCR触媒には、V/WO/TiO触媒を用いることができる。還元剤としては、アンモニア・尿素のほか、HCを含んだ軽油を用いることができる。
【0016】
酸化触媒6は、CO、NOxなどの物質を処理してH2O、CO2、N2等にする触媒装置であり、触媒物質としては、例えばPt/CeO、Mn/CeO、Fe/CeO、Ni/CeO、Cu/CeO等を用いることができる。
【0017】
本実施形態では、DPF4とNOx触媒5とに、酸化剤としてオゾンOを供給するために、リアクタ7が設けられている。リアクタ7は、図3に示されるように、円筒状の外周電極31の軸心に、直線状の中心電極32を配置したものである。外周電極31はリアクタ7の外装容器を兼ねることができる。外周電極31の上流側には、外気を導入するためのポンプ8が設けられている。外周電極31は接地され、中心電極32は高電圧電源9に接続されている。高電圧電源9は、インバータ回路・トランス・整流用のダイオード・平滑回路等を含んでおり、不図示のバッテリからの直流を昇圧して、リアクタ7に給電する。高電圧電源9からの給電の方式は、直流パルス波、交流、交流パルス波、または直流と直流パルスとの重畳など任意の波形および電圧のうちから選択することができる。内外の電極31,32間に電圧が印加されると、これら電極31,32間にコロナ放電などの放電が生じ、ポンプ8によって導入される外気のうちのOが分解され、オゾンOが吐出される。
【0018】
再び図1において、リアクタ7の下流側の排出経路10は、2つに分岐しており、一方の分岐はDPF4の直前に接続された第1分岐路11となっており、他方の分岐はNOx触媒5の直前に接続された第2分岐路12となっている。第1分岐路11の途中には、流量すなわちDPF4への酸化剤の供給量を調節するための手動バルブ11aが設けられている。高電圧電源9は、不図示の電子制御ユニット(ECU)からの制御出力によって制御される。
【0019】
NOx触媒5の直前には、還元剤供給装置13が接続されている。還元剤供給装置13は、その詳細は図示しないが、液相の還元剤を貯蔵する還元剤タンクと、この還元剤タンクからの還元剤を排気通路3内に噴霧できるポンプおよび還元剤噴射弁とを備えている。本実施形態では還元剤として液相のアンモニアNHが用いられる。なお、還元剤として走行用の軽油燃料を用いる場合には、還元剤タンクに代えて走行用の燃料タンクを用いることができる。
【0020】
以上のとおり構成された第1実施形態の内燃機関の排気浄化装置1の動作について説明する。ユーザは予め、DPF4への酸化剤の供給量を調節するための手動バルブ11aによって、第2分岐路12によるNOx触媒5へ酸化剤の供給量が、第1分岐路11によるDPF4への酸化剤の供給量よりも大となるように設定する。
【0021】
手動バルブ11aの開度は、第2分岐路12によるNOx触媒5への酸化剤の供給量が、NOx触媒5の所定の必要酸化剤量を上回るように設定するのが好適である。この必要酸化剤量は、NOx触媒5の出口側のいずれかの排気経路中におけるNOx浄化率またはNOx濃度の測定値が、所定の環境基準における規制値や所定の目標値を下回るように、実験的に定めることができる。また、NOx触媒5の必要酸化剤量、ないしDPF4およびNOx触媒5に供給される酸化剤供給量の比率は、NOx触媒5に導入されるNOxにおけるNO/NOのモル比が例えば1/5〜2/1になるように、実験的に定めてもよい。
【0022】
エンジン2から排出されたPMを含む排ガスが、排気経路3を通ってDPF4に導かれると、排ガス中のPMが、DPF4によって濾過される。
【0023】
他方、高電圧電源9がオンされ、リアクタ7に高電圧が印加されると、ポンプ8の動作によって供給された空気に作用して、活性種または酸化促進剤であるオゾンOが生成される。より詳細には、空気中の酸素分子Oに電子が衝突して酸素原子が生じ(O⇒O+O+e)、この酸素原子が酸素分子と結合してオゾンOが生成される(O+O+O⇒O+O)。このようにして生成されたオゾンは、第1分岐路11からDPF4の直前に、また第2分岐路12からNOx触媒5の直前に、それぞれ供給される。
【0024】
第1分岐路から供給されたオゾンOは、DPF4の直前の排気経路3において、排ガス中の一酸化窒素NOに作用する。その結果、3NO+O→3NOの反応が生じて、DPF4には二酸化窒素NOが供給される。DPF4では、C+2NO→CO+2NOの反応が生じ、ハニカム構造体に付着したPM(炭素Cを主成分とする)の酸化ないし燃焼が促進される。その結果、本実施形態では、オゾンOが用いられない場合(約650〜700°C)に比べて低温(例えば300°C以下)でPMを燃焼ないし酸化させることが可能になる。
【0025】
他方、第2分岐路から供給されたオゾンOが、NOx触媒5の直前の排気経路3において、排ガス中の一酸化窒素NOに作用することにより、3NO+O→3NOの反応が生じる。また、還元剤供給装置13から、NOx触媒5の直前の排気経路3に、還元剤であるアンモニアNHが供給される。NOおよびNOを含んだ排ガスに、還元剤であるアンモニアNHが添加されたガス混合物は、NOx触媒5に導入されると、NOxからNへの転化率が増加し、NOがNに高効率で転化されて浄化される。
【0026】
以上のとおり、本実施形態では、第2の酸化剤供給手段である第2分岐路12による酸化剤の供給量を、第1の酸化剤供給手段である第1分岐路11による酸化剤の供給量よりも大とした。酸化剤が供給された場合にDPFでは、供給されたNOに対して、炭素CからなるPMがC+2NO→CO+2NOのように反応し、PMが酸化される一方、NOはNOに還元される。すなわち、DPF4における反応に起因して、その下流側のNOx触媒5に供給されるNOが不足することになる。この点、本実施形態では、第2分岐路(第2の酸化剤供給手段)によるNOx触媒5への酸化剤の供給量を、第1分岐路(第1の酸化剤供給手段)によるDPF4への酸化剤の供給量よりも大としたので、第2分岐路12によって供給された酸化剤により、3NO+O→3NOの反応によって十分な量のNOがNOx触媒5に供給されて、好適な量ないし割合のNOによりNOx触媒5の活性化を促進することができる。
【0027】
また、本実施形態では、第2分岐路12による酸化剤の供給量を、NOx触媒5の所定の必要酸化剤量を上回るように設定したので、所定の環境基準や所定の基準値を満たすことが可能になる。
【0028】
また、本実施形態では、第1分岐路11および第2分岐路12による酸化剤の供給量を可変する手動バルブ11aを更に備えたので、浄化を更に適正に行うことが可能になる。
【0029】
また、本実施形態では、NOx触媒5の直前に還元剤を供給する還元剤供給装置13を更に備えたので、還元剤の作用により、NOx触媒5による浄化を更に促進できる。また、還元剤の供給点をNOx触媒5の直前としたので、還元剤の供給点をDPF4の直前とする場合に比べ、DPF4に還元剤が付着しないという利点がある。
【0030】
なお、上記実施形態では、本発明をある程度の具体性をもって説明したが、本発明については、特許請求の範囲に記載された発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。すなわち、本発明は特許請求の範囲およびその等価物の範囲および趣旨に含まれる修正および変更を包含するものである。
【0031】
例えば、上記実施形態では、第2分岐路12による酸化剤の供給量を、第1分岐路11による酸化剤の供給量よりも大に設定するために、手動バルブ11aを用いたが、両分岐路11,12による供給量は設計段階で定めることができるため、第1分岐路11に固定的な絞り手段ないし流量制限手段を設けることによって両分岐路11,12の流量または流量比を設定してもよい。具体的には、図4および図5に示されるように、リアクタ7の下流側の分岐部分の断面積を、第1分岐路111よりも第2分岐路112が大になるように設計することができる。また、図6に示されるように、第1分岐路211と排気経路3との合流点に、第1分岐路211の流量を制限するための小径の絞りノズル211aを設けてもよい。また、図7に示されるように、第1分岐路311に、第1分岐路311の流量を制限するための狭窄部311aを設けてもよい。さらに、第1分岐路と第2分岐路との断面積を異ならせる構成に代えて、図8に示されるとおり、第1分岐路411と第2分岐路412の取り付け位置を互いに異ならせ、第2分岐路412の上流側の端部をリアクタ7の軸心の近傍に配置する一方で、第1分岐路411の上流側の端部をそれよりもリアクタ7の外周部側に配置することにより、リアクタ7における軸心の近傍と外周縁の近傍との流量差または流速差を利用して、両分岐路411,412の流量を、互いに異なるように設定してもよい。
【0032】
また、上記実施形態では、第1分岐路11および第2分岐路12による酸化剤の供給量を可変する制御手段として手動バルブ11aを用いたが、このような手動の制御手段に代えて、自動絞り弁を設けてもよい。
【0033】
また、この自動絞り弁を、車両の状態に応じて制御する電子制御装置を設けてもよい。このような電子制御装置を設ける場合には、制御の入力パラメータとして、DPF4におけるPMの堆積量、および/またはDPF4の温度を用い、これに基づいて自動絞り弁の動作位置すなわち両分岐路11,12への酸化剤の供給量を可変することができる。具体的には、例えば、PMの堆積量が所定値より大であり、且つDPF4の温度が所定値より大であるときにのみ、電子制御装置によって自動絞り弁をステップ的に駆動して第1分岐路11に酸化剤を供給することとしたり、あるいは、PMの堆積量が多いほど、またDPF4の温度が高いほど、第1分岐路11への酸化剤の供給量が多くなるように、電子制御装置によって自動絞り弁を駆動してその動作位置を連続的に可変するのが好適である。この場合のPMの堆積量は、例えばDPF4の直前および直後に設けた圧力センサの検出値の差分に基づいて検出することができ、また、光学的または電気的なPMセンサを用いて検出することができる。また、DPF4の温度は、DPF4に設置した温度センサの検出値を利用したり、あるいはエンジン2の水温やエンジン2の始動後の累積の燃料噴射量などに基づいて推定することができる。
【0034】
また、上記実施形態では、第1および第2の酸化剤供給手段として、単一の酸化剤供給源(リアクタ7)から分岐した2つの分岐路11,12を用いたが、本発明ではDPF4の直前に接続された第1リアクタと、NOx触媒5の直前に接続された第2リアクタを用いてもよい。また、図9に示されるように、DPF4の直前の排気経路3に第1リアクタ507aを設置し、またNOx触媒5の直前の排気経路3に第2リアクタ507bを設置し、これらリアクタ577a,507bを個別に駆動して、排ガス中のOから酸化剤としてのオゾンOを生成させてもよい。
【0035】
また、上記実施形態では酸化剤をオゾンOとしたが、本発明における酸化剤は、オゾンO、原子状酸素O、スーパーオキシドアニオンラジカルO2−、ヒドロキシルラジカルOH、アルコキシルラジカルR−O、二酸化窒素NO、酸素Oからなる群のうちから選択された一または二以上のものとすることができる。また、本発明における酸化剤は、それが用いられない場合(約650〜700°C)に比べて低い温度でPMの燃焼ないし酸化を可能にするものとするのが特に好適である。
【0036】
また、本発明における酸化剤の供給源の構造は、上記リアクタ7の構造のものに限られない。例えば、外周電極31および中心電極32からなる筒状の構造に代えて、メッシュ状の電極を用いるなど、各電極の形状および構造について種々の変形が可能である。また、電極の極性については、上記実施形態のものと逆極性であってもよい。また、電圧印加を常時でなく、PMの捕集要求や燃焼処理要求の必要性に応じて所望の時期に行うようにしてもよい。
【0037】
さらに、本発明における酸化剤の供給源は、上述したリアクタ7のように空気を処理することによって酸化剤を生成する処理装置を含む構成のほか、空気以外の物質を処理することによって酸化剤を生成する処理装置を含む構成であってもよく、また、酸化剤を貯蔵するタンクを含む構成であってもよい。
【0038】
また、上記実施形態では本発明をディーゼルエンジンの排ガス処理に適用したが、本発明はガソリンエンジンや気体燃料エンジンの排ガス処理にも適用できる。また、上記実施形態では本発明を車両の内燃機関の排ガスの浄化のために適用したが、本発明は車両のほか船舶、航空機、発電機など各種内燃機関の排ガスの浄化のために適用することも可能であり、いずれも本発明の範疇に属するものである。
【図面の簡単な説明】
【0039】
【図1】本発明の第1実施形態の内燃機関の排気浄化装置を示す概略構成図である。
【図2】ハニカム構造体の要部を示す断面図である。
【図3】リアクタの要部を示す概略構成図である。
【図4】変形例の酸化剤供給系を示す概略構成図である。
【図5】図4の変形例の要部を示すA−A線断面図である。
【図6】別の変形例の酸化剤供給系の要部を示す概略構成図である。
【図7】また別の変形例の酸化剤供給系の要部を示す概略構成図である。
【図8】また別の変形例の酸化剤供給系の要部を示す概略構成図である。
【図9】また別の変形例の内燃機関の排気浄化装置を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【0040】
1,501 内燃機関の排気浄化装置
2 エンジン
4 DPF
5 NOx触媒
6 酸化触媒
7,507a,507b リアクタ
11,111,211,311,411 第1分岐路
11a 手動バルブ
12,112,312,412 第2分岐路





 

 


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