JP2013142363A - ディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】各後処理ユニットの配置を工夫することで、排気ガスの熱を有効に利用でき、且つ小型化を図ったディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】ディーゼルエンジン１１の排気ガス浄化装置１０は、ディーゼルエンジン１１の排気経路１６に配設されたＤＯＣ２９と、ＤＯＣ２９よりも下流の排気経路１６に配設されたＤＰＦ３０と、ＤＰＦ３０よりも下流の排気経路１６に配設された尿素噴射ノズル３２と、尿素噴射ノズル３２よりも下流の排気経路１６に配設されたターボチャージャ１８のタービン１９と、タービン１９よりも下流の排気経路１６に配設されたＳＣＲ３３と、ＤＰＦ３０の前後差圧が所定の差圧範囲内で且つＤＰＦ３０の入口温度が所定の温度以下のとき、ＤＯＣ２９にＨＣを吸着及び酸化させる制御を行う制御手段３６とを備える。
【選択図】図２
【解決手段】ディーゼルエンジン１１の排気ガス浄化装置１０は、ディーゼルエンジン１１の排気経路１６に配設されたＤＯＣ２９と、ＤＯＣ２９よりも下流の排気経路１６に配設されたＤＰＦ３０と、ＤＰＦ３０よりも下流の排気経路１６に配設された尿素噴射ノズル３２と、尿素噴射ノズル３２よりも下流の排気経路１６に配設されたターボチャージャ１８のタービン１９と、タービン１９よりも下流の排気経路１６に配設されたＳＣＲ３３と、ＤＰＦ３０の前後差圧が所定の差圧範囲内で且つＤＰＦ３０の入口温度が所定の温度以下のとき、ＤＯＣ２９にＨＣを吸着及び酸化させる制御を行う制御手段３６とを備える。
【選択図】図２
Description
本発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置に関する。
地球環境保全の観点から、自動車の排気ガス規制が一段と進められている。特にディーゼルエンジンではＰＭ（Particulate Matter：粒子状物質）及びＮＯｘ（窒素酸化物）の低減が求められており、ＰＭの低減にはＤＰＦ（Diesel Particulate Filter：ディーゼルパティキュレートフィルタ）等の後処理ユニットが用いられ、ＮＯｘの低減には尿素ＳＣＲ（Urea-Selective Catalytic Reduction：尿素選択還元触媒）、ＨＣ−ＳＣＲ（HydroCarbon-Selective Catalytic Reduction：炭化水素選択還元触媒）、ＬＮＴ（Lean NOx Trap：ＮＯｘ吸蔵触媒）等の後処理ユニットが用いられる。
このような後処理ユニットを有する排気ガス浄化装置は、例えば特許文献１に記載されている。なお、特許文献１には、２ステージターボのタービン間にＤＰＦを配設することが記載されている。
ところで、近年ディーゼルエンジンの燃焼改良が進められ、燃費向上と共に、ＰＭ及びＮＯｘの総排出量も低減されてきている。しかしながら、ＰＭ及びＮＯｘの低減と背反して、排気ガスの温度が低くなっている。さらに、従来の排気ガスを計測するモードのＪＥ０５（都市内の走行実態を踏まえた過渡走行モード）、ＮＥＤＣ（New European Driving Cycle）等からＷＨＤＣ（Worldwide Harmonized Heavy Duty Certification）に切り替われば、コールドモード及び高温高流量での排気ガス低減の技術がさらに必要となる。その対応として、後処理ユニットから構成される後処理装置のエンジン近接化（タービン直下配置）、後処理装置の熱容量低減（小型化等）、後処理装置の断熱及び保温等が検討されているが、現状では後処理装置の大型化は避けられない。そのため、後処理装置の配設場所の確保、重量増加による燃費への影響、コスト上昇等の問題が生じている。
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、各後処理ユニットの配置を工夫することで、排気ガスの熱を有効に利用でき、且つ小型化を図ることができるディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置を提供することにある。
上記目的を達成するために本発明に係るディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置は、ディーゼルエンジンの排気経路に配設され、排気ガス中のＣＯ、ＨＣを浄化する酸化触媒と、前記酸化触媒よりも下流の前記排気経路に配設され、排気ガス中の粒子状物質を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタと、前記ディーゼルパティキュレートフィルタよりも下流の前記排気経路に配設され、排気ガス中に尿素水を噴霧することでアンモニアを生成するための尿素噴射ノズルと、前記尿素噴射ノズルよりも下流の前記排気経路に配設され、噴霧された尿素水を攪拌して尿素の分解を促進するターボチャージャのタービンと、前記タービンよりも下流の前記排気経路に配設され、排気ガス中のＮＯｘをアンモニアと還元反応させることで無害化する選択還元触媒と、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの前後差圧が所定の差圧範囲内で且つ前記ディーゼルパティキュレートフィルタの入口温度が所定の温度以下のとき、前記酸化触媒にＨＣを吸着及び酸化させる制御を行う制御手段とを備えたものである。
前記制御手段は、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの前後差圧を検出する差圧センサと、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの入口温度を検出する温度センサと、前記酸化触媒にＨＣを吸着及び酸化させるためにインジェクタによるポスト噴射又は排気管インジェクタによる排気管噴射を実行するコントローラとを有するものであっても良い。
前記排気ガス浄化装置は、前記選択還元触媒よりも下流の前記排気経路に配設され、前記選択還元触媒から流出したアンモニアを酸化して無害化するための後段酸化触媒をさらに備えても良い。
前記酸化触媒が、前記ディーゼルエンジンのエキゾーストマニホールドの各気筒部分に配設された第１酸化触媒と、前記エキゾーストマニホールドの下流端に接続された排気配管に配設された第２酸化触媒とを有し、前記第１酸化触媒が、前記第２酸化触媒よりもＣＯ浄化に優れたものであり、前記第２酸化触媒が、前記第１酸化触媒よりもＨＣ浄化に優れたものであっても良い。
前記第１酸化触媒が、酸素吸蔵材を有する酸化物と酸化物半導体とを含む触媒であり、前記第２酸化触媒が、金属触媒であっても良い。
前記酸素吸蔵材を有する酸化物が、Ｃｅを含む酸化物であり、前記酸化物半導体が、ＴｉＯ2、ＺｎＯ又はＹ2Ｏ3であっても良い。
前記酸素吸蔵材を有する酸化物に、貴金属が坦持されていても良い。
前記排気ガス浄化装置は、前記ディーゼルパティキュレートフィルタよりも下流で且つ前記尿素噴射ノズルよりも上流の前記排気経路に接続された高圧ＥＧＲ配管と、前記高圧ＥＧＲ配管に配設された高圧ＥＧＲ弁とをさらに備えても良い。
前記排気ガス浄化装置は、前記選択還元触媒よりも下流の前記排気経路に接続された低圧ＥＧＲ配管と、前記低圧ＥＧＲ配管に配設された低圧ＥＧＲ弁とをさらに備えても良い。
本発明に係るディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置によれば、各後処理ユニットの配置を工夫することで、排気ガスの熱を有効に利用でき、且つ小型化を図ることができる。
本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
本発明の一実施形態に係る排気ガス浄化装置の基本レイアウトを図１に示し、比較例に係る排気ガス浄化装置の基本レイアウトを図１２に示す。
＜比較例＞
まず、比較例に係る排気ガス浄化装置１０ａを図１２を用いて説明する。
まず、比較例に係る排気ガス浄化装置１０ａを図１２を用いて説明する。
図１２に示すように、ディーゼルエンジン１１のエキゾーストマニホールド（排気マニホールド）１２には排気配管１３が接続され、ディーゼルエンジン１１のインテークマニホールド（吸気マニホールド）１４には吸気配管１５が接続されている。エキゾーストマニホールド１２及び排気配管１３が排気経路１６を構成し、インテークマニホールド１４及び吸気配管１５が吸気経路１７を構成する。排気配管１３及び吸気配管１５には、ターボチャージャ１８が接続されている。すなわち、排気配管１３には、ターボチャージャ１８のタービン１９が配設され、吸気配管１５には、ターボチャージャ１８のコンプレッサ２０が配設されている。
コンプレッサ２０よりも下流の吸気配管１５には、インタークーラ２１が配置されている。タービン１９よりも上流の排気配管１３とコンプレッサ２０よりも下流で且つインタークーラ２１よりも上流の吸気配管１５とは、タービン１９に向かう排気ガスの一部を吸気配管１５に導く高圧ＥＧＲ配管２２ａで接続されている。高圧ＥＧＲ配管２２ａには、排気配管１３側から順に、高圧ＥＧＲ弁２３ａと高圧ＥＧＲクーラ２４ａとが配設されている。なお、高圧ＥＧＲ弁２３ａよりも排気配管１３側の高圧ＥＧＲ配管２２ａに高圧ＥＧＲクーラ２４ａを配設しても良い。
タービン１９よりも下流の排気配管１３には、排気ガス中の有害物質（ＰＭ、ＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣ等）を浄化する後処理装置２５ａが配設されている。後処理装置２５ａについては後述する。後処理装置２５ａよりも下流の排気配管１３とコンプレッサ２０よりも上流の吸気配管１５とは、図示しないマフラーに向かう排気ガスの一部を吸気配管１５に導く低圧ＥＧＲ配管２６ａで接続されている。低圧ＥＧＲ配管２６ａには、排気配管１３側から順に、低圧ＥＧＲ弁２７ａと低圧ＥＧＲクーラ２８ａとが配設されている。なお、低圧ＥＧＲ弁２７ａよりも排気配管１３側の低圧ＥＧＲ配管２６ａに低圧ＥＧＲクーラ２８ａを配設しても良い。
後処理装置２５ａは、内部に酸化触媒（以下、ＤＯＣという）２９ａ及びディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦという）３０ａが収容された第１ケーシング３１ａと、第１ケーシング３１ａの下流に配設され、排気配管１３内に尿素水を噴霧する尿素噴射ノズル３２ａと、尿素噴射ノズル３２ａの下流に配設され、内部に尿素選択還元触媒（以下、ＳＣＲという）３３ａが収容された第２ケーシング３４ａとを有する。
ＤＯＣ２９ａは、排気ガス中のＣＯ、ＨＣを酸化して浄化すると共にＮＯを酸化する機能を有し、ＤＰＦ３０ａは、排気ガス中のＰＭを捕集する機能を有する。尿素噴射ノズル３２ａは、排気配管１３内に噴霧した尿素水が加水分解や熱分解されることでアンモニア（ＮＨ3）を生成する機能を有する。ＳＣＲ３３ａは、排気ガス中のＮＯｘをアンモニアと還元反応させることで水と窒素に無害化する機能を有する。
比較例に係る排気ガス浄化装置１０ａは、後処理装置２５ａを構成する後処理ユニット（ＤＯＣ２９ａ、ＤＰＦ３０ａ、尿素噴射ノズル３２ａ、ＳＣＲ３３ａ）の全てがタービン１９の下流側に配置されているので、ディーゼルエンジン１１の排気ポートから後処理装置２５ａまでの距離が長い。よって、ディーゼルエンジン１１の排気ポートから流出した排気ガスは、排気配管１３を通過する際に放熱され、タービン１９で膨張した後、後処理装置２５ａに到達する。このため、ディーゼルエンジン１１の運転状態によっては、ＤＯＣ２９ａ、ＤＰＦ３０ａ、ＳＣＲ３３ａの温度が触媒活性温度（２５０℃程度）まで上昇しない場合がある。
＜実施形態＞
次に、本発明の一実施形態に係る排気ガス浄化装置１０を図１を用いて説明する。
次に、本発明の一実施形態に係る排気ガス浄化装置１０を図１を用いて説明する。
本実施形態は上述した比較例と共通の構成要素を有するので、共通の構成要素には共通の符号を付して説明を省略する。なお、排気ガス浄化装置１０及び後処理装置２５等については、添字「ａ」が付されているものが比較例を表し、添字「ａ」が無いものが本実施形態を表す。
図１に示すように、本実施形態に係るディーゼルエンジン１１の排気ガス浄化装置１０は、ディーゼルエンジン１１の排気経路１６に配設され、排気ガス中のＣＯ、ＨＣを浄化すると共にＮＯを浄化する前段のＤＯＣ（酸化触媒）２９と、ＤＯＣ２９よりも下流の排気経路１６に配設され、排気ガス中のＰＭを捕集するＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）３０と、ＤＰＦ３０よりも下流の排気経路１６に配設され、排気ガス中に尿素水を噴霧することでアンモニアを生成するための尿素噴射ノズル３２と、尿素噴射ノズル３２よりも下流の排気経路１６に配設され、噴霧された尿素水を攪拌して尿素の分解を促進するターボチャージャ１８のタービン１９と、タービン１９よりも下流の排気経路１６に配設され、排気ガス中のＮＯｘをアンモニアと還元反応させることで無害化するＳＣＲ（選択還元触媒：尿素ＳＣＲ）３３と、ＤＰＦ３０の前後差圧が所定の差圧範囲内で且つＤＰＦ３０の入口温度が所定の温度以下のとき、ＤＯＣ２９にＨＣを吸着及び酸化させる制御（本実施形態では、連続再生制御と称する）を行う制御手段３６（図２参照）とを備える。また、ＳＣＲ３３よりも下流の排気経路１６には、ＳＣＲ３３から流出したアンモニアを酸化して無害化するための後段酸化触媒（Ｒ−ＤＯＣ）３５が配設されている。なお、図２においては、ディーゼルエンジン１１の排気経路１６の一部のみを図示し、吸気経路１７等は図示していない。
各後処理ユニット（ＤＯＣ２９、ＤＰＦ３０、尿素噴射ノズル３２、ＳＣＲ３３、Ｒ−ＤＯＣ３５）については、後ほど詳述する。
また、本実施形態に係る排気ガス浄化装置１０では、ＤＰＦ３０よりも上流の排気配管１３、及び、ＤＰＦ３０よりも下流で且つ尿素噴射ノズル３２よりも上流の排気配管１３とインタークーラ２１よりも下流の吸気配管１５とが、タービン１９に向かう排気ガスの一部を吸気配管１５に導く高圧ＥＧＲ配管２２で接続されている。高圧ＥＧＲ配管２２には、排気配管１３側から順に、高圧ＥＧＲ弁２３と高圧ＥＧＲクーラ２４とが配設されている。なお、高圧ＥＧＲ弁２３よりも排気配管１３側の高圧ＥＧＲ配管２２に高圧ＥＧＲクーラ２４を配設しても良い。
また、本実施形態に係る排気ガス浄化装置１０では、高圧ＥＧＲ配管２２は、ＤＰＦ３０よりも下流で且つ尿素噴射ノズル３２よりも上流の排気経路１６に接続された下流側ＥＧＲ配管２２ｘと、後述するＭ／Ｆ−ＤＯＣ２９ｘよりも下流で且つ後述するＰ／Ｔ−ＤＯＣ２９ｙよりも上流の排気経路１６に接続された上流側ＥＧＲ配管２２ｙと、インタークーラ２１よりも下流の吸気経路１７に接続され、下流側ＥＧＲ配管２２ｘ及び上流側ＥＧＲ配管２２ｙを合流させる吸気側ＥＧＲ配管２２ｚとを有し、高圧ＥＧＲ弁２３は、下流側ＥＧＲ配管２２ｘに配設された下流側ＥＧＲ弁２３ｘと、上流側ＥＧＲ配管２２ｙに配設された上流側ＥＧＲ弁２３ｙとを有する。また、高圧ＥＧＲクーラ２４は吸気側ＥＧＲ配管２２ｚに配設されている。
なお、下流側ＥＧＲ配管２２ｘ及び下流側ＥＧＲ弁２３ｘと、上流側ＥＧＲ配管２２ｙ及び上流側ＥＧＲ弁２３ｙとのうち一方は、省略可能である。すなわち、高圧ＥＧＲ配管２２を下流側ＥＧＲ配管２２ｘ及び吸気側ＥＧＲ配管２２ｚのみの構成としても良く、高圧ＥＧＲ配管２２を上流側ＥＧＲ配管２２ｙ及び吸気側ＥＧＲ配管２２ｚのみの構成としても良い。
さらに、本実施形態に係る排気ガス浄化装置１０では、ＳＣＲ３３よりも下流の排気配管１３とコンプレッサ２０よりも上流の吸気配管１５とが、図示しないマフラーに向かう排気ガスの一部を吸気配管１５に導く低圧ＥＧＲ配管２６で接続されている。低圧ＥＧＲ配管２６には、排気配管１３側から順に、低圧ＥＧＲ弁２７と低圧ＥＧＲクーラ２８とが配設されている。なお、低圧ＥＧＲ弁２７よりも排気配管１３側の低圧ＥＧＲ配管２６に低圧ＥＧＲクーラ２８を配設しても良い。
図２に示すように、制御手段３６は、ＤＰＦ３０の前後差圧を検出する差圧センサ３７と、ＤＰＦ３０の入口温度を検出する温度センサ３８と、差圧センサ３７の検出値と温度センサ３８の検出値とに応じて、ディーゼルエンジン１１に設けたインジェクタ３９及び排気配管１３に設けた排気管インジェクタ４０を駆動制御するコントローラ（ＥＣＵ）４１とを有する。より詳しくは、ＥＣＵ４１は、ＤＯＣ２９（Ｍ／Ｆ−ＤＯＣ２９ｘ、Ｐ／Ｔ−ＤＯＣ２９ｙ）にＨＣを吸着及び酸化させるためにインジェクタ３９によるポスト噴射又は排気管インジェクタ４０による排気管噴射を実行する。なお、排気管噴射を行わない場合には、排気管インジェクタ４０は省略可能である。
ＥＣＵ４１は、図３に示すような制御フローに従ってＤＯＣ２９のＨＣ吸着及び酸化制御（連続再生制御）を行う。
具体的には、ＥＣＵ４１は、差圧センサ３７の検出値（ＤＰＦ３０の前後差圧Ｐ）が連続再生判定差圧ΔＰL以上で且つ自動再生判定差圧ΔＰH以下であり、温度センサ３８の検出値（ＤＰＦ３０の入口温度Ｔ）が連続再生制御開始温度ＴL以下であるときに、インジェクタ３９によるポスト噴射又は排気管インジェクタ４０による排気管噴射を実行する。つまり、本実施形態に係る排気ガス浄化装置１０においては、ＤＯＣ２９に吸着させたＨＣの脱離及び酸化を利用して、ＤＰＦ再生の補助熱に利用する。
ＥＣＵ４１により実行される連続再生制御の制御フローを図３により説明する。
ステップＳ１で、ＤＰＦ３０の入口温度Ｔ及びＤＰＦ３０の前後差圧ΔＰの測定を行い、ステップＳ２で、ＤＰＦ３０の前後差圧ΔＰが連続再生判定差圧ΔＰL以上（ΔＰ≧ΔＰL）であるかを判断する。ステップＳ２でＤＰＦ３０の前後差圧ΔＰがΔＰLより小であるときは、ステップＳ１に戻る。
ステップＳ２でＤＰＦ３０の前後差圧ΔＰがΔＰL以上であるときは、ステップＳ３で、ＤＰＦ３０の前後差圧ΔＰが自動再生判定差圧ΔＰH以下（ΔＰ≦ΔＰH）であるかを判断する。ステップＳ３でＤＰＦ３０の前後差圧ΔＰが自動再生判定差圧ΔＰHより大であるときは、本制御フローを終了して自動再生制御の制御フロー５０へと進む。自動再生判定差圧ΔＰHは、自動再生時期（強制再生時期）を判定するための設定値であり、連続再生判定差圧ΔＰLよりも大きい値に設定される。
ステップＳ３でＤＰＦ３０の前後差圧ΔＰが自動再生判定差圧ΔＰH以下であるときは、ステップＳ４で、ＤＰＦ３０の入口温度Ｔが連続再生制御開始温度ＴL以下（Ｔ≦ＴL）であるかを判断する。ステップＳ４でＤＰＦ３０の入口温度ＴがＴLより大であるときは、ステップＳ９へ進む。連続再生制御開始温度ＴLは、例えば、２００℃〜２５０℃に設定される。
ステップＳ４でＤＰＦ３０の入口温度Ｔが連続再生制御開始温度ＴL以下であるときは、ステップＳ５で、ＤＰＦ３０の入口温度Ｔが連続再生制御終了温度ＴH以下（Ｔ≦ＴH）であるかを判断する。ステップＳ５でＤＰＦ３０の入口温度ＴがＴHより大であるときは、ステップＳ９へ進む。連続再生制御終了温度ＴHは、連続再生制御開始温度ＴLよりも高い値に設定され、例えば、３００℃〜３５０℃に設定される。
ステップＳ５でＤＰＦ３０の入口温度Ｔが連続再生制御終了温度ＴH以下であるときは、ステップＳ６で、インジェクタ３９によるポスト噴射又は排気管インジェクタ４０による排気管噴射を実行する。
次いで、ステップＳ７で、ＤＰＦ３０の入口温度Ｔ及びＤＰＦ３０の前後差圧ΔＰの測定を行い、ステップＳ８で、ＤＰＦ３０の入口温度Ｔが連続再生制御開始温度ＴL以下（Ｔ≦ＴL）であるかを判断する。ステップＳ８でＤＰＦ３０の入口温度ＴがＴLより大であるときは、ステップＳ５に戻る。
ステップＳ８でＤＰＦ３０の入口温度Ｔが連続再生制御開始温度ＴL以下であるときは、ステップＳ９で、ＤＰＦ３０の前後差圧ΔＰが連続再生判定差圧ΔＰL以下（ΔＰ≦ΔＰL）であるかを判断する。ステップＳ９でＤＰＦ３０の前後差圧ΔＰがΔＰLより大であるときは、ステップＳ５に戻り、ステップＳ９でＤＰＦ３０の前後差圧ΔＰがΔＰL以下であるときには、本制御フローを終了（リターン）する。
また、ＥＣＵ４１は、図示しない制御フローに従って自動再生制御（強制再生制御）と称される制御を行う。
具体的には、ＥＣＵ４１は、差圧センサ３７の検出値（ＤＰＦ３０の前後差圧ΔＰ）が自動再生判定差圧ΔＰHより大であり、温度センサ３８の検出値（ＤＰＦ３０の入口温度Ｔ）が自動再生制御開始温度ＴA以下のときに、インジェクタ３９によるポスト噴射又は排気管インジェクタ４０による排気管噴射を実行する。すなわち、ＥＣＵ４１は、基本的に、差圧センサ３７の検出値（ＤＰＦ３０の前後差圧ΔＰ）が自動再生判定差圧ΔＰH以下となるまで自動再生制御を行う。自動再生制御開始温度ＴAは、連続再生制御開始温度ＴL及び連続再生制御終了温度ＴHよりも高い値に設定され、例えば、４５０℃〜５００℃に設定される。
次に、本実施形態の効果を説明する。
タービン１９の上流側の排気経路１６にＤＰＦ３０を配設することで、タービン１９の膨張比の影響が無い分、本実施形態は比較例に比べて、ＤＰＦ圧力損失の増加がエキゾーストマニホールド圧力、トルクに及ぼす影響は相対的に小さくなる。その結果、図４に示すように、トルク、エキゾーストマニホールド圧力等のエンジン性能に及ぼす影響を同一にした場合、本実施形態はＤＰＦ３０の直径を比較例に比べて同一長さで４０％ほど小さくできる。ＤＰＦ３０の小型化（熱容量低減）により、ＤＰＦ再生時の昇温時間を短縮することができる。
また、タービン１９の上流側の排気経路１６にＤＰＦ３０を配設することで、本実施形態はＤＰＦ３０を比較例よりディーゼルエンジン１１の排気ポートに近接することができる。従って、図５に示すように、本実施形態はＤＰＦ３０の入口温度を比較例より１００℃以上高温に保つことができる。そのため、ＤＰＦ３０の連続再生（ＤＰＦ３０の入口温度が２５０℃〜５００℃）ができる頻度を増やすことができる。さらに、図６に示すように、本実施形態はＤＰＦ３０の入口温度が所定温度に達するまでの昇温時間を比較例に比べて短縮できる。よって、排気ガスの熱を有効に利用でき、各後処理ユニット（ＤＯＣ２９、ＤＰＦ３０、ＳＣＲ３３、Ｒ−ＤＯＣ３５）の温度を触媒活性温度（２５０℃程度）に確保し易くなる。
これらの優位点を踏まえて、本実施形態に係る排気ガス浄化装置１０では、図３に示すようなＤＯＣ２９のＨＣ吸着及び酸化制御（連続再生制御）を行い、ＤＰＦ３０の連続再生（ＤＰＦ３０の入口温度が２５０℃〜５００℃）ができる頻度をさらに増加させた。すなわち、連続再生制御を加えることで、ＤＰＦ３０の連続再生ができる頻度を増加させることができる。その結果、ＤＰＦ３０の目詰まりを未然に防止して自動再生制御（強制再生制御）を極力行わないようにでき、図７に示すように、本実施形態はＤＰＦ３０の自動再生（ＤＰＦ３０の入口温度が５００℃以上）の間隔を比較例に比べて大幅に伸ばすことができた。これらの結果、図８に示すように、本実施形態はＤＰＦ再生時のＣＯ2排出量を大幅に低減することができた。なお、ＤＯＣ２９にＣｅＯ2（酸化セリウム）、ＺｒＯ2（酸化ジルコニウム）等のＣＯを多く吸着できるＣＯ吸着材（一酸化炭素吸着材）を使用することで、ＤＯＣ２９の発熱量をさらに増やすことも可能である。
また、タービン１９の上流側の排気経路１６にＤＰＦ３０を配設することで、ＤＰＦ３０の小型化が可能となり、レイアウトの自由度が増える。さらに、ＤＰＦ３０がタービン１９のオイル由来の灰分の影響を受けないため、ＤＰＦ３０の目詰まり抑制にも有利である。加えて、タービン１９上流のＤＰＦ３０の直下（高圧ＥＧＲ配管２２の下流側ＥＧＲ配管２２ｘ）又はディーゼルエンジン１１の排気ポートに近接化させたＳＣＲ３３の直下（低圧ＥＧＲ配管２６）で排気経路１６から排気ガスを取り出すことができるので、ＥＧＲ経路（高圧ＥＧＲ配管２２又は低圧ＥＧＲ配管２６）の短縮が可能である。さらに、ＥＧＲ装置（高圧ＥＧＲ配管２２、高圧ＥＧＲ弁２３、高圧ＥＧＲクーラ２４、低圧ＥＧＲ配管２６、低圧ＥＧＲ弁２７、低圧ＥＧＲクーラ２８）の防汚対策に有効である。
各後処理ユニットについて詳述する。
〔ＤＯＣ〕
ＤＯＣ２９は、ディーゼルエンジン１１のエキゾーストマニホールド１２の各気筒部分に配設された第１酸化触媒（Ｍ／Ｆ−ＤＯＣ：マニホールド酸化触媒）２９ｘと、エキゾーストマニホールド１２の下流端に接続された排気配管１３に配設された第２酸化触媒（Ｐ／Ｔ−ＤＯＣ：プレタービン酸化触媒）２９ｙとを有する。上流側のＭ／Ｆ−ＤＯＣ２９ｘは、下流側のＰ／Ｔ−ＤＯＣ２９ｙよりもＣＯ浄化に優れたものが用いられ、下流側のＰ／Ｔ−ＤＯＣ２９ｙは、上流側のＭ／Ｆ−ＤＯＣ２９ｘよりもＨＣ浄化に優れたものが用いられる。ＤＯＣは、一般的に、排気ガス中にＣＯが存在しない方がＨＣの吸着及び浄化が良好であり、排気ガス中にＨＣが存在していてもＣＯの吸着及び浄化が悪化することはないという性質を有するからである。なお、排気温度及びＨＣ／ＣＯ濃度等によっては、ＤＯＣ２９をＭ／Ｆ−ＤＯＣ２９ｘのみの構成とすることも可能である（図１１参照）。
ＤＯＣ２９は、ディーゼルエンジン１１のエキゾーストマニホールド１２の各気筒部分に配設された第１酸化触媒（Ｍ／Ｆ−ＤＯＣ：マニホールド酸化触媒）２９ｘと、エキゾーストマニホールド１２の下流端に接続された排気配管１３に配設された第２酸化触媒（Ｐ／Ｔ−ＤＯＣ：プレタービン酸化触媒）２９ｙとを有する。上流側のＭ／Ｆ−ＤＯＣ２９ｘは、下流側のＰ／Ｔ−ＤＯＣ２９ｙよりもＣＯ浄化に優れたものが用いられ、下流側のＰ／Ｔ−ＤＯＣ２９ｙは、上流側のＭ／Ｆ−ＤＯＣ２９ｘよりもＨＣ浄化に優れたものが用いられる。ＤＯＣは、一般的に、排気ガス中にＣＯが存在しない方がＨＣの吸着及び浄化が良好であり、排気ガス中にＨＣが存在していてもＣＯの吸着及び浄化が悪化することはないという性質を有するからである。なお、排気温度及びＨＣ／ＣＯ濃度等によっては、ＤＯＣ２９をＭ／Ｆ−ＤＯＣ２９ｘのみの構成とすることも可能である（図１１参照）。
Ｍ／Ｆ−ＤＯＣ２９ｘは、ＣＯ浄化（ＣＯ吸着）に優れる酸素吸蔵材（ＯＳＣ：Oxygen Storage Capacity）を有する酸化物と酸化物半導体とを含む触媒からなり、Ｐ／Ｔ−ＤＯＣ２９ｙは、ＨＣ浄化（ＨＣ吸着）に優れる金属触媒（Ｐｔ触媒等）からなる。このようにＤＯＣ２９を構成することで、低温活性に優れた触媒構成が得られると共に、ＤＯＣ２９全体を小型化でき、タービン１９の上流側に無理なく配設することができる。
なお、Ｍ／Ｆ−ＤＯＣ２９ｘは、ＯＳＣを有する酸化物と酸化物半導体とが混在した触媒を含む触媒層としてもよく、Ｐ／Ｔ−ＤＯＣ２９ｙは、貴金属触媒（Ｐｔ触媒等）とＨＣ吸着材とが混在した触媒を用いてもよい。また、ＯＳＣを有する酸化物には、セリウム（Ｃｅ）を含む酸化物（酸化セリウム等）が用られ、この酸化物に貴金属（Ｐｔ等）が坦持されていてもよい。また、酸化物半導体には、ＴｉＯ2、ＺｎＯ又はＹ2Ｏ3が用いられる。
ところで、高圧ＥＧＲ配管２２を介して吸気経路１７に還流する排気ガスは、Ｍ／Ｆ−ＤＯＣ２９ｘの下流で且つ尿素噴射ノズル３２の上流の排気配管１３から分岐する（下流側ＥＧＲ配管２２ｘ、上流側ＥＧＲ配管２２ｙ）。さらに、低圧ＥＧＲ配管２６を介して吸気経路１７に還流する排気ガスは、ＳＣＲ３３の下流の排気配管１３から分岐する。これにより、ＤＯＣ２９（Ｍ／Ｆ−ＤＯＣ２９ｘ、Ｐ／Ｔ−ＤＯＣ２９ｙ）、ＤＰＦ３０、ＳＣＲ３３を通過した後の排気ガスが、高圧ＥＧＲ配管２２（下流側ＥＧＲ配管２２ｘ、上流側ＥＧＲ配管２２ｙ、吸気側ＥＧＲ配管２２ｚ）又は低圧ＥＧＲ配管２６を通って吸気配管１５に還流される。よって、還流される排気ガス中の未燃焼物質（ＳＯＦ成分：Soluble Organic Fraction Element）が低減され、ＳＯＦによるＥＧＲ弁（高圧ＥＧＲ弁２３、低圧ＥＧＲ弁２７）やＥＧＲクーラ（高圧ＥＧＲクーラ２４、低圧ＥＧＲクーラ２８）の詰まり、腐食等の悪影響を抑制できる。
〔尿素噴射ノズル〕
比較例では、尿素噴射ノズル３２ａは、タービン１９の下流の排気配管１３に配設されている。比較例の配置で尿素水を噴射して略均一に拡散させるためには、尿素噴射位置からＳＣＲ３３ａの入口まである程度の距離（例えば、２５ｃｍ以上の距離）が必要となる。
比較例では、尿素噴射ノズル３２ａは、タービン１９の下流の排気配管１３に配設されている。比較例の配置で尿素水を噴射して略均一に拡散させるためには、尿素噴射位置からＳＣＲ３３ａの入口まである程度の距離（例えば、２５ｃｍ以上の距離）が必要となる。
一方、本実施形態では、尿素噴射ノズル３２は、ＤＰＦ３０の下流で且つタービン１９の上流の排気配管１３に配設されている。このため、尿素噴射ノズル３２から噴霧された尿素水がタービン１９によって攪拌され、タービン１９の下流側で略均一に拡散され、尿素の加水分解や熱分解が促進される。このため、尿素噴射ノズル３２の尿素噴射位置からＳＣＲ３３の入口までの距離を比較例よりも近付けることができ、さらにはタービン１９の通過後における尿素の排気配管１３中への噴霧拡散が均一化される。加えて、尿素噴射位置の温度（ＤＰＦ出口温度）を比較例より１００℃以上高く保つことができる（図４参照）ので、図９及び図１０に示すように、本実施形態は尿素からアンモニア（ＮＨ3）への生成率を比較例に比べて向上させることが可能となり、本実施形態はＪＥ０５モード平均でＳＣＲ３３のＮＯｘ浄化率を比較例に比べて改善できる。
ところで、高ＥＧＲ燃焼させた際には排気ガス中に硫黄酸化物（ＳＯｘ）が生じるが、このＳＯｘによる排気配管１３、タービン１９の腐食は、以下の反応を利用して抑制される。
先ず、尿素噴射ノズル３２から噴霧された尿素水が加水分解、熱分解して生成されたアンモニア（ＮＨ3）と排気ガス中のＳＯ4等とが反応して、２ＮＨ3＋ＳＯ4→（ＮＨ4）２ＳＯ4が生成される。生成された（ＮＨ4）２ＳＯ4は、中和物なので、排気配管１３、タービン１９の腐食の問題は生じない。
その後、この（ＮＨ4）２ＳＯ4がタービン１９の下流のＳＣＲ３３に捕捉され、熱分解してアンモニア（ＮＨ3）が生成され、このアンモニア（ＮＨ3）がＳＣＲ３３にてＮＯｘの還元反応に使用される。
〔ＤＰＦ〕
ＤＰＦ３０のフィルタ本体は、気孔率や気孔径、壁厚の適正化を図ることで、浄化特性（ＰＭの捕集特性）は従来品と同等で、且つ圧力損失の小さい構造としている。この改良により、従来品よりも体積が５０％以上小さい小型のＤＰＦ３０を用いた。
ＤＰＦ３０のフィルタ本体は、気孔率や気孔径、壁厚の適正化を図ることで、浄化特性（ＰＭの捕集特性）は従来品と同等で、且つ圧力損失の小さい構造としている。この改良により、従来品よりも体積が５０％以上小さい小型のＤＰＦ３０を用いた。
なお、図１では、Ｐ／Ｔ−ＤＯＣ２９ｙ及びＤＰＦ３０は同一の第１ケーシング３１内に収容されているが、第１ケーシング３１をＰ／Ｔ−ＤＯＣ２９ｙとＤＰＦ３０とで別体とし、それらの間を短い配管で接続してもよい。
〔ＳＣＲ〕
ＳＣＲ３３には、触媒坦体（モノリス触媒）等を用いることで、比体積当たりの触媒量を増加させ、体積を従来比５０％以上低減した小型のＳＣＲ３３を用いた。
ＳＣＲ３３には、触媒坦体（モノリス触媒）等を用いることで、比体積当たりの触媒量を増加させ、体積を従来比５０％以上低減した小型のＳＣＲ３３を用いた。
〔Ｒ−ＤＯＣ〕
尿素噴射ノズル３２から噴霧された尿素水により生成されたアンモニア（ＮＨ3）が全てＳＣＲ３３で消費されるように、ディーゼルエンジン１１の運転状態に応じて尿素水の噴霧量を制御すれば、Ｒ−ＤＯＣ３５を省略可能である（図１１参照）。すなわち、Ｒ−ＤＯＣ３５は必要に応じて配設すれば良い。
尿素噴射ノズル３２から噴霧された尿素水により生成されたアンモニア（ＮＨ3）が全てＳＣＲ３３で消費されるように、ディーゼルエンジン１１の運転状態に応じて尿素水の噴霧量を制御すれば、Ｒ−ＤＯＣ３５を省略可能である（図１１参照）。すなわち、Ｒ−ＤＯＣ３５は必要に応じて配設すれば良い。
なお、図１では、ＳＣＲ３３及びＲ−ＤＯＣ３５は同一の第２ケーシング３４内に収容されているが、第２ケーシング３４をＳＣＲ３３とＲ−ＤＯＣ３５とで別体とし、それらの間を短い配管で接続してもよい。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。
例えば、本発明は多段ターボを有するディーゼルエンジンにも適用可能である。その場合、最上段（ディーゼルエンジンの排気ポート側）に位置するタービンよりも上流の排気経路にＤＯＣ及びＤＰＦを配設し、最下段に位置するタービンよりも下流の排気経路にＳＣＲ及びＲ−ＤＯＣを配設することになる。
１０ 排気ガス浄化装置
１１ ディーゼルエンジン
１６ 排気経路
１８ ターボチャージャ
１９ タービン
２２ 高圧ＥＧＲ配管
２３ 高圧ＥＧＲ弁
２６ 低圧ＥＧＲ配管
２７ 低圧ＥＧＲ弁
２９ 酸化触媒（ＤＯＣ）
２９ｘ 第１酸化触媒（Ｍ／Ｆ−ＤＯＣ）
２９ｙ 第２酸化触媒（Ｐ／Ｔ−ＤＯＣ）
３０ ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
３２ 尿素噴射ノズル
３３ 尿素選択還元触媒（ＳＣＲ）
３５ 後段酸化触媒（Ｒ−ＤＯＣ）
３６ 制御手段
３７ 差圧センサ
３８ 温度センサ
３９ インジェクタ
４０ 排気管インジェクタ
４１ ＥＣＵ（コントローラ）
１１ ディーゼルエンジン
１６ 排気経路
１８ ターボチャージャ
１９ タービン
２２ 高圧ＥＧＲ配管
２３ 高圧ＥＧＲ弁
２６ 低圧ＥＧＲ配管
２７ 低圧ＥＧＲ弁
２９ 酸化触媒（ＤＯＣ）
２９ｘ 第１酸化触媒（Ｍ／Ｆ−ＤＯＣ）
２９ｙ 第２酸化触媒（Ｐ／Ｔ−ＤＯＣ）
３０ ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
３２ 尿素噴射ノズル
３３ 尿素選択還元触媒（ＳＣＲ）
３５ 後段酸化触媒（Ｒ−ＤＯＣ）
３６ 制御手段
３７ 差圧センサ
３８ 温度センサ
３９ インジェクタ
４０ 排気管インジェクタ
４１ ＥＣＵ（コントローラ）
Claims (9)
- ディーゼルエンジンの排気経路に配設され、排気ガス中のＣＯ、ＨＣを浄化する酸化触媒と、
前記酸化触媒よりも下流の前記排気経路に配設され、排気ガス中の粒子状物質を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタと、
前記ディーゼルパティキュレートフィルタよりも下流の前記排気経路に配設され、排気ガス中に尿素水を噴霧することでアンモニアを生成するための尿素噴射ノズルと、
前記尿素噴射ノズルよりも下流の前記排気経路に配設され、噴霧された尿素水を攪拌して尿素の分解を促進するターボチャージャのタービンと、
前記タービンよりも下流の前記排気経路に配設され、排気ガス中のＮＯｘをアンモニアと還元反応させることで無害化する選択還元触媒と、
前記ディーゼルパティキュレートフィルタの前後差圧が所定の差圧範囲内で且つ前記ディーゼルパティキュレートフィルタの入口温度が所定の温度以下のとき、前記酸化触媒にＨＣを吸着及び酸化させる制御を行う制御手段と
を備えたことを特徴とするディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。 - 前記制御手段は、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの前後差圧を検出する差圧センサと、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの入口温度を検出する温度センサと、前記酸化触媒にＨＣを吸着及び酸化させるためにインジェクタによるポスト噴射又は排気管インジェクタによる排気管噴射を実行するコントローラとを有する請求項１に記載のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。
- 前記選択還元触媒よりも下流の前記排気経路に配設され、前記選択還元触媒から流出したアンモニアを酸化して無害化するための後段酸化触媒をさらに備える請求項１又は２に記載のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。
- 前記酸化触媒が、前記ディーゼルエンジンのエキゾーストマニホールドの各気筒部分に配設された第１酸化触媒と、前記エキゾーストマニホールドの下流端に接続された排気配管に配設された第２酸化触媒とを有し、
前記第１酸化触媒が、前記第２酸化触媒よりもＣＯ浄化に優れたものであり、
前記第２酸化触媒が、前記第１酸化触媒よりもＨＣ浄化に優れたものである
請求項１から３のいずれかに記載のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。 - 前記第１酸化触媒が、酸素吸蔵材を有する酸化物と酸化物半導体とを含む触媒であり、
前記第２酸化触媒が、金属触媒である
請求項４に記載のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。 - 前記酸素吸蔵材を有する酸化物が、Ｃｅを含む酸化物であり、
前記酸化物半導体が、ＴｉＯ2、ＺｎＯ又はＹ2Ｏ3である
請求項５に記載のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。 - 前記酸素吸蔵材を有する酸化物に、貴金属が坦持されている
請求項５又は６に記載のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。 - 前記ディーゼルパティキュレートフィルタよりも下流で且つ前記尿素噴射ノズルよりも上流の前記排気経路に接続された高圧ＥＧＲ配管と、前記高圧ＥＧＲ配管に配設された高圧ＥＧＲ弁とをさらに備える請求項１から７のいずれかに記載のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。
- 前記選択還元触媒よりも下流の前記排気経路に接続された低圧ＥＧＲ配管と、前記低圧ＥＧＲ配管に配設された低圧ＥＧＲ弁とをさらに備える請求項１から８のいずれかに記載のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。
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