JP4529822B2

JP4529822B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP4529822B2
Application number: JP2005196816A
Authority: JP
Inventors: 秀夫矢作
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-07-05
Filing date: 2005-07-05
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2025-07-05
Also published as: JP2007016635A

Description

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。

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。

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。
国際公開第ＷＯ２００４／０２４３０１号のパンフレット

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_２が消費されてしまい、ＮＯｘ触媒に供給されるＮＯ_２が不足することにあることが判明した。

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。

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、前記制御手段は、前記第２の酸化剤供給手段による酸化剤の供給量が、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なるように、前記ＰＭ捕集装置におけるＰＭの堆積量、及び前記ＰＭ捕集装置の温度の少なくともいずれかに基づいて、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である。

ＰＭ捕集装置に酸化剤として例えばオゾンＯ３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＋Ｏ３→３ＮＯ２の反応が生じて、ＰＭ捕集装置にはＮＯ２が供給される。ＰＭ捕集装置では、炭素ＣからなるＰＭがＣ＋２ＮＯ２→ＣＯ２＋２ＮＯのように反応し、ＰＭが酸化される一方、ＮＯ２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ＮＯ２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＋Ｏ３→３ＮＯ２の反応によって十分な量のＮＯ２がＮＯｘ触媒装置に供給されて、ＮＯ２によるＮＯｘ触媒装置の活性化を促進することができる。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、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ので、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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_２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_２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_２に転化させるものである。ＳＣＲ触媒には、Ｖ_２Ｏ_５／ＷＯ_３／ＴｉＯ_２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。

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_２、Ｍｎ／ＣｅＯ_２、Ｆｅ／ＣｅＯ_２、Ｎｉ／ＣｅＯ_２、Ｃｕ／ＣｅＯ_２等を用いることができる。

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_３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_２が分解され、オゾンＯ_３が吐出される。

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。

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_３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。

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。

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_２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。

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。

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_３が生成される。より詳細には、空気中の酸素分子Ｏ_２に電子が衝突して酸素原子が生じ（Ｏ_２⇒Ｏ＋Ｏ＋ｅ⁻）、この酸素原子が酸素分子と結合してオゾンＯ_３が生成される（Ｏ＋Ｏ_２＋Ｏ_２⇒Ｏ_３＋Ｏ_２）。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。

第１分岐路から供給されたオゾンＯ_３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_３→３ＮＯ_２の反応が生じて、ＤＰＦ４には二酸化窒素ＮＯ_２が供給される。ＤＰＦ４では、Ｃ＋２ＮＯ_２→ＣＯ_２＋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_３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。

他方、第２分岐路から供給されたオゾンＯ_３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_３→３ＮＯ_２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_３が供給される。ＮＯおよびＮＯ_２を含んだ排ガスに、還元剤であるアンモニアＮＨ_３が添加されたガス混合物は、ＮＯｘ触媒５に導入されると、ＮＯ_xからＮ_２への転化率が増加し、ＮＯ_ｘがＮ_２に高効率で転化されて浄化される。

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_２に対して、炭素ＣからなるＰＭがＣ＋２ＮＯ_２→ＣＯ_２＋２ＮＯのように反応し、ＰＭが酸化される一方、ＮＯ_２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_２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_３→３ＮＯ_２の反応によって十分な量のＮＯ_２がＮＯｘ触媒５に供給されて、好適な量ないし割合のＮＯ_２によりＮＯｘ触媒５の活性化を促進することができる。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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_２から酸化剤としてのオゾンＯ_３を生成させてもよい。

また、上記実施形態では酸化剤をオゾンＯ_３としたが、本発明における酸化剤は、オゾンＯ_３、原子状酸素Ｏ、スーパーオキシドアニオンラジカルＯ^２−、ヒドロキシルラジカルＯＨ⁻、アルコキシルラジカルＲ−Ｏ_２、二酸化窒素ＮＯ_２、酸素Ｏ_２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。

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。

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。

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。

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。ハニカム構造体の要部を示す断面図である。リアクタの要部を示す概略構成図である。変形例の酸化剤供給系を示す概略構成図である。図４の変形例の要部を示すＡ−Ａ線断面図である。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。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。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。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

１，５０１内燃機関の排気浄化装置
２エンジン
４ＤＰＦ
５ＮＯｘ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

Claims

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、
前記制御手段は、前記第２の酸化剤供給手段による酸化剤の供給量が、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なるように、前記ＰＭ捕集装置におけるＰＭの堆積量、及び前記ＰＭ捕集装置の温度の少なくともいずれかに基づいて、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１または２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。