JP4470746B2 - ＮＯｘ浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＮＯｘ浄化装置に関し、詳しくは、燃費を向上させたＮＯｘ浄化装置に関する。

自動車等の内燃機関から排出される排気ガスには、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、粒状物質（ＰＭ）などの成分が含まれている。これらの成分は、環境への影響があるだけでなく、人体の健康を害するおそれもあり、その低減が検討されている。

これらの有害成分を低減する方法として、燃料を希薄にして運転を行うことでこれらの成分の内燃機関からの排出量を低減するリーンバーンシステムと、排気ガス中のこれらの成分を貴金属などの触媒を用いて無害な成分に分解浄化する方法と、がある。ここで、リーンバーンシステムは、有害成分の生成量を低減する方法であり、通常は、リーンバーンシステムにおいても、触媒を用いて有害成分を分解浄化している。

自動車のエンジンには、大きく分けて、ガソリンを燃料とするガソリンエンジンと、軽油を燃料とするディーゼルエンジンと、がある。特にディーゼルエンジンは、ガソリンエンジンよりも多量のＰＭを排出することが知られている。通常、ＰＭは、ＤＰＦなどのフィルタ触媒で捕捉して排ガス中から取り除いている。

リーンバーンシステムは、空気と燃料の比（空燃比、Ａ／Ｆ）を理論空燃比から大きくして、燃料の噴射量を減らすことで内燃機関から排出される有害成分を減らす方法である。リーンバーンシステムは、内燃機関から排出される有害成分を減らすことで環境への負荷を低減させる。そして、ガソリンエンジンだけでなく、ディーゼルエンジンにおいてもこのリーンバーンシステムが採用されてきている。

また、通常、車両は、酸化触媒、還元触媒、三元触媒等の貴金属を用いた触媒装置を搭載し、この触媒装置でこれらの成分を分解浄化している。ＣＯおよびＨＣの分解浄化は酸化反応により、ＮＯｘの分解浄化は還元反応により進行する。

特にディーゼルエンジンにおいては、フィルタ触媒でＰＭを除去した後に有害成分を触媒金属で除去しており、触媒金属により浄化されるときには排ガス温度が触媒金属の活性温度より低くなることがあった。排ガス温度が低温となると、触媒金属により有害成分が浄化されなくなる。

そこで、排気ガス中のＮＯｘを分解浄化するＮＯｘ浄化装置が開発されている。このＮＯｘ浄化装置としては、たとえば、ＮＯｘを含む排ガス中にエンジンの燃料を噴射する燃料噴射手段と、その下流部に配置されたＰｔ（触媒金属）と、その下流に配置されたＮＯｘ浄化触媒と、をもつ装置がある。このＮＯｘ浄化装置は、排ガスに燃料を噴射して、下流に配置されたＰｔでこの燃料を分解し、分解反応が進行するときの発熱により排ガスおよびＮＯｘ浄化触媒を触媒活性を発揮する温度以上に昇温して、ＮＯｘを分解浄化している。

しかしながら、このようなＮＯｘ浄化装置は、エンジンの稼働時に連続的に排ガス中に燃料を噴射する必要があり、燃料消費量が増大するという問題があった。

本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、排ガス中に燃料を噴射するＮＯｘ浄化装置において、燃料の消費量が低減されたＮＯｘ浄化装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明者はＮＯｘ浄化装置について検討を重ねた結果、ＮＯｘ浄化装置に流れ込む排ガスを燃料が噴射されて加熱された排ガスで加熱する浄化装置とすることで上記課題を解決できることを見出した。

すなわち、本発明のＮＯｘ浄化装置は、ＮＯｘを含む排ガス中に燃料を噴射する燃料噴射手段と、燃料噴射手段が燃料を噴射する位置の下流に配置された燃料を酸化分解する触媒金属と、をもつ排ガス加熱部と、排ガス加熱部の下流に配置され、ＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒を備えたＮＯｘ浄化部と、をもつＮＯｘ浄化装置において、排ガス加熱部において加熱された排ガスが流れる下流側排ガス流路と、排ガス加熱部の上流にもうけられ排ガス加熱部において加熱される排ガスが流れる上流側排ガス流路と、が熱伝達可能な熱交換器にもうけられ、下流側排ガス流路にＮＯｘ浄化部がもうけられ、熱交換器は、下流側排ガス流路となる複数の下流側セルと、上流側排ガス流路となる複数の上流側セルと、を各セル同士が隣接した状態でもつことを特徴とする。

本発明のＮＯｘ浄化装置は、排ガス加熱部において加熱された排ガスが流れる下流側排ガス流路と排ガス加熱部において加熱される排ガスが流れる上流側排ガス流路とがひとつの熱交換器にもうけられている。つまり、排ガス加熱部に流れ込む排ガスが加熱されたことで、排ガス加熱部において排ガスに付与される熱量が少なくなる。すなわち、排ガス加熱部において排ガスに噴射される燃料を少なくすることができる。この結果、ＮＯｘ浄化装置を低燃費で稼働することができる。

本発明のＮＯｘ浄化装置は、ＮＯｘを含む排ガス中に燃料を噴射する燃料噴射手段と、燃料噴射手段が燃料を噴射する位置の下流に配置された燃料を酸化分解する触媒金属と、をもつ排ガス加熱部と、排ガス加熱部の下流に配置され、ＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒を備えたＮＯｘ浄化部と、をもつ。

本発明のＮＯｘ浄化装置は、燃料噴射手段と触媒金属とをもつ排ガス加熱部において排ガスを加熱し、排ガス加熱部の下流側に配置されたＮＯｘ浄化部を排ガスで加熱して排ガス中のＮＯｘを分解浄化する。

そして、本発明のＮＯｘ浄化装置は、下流側排ガス流路と上流側排ガス流路とが熱伝達可能な熱交換器にもうけられている。下流側排ガス流路と上流側排ガス流路とが一体の熱交換器にもうけられたことで、両流路が熱交換可能となっている。つまり、熱交換器においては、下流側排ガス流路を流れる加熱された排ガスの高温が上流側排ガス流路を流れる排ガスに伝達される。この結果、排ガス加熱部に流れ込む排ガスが高温となっており、排ガス加熱部で加熱に要する（排ガスに付与される）熱量が少なくなっている。このことは、排ガス加熱部において排ガスに噴射される燃料を少なくすることができることを示す。つまり、本発明のＮＯｘ浄化装置を低燃費で稼働することができることを示す。

本発明のＮＯｘ浄化装置において排ガス加熱部およびＮＯｘ浄化部は、上記機能を発揮できる装置あるいは部材で構成されるものであれば特に限定されるものではなく、従来公知の装置と同様とすることができる。

燃料噴射手段は、内燃機関から排出されたＮＯｘを含む排ガス中に燃料を噴射することができる手段であればよい。つまり、排ガス中に燃料を噴射する方法は限定されるものではない。

燃料噴射手段において排ガスに噴射される燃料は、触媒金属により分解されるときに発熱する燃料であれば特に限定されるものではない。このような燃料として、低級炭化水素化合物をあげることができる。あらたに燃料を貯留するタンクを必要としないことや内燃機関の燃料と同時に補給できることなどから、噴射手段において噴射される燃料は、内燃機関の燃料であることが好ましい。

触媒金属は、燃料噴射手段が燃料を噴射する位置の下流に配置されている。この下流とは、排ガスの流れ方向の下流である。触媒金属が燃料噴射手段が燃料を噴射する位置の下流に配置されたことで、燃料が噴射された排ガスが触媒金属に接触するようになる。

また、触媒金属は、燃料を酸化分解する。触媒金属により進行する燃料の酸化反応は、発熱反応であり、この熱により排ガスが加熱される。たとえば、炭化水素よりなる燃料の分解反応を化１に示す。

本発明のＮＯｘ浄化装置において触媒金属は、燃料を酸化分解して発熱を生じさせることができる触媒金属であれば特に限定されるものではない。このような触媒金属としては、たとえば、Ｐｔをあげることができる。

ＮＯｘ浄化部は、排ガス加熱部の下流に配置される。つまり、ＮＯｘ浄化部には、排ガス加熱部において加熱された排ガスが流れ込む。加熱された排ガスによりＮＯｘ浄化部は所定の温度以上に加熱され、排ガス中のＮＯｘを浄化できるようになる。また、ＮＯｘ浄化部に流れ込む排ガスには、排ガス加熱部において分解されなかった燃料も流れ込む。燃料が炭化水素の場合には、分解されなかった（完全に酸化していない）燃料は、ＮＯｘ浄化の還元反応の反応源となる。つまり、化２式に示した反応が進行する。

ＮＯｘ浄化部は、ＮＯｘを浄化することができる装置であれば特に限定されるものではない。たとえば、耐熱性をもつセラミックスや金属よりなる触媒担体基材の表面に耐熱性無機酸化物の多孔質担体を形成し、その担体の表面上に貴金属等の触媒金属を担持させてなる構成とすることができる。ＮＯｘを浄化する触媒金属としては、たとえば、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｎをあげることができる。

本発明のＮＯｘ浄化装置において熱交換器は、下流側排ガス流路と上流側排ガス流路とが熱伝達可能な状態で一体をなしていればその構成等は特に限定されるものではない。たとえば、上流側排ガス流路と下流側排ガス流路とが金属等の熱交換可能な材質よりなる隔壁により隔てられた状態で一体をなしたことが好ましい。このとき、上流側排ガス流路と下流側排ガス流路との接触面積が広いことが好ましい。すなわち、熱交換器は、下流側排ガス流路となる複数の下流側セルと、上流側排ガス流路となる複数の上流側セルと、を各セル同士が隣接した状態でもつことが好ましい。

熱交換器は、ＮＯｘ浄化部をもつことが好ましい。熱交換器がＮＯｘ浄化部をもつことで、排ガス加熱部により近接した位置で熱の交換を行うことができる。つまり、上流側排ガス流路を流れる排ガスをより高温に加熱することができる。

本発明のＮＯｘ浄化装置は、ＮＯｘを排出する内燃機関の排ガスの浄化に効果を発揮するものであり、内燃機関の種類が限定されるものではない。内燃機関はディーゼルエンジンであり、燃料は軽油であることがより好ましい。

本発明のＮＯｘ浄化装置は、各排ガス流路を流れる排ガスをセンシングするセンサと、センサからの検出信号に基づいて燃料噴射手段において噴射される燃料を演算する演算手段と、演算手段からの演算結果に基づいて燃料噴射手段の燃料の噴射を制御する制御手段と、をもつことが好ましい。すなわち、センサのセンシング結果にもとづいて燃料の噴射を制御することで、過剰な燃料が排ガスに噴射されることが防止でき、装置全体の燃料消費量の増加を抑えることができる。つまり、燃費を向上させることができる。ここで、センサは、ＮＯｘ浄化装置に流れ込む排ガスの状態やＮＯｘ浄化装置から排出される排ガスの温度や構成成分の含有量を測定するセンサを用いることができる。また、センサは、熱交換器に直接取り付けてもよいだけでなく、車両にあらかじめ取り付けられているＯ₂センサ等を用いてもよい。

以下、実施例を用いて本発明を説明する。

（実施例）
本実施例のＮＯｘ浄化装置は、図１〜４に示した構成をもつ。なお、図１はＮＯｘ浄化装置の斜視図であり、図２はＮＯｘ浄化装置の構成を模式的に示した図である。また、図３は図１のＩ−Ｉ線における、図４は図１のＩＩ−ＩＩ線における熱交換器の断面図である。図５は、熱交換器の軸方向の断面における構成を模式的に示した図である。

本実施例のＮＯｘ浄化装置は、熱交換器１と、燃焼室２と、をもつ。

熱交換器１は、耐熱性をもつ金属であるステンレスよりなり、見かけの外形が略円柱状を有している。熱交換器１は、排ガス流路となる複数のセルが軸方向に連通した状態で区画されている。具体的には、熱交換器は、略円筒状の外筒１０と、外筒１０の内部にもうけられた隔壁１１と、をもち、この隔壁１１により多数のセルが区画されている。隔壁１１は、図３〜４にその断面形状が示されたように、ひとつの径方向（図３および４においては上下方向）に振幅した略波状に形成されている。

熱交換器１に形成された多数のセルは、図３および４の紙面の奥から手前方向に排ガスが流れる上流側流路１２と、紙面の手前から奥に排ガスが流れる下流側流路１３と、に分けられる。熱交換器１は、上流側流路１２と下流側流路１３とが互いに隣接した状態で配置されている。

そして、熱交換器１の一方の端部１６（図３および４の断面図においては紙面の手前側の端部）にはケーシング２０が配置され、このケーシング２０により各流路１２，１３と連通した燃焼室２が形成されている。そして、ケーシング２０には、燃焼室の内部に燃料を噴射する噴射ノズル２１が取り付けられている。この噴射ノズル２１は、燃焼室２内への燃料の噴射量を調節できる。また、図５に示したように、熱交換器１の下流側流路１３の一方の端部１６の近傍の表面には、Ｐｔが担持したＰｔ担持部１７が形成されている。

さらに、熱交換器１の下流側流路１３の上流側にはＮＯｘ浄化触媒部１４が形成されている。ＮＯｘ浄化触媒部１４は、熱交換器の軸方向の長さの半分にわたって形成されている。ＮＯｘ浄化触媒部１４は、下流側流路１３の表面にたとえばアルミナスラリーをコートし焼成してなる多孔質担持層にＡｇが担持した触媒層１５を有している。

以下に、本実施例のＮＯｘ浄化装置の動作を、ディーゼルエンジン３の排ガスの浄化を行ったときの動作に基づいて説明する。

本実施例のＮＯｘ浄化装置をディーゼルエンジン３の排気系に設置した。具体的には、ディーゼルエンジン３の排気系には、上流から、ＤＰＦ４、酸化触媒５、実施例のＮＯｘ浄化装置、マフラー６がこの順序で配置されている。これらの装置の配置を図６に示した。

ＤＰＦ４および酸化触媒５は、従来公知のＤＰＦおよび酸化触媒を用いた。

ＮＯｘ浄化装置は、上流側流路１２が排ガス流の上流側となるように排気系に接続された。また、噴射ノズル２１は、ディーゼルエンジン３の燃料タンク（図示せず）と接続され、ディーゼルエンジン３の燃料（軽油）を燃焼室内に噴射する。

また、このディーゼルエンジン３の排気系には図示されない複数のセンサおよび演算手段が組み付けられている。演算手段は複数のセンサからの信号に基づいて排ガスの状態を判定する。複数のセンサおよび演算手段は、従来から車両に組み付けられている部材を用いてもよい。そして、演算手段はＮＯｘ浄化装置の噴射ノズル２１にも接続されており、噴射ノズル２１の燃焼室２内への燃料の噴射を制御できる。

ＮＯｘ浄化装置が組み付けられたディーゼルエンジン３を稼働させると、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘおよびＰＭを含む排ガスが発生する。ディーゼルエンジン３から排出された排ガスは、まず、ＤＰＦ４を通過する。ＤＰＦ４は、連続した微細な細孔が開口したセル壁を排ガスが通過するときにＰＭを捕捉して排ガスから除去する。

つづいて、ＤＰＦ４でＰＭが除去された排ガスは、酸化触媒５においてＣＯおよびＨＣを分解浄化する。これにより、排ガス中のＣＯおよびＨＣが分解される。

そして、酸化触媒５においてＣＯおよびＨＣが分解された排ガスは、ＮＯｘ浄化装置に流れ込む。排ガスは、ＮＯｘ浄化装置の上流側流路１２を通過して燃焼室２に流れ込む。燃焼室２においては、噴射ノズル２１が燃料を噴射して排ガス中に燃料を混合させる。そして、燃料が混合した排ガスは、燃焼室２から下流側流路１３に流れ込む。

このとき、下流側流路１３の上流側の端部１６の近傍には、Ｐｔが担持したＰｔ担持部１７が形成されており、排ガスに混合した燃料がこのＰｔに酸化分解される。燃料の酸化分解は、発熱反応であり、同時に熱量を発生し、排ガスが昇温する。

昇温した排ガスは、下流側流路１３を流れてＮＯｘ浄化触媒部１４に到達する。昇温した排ガスにより触媒層１５は、触媒金属の活性温度以上の温度まで加熱されるため、燃料の投入で排ガス中のＮＯｘを還元浄化する。これにより、排ガス中の有害成分が分解浄化された。

なお、本実施例のＮＯｘ浄化装置は、ＮＯｘの浄化を行うＮＯｘ浄化触媒部１４が熱交換器に形成されており、加熱されたＮＯｘ浄化触媒部１４の高温の熱はセルを区画する隔壁１１を伝達し、上流側流路１２を流れる排ガスを加熱する。

また、下流側流路１３のうち触媒層１５が形成されていない部分においても同様に熱が伝達され上流側流路１２を流れる排ガスを加熱する。なお、下流側流路１３のうち触媒層１５が形成されていない部分は熱伝導性にすぐれた隔壁１１が露出しており、上流側流路１２を流れる排ガスを効率よく加熱できる。

その後、ＮＯｘ浄化装置から排出された排ガスはマフラー６を通って大気中に排出される。

本実施例のディーゼルエンジン３の排気系においては、センサのセンシング結果が演算手段に伝達され、演算手段において燃焼室２に流れ込む排ガスの状況を判定している。つまり、下流側流路１３の熱により上流側流路１２を流れる排ガスが加熱されて燃焼室２に温度の高い排ガスが流れ込んでいると演算手段が判定したときには、噴射ノズル２１から噴射される燃料の量を少なくして、燃料による発熱量を小さくする。さらに、実施例のＮＯｘ浄化装置に流れ込む排ガスが十分に加熱されていると判定したときには、噴射ノズル２１から燃料はＮＯｘ浄化分のみの噴射とすることができる。つまり、従来のＮＯｘ浄化装置より燃料の噴射量を大幅に低減できる。この結果、ディーゼルエンジン３の燃料をＮＯｘの浄化のために用いる量を低減でき、ディーゼルエンジン３を含めた全体の燃費を向上させることができた。

なお、本実施例においてはディーゼルエンジン３の排気系にＮＯｘ浄化装置をＤＰＦ４および酸化触媒５の下流に組み付けているが、ＮＯｘ浄化装置、酸化触媒５およびＤＰＦ４の配置は、この形態例の配置に限定されるものではない。つまり、ＮＯｘ浄化装置を最上流に組み付けても、ＤＰＦを最下流に組み付けてもよい。

また、本実施例のＮＯｘ浄化装置は熱交換器で隔壁に区画されたセルがそれぞれ略三角形の断面形状をなしているが、本発明のＮＯｘ浄化装置においては特に限定されるものではない。

実施例のＮＯｘ浄化装置の構成を示した図である。 実施例のＮＯｘ浄化装置の構成を示した図である。 実施例のＮＯｘ浄化装置の熱交換器の断面図である。 実施例のＮＯｘ浄化装置の熱交換器の断面図である。 実施例のＮＯｘ浄化装置の熱交換器の断面を模式的に示した図である。 実施例のＮＯｘ浄化装置をディーゼルエンジンの排気系に組み付けた状態を示した構成図である。

符号の説明

１：熱交換器 １０：外筒
１１：隔壁 １２：上流側流路
１３：下流側流路 １４：ＮＯｘ浄化触媒部
１５：触媒層 １６：一方の端部
１７：Ｐｔ担持部
２：燃焼室 ２０：ケーシング
２１：噴射ノズル
３：ディーゼルエンジン
４：ＤＰＦ
５：酸化触媒
６：マフラー

Claims (2)

1. ＮＯｘを含む排ガス中に燃料を噴射する燃料噴射手段と、該燃料噴射手段が該燃料を噴射する位置の下流に配置された該燃料を酸化分解する触媒金属と、をもつ排ガス加熱部と、
   該排ガス加熱部の下流に配置され、ＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒を備えたＮＯｘ浄化部と、
   をもつＮＯｘ浄化装置において、
   該排ガス加熱部において加熱された排ガスが流れる下流側排ガス流路と、該排ガス加熱部の上流にもうけられ該排ガス加熱部において加熱される排ガスが流れる上流側排ガス流路と、が熱伝達可能な熱交換器にもうけられ、
   該下流側排ガス流路に該ＮＯｘ浄化部がもうけられ、
   該熱交換器は、該下流側排ガス流路となる複数の下流側セルと、該上流側排ガス流路となる複数の上流側セルと、を各該セル同士が隣接した状態でもつことを特徴とするＮＯｘ浄化装置。
2. 前記噴射手段において噴射される前記燃料は、前記内燃機関の燃料である請求項１記載のＮＯｘ浄化装置。

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