(57)【要約】【課題】排気管内へ直接に燃料又は還元剤を噴射する直接噴射装置と排気ブレーキ装置と排気ガス浄化装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、排気管内に直接噴射した燃料又は還元剤の液滴のガス化を排気ブレーキ装置の前で促進して、直接噴射した燃料又は還元剤を排気ガス浄化装置で効率よく消費して、排気ガス浄化装置の下流側の排気ガス中の炭化水素又はアンモニア等の量を減少できる排気ガス浄化システムと排気ガス浄化方法を提供する。【解決手段】内燃機関１０の排気通路１６に上流側から順に排気管内へ直接に燃料又は還元剤を噴射する直接噴射装置１９と排気ブレーキ装置１７と排気ガス浄化装置１８を備えた排気ガス浄化システム１において、前記直接噴射装置１９と前記排気ブレーキ装置１７との間の排気通路１６に、前記排気通路１６内に噴射した燃料又は還元剤を分解する分解用触媒２０を配設して構成する。【選択図】図１
2010116803.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に上流側から順に排気管内へ直接に燃料又は還元剤を噴射する直接噴射装置と排気ブレーキ装置と排気ガス浄化装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、前記直接噴射装置と前記排気ブレーキ装置との間の排気通路に燃料又は還元剤を分解する分解用触媒を配設したことを特徴とする排気ガス浄化システム。
【請求項２】
内燃機関の排気通路に上流側から順に排気管内へ直接に燃料又は還元剤を噴射する直接噴射装置と排気ブレーキ装置と排気ガス浄化装置を備えた排気ガス浄化システムの排気ガス浄化方法において、前記直接噴射装置と前記排気ブレーキ装置との間に配設された燃料又は還元剤を分解する分解用触媒により、前記直接噴射装置から噴射した燃料又は還元剤を分解してから前記排気ガス浄化装置に供給することを特徴とする排気ガス浄化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気通路の排気管内へ直接に燃料又は還元剤を噴射する直接噴射装置と、排気ブレーキ装置と、排気ガス浄化装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、大気中への排気ガスの状態が炭化水素等で悪化するのを防止することができる排気ガス浄化システムと排気ガス浄化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
商用自動車では、通常は荷物積載時のブレーキ力を確保するために、ドライバーによるオンオフが可能な排気ブレーキ（エキゾーストブレーキ）装置が設けられている。この排気ブレーキ装置は、排気系に設けられた弁で、車両減速時にこの弁を閉じることで、エンジンのポンピングロスを増加させて減速力を確保する。
【０００３】
一方、粒子状物質（ＰＭ：パティキュレートマター）を捕集するフィルタ（ＤＰＦ：ディーゼルパティキュレートフィルタ）のＰＭ再生やＮＯｘ低減触媒（ＬＮＴ：リーンＮＯｘトラップ）触媒のリッチ還元のために、排気管内への直接燃料を噴射する装置を備えた排気ガス浄化システムがある。これはフィルタのＰＭ蓄積時に、従来のシリンダ内ポスト噴射の代わりに排気管内燃料直接噴射を使用することで、ポスト噴射によるオイル希釈の問題を解決したり、また、ＮＯｘ低減触媒のリッチ還元時に、排気管内燃料直接噴射を使用することで、スモークを増加したり、ドライバリティに影響を与えたりせずＮＯｘ低減触媒を再生できる等のメリットがある。
【０００４】
また、選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ）を排気通路に備えた排気ガス浄化システムでは、この選択還元型ＮＯｘ触媒の上流側でアンモニアを発生する尿素等の還元剤を、排気管内に直接噴射して排気ガス中のＮＯｘを還元浄化している。
【０００５】
この排気ブレーキ装置と、燃料又は還元剤の直接噴射装置との２つの装置を同時に採用する場合には、通常は、燃料の直接噴射装置は、コモンレールの圧力を利用して噴射するので、配管長さの制限からエンジンの近くに設置される。そして、直接噴射装置と触媒コンバータ等の排気ガス浄化装置との間に排気ブレーキ装置が設置される。
【０００６】
この配置でＰＭ再生やリッチ還元を行う際に、排気管内への燃料の直接噴射を行うと、排気ガス浄化装置の下流側の排気ガス中の炭化水素の流出量が増加することが、例えば、図２及び図３に示すように、確認されている。特に排気ガスの流速の高い加速時等に炭化水素の状態が悪化している。この原因は、排気管内に直接噴射された燃料は、排気ガスの高温により分解され、重質炭化水素から軽質炭化水素に時間を掛けてガス化される。
【０００７】
しかしながら、排気管内に直接噴射された軽油等の燃料は、時間を掛ければ温度のみで軽質炭化水素に分解されるが、排気ブレーキ装置に到達するまでの分解時間が短いため、完全にガス化する前に排気ブレーキ装置の弁と干渉して、この弁に液滴として付着してしまうためと考えられる。排気ブレーキ装置の弁は使用時以外は閉じているが、弁の厚み分が排気ガスの流れに影響を与えると考えられる。そのため、図２に例示する排気ブレーキ装置を備えない場合の炭化水素の排出量及び積算値より、図３に例示する排気ブレーキ装置を備えた場合の炭化水素の排出量及び積算値の方が多くなる。
【０００８】
これに関連して、還元剤添加弁と触媒コンバータとの間に排気絞り弁を配置し、還元剤の添加に伴い排気絞り弁を排気ガス温度に応じて閉じ側に制御することにより、排気通路内壁面近傍の流速を上げて付着していた還元剤を吹き飛ばす内燃機関の排気浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
しかしながら、この内燃機関の排気浄化装置では、還元剤を吹き飛ばすことができても、燃料は重質炭化水素のまま排気ガス浄化装置に流入することになり、排気ガス浄化装置の酸化触媒等では分解され難く、また、分解時には局所的な熱劣化が生じ易くなる。また、ガス化されていないので、低温時の炭化水素活性がシリンダ内噴射のポスト噴射より劣るという問題がある。
【００１０】
更に、排気絞り作動による排圧の増加、燃費の悪化、ドライバビリティの悪化を伴ったり、また、還元剤添加毎に排気絞りを作動させるため、排気絞りの作動頻度が多く、排気絞りの耐久性の問題が生じたりする。
【特許文献１】特開２００３−２６９１４７公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、排気管内へ直接に燃料又は還元剤を噴射する直接噴射装置と排気ブレーキ装置と排気ガス浄化装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、排気管内に直接噴射した燃料又は還元剤の液滴のガス化を排気ブレーキ装置の前で促進して、直接噴射した燃料又は還元剤を排気ガス浄化装置で効率よく消費して、排気ガス浄化装置の下流側の排気ガス中の炭化水素又は還元剤の量を減少できる排気ガス浄化システムと排気ガス浄化方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記のような目的を達成するための排気ガス浄化システムは、内内燃機関の排気通路に上流側から順に排気管内へ直接に燃料又は還元剤を噴射する直接噴射装置と排気ブレーキ装置と排気ガス浄化装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、前記直接噴射装置と前記排気ブレーキ装置との間の排気通路に燃料又は還元剤を分解する分解用触媒を配設して構成される。
【００１３】
また、上記のような目的を達成するための排気ガス浄化方法は、内燃機関の排気通路に上流側から順に排気管内へ直接に燃料又は還元剤を噴射する直接噴射装置と排気ブレーキ装置と排気ガス浄化装置を備えた排気ガス浄化システムの排気ガス浄化方法において、前記直接噴射装置と前記排気ブレーキ装置との間に配設された燃料又は還元剤を分解する分解用触媒により、前記直接噴射装置から噴射した燃料又は還元剤を分解してから前記排気ガス浄化装置に供給することを特徴とする方法である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法によれば、燃料又は還元剤の分解用触媒の触媒反応で噴射された燃料又は還元剤の分解を促進し、噴射された燃料が軽質炭化水素になるまでの時間を、又は還元剤がアンモニア等に加水分解されるまでの時間を、大幅に短縮できる。これにより、排気上流の高温箇所で燃料を軽質炭化水素に、又は還元剤をアンモニア等に、分解でき、この軽質炭化水素又はアンモニア等はガス化された状態で、排気ブレーキ装置を通過するため、排気ブレーキ装置の弁に液滴として付着することなく排気ガス浄化装置に到達するので、排気ブレーキ装置と排気管内への直接噴射装置の両方を備えている排気ガス浄化システムであっても、排気ガス浄化装置の下流側の排気ガス中の炭化水素又はアンモニア等の量を減少できる。
【００１５】
この炭化水素又はアンモニア等の減少、つまり、炭化水素又はアンモニア等の悪化の防止により、燃費や還元剤供給量やＮＯｘ浄化率を改善できる。また、更に、従来技術より、低い負荷域から排気管内への直接噴射による、粒子状物質（ＰＭ）を捕集するフィルタ（ＤＰＦ）のＰＭ再生や、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒（ＬＮＴ）のリッチ還元や、選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ）によるＮＯｘ浄化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システムと排気ガス浄化方法について、図面を参照しながら説明する。図１に、本発明の実施の形態の排気ガス浄化システム１の構成を示す。この排気ガス浄化システム１は、エンジン（内燃機関）１０の排気通路１６に排気ガス浄化装置１８を備えて構成される。
【００１７】
この排気ガス浄化システム１のエンジン１０は、吸気マニホールド１０ａに接続される吸気通路１１に吸入吸気量センサ１２（ＭＡＦセンサ）とターボチャージャ１３のコンプレッサ１３ａとインタークーラ１４と吸気弁（インテークスロットル）１５を備えている。この吸気弁１５は、吸気通路１１に吸入される新気Ａの流量を調整する。
【００１８】
さらに、排気マニホールド１０ｂに接続される排気通路１６に、ターボチャージャ１３のタービン１３ｂと、直接噴射装置１９と排気ブレーキ弁（排気ブレーキ装置）１７と排気ガス浄化装置１８を備えている。更に、排気マニホールド１０ｂと吸気マニホールド１０ａを接続するＥＧＲ通路２２には、ＥＧＲクーラー２３とＥＧＲ弁２４を備えている。
【００１９】
この排気ブレーキ弁１７は車両の減速時に排気通路１６を閉じてポンピングロスを増加して排気ブレーキ力を増やすために使用される。ＥＧＲ弁２４はＥＧＲ通路２２を流れるＥＧＲガスＧｅの流量を調整する。また、排気ガス浄化装置１８は、触媒装置１８ａとフィルタ装置（ＤＰＦ）１８ｂで構成される。
【００２０】
この触媒装置１８ａは、例えば、三元触媒装置（ＴＷＣ）、酸化触媒装置（ＤＯＣ）、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置（ＬＮＴ）等やこれらの組み合わせで構成される。酸化触媒装置の場合には、多孔質のセラミックのハニカム構造の担持体に、白金等の酸化触媒を担持させて形成される。この酸化触媒は、排気ガス中のＨＣやＣＯを酸化して排気ガスを浄化する役割と、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３のＮＯｘ吸蔵能力を回復するためのＮＯｘ再生の際にＮＯｘの還元剤として供給される燃料の炭化水素の一部を酸化して排気ガスの温度を昇温する役割とを持っている。
【００２１】
また、触媒装置１８ａが、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置の場合には、アルカリ金属又はアルカリ土類金属を貴金属と共に担持して形成され、酸素過剰な排気ガス中のＮＯを酸化して硝酸塩として触媒上に吸着させて、ＮＯｘを浄化する。このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、排気ガスがリーン空燃比では、ＮＯｘを吸蔵し、リッチ空燃比では、吸蔵したＮＯｘを放出すると共に、この放出されたＮＯｘを還元雰囲気中で排気ガス中に噴射された燃料の炭化水素等で還元して、ＮＯｘを低減する。
【００２２】
フィルタ装置１８ｂは、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集するためのディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）を備えた触媒付きＤＰＦで構成される。この触媒付ＤＰＦは、多孔質のセラミックのハニカムのチャンネルの入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型ウォールフロータイプのフィルタ等で形成される。このフィルタの部分に白金や酸化セリウム等の触媒を担持する。
【００２３】
この触媒付きＤＰＦにより、排気ガス中のＰＭは、多孔質のセラミックの壁で捕集される。このＰＭの捕集量が増加した場合には、排気ガス中に燃料を噴射して、この燃料を酸化触媒により酸化して排気ガスの温度を高めて、この高温の排気ガスによりフィルタ装置１８ｂをＰＭの燃焼開始温度まで上昇させて、捕集されたＰＭを強制的に燃焼除去して、フィルタ装置１８のＰＭ再生を行う。
【００２４】
本発明においては、直接噴射装置１９と排気ブレーキ弁１７との間の排気通路１６に軽油等の燃料を分解するための分解用触媒２０を配設する。この分解用触媒２０は、特別の組成を必要とせず、酸化触媒でも良いが、軽油等の燃料の分解性に優れた特性を持つ触媒が望ましい。この触媒成分としては、例えば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等、助触媒としてセリウム（Ｃｅ）等を使用する。この分解用触媒２０の母材の細孔径は燃料粒による閉塞の無いように大き目にすることが望ましい。
【００２５】
この分解用触媒２０は、温度が高い方が触媒の活性が良いので、その配置の場所はなるべく温度の高い排気上流側が望ましい。この分解用触媒２０の直前に温度センサ２１を設けて、排気ガスの温度を監視して、燃料噴射可能な温度閾値であるか否かの判断材料とする。
【００２６】
更に、排気ガスＧの温度やＮＯｘや酸素濃度等を測定するために、排気通路１６や排気ガス浄化装置１８に温度センサ（図示しない）やＮＯｘ及びλ（空気過剰率）センサ（図示しない）が配設されている。これらのセンサ等の測定値とエンジン１０の運転制御に必要なデータを入力してエンジンの運転状態と排気ガス浄化システム１の排気ガス浄化制御や再生制御を行う制御装置（図示しない）が設けられている。
【００２７】
この制御装置はＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）と呼ばれる制御装置であり、エンジン１０からのデータと各種センサからの検出値に基づいて、エンジン１０のシリンダ内へ燃料を噴射する燃料噴射弁（図示しない）、インタークーラ１４、吸気弁１５、直接噴射装置１９、排気ブレーキ弁１７、ＥＧＲ弁２２、ＥＧＲクーラー２３等を制御する。これらの制御によりエンジン１０の運転制御と排気ガス浄化装置１８の再生制御を行う。本発明の排気ガス浄化方法に関する制御では、エンジン１０の運転用データと温度センサ２１からの検出値に基づいて、直接噴射装置１９、排気ブレーキ弁１７を制御する。
【００２８】
次に、本発明の排気ガス浄化方法について説明する。この排気ガス浄化方法では、温度センサ２１で排気ガスＧの温度を監視し、分解用触媒１９の活性化温度域内に入っているか否かを判定して、活性温度域内にあり、かつ、排気管内直接噴射が必要であると判定された場合に、直接噴射装置１９から軽油等の燃料を噴射する。
【００２９】
この噴射された燃料は、分解用触媒１９を通過して、触媒反応で分解が促進され、排気ブレーキ装置１７を通過して、排気ガス浄化装置１８に流入する。この分解用触媒１９により、噴射された燃料が軽質炭化水素になるまでの時間が大幅に短縮され、この軽質炭化水素のス化された状態で、噴射された燃料は排気ブレーキ弁１７を通過するため、排気ブレーキ弁に液滴として付着せずに、排気ガス浄化装置１８に到達する。
【００３０】
この構成の排気ガス浄化システム１と排気ガス浄化方法により、分解用触媒２０の触媒反応で噴射された燃料の分解を促進し、噴射された燃料が軽質炭化水素になるまでの時間を大幅に短縮できる。これにより、排気上流の高温箇所で燃料を軽質炭化水素に分解でき、この軽質炭化水素はガス化された状態で、排気ブレーキ弁１７を通過するため、排気ブレーキ弁１７に液滴として付着せずに排気ガス浄化装置１８に到達するので、排気ブレーキ弁１７と排気管内への直接噴射装置１９の両方を備えていても、排気ガス浄化装置１８の下流側の排気ガス中の炭化水素の量を減少できる。
【００３１】
この炭化水素の減少、つまり、炭化水素の悪化の防止により、燃費やＮＯｘ浄化率を改善できる。また、更に、従来技術より、低い負荷域から排気管内直接噴射による、粒子状物質（ＰＭ）を捕集するフィルタ（ＤＰＦ）のＰＭ再生や、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のリッチ還元が可能となる。
【００３２】
そして、上記の排気ガス浄化システム１において、燃料（炭化水素）を噴射する直接噴射装置１９を尿素水等のアンモニア発生溶液等の還元剤を噴射する直接噴射装置に置き換えて、排気ガス浄化装置１８に選択還元ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）を配置した場合にも適用できる。この場合には、燃料（炭化水素）を分解する機能を有する分解用触媒２０の替わりに、尿素水等の還元剤をアンモニアに加水分解する機能を有する分解用触媒を用いる。
【００３３】
この選択還元型ＮＯｘ触媒は、コージェライトや酸化アルミニウムや酸化チタン等で形成されるハニカム構造等の担持体に、チタニア−バナジウム、β型ゼオライト、酸化クロム、酸化マンガン、酸化モリブデン、酸化チタン、酸化タングステン等を担持して形成される。この構成により、アンモニアを吸着して、このアンモニアでＮＯｘを還元浄化する。
【００３４】
この構成により、エンジン（内燃機関）の排気通路に上流側から順に排気管内へ直接に尿素水等の還元剤を噴射する直接噴射装置と排気ブレーキ装置と排気ガス浄化装置を備えて、直接噴射装置と排気ブレーキ装置との間の排気通路に還元剤を分解する分解用触媒を配設し、直接噴射装置と排気ブレーキ装置との間に配設された還元剤を分解する分解用触媒により、直接噴射装置から噴射した還元剤を分解してから排気ガス浄化装置に供給することができる。
【００３５】
従って、還元剤の分解用触媒の触媒反応で噴射された還元剤の分解を促進し、噴射された還元剤がアンモニア等に加水分解されるまでの時間を、大幅に短縮できる。これにより、排気上流の高温箇所で還元剤をアンモニア等に分解でき、このアンモニア等はガス化された状態で、排気ブレーキ装置を通過するため、排気ブレーキ装置の弁に液滴として付着することなく排気ガス浄化装置に到達する。そのため、排気ブレーキ装置と排気管内への直接噴射装置の両方を備えている排気ガス浄化システムであっても、排気ガス浄化装置の下流側の排気ガス中のアンモニア等の量を減少できる。
【００３６】
このアンモニア等の減少やアンモニア等の悪化の防止により、還元剤供給量とＮＯｘ浄化率を改善できる。また、更に、従来技術より、低い負荷域から排気管内への直接噴射による選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ）によるＮＯｘ浄化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化装置の構成を示す側断面図である。
【図２】排気ブレーキ装置を備えない場合の炭化水素の排出量を示す図である。
【図３】排気ブレーキ装置を備えた場合の炭化水素の排出量を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  排気ガス浄化システム
１０  エンジン（内燃機関）
１６  排気通路
１７  排気ブレーキ弁(排気ブレーキ装置)
１８  排気ガス浄化装置
１８ａ  触媒装置
１８ｂ  フィルタ装置
１９  直接噴射装置
２０  分解用触媒
【図１】
2010116803.tif 000003
【図２】
2010116803.tif 000004
【図３】
2010116803.tif 000005