(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディーゼルエンジン等の排気通路に介装され、過剰酸素を含む排気ガス中のＮＯｘを還元することができる触媒を収蔵したＮＯｘ触媒コンバータと、上記ＮＯｘ触媒コンバータの上流における排気通路に連通し、一端を空気供給源に接続された空気供給通路と、上記空気供給通路の途中に設けられ上記空気供給源からの空気に燃料の軽油を添加する軽油添加装置と、上記空気に添加された軽油を加熱して部分酸化させる加熱装置と、上記ＮＯｘ触媒コンバータに流入する排気ガスの温度を検出する温度センサーと、上記温度検出手段の検出結果に基づき上記空気供給通路を流通する空気の量を調整する供給空気制御手段とを備えたことを特徴とする燃焼排ガス用ＮＯｘ還元システム。
【請求項２】
上記供給空気制御手段は、上記ＮＯｘ触媒コンバータに流入する排気ガス温度が４５０℃を超える場合に、当該排気ガス温度が３８０〜４５０℃の温度になるように供給吸気量を増大させることを特徴とする請求項１記載の燃焼排ガス用ＮＯｘ還元システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジン等の燃焼排ガス中に含まれるＮＯｘを効果的に浄化することができる燃焼排ガス用ＮＯｘ還元システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ディーゼルエンジンの酸素過剰の排気ガス中のＮＯｘを浄化する手段として、例えば、実開平４−５４９２６号公報に記載されているように、排気ガス中に還元剤を添加して分子篩構造を有するメタロシリケート系等のＮＯｘ触媒に接触させることが有効であるとされている。
【０００３】
上記ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化性能を向上する還元剤として、ディーゼルエンジンの燃料軽油を使用することが最も簡便であるが、図３の概略構成図に示されているように、ディーゼルエンジンの排気通路０１に介装され、その内部にＮＯｘ触媒０２が収蔵されたＮＯｘコンバータ０３の上流側排気通路に、燃料噴射装置０４を設けて、排気ガス中に直接燃料軽油を噴射して添加する通常の方法では、図４のＮＯｘ浄化率線図に示されているように、十分なＮＯｘ浄化性能を得ることができない。
【０００４】
上記ＮＯｘ浄化率線図は、縦軸にＮＯｘ浄化効率（％）をとり、かつ横軸に、実際のディーゼルエンジンの排気ガス成分と略同様の組成を有する試験ガスの温度をとって、ＮＯｘ浄化性能を調べたものである。上記試験ガスの流量はＳＶ＝４０００ｈ−１であり、この試験ガス中にエンジン用燃料の軽油が３０００ｐｐｍの濃度で添加されている。
通常のトラック用ディーゼルエンジンの排気ガス温度は、アイドル運転時において１００〜２００℃、全力運転時に５００℃程度であり、エンジンの運転状態と排気ガス中のＮＯｘ濃度との関係から、図４中に台形の折れ線Ａで示したようなＮＯｘ浄化性能を得ることが理想的であるが、上記排気ガス中に直接軽油を噴射する通常の方法では、同図４中に曲線Ｂで示されているように、目標性能線Ａに対して、遙かに低い浄化率しか得られず、排気ガス濃度が４００℃付近の狭い領域でＮＯｘ浄化率が３０％を僅かに越える程度であって、実用上不十分である。なお、図中試験ガス温度５００℃以上の領域は、エンジンの運転中稀にしか発生しない過負荷運転領域である。
【０００５】
そこで、上記実開平４−５４９２６号公報に記載された装置（以下、場合により既提案の装置という）では、ディーゼルエンジンの燃料軽油を熱分解して排気ガスに添加しＮＯｘ触媒コンバータに供給することによって、ＮＯｘ浄化率を向上することが意図されている。
【０００６】
上記既提案の装置の概略構成を示す図５において、０５は車両用の４サイクルディーゼルエンジン、０６は同ディーゼルエンジン０５の各気筒に設けられた燃料噴射ノズル０７に燃料噴射管０８を介して燃料を供給する列型燃料噴射ポンプ、０９は燃料タンク内の燃料を燃料供給管０１０を介して上記燃料噴射ポンプ０６に供給するフィードポンプ、０１１は上記ディーゼルエンジン０５の排気マニホールド０１２を含む排気通路、０１３は同排気通路０１１に介装されたＮＯｘ触媒コンバータであって、同触媒コンバータ０１３の内部には、メタロシリケート系ＮＯｘ触媒０１４が収蔵されている。
【０００７】
上記ＮＯｘ触媒コンバータ０１３の上流側における排気通路０１１に熱分解装置０１５が接続され、同熱分解装置０１５は、外周を電熱ヒータ０１６によって囲まれた分解室０１７と、同分解室０１７内に燃料軽油を噴射する燃料噴射弁０１８と、上記排気通路０１１内の排気ガスを流量制御弁０１９を介して上記分解室０１７に供給する排気供給通路０２０とを備え、上記燃料噴射弁０１８には、上記燃料供給管０１０から分岐燃料供給管０２１を経て燃料軽油が供給される。
【０００８】
上記既提案の装置では、排気供給通路０２０から分解室０１７に供給された排気ガスが、電熱ヒータ０１６により１０００℃近くの高温度に加熱され、この高温雰囲気内に燃料噴射弁０１８から噴射された燃料軽油が熱分解されて、ＮＯｘ還元用の不飽和低級炭化水素が生成され、この還元用ＨＣの存在により、ＮＯｘ触媒０１４のＮＯｘ浄化性能の向上が図られている。
【０００９】
しかしながら、通常のディーゼルエンジン０５の排気ガス中の酸素量は、アイドル運転状態で１８〜２０％程度、全力運転状態３〜５％程度に過ぎず、特に排気ガス中のＮＯｘ量が多い部分負荷ないし全力運転時の酸素量が少ないため、分解室０１７の雰囲気温度を１０００℃近くの高温としてもＮＯｘ還元に有効なＨＣの生成量が少なく、ＮＯｘ触媒０１４のＮＯｘ浄化性能がなお不十分な不具合があり、また、熱分解雰囲気温度を１０００℃近くの高温にする必要があるため、電熱ヒータ０１６の消費電力が大きい不都合がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ＮＯｘ触媒コンバータの上流側における排気通路内に直接燃料軽油を噴射するようにした従来装置、及び雰囲気ガスとして排気ガスを使用し１０００℃近くの高温雰囲気中に燃料軽油を噴射して熱分解し、生成した不飽和低級炭化水素をＮＯｘ還元用ＨＣとしてＮＯｘ触媒コンバータの上流側における排気通路内に添加する既提案の装置における上記不具合を改良し、従来より優れたＮＯｘ浄化性能を有する構造簡単かつ安価な燃焼排ガス用還元システムを提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、ディーゼルエンジン等の排気通路に介装され、過剰酸素を含む排気ガス中のＮＯｘを還元することができる触媒を収蔵したＮＯｘ触媒コンバータと、上記ＮＯｘ触媒コンバータの上流における排気通路に連通し、一端を空気供給源に接続された空気供給通路と、上記空気供給通路の途中に設けられ上記空気供給源からの空気に燃料の軽油を添加する軽油添加装置と、上記空気に添加された軽油を加熱して部分酸化させる加熱装置と、上記ＮＯｘ触媒コンバータに流入する排気ガスの温度を検出する温度センサーと、上記温度検出手段の検出結果に基づき上記空気供給通路を流通する空気の量を調整する供給空気制御手段とを備えたことを特徴とする燃焼排ガス用ＮＯｘ還元システムを提供するものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の好ましい実施形態を図１および図２について具体的に説明する。先ず、図１の概略構成図において、符号１０はトラック等車両用の４サイクル多気筒ディーゼルエンジン（図では、一例として４気筒エンジンが示されている）であって、同エンジン１０の各気筒に設けられた燃料噴射ノズル１２には、燃料噴射ポンプ１４の対応するポンプユニットから燃料噴射管１６を介して燃料軽油が供給される。また、上記燃料噴射ポンプ１４には、燃料タンク１８内に貯溜された軽油が、フィードポンプ２０により燃料供給管２２を介して供給される。
【００１３】
上記ディーゼルエンジン１０の運転中、その排気ガスは排気マニホールド２４を含む排気通路２６に排出され、同排気通路２６の適所にＮＯｘ触媒コンバータ２８が介装されている。上記ＮＯｘ触媒コンバータ２８内には、適宜のＮＯｘ触媒、好ましくはコージェライト製のハニカム構造の担体に、銀アルミネート（ＡｇＡｌＯ２）のような銀複合酸化物を主成分とする触媒を担持させたＮＯｘ触媒３０が収蔵されている。
【００１４】
上記ＮＯｘ触媒コンバータ２８の上流側の排気通路２６に空気供給通路３２の一端が接続され、同空気供給通路３２の他端は流量制御弁３４を介して空気供給源又はエアタンク３６に接続されている。空気供給源３６には、エアコンプレッサ又はエアポンプにより加圧された空気が供給される。
また、上記流量制御弁３４より下流側の空気供給通路３２に軽油添加装置を形成する燃料噴射弁４０が配設され、同燃料噴射弁４０は分岐燃料供給管４２を介して上記燃料供給管２２に連結されている。
【００１５】
さらに、上記空気供給通路３２の流量制御弁３４より下流側の部分に、好ましくは電熱ヒータからなる加熱装置４４が設けられ、同加熱装置４４により空気供給通路３２内を流れる空気及び燃料噴射弁４０から噴射された軽油噴霧が加熱される。
【００１６】
上記流量制御弁３４の開度、従って空気供給源３６から空気供給通路３２の空気流量、燃料噴射弁４０の開閉、即ち空気供給通路３２に供給される燃料軽油の流量、加熱装置４４に対する電力供給、従って空気供給通路３２内を流れる燃料噴霧を含む空気の温度は、夫々コントロールユニット４６によって制御される。
【００１７】
上記コントロールユニット４６は、ディーゼルエンジン１０の運転状態を表わすエンジン回転数を検出する回転数センサー４８の出力信号Ｎｅ、エンジン負荷を検出する負荷センサー５０の出力信号Ｌｅ、その他エンジン冷却水の温度等の補助的信号を受容して、排気通路２６内に排出される排気ガスの流量、温度等を検知して、上記流量制御弁３６、燃料噴射弁４０、及び加熱装置４４に夫々エンジンの運転状態に応じた駆動出力を提供する。なお、上記負荷センサー５０は、図示の実施形態では燃料噴射ポンプ５０の燃料供給量制御用ラックの位置検出センサーとして示されているが、勿論、車両のアクセルペダル踏込量を検知するセンサーで代替することができる。
【００１８】
なお、必要に応じ、上記空気供給通路３２の一端が排気通路２６に連通する部分の下流側及び上流側に、第１及び第２の温度センサー５２及び５４が設けられ、ＮＯｘ触媒３０の直上流における排気ガスと供給空気との混合気体の温度及び排気ガス自体の温度が、上記コントロールユニット４６内に供給され、上記流量制御弁３４等に供給される駆動出力の補正が行なわれる。
【００１９】
上記装置において、ディーゼルエンジン１０は、燃料噴射ポンプ１４から燃料噴射管１６及び燃料噴射ノズル１２を介して各気筒に燃料軽油が供給され、排気ガスは、排気マニホールド２４を含む排気通路２６内を流れ、同排気通路２６内に配設されたＮＯｘ触媒コンバータ２８を通りＮＯｘ触媒３０により含有するＮＯｘの相当部分を除去されたのち、外気に排出される。
【００２０】
良く知られているように、トラック等車両用のディーゼルエンジンは、アイドル運転から全力運転まで、広範かつ頻繁に変化する運転状態で作動し、運転状態によって排気ガスの温度、流量、過剰酸素及びＮＯｘの含有量が大幅に変化し、一例として、アイドル運転時、排気ガス温度は１００〜２００℃、過剰酸素量は１８〜２０％（重量比）、また全力運転時、排気温度は略５００℃前後、過剰酸素量は僅かに３〜５％（重量比）程度である。また、排気ガス中のＮＯｘ量は、アイドル運転時は少なく、部分負荷運転時及び全力運転時は大幅に増加する一般的傾向があり、従って、排気ガス中のＮＯｘを浄化するという観点からは、部分負荷ないし全力運転時が重要であり、このとき排気ガス中の過剰酸素量は空気と較べて著しく少ない。
【００２１】
上記ディーゼルエンジン１０の運転状態は、回転数センサー４８の出力信号Ｎｅ及び負荷センサー５０の出力信号Ｌｅ、その他必要に応じエンジン冷却水温等の補助信号が、コントロールユニット４６に供給されることによって検知され、同コントロールユニット４６に内蔵されたマップにより排気ガス温度、排気ガス流量等が検知されて、流量制御弁３４、燃料噴射弁４０及び加熱装置４４に駆動出力が供給される。
【００２２】
一方、上記ＮＯｘ触媒３０には、例えばコージェライトのハニカム構造担体に、好ましくは銀複合酸化物、特に銀アルミネート（ＡｇＡｌＯ２）を主たる触媒成分として担持させた触媒が有利に採用され、また、上記ＮＯｘ触媒３０の上流側の排気通路２６に連通する空気供給通路３２に流量制御弁３４により調量された空気が供給される。
【００２３】
また、上記空気供給通路３２内には、流量制御弁３４の下流側で空気流量に応じた量の燃料軽油が、燃料噴射弁４０から噴射され、同燃料噴射弁４０には、燃料タンク１８内の燃料軽油が分岐燃料供給管４２を介して供給される。上記空気及び燃料軽油噴霧の混合体は、加熱装置４４により適宜の温度、好ましくは３５０℃ないし４００℃程度に加熱され、多量の酸素を含む供給空気中の軽油は部分酸化されてＮＯｘ還元性が強いアセトアルデヒド、フォルムアルデヒド等のアルデヒド類、プロピレン、エチレン等を多量に含む分解ガスとなって、排気ガスに添加される。
【００２４】
一例として、流量制御弁３４によって制御される空気供給通路３２内の空気流量は、排気ガス流量の２０％（容積比）に調整され、燃料噴射弁４０から空気供給通路３２内に噴射される燃料軽油は、エンジン１０に供給される燃料軽油に対して３〜６％程度（重量比）であり、また加熱装置４４により供給された空気及び燃料軽油噴霧の混合体は３５０℃に加熱される。軽油噴霧は上記のように部分酸化された分解ガスとなって供給空気と共に排気ガスに添加され、上記ＮＯｘ触媒３０と接触して、排気ガス中のＮＯｘが効率的に還元され浄化される。
【００２５】
図２は、実際のディーゼルエンジンの排気ガスを模した試験ガスの温度（℃）を横軸にとり、かつＮＯｘ浄化率（％）を縦軸にとって、上記軽油を部分酸化した分解ガスと空気との混合体（３５０℃）をＮＯｘ触媒３０の上流側において排気ガスに添加してＮＯｘ浄化率を調べた結果を曲線Ｃで示したものである。なお、前記図４のＮＯｘ浄化率線図と同様に、試験ガスの流量はＳＶ＝４０００ｈ−１であり、添加軽油の濃度は３０００ｐｐｍであり、比較のために、目標性能線Ａ及び軽油を直接排気ガス中に同じ濃度添加した場合の浄化率曲線Ｂが図中に記載されている。
【００２６】
図２から明らかなように、上述した実施形態に基づくＮＯｘ浄化率曲線Ｃは、従来の排気ガス中に直接軽油を噴射した場合のＮＯｘ浄化率曲線Ｂに較べて遙かに浄化率が良く、エンジンの部分負荷運転状態から全力運転の全領域において目標性能線Ａに近い優れた浄化率を得ることができ、特に試験ガス温度が３８０〜４５０℃の領域では、略５０％に近い高い浄化率を達成し得ることが確認された。なお、上記曲線Ｃから明らかなように、試験ガス温度が３８０〜４５０℃の領域で高いＮＯｘ除去効率が得られるので、第１及び第２温度センサー５２及び５４により排気ガス温度を調べ、ＮＯｘ触媒３０の直上流の排気ガス温度が４５０℃より高い場合、流量制御弁３４の開度を増大して空気供給量を増大させ、ＮＯｘ触媒３０の直上流における排気ガスの温度を上記３８０〜４５０℃の温度領域に低下させることが有利である。
【００２７】
なお、前記既提案の装置ではディーゼルエンジンの排気通路から一部の排気を分岐して取出し、当該分岐排気ガス内に燃料軽油を噴射し加熱することにより、軽油を改質してＮＯｘ触媒の上流側排気通路内に流入させるように構成されているが、ＮＯｘの発生量が多い部分負荷ないし全力運転時の排気ガス中の酸素量は空気と較べて著しく少ないので、改質された軽油に含まれるアルデヒド類等還元性が強い成分が少ないので、十分なＮＯｘ浄化効率を得ることができない不具合があり、また添加する軽油の改質のために、軽油噴霧を含む排気ガスを１０００℃近くの高温に加熱する必要があるので、電力消費が大きく、車両用ディーゼルエンジンの場合、発電負荷が増大して燃費が悪化する欠点がある。
【００２８】
【発明の効果】
叙上のように、本発明に係る燃焼排ガス用ＮＯｘ還元システムは、ディーゼルエンジン等の排気通路に介装され、過剰酸素を含む排気ガス中のＮＯｘを還元することができる触媒を収蔵したＮＯｘ触媒コンバータと、上記ＮＯｘ触媒コンバータの上流における排気通路に連通し、一端を空気供給源に接続された空気供給通路と、上記空気供給通路の途中に設けられ上記空気供給源からの空気に燃料の軽油を添加する軽油添加装置と、上記空気に添加された軽油を加熱して部分酸化させる加熱装置と、上記ＮＯｘ触媒コンバータに流入する排気ガスの温度を検出する温度センサーと、上記温度検出手段の検出結果に基づき上記空気供給通路を流通する空気の量を調整する供給空気制御手段とを備えたことを特徴とし、ディーゼルエンジン、特に車両用ディーゼルエンジンのＮＯｘ発生量が多い運転領域において従来より著しく優れたＮＯｘ浄化性能を有する構造簡単かつ安価な排気ガス浄化装置を提供することができるので、産業上有益である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい実施形態を示す概略構成図である。
【図２】本発明に係る排気浄化装置のＮＯｘ浄化率を従来の排気浄化装置のＮＯｘ浄化率と対比して示した線図である。
【図３】ＮＯｘ触媒の上流側排気通路内に直接軽油を噴射する従来の装置を示す概略構成図である。
【図４】図３に示した従来の排気浄化装置のＮＯｘ浄化率を示した線図である。
【図５】既提案のＮＯｘ浄化装置を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１０…ディーゼルエンジン、１２…燃料噴射ノズル、１４…燃料噴射ポンプ、１８…燃料タンク、２０…フィードポンプ、２４…排気マニホールド、２６…排気通路、２８…ＮＯｘ触媒コンバータ、３０…ＮＯｘ触媒、３２…空気供給通路、３４…流量制御弁、３６…空気供給源、４０…燃料噴射弁（軽油添加装置）、４４…加熱装置、４６…コントロールユニット、４８…回転数センサー、５０…負荷センサー。
【図１】
0003565035.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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