(57)【要約】【課題】危険溶液で取り扱いの難しいアンモニアを使用せずに、尿素水溶液を用いながら、ＮＯｘ浄化に対する選択接触還元触媒の低温活性を向上できる排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法を提供する。【解決手段】内燃機関１の排気通路４に窒素酸化物を浄化する選択接触還元触媒１６を備えて、排気ガス中の窒素酸化物を浄化する排気ガス浄化システム１０において、前記選択接触還元触媒１６の上流側に排気通路に還元剤を供給する還元剤排気管内供給装置１４を備えると共に、内燃機関１の筒内２に還元剤を供給する還元剤筒内噴射装置１５を設けて構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に窒素酸化物を浄化する選択接触還元触媒を備えて、排気ガス中の窒素酸化物を浄化する排気ガス浄化システムにおいて、前記選択接触還元触媒の上流側に排気通路に還元剤を供給する還元剤排気管内供給装置を備えると共に、内燃機関の筒内に還元剤を供給する還元剤筒内噴射装置を設けたことを特徴とする排気ガス浄化システム。
【請求項２】
排気ガス温度が、所定の判定温度を超える場合には、前記還元剤排気管内供給装置により還元剤を排気通路に供給し、排気ガス温度が、前記所定の判定温度以下である場合には、前記還元剤筒内噴射装置により還元剤を筒内に供給することを特徴とする請求項１記載の排気ガス浄化システム。
【請求項３】
前記還元剤が、尿素水溶液であることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項４】
内燃機関の排気通路に窒素酸化物を浄化する選択接触還元触媒を備えると共に、該選択接触還元触媒の上流側に配置され、排気通路に尿素水溶液を供給する還元剤排気管内供給装置と、内燃機関の筒内に尿素水溶液を供給する還元剤筒内噴射装置を備えて、排気ガス中の窒素酸化物を浄化する排気ガス浄化システムにおいて、前記選択接触還元触媒の温度が尿素の加水分解の活性温度を超える場合には、前記還元剤排気管内供給装置により尿素水溶液を排気通路に供給し、前記選択接触還元触媒の温度が尿素の加水分解の活性温度以下である場合には、前記還元剤筒内噴射装置により尿素水溶液を筒内に供給し、前記還元剤筒内噴射装置より供給された尿素水溶液を、内燃機関の筒内の燃焼熱により、アンモニアに加水分解し、該アンモニアにより、前記選択接触還元触媒で窒素酸化物を浄化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、内燃機関の排気ガス中のＮＯｘを選択接触還元触媒を用いて浄化する排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン等のエンジン（内燃機関）から排出される微粒子状物質（ＰＭ）、ＮＯｘ、ＣＯそしてＨＣ等は、年々規制が強化されてきている。この規制の強化に伴い、エンジンの改良のみでは規制値への対応ができなくなってきている。そこで、エンジンに触媒を用いた排気ガス後処理装置を着装して、エンジンから排出されるこれらの物質を低減する技術が採用されている。
【０００３】
この従来技術の一つに、図４に示すような、選択接触還元触媒（ＳＣＲ触媒）に尿素を供給して、排気ガス中のＮＯｘを浄化する排気ガス浄化システム２０がある。このシステム２０は、３４％程度の尿素水溶液を貯蔵する尿素タンク２１と尿素水排気管内噴射弁２２を有する尿素噴射システムと、尿素加水分解機能及びアンモニア還元機能を有する選択接触還元触媒２３とを有して構成される。
【０００４】
この排気ガス浄化システム２０では、尿素タンク２１から尿素水排気管内噴射弁２２により排気通路（排気管）４内に添加された尿素は、前段の加水分解機能によって、「（ＮＨ2 ）2 ＣＯ＋Ｈ2 Ｏ→２ＮＨ3 ＋ＣＯ2 」の反応により、排気ガス中の熱と燃焼によって生成された水蒸気からアンモニアを生成する。
【０００５】
そして、後段のアンモニア還元機能により、この生成したアンモニアを還元剤として、「６ＮＯ＋４ＮＨ3 →５Ｎ2 ＋６Ｈ2 Ｏ」と「４ＮＯ＋４ＮＨ3 ＋Ｏ2 →４Ｎ2 ＋６Ｈ2 Ｏ」の反応により、選択接触ＮＯｘ還元を行いＮＯｘを浄化する。この反応は、酸素が共存する場合でも進み、一酸化窒素（ＮＯ）の１モルに対して、アンモニア（ＮＨ3 ）の１モルの反応となる。
【０００６】
なお、この選択接触還元触媒２３は、尿素加水分解機能を有する触媒を前段に配置し、アンモニア還元機能を有する触媒を後段に配置して形成する場合もあるが、アンモニア還元選択ＮＯｘ触媒中に加水分解機能を持たせて形成する場合もある。
【０００７】
しかしながら、この従来の尿素選択接触還元触媒２３を用いた排気ガス浄化システム２０では、ＮＯｘ浄化率が、図３の実線Ａで示すように、３００℃位から著しく低下してしまうという問題がある。つまり、添加した尿素から前段の加水分解反応によって還元剤のアンモニアを生成しているが、この尿素加水分解反応が吸熱反応であるため、低温における活性が低く、そのために、システム全体として、低温域におけるＮＯｘ浄化活性が低下してしまうのである。
【０００８】
一方、図３の破線Ｂで示すように、直接アンモニアを添加する場合には、選択接触還元触媒において、加水分解反応の必要が無くなるため、低温でもＮＯｘ浄化活性は高い。従って、選択接触還元触媒にアンモニアを供給すれば高い低温活性を得ることができる。しかしながら、アンモニアは、危険溶液であり、取り扱いが尿素水溶液ほど手軽にはできないという問題がある。
【０００９】
このアンモニアを使用した排気ガス浄化装置としては、アンモニア化合物添加により選択還元が行われるアンモニア化合物選択還元触媒と、排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸蔵し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸蔵したＮＯｘを放出・還元するＮＯｘ吸蔵還元型触媒とを排気通路に備えて、高回転・高負荷運転のときにアンモニア化合物選択還元触媒を機能させ、その他のときにはＮＯｘ吸蔵還元型触媒を機能させる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。）。
【００１０】
しかしながら、この内燃機関の排気浄化装置の場合には、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒は高温の排気ガスに曝されると劣化が激しいので、劣化対策が必要になるという問題や、排気通路の切り替えを必要とする場合には、ＮＯｘを吸蔵したＮＯｘ吸蔵還元型触媒の再生時の制御が複雑となると共にＮＯｘが大気中へ放出されてしまうというスリップの問題も発生する。
【００１１】
また、触媒を使用することなく、酸化窒素を分解させる脱硝装置として、内燃機関におけるシリンダあるいは排気ポートの排気弁の近接部に、アンモニア、または、アンモニア前駆物質（尿素等）を燃焼排ガス中に添加する噴射弁を設けて、排ガスをキヤリアガスとして適用することにより、機構の小型化、コスト節減とともに脱硝性能、信頼性を向上した内燃機関の排気脱硝装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【００１２】
しかしながら、この装置では、触媒作用を利用することなく、直接アンモニアで窒素酸化物を還元しているので、触媒利用よりも浄化率が低くなるという問題や、排気ガスが高温の時には、反応が進行してアンモニアが窒素酸化物になってしまうという問題がある。
【００１３】
また、吸気通路、燃焼室、及び排気通路の少なくとも一つにＨＣ等の還元剤を添加する添加装置を備えて、運転情報と添加量との関係を学習しながら、添加量を最適化しつつ、排気通路の選択還元触媒で浄化する排気浄化装置が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
【００１４】
しかしながら、この装置では、排気系に添加したＨＣがスモークを発生する場合が有り、ＨＣの燃焼により触媒が高温になるという問題がある。
【特許文献１】特許第３５１８３９８公報
【特許文献２】特許第２５９２１１９号公報
【特許文献３】特開平１０−３１１２１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明はこの問題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、危険溶液で取り扱いの難しいアンモニアを使用せずに、尿素水溶液を用いながら、ＮＯｘ浄化に対する選択接触還元触媒の低温活性を向上できる排気ガス浄化システム及び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】
【００１６】
上記の目的を達成するための本発明に係る排気ガス浄化システムは、内燃機関の排気通路に窒素酸化物を浄化する選択接触還元触媒を備えて、排気ガス中の窒素酸化物を浄化する排気ガス浄化システムにおいて、前記選択接触還元触媒の上流側に排気通路に還元剤を供給する還元剤排気管内供給装置を備えると共に、内燃機関の筒内に還元剤を供給する還元剤筒内噴射装置を設けて構成される。
【００１７】
この還元剤筒内噴射装置には、直接、内燃機関の筒内（シリンダ内）に還元剤を供給する装置のみならず、吸気通路に還元剤を噴射して筒内に還元剤を供給する装置も含む。
【００１８】
この構成により、排気管尿素噴射に加えて、エンジンの筒内への筒内尿素噴射を併用することができるようになるので、筒内の燃焼熱を利用して尿素を加水分解して、アンモニアを生成することができる。従って、比較的取り扱いが容易な尿素を用いながら、アンモニア添加の場合の選択接触還元触媒効果も奏することができるようになる。従って、尿素添加の場合の選択接触還元触媒効果の低温における活性低下を補うことができ、選択接触還元触媒を使用した排気ガス浄化システムの低温活性を向上できる。
【００１９】
そして、上記の排気ガス浄化システムにおいて、排気ガス温度が、所定の判定温度を超える場合には、前記還元剤排気管内供給装置により還元剤を排気通路に供給し、排気ガス温度が、前記所定の判定温度以下である場合には、前記還元剤筒内噴射装置により還元剤を筒内に供給するように構成される。
【００２０】
この排気ガス温度に対する所定の判定温度には、排気ガス温度がこの所定の判定温度を超えている場合には、選択接触還元触媒が活性温度を超え、排気ガス温度がこの所定の判定温度以下の場合には、選択接触還元触媒が活性温度以下となる温度が選ばれる。
【００２１】
また、上記の排気ガス浄化システムにおいては、還元剤としては、アンモニア前駆物質である尿素水溶液やカルバミン酸アンモニウム等を用いることもできるが、還元剤が尿素水溶液である場合には取り扱いが容易となるので、尿素水溶液を用いることが好ましい。
【００２２】
また、上記の目的を達成するための本発明に係る排気ガス浄化方法は、内燃機関の排気通路に窒素酸化物を浄化する選択接触還元触媒を備えると共に、該選択接触還元触媒の上流側に配置され、排気通路に尿素水溶液を供給する還元剤排気管内供給装置と、内燃機関の筒内に尿素水溶液を供給する還元剤筒内噴射装置を備えて、排気ガス中の窒素酸化物を浄化する排気ガス浄化システムにおいて、前記選択接触還元触媒の温度が尿素の加水分解の活性温度を超える場合には、前記還元剤排気管内供給装置により尿素水溶液を排気通路に供給し、前記選択接触還元触媒の温度が尿素の加水分解の活性温度以下である場合には、前記還元剤筒内噴射装置により尿素水溶液を筒内に供給し、前記還元剤筒内噴射装置より供給された尿素水溶液を、内燃機関の筒内の燃焼熱により、アンモニアに加水分解し、該アンモニアにより、前記選択接触還元触媒で窒素酸化物を浄化する方法として構成される。
【００２３】
この方法により、比較的取り扱いが容易な尿素を用いながら、選択接触還元触媒の温度によって、筒内尿素噴射と排気管尿素噴射を使い分けて、低温時には、筒内の燃焼熱を利用してアンモニアを選択接触還元触媒に供給することができるので、低温域におけるＮＯｘ浄化の活性低下を補うことができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法によれば、排気管尿素噴射に加えて、エンジンの筒内への筒内尿素噴射を併用することにより、比較的取り扱いが容易な尿素を用いながら、アンモニア添加の場合の選択接触還元触媒効果も奏することができ、尿素添加の場合の選択接触還元触媒効果の低温における活性低下を補うことができ、選択接触還元触媒を使用した排気ガス浄化システムの低温活性を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
次に、図面を参照して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の実施の形態について説明する。
【００２６】
図１に、この排気ガス浄化システム１０の構成を示す。この排気ガス浄化システム１０では、エンジン（内燃機関）１の排気通路４に、窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する選択接触還元触媒（ＳＣＲ触媒）１６を備える。この選択接触還元触媒１６は、貴金属（白金等）や遷移金属（銅、コバルト、バナジウム等）を、ゼオライト、シリカ／アルミナ、アルミナ、シリカ、チタニア等の担体に担持して形成される。
【００２７】
また、それと共に、この選択接触還元触媒１６の上流側に還元剤排気管内供給装置１４と、エンジン１の筒内（シリンダ内）２に還元剤を供給する還元剤筒内噴射装置１５を設けて構成される。
【００２８】
そして、還元剤としての尿素水溶液を、還元剤排気管内供給装置１４と還元剤筒内噴射装置１５に供給するために、尿素水タンク１１と尿素水ポンプ１２と尿素水コモンレール１３を設ける。また、排気通路４の選択接触還元触媒１６の上流側に排気ガス温度センサ１７を設ける。
【００２９】
更に、燃料噴射弁３の制御等を含むエンジン１の制御と共に、還元剤噴射制御を行う制御装置（エンジンコントロールユニット：ＥＣＵ）１８が設けられており、排気ガス温度センサ１７からの入力を基に、還元剤排気管内供給装置１４と還元剤筒内噴射装置１５を制御して、尿素水の供給を制御する。
【００３０】
そして、この構成の排気ガス浄化システム１０において、排気ガス浄化方法は、図２に例示するような制御フローに従って行われる。
【００３１】
エンジン１の運転が開始され、排気ガスの浄化が始まると、図２の制御フローも開始され、ステップＳ１１で排気ガス温度センサ１７により排気ガス温度Ｔｇの検出が行われる。そして、次のステップＳ１２で、排気ガス温度Ｔｇが所定の判定温度Ｔｇ０と比較される。
【００３２】
この排気ガス温度Ｔｇに対する所定の判定温度Ｔｇ０には、排気ガス温度Ｔｇがこの所定の判定温度Ｔｇ０を超えている場合には、選択接触還元触媒１６の触媒温度Ｔｃが加水分解のための活性温度Ｔｃ０を超え、また、排気ガス温度Ｔｇがこの所定の判定温度Ｔｇ０以下の場合には、選択接触還元触媒１６の触媒温度Ｔｃが加水分解のための活性温度Ｔｃ０以下となる温度が選ばれる。この温度は、例えば、燃焼室出口の排気ガス温度で、３５０℃程度、選択接触還元触媒１６の入口の排気ガス温度Ｔｇや触媒温度Ｔｃで２５０℃〜３００℃である。
【００３３】
このステップＳ１２の比較で、排気ガス温度Ｔｇが所定の判定温度Ｔｇ０以下の場合には、ステップＳ１３で、筒内尿素噴射制御を行って、還元剤筒内噴射装置１５より筒内２に尿素水溶液を供給すると共に、排気管尿素噴射制御を中止して、還元剤排気管内供給装置１４からの排気通路４内への尿素水溶液の供給を停止する。これを所定の時間の間、即ち、排気ガス温度Ｔｇをチェックするインターバルの間行い、ステップＳ１１に戻る。
【００３４】
この排気ガス温度Ｔｇが低く、ＮＯｘ浄化活性が低くなるエンジン１の低負荷運転領域の極微小噴射量では、尿素を主燃焼前の圧縮始め行程でエンジン１の筒内２に噴射し、主燃焼の燃焼熱を利用して尿素加水分解反応を行わせてアンモニアを生成する。噴射量が多くなるに従い燃焼温度が高くなり、アンモニアが窒素酸化物になってしまうので、筒内２の温度が比較的低い温度のときに噴射する。
【００３５】
より具体的には、低負荷運転領域でもある程度の噴射量がある場合には、メイン噴射終了後から、ＡＴＤＣ９０°位までの範囲で尿素噴射を行う。吸熱反応であるので、ある程度の温度が必要であり、また、ＡＤＴＣ９０°をすぎると、噴射した尿素水溶液がシリンダ内面に付着し、この尿素水溶液がエンジンオイルの希釈や錆の発生の原因となるためである。また、燃焼温度や排気ガスの温度により噴射時期を決定し、温度が高いとき程、遅い方にずらす。
【００３６】
そして、この筒内２で発生したアンモニアが選択接触還元触媒１６に供給される。そのため、前段尿素加水分解反応が不要となり、低温でもＮＯｘを還元できるようになる。なお、直接、筒内２に尿素水溶液を噴射する代わりに、吸気行程中に、吸気通路（吸気管）５に尿素を噴射して筒内２に尿素を供給してもよい。  
【００３７】
また、ステップＳ１２の比較で、排気ガス温度Ｔｇが所定の判定温度Ｔｇ０を超えている場合には、ステップＳ１４で、排気管尿素噴射制御を行って、還元剤排気管内供給装置１４より排気通路４内に尿素水溶液を供給すると共に、筒内尿素噴射制御を中止して、還元剤筒内噴射装置１５からの筒内２への尿素水溶液の供給を停止する。これを所定の時間の間、即ち、排気ガス温度Ｔｇをチェックするインターバルの間行い、ステップＳ１１に戻る。
【００３８】
この排気ガス温度Ｔｇが高く、ＮＯｘ浄化活性が高くなるエンジン１の中・高負荷運転領域では、選択接触還元触媒１６で尿素を加水分解できるので、排気通路４に供給された尿素を前段尿素加水分解反応によりアンモニアに変えて、ＮＯｘを浄化することができる。また、高温度域において筒内尿素水噴射を中止することにより、筒内において、尿素が高温のために反応が進行してＮＯｘになってしまうのを防止することができる。
【００３９】
そして、これらの各ステップの繰り返しが、エンジン１の運転が停止されるまで行われる。エンジンキーがオフされると、ステップＳ２０の割り込みが生じ、ステップＳ２１で筒内尿素噴射制御の停止と排気管尿素噴射制御の停止等の終了作業を行ってから、この制御フローをストップする。
【００４０】
この制御により、排気ガス温度Ｔｇが、所定の判定温度Ｔｃを超える場合には、還元剤排気管内供給装置１４により還元剤である尿素水溶液を排気通路４に供給し、排気ガス温度Ｔｇが、所定の判定温度Ｔｃ以下である場合には、還元剤筒内噴射装置１５により尿素水溶液を筒内２に供給することができる。
【００４１】
上記の構成の排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法によれば、排気通路４内への尿素水噴射に加えて、エンジン１の筒内２への尿素水噴射を併用することができるようになるので、筒内２の燃焼熱を利用して尿素を加水分解して、アンモニアを生成することができる。そのため、比較的取り扱いが容易な尿素を用いながら、アンモニア添加の場合の選択接触還元触媒効果も奏することができるようになる。
【００４２】
従って、尿素添加の場合の選択接触還元触媒効果の低温における活性低下を補うことができ、選択接触還元触媒１６を使用した排気ガス浄化システム１０のＮＯｘの浄化に対する低温活性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システムの構成を示す図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化方法の制御の例を示す図である。
【図３】尿素添加とアンモニア添加の場合の選択接触還元触媒のＮＯｘ浄化率と触媒温度との関係を示す図である。
【図４】従来技術の排気ガス浄化システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１    エンジン（内燃機関）
２    筒内（シリンダ内）
３    燃焼噴射弁
４    排気通路（排気管）
１０    排気ガス浄化システム
１１    尿素水タンク
１２    尿素水ポンプ
１３    尿素水コモンレール
１４    還元剤排気管内供給装置
１５    還元剤筒内噴射装置
１６    選択接触還元触媒（ＳＣＲ触媒）
１７    排気ガス温度センサ
１８    制御装置（ＥＣＵ）
Ｔｇ    排気ガス温度
Ｔｇ０  所定の判定温度
Ｔｃ    触媒温度
Ｔｃ０  加水分解のための活性温度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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