(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン排気管に配設され、窒素酸化物を還元剤により還元浄化する還元触媒と、
該還元触媒の排気上流に位置する排気管を３つ以上に分岐した各分岐管に夫々配設され、一酸化窒素を二酸化窒素へと酸化させる酸化能力が相互に異なる複数の酸化触媒と、
前記各分岐管に分流する排気流量を独立かつ多段階に制御可能な流量制御弁と、
排気の体積流量を検出する排気流量検出手段と、
前記酸化触媒の触媒温度を検出する温度検出手段と、
前記排気流量検出手段により検出された体積流量及び前記温度検出手段により検出された触媒温度に基づいて、前記還元触媒に導入される排気中の一酸化窒素と二酸化窒素との割合が所定割合に近づくように流量制御弁を制御する制御手段と、
を含んで構成されたことを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
エンジン排気管に配設され、窒素酸化物を還元剤により還元浄化する還元触媒と、
該還元触媒の排気上流に位置する排気管を３つ以上に分岐した各分岐管のうち、少なくとも１つを除いた分岐管に夫々配設され、一酸化窒素を二酸化窒素へと酸化させる酸化能力が相互に異なる複数の酸化触媒と、
前記各分岐管に分流する排気流量を独立かつ多段階に制御可能な流量制御弁と、
排気の体積流量を検出する排気流量検出手段と、
前記酸化触媒の触媒温度を検出する温度検出手段と、
前記排気流量検出手段により検出された体積流量及び前記温度検出手段により検出された触媒温度に基づいて、前記還元触媒に導入される排気中の一酸化窒素と二酸化窒素との割合が所定割合に近づくように流量制御弁を制御する制御手段と、
を含んで構成されたことを特徴とする排気浄化装置。
【請求項３】
前記制御手段は、排気の体積流量及び酸化触媒の触媒温度に対応した制御値が設定されたマップを参照して、前記流量制御弁を制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の排気浄化装置。
【請求項４】
前記排気流量検出手段は、吸気の質量流量及びエンジンの燃料消費率から、排気の体積流量を間接的に検出することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の排気浄化装置。
【請求項５】
前記温度検出手段は、前記酸化触媒の排気上流における排気温度から、該酸化触媒の触媒温度を間接的に検出することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の排気浄化装置。
【請求項６】
前記所定割合は、前記還元触媒による窒素酸化物の還元反応に適合した割合であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、還元剤を用いて排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元除去する排気浄化装置において、特に、ＮＯｘ浄化率を向上させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジン排気中のＮＯｘを除去する触媒浄化システムとして、特開２０００−２７６２７号公報（特許文献１）に記載された排気浄化装置が提案されている。
かかる排気浄化装置は、エンジン排気管に配設された還元触媒の排気上流に、エンジン運転状態に応じた還元剤を噴射供給することで、排気中のＮＯｘと還元剤とを触媒還元反応させて、ＮＯｘを無害成分に浄化処理するものである。ここで、還元反応は、ＮＯｘと反応性が良好なアンモニアを用いるもので、還元剤としては、排気熱及び排気中の水蒸気により加水分解してアンモニアを発生する尿素水溶液が用いられる。
【特許文献１】特開２０００−２７６２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、アンモニアを還元剤として用いる排気浄化装置では、排気中の一酸化窒素（ＮＯ）と二酸化窒素（ＮＯ2）との割合がある所定割合のときに、還元触媒によるＮＯｘ浄化率が最良となることが知られている。このため、還元触媒の排気上流に配設した酸化触媒により排気中のＮＯを酸化し、還元触媒に導入される排気中のＮＯとＮＯ2との割合を改善する技術が開発された。
【０００４】
しかしながら、排気中のＮＯとＮＯ2との割合はエンジン運転状態に応じて大きく変化する一方、酸化触媒によるＮＯをＮＯ2へと酸化させる酸化能力は大きく変化しないため、広範な運転領域でＮＯとＮＯ2との割合を所定割合に近づけることは困難であった。そして、排気中のＮＯとＮＯ2との割合が所定割合となっていない運転領域では、還元触媒によるＮＯｘ浄化率が低下し、浄化が不十分な排気が大気中に排出されてしまうおそれがあった。また、燃料である軽油，ガソリン，アルコール類などを還元剤として用いる排気浄化装置もあるが、広範な運転領域でＮＯとＮＯ2との割合を還元反応に適合した所定割合に近づけることが困難であり、同様な問題が発生するおそれがあった。
【０００５】
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、酸化触媒を通過させる排気流量を適宜制御することで、還元触媒に導入される排気中のＮＯとＮＯ2との割合を所定割合に近づけ、広範な運転領域でＮＯｘ浄化率を向上させた排気浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このため、請求項１記載の発明では、排気浄化装置は、エンジン排気管に配設され、窒素酸化物を還元剤により還元浄化する還元触媒と、該還元触媒の排気上流に位置する排気管を３つ以上に分岐した各分岐管に夫々配設され、一酸化窒素を二酸化窒素へと酸化させる酸化能力が相互に異なる複数の酸化触媒と、前記各分岐管に分流する排気流量を独立かつ多段階に制御可能な流量制御弁と、排気の体積流量を検出する排気流量検出手段と、前記酸化触媒の触媒温度を検出する温度検出手段と、前記排気流量検出手段により検出された体積流量及び前記温度検出手段により検出された触媒温度に基づいて、前記還元触媒に導入される排気中の一酸化窒素と二酸化窒素との割合が所定割合に近づくように流量制御弁を制御する制御手段と、を含んで構成されたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２記載の発明では、排気浄化装置は、エンジン排気管に配設され、窒素酸化物を還元剤により還元浄化する還元触媒と、該還元触媒の排気上流に位置する排気管を３つ以上に分岐した各分岐管のうち、少なくとも１つを除いた分岐管に夫々配設され、一酸化窒素を二酸化窒素へと酸化させる酸化能力が相互に異なる複数の酸化触媒と、前記各分岐管に分流する排気流量を独立かつ多段階に制御可能な流量制御弁と、排気の体積流量を検出する排気流量検出手段と、前記酸化触媒の触媒温度を検出する温度検出手段と、前記排気流量検出手段により検出された体積流量及び前記温度検出手段により検出された触媒温度に基づいて、前記還元触媒に導入される排気中の一酸化窒素と二酸化窒素との割合が所定割合に近づくように流量制御弁を制御する制御手段と、を含んで構成されたことを特徴とする。
【０００９】
請求項３記載の発明では、前記制御手段は、排気の体積流量及び酸化触媒の触媒温度に対応した制御値が設定されたマップを参照して、前記流量制御弁を制御することを特徴とする。
請求項４記載の発明では、前記排気流量検出手段は、吸気の質量流量及びエンジンの燃料消費率から、排気の体積流量を間接的に検出することを特徴とする。
【００１０】
請求項５記載の発明では、前記温度検出手段は、前記酸化触媒の排気上流における排気温度から、該酸化触媒の触媒温度を間接的に検出することを特徴とする。
請求項６記載の発明では、前記所定割合は、前記還元触媒による窒素酸化物の還元反応に適合した割合であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１記載の発明によれば、還元触媒の排気上流に位置する排気管を３つ以上に分岐した各分岐管には、一酸化窒素を二酸化窒素へと酸化させる酸化能力が相互に異なる酸化触媒が夫々配設される。そして、還元触媒に導入される排気中の一酸化窒素と二酸化窒素との割合が所定割合に近づくように、酸化触媒の酸化能力と密接な関連がある排気の体積流量及び酸化触媒の触媒温度に基づいて流量制御弁が制御され、各分岐管に分流される排気流量が独立かつ多段階に制御される。このため、一酸化窒素と二酸化窒素との割合が相互に異なる排気を適宜混合することで、排気中の一酸化窒素と二酸化窒素との割合が所定割合に近づき、広範な運転領域において、窒素酸化物の浄化率を向上させることができる。
【００１３】
請求項２記載の発明によれば、還元触媒の排気上流に位置する排気管を３つ以上に分岐した各分岐管のうち、少なくとも１つを除いた分岐管には、一酸化窒素を二酸化窒素へと酸化させる酸化能力が相互に異なる複数の酸化触媒が夫々配設される。そして、還元触媒に導入される排気中の一酸化窒素と二酸化窒素との割合が所定割合に近づくように、酸化触媒の酸化能力と密接な関連がある排気の体積流量及び酸化触媒の触媒温度に基づいて流量制御弁が制御され、各分岐管に分流される排気流量が独立かつ多段階に制御される。このため、一酸化窒素と二酸化窒素との割合が相互に異なる排気と一酸化窒素が酸化されていない排気とを適宜混合することで、排気中の一酸化窒素と二酸化窒素との割合が所定割合に近づき、広範な運転領域において、窒素酸化物の浄化率を向上させることができる。
【００１４】
請求項３記載の発明によれば、流量制御弁は、排気の体積流量及び酸化触媒の触媒温度に対応した制御値が設定されたマップを参照して制御されるため、流量制御に係る処理負荷増加を抑制することができる。
請求項４記載の発明によれば、排気の体積流量は、吸気の質量流量及びエンジンの燃料消費率から間接的に検出されるため、例えば、排気により流量センサの検出部が汚れることがなく、長年に亘って排気の体積流量を安定して検出することができる。
【００１５】
請求項５記載の発明によれば、酸化触媒の触媒温度は、その排気上流における排気温度から間接的に検出されるため、酸化触媒に温度センサなどを付設する必要がなく、例えば、酸化触媒が部分的に高温になってもその熱影響を受けることを防止できる。
請求項６記載の発明によれば、還元触媒に導入される排気中の一酸化窒素と二酸化窒素との割合は、還元触媒による窒素酸化物の還元反応に適合した所定割合となるので、還元触媒における窒素酸化物の還元反応を効果的に促進することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
本発明の第１実施形態を示す図１において、エンジン１０に接続される排気管１２には、排気流通方向に沿って、還元剤としての尿素水溶液を噴射供給する噴射ノズル１４と、尿素水溶液を加水分解して得られるアンモニアによりＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ還元触媒１６と、ＮＯｘ還元触媒１６を通過したアンモニアを酸化させるアンモニア酸化触媒１８と、が夫々配設される。噴射ノズル１４には、エンジン運転状態に応じた尿素水溶液が空気と混合した噴霧状態で供給される。また、ＮＯｘ還元触媒１６の排気上流に位置する排気管１２を２つに分岐した各分岐管１２Ａ及び１２Ｂには、排気流通方向に沿って、その排気通路面積（開度）を多段階に制御可能な電磁式の流量制御弁２０Ａ及び２０Ｂと、排気中のＮＯをＮＯ2へと酸化させる酸化触媒２２Ａ及び２２Ｂと、が夫々配設される。各分岐管１２Ａ及び１２Ｂに配設された酸化触媒２２Ａ及び２２Ｂは、相互に異なる酸化能力を有するものであって、例えば、図中上方及び下方に位置する酸化触媒２２Ａ及び２２Ｂとしては、夫々、触媒温度が所定値未満の低温で良好な酸化能力を発揮する低温酸化触媒、触媒温度が所定値以上の高温で良好な酸化能力を発揮する高温酸化触媒を用いることができる。
【００１７】
一方、排気浄化装置の制御系として、排気温度から酸化触媒２２Ａ及び２２Ｂの触媒温度Ｔを間接的に検出する温度検出手段としての排気温度センサ２４と、吸気の質量流量Ｆiを検出するエアフローセンサ２６と、が夫々設けられる。そして、排気温度センサ２４及びエアフローセンサ２６からの各出力信号は、コンピュータを内蔵したコントロールユニット２８に入力され、そのＲＯＭ（Read Only Memory）に記憶された制御プログラムにより、ＮＯｘ還元触媒１６に導入される排気中のＮＯとＮＯ2との割合が所定割合に近づくように、流量制御弁２０Ａ及び２０Ｂが夫々制御される。また、コントロールユニット２８は、ＣＡＮ（Controller Area Network）などを介して、エンジン１０の燃料噴射制御などを行なうエンジンコントロールユニット３０と相互通信可能に接続され、燃料消費率Ｃを適宜読み込み可能に構成されている。なお、制御プログラムを実行するコントロールユニット２８により制御手段が具現化されると共に、エアフローセンサ２６，コントロールユニット２８及びエンジンコントロールユニット３０の協働により排気流量検出手段が構成される。
【００１８】
図２は、コントロールユニット２８において、所定時間ごとに繰り返し実行される制御プログラムの内容を示す。
ステップ１（図では「Ｓ１」と略記する。以下同様）では、排気温度センサ２４から触媒温度Ｔを読み込む。ここで、触媒温度Ｔは、その排気上流における排気温度から間接的に検出されるため、酸化触媒２２Ａ及び２２Ｂに温度センサなどを付設する必要がなく、例えば、酸化触媒２２Ａ及び２２Ｂが部分的に高温となってもその熱影響を受けることを防止できる。
【００１９】
ステップ２では、エアフローセンサ２６から吸気の質量流量Ｆiを読み込む。
ステップ３では、エンジンコントロールユニット３０から燃料消費率Ｃを読み込む。
ステップ４では、吸気の質量流量Ｆi及び燃料消費率Ｃに基づいて、所定演算式から排気の体積流量Ｆeを演算する。ここで、排気の体積流量Ｆeは、吸気の質量流量Ｆi及び燃料消費率Ｃから間接的に検出されるため、例えば、排気により流量センサの検出部が汚れることがなく、長年に亘って排気の体積流量Ｆeを安定して検出することができる。
【００２０】
ステップ５では、排気の体積流量及び酸化触媒の触媒温度に対応した制御値が設定されたマップを参照し、触媒温度Ｔ及び体積流量Ｆeに応じた制御値を演算する。ここで、制御値としては、流量制御弁２０Ａ及び２０Ｂの開度θ1及びθ2とすることができる。なお、流量制御弁２０Ａ及び２０Ｂの制御値は、マップを参照して演算されるため、流量制御に係る処理負荷増加を抑制することができる。
【００２１】
ステップ６では、制御値に応じて流量制御弁２０Ａ及び２０Ｂを夫々制御する。
かかる構成によれば、吸気の質量流量Ｆi及び燃料消費率Ｃから排気の体積流量Ｆeが演算された後、排気の体積流量Ｆe並びに酸化触媒２２Ａ及び２２Ｂの触媒温度Ｔをキーとしてマップを参照し、体積流量Ｆe及び触媒温度Ｔに対応した制御値（開度）が演算される。そして、制御値に基づいて流量制御弁２０Ａ及び２０Ｂが夫々制御され、各分岐管１２Ａ及び１２Ｂに分流される排気流量が独立かつ多段階に制御される。このため、実験などを通してマップに適切な制御値を設定しておけば、ＮＯとＮＯ2との割合が相互に異なる排気を適宜混合することで、排気中のＮＯとＮＯ2との割合が所定割合に近づき、広範な運転領域において、ＮＯｘ浄化率を向上させることができる。
【００２２】
また、ＮＯｘ還元触媒１６の排気上流に空気と共に噴霧状態で噴射供給された尿素水溶液は、排気熱及び排気中の水蒸気により加水分解してアンモニア（ＮＨ3）となり、ＮＯｘ還元触媒１６へと供給される。そして、ＮＯｘ還元触媒１６において、排気中のＮＯｘがアンモニアと還元反応して無害な水（Ｈ2Ｏ）及び窒素（Ｎ2）となって大気中に排出される。このとき、ＮＯｘ還元触媒１６を通過したアンモニアは、その排気下流に配設されたアンモニア酸化触媒１８により酸化されるので、異臭を放つ排気が排出されることがない。
【００２３】
次に、本発明に係る排気浄化装置の第２実施形態について説明する。なお、以下の説明では、重複説明を排除する目的から、第１実施形態とは異なる構成についてのみ説明し、共通構成には同一符号を付してその説明を省略又は簡単とする。
本発明の第２実施形態の構成を示す図３において、図中上方に位置する分岐管１２Ａには、排気中のＮＯをＮＯ2へと酸化させる酸化触媒３２が配設される一方、図中下方に位置する分岐管１２Ｂには、その排気通路面積（開度）を多段階に制御可能な電磁式の流量制御弁３４が配設される。ここで、酸化触媒３２としては、例えば、多用されるエンジン運転状態で良好な酸化能力を発揮するものを用いることができる。また、流量制御弁３４を制御する制御プログラムとしては、第１実施形態におけるマップを多少変更するだけで、図２に示すものをそのまま利用することができる。
【００２４】
かかる構成によれば、酸化触媒３２を通過してＮＯがＮＯ2へと酸化された排気とＮＯが酸化されていない排気とを適宜混合することで、排気中のＮＯとＮＯ2との割合が所定割合に近づき、広範な運転領域において、ＮＯｘ浄化率を向上させることができる。
なお、以上説明した実施形態は、２つの分岐管により排気管が２つに分岐される構成であるが、３つ以上の分岐管により排気管を複数に分岐する構成であっても、本発明は適用可能である。このようにすれば、エンジン運転状態にかかわらず、ＮＯｘ還元触媒へと導入される排気中のＮＯとＮＯ2との割合を細かく変化させることが可能となり、ＮＯｘ浄化率を一層向上させることができる。また、各分岐管に分流する排気流量は、排気管の分岐部に配設された１つの流量制御弁で制御するようにしてもよい。
【００２５】
さらに、還元剤としては、ＮＯｘ還元触媒における還元反応に応じて、炭化水素を主成分とする軽油，ガソリン，アルコール類などの各種燃料を用いるようにしてもよい。この場合、流量制御弁の制御としては、ＮＯｘ還元触媒に導入される排気中のＮＯとＮＯ2との割合が、ＮＯｘ還元触媒によるＮＯｘの還元反応に適合した所定割合に近づくようにすればよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る排気浄化装置の第１実施形態を示す構成図
【図２】排気浄化装置の制御内容を示すフローチャート
【図３】本発明に係る排気浄化装置の第２実施形態を示す構成図
【符号の説明】
【００２７】
１０    エンジン
１２    排気管
１２Ａ  分岐管
１２Ｂ  分岐管
１６    ＮＯｘ還元触媒
２０Ａ  流量制御弁
２０Ｂ  流量制御弁
２２Ａ  酸化触媒
２２Ｂ  酸化触媒
２４    排気温度センサ
２６    エアフローセンサ
２８    コントロールユニット
３０    エンジンコントロールユニット
３２    酸化触媒
３４    流量制御弁
【図１】
0004698314.tif 000002
【図２】
0004698314.tif 000003
【図３】
0004698314.tif 000004