(57)【要約】    【課題】  ＮＯｘ浄化率を向上させる。    【解決手段】  エンジン１０の排気管１２に、ＮＯｘを還元剤により還元浄化するＮＯｘ還元触媒１６を配設すると共に、その排気上流に位置する排気管１２を２つに分岐した分岐管１２Ａ及び１２Ｂに、排気流路を開閉する電磁式開閉弁２０Ａ及び２０Ｂ、ＮＯをＮＯ2へと酸化させる酸化能力が相互に異なる酸化触媒２２Ａ及び２２Ｂを夫々配設する。ここで、酸化触媒２２Ａ及び２２Ｂとしては、排気温度が低温のときに良好な酸化能力を発揮する低温酸化触媒、排気温度が高温のときに良好な酸化能力を発揮する高温酸化触媒を用いる。そして、コントロールユニット２８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、回転速度センサ２４及び負荷センサ２６により検出された回転速度Ｎｅ及び負荷Ｑに基づいて電磁式開閉弁２０Ａ及び２０Ｂを夫々制御する。【選択図】  図１
2005233046.tif 000002
【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複数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制御する流量制御弁と、
エンジン運転状態を検出する運転状態検出手段と、
該運転状態検出手段により検出されたエンジン運転状態に基づいて、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２つに分岐した分岐管の一方に配設され、一酸化窒素を二酸化窒素へと酸化させる酸化触媒と、
前記各分岐管に分流する排気流量を制御する流量制御弁と、
エンジン運転状態を検出する運転状態検出手段と、
該運転状態検出手段により検出されたエンジン運転状態に基づいて、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】
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複数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制御する流量制御弁と、
エンジン運転状態を検出する運転状態検出手段と、
該運転状態検出手段により検出されたエンジン運転状態に基づいて、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４】
前記制御手段は、エンジン運転状態に基づいて、前記各分岐管のうちの１つを排他的に開通させる制御を行う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】
前記制御手段は、エンジン運転状態に基づいて、前記各分岐管に分流する排気流量を夫々制御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】
エンジンの排気に含まれる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）に開示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必要量の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制御することで、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、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複数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制御する流量制御弁と、エンジン運転状態を検出する運転状態検出手段と、該運転状態検出手段により検出されたエンジン運転状態に基づいて、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。
【０００７】
請求項２記載の発明では、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２つに分岐した分岐管の一方に配設され、一酸化窒素を二酸化窒素へと酸化させる酸化触媒と、前記各分岐管に分流する排気流量を制御する流量制御弁と、エンジン運転状態を検出する運転状態検出手段と、該運転状態検出手段により検出されたエンジン運転状態に基づいて、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３記載の発明では、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複数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制御する流量制御弁と、エンジン運転状態を検出する運転状態検出手段と、該運転状態検出手段により検出されたエンジン運転状態に基づいて、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４記載の発明では、前記制御手段は、エンジン運転状態に基づいて、前記各分岐管のうちの１つを排他的に開通させる制御を行うことを特徴とする。
請求項５記載の発明では、前記制御手段は、エンジン運転状態に基づいて、前記各分岐管に分流する排気流量を夫々制御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】
【００１０】
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複数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、エンジン運転状態に基づいて流量制御弁が制御され、各分岐管に分流する排気流量が制御される。このため、エンジン運転状態に適合した酸化触媒により、排気中の一酸化窒素が二酸化窒素へと酸化され、両者の割合を所定割合に近づけることが可能となることから、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。
【００１１】
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２つに分岐した分岐管の一方には、一酸化窒素を二酸化窒素へと酸化させる酸化触媒が配設される。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、エンジン運転状態に基づいて流量制御弁が制御され、各分岐管に分流する排気流量が制御される。このため、エンジン運転状態に基づいて、酸化触媒により酸化される一酸化窒素の流量が制御され、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けることが可能となることから、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。
【００１２】
請求項３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複数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、エンジン運転状態に基づいて流量制御弁が制御され、各分岐管に分流する排気流量が制御される。このため、エンジン運転状態に適合した酸化触媒により、排気中の一酸化窒素が二酸化窒素へと酸化され、両者の割合を所定割合に近づけることが可能となることから、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４記載の発明によれば、エンジン運転状態に基づいて各分岐管のうちの１つを排他的に開通させることで、流量制御弁として、その流路を単に開閉するものを使用することが可能となり、コスト上昇及び制御内容が複雑になることを抑制できる。
請求項５記載の発明によれば、エンジン運転状態に基づいて各分岐管に分流する排気流量を夫々制御することで、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を細かく変化させることができる。このため、エンジン運転状態にかかわらず、窒素酸化物の浄化率を一層向上させることができる。
【００１４】
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、還元触媒により窒素酸化物の還元反応に適合した所定割合となるので、還元触媒によ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】
【００１５】
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必要量の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、その排気通路を開閉する流量制御弁としての電磁式開閉弁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、上方及び下方に位置する分岐管１２Ａ及び１２Ｂに配設された酸化触媒２２Ａ及び２２Ｂとしては、夫々、排気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、排気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。
【００１６】
一方、各分岐管１２Ａ及び１２Ｂを開閉し、これらに分流する排気流量を制御する電磁式開閉弁２０Ａ及び２０Ｂの制御系として、エンジン回転速度Ｎｅを検出する回転速度センサ２４と、エンジン負荷Ｑを検出する負荷センサ２６と、が夫々設けられる。ここで、負荷Ｑとしては、アクセル開度，スロットル開度，吸気流量，吸気負圧，燃料噴射量などが利用可能である。そして、回転速度センサ２４及び負荷センサ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って、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排気流路を切り替えるべく、電磁式開閉弁２０Ａ及び２０Ｂが夫々開閉制御される。なお、コントロールユニット２８に記憶された制御プログラムにより、制御手段が実現される一方、回転速度センサ２４及び負荷センサ２６により、運転状態検出手段が構成される。
【００１７】
図２は、第１実施形態における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、回転速度センサ２４及び負荷センサ２６から回転速度Ｎｅ及び負荷Ｑを夫々読み込む。
ステップ２では、エンジン運転状態、即ち、回転速度及び負荷に適合した排気流路が予め設定されたマップを参照し、現在の回転速度Ｎｅ及び負荷Ｑに応じた排気流路を決定する。ここで、「排気流路」とは、排気が流通する分岐管１２Ａ又は１２Ｂを特定するものであって、回転速度Ｎｅ及び負荷Ｑにより推定可能な排気性状（特に、排気中のＮＯとＮＯ2との割合）に応じて、排気を低温酸化触媒２２Ａ又は高温酸化触媒２２Ｂのどちらに導入するかを特定するものである。
【００１８】
ステップ３では、排気流路を切り替える必要があるか否かを判定する。そして、排気流路を切り替える必要があればステップ４へと進み（Ｙｅｓ）、低温酸化触媒２２Ａ又は高温酸化触媒２２Ｂのいずれか一方に排気が排他的に導入されるように、電磁式開閉弁２０Ａ及び２０Ｂを夫々開閉制御する。一方、排気流路を切り替える必要がなければ、不要な制御による電力消費量の増大，電磁式開閉弁２０Ａ及び２０Ｂからの作動音発生などを防止すべく、電磁式開閉弁２０Ａ及び２０Ｂを開閉制御せずに処理を終了する（Ｎｏ）。
【００１９】
かかる構成によれば、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べく、エンジンの回転速度Ｎｅ及び負荷Ｑに適合した排気流路が決定され、電磁式開閉弁２０Ａ及び２０Ｂが夫々開閉制御される。このため、エンジン１０の排気は、低温酸化触媒２２Ａ又は高温酸化触媒２２Ｂのいずれか一方に選択的かつ排他的に導入され、その酸化能力に応じてＮＯがＮＯ2となり、ＮＯとＮＯ2との割合が所定割合に近づくように改善される。酸化触媒２２Ａ又は２２ＢによりＮＯとＮＯ2との割合が改善された排気は、ＮＯｘ還元触媒１６へと導入される。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。
【００２０】
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、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３０が配設される一方、下方に位置する分岐管１２Ｂには、その排気通路の開口面積を任意に増減制御可能な電磁式流量制御弁３２が配設される。ここで、酸化触媒３０は、例えば、エンジン定常状態で良好な酸化能力を発揮するものが用いられる。
【００２１】
図４は、第２実施形態における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１１では、回転速度センサ２４及び負荷センサ２６から回転速度Ｎｅ及び負荷Ｑを夫々読み込む。
ステップ１２では、エンジン運転状態、即ち、回転速度及び負荷に適合した弁開度が予め設定されたマップを参照し、現在の回転速度Ｎｅ及び負荷Ｑに応じた電磁式流量制御弁３２の弁開度を決定する。ここで、「弁開度」とは、分岐管１２Ｂ排気通路の開口面積を制御するパラメータであって、その開口面積を増減させることで、各分岐管１２Ａ及び１２Ｂを流通する排気流量を任意に制御できる。このため、ＮＯとＮＯ2との割合が未調整の排気と酸化触媒３０によりＮＯ2の割合が増加した排気とを混合して、その割合を所定割合に近づけることができる。
【００２２】
ステップ１３では、分岐管１２Ｂの開口面積を増減すべく、弁開度に応じて電磁式流量制御弁３２を制御する。
かかる構成によれば、酸化触媒３０を通過する排気流量とこれを通過しない排気流量とを任意に制御可能であることから、これらを混合して得られる排気中のＮＯとＮＯ2との割合を連続的に変化させることができる。このため、エンジン運転状態にかかわらず、ＮＯｘ還元触媒１６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ることが可能となり、ＮＯｘ浄化率を効果的に向上させることができる。
【００２３】
なお、以上説明した実施形態では、２つの分岐管により排気管が２つに分岐される構成について説明したが、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、第１実施形態において、各分岐管を流通する排気流量を任意に増減制御したり、第２実施形態において、排気が流通する分岐管を選択的かつ排他的に切り替えるようにしてもよい。
【００２４】
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】
【００２５】
【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】同上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
【図４】同上の制御内容を示すフローチャート
【符号の説明】
【００２６】
１０    エンジン
１２    排気管
１２Ａ  分岐管
１２Ｂ  分岐管
１６    ＮＯｘ還元触媒
２０Ａ  電磁式開閉弁
２０Ｂ  電磁式開閉弁
２２Ａ  酸化触媒
２２Ｂ  酸化触媒
２４    回転速度センサ
２６    負荷センサ
２８    コントロールユニット
３０    酸化触媒
３２    電磁式流量制御弁
【図１】
2005233046.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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