(57)【要約】【課題】  還元剤として添加された燃料の排気通路の内壁への付着を抑制する排気浄化装置及びこれに適した燃料改質触媒を提供する。【解決手段】  本発明は、内燃機関１の排気を浄化する排気浄化装置であって、燃料を噴射する燃料噴射手段５と、前記燃料噴射手段から噴射された前記燃料を改質させる燃料改質触媒３０とを排気通路内に具備し、前記燃料噴射手段５は、その燃料噴射方向が前記燃料改質触媒３０の端面３５に指向するように配置されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気を浄化する排気浄化装置であって、燃料を噴射する燃料噴射手段と、前記燃料噴射手段から噴射された前記燃料を改質させる燃料改質触媒とを排気通路内に具備し、前記燃料噴射手段は、その燃料噴射方向が前記燃料改質触媒の端面に指向するように配置されていることを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
前記排気通路は、気筒毎に設けられた分岐部とこれらが集合する集合部とを有し、前記集合部の下流側には過給機が設けられており、前記燃料改質触媒は、前記集合部から前記過給機までの前記排気通路内に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項３】
前記燃料噴射手段は、その燃料噴射方向が前記燃料改質触媒の中心軸と平行になるように配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気浄化装置。
【請求項４】
前記排気通路には、過給機と、前記過給機の下流側に位置する排気浄化手段と、が設けられており、前記燃料改質触媒は、前記過給機と前記排気浄化手段との間の前記排気通路内に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項５】
前記燃料改質触媒の端面には、衝突した燃料を周囲に拡散させる衝突部が形成されており、前記燃料噴射手段の噴射方向を前記衝突部へ指向させていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
【請求項６】
前記燃料改質触媒は、上流側の開口面積よりも下流側の開口面積が大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
【請求項７】
噴射された燃料を改質させる燃料改質触媒であって、衝突した燃料を周囲に拡散させる衝突部を先端に有するコア部材と、帯状の基材が前記コア部材に巻きつけられて構成される触媒担体とを具備することを特徴とする燃料改質触媒。
【請求項８】
一端側の開口面積よりも他端側の開口面積が大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項７に記載の燃料改質触媒。
【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を浄化する排気浄化装置及び燃料改質触媒に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気ガスを浄化する装置として、排気ガス中のＮＯｘを吸収する吸収剤を備え、そのＮＯｘ吸収力が飽和に達する前に還元剤を添加し、ＮＯｘを放出してＮ２に還元する技術が知られている。かかる還元剤の添加手段としては、排気通路内に還元剤としての燃料を添加する燃料噴射ノズルを設け、排気通路内で排気ガスと燃料とを混合させる技術がある（例えば特許文献１）。その他本発明に関連する先行技術文献として特許文献２及び３がある。
【特許文献１】特開２００１−２８０１２５号公報
【特許文献２】特開平９−２０９７４２号公報
【特許文献３】特開平６−０５０１３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１の技術では、排気通路内の温度が所定温度以下になると添加された燃料が排気通路の内壁に付着して、その後内燃機関が高負荷状態になった際に排気通路内に付着していた燃料が白煙化して大気に放出されるという問題があった。
【０００４】
そこで、本発明の目的は還元剤として添加された燃料の排気通路の内壁への付着を抑え、燃料の改質効率を向上させることが可能な排気浄化装置を提供することを目的し、さらにはその排気浄化装置に適した燃料改質触媒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】
【０００５】
本発明の排気浄化装置は、内燃機関の排気を浄化する排気浄化装置であって、燃料を噴射する燃料噴射手段と、前記燃料噴射手段から噴射された前記燃料を改質させる燃料改質触媒とを排気通路内に具備し、前記燃料噴射手段は、その燃料噴射方向が前記燃料改質触媒の端面に指向するように配置されていることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。
【０００６】
本発明の排気浄化装置によれば、添加剤としての燃料が燃料改質触媒の端面に向けて吹きつけられることになり、排気通路の内壁への燃料の付着が抑えられ、噴射された燃料を満遍なく燃料改質触媒に導いて燃料の改質効率を向上させることができる。
【０００７】
本発明の排気浄化装置において、前記排気通路は、気筒毎に設けられた分岐部とこれらが集合する集合部とを有し、前記集合部の下流側には過給機が設けられており、前記燃料改質触媒は、前記集合部から前記過給機までの前記排気通路内に設けられていてもよい（請求項２）。この場合は、気筒毎に設けられた分岐部が集合する集合部から過給機までの短い区間において、排気ガスと燃料とを混合させることができる。
【０００８】
本発明の排気浄化装置において、前記燃料噴射手段は、その燃料噴射方向が前記燃料改質触媒の中心軸と平行になるように配置されていてもよい（請求項３）。この場合は、燃料改質触媒への燃料の噴射を偏りなく行うことができる。
【０００９】
本発明の排気浄化装置において、前記排気通路には、過給機と、前記過給機の下流側に位置する排気浄化手段と、が設けられており、前記燃料改質触媒は、前記過給機と前記排気浄化手段との間の前記排気通路内に設けられていてもよい（請求項４）。この場合は、燃料改質触媒を過給機と排気浄化手段との間の排気通路内に設けたので、気筒毎に設けられた分岐部やこれらが集合する集合部において、排気ガスと添加燃料とを混合させることなく排気通路の内壁への燃料の付着を抑えることができる。
【００１０】
本発明の排気浄化装置において、前記燃料改質触媒の端面には、衝突した燃料を周囲に拡散させる衝突部が形成されており、前記燃料噴射手段の噴射方向を前記衝突部へ指向させてもよい（請求項５）。この場合は、噴射された燃料が衝突部に吹き付けられて燃料改質触媒に拡散して燃料改質触媒の周囲に広く行き渡るので、噴射燃料の霧化が促進されて燃料改質効率をさらに向上させることができる。
【００１１】
本発明の排気浄化装置において、前記燃料改質触媒は、上流側の開口面積よりも下流側の開口面積が大きくなるように形成されていてもよい（請求項６）。この場合は、上流側から下流側に流れる流体の通気抵抗が小さくなるので、排気ガスが詰まりにくくなる。
【００１２】
本発明の燃料改質触媒は、噴射された燃料を改質させる燃料改質触媒であって、衝突した燃料を周囲に拡散させる衝突部を先端に有するコア部材と、帯状の基材が前記コア部材に巻きつけられて構成される触媒担体とを具備していることにより、上述した課題を解決する（請求項７）。
【００１３】
本発明の燃料改質触媒によれば、衝突した燃料を周囲に拡散させるコア部材に帯状の基材が巻きつけられて触媒担体が構成されているので、噴射された燃料をコア部材に衝突させれば触媒担体の周囲に燃料が拡散することになる。従って、本発明の燃料改質触媒は、噴射された燃料を霧化する能力に優れ、燃料改質効率がよい。
【００１４】
本発明の燃料改質触媒において、一端側の開口面積よりも他端側の開口面積が大きくなるように形成されていてもよい（請求項８）。この場合は、上流側から下流側に流れる流体の通気抵抗が小さくなるので、排気ガスが詰まりにくくなる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、還元剤として添加された燃料の排気通路の内壁への付着を抑え、燃料の改質効率を向上させることが可能な排気浄化装置を提供することができ、また、この排気浄化装置に適した燃料改質触媒を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の排気浄化装置を内燃機関としてのディーゼルエンジン１に適用した実施形態を示している。エンジン１は排気系と吸気系とを有する。吸気系は、シリンダブロック２に接続された吸気マニホールド１０とこれに接続される吸気管１１を含んで構成される。吸気管１１には、エアクリーナ１２が設けられ、エンジン１に導入される空気を濾過する。また、エアクリーナ１２の下流には排気ガスを利用してタービン６ｂを回転させて吸気圧を高める過給機６が設けられており、吸気管１１には過給機６のコンプレッサ６ａが接続される。吸気管１１にはスロットル弁１３が設けられ、スロットル弁１３は吸気量を調整する。
【００１７】
一方、排気系は、排気ガスが流れる排気通路を含んで構成される。排気通路は、排気マニホールド２０と排気管２２を含む。排気マニホールド２０の下流側には過給機６が接続され、この過給機６の下流側には排気管２２が接続されている。排気マニホールド２０は、気筒毎に設けられた分岐部２０ａとこれら分岐部２０ａが集合する集合部２０ｂとを有し、集合部２０ｂの端部に過給機６が接続される。本実施の形態では、排気マニホールド２０と過給機６とを直接接続しているが、排気マニホールド２０と過給機６との間に排気集合管を介してこれらを接続してもよい。排気管２２の途中には排気浄化手段としてのＮＯｘ触媒２３が設けられ、このＮＯｘ触媒２３の下流側には酸化触媒２４が設けられている。排気管２２に設けられたＮＯｘ触媒２３は、排気ガスの空燃比がリーンのときはＮＯｘを吸収し、排気ガスの酸素濃度が低下すると吸収したＮＯｘを放出しＮ２に還元するいわゆる吸蔵還元型の触媒である。本実施の形態ではＮＯｘ触媒を用いたが、これに替えて排気浄化手段として、ディーゼルパティキュレートフィルタにＮＯｘ吸着剤を付加し、浮遊粒子状物質（ＰＭ）とＮＯｘの同時削減を可能とする触媒を用いてもよい。
【００１８】
排気マニホールド２０内には、燃料を噴射する噴射手段としての燃料添加弁５が設けられている。燃料添加弁５より噴射された燃料は過給機６の下流側の排気管２２に設けられたＮＯｘ触媒２３の還元剤となる。過給機６の上流側には、燃料添加弁５によって噴射された燃料を改質させる燃料改質触媒３０が設けられている。燃料改質触媒３０は、図１に示すように、排気マニホールド２０の集合部２０ｂから過給機６までの排気通路内に配置され、その中心軸が排気ガスの流れの方向と略平行になるように配置されている。燃料改質触媒３０は、排気マニホールド２０と過給機６との接続部分を跨って配置されていてもよい。燃料改質触媒３０は噴射された燃料を酸化させる機能を有し、改質された燃料はＮＯｘ触媒２３の還元剤となる。
【００１９】
その他、エンジン１には、シリンダブロック２の各シリンダ内に燃料を噴射するインジェクタ３がそれぞれ設けられ、各インジェクタ３は加圧された燃料を蓄えるコモンレール１５に接続されている。また、エンジン１には、排気マニホールド２０と吸気マニホールド１０とを接続し排気ガスの一部を吸気系に戻すための排気還流管（ＥＧＲ管）２５が設けられている。ＥＧＲ管２５の途中には、ＥＧＲクーラ２６とＥＧＲ弁２７が設けられている。ＥＧＲ弁２７は、エンジン１の運転状態に応じてＥＣＵ４によって開度制御され、排気還流量が制御される。
【００２０】
図２は、燃料添加弁５と燃料改質触媒３０との位置関係を示している。燃料添加弁５の燃料噴射方向は燃料改質触媒３０の端面３５を指向している。本実施の形態では、燃料添加弁５は、その燃料噴射方向が燃料改質触媒３０の中心軸Ｌ２と略平行になるように配置されている（図２(ａ)参照）。従って、燃料改質触媒３０への燃料の噴射を偏りなく行うことができる。その際には、燃料添加弁５の中心軸Ｌ１と燃料改質触媒３０の中心軸Ｌ２とを一致させてもよい。また、図２(ｂ)に示すように、燃料添加弁５の燃料噴射方向が燃料改質触媒３０の中心軸Ｌ２に対して平行とならない場合でもよい。燃料噴射方向が端面３５を指向していれば燃料改質触媒３０の燃料改質の機能は発揮される。即ち、この場合であっても、添加剤として噴射された燃料７が直接燃料改質触媒３０に吹きつけられることになるので、排気通路の内壁に対する燃料７の付着が抑制され、燃料の改質効率を高めることが可能となる。
【００２１】
本実施の形態では、燃料噴射弁５は、その燃料噴射方向が衝突した燃料を周囲に拡散させる衝突部３２を指向するように設けられている。従って、燃料噴射弁５より噴射された燃料７は衝突部３２に吹きつけられる。このため、衝突部３２に吹き付けられた燃料７は触媒担体３３の全体に行き渡るように周囲に拡散するので、衝突部を有しないものに比べて燃料７の霧化を促進させることができる。また、本実施の形態では、燃料改質触媒３０は、その外筒３４が集合部２０ｂの内壁に接するように配置されている。従って、霧化した燃料７を漏れなく燃料改質触媒３０に行き渡らせることができる。
【００２２】
図３は、燃料改質触媒３０の詳細を示した図、図４は燃料改質触媒３０の作成方法を示した図である。まず、図３（ａ）を参照すると、燃料改質触媒３０は、コア部材３１を中心に基材３６を巻きつけて触媒担体３３が形成され、触媒担体３３が外筒３４に収容されて構成されている。基材３６は金属材料で形成され、２枚の部材同士を波板で接合したいわゆるハニカム構造で構成されている。基材３６には、例えば白金などが担持されている。基材３６はハニカム構造であるので、排ガスの接触面積が大きい。次に、燃料改質触媒３０のＡ−Ａ断面を同図（ｂ）に示す。この図から明らかなように、コア部材３１は、その先端に、衝突した燃料を周囲に拡散させる衝突部３２を有している。衝突部３２には、その断面がコア部材３１の長手方向に沿って拡大するようにテーパ面３２ａが形成されている。テーパ面３２ａは触媒担体３３から露出している。触媒担体３３の端面は衝突部３２の近傍を突出させた円錐状の面を形成している。触媒担体３３の端面の開口面積ａ１、ｂ１は、上流側ａ１と下流側ｂ１とにおいて同一となるように形成されている。
【００２３】
燃料改質触媒３０は、図４に示すように、コア部材３１に基材３６を巻きつけて作成される。まず、コア部材３１の衝突部３２が露出するように基材３６を位置決めし、所定のピッチでコア部材３１の軸方向に基材３６の側面がずれるようにして図の矢印の方向に基材３６を巻く（図４（ａ）参照）。次に、所定の巻数に達したら基材３６が巻戻らないようにろう付け等により固定し触媒担体３３を得る。そして、得られた触媒担体３３を外筒３４に収容し、燃料改質触媒３０が作成される（図４（ｂ）参照）。
【００２４】
このようにして得られた燃料改質触媒３０は、衝突部３２に燃料が吹きつけられると触媒担体３３の全体が使われるように燃料は霧化し、拡散する。また、触媒担体３３の端面は、衝突部３２の近傍を突出させた円錐状の面を形成しているので、噴射燃料が良好に触媒担体３３の全体に行き渡るようになる。本燃料改質触媒３０は、噴射された燃料を霧化する能力に優れ、燃料改質の効率がよい。よって、還元剤として添加された燃料の排気通路の内壁への付着を抑制する排気浄化装置に適している。
【００２５】
図５は、燃料改質触媒３０の変形例を示した図である。本変形例に係る燃料改質触媒３０の基本的な構成及びその作成方法は、図３及び図４に示した燃料改質触媒３０と同一であるので、重複する説明は省略する。図３及び図４に示した燃料改質触媒と異なる点は、触媒担体３３の端面の開口面積が上流側よりも下流側の方が大きい点である。即ち、本変形例では、図５に示すように、触媒担体３３は上流側の開口面積ａ２よりも下流側の開口面積ｂ２の方が大きく形成されている。また、このように触媒担体３３が形成されることに伴い、触媒担体３３を収容する外筒３４は、上流側の直径が下流側の直径よりも小さく形成されている。本変形例の燃料改質触媒３０を用いれば、下流側の開口面積が広く形成され、上流側から下流側に流れる排気ガスの通気抵抗が小さくなるので、排気ガスが詰まりにくくなり良好な燃料改質効果が得られる。
【００２６】
次に、本実施の形態における燃料添加弁５の制御について説明する。燃料添加弁５の制御は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）４により行われる。ＥＣＵ４は、エンジン１の各気筒に対する燃料噴射を制御するコンピュータユニットとして設けられているが、本実施の形態ではこれに加え、図１に示すように、排気管２２に設けられた排気ガス温度センサ８及び排気ガス空燃比センサ９からの出力信号を参照して、燃料添加弁５の燃料噴射を制御する。燃料添加弁５の制御は所定の周期で繰り返し実行される。
【００２７】
図６はＥＣＵ４による燃料添加弁５の制御ルーチンを示す図である。この制御ルーチンにおいて、まず、ＥＣＵ４はステップＳ１にて、排気ガス温度センサ８及び排気ガス空燃比センサ９からの出力信号を取得し、エンジン１の運転状態を把握する。次に、ステップＳ２にて、ステップＳ１において取得した排気ガスの温度を参照し、排気ガスの温度が、添加燃料が蒸気化する所定温度よりも高いか否かを判定する。肯定判定の場合はステップＳ３に進み、燃料添加弁５を開き燃料の添加を実行する。一方、排気ガス温度が所定温度よりも低く、否定判定された場合は、ステップＳ４に進み燃料添加を停止し、一旦このルーチンを終了する。
【００２８】
ステップＳ３において燃料添加が実行された後は、ステップＳ５に進み、排気ガス温度が次の式を満足するか否かを判定する。
α＞排気ガス温度＞所定値−β
ここに、α：燃料改質触媒及びＮＯｘ触媒等の熱劣化保護のための上限値
β：燃料添加実行のための下限ヒステリシス
【００２９】
ステップＳ５において肯定判定された場合は、ステップＳ６に進み、ＮＯｘ触媒等の還元に必要な空燃比値よりも、排気ガスの空燃比値が小さいか否かを判定する。一方、ステップ５において、否定判定された場合は、ステップＳ４に進み、燃料添加を停止し、一旦このルーチンを終了する。
【００３０】
ステップＳ６において肯定判定された場合は、ステップＳ７に進み、燃料添加弁５を調整して燃料添加量を減量し、ステップＳ６に戻る。排気ガスの空燃比値が前記還元に必要な空燃比値を下回るまで燃料の減量が繰り返し行われる。ステップＳ６において否定判定された場合は、一旦このルーチンを終了する。
【００３１】
以上説明したように、本実施の形態に係る排気浄化装置によれば、添加剤として噴射された燃料７が直接燃料改質触媒３０に吹きつけられることになるので、排気通路の内壁に対する燃料７の付着が抑制され、燃料の改質効率を高めることが可能となる。しかも、燃料改質触媒３０を過給機６の上流側の集合部２０ｂから過給機６までの排気通路内に設けたので、気筒毎に設けられた分岐部２０ａが集合する集合部２０ｂから過給機６までの短い区間において、排気ガスと燃料とを混合させることができる。
【００３２】
（第２の実施の形態）
図７に本発明の第２の実施の形態を示す。本実施の形態の説明においては、第１の実施の形態と同一の構成には同一の符号を付して詳しい説明は省略する。また、燃料添加弁５の制御方法についても第１の実施の形態と同様であるので説明を省略する。
【００３３】
本実施の形態においては、燃料噴射手段としての燃料添加弁５と燃料改質触媒３０が、過給機６と排気浄化手段としてのＮＯｘ触媒２３との間の排気管２２に設けられている。
燃料添加弁５と燃料改質触媒３０との位置関係については、燃料添加弁５の燃料噴射方向が燃料改質触媒３０の端面３５を指向するように配置されている。本実施の形態では、燃料添加弁５は、その燃料噴射方向が端面３５に対して垂直とはならず、端面３５に対して斜めに噴射されるように配置されている。換言すれば、燃料７は、燃料改質触媒３０の中心軸Ｌ２と平行にならずに中心軸Ｌ２に対して斜めに噴射される（図２の(ｂ)を参照）。そして、燃料噴射弁５は、その燃料噴射方向が燃料改質触媒３０に形成され衝突した燃料を周囲に拡散させる衝突部３２を指向するように設けられている。燃料噴射弁５より噴射された燃料７は衝突部３２に吹きつけられるので、衝突部３２に吹き付けられた燃料７は、触媒担体３３の全体に行き渡るように周囲に拡散する。
【００３４】
本実施の形態では、燃料添加弁５及び燃料改質触媒３０を上記のように配置しても第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。即ち、添加剤として噴射された燃料７が燃料改質触媒３０に直接吹きつけられることになり、燃料７が排気通路の内壁に付着することを抑えることができ、噴射された燃料を満遍なく燃料改質触媒に導いて燃料改質効率を向上させることができる。しかも、本実施の形態では、燃料改質触媒３０を、過給機６と排気浄化手段としてのＮＯｘ触媒２３との間の排気管２２に設けたので、気筒毎に設けられた分岐部２０ａやこれらが集合する集合部２０ｂにおいて、排気ガスと添加燃料とを混合させることなく排気通路の内壁への燃料の付着を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の排気浄化装置を内燃機関に適用した第１の実施形態を示した図である。
【図２】燃料添加弁と燃料改質触媒の位置関係を示した図である。
【図３】本発明の燃料改質触媒の詳細を示した図である。
【図４】本発明の燃料改質触媒の作成方法を示した図である。
【図５】本発明の燃料改質触媒の変形例を示した図である。
【図６】燃料添加弁の制御フローを示した図である。
【図７】本発明の排気浄化装置を内燃機関に適用した第２の実施形態を示した図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  エンジン（内燃機関）
５  燃料添加弁（燃料噴射手段）
６  過給機
７  燃料（還元剤）
２０  排気マニホールド（排気通路）
２０ａ  分岐部
２０ｂ  集合部
２２  排気管（排気通路）
２３  ＮＯｘ触媒（排気浄化手段）
３０  燃料改質触媒
３１  コア部材
３２  衝突部
３３  触媒担体
３５  端面
３６  基材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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