(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に介装され、排気中の窒素酸化物を還元反応により無害物質に転化させる窒素酸化物還元触媒と、
液体還元剤を加熱しつつ、前記窒素酸化物還元触媒の上流側に添加する還元剤噴射弁と、
を含んで構成され、
前記還元剤噴射弁は、軸方向に延びつつ略同心に配設される２つの発熱体の間に還元剤流路が形成されると共に、該還元剤流路の横断面において還元剤導入口が軸中心に対してオフセットした位置に開口していることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記還元剤噴射弁の還元剤流路内壁面には、液体還元剤としての尿素（（ＮＨ2）2ＣＯ）をアンモニア（ＮＨ3）に改質する改質触媒が塗布されたことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記改質触媒は、酸化チタン（ＴｉＯ2），アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）及びシリカ（ＳｉＯ2）からなることを特徴とする請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
機関運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記液体還元剤の温度を検出する還元剤温度検出手段と、
前記運転状態検出手段及び還元剤温度検出手段により夫々検出された機関運転状態及び還元剤温度に基づいて、前記還元剤噴射弁による液体還元剤の加熱量を制御する加熱量制御手段と、
を含んだ構成であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置において、特に、窒素酸化物の浄化効率を向上させる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関から排出される排気中には、無害な二酸化炭素（ＣＯ2），水（Ｈ2Ｏ），窒素（Ｎ2）の他に、有害な一酸化炭素（ＣＯ），炭化水素（ＨＣ），窒素酸化物（ＮＯｘ）が含まれていることは知られている。このため、有害物質であるＮＯｘを浄化することを目的として、例えば、特開平６−１３７１３６号公報に開示されるような排気浄化装置が提案されている。かかる排気浄化装置は、酸素過剰雰囲気でＮＯｘを無害なＮ2，酸素（Ｏ2）等に転化すべく、内燃機関の排気通路にＮＯｘ還元触媒が介装されている。また、ＮＯｘ還元触媒におけるＮＯｘ浄化効率を高めるべく、その上流側の排気通路に、還元剤としてのＨＣを含む軽油等を添加する構成が採用されている。さらに、還元剤として、ＨＣの代わりに尿素（(ＮＨ2)2ＣＯ）水溶液を用いる技術も提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、軽油、尿素水溶液等の液体還元剤をそのまま排気通路に添加すると、還元剤が液滴状態で排気と混合するため、気化熱により排気温度が低下し、ＮＯｘ還元触媒の活性が低下してしまうおそれがあった。また、還元剤が液滴状態で添加されるため、ＮＯｘ還元触媒に対する還元剤の供給にむらが生じ、還元剤の拡散が不十分になり易いという問題もあった。このため、従来技術においては、液体還元剤を添加しても、ＮＯｘ還元触媒によるＮＯｘ浄化効率が期待したほど向上しなかった。
【０００４】
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、液体還元剤添加による排気温度の低下を防止すると共に、還元剤の拡散性を高めることで、ＮＯｘ還元触媒によるＮＯｘ浄化効率を向上させた内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１記載の発明では、内燃機関の排気通路に介装され、排気中の窒素酸化物を還元反応により無害物質に転化させる窒素酸化物還元触媒と、液体還元剤を加熱しつつ、前記窒素酸化物還元触媒の上流側に添加する還元剤噴射弁と、を含んで構成された内燃機関の排気浄化装置において、前記還元剤噴射弁は、軸方向に延びつつ略同心に配設される２つの発熱体の間に還元剤流路が形成されると共に、該還元剤流路の横断面において還元剤導入口が軸中心に対してオフセットした位置に開口していることを特徴とする。
【０００６】
かかる構成によれば、窒素酸化物還元触媒の上流側には、液体還元剤が加熱されてから添加されるため、その液滴が排気と混合しても、排気温度の低下が抑制される。また、液体還元剤が加熱されることで、その気化が促進されるので、窒素酸化物還元触媒に対する還元剤の供給分布が均一化され、還元剤の拡散性が向上される。
さらに、還元剤噴射弁は、軸方向に延びつつ略同心に配設される２つの発熱体の間に還元剤流路が形成されると共に、還元剤流路の横断面において還元剤導入口が軸中心に対してオフセットした位置に開口しているため、還元剤流路内に旋回流が生じる。このため、液体還元剤の加熱が効果的に行なわれるようになる。
【０００７】
請求項２記載の発明では、前記還元剤噴射弁の還元剤流路内壁面には、液体還元剤としての尿素（（ＮＨ2）2ＣＯ）をアンモニア（ＮＨ3）に改質する改質触媒が塗布されたことを特徴とする。
かかる構成によれば、還元剤流路内に旋回流が生じているため、液体還元剤が還元剤流路を通るときに、ここで、尿素がアンモニアに効果的に改質される。そして、還元剤としてのアンモニアが窒素酸化物還元触媒の上流側に添加されるため、窒素酸化物の還元反応が促進され、窒素酸化物の浄化効率が一層向上される。
【０００８】
請求項３記載の発明では、前記改質触媒は、酸化チタン（ＴｉＯ2），アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）及びシリカ（ＳｉＯ2）からなることを特徴とする。
かかる構成によれば、改質触媒として酸化チタン，アルミナ及びシリカからなるものが用いられることで、還元剤としての尿素がアンモニアに効果的に改質される。
【００１０】
請求項４記載の発明では、機関運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記液体還元剤の温度を検出する還元剤温度検出手段と、前記運転状態検出手段及び還元剤温度検出手段により夫々検出された機関運転状態及び還元剤温度に基づいて、前記還元剤噴射弁による液体還元剤の加熱量を制御する加熱量制御手段と、を含んだ構成であることを特徴とする。
【００１１】
かかる構成によれば、液体還元剤の加熱量は、機関運転状態及び還元剤温度に基づいて制御されるため、加熱量を必要最小限とすることができ、液体還元剤の加熱に要する消費電力及び発熱体の熱劣化が極力抑制される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置（以下「排気浄化装置」という）を備えたディーゼル機関の全体構成を示す。
ディーゼル機関１０の排気通路１２には、排気流通方向に沿って、粒子状物質（ＰＭ）を捕集除去するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）１４と、ＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ還元触媒１６と、が介装される。
【００１３】
ＤＰＦ１４は、セラミック等の多孔性部材からなる隔壁により排気流と略平行なセルが多数形成され、各セルの入口と出口とが目封材により互い違いに千鳥格子状に目封じされた構成をなす。そして、出口が塞がれたセル内の排気が、隔壁を介して入口が塞がれている隣接するセルに流入するとき、排気中のＰＭが隔壁を形成する多孔性部材により捕集除去される。
【００１４】
一方、ＮＯｘ還元触媒１６は、セラミックのコーディライトやＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系の耐熱鋼からなるハニカム形状の横断面を有するモノリスタイプの触媒担体に、例えば、ゼオライト系の活性成分が担持された構成をなす。そして、触媒担体に担持された活性成分は、添加剤としての炭化水素（ＨＣ）又は尿素（(ＮＨ2)2ＣＯ）等の供給を受けて活性化し、ＮＯｘを効果的に無害物質に転化させる。
【００１５】
ＮＯｘ還元触媒１６の上流側の排気通路１２には、軽油，尿素水溶液等の液体還元剤を噴射添加する還元剤噴射弁１８が介装される。還元剤噴射弁１８には、定圧圧送ポンプ２０が介装された還元剤導入路２２を介して、燃料タンク等の還元剤貯蔵タンク２４に貯蔵される液体還元剤が加圧供給される。還元剤導入路２２には、還元剤流量を制御すべく、マイクロコンピュータを内蔵したコントロールユニット２６によりデューティ制御される還元剤流量制御弁２８が介装される。
【００１６】
還元剤噴射弁１８は、図２に示すように、排気通路１２に添加される液体還元剤の温度を高めるべく、軸方向に延びつつ略同心に配設された２つの発熱体１８Ａ，１８Ｂの間に、還元剤流路１８Ｃが形成された構成をなす。ここで、発熱体１８Ａ，１８Ｂは、還元剤を短時間で加熱可能な低熱容量の電気ヒータで構成されることが望ましい。発熱体１８Ｂの外周には、熱が外部に放散されることを抑制すべく、遮熱材１８Ｄが配設される。なお、還元剤導入口１８Ｅは、還元剤流路１８Ｃ内に旋回流が生じるように、還元剤噴射弁１８の軸中心に対してオフセットした位置に開口することが望ましい（図２（Ｂ）参照）。また、発熱体１８Ａ，１８Ｂは、必ずしも、その両方が配設される必要はなく、少なくとも一方が配設されるようにしてもよい。
【００１７】
ところで、液体還元剤として尿素水溶液を用いる場合には、還元剤流路１８Ｃの内壁面、即ち、中央に配設される発熱体１８Ａの外周面及びその周囲に配設される発熱体１８Ｂの内周面には、還元剤を改質させる改質触媒が塗布されることが望ましい。改質触媒としては、次式のように、尿素（（ＮＨ2）2ＣＯ）と水（Ｈ2Ｏ）とを反応させて、アンモニア（ＮＨ3）と二酸化炭素（ＣＯ2）とに転化すべく、酸化チタン（ＴｉＯ2），アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）及びシリカ（ＳｉＯ2）からなるものが用いられる。
【００１８】
(ＮＨ2)2ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→２ＮＨ3＋ＣＯ2
また、排気浄化装置の制御を行なうために、機関運転状態，還元剤状態などを検出する種々のセンサが配設される。即ち、ＤＰＦ１４の下流側の排気通路１２には、排気中のＮＯｘ濃度ＣNOxを検出するＮＯｘセンサ３０、及び、排気温度Ｔeを検出する排気温度センサ３２が夫々介装される。ディーゼル機関１０には、吸気流量Ｑを検出する吸気流量センサ３４、機関回転速度Ｎを検出する回転速度センサ３６、及び、機関負荷Ｌを検出する負荷センサ３８が夫々配設される。なお、ＮＯｘセンサ３０，排気温度センサ３２，吸気流量センサ３４，回転速度センサ３６及び負荷センサ３８により、運転状態検出手段が構成される。定圧圧送ポンプ２０の下流側の還元剤導入路２２には、還元剤温度Ｔrを検出する還元剤温度センサ４０（還元剤温度検出手段）が介装される。
【００１９】
そして、コントロールユニット２６では、図３に示す処理が所定時間毎に繰り返し実行され、還元剤噴射弁１８の発熱体１８Ａ，１８Ｂ及び還元剤流量制御弁２８が夫々制御される。なお、発熱体１８Ａ，１８Ｂに対する電力供給制御が、加熱量制御手段に該当する。
ステップ１（図では「Ｓ１」と略記する。以下同様）では、機関運転状態として、ＮＯｘセンサ３０，排気温度センサ３２，吸気流量センサ３４，回転速度センサ３６及び負荷センサ３８から、夫々、ＮＯｘ濃度ＣNOx，排気温度Ｔe，吸気流量Ｑ，回転速度Ｎ及び機関負荷Ｌが検出される。また、還元剤温度センサ４０から、還元剤温度Ｔrが検出される。
【００２０】
ステップ２では、例えば、還元剤添加量マップ及び還元剤添加流量マップが参照され、機関運転状態に応じた還元剤添加量及び還元剤添加流量（単位時間当りの還元剤添加量）が夫々演算される。
ステップ３では、還元剤添加流量，排気温度Ｔe及び還元剤温度Ｔrに基づいて、還元剤噴射弁１８の発熱体１８Ａ，１８Ｂへの供給電力が演算される。即ち、発熱体１８Ａ，１８Ｂへの供給電力は、図４に示すように、還元剤添加流量に比例すると共に、排気温度Ｔe及び還元剤温度Ｔrに依存する。このため、例えば、排気温度Ｔe及び還元剤温度Ｔrに基づいて、マップから図４に示す直線の傾きを求め、簡単な演算により発熱体１８Ａ，１８Ｂへの供給電力を求めることができる。
【００２１】
ステップ４では、還元剤の加熱及び噴射が開始される。即ち、演算された供給電力に基づいて、例えば、発熱体１８Ａ，１８Ｂに印加する電圧又は／及び電流が制御され、還元剤噴射弁１８に供給された液体還元剤が加熱される。また、演算された還元剤添加流量に基づいて、還元剤流量制御弁２８の開度がデューティ制御され、還元剤噴射弁１８から排気通路１２内に、加熱昇温された液体還元剤が噴射される。
【００２２】
ステップ５では、液体還元剤の噴射が終了、即ち、演算された還元剤添加量が排気通路１２内に噴射されたか否かが判定される。還元剤の噴射が終了したか否かは、例えば、液体還元剤の噴射開始から、還元剤添加量を還元剤添加流量で除算して求められる噴射時間が経過したか否かで判定することができる。そして、液体還元剤の噴射が終了したならばステップ６へと進み（Ｙｅｓ）、液体還元剤の噴射が終了していなければステップ５における判定が繰り返される（Ｎｏ）。
【００２３】
ステップ６では、液体還元剤の加熱を停止すべく、発熱体１８Ａ，１８Ｂへの通電が遮断されると共に、液体還元剤の噴射を停止すべく、還元剤流量制御弁２８が閉弁制御される。
かかる構成によれば、ＮＯｘ還元触媒１６の上流側には、液体還元剤が加熱されてから噴射添加されるので、その液滴が排気と混合しても、排気温度の低下を抑制することができる。また、液体還元剤が加熱されることで、その気化が促進されるので、ＮＯｘ還元触媒１６に対する還元剤の供給分布が均一化され、還元剤の拡散性を向上させることができる。そして、排気温度の低下抑制と還元剤の拡散性向上との相乗作用により、最小限の液体還元剤を用いて、ＮＯｘ還元触媒１６によるＮＯｘ浄化効率を向上させることができる。
【００２４】
また、液体還元剤として尿素水溶液を用いることを前提として、還元剤噴射弁１８の還元剤流路１８Ｃの内壁面に改質触媒を塗布した場合には、ここで、尿素（(ＮＨ2)2ＣＯ）がアンモニア（ＮＨ3）に改質される。そして、還元剤噴射弁１８からアンモニアが排気通路１２内に噴射添加されるため、ＮＯｘ還元触媒１６によるＮＯｘの還元反応が促進され、ＮＯｘ浄化効率を一層向上させることができる。なお、還元剤として炭化水素（ＨＣ）を用いた場合には、改質触媒を塗布する必要はないことは言うまでもない。
【００２５】
ここで、改質触媒として、酸化チタン（ＴｉＯ2），アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）及びシリカ（ＳｉＯ2）からなるものを用いているので、還元剤としての尿素をアンモニアに効果的に改質することができる。
さらに、還元剤噴射弁１８は、還元剤流路１８Ｃが軸方向に延び、かつ、その横断面において還元剤導入口１８Ｅが軸中心に対してオフセットした位置に開口しているため、還元剤流路１８Ｃ内に旋回流が発生する。このため、液体還元剤の加熱が効果的に行なわれるようになり、ＮＯｘ浄化触媒１６によるＮＯｘ浄化効率を一層向上させることができる。還元剤流路１８Ｃの内壁面に改質触媒が塗布されている場合には、旋回流により還元剤の改質を効果的に行なうことができる。
【００２６】
この他、還元剤噴射弁１８における還元剤の加熱量は、還元剤噴射流量，排気温度Ｔe及び還元剤温度Ｔrに基づいて制御されるため、加熱量を必要最小限とすることができ、加熱に要する消費電力及び発熱体１８Ａ，１８Ｂの熱劣化を極力抑制することができる。
なお、還元剤噴射弁１８の発熱体１８Ａ，１８Ｂは、コントロールユニット２６により制御される他、自己温度調整型のものを使用してもよい。また、本発明の排気浄化装置は、ディーゼル機関に限らず、ガソリン機関などの内燃機関にも適用可能であることは言うまでもない。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、排気温度の低下抑制と還元剤の拡散性向上との相乗作用により、最小限の液体還元剤を用いて、窒素酸化物還元触媒による窒素酸化物の浄化効率を向上させることができる。また、還元剤流路内に生じた旋回流により、液体還元剤の加熱を効果的に行なうことができる。
請求項２記載の発明によれば、還元剤流路内に旋回流が生じているため、還元剤としての尿素がアンモニアに効果的に改質されるので、窒素酸化物の還元反応が促進され、窒素酸化物の浄化効率を一層向上することができる。
【００２８】
請求項３記載の発明によれば、改質触媒として酸化チタン，アルミナ及びシリカからなるものが用いられることで、還元剤としての尿素をアンモニアに効果的に改質することができる。
【００２９】
請求項４記載の発明によれば、液体還元剤の加熱量が必要最小限となるので、液体還元剤の加熱に要する消費電力及び発熱体の熱劣化を極力抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る排気浄化装置を備えたディーゼル機関の全体構成図
【図２】還元剤噴射弁の詳細を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は横断面図
【図３】排気浄化装置の制御内容を示すフローチャート
【図４】発熱体への供給電力を演算する原理の説明図
【符号の説明】
１０    ディーゼル機関
１２    排気通路
１６    ＮＯｘ還元触媒
１８    還元剤噴射弁
１８Ａ  発熱体
１８Ｂ  発熱体
１８Ｃ  還元剤流路
１８Ｅ  還元剤導入口
２０    定圧圧送ポンプ
２２    還元剤導入路
２４    還元剤貯蔵タンク
２６    コントロールユニット
２８    還元剤流量制御弁
３０    ＮＯｘセンサ
３２    排気温度センサ
３４    吸気流量センサ
３６    回転速度センサ
３８    負荷センサ
４０    還元剤温度センサ
【図１】
0004131784.tif 000002
【図２】
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【図３】
0004131784.tif 000004
【図４】
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