(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、
炭化水素を含んだ還元剤と空気とを所定比率で混合した混合気を生成する混合気生成手段と、
該混合気生成手段により生成された混合気を加熱しつつ、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つの発熱体の間に混合気流路が形成されると共に、該混合気流路の横断面において混合気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混合気流路内壁面には、前記還元剤を部分酸化させて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、貴金属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混合気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。
【請求項５】
前記混合気の添加終了後に、前記還元剤噴射弁に空気のみを供給する空気供給手段が備えられた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を含む軽油等の燃料を添加する構成が採用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、排気と比べて温度が低い還元剤をそのまま排気通路に添加すると、排気温度が低下してしまい、ＮＯｘ還元触媒によるＮＯｘ浄化効率が低下してしまうおそれがあった。また、還元剤として軽油等の液体燃料を使用した場合には、排気通路に液滴状態の還元剤が添加されるため、還元剤の拡散が不十分となり、ＮＯｘ還元触媒に対する還元剤の供給にむらが生じ易いという問題もあった。さらに、液体燃料は、ＮＯｘ還元活性の低い高分子のＨＣから構成されるため、ＮＯｘ浄化効率の向上が困難であるという問題もあった。
【０００４】
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、還元剤添加による排気温度の低下を抑制すると共に、還元剤の拡散性及び活性を高めることで、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、炭化水素を含んだ還元剤と空気とを所定比率で混合した混合気を生成する混合気生成手段と、該混合気生成手段により生成された混合気を加熱しつつ、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つの発熱体の間に混合気流路が形成されると共に、該混合気流路の横断面において混合気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、還元剤と空気とが所定比率で混合した混合気が加熱されてから添加されるため、混合気と排気とが混合しても、排気温度の低下が抑制される。また、混合気が加熱されることで、還元剤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、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つの発熱体の間に混合気流路が形成されると共に、混合気流路の横断面において混合気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、混合気流路内に旋回流が生じる。このため、混合気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混合気流路内壁面には、前記還元剤を部分酸化させて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、還元剤と空気との混合気が混合気流路を通るときに、還元剤の主成分である炭化水素がより低分子の炭化水素，アルデヒド，一酸化炭素，水素等に改質される。このため、還元剤による窒素酸化物還元活性が高められ、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、貴金属からなることを特徴とする。
かかる構成によれば、改質触媒として貴金属が用いられることで、還元剤が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混合気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、混合気の加熱量は、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、混合気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。
請求項５記載の発明では、前記混合気の添加終了後に、前記還元剤噴射弁に空気のみを供給する空気供給手段が備えられたことを特徴とする。
【００１２】
かかる構成によれば、混合気の添加終了後には、還元剤噴射弁に空気のみが供給されるので、例えば、その噴射孔から空気のみが噴射され、噴射孔の目詰まりが防止される。
【００１３】
【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。
【００１４】
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。
【００１５】
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ＨＣ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。
【００１６】
ＮＯｘ還元触媒１６の上流側の排気通路１２には、ＨＣを含む軽油等の還元剤と空気とが所定比率で混合した混合気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、空気導入路２０を介してエアリザーバ２２が接続される。空気導入路２０には、定圧圧送ポンプ２４が介装された還元剤導入路２６を介して、燃料タンク等の還元剤貯蔵タンク２８が接続される。還元剤導入路２６は、空気導入路２０を流通する空気流により還元剤が微細化されるように、例えば、霧吹き作用が奏されるように空気導入路２０に接続されることが望ましい。また、空気導入路２０及び還元剤導入路２６には、夫々、空気流量及び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３０によりデューティ制御される空気流量制御弁３２及び還元剤流量制御弁３４が介装される。
【００１７】
なお、空気導入路２０，エアリザーバ２２，定圧圧送ポンプ２４，還元剤導入路２６，還元剤貯蔵タンク２８，コントロールユニット３０，空気流量制御弁３２及び還元剤流量制御弁３４により、混合気生成手段及び空気供給手段が構成される。
還元剤噴射弁１８は、図２に示すように、排気通路１２に添加される還元剤と空気との混合気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、混合気流路としての還元剤流路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、混合気導入口としての還元剤導入口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。
【００１８】
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、還元剤によるＮＯｘ還元活性を高めるべく、還元剤としてのＨＣをより低分子のＨＣ，アルデヒド，ＣＯ，水素（Ｈ2）等に改質する白金（Ｐｔ）等の貴金属からなる改質触媒が塗布されることが望ましい。ここで、「アルデヒド」とは、ホルムアルデヒド（ＨＣＨＯ），アセトアルデヒド（ＣＨ3ＣＨＯ）のように、カルボニル基に水素原子を少なくとも１個（即ち、アルデヒド基−ＣＨＯ）有するオキソ化合物のことをいう。
【００１９】
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３６、及び、排気温度Ｔeを検出する排気温度センサ３８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４０、機関回転速度Ｎを検出する回転速度センサ４２、及び、機関負荷Ｌを検出する負荷センサ４４が夫々配設される。なお、ＮＯｘセンサ３６，排気温度センサ３８，吸気流量センサ４０，回転速度センサ４２及び負荷センサ４４により、運転状態検出手段が構成される。定圧圧送ポンプ２４の下流側の還元剤導入路２６には、還元剤温度Ｔrを検出する還元剤温度センサ４６（還元剤温度検出手段）が介装される。
【００２０】
そして、コントロールユニット３０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、空気流量制御弁３２及び還元剤流量制御弁３４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３６，排気温度センサ３８，吸気流量センサ４０，回転速度センサ４２及び負荷センサ４４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４６から、還元剤温度Ｔrが検出される。
【００２１】
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、還元剤と空気との混合比率が略一定になるように、演算された還元剤添加流量に応じた空気流量が演算される。なお、還元剤と空気との混合比率は、機関運転状態に応じて変化させるようにしてもよい。
【００２２】
ステップ４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。
【００２３】
ステップ５では、還元剤の加熱、及び、還元剤と空気との混合気の噴射が開始される。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に供給された還元剤と空気との混合気が加熱される。また、演算された還元剤添加流量及び空気流量に基づいて、夫々、還元剤流量制御弁３４及び空気流量制御弁３２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、加熱昇温された混合気が噴射される。
【００２４】
ステップ６では、混合気の噴射が終了、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。混合気の噴射が終了したか否かは、例えば、混合気の噴射開始から、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、混合気の噴射が終了したならばステップ７へと進み（Ｙｅｓ）、混合気の噴射が終了していなければステップ６における判定が繰り返される（Ｎｏ）。
【００２５】
ステップ７では、混合気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、還元剤の噴射を停止すべく、還元剤流量制御弁３４が閉弁制御される。
ステップ８では、空気噴射が終了、即ち、還元剤の噴射停止後、所定時間経過したか否かが判定される。そして、空気噴射が終了したならばステップ９へと進み（Ｙｅｓ）、空気噴射が終了していなければステップ８における判定が繰り返される（Ｎｏ）。
【００２６】
ステップ９では、空気噴射を停止すべく、空気流量制御弁３２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、還元剤と空気とが所定比率で混合した混合気が加熱されてから添加されるので、混合気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、混合気が加熱されることで、還元剤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、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。
【００２７】
また、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、還元剤の主成分であるＨＣがより低分子のＨＣ，アルデヒド，ＣＯ，Ｈ2等に改質される。このため、還元剤によるＮＯｘ還元活性が高められ、ＮＯｘ浄化効率を一層向上させることができる。ここで、改質触媒として、白金等の貴金属を用いているので、還元剤を効果的に改質することができる。
【００２８】
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路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、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。
【００２９】
この他、還元剤噴射弁１８における混合気の加熱量は、還元剤噴射量，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。
また、混合気の添加終了後には、還元剤噴射弁１８に空気のみが供給されるので、例えば、その噴射孔から空気のみが噴射され、噴射孔の目詰まりを防止することができる。
【００３０】
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３０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，圧縮天然ガス（ＣＮＧ）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。
【００３１】
【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、混合気流路内に生じた旋回流により、混合気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、還元剤による窒素酸化物還元活性が高められ、窒素酸化物の浄化効率を一層向上することができる。
【００３２】
請求項３記載の発明によれば、改質触媒として貴金属が用いられることで、還元剤を効果的に改質することができる。
【００３３】
請求項４記載の発明によれば、混合気の加熱量が必要最小限となるので、混合気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。
請求項５記載の発明によれば、例えば、還元剤噴射弁における混合気噴射孔の目詰まりを防止することができる。
【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    空気導入路
２２    エアリザーバ
２４    定圧圧送ポンプ
２６    還元剤導入路
２８    還元剤貯蔵タンク
３０    コントロールユニット
３２    空気流量制御弁
３４    還元剤流量制御弁
３６    ＮＯｘセンサ
３８    排気温度センサ
４０    吸気流量センサ
４２    回転速度センサ
４４    負荷センサ
４６    還元剤温度センサ
【図１】
0004131783.tif 000002
【図２】
0004131783.tif 000003
【図３】
0004131783.tif 000004
【図４】
0004131783.tif 000005