(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディーゼルエンジンの排気管途中にＮＯxとＮＨ3の吸着能を持たせた三元触媒を配設し、エンジン稼働中のアクセルオフ時に前記三元触媒で排気ガス中のＮＯxとＨ2からＮＨ3が生成される程度まで深く空気過剰率を下げ且つその低い空気過剰率でも無煙燃焼を保ち得るよう予混合圧縮着火を前記ディーゼルエンジンに行わしめる制御装置を備えたことを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
三元触媒の直後にパティキュレートフィルタを配設し、前記三元触媒より上流側で排気ガス中に燃料添加を行い得るように構成したことを特徴とする請求項１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、排気ガス中のＮＯxを低減するための排気浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ディーゼルエンジンにおいては、排気ガスが流通する排気管の途中に、酸素共存下でも選択的にＮＯxを還元剤と反応させる性質を備えた選択還元型触媒を装備し、該選択還元型触媒の上流側に必要量の還元剤を添加して該還元剤を選択還元型触媒上で排気ガス中のＮＯx（窒素酸化物）と還元反応させ、これによりＮＯxの排出濃度を低減し得るようにしたものがある。
【０００３】
他方、プラント等における工業的な排煙脱硝処理の分野では、還元剤にＮＨ3（アンモニア）を用いてＮＯxを還元浄化する手法の有効性が既に広く知られているところであるが、自動車の場合には、ＮＨ3のような有毒な物質を搭載して走行することに関し安全確保が困難であるため、近年においては、毒性のない尿素水を還元剤として使用することが研究されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
即ち、尿素水を選択還元型触媒の上流側で排気ガス中に添加すれば、該排気ガス中で尿素水がＮＨ3とＣＯ2（炭酸ガス）に分解され、選択還元型触媒上で排気ガス中のＮＯxがＮＨ3により良好に還元浄化されることになる。
【特許文献１】特開２００２−１６１７３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このように尿素水を還元剤とする選択還元型触媒を用いた排気浄化装置では、尿素水を貯溜しておくための尿素水タンクを新たに増設しなければならないため、該尿素水タンクの搭載スペースの確保が難しいという問題や、コストの高騰が避けられなくなるという問題を招く結果となり、更には、運転者が簡単に尿素水を入手できるようにインフラを整備しなければならないという社会的な問題も招いてしまっていた。
【０００６】
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、尿素水を還元剤として使用することなく排気ガス中のＮＯxを効果的に還元浄化し得るようにした排気浄化装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、ディーゼルエンジンの排気管途中にＮＯxとＮＨ3の吸着能を持たせた三元触媒を配設し、エンジン稼働中のアクセルオフ時に前記三元触媒で排気ガス中のＮＯxとＨ2からＮＨ3が生成される程度まで深く空気過剰率を下げ且つその低い空気過剰率でも無煙燃焼を保ち得るよう予混合圧縮着火を前記ディーゼルエンジンに行わしめる制御装置を備えたことを特徴とする排気浄化装置、に係るものである。
【０００８】
而して、エンジン稼働中のアクセルオフ時に制御装置により空気過剰率が深く下げられると、三元触媒の還元作用が活発化してＮＯxがＮ2となり、このＮ2が排気ガス中のＨ2と結びついてＮＨ3が生成され、そのまま三元触媒に吸着されて溜め込まれる。
【０００９】
即ち、空気過剰率を深く下げて予混合圧縮着火を行うと、単位空気量に対する燃料投入量の割合が増して２０００Ｋ以上の燃焼温度となり、吸気中の水分（Ｈ2Ｏ）がＨ2、Ｏ2、ＯＨ、Ｈに熱分解し、本来安定なＮ2がこれらと反応してＮＯxが生成され易い環境となるが、三元触媒の活発化した還元作用によりＮＯxの還元反応も進み、この還元反応時に余剰のＨ2と反応してＮＨ3が生成されることになる。
【００１０】
この際、空気過剰率は約０．７付近まで深く下げることが好ましいが、ここまで空気過剰率を下げても予混合圧縮着火を行うことで燃焼性が著しく良化されるので、黒煙（多量の煤）を発生しない無煙燃焼を保つことが可能である。
【００１１】
即ち、通常であれば圧縮上死点近辺で行われるべき燃料のメイン噴射が圧縮上死点より早いタイミングで行われ、気筒内への燃料の先行投入により燃料の予混合化が促進されてから着火燃焼することになるため、燃料が良好に分散混合して均等に薄まった状態で同時全域着火により燃焼が行われて燃焼性が著しく良化される。
【００１２】
ただし、エンジン稼働中のアクセルオフ時とは、走行中の減速時や停車中のアイドリング時等のように特にエンジン出力を要求されない場面であるため、単純に燃料噴射量を増やして空気過剰率を下げるだけでなく適宜に空気絞りも併用して空気過剰率を下げ、これにより不必要なエンジン出力が発生しないようにする。
【００１３】
そして、アクセルオフの状態が解除されてアクセルが踏み込まれた通常の走行状態に移行し、空気過剰率が通常の約１．６以上の状態に戻されて三元触媒の周囲が有酸素状態になると、三元触媒に既に吸着されているＮＯxや新たに吸着されたＮＯxが、アクセルオフ時に溜められたＮＨ3によりＮ2に還元浄化されることになる。
【００１４】
また、本発明においては、三元触媒の直後にパティキュレートフィルタを配設し、前記三元触媒より上流側で排気ガス中に燃料添加を行い得るように構成することが好ましく、このようにすれば、ディーゼルエンジンにおける酸素残存量の多い排気ガスに晒された三元触媒の酸化作用が活発化し、添加燃料から生じた高濃度のＨＣが三元触媒で良好に酸化処理され、その反応熱で昇温した排気ガスの流入により直後のパティキュレートフィルタの床温度が更に上げられてパティキュレートが短時間のうちに効率良く焼却処理されることになる。
【００１５】
しかも、本発明では、エンジン稼働中のアクセルオフ時に深く空気過剰率を下げた予混合圧縮着火が行われるため、特に走行中の減速時でのアクセルオフの場合に、ディーゼルエンジンの燃料噴射が停止して低温の吸気が燃焼行程を経ずにそのまま三元触媒及びパティキュレートフィルタへ流れ込むことがなくなり、これら三元触媒及びパティキュレートフィルタが急激に熱を奪われてしまうような不具合が未然に回避され、しかも、高温の排気ガスが三元触媒及びパティキュレートフィルタへ流れ込むことで寧ろ積極的な昇温が成されるので、パティキュレートフィルタの再生が完了するまでにかかる時間が大幅に短縮される。
【００１６】
また、停車中のアイドリング時でのアクセルオフの場合は、従来の極端に低い排気温度と比較して大幅に排気温度の上昇を図ることが可能となるので、特に始動時等において、排気系全体の暖機を短時間のうちに済ませることが可能となり、パティキュレートフィルタの再生が完了するまでにかかる時間が大幅に短縮される。
【発明の効果】
【００１７】
上記した本発明の排気浄化装置によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。
【００１８】
（Ｉ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、これまでガソリン車にのみ適用されてきた三元触媒を、ＮＯxとＮＨ3の吸着能を持たせた上でディーゼルエンジンに適用し、エンジン稼働中のアクセルオフ時にＮＯxからＮＨ3を生成して三元触媒に吸着させて溜め込み、このＮＨ3を用いて排気ガス中のＮＯxを還元浄化するようにしているので、尿素水を貯溜しておくための尿素水タンクを不要として該尿素水タンクの搭載スペースの確保やコストの高騰に関する問題を解消することができ、しかも、運転者が簡単に尿素水を入手できるようなインフラの整備を不要とすることができ、車両の走行に不可欠な燃料を供給するだけで簡便に運用できる排気浄化装置として普及させることができる。
【００１９】
（ＩＩ）本発明の請求項２に記載の発明によれば、三元触媒及びパティキュレートフィルタの床温度が低くなりがちなエンジン稼働中のアクセルオフ時に、空気過剰率を深く下げて予混合圧縮着火を実行することによりディーゼルエンジンから高温の排気ガスを送り込んで三元触媒及びパティキュレートフィルタの床温度を上げることができるので、空気過剰率を通常付近に戻して燃料添加による強制再生に移行した際に、パティキュレートフィルタを従来よりも効率良く迅速に再生することができ、パティキュレートフィルタの再生が完了するまでにかかる時間を大幅に短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００２１】
図１は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図中１はターボチャージャ２を装備したディーゼルエンジンを示しており、エアクリーナ３から導かれた吸気４が吸気管５を通し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへと送られ、該コンプレッサ２ａで加圧された吸気４がインタークーラ６へと送られて冷却され、該インタークーラ６から更に吸気マニホールド７へと吸気４が導かれてディーゼルエンジン１の各気筒８（図１では直列６気筒の場合を例示している）に分配されるようになっている。
【００２２】
また、前記ディーゼルエンジン１の各気筒８から排出された排気ガス９は、排気マニホールド１０を介しターボチャージャ２のタービン２ｂへと送られ、該タービン２ｂを駆動した排気ガス９が排気管１１（排気流路）を介し車外へ排出されるようにしてある。
【００２３】
そして、前記排気管１１の途中には、フィルタケース１２が介装されており、フィルタケース１２内における後段側に、酸化触媒を一体的に担持して成る触媒再生型のパティキュレートフィルタ１３が収容されている。
【００２４】
即ち、このパティキュレートフィルタ１３は、セラミックから成る多孔質のハニカム構造を有し、格子状に区画された各流路の入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路については、その出口が目封じされるようになっており、各流路を区画する多孔質薄壁を透過した排気ガス９のみが下流側へ排出されるようにしてある。
【００２５】
そして、前記フィルタケース１２内におけるパティキュレートフィルタ１３の前段には、ＮＯxとＮＨ3の吸着能を持たせたフロースルー型の三元触媒１４が装備されており、より具体的には、従来周知のＰｔやＰｄ、Ｒｈ、ＺｅＯ、ＣｅＯ等から成る三元触媒に、排気ガス９中のＮＯxとＮＨ3を物理的に吸着する能力に優れたゼオライト系触媒（例えばＣｕ／ゼオライト触媒やＦｅ／ゼオライト触媒等）をコーティングしたり、この種のゼオライト系触媒を原料段階から混ぜて一緒に担持させたりした三元触媒１４を適用している。
【００２６】
ここで、従来周知の三元触媒とは、排気ガス９中のＣＯ及びＨＣの酸化とＮＯxの還元を同時に行い、排気ガス９中の有害ガス三成分を無害なＣＯ2、Ｈ2Ｏ、Ｎ2に浄化するものであり、空気過剰率が１．０前後の理論空燃比付近でだけ有効に働くものであるが、通常の走行状態で空気過剰率が１．６以上にもなるディーゼルエンジンでは、排気ガス９中の残存酸素量が多すぎて三元触媒を有効利用することができず、これまではガソリン車にのみ適用されてきた経緯がある。
【００２７】
尚、従来周知の三元触媒の浄化特性は、空気過剰率（空燃比）により大きく変化し、空気過剰率が高い時（空燃比が薄い時）に、排気ガス９中の残存酸素量が多いことから酸化作用が活発化して還元作用が不活発となり、空気過剰率が低い時（空燃比が濃い時）に、逆に還元作用が活発化して酸化作用が不活発となることが知られている。
【００２８】
一方、ゼオライトはアルミナケイ酸塩質の多孔性結晶材料であり、結晶中に均一な分子レベルの細孔を規則正しく配向して備えていることを特徴とし、この細孔を通じて各種の分子を空洞又は孔路内に吸着する性質を備えており、このような性質以外にも、細孔が均一であることに基づく分子ふるい作用を持つ性質（細孔の孔径より小さい分子しか吸着しない）、結晶構造中のカチオンとアニオンの作用により極性物質を強く吸着する性質、触媒作用を持つ性質も兼ね備えている。
【００２９】
また、この種のゼオライトは、その骨格構造の型に基づき多種類に分類されるが、細孔内へＮＯxとＮＨ3を吸着する能力と、ＮＯxとＮＨ3との反応を促進する能力と、高耐熱性、高耐久性とに優れたものを適宜に選定すれば良く、同様の性質を備えたゼオライト類縁化合物の中から選定することも可能である。
【００３０】
更に、前記ディーゼルエンジン１には、各気筒８毎に装備された図示しないインジェクタから成る燃料噴射装置１５が搭載されており、該燃料噴射装置１５における各インジェクタの電磁弁が、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置１６により負荷や回転数に基づいて適切に噴射タイミングや噴射量（開弁時間）を適切に制御されるようにしてあるが、エンジン稼働中のアクセルオフ時には、前記三元触媒１４で排気ガス９中のＮＯxとＨ2からＮＨ3が生成される程度まで深く空気過剰率（λ）を下げ且つその低い空気過剰率でも無煙燃焼を保ち得る予混合圧縮着火が実行されるようにしてある。
【００３１】
ただし、エンジン稼働中のアクセルオフ時とは、走行中の減速時や停車中のアイドリング時等のように特にエンジン出力を要求されない場面であるため、単純に燃料噴射量を増やして空気過剰率を下げるだけでなく適宜に吸気バルブ１７の開度を絞る空気絞り（ターボチャージャ２をバリアブルジオメトリーターボチャージャとしてタービン効率を下げることで吸入空気量を減らしても良い）も併用して空気過剰率を下げ、これにより不必要なエンジン出力が発生しないようにする。
【００３２】
また、この際に併用される予混合圧縮着火とは、通常であれば圧縮上死点近辺で行われるべきメイン噴射を圧縮上死点より早いタイミングで行い、気筒８内への燃料の先行投入により燃料の予混合化を促進してから着火燃焼させるようにする燃焼方式のことを指しており、従来にあっては、ＮＯxの生成を抑制するための燃焼方式として知られているものであるが、ここでは空気過剰率を深く下げることで寧ろＮＯxを生成し易くし、このＮＯxを利用することで後述の如く三元触媒１４上でＮＨ3を生成して吸着し得るようにしている。
【００３３】
しかも、本形態例においては、パティキュレートフィルタ１３の強制再生を行う必要が生じた際に、圧縮上死点（クランク角０゜）付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミング（開始時期がクランク角９０゜〜１２０゜の範囲）でポスト噴射が追加されるようになっている。
【００３４】
つまり、このポスト噴射により排気ガス９中に未燃の燃料が添加されることになり、この未燃の燃料から生じた高濃度のＨＣが三元触媒１４を通過する間に酸化反応し、その反応熱で昇温した排気ガス９の流入により直後のパティキュレートフィルタ１３の床温度が上げられてパティキュレートが燃やし尽くされ、パティキュレートフィルタ１３の再生化が図られるようになっている。
【００３５】
また、図１中の符号の１８は排気管１１におけるタービン２ｂの出口付近に設けられた排気ブレーキ、１９は排気ガス９を排気側から吸気側へ再循環するためのＥＧＲライン、２０はその再循環される排気ガス９の一部を冷却する水冷式のＥＧＲクーラ、２１はＥＧＲバルブを夫々示している。
【００３６】
而して、エンジン稼働中のアクセルオフ時に、制御装置１６により燃料噴射装置１５と吸気バルブ１７とが制御されて空気過剰率が深く下げられると、三元触媒１４の還元作用が活発化してＮＯxがＮ2となり、このＮ2が排気ガス９中のＨ2と結びついてＮＨ3が生成され、そのまま三元触媒１４に吸着されて溜め込まれる。
【００３７】
即ち、空気過剰率を深く下げて予混合圧縮着火を行うと、単位空気量に対する燃料投入量の割合が増して２０００Ｋ以上の燃焼温度となり、吸気中の水分（Ｈ2Ｏ）がＨ2、Ｏ2、ＯＨ、Ｈに熱分解し、本来安定なＮ2がこれらと反応してＮＯxが生成され易い環境となるが、三元触媒１４の活発化した還元作用によりＮＯxの還元反応も進み、この還元反応時に余剰のＨ2と反応してＮＨ3が生成されることになる。
【００３８】
この際、空気過剰率は約０．７付近まで深く下げることが好ましいが、ここまで空気過剰率を下げても予混合圧縮着火を行うことで燃焼性が著しく良化されるので、黒煙（多量の煤）を発生しない無煙燃焼を保つことが可能である。
【００３９】
即ち、通常であれば圧縮上死点近辺で行われるべき燃料のメイン噴射が圧縮上死点より早いタイミングで行われ、気筒内への燃料の先行投入により燃料の予混合化が促進されてから着火燃焼することになるため、燃料が良好に分散混合して均等に薄まった状態で同時全域着火により燃焼が行われて燃焼性が著しく良化される。
【００４０】
ただし、エンジン稼働中のアクセルオフ時とは、走行中の減速時や停車中のアイドリング時等のように特にエンジン出力を要求されない場面であるため、単純に燃料噴射量を増やして空気過剰率を下げるだけでなく適宜に空気絞りも併用して空気過剰率を下げ、これにより不必要なエンジン出力が発生しないようにする。
【００４１】
尚、このようなアクセルオフ時における空気過剰率の調整や予混合圧縮着火の着火タイミングの調整には、ＥＧＲライン１９による排気ガス９の再循環量の制御を併用するようにしても良い。
【００４２】
そして、アクセルオフの状態が解除されてアクセルが踏み込まれた通常の走行状態に移行し、空気過剰率が通常の約１．６以上の状態に戻されて三元触媒１４の周囲が有酸素状態になると、三元触媒１４に既に吸着されているＮＯxや新たに吸着されたＮＯxが、アクセルオフ時に溜められたＮＨ3によりＮ2に還元浄化されることになる。
【００４３】
また、パティキュレートフィルタ１３に強制再生を行う必要が生じた際に、制御装置１６により燃料噴射装置１５でポスト噴射による燃料添加を行わしめて強制再生を開始すると、ディーゼルエンジン１における酸素残存量の多い排気ガス９に晒された三元触媒１４の酸化作用が活発化し、添加燃料から生じた高濃度のＨＣが三元触媒１４で良好に酸化処理され、その反応熱で昇温した排気ガス９の流入により直後のパティキュレートフィルタ１３の床温度が更に上げられてパティキュレートが短時間のうちに効率良く焼却処理されることになる。
【００４４】
この際、メイン噴射の燃料の一部をメイン噴射直後の燃焼可能なタイミングでアフタ噴射として振り分け、若干遅めのタイミングで燃焼させることによりディーゼルエンジン１の熱効率を下げ、燃料の発熱量のうちの動力に利用されない熱量を増やして排気温度の更なる上昇を図るようにしても良い。
【００４５】
また、パティキュレートフィルタ１３の強制再生時には、吸気バルブ１７の開度を絞る空気絞りを併用することも可能であり、このようにすれば、吸気バルブ１７により吸気４が絞り込まれ、ディーゼルエンジン１での燃焼による排気ガス９の発生量が投入熱量に対し減少することで排気温度の更なる上昇が図られる。
【００４６】
更に、パティキュレートフィルタ１３の強制再生時には、排気ブレーキ１８の開度を絞り込む排気絞りを併用することも可能であり、このようにすれば、アクセルオフ時に排気が絞り込まれ、これより上流側の排気ガス９が昇圧されることで排気温度の上昇が図られ、しかも、エンジンの排気抵抗が高まることにより気筒８内に比較的温度の低い吸気４が流入し難くなって比較的温度の高い排気ガス９の残留量が増加し、この比較的温度の高い排気ガス９を多く含む気筒８内の空気が次の圧縮行程で圧縮されて爆発行程を迎えることでも排気温度の更なる上昇が図られる。
【００４７】
また、本形態例では、エンジン稼働中のアクセルオフ時に深く空気過剰率を下げた予混合圧縮着火が行われるため、特に走行中の減速時でのアクセルオフの場合に、ディーゼルエンジン１の燃料噴射が停止して低温の吸気が燃焼行程を経ずにそのまま三元触媒１４及びパティキュレートフィルタ１３へ流れ込むことがなくなり、これら三元触媒１４及びパティキュレートフィルタ１３が急激に熱を奪われてしまうような不具合が未然に回避され、しかも、高温の排気ガス９が三元触媒１４及びパティキュレートフィルタ１３へ流れ込むことで寧ろ積極的な昇温が成されるので、パティキュレートフィルタ１３の再生が完了するまでにかかる時間が大幅に短縮される。
【００４８】
また、停車中のアイドリング時でのアクセルオフの場合は、従来の極端に低い排気温度と比較して大幅に排気温度の上昇を図ることが可能となるので、特に始動時等において、排気系全体の暖機を短時間のうちに済ませることが可能となり、パティキュレートフィルタ１３の再生が完了するまでにかかる時間が大幅に短縮される。
【００４９】
従って、上記形態例によれば、これまでガソリン車にのみ適用されてきた三元触媒１４を、ＮＯxとＮＨ3の吸着能を持たせた上でディーゼルエンジン１に適用し、エンジン稼働中のアクセルオフ時にＮＯxからＮＨ3を生成して三元触媒１４に吸着させて溜め込み、このＮＨ3を用いて排気ガス９中のＮＯxを還元浄化するようにしているので、尿素水を貯溜しておくための尿素水タンクを不要として該尿素水タンクの搭載スペースの確保やコストの高騰に関する問題を解消することができ、しかも、運転者が簡単に尿素水を入手できるようなインフラの整備を不要とすることができ、車両の走行に不可欠な燃料を供給するだけで簡便に運用できる排気浄化装置として普及させることができる。
【００５０】
また、三元触媒１４及びパティキュレートフィルタ１３の床温度が低くなりがちなエンジン稼働中のアクセルオフ時に、空気過剰率を深く下げて予混合圧縮着火を実行することによりディーゼルエンジン１から高温の排気ガス９を送り込んで三元触媒１４及びパティキュレートフィルタ１３の床温度を上げることができるので、空気過剰率を通常付近に戻して燃料添加による強制再生に移行した際に、パティキュレートフィルタ１３を従来よりも効率良く迅速に再生することができ、パティキュレートフィルタ１３の再生が完了するまでにかかる時間を大幅に短縮することができる。
【００５１】
尚、本発明の排気浄化装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、強制再生時の燃料添加を行うに際しては、ディーゼルエンジン側でのポスト噴射に替えて、排気管途中への直接噴射を採用することも可能であり、ポスト噴射と排気管途中への直接噴射の両方を適宜に併用しても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００５３】
１  ディーゼルエンジン
９  排気ガス
１１  排気管
１３  パティキュレートフィルタ
１４  三元触媒
１５  燃料噴射装置
１６  制御装置
１７  吸気バルブ
【図１】
0004934082.tif 000002