特許 6241160 排ガス浄化システム、内燃機関、及び内燃機関の排ガス浄化方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6241160

(24)【登録日】2017年11月17日

(45)【発行日】2017年12月6日

(54)【発明の名称】排ガス浄化システム、内燃機関、及び内燃機関の排ガス浄化方法

(51)【国際特許分類】

   F01N 3/08 20060101AFI20171127BHJP

【ＦＩ】

   F01N3/08 H

   F01N3/08 A

【請求項の数】7

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2013-190571(P2013-190571)

(22)【出願日】2013年9月13日

(65)【公開番号】特開2015-55232(P2015-55232A)

(43)【公開日】2015年3月23日

【審査請求日】2016年8月3日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000170

【氏名又は名称】いすゞ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001368

【氏名又は名称】清流国際特許業務法人

(74)【代理人】

【識別番号】100129252

【弁理士】

【氏名又は名称】昼間 孝良

(74)【代理人】

【識別番号】100066865

【弁理士】

【氏名又は名称】小川 信一

(74)【代理人】

【識別番号】100066854

【弁理士】

【氏名又は名称】野口 賢照

(74)【代理人】

【識別番号】100117938

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 謙二

(74)【代理人】

【識別番号】100138287

【弁理士】

【氏名又は名称】平井 功

(74)【代理人】

【識別番号】100155033

【弁理士】

【氏名又は名称】境澤 正夫

(72)【発明者】

【氏名】大角 和生

【審査官】 稲村 正義

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−０３６８３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０６１３６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２３９１０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−０６５３３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２４１６８６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０１Ｎ ３／００−３／３８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

還元剤を吸着する選択還元型触媒を、内燃機関の排気通路に設けて構成される排ガス浄化システムにおいて、
前記排気通路における前記選択還元型触媒の上流側に還元剤噴霧弁を配置すると共に、
前記還元剤噴霧弁の配置位置で検知された排ガスの温度が、予め定められた噴霧開始温度以上になった場合に、前記選択還元型触媒の下流側の排ガス中のＮＯｘ量をすべてＮＯとみなして還元剤の噴霧量を算出し、前記還元剤噴霧弁から還元剤を噴霧させる制御を行うと共に、排ガスの温度の昇温時と、排ガスの温度の降温時とで前記還元剤噴霧弁から噴霧される還元剤の噴霧量を異ならせ、排ガスの温度の降温時に噴霧される還元剤の一部を前記選択還元型触媒に吸着させる制御を行う制御装置を備えることを特徴とする排ガス浄化システム。

【請求項2】

前記噴霧開始温度が、還元剤の加水分解及び熱分解が促進される促進温度領域内の低温側の部分の温度に設定されることを特徴とする請求項１に記載の排ガス浄化システム。

【請求項3】

前記制御装置が、排ガスの昇温時の還元剤の噴霧量を、前記選択還元型触媒の下流側の排ガス中のＮＯｘ量に基づいて算出される量に制御する昇温時噴霧量制御手段と、排ガスの降温時の還元剤の噴霧量を、前記選択還元型触媒の下流側の排ガス中のＮＯｘ量に基づいて算出される量に、前記選択還元型触媒に吸着される量を加えた量に常に制御する降温時噴霧量制御手段とを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の排ガス浄化システム。

【請求項4】

前記選択還元型触媒に吸着される還元剤の量を、前記選択還元型触媒の破過時の還元剤の破過時吸着量の５０％〜７０％の量とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の排ガス浄化システム。

【請求項5】

請求項１〜４のいずれか１項に記載の排ガス浄化システムを備えることを特徴とする内燃機関。

【請求項6】

内燃機関の排気通路における選択還元型触媒の上流側に還元剤噴霧弁を配置して構成された内燃機関の排ガス浄化方法であって、
前記還元剤噴霧弁の配置位置で検知された排ガスの温度が、予め定められた噴霧開始温度以上になった場合に、前記選択還元型触媒の下流側の排ガス中のＮＯｘ量をすべてＮＯとみなして還元剤の噴霧量を算出し、前記還元剤噴霧弁から還元剤を噴霧すると共に、排ガスの温度の昇温時と、排ガスの温度の降温時とで前記還元剤噴霧弁から噴霧される還元剤の噴霧量を異ならせて、排ガスの温度の降温時に噴霧する還元剤の一部を前記選択還元型触媒に吸着することを特徴とする内燃機関の排ガス浄化方法。

【請求項7】

排ガスの温度が昇温するときは、前記選択還元型触媒の下流側の排ガス中のＮＯｘ量に基づいて算出される量の還元剤を前記還元剤噴霧弁から噴霧すると共に、排ガスの温度が降温するときは、前記選択還元型触媒の下流側の排ガス中のＮＯｘ量に基づいて算出される量に、前記選択還元型触媒に吸着させる量を加えた量の還元剤を常に前記還元剤噴霧弁から噴霧することを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の排ガス浄化方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、排ガス浄化システム、内燃機関、及び内燃機関の排ガス浄化方法に関し、より詳細には、低温で行われていた吸着制御の頻度を減少して、還元剤の排出量を低減することができると共に、排ガスの浄化率を向上することができる排ガス浄化システム、内燃機関、及び内燃機関の排ガス浄化方法に関する。

【背景技術】

【0002】

内燃機関から排出されるＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するシステムとして、還元剤を吸着する選択還元型触媒（尿素ＳＣＲ触媒）を排気通路に設けたものが提案されている。このような選択還元型触媒を設けた装置では、例えば、尿素から加水分解や熱分解によりアンモニア（還元剤）を生成するために、尿素を噴霧する位置の温度や選択還元型触媒の入口の温度が１８０℃〜２００℃以上に上がるまで尿素の噴霧を行わない制御になっている。

【0003】

しかし、運転時には還元剤を噴霧できない低温でも排ガス中のＮＯｘを浄化する必要があるため、選択還元型触媒に予め還元剤を吸着させる吸着制御を行う必要がある。この吸着制御は、選択還元型触媒の還元剤の吸着量に応じた量の還元剤を噴霧する制御が行われている。

【0004】

これに関して、選択還元型触媒のＮＯｘ浄化率に基づいて、選択還元型触媒に吸着した還元剤の推定吸着量を算出し、算出された推定吸着量が所定量以下であると、規定量の還元剤を還元剤噴霧弁から噴霧し、推定吸着量が所定量を超えると、推定吸着量が多い程規定量を減量した還元剤を還元剤噴霧弁から添加する装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【0005】

ところが、選択還元型触媒の還元剤の吸着量は、必ずしも排ガス中のＮＯｘ量に対して１：１で対応できない。例えば、選択還元型触媒に吸着させた還元剤は温度が上がれば脱離してしまうため、ＮＯｘ浄化率の低下を抑制するために、選択還元型触媒の吸着率を一定に維持するように還元剤を噴霧すると、還元剤の量がＮＯｘよりも大きくなった場合に、還元剤の脱離を引き起こし、還元剤の排出量が増加する。

【0006】

また、還元剤の脱離を抑制するために、選択還元型触媒の吸着率を低く維持するように還元剤を噴霧すると、還元剤の量がＮＯｘよりも小さくなった場合に、ＮＯｘ浄化率が低下する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１１−２４１６８６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その課題は、選択還元型触媒の還元剤の吸着率を維持するための吸着制御の頻度を減少して、還元剤の脱離を抑制し、還元剤の排出量を低減することができると共に、ＮＯｘ浄化率を向上することができる排ガス浄化システム、内燃機関、及びその排ガス浄化方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記の課題を解決するための本発明の排ガス浄化システムは、還元剤を吸着する選択還元型触媒を、内燃機関の排気通路に設けて構成される排ガス浄化システムにおいて、前記排気通路における前記選択還元型触媒の上流側に還元剤噴霧弁を配置すると共に、前記還元剤噴霧弁の配置位置で検知された排ガスの温度が、予め定められた噴霧開始温度以上になった場合に、前記選択還元型触媒の下流側の排ガス中のＮＯｘ量をすべてＮＯとみなして還元剤の噴霧量を算出し、前記還元剤噴霧弁から還元剤を噴霧させる制御を行うと共に、排ガスの温度の昇温時と、排ガスの温度の降温時とで前記還元剤噴霧弁から噴霧される還元剤の噴霧量を異ならせ、排ガスの温度の降温時に噴霧される還元剤の一部を前記選択還元型触媒に吸着させる制御を行う制御装置を備えて構成される。

【0010】

なお、ここでいう噴霧開始温度は、還元剤の加水分解及び熱分解が促進される促進温度領域内に予め定められた温度である。また、ここでいう排ガスの温度は、機器類や装置の熱容量の影響を受けない還元剤噴霧弁の配置位置で検知されることで、排ガスの温度の昇温時と降温時を明確に判断することを可能とする。

【0011】

この構成によれば、機器類や装置の熱容量の影響を受けないターボチャージャーのタービンの上流側で還元剤を噴霧して、急峻な降温が生じる過程で還元剤の一部を選択還元型触媒に吸着させる。これにより、タービンの上流側の高い排ガス温度を有効に利用して、ＮＯｘを浄化すると共に、選択還元型触媒の吸着率を一定の範囲で維持することができる。よって、選択還元型触媒の吸着率を維持するための吸着制御の頻度を減少して、吸着制御により発生していた還元剤の選択還元型触媒からの脱離を抑制し、還元剤の排出量を低減することができると共に、ＮＯｘ浄化率を高めることができる。

【0012】

また、上記の排ガス浄化システムにおいて、前記噴霧開始温度が、還元剤の加水分解及び熱分解が促進される促進温度領域内の低温側の部分の温度に設定されるように構成されると、還元剤を噴霧する温度を、促進温度領域内の低温側の部分とすることで、還元剤を噴霧する温度領域の低温側を拡大することができる。これにより、高い排ガス温度を有効に利用して、ＮＯｘを浄化すると共に、選択還元型触媒の吸着率を一定の範囲で維持することができるので、吸着制御の頻度を減少することができる。

【0013】

なお、ここでいう促進温度領域内の低温側の部分は、選択還元型触媒に到達するまでに還元剤の加水分解や熱分解が確実に行われる温度領域が好ましく、例えば、還元剤として尿素を用いる場合は、１５０℃〜１９０℃が好ましい。よって、この噴霧開始温度は、従来技術で用いられる還元剤の噴霧を開始する温度よりも低く設定された温度となる。

【0014】

加えて、上記の排ガス浄化システムにおいて、前記制御装置が、排ガスの昇温時の還元剤の噴霧量を、前記選択還元型触媒の下流側の排ガス中のＮＯｘ量に基づいて算出される量に制御する昇温時噴霧量制御手段と、排ガスの降温時の還元剤の噴霧量を、前記選択還元型触媒の下流側の排ガス中のＮＯｘ量に基づいて算出される量に、前記選択還元型触媒に吸着される量を加えた量に制御する降温時噴霧量制御手段とを備えて構成されると、噴霧される還元剤の量を排ガス中のＮＯｘ量に対応させて、ＮＯｘを浄化すると共に、その一部を選択還元型触媒に吸着させて、還元剤を噴霧できない場合でもＮＯｘを浄化することができる。これにより、還元剤の吸着率などに基づいて行われる吸着制御によるＮＯｘの浄化と比較して、還元剤の選択還元型触媒からの脱離とＮＯｘ浄化率の低下を抑制することができる。

【0015】

更に、上記の排ガス浄化システムにおいて、前記選択還元型触媒に吸着される還元剤の量を、前記選択還元型触媒の破過時の還元剤の破過時吸着量の５０％〜７０％の量とするように構成されると、選択還元型触媒が破過することを回避すると共に、選択還元型触媒の吸着率を一定の範囲で維持して、還元剤の選択還元型触媒からの脱離を抑制することが
できる。

【0016】

そして、上記の課題を解決するための本発明の内燃機関は、上記に記載の排ガス浄化システムを備えて構成される。この構成によれば、選択還元型触媒の吸着率を維持するために行われていた吸着制御の頻度を減少して、還元剤の選択還元型触媒からの脱離を抑制し、還元剤の排出量を低減することができると共に、ＮＯｘ浄化率を高めることができる。

【0017】

そして、上記の課題を解決するための本発明の内燃機関の排ガス浄化方法は、内燃機関の排気通路における選択還元型触媒の上流側に還元剤噴霧弁を配置して構成された内燃機関の排ガス浄化方法であって、前記還元剤噴霧弁の配置位置で検知された排ガスの温度が、予め定められた噴霧開始温度以上になった場合に、前記選択還元型触媒の下流側の排ガス中のＮＯｘ量をすべてＮＯとみなして還元剤の噴霧量を算出し、前記還元剤噴霧弁から還元剤を噴霧すると共に、排ガスの温度の昇温時と、排ガスの温度の降温時とで前記還元剤噴霧弁から噴霧される還元剤の噴霧量を異ならせて、排ガスの温度の降温時に噴霧する還元剤の一部を前記選択還元型触媒に吸着することを特徴とする方法である。

【0018】

また、上記の内燃機関の排ガス浄化方法において、排ガスの温度が昇温するときは、前記選択還元型触媒の下流側の排ガス中のＮＯｘ量に基づいて算出される量の還元剤を前記還元剤噴霧弁から噴霧すると共に、排ガスの温度が降温するときは、前記選択還元型触媒の下流側の排ガス中のＮＯｘ量に基づいて算出される量に、前記選択還元型触媒に吸着させる量を加えた量の還元剤を前記還元剤噴霧弁から噴霧することが望ましい。

【発明の効果】

【0019】

本発明の排ガス浄化システム、内燃機関、及び内燃機関の排ガス浄化方法によれば、機器類や装置の熱容量の影響を受けないターボチャージャーのタービンの上流側で還元剤を噴霧して、急峻な降温が生じる過程で還元剤の一部を選択還元型触媒に吸着させることができる。これにより、タービンの上流側の高い排ガス温度を有効に利用して、排出されたＮＯｘを浄化すると共に、選択還元型触媒の吸着率を一定の範囲で維持することができる。よって、選択還元型触媒の吸着率を維持するための吸着制御の頻度を減少して、吸着制御により発生していた還元剤の選択還元型触媒からの脱離を抑制し、還元剤の排出量を低減することができると共に、ＮＯｘ浄化率を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明に係る第一の実施の形態の排ガス浄化システムとそれを備える内燃機関の構成を示す図である。

【図2】図１の還元剤噴霧弁の配置位置の温度変化の一例と、従来技術の温度変化を示すグラフである。

【図3】本発明に係る第一の実施の形態の内燃機関の排ガス浄化方法を示すフローチャートである。

【図4】図１の排ガス浄化システムと従来技術の排ガス浄化システムの平均ＮＯｘ浄化率を示すグラフであり、吸着制御を行わない場合を示す。

【図5】図１の排ガス浄化システムと従来技術の排ガス浄化システムの平均ＮＯｘ浄化率を示すグラフであり、吸着制御を行う場合を示す。

【図6】図１の排ガス浄化システムと従来技術の排ガス浄化システムの還元剤の排出量を示すグラフである。

【図7】本発明に係る第二の実施の形態の排ガス浄化システムとそれを備える内燃機関の構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、本発明に係る実施の形態の排ガス浄化システム、内燃機関、及び内燃機関の排ガ
ス浄化方法について説明する。

【0022】

なお、以下の実施の形態では、還元剤としてアンモニアを用いて、その前駆体として尿素を噴霧する例について説明するが、本発明はこれに限定されない。

【0023】

また、図１及び図７では、実施の形態のエンジン（内燃機関）１及び１Ａと、実施の形態の排ガス浄化システム２及び２０は、車両に搭載されているものとして説明するが、必ずしも、車両に搭載されるものに限定されない。加えて、エンジン１及び１Ａは、直列四気筒のディーゼルエンジンとして説明するが、本発明は、その気筒の数や配列は特に限定されない。

【0024】

図１の例に示すように、第一の実施の形態のエンジン１は、エンジン本体３に設けられた吸気マニホールド４に接続される吸気通路５と、エンジン本体３に設けられた排気マニホールド６に接続される排気通路７を備えて構成される。

【0025】

吸気通路５には、ターボチャージャー（以下、Ｔ／Ｃ）８のコンプレッサ８ａが設けられると共に、排気マニホールド６からＥＧＲガスが導入されるＥＧＲシステム９のＥＧＲ通路９ａが接続される。なお、このＥＧＲ通路９ａにはＥＧＲガスの導入量を調節するＥＧＲバルブ９ｂが設けられる。

【0026】

排気通路７には、上流側から順に、アンモニア（還元剤）の前駆体である尿素を噴霧する尿素噴霧ノズル（還元剤噴霧弁）１０、Ｔ／Ｃ８のタービン８ｂ、微粒子状物質を捕集する捕集装置１１、ＮＯｘを浄化する選択還元型触媒（尿素ＳＣＲ触媒）１２が配置される。

【0027】

そして、第一の実施の形態の排ガス浄化システム２は、図２に示すように、尿素噴霧ノズル１０の配置位置で検知された排ガスの温度Ｔが、予め定められた噴霧開始温度Ｔ’以上になった場合に、尿素噴霧ノズル１０から尿素を噴霧させる制御を行うと共に、排ガスの温度の昇温時Ｔ_ＵＰと、排ガスの温度の降温時Ｔ_ＤＯＷＮとで尿素噴霧ノズル１０から噴霧される尿素の噴霧量Ｑを異ならせ、排ガスの温度の降温時Ｔ_ＤＯＷＮに噴霧された尿素の一部を選択還元型触媒１２に吸着させる制御を行うＥＣＵ（制御装置）１３を備えて構成される。

【0028】

また、この排ガス浄化システム２は、尿素噴霧ノズル１０の配置位置の温度Ｔを検知する温度センサ１４、選択還元型触媒１２の上流側の排ガス中のＮＯｘ量を検知する第一ＮＯｘセンサ１５、選択還元型触媒１２の下流側の排ガス中のＮＯｘ量を検知する第二ＮＯｘセンサ１６、選択還元型触媒１２の下流側の排ガス中のアンモニアの量を検知するアンモニアセンサ１７を備え、各センサがＥＣＵ１３に接続される。

【0029】

尿素噴霧ノズル１０は、尿素タンク１８に貯留された尿素を噴霧する噴霧弁であり、排気マニホールド６とタービン８ｂの間に配置される。これにより、尿素噴霧ノズル１０から噴霧された尿素はタービン８ｂ内で撹拌されて拡散するため、加水分解や熱分解が促進される。

【0030】

この尿素噴霧ノズル１０から噴霧された尿素から生成されるアンモニアと、ＥＧＲ燃焼で発生する硫黄酸化物（ＳＯｘ）とが反応して、「２ＮＨ_３＋ＳＯ_３＋Ｈ_２Ｏ→（ＮＨ_４）_２ＳＯ_４」の反応で、中和物である硫酸アンモニウム（（ＮＨ_４）_２ＳＯ_４）を生じる。

【0031】

捕集装置１１は、流側の尿素噴霧ノズル１０で噴霧される尿素が酸化されるのを防止す
るために、貴金属触媒を塗布しない構成とし、更に、ろ過壁表面に加水分解触媒層を形成する。この加水分解触媒としては、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）や二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２)などの塩基性の大きい希土類酸化物等を用いることができる。

【0032】

この捕集装置１１の上流側で排ガス中に噴霧された尿素（（ＮＨ_２）_２ＣＯ）は、主に、尿素の熱分解と、この熱分解で生成したイソシアン酸（ＨＣＮＯ）の加水分解によりアンモニア（ＮＨ_３）に変換される。また、捕集装置１１に設けた加水分解層により、尿素の熱分解「（ＮＨ_２）_２ＣＯ→（ＮＨ_３）＋ＨＮＣＯ」で生じたイソシアン酸が加水分解「ＨＣＮＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＮＨ_３＋ＣＯ_２」でアンモニアを生成することができる。

【0033】

更に、この捕集装置１１で、微粒子状物質を燃焼させた後に生じる灰分成分（炭酸カルシウム：ＣａＣＯ_３）と硫酸アンモニウム（（ＮＨ_４）_２ＳＯ_４）とが反応して、「（ＮＨ_４）_２ＳＯ_４＋ＣａＣＯ_３→（ＮＨ_４）_２ＣＯ_３＋ＣａＳＯ_４」の反応で、炭酸アンモニウム（（ＮＨ_４）_２ＣＯ_３）を生じる。この炭酸アンモニウムは、５８℃以上で「（ＮＨ_４）_２ＣＯ_３→２ＮＨ_３＋Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２」の熱分解し、アンモニアを生成する。

【0034】

従って、この捕集装置１１により、十分なアンモニア変換率を得ることができ、変換されたアンモニアは、下流側の選択還元型触媒１２で、ＮＯｘ浄化反応に使用される。

【0035】

選択還元型触媒１２は、シリカ（ＳｉＯ_２）を基本とする網目状の骨格構造から成るゼオライト触媒が用いられており、このゼオライト触媒を含むスラリーをセラミックハニカムなどの担体に塗布したもの或いはその成型体として構成される。

【0036】

この選択還元型触媒１２は、アンモニアにより排ガス中のＮＯｘを浄化する。ＮＯは、「４ＮＯ＋４ＮＨ_３＋Ｏ_２→４Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ」の反応で、Ｎ_２に還元される。ＮＯ_２は、「６ＮＯ_２＋８ＮＨ_３→７Ｎ_２＋１２Ｈ_２Ｏ」の反応で、Ｎ_２に還元される。ＮＯ及びＮＯ_２は、「ＮＯ＋ＮＯ_２＋２ＮＨ_３→２Ｎ_２＋３Ｈ_２Ｏ」の反応で、Ｎ_２に還元される。

【0037】

また、この選択還元型触媒１２は、尿素を吸着しておき、尿素噴霧ノズル１０から尿素を噴霧できないような場合でも、上記の反応によりＮＯｘを浄化する。

【0038】

ＥＣＵ１３は、電気回路によってエンジン１の制御を担当している電気的な制御を総合的に行うマイクロコントローラである。また、このＥＣＵ１３は、温度センサ１４、第一ＮＯｘセンサ１５、第二ＮＯｘセンサ１６、及びアンモニアセンサ１７の検知された値に基づいて、尿素噴霧ノズル１０から尿素を噴霧させる制御を行うと共に、その尿素の噴霧量を調節する制御を行っている。

【0039】

温度センサ１４は、タービン８ｂの上流側で、タービン８ｂや捕集装置１１などの熱容量の影響を受けない位置が望ましく、より詳細には、排ガスの温度Ｔの昇温時と降温時を判断可能な位置が望ましい。この実施の携帯では、尿素噴霧ノズル１０の配置位置の近傍に配置される。

【0040】

このＥＣＵ１３には、噴霧制御手段Ｍ１を備え、その噴霧制御手段Ｍ１が昇温時噴霧量制御手段Ｍ２と降温時噴霧量制御手段Ｍ３を備えて構成される。また、このＥＣＵ１３には、吸着制御手段Ｍ４を備える。

【0041】

噴霧制御手段Ｍ１は、尿素噴霧ノズル１０の配置位置の近傍に設けられた温度センサ１４で検知された排ガスの温度Ｔが、予め定められた噴霧開始温度Ｔ’以上になった場合に、尿素噴霧ノズル１０から尿素を噴霧させる共に、排ガスの温度Ｔの昇温時Ｔ_ＵＰと、排ガスの温度Ｔの降温時Ｔ_ＤＯＷＮとで尿素噴霧ノズル１０から噴霧される尿素の噴霧量を異ならせ、排ガスの温度Ｔの降温時Ｔ_ＤＯＷＮに噴霧される尿素の一部を選択還元型触媒１２に吸着させる手段である。

【0042】

噴霧開始温度Ｔ’は、図２に示す温度Ｔ１〜温度Ｔ２の間の尿素の加水分解及び熱分解が促進される促進温度領域Ｒ内に予め定められた尿素の噴霧を開始する温度であり、詳しくは、温度Ｔ１〜温度Ｔ３の間の促進温度領域Ｒ内の低温側の部分Ｒ_ＬＯＷに定められた尿素の噴霧を開始する温度である。

【0043】

例えば、促進温度領域Ｒが、１５０℃〜２２０℃に設定されると、低温側の部分Ｒ_ＬＯＷは、１５０℃〜１９０℃に設定される。この場合には、噴霧開始温度Ｔ’が、１５０℃〜１９０℃の範囲内の値に設定される。

【0044】

尿素噴霧ノズル１０の配置位置の排ガスの温度Ｔが低温側の部分Ｒ_ＬＯＷの範囲内の場合に、選択還元型触媒１２の入口の近傍の温度は、５０℃程度高い温度となるので、選択還元型触媒１２が活性化され、ＮＯｘの浄化が促進される。

【0045】

昇温時噴霧量制御手段Ｍ２は、排ガスの昇温時Ｔ_ＵＰの尿素の噴霧量Ｑを、選択還元型触媒１２の下流側の排ガス中のＮＯｘ量に基づいて算出されるＮＯｘ量当量Ｑ_ＮＯｘに制御する手段である。

【0046】

ＮＯｘ量当量Ｑ_ＮＯｘは、最大ＮＯ換算値と同等モル比のアンモニア値に換算した尿素量のことである。最大ＮＯ換算値は、第二ＮＯｘセンサ１６で検知されるＮＯｘ量を全てＮＯに置き換えて、その値を反応温度や選択還元型触媒１２の触媒種に応じて１倍〜１．３倍した値とする。

【0047】

また、第一ＮＯｘセンサ１５と第二ＮＯｘセンサ１６で検知されるＮＯｘ量の比から算出されるＮＯｘ浄化率が低い場合は、最大ＮＯ換算値が、第一ＮＯｘセンサ１５で検知されるＮＯｘ量に基づいて換算されてもよい。この場合、ＮＯｘ量当量Ｑ_ＮＯｘの最大値は、第一ＮＯｘセンサ１５で検知されるエンジン本体３から排出されるＮＯｘ量に相当する値となる。

【0048】

降温時噴霧量制御手段Ｍ３は、排ガスの降温時Ｔ_ＤＯＷＮの尿素の噴霧量Ｑを、選択還元型触媒１２の下流側の排ガス中のＮＯｘ量に基づいて算出されるＮＯｘ量当量Ｑ_ＮＯｘに、選択還元型触媒１２に吸着される降温時吸着量Ｑ_ＮＨ３を加えた量に制御する手段である。

【0049】

降温時吸着量Ｑ_ＮＨ３は、選択還元型触媒１２の破過時のアンモニアの吸着量の５０％〜７０％の吸着量となるように換算した尿素量とする。選択還元型触媒１２の吸着量を破過時吸着量、つまり吸着量の最大値としても、必ずしも排ガス中のＮＯｘ量と１：１で対応できない。そこで、実験により、選択還元型触媒１２の破過時のアンモニアの吸着量の５０％〜７０％の吸着量が最適な吸着量として求められた。

【0050】

この降温時吸着量Ｑ_ＮＨ３、つまり選択還元型触媒１２の破過時のアンモニアの吸着量の５０％〜７０％の吸着量となるように換算した量を排ガスの降温時に噴霧とすると、選択還元型触媒１２が破過することを回避すると共に、選択還元型触媒１２の吸着率を一定の範囲で維持して、アンモニアのスリップを抑制することができる。

【0051】

また、この降温時吸着量Ｑ_ＮＨ３は、一定の値でなくともよく、アンモニアセンサ１７で検知された選択還元型触媒１２の下流側の排ガス中のアンモニア量が多い場合は、５０
％〜７０％の間でその割合を変動させてもよい。

【0052】

吸着制御手段Ｍ４は、噴霧制御手段Ｍ１で尿素を噴霧できない排ガスの温度でもＮＯｘの浄化を進めるために、選択還元型触媒１２に予め尿素を吸着させる制御を行う手段である。詳しくは、選択還元型触媒１２の現在の吸着量を算出し、その吸着量が５０％以下の場合で、且つ吸着噴霧開始温度以上の場合に尿素噴霧ノズル１０から尿素を噴霧する手段である。

【0053】

吸着量は、第一ＮＯｘセンサ１５と第二ＮＯｘセンサ１６で検知されたＮＯｘ量の比から算出されるＮＯｘ浄化率や、アンモニアセンサ１７で検知されるアンモニアの量などから算出する。また、吸着噴霧開始温度は、噴霧開始温度Ｔ’よりも低い温度に設定され、選択還元型触媒１２の入口温度が１５０℃以下になるような場合に尿素が噴霧されるように設定される。

【0054】

次に、この実施の形態の排ガス浄化方法について、図３のフローチャートを参照しながら説明する。なお、ここでは、図２の時間ｔ０〜時間ｔ４までの区間における制御を例として説明する。また、噴霧開始温度Ｔ’を１８０℃とする。

【0055】

まず、時間ｔ０〜時間ｔ１までは、温度センサ１４が尿素噴霧ノズル１０の配置位置の温度Ｔを検知するステップＳ１０を行う。次に、噴霧制御手段Ｍ１を実施して、温度Ｔが噴霧開始温度Ｔ’以上か否かを判断するステップＳ２０を行う。時間ｔ０〜時間ｔ１までは、温度Ｔが噴霧開始温度Ｔ’よりも低いため、リターンしてスタートへ戻り、ステップＳ１０〜ステップＳ２０を繰り返す。

【0056】

時間ｔ１になると、ステップＳ２０で、温度Ｔが噴霧開始温度Ｔ’以上と判断し、温度Ｔが上昇するか、又は下降するかを判断するステップＳ３０を行う。

【0057】

時間ｔ１から時間ｔ２までは、温度Ｔが上昇する区間であり、ステップＳ３０で温度Ｔが上昇すると判断し、昇温時噴霧量制御手段Ｍ２を実施して、ＮＯｘ量当量Ｑ_ＮＯｘを算出するステップＳ４０を行う。次に、昇温時の噴霧量Ｑを決定するステップＳ５０を行う。次に、ステップＳ５０で決定された噴霧量Ｑで尿素を噴霧するステップＳ６０を行う。そして、ステップＳ１０へ戻る。

【0058】

時間ｔ２から時間ｔ３までは、温度Ｔが下降する区間であり、ステップＳ２０で、温度Ｔが噴霧開始温度Ｔ’以上と判断し、ステップＳ３０で、温度Ｔが下降すると判断する。次に、降温時噴霧量制御手段Ｍ３を実施して、ステップＳ４０を行って、ＮＯｘ量当量Ｑ_ＮＯｘを算出する。次に、降温時吸着量Ｑ_ＮＨ３を算出するステップＳ７０を行う。次に、ＮＯｘ量当量Ｑ_ＮＯｘに降温時吸着量Ｑ_ＮＨ３を加えて量を算出し、降温時の噴霧量Ｑを決定するステップＳ８０を行う。次に、ステップＳ８０で決定された噴霧量Ｑで尿素を噴霧するステップＳ６０を行う。そして、ステップＳ１０へ戻る。

【0059】

時間ｔ３から時間ｔ４までは、ステップＳ２０で温度Ｔが噴霧開始温度Ｔ’よりも低いため、リターンしてスタートへ戻り、ステップＳ１０〜ステップＳ２０を繰り返す。この時間ｔ３から時間ｔ４までの間のＮＯｘは、選択還元型触媒１２に吸着されたアンモニアで浄化する。

【0060】

第一の実施の形態の排ガス浄化システム２、それを備えるエンジン１、及びエンジン１の排ガス浄化方法によれば、タービン８ｂや捕集装置１１などの機器類の熱容量の影響を受けないＴ／Ｃ８のタービン８ｂの上流側で尿素を噴霧して、急峻な降温が生じる過程で尿素の一部を選択還元型触媒１２に吸着させる。これにより、タービン８ｂの上流側の高
い排ガス温度を有効に利用して、ＮＯｘを浄化すると共に、選択還元型触媒１２の吸着率を一定の範囲で維持することができる。よって、選択還元型触媒１２の吸着率を維持するために排ガスの温度が低温になった場合に行っていた吸着制御手段Ｍ４を実施する頻度を減少して、吸着制御手段Ｍ４を実施することで発生していたアンモニアのスリップを抑制することができると共に、ＮＯｘ浄化率を高めることができる。

【0061】

また、尿素を噴霧する温度Ｔを、促進温度領域Ｒ内の低温側の部分Ｒ_ＬＯＷとすることで、尿素を噴霧する温度領域の低温側を拡大することができる。これにより、低温で行っていた吸着制御手段Ｍ４を実施する頻度を減少して、尿素のスリップとＮＯｘ浄化率の低下を抑制することができる。

【0062】

加えて、温度センサ１４を、タービン８ｂ前の尿素噴霧ノズル１０の配置位置の温度Ｔを検知するように設けることで、図２に示すように、タービン８ｂ前の高い排ガスの温度を検知することができ、従来技術の検知温度よりも上記の噴霧制御手段Ｍ１の頻度を増やすことができる。また、温度センサ１４の検知する尿素噴霧ノズル１０の配置位置の温度Ｔは、タービン８ｂや捕集装置１１などの機器類の熱容量の影響を受けないため、排ガスの温度の昇温時及び降温時が明確になる。一方、従来技術の検知温度は、熱容量の影響などにより排ガスの温度の昇温時及び降温時が明確にならないため、上記の噴霧制御手段Ｍ１を実施することが難しい。

【0063】

図４は、吸着制御を行わない場合の第一の実施の形態の排ガス浄化システム２と従来技術の排ガス浄化システムの平均ＮＯｘ浄化率を示したグラフである。吸着制御を行わない場合は、従来技術の排ガス浄化システムでは、平均ＮＯｘ浄化率が５０％以下になるのに対して、第一の実施の形態の排ガス浄化システム２は、排ガスの降温時に噴霧した尿素の一部を選択還元型触媒１２に吸着させて、吸着制御を行わなくとも排ガスの温度が低い場合のＮＯｘを浄化することができるので、平均ＮＯｘ浄化率が８０％以上になる。

【0064】

図５は、吸着制御を行う場合の第一の実施の形態の排ガス浄化システム２と従来技術の排ガス浄化システムの平均ＮＯｘ浄化率を示したグラフである。吸着制御を行う場合は、従来技術の排ガス浄化システムでは、平均ＮＯｘ浄化率が８０％になるのに対して、第一の実施の形態の排ガス浄化システム２は、平均ＮＯｘ浄化率が１００％近くになる。

【0065】

図６は、吸着制御を行う場合の第一の実施の形態の排ガス浄化システム２と従来技術の排ガス浄化システムの最大アンモニアスリップ量を示したグラフであり、従来技術の排ガス浄化システムの最大アンモニアスリップ量を１００％とした。吸着制御を行う場合に、図５で示したように従来技術の排ガス浄化システムでは、平均ＮＯｘ浄化率が８０％程度になるが、図６に示すように最大アンモニアスリップ量は、吸着制御が行われた分増加する。

【0066】

これに対して、第一の実施の形態の排ガス浄化システム２では、吸着制御の頻度が減少するため、最大アンモニアスリップ量が従来技術の排ガス浄化システムに比べて八割程低くなる。

【0067】

図４、図５、及び図６から、第一の実施の形態の排ガス浄化システム２は、吸着制御の頻度を減少して、アンモニアのスリップを抑制することができると共に、ＮＯｘ浄化率を高めることができることが分かる。また、高いＮＯｘ浄化率で、且つアンモニアのスリップ量が少ないことから、尿素の噴霧量を減らすことができるので、尿素タンク１８に頻繁に尿素を補充する必要がなくなる。

【0068】

次に、本発明に係る第二の実施の形態の排ガス浄化システム２０とエンジン１Ａについ
て、図７を参照しながら説明する。この排ガス浄化システム２０は、第一酸化触媒（ＤＯＣ）２１が、エンジン本体３の排気ポートから排気マニホールド６の間に気筒毎に配置されると共に、排気通路７の尿素噴霧ノズル１０の上流側に第二酸化触媒（ＤＯＣ）２２が配置されて構成される。また、選択還元型触媒１２の下流側に第三酸化触媒２３が配置されて構成される。

【0069】

第一酸化触媒２１は、ＮＯの浄化に優れている、酸化吸蔵能力（ＯＳＣ）を有する酸化物と酸化物半導体が混在した触媒を担持させて構成するとよく、第二酸化触媒２２は、ＨＣの浄化に優れている、金属触媒又は炭化水素吸着材と貴金属触媒が混在した触媒を担持させて構成するとよい。

【0070】

第三酸化触媒２３は、選択還元型触媒１２で消費されなかったアンモニアを分解して、アンモニアがスリップするのを防止するためのものである。

【0071】

第二の実施の形態の排ガス浄化システム２０によれば、第一の実施の形態の効果に加えて、第一酸化触媒２１と第二酸化触媒２２を活性温度以上に維持することが容易となり、排ガスの温度上昇のための炭化水素の供給を抑制することができる。また、第一酸化触媒２１を通過した排ガスをＥＧＲガスとして供給するので、ＥＧＲガス中のＳＯＦ成分を低減して、ＥＧＲバルブなどの詰まりなどを抑制することができる。

【0072】

また、第一酸化触媒２１及び第二酸化触媒２２を設けることで、酸化反応により排ガスの温度を上昇して、捕集装置１１の再生を効率良く行うことができる。

【0073】

この第二の実施の形態における尿素を噴霧するタイミングは、あくまでも尿素噴霧ノズル１０の通過時の排ガスの温度Ｔで判定できるので、温度センサ１４の前に設置した第一酸化触媒２１及び第二酸化触媒２２の酸化反応による温度上昇を伴った場合も影響を受けない。

【0074】

なお、上記の実施の形態のエンジン１及び１Ａの構成は上記の構成に限定されない。例えば、ＥＧＲシステムとして低圧ＥＧＲシステムを設けた構成や、ターボチャージャーを複数設けた構成などにも適用することができる。

【0075】

また、上記の実施の形態の排ガス浄化システム２及び２０の各装置の構成については一例であり、例えば、タービン８ｂと捕集装置１１の間に酸化触媒を設けた構成などでもよい。

【0076】

加えて、上記の実施の形態では、尿素噴霧ノズル１０の配置位置に設けた温度センサ１４で検知される温度Ｔを噴霧開始温度Ｔ’と比較することで尿素を噴霧するか否かを判断する例を説明したが、選択還元型触媒１２の入口温度を検知するセンサを設け、選択還元型触媒１２の入口温度で判断する、あるいは選択還元型触媒１２の入口温度も合わせて判断することもできる。

【0077】

更に、昇温時の噴霧量Ｑと降温時の噴霧量Ｑは、選択還元型触媒１２の下流側の排ガス中のＮＯｘ量の変化量や選択還元型触媒１２の下流側の排ガス中のアンモニア量の変化量に応じてフィードバック制御するようにしてもよい。

【産業上の利用可能性】

【0078】

本発明の排ガス浄化システムは、熱容量の影響を受けないターボチャージャーのタービンの上流側で還元剤を噴霧して、急峻な降温が生じる過程で還元剤の一部を選択還元型触媒に吸着させることで、タービンの上流側の高い排ガス温度を有効に利用して、ＮＯｘを
浄化すると共に、選択還元型触媒の吸着率を一定の範囲で維持することができる。これにより、選択還元型触媒の吸着率を維持するための吸着制御の頻度を減少して、吸着制御により発生していた還元剤の選択還元型触媒からの脱離を抑制することができると共に、ＮＯｘ浄化率を高めることができるので、ディーゼルエンジンに利用することができる。

【符号の説明】

【0079】

１、１Ａ エンジン
２、２０ 排ガス浄化システム
７ 排気通路
８ ターボチャージャー（Ｔ／Ｃ）
８ｂ タービン
１０ 尿素噴霧ノズル（還元剤噴霧弁）
１１ 捕集装置
１２ 選択還元型触媒
１３ ＥＣＵ（制御装置）
１４ 温度センサ
１５ 第一ＮＯｘセンサ
１６ 第二ＮＯｘセンサ
１７ アンモニアセンサ
Ｍ１ 噴霧制御手段
Ｍ２ 昇温時噴霧量制御手段
Ｍ３ 降温時噴霧量制御手段
Ｍ４ 吸着制御手段

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】