排ガス浄化装置
【課題】ターボ過給機のタービン回転翼の損傷を防止し、燃料添加手段から改質触媒への比較的少ない量の燃料の添加で、改質触媒で燃料の一部を水素に効率良く改質する。
【解決手段】排気マニホルド１７の集合管部１７ｂに設けられた改質触媒２２がエンジン１１の燃料２５を水素に改質し、燃料添加手段２３が改質触媒に燃料を供給する。白金系触媒３６が燃料リッチ状態の排ガス中のＮＯｘと上記水素とからアンモニアを生成し、選択還元型触媒３７がアンモニアを還元剤として排ガス中のＮＯｘを還元する。ウェイストゲートバルブ３９がバイパス管３８の開度を調整してターボ過給機１９のタービンハウジング１９ｂに流す排ガスの流量を調整し、コントローラ５４が、エンジンの運転条件に基づいて燃料添加手段を制御するとともに、タービンハウジングの入口温度を検出する温度センサ４７の検出出力に基づいてウェイストゲートバルブを制御する。
【解決手段】排気マニホルド１７の集合管部１７ｂに設けられた改質触媒２２がエンジン１１の燃料２５を水素に改質し、燃料添加手段２３が改質触媒に燃料を供給する。白金系触媒３６が燃料リッチ状態の排ガス中のＮＯｘと上記水素とからアンモニアを生成し、選択還元型触媒３７がアンモニアを還元剤として排ガス中のＮＯｘを還元する。ウェイストゲートバルブ３９がバイパス管３８の開度を調整してターボ過給機１９のタービンハウジング１９ｂに流す排ガスの流量を調整し、コントローラ５４が、エンジンの運転条件に基づいて燃料添加手段を制御するとともに、タービンハウジングの入口温度を検出する温度センサ４７の検出出力に基づいてウェイストゲートバルブを制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジン等のエンジンの排ガスに含まれる窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）を低減して排ガスを浄化する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、排気マニホルド内に燃料を噴射する燃料添加弁が設けられ、燃料添加弁より噴射された燃料が過給機の下流側の排気管に設けられたＮＯｘ吸蔵型のＮＯｘ触媒の還元剤となり、過給機の上流側に燃料添加弁によって噴射された燃料を改質させる燃料改質触媒が設けられた排気浄化装置が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この排気浄化装置では、燃料改質触媒が排気マニホルドの集合部から過給機までの排気通路内に配置され、その中心軸が排ガスの流れの方向と略平行になるように配置される。また燃料改質触媒は、コア部材が中心となるようにコア部材に基材を巻付けて形成された触媒担体と、触媒担体を収容する外筒とを有する。基材は２枚の金属製板材で金属製波板を挟んだ状態で接合することにより形成され、基材には例えば白金などが担持される。またコア部材は、その先端に、衝突した燃料を周囲に拡散させる衝突部を有する。この衝突部には、その断面がコア部材の長手方向に沿って拡大するようにテーパ面が形成され、このテーパ面は触媒担体から露出するように構成される。また触媒担体の端面は衝突部の近傍を突出させた円錐状の面に形成される。更に燃料改質触媒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触媒の還元剤となる。
【０００３】
このように構成された排気浄化装置では、燃料改質触媒の衝突部に燃料が吹付けられると、触媒担体の全体が使われるように燃料が霧化し拡散する。また触媒担体の端面が、衝突部の近傍を突出させた円錐状の面に形成されているので、噴射燃料が良好に触媒担体の全体に行き渡る。この結果、燃料改質触媒は、噴射された燃料を霧化する能力に優れ、燃料改質の効率がよい。この改質された燃料はＮＯｘ触媒に供給され、ＮＯｘ触媒の還元剤として機能する。即ち、ＮＯｘ触媒は、排ガスの空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸収し、排ガスの酸素濃度が低下したときに上記吸収したＮＯｘを放出し、改質された燃料を還元剤としてＮ2に還元するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−７６５３０号公報（段落［００１７］、［００１８］［００２２］、［００２４］、図１〜図４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記従来の特許文献１に示された排気浄化装置では、燃料添加弁より噴射された燃料が燃料改質触媒の衝突部に吹付けられて霧化し拡散した後に、燃料改質触媒は上記噴射された燃料を改質するけれども、このとき熱を発生して燃焼改質触媒とともに排ガスの温度が上昇し、この排ガス温度が上がり過ぎると、この排ガスが過給機のタービンハウジングに流入して、タービン回転翼が高速で回転したときに、タービン回転翼が上記熱と高速で回転することにより損傷するおそれがあった。
【０００６】
本発明の目的は、ターボ過給機のタービン回転翼の損傷を防止できるとともに、燃料添加手段から改質触媒への比較的少ない量の燃料の添加で、改質触媒において燃料の一部を水素に効率良く改質できる、排ガス浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の観点は、図１に示すように、ターボ過給機１９付エンジン１１の排気ポートに接続された排気マニホルド１７の集合管部１７ｂに設けられエンジン１１の燃料２５を水素に改質する改質触媒２２と、排気マニホルド１７に燃料２５を添加することにより改質触媒２２に燃料２５を供給する燃料添加手段２３と、ターボ過給機１９のタービンハウジング１９ｂより排ガス下流側の排気管１８に設けられ燃料リッチ状態の排ガスに含まれるＮＯｘと改質触媒２２で生成された水素とからアンモニアを生成する白金系触媒３６と、白金系触媒３６より排ガス下流側の排気管１８に設けられアンモニアを還元剤として排ガス中のＮＯｘを還元する選択還元型触媒３７と、タービンハウジング１９ｂをバイパスするバイパス管３８に設けられバイパス管３８の開度を調整してタービンハウジング１９ｂに流す排ガスの流量を調整するウェイストゲートバルブ３９と、タービンハウジング１９ｂの入口温度を検出する温度センサ４７と、エンジン１１の運転条件に基づいて燃料添加手段２３を制御するとともに温度センサ４７の検出出力に基づいてウェイストゲートバルブ３９を制御するコントローラ５４とを備えた排ガス浄化装置である。
【０００８】
本明細書において、排ガス中の酸素と燃料との混合割合を空燃比とし、エンジンにおいて混合気中の酸素と燃料が過不足なく反応するときの酸素と燃料との混合割合を理論空燃比とするとき、空燃比と理論空燃比との比を空気過剰率λといい、上記「燃料リッチ状態の排ガス」は空気過剰率λが１未満の状態の排ガスをいう。
【０００９】
本発明の第２の観点は、第１の観点に基づく発明であって、更に図１に示すように、燃料添加手段２３が、改質触媒２２より排ガス上流側の集合管部１７ｂに設けられ改質触媒２２より排ガス上流側の集合管部１７ｂに燃料２５を添加する燃料添加ノズル２４と、この燃料添加ノズル２４に燃料２５を供給する燃料供給手段２６とを有することを特徴とする。
【００１０】
本発明の第３の観点は、第１の観点に基づく発明であって、更に燃料添加手段が、エンジンの各気筒に燃料を噴射する複数の燃料噴射ノズルと、これらの燃料噴射ノズルに燃料を供給する燃料供給手段とを有し、複数の燃料噴射ノズルからエンジンで燃焼される燃料の量を越える量の燃料を噴射するように構成されたことを特徴とする。
【００１１】
本発明の第４の観点は、第１又は第２の観点に基づく発明であって、更に図１に示すように、改質触媒２２が、ロジウム、パラジウム及び白金からなる群より選ばれた１種又は２種以上の金属を添加したゼオライト又はアルミナをハニカム担体にコーティングして構成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の第１の観点の排ガス浄化装置では、燃料添加手段から排気マニホルドに燃料を添加し、この燃料の一部が改質触媒を昇温させ、昇温した改質触媒で燃料の別の一部が水素に改質される。このとき排ガスがエンジンから排出された直後であり、比較的高温であるため、比較的少ない量の燃料で改質触媒を改質可能な温度に昇温させることができる。この結果、燃料添加手段から改質触媒への比較的少ない量の燃料の添加で、改質触媒において燃料の一部を水素に効率良く改質できる。また改質触媒で水素に改質されずに改質触媒をそのまま通過した燃料の残部と、改質触媒で改質された水素とが、白金系触媒に流入すると、即ち燃料リッチ状態で水素が白金系触媒に流入すると、白金系触媒で排ガスに含まれるＮＯｘと改質触媒で生成された水素とからアンモニアが生成される。このアンモニアを含む排ガスが選択還元型触媒に流入すると、この選択還元型触媒上でアンモニアとＮＯｘが反応して、ＮＯｘの還元反応とアンモニアの酸化反応とが促進されるので、排ガス中のＮＯｘが低減される。この結果、アンモニアの大気への放出を防止できるとともに、排ガス中のＮＯｘを効率良く低減できる。更に排ガス温度が所定値以上になったことを温度センサが検出すると、コントローラはウェイストゲートバルブを開いて、排ガスの一部をバイパス管に流す。これにより、ターボ過給機のタービンハウジングに流入する排ガスの流量が少なくなって、タービン回転翼を駆動するためのエネルギが減少し、タービン回転翼の回転速度が過度に上昇することを抑制できるので、上記タービン回転翼の高速回転によるタービン回転翼の損傷を防止できる。
【００１３】
本発明の第２の観点の排ガス浄化装置では、燃料添加ノズルから排気マニホルドに燃料を添加するので、燃料添加ノズルを新たに追加する必要があり、部品点数が増大するけれども、エンジンにおける燃料の燃焼に影響を与えずに、排気マニホルドに燃料を添加できる。
【００１４】
本発明の第３の観点の排ガス浄化装置では、エンジンの各気筒に燃料噴射する複数の燃料噴射ノズルからエンジンで燃焼される燃料の量を越える量の燃料を噴射するので、エンジンにおける燃料の燃焼に幾分影響を与えるけれども、燃料添加ノズルを新たに追加する必要がなく、部品点数の増大を回避できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明実施形態の排ガス浄化装置を示す構成図である。
【図２】（ａ）は比較例１の排気管に設けた改質触媒に向けて燃料を添加したときの燃料流量の時間に対する変化を示す図であり、（ｂ）は実施例１の排気マニホルドに設けた改質触媒に向けて燃料を添加したときの燃料流量の時間に対する変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。図１に示すように、ディーゼルエンジン１１の吸気ポートには吸気マニホルド１３を介して吸気管１４が接続され、排気ポートには排気マニホルド１７を介して排気管１８が接続される。吸気マニホルド１３と吸気管１４により吸気通路１２が構成され、排気マニホルド１７と排気管１８により排気通路１６が構成される。また吸気通路１２には、ターボ過給機１９のコンプレッサハウジング１９ａと、ターボ過給機１９により圧縮された吸気を冷却するインタクーラ２１とがそれぞれ設けられ、排気通路１６にはターボ過給機１９のタービンハウジング１９ｂが設けられる。具体的には、コンプレッサハウジング１９ａは吸気管１４の途中に設けられ、インタクーラ２１はコンプレッサハウジング１９ａより吸気下流側の吸気管１４の途中に設けられる。タービンハウジング１９ｂは排気マニホルド１７と排気管１８との間に介装される。またコンプレッサハウジング１９ａにはコンプレッサ回転翼（図示せず）が回転可能に収容され、タービンハウジング１９ｂにはタービン回転翼（図示せず）が回転可能に収容される。コンプレッサ回転翼とタービン回転翼とはシャフト（図示せず）により連結され、エンジン１１から排出される排ガスのエネルギによりタービン回転翼及びシャフトを介してコンプレッサ回転翼が回転し、このコンプレッサ回転翼の回転により吸気管１４内の吸入空気が圧縮されるように構成される。
【００１７】
一方、排気マニホルド１７は、一端が複数の排気ポートにそれぞれ接続された複数の枝管部１７ａと、これらの枝管部１７ａの他端が集合して形成された単一の集合管部１７ｂとを有する。この集合管部１７ｂの途中には、エンジン１１の燃料（軽油）２５を水素に改質する改質触媒２２が設けられる。この改質触媒２２は、ロジウム、パラジウム及び白金からなる群より選ばれた１種又は２種以上の金属を添加したゼオライト又はアルミナをハニカム担体にコーティングして構成される。具体的には、ロジウム等の金属を添加したゼオライトからなる改質触媒２２は、ロジウム等の金属をイオン交換したゼオライト粉末を含むスラリーをハニカム担体にコーティングして構成される。またロジウム等の金属を添加したアルミナからなる改質触媒２２は、ロジウム等の金属を担持させたγ−アルミナ粉末又はθ−アルミナ粉末を含むスラリーをハニカム担体にコーティングして構成される。
【００１８】
一方、排気マニホルド１７には燃料添加手段２３が設けられる。この燃料添加手段２３は、改質触媒２２より排ガス上流側の集合管部１７ｂに設けられた燃料添加ノズル２４と、この燃料添加ノズル２４に燃料２５を供給する燃料供給手段２６とを有する。燃料添加ノズル２４は、改質触媒２２より排ガス上流側の集合管部１７ｂに燃料２５を添加することにより改質触媒２２に燃料２５を供給するように構成される。また燃料供給手段２６は、燃料添加ノズル２４に先端が接続された燃料供給管２７と、この燃料供給管２７の基端に接続され燃料２５が貯留された燃料タンク２８と、この燃料タンク２８内の燃料２５を燃料添加ノズル２４に圧送する燃料ポンプ２９と、燃料添加ノズル２４から噴射される燃料２５の供給量（噴射量）を調整する燃料供給量調整弁３１とを有する。上記燃料タンク２８はエンジン１１の燃料タンクと兼用できる。また上記燃料ポンプ２９は燃料添加ノズル２４と燃料タンク２８との間の燃料供給管２７に設けられ、燃料供給量調整弁３１は燃料添加ノズル２４と燃料ポンプ２９との間の燃料供給管２７に設けられる。更に燃料供給量調整弁３１は、燃料供給管２７に設けられ燃料添加ノズル２４への燃料２５の供給圧力を調整する燃料圧力調整弁３２と、燃料添加ノズル２４の基端に設けられ燃料添加ノズル２４の基端を開閉する燃料用開閉弁３３とからなる。
【００１９】
燃料圧力調整弁３２は第１〜第３ポート３２ａ〜３２ｃを有する三方弁であり、第１ポート３２ａは燃料ポンプ２９の吐出口に接続され、第２ポート３２ｂは燃料用開閉弁３３に接続され、第３ポート３２ｃは戻り管３４を介して燃料タンク２８に接続される。燃料圧力調整弁３２を駆動すると、燃料ポンプ２９により圧送された燃料２５が第１ポート３２ａから燃料圧力調整弁３２に流入し、この燃料圧力調整弁３２で所定の圧力に調整された後、第２ポート３２ｂから燃料用開閉弁３３に圧送される。また燃料圧力調整弁３２の駆動を停止すると、燃料ポンプ２９により圧送された燃料２５が第１ポート３２ａから燃料圧力調整弁３２に流入した後、第３ポート３２ｃから戻り管３４を通って燃料タンク２９に戻される。
【００２０】
排気管１８の途中、即ちターボ過給機１９のタービンハウジング１９ｂより排ガス下流側の排気管１８には、白金系触媒３６が設けられる。この白金系触媒３６は、排気管１８より大径の第１ケース４１に収容される。白金系触媒３６はモノリス触媒であって、白金のみを添加するか、或いは白金と、パラジウム又はロジウムのいずれか一方又は双方からなる金属とを添加したゼオライト又はアルミナを、コージェライト製のハニカム担体又はメタル製のハニカム担体にコーティングして構成される。具体的には、白金等の金属を添加したゼオライトからなる白金系触媒３６は、白金等の金属をイオン交換したゼオライト粉末を含むスラリーをハニカム担体にコーティングして構成される。また白金等の金属を添加したアルミナからなる白金系触媒３６は、白金等の金属を担持させたγ−アルミナ粉末又はθ−アルミナ粉末を含むスラリーをハニカム担体にコーティングして構成される。上記白金系触媒３６は、燃料リッチ状態の排ガスに含まれるＮＯｘと改質触媒２２で生成された水素とからアンモニアを生成するように構成される。
【００２１】
白金系触媒３６より排ガス下流側の排気管１８には選択還元型触媒３７が設けられる。選択還元型触媒３７は排気管１８より大径の第２ケース４２に収容される。選択還元型触媒３７はモノリス触媒であって、鉄、バナジウム及び銅からなる群より選ばれた１種又は２種以上の金属を添加したゼオライト又はアルミナを、コージェライト製のハニカム担体にコーティングして構成される。具体的には、鉄等の金属を添加したゼオライトからなる選択還元型触媒３７は、鉄等の金属をイオン交換したゼオライト粉末を含むスラリーをハニカム担体にコーティングして構成される。また鉄等の金属を添加したアルミナからなる選択還元型触媒３７は、鉄等の金属を担持させたγ−アルミナ粉末又はθ−アルミナ粉末を含むスラリーをハニカム担体にコーティングして構成される。上記選択還元型触媒３７はアンモニアを還元剤として排ガス中のＮＯｘを還元するように構成される。
【００２２】
一方、排気マニホルド１７と排気管１８とはバイパス管３８によりターボ過給機１９のタービンハウジング１９ｂをバイパスして連通接続される。即ち、バイパス管３８の一端は改質触媒２２より排ガス下流側の排気マニホルド１７の集合管部１７ｂに接続され、バイパス管３８の他端はタービンハウジング１９ｂより排ガス下流側であって白金系触媒３６より排ガス上流側の排気管１８に接続される。このバイパス管３８にはウェイストゲートバルブ３９が設けられる。このバルブ３９は、バイパス管３８の開度を調整することにより、タービンハウジング１９ｂに流す排ガスの流量を調整するように構成される。また排気マニホルド１７と吸気管１４とはＥＧＲ管４３によりエンジン１１をバイパスして連通接続される。即ち、このＥＧＲ管４３は排気マニホルド１７の枝管部１７ａから分岐し、インタクーラ２１より吸気下流側の吸気管１４に合流する。上記ＥＧＲ管４３にはこのＥＧＲ管４３から吸気管１４に還流される排ガス（ＥＧＲガス）の流量を調整するＥＧＲバルブ４４が設けられる。なお、図１の符号４６はＥＧＲ管４３を通る排ガス（ＥＧＲガス）を冷却するＥＧＲクーラである。
【００２３】
一方、改質触媒２２より排ガス下流側であってタービンハウジング１９ｂより排ガス上流側の排気マニホルド１７の集合管部１７ｂには、タービンハウジング１９ｂの入口温度を検出する温度センサ４７が設けられる。またエンジン１１にはこのエンジン１１に吸入される空気量を検出するマスフローセンサ４８が設けられ、改質触媒２２より排ガス上流側の排気マニホルド１７には排ガス中の酸素濃度を検出するＯ2センサ４９が設けられ、選択還元型触媒３７より排ガス下流側の排気管１８には排ガス中のＮＯｘの濃度を検出するＮＯｘセンサ５１が設けられる。更にエンジン１１の回転速度は回転センサ５２により検出され、エンジン１１の負荷は負荷センサ５３により検出される。温度センサ４７、マスフローセンサ４８、Ｏ2センサ４９、ＮＯｘセンサ５１、回転センサ５２及び負荷センサ５３の各検出出力はコントローラ５４の制御入力に接続され、コントローラ５４の制御出力は、燃料ポンプ２９、燃料圧力調整弁３２、燃料用開閉弁３３、ウェイストゲートバルブ３９及びＥＧＲバルブ４４に接続される。またエンジン１１にはメモリ５６が接続される。このメモリ５６には、タービンハウジング１９ｂの入口温度や排ガス流量に応じたウェイストゲートバルブ３９の開度が予め記憶される。またメモリ５６には、吸入空気量、排ガス中の酸素濃度及びＮＯｘ濃度に応じた、燃料ポンプ２９のオンオフ、燃料圧力調整弁３２の開度及び燃料用開閉弁３３の開閉間隔が予め記憶される。更にメモリ５６には、エンジン回転速度及びエンジン負荷に応じたＥＧＲ弁４４の開度が予め記憶される。
【００２４】
このように構成された排ガス浄化装置の動作を説明する。エンジン１１の運転中に、排ガス中のＮＯｘ濃度が所定値以上になったことをＮＯｘセンサ５１等の検出出力に基づいてコントローラ５４が判断する。具体的には、コントローラ５４は、ＮＯｘセンサ５１等の検出出力に基づいて燃料ポンプ２９をオンし、マスフローセンサ４８及びＯ2センサ４９の各検出出力に基づいて燃料圧力調整弁３２を所定の開度で開くとともに、燃料用開閉弁３３の開閉間隔を所定の間隔に調整し、所定時間が経過した後に燃料圧力調整弁３２を閉じ、燃料用開閉弁３３の開閉を停止し、燃料ポンプ２９をオフにする。これにより必要量の燃料２５が燃料添加ノズル２４から排気マニホルド１７に添加される。この燃料添加ノズル２４から添加された燃料２５の一部が改質触媒２２を昇温させ、所定温度（例えば、添加金属としてロジウム及びパラジウムを添加した改質触媒２２の場合、６００℃）に昇温した改質触媒２２で燃料２５の別の一部が水素に改質される。このとき排ガスがエンジン１１から排出された直後であり、比較的高温であるため、比較的少ない量の燃料２５で改質触媒２２を改質可能な温度に昇温させることができる。この結果、燃料添加ノズル２４から改質触媒２２への比較的少ない量の燃料２５の添加で、改質触媒２２において燃料２５の一部を水素に効率良く改質できる。
【００２５】
改質触媒２２で水素に改質されずに改質触媒２２をそのまま通過した燃料２５の残部と、改質触媒２２で改質された水素とが、白金系触媒３６に流入すると、即ち排ガスが燃料リッチ状態（排ガスの空気過剰率λが１未満の状態）で水素が白金系触媒３６に流入すると、白金系触媒３６において所定温度以上（例えば、３００℃以上）で排ガスに含まれるＮＯｘと改質触媒２２で生成された水素とからアンモニアが生成される。そして、白金系触媒３６で生成されたアンモニアを含む排ガスが選択還元型触媒３７に流入すると、アンモニアが選択還元型触媒３７に吸着される。この選択還元型触媒３７に吸着されたアンモニアとＮＯｘは所定温度以上（例えば、１８０℃以上）で反応して、ＮＯｘの還元反応とアンモニアの酸化反応とが促進されるので、排ガス中のＮＯｘが低減される。この結果、アンモニアの大気への放出を防止できるとともに、排ガス中のＮＯｘを効率良く低減できる。なお、選択還元型触媒３７に吸着されたアンモニアがＮＯｘの還元に全て消費されて無くなると、排ガス中のＮＯｘが選択還元型触媒３７を通過してしまう。このときＮＯｘセンサ５１がＮＯｘ濃度が所定値以上になったことを検出するので、コントローラ５４は上記の動作と同様の動作を繰り返す。
【００２６】
一方、排ガス温度が所定値以上になったことを温度センサ４７が検出すると、コントローラ５４は温度センサ４７の検出出力に基づいてウェイストゲートバルブ３９を開き、排ガスの一部をバイパス管３８に流す。これにより、ターボ過給機１９のタービンハウジング１９ｂに流入する排ガスの流量が少なくなって、タービン回転翼を駆動するためのエネルギが減少し、タービン回転翼の回転速度が過度に上昇することを抑制できるので、上記タービン回転翼の高速回転によるタービン回転翼の損傷を防止できる。
【００２７】
なお、上記実施の形態では、本発明の排ガス浄化装置をディーゼルエンジンに適用したが、本発明の排ガス浄化装置をガソリンエンジンに適用してもよい。また、上記実施の形態では、燃料添加手段が、改質触媒より排ガス上流側の集合管部に設けられ改質触媒より排ガス上流側の集合管部に燃料を添加する燃料添加ノズルと、この燃料添加ノズルに燃料を供給する燃料供給手段とを有するように構成したが、燃料添加手段が、エンジンの各気筒に燃料を噴射する複数の燃料噴射ノズルと、これらの燃料噴射ノズルに燃料を供給する燃料供給手段とを有し、複数の燃料噴射ノズルからエンジンで燃焼される燃料の量を越える量の燃料を噴射するように構成してもよい。この場合、複数の燃料噴射ノズルからエンジンで燃焼される燃料の量を越える量の燃料を噴射するので、エンジンにおける燃料の燃焼に幾分影響を与えるけれども、燃料添加ノズルを新たに追加する必要がなく、部品点数の増大を回避できる。
【００２８】
また、上記実施の形態では、ＮＯｘセンサ５１を選択還元型触媒３７より排ガス下流側の排気管１８に設けたが、選択還元型触媒３７より排ガス下流側の排気管１８に設けられたＮＯｘセンサ５１に替えて或いはこのＮＯｘセンサ５１とともに、選択還元型触媒３７より排ガス上流側であって白金系触媒３６より排ガス下流側の排気管１８に別のＮＯｘセンサを設けてもよい。この場合、コントローラは、上記別のＮＯｘセンサの検出出力に基づいて、燃料ポンプ２９、燃料圧力調整弁３２、燃料用開閉弁３３、ウェイストゲートバルブ３９及びＥＧＲバルブ４４を制御することにより、改質触媒２２で生成された水素と排ガスに含まれるＮＯｘとから白金系触媒３６でアンモニアを生成し、白金系触媒３６でアンモニアに改質されずに白金系触媒３６をそのまま通過したＮＯｘの残部を選択還元型触媒３７で還元できる。換言すれば、上記別のＮＯｘセンサで排ガス中のＮＯｘ濃度を検出することにより、白金系触媒３６でアンモニアに改質されずに白金系触媒３６をそのまま通過したＮＯｘの濃度を選択還元型触媒３７で還元可能な濃度に制限できる。この結果、ＮＯｘの大気中への排出を抑制できる。更に、白金系触媒３６より排ガス上流側であってバイパス管３８の他端の排気管１８への接続部より排ガス下流側の排気管１８に更に別のＮＯｘセンサを設けてもよい。この場合、コントローラは、上記更に別のＮＯｘセンサの検出出力に基づいて、燃料ポンプ２９、燃料圧力調整弁３２、燃料用開閉弁３３、ウェイストゲートバルブ３９及びＥＧＲバルブ４４を制御することにより、改質触媒２２で生成された水素と排ガスに含まれるＮＯｘとから白金系触媒３６でアンモニアを生成し、白金系触媒３６でアンモニアに改質されずに白金系触媒３６をそのまま通過するＮＯｘを無くすことができる。
【実施例】
【００２９】
次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。
【００３０】
＜実施例１＞
図１に示すように、排気量が８０００ｃｃである直列６気筒のターボ過給機付ディーゼルエンジン１１の排気マニホルド１７の集合管部１７ｂに改質触媒２２を設けた。また改質触媒２２より排ガス上流側の集合管部１７ｂに、燃料（軽油）２５を供給する燃料添加ノズル２４を設け、この燃料添加ノズル２４に燃料供給手段２６が燃料２５を供給するように構成した。ここで、改質触媒２２は、ロジウムをイオン交換したゼオライト粉末を含むスラリーをハニカム担体にコーティングして作製した触媒であった。一方、ターボ過給機１９のコンプレッサハウジング１９ａを吸気管１４の途中に設け、インタクーラ２１をコンプレッサハウジング１９ａより吸気下流側の吸気管１４の途中に設けた。またタービンハウジング１９ｂを排気マニホルド１７と排気管１８との間に介装した。更に排気管１８に排ガス上流側から順に白金系触媒３６及び選択還元型触媒３７を設けた。ここで、白金系触媒３６は、白金をイオン交換したゼオライト粉末を含むスラリーをハニカム担体にコーティングして作製した触媒であり、選択還元型触媒３７は、鉄をイオン交換したゼオライト粉末を含むスラリーをハニカム担体にコーティングして作製した触媒であった。この排ガス浄化装置を実施例１とした。
【００３１】
＜比較例１＞
改質触媒を、ターボ過給機のタービンハウジングより排ガス下流側であって白金系触媒より排ガス上流側の排気管に設け、燃料添加ノズルを、ターボ過給機のタービンハウジングより排ガス下流側であって改質触媒より排ガス上流側の排気管に設けたこと以外は、実施例１と同一に構成した。この排ガス浄化装置を比較例１とした。
【００３２】
＜比較試験１及び評価＞
実施例１及び比較例１の排ガス浄化装置の燃料添加ノズルから燃料を添加して改質触媒に燃料を供給した。そして改質触媒で燃料が水素に改質された。このとき改質された水素が所定量になるように燃料添加ノズルからの燃料の添加量を制御した。具体的には、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、改質触媒を昇温するための燃料の流量及び供給時間をそれぞれＱ1及びＴ1とし、改質触媒で水素を生成（改質）するための燃料の流量及び供給時間をそれぞれＱ2及びＴ2とした。そして、実施例１及び比較例１において、Ｑ1、Ｑ2及びＴ2をそれぞれ同一に保った状態で、Ｔ1を変えて、改質触媒で改質された水素が所定量になるように燃料添加ノズルからの燃料の添加量を制御した。その結果、排気マニホルドの集合管部における排ガス温度が５００℃であり、白金系触媒より排ガス上流側の排ガス温度が３００℃であったとき、比較例１の改質触媒を昇温するための燃料の供給時間Ｔ1を１００％とすると、実施例１の改質触媒を昇温するための燃料の供給時間Ｔ1は３５％と短くなった。この結果、比較例１の排ガス浄化装置より実施例１の排ガス浄化装置の方が、少ない燃料の添加で改質触媒において水素に改質できることが分かった。
【符号の説明】
【００３３】
１１ ディーゼルエンジン（エンジン）
１７ 排気マニホルド
１７ｂ 集合管部
１８ 排気管
１９ ターボ過給機
１９ｂ タービンハウジング
２２ 改質触媒
２３ 燃料添加手段
２４ 燃料添加ノズル
２５ 燃料
２６ 燃料供給手段
３６ 白金系触媒
３７ 選択還元型触媒
３８ バイパス管
３９ ウェイストゲートバルブ
４７ 温度センサ
５４ コントローラ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジン等のエンジンの排ガスに含まれる窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）を低減して排ガスを浄化する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、排気マニホルド内に燃料を噴射する燃料添加弁が設けられ、燃料添加弁より噴射された燃料が過給機の下流側の排気管に設けられたＮＯｘ吸蔵型のＮＯｘ触媒の還元剤となり、過給機の上流側に燃料添加弁によって噴射された燃料を改質させる燃料改質触媒が設けられた排気浄化装置が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この排気浄化装置では、燃料改質触媒が排気マニホルドの集合部から過給機までの排気通路内に配置され、その中心軸が排ガスの流れの方向と略平行になるように配置される。また燃料改質触媒は、コア部材が中心となるようにコア部材に基材を巻付けて形成された触媒担体と、触媒担体を収容する外筒とを有する。基材は２枚の金属製板材で金属製波板を挟んだ状態で接合することにより形成され、基材には例えば白金などが担持される。またコア部材は、その先端に、衝突した燃料を周囲に拡散させる衝突部を有する。この衝突部には、その断面がコア部材の長手方向に沿って拡大するようにテーパ面が形成され、このテーパ面は触媒担体から露出するように構成される。また触媒担体の端面は衝突部の近傍を突出させた円錐状の面に形成される。更に燃料改質触媒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触媒の還元剤となる。
【０００３】
このように構成された排気浄化装置では、燃料改質触媒の衝突部に燃料が吹付けられると、触媒担体の全体が使われるように燃料が霧化し拡散する。また触媒担体の端面が、衝突部の近傍を突出させた円錐状の面に形成されているので、噴射燃料が良好に触媒担体の全体に行き渡る。この結果、燃料改質触媒は、噴射された燃料を霧化する能力に優れ、燃料改質の効率がよい。この改質された燃料はＮＯｘ触媒に供給され、ＮＯｘ触媒の還元剤として機能する。即ち、ＮＯｘ触媒は、排ガスの空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸収し、排ガスの酸素濃度が低下したときに上記吸収したＮＯｘを放出し、改質された燃料を還元剤としてＮ2に還元するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−７６５３０号公報（段落［００１７］、［００１８］［００２２］、［００２４］、図１〜図４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記従来の特許文献１に示された排気浄化装置では、燃料添加弁より噴射された燃料が燃料改質触媒の衝突部に吹付けられて霧化し拡散した後に、燃料改質触媒は上記噴射された燃料を改質するけれども、このとき熱を発生して燃焼改質触媒とともに排ガスの温度が上昇し、この排ガス温度が上がり過ぎると、この排ガスが過給機のタービンハウジングに流入して、タービン回転翼が高速で回転したときに、タービン回転翼が上記熱と高速で回転することにより損傷するおそれがあった。
【０００６】
本発明の目的は、ターボ過給機のタービン回転翼の損傷を防止できるとともに、燃料添加手段から改質触媒への比較的少ない量の燃料の添加で、改質触媒において燃料の一部を水素に効率良く改質できる、排ガス浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の観点は、図１に示すように、ターボ過給機１９付エンジン１１の排気ポートに接続された排気マニホルド１７の集合管部１７ｂに設けられエンジン１１の燃料２５を水素に改質する改質触媒２２と、排気マニホルド１７に燃料２５を添加することにより改質触媒２２に燃料２５を供給する燃料添加手段２３と、ターボ過給機１９のタービンハウジング１９ｂより排ガス下流側の排気管１８に設けられ燃料リッチ状態の排ガスに含まれるＮＯｘと改質触媒２２で生成された水素とからアンモニアを生成する白金系触媒３６と、白金系触媒３６より排ガス下流側の排気管１８に設けられアンモニアを還元剤として排ガス中のＮＯｘを還元する選択還元型触媒３７と、タービンハウジング１９ｂをバイパスするバイパス管３８に設けられバイパス管３８の開度を調整してタービンハウジング１９ｂに流す排ガスの流量を調整するウェイストゲートバルブ３９と、タービンハウジング１９ｂの入口温度を検出する温度センサ４７と、エンジン１１の運転条件に基づいて燃料添加手段２３を制御するとともに温度センサ４７の検出出力に基づいてウェイストゲートバルブ３９を制御するコントローラ５４とを備えた排ガス浄化装置である。
【０００８】
本明細書において、排ガス中の酸素と燃料との混合割合を空燃比とし、エンジンにおいて混合気中の酸素と燃料が過不足なく反応するときの酸素と燃料との混合割合を理論空燃比とするとき、空燃比と理論空燃比との比を空気過剰率λといい、上記「燃料リッチ状態の排ガス」は空気過剰率λが１未満の状態の排ガスをいう。
【０００９】
本発明の第２の観点は、第１の観点に基づく発明であって、更に図１に示すように、燃料添加手段２３が、改質触媒２２より排ガス上流側の集合管部１７ｂに設けられ改質触媒２２より排ガス上流側の集合管部１７ｂに燃料２５を添加する燃料添加ノズル２４と、この燃料添加ノズル２４に燃料２５を供給する燃料供給手段２６とを有することを特徴とする。
【００１０】
本発明の第３の観点は、第１の観点に基づく発明であって、更に燃料添加手段が、エンジンの各気筒に燃料を噴射する複数の燃料噴射ノズルと、これらの燃料噴射ノズルに燃料を供給する燃料供給手段とを有し、複数の燃料噴射ノズルからエンジンで燃焼される燃料の量を越える量の燃料を噴射するように構成されたことを特徴とする。
【００１１】
本発明の第４の観点は、第１又は第２の観点に基づく発明であって、更に図１に示すように、改質触媒２２が、ロジウム、パラジウム及び白金からなる群より選ばれた１種又は２種以上の金属を添加したゼオライト又はアルミナをハニカム担体にコーティングして構成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の第１の観点の排ガス浄化装置では、燃料添加手段から排気マニホルドに燃料を添加し、この燃料の一部が改質触媒を昇温させ、昇温した改質触媒で燃料の別の一部が水素に改質される。このとき排ガスがエンジンから排出された直後であり、比較的高温であるため、比較的少ない量の燃料で改質触媒を改質可能な温度に昇温させることができる。この結果、燃料添加手段から改質触媒への比較的少ない量の燃料の添加で、改質触媒において燃料の一部を水素に効率良く改質できる。また改質触媒で水素に改質されずに改質触媒をそのまま通過した燃料の残部と、改質触媒で改質された水素とが、白金系触媒に流入すると、即ち燃料リッチ状態で水素が白金系触媒に流入すると、白金系触媒で排ガスに含まれるＮＯｘと改質触媒で生成された水素とからアンモニアが生成される。このアンモニアを含む排ガスが選択還元型触媒に流入すると、この選択還元型触媒上でアンモニアとＮＯｘが反応して、ＮＯｘの還元反応とアンモニアの酸化反応とが促進されるので、排ガス中のＮＯｘが低減される。この結果、アンモニアの大気への放出を防止できるとともに、排ガス中のＮＯｘを効率良く低減できる。更に排ガス温度が所定値以上になったことを温度センサが検出すると、コントローラはウェイストゲートバルブを開いて、排ガスの一部をバイパス管に流す。これにより、ターボ過給機のタービンハウジングに流入する排ガスの流量が少なくなって、タービン回転翼を駆動するためのエネルギが減少し、タービン回転翼の回転速度が過度に上昇することを抑制できるので、上記タービン回転翼の高速回転によるタービン回転翼の損傷を防止できる。
【００１３】
本発明の第２の観点の排ガス浄化装置では、燃料添加ノズルから排気マニホルドに燃料を添加するので、燃料添加ノズルを新たに追加する必要があり、部品点数が増大するけれども、エンジンにおける燃料の燃焼に影響を与えずに、排気マニホルドに燃料を添加できる。
【００１４】
本発明の第３の観点の排ガス浄化装置では、エンジンの各気筒に燃料噴射する複数の燃料噴射ノズルからエンジンで燃焼される燃料の量を越える量の燃料を噴射するので、エンジンにおける燃料の燃焼に幾分影響を与えるけれども、燃料添加ノズルを新たに追加する必要がなく、部品点数の増大を回避できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明実施形態の排ガス浄化装置を示す構成図である。
【図２】（ａ）は比較例１の排気管に設けた改質触媒に向けて燃料を添加したときの燃料流量の時間に対する変化を示す図であり、（ｂ）は実施例１の排気マニホルドに設けた改質触媒に向けて燃料を添加したときの燃料流量の時間に対する変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。図１に示すように、ディーゼルエンジン１１の吸気ポートには吸気マニホルド１３を介して吸気管１４が接続され、排気ポートには排気マニホルド１７を介して排気管１８が接続される。吸気マニホルド１３と吸気管１４により吸気通路１２が構成され、排気マニホルド１７と排気管１８により排気通路１６が構成される。また吸気通路１２には、ターボ過給機１９のコンプレッサハウジング１９ａと、ターボ過給機１９により圧縮された吸気を冷却するインタクーラ２１とがそれぞれ設けられ、排気通路１６にはターボ過給機１９のタービンハウジング１９ｂが設けられる。具体的には、コンプレッサハウジング１９ａは吸気管１４の途中に設けられ、インタクーラ２１はコンプレッサハウジング１９ａより吸気下流側の吸気管１４の途中に設けられる。タービンハウジング１９ｂは排気マニホルド１７と排気管１８との間に介装される。またコンプレッサハウジング１９ａにはコンプレッサ回転翼（図示せず）が回転可能に収容され、タービンハウジング１９ｂにはタービン回転翼（図示せず）が回転可能に収容される。コンプレッサ回転翼とタービン回転翼とはシャフト（図示せず）により連結され、エンジン１１から排出される排ガスのエネルギによりタービン回転翼及びシャフトを介してコンプレッサ回転翼が回転し、このコンプレッサ回転翼の回転により吸気管１４内の吸入空気が圧縮されるように構成される。
【００１７】
一方、排気マニホルド１７は、一端が複数の排気ポートにそれぞれ接続された複数の枝管部１７ａと、これらの枝管部１７ａの他端が集合して形成された単一の集合管部１７ｂとを有する。この集合管部１７ｂの途中には、エンジン１１の燃料（軽油）２５を水素に改質する改質触媒２２が設けられる。この改質触媒２２は、ロジウム、パラジウム及び白金からなる群より選ばれた１種又は２種以上の金属を添加したゼオライト又はアルミナをハニカム担体にコーティングして構成される。具体的には、ロジウム等の金属を添加したゼオライトからなる改質触媒２２は、ロジウム等の金属をイオン交換したゼオライト粉末を含むスラリーをハニカム担体にコーティングして構成される。またロジウム等の金属を添加したアルミナからなる改質触媒２２は、ロジウム等の金属を担持させたγ−アルミナ粉末又はθ−アルミナ粉末を含むスラリーをハニカム担体にコーティングして構成される。
【００１８】
一方、排気マニホルド１７には燃料添加手段２３が設けられる。この燃料添加手段２３は、改質触媒２２より排ガス上流側の集合管部１７ｂに設けられた燃料添加ノズル２４と、この燃料添加ノズル２４に燃料２５を供給する燃料供給手段２６とを有する。燃料添加ノズル２４は、改質触媒２２より排ガス上流側の集合管部１７ｂに燃料２５を添加することにより改質触媒２２に燃料２５を供給するように構成される。また燃料供給手段２６は、燃料添加ノズル２４に先端が接続された燃料供給管２７と、この燃料供給管２７の基端に接続され燃料２５が貯留された燃料タンク２８と、この燃料タンク２８内の燃料２５を燃料添加ノズル２４に圧送する燃料ポンプ２９と、燃料添加ノズル２４から噴射される燃料２５の供給量（噴射量）を調整する燃料供給量調整弁３１とを有する。上記燃料タンク２８はエンジン１１の燃料タンクと兼用できる。また上記燃料ポンプ２９は燃料添加ノズル２４と燃料タンク２８との間の燃料供給管２７に設けられ、燃料供給量調整弁３１は燃料添加ノズル２４と燃料ポンプ２９との間の燃料供給管２７に設けられる。更に燃料供給量調整弁３１は、燃料供給管２７に設けられ燃料添加ノズル２４への燃料２５の供給圧力を調整する燃料圧力調整弁３２と、燃料添加ノズル２４の基端に設けられ燃料添加ノズル２４の基端を開閉する燃料用開閉弁３３とからなる。
【００１９】
燃料圧力調整弁３２は第１〜第３ポート３２ａ〜３２ｃを有する三方弁であり、第１ポート３２ａは燃料ポンプ２９の吐出口に接続され、第２ポート３２ｂは燃料用開閉弁３３に接続され、第３ポート３２ｃは戻り管３４を介して燃料タンク２８に接続される。燃料圧力調整弁３２を駆動すると、燃料ポンプ２９により圧送された燃料２５が第１ポート３２ａから燃料圧力調整弁３２に流入し、この燃料圧力調整弁３２で所定の圧力に調整された後、第２ポート３２ｂから燃料用開閉弁３３に圧送される。また燃料圧力調整弁３２の駆動を停止すると、燃料ポンプ２９により圧送された燃料２５が第１ポート３２ａから燃料圧力調整弁３２に流入した後、第３ポート３２ｃから戻り管３４を通って燃料タンク２９に戻される。
【００２０】
排気管１８の途中、即ちターボ過給機１９のタービンハウジング１９ｂより排ガス下流側の排気管１８には、白金系触媒３６が設けられる。この白金系触媒３６は、排気管１８より大径の第１ケース４１に収容される。白金系触媒３６はモノリス触媒であって、白金のみを添加するか、或いは白金と、パラジウム又はロジウムのいずれか一方又は双方からなる金属とを添加したゼオライト又はアルミナを、コージェライト製のハニカム担体又はメタル製のハニカム担体にコーティングして構成される。具体的には、白金等の金属を添加したゼオライトからなる白金系触媒３６は、白金等の金属をイオン交換したゼオライト粉末を含むスラリーをハニカム担体にコーティングして構成される。また白金等の金属を添加したアルミナからなる白金系触媒３６は、白金等の金属を担持させたγ−アルミナ粉末又はθ−アルミナ粉末を含むスラリーをハニカム担体にコーティングして構成される。上記白金系触媒３６は、燃料リッチ状態の排ガスに含まれるＮＯｘと改質触媒２２で生成された水素とからアンモニアを生成するように構成される。
【００２１】
白金系触媒３６より排ガス下流側の排気管１８には選択還元型触媒３７が設けられる。選択還元型触媒３７は排気管１８より大径の第２ケース４２に収容される。選択還元型触媒３７はモノリス触媒であって、鉄、バナジウム及び銅からなる群より選ばれた１種又は２種以上の金属を添加したゼオライト又はアルミナを、コージェライト製のハニカム担体にコーティングして構成される。具体的には、鉄等の金属を添加したゼオライトからなる選択還元型触媒３７は、鉄等の金属をイオン交換したゼオライト粉末を含むスラリーをハニカム担体にコーティングして構成される。また鉄等の金属を添加したアルミナからなる選択還元型触媒３７は、鉄等の金属を担持させたγ−アルミナ粉末又はθ−アルミナ粉末を含むスラリーをハニカム担体にコーティングして構成される。上記選択還元型触媒３７はアンモニアを還元剤として排ガス中のＮＯｘを還元するように構成される。
【００２２】
一方、排気マニホルド１７と排気管１８とはバイパス管３８によりターボ過給機１９のタービンハウジング１９ｂをバイパスして連通接続される。即ち、バイパス管３８の一端は改質触媒２２より排ガス下流側の排気マニホルド１７の集合管部１７ｂに接続され、バイパス管３８の他端はタービンハウジング１９ｂより排ガス下流側であって白金系触媒３６より排ガス上流側の排気管１８に接続される。このバイパス管３８にはウェイストゲートバルブ３９が設けられる。このバルブ３９は、バイパス管３８の開度を調整することにより、タービンハウジング１９ｂに流す排ガスの流量を調整するように構成される。また排気マニホルド１７と吸気管１４とはＥＧＲ管４３によりエンジン１１をバイパスして連通接続される。即ち、このＥＧＲ管４３は排気マニホルド１７の枝管部１７ａから分岐し、インタクーラ２１より吸気下流側の吸気管１４に合流する。上記ＥＧＲ管４３にはこのＥＧＲ管４３から吸気管１４に還流される排ガス（ＥＧＲガス）の流量を調整するＥＧＲバルブ４４が設けられる。なお、図１の符号４６はＥＧＲ管４３を通る排ガス（ＥＧＲガス）を冷却するＥＧＲクーラである。
【００２３】
一方、改質触媒２２より排ガス下流側であってタービンハウジング１９ｂより排ガス上流側の排気マニホルド１７の集合管部１７ｂには、タービンハウジング１９ｂの入口温度を検出する温度センサ４７が設けられる。またエンジン１１にはこのエンジン１１に吸入される空気量を検出するマスフローセンサ４８が設けられ、改質触媒２２より排ガス上流側の排気マニホルド１７には排ガス中の酸素濃度を検出するＯ2センサ４９が設けられ、選択還元型触媒３７より排ガス下流側の排気管１８には排ガス中のＮＯｘの濃度を検出するＮＯｘセンサ５１が設けられる。更にエンジン１１の回転速度は回転センサ５２により検出され、エンジン１１の負荷は負荷センサ５３により検出される。温度センサ４７、マスフローセンサ４８、Ｏ2センサ４９、ＮＯｘセンサ５１、回転センサ５２及び負荷センサ５３の各検出出力はコントローラ５４の制御入力に接続され、コントローラ５４の制御出力は、燃料ポンプ２９、燃料圧力調整弁３２、燃料用開閉弁３３、ウェイストゲートバルブ３９及びＥＧＲバルブ４４に接続される。またエンジン１１にはメモリ５６が接続される。このメモリ５６には、タービンハウジング１９ｂの入口温度や排ガス流量に応じたウェイストゲートバルブ３９の開度が予め記憶される。またメモリ５６には、吸入空気量、排ガス中の酸素濃度及びＮＯｘ濃度に応じた、燃料ポンプ２９のオンオフ、燃料圧力調整弁３２の開度及び燃料用開閉弁３３の開閉間隔が予め記憶される。更にメモリ５６には、エンジン回転速度及びエンジン負荷に応じたＥＧＲ弁４４の開度が予め記憶される。
【００２４】
このように構成された排ガス浄化装置の動作を説明する。エンジン１１の運転中に、排ガス中のＮＯｘ濃度が所定値以上になったことをＮＯｘセンサ５１等の検出出力に基づいてコントローラ５４が判断する。具体的には、コントローラ５４は、ＮＯｘセンサ５１等の検出出力に基づいて燃料ポンプ２９をオンし、マスフローセンサ４８及びＯ2センサ４９の各検出出力に基づいて燃料圧力調整弁３２を所定の開度で開くとともに、燃料用開閉弁３３の開閉間隔を所定の間隔に調整し、所定時間が経過した後に燃料圧力調整弁３２を閉じ、燃料用開閉弁３３の開閉を停止し、燃料ポンプ２９をオフにする。これにより必要量の燃料２５が燃料添加ノズル２４から排気マニホルド１７に添加される。この燃料添加ノズル２４から添加された燃料２５の一部が改質触媒２２を昇温させ、所定温度（例えば、添加金属としてロジウム及びパラジウムを添加した改質触媒２２の場合、６００℃）に昇温した改質触媒２２で燃料２５の別の一部が水素に改質される。このとき排ガスがエンジン１１から排出された直後であり、比較的高温であるため、比較的少ない量の燃料２５で改質触媒２２を改質可能な温度に昇温させることができる。この結果、燃料添加ノズル２４から改質触媒２２への比較的少ない量の燃料２５の添加で、改質触媒２２において燃料２５の一部を水素に効率良く改質できる。
【００２５】
改質触媒２２で水素に改質されずに改質触媒２２をそのまま通過した燃料２５の残部と、改質触媒２２で改質された水素とが、白金系触媒３６に流入すると、即ち排ガスが燃料リッチ状態（排ガスの空気過剰率λが１未満の状態）で水素が白金系触媒３６に流入すると、白金系触媒３６において所定温度以上（例えば、３００℃以上）で排ガスに含まれるＮＯｘと改質触媒２２で生成された水素とからアンモニアが生成される。そして、白金系触媒３６で生成されたアンモニアを含む排ガスが選択還元型触媒３７に流入すると、アンモニアが選択還元型触媒３７に吸着される。この選択還元型触媒３７に吸着されたアンモニアとＮＯｘは所定温度以上（例えば、１８０℃以上）で反応して、ＮＯｘの還元反応とアンモニアの酸化反応とが促進されるので、排ガス中のＮＯｘが低減される。この結果、アンモニアの大気への放出を防止できるとともに、排ガス中のＮＯｘを効率良く低減できる。なお、選択還元型触媒３７に吸着されたアンモニアがＮＯｘの還元に全て消費されて無くなると、排ガス中のＮＯｘが選択還元型触媒３７を通過してしまう。このときＮＯｘセンサ５１がＮＯｘ濃度が所定値以上になったことを検出するので、コントローラ５４は上記の動作と同様の動作を繰り返す。
【００２６】
一方、排ガス温度が所定値以上になったことを温度センサ４７が検出すると、コントローラ５４は温度センサ４７の検出出力に基づいてウェイストゲートバルブ３９を開き、排ガスの一部をバイパス管３８に流す。これにより、ターボ過給機１９のタービンハウジング１９ｂに流入する排ガスの流量が少なくなって、タービン回転翼を駆動するためのエネルギが減少し、タービン回転翼の回転速度が過度に上昇することを抑制できるので、上記タービン回転翼の高速回転によるタービン回転翼の損傷を防止できる。
【００２７】
なお、上記実施の形態では、本発明の排ガス浄化装置をディーゼルエンジンに適用したが、本発明の排ガス浄化装置をガソリンエンジンに適用してもよい。また、上記実施の形態では、燃料添加手段が、改質触媒より排ガス上流側の集合管部に設けられ改質触媒より排ガス上流側の集合管部に燃料を添加する燃料添加ノズルと、この燃料添加ノズルに燃料を供給する燃料供給手段とを有するように構成したが、燃料添加手段が、エンジンの各気筒に燃料を噴射する複数の燃料噴射ノズルと、これらの燃料噴射ノズルに燃料を供給する燃料供給手段とを有し、複数の燃料噴射ノズルからエンジンで燃焼される燃料の量を越える量の燃料を噴射するように構成してもよい。この場合、複数の燃料噴射ノズルからエンジンで燃焼される燃料の量を越える量の燃料を噴射するので、エンジンにおける燃料の燃焼に幾分影響を与えるけれども、燃料添加ノズルを新たに追加する必要がなく、部品点数の増大を回避できる。
【００２８】
また、上記実施の形態では、ＮＯｘセンサ５１を選択還元型触媒３７より排ガス下流側の排気管１８に設けたが、選択還元型触媒３７より排ガス下流側の排気管１８に設けられたＮＯｘセンサ５１に替えて或いはこのＮＯｘセンサ５１とともに、選択還元型触媒３７より排ガス上流側であって白金系触媒３６より排ガス下流側の排気管１８に別のＮＯｘセンサを設けてもよい。この場合、コントローラは、上記別のＮＯｘセンサの検出出力に基づいて、燃料ポンプ２９、燃料圧力調整弁３２、燃料用開閉弁３３、ウェイストゲートバルブ３９及びＥＧＲバルブ４４を制御することにより、改質触媒２２で生成された水素と排ガスに含まれるＮＯｘとから白金系触媒３６でアンモニアを生成し、白金系触媒３６でアンモニアに改質されずに白金系触媒３６をそのまま通過したＮＯｘの残部を選択還元型触媒３７で還元できる。換言すれば、上記別のＮＯｘセンサで排ガス中のＮＯｘ濃度を検出することにより、白金系触媒３６でアンモニアに改質されずに白金系触媒３６をそのまま通過したＮＯｘの濃度を選択還元型触媒３７で還元可能な濃度に制限できる。この結果、ＮＯｘの大気中への排出を抑制できる。更に、白金系触媒３６より排ガス上流側であってバイパス管３８の他端の排気管１８への接続部より排ガス下流側の排気管１８に更に別のＮＯｘセンサを設けてもよい。この場合、コントローラは、上記更に別のＮＯｘセンサの検出出力に基づいて、燃料ポンプ２９、燃料圧力調整弁３２、燃料用開閉弁３３、ウェイストゲートバルブ３９及びＥＧＲバルブ４４を制御することにより、改質触媒２２で生成された水素と排ガスに含まれるＮＯｘとから白金系触媒３６でアンモニアを生成し、白金系触媒３６でアンモニアに改質されずに白金系触媒３６をそのまま通過するＮＯｘを無くすことができる。
【実施例】
【００２９】
次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。
【００３０】
＜実施例１＞
図１に示すように、排気量が８０００ｃｃである直列６気筒のターボ過給機付ディーゼルエンジン１１の排気マニホルド１７の集合管部１７ｂに改質触媒２２を設けた。また改質触媒２２より排ガス上流側の集合管部１７ｂに、燃料（軽油）２５を供給する燃料添加ノズル２４を設け、この燃料添加ノズル２４に燃料供給手段２６が燃料２５を供給するように構成した。ここで、改質触媒２２は、ロジウムをイオン交換したゼオライト粉末を含むスラリーをハニカム担体にコーティングして作製した触媒であった。一方、ターボ過給機１９のコンプレッサハウジング１９ａを吸気管１４の途中に設け、インタクーラ２１をコンプレッサハウジング１９ａより吸気下流側の吸気管１４の途中に設けた。またタービンハウジング１９ｂを排気マニホルド１７と排気管１８との間に介装した。更に排気管１８に排ガス上流側から順に白金系触媒３６及び選択還元型触媒３７を設けた。ここで、白金系触媒３６は、白金をイオン交換したゼオライト粉末を含むスラリーをハニカム担体にコーティングして作製した触媒であり、選択還元型触媒３７は、鉄をイオン交換したゼオライト粉末を含むスラリーをハニカム担体にコーティングして作製した触媒であった。この排ガス浄化装置を実施例１とした。
【００３１】
＜比較例１＞
改質触媒を、ターボ過給機のタービンハウジングより排ガス下流側であって白金系触媒より排ガス上流側の排気管に設け、燃料添加ノズルを、ターボ過給機のタービンハウジングより排ガス下流側であって改質触媒より排ガス上流側の排気管に設けたこと以外は、実施例１と同一に構成した。この排ガス浄化装置を比較例１とした。
【００３２】
＜比較試験１及び評価＞
実施例１及び比較例１の排ガス浄化装置の燃料添加ノズルから燃料を添加して改質触媒に燃料を供給した。そして改質触媒で燃料が水素に改質された。このとき改質された水素が所定量になるように燃料添加ノズルからの燃料の添加量を制御した。具体的には、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、改質触媒を昇温するための燃料の流量及び供給時間をそれぞれＱ1及びＴ1とし、改質触媒で水素を生成（改質）するための燃料の流量及び供給時間をそれぞれＱ2及びＴ2とした。そして、実施例１及び比較例１において、Ｑ1、Ｑ2及びＴ2をそれぞれ同一に保った状態で、Ｔ1を変えて、改質触媒で改質された水素が所定量になるように燃料添加ノズルからの燃料の添加量を制御した。その結果、排気マニホルドの集合管部における排ガス温度が５００℃であり、白金系触媒より排ガス上流側の排ガス温度が３００℃であったとき、比較例１の改質触媒を昇温するための燃料の供給時間Ｔ1を１００％とすると、実施例１の改質触媒を昇温するための燃料の供給時間Ｔ1は３５％と短くなった。この結果、比較例１の排ガス浄化装置より実施例１の排ガス浄化装置の方が、少ない燃料の添加で改質触媒において水素に改質できることが分かった。
【符号の説明】
【００３３】
１１ ディーゼルエンジン（エンジン）
１７ 排気マニホルド
１７ｂ 集合管部
１８ 排気管
１９ ターボ過給機
１９ｂ タービンハウジング
２２ 改質触媒
２３ 燃料添加手段
２４ 燃料添加ノズル
２５ 燃料
２６ 燃料供給手段
３６ 白金系触媒
３７ 選択還元型触媒
３８ バイパス管
３９ ウェイストゲートバルブ
４７ 温度センサ
５４ コントローラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ過給機(19)付エンジン(11)の排気ポートに接続された排気マニホルド(17)の集合管部(17b)に設けられ前記エンジン(11)の燃料(25)を水素に改質する改質触媒(22)と、
前記排気マニホルド(17)に前記燃料(25)を添加することにより前記改質触媒(22)に前記燃料(25)を供給する燃料添加手段(23)と、
前記ターボ過給機(19)のタービンハウジング(19b)より排ガス下流側の排気管(18)に設けられ燃料リッチ状態の排ガスに含まれるＮＯｘと前記改質触媒(22)で生成された水素とからアンモニアを生成する白金系触媒(36)と、
前記白金系触媒(36)より排ガス下流側の排気管(18)に設けられ前記アンモニアを還元剤として排ガス中のＮＯｘを還元する選択還元型触媒(37)と、
前記タービンハウジング(19b)をバイパスするバイパス管(38)に設けられ前記バイパス管(38)の開度を調整して前記タービンハウジング(19b)に流す排ガスの流量を調整するウェイストゲートバルブ(39)と、
前記タービンハウジング(19b)の入口温度を検出する温度センサ(47)と、
前記エンジン(11)の運転条件に基づいて前記燃料添加手段(23)を制御するとともに前記温度センサ(47)の検出出力に基づいて前記ウェイストゲートバルブ(39)を制御するコントローラ(54)と
を備えた排ガス浄化装置。
【請求項２】
前記燃料添加手段(23)が、前記改質触媒(22)より排ガス上流側の集合管部(17b)に設けられ前記改質触媒(22)より排ガス上流側の集合管部(17b)に前記燃料(25)を添加する燃料添加ノズル(24)と、この燃料添加ノズル(24)に前記燃料(25)を供給する燃料供給手段(26)とを有する請求項１記載の排ガス浄化装置。
【請求項３】
前記燃料添加手段が、前記エンジンの各気筒に燃料を噴射する複数の燃料噴射ノズルと、これらの燃料噴射ノズルに前記燃料を供給する燃料供給手段とを有し、前記複数の燃料噴射ノズルから前記エンジンで燃焼される燃料の量を越える量の燃料を噴射するように構成された請求項１記載の排ガス浄化装置。
【請求項４】
前記改質触媒(22)が、ロジウム、パラジウム及び白金からなる群より選ばれた１種又は２種以上の金属を添加したゼオライト又はアルミナをハニカム担体にコーティングして構成された請求項１又は２記載の排ガス浄化装置。
【請求項１】
ターボ過給機(19)付エンジン(11)の排気ポートに接続された排気マニホルド(17)の集合管部(17b)に設けられ前記エンジン(11)の燃料(25)を水素に改質する改質触媒(22)と、
前記排気マニホルド(17)に前記燃料(25)を添加することにより前記改質触媒(22)に前記燃料(25)を供給する燃料添加手段(23)と、
前記ターボ過給機(19)のタービンハウジング(19b)より排ガス下流側の排気管(18)に設けられ燃料リッチ状態の排ガスに含まれるＮＯｘと前記改質触媒(22)で生成された水素とからアンモニアを生成する白金系触媒(36)と、
前記白金系触媒(36)より排ガス下流側の排気管(18)に設けられ前記アンモニアを還元剤として排ガス中のＮＯｘを還元する選択還元型触媒(37)と、
前記タービンハウジング(19b)をバイパスするバイパス管(38)に設けられ前記バイパス管(38)の開度を調整して前記タービンハウジング(19b)に流す排ガスの流量を調整するウェイストゲートバルブ(39)と、
前記タービンハウジング(19b)の入口温度を検出する温度センサ(47)と、
前記エンジン(11)の運転条件に基づいて前記燃料添加手段(23)を制御するとともに前記温度センサ(47)の検出出力に基づいて前記ウェイストゲートバルブ(39)を制御するコントローラ(54)と
を備えた排ガス浄化装置。
【請求項２】
前記燃料添加手段(23)が、前記改質触媒(22)より排ガス上流側の集合管部(17b)に設けられ前記改質触媒(22)より排ガス上流側の集合管部(17b)に前記燃料(25)を添加する燃料添加ノズル(24)と、この燃料添加ノズル(24)に前記燃料(25)を供給する燃料供給手段(26)とを有する請求項１記載の排ガス浄化装置。
【請求項３】
前記燃料添加手段が、前記エンジンの各気筒に燃料を噴射する複数の燃料噴射ノズルと、これらの燃料噴射ノズルに前記燃料を供給する燃料供給手段とを有し、前記複数の燃料噴射ノズルから前記エンジンで燃焼される燃料の量を越える量の燃料を噴射するように構成された請求項１記載の排ガス浄化装置。
【請求項４】
前記改質触媒(22)が、ロジウム、パラジウム及び白金からなる群より選ばれた１種又は２種以上の金属を添加したゼオライト又はアルミナをハニカム担体にコーティングして構成された請求項１又は２記載の排ガス浄化装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１３−９６３４６（Ｐ２０１３−９６３４６Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４１８０７（Ｐ２０１１−２４１８０７）
【出願日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【出願人】（０００００５４６３）日野自動車株式会社 (1,484)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【出願人】（０００００５４６３）日野自動車株式会社 (1,484)
【Ｆターム（参考）】
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