排気浄化装置
【課題】ディーゼルエンジンでも三元触媒を適用し得るようにして尿素水タンクや尿素水供給管といった付帯設備を不要とし、尿素水の補給といった手間も省けるようにする。
【解決手段】低圧ループ２１と、高圧ループ２２と、これらの夫々に備えられたＥＧＲバルブ２３，２４（再循環量調整手段）と、排気管４に備えられた三元触媒２０と、低圧ループ２１により加速時に黒煙を生じない程度に抑えたＥＧＲ率でベースとなる排気ガス再循環を実施し且つ高圧ループ２２では不足ＥＧＲ率分を補足するべく追加の排気ガス再循環を実施して空燃比を理論空燃比近傍に抑制し得るように各ＥＧＲバルブ２３，２４を制御する制御装置２７とを備え、各気筒１９への燃料の噴射圧を所定以上に上げ且つその燃料噴射の噴孔径を燃料噴霧の粒が燃焼室の全域に拡散し得るよう調整することで理論空燃比近傍でも燃焼成立し得るように構成する。
【解決手段】低圧ループ２１と、高圧ループ２２と、これらの夫々に備えられたＥＧＲバルブ２３，２４（再循環量調整手段）と、排気管４に備えられた三元触媒２０と、低圧ループ２１により加速時に黒煙を生じない程度に抑えたＥＧＲ率でベースとなる排気ガス再循環を実施し且つ高圧ループ２２では不足ＥＧＲ率分を補足するべく追加の排気ガス再循環を実施して空燃比を理論空燃比近傍に抑制し得るように各ＥＧＲバルブ２３，２４を制御する制御装置２７とを備え、各気筒１９への燃料の噴射圧を所定以上に上げ且つその燃料噴射の噴孔径を燃料噴霧の粒が燃焼室の全域に拡散し得るよう調整することで理論空燃比近傍でも燃焼成立し得るように構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
排気系に装着されて排気ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯxを同時に低減させる触媒として三元触媒が従来から知られており、該三元触媒における反応では、ＨＣ及びＣＯの酸化にＮＯxのＯ2が使われ、該ＮＯxがＮ2に還元されると共に、前記ＨＣ及びＣＯが酸化されてＣＯ2と水（Ｈ2Ｏ）になるので、有害三成分が同時に無害化されることになる。
【０００３】
ただし、三元触媒には、Ｏ2が過不足なく燃料を燃焼させる空燃比、即ち、理論空燃比（ストイキオメトリ）でないと十分な効果が発揮されないという短所があり、排気ガスの残存酸素量が多いディーゼルエンジンで三元触媒は使用されておらず、主としてガソリンエンジンに適用されているのが実情である。
【０００４】
因みに、ディーゼルエンジンでは、単純に燃料の噴射量を増やして空気過剰率（λ）を１程度（理論空燃比）にしても気筒内での燃焼が失火してしまうという不具合があり、また、失火直前の状態にあってもＣＯ，ＨＣがそれほど増えないという不具合もあるため、三元触媒を用いてＨＣ，ＣＯ，ＮＯxの同時低減を図ることは不可能と考えられている。
【０００５】
図３は従来におけるディーゼルエンジンに適用した排気浄化装置の一例を示すもので、ここに図示している例では、ディーゼルエンジン１から排気マニホールド２を介して排出される排気ガス３が流通する排気管４の途中に、酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させ得る性質を備えた選択還元型触媒５が装備されている。
【０００６】
そして、この選択還元型触媒５より上流側の排気管４に、尿素水６を還元剤として噴射する尿素水添加用インジェクタ７（尿素水添加手段）が設置されていると共に、前記選択還元型触媒５の直後には、リークアンモニア対策として余剰のアンモニアを酸化処理するＮＨ3スリップ触媒８が装備されている。
【０００７】
また、前記尿素水添加用インジェクタ７による尿素水６の添加位置より上流側の排気管４に、排気ガス３中の未燃燃料分を酸化処理する機能を高めた酸化触媒９が装備されていると共に、該酸化触媒９の直後には、自身にも酸化触媒を一体的に担持したパティキュレートフィルタ１０が装備されている。
【０００８】
斯かる排気浄化装置によれば、尿素水添加用インジェクタ７から尿素水６が噴射されて排気ガス３中でアンモニアと炭酸ガスに熱分解され、活性下限温度以上の温度条件下で活性状態となっている選択還元型触媒５上で排気ガス３中のＮＯxがアンモニアと効果的に反応して良好に還元浄化されることになる。
【０００９】
また、ここに図示している例では、選択還元型触媒５の上流側にパティキュレートフィルタ１０が装備されているので、該パティキュレートフィルタ１０により排気ガス３中のパティキュレートが捕集されて除去され、パティキュレートの堆積量が所定量に達した際に、ディーゼルエンジン１側で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でポスト噴射を実施すると、このポスト噴射により排気ガス３中に未燃の燃料（主としてＨＣ：炭化水素）が添加され、この未燃の燃料が酸化触媒９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３の流入により後段のパティキュレートフィルタ１０の触媒床温度が上げられてパティキュレートが強制的に燃焼除去される。
【００１０】
尚、この種の尿素水を還元剤として排気ガス中のＮＯxを還元浄化する選択還元型触媒を備えた排気浄化装置に関連する先行技術文献情報としては下記の特許文献１等がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−２３９１０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、斯かる従来の排気浄化装置においては、ＮＯxの還元浄化を行うために尿素水６の添加が必要であるため、この尿素水６を貯留しておくための尿素水タンク１１や尿素水供給管１２、供給ポンプ１３といった付帯設備が必要となり、設備コストが高くつくという問題があり、また、尿素水タンク１１が空にならないように尿素水６を随時補給しなければならないという手間もかかった。
【００１３】
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、ディーゼルエンジンでも三元触媒を適用し得るようにして尿素水タンクや尿素水供給管、供給ポンプといった付帯設備を不要とし、尿素水の補給といった手間も省けるようにした排気浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、ディーゼルエンジンで排気ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯxの同時低減を図るための排気浄化装置であって、ターボチャージャのタービンより下流の排気通路から排気ガスの一部を抜き出して前記ターボチャージャのコンプレッサより上流の吸気通路へ再循環する低圧ループと、排気マニホールドから排気ガスの一部を抜き出して吸気マニホールドの入口付近に再循環する高圧ループと、これら低圧ループ及び高圧ループの夫々に備えられて排気ガスの再循環量を調整する再循環量調整手段と、前記排気通路の途中に備えられた三元触媒と、低圧ループにより加速時に黒煙を生じない程度に抑えたＥＧＲ率でベースとなる排気ガス再循環を実施し且つ高圧ループでは不足ＥＧＲ率分を補足するべく追加の排気ガス再循環を実施して空燃比を理論空燃比近傍に抑制し得るように前記各再循環量調整手段を制御する制御装置とを備え、ディーゼルエンジンの各気筒への燃料の噴射圧を所定以上に上げ且つその燃料噴射の噴孔径を燃料噴霧の粒が燃焼室の全域に拡散し得るよう調整することで理論空燃比近傍でも燃焼成立し得るように構成したことを特徴とするものである。
【００１５】
而して、このようにすれば、低圧ループ側でベースとなる排気ガス再循環が実施され、高圧ループ側では不足ＥＧＲ率分を補足するべく追加の排気ガス再循環が実施されるので、低圧ループと高圧ループの併用により高いＥＧＲ率が実現され、空燃比を理論空燃比に抑制することが可能となる。
【００１６】
即ち、高圧ループ側で分担しなければならない排気ガスの再循環量が高圧ループの単独使用の場合よりも少なくて済み、可変ノズル式のターボチャージャ等で無理な排気ガスの絞り込みを行わなくても、高圧ループ側で分担すべき量の排気ガス再循環が比較的容易に実現されることになる。
【００１７】
これまで高いＥＧＲ率で排気ガスを再循環するのに低圧ループが採用されてこなかったのは、走行中に運転者によりアクセルが踏み込まれて加速状態に入った場合に、空気過剰率が急激に低下して黒煙が発生し易かったからであるが、本発明では、加速時に黒煙を生じない程度に抑えたＥＧＲ率で低圧ループによりベースとなる排気ガス再循環を実施しているにすぎないので、加速時に高圧ループ側の排気ガスの再循環量を即時低減することで黒煙の発生を未然に回避することが可能である。
【００１８】
即ち、低圧ループにおいては、ターボチャージャのコンプレッサより上流の吸気通路へ排気ガスが戻されるが、ここからコンプレッサ、インタークーラ、吸気マニホールドを経てエンジンに到るまでの経路が長く、この長い経路に排気ガスの混合した吸気が存在することになるため、加速時にアクセルの踏み込みに即応して燃料噴射量が増加した場合に、低圧ループの再循環量調整手段を直ちに閉じても、前記長い経路中の排気ガス混じりの吸気が全て使い切られるまで空気過剰率の低い状態が持続して黒煙が発生し易いという欠点がある。
【００１９】
これに対し、高圧ループにおいては、吸気マニホールドの入口付近に排気ガスが戻されるので、排気ガスの混合した吸気は吸気マニホールド内にしか存在せず、加速時に燃料噴射量が増加しても、高圧ループの再循環量調整手段を閉じれば、吸気マニホールド内の排気ガス混じりの吸気が程無く使い切られて空気過剰率が早期に回復するので、加速時における黒煙の発生を回避し易いという利点がある。
【００２０】
そして、このように低圧ループと高圧ループとにより多量の排気ガスを再循環して空燃比を理論空燃比近傍に抑制し、斯かる状態でディーゼルエンジンの各気筒への燃料噴射を実行すると、その燃料噴射の噴射圧と噴孔径の適切な調整により燃料噴霧の粒が燃焼室の全域に拡散し、燃料が良好に分散混合して均等に薄まった状態で燃焼が行われることで燃焼が失火せずに成立することになる。
【００２１】
即ち、燃料噴射の噴射圧を既存のディーゼルエンジンにおける噴射圧よりも大幅に高い圧力に設定することで燃料噴霧をより遠くまで送り込む力を高めると共に、燃料噴射の噴射径を一般的な噴射径より若干大きめにしておくことで噴射圧の上昇に伴う燃料噴霧の過剰な微細化を抑制して噴射の力を受け易い粒の粗さが保たれるようにすれば、燃料噴霧の粒を燃焼室の全域に拡散させて良好に分散混合させることが可能となる。
【００２２】
尚、このように多量の排気ガスを再循環して空燃比を理論空燃比近傍に抑制しても、ディーゼルエンジンの各気筒への燃料噴射の噴射圧と噴孔径の適切な調整により燃焼を成立させ得る事実は、本発明者の鋭意研究の末に見いだされた事実であり、一般的には、単純に燃料の噴射量を増やして空気過剰率を下げることしか提案されていないため、理論空燃比近傍でのディーゼルエンジンの燃焼成立は不可能と考えられている。
【００２３】
しかも、多量の排気ガスを再循環して空燃比を理論空燃比近傍に抑制し、ディーゼルエンジンの各気筒への燃料噴射の噴射圧と噴孔径の適切な調整により燃焼を成立させた場合、排気ガス中にＣＯとＨＣが多量に生成されるという事実も本発明者は確認しており、ディーゼルエンジンでも三元触媒を機能させてＨＣ，ＣＯ，ＮＯxの同時低減を図り得ることが判明している。
【００２４】
即ち、多量の排気ガスを再循環して空燃比を理論空燃比近傍に抑制した条件下では、所定以上の噴射圧で噴射された燃料がＯ2と出会う確率が低いために気筒内の壁面まで到達し易く、ここで燃料が熱分解してＨＣのガスが多量に発生することになるが、この際、Ｏ2より大きく且つ高質量で高引力のＣＯ2が燃焼室内に多く存在することで、該ＣＯ2がＨＣとＯ2との反応を阻害する役割を果たしてＨＣの酸化反応が停滞し、該ＨＣが排気ガス中に多量に残留することになる。
【００２５】
また、ＨＣとＯ2の最初に起こる反応ではＣＯが生成されるだけであり、通常のディーゼルエンジンのように残存酸素量が多く且つ排気ガス再循環によるＣＯ2の量もそれほど多くない条件下では、前記最初の反応で生じたＣＯが次々とＯ2と結びついてＣＯ2まで反応が進むことになるが、多量の排気ガスを再循環して空燃比を理論空燃比近傍に抑制した条件下では、Ｏ2と出会う確率が低く且つ多量のＣＯ2も反応の邪魔になるので、ＣＯの状態のまま排気ガス中に多量に残留することになる。
【００２６】
また、本発明においては、三元触媒がＮＨ3を吸着し得るようゼオライトを触媒原料として含んでいることが好ましく、このようにすれば、過渡運転時等に空燃比が理論空燃比より小さくなって三元触媒上でＮＯxからＮＨ3が生成されてしまう事態となっても、このＮＨ3を三元触媒上に保持し且つこれをＮＯxを還元浄化するための還元剤として消費することが可能となる。
【００２７】
更に、本発明においては、三元触媒の後段にパティキュレートフィルタが備えられていることが好ましく、このようにすれば、パティキュレートフィルタにより排気ガス中のパティキュレートが捕集されて除去されることになり、しかも、そのパティキュレートの堆積量が所定量に達した際に、ディーゼルエンジン側でポスト噴射を実施する等して燃料を添加すれば、この未燃の燃料が三元触媒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の流入により後段のパティキュレートフィルタの触媒床温度が上げられてパティキュレートが強制的に燃焼除去されることになる。
【発明の効果】
【００２８】
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。
【００２９】
（Ｉ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、ディーゼルエンジンでも三元触媒を適用し得るようにすることができるので、尿素水タンクや尿素水供給管、供給ポンプといった付帯設備を不要とすることができて設備コストの大幅な削減を図ることができ、しかも、尿素水の補給といった手間も省くことができて運転者の負担を著しく軽減することができる。
【００３０】
（ＩＩ）本発明の請求項２に記載の発明によれば、過渡運転時等に空燃比が理論空燃比より小さくなって三元触媒上でＮＯxからＮＨ3が生成されてしまう事態となっても、このＮＨ3を三元触媒上に保持し且つこれをＮＯxを還元浄化するための還元剤として消費することができるので、ＮＨ3が車外へ排出されてしまうことを防止することができる。
【００３１】
（ＩＩＩ）本発明の請求項３に記載の発明によれば、排気ガス中のパティキュレートをパティキュレートフィルタにより捕集して除去することができ、しかも、三元触媒をパティキュレートフィルタの強制再生のための酸化触媒の替わりに使うことで従来通りの燃料添加によるパティキュレートフィルタの再生を行うことができ、パティキュレートフィルタの強制再生のための酸化触媒を新たに設けなくて済むことで全体構成のコンパクト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。
【図２】理論空燃比近傍での燃焼成立を確認した実験結果を示すグラフである。
【図３】従来例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００３４】
図１は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図３と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。
【００３５】
ここに図示している例では、ディーゼルエンジン１がターボチャージャ１４を備えており、図示しないエアクリーナから導かれた吸気１５が吸気管１６を通し前記ターボチャージャ１４のコンプレッサ１４ａへと送られ、該コンプレッサ１４ａで加圧された吸気１５がインタークーラ１７へと送られて冷却され、該インタークーラ１７から更に吸気マニホールド１８へと吸気１５が導かれてディーゼルエンジン１の各気筒１９に分配されるようになっている。
【００３６】
更に、このディーゼルエンジン１の各気筒１９から排出された排気ガス３は、排気マニホールド２を介しターボチャージャ１４のタービン１４ｂへと送られ、該タービン１４ｂを駆動した排気ガス３が排気管４を介し車外へ排出されるようにしてあり、該排気管４の途中には、理論空燃比（ストイキオメトリ）近傍でＨＣ，ＣＯ，ＮＯxの同時低減化を図り得る三元触媒２０と、該三元触媒２０の直後に配置されたパティキュレートフィルタ１０とが装備されている。
【００３７】
ここで、前記三元触媒２０は、ＮＨ3を吸着し得るようゼオライトを触媒原料として含んでおり、過渡運転時等に空燃比が理論空燃比より小さくなって三元触媒２０上でＮＯxからＮＨ3が生成されてしまう事態となっても、このＮＨ3を三元触媒２０上に保持し得るようにしてある。
【００３８】
そして、このディーゼルエンジン１にあっては、前記パティキュレートフィルタ１０の下流側から排気ガス３の一部を抜き出して前記ターボチャージャ１４のコンプレッサ１４ａより上流の吸気管１６へ再循環する低圧ループ２１と、排気マニホールド２から排気ガス３の一部を抜き出して吸気マニホールド１８の入口付近に再循環する高圧ループ２２とが装備されている。
【００３９】
前記低圧ループ２１及び高圧ループ２２の夫々には、排気ガス３の再循環量を調整するためのＥＧＲバルブ２３，２４（再循環量調整手段）と、再循環される排気ガス３を冷却するためのＥＧＲクーラ２５，２６が装備されており、該ＥＧＲクーラ２５，２６で冷却水と排気ガス３とを熱交換させることにより排気ガス３の温度を低下し且つその容積を小さくすることで、ディーゼルエンジン１の出力をあまり低下させずに燃焼温度を下げて効果的にＮＯxの発生を低減し得るようにしてある。
【００４０】
そして、前記各ＥＧＲバルブ２３，２４の開度が、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置２７からの開度指令信号２３ａ，２４ａとにより制御されるようになっており、これらの制御については、アクセル開度をディーゼルエンジン１の負荷として検出するアクセルセンサ２８（負荷センサ）からのアクセル開度信号２８ａと、ディーゼルエンジン１の機関回転数を検出する回転センサ２９からの回転数信号２９ａとに基づいて以下の如く実行されるようになっている。
【００４１】
即ち、制御装置２７では、低圧ループ２１により加速時に黒煙を生じない程度に抑えた
ＥＧＲ率（例えば１０〜１５％程度）でベースとなる排気ガス再循環を実施し且つ高圧ループ２２では不足ＥＧＲ率分（１０〜２０％程度分）を補足するべく追加の排気ガス再循環を実施して空燃比を理論空燃比近傍に抑制し得るよう現在の運転状態に応じた各ＥＧＲバルブ２３，２４の開度が指示されるようになっている。
【００４２】
この際、ディーゼルエンジン１は、各気筒１９への燃料の噴射圧を所定以上に上げ且つその燃料噴射の噴孔径を燃料噴霧の粒が燃焼室の全域に拡散し得るよう調整することで理論空燃比近傍でも燃焼成立し得るように構成されている。
【００４３】
而して、このようにすれば、低圧ループ２１側でベースとなる排気ガス再循環が実施され、高圧ループ２２側では不足ＥＧＲ率分を補足するべく追加の排気ガス再循環が実施されるので、低圧ループ２１と高圧ループ２２の併用により高いＥＧＲ率が実現され、空燃比を理論空燃比に抑制することが可能となる。
【００４４】
即ち、高圧ループ２２側で分担しなければならない排気ガス３の再循環量が高圧ループ２２の単独使用の場合よりも少なくて済み、可変ノズル式のターボチャージャ等で無理な排気ガス３の絞り込みを行わなくても、高圧ループ２２側で分担すべき量の排気ガス再循環が比較的容易に実現されることになる。
【００４５】
因みに、高いＥＧＲ率で排気ガス３を再循環するのに低圧ループ２１が今まで採用されてこなかったのは、走行中に運転者によりアクセルが踏み込まれて加速状態に入った場合に、空気過剰率が急激に低下して黒煙が発生し易かったからであるが、本形態例では、加速時に黒煙を生じない程度に抑えたＥＧＲ率で低圧ループ２１によりベースとなる排気ガス再循環を実施しているにすぎないので、加速時に高圧ループ２２側の排気ガス３の再循環量を即時低減することで黒煙の発生を未然に回避することが可能である。
【００４６】
即ち、低圧ループ２１においては、ターボチャージャ１４のコンプレッサ１４ａより上流の吸気管１６へ排気ガス３が戻されるが、ここからコンプレッサ１４ａ、インタークーラ１７、吸気マニホールド１８を経てディーゼルエンジン１に到るまでの経路が長く、この長い経路に排気ガス３の混合した吸気が存在することになるため、加速時にアクセルの踏み込みに即応して燃料噴射量が増加した場合に、低圧ループ２１のＥＧＲバルブ２３を直ちに閉じても、前記長い経路中の排気ガス３混じりの吸気が全て使い切られるまで空気過剰率の低い状態が持続して黒煙が発生し易いという欠点がある。
【００４７】
これに対し、高圧ループ２２においては、吸気マニホールド１８の入口付近に排気ガス３が戻されるので、排気ガス３の混合した吸気１５は吸気マニホールド１８内にしか存在せず、加速時に燃料噴射量が増加しても、高圧ループ２２のＥＧＲバルブ２４を閉じれば、吸気マニホールド１８内の排気ガス３混じりの吸気１５が程無く使い切られて空気過剰率が早期に回復するので、加速時における黒煙の発生を回避し易いという利点がある。
【００４８】
そして、このように低圧ループ２１と高圧ループ２２とにより多量の排気ガス３を再循環して空燃比を理論空燃比近傍に抑制し、斯かる状態でディーゼルエンジン１の各気筒１９への燃料噴射を実行すると、その燃料噴射の噴射圧と噴孔径の適切な調整により燃料噴霧の粒が燃焼室の全域に拡散し、燃料が良好に分散混合して均等に薄まった状態で燃焼が行われることで燃焼が失火せずに成立することになる。
【００４９】
即ち、燃料噴射の噴射圧を既存のディーゼルエンジン１における噴射圧よりも大幅に高い圧力に設定することで燃料噴霧をより遠くまで送り込む力を高めると共に、燃料噴射の噴射径を一般的な噴射径より若干大きめにしておくことで噴射圧の上昇に伴う燃料噴霧の過剰な微細化を抑制して噴射の力を受け易い粒の粗さが保たれるようにすれば、燃料噴霧の粒を燃焼室の全域に拡散させて良好に分散混合させることが可能となる。
【００５０】
尚、このように多量の排気ガス３を再循環して空燃比を理論空燃比近傍に抑制しても、ディーゼルエンジン１の各気筒１９への燃料噴射の噴射圧と噴孔径の適切な調整により燃焼を成立させ得る事実は、本発明者の鋭意研究の末に見いだされた事実であり、一般的には、単純に燃料の噴射量を増やして空気過剰率を下げることしか提案されていないため、理論空燃比近傍でのディーゼルエンジン１の燃焼成立は不可能と考えられているが、図２にグラフで実験結果を示している通り、噴射径を通常のディーゼルエンジンよりも若干大きめとした上で燃料噴射の噴射圧を２０００ｋｇ／ｃｍ2程度まで上げれば、煙の発生を１５％以下に抑えて燃焼を成立させられることを既に本発明者は確認している。
【００５１】
しかも、多量の排気ガス３を再循環して空燃比を理論空燃比近傍に抑制し、ディーゼルエンジン１の各気筒１９への燃料噴射の噴射圧と噴孔径の適切な調整により燃焼を成立させた場合、排気ガス３中にＣＯとＨＣが多量に生成されるという事実も本発明者は確認しており、ディーゼルエンジン１でも三元触媒２０を機能させてＨＣ，ＣＯ，ＮＯxの同時低減を図り得ることが判明している。
【００５２】
即ち、多量の排気ガス３を再循環して空燃比を理論空燃比近傍に抑制した条件下では、所定以上の噴射圧で噴射された燃料がＯ2と出会う確率が低いために気筒１９内の壁面まで到達し易く、ここで燃料が熱分解してＨＣのガスが多量に発生することになるが、この際、Ｏ2より大きく且つ高質量で高引力のＣＯ2が燃焼室内に多く存在することで、該ＣＯ2がＨＣとＯ2との反応を阻害する役割を果たしてＨＣの酸化反応が停滞し、該ＨＣが排気ガス３中に多量に残留することになる。
【００５３】
また、ＨＣとＯ2の最初に起こる反応ではＣＯが生成されるだけであり、通常のディーゼルエンジン１のように残存酸素量が多く且つ排気ガス再循環によるＣＯ2の量もそれほど多くない条件下では、前記最初の反応で生じたＣＯが次々とＯ2と結びついてＣＯ2まで反応が進むことになるが、多量の排気ガス３を再循環して空燃比を理論空燃比近傍に抑制した条件下では、Ｏ2と出会う確率が低く且つ多量のＣＯ2も反応の邪魔になるので、ＣＯの状態のまま排気ガス３中に多量に残留することになる。
【００５４】
また、本形態例においては、三元触媒２０がＮＨ3を吸着し得るようゼオライトを触媒原料として含んでいるので、過渡運転時等に空燃比が理論空燃比より小さくなって三元触媒２０上でＮＯxからＮＨ3が生成されてしまう事態となっても、このＮＨ3を三元触媒２０上に保持し且つこれをＮＯxを還元浄化するための還元剤として消費することが可能となる。
【００５５】
更に、三元触媒２０の後段にパティキュレートフィルタ１０が備えられているので、パティキュレートフィルタ１０により排気ガス３中のパティキュレートが捕集されて除去されることになり、しかも、そのパティキュレートの堆積量が所定量に達した際に、ディーゼルエンジン１側でポスト噴射を実施する等して燃料を添加すれば、この未燃の燃料が三元触媒２０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３の流入により後段のパティキュレートフィルタ１０の触媒床温度が上げられてパティキュレートが強制的に燃焼除去されることになる。
【００５６】
従って、上記形態例によれば、ディーゼルエンジン１でも三元触媒２０を適用し得るようにすることができるので、尿素水タンク１１（図３参照）や尿素水供給管１２（図３参照）、供給ポンプ１３（図３参照）といった付帯設備を不要とすることができて設備コストの大幅な削減を図ることができ、しかも、尿素水６の補給といった手間も省くことができて運転者の負担を著しく軽減することができる。
【００５７】
また、過渡運転時等に空燃比が理論空燃比より小さくなって三元触媒２０上でＮＯxからＮＨ3が生成されてしまう事態となっても、このＮＨ3を三元触媒２０上に保持し且つこれをＮＯxを還元浄化するための還元剤として消費することができるので、ＮＨ3が車外へ排出されてしまうことを防止することができる。
【００５８】
更に、排気ガス３中のパティキュレートをパティキュレートフィルタ１０により捕集して除去することができ、しかも、三元触媒２０をパティキュレートフィルタ１０の強制再生のための酸化触媒の替わりに使うことで従来通りの燃料添加によるパティキュレートフィルタ１０の再生を行うことができ、パティキュレートフィルタ１０の強制再生のための酸化触媒を新たに設けなくて済むことで全体構成のコンパクト化を図ることができる。
【００５９】
また、特に図１に示している如きパティキュレートフィルタ１０の下流側から排気ガス３の一部を抜き出して再循環させるようにすれば、再循環する排気ガス３に含まれるパティキュレート（煤分）による吸気系（コンプレッサ１４ａや吸気管１６、インタークーラ１７等）の汚損を回避することもできる。
【００６０】
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、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。
【符号の説明】
【００６１】
１ ディーゼルエンジン
２ 排気マニホールド
３ 排気ガス
４ 排気管
１０ パティキュレートフィルタ
１４ ターボチャージャ
１４ａ コンプレッサ
１４ｂ タービン
１５ 吸気
１６ 吸気管
１８ 吸気マニホールド
１９ 気筒
２０ 三元触媒
２１ 低圧ループ
２２ 高圧ループ
２３ ＥＧＲバルブ（再循環量調整手段）
２４ ＥＧＲバルブ（再循環量調整手段）
２７ 制御装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
排気系に装着されて排気ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯxを同時に低減させる触媒として三元触媒が従来から知られており、該三元触媒における反応では、ＨＣ及びＣＯの酸化にＮＯxのＯ2が使われ、該ＮＯxがＮ2に還元されると共に、前記ＨＣ及びＣＯが酸化されてＣＯ2と水（Ｈ2Ｏ）になるので、有害三成分が同時に無害化されることになる。
【０００３】
ただし、三元触媒には、Ｏ2が過不足なく燃料を燃焼させる空燃比、即ち、理論空燃比（ストイキオメトリ）でないと十分な効果が発揮されないという短所があり、排気ガスの残存酸素量が多いディーゼルエンジンで三元触媒は使用されておらず、主としてガソリンエンジンに適用されているのが実情である。
【０００４】
因みに、ディーゼルエンジンでは、単純に燃料の噴射量を増やして空気過剰率（λ）を１程度（理論空燃比）にしても気筒内での燃焼が失火してしまうという不具合があり、また、失火直前の状態にあってもＣＯ，ＨＣがそれほど増えないという不具合もあるため、三元触媒を用いてＨＣ，ＣＯ，ＮＯxの同時低減を図ることは不可能と考えられている。
【０００５】
図３は従来におけるディーゼルエンジンに適用した排気浄化装置の一例を示すもので、ここに図示している例では、ディーゼルエンジン１から排気マニホールド２を介して排出される排気ガス３が流通する排気管４の途中に、酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させ得る性質を備えた選択還元型触媒５が装備されている。
【０００６】
そして、この選択還元型触媒５より上流側の排気管４に、尿素水６を還元剤として噴射する尿素水添加用インジェクタ７（尿素水添加手段）が設置されていると共に、前記選択還元型触媒５の直後には、リークアンモニア対策として余剰のアンモニアを酸化処理するＮＨ3スリップ触媒８が装備されている。
【０００７】
また、前記尿素水添加用インジェクタ７による尿素水６の添加位置より上流側の排気管４に、排気ガス３中の未燃燃料分を酸化処理する機能を高めた酸化触媒９が装備されていると共に、該酸化触媒９の直後には、自身にも酸化触媒を一体的に担持したパティキュレートフィルタ１０が装備されている。
【０００８】
斯かる排気浄化装置によれば、尿素水添加用インジェクタ７から尿素水６が噴射されて排気ガス３中でアンモニアと炭酸ガスに熱分解され、活性下限温度以上の温度条件下で活性状態となっている選択還元型触媒５上で排気ガス３中のＮＯxがアンモニアと効果的に反応して良好に還元浄化されることになる。
【０００９】
また、ここに図示している例では、選択還元型触媒５の上流側にパティキュレートフィルタ１０が装備されているので、該パティキュレートフィルタ１０により排気ガス３中のパティキュレートが捕集されて除去され、パティキュレートの堆積量が所定量に達した際に、ディーゼルエンジン１側で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でポスト噴射を実施すると、このポスト噴射により排気ガス３中に未燃の燃料（主としてＨＣ：炭化水素）が添加され、この未燃の燃料が酸化触媒９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３の流入により後段のパティキュレートフィルタ１０の触媒床温度が上げられてパティキュレートが強制的に燃焼除去される。
【００１０】
尚、この種の尿素水を還元剤として排気ガス中のＮＯxを還元浄化する選択還元型触媒を備えた排気浄化装置に関連する先行技術文献情報としては下記の特許文献１等がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−２３９１０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、斯かる従来の排気浄化装置においては、ＮＯxの還元浄化を行うために尿素水６の添加が必要であるため、この尿素水６を貯留しておくための尿素水タンク１１や尿素水供給管１２、供給ポンプ１３といった付帯設備が必要となり、設備コストが高くつくという問題があり、また、尿素水タンク１１が空にならないように尿素水６を随時補給しなければならないという手間もかかった。
【００１３】
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、ディーゼルエンジンでも三元触媒を適用し得るようにして尿素水タンクや尿素水供給管、供給ポンプといった付帯設備を不要とし、尿素水の補給といった手間も省けるようにした排気浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、ディーゼルエンジンで排気ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯxの同時低減を図るための排気浄化装置であって、ターボチャージャのタービンより下流の排気通路から排気ガスの一部を抜き出して前記ターボチャージャのコンプレッサより上流の吸気通路へ再循環する低圧ループと、排気マニホールドから排気ガスの一部を抜き出して吸気マニホールドの入口付近に再循環する高圧ループと、これら低圧ループ及び高圧ループの夫々に備えられて排気ガスの再循環量を調整する再循環量調整手段と、前記排気通路の途中に備えられた三元触媒と、低圧ループにより加速時に黒煙を生じない程度に抑えたＥＧＲ率でベースとなる排気ガス再循環を実施し且つ高圧ループでは不足ＥＧＲ率分を補足するべく追加の排気ガス再循環を実施して空燃比を理論空燃比近傍に抑制し得るように前記各再循環量調整手段を制御する制御装置とを備え、ディーゼルエンジンの各気筒への燃料の噴射圧を所定以上に上げ且つその燃料噴射の噴孔径を燃料噴霧の粒が燃焼室の全域に拡散し得るよう調整することで理論空燃比近傍でも燃焼成立し得るように構成したことを特徴とするものである。
【００１５】
而して、このようにすれば、低圧ループ側でベースとなる排気ガス再循環が実施され、高圧ループ側では不足ＥＧＲ率分を補足するべく追加の排気ガス再循環が実施されるので、低圧ループと高圧ループの併用により高いＥＧＲ率が実現され、空燃比を理論空燃比に抑制することが可能となる。
【００１６】
即ち、高圧ループ側で分担しなければならない排気ガスの再循環量が高圧ループの単独使用の場合よりも少なくて済み、可変ノズル式のターボチャージャ等で無理な排気ガスの絞り込みを行わなくても、高圧ループ側で分担すべき量の排気ガス再循環が比較的容易に実現されることになる。
【００１７】
これまで高いＥＧＲ率で排気ガスを再循環するのに低圧ループが採用されてこなかったのは、走行中に運転者によりアクセルが踏み込まれて加速状態に入った場合に、空気過剰率が急激に低下して黒煙が発生し易かったからであるが、本発明では、加速時に黒煙を生じない程度に抑えたＥＧＲ率で低圧ループによりベースとなる排気ガス再循環を実施しているにすぎないので、加速時に高圧ループ側の排気ガスの再循環量を即時低減することで黒煙の発生を未然に回避することが可能である。
【００１８】
即ち、低圧ループにおいては、ターボチャージャのコンプレッサより上流の吸気通路へ排気ガスが戻されるが、ここからコンプレッサ、インタークーラ、吸気マニホールドを経てエンジンに到るまでの経路が長く、この長い経路に排気ガスの混合した吸気が存在することになるため、加速時にアクセルの踏み込みに即応して燃料噴射量が増加した場合に、低圧ループの再循環量調整手段を直ちに閉じても、前記長い経路中の排気ガス混じりの吸気が全て使い切られるまで空気過剰率の低い状態が持続して黒煙が発生し易いという欠点がある。
【００１９】
これに対し、高圧ループにおいては、吸気マニホールドの入口付近に排気ガスが戻されるので、排気ガスの混合した吸気は吸気マニホールド内にしか存在せず、加速時に燃料噴射量が増加しても、高圧ループの再循環量調整手段を閉じれば、吸気マニホールド内の排気ガス混じりの吸気が程無く使い切られて空気過剰率が早期に回復するので、加速時における黒煙の発生を回避し易いという利点がある。
【００２０】
そして、このように低圧ループと高圧ループとにより多量の排気ガスを再循環して空燃比を理論空燃比近傍に抑制し、斯かる状態でディーゼルエンジンの各気筒への燃料噴射を実行すると、その燃料噴射の噴射圧と噴孔径の適切な調整により燃料噴霧の粒が燃焼室の全域に拡散し、燃料が良好に分散混合して均等に薄まった状態で燃焼が行われることで燃焼が失火せずに成立することになる。
【００２１】
即ち、燃料噴射の噴射圧を既存のディーゼルエンジンにおける噴射圧よりも大幅に高い圧力に設定することで燃料噴霧をより遠くまで送り込む力を高めると共に、燃料噴射の噴射径を一般的な噴射径より若干大きめにしておくことで噴射圧の上昇に伴う燃料噴霧の過剰な微細化を抑制して噴射の力を受け易い粒の粗さが保たれるようにすれば、燃料噴霧の粒を燃焼室の全域に拡散させて良好に分散混合させることが可能となる。
【００２２】
尚、このように多量の排気ガスを再循環して空燃比を理論空燃比近傍に抑制しても、ディーゼルエンジンの各気筒への燃料噴射の噴射圧と噴孔径の適切な調整により燃焼を成立させ得る事実は、本発明者の鋭意研究の末に見いだされた事実であり、一般的には、単純に燃料の噴射量を増やして空気過剰率を下げることしか提案されていないため、理論空燃比近傍でのディーゼルエンジンの燃焼成立は不可能と考えられている。
【００２３】
しかも、多量の排気ガスを再循環して空燃比を理論空燃比近傍に抑制し、ディーゼルエンジンの各気筒への燃料噴射の噴射圧と噴孔径の適切な調整により燃焼を成立させた場合、排気ガス中にＣＯとＨＣが多量に生成されるという事実も本発明者は確認しており、ディーゼルエンジンでも三元触媒を機能させてＨＣ，ＣＯ，ＮＯxの同時低減を図り得ることが判明している。
【００２４】
即ち、多量の排気ガスを再循環して空燃比を理論空燃比近傍に抑制した条件下では、所定以上の噴射圧で噴射された燃料がＯ2と出会う確率が低いために気筒内の壁面まで到達し易く、ここで燃料が熱分解してＨＣのガスが多量に発生することになるが、この際、Ｏ2より大きく且つ高質量で高引力のＣＯ2が燃焼室内に多く存在することで、該ＣＯ2がＨＣとＯ2との反応を阻害する役割を果たしてＨＣの酸化反応が停滞し、該ＨＣが排気ガス中に多量に残留することになる。
【００２５】
また、ＨＣとＯ2の最初に起こる反応ではＣＯが生成されるだけであり、通常のディーゼルエンジンのように残存酸素量が多く且つ排気ガス再循環によるＣＯ2の量もそれほど多くない条件下では、前記最初の反応で生じたＣＯが次々とＯ2と結びついてＣＯ2まで反応が進むことになるが、多量の排気ガスを再循環して空燃比を理論空燃比近傍に抑制した条件下では、Ｏ2と出会う確率が低く且つ多量のＣＯ2も反応の邪魔になるので、ＣＯの状態のまま排気ガス中に多量に残留することになる。
【００２６】
また、本発明においては、三元触媒がＮＨ3を吸着し得るようゼオライトを触媒原料として含んでいることが好ましく、このようにすれば、過渡運転時等に空燃比が理論空燃比より小さくなって三元触媒上でＮＯxからＮＨ3が生成されてしまう事態となっても、このＮＨ3を三元触媒上に保持し且つこれをＮＯxを還元浄化するための還元剤として消費することが可能となる。
【００２７】
更に、本発明においては、三元触媒の後段にパティキュレートフィルタが備えられていることが好ましく、このようにすれば、パティキュレートフィルタにより排気ガス中のパティキュレートが捕集されて除去されることになり、しかも、そのパティキュレートの堆積量が所定量に達した際に、ディーゼルエンジン側でポスト噴射を実施する等して燃料を添加すれば、この未燃の燃料が三元触媒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の流入により後段のパティキュレートフィルタの触媒床温度が上げられてパティキュレートが強制的に燃焼除去されることになる。
【発明の効果】
【００２８】
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。
【００２９】
（Ｉ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、ディーゼルエンジンでも三元触媒を適用し得るようにすることができるので、尿素水タンクや尿素水供給管、供給ポンプといった付帯設備を不要とすることができて設備コストの大幅な削減を図ることができ、しかも、尿素水の補給といった手間も省くことができて運転者の負担を著しく軽減することができる。
【００３０】
（ＩＩ）本発明の請求項２に記載の発明によれば、過渡運転時等に空燃比が理論空燃比より小さくなって三元触媒上でＮＯxからＮＨ3が生成されてしまう事態となっても、このＮＨ3を三元触媒上に保持し且つこれをＮＯxを還元浄化するための還元剤として消費することができるので、ＮＨ3が車外へ排出されてしまうことを防止することができる。
【００３１】
（ＩＩＩ）本発明の請求項３に記載の発明によれば、排気ガス中のパティキュレートをパティキュレートフィルタにより捕集して除去することができ、しかも、三元触媒をパティキュレートフィルタの強制再生のための酸化触媒の替わりに使うことで従来通りの燃料添加によるパティキュレートフィルタの再生を行うことができ、パティキュレートフィルタの強制再生のための酸化触媒を新たに設けなくて済むことで全体構成のコンパクト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。
【図２】理論空燃比近傍での燃焼成立を確認した実験結果を示すグラフである。
【図３】従来例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００３４】
図１は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図３と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。
【００３５】
ここに図示している例では、ディーゼルエンジン１がターボチャージャ１４を備えており、図示しないエアクリーナから導かれた吸気１５が吸気管１６を通し前記ターボチャージャ１４のコンプレッサ１４ａへと送られ、該コンプレッサ１４ａで加圧された吸気１５がインタークーラ１７へと送られて冷却され、該インタークーラ１７から更に吸気マニホールド１８へと吸気１５が導かれてディーゼルエンジン１の各気筒１９に分配されるようになっている。
【００３６】
更に、このディーゼルエンジン１の各気筒１９から排出された排気ガス３は、排気マニホールド２を介しターボチャージャ１４のタービン１４ｂへと送られ、該タービン１４ｂを駆動した排気ガス３が排気管４を介し車外へ排出されるようにしてあり、該排気管４の途中には、理論空燃比（ストイキオメトリ）近傍でＨＣ，ＣＯ，ＮＯxの同時低減化を図り得る三元触媒２０と、該三元触媒２０の直後に配置されたパティキュレートフィルタ１０とが装備されている。
【００３７】
ここで、前記三元触媒２０は、ＮＨ3を吸着し得るようゼオライトを触媒原料として含んでおり、過渡運転時等に空燃比が理論空燃比より小さくなって三元触媒２０上でＮＯxからＮＨ3が生成されてしまう事態となっても、このＮＨ3を三元触媒２０上に保持し得るようにしてある。
【００３８】
そして、このディーゼルエンジン１にあっては、前記パティキュレートフィルタ１０の下流側から排気ガス３の一部を抜き出して前記ターボチャージャ１４のコンプレッサ１４ａより上流の吸気管１６へ再循環する低圧ループ２１と、排気マニホールド２から排気ガス３の一部を抜き出して吸気マニホールド１８の入口付近に再循環する高圧ループ２２とが装備されている。
【００３９】
前記低圧ループ２１及び高圧ループ２２の夫々には、排気ガス３の再循環量を調整するためのＥＧＲバルブ２３，２４（再循環量調整手段）と、再循環される排気ガス３を冷却するためのＥＧＲクーラ２５，２６が装備されており、該ＥＧＲクーラ２５，２６で冷却水と排気ガス３とを熱交換させることにより排気ガス３の温度を低下し且つその容積を小さくすることで、ディーゼルエンジン１の出力をあまり低下させずに燃焼温度を下げて効果的にＮＯxの発生を低減し得るようにしてある。
【００４０】
そして、前記各ＥＧＲバルブ２３，２４の開度が、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置２７からの開度指令信号２３ａ，２４ａとにより制御されるようになっており、これらの制御については、アクセル開度をディーゼルエンジン１の負荷として検出するアクセルセンサ２８（負荷センサ）からのアクセル開度信号２８ａと、ディーゼルエンジン１の機関回転数を検出する回転センサ２９からの回転数信号２９ａとに基づいて以下の如く実行されるようになっている。
【００４１】
即ち、制御装置２７では、低圧ループ２１により加速時に黒煙を生じない程度に抑えた
ＥＧＲ率（例えば１０〜１５％程度）でベースとなる排気ガス再循環を実施し且つ高圧ループ２２では不足ＥＧＲ率分（１０〜２０％程度分）を補足するべく追加の排気ガス再循環を実施して空燃比を理論空燃比近傍に抑制し得るよう現在の運転状態に応じた各ＥＧＲバルブ２３，２４の開度が指示されるようになっている。
【００４２】
この際、ディーゼルエンジン１は、各気筒１９への燃料の噴射圧を所定以上に上げ且つその燃料噴射の噴孔径を燃料噴霧の粒が燃焼室の全域に拡散し得るよう調整することで理論空燃比近傍でも燃焼成立し得るように構成されている。
【００４３】
而して、このようにすれば、低圧ループ２１側でベースとなる排気ガス再循環が実施され、高圧ループ２２側では不足ＥＧＲ率分を補足するべく追加の排気ガス再循環が実施されるので、低圧ループ２１と高圧ループ２２の併用により高いＥＧＲ率が実現され、空燃比を理論空燃比に抑制することが可能となる。
【００４４】
即ち、高圧ループ２２側で分担しなければならない排気ガス３の再循環量が高圧ループ２２の単独使用の場合よりも少なくて済み、可変ノズル式のターボチャージャ等で無理な排気ガス３の絞り込みを行わなくても、高圧ループ２２側で分担すべき量の排気ガス再循環が比較的容易に実現されることになる。
【００４５】
因みに、高いＥＧＲ率で排気ガス３を再循環するのに低圧ループ２１が今まで採用されてこなかったのは、走行中に運転者によりアクセルが踏み込まれて加速状態に入った場合に、空気過剰率が急激に低下して黒煙が発生し易かったからであるが、本形態例では、加速時に黒煙を生じない程度に抑えたＥＧＲ率で低圧ループ２１によりベースとなる排気ガス再循環を実施しているにすぎないので、加速時に高圧ループ２２側の排気ガス３の再循環量を即時低減することで黒煙の発生を未然に回避することが可能である。
【００４６】
即ち、低圧ループ２１においては、ターボチャージャ１４のコンプレッサ１４ａより上流の吸気管１６へ排気ガス３が戻されるが、ここからコンプレッサ１４ａ、インタークーラ１７、吸気マニホールド１８を経てディーゼルエンジン１に到るまでの経路が長く、この長い経路に排気ガス３の混合した吸気が存在することになるため、加速時にアクセルの踏み込みに即応して燃料噴射量が増加した場合に、低圧ループ２１のＥＧＲバルブ２３を直ちに閉じても、前記長い経路中の排気ガス３混じりの吸気が全て使い切られるまで空気過剰率の低い状態が持続して黒煙が発生し易いという欠点がある。
【００４７】
これに対し、高圧ループ２２においては、吸気マニホールド１８の入口付近に排気ガス３が戻されるので、排気ガス３の混合した吸気１５は吸気マニホールド１８内にしか存在せず、加速時に燃料噴射量が増加しても、高圧ループ２２のＥＧＲバルブ２４を閉じれば、吸気マニホールド１８内の排気ガス３混じりの吸気１５が程無く使い切られて空気過剰率が早期に回復するので、加速時における黒煙の発生を回避し易いという利点がある。
【００４８】
そして、このように低圧ループ２１と高圧ループ２２とにより多量の排気ガス３を再循環して空燃比を理論空燃比近傍に抑制し、斯かる状態でディーゼルエンジン１の各気筒１９への燃料噴射を実行すると、その燃料噴射の噴射圧と噴孔径の適切な調整により燃料噴霧の粒が燃焼室の全域に拡散し、燃料が良好に分散混合して均等に薄まった状態で燃焼が行われることで燃焼が失火せずに成立することになる。
【００４９】
即ち、燃料噴射の噴射圧を既存のディーゼルエンジン１における噴射圧よりも大幅に高い圧力に設定することで燃料噴霧をより遠くまで送り込む力を高めると共に、燃料噴射の噴射径を一般的な噴射径より若干大きめにしておくことで噴射圧の上昇に伴う燃料噴霧の過剰な微細化を抑制して噴射の力を受け易い粒の粗さが保たれるようにすれば、燃料噴霧の粒を燃焼室の全域に拡散させて良好に分散混合させることが可能となる。
【００５０】
尚、このように多量の排気ガス３を再循環して空燃比を理論空燃比近傍に抑制しても、ディーゼルエンジン１の各気筒１９への燃料噴射の噴射圧と噴孔径の適切な調整により燃焼を成立させ得る事実は、本発明者の鋭意研究の末に見いだされた事実であり、一般的には、単純に燃料の噴射量を増やして空気過剰率を下げることしか提案されていないため、理論空燃比近傍でのディーゼルエンジン１の燃焼成立は不可能と考えられているが、図２にグラフで実験結果を示している通り、噴射径を通常のディーゼルエンジンよりも若干大きめとした上で燃料噴射の噴射圧を２０００ｋｇ／ｃｍ2程度まで上げれば、煙の発生を１５％以下に抑えて燃焼を成立させられることを既に本発明者は確認している。
【００５１】
しかも、多量の排気ガス３を再循環して空燃比を理論空燃比近傍に抑制し、ディーゼルエンジン１の各気筒１９への燃料噴射の噴射圧と噴孔径の適切な調整により燃焼を成立させた場合、排気ガス３中にＣＯとＨＣが多量に生成されるという事実も本発明者は確認しており、ディーゼルエンジン１でも三元触媒２０を機能させてＨＣ，ＣＯ，ＮＯxの同時低減を図り得ることが判明している。
【００５２】
即ち、多量の排気ガス３を再循環して空燃比を理論空燃比近傍に抑制した条件下では、所定以上の噴射圧で噴射された燃料がＯ2と出会う確率が低いために気筒１９内の壁面まで到達し易く、ここで燃料が熱分解してＨＣのガスが多量に発生することになるが、この際、Ｏ2より大きく且つ高質量で高引力のＣＯ2が燃焼室内に多く存在することで、該ＣＯ2がＨＣとＯ2との反応を阻害する役割を果たしてＨＣの酸化反応が停滞し、該ＨＣが排気ガス３中に多量に残留することになる。
【００５３】
また、ＨＣとＯ2の最初に起こる反応ではＣＯが生成されるだけであり、通常のディーゼルエンジン１のように残存酸素量が多く且つ排気ガス再循環によるＣＯ2の量もそれほど多くない条件下では、前記最初の反応で生じたＣＯが次々とＯ2と結びついてＣＯ2まで反応が進むことになるが、多量の排気ガス３を再循環して空燃比を理論空燃比近傍に抑制した条件下では、Ｏ2と出会う確率が低く且つ多量のＣＯ2も反応の邪魔になるので、ＣＯの状態のまま排気ガス３中に多量に残留することになる。
【００５４】
また、本形態例においては、三元触媒２０がＮＨ3を吸着し得るようゼオライトを触媒原料として含んでいるので、過渡運転時等に空燃比が理論空燃比より小さくなって三元触媒２０上でＮＯxからＮＨ3が生成されてしまう事態となっても、このＮＨ3を三元触媒２０上に保持し且つこれをＮＯxを還元浄化するための還元剤として消費することが可能となる。
【００５５】
更に、三元触媒２０の後段にパティキュレートフィルタ１０が備えられているので、パティキュレートフィルタ１０により排気ガス３中のパティキュレートが捕集されて除去されることになり、しかも、そのパティキュレートの堆積量が所定量に達した際に、ディーゼルエンジン１側でポスト噴射を実施する等して燃料を添加すれば、この未燃の燃料が三元触媒２０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３の流入により後段のパティキュレートフィルタ１０の触媒床温度が上げられてパティキュレートが強制的に燃焼除去されることになる。
【００５６】
従って、上記形態例によれば、ディーゼルエンジン１でも三元触媒２０を適用し得るようにすることができるので、尿素水タンク１１（図３参照）や尿素水供給管１２（図３参照）、供給ポンプ１３（図３参照）といった付帯設備を不要とすることができて設備コストの大幅な削減を図ることができ、しかも、尿素水６の補給といった手間も省くことができて運転者の負担を著しく軽減することができる。
【００５７】
また、過渡運転時等に空燃比が理論空燃比より小さくなって三元触媒２０上でＮＯxからＮＨ3が生成されてしまう事態となっても、このＮＨ3を三元触媒２０上に保持し且つこれをＮＯxを還元浄化するための還元剤として消費することができるので、ＮＨ3が車外へ排出されてしまうことを防止することができる。
【００５８】
更に、排気ガス３中のパティキュレートをパティキュレートフィルタ１０により捕集して除去することができ、しかも、三元触媒２０をパティキュレートフィルタ１０の強制再生のための酸化触媒の替わりに使うことで従来通りの燃料添加によるパティキュレートフィルタ１０の再生を行うことができ、パティキュレートフィルタ１０の強制再生のための酸化触媒を新たに設けなくて済むことで全体構成のコンパクト化を図ることができる。
【００５９】
また、特に図１に示している如きパティキュレートフィルタ１０の下流側から排気ガス３の一部を抜き出して再循環させるようにすれば、再循環する排気ガス３に含まれるパティキュレート（煤分）による吸気系（コンプレッサ１４ａや吸気管１６、インタークーラ１７等）の汚損を回避することもできる。
【００６０】
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、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。
【符号の説明】
【００６１】
１ ディーゼルエンジン
２ 排気マニホールド
３ 排気ガス
４ 排気管
１０ パティキュレートフィルタ
１４ ターボチャージャ
１４ａ コンプレッサ
１４ｂ タービン
１５ 吸気
１６ 吸気管
１８ 吸気マニホールド
１９ 気筒
２０ 三元触媒
２１ 低圧ループ
２２ 高圧ループ
２３ ＥＧＲバルブ（再循環量調整手段）
２４ ＥＧＲバルブ（再循環量調整手段）
２７ 制御装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディーゼルエンジンで排気ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯxの同時低減を図るための排気浄化装置であって、ターボチャージャのタービンより下流の排気通路から排気ガスの一部を抜き出して前記ターボチャージャのコンプレッサより上流の吸気通路へ再循環する低圧ループと、排気マニホールドから排気ガスの一部を抜き出して吸気マニホールドの入口付近に再循環する高圧ループと、これら低圧ループ及び高圧ループの夫々に備えられて排気ガスの再循環量を調整する再循環量調整手段と、前記排気通路の途中に備えられた三元触媒と、低圧ループにより加速時に黒煙を生じない程度に抑えたＥＧＲ率でベースとなる排気ガス再循環を実施し且つ高圧ループでは不足ＥＧＲ率分を補足するべく追加の排気ガス再循環を実施して空燃比を理論空燃比近傍に抑制し得るように前記各再循環量調整手段を制御する制御装置とを備え、ディーゼルエンジンの各気筒への燃料の噴射圧を所定以上に上げ且つその燃料噴射の噴孔径を燃料噴霧の粒が燃焼室の全域に拡散し得るよう調整することで理論空燃比近傍でも燃焼成立し得るように構成したことを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
三元触媒がＮＨ3を吸着し得るようゼオライトを触媒原料として含んでいることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項３】
三元触媒の後段にパティキュレートフィルタが備えられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気浄化装置。
【請求項１】
ディーゼルエンジンで排気ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯxの同時低減を図るための排気浄化装置であって、ターボチャージャのタービンより下流の排気通路から排気ガスの一部を抜き出して前記ターボチャージャのコンプレッサより上流の吸気通路へ再循環する低圧ループと、排気マニホールドから排気ガスの一部を抜き出して吸気マニホールドの入口付近に再循環する高圧ループと、これら低圧ループ及び高圧ループの夫々に備えられて排気ガスの再循環量を調整する再循環量調整手段と、前記排気通路の途中に備えられた三元触媒と、低圧ループにより加速時に黒煙を生じない程度に抑えたＥＧＲ率でベースとなる排気ガス再循環を実施し且つ高圧ループでは不足ＥＧＲ率分を補足するべく追加の排気ガス再循環を実施して空燃比を理論空燃比近傍に抑制し得るように前記各再循環量調整手段を制御する制御装置とを備え、ディーゼルエンジンの各気筒への燃料の噴射圧を所定以上に上げ且つその燃料噴射の噴孔径を燃料噴霧の粒が燃焼室の全域に拡散し得るよう調整することで理論空燃比近傍でも燃焼成立し得るように構成したことを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
三元触媒がＮＨ3を吸着し得るようゼオライトを触媒原料として含んでいることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項３】
三元触媒の後段にパティキュレートフィルタが備えられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気浄化装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−２４１７４６（Ｐ２０１１−２４１７４６Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１４１０６（Ｐ２０１０−１１４１０６）
【出願日】平成２２年５月１８日（２０１０．５．１８）
【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２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月１８日（２０１０．５．１８）
【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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