JP2007239500A

JP2007239500A - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP2007239500A
Application number: JP2006059837A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Ito; 和浩伊藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-03-06
Filing date: 2006-03-06
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2026-03-06
Also published as: US8371106B2; US20090007548A1; KR100926659B1; CN101384800A; EP1995420A4; WO2007102607A1; EP1995420A1; JP4432917B2; CN101384800B; KR20080028471A; EP1995420B1

Abstract

【課題】触媒に尿素を供給したときに触媒の排気浄化作用が低下するのを阻止する。
【解決手段】酸素過剰のもとでアンモニアにより排気ガス中のＮＯｘを還元するのに適した触媒２２を機関排気通路内に配置する。触媒２２に流量添加弁３３から尿素水溶液を供給し、触媒に供給された尿素の一部を触媒内に貯蔵すると共に触媒内に貯蔵されている尿素から発生したアンモニアにより排気ガス中のＮＯｘを還元する。機関始動時、冷間運転時、ＨＣ増量時には触媒２２への流入排気中のホルムアルデヒド量が許容量を越えていると判断し、このとき触媒２２への尿素の供給を禁止する。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

酸素過剰のもとでアンモニアにより排気ガス中のＮＯｘを還元するのに適した触媒を機関排気通路内に配置し、この触媒に尿素水溶液を供給し、触媒に供給された尿素の一部を触媒内に貯蔵すると共に触媒内に貯蔵されている尿素から発生したアンモニアにより排気ガス中のＮＯｘを還元するようにした内燃機関が公知である（特許文献１参照）。

特許第３６８５０６３号

しかしながら、排気ガス中にホルムアルデヒドが含まれている場合があり、このホルムアルデヒドが触媒内に貯蔵された尿素と反応すると尿素樹脂が生成される。したがって、排気ガス中に多量のホルムアルデヒドが含まれているときに触媒に尿素を供給すると尿素をＮＯｘ還元のために有効に利用できないというだけでなく、触媒上に多量の尿素樹脂が生成され、触媒の活性部位が覆われて触媒機能が低下し又は触媒が目詰まりするおそれがある。この目詰まりを抑制するために触媒のセルピッチを大きくすると触媒担持量が低下し又は排気ガスと触媒の接触頻度が低下するおそれがある。いずれにしても触媒の排気浄化性能が低下するおそれがある。尿素の加水分解を促進するための加水分解触媒や尿素を分散させるための分散板を触媒上流の排気通路内に配置した場合にも同様に、加水分解触媒又は分散板に目詰まりが生ずるおそれがある。

一方、排気ガス中のＨＣ，ＣＯと尿素又はアンモニア等が反応するとシアン化合物が生成される場合がある。したがって、排気ガス中に多量のＨＣ，ＣＯが含まれているときに触媒に尿素を供給すると尿素又はアンモニアをＮＯｘ還元のために有効に利用できないばかりか、多量のシアン化合物が生成されるおそれがある。

前記課題を解決するために本発明によれば、酸素過剰のもとでアンモニアにより排気ガス中のＮＯｘを還元するのに適した触媒を機関排気通路内に配置し、該触媒にアンモニア発生化合物を供給するための供給手段と、該アンモニア発生化合物の供給量を制御するための供給制御手段とを具備し、該触媒は、触媒に供給された該アンモニア発生化合物の少なくとも一部を触媒内に貯蔵すると共に該触媒内に貯蔵されているアンモニア発生化合物からアンモニアを生成して該生成したアンモニアにより排気ガス中のＮＯｘを還元する機能を有し、前記触媒に流入する排気ガス中の排気浄化阻害物質量が許容量よりも多いか否かを判断する判断手段を更に具備し、該排気浄化阻害物質はアンモニア発生化合物又はそれに由来する物質と反応することにより排気浄化作用を阻害し、前記供給制御手段は、前記触媒に流入する排気ガス中の排気浄化阻害物質量が許容量よりも多いと判断されたときに触媒に供給されるアンモニア発生化合物の量を減量するようにしている。

触媒に尿素を供給したときに触媒の排気浄化作用が低下するのを阻止することができる。

図１は本発明を圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。なお、本発明はガソリン機関にも適用することができる。

図１を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は電気制御式燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートをそれぞれ示す。吸気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３及びエアフローメータ１４を介してエアクリーナ１５に連結される。吸気ダクト１３内にはステップモータ１６により駆動されるスロットル弁１７が配置される。

一方、排気ポート１０は排気マニホルド１８を介して触媒１９を内蔵した第１の触媒コンバータ２０の入口部に連結され、第１の触媒コンバータ２０の出口部は排気管２１を介して触媒２２を内蔵した第２の触媒コンバータ２３に連結される。図１に示される実施例では触媒１９は酸化機能を有する触媒、例えば酸化触媒又は三元触媒からなり、排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタ１９ａ上に担持されている。これに対し、触媒２２は酸素過剰のもとでアンモニアにより排気ガス中のＮＯｘを還元するのに適したＮＯｘ選択還元触媒からなる。

排気マニホルド１８とサージタンク１２とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路２４を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２４内には電気制御式ＥＧＲ制御弁２５が配置される。各燃料噴射弁６は燃料供給管２６を介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２７に連結される。このコモンレール２７内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２８から燃料が供給され、コモンレール２７内に供給された燃料は各燃料供給管２６を介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール２７にはコモンレール２７内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ２９が取付けられ、燃料圧センサ２９の出力信号に基づいてコモンレール２７内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ２８の吐出量が制御される。

一方、アンモニアを発生するアンモニア発生化合物を含む液体がタンク３０内に貯えられており、タンク３０内に貯えられているアンモニア発生化合物を含む液体は供給導管３１、供給ポンプ３２及び電磁制御式流量制御弁３３を介して排気管２１内に供給される。

さらに、排気マニホルド１８には、燃料供給管２６から分岐された供給導管３７及び電磁制御式ＨＣ添加弁３８を介して燃料ポンプ２８から吐出された燃料すなわち炭化水素ＨＣが供給される。

電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５及び出力ポート４６を具備する。エアフローメータ１４は吸入空気量に比例した出力電圧を発生し、この出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。また、燃料圧センサ２９の出力信号は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。一方、機関本体１には機関冷却水温を検出するための水温センサ３４が取付けられ、触媒２２直上流の排気管２１内には触媒２２内に流入する排気ガスの温度を検出するための温度センサ３５が配置され、触媒１９直下流の排気管２１内には触媒１９から流出した排気ガスの温度を検出するための温度センサ３６が配置される。これら水温センサ３４及び温度センサ３５，３６の出力信号はそれぞれ対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。

アクセルペダル５０にはアクセルペダル５０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ５１が接続され、負荷センサ５１の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。更に入力ポート４５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５２が接続される。また、入力ポート４５にはスタータスイッチ５３の作動信号が入力される。一方、出力ポート４６は対応する駆動回路５４を介して燃料噴射弁６、ステップモータ１６、ＥＧＲ制御弁２５、燃料ポンプ２８、ポンプ３２、流量制御弁３３及びＨＣ添加弁３８に接続される。

さて、前述したように触媒２２上流の排気管２１内にはアンモニア発生化合物を含む液体が供給される。アンモニアを発生しうるアンモニア発生化合物については種々の化合物が存在し、したがってアンモニア発生化合物として種々の化合物を用いることができる。本発明による実施例ではアンモニア発生化合物として尿素を用いており、アンモニア発生化合物を含む液体として尿素水溶液を用いている。したがって以下、触媒２２上流の排気管２１内に尿素水溶液を供給する場合を例にとって本発明を説明する。

一方、前述したように触媒２２はＮＯｘ選択還元触媒からなり、図１に示す実施例ではこのＮＯｘ選択還元触媒としてチタニアを担体とし、この担体上に酸化バナジウムを担持した触媒Ｖ_２Ｏ_５／ＴｉＯ_２（以下、バナジウム・チタニア触媒という）、又はゼオライトを担体とし、この担体上に銅を担持した触媒Ｃｕ／ＺＳＭ５（以下、銅ゼオライト触媒という）が用いられている。

過剰酸素を含んでいる排気ガス中に尿素水溶液を供給すると排気ガス中に含まれるＮＯは触媒２２上において尿素ＣＯ（ＮＨ_２）_２から発生するアンモニアＮＨ_３により還元される（例えば２ＮＨ_３＋２ＮＯ＋１／２Ｏ_２→２Ｎ_２＋３Ｈ_２Ｏ）。

すなわち、供給された尿素水溶液中の尿素はまず触媒２２上に付着する。このとき触媒２２の温度が例えばほぼ３５０℃以上のように高ければ尿素が一気に熱分解してアンモニアが発生される。

一方、触媒２２の温度がほぼ１３２℃からほぼ３５０℃までのときには尿素が触媒２２内にいったん貯蔵され、次いで触媒２２内に貯蔵されている尿素からアンモニアが少しずつ発生され放出される。この場合のアンモニア発生は触媒２２上において尿素が形態変化するためであると考えられている。すなわち、尿素はほぼ１３２℃においてビウレットに変化し、ビウレットはほぼ１９０℃においてシアヌル酸に変化し、シアヌル酸はほぼ３６０℃においてシアン酸又はイソシアン酸に変化する。あるいは、触媒２２内に貯蔵されてからの経過時間が長くなるにつれて尿素はビウレットに変化し、ビウレットはシアヌル酸に変化し、シアヌル酸はシアン酸又はイソシアン酸に変化する。このような形態変化の過程で少しずつアンモニアが発生するものと考えられている。

触媒２２の温度が尿素の熱分解温度であるほぼ１３２℃以下のときに触媒２２に尿素水溶液を供給すると尿素水溶液中の尿素は触媒２２内に貯蔵され、このとき貯蔵された尿素からはアンモニアはほとんど発生しない。

一方、排気ガス中に含まれる主として固体炭素からなる微粒子はパティキュレートフィルタ１９ａ上に捕集される。時間の経過と共にパティキュレートフィルタ１９ａ上に捕集された微粒子の量が増大する。一方、酸素過剰のもとでパティキュレートフィルタ１９ａの温度を例えば６００℃以上に保持するとパティキュレートフィルタ１９ａ上の微粒子が酸化除去される。そこで本発明による実施例では、パティキュレートフィルタ１９ａ上の捕集微粒子量が一定量を越えたときに、パティキュレートフィルタ１９ａから微粒子を除去するためにパティキュレートフィルタ１９ａの温度を上昇させて６００℃以上に保持する昇温制御を行うようにしている。具体的には本発明による実施例では、昇温制御を行うために、ＨＣ添加弁３８から燃料が供給され、排気ガス中に含まれるＨＣ量が増量される。この増量されたＨＣがパティキュレートフィルタ１９ａで燃焼することにより、パティキュレートフィルタ１９ａの温度が上昇される。

ところで、冒頭で述べたように、尿素とホルムアルデヒド（メタナール）ＨＣＨＯとが反応すると尿素樹脂が生成される。したがって、排気ガス中に多量のホルムアルデヒドが含まれているときに尿素を供給すると触媒２２上に多量の尿素樹脂が生成されるおそれがある。

そこで本発明による実施例では、触媒２２に流入する排気ガス中のホルムアルデヒド量が許容量よりも多いか否かを判断し、触媒２２に流入する排気ガス中のホルムアルデヒド量が許容量よりも多いと判断されたときに触媒２２への尿素の供給を停止するようにしている。その結果、触媒２２上に多量の尿素樹脂が生成されるのが阻止される。

触媒２２上流の排気管２１に排気ガス中のホルムアルデヒド又はＨＣの量を検出するためのセンサを取り付け、このセンサにより検出されたホルムアルデヒド量又はＨＣ量が一定値を越えたときに流入排気ガス中のホルムアルデヒド量が許容量よりも多いと判断することもできる。

しかしながら、機関始動時には例えばシリンダボアに付着したエンジンオイルに由来する比較的多量のホルムアルデヒドが燃焼室５から排出される。また、機関冷却水温が一定値よりも低い冷間運転時には燃焼室５から比較的多量の未燃ＨＣが排出される。更に、上述したようにＨＣ添加弁３８からＨＣが添加されるときにも排気ガス中に含まれるＨＣ量が増大される。

そこで本発明による実施例では、機関始動時、冷間運転時、又はＨＣ増量時に、流入排気ガス中のホルムアルデヒド量が許容量よりも多いと判断するようにし、このとき尿素の供給を禁止している。それ以外では尿素の供給が許容される。すなわち、例えば触媒２２内に流入するＮＯｘ量や触媒２２内に貯蔵された尿素量に応じて定まる量だけ触媒２２に尿素が供給される。

しかし、触媒１９が活性化していればこの触媒１９によって触媒２２に流入するホルムアルデヒドを酸化し低減することができる。そこで機関始動時、冷間運転時、又はＨＣ増量時であっても触媒１９が活性化しているときには尿素の供給が許容される。したがって、尿素の供給が禁止されるのは機関始動時、冷間運転時、又はＨＣ増量時であってかつ触媒１９が未活性の場合であるということになる。

図２は本発明による実施例の尿素水溶液の供給制御を実行するためのルーチンを示しており、このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。

図２を参照するとまず初めにステップ１００において機関始動時であるか否かが判別される。機関始動時でないときには次いでステップ１０１に進み、冷間運転時であるか否かが判別される。冷間運転時でないときには次いでステップ１０２に進み、触媒２２内への流入排気ガス中のＨＣが増量されているか否かが判別される。ＨＣ増量中でないときには次いでステップ１０３に進み、触媒２２への尿素の供給が許容される。これに対し、ステップ１００において機関始動時のとき、ステップ１０１において冷間運転時のとき、ステップ１０２においてＨＣ増量中のときには次いでステップ１０４に進み、触媒１９が未活性であるか否かが判別される。触媒１９が活性化しているときにはステップ１０３に進み、触媒２２への尿素の供給が許容される。これに対し、触媒１９が未活性のときにはステップ１０５に進み、触媒２２への尿素の供給が禁止される。

なお、触媒１９をＮＯｘ吸蔵還元触媒から構成することもできる。このＮＯｘ吸蔵還元触媒１９は貴金属触媒とＮＯｘ吸収剤とからなる。内燃機関の排気通路内にＮＯｘ吸蔵還元触媒１９を配置した場合に、機関吸気通路、燃焼室及びＮＯｘ吸蔵触媒上流の排気通路内に供給された空気および燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比と称すると、ＮＯｘ吸収剤は、排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯｘを吸収し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯｘを放出し、このＮＯｘは排気ガス中に含まれるＨＣ，ＣＯのような還元剤によって還元される。

図１に示される内燃機関ではＮＯｘ吸蔵還元触媒１９に流入する排気ガスの空燃比がリーンであるので、排気ガス中のＮＯｘはＮＯｘ吸蔵還元触媒１９内に吸収される。また、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１９に流入する排気ガスの空燃比がリーンであると、排気ガス中のＳＯｘもＮＯｘ吸蔵還元触媒１９内に吸収される。ＮＯｘ吸蔵還元触媒１９がこれらＮＯｘ及びＳＯｘで飽和するのを阻止すべくＮＯｘ及びＳＯｘをＮＯｘ吸蔵還元触媒１９から放出させるために、ＨＣ添加弁３８からＨＣが添加される。

あるいは、触媒１９を、酸素過剰のもとでＮＯｘを選択的に還元することのできるＮＯｘ選択還元触媒から構成することもできる。この場合にも、ＮＯｘを還元するためにＨＣ添加弁３８からＨＣが添加される。

更に、ＨＣ添加弁３８のＨＣ流出口が主として固体炭素からなるデポジットにより詰まるのを阻止するためにＨＣ添加弁３８からＨＣを添加し、このＨＣによってデポジットを吹き飛ばすようにしてもよい。

このようにＨＣ添加弁３８からＨＣが添加されると排気ガス中のＨＣが増量され、したがってこのとき流入排気ガス中のホルムアルデヒド量が許容量よりも多いと判断することができる。

一方、加速運転時に燃料噴射弁６から噴射される燃料量を増量するときや、触媒１９，２２の過熱を阻止するために燃料噴射弁６から噴射される燃料量を増量するときにも排気ガス中のＨＣが増量される。したがって、このとき流入排気ガス中のホルムアルデヒド量が許容量よりも多いと判断するようにしてもよい。

上述した本発明による実施例では、排気ガス中にＨＣを添加するためにＨＣ添加弁３８からＨＣを添加するようにしている。しかしながら、圧縮上死点付近で主燃料が供給された後の例えば排気行程に燃料噴射弁６から追加の燃料を供給したり、主燃料の噴射時期を遅角することによって排気ガス中に含まれるＨＣ量を増量するようにしてもよい。

また、上述した本発明による実施例では、触媒２２への流入排気ガス中のホルムアルデヒド量が許容量よりも多いと判断されたときに触媒２２への尿素の供給を停止するようにしている。しかしながら、このとき触媒２２への尿素の供給量を減量補正するようにしてもよい。

次に、本発明による別の実施例を説明する。冒頭で述べたように、尿素又はアンモニアとＨＣ，ＣＯとが反応するとシアン化合物が生成される。したがって、排気ガス中に多量のＨＣ，ＣＯが含まれているときに尿素を供給すると多量のシアン化合物が生成されるおそれがある。

そこで本発明による別の実施例では、触媒２２に流入する排気ガス中のＨＣ，ＣＯ量が許容量よりも多いか否かを判断し、触媒２２に流入する排気ガス中のＨＣ，ＣＯ量が許容量よりも多いと判断されたときに触媒２２への尿素の供給を停止するようにしている。その結果、多量のシアン化合物が生成されるのが阻止される。

この場合、上述した本発明による実施例におけるホルムアルデヒド量をＨＣ又はＣＯ量と考えればよい。

内燃機関の全体図である。尿素水溶液の供給制御ルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

１機関本体
１８排気マニホルド
１９，２２触媒
３３流量制御弁

Claims

酸素過剰のもとでアンモニアにより排気ガス中のＮＯｘを還元するのに適した触媒を機関排気通路内に配置し、該触媒にアンモニア発生化合物を供給するための供給手段と、該アンモニア発生化合物の供給量を制御するための供給制御手段とを具備し、該触媒は、触媒に供給された該アンモニア発生化合物の少なくとも一部を触媒内に貯蔵すると共に該触媒内に貯蔵されているアンモニア発生化合物からアンモニアを生成して該生成したアンモニアにより排気ガス中のＮＯｘを還元する機能を有し、前記触媒に流入する排気ガス中の排気浄化阻害物質量が許容量よりも多いか否かを判断する判断手段を更に具備し、該排気浄化阻害物質はアンモニア発生化合物又はそれに由来する物質と反応することにより排気浄化作用を阻害し、前記供給制御手段は、前記触媒に流入する排気ガス中の排気浄化阻害物質量が許容量よりも多いと判断されたときに触媒に供給されるアンモニア発生化合物の量を減量するようにした内燃機関の排気浄化装置。
前記供給制御手段は、前記触媒に流入する排気ガス中の排気浄化阻害物質量が許容量よりも多いと判断されたときに触媒へのアンモニア発生化合物の供給を禁止するようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記判断手段は、機関始動時に前記触媒に流入する排気ガス中の排気浄化阻害物質量が許容量よりも多いと判断する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記判断手段は、冷間運転時に前記触媒に流入する排気ガス中の排気浄化阻害物質量が許容量よりも多いと判断する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
排気ガス中に含まれる炭化水素を一時的に増量させるための炭化水素増量手段が前記触媒上流の排気通路内又は燃焼室内に配置されており、前記判断手段は、炭化水素増量手段によりから排気ガス中に含まれる炭化水素が一時的に増量されているときに前記触媒に流入する排気ガス中の排気浄化阻害物質量が許容量よりも多いと判断する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記触媒上流の排気通路内に炭化水素を酸化する機能を有する別の触媒が配置されており、前記判断手段は、該別の触媒が活性化していないときに前記触媒に流入する排気ガス中の排気浄化阻害物質量が許容量よりも多いと判断する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記アンモニア発生化合物を尿素から構成した請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記排気浄化阻害物質が、ホルムアルデヒド、炭化水素、一酸化炭素のうちから選ばれた少なくとも１つである請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。