JP2008231950A - Exhaust emission control device for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。 The present invention relates to an exhaust emission control device for an internal combustion engine.
機関排気通路内にNOx選択還元触媒を配置し、NOx選択還元触媒上流の機関排気通路内に酸化触媒を配置してこの酸化触媒により排気ガス中に含まれるNOをNO2に変換し、NOx選択還元触媒に尿素を供給して尿素から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるNOxを選択的に還元するようにした内燃機関が公知である(例えば特許文献1を参照)。 A NO x selective reduction catalyst is arranged in the engine exhaust passage, an oxidation catalyst is arranged in the engine exhaust passage upstream of the NO x selective reduction catalyst, and NO contained in the exhaust gas is converted into NO 2 by this oxidation catalyst, An internal combustion engine in which urea is supplied to a NO x selective reduction catalyst and NO x contained in exhaust gas is selectively reduced by ammonia generated from the urea is known (see, for example, Patent Document 1).
ところでアンモニアを用いてNOxを還元するようにした場合には排気ガス中のNOxに対するNO2の比率が50パーセントのときに最も良好にNOxを浄化できることが知られている。ところがNOx選択還元触媒の上流に酸化触媒を配置した場合には酸化触媒において多量のNO2が生成されてNOx選択還元触媒に流入する排気ガス中のNO2の量が過剰になる場合があり、この場合にはNOxの良好な浄化作用が得られなくなる。 Meanwhile when so as to reduce NO x with ammonia is known to be the ratio of NO 2 with respect to NO x in the exhaust gas can be purified to best NO x at 50%. However if in the case of arranging the oxidation catalyst upstream of the NO x selective reduction catalyst is the amount of NO 2 in the exhaust gas flowing into a large amount of NO 2 is produced by the NO x selective reduction catalyst in the oxidation catalyst becomes excessive In this case, a good NO x purification action cannot be obtained.
そこで上述の内燃機関では酸化触媒を迂回するバイパス通路を設け、酸化触媒において生成されるNO2の量が過剰になるときには排気ガスの一部をバイパス通路内に分流させ、それによって酸化触媒において過剰なNO2が生成されないようにしている。
ところが機関の運転状態によっては酸化触媒においてNO2がNOに還元させる場合、即ち酸化触媒におけるNOからNO2への転換率がマイナスになる場合もあり、この場合にもNOxの良好な浄化が得られなくなる。しかしながら上述の内燃機関では酸化触媒におけるNOからNO2への転換率がマイナスとなる場合については何ら対処しておらず、従って上述の内燃機関ではこのような場合にNOxの良好な浄化が得られないという問題がある。 However, depending on the operating state of the engine, NO 2 may be reduced to NO in the oxidation catalyst, that is, the conversion rate from NO to NO 2 in the oxidation catalyst may be negative. In this case as well, good purification of NO x is achieved. It can no longer be obtained. However, the above-described internal combustion engine does not deal with the case where the conversion rate from NO to NO 2 in the oxidation catalyst becomes negative. Therefore, the above-described internal combustion engine can obtain a good purification of NO x in such a case. There is a problem that can not be.
上記問題を解決するために本発明によれば、機関排気通路内にNOx選択還元触媒を配置し、NOx選択還元触媒に尿素を供給して尿素から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるNOxを選択的に還元するようにした内燃機関の排気浄化装置において、NOx選択還元触媒上流の機関排気通路内に酸化触媒を配置し、この酸化触媒におけるNOからNO2への転換率がマイナスとなる機関運転状態のときには燃焼室から排出される排気ガス中のNOxに対するNO2の比率が50パーセント以上になるように燃焼を制御するようにしている。 In order to solve the above problem, according to the present invention, a NO x selective reduction catalyst is disposed in the engine exhaust passage, urea is supplied to the NO x selective reduction catalyst, and is contained in the exhaust gas by ammonia generated from the urea. in the exhaust purification system of an internal combustion engine so as to selectively reduce the NO x, placing the oxidation catalyst in the NO x selective reduction catalyst in the engine exhaust passage upstream of the conversion rate from NO in the oxidation catalyst to NO 2 is Combustion is controlled so that the ratio of NO 2 to NO x in the exhaust gas discharged from the combustion chamber is 50% or more when the engine is in a negative engine operating state.
更に、本発明によれば上記問題を解決するために、機関排気通路内にNOx選択還元触媒を配置し、NOx選択還元触媒に尿素を供給して尿素から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるNOxを選択的に還元するようにした内燃機関の排気浄化装置において、NOx選択還元触媒上流の機関排気通路内に酸化触媒を配置すると共にこの酸化触媒を迂回するバイパス通路を設け、酸化触媒におけるNOからNO2への転換率がマイナスとなる機関運転状態のときには燃焼室から排出された排気ガスをバイパス通路内に導びいて酸化触媒を経由せずにNOx選択還元触媒に流入させるようにしている。 Furthermore, according to the present invention, in order to solve the above problem, a NO x selective reduction catalyst is disposed in the engine exhaust passage, urea is supplied to the NO x selective reduction catalyst, and ammonia generated from the urea enters the exhaust gas. in the exhaust purification system of an internal combustion engine which is adapted to selectively reduce NO x contained, a bypass passage which bypasses the oxidation catalyst together with arranging an oxidation catalyst in the NO x selective reduction catalyst in the engine exhaust passage upstream of, When the engine is in an engine operating state in which the conversion rate from NO to NO 2 in the oxidation catalyst is negative, exhaust gas discharged from the combustion chamber is introduced into the bypass passage and flows into the NO x selective reduction catalyst without passing through the oxidation catalyst. I try to let them.
1番目の発明では燃焼を制御することによってNOx選択還元触媒に流入する排気ガス中のNOxに対するNO2の比率が増大せしめられる。
2番目の発明では酸化触媒を迂回して排気ガスをNOx選択還元触媒に送り込むことによってNOx選択還元触媒に流入する排気ガス中のNOxに対するNO2の比率が増大せしめられる。
In the first invention, the ratio of NO 2 to NO x in the exhaust gas flowing into the NO x selective reduction catalyst is increased by controlling the combustion.
In the second invention, the ratio of NO 2 to NO x in the exhaust gas flowing into the NO x selective reduction catalyst is increased by bypassing the oxidation catalyst and sending the exhaust gas to the NO x selective reduction catalyst.
図1に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。
図1を参照すると、1は機関本体、2は各気筒の燃焼室、3は各燃焼室2内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、4は吸気マニホルド、5は排気マニホルドを夫々示す。吸気マニホルド4は吸気ダクト6を介して排気ターボチャージャ7のコンプレッサ7aの出口に連結され、コンプレッサ7aの入口は吸入空気量検出器8を介してエアクリーナ9に連結される。吸気ダクト6内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁10が配置され、更に吸気ダクト6周りには吸気ダクト6内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置11が配置される。図1に示される実施例では機関冷却水が冷却装置11内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
FIG. 1 shows an overall view of a compression ignition type internal combustion engine.
Referring to FIG. 1, 1 is an engine body, 2 is a combustion chamber of each cylinder, 3 is an electronically controlled fuel injection valve for injecting fuel into each
一方、排気マニホルド5は排気ターボチャージャ7の排気タービン7bの入口に連結され、排気タービン7bの出口は酸化触媒12の入口に連結される。この酸化触媒12の下流には酸化触媒12に隣接して排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するためのパティキュレートフィルタ13が配置され、このパティキュレートフィルタ13の出口は排気管14を介してNOx選択還元触媒15の入口に連結される。このNOx選択還元触媒15の出口には酸化触媒16が連結される。
On the other hand, the
NOx選択還元触媒15上流の排気管14内には尿素水溶液供給弁17が配置され、この尿素水溶液供給弁17は供給管18、供給ポンプ19を介して尿素水溶液タンク20に連結される。尿素水溶液タンク20内に貯蔵されている尿素水溶液を供給ポンプ19によって尿素水溶液供給弁17から排気管14内を流れる排気ガス中に噴射され、尿素から発生したアンモニア((NH2)2CO+H2O→2NH3+CO2)によって排気ガス中に含まれるNOxがNOx選択還元触媒15において還元される。
A urea aqueous
排気マニホルド5と吸気マニホルド4とは排気ガス再循環(以下、EGRと称す)通路21を介して互いに連結され、EGR通路21内には電子制御式EGR制御弁22が配置される。また、EGR通路21周りにはEGR通路21内を流れるEGRガスを冷却するための冷却装置23が配置される。図1に示される実施例では機関冷却水が冷却装置23内に導かれ、機関冷却水によってEGRガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁3は燃料供給管24を介してコモンレール25に連結され、このコモンレール25は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ26を介して燃料タンク27に連結される。燃料タンク27内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ26によってコモンレール25内に供給され、コモンレール25内に供給された燃料は各燃料供給管24を介して燃料噴射弁3に供給される。
The
電子制御ユニット30はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス31によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)32、RAM(ランダムアクセスメモリ)33、CPU(マイクロプロセッサ)34、入力ポート35および出力ポート36を具備する。酸化触媒12には酸化触媒12の床温を検出するための温度センサ28が取付けられ、この温度センサ28および吸入空気量検出器8の出力信号は夫々対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。また、アクセルペダル40にはアクセルペダル40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41が接続され、負荷センサ41の出力電圧は対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。更に入力ポート35にはクランクシャフトが例えば15°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ42が接続される。一方、出力ポート36は対応する駆動回路38を介して燃料噴射弁3、スロットル弁10の駆動用ステップモータ、尿素水溶液供給弁17、供給ポンプ19、EGR制御弁22および燃料ポンプ26に接続される。
The
酸化触媒12は例えば白金のような貴金属触媒を担持しており、この酸化触媒12は排気ガス中に含まれるNOをNO2に転換する作用と排気ガス中に含まれるHCを酸化させる作用をなす。即ち、NO2はNOよりも酸化性が強く、従ってNOがNO2に転換されるとパティキュレートフィルタ13上に捕獲された粒子状物質の酸化反応が促進され、またNOx選択還元触媒15でのアンモニアによる還元作用が促進される。一方、アンモニアが吸着するタイプのNOx選択還元触媒15ではHCが吸着するとアンモニアの吸着量が減少するためにNOx浄化率が低下する。従ってこのようなNOx選択還元触媒を用いた場合には酸化触媒12によりHCを酸化することによってNOx浄化率が低下するのが阻止される。
The
パティキュレートフィルタ13としては触媒を担持していないパティキュレートフィルタを用いることもできるし、例えば白金のような貴金属触媒を担持したパティキュレートフィルタを用いることもできる。一方、NOx選択還元触媒15は低温で高いNOx浄化率を有するアンモニア吸着タイプのFeゼオライトから構成することもできるし、アンモニアの吸着機能がないチタニア・バナジウム系の触媒から構成することもできる。酸化触媒16は例えば白金からなる貴金属触媒を担持しており、この酸化触媒16はNOx選択還元触媒15から漏出したアンモニアを酸化する作用をなす。
As the
図2に圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す。この実施例ではパティキュレートフィルタ13が酸化触媒16の下流に配置され、従ってこの実施例では酸化触媒12の出口が排気管14を介してNOx選択還元触媒15の入口に連結される。
FIG. 2 shows another embodiment of the compression ignition type internal combustion engine. In this embodiment, the
さて、機関運転中に燃焼室2から排出されるNOxの大部分はNOかNO2であり、これらNOとNO2との比率は機関の運転状態に応じて変化する。 Now, most of the NO x discharged from the combustion chamber 2 during engine operation is NO or NO 2, the ratio of these NO and NO 2 will vary in accordance with the engine operating state.
一方、NOx選択還元触媒15では尿素から発生したアンモニアNH3によって排気ガス中に含まれるNOxが選択的に還元され、このとき最も速度の速い反応式が次式で示される。
NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O
上式から、排気ガス中のNOとNO2との比率が1:1のとき、即ち排気ガス中の(NO+NO2)に対するNO2の比率、言い換えると排気ガス中のNOxに対するNO2の比率が50パーセントのときに反応速度が最も速くなり、斯くしてNOx浄化率が最も高くなることがわかる。
On the other hand, in the NO x
NO + NO 2 + 2NH 3 → 2N 2 + 3H 2 O
From the above equation, the ratio of NO and NO 2 in the exhaust gas 1: When 1, i.e. the ratio of NO 2 with respect to the exhaust gas (NO + NO 2), in other words the ratio of NO 2 with respect to NO x in the exhaust gas There kinetics at 50% is the fastest, thus to the NO x purification rate is seen that the most becomes higher.
因みに、排気ガス中のNO2が過剰の場合には例えばNO2の過剰分は反応速度の遅い次式に従って反応が行われ、
6NO2+8NH3→7N2+12H2O
排気ガス中のNOが過剰の場合には例えばNOの過剰分は反応速度の遅い次式に従って反応が行われる。
6NO+4NH3→5N2+6H2O
このように反応速度が遅くなるとNOx浄化率が低下する。
Incidentally, when NO 2 in the exhaust gas is excessive, for example, the excess of NO 2 is reacted according to the following equation with a slow reaction rate,
6NO 2 + 8NH 3 → 7N 2 + 12H 2 O
When the NO in the exhaust gas is excessive, for example, the excess NO is reacted according to the following equation with a slow reaction rate.
6NO + 4NH 3 → 5N 2 + 6H 2 O
Thus when the reaction rate the NO x purification rate decreases.
ところで前述したように酸化触媒12は排気ガス中のNOをNO2に変換する作用をなす。しかしながらこの点について詳細に検討するとNOがNO2に変換されるのは酸化触媒12が活性化しているときであり、酸化触媒12が活性化していないときには逆にNO2がNOに変換されることが判明したのである。即ち、排気ガス中にはNO,NO2に加えてHC,COが含まれており、酸化触媒12が活性化するとHC,COに加えてNOも酸化されるためにNO2が生成される。ところが酸化触媒12が活性化していないと排気ガス中にはHC,COが残存しているためにこれらHC,COによってNO2が還元され、斯くしてNOが生成されることになる。
Incidentally, as described above, the
図3に酸化触媒12におけるNOからNO2へのNO2転換率を示す。図3に示されるように酸化触媒12の床温TCが活性化温度T0を越えることにより酸化触媒12が活性化するとNO2転換率はプラスとなり、酸化触媒12の床温TCが活性化温度T0以下であって酸化触媒12が活性化していないときにはNO2転換率はマイナスとなる。
FIG. 3 shows the NO 2 conversion rate from NO to NO 2 in the
また、図3には燃焼室2から排出される排気ガス中のNOxに対するNO2の目標NO2比率が示されており、本発明では排気ガス中のNOxに対するNO2の比率は燃焼室2内における燃焼を制御することによって行われる。従って図3からわかるように本発明では酸化触媒12が活性化していないときには、即ち、NO2転換率がマイナスとなる機関運転状態のときには燃焼室2から排出される排気ガス中のNOxに対するNO2の比率が50パーセント以上になるように燃焼が制御される。
FIG. 3 shows the target NO 2 ratio of NO 2 to NO x in the exhaust gas discharged from the combustion chamber 2. In the present invention, the ratio of NO 2 to NO x in the exhaust gas is the combustion chamber. This is done by controlling the combustion in 2. Therefore, as can be seen from FIG. 3, according to the present invention, when the
なお、図3に示される目標NO2比率NROは本発明による第1の実施例における目標NO2比率を示しており、本発明による第1の実施例ではこの目標NO2比率NROはNOx選択還元触媒15に流入する排気ガス中のNOxに対するNO2の比率をほぼ50パーセントとするのに必要なNO2比率を示している。従ってこの第1実施例ではほぼ全ての機関運転状態においてNOx選択還元触媒15に流入する排気ガス中のNOxに対するNO2の比率がほぼ50パーセントになるように燃焼が制御されることになる。
The target NO 2 ratio NRO shown in FIG. 3 shows a target NO 2 ratio in the first embodiment according to the present invention, this objective NO 2 ratio NRO in the first embodiment according to the present invention the NO x selective It shows the NO 2 ratio required to make the ratio of NO 2 to NO x in the exhaust gas flowing into the
この場合、具体的にはNOx選択還元触媒15に流入する排気ガス中のNOxに対するNO2の比率がほぼ50パーセントになるようにEGR率および燃料噴射時期のいずれか一方又は双方が制御される。次にこのことについて図4および図5を参照しつつ説明する。
In this case, specifically, one or both of the EGR rate and the fuel injection timing are controlled so that the ratio of NO 2 to NO x in the exhaust gas flowing into the NO x
図4に、EGR率を変化させたときの燃焼室2から排出されるNOとNO2の排出量の変化を示す。図4に示されるようにEGR率を高くしていくとNO2の排出量はほとんど変化しないがNOの排出量は徐々に減少し、従って燃焼室2から排出される排気ガス中のNOxに対するNO2の比率NRは図4に示されるようにEGR率が高くなるほど増大する。従ってこの実施例ではこのNO2比率NRが図3に示される目標NO2比率NROとなるようにEGR率が制御される。 FIG. 4 shows changes in the NO and NO 2 emission amounts discharged from the combustion chamber 2 when the EGR rate is changed. As shown in FIG. 4, when the EGR rate is increased, the NO 2 emission amount hardly changes, but the NO emission amount gradually decreases, so that the NO x amount in the exhaust gas discharged from the combustion chamber 2 is reduced. As shown in FIG. 4, the NO 2 ratio NR increases as the EGR rate increases. Therefore, in this embodiment, the EGR rate is controlled so that the NO 2 ratio NR becomes the target NO 2 ratio NRO shown in FIG.
即ち、NO2比率の制御ルーチンを示す図5を参照すると、まず初めにステップ50において温度センサ28により検出された酸化触媒12の床温TCから図3に示す目標NO2比率NROが算出される。次いでステップ51ではNO2比率を目標NO2比率NROとするのに必要な目標EGR率が算出される。次いでステップ52ではEGR率が目標EGR率となるようにEGR制御弁22の開度が制御される。
That is, referring to FIG. 5 showing the control routine of the NO 2 ratio, first, the target NO 2 ratio NRO shown in FIG. 3 is calculated from the bed temperature TC of the
図6に、燃料噴射時期を変化させたときの燃焼室2から排出されるNOとNO2の排出量の変化を示す。図6に示されるように燃料噴射時期を進角していくとNO2の排出量はほとんど変化しないがNOの排出量は徐々に減少し、従って燃焼室2から排出される排気ガス中のNOxに対するNO2の比率NRは図6に示されるように燃料噴射時期が進角されるほど増大する。従ってこの実施例ではこのNO2比率NRが図3に示される目標NO2比率NROとなるように燃料噴射時期が制御される。 FIG. 6 shows changes in the NO and NO 2 emission amounts discharged from the combustion chamber 2 when the fuel injection timing is changed. As the fuel injection timing is advanced as shown in FIG. 6, the NO 2 emission amount hardly changes, but the NO emission amount gradually decreases. Therefore, the NO in the exhaust gas discharged from the combustion chamber 2 is reduced. The ratio NR of NO 2 to x increases as the fuel injection timing is advanced as shown in FIG. Therefore, in this embodiment, the fuel injection timing is controlled so that the NO 2 ratio NR becomes the target NO 2 ratio NRO shown in FIG.
即ち、NO2比率の制御ルーチンを示す図7を参照すると、まず初めにステップ60において温度センサ28により検出された酸化触媒12の床温TCから図3に示す目標NO2比率NROが算出される。次いでステップ61ではNO2比率を目標NO2比率NROとするのに必要な目標噴射時期が算出される。次いでステップ62ではこの目標噴射時期において燃料噴射が行われる。なお、NO2比率を目標NO2比率に制御する際にEGR率と燃料噴射時期の双方を制御することもできる。
That is, referring to FIG. 7 showing the control routine of the NO 2 ratio, first, the target NO 2 ratio NRO shown in FIG. 3 is calculated from the bed temperature TC of the
図8に圧縮着火式内燃機関の更に別の実施例を示す。この実施例では酸化触媒12を迂回するバイパス通路45が設けられ、バイパス通路45の入口部に流路切換弁46が配置される。この実施例では通常図8において実線で示されるように流路切換弁46がバイパス通路45を閉鎖しており、このとき排気ガスは酸化触媒12内を流通する。これに対し、図8の破線で示すように流路制御弁46が酸化触媒12の入口を閉鎖したときには排気ガスはバイパス通路45内を流れてパティキュレートフィルタ13に流入する。
FIG. 8 shows still another embodiment of the compression ignition type internal combustion engine. In this embodiment, a
この実施例では図9に示されるように酸化触媒12におけるNOからNO2への転換率がマイナスとなる機関運転状態のときにはバイパス通路45が開通せしめられ、即ち酸化触媒12の入口が閉鎖され、このとき燃焼室2から排出された排気ガスはバイパス通路45内に導びかれて酸化触媒12を経由せずにパティキュレートフィルタ13およびNOx選択還元触媒15に流入する。即ち、この実施例ではNO2転換率がマイナスのときにはNOがNO2に変換されるのを回避するようにしている。
In this embodiment, as shown in FIG. 9, the
具体的に言うとこの実施例では図9に示されるように酸化触媒12が活性化していないときには、即ち酸化触媒12におけるNOからNO2への転換率がマイナスとなる機関運転状態のときには燃焼室2から排出される排気ガス中のNOxに対するNO2の目標NO2比率がほぼ50パーセントになるように燃焼が制御される。このとき、排気ガスはバイパス通路45内に送り込まれるのでNOx選択還元触媒15に流入する排気ガス中のNOxに対するNO2の比率はほぼ50パーセントになる。
Specifically, in this embodiment, as shown in FIG. 9, when the
一方、酸化触媒12が活性化しているとき、即ち酸化触媒12におけるNOからNO2への転換率がプラスとなる機関運転状態のときにはバイパス通路45が閉鎖されて燃焼室2から排出された排気ガスが酸化触媒12に流入される。このときにはNOx選択還元触媒15に流入する排気ガス中のNOxに対するNO2の比率がほぼ50パーセントになるように燃焼が制御される。
On the other hand, when the
次に図10を参照しつつEGR率を制御することによってNO2比率を制御するようにした場合のNO2比率制御ルーチンについて説明する。
図10を参照すると、まず初めにステップ70において温度センサ28により検出された酸化触媒12の床温TCが活性化温度T0よりも高いか否かが判別される。TC>T0のときにはステップ71に進んでバイパス通路45が閉鎖される。次いでステップ72では図3に示す目標NO2比率NROが算出される。次いでステップ73ではNO2比率を目標NO2比率NROとするのに必要な目標EGR率が算出される。次いでステップ74ではEGR率が目標EGR率となるようにEGR制御弁22の開度が制御される。
Next NO 2 ratio control routine will be described in the case of so controlling the NO 2 ratio by controlling the EGR rate with reference to FIG. 10.
Referring to FIG. 10, first, at
これに対し、ステップ70においてTC≦T0であると判別されたときにはステップ75に進んでバイパス通路45が開通せしめられる。次いでステップ76では目標NO2比率NROが0.5、即ち50パーセントとされ、次いでステップ73に進む。従ってこのときには燃焼室2から排出される排気ガス中のNOxに対するNO2の比率はほぼ50パーセントとなる。
On the other hand, when it is determined at
4 吸気マニホルド
5 排気マニホルド
7 排気ターボチャージャ
12,16 酸化触媒
13 パティキュレートフィルタ
15 NOx選択還元触媒
17 尿素水溶液供給弁
4
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