JP2008232055A - Exhaust emission control system 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.
機関排気通路内に上流側から順に酸化触媒、パティキュレートフィルタ、NOx選択還元触媒を配置した内燃機関が公知である(例えば特許文献1を参照)。この内燃機関ではパティキュレートフィルタ上に捕集された粒子状物質の量が許容量を越えたときに酸化触媒に供給されるHCの量が増量され、このとき酸化触媒において発生する酸化反応熱によりパティキュレートフィルタの温度を上昇させてパティキュレートフィルタ上の粒子状物質を燃焼させ、それによってパティキュレートフィルタを再生するようにしている。
ところでこの内燃機関において例えば機関始動時にNOx選択還元触媒を早期に暖機すべく酸化触媒に供給されるHCの量を増量した場合、この内燃機関では中間にパティキュレートフィルタが介在しているためにNOx選択還元触媒の温度がなかなか上昇せず、従ってNOx選択還元触媒を早期に暖機するのは困難となる。 By the way, in this internal combustion engine, for example, when the amount of HC supplied to the oxidation catalyst is increased in order to warm up the NO x selective reduction catalyst at the time of engine startup, the internal combustion engine has a particulate filter in the middle. However, the temperature of the NO x selective reduction catalyst does not rise easily, so it is difficult to warm up the NO x selective reduction catalyst early.
このようにこの内燃機関ではパティキュレートフィルタに対しては例えば再生に必要な温度まで上昇させなければならないという要求があり、またNOx選択還元触媒に対しては例えば早期に暖機させなければならないという要求がある。しかしながらこの内燃機関ではNOx選択還元触媒およびパティキュレートフィルタに対する各要求に対して適切に対処しえないという問題がある。 Thus, in this internal combustion engine, there is a requirement that the particulate filter must be raised to a temperature necessary for regeneration, for example, and that the NO x selective reduction catalyst must be warmed up early, for example. There is a request. However, this internal combustion engine has a problem that it cannot properly cope with each requirement for the NO x selective reduction catalyst and the particulate filter.
上記問題を解決するために本発明によれば、機関排気通路内に酸化触媒を配置し、酸化触媒の出口を切替弁装置を介して流れ方向の切替え可能な排気通路部分に連結し、排気通路部分内にアンモニアによりNOxを選択的に還元可能なNOx選択還元触媒と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とを直列に配置し、排気通路部分内における排気ガスの流れは切替弁装置の切替作用によってNOx選択還元触媒を流通後パティキュレートフィルタを流通する第1の流れとパティキュレートフィルタを流通後NOx選択還元触媒を流通する第2の流れとに切替可能であり、NOx選択還元触媒およびパティキュレートフィルタに対する要求に応じて第1の流れと該第2の流れのいずれかに切替えるようにしている。 In order to solve the above problem, according to the present invention, an oxidation catalyst is disposed in an engine exhaust passage, and an outlet of the oxidation catalyst is connected to an exhaust passage portion whose flow direction can be switched via a switching valve device. A NO x selective reduction catalyst capable of selectively reducing NO x with ammonia in the part and a particulate filter for collecting particulate matter are arranged in series, and the flow of exhaust gas in the exhaust passage part is switched. can be switched to the second flow that flows through the flow after the NO x selective reduction catalyst the first flow and a particulate filter that flows through the flow after the particulate filter and the NO x selective reduction catalyst by the switching action of the valve device, Switching between the first flow and the second flow is made according to the demand for the NO x selective reduction catalyst and the particulate filter.
NOx選択還元触媒およびパティキュレートフィルタに対する要求に対して適切に対処することができる。 The demand for the NO x selective reduction catalyst and the particulate filter can be appropriately dealt with.
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の入口に連結される。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の出口は切替弁装置13を介して流れ方向の切替え可能な排気通路部分14に連結される。この排気通路部分14内にはアンモニアによりNOxを選択的に還元可能なNOx選択還元触媒15と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16とが直列に配置されている。
On the other hand, the
具体的に言うと酸化触媒12の出口にはアクチュエータ17によって駆動される切替弁18が配置されており、切替弁18に関し酸化触媒12の出口と反対側には排出口19が形成されている。この排出口19は排気管20を介して酸化触媒21に連結されている。一方、切替弁18の両側には排気通路部分14の一方の端部である第1の流出入口22と排気通路部分14の他方の端部である第2の流出入口23とが対面配置されている。
More specifically, a
切替弁18が図1において実線で示される第1の位置にあるときには酸化触媒12内を流れた排気ガスは第1の流出入口22から排気通路部分22内に流入し、NOx選択還元触媒15およびパティキュレートフィルタ16内を流れて第2の流出入口23から排出口19に流入し、次いで排気管20を介して酸化触媒21内に流入する。
When the
一方、切替弁18が図1において破線で示される第2の位置にあるときには酸化触媒12内を流れた排気ガスは第2の流出入口23から排気通路部分22内に流入し、パティキュレートフィルタ16およびNOx選択還元触媒15内を流れて第1の流出入口22から排出口19に流入し、次いで排気管20を介して酸化触媒21内に流入する。
On the other hand, when the
即ち、排気通路部分14内における排気ガスの流れは切替弁装置13の切替作用によってNOx選択還元触媒15を流通後パティキュレートフィルタ16を流通する第1の流れIとパティキュレートフィルタ16を流通後NOx選択還元触媒15を流通する第2の流れIIとに切替可能である。本発明ではNOx選択還元触媒15およびパティキュレートフィルタ16に対する要求に応じて第1の流れIと第2の流れIIのいずれかに切替えられる。
That is, after the flow of the exhaust gas in the
図1に示されるように排気マニホルド5内には排気マニホルド5内を流れる排気ガス中に炭化水素、即ちHCを供給するためのHC供給弁24が配置されている。また、排気ガスの流れ方向IからみてNOx選択還元触媒15の上流側および下流側の排気通路部分14内には夫々尿素供給弁25,26が配置されている。
As shown in FIG. 1, an
これらの尿素供給弁25,26は供給管27、供給ポンプ28を介して尿素水溶液タンク29に連結される。尿素水溶液タンク29内に貯蔵されている尿素水溶液は供給ポンプ28によって上流側に位置する尿素供給弁25,26から排気通路部分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)CO+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。
These
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30を介して互いに連結され、EGR通路30内には電子制御式EGR制御弁31が配置される。また、EGR通路30周りにはEGR通路30内を流れるEGRガスを冷却するための冷却装置32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32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33を介してコモンレール34に連結され、このコモンレール34は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ35を介して燃料タンク36に連結される。燃料タンク36内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ35によってコモンレール34内に供給され、コモンレール34内に供給された燃料は各燃料供給管33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および出力ポート46を具備する。NOx選択還元触媒15にはNOx選択還元触媒15の床温を検出するための温度センサ37が取付けられ、この温度センサ37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47を介して入力ポート45に入力される。また、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52が接続される。一方、出力ポート46は対応する駆動回路48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、切替弁18の駆動用アクチュエータ17、HC供給弁24、尿素供給弁25,26、供給ポンプ28、EGR制御弁31および燃料ポンプ35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16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、HCが酸化されるとHCの酸化反応熱でもって排気ガス温が上昇せしめられる。
The
パティキュレートフィルタ16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ン・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21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21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は切替弁18によって排気通路部分14内の流れ方向を第1の流れIか或いは第2の流れIIのいずれかに切替えるためのルーチンを示している。次にこのルーチンを参照しつつ本発明による流れ方向の切替制御について説明する。
FIG. 2 shows a routine for switching the flow direction in the
図2を参照するとまず初めにステップ60においてパティキュレートフィルタ16を再生すべきであるか否かが判別される。パティキュレートフィルタ16を再生すべきときにはステップ61に進んで第2の流れIIに切替えられる。このときにはHC供給弁24からHCが供給され、酸化触媒12におけるHCの酸化反応熱により温度上昇した排気ガスがパティキュレートフィルタ16に送り込まれる。斯くしてパティキュレートフィルタ16の温度は容易に再生温度まで上昇せしめられる。
Referring to FIG. 2, first, at
また、このときには酸化触媒12において発生したNO2により粒子状物質の酸化作用が促進される。なお、パティキュレートフィルタ16の再生が完了するまで切替弁18は図1において破線で示される位置に保持され、第2の流れIIが維持される。パティキュレートフィルタ16の再生が完了するとステップ60からステップ62に進む。
At this time, the NO 2 generated in the
ステップ62では温度センサ37の検出値に基づいてNOx選択還元触媒15の床温TCが予め定められた下限温度T1、例えば200℃よりも低いか否かが判別され、NOx選択還元触媒15の床温TCが下限温度T1よりも低いときにはステップ63に進んで第1の流れIに切替えられる。このときには酸化触媒12を流れた排気ガスがただちにNOx選択還元触媒15に送り込まれるのでNOx選択還元触媒15は早期に暖機される。TC<T1である限り切替弁18は図1において実線で示される位置に保持され、第1の流れIが維持される。次いでNOx選択還元触媒15の床温TCが下限温度T1よりも高くなるとステップ62からステップ64に進む。
In
ステップ64ではNOx選択還元触媒15の床温TCが予め定められた上限温度T2、例えば500℃よりも低いか否かが判別される。NOx選択還元触媒15の床温TCが上限温度T2よりも低いときにはステップ65に進んで減速運転時であるか否かが判別される。減速運転時でないときには処理サイクルを完了する。これに対し、減速運転時のときにはステップ66に進んで現在第1の流れIであるときには第1の流れIから第2の流れIIへ、現在第2の流れIIであるときには第2の流れIIから第1の流れIに切替えられる。即ち、NOx選択還元触媒15の床温TCがT1≦TC<T2のとき、即ち通常運転時には減速運転が行われる毎に第1の流れIおよび第2の流れIIに交互に切替えられ、切替後に上流側に位置する尿素供給弁25,26から尿素が供給される。
In
即ち、NOx選択還元触媒15がゼオライト系の触媒からなる場合にはNOx選択還元触媒15は極めて高いアンモニアの吸着性能を有する。従ってこの場合には供給された尿素から発生するアンモニアはNOx選択還元触媒15の上流側にしか吸着せず、斯くして触媒全体をNOx浄化のために有効に使用しえない。そこで定期的に流れ方向を切替え、切替える毎に上流側に位置する尿素供給弁25,26から尿素を供給することによってNOx選択還元触媒15の全体にアンモニアを吸着させ、それによりNOx選択還元触媒15の全体をNOx浄化のために有効に活用するようにしている。
That is, when the NO x
なお、流れ方向を減速運転が行われる毎に交互に切換えないで高いNOx浄化率を確保することを重視する場合には第1の流れIに維持しておく割合を増大させ、NO2による粒子状物質の酸化作用を重視する場合には第2の流れIIに維持しておく割合を増大させることもできる。 In the case where it is important to ensure a high NO x purification rate without alternately switching the flow direction every time the deceleration operation is performed, the ratio of maintaining the first flow I is increased, and NO 2 is used. When importance is attached to the oxidizing action of the particulate matter, the ratio maintained in the second flow II can also be increased.
一方、図1からわかるように切替弁18が切替えられる際には酸化触媒12から流出した排気ガスが切替の途中で直接排出口19内に流入し、次いで大気中に排気されてしまう。しかしながら減速運転時には燃料の供給が停止されており、従ってこのときには切替弁18を切替えたとしても有害な排気ガスが大気中に排出されることはない。従って本発明による実施例では減速運転時に切替弁18の切替作用を行うようにしている。なお、この場合減速運転時ではなくて、排気ガス量の少ないとき、例えばアイドリング運転時に切替弁18の切替作用を行うこともできる。
On the other hand, as can be seen from FIG. 1, when the switching
一方、ステップ64においてNOx選択還元触媒15の床温TCが上限温度T2よりも高いと判別されたときにはステップ67に進んで減速運転中であるか否かが判別される。減速運転中のときにはステップ68に進んで第1の流れIに切替えられ、減速運転中でないときにはステップ69に進んで第2の流れIIに切替えられる。
On the other hand, when it is determined at
即ち、NOx選択還元触媒15の床温TCが上限温度T2よりも高くなるとNOx浄化率が低下してくるのでこのときにはNOx選択還元触媒15の温度を低下させる必要がある。この場合、第2の流れIIにするとNOx選択還元触媒15はパティキュレートフィルタ16の下流側になるのでNOx選択還元触媒15の床温は低下する。従って通常運転時にNOx選択還元触媒15の床温TCが上限温度T2よりも高くなったときには第2の流れIIに切替えるようにしている。
That is, when the bed temperature TC of the NO x
一方、減速運転中は燃料の供給が停止されるために排気ガス温は低下し、このときには第1の流れIに切替えた方がNOx選択還元触媒15を効果的に冷却することができる。従ってNOx選択還元触媒15の床温TCが上限温度T2よりも高く、このとき減速運転が行われたときには減速運転中第1の流れIに切替えるようにしている。
On the other hand, since the fuel supply is stopped during the deceleration operation, the exhaust gas temperature decreases. At this time, switching to the first flow I can effectively cool the NO x
なお、パティキュレートフィルタ16が貴金属触媒を担持しており、NOx選択還元触媒15を暖機するためにHC供給弁24からHCを供給するようにした場合には酸化触媒12およびパティキュレートフィルタ16の双方においてHCの酸化反応熱が発生する。従ってこの場合には第1の流れIに切替えた方がNOx選択還元触媒15を早期に暖機させることができ、好ましいと言える。
When the
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
12,21 酸化触媒
13 切替弁装置
14 排気通路部分
15 NOx選択還元触媒
16 パティキュレートフィルタ
24 HC供給弁
25,26 尿素供給弁
4
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JP5062539B2 (en) * | 2009-01-13 | 2012-10-31 | トヨタ自動車株式会社 | Exhaust gas purification device for internal combustion engine |
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- 2007-03-22 JP JP2007074632A patent/JP2008232055A/en active Pending
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