JP2009068424A - ＮＯｘ還元触媒を備えた内燃機関 - Google Patents

ＮＯｘ還元触媒を備えた内燃機関 Download PDF

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Abstract

【課題】 効果的にＮＯｘ還元触媒の始動後早期活性化を図ることができる内燃機関を提供する。
【解決手段】 冷機状態の場合には、ＥＣＵ５０において実行される冷機時運転制御によって、例えばＥＧＲシステム４０の作動が停止される（Ｓ１）。Ｓ２では、冷機状態であるか否かを検出し、ＹＥＳであれば冷機状態が継続しているとしてＳ３へ進み、ＮＯであれば、暖機状態へ移行したとしてＳ５へ進む。Ｓ５では、バーナー１０の作動を停止又は制限して尿素水の排気への添加供給を開始すると共に、ＥＧＲシステム４０の通常作動を許可する。Ｓ３では、尿素ＳＣＲ触媒５の早期活性化を図るべく、バーナー１０を作動させる。Ｓ４では、尿素ＳＣＲ触媒５の出口温度が活性化判定温度以上となったか否かを判断し、ＹＥＳであれば、Ｓ５へ進む。ＮＯであれば、Ｓ３へ戻り、尿素ＳＣＲ触媒５の出口温度が以上となるまで、バーナー１０の作動を継続する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関から排出され種々の排出物質を含む気体（排気）を処理する排気処理装置（特に、ＮＯｘ還元触媒）を備えた内燃機関及びその制御方法に関する。
燃焼装置からの排気を浄化して環境汚染の拡大を抑制することは重要な課題であるが、例えば、ディーゼル燃焼機関に関しては、排気中のＰＭ（パティキュレートマター：粒子状物質＝主に黒煙（スス）、ＳＯＦと称される燃え残った燃料や潤滑油の成分、サルフェートと称される軽油燃料中の硫黄分から生成される成分、その他の固体物質を含む）の大気への排出を抑えるために、例えば、ディーゼルパティキュレートフィルタ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）やＣＳＦ（Ｃａｔａｌｙｚｅｄ Ｓｏｏｔ Ｆｉｌｔｅｒ：触媒化フィルタ）を排気通路に介装し、排気をディーゼルパティキュレートフィルタやＣＳＦを通過させることで排気中のＰＭを捕集する一方、ディーゼルパティキュレートフィルタやＣＳＦを種々の方法により再生することが行われている。
また、例えば、特許文献１などにおいては、排気に含まれるＮＯｘとＰＭの同時低減を実現するために、ディーゼルパティキュレートフィルタやＣＳＦを排気通路に介装すると共に、その下流側に、ＮＯｘ低減に有効な尿素ＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）を介装することが提案されている。なお、尿素ＳＣＲとは、酸素共存下においても選択的にＮＯｘを還元剤と反応させることができる特性を備えた選択還元型ＮＯｘ触媒であって、毒性のない尿素水を排気に添加してアンモニアと炭酸ガスに熱分解し、この生成されたアンモニアを還元剤として用いて選択還元型ＮＯｘ触媒上で排気中のＮＯｘを還元して浄化しようとするものである。
より詳細には、特許文献１に記載されるような従来の排気処理装置においては、例えば、図５に示すように、ディーゼル燃焼機関等の内燃機関１の排気通路２の最上流側の排気温度の比較的高い位置に再生効率等の観点より酸化触媒付きディーゼルパティキュレートフィルタ３を介装し、その下流側に尿素水添加装置４、尿素ＳＣＲ触媒５を介装すると共に、尿素ＳＣＲ触媒５からリークしてくる余剰のアンモニア（ＮＨ３）を酸化処理するためのアンモニア酸化触媒６を介装していた。
特開２００７−２６９７号公報
しかし、かかる従来の排気処理装置において、コールドスタート時（冷機時）には、尿素ＳＣＲ触媒５が活性化しておらず、内燃機関１が所定に暖機され尿素ＳＣＲ触媒５が所定に活性化されるまでは、ＮＯｘを十分に還元して浄化することができない惧れがある。
また、かかるコールドスタート時には、燃焼温度を低下させＮＯｘの生成量を抑制するために内燃機関１からの排気の少なくとも一部をＥＧＲガスとして内燃機関１の気筒内へ還流させる所謂ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）システムを作動させない或いは制限するようにしている。これは、冷機時には、例えば、ＥＧＲガスに含まれる硫酸成分等が露点以下となって結露して内燃機関１の気筒の他ＥＧＲガスに晒される部分の腐食摩耗を増大させるなどの惧れがあるため、所定に暖機が行なわれるまでは、ＥＧＲシステムの作動を停止して内燃機関１を保護するといった要請があるからである。
このため、冷機時には、パティキュレートの排出量を所望に抑制しながら、内燃機関１の燃焼面からＮＯｘ排出量を効果的に低減することも難しいのが実情である。
このようなことから、冷機時におけるＮＯｘ排出量の低減を図るためには、尿素ＳＣＲ触媒５を始動後早期に昇温させて早期活性化を図ることが一つの方策として考えられる。
ここで、近年のディーゼル機関等においては、ディーゼル機関により駆動されるサプライポンプから吐出された燃料をコモンレールに蓄圧し、この蓄圧された比較的高圧の燃料を各気筒に設けたインジェクタを介して噴射供給するようにした所謂コモンレール式（蓄圧式）の燃料供給装置が多く採用されている。かかるコモンレール式燃料供給装置は、燃料噴射時期、燃料噴射率等を比較的広い範囲で可変に制御することが可能で、例えば、主噴射の前に燃料を噴射するパイロット噴射や、主噴射の後に燃料を噴射するポスト噴射を行なったりすることが容易であるという特長を有する。
このため、従来においては、かかる特長を利用し、例えば燃料噴射時期を遅らせたり、ポスト噴射を行なわせて排気温度を上昇させることで、冷機時に未燃物質（ＨＣ等）の排出量を抑制するために酸化触媒の早期活性化を図るといった手法が、別個新たな装置を設ける必要がなく簡単かつ安価で手法として採用される傾向がある。
また、冷機時において、酸化触媒付きディーゼルパティキュレートフィルタ３の再生用に備えられた電熱ヒータに通電し、酸化触媒を昇温させて始動後早期活性化を図るような手法も試みられることが想定される。
更に、冷機時に、吸気通路を絞ることで、冷たい外気が多量に気筒内に導入されて燃焼温度延いては排気温度が低下するのを抑制して、暖機を促進するような手法も試みられることも想定される。
加えて、冷機時に、排気通路に設けた排気絞り弁（例えば、所謂排気ブレーキバルブ）を作動させて排気通路を絞り、排気が熱を持ち去るのを抑制して、酸化触媒の早期活性化を図るような手法も試みられることが想定される。
しかしながら、本発明者等が種々の研究・実験を重ねた結果、上述した種々の手法を組み合わせて採用したとしても、これら手法では応答性が悪く、冷機始動後、尿素ＳＣＲ触媒５を所望に昇温して活性化できるまでには時間がかかり過ぎるため、十分でないといった知見を得た。また、尿素ＳＣＲ触媒５までをも含めた排気系を早期に昇温させようとした場合、熱容量が大きくなり、尿素ＳＣＲ触媒５を所望に昇温して冷機始動後早期活性化を図るには、上述した種々の手法の組み合わせだけでは十分でないことが解った。
なお、例えば、尿素水を還元剤として用いる場合、尿素水の水分を蒸発させるために蒸発潜熱が必要であると共に、尿素水からＮＨ３を生成する反応は吸熱反応であり、更には生成されるＨ２Ｏが蒸発するための蒸発潜熱も必要であるため、尿素ＳＣＲ触媒５の早期活性化を阻害する惧れもある。
本発明は、かかる実情に鑑みなされたもので、簡単かつ安価な構成でありながら、ＮＯｘ還元触媒を備えた内燃機関であって、効果的にＮＯｘ還元触媒の始動後早期活性化を図ることができる内燃機関を提供することを目的とする。
このため、本発明は、
内燃機関から排出される排気中のＮＯｘ成分を還元して浄化するＮＯｘ還元触媒を備えた内燃機関であって、
ＮＯｘ還元触媒の排気上流側に燃焼熱を発生させるバーナーが備えられ、
冷機時に、前記バーナーを作動させてＮＯｘ還元触媒の活性化を促進するようにした。
本発明において、前記内燃機関の燃焼室に燃料を供給する燃料供給装置が、燃料供給時期を可変制御可能な電子制御式燃料供給装置であることを特徴とすることができる。
また、本発明において、前記電子制御式燃料供給装置は、コモンレール式燃料供給装置とすることができる。
更に、本発明において、内燃機関からの排気の少なくとも一部をＥＧＲガスとして内燃機関の燃焼室内へ還流させるＥＧＲシステムが備えられ、
冷機時に、当該ＥＧＲシステムの作動が停止若しくは制限されることを特徴とすることができる。
本発明によれば、簡単かつ安価な構成でありながら、ＮＯｘ還元触媒を備えた内燃機関であって、効果的にＮＯｘ還元触媒の始動後早期活性化を図ることができる内燃機関を提供することができる。
以下、本発明に係る実施の形態を、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態により、本発明が限定されるものではない。
本発明に係るＮＯｘ還元触媒を備えた内燃機関の一実施の形態を、図１に基づいて説明する。
図１に示すように、本実施の形態においては、例えばディーゼル燃焼機関等の内燃機関１の排気通路２の最上流側の排気温度の比較的高い位置に再生効率等の観点より酸化触媒付きディーゼルパティキュレートフィルタ３を介装し、その下流側に尿素水添加装置４、尿素ＳＣＲ触媒５（ＮＯｘ還元装置の一例）を介装すると共に、尿素ＳＣＲ触媒５からリークしてくる余剰のアンモニア（ＮＨ３）を酸化処理するためのアンモニア酸化触媒６が介装されている。
前記尿素水添加装置４は、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）５０からの信号に基づいて、排気に対して還元剤としての尿素水を所定のタイミングで噴射供給する尿素水噴射ノズル４Ａと、尿素水を貯留する尿素水タンク４Ｂと、当該尿素水タンク４Ｂに貯留されている尿素水を排気に対して噴射供給する前記尿素水噴射ノズル４Ａへ所定圧力をもって圧送供給する供給ポンプ４Ｃと、を含んで構成されている。なお、尿素水噴射ノズル４Ａから噴射供給された尿素水と排気との混合を促進するためのミキサー６０が、尿素水噴射ノズル４Ａの排気下流側に配設されている。
本実施の形態に係る内燃機関１は、例えば６つの気筒を有し、各気筒に臨んで電子制御蓄圧式インジェクタ７が配設されている。これらの電子制御蓄圧式インジェクタ７にはコモンレール８が接続されている。当該コモンレール８には、内燃機関１により駆動されるサプライポンプ（図示せず）が接続されており、当該サプライポンプから圧送供給された燃料がコモンレール８に所定圧力に昇圧された状態で蓄圧されている。
前記電子制御蓄圧式インジェクタ７は、前記ＥＣＵ５０からの駆動信号により所定タイミングで開弁駆動され、運転状態に応じて設定される所定量の燃料を気筒内に噴射供給するようになっている。
また、内燃機関１は、燃焼温度を低下させＮＯｘの生成量を抑制するために内燃機関１からの排気の少なくとも一部をＥＧＲガスとして内燃機関１の気筒内へ還流させる所謂ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）システム４０が備えられている。
ＥＧＲシステム４０は、内燃機関１の排気系と内燃機関１の吸気系とを連通するＥＧＲ通路４２と、当該ＥＧＲ通路４１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するための開閉弁であって前記ＥＣＵ５０からの駆動信号により開弁駆動されるＥＧＲバルブ４１と、前記ＥＧＲ通路４２を流れるＥＧＲガスを所定に冷却するためのＥＧＲクーラー４３と、を含んで構成されている。
ここで、本実施の形態では、内燃機関１を腐食摩耗等から保護するという観点から、冷機時においては、ＥＧＲシステム４０の作動は停止若しくは制限される（ＥＧＲバルブ４１は閉弁されＥＧＲガスの気筒内への流入は制限される）。
また、尿素ＳＣＲ触媒５は、冷機時には活性化しておらずＮＯｘを効果的に還元して浄化することができない。
従って、例えば、冷機時には、電子制御蓄圧式インジェクタ７の燃料噴射時期を遅らせたり、ポスト噴射等を行なって排気温度を上昇させたり、酸化触媒付きディーゼルパティキュレートフィルタ３の再生用に備えられた電熱ヒータ３Ａに通電して、尿素ＳＣＲ触媒５に流入する廃棄の温度を上昇させることで、尿素ＳＣＲ触媒５の始動後早期活性化を図るような手法の試みがなされることが想定される。更に、冷機時に、吸気絞り弁２０により吸気通路を絞ることで、冷たい外気が多量に気筒内に導入されて燃焼温度延いては排気温度が低下するのを抑制して暖機を促進するような手法や、排気通路２に設けた排気絞り弁（例えば、所謂排気ブレーキバルブ）３０を作動させて排気通路２を絞り、排気が熱を持ち去るのを抑制して、尿素ＳＣＲ触媒５の早期活性化を図る手法の試みがなされることも想定される。
しかしながら、これら想定される種々の手法では応答性が悪く、冷機始動後、尿素ＳＣＲ触媒５を所望に昇温して活性化できるまでには時間がかかり過ぎるため、十分でないといった知見を、本発明者等は種々の研究実験を行なうことによって得た。また、尿素ＳＣＲ触媒５までをも含めた排気系を早期に昇温させようとした場合、熱容量が大きくなり、尿素ＳＣＲ触媒５を所望に昇温して冷機始動後早期活性化を図るには、上述した種々の手法の組み合わせだけでは十分でないことが解った。
このため、本実施の形態においては、比較的大きな熱容量を持つ尿素ＳＣＲ触媒５を始動後迅速に活性化させることができるように、燃焼装置であるバーナー１０を、尿素ＳＣＲ触媒５の排気上流側の排気通路２に配設するようにした。
バーナー１０による燃焼熱を利用する場合は、電子制御蓄圧式インジェクタ７の燃料噴射時期の遅延操作やポスト噴射の実行や、吸気絞り弁２０や排気絞り弁３０の閉弁操作を介して、内燃機関１の燃焼状態を変化させて排気温度を上昇させるような応答性の悪い手法や、電気式ヒータ等により排気を昇温させる手法に比べて、極短時間で大量の熱量を発生させ尿素ＳＣＲ触媒５を迅速に昇温させることができるため、冷機時でＥＧＲシステム４０を作動させることができないような状況下において、始動後早期に尿素ＳＣＲ触媒５を活性化させてＮＯｘ低減を図るためには有益なものとなる。
以下に、本実施の形態において行われる尿素ＳＣＲ触媒５の早期活性化制御を、図２に示したフローチャートに従って説明する。
すなわち、
ステップ（以下、Ｓと記す）１は、内燃機関１が冷機状態であるか否かを検出し冷機状態が検出された場合に実行されるステップで、当該Ｓ１では、冷機状態が検出された場合に前記ＥＣＵ５０において別ルーチンで実行される冷機時運転制御などによって、冷機状態に見合った制御が実行され、例えばＥＧＲシステム４０の作動が停止若しくは制限される。なお、例えば、水温センサ１１、排気温度センサ１２、１３、１４、１５等の検出信号に基づいて、内燃機関１の冷却水温度が例えば約６０°Ｃより低いこと、排気温度（尿素ＳＣＲ触媒５の触媒床温度）が約２００°Ｃより低いか否かなどを判断して、内燃機関１が冷機状態であるか否かを判断することができる。尿素ＳＣＲ触媒５の触媒床温度は、排気温度センサ１５により検出される触媒出口温度で代用することができるし、他の排気温度センサ１２〜１４の検出結果や内燃機関１の運転状態から予測することも可能である。
Ｓ２では、内燃機関１が冷機状態であるか否かを検出する。ＹＥＳであれば、冷機状態が継続しているとしてＳ３へ進む。これに対し、ＮＯであれば、暖機状態へ移行したとして、Ｓ５へ進み、バーナー１０の作動を停止して、尿素水添加装置４の作動を開始して尿素水噴射ノズル４Ａから還元剤である尿素水の排気への添加供給を開始すると共に、暖機終了信号を前記ＥＣＵ５０へ送り、前記ＥＣＵ５０では前記冷機時運転制御を停止して、例えば運転状態に応じてＥＧＲシステム４０の作動を許可するなど、暖機状態に見合った制御を実行する。
Ｓ３では、内燃機関１が冷機状態であり、尿素ＳＣＲ触媒５が活性化しておらず、かつＥＧＲシステム４０の作動が停止若しくは制限されそのＮＯｘ低減効果を期待することができないため、尿素ＳＣＲ触媒５の早期活性化を図るべく、バーナー１０を作動させて、Ｓ４へ進む。
Ｓ４では、ＮＯｘ還元触媒である尿素ＳＣＲ触媒５の出口温度（或いは触媒床温度）が活性化判定温度（例えば２００°Ｃ）以上となったか否かを判断する。
ＹＥＳであれば、Ｓ５へ進み、尿素ＳＣＲ触媒５が所定に昇温したとして、バーナー１０の作動を停止し、尿素水の排気への添加供給を開始すると共に、ＥＧＲシステム４０の作動を許可若しくは制限を解除して通常動作させるなどして、本フローを終了する。
ＮＯであれば、Ｓ３へ戻り、Ｓ４において尿素ＳＣＲ触媒５の出口温度（或いは触媒床温度）が活性化判定温度（例えば２００°Ｃ）以上となったと判断されるまで、バーナー１０の作動を継続し、バーナー１０による燃焼熱を利用して、尿素ＳＣＲ触媒５の早期活性化を促進する。
このように、本実施の形態によれば、冷機時においてＥＧＲシステム４０の作動を停止若しくは制限するようにした内燃機関１において、液体燃料やガス燃料などを用いた燃焼装置であるバーナー１０を尿素ＳＣＲ触媒５の排気上流側の排気通路２に配設する構成を採用したので、バーナー１０の燃焼熱を利用して冷機始動後早期に尿素ＳＣＲ触媒５を活性化させ早期にＮＯｘ還元作用を発揮させることができ、以って従来ＮＯｘ排出量を十分に抑制することができなかった冷機時においても、始動後早期にＮＯｘの排出量を抑制することができる。
ここで、図３に、バーナー１０を備え、図２のフローチャートに示した尿素ＳＣＲ触媒５の早期活性化制御を実行した場合の実験結果を示し、図４に、従来のようなバーナー１０を備えない場合の実験結果を示しておく。図３、図４からも、バーナー１０を備え、図２のフローチャートに示した尿素ＳＣＲ触媒５の早期活性化制御を実行した場合には、従来装置に比べ、始動後早期に尿素ＳＣＲ触媒５の活性化を図ることができ、以って始動後早期に尿素水を添加してＮＯｘの排出量を効果的に低減できることが理解される。
なお、電子制御蓄圧式インジェクタ７の燃料噴射時期の遅延操作やポスト噴射の実行や、吸気絞り弁２０や排気絞り弁３０の閉弁操作を介して、内燃機関１の燃焼状態を変化させて排気温度を上昇させる手法や、電気式ヒータ等により排気を昇温させる手法などと、本実施の形態に係る手法とを適宜組み合わせて、尿素ＳＣＲ触媒５の活性化を促進することも可能である。
また、本実施の形態では、電子制御蓄圧式インジェクタ７を採用した例について説明したが、これに限定されるものではなく、比較的容易に燃料噴射時期や燃料噴射率を可変制御することができる電子制御式の燃料噴射装置を採用することもできる。
ところで、本実施の形態では、尿素ＳＣＲ触媒５の活性化を、触媒出口或いは触媒床温度が約２００°Ｃ以上となったか否かに基づいて判断したが、１６０°Ｃ程度においてもある程度活性化は進んでいるため、２００°Ｃに替えて１６０°Ｃを活性化判定温度とすることができるし、更には、採用するＮＯｘ還元触媒の活性化特性に応じてその活性化判定温度を適宜変更することができるものである。
また、尿素ＳＣＲ触媒５が活性化する時期は、例えば、始動後の運転状態（機関回転速度、負荷、水温など）の履歴等に基づいて予測することも可能である。
なお、本実施の形態においては、ＮＯｘ還元触媒の一例として尿素ＳＣＲ触媒５を採用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他のＮＯｘ還元触媒、例えば、還元剤を必要としない直接分解型触媒、ＨＣを還元剤とする選択還元触媒（リーンＮＯｘ触媒）、ＮＯｘ吸蔵還元触媒などを用いた場合にも適用可能である。
また、本実施の形態では、ＥＧＲシステム４０の作動を冷機時に停止若しくは制限する場合を一例として説明したが、これに限定されるものではなく、ＥＧＲシステム４０自体を備えない場合にも、上述した冷機時における尿素ＳＣＲ触媒５の早期活性化制御を適用することで、従来装置に比べ、始動後早期に尿素ＳＣＲ触媒５の活性化を図ることができ、以って始動後早期に尿素水を添加してＮＯｘの排出量を効果的に低減することができるものである。
ところで、本実施の形態において、内燃機関１は、例えばディーゼル燃焼を行うディーゼルエンジンとすることができるが、これに限定されるものではなく、ガソリンその他の物質を燃料とする内燃機関とすることができ、更に移動式・定置式の内燃機関とすることができる。
以上で説明した実施の形態は、本発明を説明するための例示に過ぎず、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可能である。
本発明の一実施の形態に係るＮＯｘ還元触媒を備えた内燃機関の構成例を示す図である。 同上実施の形態において実行される触媒早期活性化制御を説明するためのフローチャートである。 本発明に係る触媒早期活性化制御を実行した場合の冷機始動後のＮＯｘ排出濃度等の変化の様子を示すタイムチャートである。 従来における冷機始動後のＮＯｘ排出濃度等の変化の様子を示すタイムチャートである。 従来における排気処理装置を備えた内燃機関の構成例を示す図である。
符号の説明
１ 内燃機関
２ 排気通路
４ 尿素水添加装置
４Ａ 尿素水噴射ノズル
４Ｂ 尿素水タンク
４Ｃ 供給ポンプ
５ 尿素選択還元型ＮＯｘ触媒
６ アンモニア酸化触媒（ＮＨ３スリップ防止触媒）
１０ バーナー（燃焼装置）
１１〜１５ 排気温度センサ
２０ 吸気絞り弁
３０ 排気ブレーキバルブ（排気絞り弁）
４０ ＥＧＲシステム
４１ ＥＧＲバルブ

Claims (4)

  1. 内燃機関から排出される排気中のＮＯｘ成分を還元して浄化するＮＯｘ還元触媒を備えた内燃機関であって、
    ＮＯｘ還元触媒の排気上流側に燃焼熱を発生させるバーナーが備えられ、
    冷機時に、前記バーナーを作動させてＮＯｘ還元触媒の活性化を促進するようにしたことを特徴とするＮＯｘ還元触媒を備えた内燃機関。
  2. 前記内燃機関の燃焼室に燃料を供給する燃料供給装置が、燃料供給時期を可変制御可能な電子制御式燃料供給装置であることを特徴とする請求項１に記載のＮＯｘ還元触媒を備えた内燃機関。
  3. 前記電子制御式燃料供給装置が、コモンレール式燃料供給装置であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＮＯｘ還元触媒を備えた内燃機関。
  4. 内燃機関からの排気の少なくとも一部をＥＧＲガスとして内燃機関の燃焼室内へ還流させるＥＧＲシステムが備えられ、
    冷機時に、当該ＥＧＲシステムの作動が停止若しくは制限されることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１つに記載のＮＯｘ還元触媒を備えた内燃機関。
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