JP2009167852A - Exhaust emission control system of hydrogen engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水素エンジンの排気ガス浄化システムに関し、特に、冷間始動時においてNOxの排出を抑制する排気ガス浄化システムに関する。 The present invention relates to an exhaust gas purification system for a hydrogen engine, and more particularly to an exhaust gas purification system that suppresses NOx emission during cold start.
ガソリンエンジンでは、HC,NOx、COといった有害成分を含む排気ガスを浄化する三元触媒が排気管に設けられているが、触媒は低温時に活性化せず、冷間始動時には排気ガスを十分浄化できない。そのため、HC吸着材、NOx吸着材を設けた排気ガス浄化装置が提案されている(特許文献1参照)。 In a gasoline engine, a three-way catalyst that purifies exhaust gas containing harmful components such as HC, NOx, and CO is provided in the exhaust pipe. However, the catalyst is not activated at low temperatures, and the exhaust gas is sufficiently purified at cold start. Can not. Therefore, an exhaust gas purification device provided with an HC adsorbent and a NOx adsorbent has been proposed (see Patent Document 1).
そこでは、主排気管から分岐するバイパス管路を形成し、バイパス管路上にHC、NOxをそれぞれ吸着するHC吸着材、NOx吸着材を設ける。冷間始動時には、切替弁によって排気ガスをバイパス管路へ流入させ、HC、NOxをそれぞれ対応する吸着材に吸着させる。そして、暖機完了後、排気ガスを吸気管へ環流させることによって、各吸着材に吸着したNOx、HC、水分をパージする。 There, a bypass pipe branching from the main exhaust pipe is formed, and an HC adsorbent and a NOx adsorbent for adsorbing HC and NOx, respectively, are provided on the bypass pipe. At the time of cold start, the exhaust gas is caused to flow into the bypass pipe by the switching valve, and HC and NOx are respectively adsorbed by the corresponding adsorbents. After the warm-up is completed, NOx, HC and moisture adsorbed on each adsorbent are purged by circulating the exhaust gas to the intake pipe.
また、排気ガス中の水分はNOx、HCに比べて吸着性能が強いことから、バイパス管路上には、HC吸着材、NOx吸着材の上流側に水吸着材が設けられる。これによって、冷間始動時に排気ガス中の水分をあらかじめ除去し、HC、NOx吸着材に水分が吸着するのを防ぐ。 Further, since moisture in the exhaust gas has stronger adsorption performance than NOx and HC, a water adsorbent is provided on the bypass pipe upstream of the HC adsorbent and NOx adsorbent. As a result, moisture in the exhaust gas is removed in advance at the time of cold start, and moisture is prevented from adsorbing to the HC and NOx adsorbent.
ところで、水素を燃料とする水素エンジンの場合、燃焼によってHC、COは発生しないが、ガソリンエンジンと同様にNOxが発生する。そのため、NOxを浄化するための触媒が設けられる(例えば、特許文献2参照)。しかしながら、冷間始動時には、触媒が活性化されないためにNOxが十分浄化されず、有害な排気ガスが外部に排出される。
水素エンジンについても冷間始動時のNOx排出を抑制するため、触媒活性化前にNOx吸着材にNOxを吸着させることが望ましい。また、水分がNOx吸着材へ吸着するのを防止するため、水吸着材を設けることも考えられる。しかしながら、特許文献1に記載されるような構成、すなわちバイパス管に水吸着材およびNOx吸着材を設ける構成では、NOxおよび水分の吸着、脱離を適切に行うことができない。 Also for a hydrogen engine, it is desirable to adsorb NOx to the NOx adsorbent before activating the catalyst in order to suppress NOx emission during cold start. In order to prevent moisture from adsorbing to the NOx adsorbent, it is conceivable to provide a water adsorbent. However, in the configuration described in Patent Document 1, that is, the configuration in which the water adsorbent and the NOx adsorbent are provided in the bypass pipe, the adsorption and desorption of NOx and moisture cannot be appropriately performed.
特許文献1の構成では、触媒活性化によって切替弁がバイパス管を遮断すると、排気ガスが水吸着材を流れず、水吸着材における水分脱離が十分に進行しない。そのため、水吸着材に残留する水分がパージされるとNOx吸着材からNOxがパージされやすくなり、有害な排気ガスが排出される恐れがある。特許文献1では、水素エンジンにおける排気ガス成分の特性、およびそのような排気ガス成分に基づく各吸着材の吸着、脱離特性を踏まえた浄化システムが構成されていないため、NOxの浄化を適切に行うことができない。 In the configuration of Patent Document 1, when the switching valve shuts off the bypass pipe due to catalyst activation, the exhaust gas does not flow through the water adsorbent, and moisture desorption from the water adsorbent does not proceed sufficiently. For this reason, when moisture remaining in the water adsorbent is purged, NOx is easily purged from the NOx adsorbent, and harmful exhaust gas may be discharged. In Patent Document 1, since a purification system based on the characteristics of exhaust gas components in a hydrogen engine and the adsorption and desorption characteristics of each adsorbent based on such exhaust gas components is not configured, NOx purification is appropriately performed. I can't do it.
本発明は、水素を燃料とする内燃機関の排気ガス浄化システムであって、内燃機関の排気通路には、排気ガスを浄化する排気ガス浄化触媒と、排気ガス中の水分を吸着する水吸着材とが設けられる。また、水吸着材より下流側には、排気通路から分岐し、迂回するバイパス通路が設けられる。ただし、排気通路において内燃機関に近い側を上流側、その逆を下流側とする。そして、バイパス通路には、NOxを吸着するNOx吸着材が設けられ、さらに、排気ガスの流路を排気通路とバイパス通路との間で切り替える切替弁が設けられている。排気ガス浄化触媒は、NOx浄化作用のある触媒(例えば三元触媒)によって構成され、NOx吸着材は、例えばゼオライト、金属イオン交換ゼオライトなどによって構成される。水吸着材も、ゼオライトなどを素材として構成すればよい。 The present invention relates to an exhaust gas purification system for an internal combustion engine using hydrogen as fuel, and an exhaust gas purification catalyst for purifying exhaust gas and a water adsorbent for adsorbing moisture in the exhaust gas in an exhaust passage of the internal combustion engine Are provided. Further, a bypass passage that branches off from the exhaust passage and bypasses is provided downstream of the water adsorbent. However, the side closer to the internal combustion engine in the exhaust passage is the upstream side, and the opposite is the downstream side. The bypass passage is provided with a NOx adsorbing material that adsorbs NOx, and is further provided with a switching valve that switches the exhaust gas flow path between the exhaust passage and the bypass passage. The exhaust gas purification catalyst is constituted by a catalyst (for example, a three-way catalyst) having a NOx purification action, and the NOx adsorbent is constituted by, for example, zeolite, metal ion exchange zeolite, or the like. The water adsorbent may also be composed of zeolite or the like.
本発明の排気ガス浄化システムは、切替弁を制御する排気ガス浄化制御手段を備え、冷間始動の時、排気ガス浄化制御手段は、バイパス通路へ排気ガスが流入するように切替弁を制御する。ここで、冷間始動とは、機関が暖機運転されていない状態での機関始動であって、触媒が活性化しておらず、排気ガス浄化性能が正常に発揮できない状態での始動を表す。冷間始動であるか否かは、機関冷却水の温度に基づいて検出すればよく、排気ガス浄化制御手段は、機関始動時に機関冷却水の温度が所定温度に達していない場合、排気ガスがバイパス通路を流れるように切替弁を制御する。 The exhaust gas purification system of the present invention includes exhaust gas purification control means for controlling the switching valve, and during cold start, the exhaust gas purification control means controls the switching valve so that the exhaust gas flows into the bypass passage. . Here, the cold start is an engine start in a state where the engine is not warmed up, and represents a start in a state where the catalyst is not activated and the exhaust gas purification performance cannot be normally exhibited. Whether or not the engine is cold-started may be detected based on the temperature of the engine cooling water, and the exhaust gas purification control means may detect the exhaust gas if the temperature of the engine cooling water does not reach a predetermined temperature when the engine is started. The switching valve is controlled so as to flow through the bypass passage.
冷間始動時には、排気ガスがバイパス通路へ流入し、浄化されなかったNOxがNOx吸着材に吸着される。これによって、NOxを含む排気ガスの排出が抑制される。また、水吸着材が排気通路のバイパス通路より上流側に設けられているため、排気ガスに含まれる水分は水吸着材に吸着され、NOx吸着材への水分吸着が抑制される。その結果、NOx吸着材のNOx吸着性能が高められ、吸着しにくいNOxを確実に吸着させ、NOx排出を抑制することができる。触媒が活性化し、排気ガスの浄化作用が正常に機能する状態になった場合、排気ガス浄化制御手段は、切替弁を切り替えて排気ガスを排気通路へ流すようにすればよい。 At the time of cold start, exhaust gas flows into the bypass passage, and NOx that has not been purified is adsorbed by the NOx adsorbent. As a result, exhaust gas containing NOx is suppressed. In addition, since the water adsorbent is provided upstream of the bypass passage of the exhaust passage, moisture contained in the exhaust gas is adsorbed by the water adsorbent, and moisture adsorption on the NOx adsorbent is suppressed. As a result, the NOx adsorption performance of the NOx adsorbent can be enhanced, NOx that is difficult to adsorb can be adsorbed reliably, and NOx emission can be suppressed. When the catalyst is activated and the exhaust gas purification action is in a normal functioning state, the exhaust gas purification control means may switch the switching valve to flow the exhaust gas to the exhaust passage.
本発明では、水素燃料によって発生する排気ガス特性を考慮し、水吸着材が(バイパス通路ではなく)排気通路に設けられている。そのため、切替弁の状態に関わらず、排気ガスが常に水吸着材を通過していく。これによって、吸着された水分の脱離頻度が向上し、吸着された水分を早期に脱離させ、大気中へ排出させることができる。その結果、NOx吸着材への水分吸着による影響を抑えることができ、NOx吸着材はNOx吸着性能を十分に発揮することができる。なお、水吸着材は、通常HC吸着性能を有する。そのため、ガソリン燃料による内燃機関の場合、水吸着材を排気通路に設けると、HCが吸着、脱離し、HCが外部に排出されてしまう。しかしながら、水素燃料の内燃機関ではHCが発生しないため、そのような問題は生じない。 In the present invention, the water adsorbent is provided in the exhaust passage (not the bypass passage) in consideration of the exhaust gas characteristics generated by the hydrogen fuel. Therefore, the exhaust gas always passes through the water adsorbent regardless of the state of the switching valve. As a result, the frequency of desorption of the adsorbed water is improved, and the adsorbed water can be desorbed early and discharged into the atmosphere. As a result, the influence of moisture adsorption on the NOx adsorbent can be suppressed, and the NOx adsorbent can sufficiently exhibit the NOx adsorption performance. The water adsorbent usually has HC adsorption performance. Therefore, in the case of an internal combustion engine using gasoline fuel, if a water adsorbent is provided in the exhaust passage, HC is adsorbed and desorbed, and HC is discharged to the outside. However, since no HC is generated in an internal combustion engine of hydrogen fuel, such a problem does not occur.
吸着したNOxをパージさせるため、機関吸気系あるいは排気系の触媒上流側に排気ガスを環流させるパージ通路を設けるのが望ましい。また、排気ガス浄化触媒は、排気通路においてバイパス通路よりも上流側に設けるのがよい。この場合、排気通路自身によってできる限り水分を吸収し、必要以上に水分を吸着させないようにするため、水吸着材は、排気ガス浄化触媒よりも下流側に設けるのがよい。パージ通路の構成としては、例えば、バイパス通路から分岐して内燃機関の吸気系通路と連通するパージ通路と、パージ通路を開閉するパージバルブとが設けられる。排気ガス浄化制御手段は、排気ガス浄化触媒の温度(触媒温度)が所定温度に達した後、排気ガスがNOx吸着材を通って吸気系通路へ環流するように、切替弁およびパージバルブを制御すればよい。 In order to purge the adsorbed NOx, it is desirable to provide a purge passage for circulating exhaust gas upstream of the catalyst in the engine intake system or exhaust system. The exhaust gas purification catalyst is preferably provided upstream of the bypass passage in the exhaust passage. In this case, the water adsorbent is preferably provided on the downstream side of the exhaust gas purification catalyst in order to absorb moisture as much as possible by the exhaust passage itself and not to adsorb moisture more than necessary. As the configuration of the purge passage, for example, a purge passage branched from the bypass passage and communicating with the intake system passage of the internal combustion engine, and a purge valve for opening and closing the purge passage are provided. The exhaust gas purification control means controls the switching valve and the purge valve so that the exhaust gas flows back to the intake system passage through the NOx adsorbent after the temperature of the exhaust gas purification catalyst (catalyst temperature) reaches a predetermined temperature. That's fine.
ここで、所定温度は、触媒の浄化作用が正常に働く下限温度を示し、触媒特性などに従って値が定められる。触媒温度の検出は、触媒を通過する排気ガス温度、ガス流量などに基づいて検出するように構成すればよい。 Here, the predetermined temperature indicates a lower limit temperature at which the purification action of the catalyst normally works, and the value is determined according to the catalyst characteristics and the like. The catalyst temperature may be detected based on the exhaust gas temperature passing through the catalyst, the gas flow rate, and the like.
本発明では水吸着材が排気通路上に設けられているため、排気ガスを還流させてNOxをパージするとき、水吸着材を通過する排気ガスがNOx吸着材を通過し、パージ通路へ流入する。そのため、水分濃度が比較的高い排気ガスがNOx吸着材を通過し、NOx吸着材に吸着されたNOxのパージが容易になる。 In the present invention, since the water adsorbent is provided on the exhaust passage, when the exhaust gas is recirculated to purge NOx, the exhaust gas passing through the water adsorbent passes through the NOx adsorbent and flows into the purge passage. . Therefore, the exhaust gas having a relatively high moisture concentration passes through the NOx adsorbent, and the purge of NOx adsorbed on the NOx adsorbent becomes easy.
NOx吸着材には、NOxだけでなく水分も吸着される。次回の冷間始動時でもNO吸着性能を発揮させるためには、残った水分をパージするのが望ましい。そのため、排気ガス浄化制御手段は、触媒温度が所定温度に達した後、理論空燃比よりもリーンな空燃比で機関運転しているときに、排気ガスがバイパス通路へ流入するように切替弁を制御するのがよい。例えば、排気ガス環流によってNOxをパージした後、バイパス通路を排気ガスが流れるように切替弁を切り替えるとともに、リーン運転へ切り替える。あるいは、運転条件などによってリーン運転になったタイミングに合わせて、バイパス通路を排気ガスが流れるように切替弁を制御してもよい。 The NOx adsorbent adsorbs moisture as well as NOx. In order to exhibit NO adsorption performance even at the next cold start, it is desirable to purge the remaining moisture. For this reason, the exhaust gas purification control means sets the switching valve so that the exhaust gas flows into the bypass passage when the engine is operating at an air-fuel ratio leaner than the stoichiometric air-fuel ratio after the catalyst temperature reaches a predetermined temperature. It is good to control. For example, after purging NOx by exhaust gas recirculation, the switching valve is switched so that the exhaust gas flows through the bypass passage, and the operation is switched to lean operation. Alternatively, the switching valve may be controlled so that the exhaust gas flows through the bypass passage in accordance with the timing when the lean operation is performed depending on the operating conditions.
NOx吸着材は使用経過に伴って吸着性能が低下していくが、その材質劣化などによる恒久的性能低下と、酸化劣化による一時的な性能低下(回復可能な性能低下)とに分けられる。一時的な性能低下の場合、還元雰囲気をNOx吸着材に晒すことによって吸着性能が回復する。よって、その一時的な性能低下を診断し、回復させるのが望ましい。 The adsorption performance of NOx adsorbents decreases with the course of use, and can be divided into permanent performance degradation due to deterioration of the material and the like, and temporary performance degradation due to oxidation degradation (recoverable performance degradation). In the case of temporary performance degradation, the adsorption performance is recovered by exposing the reducing atmosphere to the NOx adsorbent. Therefore, it is desirable to diagnose and recover from the temporary performance degradation.
そのため、NOx吸着材に吸着された水分量とNOx量とを検出する吸着量検出手段と、NOx吸着材における水分吸着量とNOx吸着量との相関関係に基づき、検出されたNOx量と、検出された水分量に応じた基準NOx量とを比較判断する吸着性能判断手段を設けるのがよい。排気ガス浄化制御手段は、検出されたNOx量が基準NOx量を満たしていない場合、理論空燃比よりもリッチな空燃比で機関運転させる。リッチ運転を行うことによって、水素とともに排気ガス浄化触媒において生成されるアンモニアがNOx吸着材に供給される。水素、アンモニアという還元作用のある排気ガスがNOx吸着材を通過することで、酸化劣化したNOx吸着材が還元される。 Therefore, based on the correlation between the amount of moisture adsorbed on the NOx adsorbent and the amount of NOx adsorbed, and the correlation between the amount of moisture adsorbed on the NOx adsorbent and the amount of NOx adsorbed, It is preferable to provide an adsorption performance determining means for comparing and determining a reference NOx amount according to the amount of moisture that has been made. When the detected NOx amount does not satisfy the reference NOx amount, the exhaust gas purification control means causes the engine to operate at an air / fuel ratio richer than the stoichiometric air / fuel ratio. By performing the rich operation, ammonia generated in the exhaust gas purification catalyst together with hydrogen is supplied to the NOx adsorbent. The exhaust gas having a reducing action of hydrogen and ammonia passes through the NOx adsorbent, so that the oxidized and deteriorated NOx adsorbent is reduced.
アンモニアは、NOxに比べて吸着性能が高い。そのため、排気ガス浄化制御手段は、機関始動時に触媒温度が所定温度に達していない場合、理論空燃比よりもリッチな空燃比で機関運転させるのがよい。これにより、触媒において生成されたアンモニアがNOx吸着材に確実に吸着され、有害ガス成分の排出が抑えられる。 Ammonia has higher adsorption performance than NOx. Therefore, it is preferable that the exhaust gas purification control means operates the engine at an air-fuel ratio richer than the stoichiometric air-fuel ratio when the catalyst temperature does not reach a predetermined temperature when the engine is started. As a result, ammonia produced in the catalyst is reliably adsorbed on the NOx adsorbent, and emission of harmful gas components is suppressed.
本発明によれば、水素エンジンの冷間始動時においてNOxの排出を抑制し、排気ガスの浄化を適切に行うことができる。 According to the present invention, NOx emission can be suppressed during the cold start of the hydrogen engine, and the exhaust gas can be appropriately purified.
以下では、図面を参照して、本発明の実施形態である水素エンジンの排気ガス浄化システムについて説明する。 Below, with reference to drawings, the exhaust gas purification system of the hydrogen engine which is an embodiment of the present invention is explained.
図1は、水素エンジンの排気ガス浄化システムの概略的構成図である。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an exhaust gas purification system of a hydrogen engine.
エンジン10は、水素を燃料とする火花点火式エンジンであって、吸気管12と排気管14が接続されている。吸気管12に入った空気は、インジェクタ15から噴射される水素燃料と混合され、エンジン10のシリンダ16内へ吸入される。水素燃料は、例えば水素吸蔵合金を備えたタンク(図示せず)に貯蔵され、図示しないデリバリーによってインジェクタ15へ供給される。なお、水素燃料については、気体、あるいは液体として貯蔵するように構成してもよい。
The
シリンダ16内に吸入された混合気は点火栓18によって点火し、燃焼する。シリンダ内16に発生した燃焼ガスは、排気ガスとして排気口12Bから排出され、排気管14の下流側へ流れていく。ピストン20の上下運動に連動してクランクシャフト(図示せず)が回転し、吸気バルブ19A、排気バルブ19Bは、カムシャフト(図示せず)の回転に合わせて吸気口12A、排気口12Bをそれぞれ所定のタイミングで開閉する。
The air-fuel mixture sucked into the
排気管14には、触媒22、水吸着材24が設けられている。触媒22は、NOxなど排気ガス中の有害成分を浄化し、ここでは三元触媒によって構成される。水吸着材24は、細径孔のあるゼオライト素材によって構成され、排気ガス中に含まれる水分を吸着する。
A
水吸着材24の下流側には、排気管14の分岐部14Aから分岐し、その後再び排気管14へ合流するバイパス管26が形成されている。バイパス管26には、排気ガス中のNOxを吸着するNOx吸着材28が設けられ、例えばFeイオン交換ゼオライトによって構成される。
On the downstream side of the
排気管14の分岐部14Aには、排気管14とバイパス管26との間で流路を切り替える切替弁30が設けられている。排気管14においてバイパス管26と並列する部分を主管路14Tとすると、切替弁30は、ダイアフラムなどのアクチュエータ31によって動作し、バイパス管26を遮断することで排気ガスをそのまま主管路14Tに流し、主管路14Tを遮断することによって排気ガスをバイパス管26へ流入させる。
A switching
排気ガスを環流させるパージ管32は、バイパス管26においてNOx吸着材28より上流側で分岐し、吸気管12と連通する。そして、パージ管32の途中には、パージ管32を開放、遮断するパージバルブ34が設けられている。パージバルブ34は、図示しないアクチュエータによって開閉動作し、排気ガスを通過させ、あるいは遮断する。
A
CPU、RAM、ROM等を含むECU60は、エンジン10を制御し、O2センサ42、冷却水温センサ43、触媒温度センサ44など、各センサからの信号を検出する。そして、クランクシャフトの回転位置に従い、インジェクタ15、点火栓18、スロットルバルブ46などへ制御信号を出力する。また、切替弁30の切り替え、パージバルブ34の開閉を制御するための制御信号を出力する。
The
NOx吸着材28での水分吸着量、NOx吸着量を測定するため、NOx吸着材28の前後には、水分量およびNOx量を検出する水分センサ52A、54A、およびNOxセンサ52B、54Bがそれぞれ設けられている。バイパス管26に配置された排気ガス温度センサ57は、バイパス管26を流れる排気ガスの温度を検出する。
In order to measure the moisture adsorption amount and the NOx adsorption amount in the
図2は、ECU60によって実行される排気ガス浄化制御処理のフローチャートを示した図である。また、図3は、運転を開始してからの排気ガス流路を示した図である。図2、図3を用いて、排気ガス浄化の制御処理について説明する。エンジン10が始動すると、処理が開始される。
FIG. 2 is a view showing a flowchart of the exhaust gas purification control process executed by the
ステップS101では、エンジンの冷却水温度が所定温度T0以上であるか否かが判断される。エンジンが冷間始動である、すなわちエンジンが暖機運転されていない状態で始動される場合、触媒が活性化されていないため、本来の排気ガス浄化性能が発揮されない。このような冷間始動に該当するか否かを、エンジン冷却水の温度によって判断する。ここでは、冷却水温センサ43に検出される冷却水温度が所定温度T0以上でない場合、冷間始動時とみなす。
In step S101, it is determined whether or not the engine coolant temperature is equal to or higher than a predetermined temperature T0. When the engine is cold-started, that is, when the engine is started in a state where the engine is not warmed up, the original exhaust gas purification performance is not exhibited because the catalyst is not activated. Whether or not this is a cold start is determined based on the temperature of the engine coolant. Here, when the cooling water temperature detected by the cooling
エンジンの冷却水温度が設定温度T0以上であると判断されると、ステップS102に進み、切替弁30はバイパス管26を遮断するように制御される。その結果、触媒22、水吸着材24を通った排気ガスは、そのまま主管路14Tを流れていく。また、理論空燃比に基づいたストイキ運転が行われるように、燃料噴射量が制御される。ステップS102が実行されると、ステップS109へ移行する。
If it is determined that the engine coolant temperature is equal to or higher than the set temperature T0, the process proceeds to step S102, and the switching
一方、ステップS101において冷却水温度が設定温度T0以上ではないと判断されると、ステップS103に進み、主管路14Tを遮蔽するように切替弁30が切り替えられる。その結果、触媒22、水吸着材24を通った排気ガスは、バイパス管26を流れる(図3(a)参照)。そして、ステップS104では、理論空燃比に比べてリッチな空燃比でエンジン運転されるように、燃料噴射量が制御される。
On the other hand, when it is determined in step S101 that the coolant temperature is not equal to or higher than the set temperature T0, the process proceeds to step S103, and the switching
冷間始動時には触媒22が活性化していないため、NOxが浄化されないまま排気ガスが流れていくが、排気ガスがバイパス管26を通ることによって、排気ガス中のNOx成分が吸着される。NOx吸着材28は、排気ガスが比較的低温であるときにもNOxを吸着する。また、冷間始動時には比較的多くの水分が排気ガスに含まれるが、水分はバイパス管26より上流側に設けられた水吸着材24に吸着する。
Since the
水分は吸着作用が強く、NOx吸着材28に対してNOxより吸着しやすい性質をもっている。しかしながら、水吸着材24によって水分があらかじめ取り除かれるため、NOx吸着が阻害されない。また、水吸着材24は排気ガス中のHC成分も吸着するが、水素燃料ではHCが排出されないため、HC成分を考慮する必要はない。
Moisture has a strong adsorption action and has a property of being more easily adsorbed to the
一方で、冷間始動時にリッチ運転を行うことにより、排出されるNOx量が減少する。さらに、触媒22がまだ十分活性化されていない状態では、排出されたNOxが触媒22において反応し、水素やアンモニアが生成される。アンモニアはNOxに比べて吸着率が高いため、生成されたアンモニアがNOx吸着材28によって確実に吸着される。これによって、NOxの排出が一層抑えられる。
On the other hand, when the rich operation is performed at the cold start, the amount of exhausted NOx is reduced. Furthermore, in a state where the
ステップS105では、NOx吸着性能の劣化を検出するため、NOx吸着材に吸着されている水分量、NOx量が検出される。NOx吸着性能劣化の診断については、後述する。 In step S105, in order to detect the deterioration of the NOx adsorption performance, the amount of moisture and the amount of NOx adsorbed on the NOx adsorbent are detected. The diagnosis of NOx adsorption performance deterioration will be described later.
ステップS106では、触媒温度が所定温度T1以上であるか否かが判断される。ここでの所定温度T1は、触媒が活性化し、NOxなどの有害成分を正常に浄化できる下限温度を示す。触媒温度センサ44は、触媒22を通る排気ガスの温度を検出し、排気ガス温度に基づいて触媒温度(床温)を得る。所定温度T1に達するまで、排気ガスはバイパス管26を流れ続け、触媒温度が所定温度T1以上であると判断されると、ステップS106に進む。
In step S106, it is determined whether or not the catalyst temperature is equal to or higher than a predetermined temperature T1. Here, the predetermined temperature T1 indicates a lower limit temperature at which the catalyst is activated and can normally purify harmful components such as NOx. The
ステップS107では、リッチ運転からストイキ運転に切り替えられ、排気ガスが主管路14Tへ流入するように切替弁30が切り替えられる。触媒が活性化しているため、排気ガス中のNOx成分は触媒22によって浄化される。また、切替弁30が切り替えられた後も排気ガスが水吸着材24を通過するため、排気ガスの温度上昇に伴って、水吸着材24に吸着された水分の脱離が進行していく。
In step S107, the rich operation is switched to the stoichiometric operation, and the switching
ステップS108では、排気ガスが吸気管12へ環流するようにパージバルブ34が開く。その結果、排気管14の主管路14Tを通った排気ガスの一部はバイパス管26に流入し、NOx吸着材28を通ってパージ管32に流入する(図3(b)参照)。排気ガスの温度上昇に伴ってNOx吸着材28に吸着されていたNOxが脱離し、吸気管12へ環流されたNOxは、活性状態にある触媒22によって浄化される。また、パージ管34の開放によってEGRが機能し、シリンダ20内でのNOx発生が抑制される。水分は、排気管14をそのまま通って大気中へ排出される。
In step S108, the
NOx吸着材28を通る排気ガスは、水吸着材24を通過している。排気ガス中の水分濃度が比較的高いため、NOx吸着材28に吸着されているNOxは、水分吸着の影響によって脱離しやすくなり、NOx吸着材28からNOxを効果的にパージすることができる。パージ期間に関しては、例えば温度センサ57によって検出さる排気ガス温度とパージバルブ解放後の経過時間からパージ量が推定され、パージ量が設定量になるまでの経過時間をパージ期間と定める。NOxパージ期間が経過すると、パージバルブ34が閉じる。
Exhaust gas passing through the NOx adsorbent 28 passes through the
ステップS109では、検出されるNOx吸着材の水分量、NOx量に基づき、NOx吸着材28の吸着性能が劣化しているか否かを判断する。以下において、図4、5を参照しながらNOx吸着性能診断について説明する。
In step S109, based on the detected moisture content and NOx content of the NOx adsorbent, it is determined whether or not the adsorption performance of the
まず、NOx吸着性能について説明すると、NOx吸着性能は使用によって低下していくことが知られていて、材料性能劣化等による回復不能な低下(恒久的性能低下)と、回復可能な低下(一時的性能低下)とに分けられる。一時的性能低下は、酸化劣化と推測され、NOx吸着材を還元雰囲気に晒すことによって吸着性能が回復する。 First, the NOx adsorption performance will be described. It is known that the NOx adsorption performance decreases with use, and a non-recoverable decrease due to material performance deterioration (permanent performance decrease) and a recoverable decrease (temporary) Performance degradation). Temporary performance degradation is presumed to be oxidative degradation, and the adsorption performance is restored by exposing the NOx adsorbent to a reducing atmosphere.
図4は、NOx吸着材28の水分吸着量との相関関係を示した図である。一時的な性能劣化が生じていない場合、NOx吸着量と水分吸着量は、図5に示す曲線(以下、基準ラインという)Lに沿っていく。この基準ラインLは、恒久的劣化によるNOx吸着量、水分吸着量の変化を表す。
FIG. 4 is a diagram showing a correlation with the moisture adsorption amount of the
これに対し、酸化による一時的性能劣化が生じた場合、NOx吸着量が減少する一方、水分吸着量は変化しない。例えば、基準ラインL上の所定位置P1から一時的劣化が生じたとき、水分吸着量とNOx吸着量の関係は、基準ラインLから外れた位置P2へ移行する。したがって、NOx吸着剤28に吸着された水分量、NOx量を検出し、その量が基準ラインL上にある、あるいは乖離しているかを判定することにより、一時的性能低下が生じているか否かを判断することができる。
On the other hand, when temporary performance deterioration due to oxidation occurs, the NOx adsorption amount decreases, while the moisture adsorption amount does not change. For example, when a temporary deterioration occurs from a predetermined position P1 on the reference line L, the relationship between the moisture adsorption amount and the NOx adsorption amount shifts to a position P2 that deviates from the reference line L. Therefore, by detecting the moisture amount and NOx amount adsorbed by the
吸着性能診断を行うため、上述したように、冷間始動時においてNOx吸着材28に吸着されるNOx吸着量、水分吸着量を検出している(S105)。排気ガスの温度が比較的低いといった診断条件を満たし、吸着されたNOxは外部へ排出されない。水分吸着量、NOx吸着量は以下のように測定される。
In order to perform the adsorption performance diagnosis, as described above, the NOx adsorption amount and the moisture adsorption amount adsorbed on the
図5は、水分吸着量およびNOx吸着量のグラフを示した図であり、縦軸が単位時間当たりの水分吸着量もしくはNOx吸着量を表し、横軸が時間を表す。まず、水分吸着量の測定について説明する。NOx吸着材28の上流側の水分センサ52Bは、NOx吸着材28に流入する水分量を計測し、下流側の水分センサ54Bは、NOx吸着材28から流出する水分量を計測する。そして、その差分値を、単位時間当たりの水分吸着量として検出する。水分吸着量が飽和状態になったとき、差分値はゼロとなることから、ゼロになるまでの差分値を積分することによって(斜線部Aの面積を計算することによって)、水分吸着量x1が求められる。
FIG. 5 is a graph showing a moisture adsorption amount and a NOx adsorption amount. The vertical axis represents the moisture adsorption amount or NOx adsorption amount per unit time, and the horizontal axis represents time. First, the measurement of the moisture adsorption amount will be described. The
NOx吸着量についても、NOx吸着材28の上流にあるNOxセンサ52Aによって検出されるNOx流入量と、下流側のNOxセンサ54Aによって検出されるNOx流出する量との差分を求め、差分値を積分することによってNOx吸着量y1が求められる。
Regarding the NOx adsorption amount, the difference between the NOx inflow amount detected by the
ところで、NOx吸着材28に吸着されて飽和状態となったNOxは、後から吸着される水分の作用によって、脱離していく。そのため、吸着開始からしばらくの間、NOxセンサ52AとNOxセンサ54の出力差(単位時間当たりの吸着量)は正の値となるが、NOxが脱離し始めると、出力差は負の値となる。このようなNOxの吸着特性を考慮し、出力差が正から負に反転するまでのNOx吸着量を積分し(斜線部Bの面積を計算し)、この積分値をNOx吸着量y1と定める。
By the way, the NOx adsorbed by the
図5に示す基準ラインLに関するデータは、あらかじめECU60のROMに格納されている。NOx吸着量y1、水分吸着量x1が測定されると、基準ラインLに基づいて水分吸着量x1に対応するNOx吸着量(以下、基準NOx吸着量という)y0が検出される。そして、検出されたNOx吸着量y1と基準NOx吸着量y0との差Δy(=y0−y1)が求められる。
Data relating to the reference line L shown in FIG. 5 is stored in the ROM of the
このように差Δyが求められた後、差Δyがゼロであるか否かが判断される(図2のステップS109)。差Δyがゼロである場合、一時的な(回復可能な)吸着性能劣化は生じていないと判断される。一方、差Δyがゼロではない場合、一時的な性能低下があると判断され、この差Δyが大きいほど、NOxの吸着性能低下が進行しているとみなされる。 After the difference Δy is thus obtained, it is determined whether or not the difference Δy is zero (step S109 in FIG. 2). When the difference Δy is zero, it is determined that there is no temporary (recoverable) adsorption performance deterioration. On the other hand, when the difference Δy is not zero, it is determined that there is a temporary performance decrease, and it is considered that the NOx adsorption performance decrease progresses as the difference Δy increases.
図2のステップS109において一時的性能低下が生じていると判断されると、ステップS110へ進み、理論空燃比よりリッチな空燃比によってエンジン運転されるように、燃料噴射量が制御される。このリッチ運転は所定期間続けられ、差Δyが大きいほど所定期間が長くなるように制御される。差Δyとリッチ運転期間との関係を示すデータは、あらかじめROMに記憶される。 If it is determined in step S109 in FIG. 2 that a temporary performance deterioration has occurred, the process proceeds to step S110, and the fuel injection amount is controlled so that the engine is operated with an air-fuel ratio richer than the stoichiometric air-fuel ratio. The rich operation is continued for a predetermined period, and the predetermined period is controlled to be longer as the difference Δy is larger. Data indicating the relationship between the difference Δy and the rich operation period is stored in the ROM in advance.
空燃比をリッチ状態にすると、触媒22では、比較的還元作用の強い水素、アンモニアが多く生成される。水素、アンモニア成分を多く含む排気ガスがNOx吸着材を通過することによって、NOx吸着材28を還元雰囲気に晒すこととなり、一時的劣化していたNOx吸着材28の吸着性能が回復する。一方、一時的性能が劣化していない場合、ステップS109からそのままステップS111へ進む。
When the air-fuel ratio is made rich, the
ステップS111では、NOx吸着材に吸着された水分を脱離させるため、排気ガスがバイパス管26へ流入するように切替弁30が制御され、それとともに、理論空燃比よりもリーンな空燃比によってエンジン運転するように燃料噴射量が制御される(図3(c)参照)。
In step S111, the switching
上述したように、水はNOxに比べて吸着性能が高いため、NOx吸着材28にはNOxとともに水分も吸着されている。この吸着された水分をパージするため、NOxパージ後、排気ガスをバイパス管26へ流す。そして、リーン運転にすると、排気ガス中の水分濃度は相対的に低くなるため、NOx吸着材28の水分が容易に脱離する。水分パージ処理は、あらかじめ定められた所定期間だけ行われる。水分パージ期間が過ぎると、リーン運転からストイキ運転に変更されるとともに、排気ガスが主管路14Tを流れるように切替弁30が制御される。
As described above, since water has higher adsorption performance than NOx, the
なお、ここでは、NOx吸着材の水分を脱離させるため積極的にリーン運転へ切り替えているが、機関減速時に行うフューエルカットなど他の目的によってリーン運転されるタイミングに合わせて、水分パージを行ってもよい。この場合、リーン運転に合わせて排気ガスがバイパス側へ流れるように切替弁30を切り替え、水分パージ期間終了後、排気ガスを主管路14Tへ流すように切り替えればよい。
In this example, the lean operation is actively switched to desorb the moisture from the NOx adsorbent, but the moisture purge is performed in accordance with the timing when the lean operation is performed for other purposes such as fuel cut performed during engine deceleration. May be. In this case, the switching
水分のパージ終了後、排気ガスが主管路14Tを流れるように切替弁30が制御されると、上述したエンジン始動時における一連の制御処理が終了する。
When the switching
このように本実施形態によれば、水吸着材24が排気管14に設けられる一方、水吸着材24より下流側に形成されるバイパス管26には、NOx吸着材28が設けられ、また、バイパス管26と排気管14との間で流路を切り替える切替弁30が設けられる。そして、冷間始動時には、バイパス管26へ排気ガスが流入するように切替弁30が制御される。これにより、冷間始動時には、水分が水吸着材24に吸着され、触媒22で浄化されなかったNOxはNOx吸着材に吸着される。
Thus, according to the present embodiment, the
水吸着材24が排気管14に設けられているため、切替弁30の状態に関係なく排気ガスが水吸着材24を通過する。その結果、排気ガスの温度上昇に伴って吸着した水分の脱離が早く進行し、水吸着材24の水分パージを早期に完了させることができる。よって、冷間始動〜暖機後に至るまで排気ガス中の水分吸着を水吸着材24が担うことができ、NOx吸着材28はNOx吸着性能を十分発揮することができる。
Since the
また、排気ガスを吸気管12へ環流させることより、NOx吸着材28に吸着されたNOxが確実にパージされ、NOxパージ後にリーン運転によって排気ガスをバイパス管26へ流すことにより、水分が確実にパージされる。さらに、NOx吸着材28の吸着性能が一時的に低下した場合、リッチ運転によって吸着性能が回復される。これにより、次の冷間始動時においても水吸着材24、NOx吸着材28が正常に機能し、常に、冷間始動時においては排気ガスを十分浄化する。
Further, by circulating the exhaust gas to the
なお、冷却水温以外で冷間始動時であるか否かについて判断してもよく、例えば触媒温度によって判断してもよい。また、NOx吸着材の吸着性能劣化については、NOxを排出させないように、NOx吸着量、水分量を検出する構成であればよい。 Note that it may be determined whether or not it is a cold start other than the cooling water temperature, for example, it may be determined based on the catalyst temperature. Further, regarding the deterioration of the adsorption performance of the NOx adsorbent, any configuration that detects the NOx adsorption amount and the moisture amount may be used so that NOx is not discharged.
排気ガス環流については、排気管の触媒上流側へ戻すように構成してもよい。また、触媒をバイパス管より下流側に配置するように構成してもよい。 The exhaust gas recirculation may be configured to return to the catalyst upstream side of the exhaust pipe. Moreover, you may comprise so that a catalyst may be arrange | positioned downstream from a bypass pipe.
冷間始動時のリッチ運転、水分パージ時のリーン運転、NOx吸着材の吸着性能回復のためのリッチ運転は、運転負荷などの運転状況を考慮し、選択的に実行するようにしてもよい。 The rich operation at the cold start, the lean operation at the time of moisture purging, and the rich operation for recovering the adsorption performance of the NOx adsorbent may be selectively executed in consideration of the operation condition such as the operation load.
10 エンジン
12 吸気管(吸気系通路)
14 排気管(排気通路)
14T 主管路(排気通路)
22 触媒(排気ガス浄化触媒)
24 水吸着材
26 バイパス管(バイパス通路)
28 NOx吸着材
30 切替弁
32 パージ管(パージ通路)
34 パージバルブ
10
14 Exhaust pipe (exhaust passage)
14T Main pipeline (exhaust passage)
22 Catalyst (Exhaust gas purification catalyst)
24 Water adsorbent
26 Bypass pipe (bypass passage)
28
34 Purge valve
Claims (8)
内燃機関の排気通路に設けられる排気ガス浄化触媒と、
前記排気通路に設けられ、水を吸着する水吸着材と、
前記水吸着材より下流側で前記排気通路から分岐し、迂回するバイパス通路と、
前記バイパス通路に設けられ、NOxを吸着するNOx吸着材と、
排気ガスの流路を、前記排気通路と前記バイパス通路との間で切り替える切替弁と、
冷間始動の時に、排気ガスが前記バイパス通路へ流入するように前記切替弁を制御する排気ガス浄化制御手段と
を備えたことを特徴とする排気ガス浄化システム。 An exhaust gas purification system for an internal combustion engine using hydrogen as a fuel,
An exhaust gas purification catalyst provided in the exhaust passage of the internal combustion engine;
A water adsorbent provided in the exhaust passage to adsorb water;
A bypass passage that branches off from the exhaust passage on the downstream side of the water adsorbent and detours;
A NOx adsorbent provided in the bypass passage and adsorbing NOx;
A switching valve for switching the flow path of the exhaust gas between the exhaust passage and the bypass passage;
An exhaust gas purification system comprising exhaust gas purification control means for controlling the switching valve so that exhaust gas flows into the bypass passage at the time of cold start.
前記パージ通路を開閉するパージバルブとをさらに有し、
前記排気ガス浄化制御手段が、前記排気ガス浄化触媒の温度が所定温度に達した後、排気ガスが前記NOx吸着材を通って前記吸気系通路へ環流するように、前記切替弁および前記パージバルブを制御することを特徴とする請求項1乃至2のいずれかに記載の排気ガス浄化システム。 A purge passage branched from the bypass passage and communicating with the intake system passage of the internal combustion engine;
A purge valve for opening and closing the purge passage;
The exhaust gas purification control means controls the switching valve and the purge valve so that the exhaust gas flows back to the intake system passage through the NOx adsorbent after the temperature of the exhaust gas purification catalyst reaches a predetermined temperature. The exhaust gas purification system according to claim 1, wherein the exhaust gas purification system is controlled.
前記NOx吸着材における水分吸着量とNOx吸着量との相関関係に基づき、検出されるNOx量が、検出される水分量に応じた基準NOx量を満たしているか否かを判断する吸着性能判断手段とをさらに有し、
前記排気ガス浄化制御手段が、検出されたNOx量が基準NOx量を満たしていない場合、理論空燃比よりもリッチな空燃比で機関運転させることを特徴とする請求項2乃至4のいずれかに記載の排気ガス浄化システム。 Adsorption amount detection means for detecting the amount of moisture adsorbed on the NOx adsorbent and the amount of NOx;
Based on the correlation between the moisture adsorption amount and the NOx adsorption amount in the NOx adsorbent, the adsorption performance judgment means for judging whether or not the detected NOx amount satisfies a reference NOx amount corresponding to the detected moisture amount. And
5. The exhaust gas purification control means, when the detected NOx amount does not satisfy the reference NOx amount, causes the engine to operate at an air / fuel ratio richer than the stoichiometric air / fuel ratio. The exhaust gas purification system described.
The exhaust gas purification control means controls the switching valve so that exhaust gas flows through the bypass passage when the temperature of engine cooling water does not reach a predetermined temperature when the engine is started. The exhaust gas purification system according to any one of 7.
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-
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