JP2010116821A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】浄化されずに外部に排出される窒素酸化物の量を抑制可能な排気浄化装置を提供する。
【解決手段】尿素添加弁３１，４１及び切り替え弁２０を制御して、後段触媒１２の状態が所定条件を満たさない場合に後段触媒１２にのみ尿素を添加すると共に排気ガスＧを第１の分岐路５に流通させて前段触媒１０に窒素酸化物を吸着させる吸着処理と、この吸着処理により前段触媒１０に吸着された窒素酸化物を還元するために必要な量の尿素を前段触媒１０に添加すると共に還元に必要な時間だけ排気ガスＧを第１の分岐路５に流通させる前段触媒還元処理とを実行する構成とした。
【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。

一般に、ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気系に配置される排気浄化装置として、排気ガスに含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するためのＮＯｘ触媒が知られている。このＮＯｘ触媒としては様々なタイプのものが知られているが、その中で、還元剤の添加によりＮＯｘを連続的に還元除去する選択還元型ＮＯｘ触媒が公知である。還元剤としては尿素が知られている。通常は、所定の割合で水に混合した尿素水溶液を触媒上流側の排気ガス中に噴射供給し、この尿素水溶液に含まれる尿素を排気等の熱により加水分解してアンモニアを発生させる。そして、このアンモニアの、ＮＯｘ触媒上でＮＯｘから酸素を取り除き窒素に戻す還元作用より、排気ガス中のＮＯｘが浄化される。

特許文献１は、内燃機関の排気ガス中に含まれるＮＯｘを低温領域から高温領域にかけて確実に浄化処理するための技術を開示している。具体的には、アンモニアを触媒として用いたＮＯｘ選択還元触媒の上流側にＮＯｘ吸着塔を設け、排気ガスの温度が低温であるときには、ＮＯｘ吸着塔に排気ガスを流入させてＮＯｘ吸着塔にＮＯｘを吸着させる。一方、排気ガスの温度が高温であるときには、排気ガス中に還元剤を添加すると共に、この添加した還元剤によりＮＯｘ選択還元触媒上でＮＯｘを還元する。

特開平０７−１３６４６４号公報

ところで、アンモニアの還元作用を利用してＮＯｘを浄化する場合、通常、尿素を加水分解してアンモニアを生成する必要があるが、尿素を加水分解してアンモニアを生成するには、ある程度時間を要する。

このため、尿素が加水分解されて十分量のアンモニアが生成される前に、ＮＯｘ選択還元触媒に多量のＮＯｘが流入した場合、尿素の添加量をそれに合わせて増量したとしても十分量のアンモニアが生成されるまでにある程度の時間を要するため、ＮＯｘが浄化されずに外部に排出される可能性がある。

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは内燃機関から排出される排気ガスに含まれる窒素酸化物を尿素を用いて還元する選択還元型の排気浄化装置において、浄化されずに外部に排出される窒素酸化物の量を抑制可能な排気浄化装置を提供することにある。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路の途中で分岐し再び合流する第１及び第２の分岐通路と、前記第１の分岐通路に設けられ、尿素の加水分解により生成されるアンモニアの還元作用により排気ガスに含まれる窒素酸化物を還元する前段触媒と、前記第１及び第２の分岐通路の下流側の前記排気通路に設けられ、かつ、尿素の加水分解により生成されるアンモニアの還元作用により排気ガスに含まれる窒素酸化物を還元する後段触媒と、前記前段触媒及び前記後段触媒にそれぞれ尿素を添加可能な尿素添加手段と、前記第１及び第２の分岐通路への排気ガスの流入量を調整可能な調整弁と、前記尿素添加手段及び前記調整弁を制御して、前記後段触媒の状態が所定条件を満たさない場合に前記後段触媒にのみ尿素を添加すると共に排気ガスを前記第１の分岐路に流通させて前記前段触媒に窒素酸化物を吸着させる吸着処理と、前記吸着処理により前記前段触媒に吸着された窒素酸化物を還元するために必要な量の尿素を当該前段触媒に添加すると共に還元に必要な時間だけ排気ガスを前記第１の分岐路に流通させる前段触媒還元処理とを少なくとも実行する制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。

上記構成において、前記後段触媒の状態が所定条件を満たさない場合には、前記後段触媒の温度が所定の温度より低い場合、排気ガスの温度が所定の温度よりも低い場合、及び、内燃機関が始動直後である場合のいずれかが含まれる、構成を採用できる。

上記構成において、前記制御手段は、前記前段触媒還元処理において、前記前段触媒に吸着された窒素酸化物の還元に必要な時間だけ排気ガスを前記第１の分岐路に流通させる、構成を採用できる。

上記構成において、前記調整弁は、排気ガスの全量を前記第１及び第２の分岐通路の一方に流通させる切り替え弁を含む、構成を採用できる。

上記構成において、前記尿素添加手段は、前記前段触媒の上流側の排気通路に設けられた第１の尿素添加弁と、前記後段触媒の上流側の排気通路に設けられた第２の尿素添加弁とを含む、構成を採用できる。

上記構成において、前記尿素添加手段は、前記調整弁の上流側に設けられ、かつ、前記前段触媒及び前記後段触媒に共通に用いられる尿素添加弁を含む、構成を採用できる。

本発明によれば、浄化されずに外部に排出される窒素酸化物の量を抑制可能な窒素酸化物を尿素を用いて還元する選択還元型の排気浄化装置が得られる。

以下、本発明の最良の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成図である。

排気浄化装置１は、例えば、ディーゼルエンジン等の内燃機関が発生する排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）の浄化に用いられる。

排気浄化装置１は、図１に示すように、内燃機関の上流側の排気通路３Ａの途中で分岐し再び合流する第１の分岐通路５及び第２の分岐通路７と、第１の分岐通路５に設けられた前段触媒１０と、第１の分岐通路５及び第２の分岐通路７の下流側の排気通路３Ｂに設けられた後段触媒１２と、前段触媒１０に尿素を添加可能な前段尿素添加弁３１と、後段触媒１２に尿素を添加可能な後段尿素添加弁４１と、排気通路３Ａと第１の分岐通路５と第２の分岐通路７とに接続された切り替え弁２０と、制御手段としての電子制御装置(以下、ＥＣＵという。)１００と、前段触媒１０及び後段触媒１２のそれぞれ上流側に設けられた排気温度センサー６１，６２と、前段触媒１０及び後段触媒１２のそれぞれ下流側に設けられたＮＯｘセンサ５１，５２とを有する。

前段触媒１０および後段触媒１２は、ゼオライトやバナジウムなどの触媒種を用い、いわゆる尿素選択還元法により窒素酸化物を還元する周知の選択還元型触媒（ＳＣＲ: Selective Catalytic Reduction）である。すなわち、触媒上で、尿素の加水分解により生成されるアンモニアの還元作用により排気ガスに含まれる窒素酸化物を還元して浄化する。これら前段触媒１０および後段触媒１２は、触媒温度が所定の最低活性温度（例えば２００℃）以上に加熱され、かつ、供給された尿素が加水分解されて十分量のアンモニアが生成された状態で窒素酸化物を還元することができる。また、前段触媒１０および後段触媒１２は、その基材が多数の空孔を有する空隙構造を有するため、これらに流入する物質を吸着効果をもつ。特に、触媒種として、ゼオライト等を用いた場合には、窒素酸化物やアンモニアに対する吸着効果が高い。

前段尿素添加弁３１は、これに尿素水溶液を供給するための供給装置３２が接続され、供給装置３２には尿素を水に所定の割合で混合した尿素水溶液を貯留するタンク３３が接続される。前段尿素添加弁３１は、尿素を尿素水溶液の形で前段触媒１０の上流から噴射可能になっている。なお、前段尿素添加弁３１及び供給装置３２はＥＣＵ１００により制御される。

後段尿素添加弁４１は、これに尿素水溶液を供給するための供給装置４２が接続され、供給装置４２には尿素を水に所定の割合で混合した尿素水溶液を貯留するタンク４３が接続される。後段尿素添加弁４１は、尿素を尿素水溶液の形で後段触媒１２の上流から噴射可能になっている。なお、後段尿素添加弁４１及び供給装置４２はＥＣＵ１００により制御される。

切り替え弁２０は、例えば、電磁弁等で構成され、ＥＣＵ１００からの制御指令に応じて、排気通路３Ａを流通する排気ガスＧの全量を第１の分岐通路５及び第２の分岐通路７の一方に流通させるために設けられている。なお、切り替え弁２０の代わりに、第１の分岐通路５及び第２の分岐通路７への排気ガスＧの流入量を連続的に調整可能な調整弁を用いることも可能である。この場合には、第１の分岐通路５及び第２の分岐通路７を流通する排気ガスＧの割合をＥＣＵ１００からの制御指令により任意に変更可能となる。

ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および記憶装置等のハードウエア及び所要のソフトウエアで構成され、排気温度センサー６１，６２及びＮＯｘセンサ５１，５２の検出信号が入力されるとともに、前段尿素添加弁３１及び供給装置３２、後段尿素添加弁４１及び供給装置４２、及び切り替え弁２０を制御する。なお、ＥＣＵ１００による具体的処理内容は後述する。

ＮＯｘセンサ５１，５２は、排気ガスＧ中に含まれる窒素酸化物の量に応じた電気信号を発生して、ＥＣＵ１００に出力する。

排気温度センサー６１，６２は、排気ガスＧの温度に応じた電気信号を発生して、ＥＣＵ１００に出力する。

次に、ＥＣＵ１００による制御の一例について、図２に示すフローチャートを参照して説明する。

内燃機関が始動されると、ＥＣＵ１００は、後段触媒１２により窒素酸化物（ＮＯｘ）の浄化を可能にするために、後段触媒１２に尿素の添加を開始し、後段触媒１２には継続的に尿素が添加されるが、前段触媒１０には、尿素は添加されない。また、始動直後には、切り替え弁２０は排気ガスＧを第１の分岐通路５（前段触媒１０）側に流入させる状態となっている。この状態で、図２に示す処理ルーチンは、所定時間毎に実行される。

先ず、後段触媒１２によりＮＯｘを還元可能かを判断する（ステップＳ１）。すなわち、ＮＯｘを還元するために、後段触媒１２の状態が所定条件を満たしているかを判断する。後段触媒１２が還元可能ではない状態とは、例えば、内燃機関の始動直後等において、後段触媒１２が活性化していない場合や、後段触媒１２に供給された尿素が未だ十分に加水分解されずに、還元に必要な量のアンモニアが発生していない場合である。したがって、例えば、排気ガスＧの温度が所定の温度以上であるか、後段触媒１２の温度が所定の温度以上であるか、内燃機関が始動されて所定期間が経過したか、等を判断して、後段触媒１２が還元可能な状態かを判断する。なお、後段触媒１２が還元可能かを判断する方法は、これらの例示に限定されるわけではない。

後段触媒１２が未だ還元可能な状態でない場合には、前段触媒１０がＮＯｘを吸着可能な状態かを判断する（ステップＳ２）。例えば、前段触媒１０が現在までに吸着しているＮＯｘ吸着量が、前段触媒１０が吸着可能な範囲にある所定量を越えているかを判断し、この所定量を越えていない場合には、前段触媒１０がＮＯｘを吸着可能な状態と判断できる。

前段触媒１０が現在までに吸着しているＮＯｘ吸着量は、例えば、内燃機関の作動条件から算出される内燃機関から排出される排気ガスＧに含まれるＮＯｘの量と前段触媒１０の下流に設けられたＮＯｘセンサ５１の検出するＮＯｘの量とに基いて算出することができる。

ステップＳ２において、前段触媒１０が吸着可能と判断した場合には、排気ガスＧが第１の分岐通路５（前段触媒１０）側に流入するように切り替え弁２０を切り替える。切り替え弁２０が既に第１の分岐通路５側に設定されている場合には、その状態を維持する。これにより、前段触媒１０に排気ガスＧが流入し、排気ガスＧに含まれるＮＯｘが前段触媒１０に吸着される。また、前段触媒１０がＮＯｘを吸着している間に、後段触媒１２は加熱されると共に尿素が継続して添加され、この尿素が加水分解されてアンモニアの生成が進み、ＮＯｘを還元可能な状態に移行する。

次いで、前段触媒１０が現在までに吸着しているＮＯｘ吸着量を上述したような方法で算出し（ステップＳ４）、処理を終了する。

ステップＳ２において、前段触媒１０が吸着可能な状態でないと判断した場合、すなわち、前段触媒１０が所定量のＮＯｘを既に吸着し、飽和している又は飽和に近い状態と判断した場合には、前段触媒１０が現在までに吸着しているＮＯｘ吸着量を算出する（ステップＳ７）。

そして、前段触媒１０が現在までに吸着しているＮＯｘを全て還元するのに必要な尿素の添加量を算出する（ステップＳ６）。さらに、前段触媒１０が現在までに吸着しているＮＯｘの全てを還元するのに必要な還元時間を算出する。

必要尿素添加量及び必要還元時間を算出した後に、排気ガスＧの全量が第２の分岐通路７を流れるように切り替え弁２０を切り替える（ステップＳ８）。これにより、排気ガスＧは、前段触媒１０を通過せずに、第２の分岐通路７を通じて後段触媒１２に直接供給され、排気ガスＧに含まれるＮＯｘは後段触媒１２で浄化される。後段触媒１２は、前段触媒１０がＮＯｘを吸着している間に、還元可能な状態に既に移行しているので、後段触媒１２においてＮＯｘが還元されずに通過するのを防ぐことができる。

ステップＳ１において、後段触媒１２が還元可能な状態と判断した場合には、前段触媒１０に吸着したＮＯｘが残存しているかを判断する（ステップＳ９）。例えば、ステップＳ４又はステップＳ５において算出されたＮＯｘ吸着量が存在するか、ゼロからにより判断する。

前段触媒１０にＮＯｘが残存していると判断した場合には、ステップＳ６において算出した量の尿素を前段尿素添加弁３１から噴射させる（ステップＳ１１）。これにより、前段触媒１０において、尿素が加水分解されてアンモニアが生成される。さらに、ステップＳ７で算出した還元時間が経過したかを判断する（ステップＳ１２）。なお、前段尿素添加弁３１からの尿素の噴射のタイミングは、種々変更可能であり、ステップＳ７で算出した還元時間の間、一定量の尿素を前段尿素添加弁３１から噴射させてもよく、必要な還元時間が経過する前に必要量の尿素を噴射することも可能である。

前段触媒１０に必要量の尿素を供給し、かつ、必要な還元時間が経過すると、前段触媒１０に吸着されたＮＯｘはアンモニアによりほぼ全て還元されると共に、前段触媒１０において生成されたアンモニアは、ほぼ全てがＮＯｘの還元に使用されて、前段触媒１０にアンモニアがほとんど吸着されていない状態となる。

このとき、前段触媒１０のＮＯｘ吸着量をクリア（ゼロ）にし（ステップＳ１３）、切り替え弁２０を第２の分岐通路７側へ切り替える（ステップＳ１４）。これにより、前段触媒１０は、アンモニア及びＮＯｘがほとんど吸着されていないので、ＮＯｘの吸着効果（吸着能力）を最大にした状態で、次回のＮＯｘ吸着に備えることができる。また、前段触媒１０への尿素の添加量を還元に必要十分な量とすることにより、前段触媒１０へのアンモニアの吸着量を抑えることができ、前段触媒１０のＮＯｘ吸着時の吸着効果を最大限に高めることが可能となる。

図３は、本発明の他の実施形態に係る排気浄化装置の構成を示す図である。なお、図３において、図１に示した排気浄化装置と同一の構成部分には同一の符号を使用している。

図３に示す排気浄化装置１Ａは、前段触媒１０及び後段触媒１２へ尿素を添加するのに共通に使用される尿素添加弁１３１、供給装置１３２及びタンク１３３を備えている。これにより、構成を簡素化でき、装置コストを低減できる。

上記実施形態では、本発明の調整弁として切り替え弁２０を使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ない。切り替え弁２０の代わりに、第１の分岐通路５及び第２に分岐通路７に流入する排気ガスＧの割合を連続的に変更できる調整弁を使用した場合には、例えば、上記のステップＳ３、Ｓ８、Ｓ１０、Ｓ１４等において、第１の分岐通路５及び第２に分岐通路７のいずれか一方に排気ガスＧを流入させるのではなく、両方の通路に流すことも可能である。このとき、第１の分岐通路５及び第２に分岐通路７に流す排気ガスＧの割合を適宜調整することができる。

本発明の一実施形態に係る排気浄化装置の構成を示す図である。 図１のＥＣＵによる処理手順の一例を示すフローチャートである。 本発明の他の実施形態に係る排気浄化装置の構成を示す図である。

符号の説明

１…排気浄化装置
３Ａ，３Ｂ…排気通路
５…第１の分岐通路
７…第２の分岐通路
１０…前段触媒
１２…後段触媒
２０…切り替え弁(調整弁)
３１…前段尿素添加弁(尿素添加手段)
３２…供給装置
３３…タンク
４１…後段尿素添加弁(尿素添加手段)
４２…供給装置
４３…タンク
５１，５２…ＮＯｘセンサ
６１，６２…排気温度センサ
１００…ＥＣＵ(制御手段)

Claims (6)

1. 内燃機関の排気通路の途中で分岐し再び合流する第１及び第２の分岐通路と、
   前記第１の分岐通路に設けられ、尿素の加水分解により生成されるアンモニアの還元作用により排気ガスに含まれる窒素酸化物を還元する前段触媒と、
   前記第１及び第２の分岐通路の下流側の前記排気通路に設けられ、かつ、尿素の加水分解により生成されるアンモニアの還元作用により排気ガスに含まれる窒素酸化物を還元する後段触媒と、
   前記前段触媒及び前記後段触媒にそれぞれ尿素を添加可能な尿素添加手段と、
   前記第１及び第２の分岐通路への排気ガスの流入量を調整可能な調整弁と、
   前記尿素添加手段及び前記調整弁を制御して、前記後段触媒の状態が所定条件を満たさない場合に前記後段触媒にのみ尿素を添加すると共に排気ガスを前記第１の分岐路に流通させて前記前段触媒に窒素酸化物を吸着させる吸着処理と、前記吸着処理により前記前段触媒に吸着された窒素酸化物を還元するために必要な量の尿素を当該前段触媒に添加すると共に排気ガスを前記第１の分岐路に流通させる前段触媒還元処理とを少なくとも実行する制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記後段触媒の状態が所定条件を満たさない場合には、前記後段触媒の温度が所定の温度より低い場合、排気ガスの温度が所定の温度よりも低い場合、及び、内燃機関が始動直後である場合のいずれかが含まれることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記制御手段は、前記前段触媒還元処理において、前記前段触媒に吸着された窒素酸化物の還元に必要な時間だけ排気ガスを前記第１の分岐路に流通させる、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記調整弁は、前記排気通路を流通する排気ガスの全量を前記第１及び第２の分岐通路の一方に流通させる切り替え弁を含む、ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記尿素添加手段は、前記前段触媒の上流側の排気通路に設けられた第１の尿素添加弁と、前記後段触媒の上流側の排気通路に設けられた第２の尿素添加弁とを含む、ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記尿素添加手段は、前記調整弁の上流側に設けられ、かつ、前記前段触媒及び前記後段触媒に共通に用いられる尿素添加弁を含む、ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。

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