JP2010196616A

JP2010196616A - エンジンの排気浄化装置

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Publication number: JP2010196616A
Application number: JP2009043627A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Onodera; 仁小野寺; Hiroshi Akama; 弘赤間
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2009-02-26
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2010-09-09
Anticipated expiration: 2029-02-26
Also published as: JP5347561B2

Abstract

【課題】排気中のＮＯｘを効率よく浄化する。
【解決手段】エンジン１内での燃焼による排気が内部を流れる排気通路３と、排気通路３に介装され排気中の窒素酸化物を吸着する窒素酸化物吸着手段２０と、窒素酸化物吸着手段２０より上流側の排気通路３中に水素を供給する水素供給手段２３と、を備え、排気中に窒素酸化物と酸素が存在する状態のまま、水素供給手段２３により間欠的に水素を供給することで、窒素酸化物吸着手段２０に吸着した窒素酸化物を還元する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気中に含まれる窒素酸化物の浄化装置に関する。

ディーゼルエンジンやリーンバーン運転を行うガソリンエンジンの排気中に含まれる窒素酸化物を浄化する装置として、いわゆるＮＯｘ吸着触媒が知られている。これは、触媒に窒素酸化物（ＮＯｘ）吸着剤を担持したもので、リーン雰囲気の排気中の一酸化窒素（ＮＯ）を触媒上で二酸化窒素（ＮＯ₂）に酸化してから吸着するものである。そして、所定の時期に排気をリッチ雰囲気にして酸素濃度を低下させ、吸着しておいたＮＯｘを脱離させて、リッチ雰囲気の排気中に存在する炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）といった還元ガスで脱離したＮＯｘを還元するものである。

しかし、このようなＮＯｘ吸着触媒を用いる場合には、リッチ雰囲気にするために燃料噴射量を増加させる必要があり、燃費が悪化してしまう。また、ＨＣ、ＣＯの一部が未浄化のまま大気中に放出されてしまうおそれもある。

これに対して、特許文献１には、メタノール、ＬＰＧ、天然ガス等の炭化水素燃料から、改質触媒で水素を生成し、この水素を排気通路中に設けたＮＯｘ選択還元触媒に供給して、排気中のＮＯを直接還元する装置が開示されている。

特開平５−１０６４３０号公報

しかしながら、特許文献１に開示された装置で用いるＮＯｘ選択還元触媒は、一般的に約４０％程度の還元性能しか得られない。したがって、この装置では高いＮＯｘ還元性能が要求される排気ガス規制をクリアすることは困難である。また、特許文献１によれば、当該装置では１５０℃程度といった低温でＮＯｘの還元が可能であるとされているが、発明者らによれば、１５０℃程度の低温ではＮＯｘはＮ₂まで完全に還元されず、Ｎ₂Ｏの状態になっている、との知見が得られている。

よって、特許文献１に開示された装置では、十分なＮＯｘ還元効果は期待できない。

そこで、本発明では燃費の悪化やＨＣ、ＣＯの放出量増加といった問題を回避しつつ、効率よくＮＯｘを還元することを目的とする。

本発明のエンジンの排気浄化装置は、エンジン内での燃焼による排気が内部を流れる排気通路と、排気通路に介装され排気中の窒素酸化物を吸着する窒素酸化物吸着手段と、窒素酸化物吸着手段より上流側の排気通路中に水素を供給する水素供給手段と、を備える。そして、排気中に窒素酸化物と酸素が存在する状態のまま、すなわち空燃比がストイキよりもリーンな状態のまま、水素供給手段により間欠的に水素を供給する。

本発明によれば、連続的に水素を供給する場合よりも、効率よくＮＯｘを還元することができる。また、リーン雰囲気のままなので、燃費の悪化等の問題も生じない。

第１実施形態のシステム構成図である。第１実施形態の水素供給制御のフローチャートである。ＮＯｘ排出量マップである。排気ガス濃度条件表である。 (ａ)はＮＯｘ吸着量、（ｂ）は水素供給量についてのタイムチャートである。評価試験の結果を示す図である。第２実施形態の水素供給制御のフローチャートである。ＮＯｘ吸着速度マップである。第３実施形態のシステム構成図である。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、第１実施形態のシステム構成図である。１は水素を燃料とする筒内直接噴射式エンジン（以下、単に「エンジン」という）、２は吸気通路、３は排気通路、３０はエンジンコントロールユニットである。

排気通路３には、ＮＯｘを吸着し、還元する機能を有するＮＯｘ吸着触媒２０を介装する。ＮＯｘ吸着触媒２０の入口部には実空燃比を検出する空燃比センサ３２を設ける。この空燃比センサ３２は、例えば酸素イオン伝導性固体電解質を用いて排気中の酸素濃度を検出するものであり、検出した酸素濃度に基づいて空燃比を算出することができる。また、同じく入口部に、ガス温度センサ３３を設け、ＮＯｘ吸着触媒２０に流入する排気ガスの温度を検出する。

そして、ＮＯｘ吸着触媒２０の入口部及び出口部には、それぞれ入口側ＮＯｘセンサ３４ａ、出口側ＮＯｘセンサ３４ｂを設けてＮＯｘ濃度を検出し、これらのセンサ出力差から、ＮＯｘ吸着触媒２０にトラップされたＮＯｘ量を推定する。

また、排気還流装置として、吸気通路２の吸気コレクタ２ｂと排気通路３の間に、排気の一部を還流するためのＥＧＲ通路４を設け、ここにステッピングモータにて開度を連続的に制御可能なＥＧＲ弁５を介装する。

吸気通路２は、上流側にエアクリーナ２ａを備え、その出口側に吸入空気量を検出するエアフローメータ７を設ける。そして、エアフローメータ７の下流側には、エンジン１の筒内に流入する吸入空気量を調節するためのスロットル弁６を設ける。このスロットル弁６は、例えばステッピングモータ等のアクチュエータによって開閉駆動される。

エンジン１の燃料供給系は、燃料である水素を蓄える燃料タンク６０と、燃料タンク６０からエンジン１に備わっている燃料噴射装置へ燃料を供給するための燃料供給通路１６を備えている。この燃料噴射装置は、公知の燃料噴射装置であって、主にサプライポンプ１１と、燃料ギャラリ１３と、気筒毎に設けられた燃料噴射弁１４と、から構成される。サプライポンプ１１により加圧された燃料が、燃料供給通路１２を介して燃料ギャラリ１３にいったん蓄えられた後、高圧燃料が各気筒の燃料噴射弁１４に分配される。

また、エンジン１には、冷却水温を検出する水温センサ３１を設ける。水温センサ３１を設ける位置は、冷却水温を検出できる位置であればよい。

エンジンコントロールユニット３０には、エアフローメータ７、水温センサ３１、空燃比センサ３２、ガス温度センサ３３、及びＮＯｘセンサ３４ａ、３４ｂの検出信号の他、クランク角度検出用クランク角センサ、気筒判別用クランク角センサ、燃料ギャラリ内の燃料圧力を検出する圧力センサ、燃料温度を検出する温度センサ、エンジン負荷に相当するアクセルペダル踏み込み量を検出するアクセル開度センサ等の各種センサの検出信号が読み込まれる。そして、これらの信号に基づいて、燃料噴射量、噴射時期等を決定する。

燃料噴射弁１４は、エンジンコントロールユニット３０からのＯＮ−ＯＦＦ信号によって開閉される電子式の噴射弁であって、ＯＮ信号によって燃料を燃焼室内に噴射し、ＯＦＦ信号によって噴射を停止する。そして、燃料噴射弁１４へ印加されるＯＮ−ＯＦＦ信号のパルス幅によって燃料噴射量が制御される。また、燃料噴射弁１４から燃料を噴射する時期は、エンジンコントロールユニット３０に入力したクランク角度検出用クランク角センサの信号、気筒判別用クランク角センサの信号に基づいて適宜決定される。

また、排気通路３のＮＯｘ吸着触媒２０の上流側には、排気用燃料噴射弁２３を設ける。排気用燃料噴射弁２３に燃料を供給する燃料供給系として、燃料タンク６０から燃料を供給するための燃料供給通路２１と、サプライポンプ２２を備える。

ここでは、ＮＯｘ吸着触媒２０にトラップされたＮＯｘを還元するときに、排気通路３の燃料噴射弁２３から燃料を噴射して、水素をＮＯｘ吸着触媒２０へ供給する。

次に、水素をＮＯｘ吸着触媒２０に供給するための制御について説明する。

図２は、エンジンコントロールユニット３０が実行する、水素供給制御のフローチャートである。

ステップＳ１０１では、エンジン１に備えられるクランク角センサ及びエアフローメータ７の出力から、エンジン回転速度及び吸入空気量を読み込む。

ステップＳ１０２では、予め作成してエンジンコントロールユニット３０に記憶しておいたＮＯｘ排出量マップを、ステップＳ１０１で読み込んだエンジン回転速度及び吸入空気量で検索することで、エンジン１から排出されているＮＯｘ量を演算する。ＮＯｘ排出量マップの一例を図３に示す。縦軸は吸入空気量、横軸はエンジン回転速度である。吸入空気量が多いほど、またエンジン回転速度が高いほど、ＮＯｘ排出量が多くなっている。

ステップＳ１０３では、ガス温度センサ３３の出力から、ＮＯｘ吸着触媒２０の温度を演算する。なお、ＮＯｘ吸着触媒２０に温度センサを配置して、触媒温度を直接検出してもよい。

ステップＳ１０４では、ＮＯｘ吸着触媒２０の入口に配置した入口側ＮＯｘセンサ３４ａの出力を読み込む。これに合わせてステップＳ１０５では、出口側ＮＯｘセンサ３４ｂの出力を読み込む。そして、ステップＳ１０６で、これらの出力値の差を演算して、ＮＯｘ吸着触媒２０に吸着しているＮＯｘ吸着量を演算する。

ステップＳ１０７では、ＮＯｘ吸着量が予め設定した閾値以上になったか否かを判定する。判定の結果、閾値以上であればステップＳ１０８に進む。一方、閾値より少なければ、そのまま処理を終了して、再びステップＳ１０１から実行する。この場合、次回演算時のステップＳ１０６では、前回の演算結果に対して今回の演算結果を積算する。なお、閾値は、例えばＮＯｘ吸着触媒２０が実際に吸着可能な上限の値、つまり理論上のＮＯｘ吸着可能上限値の８０％程度の値を設定する。

ステップＳ１０８では、水素噴射フラグをＯＮにする。そして、ステップＳ１０９では、ＮＯｘ吸着量に対して当量以上かつ排気中の酸素量に対しては当量以下となるような水素噴射量、つまり、ＮＯｘを還元するのには十分な量であって、ＮＯｘ吸着触媒２０に流入する排気全体としては水素がリーンな雰囲気となるような水素噴射量を設定し、ステップＳ１１０で噴射する。

ステップＳ１１１では、ＮＯｘ吸着触媒２０の出口に配置した出口側ＮＯｘセンサ３４ｂの出力を読み込み、その出力値が予め設定しエンジンコントロールユニット３０に記憶しておいた下限値を下回ったら処理を終了する。出力値が下限値より大きい場合は、ステップＳ１０９に戻る。

上記のような構成及び制御によるＮＯｘ還元性能について、評価試験の結果を用いて説明する。

エンジン１として、排気量１．０５Ｌの水素予混合単気筒エンジンを用い、燃料に対する空気の比（λ）が約２．０で、ＮＯｘ濃度を約１００ｐｐｍとなる条件で運転した。

そして、ＮＯｘ吸着触媒２０の出口側のＮＯｘ濃度が、入口側のＮＯｘ濃度に対して約１０分の１になったときに水素噴射を行うように、図２のステップＳ１０７で用いる閾値を設定した。

図４は、噴射した水素を含む排気ガス濃度条件をまとめた表である。表の左側はＮＯｘを吸着している間の状態、右側は水素を噴射している状態について示している。表に示すように、ＮＯｘ、酸素については、いずれの場合も同じである。水素濃度については、水素を噴射することで１０ｐｐｍから１８００ｐｐｍに増大しているが、いずれにしてもリーンのままである。ただし、これは全体として見た場合であって、水素噴射直後には、局所的には水素濃度がリッチな領域が生成される。この水素リッチな領域は、水素がほとんど拡散せずに、そのままＮＯｘ吸着触媒２０に流入するとの知見が、発明者らによって得られた。

図５は、評価試験方法について示した図である。(ａ)はＮＯｘ吸着量、（ｂ）は水素供給量についてのタイムチャートである。図に示すように、運転開始とともにＮＯｘ吸着量が徐々に増加して、ＮＯｘ吸着触媒２０の出口側のＮＯｘ吸着量が入口側の約１０分の１になるｔ１から、時間ｔｐの間、水素をＱ（Ｌ／ｍｉｎ）で供給した。これを時間ｔ毎に繰り返し行った。そして、ＮＯｘ吸着触媒２０でのＮＯｘ転化率を、化学発光法ＮＯｘ分析計を用いて触媒前後のＮＯｘ濃度を測定して求めた。また、ＮＯｘ吸着触媒２０の温度は、約１５０℃、約２２０℃、約３５０℃の３つのパターンを設定した。

図６は、上記実験の評価試験の結果を示している。なお、比較のため、水素供給方法のみが異なり、燃料に対する空気の比（λ）やＮＯｘ濃度等の他の条件は本実施形態と同じ場合の結果も示す。比較例では、機関運転中に水素を連続的に噴射した。なお、本実施形態と比較例で、試験中に噴射した水素の量は同じである。

図６に示すように、水素を連続的に供給する場合のＮＯｘ転化率が２０〜４０％程度であるのに対して、本実施形態のように間欠的に供給する場合のＮＯｘ転化率は７０〜９５％であった。また、いずれのＨ₂供給方法でも、ＮＯｘ吸着触媒２０の温度が約２００℃以下になると、転化率は急激に低下している。したがって、ＮＯｘ吸着触媒２０の温度としては、約２００℃以上が望ましい。

ここで、上記のような差が生じる理由について考察する。

水素を連続的に供給する場合には、排気中にＮＯｘ、Ｏ₂、そして還元剤としてのＨ₂が共存している。そして、燃料に対する空気の比（λ）がリーンの条件では、排気中でＮＯｘ濃度に対してＯ₂濃度が高い。このため、還元剤のＨ₂は排気中のＯ₂と反応しやすく、結果として、触媒上でＮＯｘが還元される確率が低下していると思われる。

これに対して、Ｈ₂を間欠的に供給する場合には、Ｈ₂を供給するときに触媒表面の活性点近傍には多くのＮＯｘが存在している。そして、間欠的なＨ₂噴射により局所的に水素リッチな排気が形成され、この水素リッチな排気がそのままＮＯｘ吸着触媒２０に流入する。このため、排気中のＯ₂の影響を受け難くなり、ＮＯｘの転化率が高まると思われる。

以上により本実施形態では、次のような効果が得られる。

（１）排気中に窒素酸化物と酸素が存在する状態のまま、つまりリーン状態のまま、間欠的に水素を供給してＮＯｘ吸着触媒２０に吸着した窒素酸化物を還元するので、燃費の悪化等を招くことなく、高効率でＮＯｘを還元することができる。なお、ここでの「吸着」は、単に触媒上に存在しているような物理的な吸着と、化学的な反応により触媒上に存在しているような化学的な吸着のいずれをも含む概念である。

（２）ＮＯｘ吸着触媒２０に窒素酸化物が吸着している状態で、間欠的に水素を供給するので、窒素酸化物がＮＯｘ吸着触媒２０表面の活性点にある状態で水素が供給されることになる。これにより、排気中の酸素濃度が高い状態でも、排気中の酸素が水素によって酸化されるよりも効率よく水素によって窒素酸化物を還元することができる。このように窒素酸化物を活性点の近くに存在させる環境を形成するためには、例えば、アルカリまたはアルカリ土類金属を、窒素酸化物を還元する活性点付近に配置するとよい。これによれば、アルカリ又はアルカリ土類金属が窒素酸化物と反応して硝酸塩を生成するので、より効率よく水素によって窒素酸化物を還元することができる。

（３）ＮＯｘ吸着触媒２０のＮＯｘ吸着可能量上限値に達したときに、間欠的に水素を供給するので、ＮＯｘ吸着触媒２０の活性点の周辺に多くの窒素酸化物を存在させた状態で、この窒素酸化物と水素を反応させることができる。これにより、供給した水素を効率的に窒素酸化物の還元に利用することができる。なお、このときのＮＯｘ吸着触媒２０の温度は概ね２００℃以上であることが望ましい。これ以下の温度では、ＮＯｘ吸着触媒２０の活性が不十分となり、還元効率が低下してしまうからである。

（４）間欠的な複数回の供給で、少なくともＮＯｘ吸着触媒２０に吸着している窒素酸化物の還元に必要な当量以上の水素を供給するので、上記（３）のような状態で、確実に窒素酸化物を還元することができる。

（５）供給する水素量は、排気中の酸素量に対しては当量未満であるので、必要以上の水素を供給することを回避できる。これは、上記（３）のような状態にすることで、酸素の酸化によって消費されしまう水素量が低減するので、供給する水素量を低減できるためである。

なお、本実施形態では、窒素酸化物吸着手段としてＮＯｘ吸着触媒２０を用いたが、いわゆる尿素ＳＣＲ（ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＣａｔａｌｙｔｉｃＲｅｄｕｃｔｉｏｎ）もＮＯｘを吸着する機能を有しているので、同様に用いることができる。

第２実施形態について説明する。

本実施形態は、基本的な構成は図１と同様であるが、入口側ＮＯｘセンサ３４ａ及び出口側ＮＯｘセンサ３４ｂを備えない点が異なる。このため、水素供給のための制御が異なる。

図７は、本実施形態でエンジンコントロールユニット３０が実行する水素噴射用制御のフローチャートである。

図７のステップＳ２０１〜Ｓ２０３は、図２のステップＳ１０１〜Ｓ１０３と同じなので、説明を省略する。

ステップＳ２０４では、ＮＯｘ吸着量を算出する。具体的には、まずステップＳ２０２で演算したエンジンアウトＮＯｘ量と、ステップＳ２０３で求めたＮＯｘ吸着触媒２０の温度から、予めエンジンコントロールユニット３０に記憶しておいたＮＯｘ吸着速度マップを用いてＮＯｘ吸着速度を算出する。そして、このＮＯｘ吸着速度に基づいてＮＯｘ吸着量を算出する。ＮＯｘ吸着速度マップは、例えば図８のようなものを用いる。

ＮＯｘ吸着量を求めた後のステップＳ２０５〜Ｓ２０８は、図２のステップＳ１０７〜Ｓ１１０と同じなので、説明を省略する。

なお、図２ではステップＳ１１１で出口側ＮＯｘセンサ３４ｂの出力値が予め設定した下限値より小さくなったか否かの判定を行っているが、本実施形態では、出口側ＮＯｘセンサ３４ｂを備えないので、本ステップに相当するステップはない。つまり、ステップＳ２０７で設定した水素噴射量を噴射することで、ＮＯｘ吸着触媒２０の出口側のＮＯｘ量は十分に低減しているものとして扱う。

このように、ＮＯｘ吸着触媒２０の入口側と出口側のＮＯｘセンサ３４ａ、３４ｂを設けずにＮＯｘ吸着量を推定し、水素噴射量を設定するので、第１実施形態と同様の効果に加え、さらに、センサ設置のためのコスト増加を回避することができる。

第３実施形態について説明する。

図９は、本実施形態を適用するシステムの構成図である。基本的には図１と同様の構成であるが、エンジン１が炭化水素（例えばガソリン）を燃料とする筒内直接噴射式エンジンであることと、これに伴って改質器２４を備える点が異なる。

改質器２４は、燃料から水素を生成する装置であり、サプライポンプ２２と燃料噴射弁２３の間に配置されている。改質器２４で改質された燃料成分は、ガス成分と液体成分に分離され、ガス成分は燃料噴射弁２３へ供給され、液体成分は燃料リターン通路２５を介して燃料タンク６０へ返される。

本実施形態では、ＮＯｘ吸着触媒２０に吸着したＮＯｘを還元するときに、改質器２４によって水素を含んだ改質ガスを燃料噴射弁２３から排気通路３へ噴射する。この改質ガスの噴射制御については、第１実施形態または第２実施形態と同様なので説明を省略する。

以上により本実施形態では、第１実施形態、第２実施形態と同様の効果が得られる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

１筒内直接噴射式エンジン
２吸気通路
３排気通路
４ＥＧＲ通路
５ＥＧＲ弁
６スロットル弁
７エアフローメータ
１１サプライポンプ
１２燃料供給通路
１３ギャラリ
１４燃料噴射弁
１６燃料供給通路
２０ＮＯｘ吸着触媒
２２サプライポンプ
２３排気用燃料噴射弁
３０コントロールユニット
３２空燃比センサ
３３ガス温度センサ
３４ａ入口側ＮＯｘセンサ
３４ｂ出口側ＮＯｘセンサ
６０燃料タンク

Claims

エンジン内での燃焼による排気が内部を流れる排気通路と、
前記排気通路に介装され排気中の窒素酸化物を吸着する窒素酸化物吸着手段と、
前記窒素酸化物吸着手段より上流側の前記排気通路中に水素を供給する水素供給手段と、
を備え、
排気中に窒素酸化物と酸素が存在する状態のまま、前記水素供給手段により間欠的に水素を供給することを特徴とするエンジンの排気ガス浄化装置。
前記水素供給手段は、前記窒素酸化物吸着手段に窒素酸化物が吸着している状態で、間欠的に水素を供給することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
前記水素供給手段は、前記窒素酸化物吸着手段の窒素酸化物吸着量が吸着可能上限値に達したときに、間欠的に水素を供給することを特徴とする請求項２に記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
前記水素供給手段は、間欠的な複数回の供給で、少なくとも前記窒素酸化物吸着手段に吸着している窒素酸化物の還元に要する当量以上の水素を供給することを特徴とする請求項２または３に記載のエンジンの排気浄化装置。
前記水素供給手段が供給する水素量は、排気中の酸素量に対しては当量未満であることを特徴とする請求項４に記載のエンジンの排気浄化装置。
前記水素供給手段は、水素を貯蔵する貯蔵手段と、水素を前記排気通路中に噴射する噴射手段と、水素を前記貯蔵手段から前記噴射手段まで輸送する輸送手段と、で構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載のエンジンの排気浄化装置。
前記水素供給手段は、エンジンに供給する炭化水素燃料から水素を生成する水素生成手段と、前記水素を含む還元ガス成分を前記排気通路中に噴射する噴射手段と、前記還元ガス成分を前記水素生成手段から前記噴射手段へ輸送する輸送手段と、で構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載のエンジンの排気浄化装置。