JP2010229929A

JP2010229929A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2010229929A
Application number: JP2009079840A
Authority: JP
Inventors: Bungo Kawaguchi; 文悟川口
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2010-10-14

Abstract

【課題】アンモニアスリップの発生を抑制できる内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】選択還元触媒３５と、粒子状物質を捕集するフィルタ３０と、バーナー６０と、フィルタ３０を迂回するように排気通路１５に対して設けられたバイパス通路１１０と、排気ガスの流れをバイパス通路１１０に選択的に切り替える切替えバルブ１２０と、を備え、フィルタ３０の再生処理の要求があった場合に、切替えバルブ１２０をバイパス通路１１０に切り替え、バーナー６０を起動すると共に燃焼ガスに含まれるＮＯｘが増加するようにバーナー６０の空燃比を制御し、選択還元触媒３５を所定温度まで昇温させ、選択還元触媒のアンモニア吸着量が所定のしきい値よりも下がったところで、切替えバルブ１２０を排気通路１５の側に戻した後に、フィルタ３０の再生処理を実行する。
【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。

内燃機関の排出する排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する排気浄化装置として、尿素選択還元排気浄化装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この排気浄化装置は、排気通路に選択還元触媒（ＳＣＲ）を備える触媒コンバータと、その上流側に設けられた尿素水添加弁とを備える。選択還元触媒は、その触媒担体に、酸化バナジウムなどの触媒金属を担持している。排気通路に尿素水を添加すると、排気ガスの熱により、尿素水が加水分解されてアンモニアが生成され、このアンモニアとＮＯｘが選択還元触媒においてＮＯｘと脱硝反応して窒素と水が生成される。

特開２００３−３０１７３７号公報

ところで、上記のアンモニアを還元剤とした選択還元触媒を用いた廃棄浄化装置では、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集するためのいわゆるＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルタ）が排気通路の選択還元触媒の上流側に設けられている。ＤＰＦにおいては、一定量の粒子状物質を捕集したところで、これらを燃焼させる再生処理が必要である。
しかしながら、再生処理を実行すると、ＤＰＦの下流に設けられた選択還元触媒の温度が上昇し、選択還元触媒に吸着保持されたアンモニアが外部に排出されるアンモニアスリップが発生する可能性がある。

本発明の目的は、アンモニアスリップの発生を抑制できる内燃機関の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に設けられ、かつ、排気ガスに含まれるＮＯｘを尿素水が加水分解されて生成されるアンモニアを還元剤として選択的に還元する選択還元触媒と、前記内燃機関の排気通路の前記選択還元触媒の上流側に設けられ、かつ、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集するフィルタと、前記排気通路に設けられ、かつ、前記選択還元触媒の活性化のために燃料を燃焼させた燃焼ガスを前記排気通路に供給可能なバーナーと、前記フィルタを迂回するように前記排気通路に対して設けられたバイパス通路と、排気ガスの流れを前記バイパス通路に選択的に切り替える切替手段と、前記フィルタの再生処理の要求があった場合に、前記切替手段を制御して排気ガスの流れを前記バイパス通路に切り替え、前記バーナーを起動すると共に燃焼ガスに含まれるＮＯｘが増加するように当該バーナーの空燃比を制御し、前記選択還元触媒を所定温度まで昇温させ、当該選択還元触媒のアンモニア吸着量が所定のしきい値よりも下がったところで、前記切替手段を制御して排気ガスの流れを前記排気通路の側に戻した後に、前記再生処理を実行する制御手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、フィルタの再生処理による選択還元触媒からのアンモニアスリップの発生を抑制できる。

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を示す概略図である。ＥＣＵにおける処理の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の好適一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
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。
図１において、内燃機関１０は、例えば、ディーゼルエンジンであり、この内燃機関１０の排気通路１５は、熱エネルギーが外部に放出されるのを極力抑制して各種触媒の活性化を促すために、断熱材で覆われている。

排気通路１５には、排気ガスの流れをバイパス通路１１０へ選択的に切替え可能な切替え弁１２０が設けられている。切替え弁１２０には、例えば、周知の電動式あるいは電磁式の２方向切替えバルブを用いることができ、後述する電子制御装置（ＥＣＵ）１００により制御される。

バイパス通路１１０は、後述するＤＰＦ３０を迂回するように排気通路１５に対して設けられている。

排気通路１５の切替え弁１２０の上流側には、バーナー６０が設けられている。バーナー６０には、内燃機関１０側から、空気が供給される空気供給経路６１及び燃料が供給される燃料供給経路６２が接続されている。バーナー６０は、燃料供給経路６２から供給される燃料を燃焼させ、燃焼ガスを排気通路１５に供給する。また、空気供給経路６１からの空気量及び燃料供給経路６２からの燃料の量を制御することにより、燃焼ガスの空燃比が制御される。

バーナー６０から排出される燃焼ガスは、完全燃焼した状態で排気通路１５に排出されてもよいし、あるいは、未燃燃料を含む状態で排気通路１５に排出されてもよい。バーナー６０から排出される燃焼ガスに未燃燃料を含ませることにより、下流の酸化触媒２５に未燃燃料を供給することができる。

排気通路１５には、切替え弁１２０の下流側に、ＮＯｘ吸着触媒２５、ＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルタ）３０、選択還元触媒コンバータ３５及び酸化触媒コンバータ４０が順に設けられている。また、排気通路１５のＤＰＦ３０と選択還元触媒コンバータ３５との間には、尿素水添加弁７０が設けられている。

排気通路１５において、ＤＰＦ３０の前後には排気ガスＥＧの温度を検出する排気温度センサ９０Ａ、９０Ｂが設けられ、ＮＯｘ吸着触媒２５の上流側には排気ガスＥＧの温度を検出する排気温度センサ９０Ｃが設けられ、酸化触媒４０の下流には、窒素酸化物の濃度を検出するＮＯｘセンサ９５Ａが設けられ、選択還元触媒コンバータ３５の上流側には、ＮＯｘセンサ９５Ｂが設けられ、これらセンサの検出信号は、ＥＣＵ１００へ入力される。

さらに、排気通路１５において、ＤＰＦ３０と選択還元触媒コンバータ４０との間には、排気通路１５に尿素水溶液を添加するための尿素水添加弁７０と、この尿素水添加弁７０の下流に設けられて排気ガスＥＧと尿素水溶液を混合させるための添加弁下流ミキサ８０とが設けられている。

ＮＯｘ吸着触媒２５は、排気ガスＥＧに含まれるＮＯｘを吸着する触媒である。このＮＯｘ吸着触媒２５は、始動時等において、下流側に配置された選択還元触媒コンバータ４０が活性化していない状態において、ＮＯｘを一時的に吸着保持する役割を果たす。ＮＯｘ吸着触媒２５に吸着されたＮＯｘは、バーナー６０からの燃焼ガスからの熱を受けて脱離する。また、ＮＯｘ吸着触媒２５は、酸化触媒としての機能も併せ持つ。

ＤＰＦ３０は、排気ガスＥＧに含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集するフィルタである。ＤＰＦ３０の構造は、周知のように、例えば、金属やセラミクス製のハニカム体で構成されている。ＤＰＦ３０は、ＰＭが所定量堆積すると再生処理が必要である。具体的には、たとえば、ＮＯｘ吸着触媒２５を昇温により活性化させ、ＮＯｘ吸着触媒２５の酸化作用により昇温された排気ガスＥＧをＤＰＦ３０に供給する。これにより、捕集したＰＭが燃焼処理され、フィルタ機能が再生される。この再生処理におけるＤＰＦ３０の温度は、例えば、６００〜７００℃程度となる。なお、ＤＰＦ３０に所定量のＰＭが堆積したかの判断は、周知技術であるので、説明を省略する。また、ＤＰＦ３０は、貴金属からなる酸化触媒を担持する構成としてもよい。また、ＤＰＦ３０の再生処理については後述する。

尿素水添加弁７０は、尿素水溶液を収容するタンク７５から尿素水が供給され、ＥＣＵ１００からの制御信号に応じた量の尿素水を排気通路１５に添加する。

選択還元触媒コンバータ３５は、尿素添加弁７０から添加される尿素水溶液を還元剤として用いて、排気ガスＥＧに含まれるＮＯｘを選択的に還元して窒素ガスと水にする。具体的には、排気ガスＥＧ中に添加された尿素水溶液は、排気ガスＥＧの熱により加水分解されてアンモニアに変化し、選択還元触媒コンバータ３５に吸着保持される。この触媒コンバータ３５に吸着保持されたアンモニアがＮＯｘと反応し、水と無害な窒素に還元される。選択還元触媒コンバータ３５のアンモニア吸着量が多すぎると、アンモニアスリップが発生する可能性があり、少なすぎると、ＮＯｘを十分に浄化できない可能性がある。このため、選択還元触媒コンバータ３５のアンモニア吸着量の管理は重要である。

選択還元触媒コンバータ３５は、周知の構造であり、例えば、Ｓｉ、Ｏ、Ａｌを主成分とすると共にＦｅイオンを含むゼオライトから構成されたものや、例えば、酸化アルミニウムアルミナからなる基材の表面にバナジウム触媒（Ｖ₂Ｏ₅）を担持させたものなどを用いることができ、特に、これらに限定されるわけではない。選択還元触媒コンバータ３５は、触媒として機能する活性化温度が、例えば２００℃程度以上である。

酸化触媒コンバータ４０は、選択還元触媒コンバータ３０をすり抜ける未燃燃料やアンモニウムを酸化する役割を果たす。この酸化触媒コンバータ４０には、周知の構造のものが用いられる。

ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electronically Erasable and Programmable Read Only Memory）等のバックアップ用メモリ、Ａ／Ｄ変換器やバッファ等を含む入力インターフェース回路、駆動回路等を含む出力インターフェース回路を含むハードウエアと所要のソフトウエアで構成される。ＥＣＵ１００は、各排気温度センサ９０Ａ，９０Ｂ，９０Ｃ、ＮＯｘセンサ９５などからの信号に基づいて、切替え弁１２０、バーナー６０、尿素水添加弁７０等を制御する。

次に、ＥＣＵ１００によるＰＭ再生処理の一例について図２に示すフローチャートを参照して説明する。図２に示す処理ルーチンは、例えば、所定時間毎に実行される。

先ず、ＤＰＦ３０のＰＭ再生処理要求があるかを判断する（ステップＳ１）。ＰＭ再生処理要求がない場合には、処理を終了する。ＰＭ再生処理要求があった場合には、選択還元触媒コンバータ３０のアンモニア吸着量が所定量よりも多いか判断する（ステップＳ２）。アンモニア吸着量は、尿素水供給量、ＮＯｘ発生量、触媒床温等から推定され、この推定方法は周知の技術である。

ステップＳ２において、アンモニア吸着量が所定量よりも少ない場合には、ＰＭ再生処理によるアンモニアスリップが発生しないと判断して、処理を終了する。

ステップＳ２において、アンモニア吸着量が所定量よりも多い場合には、切り替えバルブ１２０をバイパス通路１１０側へ切り替える（ステップＳ３）。これにより、排気ガスは、ＤＰＦ３０をバイパスして選択還元触媒コンバータ３０に供給される。

次いで、バーナー６０を添加するとともに、バーナー６０の燃焼ガスの空燃比を理論空燃比よりも大きくしてバーナー６０のＮＯｘの発生量を増加させる（ステップＳ４）。これにより、バーナー６０からのＮＯｘを多量に含む燃焼ガスが選択還元触媒コンバータ３５に直接的に供給される。この結果、選択還元触媒コンバータ３５の触媒床温が上昇するとともに、大量のＮＯｘの供給によりアンモニアの消費量が増加する。

次いで、触媒床温がＮＯｘ浄化率が最も高くなる温度Ｔｈに達したかを判断する（ステップＳ５）。温度Ｔｈは、例えば、２５０〜３００℃程度である。温度Ｔｈに達していない場合には、達するまで待機し、達している場合には、アンモニア吸着量が所定量よりも少なくなったかを判断する（ステップＳ６）。すなわち、ＰＭ再生処理によるアンモニアスリップが発生しない程度までアンモニアが消費されたかを判断する。

アンモニア吸着量が所定量よりも多い場合には、少なくなるまで待機し、少なくなった場合には、バーナー６０を停止する（ステップＳ７）。

次いで、切替えバルブ１２０を排気通路１５側へ切り替える（ステップＳ８）。これにより、ＤＰＦ３０に排気ガスＥＧが導入される。

次いで、ＮＯｘ吸着触媒２５の酸化触媒機能を利用、あるいは、ＤＰＦ３０へ燃料を添加する等により、ＤＰＦ３０により捕集されたＰＭを燃焼させるＰＭ再生処理を実行する（ステップＳ９）。これにより、ＤＰＦ３０が再生される。また、後段の選択還元触媒コンバータ３５は、温度Ｔｈまで温度上昇しているので、ＤＰＦ３０を通じて導入されるＮＯｘを浄化することができる。

以上のように、本実施形態によれば、ＰＭ再生処理要求があった際に、選択還元触媒コンバータ３５に過剰に吸着されたアンモニアを速やかに消費させてアンモニア吸着量を減らし、かつ、選択還元触媒コンバータ３５を活性化させておくことにより、その直後にＰＭ再生処理を実行したとしてもアンモニアスリップの発生を防ぐことができるとともに、ＮＯｘの浄化も同時に可能となる。

１０…内燃機関
１５…排気通路
２５…酸化触媒コンバータ
３０…ＤＰＦ
３５…選択還元触媒コンバータ
４０…酸化触媒
６０…バーナー
７０…尿素水添加弁
１００…ＥＣＵ
１１０…バイパス通路
１２０…切替え弁

Claims

内燃機関の排気通路に設けられ、かつ、排気ガスに含まれるＮＯｘを尿素水が加水分解されて生成されるアンモニアを還元剤として選択的に還元する選択還元触媒と、
前記内燃機関の排気通路の前記選択還元触媒の上流側に設けられ、かつ、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集するフィルタと、
前記排気通路に設けられ、かつ、前記選択還元触媒の活性化のために燃料を燃焼させた燃焼ガスを前記排気通路に供給可能なバーナーと、
前記フィルタを迂回するように前記排気通路に対して設けられたバイパス通路と、
排気ガスの流れを前記バイパス通路に選択的に切り替える切替手段と、
前記フィルタの再生処理の要求があった場合に、前記切替手段を制御して排気ガスの流れを前記バイパス通路に切り替え、前記バーナーを起動すると共に燃焼ガスに含まれるＮＯｘが増加するように当該バーナーの空燃比を制御し、前記選択還元触媒を所定温度まで昇温させ、当該選択還元触媒のアンモニア吸着量が所定のしきい値よりも下がったところで、前記切替手段を制御して排気ガスの流れを前記排気通路の側に戻した後に、前記再生処理を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。