JP2013036345A - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】排気浄化システムは、選択還元触媒と、その下流側の排気のNH3の濃度を検出するNH3センサとを備えたシステムであって、選択還元触媒の温度がその活性温度以上かつその還元剤の最大ストレージ容量が小さくなる高温領域内に設定された劣化判定温度より高いときに、NH3センサの検出値が軽度劣化判定値より大きくなるような量の尿素水をインジェクタから供給させた後、NH3センサの検出値が軽度劣化判定値以下の場合には、選択還元触媒はNH3又は尿素水をNOxに酸化する酸化劣化状態にあると判定する。
【選択図】図3
Description
ところで、鉄や銅などの金属の酸化を起因として選択還元触媒が酸化触媒化した場合、その酸化機能は、比較的高い温度で発現すると考えられる。そこで本発明では、劣化判定を行う時期を、選択還元触媒の温度が活性温度以上かつ還元剤の最大ストレージ容量が小さくなる温度領域内に設定された劣化判定温度より高くなるようなときに限ることにより、選択還元触媒が酸化劣化状態にあるか否かを精度良く判定できる。
図1は、本実施形態に係る内燃機関(以下、「エンジン」という)1およびその排気浄化システム2の構成を示す模式図である。エンジン1は、リーンバーン運転方式のガソリンエンジン又はディーゼルエンジンであり、図示しない車両に搭載されている。
CSF(Catalyzed Soot Filter)42は、CSF42は、排気がフィルタ壁の微細な孔を通過する際、排気中の炭素を主成分とするスートを、フィルタ壁の表面およびフィルタ壁中の孔に堆積させることによって捕集する。また、このフィルタ壁には、酸化触媒が塗布されているため、上述の酸化触媒41と同様に、排気中のCO、HC、およびNOを酸化する機能を有する。
図2は、いかなる劣化も殆ど進行していない正常な状態の選択還元触媒におけるNOx浄化特性を示す図である。図2中、実線はNOx浄化率と選択還元触媒の温度(以下、単に「触媒温度」という)との関係を示し、破線はNOx還元反応の反応速度と触媒温度との関係を示す。実線および破線、何れも十分なNH3存在下にある選択還元触媒の特性を示す。
選択還元触媒に含まれる鉄ゼオライトや銅ゼオライトが酸化し、酸化鉄や酸化銅になると、選択還元触媒では、供給されたNH3や尿素水を酸化しNOxに変化するNH3酸化反応が進行するため、その分だけNOx浄化率が低下する。また、酸化鉄や酸化銅などを介して進行するNH3酸化反応は、選択還元触媒におけるNOx還元反応の最適温度よりも高い温度で進行するため、NH3酸化反応を起因としたNOx浄化率の低下は、選択還元触媒の最適温度よりも高い高温領域において顕著となる。
図4に示すように、酸化劣化がさらに進行すると、NH3酸化反応が進行する温度領域は最適温度側へ拡がり、またその反応速度も速くなる。このため、NOx浄化率の低下は、高温領域内において図3に示す状態よりもさらに顕著となる。また、選択還元触媒の温度が高温領域にある場合、NOx還元反応よりもNH3酸化反応の方が進行してしまい、NOx浄化率が負、すなわち選択還元触媒に流入するNOxの量よりも多い量のNOxが選択還元触媒から排出されるという事態が生じてしまう。したがって。図4に示す程度にまで酸化劣化が進行した場合、選択還元触媒の交換が必要となる。
図6は、選択還元触媒の劣化判定の手順を示すフローチャートである。この図に示す劣化判定処理は、ECUに構成された触媒劣化判定部により、所定の周期ごとに実行される。
劣化判定温度は、選択還元触媒の活性温度以上でありかつNH3最大ストレージ容量が十分に小さくなるような高温領域(図2〜5参照)内に設定される。また、図3および図4を参照して説明したように、選択還元触媒の酸化劣化反応は、高温領域において発現し、また劣化の進行に合わせて最適温度側にシフトする。そこで、このような酸化劣化の特性に合わせて、不必要な劣化判定処理の実行をできるだけ抑制するべく、劣化判定温度は、熱負荷積算値が0であるときの初期温度を例えば350℃として、熱負荷積算値が大きくなるほど低い温度に変更される。なお、この劣化判定温度は、CSF再生処理の実行時やエンジンの高負荷運転時において達しうる温度である。
選択還元触媒において酸化反応が進行し得るような高温領域にあるときにNH3センサの検出値が目標値になるような量の尿素水を供給させたにもかかわらず、NH3センサの検出値が目標値より小さな値に設定された軽度劣化判定値以下である場合、選択還元触媒ではNH3の酸化反応が進行していると考えられる。また、図4を参照して説明したように、酸化劣化が進行すると、劣化判定時のNH3センサの検出値も小さくなると考えられる。したがって、NH3センサの検出値が軽度劣化判定値より小さな過度劣化判定値以下である場合、選択還元触媒は図4で示すような過度の酸化劣化が進行しているものと考えられる。
なお、以下では、軽度劣化判定値より大きくシステム異常判定値以下の領域を、適正範囲という。
(1)本実施形態では、選択還元触媒が活性温度以上かつ還元剤の最大ストレージ容量が十分に小さくなる高温領域にあるときにおいて、NH3センサの検出値が目標値になるような量の尿素水を供給し、このときのNH3センサの検出値と軽度劣化判定値や過度劣化判定値とを比較することにより、選択還元触媒が酸化劣化状態にあることを判定することができる。また、本実施形態では、劣化判定を行う時期を、高温領域内に設定された劣化判定温度より高くなるようなときに限ることにより、選択還元触媒が酸化劣化状態にあるか否かを精度良く判定できる。
例えば、インジェクタからは尿素水を供給せずに、アンモニアガスを直接供給するシステムに本発明を適用しても効果的である。また、NOxを還元するための還元剤はアンモニアに限るものではない。本発明は、NOxを還元するための還元剤として、アンモニアの代わりに、例えば炭化水素を用いた排気浄化システムに適用することもできる。
2…排気浄化システム
4…排気管(排気系)
41…酸化触媒(酸化触媒)
42…CSF(酸化触媒、排気浄化フィルタ)
43…選択還元触媒
45…スリップ抑制触媒
46…インジェクタ(還元剤供給手段)
52…NH3センサ
53…排気温度センサ
6…ECU(触媒温度取得手段、劣化判定手段、熱負荷積算手段、排気昇温手段)
61…尿素水噴射制御部
62…排気温度制御部(排気昇温手段)
63…触媒劣化判定部(劣化判定手段)
Claims (7)
- 内燃機関の排気系に設けられ、還元剤の存在下で排気中のNOxを浄化し、かつこの還元剤を吸着する選択還元触媒と、
前記排気系のうち前記選択還元触媒より上流側に還元剤又はその前駆体を供給する還元剤供給手段と、
前記選択還元触媒から下流側の排気の還元剤の濃度を検出する還元剤センサと、
前記選択還元触媒の温度を直接的に検出又は間接的に推定する触媒温度取得手段と、を備えた内燃機関の排気浄化システムであって、
前記選択還元触媒の温度がその活性温度以上かつその還元剤の最大ストレージ容量が小さくなる温度領域内に設定された劣化判定温度より高いときに、前記還元剤センサの検出値が酸化劣化判定値より大きくなるような量の還元剤又は前駆体を前記還元剤供給手段から供給させた後、前記還元剤センサの検出値が前記酸化劣化判定値以下の場合には、前記選択還元触媒は還元剤又は前駆体をNOxに酸化する酸化劣化状態にあると判定する劣化判定手段を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。 - 前記劣化判定手段により前記選択還元触媒が酸化劣化状態にあると判定された場合には、排気の温度の上昇を抑制する制御を実行す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システム。
- 前記酸化劣化判定値は、第1判定値と当該第1判定値より小さな第2判定値とで構成され、
前記劣化判定手段は、
前記還元剤センサの検出値が前記第2判定値より大きく前記第1判定値以下である場合には、前記選択還元触媒は軽度の酸化劣化状態にあると判定し、
前記還元剤センサの検出値が前記第2判定値以下である場合には、前記選択還元触媒は酸化劣化が過度に進行しておりNOx浄化性能が著しく低下した状態であると判定す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システム。 - 前記選択還元触媒に与えられた熱負荷の積算値を算出する熱負荷積算手段をさらに備え、
前記熱負荷の積算値が大きくなるほど、前記劣化判定温度を低い温度に変更す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システム。 - 前記選択還元触媒に与えられた熱負荷の積算値を算出する熱負荷積算手段をさらに備え、
前記熱負荷の積算値が大きくなるほど、前記第1判定値および前記第2判定値の両方又は何れかを大きな値に変更することを特徴とする請求項3に記載の内燃機関の排気浄化システム。 - 前記排気系のうち前記選択還元触媒より上流側に設けられた排気浄化フィルタと、
前記排気浄化フィルタを再生するために、当該排気浄化フィルタに流入する排気を昇温する排気昇温手段と、をさらに備え、
前記劣化判定手段は、前記排気昇温手段による前記排気浄化フィルタの再生の実行に合わせて、前記選択還元触媒の劣化状態を判定す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システム。 - 前記排気系のうち前記還元剤供給手段の還元剤又は前駆体の供給部より上流側には酸化触媒が設けられ、
前記選択還元触媒には、鉄ゼオライト又は銅ゼオライトが含まれていることを特徴とする請求項1から6の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
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