JP2013151861A - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関からのＮＯｘ排出量が急激に増加しても、このＮＯｘがシステム外へ排出するのを防止できる内燃機関の排気浄化システムを提供すること。
【解決手段】排気浄化システム２は、排気管３内にプラズマを生成するプラズマリアクタ８と、プラズマリアクタ８への供給電力量を制御するＥＣＵ５と、ＨＣを還元剤として排気中のＮＯｘを還元するＨＣ−ＳＣＲ触媒３４と、ＮＨ_３を吸着するとともに、ＮＨ_３を還元剤として排気中のＮＯｘを還元するＮＨ_３−ＳＣＲ触媒３５と、触媒３４と触媒３５との間の排気中のＮＨ_３濃度を検出するＮＨ_３センサ３７と、を備える。ＥＣＵ５は、ＮＨ_３センサの出力値に基づいて推定されたＮＨ_３吸着量がＮＨ_３目標吸着量より小さい場合には、プラズマリアクタ８に電力を供給するとともに、その供給電力量をＮＨ_３センサの出力値に応じて増減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化システムに関する。より詳しくは、排気を浄化するためにプラズマ発生装置を利用した内燃機関の排気浄化システムに関する。

内燃機関の排気を浄化する排気浄化システムには、プラズマ発生装置を利用した技術が数多く提案されている。プラズマ発生装置で排気通路内にプラズマを発生させると、排気に含まれるＨＣやＮＯｘなどの成分が変化することから、プラズマ発生装置は、様々な排気浄化触媒と組み合わせることにより、排気の浄化を促進するために用いられることが多い。

例えば特許文献１には、Ａｇ／Ａｌ_２Ｏ_３触媒を備える第１浄化器９と、Ａｇ／ゼオライト触媒を備える第２浄化器１０とを排気通路に備えた排気浄化システムにおいて、第１浄化器９の上流側にプラズマ発生装置６を設けた技術が提案されている。
次に、例えば特許文献２には、ＨＣ、ＣＯ、Ｈ_２などの還元性成分によって排気中のＮＯｘを還元する触媒装置３２とプラズマ発生装置１２とを組み合わせた技術が開示されている。この技術では、触媒装置３２で必要とされる還元性成分が供給されるように、運転状態に応じてプラズマ発生装置１２への供給電力量が制御される。
また、例えば特許文献３には、放電リアクタに流入する排気のＨＣ／ＮＯｘ比を調整することにより、放電リアクタにおけるＮＯからＮＯ_２への転化を調整し、放電リアクタの下流側に設けられた浄化触媒のＮＯｘ浄化を促進する技術が開示されている。

特開２００４−３０５８４１号公報 特開２００２−１２９９４９号公報 特許第４３７００９０号公報

しかしながら、従来の技術では制御遅れが大きく、急激な運転状態の変化により内燃機関から多量のＮＯｘが排出された場合には、十分に対応しきれずにＮＯｘが排出されてしまう場合がある。ここで制御遅れとは、上記特許文献２の技術を例にとれば、触媒装置３２に流入する排気の還元成分を調整すべくプラズマ発生装置１２への供給電力量の制御を開始してから、これが実際に触媒装置３２におけるＮＯｘの還元性能に反映されるまでの遅れをいう。

本発明は、プラズマ生成装置を備えた排気浄化システムであって、内燃機関からのＮＯｘ排出量が急激に増加しても、このＮＯｘがシステム外へ排出するのを防止できる内燃機関の排気浄化システムを提供することを目的とする。

（１）上記目的を達成するため本発明は、内燃機関（例えば、後述のエンジン１）の排気通路（例えば、後述の排気管３）に設けられ、電力が供給されると前記排気通路内にプラズマを生成するプラズマ生成装置（例えば、後述のプラズマリアクタ８）と、前記プラズマ生成装置への供給電力量を制御する制御装置（例えば、後述のＥＣＵ５）と、を備えた内燃機関の排気浄化システム（例えば、後述の排気浄化システム２）を提供する。前記排気浄化システム２は、前記プラズマ生成装置より下流側に設けられ、ＨＣを還元剤として排気中のＮＯｘを還元するＨＣ選択還元触媒（例えば、後述のＨＣ−ＳＣＲ触媒３４）と、前記ＨＣ選択還元触媒より下流側に設けられ、ＮＨ_３を吸着するとともに、当該ＮＨ_３を還元剤として排気中のＮＯｘを還元するＮＨ_３選択還元触媒（例えば、後述のＮＨ_３−ＳＣＲ触媒３５）と、前記ＨＣ選択還元触媒と前記ＮＨ_３選択還元触媒との間の排気中のＮＨ_３濃度を検出するＮＨ_３センサ（例えば、後述のＮＨ_３センサ３７）と、を備え、前記制御装置は、前記ＮＨ_３センサの出力値に基づいて推定された前記ＮＨ_３選択還元触媒のＮＨ_３吸着量（例えば、後述のＮＨ_３吸着量）が所定の目標吸着量（例えば、後述のＮＨ_３目標吸着量）より小さい場合には、前記プラズマ生成装置に電力を供給するとともに、その供給電力量を前記ＮＨ_３センサの出力値に応じて増減する（例えば、後述の図１２のＳ６−Ｓ１４参照）ことを特徴とする。

（１）の発明では、排気通路にプラズマ生成装置、ＨＣ選択還元触媒、ＮＨ_３センサ、およびＮＨ_３選択還元触媒を、上流側からこの順で設ける。プラズマ生成装置でプラズマを生成すると、排気中のＨＣからより高活性のアセトアルデヒド（ＣＨ_３ＣＨＯ）が生成され、より下流側のＨＣ選択還元触媒ではアセトアルデヒドからＮＨ_３が生成される。さらに下流側のＮＨ_３選択還元触媒では、生成されたＮＨ_３が還元剤としてＮＯｘの還元に消費されるか、あるいはＮＯｘの還元に消費されることなく吸着される。
また、制御装置によりプラズマ生成装置への供給電力量を制御することで、アセトアルデヒドの生成量、ひいてはＮＨ_３の生成量を調整することができる。特にここで、ＮＨ_３センサの出力値に基づいてＮＨ_３選択還元触媒のＮＨ_３吸着量を推定し、これが目標吸着量より小さい場合には、ＮＨ_３センサの出力値に応じて供給電力量を増減することにより、ＮＨ_３選択還元触媒におけるＮＨ_３吸着量を、ＮＨ_３スリップが生じない程度に高く維持することができる。
ＮＨ_３選択還元触媒に吸着されたＮＨ_３は、流入するＮＯｘの還元に適宜消費されることから、本発明のようにＮＨ_３吸着量をＮＨ_３スリップが生じない程度に高く維持することにより、内燃機関の運転状態の急激な変化により多量のＮＯｘが排出された場合であっても、このＮＯｘがシステム外へ排出されないように、吸着されたＮＨ_３を利用してＮＨ_３選択還元触媒で還元することができる。
また、以上のように排気中のＨＣから最終的にＮＨ_３を生成し、これをＮＨ_３選択還元触媒におけるＮＯｘの還元に利用することにより、システム全体のＮＯｘ浄化率を向上できるとともに、ＨＣの排出を防止できる。
また、（１）の発明によれば、プラズマ生成装置への供給電力量を制御することで還元剤としてのＮＨ_３の生成量を調整できるので、還元剤の量を調整するためのみによって、燃料噴射量や点火時期などの内燃機関の運転条件を最適な条件から変更する必要がない。

（２）この場合、前記制御装置は、前記ＮＨ_３吸着量が前記目標吸着量以上である場合には、前記プラズマ生成装置への電力の供給を停止する（例えば、後述の図１２のＳ５参照）ことが好ましい。

（２）の発明では、ＮＨ_３吸着量が目標吸着量以上である場合に、プラズマ生成装置への電力の供給を停止することにより、ＮＨ_３吸着量が限界吸着量を超えてしまい、ＮＨ_３スリップが生じるのを抑制することができる。

（３）この場合、前記制御装置は、前記ＮＨ_３吸着量が前記目標吸着量より小さくかつ前記ＮＨ_３センサの出力値が所定の上限値以上である場合には、前記プラズマ生成装置への供給電力量を低減するか又は前記内燃機関からのＨＣ排出量を低減する（例えば、後述の図１２のＳ１２−Ｓ１４参照）ことが好ましい。

（３）の発明では、ＮＨ_３センサの出力値が所定の上限値以上である場合に、プラズマ生成装置への供給電力量を低減するか又はＨＣ排出量を低減することにより、ＮＨ_３選択還元触媒に流入するＮＨ_３を低減し、ひいてはＮＨ_３吸着量が過剰に上昇し、ＮＨ_３スリップが生じるのを防止できる。

（４）この場合、前記制御装置は、前記ＮＨ_３吸着量が前記目標吸着量より小さくかつ前記ＮＨ_３センサの出力値が所定の下限値より小さい場合には、前記プラズマ生成装置への供給電力量を増加するか又は前記内燃機関からのＨＣ排出量を増加する（例えば、後述の図１２のＳ９−Ｓ１１参照）ことが好ましい。

（４）の発明では、ＮＨ_３センサの出力値が所定の下限値より小さい場合に、プラズマ生成装置への供給電力量を増加するか又はＨＣ排出量を増加することにより、ＮＨ_３選択還元触媒に流入するＮＨ_３を増加し、ひいてはＮＨ_３吸着量が過剰に低下し、ＮＯｘ浄化率が低下するのを防止できる。

本発明の一実施形態に係るエンジンとその排気浄化システムの構成を示す模式図である。 上記実施形態に係るプラズマリアクタの概略構成を示す斜視図である。 上記プラズマリアクタの断面図である。 上記プラズマリアクタへの供給電力量とそのＮＯｘ浄化率との関係を示す図である。 上記プラズマリアクタへの供給電力量とアセトアルデヒドの生成量との関係を示す図である。 アルミナによるアセトアルデヒドの吸着モデルを示す図である。 ＡｇによるＮＯ_２の再酸化を示す図である。 上記プラズマリアクタＯＮ時に生成されるアセトアルデヒドを含んだモデルガスの空間速度を変化させたときにおける、ＨＣ−ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率とその温度との関係を示す図である。 上記プラズマリアクタＯＮ時に生成されるアセトアルデヒドを含んだモデルガスの空間速度を変化させたときにおける、ＨＣ−ＳＣＲ触媒下流のＮＨ_３濃度と、ＨＣ−ＳＣＲ触媒の温度との関係を示す図である。 上記プラズマリアクタＯＮ時に生成されるアセトアルデヒドのＨＣ−ＳＣＲ触媒への流入量を変化させたときにおける、ＨＣ−ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率とその温度との関係を示す図である。 上記プラズマリアクタＯＮ時に生成されるアセトアルデヒドのＨＣ−ＳＣＲ触媒への流入量を変化させたときにおける、ＨＣ−ＳＣＲ触媒下流側のＮＨ_３濃度と、ＨＣ−ＳＣＲ触媒の温度との関係を示す図である。 上記実施形態に係る排気浄化システムのプラズマリアクタの制御手順を示すフローチャートである。 ＮＨ_３目標吸着量を決定するマップの一例を示す図である。 新規流入分ΔＮＨ_３を決定するマップの一例を示す図である。 ＮＨ_３センサに対する目標範囲の上限値および下限値を決定するマップの一例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
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と、その排気を浄化する排気浄化システム２の構成を示す模式図である。

エンジン１の排気浄化システム２は、エンジン１の排気管３に設けられたプラズマリアクタ８と、プラズマリアクタ８の下流側に設けられたＨＣ−選択還元触媒３４と、ＨＣ選択還元触媒３４の下流側に設けられたＮＨ_３選択還元触媒３５と、エンジン１およびプラズマリアクタ８を制御する電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）と、を含んで構成される。

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、図示しない車両に駆動源として搭載されている。エンジン１の燃料噴射弁（図示せず）はＥＣＵ５に接続されており、燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期などはＥＣＵ５によって制御される。

以下、排気管３に設けられたプラズマリアクタ８、ＨＣ選択還元触媒（以下、「ＨＣ−ＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）触媒」という）３４、およびＮＨ_３選択還元触媒（以下、「ＮＨ_３−ＳＣＲ触媒」という）の詳細な構成について順に説明する。

図２は、プラズマリアクタ８の概略構成を示す斜視図である。図３は、プラズマリアクタ８の断面図である。
プラズマリアクタ８は、排気管３内に収容された複数の円筒状のプラズマ放電ユニット８１と、これら複数の放電ユニット８１によりプラズマを発生させるための高圧電源８２と、高圧電源８２の電力を放電ユニット８１に供給する第１給電プラグ８３ａおよび第２給電プラグ８３ｂと、給電プラグ８３ａ，８３ｂと複数の放電ユニット８１とを電気的に接続する第１接続部材８４ａおよび第２接続部材８４ｂと、を含んで構成される。このプラズマリアクタ８は、図２においては紙面手前側から奥へ向けて、図３においては左から右へ向けて排気が流通するように、排気管３内に組み込まれる。

各放電ユニット８１は、排気の流通方向に沿って設けられた円筒状の外周電極８１ａと、電極８１１の中心に同軸に設けられた線状又は棒状の内部電極８１ｂとの電極対によって構成される。

排気管３のうち、放電ユニット８１よりも上流側には図示しない第１プラグホールが形成された第１プラグ取付部３１ａが設けられ、放電ユニット８１よりも下流側には図示しない第２プラグホールが形成された第２プラグ取付部３１ｂが設けられている。給電プラグ８３ａ，８３ｂは、これらプラグ取付部３１ａ，３１ｂのプラグホール内に螺合することにより、各々の先端部が排気管３内の放電ユニット８１の上流側および下流側に臨むように、鉛直方向に沿って排気管３に装着される。

図３に示すように、第１接続部材８４ａは、放電ユニット８１の上流側に設けられ、各放電ユニット８１の内部電極８１ｂの上流側の端部と第１給電プラグ８３ａとを電気的に接続する。第２接続部材８４ｂは、放電ユニット８１の下流側に設けられ、各放電ユニット８１の内部電極８１ｂの下流側の端部と第２給電プラグ８３ｂとを電気的に接続する。

高圧電源８２は、磁気スイッチを備えた高圧パルス電源である。高圧電源８２はＥＣＵ５に接続されており（図１参照）、放電ユニット８１への供給電力量やパルス幅などはＥＣＵ５によって制御される。

第１給電プラグ８３ａおよび第２給電プラグ８３ｂは、ともに高圧電源８２に並列に、すなわち高圧電源８２の同電位極に接続され、各放電ユニット８１の外周電極８１ａは接地される。すなわち、本実施形態のプラズマリアクタ８は、放電ユニット８１の内部電極８１ｂの両端を、接続部材８４ａ，８４ｂを介して２本の給電プラグ８３ａ，８３ｂで保持し、両側から高圧電源８２の電力を供給する所謂両持ち式のものである。この両持ち式のプラズマリアクタ８によれば、放電ユニット８１の上流側から下流側までプラズマの強度を均質にでき、かつプラズマの発生の時間差を小さくすることができる。また、２本の給電プラグ８３ａ，８３ｂで各内部電極８１ｂを保持することにより、内部電極８１ｂの位置を外周電極８１ａの中心に維持することができる。

図１に戻って、以上のように構成されたプラズマリアクタ８によれば、高圧電源８２から電力を供給し、排気管３内にプラズマを生成することにより、排気中のＨＣをより高活性の還元剤であるアセトアルデヒド（ＣＨ_３ＣＨＯ）に変換するとともに、排気中のＮＯをＮＯ_２に酸化し、下流側に設けられたＨＣ−ＳＣＲ触媒３４やＮＨ_３−ＳＣＲ触媒３５におけるＮＯｘの還元を促進することができる。また、プラズマリアクタ８への供給電力量をさらに大きくすると、プラズマリアクタ８単体で排気中のＨＣやＮＯｘをＣＯ_２やＮ_２に直接分解することができる。したがって、例えば、下流側の触媒３４，３５が活性に達していないエンジン始動直後には、触媒３４，３５によらずプラズマリアクタ８単体でＨＣやＮＯｘを浄化することができる。

次に、プラズマリアクタによるＮＯｘ浄化性能およびアセトアルデヒド生成能力について、本実施形態に係るプラズマリアクタ８と従来のプラズマリアクタとを比較して説明する。ここで、従来のプラズマリアクタとは、プラグ放電ユニットの内部電極を一方側のみを給電プラグで保持し、この一方側のみから電力を供給する所謂片持ち式のものを用い、高圧電源としてＳＩサイリスタを備えた高圧パルス電源を用いた例をいう。また、高圧電源のパルス幅は、本実施形態のプラズマリアクタは１００［ｎｓｅｃ］とし、従来のプラズマリアクタは２５０〜３００［ｎｓｅｃ］とした。

図４は、プラズマリアクタへの供給電力量［Ｗ］とそのＮＯｘ浄化率［％］との関係を示す図である。なお、図４のＮＯｘ浄化率とは、ＨＣ−ＳＣＲ触媒やＮＨ_３−ＳＣＲ触媒が活性する前の低温環境下におけるプラズマリアクタ単体のＮＯｘ浄化率を示す。また、図４に示す結果は、混合気の空燃比をストイキ近傍にしたストイキ燃焼時における排気のモデルガスを、プラズマリアクタに１０［Ｌ／ｍｉｎ］で供給して得られたものである。
図４に示すように、プラズマリアクタへの供給電力量を大きくすると、これに応じてＮＯｘ浄化率も高くなる。また、本実施形態のようにパルス幅を短くすることにより、従来のプラズマリアクタと比較してより少ない供給電力量で高いＮＯｘ浄化性能が得られる。

図５は、プラズマリアクタへの供給電力量［Ｗ］とアセトアルデヒドの生成量［ｐｐｍＣ］との関係を示す図である。この図５に示す結果は、混合気の空燃比をストイキよりリーン側にしたリーン燃焼時における排気のモデルガスを２０［Ｌ／ｍｉｎ］で供給して得られたものである。なお、このモデルガスのＨＣ濃度は、２２００［ｐｐｍＣ］であった。
図５に示すように、プラズマリアクタへの供給電力量を大きくすると、これに応じてアセトアルデヒドの生成量も増加する。また、本実施形態のように、パルス幅を短くすることにより、より少ない供給電力量で効率的にアセトアルデヒドが生成される。また、従来のプラズマリアクタでは、供給電力量の増加に従いアセトアルデヒドの生成量は緩やかに大きくなるのに対し、本実施形態のプラズマリアクタによれば、供給電力量の小さな領域からアセトアルデヒドの生成量が鋭く立ち上がる。

図１に戻って、ＨＣ−ＳＣＲ触媒３４は、プラズマリアクタ３１より下流側に設けられ、排気中のＨＣやＣＨ_３ＣＨＯを還元剤として排気中のＮＯｘを還元する。以下、詳細に説明するように、上記プラズマリアクタに電力を供給することで生成されたアセトアルデヒドから、後述のＮＨ_３−ＳＣＲ触媒３５における還元剤となるＮＨ_３を効率的に生成するため、ＨＣ−ＳＣＲ触媒３４の触媒材料にはＡｇ／Ａｌ_２Ｏ_３を用いることが好ましい。

先ず、プラズマリアクタで生成されたアセトアルデヒド（ＣＨ_３ＣＨＯ）が流入すると、ＨＣ−ＳＣＲ触媒３４では、これを還元剤として下記式（１）に示す反応により、排気中のＮＯ_２を還元する反応が進行する。
２ＣＨ_３ＣＨＯ＋４ＮＯ_２＋Ｏ_２→４ＣＯ_２＋２Ｎ_２＋４Ｈ_２Ｏ （１）

このＣＨ_３ＣＨＯによるＮＯ_２の還元反応は、例えば、以下のような素反応に分解される。特に式（４）は、ＣＨ_３ＮＯ_２からＮＨ_３を生成する反応となっている。
ＣＨ_３ＣＨＯ＋ＮＯ_２→ＣＨ_３ＣＯＯＨ＋ＮＯ （２）
ＣＨ_３ＣＯＯＨ＋２ＮＯ_２→ＣＨ_３ＮＯ_２＋ＣＯ_２＋ＨＮＯ_２ （３）
ＣＨ_３ＮＯ_２→ＮＨ_３＋ＣＯ_２ （４）
ＨＮＯ_２＋ＮＨ_３→ＮＨ_４ＮＯ_２ （５）
ＮＨ_４ＮＯ_２→Ｎ_２＋２Ｈ_２Ｏ （６）

ここで式（４）に示すように、ＮＨ_３の生成にはＣＨ_３ＮＯ_２が必要となっている。このＣＨ_３ＮＯ_２は、図６に示すように、プラズマリアクタで生成されたアセトアルデヒドを、触媒材料として選定したアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）に吸着させ、ＮＯ_２の求核攻撃を進行させることにより生成することができる（式（２）および（３）参照）。
また、このようにＮＨ_３を生成するために必要な反応式（２）では、ＮＯが生成されるところ、上記アルミナ上に高分散化したＡｇにより、生成されたＮＯをより反応性の高いＮＯ_２に再酸化することができる（図７参照）。すなわち、触媒材料としてＡｇを選定することにより、上記ＣＨ_３ＮＯ_２ひいてはＮＨ_３の生成に必要なＮＯ_２を再酸化して生成することができる。
以上のような理由から、ＮＨ_３を効率的に生成するためにはＨＣ−ＳＣＲ触媒３４の触媒材料として、Ａｇ／Ａｌ_２Ｏ_３を用いることが好ましい。

次に、ＨＣ−ＳＣＲ触媒３４の作成手順について説明する。
先ず、Ａｇ／Ａｌ_２Ｏ_３４質量％となるように、ベーマイト（Ｓａｓｏｌ社製）と硝酸銀（和光純薬社製）水溶液をイオン交換水に加え、減圧乾燥後２００℃にて一晩に亘り乾燥する。その後、４５０℃で４時間焼成することにより、４質量％の触媒Ａｇ／Ａｌ_２Ｏ_３を合成する。
次に、上記触媒、イオン交換水、アルミナボール、およびバインダ（例えば、日産化学アルミナゾル５２０）をアルミナ質量換算で、上記触媒に対し質量比で１０％となるようにポリ瓶に加え、これを一晩攪拌しスラリーを作成する。
次に、例えば、１ｉｎｃｈ×６ｃｍのＣｄハニカム構造体（４００セル、３．５ミル）を準備し、これに触媒量２００ｇ／Ｌとなるようにスラリーを担持させた後、６００℃で２時間に亘って焼成する。

ＨＣ−ＳＣＲ触媒３４は、以上のような手順で作成されたものが用いられるが、本発明はこれに限るものではない。なお、後述の図８〜図１１に示すデータは、以上のような手順で製造されたＨＣ−ＳＣＲ触媒３４を用いて得られたものである。

図１に戻って、ＮＨ_３−ＳＣＲ触媒３５は、ＨＣ−ＳＣＲ触媒３４の下流側に設けられ、上述のようにしてＨＣ−ＳＣＲ触媒３４において生成されたＮＨ_３を還元剤として、排気中のＮＯｘを還元する。ＮＨ_３−ＳＣＲ触媒３５におけるＮＯｘの還元反応の反応式は、例えば下記式（７）、（８）、（９）で示される。
ＮＯ＋ＮＯ_２＋２ＮＨ_３→２Ｎ_２＋３Ｈ_２Ｏ （７）
４ＮＯ＋４ＮＨ_３＋Ｏ_２→４Ｎ_２＋１６Ｈ_２Ｏ （８）
６ＮＯ_２＋８ＮＨ_３→７Ｎ_２＋１６Ｈ_２Ｏ （９）

ＮＨ_３−ＳＣＲ触媒３５は、鉄ゼオライト又は銅ゼオライトを備えており、これにより流入したＮＨ_３又はＮＯｘの還元に余剰となったＮＨ_３を所定の量だけ吸着する機能を有する。ＮＨ_３−ＳＣＲ触媒３５に流入するＮＯｘ量が多くなったときには、ＮＨ_３−ＳＣＲ触媒３５に吸着されたＮＨ_３が適宜消費される。このため、ＮＨ_３−ＳＣＲ触媒３５のＮＯｘ浄化性能を高く維持するためには、そのＮＨ_３の吸着量をできるだけ高く維持することが好ましいといえる。

しかしながら、ＮＨ_３−ＳＣＲ触媒３５におけるＮＨ_３の吸着量には限界がある。このため、限界吸着量を超えてＮＨ_３が流入すると、ＮＯｘの還元にも供されずまた吸着されなかったＮＨ_３が下流側へ排出されてしまう（ＮＨ_３スリップ）。このため、ＮＨ_３−ＳＣＲ触媒３５を備えたシステムでは、ＮＯｘ浄化性能の向上とＮＨ_３スリップの抑制とを両立するには、ＮＨ_３吸着量をその限界吸着量を超えない程度に大きく維持することが好ましい。

ＥＣＵ５には、排気浄化システム２の状態を検出するためのセンサとして、ＮＨ_３センサ３７と排気温度センサ３８とが接続されている。ＮＨ_３センサ３７は、排気管３のうち、ＨＣ−ＳＣＲ触媒３４とＮＨ_３−ＳＣＲ触媒３５との間の排気中のＮＨ_３濃度を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ５に送信する。排気温度センサ３８は、排気管３のうち、ＮＨ_３−ＳＣＲ触媒３５の下流側の排気温度を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ５に送信する。ＮＨ_３−ＳＣＲ触媒３５の温度は、排気温度センサ３８からの出力値に基づいてＥＣＵ５により算出される。

この他、ＥＣＵ５には、エンジン１の運転状態を検出するためのセンサとして、クランクシャフトの回転角度を検出するクランク角度位置センサ（図示せず）やアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ（図示せず）などが接続されている。エンジン回転速度や要求トルクなどエンジン１の運転状態を示すパラメータは、これらセンサからの出力値に基づいて、ＥＣＵ５により算出される。

プラズマリアクタ８、ＨＣ−ＳＣＲ触媒３４、およびＮＨ_３−ＳＣＲ触媒３５を上流側からこの順で排気管３内に設けられた排気浄化システム２では、主に以下の３つの態様（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）で排気中のＮＯｘを浄化することが可能となっている。

（Ａ）触媒３４，３５の活性前
先ず、触媒３４，３５が活性に達する前の低温環境下にある場合は、図４を参照して説明したように、プラズマリアクタ８に比較的大きな電力を供給することにより、プラズマリアクタ８単体でＮＯｘを還元することができる。

（Ｂ）プラズマリアクタＯＦＦ時
また、プラズマリアクタ８への電力の供給を停止している間は、ＨＣ−ＳＣＲ触媒３４では排気中のＨＣを還元剤としてＮＯｘが還元され、またＮＨ_３−ＳＣＲ触媒３５では吸着されたＮＨ_３を還元剤としてＮＯｘが還元される。

（Ｃ）プラズマリアクタＯＮ時
一方、プラズマリアクタ８に電力を供給している間は、ＨＣ−ＳＣＲ触媒３４にはプラズマリアクタ８により生成されたアセトアルデヒドが流入し、これによりＨＣ−ＳＣＲ触媒３４ではＮＨ_３が生成される。このＮＨ_３はＮＨ_３−ＳＣＲ触媒３５に流入し、ＮＨ_３−ＳＣＲ触媒３５では、流入したＮＨ_３や吸着されたＮＨ_３を還元剤として排気中のＮＯｘが還元される。また、流入したＮＨ_３のうち、ＮＯｘの還元に余剰となったＮＨ_３は、ＮＨ_３−ＳＣＲ触媒３５に吸着される。

次に、上記（Ｃ）のプラズマリアクタＯＮ時における排気浄化システムの浄化性能について、リーン燃焼時の排気のモデルガスを利用して得られた試験結果（図８〜図１１）を参照して具体的に説明する。
図８は、プラズマリアクタＯＮ時に生成されるアセトアルデヒドを含んだモデルガスの空間速度［ｈ^−１］を変化させたときにおける、ＨＣ−ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率［％］とその温度［℃］との関係を示す図である。
図９は、プラズマリアクタＯＮ時に生成されるアセトアルデヒドを含んだモデルガスの空間速度を変化させたときにおける、ＨＣ−ＳＣＲ触媒下流のＮＨ_３濃度［ｐｐｍ］（ＮＨ_３センサの出力値）と、ＨＣ−ＳＣＲ触媒の温度との関係を示す図である。なお、これら図８および図９では、モデルガスのアセトアルデヒド濃度は５００［ｐｐｍＣ］とする。

図１０は、プラズマリアクタＯＮ時に生成されるアセトアルデヒドのＨＣ−ＳＣＲ触媒への流入量を変化させたときにおける、ＨＣ−ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率とその温度との関係を示す図である。
図１１は、プラズマリアクタＯＮ時に生成されるアセトアルデヒドのＨＣ−ＳＣＲ触媒への流入量を変化させたときにおける、ＨＣ−ＳＣＲ触媒下流側のＮＨ_３濃度と、ＨＣ−ＳＣＲ触媒の温度との関係を示す図である。モデルガスの温度およびプラズマリアクタへの供給電力量との関係を示す図である。なお、これら図１０および図１１では、モデルガスのアセトアルデヒド濃度を２５０［ｐｐｍＣ］と５００［ｐｐｍＣ］にした場合を示す。また、これら図１０および図１１では、モデルガスの空間速度を２００００［ｈ^−１］とした例を示す。

図８に示すように、ＮＯｘ浄化率は、ＨＣ−ＳＣＲ触媒の温度を高くするに従い、また空間速度を低くするに従い高くなる。図９に示すように、ＮＨ_３の生成量は、ＨＣ−ＳＣＲ触媒の温度を高くするに従い、また空間速度を低くするに従い大きくなる。なお、図８のＮＯｘ浄化率は上述のようにＮＨ_３−ＳＣＲ触媒の寄与は含まれていないが、ＮＨ_３−ＳＣＲ触媒を加えたシステム全体のＮＯｘ浄化率も図８とほぼ同じ傾向を示すものと考えられる。

また図１０に示すように、例えばプラズマリアクタへの供給電力を大きくすることにより、プラズマリアクタによるアセトアルデヒドの生成量が増加すると（図５参照）、ＨＣ−ＳＣＲ触媒によるＮＯｘ浄化率が向上する。これは、アセトアルデヒドがＨＣ−ＳＣＲ触媒において高活性の還元剤として作用するためであると考えられる。また、図１１に示すように、プラズマリアクタへの供給電力量を大きくし、アセトアルデヒドの生成量を増加すると、ＨＣ−ＳＣＲ触媒によるＮＨ_３生成量も増加する。なお、図１０のＮＯｘ浄化率はＮＨ_３−ＳＣＲ触媒の寄与は含まれていないが、ＨＣ−ＳＣＲ触媒によるＮＨ_３生成量が増加するとＮＨ_３−ＳＣＲ触媒によるＮＯｘ浄化率も向上するため、プラズマリアクタへの供給電力を大きくするとシステム全体のＮＯｘ浄化率も向上すると考えられる。

図１２は、排気浄化システムにおけるプラズマリアクタの制御手順を示すフローチャートである。図１２に示す処理は、ＥＣＵにおいて所定の演算周期で実行される。

Ｓ１では、ＮＨ_３−ＳＣＲ触媒の温度（以下、単に「触媒温度」という）に基づいてＮＨ_３目標吸着量を算出し、次ステップＳ２へ進む。このＮＨ_３目標吸着量とは、本処理におけるＮＨ_３−ＳＣＲ触媒のＮＨ_３吸着量の目標値に相当し、例えば触媒温度に基づいてマップを検索することで算出される。

図１３は、ＮＨ_３目標吸着量を決定するマップの一例を示す図である。また、図１３には、ＮＨ_３−ＳＣＲ触媒におけるＮＨ_３の限界吸着量を破線で示す。この図に示すように、ＮＨ_３の限界吸着量は、触媒温度が高くなるに従い小さくなる。このような特性を示す限界吸着量に対し、ＮＨ_３目標吸着量は、ＮＨ_３−ＳＣＲ触媒におけるＮＨ_３スリップが抑制されるように、限界吸着量よりもやや小さくかつ触媒温度が高くなるに従い小さくなるように設定される。
より具体的には、ＮＨ_３−ＳＣＲ触媒の暖機を判断する際の目安となる暖機判定温度（例えば１５０℃）を設定し、触媒温度が暖機判定温度より低い場合にはＮＨ_３目標吸着量は触媒温度によらずほぼ一定とし、触媒温度が暖機判定温度以上である場合にはＮＨ_３目標吸着量は温度が高くなるに従い小さくなるように設定される。

図１２に戻って、Ｓ２では、触媒温度、エンジンの運転状態、およびＮＨ_３センサの出力値に基づいて、ＮＨ_３−ＳＣＲ触媒におけるＮＨ_３吸着量を算出し、次ステップＳ３に移る。より具体的には、このＮＨ_３吸着量は、下記式（１０）により算出される。下記式（１０）において、ΣＮＨ３（ｋ−１）は前回制御時におけるＮＨ_３吸着量であり、ΣＮＨ３（ｋ）は今回制御時におけるＮＨ_３吸着量を示す。
ΣＮＨ３（ｋ）←ΣＮＨ３（ｋ−１）＋ΔＮＨ３（ｋ）−ΔｄＮＨ３（ｋ） （１０）

上記式（１０）において、ΔＮＨ３は、前回から今回までの間にＮＨ_３−ＳＣＲ触媒に流入したＮＨ_３の量を示し、正の値である。この新規流入分ΔＮＨ３は、ＮＨ_３センサの出力値に基づいて図１４に示すようなマップを検索することで算出される。図１４に示すように、新規流入分ΔＮＨ３は、ＮＨ_３センサの出力値に比例して大きな値に設定される。

また、上記式（１０）において、ΔｄＮＨ３は、前回制御時から今回制御時までの間にＮＨ_３−ＳＣＲ触媒においてＮＯｘの還元に消費されたＮＨ_３の量を示し、正の値である。この消費分ΔｄＮＨ３は、エンジンの運転状態を示すパラメータ（例えば、エンジン回転速度および要求トルクなど）と、ＮＨ_３センサの出力値とに基づいて、予め定められたマップを検索することで算出される。より具体的には、消費分ΔｄＮＨ３は、エンジン回転速度又は要求トルクが大きくなるに従い、大きな値になるように設定される。また、ＮＨ_３センサの出力値に対しては、消費分ΔｄＮＨ３は、ＮＨ_３センサの出力値が小さくなるに従い大きな値になるように設定される。

Ｓ３では、触媒温度に基づいてＮＨ_３センサの出力値に対する上限値と下限値とを算出し、次ステップＳ４に移る。これら上限値および下限値は、本処理におけるＮＨ_３センサの出力値に対する目標範囲の上限と下限を定める値に相当し、例えば触媒温度に基づいて、図１５に示すようなマップを検索することで算出される。

図１２に戻って、Ｓ４では、ＮＨ_３吸着量がＮＨ_３目標吸着量以上か否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合、すなわち目標よりも多い量のＮＨ_３が吸着されていると推定される場合には、Ｓ５に移る。Ｓ５では、前回制御時においてプラズマリアクタへ電力を供給していた場合（ＯＮ時）には、これを停止することにより、ＨＣ−ＳＣＲ触媒におけるＮＨ_３の生成を停止し、ＮＨ_３−ＳＣＲ触媒におけるＮＨ_３吸着量を減少側に転じさせ、ＮＨ_３スリップを抑制する。

Ｓ４の判定がＮＯの場合、すなわちＮＨ_３吸着量がＮＨ_３目標吸着量に満たない場合には、Ｓ６に移る。Ｓ６では、前回制御時においてプラズマリアクタへの電力の供給を停止していた場合（ＯＦＦ時）には、プラズマリアクタへの電力の供給を開始し、Ｓ７に移る。なお、プラズマリアクタへの供給電力量の初期値は、例えば、２００Ｗとする。

Ｓ７では、ＮＨ_３吸着量がＮＨ_３目標吸着量の近傍に維持されるようにプラズマリアクタへの供給電力量やエンジンからのＨＣ排出量を、ＮＨ_３センサの出力値に基づいて微調整すべく、ＮＨ_３センサの出力値が、目標範囲内か、目標範囲の上限値より大きいか、あるいは目標範囲の下限値より小さいかを判定する。

Ｓ７の判定において、ＮＨ_３センサの出力値が目標範囲内にあると判定された場合には、ＮＨ_３吸着量の急激な上昇は無いと判断し、Ｓ８に移り、プラズマリアクタへの供給電力量を、前回制御時から維持する。すなわち、前回制御時においてプラズマリアクタへの供給電力量が例えば２００Ｗであった場合には、これを増減することなく維持したままこの処理を終了する。

Ｓ７の判定において、ＮＨ_３センサの出力値が目標範囲の上限値より大きいと判定された場合には、ＮＨ_３吸着量が上記ＮＨ_３目標吸着量を超えて急激に上昇するおそれがあると判断し、プラズマリアクタへの供給電力量を減少するか又はエンジンからのＨＣ排出量を減少すべくＳ９に移る。
Ｓ９では、プラズマリアクタへの供給電力量が所定の下限値より小さいか否かを判定する。この判定がＹＥＳである場合には、プラズマリアクタへの供給電力量を低下することは適切でないと判断し、Ｓ１０に移り、エンジンからのＨＣ排出量を減少する。一方、Ｓ９の判定がＮＯである場合には、Ｓ１１に移り、プラズマリアクタへの供給電力量を減少する。ここで、供給電力量の減少幅は、例えば−１０Ｗとする。

Ｓ７の判定において、ＮＨ_３センサの出力値が目標範囲の下限値より小さいと判定された場合には、ＮＨ_３吸着量が大きく減少するおそれがあると判断し、プラズマリアクタへの供給電力量を増加するか又はエンジンからのＨＣ排出量を増加すべくＳ１２に移る。
Ｓ１２では、プラズマリアクタへの供給電力量が所定の上限値より大きいか否かを判定する。この判定がＹＥＳである場合には、プラズマリアクタへの供給電力量を増加することは適切でないと判断し、Ｓ１３に移り、エンジンからのＨＣ排出量を増加する。一方、Ｓ１２の判定がＮＯである場合には、Ｓ１４に移り、プラズマリアクタへの供給電力量を増加する。ここで、供給電力量の増加幅は、例えば＋１０Ｗとする。なお、Ｓ１０およびＳ１３におけるＨＣ排出量の増減は、より具体的には、例えばエンジンの点火時期や燃料噴射時期を調整することにより行われる。

以上詳述した排気浄化システム２によれば、以下の効果を奏する。
（１）ＥＣＵによりプラズマリアクタへの供給電力量を制御することで、アセトアルデヒドの生成量、ひいてはＮＨ_３の生成量を調整することができる。特にここで、ＮＨ_３センサの出力値に基づいてＮＨ_３−ＳＣＲ触媒のＮＨ_３吸着量を推定し、これが目標吸着量より小さい場合には、ＮＨ_３センサの出力値に応じて供給電力量を増減することにより、ＮＨ_３−ＳＣＲ触媒におけるＮＨ_３吸着量を、ＮＨ_３スリップが生じない程度に高く維持することができる。
ＮＨ_３−ＳＣＲ触媒に吸着されたＮＨ_３は、流入するＮＯｘの還元に適宜消費されることから、本実施形態のようにＮＨ_３吸着量をＮＨ_３スリップが生じない程度に高く維持することにより、エンジンの運転状態の急激な変化により多量のＮＯｘが排出された場合であっても、このＮＯｘがシステム外へ排出されないように、吸着されたＮＨ_３を利用してＮＨ_３−ＳＣＲ触媒で還元することができる。
また、以上のように排気中のＨＣから最終的にＮＨ_３を生成し、これをＮＨ_３−ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘの還元に利用することにより、システム全体のＮＯｘ浄化率を向上できるとともに、ＨＣの排出を防止できる。
また、プラズマリアクタへの供給電力量を制御することで還元剤としてのＮＨ_３の生成量を調整できるので、還元剤の量を調整するためのみによって、燃料噴射量や点火時期などのエンジンの運転条件を最適な条件から変更する必要がない。

（２）ＮＨ_３吸着量が目標吸着量以上である場合に、プラズマリアクタへの電力の供給を停止することにより、ＮＨ_３吸着量が限界吸着量を超えてしまい、ＮＨ_３スリップが生じるのを抑制することができる。
（３）ＮＨ_３センサの出力値が所定の上限値以上である場合に、プラズマリアクタへの供給電力量を低減するか又はＨＣ排出量を低減することにより、ＮＨ_３−ＳＣＲ触媒に流入するＮＨ_３を低減し、ひいてはＮＨ_３吸着量が過剰に上昇し、ＮＨ_３スリップが生じるのを抑制することができる。
（４）ＮＨ_３センサの出力値が所定の下限値より小さい場合に、プラズマリアクタへの供給電力量を増加するか又はＨＣ排出量を増加することにより、ＮＨ_３−ＳＣＲ触媒に流入するＮＨ_３を増加し、ひいてはＮＨ_３吸着量が過剰に低下し、ＮＯｘ浄化率が低下するのを防止できる。

１…エンジン（内燃機関）
２…排気浄化システム
３…排気管（排気通路）
３４…ＨＣ−ＳＣＲ触媒（ＨＣ選択還元触媒）
３５…ＮＨ_３３−ＳＣＲ触媒（ＮＨ_３選択還元触媒）
３７…ＮＨ_３センサ
５…ＥＣＵ（制御装置）
８…プラズマリアクタ

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、電力が供給されると前記排気通路内にプラズマを生成するプラズマ生成装置と、
   前記プラズマ生成装置への供給電力量を制御する制御装置と、を備えた内燃機関の排気浄化システムであって、
   前記プラズマ生成装置より下流側に設けられ、ＨＣを還元剤として排気中のＮＯｘを還元するＨＣ選択還元触媒と、
   前記ＨＣ選択還元触媒より下流側に設けられ、ＮＨ_３を吸着するとともに、当該ＮＨ_３を還元剤として排気中のＮＯｘを還元するＮＨ_３選択還元触媒と、
   前記ＨＣ選択還元触媒と前記ＮＨ_３選択還元触媒との間の排気中のＮＨ_３濃度を検出するＮＨ_３センサと、を備え、
   前記制御装置は、前記ＮＨ_３センサの出力値に基づいて推定された前記ＮＨ_３選択還元触媒のＮＨ_３吸着量が所定の目標吸着量より小さい場合には、前記プラズマ生成装置に電力を供給するとともに、その供給電力量を前記ＮＨ_３センサの出力値に応じて増減することを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
2. 前記制御装置は、前記ＮＨ_３吸着量が前記目標吸着量以上である場合には、前記プラズマ生成装置への電力の供給を停止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。
3. 前記制御装置は、前記ＮＨ_３吸着量が前記目標吸着量より小さくかつ前記ＮＨ_３センサの出力値が所定の上限値以上である場合には、前記プラズマ生成装置への供給電力量を低減するか又は前記内燃機関からのＨＣ排出量を低減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。
4. 前記制御装置は、前記ＮＨ_３吸着量が前記目標吸着量より小さくかつ前記ＮＨ_３センサの出力値が所定の下限値より小さい場合には、前記プラズマ生成装置への供給電力量を増加するか又は前記内燃機関からのＨＣ排出量を増加することを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。

Images