JP2014163253A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】内燃機関の排気浄化装置に関し、ＮＯｘの浄化率を効果的に向上させる。
【解決手段】排気中のＰＭを捕集するＤＰＦ１６と、排気中に尿素水を噴射する尿素水噴射装置２１と、排気中のＮＯｘを還元浄化するＳＣＲ２２と、ＤＰＦ１６の静電容量を検出する静電容量検出ユニット１７ａ，１７ｂ，４１と、静電容量に基づいてＰＭ堆積量を算出するＰＭ堆積量算出部４２と、ＰＭ堆積量に基づいてＮＯ2の消費量を算出するＮＯ2消費量推定部４３と、推定される消費量に基づいて、ＳＣＲ２２に流入するＮＯとＮＯ2の比率が１：１に近づくように、エンジン１０を制御する制御ユニット４４，４５とを備えた。
【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。
ディーゼルエンジンから排出される排気ガス中の粒子状物質（Particulate Matter、以下、ＰＭ）を捕集するフィルタとして、例えば、ディーゼル・パティキュレイト・フィルタ（Diesel Particulate Filter、以下、ＤＰＦ）が知られている。
また、排気ガス中の窒素化合物（以下、ＮＯｘ）を浄化するＮＯｘ触媒として、尿素水から排気熱により加水分解されて生成されるアンモニア（ＮＨ3）を用いて排気ガス中のＮＯｘを選択的に還元浄化する選択的還元触媒（Selective Catalytic Reduction：以下、ＳＣＲという）も知られている。ＳＣＲにおいては、特に排気温度が低い時には排気ガス中のＮＯｘ（一酸化炭素：ＮＯ，二酸化炭素：ＮＯ2）は、以下の反応式でアンモニア（ＮＨ3）と反応して浄化される。
２ＮＨ3＋ＮＯ＋ＮＯ2→２Ｎ2＋３Ｈ2Ｏ・・・式（１）
そのため、ＳＣＲによるＮＯｘの浄化率を向上するためには、ＮＯとＮＯ2との比率を１：１に維持することが好ましい。
特開２０１３−２２８３号公報 特開２００９−２４３３１６号公報
ところで、排気ガス中のＮＯ2は、ＤＰＦに捕集されたＰＭと反応して消費される傾向がある。そのため、下流側のＳＣＲに流入する排気ガス中のＮＯとＮＯ2との比率を１：１に維持するためには、上流側のＤＰＦに捕集されたＰＭ堆積量を高精度に測定することによりＳＣＲの浄化率を向上することができる。
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、ＳＣＲに流入する排気ガス中のＮＯとＮＯ2との比率を高精度に制御することで、ＮＯｘの浄化率を効果的に向上させることにある。
上述の目的を達成するため、本発明の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て、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタと、前記フィルタよりも下流側の排気通路に設けられて、排気中に尿素水を噴射する尿素水噴射手段と、前記尿素水噴射手段よりも下流側の排気通路に設けられて、尿素水から生成されるアンモニアを用いて排気中の窒素化合物を還元浄化する選択的還元触媒と、前記フィルタの静電容量を検出する静電容量検出手段と、検出される前記静電容量に基づいて、前記フィルタに捕集された粒子状物質の堆積量を推定する堆積量推定手段と、推定される前記堆積量に基づいて、前記フィルタに堆積した粒子状物質による二酸化窒素の消費量を算出する消費量算出手段と、算出される前記消費量に基づいて、前記選択的還元触媒に流入する排気中の一酸化炭素と二酸化窒素との比率が１：１に近づくように、前記内燃機関の燃焼状態を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。
また、前記静電容量検出手段は、前記フィルタ内の少なくとも一個以上のセルを挟んで対向する一対のセルにそれぞれ挿入される一対の電極を有するものであってもよい。
また、前記フィルタよりも上流側の排気通路から分岐して、当該フィルタを迂回するバイパス通路と、前記バイパス通路に設けられて、当該バイパス通路を流れる排気中の粒子状物質を捕集する第２のフィルタと、をさらに備え、前記一対の電極は、前記第２のフィルタ内の少なくとも一個以上のセルを挟んで対向する一対のセルにそれぞれ挿入されるものであってもよい。
また、前記第２のフィルタの強制再生を実行する際は、前記一対の電極をヒータとして機能させてもよい。
本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、ＳＣＲに流入する排気ガス中のＮＯとＮＯ2との比率を高精度に制御することで、ＮＯｘの浄化率を効果的に向上させることができる。
本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置を示す模式的な全体構成図である。 本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置において、ＰＭ堆積量からＮＯ2消費量を算出するマップの一例を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置を示す模式的な全体構成図である。
以下、図１，２に基づいて、本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
図１に示すように、ディーゼルエンジン（以下、単にエンジン）１０には、吸気マニホールド１０ａと排気マニホールド１０ｂとが設けられている。吸気マニホールド１０ａには新気を導入する吸気通路１１が接続され、排気マニホールド１０ｂには排気ガスを大気に放出する排気通路１２が接続されている。さらに、排気通路１２には、排気上流側から順に、前段後処理装置１４、後段後処理装置２０が設けられている。
前段後処理装置１４は、ケース１４ａ内に上流側から順に酸化触媒（Diesel Oxidation Catalyst：以下、ＤＯＣという）１５と、ＤＰＦ１６とを配置して構成されている。また、ＤＯＣ１５の上流側には排気管内噴射装置１３、ＤＰＦ１６の上流側にはＤＰＦ入口温度センサ１８、ＤＰＦ１６の下流側にはＤＰＦ出口温度センサ１９がそれぞれ設けられている。
排気管内噴射装置１３は、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ）４０から出力される指示信号に応じて、排気通路１２内に未燃燃料（ＨＣ）を噴射する。なお、エンジン１０の多段噴射によるポスト噴射を用いる場合は、この排気管内噴射装置１３を省略してもよい。
ＤＯＣ１５は、例えば、コーディエライトハニカム構造体等のセラミック製担体表面に触媒成分を担持して形成されている。ＤＯＣ１５は、排気管内噴射装置１３又はポスト噴射によって未燃燃料（ＨＣ）が供給されると、これを酸化して排気ガスの温度を上昇させる。また、ＤＯＣ１５は、排気ガス中のＮＯを酸化してＮＯ2を生成することで、排気ガス中のＮＯに対するＮＯ2の比率を増加させる。
ＤＰＦ１６は、例えば、多孔質性の隔壁で区画された多数のセルを排気ガスの流れ方向に沿って配置し、これらセルの上流側と下流側とを交互に目封止して形成されている。ＤＰＦ１６は、排気ガス中のＰＭを隔壁の細孔や表面に捕集すると共に、ＰＭの堆積量が所定量に達すると、これを燃焼除去するいわゆる強制再生が実行される。強制再生は、排気管内噴射装置１３又はポスト噴射によりＤＯＣ１５に未燃燃料（ＨＣ）を供給し、ＤＰＦ１６をＰＭ燃焼温度（例えば、約６００℃）まで昇温することで行われる。
また、本実施形態のＤＰＦ１６には、少なくとも一個以上のセルを挟んで対向する一対のセルにそれぞれ挿入されてコンデンサを形成する一対の電極１７ａ，１７ｂが設けられている。これら一対の電極１７ａ，１７ｂは、ＥＣＵ４０と電気的に接続されている。
ＤＰＦ入口温度センサ１８は、ＤＰＦ１６に流入する排気ガスの温度（以下、入口温度ＴIN）を検出する。ＤＰＦ出口温度センサ１９は、ＤＰＦ１６から流出する排気ガスの温度（以下、出口温度ＴOUT）を検出する。これら入口温度ＴIN及び出口温度ＴOUTは、電気的に接続されたＥＣＵ４０に出力される。
後段後処理装置２０は、上流側から順に尿素水噴射装置２１と、ケース２０ａ内に配置されたＳＣＲ２２とを備え構成されている。
尿素水噴射装置２１は、ＥＣＵ４０から出力される指示信号に応じて、前段後処理装置１４と後段後処理装置２０との間の排気通路１２内に、図示しない尿素水タンク内の尿素水を噴射する。噴射された尿素水は排気熱により加水分解されてアンモニア（ＮＨ3）に生成され、下流側のＳＣＲ２２に還元剤として供給される。
ＳＣＲ２２は、例えば、ハニカム構造体等のセラミック製担体表面に銅ゼオライト又は鉄ゼオライトを担持して形成されている。ＳＣＲ２２は、還元剤として供給されるアンモニア（ＮＨ3）を吸着すると共に、吸着したアンモニア（ＮＨ3）で通過する排気ガス中からＮＯｘを還元浄化する。
ＥＣＵ４０は、エンジン１０や排気管内噴射装置１３、尿素水噴射装置２１等の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。また、ＥＣＵ４０は、静電容量演算部４１と、ＰＭ堆積量算出部４２と、ＮＯ2消費量推定部４３と、ＮＯｘ流入比率算出部４４と、ＮＯｘ流入比率調整部４５とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、一体のハードウェアであるＥＣＵ４０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。なお、本実施形態において、静電容量演算部４１及び電極１７ａ，１７ｂは、本発明の静電容量検出手段を構成する。
静電容量演算部４１は、一対の電極１７ａ，１７ｂから入力される信号に基づいて、これら電極１７ａ，１７ｂ間の静電容量Ｃを演算する。静電容量Ｃは、電極１７ａ，１７ｂ間の媒体の誘電率ε、電極１７ａ，１７ｂの面積Ｓ、電極１７ａ，１７ｂ間の距離ｄとする以下の数式１で演算される。
Figure 2014163253
ＰＭ堆積量算出部４２は、ＤＰＦ入口温度センサ１８で検出される入口温度ＴIN及びＤＰＦ出口温度センサ１９で検出される出口温度ＴOUTの平均値ＴAVEと、静電容量演算部４１で演算される静電容量Ｃとに基づいて、ＤＰＦ１６に捕集されたＰＭ堆積量を算出する。ＰＭ堆積量の算出には、予め実験等により求めた近似式やマップ等を用いることができる。
ＮＯ2消費量推定部４３は、ＰＭ堆積量算出部４２で算出されるＰＭ堆積量に基づいて、ＤＰＦ１６に堆積したＰＭによって消費されるＮＯ2消費量を推定する。より詳しくは、ＥＣＵ４０には、予め実験等により求めたＰＭ堆積量とＮＯ2消費量との関係を規定する消費量マップ（図２参照）が記憶されている。ＮＯ2消費量推定部４３は、この消費量マップからＰＭ堆積量に対応する値を読み取ることで、ＮＯ2消費量を推定する。
ＮＯｘ流入比率算出部４４は、ＤＰＦ１６を通過してＳＣＲ２２に流入する排気ガス中のＮＯとＮＯ2との比率を算出する。より詳しい算出方法を以下に説明する。まず、ＮＯｘ流入比率算出部４４は、エンジン１０の運転状態に基づいて、エンジン１０から排出される排気ガス中のＮＯ量とＮＯ2量とを算出する。また、ＤＯＣ１５で酸化によりＮＯから生成されるＮＯ2生成量を算出する。そして、ＮＯｘ流入比率算出部４４は、これら算出したＮＯ量、ＮＯ2量、ＮＯ2生成量から、ＤＰＦ１６に流入するＮＯ2量を算出し、さらにＰＭによるＮＯ2消費量を減算することで、ＳＣＲ２２に流入する排気ガス中のＮＯとＮＯ2との比率を算出するように構成されている。
ＮＯｘ流入比率調整部４５は、ＮＯｘ流入比率算出部４４により算出されたＮＯとＮＯ2との比が１：１に近づくように、エンジン１０の燃焼状態を制御する。これにより、ＳＣＲ２２に流入する排気ガス中のＮＯとＮＯ2との比は常時理想的な１：１に維持されて、ＳＣＲ２２によるＮＯｘの浄化率が向上される。なお、ＮＯとＮＯ2との比を１：１に近づける制御は、例えば、エンジン１０の燃料噴射時期（着火時期）、排気再循環量、空燃比等のパラメータを調整することで行うことができる。
次に、本実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置による作用効果を説明する。
従来、上流側にＤＰＦ、下流側にＳＣＲを配置した排気浄化システムでは、ＤＰＦに堆積したＰＭによってＮＯ2が消費されるため、ＳＣＲに流入するＮＯとＮＯ2との比率を１：１に維持することが困難であった。そのため、ＳＣＲにおいては、ＮＯ，ＮＯ2とアンモニア（ＮＨ3）との反応が低下して、ＮＯｘの浄化率を悪化させる課題がある。また、一般的にＤＰＦのＰＭ堆積量は、差圧センサで検出されるＤＰＦ差圧に基づいて推定されるが、排気ガス流量は運転状態に伴い変化するため、ＤＰＦ差圧ではＰＭ堆積量を正確に把握できない課題もある。
これに対し、本実施形態の内燃機関の排気浄化装置は、排気ガス流量の影響を受けない電極１７ａ，１７ｂ間の静電容量ＣからＰＭ堆積量を算出すると共に、ＰＭによるＮＯ2の消費量を考慮に入れて、ＳＣＲ２２に流入するＮＯとＮＯ2との比率を１：１に維持するように構成されている。
したがって、本実施形態の内燃機関の排気浄化装置によれば、ＤＰＦ１６のＰＭ堆積量を高精度に検出できると共に、ＳＣＲ２２に流入するＮＯとＮＯ2との比率を常時理想的な１：１に維持することが可能となり、ＮＯｘの浄化率を効果的に向上することができる。また、ＳＣＲ２２のＮＯ，ＮＯ2とアンモニア（ＮＨ3）との反応が促進されることで、余剰のアンモニアを効果的に低減することが可能になる。
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
例えば、図３に示すように、排気通路１２にＤＰＦ１６を迂回させるバイパス通路１２ａを接続し、このバイパス通路１２ａに容量の小さい計測用ＤＰＦ１６ａ（第２のフィルタ）を備えて構成してもよい。この場合、一対の電極１７ａ，１７ｂを計測用ＤＰＦ１６ａ内の少なくとも一個以上のセルを挟んで対向する一対のセルにそれぞれ挿入すると共に、バイパス通路１２ａには排気ガスの流量を調整するオリフィス１２ｂ（絞り）を設けることが好ましい。また、計測用ＤＰＦ１６ａの強制再生を実行する場合は、一対の電極１７ａ，１７ｂに電圧を印加してヒータとして機能させてもよい。
また、エンジン１０はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジン等の他の内燃機関にも広く適用することが可能である。
１０ エンジン
１２ 排気通路
１３ 排気管内噴射装置
１４ 前段後処理装置
１６ ＤＰＦ（フィルタ）
１７ａ，１７ｂ 電極（静電容量検出手段）
２０ 後段後処理装置
２１ 尿素水噴射装置（尿素水噴射手段）
２２ ＳＣＲ（選択的還元触媒）
４０ ＥＣＵ
４１ 静電容量演算部（静電容量検出手段）
４２ ＰＭ堆積量算出部（堆積量算出手段）
４３ ＮＯ2消費量推定部（消費量算出手段）
４４ ＮＯｘ流入比率算出部（制御手段）
４５ ＮＯｘ流入比率調整部（制御手段）

Claims (4)

  1. 内燃機関の排気通路に設けられて、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタと、
    前記フィルタよりも下流側の排気通路に設けられて、排気中に尿素水を噴射する尿素水噴射手段と、
    前記尿素水噴射手段よりも下流側の排気通路に設けられて、尿素水から生成されるアンモニアを用いて排気中の窒素化合物を還元浄化する選択的還元触媒と、
    前記フィルタの静電容量を検出する静電容量検出手段と、
    検出される前記静電容量に基づいて、前記フィルタに捕集された粒子状物質の堆積量を算出する堆積量算出手段と、
    算出される前記堆積量に基づいて、前記フィルタに堆積した粒子状物質による二酸化窒素の消費量を推定する消費量推定手段と、
    推定される前記消費量に基づいて、前記選択的還元触媒に流入する排気中の一酸化炭素と二酸化窒素との比率が１：１に近づくように、前記内燃機関の燃焼状態を制御する制御手段と、を備える
    ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 前記静電容量検出手段は、
    前記フィルタ内の少なくとも一個以上のセルを挟んで対向する一対のセルにそれぞれ挿入される一対の電極を有する
    請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 前記フィルタよりも上流側の排気通路から分岐して、当該フィルタを迂回するバイパス通路と、
    前記バイパス通路に設けられて、当該バイパス通路を流れる排気中の粒子状物質を捕集する第２のフィルタと、をさらに備え、
    前記一対の電極は、前記第２のフィルタ内の少なくとも一個以上のセルを挟んで対向する一対のセルにそれぞれ挿入される
    請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 前記第２のフィルタの強制再生を実行する際は、前記一対の電極をヒータとして機能させる
    請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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