JP2018096228A - 希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化システム及び希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】尿素噴射は行わず、希薄燃焼内燃機関から排出されるＮＯｘを選択還元型触媒装置で浄化して、ＮＯｘの大気中への流出量を低減できる、希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化システム及び希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化方法を提供する。【解決手段】希薄燃焼内燃機関の気筒を、第１群気筒２０Ａと第２群気筒２０Ｂに分けると共に、第１群気筒に接続する第１排気通路２４Ａと第２群気筒に接続する第２排気通路２４Ｂとを設けて排気通路２５に合流させると共に、第２群気筒をリーン運転しながら、第１群気筒をストイキ運転若しくはリッチ運転して排気ガスＧを第１排気通路に設けた三元触媒装置３１を通過させて、排気通路に設けた選択還元型触媒装置３２にアンモニアを供給して、第２排気通路からのＮＯｘを選択還元型触媒装置で還元浄化する。【選択図】図１

Description

本発明は、希薄燃焼内燃機関から排出されるＮＯｘを低減する希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化システム及び希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化方法に関する。

ディーゼルエンジンや希薄燃焼ガソリンエンジン等の希薄燃焼内燃機関（リーンバーンエンジン）は、ストイキ運転の内燃機関と比較すると、熱効率も高く燃料消費率も優れている。しかしながら、リーン燃焼のため、ＮＯｘ浄化に三元触媒を使用できず、現在の厳しい排ガス規制に適合させるためには、高価な尿素噴射つき選択還元触媒装置（ＳＣＲ）を搭載する必要があるが、この選択還元触媒装置では尿素水を気化させる必要があり、低ＮＯｘ化するためには、ある程度の温度の排気ガスが必要になるため、燃費が悪化するという問題がある。一方、尿素噴射つきＳＣＲを搭載していない場合は、低ＮＯｘ化するために、燃料を極限までリーン化したり、点火タイミングを極限までリタードしたりすることで対応している。その結果、燃費とドラィバビリティが犠牲になってしまうという問題ある。

これに関連して、内燃機関の排気通路を第１気筒の第１排気通路と第２〜第４気筒の第２排気通路とに区分けして形成し、第１排気通路に三元触媒を配置し、第２排気通路にリーン時にＮＯｘを吸収し、リッチ時に吸収したＮＯｘを放出、還元浄化するＮＯｘ吸収剤を配置し、さらに、第１排気通路と第２排気通路が合流した排気通路に脱硝触媒を配置して、このＮＯｘ吸収剤の再生操作（リッチ空燃比制御）時において、この再生操作初期のみにおいて第１気筒をリッチ空燃比で運転してアンモニアを発生させて、一時的にＮＯｘ吸収剤から吐き出されてくるＮＯｘを脱硝触媒により浄化する排気浄化方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−２２１３号公報

ところで、この排気浄化方法では、ＮＯｘ浄化はＮＯｘ吸収剤で行っているが、このＮＯｘ吸収剤に加えて三元触媒と脱硝触媒とが必要であり、しかも、三元触媒と脱硝触媒の役割は、ＮＯｘ吸収剤の再生操作初期のＮＯｘ吐き出し時におけるＮＯｘ吸収剤からのＮＯｘの浄化のみとなっており、三元触媒と脱硝触媒は十分に活用されていないという問題がある。

本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、尿素噴射は行わず、希薄燃焼内燃機関から排出されるＮＯｘを選択還元型触媒装置で浄化して、ＮＯｘの大気中への流出量を低減できる、希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化システム及び希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化方法を提供することである。

上記の目的を達成するための本発明の希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化システムは、希薄燃焼内燃機関の気筒を、第１群気筒と第２群気筒に分けると共に、前記第１群気筒に接続する第１排気通路と前記第２群気筒に接続する第２排気通路とを設けて排気通路に合流させると共に制御装置を備えている希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化システムにおいて、前記第１排気通路に三元触媒装置を、前記排気通路に選択還元型触媒装置をそれぞれ備えて構成すると共に、前記制御装置が、前記第２群気筒をリーン運転しながら、前記第１群気筒をストイキ運転若しくはリッチ運転して排気ガスを前記三元触媒装置を通過させて前記第１排気通路から前記選択還元型触媒装置にアンモニアを供給して、前記第２排気通路からのＮＯｘを、前記選択還元型触媒装置で還元浄化する運転制御を行うように構成される。

また、上記の目的を達成するための本発明の希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化方法は、希薄燃焼内燃機関の気筒を、第１群気筒と第２群気筒に分けると共に、前記第１群気筒に接続する第１排気通路と前記第２群気筒に接続する第２排気通路とを設けて排気通路に合流させると共に制御装置を備えている希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化方法において、前記第２群気筒をリーン運転しながら、前記第１群気筒をストイキ運転若しくはリッチ運転して排気ガスを前記第１排気通路に設けた三元触媒装置を通過させて、前記排気通路に設けた前記選択還元型触媒装置にアンモニアを供給して、前記第２排気通路からのＮＯｘを前記選択還元型触媒装置で還元浄化する方法である。

本発明の希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化システム及び希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化方法によれば、尿素噴射は行わず、特定の気筒のストイキ運転若しくはリッチ運転とこの特定の気筒の排気ガスを三元触媒装置を通過させることによりアンモニアを発生させて、このアンモニアを還元剤にして各気筒から排出されるＮＯｘを選択還元型触媒装置で浄化して、ＮＯｘの大気中への流出量を低減できる。

本発明に係る実施の形態の希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化システムの構成を模式的に示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態の希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化システム及び希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化方法について、図面を参照しながら説明する。ここでは、希薄燃焼内燃機関としては、ディーゼルエンジンや希薄燃焼ガソリンエンジン等のエンジンが対象となるが、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）エンジンを例にして説明する。

この圧縮天然ガスエンジンに本発明を適用する場合には、この圧縮天然ガスエンジンは黒煙をほとんど排出せず、主燃料がアンモニアを発生し易いメタンとなるので、本発明の効果がより大きくなる。

図１に示すように、本発明の実施の形態の希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化システム１は、エンジン本体１１に、吸気Ａが通過する吸気通路１２に上流側からターボ式過給機１３のコンプレッサ１３ａ、インタークーラ１４、主吸気スロットル１５、吸気マニホールド１６が設けられる。

本発明においては、希薄燃焼内燃機関の気筒を、第１群気筒２０Ａと第２群気筒２０Ｂに分ける。それと共に、第１群気筒２０Ａに接続する第１吸気通路１７Ａと第２群気筒２０Ｂに接続する第２吸気通路１７Ｂとを設けて、吸気マニホールド１６の吸気Ａをそれぞれ第１群気筒２０Ａと第２群気筒２０Ｂに供給する通路とする。

また、第１群気筒２０Ａに接続する第１排気通路２４Ａと第２群気筒２０Ｂに接続する第２排気通路２４Ｂとを設けて排気通路２５に合流させる。第１排気通路２４Ａには、三元触媒装置３１が設けられている。また、第２群気筒２０Ｂと第２排気通路２４Ｂとの間には、第２排気分岐通路２１Ｂと、排気マニホールド２２Ｂが設けられ、排気マニホールド２２Ｂの下流側には、ターボ式過給機１３のタービン１３ｂが設けられている。さらに、排気通路２５に選択還元型触媒装置（ＳＣＲ）３２と酸化触媒装置３３が設けられている。そして、第２排気通路２４Ｂから第１群気筒２０ＡにＥＧＲガスを供給するＥＧＲ通路４１を設けている。

三元触媒装置３１は、セラミック等で成形されたモノリス担体などの担持体に、白金、パラジウム、ロジウム等の貴金属触媒の三元触媒を担持して構成され、この三元触媒の理論空燃比（ストイキ）状態で高くなる酸化還元機能により、排気ガスＧ中のＮＯｘ（窒素酸化物）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）などを酸化・還元して浄化するものである。ここでは、第１群気筒２０Ａからのストイキ（若しくはリッチ）燃焼による排気ガスＧ中の成分からアンモニアを生成する役割を有している。

選択還元型触媒装置３２は、アンモニアを還元剤として、排気ガスＧ中のＮＯｘと反応させて窒素と水にする選択還元型触媒を担持して構成される。この選択還元型触媒としては、鉄イオン交換アルミノシリケートや銅イオン交換アルミノシリケートなどのゼオライト触媒などがあり、アンモニアを吸着して、この吸着したアンモニアでＮＯｘを還元浄化する機能を有している。この選択還元型触媒装置３２を使用することで、アンモニアとＮＯｘを反応させることでＮＯｘを無害化する。

酸化触媒装置３３は、セラミック等で成形されたモノリス担体などの担持体に、白金、パラジウム、ロジウム等の貴金属触媒の酸化触媒を担持して構成され、排気ガスＧ中の一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）などを酸化して浄化するものである。ここでは、選択還元型触媒装置３２から流出してくる未反応のアンモニアを酸化して、アンモニアが大気中へ放出されることを防止する役割を有している。

なお、ディーゼルエンジンなどでは、排気ガスＧ中の排気微粒子（ＰＭ）を捕集するフィルタが設けられるが、圧縮天然ガスエンジンの場合には、燃料の天然ガスの燃焼では殆んど煤煙が発生しないので、ここでは省略している。なお、このフィルタを設ける場合では、本発明に関してはこのフィルタの位置は特に限定されない。

また、第１群気筒２０Ａと第２群気筒２０Ｂに流入する吸気Ａの温度Ｔａ１を検出するための第１温度センサ５１が吸気マニホールド１６の上流側に、吸気マニホールド１６に流入する吸気量Ｗａｔを検出するための主ＭＡＰセンサ５２が吸気マニホールド１６の上流側に設けられる。さらに、第１群気筒２０Ａに流入する吸気量Ｗａ１を検出するための副ＭＡＰセンサ５３が第１吸気通路１２Ａに設けられる。また、第１排気通路２４Ａに第１空気過剰率センサ（第１λセンサ）５４が設けられ、第２排気通路２４Ｂに第２空気過剰率センサ（第２λセンサ）５５が設けられる。

その上、第１排気通路２４Ａと第２排気通路２４Ｂの排気通路２５への合流部位をターボ式過給機１３のタービン１３ｂの下流側に設けていると、第１群気筒２０Ａから排出される排気ガスＧはターボ式過給機１３のタービン１３ｂを通過していないため温度が高いので、圧縮天然ガスエンジンにおけるリーン燃焼では浄化が難しいといわれている、触媒によるメタン浄化も比較的容易にできるようになる。

また、制御装置５０が設けられ、各種センサ５１〜５５の検出値を入力して、コモンレール６１の圧力を調整したり、第１群気筒２０Ａと第２群気筒２０Ｂにおける燃料噴射量と燃料噴射時期を制御する制御指令を燃料噴射弁６２に出力したり、点火コイル６３の点火時期を制御したりする。この制御装置５０は、通常は、内燃機関の運転全般を制御するＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）と呼ばれるエンジン制御装置で構成されるが、このエンジン制御装置とは別体で形成して、このエンジン制御との間で連携を取りながら制御する構成にしてもよい。

これらの構成により、希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化システム１は、希薄燃焼内燃機関の気筒を、第１群気筒２０Ａと第２群気筒２０Ｂに分けると共に、第１群気筒２０Ａに接続する第１排気通路２４Ａと第２群気筒２０Ｂに接続する第２排気通路２４Ｂとを設けて排気通路２５に合流させると共に制御装置５０を備えた構成となる。

そして、制御装置５０は、第２群気筒２０Ｂをリーン運転しながら、第１群気筒２０Ａをストイキ運転若しくはリッチ運転して排気ガスＧを三元触媒装置３１を通過させて第１排気通路２４Ａから選択還元型触媒装置３２にアンモニアを供給して、第２排気通路２４ＢからのＮＯｘを、選択還元型触媒装置３２で還元浄化する運転制御を行うように構成される。

つまり、特定の気筒となる第１群気筒２０Ａだけをストイキ運転若しくはリッチ運転をして、三元触媒装置３１でアンモニアを発生させて、この発生したアンモニアを用いて、他の気筒である第２群気筒２０Ｂをリーン運転して、これらの第１群気筒２０Ａと第２群気筒２０Ｂから排出されるＮＯｘを選択還元型触媒装置３２で還元浄化する。この第１群気筒２０Ａと第２群気筒２０Ｂの運転で生じるエンジン出力は、通常運転において、エンジンに要求されるエンジン出力となるように第２群気筒２０Ｂをリーン運転し、また、第１群気筒２０Ａをストイキ運転（若しくはリッチ運転）する。ここでは、第２群気筒２０Ｂでエンジン出力を出し、第１群気筒２０Ａはリッチ状態でも第２群気筒２０Ｂと同じ出力を出しつつ、第２群気筒２０Ｂで発生するＮＯｘの量を還元するためのアンモニアの量が発生するようにストイキ運転（若しくはリッチ運転）の空燃比を調整する。

この構成及び制御では、尿素噴射をしてアンモニアを発生させる代わりに、第１群気筒２０Ａだけをストイキ運転（若しくはリッチ運転）をさせて、ＮＯｘを発生させる。このＮＯｘを三元触媒装置３１で、空燃比ストイキ状態（若しくは空燃比リッチ状態）の還元雰囲気の中でアンモニアを発生させる。

そして、エンジン全体の出力コントロールは主吸気スロットル１５の絞りの程度により行う。この制御は、主ＭＡＰセンサ５２での検出値から吸気Ａの全体量を計算し、エンジンに要求される負荷にあった燃料を第２群気筒２０Ｂの燃料噴射装置（インジェクター）６２で噴射し、点火コイル６３で最適なタイミングで点火を行う。このとき、 エンジン負荷及びエンジン回転数に対応し設定される目標空気過剰率λｔになるように、第２空気過剰率センサ５５の検出値を用いて第２群気筒２０Ｂの燃料噴射装置６２における燃料の噴射量の調整制御を行う。

この第２群気筒２０Ｂにおける燃料噴射制御に対して、一方の第１群気筒２０Ａでは、ストイキ燃焼（若しくはリッチ燃焼）により、三元触媒装置３１におけるアンモニア生成のための制御を行う。そのため、第１群気筒２０Ａのストイキ（若しくはリッチ）の制御は副ＭＡＰセンサ５３の検出値から空気量を計算し、この空気量にあった適正な噴射量の燃料を第１群気筒２０Ａの燃料噴射装置６２より噴射しつつ、点火コイル６３を最適なタイミングで点火する。このとき、空気量が適正な量になるように、第１空気過剰率センサ５４の検出値で排気ガスＧの空燃比をモニターしながら、アンモニアの発生量のコントロールを行う。

この第１群気筒２０Ａの燃料噴射では、第２群気筒２０Ｂのリーン燃焼と同じ空気量では出力が出過ぎになるため、第１群気筒２０Ａと第２群気筒２０Ｂとの間の各気筒の出力が同じになるように、副吸気スロットル１５Ａで空気量を調整して、第１空気過剰率センサ５４で適正なストイキ（若しくはリッチ）燃焼となる空気量を供給するように制御する。

なお、エンジンの高負荷運転ではストイキ燃焼はノッキングが発生し易いため、リーン燃焼の第２群気筒２０Ｂ側の第２排気通路２４ＢからＥＧＲガスを導入して、ＥＧＲ通路４１のＥＧＲクーラー４３とＥＧＲバルブ２２経由で第１群気筒２０Ａに入れる制御をおこなう。つまり、制御装置５０が、エンジンの高負荷運転で、ＥＧＲガスをＥＧＲ通路４１経由で第２排気通路２４Ｂから第１群気筒２０Ａに供給するＥＧＲ制御を行うように構成されている。

次に、本発明に係る実施の形態の希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化方法について説明する。この方法は、希薄燃焼内燃機関の気筒を、第１群気筒２０Ａと第２群気筒２０Ｂに分けると共に、第１群気筒２０Ａに接続する第１排気通路２４Ａと第２群気筒２０Ｂに接続する第２排気通路２４Ｂとを設けて排気通路２５に合流させると共に制御装置５０を備えている希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化方法である。

この方法において、第２群気筒２０Ｂをリーン運転しながら、第１群気筒２０Ａをストイキ運転若しくはリッチ運転して排気ガスＧを第１排気通路２４Ａに設けた三元触媒装置３１を通過させて、排気通路２５に設けた選択還元型触媒装置３２にアンモニアを供給して、第２排気通路２４ＢからのＮＯｘを選択還元型触媒装置３２で還元浄化する方法である。

上記の構成の希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化システム１及び希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化方法によれば、尿素噴射は行わず、特定の気筒である第１群気筒２０Ａのストイキ運転若しくはリッチ運転と、この特定の気筒の排気ガスＧを三元触媒装置３１を通過させることによりアンモニアを発生させて、このアンモニアを還元剤にして各気筒２０Ａ、２０Ｂから排出されるＮＯｘを選択還元型触媒装置３２で浄化して、ＮＯｘの大気中への流出量を低減できる。

特に、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）エンジンでは、主燃料がメタンであり、このメタンは炭素に対する水素の量が原子量で１：４と水素の割合が多く、水素分が多いため、三元触媒を使用するとアンモニアが発生し易い上に、三元触媒装置３１におけるアンモニア発生では、第１群気筒２０Ａの空燃比のリッチの度合で、アンモニア濃度が変えられるという利点がある。

また、三元触媒装置３１から排出されるアンモニアは、尿素から発生させる場合のように気化させる必要がなく、触媒温度も高いままに維持でき、また、尿素噴射装置（インジェクター）等の尿素水供給システムが不要になるので尿素噴射装置のつまり等の不具合も発生しない。また、尿素噴射はエンジン出力には関係なく排ガス性能を保つのみ行われるが、本発明では三元触媒装置３１からのアンモニア発生に使用される第１群気筒２０Ａで発生するトルクは、エンジンの出力の一部として利用できる。

１ 希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化システム
１１ エンジン本体
１２ 吸気通路
１３ ターボ式過給機
１３ａ コンプレッサ
１３ｂ タービン
１５ 主吸気スロットル
１５Ａ 副吸気スロットル
１７Ａ 第１吸気通路
１７Ｂ 第２吸気通路
２０Ａ 第１群気筒
２０Ｂ 第２群気筒
２４Ａ 第１排気通路
２４Ｂ 第２排気通路
２５ 排気通路
３１ 三元触媒装置
３２ 選択還元型触媒装置（ＳＣＲ）
３３ 酸化触媒装置
５０ 制御装置（ＥＣＵ）
５１ 第１温度センサ
５２ 主ＭＡＰセンサ
５３ 副ＭＡＰセンサ
５４ 第１空気過剰率センサ（第１λセンサ）
５５ 第２空気過剰率センサ（第２λセンサ）
６１ コモンレール
６２ 燃料噴射弁
６３ 点火コイル

Claims (6)

1. 希薄燃焼内燃機関の気筒を、第１群気筒と第２群気筒に分けると共に、前記第１群気筒に接続する第１排気通路と前記第２群気筒に接続する第２排気通路とを設けて排気通路に合流させると共に制御装置を備えている希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化システムにおいて、
   前記第１排気通路に三元触媒装置を、前記排気通路に選択還元型触媒装置をそれぞれ備えて構成すると共に、
   前記制御装置が、前記第２群気筒をリーン運転しながら、前記第１群気筒をストイキ運転若しくはリッチ運転して排気ガスを前記三元触媒装置を通過させて前記第１排気通路から前記選択還元型触媒装置にアンモニアを供給して、前記第２排気通路からのＮＯｘを、前記選択還元型触媒装置で還元浄化する運転制御を行うことを特徴とする希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化システム。
2. 当該希薄燃料内燃機関が圧縮天然ガスエンジンであることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気ガス浄化システム。
3. 前記第２排気通路から前記第１群気筒にＥＧＲガスを供給するＥＧＲ通路を設けていることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気ガス浄化システム。
4. 前記制御装置が、当該希薄燃焼内燃機関の高負荷運転で、ＥＧＲガスを前記ＥＧＲ通路経由で前記第２排気通路から前記第１群気筒に供給するＥＧＲ制御を行うように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気ガス浄化システム。
5. 前記第１排気通路と前記第２排気通路の前記排気通路への合流部位をターボ式過給機のタービンの下流側に設けていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の排気ガス浄化システム。
6. 希薄燃焼内燃機関の気筒を、第１群気筒と第２群気筒に分けると共に、前記第１群気筒に接続する第１排気通路と前記第２群気筒に接続する第２排気通路とを設けて排気通路に合流させると共に制御装置を備えている希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化方法において、
   前記第２群気筒をリーン運転しながら、前記第１群気筒をストイキ運転若しくはリッチ運転して排気ガスを前記第１排気通路に設けた三元触媒装置を通過させて、前記排気通路に設けた前記選択還元型触媒装置にアンモニアを供給して、前記第２排気通路からのＮＯｘを前記選択還元型触媒装置で還元浄化することを特徴とする希薄燃焼内燃機関の排気ガス浄化方法。

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