JP2021124087A - 排ガス浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＮＴを備える排ガス浄化システムにおいて、過剰なＮＨ3が排出される前にリッチスパイクを終了できる排ガス浄化システムの提供。【解決手段】内燃機関１の排気路９に設けられ、排ガスの空燃比が所定の範囲でＮＯxを吸蔵し、所定の範囲未満で吸蔵ＮＯxをＮＨ3を含むガスに還元して排出するＬＮＴ３１と、ＬＮＴ３１に導入される排ガスに燃料を供給して吸蔵ＮＯxを還元するリッチスパイクを行う燃料噴射装置２３と、燃料噴射装置２３を制御するＥＣＵ２９と、排気路９のＬＮＴ３１より下流で、かつＮＨ3を吸着又は排出する他の装置より上流に設けられ、ＬＮＴ３１から排出されたＮＨ3を検出するＮＨ3センサ４３を備え、ＥＣＵ２９は、ＮＨ3センサ４３が検出したＮＨ3検出値が予め定められた所定の値に達した場合にリッチスパイクを終了する排ガス浄化システム３。【選択図】図１

Description

本開示は、排ガス浄化システムに関する。

内燃機関では燃焼で発生した排ガス中のＮＯ_xを無害化するためにリーンＮＯ_xトラップ（Lean NO_x Trap、ＬＮＴ）と呼ばれるＮＯ_x吸蔵還元触媒を含む装置を排気路に設ける場合がある。ＬＮＴは空燃比が所定範囲内では排ガス中のＮＯ_xを吸蔵し、所定範囲未満では吸蔵したＮＯ_xをＮ_２を含むガスに還元する。そのため、内燃機関の通常運転時にＮＯ_xをＬＮＴに吸蔵させ、排ガスに燃料を供給する等して吸蔵後に空燃比を下げることで、吸蔵したＮＯ_xを還元させる。

ＬＮＴが吸蔵したＮＯ_xを還元する制御はリッチスパイクと呼ばれるが、この際にＮＨ₃も排出されるため、過剰なＮＨ₃が排出される前にリッチスパイクを終了する必要がある。

リッチスパイクを終了する条件としては、排気路の上流と下流に設けたλセンサの検出値の差がＮＨ₃の排出開始後に変動する、ラムダクロッシングと呼ばれる現象を利用する場合がある（特許文献１）。

国際公開２０１１／０４２９５６号

しかしながら特許文献１の方法は、Ｈ₂をλセンサが検出する性質を利用した方法だが、Ｈ₂はＮＨ₃より遅れてＬＮＴから排出を開始するため、検出時に既にＮＨ₃が排出されている。そのため終了条件として遅すぎる場合があった。またＮＨ₃とＨ₂の排出量の経時変化は相関が弱いため、λクロッシングを検出してもＮＨ₃の排出量が分からないという問題もあった。

本開示は上記課題に鑑みてなされたものであり、リーンＮＯ_xトラップを備える排ガス浄化システムにおいて、過剰なＮＨ₃が排出される前にリッチスパイクを終了できる排ガス浄化システムの提供を目的とする。

上記の目的を達成するための本開示の一態様は、内燃機関の排ガスの排気路に設けられ、前記排ガスの空燃比が所定の範囲では前記排ガス中のＮＯ_xを吸蔵し、前記所定の範囲未満では吸蔵ＮＯ_xをＮＨ₃及びＮ₂を含むガスに還元して排出するＮＯ_x吸蔵還元触媒を含むＬＮＴと、前記ＬＮＴに導入される前記排ガスに燃料を供給して前記空燃比を下げ、前記吸蔵ＮＯ_xを還元するリッチスパイクを行う供給部と、前記供給部を制御する制御部を備える排ガス浄化システムであって、前記排気路の前記ＬＮＴより下流で、かつＮＨ₃を吸着又は排出する他の装置より上流に設けられ、前記ＬＮＴから排出された前記排ガス中のＮＨ₃を検出するＮＨ₃センサを備え、前記制御部は、前記ＮＨ₃センサが検出したＮＨ₃検出値が予め定められた所定の値に達した場合に前記リッチスパイクを終了することを特徴とする。

本開示によれば、リーンＮＯ_xトラップを備える排ガス浄化システムにおいて、過剰なＮＨ₃が排出される前にリッチスパイクを終了できる排ガス浄化システムを提供できる。

本開示の第１の実施形態に係る排ガス浄化システムを備える内燃機関の概略構成を示す図である。 ＬＮＴの温度と吸蔵可能なＮＯ_x量の関係を示す図である。 リッチスパイク時にＬＮＴから排出されるＮＨ₃及びＨ₂の検出値の経時変化を示す図である。 本開示の第１の実施形態に係る排ガス浄化システムを用いた排ガス浄化方法の手順を示すフロー図である。 本開示の第２の実施形態に係る排ガス浄化システムを備える内燃機関の概略構成を示す図である。 ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）の温度とＳＣＲが吸着可能なＮＨ₃量の関係を示す図である。 本開示の第２の実施形態に係る排ガス浄化システムを用いた排ガス浄化方法の手順を示すフロー図である。 本開示の第３の実施形態に係る排ガス浄化システムを備える内燃機関の概略構成を示す図である。

以下、図面に基づき本開示の実施形態を詳細に説明する。

まず図１を参照して本開示の第１の実施形態に係る排ガス浄化システム３を備える内燃機関１の概略構成を説明する。図１では内燃機関１としてディーゼルエンジンを例示する。

図１に示すように内燃機関１は気筒１０、ピストン１３、クランク１５、コンロッド１７、燃料噴射装置２３、吸気弁１８、排気弁２１、吸気路７、排気路９、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２９、及び排ガス浄化システム３を備える。

この構成では図１に示すように円筒状の気筒１０内に円柱状のピストン１３が上下動可能に配置され、コンロッド１７を介してピストン１３とクランク１５が連結される。ピストン１３と、気筒１０の上端部であるシリンダヘッドの間の空間は燃焼室２０と呼ばれる。内燃機関１は気筒１０に接続された吸気路７から燃焼室２０に導入された空気を、ピストン１３で燃料の発火点以上に圧縮加熱し、燃料噴射装置２３から燃料を噴射して燃料を自己発火させピストン１３を押し出すことで機械仕事を得る。燃焼後の排ガスは、気筒１０に接続された排気路９に排出され、排気路９の終端に設けられた消音機３７から外部に排出される。気筒１０と吸気路７の接続部には吸気弁１８が設けられ、燃焼室２０に吸気の必要がある場合に開弁する。同様に気筒１０と排気路９の接続部には排気弁２１が設けられ、燃焼室２０内のガスを排気する必要がある場合に開弁する。内燃機関１はターボチャージャ１１も備えており、排気路９に設けたタービンを排気圧で回転させ、その動力を吸気路７に設けたコンプレッサに伝えることで、吸気を過給する。

ＥＣＵ２９は内燃機関１の駆動を制御する制御部であり、ここでは燃料噴射装置２３と電気的に接続されて、燃料の噴射タイミングや噴射量等を制御するコンピュータである。

排ガス浄化システム３は排ガス中のＮＯ_xを浄化する装置である。図１に示すように排ガス浄化システム３は、ＬＮＴ３１、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）３３、燃料噴射装置２３、ＮＨ₃センサ４３、ＮＯ_xセンサ４７、λセンサ４１、ＬＮＴサーミスタ３９、及びＥＣＵ２９を備える。

ＬＮＴ３１は、排ガスの空燃比が所定の範囲では排ガス中のＮＯ_xを吸蔵し、所定の範囲未満では吸蔵ＮＯ_xを、ＮＨ₃及びＮ₂を含むガスに還元して排出するＮＯ_x吸蔵還元触媒を含む装置であり、排気路９において燃料噴射装置２３の下流に設けられる。

空燃比が所定の範囲とは、排ガス中の燃料比率が理論空燃比での燃料比率以下のリーンと呼ばれる範囲である。所定の範囲未満とは、排ガス中の燃料比率が理論空燃比での燃料比率を超えるリッチと呼ばれる範囲である。空燃比は空気質量を燃料質量で割った値である。

ＮＯ_x吸蔵還元触媒は空燃比に応じて排ガス中のＮＯ_xを吸蔵・還元できる材料を適宜選択する。具体的な材料としては、カリウムのようなアルカリ金属の酸化物、あるいはバリウムのようなアルカリ土類金属の酸化物が挙げられる。これらの材料は、ＮＯ_xと反応して硝酸塩となることで、ＮＯ_xを吸蔵し、燃料中の水素と反応することで吸蔵したＮＯ_xをアンモニアに還元して排出して酸化物に戻るためである。例えば酸化バリウム（ＢａＯ）の場合、ＮＯ_xを吸蔵すると硝酸バリウム（Ｂａ（ＮＯ₃）₂）となる。

ＬＮＴ３１は酸素吸蔵材（Oxygen Storage Capacity、ＯＳＣ）も含むのが好ましい。酸素吸蔵材とは、酸化雰囲気下で酸素を吸蔵し、還元雰囲気下で酸素を放出する材料である。ＯＳＣはＮＯ_x吸蔵触媒がＮＯ_xを吸蔵するリーン雰囲気下で酸素を吸蔵し、ＮＯ_xを放出するリッチ雰囲気下で酸素を放出する。そのため、ＬＮＴ３１がＯＳＣを含有することで、ＮＯ_xの還元でアンモニアが生成した際に、放出した酸素がアンモニアをＮ₂とＨ₂Ｏに分解する。そのため、ＮＯ_xの浄化性能を向上させられる。

ＯＳＣとしてはセリウムの酸化物が挙げられる。セリウムは雰囲気によって価数が変わる元素であり、その酸化物が酸化雰囲気下でＣｅ₂Ｏ₄に、還元雰囲気下でＣｅ₂Ｏ₃になるため、雰囲気の変化で酸素の吸蔵・放出作用を備えるためである。あるいはジルコニウムの酸化物やセリウムとジルコニウムの複合酸化物も挙げられる。

ＮＯ_x吸蔵還元触媒とＯＳＣは、適当な担体に担持させればよい。あるいは一方の材料を担体として他方を担持させてもよい。

ＤＰＦ３３は排ガス中の微粒子を物理的に捕集して除去するフィルタであり、図１ではＬＮＴ３１の直下に設けられる。ＤＰＦ３３は微粒子を捕集しつつ、排ガスを通過させるコージェライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ₂Ｏ₃・５ＳｉＯ）、ＳｉＣ、チタン酸アルミニウムのようなセラミックスの多孔質材で形成される。

燃料噴射装置２３は内燃機関１の気筒１０内で燃焼する燃料を供給する装置であるが、排ガス浄化システム３においては、ＬＮＴ３１のリッチスパイク時にＬＮＴ３１に燃料を供給する供給部でもある。

リッチスパイクとはＬＮＴ３１に導入される排ガスに燃料を供給して空燃比を下げることで、ＬＮＴ３１が吸蔵したＮＯ_xをＮＨ₃やＮ₂に還元させてＬＮＴ３１から排出させる制御を意味する。

リッチスパイクを行うことで、ＬＮＴ３１が吸蔵したＮＯ_xを還元して浄化できる。また、排出したＮＨ₃量に対応した量のＮＯ_xをＬＮＴ３１が吸蔵可能となるため、ＬＮＴ３１のＮＯ_x吸蔵可能量を回復させられる。

燃料噴射装置２３はＬＮＴ３１に導入される排ガスの空燃比を下げることができれば、構造は適宜選択できる。内燃機関１の気筒１０内で燃焼する燃料を供給する装置の場合、公知のコモンレール式噴射ポンプを用いて、気筒１０内での燃焼後の燃料噴射であるポスト噴射等で排ガス中に燃料を供給すればよい。また、気筒１０に燃料を供給する噴射ポンプとは別に、排気路９のＬＮＴ３１の上流に設けた排気管内噴射装置を設けて供給部としてもよい。

ＮＨ₃センサ４３はＬＮＴ３１から排出された排ガス中のＮＨ₃を検出するセンサである。

ＮＨ₃センサ４３は、リッチスパイクの終了条件の判定に用いられる。ＮＨ₃センサ４３がＮＨ₃を検出した時刻と検出値の経時変化は、ＬＮＴ３１がＮＨ₃の排出を開始した時刻及び経時変化に対応する。そのため、ＮＨ₃センサ４３のＮＨ₃検出値からリッチスパイク終了判定に必要なＬＮＴ３１のＮＨ₃の排出量とその経時変化を求めることができる。

ＮＨ₃センサ４３は排気路９のＬＮＴ３１より下流で、かつＮＨ₃を吸着又は排出する他の装置より上流に設けられる。図１ではＤＰＦ３３の下流に設けられる。ＮＨ₃を吸着又は排出する他の装置としては、ＳＣＲ、あるいはＳＣＲにＮＨ₃の原料である尿素を供給する装置、アンモニアスリップ触媒を含む装置、もしくはＬＮＴが多段の場合、下段のＬＮＴ等が挙げられる。これらの装置よりも下流にＮＨ₃センサ４３を設けると、これらの装置が吸着又は排出したＮＨ₃でＮＨ₃センサ４３の検出値が変化するため、ＬＮＴ３１から排出された排ガス中のＮＨ₃を正確に検出できないためである。ここでいうＳＣＲとは、ＮＯ_xをＮＨ₃が選択的に還元する反応を促進する選択還元触媒を含む装置を意味する。

ＮＨ₃センサ４３はＬＮＴ３１が排出したＮＨ₃を検出できる構造であれば、公知のセンサを適宜選択できる。検出方式も接触燃焼式、電気化学式のいずれでもよい。また、ＮＨ₃の検出値としては、排出値を定量して検出値としてもよいし、排ガス中のＮＨ₃濃度を検出値としてもよい。

ＮＯ_xセンサ４７は、ＬＮＴ３１から排出されたＮＯ_xを求める際に用いられるセンサである。ＮＯ_xセンサ４７を設けることで、ＬＮＴ３１が排ガス中のＮＯ_xを浄化しきれずに下流に排出した場合に、これを検知できる。

ＮＯ_xセンサ４７は、ＬＮＴ３１の下流で、かつＮＯ_xを吸蔵、分解する他の装置よりも上流に設けられる。ここでいうＮＯ_xを吸蔵、分解する他の装置とは、ＳＣＲ、ＳＣＲにＮＨ₃を供給する装置、あるいはＬＮＴが多段の場合、下段のＬＮＴが挙げられる。理由はＮＨ₃センサ４３の設置位置と同様に、これらの装置が吸蔵、分解したＮＯ_xの影響をＮＯ_xセンサ４７が受けないようにするためである。

ＮＯ_xセンサ４７は、ＮＯ_xを検出できる構造であれば、公知のセンサを適宜選択できる。具体的には固体電解質を用いた構造が例示できる。また、ＮＯ_x量を求める方法としては、排出量を定量してもよいし、排ガス中の濃度から求めてもよい。

なお公知のＮＯ_xセンサはＮＨ₃にも感度を持つ。そのため、内燃機関１の排ガスのように、ＮＯ_xとＮＨ₃の両方を含むガス中のＮＯ_xをＮＯ_xセンサ４７で検出する場合、ＮＨ₃によってＮＯ_xセンサ４７のＮＯ_x検出値が実際の値から誤差を生じる場合がある。

一方で排ガス浄化システム３はＮＯ_xセンサ４７の検出対象であるＬＮＴ３１の下流の排ガスが、ＮＨ₃センサ４３の検出対象でもある。そのため、ＮＨ₃センサ４３のＮＨ₃検出値を基にＮＯ_xセンサ４７の検出値の誤差を補正して実際の値を得ることができる。

具体的には図１に示すように、ＮＯ_xセンサ４７のＮＯ_x検出値が実際の値から誤差を生じる際のＮＨ₃センサ４３のＮＨ₃検出値と誤差の関係を示す誤差関係情報２９ａをＥＣＵ２９が備えているのが好ましい。この構成ではＮＨ₃センサ４３が検出したＮＨ₃検出値を基に誤差関係情報２９ａを参照してＥＣＵ２９がＮＯ_xセンサ４７の検出値の誤差を補正して実際の値を得る。ＮＨ₃センサ４３の検出値を基にＮＯ_xセンサ４７の検出値を補正することで、ＮＯ_xセンサ４７がＮＨ₃に反応して誤差を生じる場合でも正しいＮＯ_x検出値が得られる。

このように、排ガス浄化システム３のＮＨ₃センサ４３は、ＮＨ₃の検出だけでなく、ＮＯ_xセンサ４７の検出値の補正にも用いられる。

よって、ＮＯ_xセンサ４７によるＮＯ_xの検出精度をより高くでき、リッチスパイク開始のタイミングの判定等に寄与する。

λセンサ４１はＬＮＴ３１に導入される排ガス中の空燃比を実測するセンサであり、排気路９において、燃料噴射装置２３よりも下流で、かつＬＮＴ３１よりも上流に設けられる。

リッチスパイクの際は空燃比が内燃機関１の通常運転時よりも低くなるように燃料噴射量等の内燃機関１の燃焼条件を調整するが、λセンサ４１で排ガスの組成を実測することで、実際に意図した通りの空燃比が得られているのかを確認できる。

λセンサ４１は空燃比を検出できる構成のものであれば、公知のＯ₂センサを用いればよい。

ＬＮＴサーミスタ３９はＬＮＴ３１に導入される排ガスの温度を測定する温度センサであり、燃料噴射装置２３よりも下流で、かつＬＮＴ３１よりも上流に設けられる。リッチスパイクの際には、空燃比をリッチにするだけでなく、ＬＮＴ３１の温度が、吸蔵ＮＯ_xをＮＨ₃に還元する反応が進行する温度以上である必要がある。そのため、ＬＮＴ３１に導入される排ガスの温度をＬＮＴサーミスタ３９で実測することで、ＬＮＴ３１の温度が還元反応の進行に必要な温度条件を満たすか否かを正確に検出できる。よって還元反応が進まない温度で空燃比をリッチにしてしまう無駄な処理が生じるのを防止できる。

ＬＮＴサーミスタ３９は、排ガスの組成、温度で容易に劣化せずに排ガスの温度検出が可能な構造であれば、公知のものを利用できる。

ＬＮＴサーミスタ３９はＬＮＴ３１のＮＯ_x吸蔵可能量、つまりＬＮＴ３１が吸蔵可能なＮＯ_x量を算出する場合にも用いられる。ＬＮＴ３１が吸蔵可能なＮＯ_x量には上限があるが、この上限は温度に依存する。その依存性はＬＮＴ３１を構成する材料や触媒の量にもよるが、おおむね図２に示すように、吸蔵可能な下限温度Ｔｍｉｎから所定の温度Ｔ１までは吸蔵可能なＮＯ_x量が温度と共に増加する。吸蔵可能なＮＯ_x量はＴ１で最大値Ａ１となり、以降は温度の上昇と共に低下し、吸蔵可能な上限温度Ｔｍａｘ以上ではＮＯ_xを吸蔵しなくなる。よってＬＮＴサーミスタ３９でＬＮＴ３１の温度を測定することで、ＬＮＴ３１が吸蔵可能なＮＯ_x量を把握することができる。これにより、ＬＮＴ３１が吸蔵しているＮＯ_x量と吸蔵可能なＮＯ_x量の上限から、現在の温度でＬＮＴ３１が吸蔵できるＮＯ_x量の余裕がどの程度かを把握でき、余裕がなくなる前にリッチスパイクを開始できる。

ＥＣＵ２９は排ガス浄化システム３を構成する装置やセンサを制御する制御部であり、ＮＨ₃センサ４３、ＮＯ_xセンサ４７、λセンサ４１、及びＬＮＴサーミスタ３９に電気的に接続され、これらの検出値を示す信号が入力される。

ＥＣＵ２９は燃料噴射装置２３にも接続され、燃料噴射装置２３の動作状況を示す信号が入力され、かつ燃料噴射装置２３の動作の指令となる信号を出力する。

排ガス浄化システム３のＥＣＵ２９は、特にＮＨ₃センサ４３の検出値に基づきリッチスパイクの終了判定を行う。

より具体的には、ＮＨ₃センサ４３が検出したＮＨ₃検出値が予め定められた所定の値に達した場合にリッチスパイクを終了し、燃料噴射装置２３を調整して空燃比をリッチスパイク開始前に戻す。

このように、ＮＨ₃の実測値に基づきリッチスパイク終了判定を行うことで、λクロッシングのように、Ｈ₂の排出時点をもとにリッチスパイク終了判定を行う場合と比べて、過剰なＮＨ₃が排出される前にリッチスパイクを終了できる。この点についてより具体的に説明する。

ある空燃比でリッチスパイクを行う場合、ＬＮＴ３１から排出されるＮＨ₃量（又は排ガス中のＮＨ₃濃度）と時間の関係、ここではＮＨ₃センサ４３のＮＨ₃検出値と時間の関係は図３の曲線Ｌ１に示す関係となる。まず開始時刻ｔ１から所定の期間経過後の時刻ｔ２まではＮＨ₃は排出されない。この時点では吸蔵したＮＯ_xがＮＨ₃に還元されても、ＯＳＣが放出した酸素でＮ₂とＨ₂Ｏに分解されるためである。

ＯＳＣが酸素を放出し尽くした時刻ｔ２以降はＮＨ₃を分解する酸素が枯渇するため、ＮＨ₃がＬＮＴ３１から排出され始め、排出量及び濃度は時刻ｔ３まで時間と共に上昇する。時刻ｔ３を過ぎるとＮＨ₃排出量及び濃度は減少に転じ、時刻ｔ４で０になる。

一方で、λクロッシングでＮＨ₃の排出を検出する場合はＬＮＴ３１から排出されたＨ₂をＬＮＴ３１の下流に設けたλセンサで検出して、その検出開始時刻をＮＨ₃の排出開始時刻とする。この原理について説明する。リッチスパイクは以下の式（１）で示す水性ガスシフト反応と呼ばれる反応が矢印で示す順方向に進む条件で行われる。
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋ＣＯ₂ ・・・（１）
排ガスはＣＯとＨ₂Ｏを含むため、リッチスパイクを開始した時刻ｔ１からＨ₂は生成されるが、ＬＮＴ３１中のＯＳＣから放出された酸素がＨ₂と反応してＨ₂Ｏを生成する。そのためＨ₂が酸素と反応しなくなるのは、ＯＳＣが酸素を放出し尽くす時刻ｔ２以後である。そのため、λクロッシングではＨ₂を検出した時刻をＯＳＣが酸素を放出し尽くした時刻、つまりＮＨ₃の排出開始時刻とみなす。

しかしながらリッチスパイク時に生成したＨ₂は、ＮＯ_xを吸蔵した硝酸塩を還元してＮＨ₃を生成する反応も生じさせる。硝酸塩が硝酸バリウムの場合、この反応は以下の式（２）で表せる。
８Ｈ₂＋Ｂａ（ＮＯ₃）₂→２ＮＨ₃＋ＢａＯ＋５Ｈ₂О ・・・（２）
そのため実際には、リッチスパイクで生成したＨ₂は時刻ｔ２では硝酸塩の還元で消費されているため、ＯＳＣが酸素を放出し尽くしていたとしてもＬＮＴ３１の外部には未だ排出されていない。Ｈ₂がＬＮＴ３１の外部に排出されるのは、硝酸塩が還元され尽した時刻ｔ２´以降であり、Ｈ₂の排出量及び濃度の経時変化は図３の曲線Ｌ２に示す概形となる。Ｌ２においてｔ２´はｔ２よりも後であるため、ｔ２´をリッチスパイク終了時刻とすると、過剰なＮＨ₃が排出された時点をリッチスパイク終了とする恐れがある。

よって、図３の曲線Ｌ２で示すようにＨ₂の排出を実測するよりも、曲線Ｌ１で示すようにＮＨ₃を実測する方がＮＨ₃の排出開始時刻ｔ２を正確に求められる。

よって排ガス浄化システム３のようにＬＮＴ３１から排出されたＮＨ₃の実測値をもとにリッチスパイクの終了判定を行う方が、λクロッシングよりも正確であり、過剰なＮＨ₃が排出される前にリッチスパイクを終了できる。

また、リッチスパイク開始から、ある時刻までのＮＨ₃の排出量は曲線Ｌ１を関数とした場合の積分値である。例えば時刻ｔ１〜ｔ４までのＮＨ₃の排出量は図３の面積Ｓ１である。

一方で曲線Ｌ２はリッチスパイク開始からある時刻までのＮＨ₃の排出量を反映していないので、Ｌ２から排出量を直接求められない。

このようにＬＮＴ３１から排出されたＮＨ₃の実測値をもとにリッチスパイクの終了判定を行うほうが、λクロッシングよりもＨ₂の排出量も正確に求められるため、過剰なＮＨ₃が排出される前にリッチスパイクを終了できる点で益々有利である。

さらに、ＮＨ₃センサ４３はλセンサよりも安価であるため、ＮＨ₃センサ４３を用いることで、λクロッシングの検出用のλセンサが不要になり、排ガス浄化システムのコスト低減にも寄与する。

第１の実施形態において「予め定められた所定の値に達した場合」とは、「予め定められた所定の値まで上昇した場合」を意味する。この点について具体的に説明する。

第１の実施形態では図３に示すＮＨ₃の検出値が予め定められた所定の値まで上昇した場合、つまり時刻ｔ２〜ｔ３までの間でＥＣＵ２９がリッチスパイクを終了する。最も好ましくは時刻ｔ２でリッチスパイクを終了する。時刻ｔ２はＮＨ₃センサ４３でＮＨ₃が検出された時点であり、実際はＮＨ₃センサ４３の検出値が検出限界の下限以上まで上昇した場合である。よってこの場合は「予め定められた所定の値」はＮＨ₃センサ４３の検出限界の下限である。

なお、時刻ｔ２のように、ＮＨ₃が検出された時点でリッチスパイクを終了した場合、ＬＮＴ３１から排出されずに硝酸塩として残留するＮＯ_xが存在するため、ＬＮＴ３１のＮＯ_x吸蔵能力が完全には回復しない。

ただし、ＬＮＴ３１は、時刻ｔ２の時点でＯＳＣが全て還元されており、硝酸塩も大半は酸化物に戻っている。

そのため、ＮＨ₃が検出された時点でリッチスパイクを終了したとしてもＬＮＴ３１のＮＯ_x吸蔵能力の回復が不十分となる恐れはない。

リッチスパイク終了条件をこの時点とすることで、リッチスパイク時にはＮＨ₃がほとんど排出されない。そのためＬＮＴ３１の下流にＮＨ₃を分解する装置を設ける必要がないか、必要があっても、その装置のＮＨ₃分解量が少なくても良くなり、装置の小型化・低コスト化にも寄与する。

ＥＣＵ２９はＮＨ₃センサ４３、ＮＯ_xセンサ４７、λセンサ４１、ＬＮＴサーミスタ３９、燃料噴射装置２３と通信可能で、リッチスパイク終了判定ができる構造であれば、公知のコンピュータを用いればよい。また図１のＥＣＵ２９は、内燃機関１の駆動制御と、排ガス浄化システム３のリッチスパイクの両方の制御を行う構成であるが、リッチスパイクの制御のみを行う構成とし、内燃機関１の駆動制御を別のコンピュータに実施させてもよい。

以上が第１の実施形態に係る排ガス浄化システム３を備える内燃機関１の概略構成の説明である。

次に、第１の実施形態に係る排ガス浄化システム３を用いたリッチスパイクの手順について図４を参照して説明する。

まず前提として、リッチスパイク開始条件を満たすとする。リッチスパイク開始条件とは、例えばＬＮＴ３１のＮＯ_x吸蔵量が所定の値を超える可能性があること、リッチスパイクでＬＮＴ３１がＮＨ₃を排出可能な状態にあること、及び内燃機関１の運転条件が許可範囲にあることである。ＮＯ_x吸蔵量が所定の値を超える可能性がある場合とは、前回のリッチスパイクから所定の時間が経過した場合が挙げられ、これらはＥＣＵ２９が図示しないカウンタ等から取得できる。リッチスパイクでＬＮＴ３１がＮＨ₃を排出可能な状態にある場合とは、ＬＮＴ３１の温度が、リッチスパイク反応が進行する下限温度以上である場合であり、ＥＣＵ２９がＬＮＴサーミスタ３９から温度を取得することで求められる。内燃機関１の運転条件が許可範囲にある状態とは、リッチスパイクで空燃比を通常運転時より下げても内燃機関１の運転に悪影響を与えない状態であり、内燃機関１の回転数や負荷等をＥＣＵ２９が取得して求める。

リッチスパイク開始条件を満たす場合、ＥＣＵ２９はリッチスパイクを開始する（図４のＳ１）。具体的には空燃比が通常運転時よりも小さくなるようにポスト噴射等で燃料噴射装置２３から燃料を排ガスに添加する。

次にＥＣＵ２９は、ＮＨ₃センサ４３を用いてＬＮＴ３１が排出したＮＨ₃量を検出する（図４のＳ２）
さらにＥＣＵ２９は、Ｓ３のＮＨ₃検出値が所定の値である閾値まで上昇したか否かを判断し、上昇した場合はＳ４に進み、上昇していない場合はＳ２に戻る（図４のＳ３）。具体的には図３に示すＮＨ₃検出値が時刻ｔ２に示すように、ＮＨ₃センサ４３の検出限界以上に上昇した否か、つまりＮＨ₃センサ４３がＮＨ₃を検出したか否かを判断する。

Ｓ３でＮＨ₃検出値が所定の値まで上昇したと判断した場合、ＥＣＵ２９はリッチスパイクを終了する（図４のＳ４）。具体的には燃料噴射装置２３の燃料供給量をリッチスパイク前に戻す。

以上が第１の実施形態に係る排ガス浄化システム３を用いたリッチスパイクの手順の説明である。

このように第１の実施形態ではＬＮＴ３１の下流に設けたＮＨ₃の実測値が予め定められた所定の値に達した場合にリッチスパイクを終了する。

そのため、ＬＮＴ３１から過剰なＮＨ₃が排出される前にリッチスパイクを終了できる。

次に第２の実施形態について図５〜図７を参照して説明する。

第２の実施形態は第１の実施形態において、ＬＮＴ３１の下流にＳＣＲ３５を設け、ＬＮＴ３１からＳＣＲ３５がＮＨ₃の供給を受ける構成としたものである。

なお第２の実施形態において、第１の実施形態と同様の機能を果たす要素については同一の番号を付し、主に第１の実施形態と異なる部分について説明する。

まず第２の実施形態に係る排ガス浄化システム３ａの概略構成を説明する。

図５に示すように第２の実施形態に係る排ガス浄化システム３ａは、排気路９においてＬＮＴ３１の下流にＳＣＲ３５が設けられている。ＳＣＲ３５の下流は消音機３７に接続される。

ＳＣＲ３５はＮＯ_xをＮＨ₃が選択的に還元する反応を促進する選択還元触媒である。

ＳＣＲ３１はＮＨ₃を吸着させる必要があるため、ＮＨ₃の供給源が必要である。図５のＳＣＲ３１は、ＮＨ₃の供給源がＬＮＴ３１のみであり、尿素ＳＣＲのように、ＬＮＴ以外にＮＨ₃を供給する手段を持たない。このような構造を受動型ＳＣＲ（passive SCR、ｐＳＣＲ）とも呼ぶ。

ＳＣＲ３１としてはＮＨ₃がＮＯ_xを選択的に還元する反応を促進する材料で、かつＮＨ₃が吸着できる材料・構造のものを適宜選択すればよい。具体的な選択還元触媒としてゼオライトのような多孔質の結晶性アルミノ珪酸もしくはゼオライトにＣｕやＦｅ等の遷移金属イオンをイオン交換した材料、酸化バナジウムや酸化セリウムといった遷移金属酸化物の選択還元触媒が挙げられる。これらの触媒を担持する担体としてはコージェライト、ＳｉＣ、チタン酸アルミニウムのようなＮＨ₃やＮＯ_xに不活性なセラミックスが挙げられる。

ＳＣＲ３５の下流にはＮＯ_xセンサ４９が設けられる。

ＬＮＴ３１の下流にＳＣＲ３５を設ける場合、ＬＮＴ３１から排出されたＮＯ_xはＳＣＲ３５に吸着されたＮＨ₃で分解されて浄化される。分解されたＮＯ_x量はＮＯ_xセンサ４７、４９の検出値の差分である。そのため、ＮＯ_xセンサ４７、４９の差分を求めることで、ＳＣＲ３５内でＮＯ_xの分解に用いられたＮＨ₃の量を求めることができ、ＳＣＲ３５が貯蔵しているＮＨ₃の量を正確に求められる。

ＳＣＲ３５の上流で、ＬＮＴ３１の下流にはＳＣＲサーミスタ４５が設けられる。図５ではＳＣＲサーミスタ４５はＤＰＦ３３の下流に設けられる。ＳＣＲサーミスタ４５はＳＣＲ３５に導入される排ガス中の温度を測定する温度センサである。

排ガス浄化システム３は、リッチスパイクでＬＮＴ３１からＮＨ₃を排出することでＳＣＲ３５にＮＨ₃を供給するが、ＳＣＲ３５が吸着可能なＮＨ₃量はＳＣＲ３５の温度によって変動する。

この変動について図６を参照して説明する。図６はＳＣＲ３５の温度とＳＣＲ３５が吸着可能なＮＨ₃量の関係を示す図である。ＳＣＲ３５が吸着可能なＮＨ₃量は、吸着可能な下限温度Ｔｍｉｎから吸着可能な上限温度Ｔｍａｘまで温度と共に低下する。そのため、リッチスパイクの際にはＳＣＲ３５内のＮＨ₃量が、吸着可能なＮＨ₃量を超えない条件で実施する必要がある。ただし、下限温度Ｔｍｉｎ近傍で吸着目標ＮＨ₃量をＳＣＲ３５が吸着可能な最大値にすると、内燃機関１の駆動による温度上昇で直ぐにＳＣＲ３５内のＮＨ₃量が、吸着可能な最大値を超える恐れがある。そのため実用上は図６の破線で示すように、下限温度Ｔｍｉｎから所定温度だけ高い温度ＴαでＳＣＲ３５が吸着可能な最大値Ａｍａｘを、ＳＣＲ３５が吸着可能なＮＨ₃量の最大値とする。

このように、ＳＣＲ３５に導入される排ガスの温度をＳＣＲサーミスタ４５で実測することで、ＳＣＲが吸着可能なＮＨ₃量を正確に算出でき、リッチスパイク時に過剰なＮＨ₃がＳＣＲ３５に供給されるのを防止できる。

ＳＣＲサーミスタ４５は、排ガスの組成、温度で容易に劣化せずに排ガスの温度検出が可能な構造であれば、公知のものを利用できる。

排ガス浄化システム３ａのＥＣＵ２９は、第１の実施形態と同様に、ＬＮＴ３１の下流に設けたＮＨ₃センサ４３の実測値が予め定められた所定の値に達した場合にリッチスパイクを終了する。

ただし、第１の実施形態とは異なり、ＮＨ₃センサ４３が検出したＮＨ₃検出値が上昇した後で、予め定められた値まで低下した場合にリッチスパイクを終了する。図３で示すと、時刻ｔ３〜ｔ４でリッチスパイクを終了する。より具体的には、ＮＨ₃検出値が上昇した後で、予め定められた検出値Ｃ１に達した時刻ｔＥでリッチスパイクを終了する。

これは、排ガス浄化システム３ａのＬＮＴ３１は、ＳＣＲ３５にＮＨ₃を供給する必要があるため、第１の実施形態のようにＮＨ₃検出値が上昇中にリッチスパイクを終了すると、ＳＣＲ３５に十分な量のＮＨ₃を供給できないためである。

なお、一回のリッチスパイクで最も多くのＮＨ₃を供給するということのみを考慮すると、ＮＨ₃の検出値が０になった時刻ｔ４でリッチスパイクを終了することも考えられる。しかしながら、時刻ｔ４をリッチスパイク終了とすると、検出信号のノイズや伝送速度の問題、あるいは燃料噴射装置２３の応答速度の問題で、実際にリッチスパイクを終了するのが時刻ｔ４以降になり、時刻ｔ４以降の燃料の噴射量が無駄になる可能性がある。また、無駄に排出された燃料が大気中に排出される可能性もある。

そこで、図３に示すように、ＮＨ₃検出値が上昇から減少に転じ、かつ予め定められた値Ｃ１まで低下した場合にリッチスパイクを中止するのが好ましい。

このように、ＥＣＵ２９は、ＬＮＴ３１中のＮＯ_xが還元され尽くす直前にリッチスパイクを中止する。そのためＬＮＴ中のＮＯ_xが排出され尽くした後でもリッチスパイクを続ける恐れが無く、燃料の無駄な消費を抑制できる。

以上が第２の実施形態に係る排ガス浄化システム３ａの概略構成の説明である。

次に第２の実施形態に係る排ガス浄化システム３ａを用いたリッチスパイクの手順について図７を参照して説明する。

まず前提として、リッチスパイク開始条件を満たすとする。リッチスパイク開始条件は第１の実施形態と同じでよい。

リッチスパイク開始条件を満たす場合、ＥＣＵ２９はリッチスパイクを開始する（図７のＳ１１）。具体的な動作は第１の実施形態と同様である。

次にＥＣＵ２９は、ＮＨ₃センサ４３を用いてＬＮＴ３１が排出したＮＨ₃量を検出する（図７のＳ１２）。

さらにＥＣＵ２９は、ＮＨ₃検出値が減少を開始したか否かを判断し、減少を開始した場合はＳ１４に進み、終了しない場合はＳ１２に戻る（図７のＳ１３）。Ｓ１３は図３の時刻ｔ３を経過したか否かを判断するステップである。

Ｓ１３でＮＨ₃検出値が減少を開始したと判断した場合、ＥＣＵ２９は、ＮＨ₃検出値が予め定められた値である閾値、例えば図３で示すＣ１まで低下したか否かを判断し、低下した場合はＳ１５に進み、低下していない場合はＳ１２に戻る（図７のＳ１４）。

Ｓ１５でＮＨ₃検出値が予め定められた値まで低下したと判断した場合、ＥＣＵ２９はリッチスパイクを終了する（図７のＳ１５）。具体的には燃料噴射装置２３の燃料供給量をリッチスパイク前に戻す。

以上が第２の実施形態に係る排ガス浄化システム３を用いたリッチスパイクの手順の説明である。

このように第２の実施形態ではＬＮＴ３１の下流に設けたＮＨ₃センサ４３の実測値が予め定められた所定の値に達した場合にリッチスパイクを終了するため、第１の実施形態と同様の効果を奏する。

また、第２の実施形態ではＬＮＴ３１の下流に受動型のＳＣＲ３５が設けられており、ＮＨ₃センサ４３が検出したＮＨ₃検出値が上昇した後で、予め定められた値まで低下した場合にリッチスパイクを終了する。

そのため、受動型のＳＣＲ３５にＬＮＴ３１がＮＨ₃を供給する構造であっても、ＬＮＴ３１から過剰なＮＨ₃が排出される前にリッチスパイクを終了できる。

次に第３の実施形態について、図８を参照して説明する。

第３の実施形態は、第２の実施形態において、ＳＣＲ３５にＮＨ₃を供給する尿素供給部５１をＬＮＴ３１とは別に設けたものである。

なお第３の実施形態において第２の実施形態と同様の機能を果たす要素については同一の番号を付し、主に第２の実施形態と異なる部分について説明する。

図８に示すように第３の実施形態に係る排ガス浄化システム３ｂは、ＬＮＴ３１の下流で、ＳＣＲ３５の上流にＮＨ₃の原料である尿素を供給する尿素供給部５１を備える。尿素は所定の温度以上で加水分解してＮＨ₃を生成するため、ＮＨ₃の原料として用いられる。このような構造は尿素ＳＣＲとも呼ばれる。

この構造では、ＬＮＴ３１はＮＨ₃を供給しなくてもよい。よって図３の時刻ｔ２及び図４のＳ３で示すように、ＥＣＵ２９はリッチスパイク中にＮＨ₃センサ４３がＮＨ₃を検出した時点でリッチスパイクを終了すればよい。

ただし、ＬＮＴ３１はＮＨ₃を供給して尿素供給部５１の補助としてもよい。この場合は図３の時刻ｔＥ及び図７のＳ１３、１４に示すように、ＥＣＵ２９はリッチスパイク中にＮＨ₃センサ４３が検出したＮＨ₃検出値が上昇した後で、予め定められた値まで低下した場合にリッチスパイクを終了すればよい。

このように排ガス浄化システム３ｂは尿素ＳＣＲを備える場合にも適用できる。

このように第３の実施形態ではＬＮＴ３１の下流に設けたＮＨ₃センサ４３の実測値が予め定められた所定の値に達した場合にリッチスパイクを終了するため、第１及び第２の実施形態と同様の効果を奏する。

以上、実施形態に基づき本開示を説明したが本開示は実施形態に限定されない。当業者であれば本開示の技術思想の範囲内において各種変形例及び改良例に想到するのは当然のことであり、これらも当然に本開示に含まれる。

１ ：内燃機関
３、３ａ、３ｂ ：排ガス浄化システム
７ ：吸気路
９ ：排気路
１０ ：気筒
１１ ：ターボチャージャ
１３ ：ピストン
１５ ：クランク
１７ ：コンロッド
１８ ：吸気弁
２０ ：燃焼室
２１ ：排気弁
２３ ：燃料噴射装置
２９ ：ＥＣＵ
２９ａ ：誤差関係情報
３１ ：ＬＮＴ
３３ ：ＤＰＦ
３５ ：ＳＣＲ
３７ ：消音機
３９ ：ＬＮＴサーミスタ
４１ ：λセンサ
４３ ：ＮＨ₃センサ
４５ ：ＳＣＲサーミスタ
４７、４９：ＮＯ_xセンサ
５１ ：尿素供給部

Claims (4)

1. 内燃機関の排ガスの排気路に設けられ、前記排ガスの空燃比が所定の範囲では前記排ガス中のＮＯ_xを吸蔵し、前記所定の範囲未満では吸蔵ＮＯ_xをＮＨ₃及びＮ₂を含むガスに還元して排出するＮＯ_x吸蔵還元触媒を含むＬＮＴと、前記ＬＮＴに導入される前記排ガスに燃料を供給して前記空燃比を下げ、前記吸蔵ＮＯ_xを還元するリッチスパイクを行う供給部と、前記供給部を制御する制御部を備える排ガス浄化システムであって、
   前記排気路の前記ＬＮＴより下流で、かつＮＨ₃を吸着又は排出する他の装置より上流に設けられ、前記ＬＮＴから排出された前記排ガス中のＮＨ₃を検出するＮＨ₃センサを備え、
   前記制御部は、
   前記ＮＨ₃センサが検出したＮＨ₃検出値が予め定められた所定の値に達した場合に前記リッチスパイクを終了することを特徴とする排ガス浄化システム。
2. 前記制御部は、前記ＮＨ₃センサが検出したＮＨ₃の検出値が予め定められた所定の値まで上昇した場合に前記リッチスパイクを終了する請求項１に記載の排ガス浄化システム。
3. 前記制御部は、前記ＮＨ₃センサが検出したＮＨ₃の検出値が上昇した後で、予め定められた値まで低下した場合に前記リッチスパイクを終了する請求項１に記載の排ガス浄化システム。
4. 前記排気路において、前記ＬＮＴの下流でかつＮＯ_xを吸着又は排出する他の装置より上流に設けられ、前記ＬＮＴから排出されるＮＯ_xを検出するＮＯ_xセンサを備え、
   前記制御部は、前記排ガス中のＮＨ₃に前記ＮＯ_xセンサが反応することで生じる前記ＮＯ_xセンサのＮＯ_x検出値と実際の値との誤差の関係を示す誤差関係情報を基に前記ＮＯ_xセンサの検出値を補正して実際の値を得る請求項１〜３のいずれか一項に記載の排ガス浄化システム。

Images