JP4710863B2

JP4710863B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP4710863B2
Application number: JP2007100649A
Authority: JP
Inventors: 俊祐利岡; 富久小田; 和浩伊藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-04-06
Filing date: 2007-04-06
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2027-04-06
Also published as: US20100050610A1; EP2146064B1; JP2008255937A; EP2146064A4; EP2146064A1; CN101646845B; CN101646845A; WO2008126876A1

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

酸素過剰のもとでアンモニアにより排気ガス中のＮＯｘを還元するのに適した触媒を機関排気通路内に配置し、この触媒に尿素水溶液を供給し、触媒に供給された尿素の一部を触媒内に貯蔵すると共に触媒内に貯蔵されている尿素から発生したアンモニアにより排気ガス中のＮＯｘを還元するようにした内燃機関が公知である（特許文献１，２参照）。

米国特許第５，６２８，１８６号明細書国際特許公開第９９／６７５１１号

上述の内燃機関では、触媒に供給された尿素の一部は触媒内にいったん貯蔵され、この貯蔵された尿素からアンモニアといった尿素由来物質が生成される。この尿素由来物質の一部はＮＯｘを還元するのに用いられ、残りはＮＯｘ還元に用いられることなく触媒から排出される。この場合、触媒から排出される尿素由来物質の量は触媒内に貯蔵された尿素の量が多くなるほど多くなる。したがって、触媒内に多量の尿素が貯蔵されると、多量の尿素由来物質が触媒から好ましくなく排出されるおそれがある。

この点、機関から排出されたＮＯｘの量に見合う量だけ尿素水溶液を触媒に供給するようにすれば、触媒内に多量の尿素が貯蔵されるのを阻止することができ、したがって多量の尿素由来物質が触媒から排出されるのを阻止できると考えられる。しかしながら、機関から排出されたＮＯｘ量又はこれに見合う尿素量を正確に求めるのは困難である。あるいは、触媒に貯蔵されている尿素の量を求め、この尿素貯蔵量が許容上限を越えないように触媒に供給される尿素水溶液の量を制御すれば、触媒内に多量の尿素が貯蔵されるのを阻止することができると考えられる。しかしながら、触媒に貯蔵されている尿素の量を正確に求めることは困難である。いずれにしても、触媒から多量の尿素由来物質が排出されるのを確実に阻止することができないという問題点がある。触媒に供給される尿素水溶液の量を減量すれば触媒内に多量の尿素が貯蔵されるのを阻止することができるけれども、この場合にはＮＯｘを良好に還元することができなくなるおそれがある。

前記課題を解決するために本発明によれば、酸素過剰のもとでアンモニアにより排気ガス中のＮＯｘを還元するのに適した触媒を機関排気通路内に配置し、該触媒にアンモニア発生化合物を供給するための供給手段と、該アンモニア発生化合物の供給量を制御するための供給制御手段とを具備し、該触媒は、触媒に供給された該アンモニア発生化合物の少なくとも一部を触媒内に貯蔵すると共に該触媒内に貯蔵されているアンモニア発生化合物からアンモニアを生成して該生成したアンモニアにより排気ガス中のＮＯｘを還元する機能を有し、該触媒の貯蔵容量があらかじめ定められた許容上限容量よりも大きいか否かを判断する判断手段をさらに具備し、前記供給制御手段は、該触媒の貯蔵容量が該許容上限容量よりも大きいと判断されたときにアンモニア発生化合物の供給を禁止する。

多量のアンモニア発生化合物が触媒から排出されるのを阻止することができる。

図１は本発明を圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。なお、本発明はガソリン機関にも適用することができる。

図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内にそれぞれ燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドをそれぞれ示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結され、コンプレッサ７ａの入口はエアフローメータ８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６内には電気制御式スロットル弁１０が配置され、更に吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１１内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結され、排気タービン７ｂの出口は排気後処理装置２０に連結される。

排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路１２を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１２内には電気制御式ＥＧＲ制御弁１３が配置される。また、ＥＧＲ通路１２周りにはＥＧＲ通路１２内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置１４が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１４内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管１５を介してコモンレール１６に連結され、このコモンレール１６は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ１７を介して燃料タンク１８に連結される。燃料タンク１８内の燃料は燃料ポンプ１７によってコモンレール１６内に供給され、コモンレール１６内に供給された燃料は各燃料供給管１５を介して燃料噴射弁３に供給される。

排気後処理装置２０は排気管２１を介して排気タービン７ｂの出口に連結された上流側触媒コンバータ２２と、排気管２３を介して上流側触媒コンバータ２２に連結された下流側触媒コンバータ２４とを具備する。上流側触媒コンバータ２２内には上流側から順に触媒２５及び触媒２６が配置され、下流側触媒コンバータ２４内には上流側から順に触媒２７及び触媒２８が配置される。触媒２５，２６，２８は酸化機能を有する触媒、例えば酸化触媒又は三元触媒から構成される。これに対し、触媒２７は酸素過剰のもとでアンモニアにより排気ガス中のＮＯｘを還元するのに適したＮＯｘ選択還元触媒から構成される。また、触媒２５，２７，２８はハニカム担体上に担持されており、触媒２６は排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタ上に担持されている。排気管２３には下流側触媒コンバータ２４内に流入する排気ガスの温度を検出するための温度センサ２９が配置される。下流側触媒コンバータ２４内に流入する排気ガスの温度は触媒２７の温度を表している。

一方、アンモニアを発生するアンモニア発生化合物を含む液体がタンク３０内に貯えられており、タンク３０内に貯えられているアンモニア発生化合物を含む液体は供給ポンプ３１及び電磁制御式添加制御弁３２を介して排気管２３内に供給される。

電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５及び出力ポート４６を具備する。エアフローメータ８は吸入空気量に比例した出力電圧を発生し、この出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。一方、温度センサ２９の出力信号はそれぞれ対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。アクセルペダル４９にはアクセルペダル４９の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ５０が接続され、負荷センサ５０の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。さらに、入力ポート４５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５１が接続される。一方、出力ポート４６は対応する駆動回路４８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０駆動装置、ＥＧＲ制御弁１３、燃料ポンプ１７、供給ポンプ３１、及び添加制御弁３２に接続される。

さて、前述したように触媒２７上流の排気管２３内にはアンモニア発生化合物を含む液体が供給される。アンモニアを発生しうるアンモニア発生化合物については種々の化合物が存在し、したがってアンモニア発生化合物として種々の化合物を用いることができる。本発明による実施例ではアンモニア発生化合物として尿素を用いており、アンモニア発生化合物を含む液体として尿素水溶液を用いている。したがって以下、触媒２７上流の排気管２３内に尿素水溶液を供給する場合を例にとって本発明を説明する。

一方、前述したように触媒２７はＮＯｘ選択還元触媒からなり、図１に示す実施例ではこのＮＯｘ選択還元触媒としてチタニアを担体とし、この担体上に酸化バナジウムを担持した触媒Ｖ_２Ｏ_５／ＴｉＯ_２（以下、バナジウム・チタニア触媒という。）、又はゼオライトを担体とし、この担体上に銅を担持した触媒Ｃｕ／ＺＳＭ５（以下、銅ゼオライト触媒という。）が用いられている。

過剰酸素を含んでいる排気ガス中に尿素水溶液を供給すると排気ガス中に含まれるＮＯは触媒２７上において尿素ＣＯ（ＮＨ_２）_２から発生するアンモニアＮＨ_３により還元される（例えば２ＮＨ_３＋２ＮＯ＋１／２Ｏ_２→２Ｎ_２＋３Ｈ_２Ｏ）。

すなわち、供給された尿素水溶液中の尿素はまず触媒２７上に付着する。このとき触媒２７の温度が例えばほぼ３５０℃以上のように高ければ尿素が一気に熱分解してアンモニアが発生される。

一方、触媒２７の温度がほぼ１３２℃からほぼ３５０℃までのときには尿素が触媒２７内にいったん貯蔵され、次いで触媒２７内に貯蔵されている尿素からアンモニアが少しずつ発生され放出される。この場合のアンモニア発生は触媒２７上において尿素が形態変化するためであると考えられている。すなわち、尿素はほぼ１３２℃においてビウレットに変化し、ビウレットはほぼ１９０℃においてシアヌル酸に変化し、シアヌル酸はほぼ３６０℃においてシアン酸又はイソシアン酸に変化する。あるいは、触媒２７内に貯蔵されてからの経過時間が長くなるにつれて尿素はビウレットに変化し、ビウレットはシアヌル酸に変化し、シアヌル酸はシアン酸又はイソシアン酸に変化する。このような形態変化の過程で少しずつアンモニアが発生するものと考えられている。

触媒２７の温度が尿素の熱分解温度であるほぼ１３２℃以下のときに触媒２７に尿素水溶液を供給すると尿素水溶液中の尿素は触媒２７内に貯蔵され、このとき貯蔵された尿素からはアンモニアはほとんど発生しない。

しかしながら、その後に例えば機関加速運転が行われて触媒２７の温度が高くなると、触媒２７内に貯蔵されている尿素から上述したアンモニア、ビウレット、シアヌル酸、シアン酸又はイソシアン酸などが生成され、さらにこれら生成物と排気ガス中の炭化水素ＨＣとが反応してシアン化水素が生成される場合がある。このようにして尿素から生成される尿素由来物質の一部は排気ガス中のＮＯｘを還元するのに用いられるが、残りはＮＯｘ還元することなく触媒２７から排出されてしまう。

触媒２７から排出される尿素由来物質の量は触媒２７内に貯蔵された尿素の量が多くなるほど多くなる。したがって、触媒２７内に多量の尿素が貯蔵されると、多量の尿素由来物質が触媒２７から好ましくなく排出されるおそれがある。

一方、触媒２７内に貯蔵され得る尿素の量には限界があり、すなわち触媒２７内には貯蔵容量までしか尿素を貯蔵することができない。この貯蔵容量は触媒２７の雰囲気例えば触媒２７の温度に応じて変動し、したがって触媒２７の貯蔵容量が大きいときには触媒２７内に多量の尿素を貯蔵することができ、触媒２７の貯蔵容量が小さいときには触媒２７内に少量の尿素しか貯蔵することができない。

そうすると、触媒２７の貯蔵容量が大きいときに触媒２７への尿素水溶液の供給を禁止すれば、触媒２７内に多量の尿素が貯蔵されるのを阻止することができる。これが本発明の基本的な考え方である。

すなわち本発明による実施例では、触媒２７の貯蔵容量があらかじめ定められた許容上限容量よりも大きいか否かが判断され、触媒２７の貯蔵容量が許容上限容量よりも大きいと判断されたときには尿素水溶液の供給が禁止される。この場合、触媒２７の貯蔵容量を直接求めるのは困難である。一方、触媒２７の貯蔵容量ＳＣは図２に示されるように、触媒２７の温度ＴＣが低いときには高いときに比べて大きくなり、触媒２７の温度ＴＣがＴＣＸのときに触媒２７の貯蔵容量ＳＣが許容上限量ＳＣＵとなる。

そこで本発明による実施例では、触媒２７の貯蔵容量ＳＣが許容上限容量ＳＣＵとなる温度ＴＣを設定温度ＴＣＸに設定し、触媒２７の温度ＴＣがこの設定温度ＴＣＸよりも低いときに触媒２７の貯蔵容量ＳＣが許容上限容量ＳＣＵよりも大きいと判断するようにし、このとき尿素水溶液の供給が禁止される。一方、触媒２７の温度が設定温度ＴＣＸよりも高いときには触媒２７の貯蔵容量ＳＣが許容上限容量ＳＣＵよりも小さいと判断され、このとき尿素水溶液の供給が許容される。すなわち、例えば機関から排出されるＮＯｘ量に応じた量だけ尿素水溶液が触媒２７に供給される。このようにすると、触媒２７内に貯蔵された尿素の量が許容上限容量ＳＣＵを越えることがない。したがって、触媒２７内に実際に貯蔵されている尿素量を求めなくても、多量の尿素が触媒２７内に貯蔵されるのを阻止することができる。

許容上限容量ＳＣＵはどのように設定してもよい。本発明による実施例では許容上限容量ＳＣＵが次のようにして設定される。

上述したように、触媒２７から排出される尿素由来物質の量は触媒２７内に貯蔵された尿素の量が多くなるほど多くなる。図３は触媒２７内に貯蔵された尿素量Ｑと、その後の例えば機関加速時に触媒２７から排出されるアンモニアの濃度ＣＡとの関係の一例を示している。図３からわかるように、貯蔵尿素量Ｑが多いときには貯蔵尿素量Ｑが少ないときに比べて高濃度のアンモニアが触媒２７から排出される。

ここで、アンモニア排出濃度ＣＡがあらかじめ定められたその許容上限値ＣＡＵを越えないようにするためには、図３からわかるように触媒２７内に貯蔵される尿素量Ｑがその上限量ＱＡＵを越えないようにする必要がある。

一方、上述したように、触媒２７内に貯蔵される尿素量は許容上限容量ＳＣＵを越えることがない。そこで本発明による実施例では、許容上限容量ＳＣＵをアンモニアのための上限量ＱＡＵに設定するようにしている。その結果、触媒２７からその後に排出されるアンモニア濃度がその許容上限値ＣＡＵを越えるのが阻止される。

なお、許容上限容量ＳＣＵをアンモニアのための上限量ＱＡＵよりも少なく設定することもできる。しかしながら、許容上限容量ＳＣＵをこの上限量ＱＡＵに設定すれば、ＮＯｘ還元のために十分な量の尿素を触媒２７に供給しつつ、触媒２７から排出されるアンモニア量を低減することが可能となる。

ところで、触媒２７のＮＯｘ浄化率ＥＦＦは図４に示されるように、触媒２７の温度ＴＣが下限温度ＴＣＥＬよりも低いか又は上限温度ＴＣＥＨよりも高いと許容下限率ＥＦＦＬよりも低くなり、触媒２７の温度ＴＣが下限温度ＴＣＥＬから上限温度ＴＣＥＨまでであると許容下限率ＥＦＦＬよりも高くなる。上述した設定温度ＴＣＸはこの下限温度ＴＣＥＬよりも高くなっている。

ここで、例えば機関が始動された後の尿素水溶液の供給開始タイミングについて考える。図５においてＸで示されるように機関が始動されると、触媒２７の温度ＴＣが徐々に上昇する。このとき尿素水溶液の供給は停止されている。次いで、図５にＹで示されるように触媒２７の温度ＴＣが下限温度ＴＣＥＬに達しても、尿素水溶液の供給は開始されない。次いで図５にＺで示されるように触媒２７の温度ＴＣが設定温度ＴＣＸに達すると、尿素水溶液の供給が開始される。すなわち、本発明による実施例では、触媒２７がＮＯｘ還元のために十分に活性化していても尿素水溶液の供給が開始されず、触媒２７の温度ＴＣが多量の尿素由来物質の排出を阻止できる温度まで上昇するとようやく尿素水溶液の供給が開始されるのである。

図６は本発明による実施例の尿素水溶液の供給制御を実行するためのルーチンを示しており、このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。

図６を参照するとまず初めにステップ１００において触媒２７の温度ＴＣが設定温度ＴＣＸよりも低いか否かが判別される。ＴＣ≧ＴＣＸのときには次いでステップ１０１に進み、尿素水溶液の供給が許容される。これに対し、ＴＣ＜ＴＣＸのときには次いでステップ１０２に進み、尿素水溶液の供給が禁止される。

許容上限容量ＳＣＵは次のように設定することもできる。

図７は触媒２７内に貯蔵された尿素量Ｑと、その後の例えば機関加速時に触媒２７から排出されるシアン化水素の濃度ＣＣとの関係の一例を示しており、図８は触媒２７内に貯蔵された尿素量Ｑと、その後の例えば機関加速時に触媒２７から排出されるイソシアン酸の濃度ＣＩとの関係の一例を示している。図７及び８からわかるように、シアン化水素排出濃度ＣＣがあらかじめ定められたその許容上限値ＣＣＵを越えないようにするためには触媒２７内に貯蔵される尿素量Ｑがその上限量ＱＣＵを越えないようにすればよく、イソシアン酸排出濃度ＣＩがあらかじめ定められたその許容上限値ＣＩＵを越えないようにするためには触媒２７内に貯蔵される尿素量Ｑがその上限量ＱＩＵを越えないようにすればよい。

そこで、許容上限容量ＳＣＵをシアン化水素のための上限量ＱＣＵに設定し、又はイソシアン酸のための上限量ＱＩＵに設定してもよい。

あるいは、許容上限容量ＳＣＵをアンモニア、シアン化水素、イソシアン酸のための上限量ＱＡＵ，ＱＣＵ，ＱＩＵのうち最も少ないものに設定することもできる。このようにすれば、アンモニア、シアン化水素、イソシアン酸すべてがそれぞれの許容上限値ＣＡＵ，ＣＣＵ，ＣＩＵを越えるのを阻止することができる。

内燃機関の全体図である。触媒の貯蔵容量を示す線図である。触媒内に貯蔵された尿素量と、その後に触媒から排出されるアンモニアの濃度との関係の一例を示す線図である。ＮＯｘ浄化率を示す線図である。本発明による実施例を説明するためのタイムチャートである。尿素水溶液の供給制御ルーチンを示すフローチャートである。触媒内に貯蔵された尿素量と、その後に触媒から排出されシアン化水素の濃度との関係の一例を示す線図である。触媒内に貯蔵された尿素量と、その後に触媒から排出されるイソシアン酸の濃度との関係の一例を示す線図である。

符号の説明

１機関本体
５排気マニホルド
２７触媒
２９温度センサ
３２添加制御弁

Claims

酸素過剰のもとでアンモニアにより排気ガス中のＮＯｘを還元するのに適した触媒を機関排気通路内に配置し、該触媒にアンモニア発生化合物を供給するための供給手段と、該アンモニア発生化合物の供給量を制御するための供給制御手段とを具備し、該触媒は、触媒に供給された該アンモニア発生化合物の少なくとも一部を触媒内に貯蔵すると共に該触媒内に貯蔵されているアンモニア発生化合物からアンモニアを生成して該生成したアンモニアにより排気ガス中のＮＯｘを還元する機能を有し、該触媒の貯蔵容量があらかじめ定められた許容上限容量よりも大きいか否かを判断する判断手段をさらに具備し、前記供給制御手段は、該触媒の貯蔵容量が該許容上限容量よりも大きいと判断されたときにアンモニア発生化合物の供給を禁止する内燃機関の排気浄化装置。
前記触媒からその後に排出されるアンモニア発生化合物由来物質の量がその許容上限量を越えないように該許容上限容量を設定した請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記アンモニア発生化合物由来物質がアンモニア、シアン化水素、及びイソシアン酸のうちから選ばれた少なくとも一つである請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記触媒からその後に排出されるアンモニア、シアン化水素、及びイソシアン酸すべてがそれぞれの許容上限量を越えないように該許容上限容量を設定した請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記触媒の貯蔵容量は、該触媒の温度が低いときには該触媒の温度が高いときに比べて大きくなっており、前記判断手段は、該触媒の温度が、該触媒の貯蔵容量が前記許容上限容量となる温度に設定された設定温度よりも低いときに該触媒の貯蔵容量が該許容上限容量よりも大きいと判断する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記触媒のＮＯｘ還元率は、該触媒の温度が高いときには該触媒の温度が低いときに比べて高くなっており、前記設定温度は、該触媒のＮＯｘ浄化率があらかじめ定められた許容下限率となる温度よりも高く設定される請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記供給制御手段は、前記触媒の貯蔵容量が前記許容上限容量よりも小さいと判断されたときにアンモニア発生化合物の供給を許容する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。