JP4844572B2

JP4844572B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP4844572B2
Application number: JP2008012516A
Authority: JP
Inventors: 謙司播磨
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-01-23
Filing date: 2008-01-23
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2028-01-23
Also published as: JP2009174380A

Description

本発明は、排気浄化を行う内燃機関の排気浄化装置に関する。

従来から、排気通路上に高温活性型のＮＯｘ触媒と低温活性型のＮＯｘ触媒とを設け、これらの触媒を用いてＮＯｘを浄化する排気浄化装置が提案されている。例えば、特許文献１には、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の上流にＮＯｘ選択還元触媒（ＳＣＲ：ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＣａｔａｌｙｔｉｃＲｅｄｕｃｔｉｏｎ）を備え、排気通路中に尿素を添加することにより、低温域と高温域でのＮＯｘ浄化性能を両立させる技術が記載されている。具体的には、ＮＯｘ選択還元触媒入口の排気温度が低温の時には、尿素などの還元剤を供給せずに、ＮＯｘ吸蔵還元触媒でＮＯｘを浄化させ、ＮＯｘ選択還元触媒入口の排気温度が高温の時には、還元剤を供給して、ＮＯｘ選択還元触媒でＮＯｘを浄化させている。例えば、還元剤として尿素が排気ガス中に添加されると、加水分解により、尿素からアンモニア（ＮＨ３）が生成される。そして、ＮＯｘ選択還元触媒上で、アンモニアとＮＯｘの化学反応により、ＮＯｘは浄化される。その他にも、本発明に関連のある技術が特許文献２、特許文献３に記載されている。

特開２００４−２１８４７５号公報特開２０００−２２０４４２号公報特開平８−２７０４３９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、排気温度が低温の時に、尿素などの還元剤を供給しないため、ＮＯｘの浄化を十分に実行することができない。一方、排気温度が低温の時に尿素を供給すると、アンモニアの生成反応が不十分となり、アンモニアに転換されないシアン酸（ＨＮＣＯ）が生成される可能性がある。この為、従来では、排気温度が低温時には尿素添付の必要がないようにストイキで走行する必要があり、その分燃費効率が低下していた。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、触媒を適切に暖機することで、シアン酸の排出を抑制することが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することを課題とする。

本発明の１つの観点では、排気通路上に配置されたＮＯｘ浄化触媒に尿素を供給して排気ガス中のＮＯｘを浄化させる内燃機関の排気浄化装置は、前記排気通路において前記ＮＯｘ浄化触媒の下流に配置された電気加熱式触媒と、前記尿素の供給時に排気温度が第１の温度以下であると判断した場合に前記電気加熱式触媒の加熱を行う触媒暖機手段と、を備えることを特徴とする。

上記の内燃機関の排気浄化装置は、排気通路上にＮＯｘ浄化触媒と、電気加熱式触媒とを有する。ＮＯｘ浄化触媒の好適な例として、例えばＮＯｘ選択還元触媒（ＳＣＲ）とすることができる。内燃機関の排気浄化装置は、ＮＯｘ浄化触媒に尿素等の還元剤を供給することにより排気ガス中のＮＯｘ成分の浄化を行う。電気加熱式触媒（ＥＨＣ：ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＨｅａｔｅｄＣａｔａｌｙｓｔ）は、例えば酸化触媒に加熱用ヒータが備えられたものであり、排気通路においてＮＯｘ浄化触媒の下流に配置される。したがって、上述のヒータにより、酸化触媒の暖機を適宜行うことができる。触媒暖機手段は、例えばＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）であり、尿素の供給時に排気温度が第１の温度以下であると判断した場合に電気加熱式触媒の加熱を行う。第１の温度としては、例えばシアン酸が生成されない温度以上の任意の温度に設定することができる。また、排気温度は、排気ガスの温度を指し、具体的には排気通路上で計測した排気ガスの温度、ＮＯｘ浄化触媒または電気加熱式触媒で計測した温度が一例として挙げられる。このようにすることで、尿素の供給によって生成されるシアン酸を電気加熱式触媒で浄化することができるため、シアン酸の排出を抑制することができる。

上記の内燃機関の排気浄化装置の一態様は、前記触媒暖機手段は、前記排気温度を前記ＮＯｘ浄化触媒と前記電気加熱式触媒との間に配置された温度センサにより計測を行うことを特徴とする。

上記の内燃機関の排気浄化装置の他の一態様は、前記触媒暖機手段は、前記排気温度がシアン酸の生成されない温度になるまで加熱を行うことを特徴とする。この態様では、触媒暖機手段は、尿素の供給時に排気温度が第１の温度以下であると判断した場合に電気加熱式触媒の加熱を開始し、そして、排気温度がシアン酸の生成されない温度になるまで加熱を行う。これにより、シアン酸を電気加熱式触媒で浄化することができる。

上記の内燃機関の排気浄化装置の他の一態様は、前記触媒暖機手段は、前記尿素の供給を前記電気加熱式触媒の加熱完了後に行うことを特徴とする。この態様では、尿素の供給を電気加熱式触媒の暖機後にスライドして行う。即ち、電気加熱式触媒の暖機を行うため、尿素の供給を一時的に遅らせる。このように電気加熱式触媒の加熱時間を考慮することで、電気加熱式触媒の暖機完了後のみにシアン酸が生成するため、電気加熱式触媒においてシアン酸をより確実に浄化することができる。一方、電気加熱式触媒の暖機はヒータにより行うため、排気ガスの温度によらず早期に暖機可能であり、尿素添加の遅れによるエミッション悪化や燃費悪化も抑制することができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。

[内燃機関の排気浄化装置]
まず、本実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成について説明する。図１は、本実施形態に係るエンジン３を有する内燃機関の排気浄化装置１００の概略構成の一例を示すブロック図である。図１において、実線の矢印は吸気及び排気の流れを示し、破線の矢印は制御信号を示す。内燃機関の排気浄化装置１００は、車両に搭載され、エンジン３の出力を走行用動力源として用いる。内燃機関の排気浄化装置１００は、エンジン３と、第１の触媒２１と、ＳＣＲ２２と、第２の触媒２３と、尿素噴射弁２４と、温度センサ２６と、ＥＣＵ１０と、を構成要素として含む。

エンジン３は、吸気通路２を介して空気（吸気）が供給される。吸気通路２には、エンジン内部への流入量を調整するスロットル弁（不図示）が配置されている。更に、エンジン３には排気通路４が接続されており、上記した燃焼によって発生した排気ガスは排気通路４より排出される。エンジン３の好適な例として、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジンが挙げられる。

排気通路４上には、上流側から下流側へ順に、第１の触媒２１、尿素噴射弁２４、ＳＣＲ２２、温度センサ２６、及び第２の触媒２３が配置されている。第１の触媒２１は、エンジン３から排出される一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）などを浄化し、排気通路４においてエンジン３の下流かつＳＣＲ２２の上流に配置される酸化触媒である。第１の触媒２１は、いわゆるスタート触媒として機能する。尿素噴射弁２４は、第１の触媒２１とＳＣＲ２２との間の排気通路４中に尿素を噴射する弁である。尿素は、尿素水タンク３１に貯蔵されており、尿素供給通路３１ａを介して尿素噴射弁２４によって排気通路４中に供給される。尿素噴射弁２４は、ＥＣＵ１０から供給される制御信号Ｓ３によって制御される。

ＳＣＲ２２は、尿素等の還元剤存在のもとＮＯｘを選択的に還元する低温活性型の触媒である。具体的には、尿素噴射弁２４によって噴射された尿素は、排気ガスと反応することにより加水分解して、アンモニアが生成され、ＳＣＲ２２は、生成されたアンモニアを用いてＮＯｘを還元する。ＳＣＲ２２は、いわゆるＮＯｘ選択還元触媒（ＳＣＲ：ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＣａｔａｌｙｔｉｃＲｅｄｕｃｔｉｏｎ）として機能する。

温度センサ２６は、排気通路４においてＳＣＲ２２の下流かつ第２の触媒２３の上流に配置され、ＳＣＲ２２を通過直後の排気ガスの温度（以後、「排気温度」と呼ぶ。）を検出する。検出された温度は、ＥＣＵ１０に信号Ｓ１により入力される。なお、ＳＣＲ２２と第２の触媒２３との間で排気温度を検出する代わりに、ＳＣＲ２２または第２の触媒２３に備わる触媒温度センサ（不図示）等で検出した温度を排気温度としてもよい。

第２の触媒２３は、排気通路４においてＳＣＲ２２の下流に配置される酸化触媒である。さらに第２の触媒２３は、加熱用のヒータ（不図示）が取り付けられており、ヒータによって通電加熱される電気加熱式触媒（ＥＨＣ：ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＨｅａｔｅｄＣａｔａｌｙｓｔ）として機能する。ヒータによる加熱は、ＥＣＵ１０から供給される制御信号Ｓ２によって制御される。

なお、上述の内燃機関の排気浄化装置１００の構成は一例であり、本発明が適用可能な構成はこれに限られない。例えば、第１の触媒２１は必ずしも必須の構成要素ではない。また、第２の触媒２３は、酸化触媒ではなく例えばＮＯｘ吸蔵還元触媒（ＮＳＲ：ＮＯｘＳｔｏｒａｇｅＲｅｄｕｃｔｉｏｎ）としてもよい。

ＥＣＵ１０は、図示しないＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）及びＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）などを備える。ＥＣＵ１０は、種々のセンサから供給される検出信号に基づいて、エンジン３を制御する。例えば、ＥＣＵ１０は、図示しないアクセル開度センサから供給された検出信号を基に、エンジン３の要求トルクを決定する。そして、ＥＣＵ１０は、決定された要求トルクに基づいて、エンジン３を制御する。また、ＥＣＵ１０は、第２の触媒２３に信号Ｓ２を送信することにより第２の触媒２３の温度を制御する。従って、ＥＣＵ１０は、本発明における触媒暖機手段として機能する。

以上のように内燃機関の排気浄化装置１００を構成することで、エンジン３から排出されるＮＯｘ等の有機化合物の浄化を実行することができる。一方、エンジン３の始動時等で排気温度が低い場合においては、尿素噴射弁２４によって噴射された尿素は、加水分解によりアンモニアが生成される代わりに、シアン酸が生成されてしまい、これにより尿素添加を行うリーン走行ができなくなり、ストイキ走行となることで燃費が悪化する。

これについて以下に説明する。尿素（（ＮＨ_２）_２ＣＯ）が、一般的なディーゼルエンジンまたはガソリンエンジンの排気ガスに噴射されると、排気ガスと反応することにより加水分解して、以下の反応式（１）、（２）に示す反応により、尿素（（ＮＨ_２）_２ＣＯ）からアンモニア（ＮＨ_３）が発生する。
（ＮＨ_２）_２ＣＯ→ＮＨ_３＋ＨＮＣＯ反応式（１）
ＨＮＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＮＨ_３＋ＣＯ_２反応式（２）
そして、反応式（２）により発生したアンモニアにより、ＳＣＲ２２及び／又は第２の触媒２３において、排気ガス中のＮＯやＮＯ_２が浄化される。具体的には、以下の反応式（３）〜（５）により、ＮＯやＮＯ_２は窒素（Ｎ２）に還元される。
４ＮＨ_３＋４ＮＯ＋Ｏ_２→４Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ反応式（３）
２ＮＨ_３＋ＮＯ＋ＮＯ_２→２Ｎ_２＋３Ｈ_２Ｏ反応式（４）
４ＮＨ_３＋２ＮＯ_２＋Ｏ_２→３Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ反応式（５）
反応式（１）より、尿素からアンモニアが発生する過程において、中間生成物としてシアン酸（ＨＮＣＯ）が生成されることが分かる。ＳＣＲ２２及び／又は第２の触媒２３において、その触媒温度が低い場合には、アンモニアの生成反応が不十分となる、具体的には、尿素からアンモニアが発生する際に、反応式（２）に示す反応が起こりにくくなる。この場合には、反応式（１）で示す反応が発生するに留まるため、アンモニアに転換されないシアン酸が生成され、シアン酸がＳＣＲ２２及び／又は第２の触媒２３より漏れ出る可能性がある。また、排気温度が低く、ＳＣＲ２２及び第２の触媒２３の触媒温度が低い場合に尿素の噴射を停止する方法も考えられるが、この場合はＮＯｘが浄化できないため、エミッションの悪化が生じる。また、ＮＯｘの浄化の代わりに、エンジン３をストイキで稼働させて、ＮＯｘの発生を抑える方法も考えられるが、リーンバーンエンジンの場合には、燃費が悪化してしまう。

そこで、本実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置１００では、第２の触媒２３を電気加熱式触媒とし、排気温度が低い場合には、ＥＣＵ１０が第２の触媒２３を加熱制御することで、シアン酸の生成を抑える。具体的には、尿素の添加時において、排気温度が所定温度（以後、「第１の温度」と呼ぶ。）より低い場合、ＥＣＵ１０は第２の触媒２３に対し、ヒータによる暖機を実行する制御信号Ｓ２を送信する。第１の温度は、具体的には反応式（２）が起こる温度（例えば１９０度）以上の任意の値に設定することができる。

これにより、排気温度が低いためにＳＣＲ２２で尿素の分解が反応式（１）で留まった場合でも、第２の触媒２３を暖機することで、第２の触媒２３で反応式（２）を起こすことが可能となり、結果としてシアン酸が排気浄化装置１００から漏れ出る可能性をなくすことができる。よって、排気浄化装置１００は、尿素の添加を継続することができる。即ち、シアン酸の排出を防ぐことができ、また、尿素の添加の停止によるエミッション悪化や燃費悪化を防ぐことができる。なお、上述の説明において、ＥＣＵ１０は、第２の触媒２３の加熱を尿素の添加時に行うこととした。しかし、ＥＣＵ１０は、尿素の添加の有無に関わらず、排気温度が低い場合に第２の触媒２３の暖機を常に実行してもよい。これにより、シアン酸の排出をより確実に抑制することができる。

次に、図２に示すフローチャートを用いて本実施形態に係る処理を説明する。この処理は、ＥＣＵ１０によって、所定の周期で繰り返し実行される。また、ステップＳ１乃至ステップＳ３における処理が、本発明における触媒暖機手段により実行される処理に該当する。

まず、ＥＣＵ１０は、尿素添加の要求があるか監視を行う（ステップＳ１）。そして、尿素添加の要求がない場合（ステップＳ１；Ｎｏ）、シアン酸が生成されるおそれはないため、ＥＣＵ１０はフローチャートの処理を終了する。

一方、尿素添加の要求がある場合（ステップＳ１；Ｙｅｓ）、ＥＣＵ１０は、次に排気温度が第１の温度Ａ未満であるか確認する（ステップＳ２）。なお、ＥＣＵ１０は、例えば温度センサ２６の信号Ｓ１により排気温度を検出することができる。

そして、排気温度が第１の温度Ａ以上である場合（ステップＳ２；Ｎｏ）、特に第２の触媒２３を暖機しなくとも反応式（２）が起こり、シアン酸の排出を防ぐことができるため、ＥＣＵ１０はフローチャートの処理を終了する。

一方、排気温度が第１の温度Ａ未満である場合（ステップＳ２；Ｙｅｓ）、ＥＣＵ１０は、尿素の添加処理を禁止し（ステップＳ３）、第２の触媒２３に対し、ヒータにより暖機を開始する制御信号Ｓ２を送信する。これにより、第２の触媒２３の暖機が開始される（ステップＳ４）。そして、ＥＣＵ１０は、第２の触媒２３の暖機を第１の温度Ａより大きい所定温度Ｂ（以後、「第２の温度」と呼ぶ。）より高くなるまで実行する（ステップＳ５；Ｎｏ、ステップＳ４）。なお、第２の温度Ｂは、排気温度がシアン酸の生成されない温度、即ち反応式（２）が起こる温度以上であることが好ましい。

排気温度が第２の温度Ｂより高くなった場合（ステップＳ５；Ｙｅｓ）、ＥＣＵ１０は、ステップＳ３で禁止した尿素の添加処理を許可する（ステップＳ６）。これにより、尿素噴射弁２４によって尿素が噴射されることになる。そして、ＥＣＵ１０は、ヒータによる第２の触媒２３の暖機を停止する（ステップＳ７）。

以上の処理を実行することにより、ＥＣＵ１０は、シアン酸の生成を回避することを最優先にすることで、シアン酸の排出を防ぎ、エミッションの悪化を抑制することが可能となる。さらに、第２の触媒２３の暖機によって尿素添加が可能であるため、ストイキ走行ではなくリーン走行を行うこともでき、燃費の向上を実現することができる。

内燃機関の排気浄化装置の概略構成を示す図である。実施形態に係る処理を示すフローチャートである。

符号の説明

３エンジン
２１第１の触媒
２２ＳＣＲ
２３第２の触媒
２４尿素噴射弁
２６温度センサ
３１尿素水タンク
１００内燃機関の排気浄化装置

Claims

排気通路上に配置されたＮＯｘ浄化触媒に尿素を供給して排気ガス中のＮＯｘを浄化させる内燃機関の排気浄化装置であって、
前記排気通路において前記ＮＯｘ浄化触媒の下流に配置された電気加熱式触媒と、
前記尿素の供給時に排気温度が第１の温度以下であると判断した場合に前記電気加熱式触媒の加熱を行う触媒暖機手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記触媒暖機手段は、前記排気温度を前記ＮＯｘ浄化触媒と前記電気加熱式触媒との間に配置された温度センサにより計測を行う請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記触媒暖機手段は、前記排気温度がシアン酸の生成されない温度になるまで加熱を行う請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記触媒暖機手段は、前記尿素の供給を前記電気加熱式触媒の加熱完了後に行う請求項１乃至３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。