JP4888216B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。
機関排気通路内にＮＯx選択還元触媒を配置し、ＮＯx選択還元触媒に尿素水を供給してこの尿素水から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯxを選択的に還元するようにした内燃機関において、排気ガスから水分を回収し、固形尿素と回収された水分とを混合してＮＯx選択還元触媒に供給すべき尿素水を生成するようにした内燃機関が公知である（例えば特許文献１を参照）。このように尿素水を生成するための尿素として固形尿素を用いると尿素の補充の頻度を低くすることができるという利点がある。
特開２００２−５１０００５号公報
しかしながらこのような固形尿素を用いると尿素水の尿素濃度を制御するのが困難であるという問題がある。
上記問題を解決するために本発明によれば、機関排気通路内にＮＯx選択還元触媒を配置し、ＮＯx選択還元触媒に尿素水を供給して尿素水から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯxを選択的に還元するようにした内燃機関の排気浄化装置において、車両内において回収可能な水分を回収するための水分回収手段と、回収された水分を貯留するための水タンクと、ＮＯx選択還元触媒に供給される尿素水の尿素濃度よりも高い尿素濃度の高濃度尿素水を貯留している高濃度尿素水タンクと、水タンクに貯留されている水分と高濃度尿素水タンクに貯留されている高濃度尿素水からＮＯ x 選択還元触媒に供給される尿素水を生成するための尿素水生成タンクとを具備しており、イグニッションスイッチがオンからオフに切換えられたときに水タンクから尿素水生成タンクへの水分の供給制御および高濃度尿素水タンクから尿素水生成タンクへの高濃度尿素水の供給制御が行われ、高濃度尿素水を回収された水分により希釈することによってＮＯx選択還元触媒に供給すべき尿素水が尿素水生成タンク内に生成される。
尿素水を生成するための尿素として高濃度尿素水を用いることによって尿素水の尿素濃度を容易に制御することができる。
図１に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。
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内に夫々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夫々示す。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の入口は吸入空気量検出器８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁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の出口は酸化触媒１２の入口に連結される。この酸化触媒１２の下流には酸化触媒１２に隣接して排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するためのパティキュレートフィルタ１３が配置され、このパティキュレートフィルタ１３の出口は排気管１４を介してＮＯx選択還元触媒１５の入口に連結される。このＮＯx選択還元触媒１５の出口には酸化触媒１６が連結される。
ＮＯx選択還元触媒１５上流の排気管１４内には尿素水供給弁１７が配置され、この尿素水供給弁１７は尿素水生成装置１８に連結される。この尿素水生成装置１８は車両内において回収可能な水分を回収するための水分回収手段を具備しており、図１に示される実施例ではこの水分回収手段は、排気ガス中に含まれている水蒸気を凝縮させて水分を回収するために酸化触媒１６の下流に配置された水分回収装置１９からなる。この水分回収装置１９により回収された水分は水移送ポンプ２０によって回収された水分を貯留するための水タンク２１に送り込まれる。なお、水分回収手段としては排気ガス中から水分を回収するのではなくて例えばエアコンディショナに発生する凝縮水を回収するようにした水分回収装置を用いることもできる。
また、図１に示される実施例では尿素水生成装置１８は更にＮＯx選択還元触媒１５に供給される尿素水の尿素濃度よりも高い尿素濃度の高濃度尿素水を貯留している高濃度尿素水タンク２２と、ＮＯx選択還元触媒１５に供給される尿素水を生成するための尿素水生成タンク２３とを具備している。図１に示されるように水タンク２１と尿素水生成タンク２３間には水タンク２１から尿素水生成タンク２３への水分の供給量を制御するための水流量制御弁２４が配置されており、高濃度尿素水タンク２２と尿素水生成タンク２３間には高濃度尿素水タンク２２から尿素水生成タンク２３への高濃度尿素水の供給量を制御するための尿素水流量制御弁２５が配置されている。
図１に示される実施例では水流量制御弁２４により水タンク２１から尿素水生成タンク２３への水分の供給を制御し、尿素水流量制御弁２５により高濃度尿素水タンク２２から尿素水生成タンク２３への高濃度尿素水の供給を制御することによってＮＯx選択還元触媒１５に供給すべき尿素水が尿素水生成タンク２３内に生成される。即ち、高濃度尿素水を回収された水分により希釈することによってＮＯx選択還元触媒１５に供給される尿素水が生成される。
尿素水生成タンク２３内に生成された尿素水は供給ポンプ２６によって尿素水供給弁１７から排気管１４内を流れる排気ガス中に噴射され、尿素から発生したアンモニア（（ＮＨ2）2ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→２ＮＨ3＋ＣＯ2）によって排気ガス中に含まれるＮＯxがＮＯx選択還元触媒１５において還元される。
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２７を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２７内には電子制御式ＥＧＲ制御弁２８が配置される。また、ＥＧＲ通路２７周りにはＥＧＲ通路２７内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２９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２９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３０を介してコモンレール３１に連結され、このコモンレール３１は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ３２を介して燃料タンク３３に連結される。燃料タンク３３内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ３２によってコモンレール３１内に供給され、コモンレール３１内に供給された燃料は各燃料供給管３０を介して燃料噴射弁３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および出力ポート４６を具備する。吸入空気量検出器８の出力信号は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。アクセルペダル５０にはアクセルペダル５０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ５１が接続され、負荷センサ５１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。また、入力ポート４５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５２が接続される。更に入力ポート４５にはイグニッションスッチ５３のオン・オフ信号が入力される。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の駆動用ステップモータ、尿素水供給弁１７、水移送ポンプ２０、水流量制御弁２４、尿素水流量制御弁２５、供給ポンプ２６、ＥＧＲ制御弁２８および燃料ポンプ３２に接続される。
酸化触媒１２は例えば白金のような貴金属触媒を担持しており、この酸化触媒１２は排気ガス中に含まれるＮＯをＮＯ2に転換する作用と排気ガス中に含まれるＨＣを酸化させる作用をなす。即ち、ＮＯ2はＮＯよりも酸化性が強く、従ってＮＯがＮＯ2に転換されるとパティキュレートフィルタ１３上に捕獲された粒子状物質の酸化反応が促進され、またＮＯx選択還元触媒１５でのアンモニアによる還元作用が促進される。パティキュレートフィルタ１３としては触媒を担持していないパティキュレートフィルタを用いることもできるし、例えば白金のような貴金属触媒を担持したパティキュレートフィルタを用いることもできる。一方、ＮＯx選択還元触媒１５は低温で高いＮＯx浄化率を有するアンモニア吸着タイプのＦｅゼオライトから構成することもできるし、アンモニアの吸着機能がないチタニア・バナジウム系の触媒から構成することもできる。酸化触媒１６は例えば白金からなる貴金属触媒を担持しており、この酸化触媒１６はＮＯx選択還元触媒１５から漏出したアンモニアを酸化する作用をなす。
図１に示される実施例では機関の運転状態に応じた最適な尿素水の供給量が算出され、この算出された供給量に基づいて尿素水供給弁１７から尿素水が供給される。また、この実施例では通常はいずれの流量制御弁２４，２５も閉弁状態に保持されており、尿素水生成タンク２３内の尿素水が少なくなると両流量制御弁２４，２５が開弁して水および高濃度尿素水が尿素水生成タンク２３内に供給される。
図２はこのような尿素水の生成制御ルーチンを示している。
図２を参照するとまず始めにステップ６０において尿素水供給弁１７から供給されている供給尿素水量が読み込まれる。次いでステップ６１ではこの供給尿素水量から尿素水生成タンク２３に貯蔵されている尿素水の貯蔵量Ｑが算出される。次いでステップ６２では尿素水の貯蔵量Ｑが予め定められた許容レベルＱ0以下になったか否かが判別される。Ｑ≧Ｑ0のときにはステップ６３に進んでイグニッションスイッチ５３がオンからオフに切換えられたか否かが判別される。イグニッションスイッチ５３がオンのときには処理サイクルを完了する。
一方、ステップ６２において尿素水の貯蔵量Ｑが許容レベルＱ0以下になったときにはステップ６４に進んで尿素水の生成作用が行われる。即ち、両流量制御弁２４，２５が開弁せしめられ、予め定められた濃度の尿素水が生成されるように水流量制御弁２４による水タンク２１から尿素水生成タンク２３への水分の供給制御および尿素水流量制御弁２５による高濃度尿素水タンク２２から尿素水生成タンク２３への高濃度尿素水の供給制御が行われる。
一方、ステップ６３においてイグニッションスイッチ５３がオンからオフに切換えられたと判断されたときにもステップ６４に進んで尿素水の生成作用が行われる。即ち、このときにも両流量制御弁２４，２５が開弁せしめられ、予め定められた濃度の尿素水が生成されるように水流量制御弁２４による水タンク２１から尿素水生成タンク２３への水分の供給制御および尿素水流量制御弁２５による高濃度尿素水タンク２２から尿素水生成タンク２３への高濃度尿素水の供給制御が行われる。
即ち、尿素水生成タンク２３に供給された水と高濃度尿素水とが均一に混合するまでには時間を要する。ところでイグニッションスイッチ５３がオンからオフに切換えられたときに水タンク２１から尿素水生成タンク２３へ水分を供給し、高濃度尿素水タンク２２から尿素水生成タンク２３へ高濃度尿素水を供給すると水と高濃度尿素水との混合時間を十分に長くとることができる。従ってこの場合には尿素水供給弁１７から尿素水の供給が開始されるまでに尿素水は一様な濃度となる。
高濃度尿素水タンク２２内の高濃度尿素水が少なくなったときには予め定められている一定濃度の高濃度尿素水が補充される。このように高濃度尿素水タンク２２内の高濃度尿素水の濃度は一定に維持されているので水タンク２１から尿素水生成タンク２３への水分の供給量と高濃度尿素水タンク２２から尿素水生成タンク２３への高濃度尿素水の供給量との割合を予め定められた割合に制御することによって容易に尿素水生成タンク２３内の尿素水の濃度を予め定められた一定濃度とすることができる。
図２に別の実施例を示す。この実施例では尿素水生成タンク２３に尿素水生成タンク２３内の尿素水の尿素濃度を検出するための濃度センサ５４が取付けられており、この濃度センサ５４により検出された尿素濃度が目標濃度となるように水タンク２１から尿素水生成タンク２３への水分の供給量および高濃度尿素水タンク２２から尿素水生成タンク２３への高濃度尿素水の供給量がフィードバック制御される。
図４はこのような尿素水の生成制御ルーチンを示している。
図４を参照するとまず始めにステップ７０において濃度センサ５４により尿素水生成タンク２３内の尿素水の濃度Ｄが検出される。次いでステップ７１ではこの濃度Ｄが目標濃度Ｄ0よりも高いか否かが判別される。Ｄ＞Ｄ0のときにはステップ７２に進んで水タンク２１内の水が尿素水生成タンク２３内に供給され、Ｄ≦Ｄ0のときにはステップ７３に進んで高濃度尿素水タンク２２内の高濃度尿素水が尿素水生成タンク２３内に供給される。
図５に更に別の実施例を示す。この実施例では尿素水生成タンク２３内が半透膜５５によって２つの部屋５６ａ，５６ｂに分離されており、これら２つの部屋５６ａ，５６ｂのうちの一方の部屋５６ａに水タンク２１から水分が供給されると共に他方の部屋５６ｂに高濃度尿素水タンク２２から高濃度尿素水が供給される。また、この実施例では他方の部屋５６ｂ内の尿素水が尿素水供給弁１７に供給される。
この実施例では部屋５６ａ内の水が部屋５６ｂ内の高濃度尿素水内に浸透し、その結果部屋５６ｂ内には一定濃度の尿素水が生成される。この一定濃度の水素水が尿素水供給弁１７から供給される。この場合の尿素水の生成制御は図２に示される制御ルーチンを用いて行われる。
圧縮着火式内燃機関の全体図である。 尿素水の生成を制御するためのフローチャートである。 圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す全体図である。 尿素水の生成を制御するためのフローチャートである。 圧縮着火式内燃機関の更に別の実施例を示す全体図である。
符号の説明
４ 吸気マニホルド
５ 排気マニホルド
１２，１６ 酸化触媒
１３ パティキュレートフィルタ
１５ ＮＯx選択還元触媒
１７ 尿素水供給弁
１９ 水分回収装置
２１ 水タンク
２２ 高濃度尿素水タンク
２３ 尿素水生成タンク

Claims (2)

  1. 機関排気通路内にＮＯx選択還元触媒を配置し、該ＮＯx選択還元触媒に尿素水を供給して該尿素水から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯxを選択的に還元するようにした内燃機関の排気浄化装置において、車両内において回収可能な水分を回収するための水分回収手段と、該回収された水分を貯留するための水タンクと、ＮＯx選択還元触媒に供給される尿素水の尿素濃度よりも高い尿素濃度の高濃度尿素水を貯留している高濃度尿素水タンクと、該水タンクに貯留されている水分と該高濃度尿素水タンクに貯留されている高濃度尿素水からＮＯ x 選択還元触媒に供給される尿素水を生成するための尿素水生成タンクとを具備しており、イグニッションスイッチがオンからオフに切換えられたときに該水タンクから尿素水生成タンクへの水分の供給制御および該高濃度尿素水タンクから尿素水生成タンクへの高濃度尿素水の供給制御が行われ、該高濃度尿素水を上記回収された水分により希釈することによってＮＯx選択還元触媒に供給すべき尿素水が尿素水生成タンク内に生成される内燃機関の排気浄化装置。
  2. 上記尿素水生成タンク内の尿素水が予め定められた許容レベル以下になったときに上記水タンクから尿素水生成タンクへの水分の供給制御および上記高濃度尿素水タンクから尿素水生成タンクへの高濃度尿素水の供給制御が行われ、それによってＮＯ x 選択還元触媒に供給すべき尿素水が尿素水生成タンク内に生成される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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