JP4924756B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
このような選択還元型のNOX触媒装置へ流入する単位時間当たりのNOX量を全て還元するために過不足のない単位時間当たりの尿素量を当量比1の尿素量と称すると、当量比1の尿素をNOX触媒装置へ供給することが望ましい。しかしながら、機関運転状態の変化に伴ってNOX触媒装置へ流入する単位時間当たりのNOX量が変化すると、これに正確に追従させて当量比1の尿素をNOX触媒装置へ供給することは困難である。
それにより、選択還元型のNOX触媒装置において、尿素保持機能を設けて、ある程度の量の尿素を保持させておくことにより、機関運転状態の変化によりNOX触媒装置へ流入する単位時間当たりのNOX量が増加した時に、1より小さい当量比の尿素しか供給されなくても、保持した尿素からアンモニアを発生させて不足分を補って排気ガス中のNOXを良好に浄化させ、また、機関運転状態の変化によりNOX触媒装置へ流入する単位時間当たりのNOX量が減少した時に、1より大きい当量比の尿素が供給されても、余剰分の尿素を保持してアンモニアの流出を抑制することを意図する内燃機関の排気浄化装置が公知である。
このような内燃機関の排気浄化装置において、NOX触媒装置の尿素保持機能により保持可能な尿素量は、NOX触媒装置の温度により変化するために、NOX触媒装置の温度毎に目標尿素保持量を設定して、NOX触媒装置において目標尿素保持量より多い尿素が保持されていると推定される時には、尿素の供給を停止し、NOX触媒装置において目標尿素保持量より少ない尿素しか保持されていないと推定される時には、1より大きな当量比の尿素を供給し、NOX触媒装置の尿素保持機能により保持される尿素量が、NOX触媒装置の温度毎に設定された目標尿素保持量に維持されるようにすることが提案されている(特許文献1参照)。
従って、本発明の目的は、還元剤を保持する還元剤保持機能を有し、還元剤によりNOXを還元浄化するNOX触媒装置において、高いNOX浄化率が必要とされる時には高いNOX浄化率が実現されるようにすることである。
本発明による請求項2に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記第二制御における前記当量比は、機関運転状態毎に設定されていることを特徴とする。
本発明による請求項3に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項1又は2に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記第一制御における前記目標量は、前記NOX触媒装置の温度毎に設定されていることを特徴とする。
本発明による請求項4に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項3に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記第一制御は、前記NOX触媒装置の現在温度の前記目標量と前記還元剤保持機能により保持された現在の還元剤保持量との差が設定量より多くなった時に実施されることを特徴とする。
本発明による請求項5に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項1から4のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記第一制御は、機関始動毎に実施されることを特徴とする。
本発明による請求項2に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置において、第二制御における当量比は、機関運転状態毎に設定されている。それにより、第二制御中においては、機関運転状態毎に最適な当量比での還元剤の供給を実施することができる。
本発明による請求項3に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項1又は2に記載の内燃機関の排気浄化装置において、第一制御における目標量は、NOX触媒装置の温度毎に設定されている。それにより、第一制御により、還元剤保持機能はNOX触媒装置の現在温度に対して設定された目標量の還元剤を保持することができる。
本発明による請求項4に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項3に記載の内燃機関の排気浄化装置において、第一制御は、NOX触媒装置の現在温度の目標量と還元剤保持機能により保持された現在の還元剤保持量との差が設定量より多くなった時に実施される。それにより、NOX触媒装置の現在温度の目標量と還元剤保持機能により保持された還元剤保持量との差が設定量より多くなったままとされて、第二制御中において、NOX触媒装置において還元剤保持機能により保持された還元剤の放出が不十分となってNOX浄化率が低下することを抑制することができる。
本発明による請求項5に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項1から4のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置において、第一制御は、機関始動毎に実施されるようになっている。それにより、機関始動毎に第一制御により還元剤保持機能が目標量の還元剤を保持するようにされ、第二制御中において、NOX触媒装置において還元剤保持機能により保持された還元剤の放出が不十分となってNOX浄化率が低下することを抑制することができる。
このような選択還元型のNOX触媒装置2において、過剰酸素を含む排気ガス中に還元剤として例えば尿素水溶液を供給すると、排気ガス中に含まれるNOXは、酸化バナジウム又は銅等の触媒上において尿素CO(NH2)2から発生する還元剤であるアンモニアNH3により還元される(例えば、2NH3+2NO+1/2O2→2N2+3H2O)。
この場合において、選択還元型のNOX触媒装置2へ流入する単位時間当たりのNOX量を全て還元するために過不足のない単位時間当たりの尿素量が当量比1の尿素量となる。
図1において、3は尿素水溶液をNOX触媒装置2へ供給するための尿素供給装置である。4はNOX触媒装置2へ流入する排気ガス中のNOX濃度を検出する上流側NOXセンサであり、5はNOX触媒装置2から流出する排気ガス中のNOX濃度を検出する下流側NOXセンサである。例えば、下流側NOXセンサ5により検出されるNOX濃度と上流側NOXセンサ4により検出されるNOX濃度との比をNOX還元率とすることができる。6はNOX触媒装置2から流出するアンモニアをN2又はNOX等へ酸化させるための例えば貴金属触媒を担持する酸化触媒装置である。
ところで、チタニア又はゼオライト等のNOX触媒装置2の担体は、余剰の尿素を保持することができる。このように、NOX触媒装置2に尿素保持機能(還元剤保持機能)を持たせて余剰尿素を保持させれば、保持された尿素からもNH3が発生し、供給された尿素から発生するNH3と共にNOX触媒装置2内にNH3を全体的に分布させることができるために、排気ガス中のNOXを良好に還元することができ、供給された尿素から発生するNH3だけによりNOXを還元する場合に比較して、NOXの還元率を高めることができる。
図2の点線は、NOX触媒装置2の温度Tと尿素保持可能量との関係を示しており、NOX触媒装置2の温度Tが低いほど多量の尿素を保持することができる。一方、図2の実線は、このようにNOX触媒装置2の温度Tにより変化する尿素保持可能量(点線)を超えないように尿素保持可能量に対して余裕を持って設定されたNOX触媒装置2の温度T毎の目標尿素保持量Atを示すグラフである。
このように、NOX触媒装置2に目標尿素保持量Atの尿素が保持されていれば、保持された尿素から発生するNH3と供給された尿素から発生するNH3とによってNOXを良好に還元することができる。また、1より大きな当量比の尿素がNOX触媒装置2に供給されても、余剰尿素を保持し、直ぐにNH3がNOX触媒装置2から流出することはない。
しかしながら、常に、NOX触媒装置2に目標尿素保持量Atの尿素が保持されるように、NOX触媒装置2へ供給する尿素量を制御すると、NOX触媒装置2の現在の尿素保持量が現在の目標尿素保持量Atを超えたと推定される時には、尿素の供給が停止され、保持された尿素から発生するNH3だけによって排気ガス中のNOXが還元されることとなり、NH3がNOX触媒装置2内全体に分布しないために、NOXの浄化率が低下してしまう。
また、NOX触媒装置2に目標尿素保持量Atの尿素が保持されるように、NOX触媒装置2へ供給する尿素量を制御しても、供給された尿素がNOX触媒装置2内に全体的に分布して保持されるとは限らず、目標尿素保持量Atの尿素量がNOX触媒装置2の一部に集中すれば、アンモニアの流出が発生してしまう。
本発明による内燃機関の排気浄化装置は、図3に示すフローチャートに従って尿素供給制御が実施される。先ず、ステップ101において、現在のNOX触媒装置2の温度Tに対する目標尿素保持量Atと、現在のNOX触媒装置2の尿素保持量Aとの差が、設定量ΔAより多いか否かが判断される。
現在の尿素保持量Aは、現在の排気ガス中のNOX濃度、今回供給される尿素の当量比、現在の単位時間当たりの排気ガス量、及び、現在のNOX触媒装置2の温度T等に基づき、今回供給された尿素量のうちで新たに保持される尿素量及び前回の尿素保持量からアンモニアとして放出される尿素量を推定し、推定された新たに保持される尿素量を前回の尿素保持量に加算し、推定されたアンモニアとして放出される尿素量を前回の尿素保持量から減算して推定される。NOX触媒装置2の温度Tが高くなるほど、アンモニアとして放出される尿素量は多くなる。
ステップ101の判断が肯定される時、すなわち、現在の尿素保持量Aが現在のNOX触媒装置2の温度Tに対する目標尿素保持量Atをかなり下回る時には、ステップ102において第一制御が実施される。第一制御においては、1より大きな当量比、例えば当量比2の尿素水溶液が尿素供給装置3によってNOX触媒装置2へ供給される。次いで、ステップ103において、今回の第一制御により尿素が供給された後の尿素保持量Aが推定され、ステップ104において、推定された尿素保持量Aが現在のNOX触媒装置2の温度Tに対する目標尿素保持量Atに達したか否かが判断され、この判断が否定される時には、ステップ102及び103の処理が繰り返され、第一制御によってNOX触媒装置2へ尿素が供給される。
尿素保持量Aが現在のNOX触媒装置2の温度Tに対する目標尿素保持量Atに達した時には、ステップ104の判断が肯定されてステップ101へ戻る。この時においては、尿素保持量Aが現在のNOX触媒装置2の温度Tに対する目標尿素保持量Atに達しているために、ステップ101の判断は否定され、ステップ105において、第二制御が実施される。第二制御においては、現在の機関運転状態に適した当量比の尿素水溶液が尿素供給装置3によってNOX触媒装置2へ供給される。
例えば、排気ガス中のNOX濃度が高いために、高いNOX浄化率が望まれる時には、1より大きな当量比の尿素を供給し、また、車両停止中のようにアンモニア放出を抑制することが望まれる時には、1より小さな当量比の尿素を供給する。また、通常時は、当量比1の尿素を供給する。また、第二制御においては、常に、1以上の当量比の尿素を供給するようにしても良い。
次いで、ステップ106において、今回の第二制御により尿素が供給された後の尿素保持量Aが推定され、ステップ101へ戻る。ステップ101の判断が肯定されるまで、ステップ105及び106の処理が繰り返され、第二制御によってNOX触媒装置2へ尿素が供給される。
図4の実線は、図3のフローチャートの尿素供給制御により変化する尿素保持量Aを示すタイムチャートである。図4の点線は、NOX触媒装置2の温度Tにより変化する目標尿素保持量Atを示している。時刻t0は機関始動時であり、機関始動時は機関停止時に比較してNOX触媒装置2の温度Tが低下し、目標尿素保持量Atが多くなるために、多くの場合において、現在のNOX触媒装置2の温度Tに対する目標尿素保持量Atと、現在のNOX触媒装置2の尿素保持量Aとの差が、設定量ΔAより多くなる。それにより、第一制御が実施され、1より大きな当量比、例えば当量比2の尿素水溶液が尿素供給装置3によってNOX触媒装置2へ供給され、時刻t1において尿素保持量Aは時刻t1の時の目標尿素保持量Atに達する。
それにより、時刻t1からは、第二制御が実施され、各時刻の機関運転状態に適した当量比の尿素水溶液が尿素供給装置3によってNOX触媒装置2へ供給される。例えば、時刻t1の直後は、1より大きな当量比(例えば1.3)の尿素が供給され、NOX触媒装置2に保持された尿素から発生するNH3と供給された尿素から発生するNH3とによって排気ガス中のNOXは良好に還元され、高いNOX浄化が実現される。
例えば、時刻t2の直前では、NH3の流出を抑制するために、1より小さな当量比(例えば0.7)の尿素が供給され、NOX触媒装置2の尿素保持量Aは減少し、時刻t2において、現在のNOX触媒装置2の温度Tに対する目標尿素保持量Atと、現在のNOX触媒装置2の尿素保持量Aとの差が、設定量ΔAより多くなる。
それにより、時刻t2からは、第一制御が実施され、1より大きな当量比、例えば当量比2の尿素水溶液が尿素供給装置3によってNOX触媒装置2へ供給され、時刻t3において尿素保持量Aは時刻t3の時の目標尿素保持量Atに達する。それにより、時刻t3からは、再び第二制御が実施される。
このような尿素供給制御によれば、第二制御中においては、高いNOX浄化率が必要とされるにも係わらずに、目標尿素保持量Atより多い尿素を保持しているために、尿素の供給が停止されてNOX浄化率が低下するようなことはなく、NOX触媒装置2において保持された尿素からNH3が発生すると共に第二制御によって予め設定された当量比の尿素がNOX触媒装置2へ供給されてNH3を発生させるために、これらのNOX触媒装置2内に全体的に分布する十分な量のNH3により高いNOX浄化率を実現することができる。
第二制御における当量比は、例えば、NOX触媒装置2の温度Tと単位時間当たりの排気ガス量Gとに基づき分割された図5に示す機関運転領域A、B、Cにおいて、運転領域Aでは、NOX触媒装置2の温度Tが低く、NOX触媒装置2のNOX還元性能が低下しているために、1より大きな当量比の尿素を供給するようにして、NOXの還元率を高めることが好ましい。この領域においては、排気ガス量Gが少なく、NOX触媒装置2からNH3が流出しても下流側の酸化触媒装置6により十分にNH3を酸化させ、NH3の大気放出量を十分に低減することができる。
また、運転領域Bでは、NOX触媒装置2の温度Tは運転領域Aより高く、NOX触媒装置2のNOX還元性能は、それほど低下していないために、当量比1の尿素を供給するようにしている。
また、運転領域Cでは、NOX触媒装置2の温度Tは高く、NOX触媒装置2のNOX還元性能は高いために、1より小さな当量比の尿素を供給するようにしている。また、この領域においては、排気ガス量Gが多く、NOX触媒装置2からNH3が流出すると、下流側の酸化触媒装置6により十分にNH3を酸化させることができないために、1より小さな当量比の尿素を供給するようにしてNOX触媒装置2から殆どNH3が流出しないようにしている。
また、第二制御における当量比は、例えば、機関回転数NEと機関負荷Lとに基づき分割された図6に示す機関運転領域D、E、Fにおいて、運転領域Dでは、排気ガス量が少なく、NOX触媒装置2からNH3が流出しても下流側の酸化触媒装置6により十分にNH3を酸化させることができるために、1より大きな当量比の尿素を供給するようにして、NOXの還元率を高くしている。
また、運転領域Eでは、排気ガス量は運転領域Dより多く、NOX触媒装置2から余りNH3が流出しないようにすることが好ましく、当量比1の尿素を供給するようにしている。
また、運転領域Fでは、排気ガス量が多く、NOX触媒装置2からNH3が流出すると、下流側の酸化触媒装置6により十分にNH3を酸化させることができないために、1より小さな当量比の尿素を供給するようにしてNOX触媒装置2から殆どNH3が流出しないようにしている。
このように、第二制御中においては、現在の目標尿素保持量に対する現在の尿素保持量に関係なく、機関運転状態毎に最適な当量比の尿素がNOX触媒装置2へ供給されるようにしている。その結果として、NOX触媒装置2からNH3が流入することがあり、NOX触媒装置2の下流側には、NH3を酸化するための酸化触媒装置6を配置することが好ましい。
本尿素供給制御において、第一制御は、NOX触媒装置2の現在温度の目標尿素保持量Atと現在の尿素保持量Aとの差が設定量ΔAより多くなった時に実施される。それにより、NOX触媒装置2の現在温度の目標尿素保持量と現在の尿素保持量との差が設定量より多くなったままとされて、第二制御中において、NOX触媒装置2において保持尿素からのNH3の放出が不十分となってNOX浄化率が低下することを抑制することができる。
例えば、排気通路1にパティキュレートフィルタが配置されている場合において、パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを焼失させるために排気ガスの温度が高められることがあり、この時には、NOX触媒装置2の温度Tも上昇して尿素保持量Aが減少するために、その直後において、現在温度の目標尿素保持量Atと現在の尿素保持量Aとの差が設定量ΔAより多くなり易い。
本尿素供給制御において、機関始動時の尿素保持量に関係なく、第一制御を機関始動毎に実施するようにしても良い。それにより、機関始動毎に第一制御により目標尿素保持量の尿素を保持するようにされ、第二制御中において、NOX触媒装置2において保持尿素からのNH3の放出が不十分となってNOX浄化率が低下することを抑制することができる。
これまでの説明において、NOX触媒装置2へ供給される還元剤は、尿素水溶液としたが、燃料、すなわち、炭化水素HCとしても良く、燃料の場合にも当量比に基づき同様に供給すれば良い。
2 NOX触媒装置
3 尿素供給装置
6 酸化触媒装置
Claims (5)
- 還元剤を保持する還元剤保持機能を有し、還元剤によりNOXを還元浄化するNOX触媒装置において、前記還元剤保持機能が予め設定された目標量の還元剤を保持するまで前記NOX触媒装置へ流入する排気ガス中のNOX量に対して1より大きい当量比の還元剤を前記NOX触媒装置へ供給する第一制御が実施された時から次に前記第一制御が実施される時までの間は、前記還元剤保持機能により保持されている還元剤の量に係わらずに、前記NOX触媒装置へ流入する排気ガス中のNOX量に対して予め設定された当量比の還元剤を前記NOX触媒装置へ供給する第二制御を実施することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
- 前記第二制御における前記当量比は、機関運転状態毎に設定されていることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記第一制御における前記目標量は、前記NOX触媒装置の温度毎に設定されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記第一制御は、前記NOX触媒装置の現在温度の前記目標量と前記還元剤保持機能により保持された現在の還元剤保持量との差が設定量より多くなった時に実施されることを特徴とする請求項3に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記第一制御は、機関始動毎に実施されることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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