JP5035263B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
本発明はこのような課題に鑑みてなされたもので、アンモニア吸蔵型の選択還元触媒における炭化水素被毒の発生を的確に把握し、排気ガス中のアンモニア濃度を最小限に抑制して、良好な環境性能を確保することができるようにした、内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
また、ここでいう酸化雰囲気とは排気中の酸素濃度が還元成分(HC,CO等)の濃度に対して相対的に高い状態を意味しており、還元雰囲気とは排気中の還元成分の濃度が酸素濃度に対して相対的に高い状態を意味している。エンジンにおける空燃比をリーンに設定すると排気が酸化雰囲気となり、一方、空燃比をリッチにすると排気が還元雰囲気となる。
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置(請求項7)は、請求項5又は6記載の構成に加え、該アンモニア生成抑制手段が、該被毒再生制御手段における該再生制御の継続時間が経過したときに、該吸蔵還元触媒で生成される該アンモニアの量の抑制を停止することを特徴としている。
ここで、該アンモニア生成抑制手段は、該再生制御の継続時間が経過したときに該炭化水素被毒が解消されたものとみなしていることになる。
また、上述のアンモニア濃度検出手段,窒素酸化物濃度検出手段としては、それぞれアンモニア濃度,窒素酸化物濃度を直接検出するガス濃度センサを用いてもよいし、あるいは一方のガス濃度から他方のガス濃度を推定するものとしてもよい。また、O2センサの検出結果から推定するものとしてもよい。
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置(請求項2)によれば、アンモニア生成促進手段による制御が禁止されるため、炭化水素被毒の検出時における排気中のアンモニア量をほぼ皆無にすることができる。
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置(請求項4)によれば、第二触媒温度及び増加量を把握することにより、触媒の熱劣化や一般的な経時劣化に伴う性能低下速度と実際の性能低下速度とを比較することができる。炭化水素被毒の場合には、熱劣化や一般的な経時劣化と比較して短時間で大幅に性能が低下するため、実際の性能低下速度が大きい場合には炭化水素被毒が生じているとみなすことができる。このように、選択還元触媒の吸蔵層の能力低下が炭化水素被毒によるものなのか、それとも吸蔵層の破壊によるものであるのかを正確に切り分けて判断することができる。
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置(請求項6)によれば、選択還元触媒に流入する排気温度が高いほど炭化水素の吸蔵層からの脱離速度が増加するため、これに応じて再生制御の継続時間を短縮することにより、炭化水素の脱離量を確保しつつ燃費を向上させることができる。
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置(請求項8)によれば、仮に何らかの理由によって再生制御で炭化水素被毒が完全には解消されなかったとしても、解消されなかった炭化水素被毒量に基づいて次回の再生制御に追加時間が加算されるため、確実に炭化水素被毒を解消することができる。
[1.全体構成]
図1に示すエンジン5(内燃機関)は、炭化水素(HC)である軽油を燃料とするディーゼルエンジンであり、このエンジン5には排気通路7及び吸気通路8が接続されている。吸気は吸気通路8を介してエンジン5の各気筒の燃焼室へと導入され、燃焼後の排気ガス(以下、単に排気ともいう)は排気通路7を通って外部へ排出されている。エンジン5における空燃比R及び燃料噴射圧,燃料噴射タイミング等は、後述する制御装置4によって制御されている。なお、制御装置4にはインストルパネル内に配設された警告灯9(報知手段)が接続されている。
ターボチャージャーは、排気通路7及び吸気通路8のそれぞれを跨ぐように介装された過給器であり、排気通路7を流通する排気ガスの排気圧でタービンを回転させ、その回転力を利用してコンプレッサを駆動することにより、吸気通路8からの吸気を圧縮してエンジン5への過給を行う。
吸蔵還元触媒1(NOxトラップ触媒)は、カリウム(K)やバリウム(Ba)等の窒素酸化物吸蔵材(NOxトラップ材)を触媒表面に担持した触媒であり、NO2を硝酸塩(NO3 -)の形で吸蔵する機能を備えている。吸蔵還元触媒1の表面には、上記の窒素酸化物吸蔵材だけでなく、酸化触媒6aと同様の触媒貴金属の微粒子も担持されている。これにより吸蔵還元触媒1は、酸化触媒6aで生成されたNO2のほか吸蔵還元触媒1自身が生成したNO2を酸化雰囲気下で吸蔵する。一方、吸蔵還元触媒1は、触媒の周囲が還元雰囲気になると吸蔵されたNO3 -をNO2へ還元して、窒素酸化物吸蔵材から放出するようになっている。
まず、本制御装置4における制御内容について説明する。制御装置4は、エンジン5における燃料噴射量及び燃料噴射タイミングを制御することによって、空燃比R及び排気の温度を制御する電子制御装置である。ここでは、図3に示すように、空燃比Rが周期的にR1又はR2の何れか一方に調整されて、排気の酸化・還元雰囲気が変更されている。以下、還元雰囲気を形成する空燃比R1の状態(リッチ運転状態)の継続時間のことをNOxパージ時間と呼び、酸化雰囲気を形成する空燃比R2の状態(リーン運転状態)の継続時間のことをNOxパージ間隔と呼ぶ。また、このような空燃比制御のことを、通常空燃比制御と呼ぶ。
続いて、本制御装置4の内部構成について説明する。本制御装置4は、マイクロコンピュータで構成されたエンジン5を制御するための電子制御装置であり、周知のマイクロプロセッサやROM,RAM等を集積したLSIデバイスとして提供されている。この制御装置4は、空燃比制御に係る空燃比制御部4c及び排気温度制御に係る被毒再生制御部4f(被毒再生制御手段)の二種類の制御部を備えて構成されている。さらに、制御装置4には、被毒検出部4a(被毒検出手段),被毒量演算部4b(被毒量演算手段),再生頻度演算部4g(再生頻度演算手段)が備えられている。
被毒検出部4aは、選択還元触媒2のゼオライト層における炭化水素被毒の有無を検出するものである。ここでは、以下の条件〔1〕及び〔2〕がともに成立する場合に、炭化水素被毒があるものと判断する。
〔1〕吸蔵還元触媒1でアンモニアが生成されている
〔2〕選択還元触媒2の下流側に規定濃度APを超えるアンモニアが検出されている
被毒検出部4aは、条件〔1〕に関して、図2に示されたアンモニアの生成温度範囲に基づき、吸蔵還元触媒1の触媒温度T1が第一温度TAから第二温度TBまでの間にある場合(TA≦T1≦TB)に、アンモニアが生成されているものと判定する。また、アンモニアが生成されている状態下で、選択還元触媒2の下流側のアンモニア濃度A0が規定濃度APを超えていれば(A0<AP)、被毒検出部4aは炭化水素被毒があるものと判断する。
〔2′〕選択還元触媒2の下流側に規定濃度NPを超える窒素酸化物が検出されている
ここでいう規定濃度AP,NPは、予め設定された所定値としてもよいし、あるいは触媒温度T1の関数として設定してもよい。
被毒量演算部4bは、選択還元触媒2のゼオライト層における炭化水素被毒の度合いを演算するものである。ここでは、選択還元触媒2の下流側の窒素酸化物濃度N0に基づいて炭化水素被毒量Pを演算する。炭化水素被毒量Pは、窒素酸化物濃度N0の関数として以下の式1のように記述される。
つまりここでは、選択還元触媒2に炭化水素被毒が生じていないときに排出されるだろう窒素酸化物の規定量NPと実際の窒素酸化物濃度N0との差が炭化水素被毒に起因する濃度上昇分であるとみなして、炭化水素被毒量Pを演算していることになる。
ここでいう規定量NPは、予め設定された一定値としてもよいし、あるいは空燃比Rや触媒温度T1に応じて変動する値としてもよい。なお、炭化水素被毒量Pの演算は、被毒検出部4aで炭化水素被毒があるものと判断されたときと、後述する炭化水素被毒の再生制御が終了したときに実施される。
空燃比制御部4cは、前述の三種類の空燃比制御を実施するものである。また、空燃比制御部4cには、アンモニア生成促進部4d(アンモニア生成促進手段)及びアンモニア生成抑制部4e(アンモニア生成抑制手段)が備えられている。
〔3〕吸蔵還元触媒1の触媒温度T1が第一温度TAから第二温度TBまでの間にある
〔4〕選択還元触媒2での窒素酸化物の還元反応に係るアンモニア量が不足している
これらの条件〔3〕及び〔4〕がともに成立する場合に、アンモニア生成促進制御が開始される。
上記の条件〔4〕は、例えば、選択還元触媒2の吸蔵層に吸蔵されているアンモニア量が予め設定された所定量未満であるか否かを判定してもよいし、あるいは、選択還元触媒2の下流側のアンモニア濃度や窒素酸化物濃度に基づいて判定してもよい。
被毒再生制御部4fは、前述のゼオライト層の再生制御を実施するものである。すなわち、被毒検出部4aで炭化水素被毒が検出された場合に、選択還元触媒2に流入する排気温度T0を予め設定された所定温度TC以上に昇温させる制御が実施される。本実施形態では具体的な昇温手法に関する説明を省略するが、例えばアフター噴射やポスト噴射(エンジン出力を得るためのメイン噴射の後に付加的に燃料を噴射すること),酸化触媒6aの上流側の排気通路7内への燃料噴射等を用いることが考えられる。ここで設定されている所定温度TCとは、選択還元触媒2のゼオライト層に吸蔵された炭化水素が脱離する温度であり、例えば380℃前後に設定されている。
ここでは、排気温度センサ3aから随時入力される排気温度T0に基づいて、選択還元触媒2のゼオライト層からの炭化水素の脱離速度に係るHC(炭化水素)脱離係数kが設定される。例えば、図5に示すように、排気温度T0が所定温度TCである状態を基準としてHC脱離係数kがk=1に設定され、排気温度T0がこれよりも低い場合にはk=0とされている。つまり、排気温度T0が0≦T0<TCの範囲では、炭化水素が脱離しないものとみなしている。また、排気温度T0が所定温度TC以上の範囲では、排気温度T0が高いほど、設定されるHC脱離係数kが指数的に増大するように設定されている。
さらに、被毒再生制御部4fは、再生制御が終了した時点で演算された炭化水素被毒量P′に基づき、追加再生時間t′を設定する。この追加再生時間t′は、炭化水素被毒量P′に比例した大きさに設定されて、その後の再生制御の継続時間tに加算されるものである。つまり、再生制御を実施したにも関わらず十分に炭化水素被毒が解消されていない場合には、その回復不足の度合いに応じてその後の再生制御の継続時間を延長する。なお、追加再生時間t′の初期値はt′=0である。
再生頻度演算部4gは、再生制御の頻度F(以下、単に再生頻度と呼ぶ)を演算して、選択還元触媒2の状態を判断するものである。ここでは、単位時間あたり又は単位走行距離あたりの再生制御の実施回数を再生頻度Fとして演算する。この頻度は、選択還元触媒2における炭化水素被毒以外の要因による性能の低下を把握するために用いられる。
なお、ここでの再生頻度Fの演算は、エンジン5の始動時を基準としたものとしてもよいし、あるいは前回の再生制御の終了時を基準としたものとしてもよい。前者の場合、再生制御の実施回数をエンジン5の始動時からの経過時間又は走行距離で除算したものが再生頻度Fとなる。また、後者の場合、一回の再生制御毎に、前回の再生制御の終了時からの経過時間又は走行距離の逆数が再生頻度Fとなる。
図6は、制御装置4において所定の周期で繰り返し実施される制御内容を簡略化して示したフローチャートである。まず、ステップA10では、吸蔵還元触媒1の触媒温度T1,選択還元触媒2の下流側のアンモニア濃度A0及び窒素酸化物濃度N0が制御装置4に読み込まれる。
そして続くステップA60では、カウンターC1がC1=0に設定され、タイマーC2のカウント(計時)が開始される。カウンターC1は炭化水素被毒の再生制御の終了条件判定に用いられるものであり、ステップA70〜A130の制御サイクル毎に累積加算されるものである。したがって、実際の再生制御の経過時間とは必ずしも一致しない。一方、タイマーC2は上記の制御サイクル毎の経過時間を正確に計測するものである。なお、タイマーC2で計測される一回の制御サイクルの経過時間は、図7中に示された時間twに対応する。
ステップA90では、排気温度センサ3aで検出された排気温度T0が被毒再生制御部4fに読み込まれ、ステップA100でその排気温度T0に基づいてHC脱離係数kが設定される。
一方、ステップA110においてC1≧t+t′である場合には、ゼオライト層の再生が完了したとみなせる時間が経過したと判断されて、ステップA140へ進む。
そして、続くステップA150では、被毒量演算部4bにおいて、再生制御終了時の窒素酸化物濃度N0′に基づき炭化水素被毒量P′が演算され、さらにステップA160では被毒再生制御部4fにおいて、炭化水素被毒量P′に基づいて追加再生時間t′が設定される。ここで設定される追加再生時刻t′は、ステップA110での判定条件に用いられるものであり、その後の再生制御の継続時間に追加されることになる。
上記のような制御により、本排気浄化装置では炭化水素被毒が検出されるとアンモニア生成促進制御が禁止されるため、吸蔵還元触媒1でのアンモニアの生成が抑制され、排気中のアンモニア濃度をほぼ0にすることができる。つまり、選択還元触媒2の下流側へのアンモニアの流出を抑制することができ、排気成分をクリーンに保つことができる。
炭化水素被毒を検出する構成に関して、被毒検出部4aでは、条件〔1〕及び〔2〕から、選択還元触媒2の上流側及び下流側のアンモニア濃度を把握している。これにより、選択還元触媒2に使用あるいは吸蔵されたアンモニア量を正確に計測することができ、炭化水素被毒の有無を正確に検出することができる。
例えば、図7に示すように、任意の目標再生量Qの炭化水素を選択還元触媒2のゼオライト層から脱離させるのに要する時間がtであるとすると、図中の直線の勾配は、単位時間当たりの脱離量に対応する値となる。ここで、時刻txに排気温度T0が上昇して単位時間当たりの脱離量が増大すれば、破線で示すように時刻ty(ty<t)には目標再生量Qに到達する。このように、再生制御の継続時間を短縮することにより、アフター噴射やポスト噴射といった排気の昇温のために消費される燃料量を節約することができる。
さらに、再生制御が終了する毎に再生頻度Fが所定頻度F0以上であるか否かを判定することにより、炭化水素被毒のような一時的な能力低下と、経時劣化による能力低下とを確実に切り分けることが可能である。なお、再生頻度Fが所定頻度F0以上となった場合には警告灯9が点灯するため、選択還元触媒2のゼオライト層が経時劣化したことを搭乗者に報知することができ、点検整備を促すことができる。
本発明の変形例としての添加剤噴射装置を図8に示す。なお、上述の実施形態で説明されたものと同一の構成については同一の符号を用いて図中に示し、説明を省略する。本変形例では、再生頻度Fを評価する代わりに、選択還元触媒2の性能低下速度を評価するものである。
また、制御装置4は、上述の実施形態と同様に、被毒検出部4a,被毒量演算部4b,空燃比制御部4c及び被毒再生制御部4fを備え、再生頻度演算部4gの代わりに性能低下速度演算部4h(性能低下速度演算手段)を備えて構成される。
〔5〕第二触媒温度T2が予め設定された低温域(例えば250℃以下)である
〔6〕浄化性能の低下速度が予め設定された所定速度よりも大きい
一般に、炭化水素被毒はアイドリング状態や低速走行時など、選択還元触媒2が低温域にあるときに顕著に見られる現象であり、第二触媒温度T2が高温であるときにはほとんど発生しない。また、経時劣化による性能低下速度は炭化水素被毒による性能低下速度と比較して小さく、緩やかに低下する。
このように、本変形例としての排気浄化装置によれば、第二触媒温度T2及び浄化性能の低下速度を把握することにより、触媒の熱劣化や一般的な経時劣化に伴う性能低下速度と実際の性能低下速度とを比較することができる。すなわち、選択還元触媒2のゼオライト層の能力低下が炭化水素被毒によるものなのか、それともゼオライト層の破壊によるものであるのかを正確に切り分けて判断することができる。
以上、本発明の一実施形態及びその変形例について説明したが、本発明は上述の実施形態等に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
例えば、上述の実施形態では、アンモニア生成促進制御を禁止すること(すなわち、通常空燃比制御を実施すること)によってアンモニア生成を抑制しているが、これに代えて、あるいはこれに加えて、排気の温度を制御することによってアンモニアの生成を抑制することも考えられる。
同様に、上述の実施形態及び変形例における窒素酸化物センサ3dの具体例としては、窒素酸化物濃度を直接検出する窒素酸化物ガス濃度センサ等を用いてもよいし、あるいはアンモニアセンサ3cやO2センサを用いてその検出結果から窒素酸化物濃度を推定するものとしてもよい。したがって、実質的には、上述の実施形態及び変形例におけるアンモニアセンサ3c及び窒素酸化物センサ3dのうち、少なくとも何れか一方のセンサがあれば、本願発明に係る制御は可能である。
2 選択還元触媒(尿素SCR触媒)
3a 排気温度センサ(排気温度検出手段)
3b 触媒温度センサ(触媒温度検出手段)
3c アンモニアセンサ(アンモニア濃度検出手段)
3d 窒素酸化物センサ(窒素酸化物濃度検出手段)
3e 第二触媒温度センサ(第二触媒温度検出手段)
4 制御装置
4a 被毒検出部(被毒検出手段)
4b 被毒量演算部(被毒量演算手段)
4c 空燃比制御部
4d アンモニア生成促進部(アンモニア生成促進手段)
4e アンモニア生成抑制部(アンモニア生成抑制手段)
4f 被毒再生制御部(被毒再生制御手段)
4g 再生頻度演算部(再生頻度演算手段)
4h 性能低下速度演算部(性能低下速度演算手段)
5 エンジン(内燃機関)
6a 酸化触媒(DOC)
6b フィルタ(DPF)
7 排気通路
8 吸気通路
9 警告灯(報知手段)
T0 選択還元触媒の上流側の排気温度
T1 吸蔵還元触媒の触媒温度
T2 選択還元触媒の触媒温度(第二触媒温度)
A0 選択還元触媒の下流側のアンモニア濃度
N0 選択還元触媒の下流側の窒素酸化物濃度
Claims (9)
- 内燃機関の排気に含有される窒素酸化物を酸化雰囲気下で吸蔵し、該窒素酸化物を還元雰囲気下で還元するとともに該窒素酸化物からアンモニアを生成する吸蔵還元触媒と、
排気通路における該吸蔵還元触媒の下流側に介装され、吸蔵層に該アンモニアを吸蔵するとともに該アンモニアを還元剤として該窒素酸化物を還元するアンモニア吸蔵型の選択還元触媒と、
該選択還元触媒の該吸蔵層における炭化水素被毒の有無を検出する被毒検出手段と、
該被毒検出手段において該炭化水素被毒が検出された場合に、該吸蔵還元触媒で生成される該アンモニアの量を抑制するアンモニア生成抑制手段と、を備えた
ことを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。 - 該被毒検出手段において該炭化水素被毒が検出されない場合に、該排気の該還元雰囲気の生成間隔を短縮あるいは生成時間を延長する制御を実施するアンモニア生成促進手段をさらに備え、
該アンモニア生成抑制手段が、該被毒検出手段において該炭化水素被毒が検出された場合に、該アンモニア生成促進手段による制御を禁止する
ことを特徴とする、請求項1記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 該吸蔵還元触媒における触媒温度を推定又は検出する触媒温度検出手段と、
該選択還元触媒の下流側におけるアンモニア濃度を推定又は検出するアンモニア濃度検出手段と、をさらに備え、
該被毒検出手段が、該触媒温度及び該アンモニア濃度に基づいて該炭化水素被毒の有無を検出する
ことを特徴とする、請求項1又は2記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 該選択還元触媒における第二触媒温度を推定又は検出する第二触媒温度検出手段と、
該選択還元触媒の下流側における窒素酸化物濃度を推定又は検出する窒素酸化物濃度検出手段と、
該窒素酸化物濃度検出手段で検出された該窒素酸化物濃度の単位時間あたり又は単位走行距離あたりの増加量を演算する性能低下速度演算手段と、をさらに備え、
該被毒検出手段が、該第二触媒温度及び該増加量に基づいて該炭化水素被毒の有無を検出する
ことを特徴とする、請求項3記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 該選択還元触媒の該吸蔵層における炭化水素被毒量を演算する被毒量演算手段と、
該被毒検出手段で該炭化水素被毒が検出された場合に、該選択還元触媒に流入する排気温度を予め設定された所定温度以上に昇温させる再生制御を実施する被毒再生制御手段と、をさらに備え、
該被毒再生制御手段が、該被毒量演算手段で演算された該炭化水素被毒量に基づいて、該再生制御の継続時間を制御する
ことを特徴とする、請求項1〜4の何れか1項に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 該選択還元触媒に流入する排気温度を検出する排気温度検出手段をさらに備え、
該被毒再生制御手段が、該排気温度検出手段で検出された該排気温度が高温であるほど、該再生制御の継続時間を短縮する
ことを特徴とする、請求項5記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 該アンモニア生成抑制手段が、該被毒再生制御手段における該再生制御の継続時間が経過したときに、該吸蔵還元触媒で生成される該アンモニアの量の抑制を停止する
ことを特徴とする、請求項5又は6記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 該被毒量演算手段が、該被毒再生制御手段における該再生制御の継続時間が経過した時点における第二炭化水素被毒量を演算し、
該被毒再生制御手段が、該被毒量演算手段で演算された該第二炭化水素被毒量に基づく該再生制御の追加時間を該継続時間に加算する
ことを特徴とする、請求項5〜7の何れか1項に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 単位時間あたり又は単位走行距離あたりの該再生制御の実施回数である再生頻度を演算する再生頻度演算手段と、
該再生頻度演算手段で演算された該再生頻度が予め設定された所定値以上となった場合に、警告を報知する報知手段と、をさらに備えた
ことを特徴とする、請求項5〜8の何れか1項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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