JP5158214B2 - 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。
一般に、ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気系に配置される排気浄化装置として、排気ガスに含まれる窒素酸化物(NOx)を浄化するためのNOx触媒が知られている。このNOx触媒としては様々なタイプのものが知られているが、その中で、還元剤の添加によりNOxを連続的に還元除去する選択還元型触媒が公知である。還元剤としては尿素水又はアンモニアが知られている。通常は、所定の割合で水に混合した尿素水を触媒上流側の排気ガス中に噴射供給し、この尿素水溶液に含まれる尿素を排気ガス等の熱により加水分解してアンモニアを発生させる。そして、選択還元型触媒上でNOxから酸素を取り除き窒素に戻すアンモニアによる還元作用より、排気ガス中のNOxが浄化される(例えば、特許文献1〜3等を参照)。
特開2006−342735号公報 特開2006−112313号公報 国際公開2004−18850号公報
ところで、内燃機関の始動時等においては、選択還元型触媒の温度が活性化温度まで達しておらず、この状態においては、内燃機関で生成されたNOxが浄化されずに外部に放出されてしまう可能性がある。この問題を克服するために、選択還元型触媒の上流側にNOxを一時的に吸着するNOx吸着材を設け、選択還元型触媒が活性化していない間は、NOx吸着材でNOxを吸着しておき、選択還元型触媒が活性化した状態でNOx吸着材からNOxを離脱させる技術が提案されている。
しかしながら、NOx吸着材で吸着されたNOxが大量に選択還元型触媒へ供給されると、選択還元型触媒でNOxを浄化しきれずに、浄化されない一部のNOxが外部に放出されてしまう可能性がある。
本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、選択還元型触媒の活性化、非活性化にかかわらず、選択還元型触媒でNOxが浄化されずにすりぬけるのを抑制してNOx浄化率を向上させることができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
本発明の第1の観点に係る内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられて排気ガスに含まれるNOxを一時的に吸着するNOx吸着材と、排気通路のNOx吸着材の下流側に設けられて排気ガスに含まれるNOxを選択的に還元する選択還元型触媒と、選択還元型触媒にアンモニアを還元剤として供給する還元剤供給手段と、NOx吸着材に吸着されているNOxを脱離させる脱離手段と、NOx吸着材からのNOxを脱離させる際に、NOxが外部に放出されるのを抑制すべく、前記選択還元型触媒の浄化率及び前記脱離手段によるNOx脱離量の少なくとも一方を調整する調整手段とを有することを特徴とする。
本発明の第2の観点に係る内燃機関の排気浄化装置は、脱離手段により前記NOx吸着材から脱離されるNOx量を推定するNOx量推定手段をさらに有し、調整手段は、前記NOx量推定手段により推定したNOx量に応じて、前記選択還元型触媒に供給すべき還元剤の量を調整することを特徴とする。
また、本発明第2の観点に係る内燃機関の排気浄化装置において、選択還元型触媒に吸着されているアンモニア吸着量を推定するアンモニア吸着量推定手段をさらに有し、調整手段は、推定したNOx量及び推定したアンモニア吸着量とに応じて、選択還元型触媒に供給すべき還元剤の量を調整する、構成を採用できる。
さらに、本発明の第3の観点に係る内燃機関の排気浄化装置は、選択還元型触媒に吸着されているアンモニア吸着量を推定するアンモニア量推定手段をさらに有し、調整手段は、推定したアンモニア吸着量に応じて、脱離手段によるNOx脱離量を調整することを特徴とする。
上記構成において、脱離手段は、NOx吸着材の温度を制御することにより、NOx脱離量を調整する構成を採用できる。好適には、NOx吸着材の温度に応じて変化するNOx吸着可能量を利用してNOx脱離量を調整する。
上記構成において、脱離手段は、排気通路の前記NOx吸着材の上流側に設けられて、燃焼ガスを前記排気通路に噴出するバーナーを含み、前記調整手段は、前記バーナーの排出する熱量を制御することにより、NOx脱離量を調整する構成を採用できる。
上記構成において、脱離手段によるNOxの脱離は、アイドリング運転時又は車両減速時に実行される、構成を採用できる。
本発明によれば、選択還元型触媒の活性化、非活性化にかかわらず、選択還元型触媒でNOxが浄化されずにすりぬけるのを抑制してNOx浄化率を向上させることができる。
図1は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成を示す図である。 図2は、本発明の一実施形態に係るNOx脱離処理の一例を示すフローチャートである。 図3は、NOx排出量を推定するためのマップの一例を説明するための図である。 図4は、選択還元型触媒の触媒床温と選択還元型触媒に吸着可能なアンモニアの最大吸着量との関係を示すグラフである。 図5は、本発明の一実施形態に係るNOx浄化率調整処理の一例を示すフローチャートである。 図6は、NOx浄化率を決定するためのマップの一例を説明するための図である。 図7は、本発明の一実施形態に係るNOx脱離量調整処理の一例を示すフローチャートである。 図8は、推定したアンモニア吸着量から浄化可能なNOx浄化量を求めるためのマップの一例を説明するための図である。 図9は、図8で求めたNOx浄化量を補正するための補正係数を求めるためのマップの一例を説明するための図である。 図10は、NOx吸着材の温度調整によるNOx放出量の制御方法を説明するための図である。
以下、本発明の最良の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成図である。
図1において、内燃機関10は、例えば、ディーゼルエンジンである。この内燃機関10の排気通路15には、上流側から順に、脱離手段としてのバーナー20、NOxを吸着可能な吸着材25、排気ガスEGに含まれるPM(パティキュレート・マター)を捕集するDPF(ディーゼル・パティキュレート・フィルタ)30、選択還元触媒コンバータ40及び酸化触媒コンバータ50が設けられている。
排気通路15において、バーナー20とNOx吸着材25との間には排気温度センサ60A、NOx吸着材25とDPF30との間には排気温度センサ60B、DPF30と選択還元触媒コンバータ40との間には上流側に排気温度センサ60C及び下流側に排気温度センサ60Dがそれぞれ設けられており、これら排気温度センサ60A〜60Dの出力は、電子制御装置(ECU)100に入力される。
排気通路15において、選択還元触媒コンバータ40の上流側にNOxセンサ65A、酸化触媒コンバータ50の下流側にはNOxセンサ65Bがそれぞれ設けられ、これらNOxセンサ65A,65Bの出力は電子制御装置(ECU)100に入力される。
排気通路15において、DPF30と選択還元触媒コンバータ40との間には、排気通路15に尿素水溶液を添加するための還元剤供給手段としての尿素水添加弁70と、この尿素水添加弁70の下流において排気ガスEGと尿素水溶液を混合させるための添加弁下流ミキサ80とが設けられている。
尿素水添加弁70は、所定濃度の尿素水が収容された尿素水タンク71と接続されている。尿素水タンク71には、図示しないポンプが設けられ、ECU100からの制御指令に応じて尿素水を尿素水添加弁70へ供給する。尿素水添加弁70は、ECU100からの制御指令に応じた添加量の尿素水90を排気通路15へ添加する。
バーナー20は、内燃機関10と燃料を供給する燃料供給管16及び空気を供給する空気供給管17と接続され、排気通路15に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁、空気供給管17からの空気を排気通路15に向けて供給する空気導入口、燃料噴射弁から噴射されて空気と混合した燃料に着火する点火プラグ等から構成される。バーナー20の起動及び停止は、ECU100により制御される。このバーナー20を必要に応じて起動することにより、燃料が燃焼されて燃焼ガスが排気通路15へ供給され排気ガスEGの温度が上昇するとともに、未燃燃料が排気通路15内に供給される。なお、バーナー20は、燃料を完全に燃焼したガスを排気通路15内に供給することもできるし、燃焼させたガスに未燃燃料を混ぜた状態で排気通路15内に供給することもできる。
NOx吸着材25は、窒素酸化物(NOx)を一時的に吸着保持できるようになっている。このNOx吸着材25は、後述するように、その温度に応じて吸着可能なNOx量が変化する特性を有する。NOx吸着材25としては、例えば、ゼオライトなどの周知の吸着材料で構成される。
DPF30は、排気ガスEGに含まれる粒子状物質(PM)を捕集するフィルタである。DPF30の構造は、周知のように、例えば、金属やセラミクス製のハニカム体で構成されている。DPF30は、PMが所定量堆積するとバーナー20を用いて、その活性温度以上に昇温して、捕集したPMを燃焼処理し、フィルタ機能を再生する必要がある。この再生処理におけるDPF30の温度は、例えば、600〜700℃程度となる。なお、DPF30に所定量のPMが堆積したかの判断は、周知技術であるので、説明を省略する。
選択還元触媒コンバータ40は、尿素添加弁70から添加される尿素水溶液を還元剤として用いて、排気ガスEGに含まれるNOxを選択的に還元して窒素ガスと水にする。具体的には、排気ガスEG中に添加された尿素水溶液は、排気ガスEGの熱により加水分解されてアンモニアに変化し、このアンモニアが触媒コンバータ40においてNOxと反応し、水と無害な窒素に還元される。この選択還元触媒コンバータ40は、周知の構造であり、例えば、Si、O、Alを主成分とすると共にFeイオンを含むゼオライトから構成されたものや、例えば、酸化アルミニウムアルミナからなる基材の表面にバナジウム触媒(V)などの選択還元型触媒を基体に担持させたものなどを用いることができ、特に、これらに限定されるわけではない。選択還元触媒コンバータ40は、触媒として機能する活性化温度は、例えば200℃程度以上であり、活性化温度に達しない状態でNOxが供給されると、これが還元されないまま外部に排出される可能性がある。
酸化触媒コンバータ50は、選択還元触媒コンバータ40をすり抜ける未燃燃料やアンモニウムを酸化する役割を果たす。この酸化触媒コンバータ50には、周知の構造のものが用いられる。
ECU100は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、EEPROM(Electronically Erasable and Programmable Read Only Memory)等のバックアップ用メモリ、A/D変換器やバッファ等を含む入力インターフェース回路、駆動回路等を含む出力インターフェース回路を含むハードウエアと所要のソフトウエアで構成される。ECU100は、各排気温度センサ60A〜60D、各NOxセンサ65A,65B等からの信号等に基いて、バーナー20、尿素水添加弁70等を制御する。なお、ECU100による具体的な処理については後述する。
次に、上記構成の排気浄化装置におけるNOx脱離処理の一例について図2に示すフローチャートを参照して説明する。なお、図2に示す処理ルーチンは、例えば、所定時間毎に実行される。
内燃機関10を始動させると、内燃機関10からはNOxやPMを含む排気ガスEGが排出される。この排気ガスEGに含まれるNOxは、NOx吸着材25に吸着される。排気ガスEGに含まれるPMは、DPF30に捕集される。車両の走行とともに、NOx吸着材25の吸着したNOx量、及び、DPF30に捕集されたPM量は増加していく。
内燃機関10の始動後、尿素水添加弁70からは、尿素水90が添加され、これが排気ガスEGの熱などにより加水分解されてアンモニアが生成され、このアンモニアが選択還元触媒コンバータ40の選択還元型触媒に吸着される。そして、選択還元型触媒が排気ガスEGなどの熱により非活性化状態から活性化状態となると、排気ガスEGに含まれるNOxの浄化が開始される。選択還元型触媒が活性化状態となると、NOx吸着材25において吸着されずにこれをすり抜けたNOxは選択還元型触媒において浄化されることになる。
図2に示すように、NOx吸着材25のNOx吸着量が所定のしきい値Thを超えているかを判断する(ステップS1)。NOx吸着材25のNOx吸着量は、例えば、図3に示すような、内燃機関10における燃料噴射量とエンジン回転数との関係により規定されるNOx排出量のマップを用いて推定する。このNOxマップで求められるNOx排出量の積算値がNOx吸着材25のNOx吸着量の推定値である。
NOx吸着材25は、そのNOx最大吸着量が、例えば、図4に示すように、NOx吸着材25の温度に応じて変化する特性を有する。すなわち、NOx吸着材25は、その温度に応じて最大吸着量が規定される。このため、図4に示すように、NOx吸着材25の温度に応じて最大吸着量を超えない範囲で規定されたしきい値Thと、NOx吸着量の推定値とを比較し、NOx吸着量の推定値がしきい値Thを超えていない場合には、処理を終了する。
一方、NOx吸着量の推定値がしきい値Thを超えている場合には、NOx吸着材25からのNOxの脱離処理を実行するために、以下の処理を実行する。
まず、車両の運転状態が減速状態かを判断し(ステップS2)、減速状態でない場合には、車両がアイドリング運転時かを判断し(ステップS3)、アイドリング運転でない場合には処理を終了する。なお、このような判断を実行する理由については後述する。
ステップS2及びS3において、車両の運転状態が減速状態あるいはアイドリング運転時である場合には、選択還元型触媒が活性化温度を超えているかを判断する(ステップS4)。選択還元型触媒が活性化温度に達していない場合には、選択還元型触媒でNOxが浄化されず、すり抜けてしまう可能性があるからである。
ステップS4において、選択還元型触媒が活性化温度に達していない場合には、処理を終了し、達している場合に、バーナー20から燃焼ガスを排気通路15へ噴出し、NOx吸着材25の温度をNOx放出温度以上に上昇させ、NOx吸着材25からNOxを脱離させる(ステップS5)。これにより、NOx吸着材25から脱離したNOxが選択還元型触媒において浄化される。
ここで、図3に示したようなNOx排出量マップを用いてNOx吸着材25のNOx吸着量を管理すると、NOx吸着材25の温度上昇に必要なバーナー20の放出する熱量が、排気ガスの熱量と排気ガス温度に左右されるため、特に、ガス量が多く、排気温度が比較的低い場合、バーナー20で消費されるエネルギーが増大し、燃費の悪化を招く。このため、NOx吸着材25からのNOx脱離処理を、車両の運転状態が減速状態あるいはアイドリング運転時に限定している。これにより、特に、NOx排出量が増大する加速時におけるNOx吸着能力を確保しておくことができるとともに、燃費悪化を最小限に抑制できる。
上記したNOx脱離処理においては、NOx吸着材25から大量のNOxが急に放出されると、選択還元型触媒におけるNOxの浄化処理能力を超える場合も想定される。
このため、本実施形態では、NOx吸着材25からのNOxを脱離させる際に、NOxが選択還元型触媒をすり抜けて外部に放出されるのを抑制するために、選択還元型触媒の浄化率及び脱離処理におけるNOx脱離量の少なくとも一方を調整する。
ここで、ECU100によるNOx浄化率調整処理の一例について図5に示すフローチャートを参照して説明する。なお、図5の処理ルーチンは、例えば、所定時間毎に実行される。
ここで、NOx浄化率とは、選択還元触媒コンバータ40により浄化されるNOxの割合であり、NOx浄化率は、例えば、選択還元触媒コンバータ40の上流側と下流側に設けられたNOxセンサ65A,65Bの出力などから求めることができる。
先ず、NOx吸着材25に吸着されたNOxの放出(脱離)を実施するかを判断する(ステップS11)。この判断は、図2において説明したステップS1乃至S4と同様である。また、図2の処理以外の処理により判定することも可能である。
ステップS11において、NOxの放出が不要な場合には、処理を終了し、必要な場合には、NOx吸着材25からのNOxの脱離処理を実行した場合に、放出されるNOx量を推定する。このNOx量の推定は、現在のNOx吸着材25のNOx吸着量から推定できる。
次いで、NOx吸着材25から放出されるNOxを浄化するためのNOx浄化率を算出する(ステップS13)。すなわち、選択還元型触媒で浄化すべきNOx量が一時的に増大するため、これに合わせて選択還元型触媒の浄化率を増加させるためである。選択還元型触媒の浄化率は、例えば、図6に示すような、NOx浄化率マップを用いて決定できる。図6に示す、NOx浄化率マップは、選択還元型触媒の触媒温度と還元型触媒に向けて排出されるNOx量に応じて予め規定されている。
次いで、ステップS13において算出したNOx浄化率に必要な尿素水添加量を算出する(ステップS14)。必要な尿素水添加量は、排出されるNOx量と、決定したNOx浄化率と、選択還元型触媒に既に吸着されているアンモニア吸着量の推定値に基いて算出することができる。選択還元型触媒に既に吸着されているアンモニア吸着量の推定は、尿素水添加量の積算値、NOx浄化量の積算値等から算出できる。なお、選択還元型触媒に既に吸着されているアンモニア吸着量の推定方法は周知の技術であり、詳細説明は省略する。したがって、推定されるアンモニア吸着量に応じて、尿素水添加量が増減されるので、尿素水を過剰に添加するのを防ぐことができる。
次いで、ステップS14において算出した尿素水添加量に基いて、尿素水添加弁70を制御して尿素水添加量を調整する(ステップS15)。すなわち、通常時のNOx浄化率では、還元型触媒に向けて排出されるNOx量を全て浄化できない場合には、尿素水添加量が増量される。
以上の処理により、NOx吸着材25に吸着されたNOxをパージする際に、選択還元型触媒に供給されるNOx量一時的に増加したとしても、選択還元型触媒からNOxのすり抜けを抑制できる。
次いで、ECU100によるNOx脱離量調整処理の一例について図7に示すフローチャートを参照して説明する。なお、図7の処理ルーチンは、例えば、所定時間毎に実行される。また、図7のNOx脱離量調整処理は、図5で説明したNOx浄化率調整処理と併用することもできるし、NOx脱離量調整処理を単独で実行することも可能である。
先ず、NOx吸着材25に吸着されたNOxの放出(脱離)を実施するかを判断する(ステップS21)。この判断は、図2において説明したステップS1乃至S4と同様である。また、図2の処理以外の処理により判定することも可能である。
ステップS11において、NOxの放出が不要な場合には、処理を終了し、必要な場合には、選択還元型触媒に吸着されているアンモニア吸着量を推定する(ステップS22)。アンモニア吸着量の推定方法は、上記した方法と同様である。
次いで、推定したアンモニア吸着量により浄化可能なNOx量を算出する(ステップS23)。浄化可能なNOx量は、たとえば、図8に示すように、推定したアンモニア吸着量と選択還元型触媒の触媒温度とに応じて規定されたNOx浄化量マップを用いて決定することができる。加えて、例えば、図9に示すような、内燃機関10の吸気系への吸入空気量と選択還元型触媒の触媒温度に応じて規定された補正係数マップから得られる補正係数を算出した浄化可能なNOx量に掛けて補正することにより、より精度の高い選択還元型触媒の浄化可能なNOx量を推定できる。
次いで、ステップS23において算出した浄化可能なNOx量のNOxを離脱させるためのNOx吸着材25の目標温度を決定する(ステップS24)。例えば、図9に示すように、NOx吸着材25のNOx最大吸着量は、温度に応じて変する。図9において、T1をNOxを放出前の温度、すなわち、温度調整前の温度とすると、NOx吸着材25の温度をT2まで上昇させると、NOxの放出量はAMとなる。したがって、図9に示すようなNOx吸着材25のNOx吸着量と温度との関係を規定するマップ、関数等により、ステップS23において算出した浄化可能なNOx量に対する現在の温度T1に対する目目標温度T2を決定する。
次いで、NOx吸着材25の温度が、ステップS24で求めた目標温度T2となるように、バーナー20を制御する。NOx吸着材25の温度調整は、バーナー20の排出する熱量を制御することにより可能である。NOx吸着材25の温度制御により、所望量のNOxがNOx吸着材25から脱離し、これが選択還元型触媒において確実に浄化される。
上記実施形態において、脱離手段としてバーナー20を例示したが、これに限定されるわけではなく、例えば、NOx吸着材25に酸化触媒機能を併せ持たせ、これに燃料を供給して燃焼させることにより、NOxを脱離させることも可能である。燃料の供給は、専用の燃料噴射弁を用いてもよいし、内燃機関10においていわゆるポスト噴射により供給してもよい。
上記実施形態において、還元剤供給手段として尿素水添加弁を例示したが、これに限定されるわけではなく、アンモニアを選択還元型触媒に直接供給することも可能である。

Claims (5)

  1. 内燃機関の排気通路に設けられて排気ガスに含まれるNOxを一時的に吸着するNOx吸着材と、
    前記排気通路の前記NOx吸着材の下流側に設けられて排気ガスに含まれるNOxを選択的に還元する選択還元型触媒と、
    前記選択還元型触媒にアンモニアを還元剤として供給する還元剤供給手段と
    前記NOx吸着材に吸着されているNOxを脱離させる脱離手段と、
    前記NOx吸着材からのNOxを脱離させる際に、NOxが外部に放出されるのを抑制すべく、前記脱離手段によるNOx脱離量を調整する調整手段と、
    前記選択還元型触媒に吸着されているアンモニア吸着量を推定するアンモニア量推定手段と
    を有し、
    前記調整手段は、推定した前記アンモニア吸着量に応じて、前記脱離手段によるNOx脱離量を調整することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 前記脱離手段は、前記NOx吸着材の温度を制御することにより、NOx脱離量を調整す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。
  3. 前記脱離手段は、NOx吸着材の温度に応じて変化するNOx吸着可能量を利用してNOx脱離量を調整することを特徴とする請求項5に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 前記脱離手段は、前記排気通路の前記NOx吸着材の上流側に設けられて、燃焼ガスを前記排気通路に噴出するバーナーを含み、
    前記調整手段は、前記バーナーの排出する熱量を制御することにより、前記NOx脱離量を調整することを特徴とする請求項1、5、6のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置
  5. 前記脱離手段によるNOxの脱離は、アイドリング運転時又は車両減速時に実行されることを特徴とする請求項1、5、6、7のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
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