JP5163754B2 - 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。
選択還元型触媒は、アンモニアを吸着する能力があるが、温度が上昇するにつれて吸着可能なアンモニア量が減少していく特性を有することが知られている。例えば、内燃機関の排気通路に設けられたＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルタ）に堆積したＰＭ（パティキュレート・マター）を燃焼させてＤＰＦを強制的に再生する時などに排気ガスの温度が上昇すると、選択還元型触媒の吸着可能なアンモニア量が一時的に減少し、選択還元型触媒からアンモニアが離脱して外部に放出される、いわゆるアンモニアスリップが発生する可能性がある。特許文献１は、ＤＰＦの強制再生時のアンモニアスリップの発生を防ぐために、ＤＰＦの強制再生による選択還元型触媒の温度上昇によりアンモニアスリップが発生すると判断される場合には、選択還元型触媒へのアンモニアの供給を中止する技術を開示している。
特開２００６−３４２７３４号公報
ところで、アンモニアスリップの発生を防止するために、選択還元型触媒へのアンモニアの供給を中止すると、選択還元型触媒に吸着されたＮＯｘの量が急激に減少し、逆に、ＮＯｘを浄化できなくなる可能性がある。また、選択還元型触媒の温度が急に上昇する条件は、ＤＰＦの強制再生時だけでなく、例えば、内燃機関の運転状態が急加速状態にあるときなどにも選択還元型触媒の温度は急激に上昇し、アンモニアスリップが発生する可能性がある。このような場合に、選択還元型触媒へのアンモニアの供給を中止すると、選択還元型触媒においてＮＯｘを適切に浄化できず、そのまま外部に排出されてしまう可能性もある。
すなわち、アンモニアの供給量の制御だけでは、選択還元型触媒に吸着されたアンモニア量を適切に管理するのは困難である。
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、選択還元型触媒において適切にＮＯｘを浄化しつつ選択還元型触媒の温度上昇に起因するアンモニアスリップの発生を抑制可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
本発明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窒素酸化物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還元剤としてアンモニアを供給する還元剤供給手段とを備えた内燃機関の排気浄化装置において、温度に応じて変化する前記選択還元型触媒の吸着可能なアンモニアの最大吸着量と前記選択還元型触媒に実際に吸着されているアンモニアの実吸着量とに基づいて前記選択還元型触媒のアンモニアの吸着余裕量を算出する吸着余裕量算出手段と、前記吸着余裕量算出手段の算出する吸着余裕量が一定以上に確保されるように、前記内燃機関の運転状態及び前記還元剤供給手段の少なくともいずれかを制御する制御手段とを有することを特徴とする。
上記構成において、前記制御手段は、前記吸着余裕量算出手段の算出する吸着余裕量の変化割合が所定のしきい値を越える場合に、前記内燃機関の運転状態及び前記還元剤供給手段の少なくともいずれかを制御する、構成を採用できる。
上記構成において、前記制御手段は、前記内燃機関の運転状態を制御する際に、前記内燃機関の発生する窒素酸化物を増加させるＮＯｘ増量制御、及び／又は、前記選択還元型触媒の温度を低下させる又は温度上昇を抑制する触媒温度制御を実行する、構成を採用できる。
上記構成において、前記制御手段は、排気ガスの一部を吸気系に循環させるＥＧＲガスの量を減らすことにより、ＮＯｘを増量させる、構成を採用でき、また、上記構成において、前記制御手段は、前記内燃機関に燃料を噴射する噴射時期を進角させることにより、ＮＯｘを増量させることも可能である。
上記構成において、前記制御手段は、排気ガスの一部を吸気系に循環させるＥＧＲガスの量を減らすことにより、前記触媒温度制御を実行する、構成を採用可能である。
本発明によれば、選択還元型触媒において適切にＮＯｘを浄化しつつ、選択還元型触媒の温度が上昇した場合にもアンモニアスリップの発生を抑制可能となる。
図１は、本発明の一実施形態に係る排気浄化装置の構成を示す図である。 図２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３は、ＥＣＵによる選択還元型触媒に吸着されたアンモニアの量をコントロールする処理の一例を示すフローチャートである。
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。
内燃機関１は、例えば、ディーゼルエンジンであり、この内燃機関１は、各気筒からの排気ガスＥＧを外部へ排出するための排気通路１０、各気筒へ吸気を導入するための吸気通路２０、及び、排気ガスＥＧの一部を吸気通路２０へ環流させるためのＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）通路３０を有する。
排気通路１０には、上流側から順に、酸化触媒コンバータ５０、還元剤供給手段としての尿素水添加弁６０及び選択還元型触媒コンバータ７０が設けられている。
酸化触媒コンバータ５０は、排気ガスＥＧ中の未燃燃料等を酸化する触媒金属等からなる酸化触媒を担持している。酸化触媒コンバータ５０における酸化反応により、排気ガスＥＧの温度は昇温される。
尿素水添加弁６０は、所定濃度の尿素水が収容された尿素水タンク６２と管路により接続されている。尿素水タンク６２の尿素水は、図示しないポンプにより供給される尿素水添加弁６０に供給され、尿素水添加弁６０は、後述する電子制御ユニット（ＥＣＵ）１００からの制御指令に応じた量の尿素水６４を選択還元型触媒コンバータ７０に向けて排気通路１０へ供給する。排気通路１０に添加された尿素水は、排気ガスＥＧの熱により、加水分解されてアンモニアが生成される。
選択還元型触媒コンバータ７０は、ゼオライトやバナジウムなどの触媒種を用い、いわゆる尿素選択還元法により窒素酸化物を還元する周知の選択還元型触媒（ＳＣＲ: Selective Catalytic Reduction）を担持している。尿素水添加弁６０から添加される尿素水は、排気ガスの熱により加水分解されてアンモニアが生成される。このアンモニアが選択還元型触媒に吸着される。選択還元型触媒は、アンモニアを還元剤として、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。この選択還元型触媒コンバータ７０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（Ｖ２Ｏ５）などの触媒金属を担持させたものなどを用いることができるが、特に、これらに限定されるわけではない。
選択還元型触媒コンバータ７０に、そのアンモニア吸着能力を超えて過剰なアンモニアが供給されると、アンモニアが選択還元型触媒をスリップして選択還元型触媒コンバータ７０の下流に排出されてしまう。このため、選択還元型触媒コンバータ７０に供給するアンモニア量（尿素水量）は、ＮＯｘの還元が最も効率的に実行され、かつ、アンモニアのスリップが発生しない量に調整されていることが好ましい。なお、選択還元型触媒に吸着されるアンモニアの量に関しては後で詳述する。
吸気通路２０には、上流側から順に、スロットルバルブ２４、ＥＧＲバルブ２６、サージタンク２２が設けられている。
スロットルバルブ２４は、ＥＣＵ１００からの制御指令に応じて、内燃機関１に供給される空気量を調整する。
ＥＧＲバルブ２６は、ＥＣＵ１００からの制御指令に応じて、ＥＧＲ通路３０を通じて吸気通路２０へ環流される排気ガスであるＥＧＲガスの量を調整する。
ＥＧＲ通路３０には、ＥＧＲクーラ３２が設けられている。
ＥＧＲクーラ３２は、ＥＧＲ通路３０を通過するＥＧＲガスを冷却する。
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。このＥＣＵ１００には、選択還元型触媒コンバータ７０の上流側と下流側とに設けられたＮＯｘセンサ８０，８１、選択還元型触媒コンバータ７０に流入する排気ガスＥＧの温度を検出する温度センサ８２、及び、吸気通路２０に設けられたエアーフローメータ８４の検出信号が入力される。また、ＥＣＵ１００は、内燃機関の各気筒に設けられた、図示しない点火プラグの点火時期、燃料噴射弁の噴射時期、噴射量等を制御すると共に、スロットルバルブ２４、及び、ＥＧＲバルブ２６を制御する。
また、ＥＣＵ１００は、選択還元型触媒コンバータ７０の下流側(出口付近)に設けられたＮＯｘセンサ８０の出力に基づいて、還元剤添加手段としての尿素水添加弁６０の添加量を調整する。
次に、選択還元型触媒の特性及び本発明の基本原理について図２を参照して説明する。
図２において、（１）は選択還元型触媒が吸着可能なアンモニアの最大吸着量を示している。この最大吸着量（１）は、触媒床温に応じて変化し、触媒床温が低いほど大きく、触媒床温が高くなるにつれて減少していくのが分かる。選択還元型触媒のアンモニア吸着量が最大吸着量（１）よりも少ない状態においては、選択還元型触媒へのアンモニアの供給量を増加させると、選択還元型触媒のアンモニア吸着量も増加する。しかしながら、選択還元型触媒のアンモニア吸着量が最大吸着量（１）を超えると、アンモニアスリップが発生する。
例えば、現在の選択還元型触媒の触媒床温がＴＡのある状態ＰＡを仮定すると、この状態ＰＡにおける選択還元型触媒のアンモニア吸着量は、最大吸着量（１）に達しておらず、最大吸着量（１）に達するまでに吸着余裕量ＭＡが存在する。この状態ＰAから、例えば、内燃機関１の運転状態が急加速状態に変化して排気ガスの温度が上昇し、選択還元型触媒の床温がＴBまで急上昇したと仮定する。選択還元型触媒の床温がＴＡからＴBまで上昇する過程において、選択還元型触媒の床温がＴＣに達した時点で選択還元型触媒のアンモニア吸着量が最大吸着量（１）に達する。すなわち、選択還元型触媒が飽和して余裕吸着量が無くなる。さらに、選択還元型触媒の床温が上昇すると、最大吸着量（１）は触媒の床温に伴って低下するので、選択還元型触媒に既に吸着されたアンモニアが選択還元型触媒から離脱し、図２に示すように、スリップ量ＳＬのアンモニアスリップが発生する。
本実施形態では、上記のような選択還元型触媒の床温の急上昇によるアンモニアスリップの発生を抑制するために、先ず、図２に示すように、選択還元型触媒の吸着すべき目標吸着量（２）を規定する。この目標吸着量（２）は、最大吸着量（１）に対するアンモニアの吸着余裕量Ｍが、一定以上に確保されるように設定される。目標吸着量（２）は、例えば、触媒床温が比較的低い領域では、一定の値に設定されるが、アンモニアの吸着余裕量Ｍを一定以上確保するために、触媒床温が高くなるにしたがって低く設定される。
そして、本実施形態では、選択還元型触媒のアンモニアの実吸着量が設定した目標吸着量（２）を超える場合には、アンモニアの吸着余裕量Ｍを一定以上確保できるように、内燃機関１の運転状態及び尿素添加弁６０の少なくともいずれかを制御する。
具体的には、内燃機関１の運転状態を制御する場合に、内燃機関１の発生するＮＯｘを増量させる制御を実行して、選択還元型触媒に吸着されたアンモニアのＮＯｘ浄化による消費を促すことにより、アンモニアの吸着余裕量Ｍを拡大させる。ＮＯｘを増量させるためには、例えば、ＥＧＲバルブ２６を制御して、排気ガスＥＧの一部を吸気系に循環させるＥＧＲガスの量を減らす。また、内燃機関１の燃料噴射弁の燃料を噴射する噴射時期を進角させることにより、ＮＯｘを増量させることができる。
また、内燃機関１の運転状態を制御する場合には、選択還元型触媒の温度を低下させる又は温度上昇を抑制する制御を実行することにより、触媒床温の上昇により最大吸着量（１）が低下するのを防ぎ、結果として、アンモニアの吸着余裕量Ｍを確保する。選択還元型触媒の温度制御は、例えば、ＥＧＲバルブ２６を制御して、排気ガスＥＧの一部を吸気系に循環させるＥＧＲガスの量を減らすことにより実行可能である。また、スロットバルブ２４を制御して、内燃機関１の各気筒に流入する空気量を増加させることにより、選択還元型触媒の温度を低下させる、あるいは、温度上昇を防ぐことができる。
尿素添加弁６０を制御する場合には、アンモニア供給量を減少あるいはアンモニア供給量をゼロにして、選択還元型触媒へ吸着されるアンモニアの実吸着量が増えるのを防ぐことにより、アンモニアの吸着余裕量Ｍが減少するのを防ぐことができる。
次に、上記した原理に基づくＥＣＵ１００による選択還元触媒のアンモニア吸着量制御処理の一例について図３に示すフローチャートを参照して説明する。なお、図３に示す処理ルーチンは、例えば、所定時間毎に実行される。
先ず、選択還元型触媒コンバータ７０の上流側と下流側とに設けられたＮＯｘセンサ８０，８１、及び、選択還元型触媒コンバータ７０に流入する排気ガスＥＧの温度を検出する温度センサ８２からの出力を取得する(ステップＳ１)。
温度センサ８２からの出力に基づいて、選択還元型触媒の触媒床温を推定する。そして、ＥＣＵ１００は、図２に示したような、最大吸着量（１）及び目標吸着量（２）を触媒床温に関係付けられたマップあるいは関数として保持しており、これらを用いて推定した触媒床温に対応する目標吸着量及び最大吸着量を算出する(ステップＳ２)。さらに、ＮＯｘセンサ８０，８１からの出力及び尿素水６４の添加量等から、選択還元型触媒に吸着されているアンモニアの実吸着量を算出する（ステップＳ２）。
次いで、推定した触媒床温における選択還元型触媒の吸着余裕量Ｍを算出する(ステップＳ３)。吸着余裕量Ｍは、ステップＳ２で算出した、最大吸着量と実吸着量から算出される。
次いで、ステップＳ３において算出した今回の吸着余裕量Ｍｉと前回の吸着余裕量Ｍｉ-1とから吸着余裕量Ｍの変化割合ΔＭを算出する（ステップＳ４）。この変化割合ΔＭは、触媒床温の上昇する割合あるいは変化の度合いを示しており、触媒床温が急激に変化するほど大きな値をもつ。
次いで、ステップＳ２で算出した目標吸着量と実吸着量とを比較し(ステップＳ５)、実吸着量が目標吸着量を超えていない場合には、吸着余裕量Ｍが十分に確保されていると判断して処理を終了する。
ステップＳ５において、実吸着量が目標吸着量を超えていると判断した場合には、吸着余裕量Ｍが減少していると判断し、ステップＳ４で算出した変化割合ΔＭ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Ｓ６)。変化割合ΔＭが所定のしきい値Ｔｈを超えていない場合には、触媒床温の変化割合がそれほど大きくないので、アンモニアスリップが発生しないと判断し、処理を終了する。
ステップＳ６において、変化割合ΔＭが所定のしきい値Ｔｈを超えている場合には、触媒床温の変化（上昇）が急であり、アンモニアスリップが発生する可能性が高いと判断して、ステップＳ７の処理を実行する。ステップＳ７の処理は、上記したように、内燃機関１の発生するＮＯｘを増量させる制御、選択還元型触媒の温度を低下させる又は温度上昇を抑制する制御、及び、尿素水添加弁６０からの尿素水６４の供給量を減少あるいは供給を停止する制御のうちのいずれか、あるいは、これらの組み合わせである。
上記実施形態では、供給した尿素水が加水分解されてアンモニアが選択還元型触媒に供給される場合について説明したが、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。
上記実施形態では、排気通路１０に酸化触媒コンバータ５０を設ける構成としたが、さらに、ディーゼル・パティキュレート・フィルター（ＤＰＦ）を設けることも可能である。また、ＤＰＦの強制再生処理時に、その下流に配置される選択還元型触媒の温度が上昇する場合にも、本発明を適用可能である。
上記実施形態において、アンモニアの実吸着量が目標吸着量を下回る場合には、尿素水添加弁６０を制御して、選択還元型触媒に供給するアンモニア量を増量することができる。

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窒素酸化物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還元剤としてアンモニアを供給する還元剤供給手段とを備えた内燃機関の排気浄化装置において、
    温度に応じて変化する前記選択還元型触媒の吸着可能なアンモニアの最大吸着量と前記選択還元型触媒に実際に吸着されているアンモニアの実吸着量とに基づいて前記選択還元型触媒のアンモニアの吸着余裕量を算出する吸着余裕量算出手段と、
    前記吸着余裕量算出手段の算出する吸着余裕量が一定以上に確保されるように、前記内燃機関の運転状態及び前記還元剤供給手段の少なくともいずれかを制御する制御手段と
    を有し、
    前記制御手段は、前記内燃機関の運転状態を制御する際に、前記内燃機関の発生する窒素酸化物を増加させるＮＯｘ増量制御、及び／又は、前記選択還元型触媒の温度を低下させる又は温度上昇を抑制する触媒温度制御を実行することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 前記制御手段は、前記吸着余裕量算出手段の算出する吸着余裕量の変化割合が所定のしきい値を越える場合に、前記内燃機関の運転状態及び前記還元剤供給手段の少なくともいずれかを制御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. 前記制御手段は、排気ガスの一部を吸気系に循環させるＥＧＲガスの量を減らすことにより、ＮＯｘを増量させることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 前記制御手段は、前記内燃機関に燃料を噴射する噴射時期を進角させることにより、ＮＯｘを増量させることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  5. 前記制御手段は、排気ガスの一部を吸気系に循環させるＥＧＲガスの量を減らすことにより、前記触媒温度制御を実行することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
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