JP5590241B2 - 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。
内燃機関の排気通路に、排気浄化装置として、パティキュレートフィルタ（以下、単にフィルタと称する場合もある）や選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、単にＮＯｘ触媒と称する場合もある）等を設ける技術が知られている。フィルタは、内燃機関での燃料の燃焼によって生成された排気中の粒子状物質（Particulate Matter：以下、ＰＭと称する場合もある）を捕集する。ＮＯｘ触媒は、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを還元する。
特許文献１には、内燃機関の排気通路にフィルタを設け、さらに、フィルタより下流側の排気通路にＰＭセンサを設ける技術が開示されている。また、特許文献１には、フィルタとＰＭセンサとの間の排気通路にＮＯｘ触媒を設けることが記載されている。
特許文献２には、排気の経路において、酸化触媒より下流側に第１ＮＯｘ触媒（第１ＳＣＲ触媒）を設け、第１ＮＯｘ触媒より下流側に該第１ＮＯｘ触媒より多くのアンモニアを吸着可能な第２ＮＯｘ触媒（第２ＳＣＲ触媒）を設け、さらに、第２ＮＯｘ触媒より上流側に尿素水供給手段を設ける技術が開示されている。
特許文献３には、排気通路において、第１触媒コンバータより下流側に該第１触媒コンバータよりも容量が大きい第２触媒コンバータを設けると共に、第１触媒コンバータと第２触媒コンバータとの間にＯ２センサを設ける技術が開示されている。
特開２０１０−２２９９５７号公報 特開２０１１−０５２６１２号公報 特開平０８−２９６４３０号公報
排気通路にＮＯｘ触媒を設けた場合、還元剤たるアンモニアを該ＮＯｘ触媒に供給する必要がある。そのため、ＮＯｘ触媒より上流側の排気中に尿素を添加する尿素添加部が設けられる。尿素添加部から添加された尿素が加水分解することで生じたアンモニアがＮＯｘ触媒に供給される。
また、排気通路にフィルタを設けた場合、該フィルタを通過したＰＭ量を検出すべく、該フィルタより下流側にＰＭセンサを設ける場合がある。ＰＭセンサは、排気中のＰＭ量を検出するセンサである。
ここで、排気通路におけるフィルタより下流側に尿素添加部及びＮＯｘ触媒を設けた構成において、さらにフィルタより下流側にＰＭセンサを設ける場合、尿素添加部よりも下流側にＰＭセンサが配置されると、尿素添加弁から添加された尿素によってＰＭセンサが被水する可能性がある。尿素によってＰＭセンサが被水すると、ＰＭセンサの劣化が促進される虞がある。
さらに、ＰＭセンサに付着した尿素が排気によって加熱されると、ビウレットやシアヌル酸等のアンモニア由来化合物が生成される場合がある。該アンモニア由来化合物が生成されると、ＰＭセンサが該アンモニア由来化合物をＰＭとして検知する可能性がある。ＰＭセンサが該アンモニア由来化合物をＰＭとして検知すると、ＰＭセンサによって本来検出すべき、燃料成分によって形成されたＰＭ量の検出精度が低下する虞がある。
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであって、内燃機関の排気通路におけるフィルタより下流側に尿素添加部及びＮＯｘ触媒を設けた構成において、さらにフィルタより下流側にＰＭセンサを設ける場合に、ＰＭセンサの劣化及びＰＭ量の検出精度の低下を抑制することを目的とする。
本発明では、内燃機関の排気通路において、フィルタより下流側に第１ＮＯｘ触媒と第２ＮＯｘ触媒とを排気の流れに沿って上流側から順に設ける。そして、フィルタと第１ＮＯｘ触媒との間に尿素添加部を設け、第１ＮＯｘ触媒と第２ＮＯｘ触媒との間にＰＭセンサを設ける。
より詳しくは、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たパティキュレートフィルタと、
前記パティキュレートフィルタより下流側の排気通路に設けられた第１選択還元型ＮＯｘ触媒と、
前記第１選択還元型ＮＯｘ触媒より下流側の排気通路に設けられた第２選択還元型ＮＯｘ触媒と、
前記パティキュレートフィルタと前記第１選択還元型ＮＯｘ触媒との間の排気通路に設けられ、排気中に尿素を添加する尿素添加部と、
前記第１選択還元型ＮＯｘ触媒と前記第２選択還元型ＮＯｘ触媒との間の排気通路に設けられ、排気中の粒子状物質量を検出するＰＭセンサと、
を備える。
ここで、ＰＭセンサは、排気中のＰＭ量（流量）に対応する信号を出力するものであってもよく、また、自身に堆積したＰＭ量に対応する信号を出力するものであってもよい。
本発明によれば、尿素添加部とＰＭセンサとの間に第１ＮＯｘ触媒が配置されることで、尿素によってＰＭセンサが被水し難くなる。そのため、ＰＭセンサの劣化を抑制することができる。
また、本発明によれば、ＰＭセンサが第２ＮＯｘ触媒よりも上流側に配置されることで、該ＰＭセンサが第２ＮＯｘ触媒よりも下流側に配置された場合に比べて、フィルタにおいてＰＭが酸化された際にＰＭセンサが昇温し易くなる。その結果、ＰＭセンサに堆積したアンモニア由来化合物が除去され易くなる。従って、ＰＭセンサのＰＭ量の検出精度の低下を抑制することができる。
さらに、ＰＭセンサが第２ＮＯｘ触媒よりも下流側に配置された場合に比べて、排気によってＰＭセンサが昇温し易くなる。そのため、低温始動時等のようなＰＭセンサの温度がその活性温度より低いときに、該ＰＭセンサをより早期に活性化させることができる。
また、本発明においては、第１ＮＯｘ触媒の熱容量を第２ＮＯｘ触媒の熱容量より小さくしてもよい。これによれば、ＰＭセンサがより昇温し易くなる。
本発明によれば、排気通路におけるフィルタより下流側に尿素添加部及びＮＯｘ触媒を設けた構成において、さらにフィルタより下流側にＰＭセンサを設ける場合に、ＰＭセンサの劣化及びＰＭ量の検出精度の低下を抑制することができる。
実施例に係る内燃機関の排気系の概略構成を示す図である。 実施例に係るＰＭセンサの概略構成を示す図である。 ＰＭセンサにおけるＰＭ堆積量、ＰＭセンサの電極間の電気抵抗及びＰＭセンサの出力値の関係を示すグラフである。
以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
＜実施例＞
ここでは、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置を、車両駆動用のディーゼルエンジンに適用した場合について説明する。ただし、本発明に係る内燃機関は、ディーゼルエンジンに限られるものではなく、ガソリンエンジン等であってもよい。
［排気系の概略構成］
図１は、本実施例に係る内燃機関の排気系の概略構成を示す図である。内燃機関１は車両駆動用のディーゼルエンジンである。内燃機関１には排気通路２が接続されている。尚、図１における矢印は、排気の流れ方向を表している。
排気通路２にはフィルタ３が設けられている。フィルタ３は、内燃機関１での燃料の燃焼によって生成された排気中のＰＭを捕集する。尚、フィルタ３には、酸化触媒、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒、又は選択還元型ＮＯｘ触媒等の触媒が担持されていてもよい。フィルタ３によってＰＭが捕集されることで、該フィルタ３に徐々にＰＭが堆積する。排気温度の上昇等に伴ってフィルタ３の温度が、ＰＭの酸化が可能な温度まで上昇した時には、該フィルタ３に堆積したＰＭが酸化される。また、フィルタ３の温度を強制的に上昇させる、所謂フィルタ再生処理を実行することで、該フィルタ３に堆積したＰＭを酸化させて除去することもできる。
フィルタ３より下流側の排気通路２には第１選択還元型ＮＯｘ触媒（第１ＮＯｘ触媒）４が設けられている。第１ＮＯｘ触媒４より下流側の排気通路２には第２選択還元型ＮＯｘ触媒（第２ＮＯｘ触媒）５が設けられている。第１ＮＯｘ触媒４の熱容量は、第２ＮＯｘ触媒５の熱容量に比べて小さい。
フィルタ３と第１ＮＯｘ触媒４との間の排気通路２には尿素添加弁６が設けられている。尿素添加弁６は排気中に尿素水溶液を添加する。尿素添加弁６には、尿素水溶液が貯留されている尿素タンク（図示せず）が接続されている。尿素タンクから尿素添加弁６に尿素水溶液が供給される。また、尿素添加弁６は、内燃機関１を制御するためのＥＣＵ（図示せず）に電気的に接続されており、該ＥＣＵによって制御される。尚、本実施例においては、尿素添加弁６が、本発明に係る尿素添加部に相当する。
尿素添加弁６から排気中に尿素水溶液が添加されることで、第１及び第２ＮＯｘ触媒４，５に尿素が供給される。第１又は第２ＮＯｘ触媒４，５に供給された尿素は各ＮＯｘ触媒４，５に一旦吸着する。そして、吸着した尿素が加水分解することでアンモニアが生じる。該アンモニアが還元剤となって排気中のＮＯｘが還元される。
そして、本実施例では、第１ＮＯｘ触媒４と第２ＮＯｘ触媒５との間の排気通路２に、排気中のＰＭ量を検出するＰＭセンサ７が設けられている。該ＰＭセンサ７は、自身に堆積したＰＭ量に対応する電気信号を出力するセンサである。
ここで、ＰＭセンサ７の詳細について、図２及び３に基づいて説明する。図２は、ＰＭセンサ７のセンサ素子の概略構成を示す図である。図３は、ＰＭセンサ７におけるＰＭ堆積量と、ＰＭセンサ７の電極７ａ，７ｂ間の電気抵抗及びＰＭセンサ７の出力値との関係を示すグラフである。図３において、横軸はＰＭセンサ７におけるＰＭ堆積量を表しており、下段縦軸はＰＭセンサ７の電極７ａ，７ｂ間の電気抵抗を表しており、上段縦軸はＰＭセンサ７の出力値を表している。
図２に示すように、ＰＭセンサ７のセンサ素子は、一対の櫛歯型電極７ａ，７ｂを有している。ＰＭセンサ７には、排気中のＰＭが付着し、該付着したＰＭが徐々に堆積する。ＰＭセンサ７におけるＰＭ堆積量が増加するにつれて、電極７ａ，７ｂ間に存在するＰＭの量が増加する。
そのため、図３に示すように、ＰＭセンサ７におけるＰＭ堆積量が多いほど、電極７ａ，７ｂ間の電気抵抗が低くなる。そして、電極７ａ，７ｂ間の電気抵抗が低下するほど、ＰＭセンサ７の出力値が増加する。従って、該ＰＭセンサ７の出力値は、ＰＭセンサ７におけるＰＭ堆積量に対応した値となる。
また、ＰＭセンサ７は、フィルタ３よりも下流側に設けられている。そのため、ＰＭセンサ７には、フィルタ３に捕集されずに、該フィルタ３を通過したＰＭが捕集される。従って、該ＰＭセンサ７におけるＰＭ堆積量は、フィルタ３を通過したＰＭ量の積算値に対応した量となる。
ＰＭセンサ７はＥＣＵに電気的に接続されており、ＰＭセンサ７の出力信号が該ＥＣＵに入力される。ＥＣＵでは、該ＰＭセンサ７の出力値に基づいて、フィルタ３の故障診断が行われる。破損や溶損等のフィルタ３の故障が発生した場合、フィルタ３が正常な状態の場合よりも該フィルタ３を通過するＰＭ量が増加する。そこで、所定期間中におけるＰＭセンサ７の出力値の変化量が所定の閾値を超えた場合、ＥＣＵは、フィルタ３の故障が発生したと判定する。
尚、電極７ａ，７ｂ間に存在するＰＭの量が変化すれば、該電極７ａ，７ｂ間を流れる電流等の電気抵抗以外の電気的特性値も変化する。そのため、ＰＭセンサ７は、電気抵抗以外の電気的特性値に基づいて、自身に堆積したＰＭ量に対応した信号を出力するものであってもよい。さらに、本発明に係るＰＭセンサは、自身に堆積したＰＭ量に対応する信号を出力するものに限られるものではなく、排気中のＰＭ量（流量）に対応する信号を出力するものであってもよい。
［本実施例に係る構成の効果］
排気通路における尿素添加弁よりも下流側にＰＭセンサが設けられた場合、尿素添加弁から添加された尿素水溶液によってＰＭセンサが被水する虞がある。しかしながら、本実施例においては、尿素添加弁６とＰＭセンサ７との間に第１ＮＯｘ触媒４が配置されている。このような構成によれば、尿素水溶液によってＰＭセンサ７が被水し難くなる。従って、ＰＭセンサ７の劣化を抑制することができる。
また、ＰＭセンサ７に付着した尿素が排気によって加熱されると、アンモニア由来化合物（ビウレットやシアヌル酸等）が生成される場合がある。ＰＭセンサ７において、このようなアンモニア由来化合物が生成されると、ＰＭセンサ７が該アンモニア由来化合物をＰＭとして検知する可能性がある。つまり、ＰＭセンサ７において、燃料成分によって形成されたＰＭに加えてアンモニア由来化合物が堆積することで、電極７ａ，７ｂ間の電気抵抗がＰＭのみが堆積した場合よりも低くなり、その結果、ＰＭセンサ７が、該ＰＭセンサ７におけるＰＭ堆積量よりも大きな値を出力する可能性がある。このように、ＰＭセンサ７がアンモニア由来化合物をＰＭとして検知すると、ＰＭセンサ７によって本来検出すべき、燃料成分によって形成されたＰＭ量の検出精度が低下する虞がある。
ここで、第２ＮＯｘ触媒５より下流側の排気通路２にＰＭセンサ７を設けた場合であっても、尿素添加弁６から添加された尿素水溶液による該ＰＭセンサ７の被水を抑制することができる。しかしながら、本実施例のように、第２ＮＯｘ触媒５より上流側の排気通路２にＰＭセンサ７を配置した場合、第２ＮＯｘ触媒５より下流側の排気通路２にＰＭセンサ７を配置した場合に比べて、フィルタ３においてＰＭが酸化された際に発生した熱をＰＭセンサ７が受け易くなる。そのため、ＰＭセンサ７が昇温し易くなる。
ＰＭセンサ７が昇温すると、該ＰＭセンサ７に堆積したアンモニア由来化合物が酸化され除去される。つまり、第２ＮＯｘ触媒５より上流側の排気通路２にＰＭセンサ７を配置した場合、第２ＮＯｘ触媒５より下流側の排気通路２にＰＭセンサ７を配置した場合に比べて、ＰＭセンサ７に付着したアンモニア由来化合物が除去され易くなる。
さらに、本実施例においては、第１ＮＯｘ触媒４の熱容量が第２ＮＯｘ触媒５の熱容量よりも小さい。これによって、フィルタ３においてＰＭが酸化された際に、ＰＭセンサ７がより昇温し易くなる。そのため、ＰＭセンサ７に付着したアンモニア由来化合物の除去がより促進される。
従って、本実施例に係る構成によれば、ＰＭセンサ７のＰＭ量の検出精度の低下を抑制することができる。その結果、上述したようなフィルタ３の故障診断において誤診断が生じることも抑制することができる。
また、第２ＮＯｘ触媒５より上流側の排気通路２にＰＭセンサ７を配置した場合、第２ＮＯｘ触媒５より下流側の排気通路２にＰＭセンサ７を配置した場合に比べて、排気によってＰＭセンサ７が昇温し易くなる。さらに、第１ＮＯｘ触媒４の熱容量が第２ＮＯｘ触媒５の熱容量よりも小さいことで、フィルタ３におけるＰＭの酸化熱によってＰＭセンサ７が昇温される場合と同様、排気によるＰＭセンサ７の昇温もより促進され易くなる。従って、本実施例に係る構成によれば、低温始動時等のようなＰＭセンサ７の温度がその活性温度より低いときに、該ＰＭセンサ７をより早期に活性化させることができる。
１・・・内燃機関
２・・・排気通路
３・・・パティキュレートフィルタ
４・・・第１選択還元型ＮＯｘ触媒
５・・・第２選択還元型ＮＯｘ触媒
６・・・尿素添加弁
７・・・ＰＭセンサ

Claims (2)

  1. 内燃機関の排気通路に設けられたパティキュレートフィルタと、
    前記パティキュレートフィルタより下流側の排気通路に設けられた第１選択還元型ＮＯｘ触媒と、
    前記第１選択還元型ＮＯｘ触媒より下流側の排気通路に設けられた第２選択還元型ＮＯｘ触媒と、
    前記パティキュレートフィルタと前記第１選択還元型ＮＯｘ触媒との間の排気通路に設けられ、排気中に尿素を添加する尿素添加部と、
    前記第１選択還元型ＮＯｘ触媒と前記第２選択還元型ＮＯｘ触媒との間の排気通路に設けられ、排気中の粒子状物質量を検出するＰＭセンサと、
    を備える内燃機関の排気浄化装置。
  2. 前記第１選択還元型ＮＯｘ触媒の熱容量が前記第２選択還元型ＮＯｘ触媒の熱容量より小さい請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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