JP5804090B2 - 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。
特許文献1には、固体の還元剤を貯蔵しておき、該固体の還元剤を排気の熱で気化させた後に選択還元型NOx触媒へ供給することが記載されている。
また、特許文献2には、アンモニア(NH)ガスを空気で希釈してから排気通路へ供給することが記載されている。この特許文献2には、NHを空気で希釈した後に排気通路にてNH濃度を検出して、この検出値に基づいてNHの供給量を演算することが記載されている。また、NHと空気とを混合器において混合させることが記載されている。
また、特許文献3には、気体のアンモニアを貯蔵するタンク内の圧力が低下したときに、還元剤添加弁の開弁時間を短縮することで、タンク内の圧力の低下を抑制することが記載されている。
ところで、気体の還元剤を供給する場合には、還元剤の濃度が高いと供給量の調整が困難な場合があった。例えば、気体の還元剤を貯蔵するときには、容積を減らすために、高圧で貯蔵される。このため、還元剤添加弁の開弁時間を変化させたときの還元剤の供給量の変化が大きくなるので、供給量の調整が難しくなる。
また、濃度の高い還元剤を排気中に供給すると、該還元剤の体積が小さいために、還元剤が排気中に分散し難くなる。そうすると、触媒において還元剤の濃度にばらつきが生じるため、NOxの浄化率が低下する虞がある。
特開2010−138883号公報 特開平11−235516号公報 特開2011−132919号公報
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、添加剤を適正に供給することを目的とする。
上記課題を達成するために、
内燃機関の排気通路に設けられる排気浄化触媒と、
前記排気浄化触媒に供給されて還元剤または酸化剤として作用する添加剤を固体または液体の状態で貯蔵するタンクと、
前記固体または液体の添加剤を加熱することで気化させる気化装置と、
前記タンクと前記排気浄化触媒よりも上流側の排気通路とを接続し、前記気化装置により気化された気体の添加剤が流通する供給通路と、
を備え、前記気化装置により気化された気体の添加剤を前記排気浄化触媒よりも上流側の排気通路へ供給する内燃機関の排気浄化装置において、
前記気体の添加剤を前記供給通路において他のガスで希釈する希釈装置と、
前記供給通路から前記排気通路へ供給する添加剤の量を、前記希釈装置により希釈された後に前記供給通路において調整する調量装置と、
を備える。
希釈装置は、気体の添加剤に、添加剤とは異なる気体を供給することで添加剤を希釈する。希釈装置は、たとえば、内燃機関の排気、又は、空気を用いて添加剤を希釈する。
希釈装置は、供給通路から排気通路へ添加剤が供給される前に該添加剤を希釈する。希釈装置により添加剤を希釈することで、添加剤の濃度が低下するので、添加剤供給量の調整が容易になる。すなわち、調整装置よりも上流側で添加剤が希釈されるため、調量装置において調整される添加剤の体積が相対的に大きくなるので、供給量を調整する精度を高めることができる。また、添加剤の体積が大きくなるので、排気通路へ供給された後に、排気中へ分散しやすくなる。
また、本発明においては、前記調量装置よりも上流側の前記供給通路において、前記希釈装置により希釈された後の添加剤の温度または圧力を調整する調整装置を備えることができる。
調整装置は、希釈される前の気体の添加剤の温度若しくは圧力、または、希釈装置が供給するガス(以下、希釈ガスともいう。)の温度若しくは圧力を調整してもよい。すなわち、希釈される前の添加剤または希釈ガスの温度または圧力を調整することにより、希釈された後の添加剤の温度または圧力を調整してもよい。
ここで、添加剤を単に希釈するだけでは、添加剤が凝縮する虞がある。これに対して、調整装置により添加剤の温度または圧力を調整するため、添加剤が凝縮することを抑制できる。例えば、希釈された後の添加剤の温度を高くすることにより、添加剤の凝縮を抑制できる。また、添加剤が凝縮したとしても、液体になる量を少なくすることができる。これにより、排気中の広い範囲に添加剤を分散させることができる。
なお、添加剤の圧力を上昇させることにより、添加剤の温度を上昇させてもよい。すなわち、温度と圧力とには相関関係があるため、調整装置は、温度または圧力の少なくとも一方を調整できればよい。
また、本発明においては、前記調整装置は、前記希釈装置により希釈された後の添加剤の温度が露点温度よりも高くなるように、前記添加剤の温度または圧力を調整することができる。
希釈された後の添加剤の温度が露点温度よりも高ければ、添加剤が凝縮することをより確実に抑制することができる。
また、本発明においては、前記調整装置は、前記希釈装置により希釈された後の添加剤の温度を調整し、該調整装置は、前記希釈装置により希釈された後の添加剤の温度を露点温度よりも高くするために必要となる熱量が閾値以上の場合には、閾値未満の場合よりも、前記供給通路から排気通路へ供給する添加剤の圧力を低くしてもよい。
ここで、添加剤を加熱するためには、燃費の悪化が伴う。例えば、内燃機関の冷間時または外気温度が低い場合など、システム全体の温度が低い場合には、添加剤の温度を上昇させるために多くの熱を必要とする。このように損失が大きいと判断される場合には、排気通路へ供給する添加剤の圧力を低くする。すなわち、添加剤の温度を上昇するための熱量(電力量または電力としてもよい。)を減少させる。これにより、燃費の悪化を抑制したり、電力消費量を低減したりすることができる。また、添加剤の圧力が低くなることにより、添加剤の供給量が調整しやすくなる。なお、ここでいう閾値は、燃費の悪化が許容範囲を超えるとき、または、供給電力が許容範囲を超えるときの値としてもよい。また、例えば、タンクにおいて固体または液体の添加剤を加熱する加熱媒体の温度が閾値以下の場合に、添加剤の圧力を低くしてもよい。さらに、添加剤の温度の上昇量が閾値以上の場合に、添加剤の圧力を低くしてもよい。
本発明によれば、添加剤を適正に供給することができる。
実施例に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成を示す図である。 実施例1に係る混合ガスの加熱制御のフローを示したフローチャートである。 混合ガスの温度と、圧力との関係を示した図である。 加熱装置により加熱が行われるときに該加熱装置に供給される電力と、加熱後の混合ガスの温度との関係を示した図である。 実施例2に係る混合ガスの加熱制御のフローを示したフローチャートである。
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。
<実施例1>
図1は、本実施例に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成を示す図である。図1に示す内燃機関1は、ディーゼルエンジンであってもよく、ガソリンエンジンであってもよい。
内燃機関1には、排気通路2が接続されている。排気通路2には、排気の流れ方向で上流側から順に、噴射弁3及び触媒4が設けられている。
噴射弁3は、添加剤を噴射するときに開き、添加剤の噴射を停止させるときに閉じる。添加剤は、還元剤または酸化剤としてもよい。添加剤に何を用いるのかは、触媒4の種類に応じて決まる。そして、添加剤は、触媒4にて反応する。なお、本実施例においては噴射弁3が、本発明における調量装置に相当する。
触媒4には、例えば、吸蔵還元型NOx触媒、選択還元型NOx触媒、酸化触媒、または三元触媒を挙げることができる。また、触媒4はパティキュレートフィルタに担持されていてもよい。また、触媒4よりも上流側または下流側にパティキュレートフィルタを備えていても良い。触媒4に選択還元型NOx触媒を用いた場合には、還元剤として、例えば気体のアンモニアが用いられる。また、触媒4に吸蔵還元型NOx触媒を用いた場合には、還元剤として、例えばHC(プロパン)ガスが用いられる。さらに、触媒4に酸化触媒または三元触媒を用いた場合には、酸化剤として、例えばHC(プロパン)ガスを用いることができる。また、酸化剤として過酸化水素を用いることもできる。なお、本実施例においては触媒4が、本発明における排気浄化触媒に相当する。
なお、本実施例では、触媒4は選択還元型NOx触媒とし、噴射弁3から供給する添加剤は、還元剤としての気体のアンモニアとする。そうすると、噴射弁3から噴射された気体のアンモニアは、触媒4に吸着する。このアンモニアがNOxを選択的に還元させる。そして、触媒4にアンモニアを供給し、又は予め吸着させておき、触媒4をNOxが通過するときに該NOxを還元させる。
噴射弁3には、供給通路31の一端が接続されている。供給通路31の他端は、固体または液体の還元剤を貯蔵する貯蔵タンク32に接続されている。この貯蔵タンク32には、気化装置38が備わる。気化装置38には、内燃機関1の冷却水通路39が接続されており、内燃機関1の冷却水が循環している。そして、内燃機関1の冷却水と熱交換をすることで、還元剤の温度が上昇する。これにより、固体または液体の還元剤が気体に変化する。そして、気体の還元剤が供給通路31に流出する。冷却水通路39には、冷却水の流量を調整する調整弁40が備わる。なお、本実施例においては貯蔵タンク32が、本発明におけるタンクに相当する。
供給通路31には、貯蔵タンク32側から順に、副タンク33、調圧弁34、希釈装置5、混合管35、加熱装置36が備わる。副タンク33は、貯蔵タンクから流出した気体の還元剤を蓄える。副タンク33には、ヒータ37が備わり、気体の還元剤を加熱及び加圧することができる。調圧弁34は、貯蔵タンク32及び副タンク33から供給される気体の還元剤の圧力を調整する。また、調圧弁34を閉じることにより、還元剤の逆流を防止することもできる。なお、副タンク33及び調圧弁34は、無くてもよい。
希釈装置5は、気体の還元剤を希釈するためのガス(希釈ガス)を供給する装置である。希釈装置5は、空気を吐出するポンプ51と、ポンプ51の出口を供給通路31に接続する希釈ガス供給管52と、を備えて構成されている。なお、希釈ガス供給管52は、調圧弁34と、混合管35と、の間の供給通路31に接続される。
なお、希釈装置5は、内燃機関1に備わる過給機により圧縮されたガスを希釈ガスとして供給してもよい。さらに、貯蔵しておいた内燃機関1の排気を希釈ガスとして供給してもよい。この場合、内燃機関1の排気をポンプで圧送してもよい。さらに、車両のブレーキに用いられる圧縮空気を流用して希釈ガスとしてもよい。この圧縮空気を予めタンクに貯蔵しておいてもよい。また、燃料電池からの排気を希釈ガスとして供給してもよい。この燃料電池からの排気は、含まれている成分が限られているため、利用し易い。なお、燃料電池からの排気に水分が含まれている場合には、この水分が供給通路31において凝縮するのを抑制するために、水分を除去した後に希釈ガスとして供給してもよい。
混合管35は、還元剤と希釈ガスとの混合を促進させる。混合管35は、供給通路31の一部であり、その上流側及び下流側よりも断面積が大きくなっている。混合管35には、圧力を検出するための圧力センサ11と、温度を検出するための温度センサ12と、アンモニア(NH)の濃度を検出するアンモニアセンサ13と、が設けられている。なお、希釈ガス供給管52は、混合管35に接続されていてもよい。また、混合管35を備えなくてもよい。この場合、圧力センサ11、温度センサ12、及びアンモニアセンサ13は、希釈装置5よりも下流側の供給通路31に直接取り付ける。また、希釈ガス供給管52の途中に絞りを設け、ベンチュリ効果を利用して希釈ガス中に還元剤を供給してもよい。
加熱装置36は、例えば供給通路31の周りに備わる電気ヒータである。この加熱装置36に電力を供給することにより、還元剤と希釈ガスとの混合ガスを加熱する。なお、本実施例においては加熱装置36が、本発明における調整装置に相当する。
以上述べたように構成された内燃機関1には、該内燃機関1を制御するための電子制御ユニットであるECU10が併設されている。このECU10は、内燃機関1の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関1を制御する。
また、ECU10には、圧力センサ11及び温度センサ12、アンモニアセンサ13が電気配線を介して接続され、これらセンサの出力信号がECU10に入力される。一方、ECU10には、噴射弁3、調圧弁34、加熱装置36、ヒータ37、調整弁40、ポンプ51が電気配線を介して接続されており、該ECU10はこれらの機器を制御する。
また、例えば、ECU10は、アンモニアセンサ13の検出値が目標値に近づくように、希釈装置5から供給する希釈ガスの量をフィードバック制御してもよい。また、アンモニアセンサ13の検出値に基づいて、噴射弁3から排気通路2へ供給する還元剤の量を調整してもよい。すなわち、アンモニアの濃度が低いほど、噴射弁3からの噴射量を多くしてもよい。このように、希釈後のアンモニア濃度に基づいて噴射弁3からの噴射量を調整することにより、触媒4に供給する還元剤の量をより正確に制御することができる。また、希釈装置5に異常があってアンモニア濃度が変化しても、フィードバック制御により還元剤の供給量を制御することができる。さらに、アンモニアセンサ13を備えることにより、ECU10が希釈装置5などの異常を検知することもできる。
ところで、本実施例では、貯蔵タンク32から、高濃度の気体の還元剤が流出する。そして、この高濃度の還元剤は、供給通路31において希釈装置5から供給される希釈ガスにより希釈される。これにより、還元剤の濃度が低くなるので、触媒4に供給する還元剤の濃度を調整し易くなる。
また、還元剤を希釈したときの温度低下により、供給通路31内で還元剤が凝縮する虞がある。これに対して本実施例では、加熱装置36を備えている。すなわち、希釈された還元剤(混合ガス)を加熱装置36にて加熱すれば、混合ガスの温度が高くなる。これにより、還元剤が凝縮することを抑制できる。なお、混合ガスの温度が、還元剤の露点温度よりも高くなるように加熱装置36を制御してもよい。このときには、温度センサ12により検出される温度が、還元剤の露点温度よりも高くなるように、加熱装置36をフィードバック制御してもよい。また、アンモニアセンサ13により検出されるアンモニア濃度に基づいて、露点温度を求めてもよい。すなわち、アンモニア濃度が低くなるほど、アンモニアが凝縮し難くなるので、アンモニアの露点温度は低くなる。また、混合ガスの圧力に基づいて露点温度を求めてもよい。すなわち、混合ガスの圧力が低くなると、アンモニアが凝縮し難くなるので、アンモニアの露点温度は低くなる。これらの関係を予め求めてマップ化しておいてもよい。
また、本実施例では、希釈装置5により還元剤を希釈している。これにより、還元剤の濃度が低くなるので、還元剤が凝縮することを抑制できる。以上より、触媒4へ還元剤を均一に供給することができる。
なお、希釈前の還元剤または希釈ガスの温度を予め高くしておくことで、混合ガスの温度を還元剤の露点温度よりも高くしてもよい。また、混合ガスまたは希釈ガスを圧縮することで温度を高めてもよい。
図2は、本実施例に係る混合ガスの加熱制御のフローを示したフローチャートである。本ルーチンは、還元剤供給時にECU10により実行される。
ステップS101では、温度センサ12により混合ガスの温度が検出される。
ステップS102では、還元剤の露点温度が算出される。この露点温度は、還元剤が凝縮する温度である。たとえば、混合ガス中の還元剤の濃度と、露点温度と、の関係を予め求めてマップ化しておき、混合ガス中の還元剤濃度とマップに基づいて露点温度を算出してもよい。また、還元剤を希釈していないと仮定した場合の露点温度を予め求めておいてもよい。
ステップS103では、ステップS101で検出される温度の検出値が、ステップS102で算出される露点温度よりも高いか否か判定される。すなわち、還元剤が凝縮しないか否か判定される。ステップS103で肯定判定がなされた場合には、還元剤が凝縮しないため、本ルーチンを終了させる。一方、ステップS103で否定判定がなされた場合には、ステップS104へ進む。
ステップS104では、加熱装置36を作動させて、混合ガスを加熱する。すなわち、還元剤を凝縮し難くする。
ステップS105では、温度センサ12により温度が検出される。その後、ステップS103へ戻る。
以上説明したように、本実施例によれば、噴射弁3から排気中に還元剤を供給する前に、還元剤を希釈することで体積を大きくすることができるため、還元剤の供給量を精度よく調整することができる。また、還元剤を希釈することにより、露点温度を低くすることができる。したがって、還元剤が凝縮することを抑制できる。また、加熱装置36により混合ガスを加熱するため、還元剤が凝縮することをより抑制できる。これらにより、排気通路2内において還元剤をより広い範囲に分散させることができるため、触媒4における排気の浄化効率を高めることができる。また、液体の還元剤がセンサ等に付着することを抑制できるため、該センサ等の破損を抑制できる。また、他の機器に還元剤が付着することにより腐食することを抑制できる。
<実施例2>
本実施例では、還元剤(混合ガスとしてもよい)を加熱するために必要となる熱量(電力量または電力としてもよい)が閾値以上の場合には、閾値未満の場合よりも、噴射弁3から噴射する混合ガスの圧力を低くする。そして、噴射弁3から噴射する混合ガスの圧力を低くするために、混合ガスの温度を実施例1よりも低く設定する。これにより、混合ガスの温度の上昇を抑制して、燃費の悪化を抑制する。その他の装置などは実施例1と同じため、説明を省略する。
ここで、図3は、混合ガスの温度と、圧力との関係を示した図である。混合ガスの温度が高くなるほど、混合ガスの圧力が高くなる。そして、混合ガスの温度がある程度の値になると、混合ガスの圧力は目標圧力に達する。この目標圧力は、噴射弁3から噴射する混合ガスの圧力の目標値である。ここで、加熱前の混合ガスの温度が低いほど、混合ガスの圧力を目標圧力まで高めるのに必要となる電力または電力量が大きくなる。例えば、混合ガスが加熱装置36を通過するときに、混合ガスの温度に応じて加熱装置36へ供給する電力を変化させるときには、混合ガスの温度が低いほど、供給する電力が大きくなる。また、加熱装置36へ供給する電力を一定として供給する時間を調整することで、混合ガスの温度を調整する場合には、混合ガスの温度が低いほど、電力を供給する時間が長くなるため、電力量が大きくなる。
図4は、加熱装置36により加熱が行われるときに該加熱装置36に供給される電力と、加熱後の混合ガスの温度との関係を示した図である。実線は、内燃機関1の冷却水温度が比較的高い場合を示し、一点鎖線は、内燃機関1の冷却水温度が比較的低い場合を示している。
内燃機関1の冷却水温度が比較的低い場合には、貯蔵タンク32から流出する還元剤の温度も低くなるので、内燃機関1の冷却水温度が比較的高い場合と同じ電力を供給しても、加熱後の混合ガスの温度は低くなる。このため、混合ガスの温度を目標温度まで高めるのに必要となる電力は、内燃機関1の冷却水温度が低いほど大きくなる。すなわち、内燃機関1の冷却水温度が低い場合には、要求される温度や圧力まで混合ガスを加熱するために要する電力が大きくなるため、燃費が悪化する虞がある。
これに対し本実施例では、混合ガスの温度を目標温度まで上昇させるのに要する電力が閾値以上となるときには、供給する電力を該閾値に制限する。なお、供給電力に上限を設けるとしてもよい。この閾値は、電力が許容範囲を超えるか否かの境にあるときの値である。そして、閾値は、内燃機関1の温度が比較的高い場合には、還元剤の凝縮を抑制するのに十分な温度まで還元剤を加熱することが可能な電力である。また、閾値は、内燃機関1の温度が比較的低い場合には、還元剤の凝縮を抑制するのには十分でない電力である。なお、電力の代わりに、電力量を用いてもよい。このようにして、混合ガスの温度を目標温度まで上昇させないようにする。そうすると、混合ガスの温度が低くなるので、噴射弁3から噴射する混合ガスの圧力が低くなる。
なお、混合ガスの温度を目標温度まで上昇させるのに要する電力を実際に算出した後に閾値と比較して電力を制限するか否か判断してもよいが、内燃機関1の冷却水温度または混合ガスの温度に基づいて電力を制限するか否か判断してもよい。例えば、内燃機関1の冷却水温度が閾値以下の場合、または、混合ガスの温度が閾値以下の場合に、供給電力を閾値に制限する。また、混合ガスの温度の上昇量が閾値以上の場合に、供給電力を閾値に制限する。これにより、噴射弁3から供給する混合ガスの温度及び圧力を低下させる。
図5は、本実施例に係る混合ガスの加熱制御のフローを示したフローチャートである。本ルーチンは、還元剤供給時にECU10により実行される。
ステップS201では、温度センサ12により混合ガスの温度が検出される。なお、内燃機関1の冷却水の温度を検出してもよい。
ステップS202では、ステップS201で検出された温度が閾値以下であるか否か判定される。ここでいう閾値は、要求される温度まで混合ガスを加熱するために供給する電力が許容範囲を超える値として設定される。すなわち、燃費の悪化が許容範囲を超えるときの値に設定される。この値は、予め実験等により求めてECU10に記憶させておく。ステップS202で肯定判定がなされた場合には、ステップS203へ進む。
そして、ステップS203では、供給電力が制限される。ここでは、供給電力を図4に示した閾値となるように設定する。この場合には、混合ガスの温度が高くならないために還元剤が凝縮する虞がある。しかし、凝縮を抑制するためには、電力消費量が大きくなりすぎるため、還元剤の凝縮の抑制よりも燃費の悪化の抑制を優先させている。なお、供給電力を閾値よりも低い値に設定してもよい。このときに設定する供給電力は、内燃機関1の冷却水の温度または混合ガスの温度に基づいて決定してもよい。閾値は、燃費の悪化の抑制と、還元剤の凝縮の抑制とで、どちらをどれだけ優先するのかに応じて決定してもよい。
一方、ステップS202で否定判定がなされた場合には、実施例1と同じように混合ガスが加熱される。
ここで、極低温下など、混合ガスを加熱するために供給する熱量が大きくなる場合には、要求される熱量を供給できなかったり、電力消費量の増加により燃費の悪化やバッテリの残量不足を招いたりする虞がある。特に、副タンク33を備えていないか、または、副タンク33を備えていても副タンク33がヒータ37を備えていない場合には、加熱装置36にて混合ガスを加熱するために必要となる電力または電力量が大きくなる。これに対し、電力または電力量を制限することで、混合ガスを加熱するためのエネルギを低減できる。
また、混合ガスの圧力を低くすることにより、混合ガスの供給量の調整精度を高くすることができる。このため、還元剤の過剰供給による還元剤消費量の増加を抑制することができる。また、還元剤が触媒4を通り抜けることを抑制できる。
1 内燃機関
2 排気通路
3 噴射弁
4 触媒
5 希釈装置
10 ECU
11 圧力センサ
12 温度センサ
13 アンモニアセンサ
31 供給通路
32 貯蔵タンク
33 副タンク
34 調圧弁
35 混合管
36 加熱装置
37 ヒータ
38 気化装置
39 冷却水通路
40 調整弁
51 ポンプ
52 希釈ガス供給管

Claims (3)

  1. 内燃機関の排気通路に設けられる排気浄化触媒と、
    前記排気浄化触媒に供給されて還元剤または酸化剤として作用する添加剤を固体または液体の状態で貯蔵するタンクと、
    前記固体または液体の添加剤を加熱することで気化させる気化装置と、
    前記タンクと前記排気浄化触媒よりも上流側の排気通路とを接続し、前記気化装置により気化された気体の添加剤が流通する供給通路と、
    を備え、前記気化装置により気化された気体の添加剤を前記排気浄化触媒よりも上流側の排気通路へ供給する内燃機関の排気浄化装置において、
    前記気体の添加剤を前記供給通路において他のガスで希釈する希釈装置と、
    前記供給通路から前記排気通路へ供給する添加剤の量を、前記希釈装置により希釈された後に前記供給通路において調整する調量装置と、
    前記調量装置よりも上流側の前記供給通路において、前記希釈装置により希釈された後の添加剤の温度または圧力を調整する調整装置と、
    を備える内燃機関の排気浄化装置。
  2. 前記調整装置は、前記希釈装置により希釈された後の添加剤の温度が露点温度よりも高くなるように、前記添加剤の温度または圧力を調整する請求項2に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 前記調整装置は、前記希釈装置により希釈された後の添加剤の温度を調整し、該調整装置は、前記希釈装置により希釈された後の添加剤の温度を露点温度よりも高くするために必要となる熱量が閾値以上の場合には、閾値未満の場合よりも、前記供給通路から排気通路へ供給する添加剤の圧力を低くする請求項2または3に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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