JP6593015B2 - 内燃機関の排気ガス浄化システム及び内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に選択還元型触媒装置を備えて構成される内燃機関の排気ガス浄化システム及び内燃機関に関する。

近年、ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気通路に備えた排気ガス浄化システムには、内燃機関の排気ガスに含まれる、一酸化窒素（ＮＯ）や二酸化窒素（ＮＯ₂）等の窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化（分解及び除去）するために、選択還元型触媒装置（ＳＣＲ触媒装置）が配設されている。

この選択還元型触媒装置を使用する排気ガス浄化システムでは、尿素水から生成するアンモニア（ＮＨ₃）を還元剤として使用する場合が多く、この場合には、選択還元型触媒装置より上流側の排気通路に尿素水供給装置を設けて、この尿素水供給装置より噴射した尿素水が排気ガスの熱により加水分解して生成されるアンモニアを還元剤として選択還元型触媒装置に供給することで、選択還元型触媒装置の触媒作用により排気ガスに含まれるＮＯｘを還元して浄化している。

選択還元型触媒装置に担持される触媒は、エンジンからの排気ガスに含まれる熱などで加熱されることで活性化し、触媒が活性化された状態のときに、ＮＯｘ等の浄化対象成分を分解及び除去している。この担持される触媒としては、従来、鉄（Ｆｅ）イオンや銅（Ｃｕ）イオンをイオン交換したＦｅゼオライト及びＣｕゼオライトが実用化されているが、近年では特に、高温であるほど、ＮＯｘの分解する能力の高く、高い浄化性能を発揮する傾向があるＦｅゼオライト触媒よりも、低温では高いＮＯｘ浄化性能を発揮する一方、高温になるにつれて、ＮＯｘ浄化性能が低下するという特徴を有する、言い換えれば、特定の温度範囲でのみ高いＮＯｘ浄化性能を発揮するＣｕゼオライト触媒が注目されている（図３参照）。

しかしながら、選択還元型触媒装置に担持される触媒が、Ｃｕゼオライト触媒のように特定の温度範囲でのみ高いＮＯｘ浄化性能を発揮する触媒であるときは、高温になるにつれて、ＮＯｘ浄化性能が低下していくため、エンジンの高負荷運転時や、排気ガス浄化装置に備えた、排気ガスに含まれる微粒子状物質（ＰＭ）を捕集する微粒子捕集装置の強制ＰＭ再生制御時等、高温の排気ガスが選択還元型触媒装置を通過して、選択還元型触媒装置が高温にさらされる状況では、選択還元型触媒装置でＮＯｘを十分に浄化しきれずに、比較的高濃度のＮＯｘが大気に排出されてしまう懸念がある。

これに関連して、排気管をＳＣＲＦ（ＳＣＲをコートしたフィルタ）とＳＣＲとの間で分岐させ、分岐管には、空冷または水冷で分岐管を通過する排気を冷却する冷却素子が備えられ、冷却不要の場合には排気制御弁によってＳＣＲＦからの排気の全てが排気管のみを通過してＳＣＲに流入するようにする一方、冷却が必要な場合には目標触媒温度に応じて、分岐管を通過する排気の量と、必要に応じて冷却素子を流れる水または空気の流量を増加し、ＳＣＲに流入する排気の温度を制御する内燃機関の排気ガス浄化システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、この内燃機関の排気ガス浄化システムでは、還元剤噴射弁の下流側に排気制御弁及び冷却素子を設けているので、還元剤噴射弁より噴射した還元剤としての尿素水溶液や尿素水溶液の分解生成物（ビウレット、イソシアン酸、シアヌル酸、アンモニア等）が冷却素子に流入してしまうため、冷却素子の詰まりや腐食といった不具合が発生したり、ＳＣＲへの還元剤の供給効率が低下したりする虞があるという問題がある。

特開２０１５−８６８４８号公報

本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の排気通路に選択還元型触媒装置を備えて構成される内燃機関の排気ガス浄化システムに関し、特に、エンジンの高負荷運転時や、排気ガス浄化装置に備えた微粒子捕集装置の再生制御時等、排気ガスが高温化する状況においても、選択還元型触媒装置への尿素水の供給効率を維持しつつ、選択還元型触媒装置の温度を高いＮＯｘ浄化性能を発揮する温度範囲内に留めて、選択還元型触媒装置のＮＯｘ浄化性能を向上させることができる内燃機関の排気ガス浄化システム及び内燃機関を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の内燃機関の排気ガス浄化システムは、内燃機関の排気通路に選択還元型触媒装置を備えて構成される内燃機関の排気ガス浄化システムにおいて、前記選択還元型触媒装置の入口側に、前記選択還元型触媒装置に流入する排気ガスの温度を検出する温度検出装置を設けるとともに、前記選択還元型触媒装置より上流側の前記排気通路に尿素水供給装置を設けて、排気ガスを冷却する熱交換装置を設けたバイパス通路を前記尿素水供給装置をバイパスするように前記排気通路に並行して設け、さらに、前記バイパス通路を通過する排気ガスの流量を調整する流量調整機構を設けて構成され、当該排気ガス浄化システムを制御する制御装置が、前記温度検出装置の検出値に基づいて、前記流量調整機構を制御するように構成される。

すなわち、選択還元型触媒装置の入口側に温度検出装置（温度センサ等）を設け、この温度検出装置で検出される排気ガスの温度が、エンジン運転状態に基づいて設定される選択還元型触媒装置の目標温度に対応する排気ガスの目標温度になるように、流量調整機構（開閉弁、三方弁等）をフィードバック制御して、選択還元型触媒装置に流入する排気ガスの温度を調整制御する。なお、排気ガスの目標温度は、選択還元型触媒装置に担持する触媒の特性（活性化温度範囲）を考慮して予め実験結果などにより設定される。

より具体的には、温度検出装置の検出値が排気ガスの目標温度よりも高いときには、バイパス通路を通過して冷却される排気ガスの流量（熱交換装置により冷却される排気ガスの流量）が多くなるように、流量調整機構を制御して、バイパス通路を通過しない排気ガスと通過する排気ガスの合流後の排気ガスの温度を低温化させる。一方、温度検出装置の検出値が排気ガスの目標温度よりも低いときには、バイパス通路を通過して冷却される排気ガスの流量が少なくなるように、流量調整機構を制御して、バイパス通路を通過しない排気ガスと通過する排気ガスの合流後の排気ガスの温度を高温化させる。なお、熱交換装置の冷却媒体としては、エンジン冷却水等の水、油、空気等のいずれでもよい。

したがって、この構成によれば、エンジンの高負荷運転時や、排気ガス浄化装置に備えた微粒子捕集装置の再生制御時等、排気ガスが高温化する状況においても、選択還元型触媒装置に流入する排気ガスの温度を調整制御することで、選択還元型触媒装置に担持した触媒の温度を高いＮＯｘ浄化性能を発揮する温度範囲に調整することができるので、選択還元型触媒装置のＮＯｘ浄化性能を向上させることができる。特に、選択還元型触媒装置に担持した触媒が、Ｃｕゼオライト触媒等、特定の温度範囲のみで高いＮＯｘ浄化性能を有する触媒であるときに、本発明は極めて有効となる。

また、排気通路からバイパス通路への分岐点と選択還元型触媒装置の間の排気通路に、尿素水供給装置を設けているので、尿素水や尿素水の分解生成物（ビウレット、イソシアン酸、シアヌル酸、アンモニア等）が熱交換装置に入ることが無く、熱交換装置の詰まりや腐食といった不具合を防止できると共に、選択還元型触媒装置への尿素水の供給効率を維持することができる。

また、上記の内燃機関の排気ガス浄化システムにおいて、前記制御装置が、前記温度検出装置の検出値が、予め設定した設定値未満のときは、前記バイパス通路を通過する排気ガスの流量がゼロとなるように、前記流量調整機構を制御し、前記設定値以上のときは、前記検出値が前記設定値未満になるように、前記流量調整機構を制御するように構成される。この設定値は、２５０℃〜５００℃の温度範囲内の値、好ましくは、３００℃〜４００℃の温度範囲内の値に設定される。

この構成によれば、選択還元型触媒装置に担持した触媒の温度を高いＮＯｘ浄化性能を発揮する温度範囲に確実に調整することができる。

また、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、上記の内燃機関の排気ガス浄化システムを備えて構成され、上記の内燃機関の排気ガス浄化システムと同様の作用効果を奏することができる。

本発明の内燃機関の排気ガス浄化システム及び内燃機関によれば、エンジンの高負荷運転時や、排気ガス浄化装置に備えた微粒子捕集装置の再生制御時等、排気ガスが高温化する状況においても、選択還元型触媒装置に流入する排気ガスの温度を調整制御することで、選択還元型触媒装置に担持した触媒の温度を高いＮＯｘ浄化性能を発揮する温度範囲に調整することができるので、選択還元型触媒装置のＮＯｘ浄化性能を向上させることができる。特に、選択還元型触媒装置に担持した触媒が、Ｃｕゼオライト触媒等、特定の温度範囲のみで高いＮＯｘ浄化性能を有する触媒であるときに、本発明は極めて有効となる。

また、排気通路からバイパス通路への分岐点と選択還元型触媒装置の間の排気通路に、尿素水供給装置を設けているので、尿素水や尿素水の分解生成物（ビウレット、イソシアン酸、シアヌル酸、アンモニア等）が熱交換装置に入ることが無く、熱交換装置の詰まりや腐食といった不具合を防止できると共に、選択還元型触媒装置への尿素水の供給効率を維持することができる。

本発明に係る実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化システムの構成を模式的に示す図である。 本発明に係る参考形態の内燃機関の排気ガス浄化方法の制御フローの一例を示す図である。 Ｆｅゼオライト触媒とＣｕゼオライト触媒の各触媒を担持した選択還元型触媒装置の温度とＮＯｘ浄化率の関係を示す図である。 従来技術に係る内燃機関の排気ガス浄化システムの構成を模式的に示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化システム及び内燃機関について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明に係る実施の形態の内燃機関は、後述する本発明に係る実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化システム１を備えて構成され、後述する内燃機関の排気ガス浄化システム１が奏する作用効果と同様の作用効果を奏することができる。

また、本実施形態では、選択還元型触媒装置（ＳＣＲ触媒装置）として、尿素水から発生するアンモニアを還元剤とする尿素（又はアンモニア）選択還元型触媒装置を例にして説明するが、その他の還元剤でもよく、その場合は、選択還元型触媒装置もその還元剤に対応する選択還元型触媒装置であればよい。

図１に示すように、本発明に係る実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化システム１は、エンジン（内燃機関）（図示しない）の排気通路１１に、上流側（エンジン側）より順に、酸化触媒装置１２、微粒子捕集装置１３、Ｃｕゼオライト触媒を担持した選択還元型触媒装置１４、アンモニアスリップ触媒装置１５等の排気ガス浄化装置を備えて構成されるシステムである。

また、選択還元型触媒装置１４より上流側の排気通路１１には、エンジンの運転状態に基づいて、選択還元型触媒装置１４に向けて尿素水Ｕを噴射する尿素水供給装置２０が設けられる。この尿素水供給装置２０には、尿素水供給ポンプ２１により尿素水タンク２２に貯留した尿素水Ｕが供給され、尿素水Ｕの噴射量は、後述する尿素水供給制御装置（ＤＣＵ：ドージングコントロールユニット）４０により尿素水供給ポンプ２１の出力を調整制御することにより、制御される。なお、尿素水Ｕの噴射量を、尿素水供給装置２０の弁開度を調整制御することにより、制御してもよい。

また、選択還元型触媒装置１４の入口に温度センサ（温度検出装置）２３が設けられるとともに、アンモニアスリップ触媒装置１５より下流側の排気通路１１には、ＮＯｘ濃度センサ２４及びアンモニア濃度センサ２５が設けられる。

また、本発明の内燃機関の排気ガス浄化システム１を制御する尿素水供給制御装置（ＤＣＵ）４０が設けられる。この尿素水供給制御装置４０は、エンジンの運転状態を制御するエンジン制御装置（ＥＣＵ：エンジンコントロールユニット）４１より、エンジンへの吸気流量に関するデータ等の必要なデータを受信するとともに、温度センサ２３、ＮＯｘ濃度センサ２４及びアンモニア濃度センサ２５の各検出値のデータを受信して、これらの受信したデータを基に、尿素水供給ポンプ２１の出力を調整制御して、尿素水供給装置２０からの尿素水Ｕの噴射量を制御する装置である。

なお、本発明の内燃機関の排気ガス浄化システム１に関し、上記で説明した構成及び制御については、図４に示す従来技術の内燃機関の排気ガス浄化システム１Ｘと同様である。

本発明に係る内燃機関の排気ガス浄化システム１では、従来技術に係る内燃機関の排気ガス浄化システム１Ｘとは異なり、選択還元型触媒装置１４より上流側の排気通路１１に、排気ガスＧ２を冷却する熱交換装置３０を設けたバイパス通路３１を排気通路１１に並行して設け、さらに、バイパス通路３１を通過する排気ガスＧ２の流量を調整する三方弁（流量調整機構）３２を設ける。

なお、流量調整機構３２は、バイパス通路３１を通過する排気ガスＧ２の流量を調整できる機構であればよいので、三方弁３２の代わりに、バイパス通路３１に開閉弁を設けてもよいし、排気通路１１からバイパス通路３１への分岐点及び合流点の間の排気通路１１とバイパス通路３１の両方に開閉弁を設けてもよい。

また、この熱交換装置３０は、より詳細には、エンジン冷却水を冷却媒体として、微粒子捕集装置１３を通過後の排気ガスＧより三方弁３２を介して分流される排気ガスＧ２を冷却する装置である。なお、熱交換装置３０の冷却媒体としては、エンジン冷却水以外の水冷の冷却媒体でもよいし、油や空気等の冷却媒体でもよい。

また、従来技術では、選択還元型触媒装置１４より上流側の排気通路１１に尿素水供給装置２０を設けていたが、本発明では、排気通路１１からバイパス通路３１への分岐点と選択還元型触媒装置１４の間の排気通路１１に尿素水供給装置２０を設ける。

そして、本発明に係る内燃機関の排気ガス浄化システム１では、尿素水供給制御装置４０が、温度センサ２３の検出値Ｔに基づいて、三方弁３２を制御するように構成する。

すなわち、選択還元型触媒装置１４の入口側に温度センサ２３を設け、この温度センサ２３で検出される排気ガスＧ（＝Ｇ１＋Ｇ２）の温度Ｔが、エンジン運転状態に基づいて設定される選択還元型触媒装置１４の目標温度に対応する排気ガスＧの目標温度Ｔｔになるように、三方弁３２をフィードバック制御して、選択還元型触媒装置１４に流入する排気ガスＧの温度を調整制御する。なお、排気ガスＧの目標温度Ｔｔは、選択還元型触媒装置１４に担持する触媒の特性を考慮して設定される。

より具体的には、温度センサ２３の検出値Ｔが排気ガスＧの目標温度Ｔｔよりも高いときには、バイパス通路３１を通過する排気ガスＧ２の流量（熱交換装置３０により冷却される排気ガスＧ２の流量）が多くなるように、三方弁３２を制御して、バイパス通路３１を通過しない排気ガスＧ１と通過する排気ガスＧ２の合流後の排気ガスＧの温度を、言い換えれば、選択還元型触媒装置１４に流入する排気ガスＧの温度を低温化させる。一方、温度センサ２３の検出値Ｔが排気ガスＧの目標温度Ｔｔよりも低いときには、バイパス通路３１を通過する排気ガスＧ２の流量が少なくなるように、三方弁３２を制御して、バイパス通路３１を通過しない排気ガスＧ１と通過する排気ガスＧ２の合流後の排気ガスＧの温度を高温化させる。

なお、選択還元型触媒装置１４に流入する排気ガスＧの温度を調整制御できればよいので、三方弁３２の制御の代わりに、あるいは、三方弁３２の制御とともに、熱交換装置３０に流入する冷却媒体の流量を調整制御することで、熱交換装置３０の冷却能力を制御して、排気ガスＧの温度を調整制御してもよい。ただし、三方弁３２の制御のみで排気ガスＧの温度を調整制御する方が、制御が単純化するので、応答性が良化する。

また、バイパス通路３１を設けることなく、排気通路１１に熱交換装置３０を設けて、この熱交換装置３０への冷却媒体の流通を制御する構成も考えられるが、この場合は、熱交換装置３０を尿素水供給装置２０より上流側の排気通路１１に設ける必要がある。熱交換装置３０を尿素水供給装置２０より下流側の排気通路１１に設けると、尿素水Ｕや尿素水Ｕの分解生成物（ビウレット、イソシアン酸、シアヌル酸、アンモニア等）が熱交換装置３０に流入して、熱交換装置３０の詰まりや不具合を発生させる虞があるからである。

ただし、熱交換装置３０を尿素水供給装置２０より上流側の排気通路１１に設けた場合であっても、熱交換装置３０による排気ガスＧの温度低下により尿素水Ｕのアンモニアへの分解効率が低下する虞があることや、暖機過程において熱交換装置３０による排気ガスＧの温度低下の影響で下流側の選択還元型触媒装置１４の昇温速度が低下することや、熱交換装置３０による排気ガスＧの圧力損失が増加して燃費に悪影響を及ぼす可能性があること等を考慮すると、本発明のように、バイパス通路３１を設けて、このバイパス通路３１に熱交換装置３０を設ける方がより好ましい。

また、尿素水供給制御装置４０が、温度センサ２３の検出値Ｔが、予め設定した設定値Ｔ１未満のときは、バイパス通路３１を通過する排気ガスＧ２の流量がゼロとなるように、三方弁３２を制御し、設定値Ｔ１以上のときは、検出値Ｔが設定値Ｔ１未満になるように、三方弁３２を制御するように構成してもよい。この設定値は、２５０℃〜５００℃の温度範囲内の値、好ましくは、３００℃〜４００℃の温度範囲内の値に設定される。

この三方弁３２の制御に関する制御フローを図２に示す。図２の制御フローは、予め設定した制御時間毎に上級の制御フローから呼ばれて実施され、実施後に、上級の制御フローに戻る制御フローであり、エンジンが運転状態にある限り、繰り返し呼ばれる制御フローとして示している。なお、この図２の制御フローに基づく制御の途中で、エンジンが運転停止するとき等では、割り込みが生じて、リターンに行って上級の制御フローに戻り、この上級の制御フローの終了と共に終了する。

図２の制御フローについて説明する。図２の制御フローがスタートすると、ステップＳ１１にて、温度センサ２３の検出値Ｔが、予め設定した設定値Ｔ１未満であるか否かを判定する。温度センサ２３の検出値Ｔが設定値Ｔ１未満であるとき（ＹＥＳ：Ｔ＜Ｔ１）は、選択還元型触媒装置１４の温度がＣｕゼオライト触媒のＮＯｘ浄化性能の高効率範囲を超えた温度まで上昇する虞がなく、熱交換装置３０による排気ガスＧ２の冷却が不要であると判定して、ステップＳ１２に進み、ステップＳ１２にて、バイパス通路３１を通過する排気ガスＧ２の流量がゼロとなるように、三方弁３２を制御する。三方弁３２の制御後、リターンして、上級の制御フローに戻る。

一方、温度センサ２３の検出値Ｔが設定値Ｔ１以上であるとき（ＮＯ：Ｔ≧Ｔ１）は、選択還元型触媒装置１４の温度がＣｕゼオライト触媒のＮＯｘ浄化性能の高効率範囲を超えた温度まで上昇する虞があり、熱交換装置３０による排気ガスＧ２の冷却が必要であると判定して、ステップＳ１３に進み、ステップＳ１３にて、検出値Ｔが設定値Ｔ１未満になるように、三方弁３２を制御する。三方弁３２の制御後、リターンして、上級の制御フローに戻る。

本発明の内燃機関の排気ガス浄化システム１及び内燃機関によれば、エンジンの高負荷運転時や、排気ガス浄化装置に備えた微粒子捕集装置の再生制御時等、排気ガスＧが高温化する状況においても、選択還元型触媒装置１４に流入する排気ガスＧの温度Ｔを調整制御することで、選択還元型触媒装置１４に担持した触媒の温度を高いＮＯｘ浄化性能を発揮する温度範囲に調整することができるので、選択還元型触媒装置１４のＮＯｘ浄化性能を向上させることができる。特に、選択還元型触媒装置１４に担持した触媒が、Ｃｕゼオライト触媒等、特定の温度範囲のみで高いＮＯｘ浄化性能を有する触媒であるときに、本発明は極めて有効となる。

また、排気通路１１からバイパス通路３１への分岐点と選択還元型触媒装置１４の間の排気通路１１に、尿素水供給装置２０を設けているので、尿素水Ｕや尿素水Ｕの分解生成物（ビウレット、イソシアン酸、シアヌル酸、アンモニア等）が熱交換装置３０に入ることが無く、熱交換装置３０の詰まりや腐食といった不具合を防止できると共に、選択還元型触媒装置１４への尿素水Ｕの供給効率を維持することができる。

さらに、尿素水Ｕが供給される前の排気ガスＧを熱交換装置３０で冷却するので、尿素水Ｕが供給されて温度が低下した排気ガスＧを熱交換装置３０で冷却する場合に比べて、熱交換装置３０における排気ガスＧの冷却効率を高くすることができる。

また、熱交換装置３０をバイパス通路３１では無く、バイパス通路３１を設けずに尿素水供給装置２０より上流側の排気通路１１に熱交換装置３０を設けた場合には、排気ガスＧの温度低下により尿素水Ｕの分解効率が低下する恐れや、熱交換装置３０があることで、エンジンの暖機過程において選択還元型触媒装置１４が温まり難くなる恐れや、熱交換装置３０の分だけ、常時、排気通路１１の圧力損失が増加して気筒内の燃焼及び燃費に悪影響を及ぼす恐れがある。

１、１Ｘ 内燃機関の排気ガス浄化システム
１１ 排気通路
１２ 酸化触媒装置（ＤＯＣ）
１３ 微粒子捕集装置
１４ 選択還元型触媒装置（ＳＣＲ）
１５ アンモニアスリップ触媒装置（ＡＳＣ）
２０ 尿素水供給装置
２１ 尿素水供給ポンプ
２２ 尿素水タンク
２３ 温度センサ（温度検出装置）
２４ ＮＯｘ濃度センサ
２５ アンモニア濃度センサ
３０ 熱交換装置
３１ バイパス通路
３２ 三方弁（流量調整機構）
４０ 尿素水供給制御装置（制御装置）
４１ エンジン制御装置
Ｔ 温度センサの検出値
Ｔ１ 設定値
Ｇ 発生した排気ガス
Ｇ１ バイパス通路を通過しない排気ガス
Ｇ２ バイパス通路を通過する排気ガス
Ｇｃ 浄化処理された排気ガス

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路に選択還元型触媒装置を備えて構成される内燃機関の排気ガス浄化システムにおいて、
   前記選択還元型触媒装置の入口側に、前記選択還元型触媒装置に流入する排気ガスの温度を検出する温度検出装置を設けるとともに、
   前記選択還元型触媒装置より上流側の前記排気通路に尿素水供給装置を設けて、排気ガスを冷却する熱交換装置を設けたバイパス通路を前記尿素水供給装置をバイパスするように前記排気通路に並行して設け、
   さらに、前記バイパス通路を通過する排気ガスの流量を調整する流量調整機構を設けて構成され、
   当該排気ガス浄化システムを制御する制御装置が、
   前記温度検出装置の検出値に基づいて、前記流量調整機構を制御するように構成される内燃機関の排気ガス浄化システム。
2. 前記制御装置が、
   前記温度検出装置の検出値が、予め設定した設定値未満のときは、前記バイパス通路を通過する排気ガスの流量がゼロとなるように、前記流量調整機構を制御し、
   前記設定値以上のときは、前記検出値が前記設定値未満になるように、前記流量調整機構を制御するように構成される請求項１に記載の内燃機関の排気ガス浄化システム。
3. 請求項１または２に記載の内燃機関の排気ガス浄化システムを備えて構成される内燃機関。

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