JP6959789B2 - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置に関する。

エンジンから排出される排気ガス中の炭化水素（HydroCarbon：ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するために、排気路には三元触媒（Three-Way Catalyst）が設けられている。

ところで、燃料カットが実行されている間は、吸気が燃焼されることなく三元触媒に到達する。このため、燃料カットの終了時（燃料カットからの復帰時）においては、三元触媒に含まれるＯＳＣ（Oxygen Storage Capacity：酸素貯蔵能）材による酸素の貯蔵量が飽和（上限値）に達する場合がある。ＯＳＣ材が飽和に達した状態でエンジンにおいて燃焼が行われると、ＯＳＣ材による排気ガス中の酸素の低減が為されなくなり、三元触媒に含まれる貴金属によるＮＯｘの還元効率が低下してしまう。

そこで、従来、燃料カット終了後に、空燃比を理論空燃比（ストイキ）よりリッチとし、排気ガス中の炭化水素を還元剤として機能させて、ＯＳＣ材から酸素を離脱させ、酸素の貯蔵能力を回復させている（例えば、特許文献１）。

特開２００５−６９１８８号公報

しかし、特許文献１のような燃料を過剰に噴射する技術では燃費が低下するという問題がある。

本発明は、ＯＳＣ材による酸素の貯蔵能力を回復させつつ、燃費の低下を抑制することが可能な排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の排気ガス浄化装置は、エンジンの排気路に設けられ、ＯＳＣ材を含む三元触媒と、メタノール、エタノール、および、プロパノールのうち、１または複数であるアルコールを、前記排気路における前記三元触媒の上流側に供給する前駆体供給部と、所定の燃料カット終了条件が成立した場合に、前記前駆体供給部を制御して、前記アルコールの供給を開始させ、前記排気路において前記アルコールの水蒸気改質を行わせる供給制御部と、を備える。

また、前記供給制御部は、前記エンジンへの燃料の供給がカットされた期間の少なくとも一部における、前記三元触媒の温度、および、前記三元触媒を通過する排気ガスの流速に基づいて、前記アルコールの供給量を制御してもよい。

本発明によれば、ＯＳＣ材による酸素の貯蔵能力を回復させつつ、燃費の低下を抑制することが可能となる。

エンジンシステムの構成を示す概略図である。 排気ガス浄化装置を説明する図である。 供給制御部による還元剤前駆体の供給処理を示すフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、エンジンシステム１００の構成を示す概略図である。なお、図１中、信号の流れを破線の矢印で示す。図１に示すように、エンジンシステム１００には、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含むマイクロコンピュータでなるＥＣＵ（Engine Control Unit）１１０が設けられ、ＥＣＵ１１０によりエンジン１２０全体が統括制御される。ただし、以下では、本実施形態に関係する構成や処理について詳細に説明し、本実施形態と無関係の構成や処理については説明を省略する。

エンジン１２０は、複数の気筒１２２ａを有する多気筒エンジンであり、シリンダブロック１２２に形成された各気筒１２２ａの吸気ポート１２４に、吸気マニホールド１２６が連通される。吸気マニホールド１２６の集合部には、エアチャンバ１２８を介して吸気路１３０が連通され、吸気路１３０の上流側にエアクリーナ１３２が設けられ、エアクリーナ１３２の下流側にスロットル弁１３４が設けられる。

また、エンジン１２０のシリンダブロック１２２に形成された各気筒１２２ａの排気ポート１３６には、排気マニホールド１３８が連通される。排気マニホールド１３８の集合部には、排気路１４０を介してマフラー１４２が連通され、排気路１４０に、後述する三元触媒２１０が設けられる。

エンジン１２０には、点火プラグ１４８が、その先端が燃焼室１４６内に位置するように各気筒１２２ａそれぞれに対して設けられる。また、各気筒１２２ａの燃焼室１４６には、インジェクタ１５０が設けられる。

エンジンシステム１００には、吸気路１３０におけるエアクリーナ１３２とスロットル弁１３４との間に、エンジン１２０に流入する吸入空気量を検出する吸入空気量センサ１６０、および、エンジン１２０に流入する空気の温度を検出する吸気温センサ１６２が設けられる。また、エンジンシステム１００には、スロットル弁１３４の開度を検出するスロットル開度センサ１６４が設けられる。また、エンジンシステム１００には、クランクシャフトのクランク角を検出するクランク角センサ１６６、アクセル（図示せず）の開度を検出するアクセル開度センサ１６８が設けられる。

これら各センサ１６０〜１６８は、ＥＣＵ１１０に接続されており、検出値を示す信号をＥＣＵ１１０に出力する。

ＥＣＵ１１０は、各センサ１６０〜１６８から出力された信号を取得してエンジン１２０を制御する。ＥＣＵ１１０は、エンジン１２０を制御する際、信号取得部１８０、目標値導出部１８２、空気量決定部１８４、噴射量決定部１８６、スロットル開度決定部１８８、点火時期決定部１９０、駆動制御部１９２として機能する。

信号取得部１８０は、各センサ１６０〜１６８が検出した値を示す信号を取得する。目標値導出部１８２は、クランク角センサ１６６から取得したクランク角を示す信号に基づいて現時点のエンジン回転数を導出する。また、目標値導出部１８２は、導出したエンジン回転数、および、アクセル開度センサ１６８から取得したアクセル開度を示す信号（以下、「アクセル開度信号」と称する）に基づいて、予め記憶されたマップを参照して目標トルクおよび目標エンジン回転数を導出する。

空気量決定部１８４は、目標値導出部１８２により導出された目標エンジン回転数および目標トルクに基づいて、各気筒１２２ａに供給する目標空気量を決定する。スロットル開度決定部１８８は、空気量決定部１８４により決定された各気筒１２２ａの目標空気量の合計量を導出し、合計量の空気を外部から吸気するための目標スロットル開度を決定する。

噴射量決定部１８６は、空気量決定部１８４により決定された各気筒１２２ａの目標空気量に基づいて、各気筒１２２ａに供給する燃料の目標噴射量を決定する。また、噴射量決定部１８６は、決定した目標噴射量の燃料をエンジン１２０の吸気行程あるいは圧縮行程でインジェクタ１５０から噴射させるために、クランク角センサ１６６により検出されるクランク角を示す信号に基づいて、各インジェクタ１５０の目標噴射時期および目標噴射期間を決定する。また、噴射量決定部１８６は、減速中（車速>０）であり、アクセル開度センサ１６８から取得したアクセル開度信号が示すアクセルの開度がゼロである場合に、目標噴射量をゼロに決定する燃料カット処理を実行する。

点火時期決定部１９０は、目標値導出部１８２により導出された目標エンジン回転数、および、クランク角センサ１６６により検出されるクランク角を示す信号に基づいて、各気筒１２２ａでの点火プラグ１４８の目標点火時期を決定する。

駆動制御部１９２は、スロットル開度決定部１８８により決定された目標スロットル開度でスロットル弁１３４が開口するように、スロットル弁用アクチュエータ（図示せず）を駆動する。また、駆動制御部１９２は、噴射量決定部１８６により決定された目標噴射時期および目標噴射期間でインジェクタ１５０を駆動することで、インジェクタ１５０から目標噴射量の燃料を噴射させる。また、駆動制御部１９２は、点火時期決定部１９０により決定された目標点火時期で点火プラグ１４８を点火させる。

このようにして、燃焼室１４６で燃料が燃焼されたことにより生じた排気ガスは、排気路１４０を通じて外部に排出されることになる。排気ガスには、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）が含まれるため、これらを除去する必要がある。そこで、排気路１４０に排気ガス浄化装置２００を設けておき、炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物を除去（浄化）する。

図２は、排気ガス浄化装置２００を説明する図である。図２に示すように、排気ガス浄化装置２００は、三元触媒２１０と、前駆体供給部２２０と、酸素センサ２３０と、供給制御部２４０とを含んで構成される。

三元触媒２１０は、排気路１４０内に設けられる。三元触媒２１０は、担体と、貴金属とを含んで構成される。担体は、アルミナおよびＯＳＣ材を含んで構成される。ＯＳＣ材は、酸素を貯蔵したり、貯蔵した酸素を放出したりする機能を有する。ＯＳＣ材は、例えば、セリア（ＣｅＯ_２）を含んで構成される。貴金属は、担体上（担体の表面）に担持される。貴金属は、排気ポート１３６から排出された排気ガス中の炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物を浄化（除去）する。貴金属は、例えば、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等で構成される。

前駆体供給部２２０は、タンク２２２と、配管２２４と、ポンプ２２６と、バルブ２２８とを含んで構成される。タンク２２２は、還元剤前駆体を貯留する。ここで、還元剤前駆体は、アルコールである。アルコールは、例えば、メタノール、エタノール、および、プロパノール、つまり、炭素数が３以下のアルコールのうち、１または複数であり、好ましくは、メタノールまたはエタノールであり、より好ましくは、メタノールである。

配管２２４は、一端の開口がタンク２２２に接続され、他端の開口が排気路１４０内に位置するように設けられる。詳細に説明すると、配管２２４の他端の開口は、排気路１４０内における三元触媒２１０の上流側（エンジン１２０側）に設けられる。

ポンプ２２６は、配管２２４に設けられる。ポンプ２２６は、タンク２２２に貯留された還元剤前駆体を、配管２２４を介して排気路１４０に送出する。本実施形態において、ポンプ２２６は、送出流量が一定となるように後述する供給制御部２４０によって駆動制御される。バルブ２２８は、例えば、開閉弁で構成され、配管２２４におけるポンプ２２６の下流側に設けられる。バルブ２２８は、供給制御部２４０によって開閉制御される。

酸素センサ２３０は、排気路１４０における三元触媒２１０の下流側を流れる排気ガス中の酸素濃度を検出する。

本実施形態において、ＥＣＵ１１０は、排気ガス浄化装置２００の供給制御部２４０として機能する。供給制御部２４０は、所定の燃料カット終了条件を満たした場合に、バルブ２２８を開弁して、還元剤前駆体の供給を開始させる。

図３は、供給制御部２４０による還元剤前駆体の供給処理を示すフローチャートである。なお、本実施形態において、還元剤前駆体の供給処理は、所定の時間間隔毎に生じる割込によって繰り返し遂行される。

（ステップＳ１１０）
供給制御部２４０は、上記燃料カット処理の実行中であるか否かを判定する。その結果、供給制御部２４０は、燃料カット処理の実行中であると判定した場合には、ステップＳ１２０に処理を移し、燃料カット処理の実行中ではないと判定した場合にはステップＳ１４０に処理を移す。

（ステップＳ１２０）
供給制御部２４０は、酸素センサ２３０から取得した酸素濃度を示す信号に基づき、三元触媒２１０の下流側の酸素濃度が所定の閾値以上であるか否かを判定する。ここで、閾値は、三元触媒２１０のＯＳＣ材による酸素の貯蔵量の目標値に基づいて決定される値である。目標値は、ＯＳＣ材による酸素の貯蔵量の上限値未満の値であり、ＯＳＣ材が、排気ガス中の酸素の濃度に応じて、所定量の酸素を貯蔵することができ、また、所定量の酸素を放出することができる値である。

ＯＳＣ材の酸素の貯蔵量が目標値を上回ると、排気ガスから取り込むことができる酸素の量が減少するため、酸素センサ２３０が検出する酸素濃度が閾値以上となる。一方、ＯＳＣ材の酸素の貯蔵量が目標値以下であると、排気ガスから充分に酸素を取り込むことができるため、酸素センサ２３０が検出する酸素濃度は閾値未満となる。

そして、供給制御部２４０は、酸素濃度が閾値以上であると判定した場合には、ステップＳ１３０に処理を移し、酸素濃度が閾値未満であると判定した場合には当該供給処理を終了する。

（ステップＳ１３０）
供給制御部２４０は、現時点での三元触媒２１０の温度、および、現時点での排気ガスの流速（もしくはアクセル開度）に基づき、不図示のメモリに予め保持された蓄積量マップを参照し、三元触媒２１０のＯＳＣ材に、目標値を超えて蓄積（貯蔵）される、現時点（単位時間あたり）の酸素の量（以下、「蓄積量」と称する）を導出する。

なお、蓄積量マップは、三元触媒２１０の温度、および、三元触媒２１０を通過する排気ガスの流速に対し、ＯＳＣ材への酸素の蓄積量が対応付けられたマップである。蓄積量マップでは、三元触媒２１０の温度が高くなるほど、酸素の蓄積量が小さくなっており、排気ガスの流速が大きくなるほど、酸素の蓄積量が小さくなっている。

そして、供給制御部２４０は、前回までの酸素の蓄積量の積算値に、今回導出した酸素の蓄積量を加算する。こうして、燃料カット中における、ＯＳＣ材への酸素の蓄積量が導出される。

（ステップＳ１４０）
供給制御部２４０は、所定の燃料カット終了条件の成立時であるか否かを判定する。例えば、供給制御部２４０は、エンジン回転数が所定の回転数以上であり、かつ、アクセルの開度がゼロから所定値以上に切り替わったと判定した場合に、燃料カット終了条件が成立したと判定する。なお、所定値はゼロを上回る値である。その結果、供給制御部２４０は、燃料カット終了条件の成立時であると判定した場合には、ステップＳ１５０に処理を移す。一方、供給制御部２４０は、燃料カット終了条件の成立時ではないと判定した場合には、当該供給処理を終了する。

（ステップＳ１５０）
供給制御部２４０は、ステップＳ１３０で導出した酸素の蓄積量（目標値以上に貯蔵された酸素の量）に基づき、不図示のメモリに予め保持された供給量マップを参照し、ＯＳＣ材への酸素の蓄積量を目標値まで低減するために必要な還元剤前駆体の供給量を導出する。なお、供給量マップは、実測値に基づいて作成され、ＯＳＣ材への酸素の蓄積量に対し、還元剤前駆体の供給量が対応付けられたマップである。供給量マップでは、酸素の蓄積量が多いほど、還元剤前駆体の供給量が多くなっている。そして、供給制御部２４０は、導出した供給量の還元剤前駆体が排気路１４０に供給されるバルブ２２８の開弁時間を導出する。

（ステップＳ１６０）
供給制御部２４０は、ポンプ２２６の駆動を開始するとともに、バルブ２２８を開弁する。こうして、還元剤前駆体が、タンク２２２から排気路１４０を介して三元触媒２１０に供給されることになる。

そうすると、三元触媒２１０において下記式（１）に示す水蒸気改質反応が進行し、排気ガスに含まれる水蒸気（水）、および、還元剤前駆体から、二酸化炭素（ＣＯ_２）および水素（Ｈ_２）が生成される。
ＣＨ_３ＯＨ ＋ Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２ ＋ ３Ｈ_２ …式（１）
なお、式（１）では、還元剤前駆体がメタノールである場合を例に挙げる。

水蒸気改質反応が進行することによって生成された水素は、還元剤として機能し、ＯＳＣ材に蓄積された酸素を水に還元する。これにより、ＯＳＣ材への酸素の蓄積量を目標値まで低減することができ、ＯＳＣ材の酸素の貯蔵能力を回復させることが可能となる。

そして、供給制御部２４０は、バルブ２２８を開弁してから上記開弁時間が経過すると、ポンプ２２６を停止するとともにバルブ２２８を閉弁する。また、酸素の蓄積量の積算値をリセットする。

以上説明したように、本実施形態の排気ガス浄化装置２００は、還元剤前駆体を供給するだけといった簡易な構成で、ＯＳＣ材による酸素の貯蔵能力を回復させることができる。

また、燃料カット終了後に、空燃比をリッチとする従来技術では、燃料に含まれる炭化水素を還元剤として利用し、ＯＳＣ材に蓄積された酸素を離脱させている。これに対し、本実施形態の排気ガス浄化装置２００は、水蒸気改質反応を進行させることで還元剤前駆体から水素を生成し、水素を還元剤として利用している。水素は、炭化水素と比較して還元能力が高い。したがって、本実施形態の排気ガス浄化装置２００は、従来技術と比較して、少量の還元剤前駆体を供給するだけで、ＯＳＣ材による酸素貯蔵能力を回復させることが可能となる。

なお、水蒸気改質反応は、三元触媒２１０に含まれる貴金属を触媒とし、アルコールや炭化水素を水蒸気改質して水素を生成させる反応である。しかし、排気ガスによってのみ加熱される三元触媒２１０の温度程度の低温においては、還元剤前駆体が出発物質である場合には水蒸気改質反応が進行するものの、燃料に含まれる炭化水素が出発物質である場合には水蒸気改質反応がほとんど進行しない。つまり、還元剤前駆体を水素に改質できるものの、燃料に含まれる炭化水素を水素に改質することはできない。

また、従来技術とは異なり、燃料を過剰に噴射させることなく、ＯＳＣ材による酸素の貯蔵能力を回復させることができるため、燃費の低下を抑制することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

なお、上記実施形態において、前駆体供給部２２０が還元剤前駆体としてアルコールを排気路１４０に供給する構成を例に挙げて説明した。しかし、前駆体供給部２２０は、アルコールの水溶液を排気路１４０に供給してもよい。また、前駆体供給部２２０は、還元剤前駆体として、アルコールに代えて、または、アルコールに加えて、炭素数が３以下の炭化水素、例えば、メタン、エタン、ブタン等を排気路１４０に供給してもよい。炭素数が３以下の炭化水素を供給することにより、三元触媒２１０の温度程度の低温であっても水蒸気改質反応を進行させることができ、水素を生成させることが可能となる。

また、上記実施形態において、供給制御部２４０は、還元剤前駆体の送出流量（供給流量）が一定となるようにポンプ２２６を駆動制御し、バルブ２２８の開弁時間を制御することで、ステップＳ１５０で導出した供給量の還元剤前駆体を供給する構成を例に挙げて説明した。しかし、供給制御部２４０は、ステップＳ１５０で導出した供給量の還元剤前駆体が排気路１４０に供給されるようにポンプ２２６の流量を制御してもよい。

本発明は、排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置に利用できる。

２００ 排気ガス浄化装置
２１０ 三元触媒
２２０ 前駆体供給部
２４０ 供給制御部

Claims (2)

1. エンジンの排気路に設けられ、ＯＳＣ材を含む三元触媒と、
   メタノール、エタノール、および、プロパノールのうち、１または複数であるアルコールを、前記排気路における前記三元触媒の上流側に供給する前駆体供給部と、
   所定の燃料カット終了条件が成立した場合に、前記前駆体供給部を制御して、前記アルコールの供給を開始させ、前記排気路において前記アルコールの水蒸気改質を行わせる供給制御部と、
   を備える排気ガス浄化装置。
2. 前記供給制御部は、前記エンジンへの燃料の供給がカットされた期間の少なくとも一部における、前記三元触媒の温度、および、前記三元触媒を通過する排気ガスの流速に基づいて、前記アルコールの供給量を制御する請求項１に記載の排気ガス浄化装置。

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