JPWO2010134189A1 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

ＮＯｘ浄化率の低下及び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。ＮＯｘ触媒（３５）と、還元剤添加手段としての尿素水添加弁（７０）とを、ＮＯｘ触媒（３５）の入口側と出口側に設けられたＮＯｘセンサ（９０Ａ），（９０Ｂ）とを有し、ＮＯｘ触媒（３５）の床温がＮＯｘに変換されるアンモニアの量が相対的に増加し、かつ、ＮＯｘ浄化率が相対的に低下する所定の高温域にある状態において、ＮＯｘセンサ（９０Ａ），（９０Ｂ）の出力を用いて尿素水添加弁（７０）の実添加量が目標添加量となるように補正する。

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジンの排気ガス中の窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」という）をアンモニアにより還元して除去する選択的接触還元法（Selective Catalytic Reduction：ＳＣＲ）を用いたＮＯｘ浄化システムが知られている（例えば、特許文献１を参照）。このようなＮＯｘ浄化システムでは、一般的には、尿素水を添加弁から脱硝触媒（以下、「ＮＯｘ触媒」という）添加し、これを加水分解させてアンモニアを供給する。

尿素水の添加系に異常があると、尿素水の過剰な添加によりＮＯｘ触媒からスリップするアンモニアが増大する、あるいは、尿素水の過少な添加によりＮＯｘ浄化率が悪化するという不具合が発生してしまう。尿素水の添加系の異常は、例えば、尿素水の結晶化、ごみ等による添加弁の詰まりや開閉不良、尿素水供給ポンプの供給圧力低下、添加系の経時劣化などが挙げられる。

特許文献１は、ＮＯｘ触媒に尿素水を添加してＮＯｘを浄化する際に、目標ＮＯｘ浄化率と実ＮＯｘ浄化率とを比較し、実ＮＯｘ浄化率が目標ＮＯｘ浄化率よりも低い場合には、尿素水の添加量を増量する補正を実行し、添加量増量後に実ＮＯｘ浄化率が改善されない場合には、システムに異常があると判断する技術を開示している。

特開２００３−２９３７４３号公報

ところで、ＮＯｘ触媒への尿素水の実添加量が目標添加量となっているかを判断するためには、尿素水の実添加量を測定する必要がある。尿素水の実添加量を測定するために、専用のセンサを設けると製造コストが増大する。また、例えば、ＮＯｘ触媒の前後にＮＯｘセンサを設け、これらの出力から得られるＮＯｘ濃度の差から尿素水の実添加量を推定することは可能である。しかしながら、ＮＯｘセンサは、ＮＯｘとアンモニアの双方に反応する性質を有する。このため、ＮＯｘセンサがＮＯｘとアンモニアの両方を検出するような場合には、ＮＯｘセンサの出力から尿素水の実添加量を精度よく推定することは困難であり、尿素水添加量の精密な補正制御を実行することは難しい。

本発明の目的は、還元剤添加量を精密に補正できて、ＮＯｘ浄化率の低下を抑制しつつ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、内燃機関の排気系に設けられ、ＮＯｘを選択的に還元するＮＯｘ触媒と、前記ＮＯｘ触媒の上流側に設けられ、前記ＮＯｘ触媒に還元剤として尿素水又はアンモニアを供給する還元剤添加手段と、ＮＯｘ及びアンモニアのいずれにも反応する、前記還元剤添加手段の上流側に設けられた第１のＮＯｘセンサ及び前記ＮＯｘ触媒の出口側に設けられた第２のＮＯｘセンサと、前記ＮＯｘ触媒の床温がＮＯｘに変換されるアンモニアの量が相対的に増加し、かつ、ＮＯｘ浄化率が相対的に低下する所定の高温域にある状態において、前記第１及び第２のＮＯｘセンサの出力を用いて前記還元剤添加手段の実還元剤添加量が目標添加量となるように補正する添加量補正手段と、を有することを特徴とする。

この構成によれば、ＮＯｘ触媒は、所定の高温域においてＮＯｘ浄化率が低下することから、添加されたアンモニアはＮＯｘ浄化による消費が抑制されかつＮＯｘ化が促進され、ＮＯｘに変換されてＮＯｘ触媒から流出する。これにより、第１のＮＯｘセンサにより検出されるＮＯｘ濃度よりもアンモニアの添加量に応じて増加したＮＯｘ濃度が第２のＮＯｘセンサにより検出され、より精密な実還元剤添加量の補正が可能となる。

上記構成において、前記ＮＯｘ触媒の上流側に排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集するフィルタをさらに有し、前記ＮＯｘ触媒は、前記フィルタの捕集能力を再生するために前記粒子状物質を酸化させる再生処理により、床温が前記所定の高温域まで昇温される、構成を採用できる。

上記構成において、前記ＮＯｘ触媒を前記所定の高温域まで昇温させるための加熱手段を有する、構成を採用できる。

上記構成において、前記添加量補正手段は、前記第１及び第２のＮＯｘセンサの出力を用いて前記ＮＯｘ触媒の前後におけるＮＯｘ濃度差を求め、このＮＯｘ濃度差を用いて前記還元剤添加手段の実還元剤添加量を補正する、構成を採用できる。この場合に、前記添加量補正手段は、前記第１及び第２のＮＯｘセンサの出力に加えて、予め求められた、前記ＮＯｘ触媒の床温とアンモニアスリップ量、ＮＯｘ浄化率及びアンモニアのＮＯｘ化割合との関係の少なくともいずれかを用いて、前記実還元剤添加量を補正する、構成を採用できる。

上記構成において、前記ＮＯｘ触媒の下流側に前記ＮＯｘ触媒からスリップするアンモニアを酸化してＮＯｘ化する酸化触媒をさらに有し、前記第２のＮＯｘセンサは、前記酸化触媒の下流側に設けられている、構成を採用できる。

本発明によれば、ＮＯｘ浄化率の低下及び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内燃機関の排気浄化装置の構成を示す概略図である。 図２は、ＥＣＵによる処理の一例を示すフローチャートである。 図３は、ＮＯｘ触媒の温度特性の一例を示すタイミングチャートである。 図４は、ＮＯｘ触媒に流入及び流出する尿素水とＮＯｘの量の関係を示す図である。 図５Ａは、ＮＯｘ触媒床温とアンモニアスリップ量との関係を示すグラフである。 図５Ｂは、ＮＯｘ触媒床温とＮＯｘ浄化率との関係を示すグラフである。 図５Ｃは、ＮＯｘ触媒床温とＮＯｘ化割合との関係を示すグラフである。 図６は、本発明の他の実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成を示す概略図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面を参照して説明する。
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１０は、例えば、ディーゼルエンジンであり、この内燃機関１０の排気通路１５には、フィルタとしてのＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルタ）３０と、ＮＯｘ触媒３５とが設けられている。

排気通路１５において、ＤＰＦ３０とＮＯｘ触媒３５との間には、排気通路１５に尿素水溶液を添加するための還元剤添加手段としての尿素水添加弁７０と、この尿素水添加弁７０の下流に設けられて排気ガスＥＧと尿素水溶液を混合させるための添加弁下流ミキサ８０とが設けられている。

また、排気通路１５において、尿素水添加弁７０の上流側には、ＮＯｘセンサ９０Ａ及び排気温度センサ９５Ａが設けられ、ＮＯｘ触媒３５の下流側には、ＮＯｘセンサ９０Ｂ及び排気温度センサ９５Ｂが設けられている。これらセンサの検出信号は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）１００へ入力される。

ＤＰＦ３０は、排気ガスＥＧに含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集するフィルタである。ＤＰＦ３０の構造は、周知のように、例えば、金属やセラミクス製のハニカム体で構成されている。ＤＰＦ３０は、ＰＭが所定量堆積すると再生処理が必要である。具体的には、排気ガスＥＧ中にポスト噴射等により未燃燃料を供給してＤＰＦ３０において燃焼させる供給する。これにより、捕集したＰＭが燃焼処理され、フィルタ機能が再生される。この再生処理におけるＤＰＦ３０の温度は、例えば、６００〜７００℃程度となる。なお、ＤＰＦ３０に所定量のＰＭが堆積したかの判断は、周知技術であるので、説明を省略する。また、ＤＰＦ３０は、貴金属からなる酸化触媒を担持する構成としてもよい。

尿素水添加弁７０は、タンク７５から尿素水が供給され、ＥＣＵ１００からの制御信号に応じた量の尿素水を排気通路１５に添加する。

ＮＯｘ触媒３５は、尿素添加弁７０から添加される尿素水が加水分解されて生成されるアンモニアを還元剤として用いて、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。具体的には、排気ガスＥＧ中に添加された尿素水溶液は、排気ガスＥＧの熱により加水分解されて還元剤としてのアンモニアに変化し、ＮＯｘ触媒３５に吸着保持される。このＮＯｘ触媒３５に吸着保持されたアンモニアがＮＯｘと反応し、水と無害な窒素に還元される。ＮＯｘ触媒３５のアンモニア吸着量が飽和吸着量を超えると、アンモニアスリップが発生する可能性があり、少なすぎると、ＮＯｘを十分に浄化できない可能性がある。なお、尿素水の代わりに、アンモニアを直接供給することも可能である。さらに、ＤＰＦ３０の再生処理を実施すると、高温の排気ガスがＮＯｘ触媒３５の床温も上昇する。例えば、ＤＰＦ３０が７００℃程度まで昇温すると、ＮＯｘ触媒３５も６百数十℃程度まで昇温する。ＮＯｘ触媒３５がこのような高温になると、後述するように、ＮＯｘ浄化能力やアンモニア吸着能力が低下、又は、失われる。
ＮＯｘ触媒３５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）を担持させたものなどを用いることができ、特に、これらに限定されるわけではない。

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。ＥＣＵ１００は、内燃機関１０を制御すると共に、ＮＯｘセンサ９０Ａ，９０Ｂ、排気温度センサ９５Ａ、９５Ｂなどからの信号に基づいて、尿素水添加弁７０からの尿素水の添加量の制御や、後述する尿素水の添加量の補正制御を実行する。

次に、ＥＣＵ１００による尿素水添加量補正処理の一例について図２に示すフローチャートを参照して説明する。なお、図２に示す処理ルーチンは、ＤＰＦ３０の再生処理が行われるときに実行される。

まず、ＮＯｘ触媒３５の床温を取得する（ステップＳ１）。ＮＯｘ触媒３５の床温は、排気温度センサ９５Ａ、９５Ｂの検出温度から推定できる。また、ＮＯｘ触媒３５の床温を直接計測することも可能である。次いで、ＮＯｘ触媒３５の床温が所定のしきい値Ｔｈを超えているかを判断する（ステップＳ２）。

図３はＮＯｘ触媒３５の床温とＮＯｘ浄化率との関係とを示している。
ＮＯｘ触媒３５に流入するＮＯｘ量をＮinとし、これを全て浄化するのに必要十分な尿素水を添加したとき、ＮＯｘ触媒３５から流出するＮＯｘ量をＮoutとすると、ＮＯｘ触媒３５のＮＯｘ浄化率Ｃは、次式により定義される。

図３に示すように、ＮＯｘ触媒３５は、ＮＯｘ浄化率Ｃが０％よりも大きくなるＮＯｘ浄化温域（例えば、４００℃程度未満の温域）Ｒ１においては、流入するＮＯｘの多くを浄化して窒素ガスＮ_２と水Ｈ_２Ｏに変換する。このＮＯｘ浄化温域Ｒ１の比較的低い温度域では、尿素水が加水分解されて生成されたアンモニアの大部分は、ＮＯｘの浄化に消費され、残りはＮＯｘ触媒３５に吸着される。そして、ＮＯｘ触媒３５の床温が上昇するにつれて、ＮＯｘ触媒３５のＮＯｘ浄化能力は低下していき、代わりに酸化能力が増大し、アンモニアがＮＯｘ化される割合が高くなっていく。

図３におけるＮＯｘ浄化率Ｃが０％になる温度Ｔａでは、アンモニアの半分がＮＯｘ浄化に消費され、残りの半分が酸化されてＮＯｘに変換される。温度Ｔａから温度Ｔｂに至る高温域Ｒ２では、温度ＴａからＮＯｘ触媒３５の床温が上昇するにつれて、ＮＯｘ浄化に使用されるアンモニアは減っていき、代わりに、アンモニアのＮＯｘ化の割合は高くなっていき、温度Ｔｂにおいては略１００％のアンモニアがＮＯｘに変換される。温度Ｔａを超える高温域Ｒ３においては、アンモニアは、理論上１００％ＮＯｘに変換される。このため、ＮＯｘ浄化率Ｃは−１００％となる。

本実施形態では、ステップＳ２におけるしきい値Ｔｈを、ＮＯｘに変換されるアンモニアの量が相対的に増加し、かつ、ＮＯｘ浄化率Ｃが相対的に低下する高温域Ｒ２あるいはＲ３のいずれかに設定する。なお、しきい値Ｔｈの上限は、ＤＰＦ３０の再生処理により上昇するＮＯｘ触媒３５の温度により規定される。

ステップＳ２において、ＮＯｘ触媒３５の床温がしきい値Ｔｈを超えていない場合には、処理は一旦終了するが、ＤＰＦ３０の再生処理中は、添加量補正処理ルーチンが繰り返し実行される。ステップＳ２において、ＮＯｘ触媒３５の床温がしきい値Ｔｈを超えている場合には、尿素水添加弁７０から所定量の尿素水を添加する（ステップＳ３）。この場合、ＤＰＦ３０の再生処理前に尿素水の添加を一時的に停止しておき、このときに再添加するが、例えば、ＤＰＦ３０の再生処理にかかわらず継続的に尿素水を添加する構成としてもよい。また、尿素水を継続的に添加する場合に、添加量を一定にしておいてもよいし、しきい値Ｔｈを超えたところで、添加量を増量する構成としてもよい。

次いで、ＮＯｘ触媒３５の上流側と下流側に設けられたＮＯｘセンサ９０Ａ，９０Ｂの出力を取得する（ステップＳ４）。次いで、ＮＯｘセンサ９０Ａ，９０Ｂの出力を用いて、ＮＯｘ触媒３５の前後におけるＮＯｘ濃度差を求める（Ｓ５）。

例えば、ＮＯｘ触媒３５のＮＯ浄化率Ｃが−１００％にある状態、すなわち、床温が高温域Ｒ３にあるような場合には、例えば、図４に示すように、ＮＯｘ触媒３５に添加した尿素水量（添加アンモニア量）の全てがＮＯｘとなってＮＯｘ触媒３５から流出する。さらに、ＮＯｘ触媒３５に流入するＮＯｘは浄化されずに全てＮＯｘとしてＮＯｘ触媒３５から流出する。したがって、ＮＯｘ触媒３５のＮＯ浄化率Ｃが−１００％にある状態では、ＮＯｘ触媒３５から流出するＮＯｘ量は、添加アンモニア量から変換されたＮＯｘ量とＮＯｘ触媒３５に流入したＮＯｘ量を合計したものとなる。

上流側のＮＯｘセンサ９０Ａは、ＮＯｘ触媒３５に流入するＮＯｘ量に応じたＮＯｘ濃度を検出し、下流側のＮＯｘセンサ９０Ｂは、合計したＮＯｘ量に応じたＮＯｘ濃度を検出する。したがって、上流側のＮＯｘセンサ９０Ａから得られるＮＯｘ濃度と下流側のＮＯｘセンサ９０Ｂから得られるＮＯｘ濃度との差から、ＮＯｘ触媒３５の前後におけるＮＯｘ濃度差を求めることができる。

また、例えば、ＮＯｘ触媒３５の床温が高温域Ｒ２にあるような場合には、添加されたアンモニアの全てがＮＯｘ化されるわけではない。この高温域Ｒ２では、過剰な尿素水が添加されると、ＮＯｘ浄化及びＮＯｘ化に使用されなかったアンモニアがスリップする。このスリップ量は、図５Ａに示すように、床温が上昇するにしたがって減少する。また、図５Ｂに示すように、ＮＯｘ触媒３５のＮＯｘ浄化率は床温が上昇するにしたがって減少する。さらに、図５Ｃに示すように、アンモニアのＮＯｘ化割合は、床温が上昇するにしたがって増加する。このため、しきい値Ｔｈを高温域Ｒ２内に設定したような場合には、図５Ａ〜Ｃの関係の少なくともいずれかを用いて、ＮＯｘ触媒３５の前後におけるＮＯｘ濃度差がより正確な値になるように補正することができる。なお、高温域Ｒ３においても、ＮＯｘセンサ９０Ａ，９０Ｂの単なる差分でなく、より正確なＮＯｘ濃度差が得られるように適宜修正可能である。

次いで、ステップＳ５で求めたＮＯｘ濃度差から添加されたアンモニア量を計算し（ステップＳ６）、このアンモニア量から尿素水の実添加量を算出する（ステップＳ７）。そして、算出した尿素水の実添加量と尿素水の目標添加量とを比較し、これらが一致していない、すなわち、所定量以上の偏差が存在するかを判断する（ステップＳ８）。尿素水の実添加量と尿素水の目標添加量との間の偏差が、所定量以上ある場合には、尿素水の実添加量が目標添加量になるように、尿素水添加弁７０に対する指令添加量を補正する（ステップＳ９）。これにより、尿素水の実添加量が適正な量に修正され、ＮＯｘ触媒に適切な量の尿素水が添加されるようになり、ＮＯｘ浄化率の低下及びアンモニアスリップの発生を抑制可能となる。

図６は、本発明の他の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。なお、図６において、図１と同一構成部分には同一の符号を使用している。
図６の示す排気浄化装置は、ＤＰＦ３０の上流側に加熱手段としてのバーナー６０を備え、ＮＯｘ触媒の下流側に酸化触媒４０を備えている。なお、ＮＯｘセンサ９０Ｂ及び排気温度センサ９５Ｂは、酸化触媒４０の出口側に設けられている。

バーナー６０は、内燃機関１０側から、空気が供給される空気供給経路６１及び燃料が供給される燃料供給経路６２が接続され、燃料供給経路６２から供給される燃料を燃焼させ、燃焼ガスを排気通路１５に供給する。また、空気供給経路６１からの空気量及び燃料供給経路６２からの燃料の量を制御することにより、燃焼ガスの空燃比が制御される。バーナー６０は、ＤＰＦ３０、ＮＯｘ触媒３５の床温を上昇させるのに用いられる。すなわち、ＤＰＦ３０の再生処理とは関係なく、このバーナー６０を用いてＮＯｘ触媒３５を上記した高温域Ｒ２、Ｒ３まで昇温可能である。

酸化触媒４０は、ＮＯｘ触媒３５からスリップするアンモニアを酸化してＮＯｘ化するために設けられている。すなわち、酸化触媒４０を設けることで、ＮＯｘ触媒３５に添加された尿素水（アンモニア）のＮＯｘ化をより促進させることができ、上記したＮＯｘ濃度差をより正確に求めることが可能にある。この結果、尿素水のより精密な添加量補正制御が可能となる。

上記した実施形態では、ＮＯｘ触媒３５を所定の高温域にするために、ＤＰＦ３０の再生処理やバーナー６０を用いる場合を例示したが、これらに限定されない。例えば、急加速時やいわゆるトーイング時などの内燃機関１０に高負荷が印可された状態では、排気ガスの温度が上昇し、ＮＯｘ触媒３５が所定の高温域に達する。この場合にも、上記のような添加量補正制御が可能である。

加熱手段としては、バーナー以外にも、排気ガスあるいはＮＯｘ触媒を加熱するヒータを用いることも可能である。
上記実施形態では、ＤＰＦ３０がＮＯｘ触媒３５の上流側に配置される構成としたが、ＤＰＦ３０がＮＯｘ触媒３５の下流側に設けた場合にも本発明を適用できる。また、ＤＰＦ３０を使用しない場合にも、本発明を適用可能である。

１０…内燃機関
１５…排気通路
３０…ＤＰＦ（フィルタ）
３５…ＮＯｘ触媒
６０…バーナー
７０…尿素水添加弁
１００…ＥＣＵ
９０Ａ，９０Ｂ…ＮＯｘセンサ
９５Ａ，９５Ｂ…排気温度センサ

Claims (6)

1. 内燃機関の排気系に設けられ、ＮＯｘを選択的に還元するＮＯｘ触媒と、
   前記ＮＯｘ触媒の上流側に設けられ、前記ＮＯｘ触媒に還元剤として尿素水又はアンモニアを供給する還元剤添加手段と、
   ＮＯｘ及びアンモニアのいずれにも反応する、前記還元剤添加手段の上流側に設けられた第１のＮＯｘセンサ及び前記ＮＯｘ触媒の出口側に設けられた第２のＮＯｘセンサと、
   前記ＮＯｘ触媒の床温がＮＯｘに変換されるアンモニアの量が相対的に増加し、かつ、ＮＯｘ浄化率が相対的に低下する所定の高温域にある状態において、前記第１及び第２のＮＯｘセンサの出力を用いて前記還元剤添加手段の実還元剤添加量が目標添加量となるように補正する添加量補正手段と、
   を有することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記ＮＯｘ触媒の上流側に排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集するフィルタをさらに有し、
   前記ＮＯｘ触媒は、前記フィルタの捕集能力を再生するために前記粒子状物質を酸化させる再生処理により、床温が前記所定の高温域まで昇温される、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ＮＯｘ触媒を前記所定の高温域まで昇温させるための加熱手段を有する、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。
4. 前記添加量補正手段は、前記第１及び第２のＮＯｘセンサの出力を用いて前記ＮＯｘ触媒の前後におけるＮＯｘ濃度差を求め、このＮＯｘ濃度差を用いて前記還元剤添加手段の実還元剤添加量を補正することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記添加量補正手段は、前記第１及び第２のＮＯｘセンサの出力に加えて、予め求められた、前記ＮＯｘ触媒の床温とアンモニアスリップ量、ＮＯｘ浄化率及びアンモニアのＮＯｘ化割合との関係の少なくともいずれかを用いて、前記実還元剤添加量を補正する、ことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記ＮＯｘ触媒の下流側に前記ＮＯｘ触媒からスリップするアンモニアを酸化してＮＯｘ化する酸化触媒をさらに有し、
   前記第２のＮＯｘセンサは、前記酸化触媒の下流側に設けられている、ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。

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