WO2008126876A1

WO2008126876A1 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: WO2008126876A1
Application number: PCT/JP2008/057040
Authority: WO
Inventors: Shunsuke Toshioka; Tomihisa Oda; Kazuhiro Itoh
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2007-04-06
Filing date: 2008-04-03
Publication date: 2008-10-23
Also published as: CN101646845A; JP4710863B2; EP2146064A4; EP2146064A1; JP2008255937A; US20100050610A1; EP2146064B1; CN101646845B

Abstract

酸素過剰のもとでアンモニアにより排気ガス中のＮＯｘを還元するのに適した触媒（２７）を機関排気通路内に配置する。触媒（２７）に添加制御弁（３２）から尿素水溶液を供給し、触媒（２７）に供給された尿素の一部を触媒（２７）内に貯蔵すると共に触媒（２７）内に貯蔵されている尿素から発生したアンモニアにより排気ガス中のＮＯｘを還元する。触媒（２７）の貯蔵容量があらかじめ定められた許容上限容量よりも大きいか否かを判断し、触媒（２７）の貯蔵容量が該許容上限容量よりも大きいと判断されたときに尿素水溶液の供給を禁止する。

Description

内燃機関の排気浄化装置技術分野

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。背景技術，；

酸素過剰のもとでアンモニアにより排気ガス中の N O Xを還元するのに適した触媒を機関排気通路内に配置し、この触媒に尿素水溶液を供給し、触媒に供給された尿素の一部を触媒内に貯蔵すると共に触媒内に貯蔵されている尿素から発生したアンモニアにより排気ガス中の N O Xを還元するようにした内燃機関が公知である（米国特許第 5， 6 2 8， 1 8 6号明細書及び国際特許公開第 9 9 6 7 5 1 1号参照）。

この内燃機関では、触媒に供給された尿素の一部は触媒内にいつたん貯蔵され、この貯蔵された尿素からアンモニアといった尿素由来物質が生成される。この尿素由来物質の一部は N O Xを還元するのに用いられ、残りは N O X還元に用いられることなく触媒から排出される。この場合、触媒から排出される尿素由来物質の量は触媒内に貯蔵された尿素の量が多くなるほど多くなる。したがって、触媒内に多量の尿素が貯蔵されると、多量の尿素由来物質が触媒から好ましくなく排出されるおそれがある。

この点、機関から排出された N O Xの量に見合う量だけ尿素水溶液を触媒に供給するようにすれば、触媒内に多量の尿素が貯蔵されるのを阻止することができしたがって多量の尿素由来物質が触媒から排出されるのを阻止できると考えられる。しかしながら、機関から排出された N O x量又はこれに見合う尿素量を正確に求めるのは困難である。あるいは、触媒に貯蔵されている尿素の量を求め、この尿素貯蔵量が許容上限を越えないように触媒に供給される尿素水溶液の量を制御すれば、触媒内に多量の尿素が貯蔵されるのを阻止することができると考えられる。しかしながら、触媒に貯蔵されている尿素の量を正確に求めることは困難である。いずれにしても、触媒から多量の尿素由来物質が排出されるのを確実に阻止することができないという問題点がある。触媒に供給される尿素水溶液の量を減量すれば触媒内に多量の尿素が貯蔵されるのを阻止することができるけれども、この場合には N O Xを良好に還元することができなくなるおそれがある。発明の開示

そこで本発明の目的は、多量のアンモニア発生化合物が触媒から排出されるのを阻止することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

本発明によれば、酸素過剰のもとでアンモニアにより排気ガス中の N〇 xを還元するのに適した触媒を機関排気通路内に配置した内燃機関の排気浄化装置であって、該装置が、該触媒にアンモニア発生化合物を供給するための供給手段と、該アンモニア発生化合物の供給量を制御するための供給制御手段と、を具備し、該触媒は、触媒に供給された該アンモニア発生化合物の少なくとも一部を触媒内に貯蔵すると共に該触媒内に貯蔵されているアンモニア発生化合物からアンモニアを生成して該生成したアンモニアにより排気ガス中の N O Xを還元する機能を有し、該装置がさらに、該触媒の貯蔵容量があらかじめ定められた許容上限容量よりも大きいか否かを判断する判断手段を具備し、前記供給制御手段は、該触媒の貯蔵容量が該許容上限容量よりも大きいと判断されたときにアンモニア発生化合物の供給を禁止する、内燃機関の排気浄化装置が提供される。図面の簡単な説明

図 1 は内燃機関の全体図、図 2は触媒の貯蔵容量を示す線図、図 3は触媒内に貯蔵された尿素量と、その後に触媒から排出されるァンモニァの濃度との関係の一例を示す線図、図 4は N O x浄化率を示す線図、図 5は本発明による実施例を説明するためのタイムチヤ —ト、図 6は尿素水溶液の供給制御ルーチンを示すフローチャート、図 7は触媒内に貯蔵された尿素量と、その後に触媒から排出されシアン化水素の濃度との関係の一例を示す線図、図 8は触媒内に貯蔵された尿素量と、その後に触媒から排出されるイソシアン酸の濃度との関係の一例を示す線図である。、発明を実施するための最良の形態

図 1は本発明を圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。なお、本発明はガソリン機関にも適用することができる。

図 1 を参照すると、 1 は機関本体、 2は各気筒の燃焼室、 3は各燃焼室 2内にそれぞれ燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、 4は吸気マニホルド、 5は排気マニホルドをそれぞれ示す。吸気マニホルド 4は吸気ダクト 6を介して排気ターボチヤ一ジャ 7のコンプレッサ 7 aの出口に連結され、コンプレッサ 7 aの入口はエアフローメータ 8 を介してエアクリーナ 9に連結される。吸気ダクト 6内には電気制御式スロットル弁 1 0が配置され、更に吸気ダク卜 6周りには吸気ダク卜 6内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置 1 1が配置される。図 1 に示される実施例では機関冷却水が冷却装置 1 1内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。一方、排気マニホルド 5は排気ターボチャージャ 7の排気夕ービン 7 bの入口に連結され、排気タービン 7 bの出口は排気後処理装置 2 0に連結される。

排気マニホルド 5 と吸気マニホルド 4とは排気ガス再循環（以下、 E G Rと称す）通路 1 2を介して互いに連結され、 E G R通路 1 2内には電気制御式 E G R制御弁 1 3が配置される。また、 E G R 通路 1 2周りには E G R通路 1 2内を流れる E G Rガスを冷却するための冷却装置 1 4が配置される。図 1 に示される実施例では機関冷却水が冷却装置 1 4内に導かれ、機関冷却水によって E G Rガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁 3は燃料供給管 1 5を介してコモンレール 1 6に連結され、このコモンレール 1 6は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ 1 7 を介して燃料タンク 1 8に連結される。燃料タンク 1 8内の燃料は燃料ポンプ 1 7によってコモンレール 1 6内に供給され、コモンレール 1 6内に供給された燃料は各燃料供給管 1 5を介して燃料噴射弁 3に供給される。

排気後処理装置 2 0は排気管 2 1 を介して排気タービン 7 bの出口に連結された上流側触媒コンバータ 2 2 と、排気管 2 3を介して上流側触媒コンバ一夕 2 2に連結された下流側触媒コンバータ 2 4 とを具備する。上流側触媒コンバ一夕 2 2内には上流側から順に触媒 2 5及び触媒 2 6が配置され、下流側触媒コンバータ 2 4内には上流側から順に触媒 2 7及び触媒 2 8が配置される。触媒 2 5 , 2 6， 2 8は酸化機能を有する触媒、例えば酸化触媒又は三元触媒から.構成される。これに対し、触媒 2 7は酸素過剰のもとでアンモニァにより排気ガス中の NO xを還元するのに適した NO x選択還元触媒から構成される。また、触媒 2 5， 2 7， 2 8はハニカム担体上に担持されており、触媒 2 6は排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィル夕上に担持されている。排気管 2 3には下流側触媒コンバ一夕 2 4内に流入する排気ガスの温度を検出するための温度センサ 2 9が配置される。下流側触媒コンバータ 2 4 内に流入する排気ガスの温度は触媒 2 7の温度を表している。

一方、アンモニアを発生するアンモニア発生化合物を含む液体がタンク 3 0内に貯えられており、タンク 3 0内に貯えられているァンモニァ発生化合物を含む液体は供給ポンプ 3 1及び電磁制御式添加制御弁 3 2を介して排気管 2 3内に供給される。

電子制御ュニット 4 0はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス 4 1 によって互いに接続された R O M (リードオンリメモリ ) 4 2 、 R A M (ランダムアクセスメモリ） 4 3 、 C P U (マイク口プロセッサ） 4 4、入力ポート 4 5及び出力ポート 4 6を具備する。エアフローメータ 8は吸入空気量に比例した出力電圧を発生し、この出力電圧は対応する A D変換器 4 7を介して入力ポー卜 4 5 に入力される。一方、温度センサ 2 9の出力信号はそれぞれ対応する A D変換器 4 7を介して入力ポート 4 5に入力される。アクセルペダル 4 9にはアクセルペダル 4 9の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ 5 0が接続され、負荷センサ 5 0の出力電圧は対応する A D変換器 4 7 を介して入力ポート 4 5に入力される。さらに、入力ポート 4 5にはクランクシャフトが例えば 3 0 ° 回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ 5 1が接続される。一方、出力ポート 4 6は対応する駆動回路 4 8を介して燃料噴射弁 3、スロットル弁 1 0駆動装置、 E G R制御弁 1 3、燃料ボンプ 1 7、供給ポンプ 3 1、及び添加制御弁 3 2に接続される。

さて、前述したように触媒 2 7上流の排気管 2 3内にはアンモニァ発生化合物を含む液体が供給される。アンモニアを発生しうるァンモニァ発生化合物については種々の化合物が存在し、したがってアンモニア発生化合物として種々の化合物を用いることができる。本発明による実施例ではアンモニア発生化合物として尿素を用いており、アンモニア発生化合物を含む液体として尿素水溶液を用いている。したがって以下、触媒 2 7上流の排気管 2 3内に尿素水溶液を供給する場合を例にとって本発明を説明する。

一方、前述したように触媒 2 7は N O x選択還元触媒からなり、図 1 に示す実施例ではこの N〇 x選択還元触媒としてチタニアを担体とし、この担体上に酸化バナジウムを担持した触媒 V ₂ O ₅ / Ύ i 〇 ₂ (以下、バナジウム · チタニア触媒という。）、又はゼオライトを担体とし、この担体上に銅を担持した触媒 C u Z Z S M 5 ( 以下、銅ゼオライト触媒という。）が用いられている。

過剰酸素を含んでいる排気ガス中に尿素水溶液を供給すると排気ガス中に含まれる N Oは触媒 2 7上において尿素 C O (N H ₂ ) ₂ から発生するアンモニア N H ₃ により還元される（例えば 2 N H ₃ + 2 Ν Ο + 1 / 2 0₂ → 2 N ₂ + 3 H 2 〇）。

すなわち、供給された尿素水溶液中の尿素はまず触媒 2 7上に付着する。このとき触媒 2 7の温度が例えばほぼ 3 5 0で以上のように高ければ尿素が一気に熱分解してアンモニアが発生される。

一方、触媒 2 7の温度がほぼ 1 3 2でからほぼ 3 5 0でまでのときには尿素が触媒 2 7内にいったん貯蔵され、次いで触媒 2 7内に貯蔵されている尿素からアンモニアが少しずつ発生され放出される。この場合のアンモニア発生は触媒 2 7上において尿素が形態変化するためであると考えられている。すなわち、尿素はほぼ 1 3 2でにおいてピウレツ卜に変化し、ピウレツトはほぼ 1 9 0でにおいてシァヌル酸に変化し、シァヌル酸はほぼ 3 6 0でにおいてシアン酸又はイソシアン酸に変化する。あるいは、触媒 2 7内に貯蔵されてからの経過時間が長くなるにつれて尿素はピウレツトに変化し、ビゥレツトはシァヌル酸に変化し、シァヌル酸はシアン酸又はイソシアン酸に変化する。このような形態変化の過程で少しずつアンモニァが発生するものと考えられている。

触媒 2 7の温度が尿素の熱分解温度であるほぼ 1 3 2で以下のときに触媒 2 7に尿素水溶液を供給すると尿素水溶液中の尿素は触媒 2 7内に貯蔵され、このとき貯蔵された尿素からはアンモニアはほとんど発生しない。

しかしながら、その後に例えば機関加速運転が行われて触媒 2 7 の温度が高くなると、触媒 2 7内に貯蔵されている尿素から上述したアンモニア、ビウレット、シァヌル酸、シアン酸又はイソシアン酸などが生成され、さらにこれら生成物と排気ガス中の炭化水素 H Cとが反応してシアン化水素が生成される場合がある。このようにして尿素から生成される尿素由来物質の一部は排気ガス中の N O X を還元するのに用いられるが、残りは N O X還元することなく触媒 2 7から排出されてしまう。

触媒 2 7から排出される尿素由来物質の量は触媒 2 7内に貯蔵された尿素の量が多くなるほど多くなる。したがって、触媒 2 7内に多量の尿素が貯蔵されると、多量の尿素由来物質が触媒 2 7から好ましくなく排出されるおそれがある。

一方、触媒 2 7内に貯蔵され得る尿素の量には限界があり、すなわち触媒 2 7内には貯蔵容量までしか尿素を貯蔵することができない。この貯蔵容量は触媒 2 7の雰囲気例えば触媒 2 7の温度に応じて変動し、したがって触媒 2 7の貯蔵容量が大きいときには触媒 2 7内に多量の尿素を貯蔵することができ、触媒 2 7の貯蔵容量が小さいときには触媒 2 7内に少量の尿素しか貯蔵することができないそうすると、触媒 2 7の貯蔵容量が大きいときに触媒 2 7への尿素水溶液の供給を禁止すれば、触媒 2 7内に多量の尿素が貯蔵されるのを阻止することができる。これが本発明の基本的な考え方である。

すなわち本発明による実施例では、触媒 2 7の貯蔵容量があらかじめ定められた許容上限容量よりも大きいか否かが判断され、触媒 2 7の貯蔵容量が許容上限容量よりも大きいと判断されたときには尿素水溶液の供給が禁止される。この場合、触媒 2 7の貯蔵容量を直接求めるのは困難である。一方、触媒 2 7の貯蔵容量 S Cは図 2 に示されるように、触媒 2 7の温度 T Cが低いときには高いときに比べて大きくなり、触媒 2 7の温度 T Cが T C Xのときに触媒 2 7 の貯蔵容量 S Cが許容上限量 S C Uとなる。

そこで本発明による実施例では、触媒 2 7の貯蔵容量 S Cが許容上限容量 S C Uとなる温度 T Cを設定温度 T C Xに設定し、触媒 2 7の温度 T Cがこの設定温度 T C Xよりも低いときに触媒 2 7の貯蔵容量 S Cが許容上限容量 S C Uよりも大きいと判断するようにし、このとき尿素水溶液の供給が禁止される。一方、触媒 2 7の温度が設定温度 T C Xよりも高いときには触媒 2 7の貯蔵容量 S Cが許容上限容量 S C Uよりも小さいと判断され、このとき尿素水溶液の供給が許容される。すなわち、例えば機関から排出される NO X量に応じた量だけ尿素水溶液が触媒 2 7に供給される。このようにすると、触媒 2 7内に貯蔵された尿素の量が許容上限容量 S C Uを越えることがない。したがって、触媒 2 7内に実際に貯蔵されている尿素量を求めなくても、多量の尿素が触媒 2 7内に貯蔵されるのを阻止することができる。

許容上限容量 S C Uはどのように設定してもよい。本発明による実施例では許容上限容量 S C Uが次のようにして設定される。

上述したように、触媒 2 7から排出される尿素由来物質の量は触媒 2 7内に貯蔵された尿素の量が多くなるほど多くなる。図 3は触媒 2 7内に貯蔵された尿素量 Qと、その後の例えば機関加速時に触媒 2 7から排出されるアンモニアの濃度 C Aとの関係の一例を示している。図 3からわかるように、貯蔵尿素量 Qが多いときには貯蔵尿素量 Qが少ないときに比べて高濃度のアンモニアが触媒 2 7から排出される。

ここで、アンモニア排出濃度 C Aがあらかじめ定められたその許容上限値 C AUを越えないようにするためには、図 3からわかるように触媒 2 7内に貯蔵される尿素量 Qがその上限量 QAUを越えないようにする必要がある。

一方、上述したように、触媒 2 7内に貯蔵される尿素量は許容上限容量 S C Uを越えることがない。そこで本発明による実施例では、許容上限容量 S C Uをアンモニアのための上限量 QAUに設定するようにしている。その結果、触媒 2 7からその後に排出されるァンモニァ濃度がその許容上限値 C AUを越えるのが阻止される。なお、許容上限容量 S C Uをアンモニアのための上限量 QAUよりも少なく設定することもできる。しかしながら、許容上限容量 S C Uをこの上限量 QAUに設定すれば、 NO X還元のために十分な量の尿素を触媒 2 7に供給しつつ、触媒 2 7から排出されるアンモ二ァ量を低減することが可能となる。

ところで、触媒 2 7の NO x浄化率 E F Fは図 4に示されるように、触媒 2 7の温度 T Cが下限温度 T C E Lよりも低いか又は上限温度 T C E Hよりも高いと許容下限率 E F F Lよりも低くなり、触媒 2 7の温度 T Cが下限温度 T C E Lから上限温度 T C E Hまでであると許容下限率 E F F Lよりも高くなる。上述した設定温度 T C Xはこの下限温度 T C E Lよりも高くなつている。

ここで、例えば機関が始動された後の尿素水溶液の供給開始タイミングについて考える。図 5において Xで示されるように機関が始動されると、触媒 2 7の温度 T Cが徐々に上昇する。このとき尿素水溶液の供給は停止されている。次いで、図 5に Yで示されるように触媒 2 7の温度 T Cが下限温度 T C E Lに達しても、尿素水溶液の供給は開始されない。次いで図 5に Zで示されるように触媒 2 7 の温度 T Cが設定温度 T C Xに達すると、尿素水溶液の供給が開始される。すなわち、本発明による実施例では、触媒 2 7が N O x還元のために十分に活性化していても尿素水溶液の供給が開始されず、触媒 2 7の温度 T Cが多量の尿素由来物質の排出を阻止できる温度まで上昇するとようやく尿素水溶液の供給が開始されるのである図 6は本発明による実施例の尿素水溶液の供給制御を実行するためのルーチンを示しており、このルーチンは一定時間毎の割込みによつて実行される。

図 6を参照するとまず初めにステツプ 1 0 0において触媒 2 7の温度 T Cが設定温度 T C Xよりも低いか否かが判別される。 T C≥ T C Xのときには次いでステップ 1 0 1 に進み、尿素水溶液の供給が許容される。これに対し、 T C < T C Xのときには次いでステツプ 1 0 2に進み、尿素水溶液の供給が禁止される。

許容上限容量 S C Uは次のように設定することもできる。

図 7は触媒 2 7内に貯蔵された尿素量 Qと、その後の例えば機関加速時に触媒 2 7から排出されるシアン化水素の濃度 C Cとの関係の一例を示しており、図 8は触媒 2 7内に貯蔵された尿素量 Qと、その後の例えば機関加速時に触媒 2 7から排出されるイソシアン酸の濃度 C I との関係の一例を示している。図 7及び 8からわかるように、シアン化水素排出濃度 C Cがあらかじめ定められたその許容上限値 C C Uを越えないようにするためには触媒 2 7内に貯蔵される尿素量 Qがその上限量 Q C Uを越えないようにすればよく、イソシアン酸排出濃度 C Iがあらかじめ定められたその許容上限値 C I Uを越えないようにするためには触媒 2 7内に貯蔵される尿素量 Q がその上限量 Q I Uを越えないようにすればよい。

そこで、許容上限容量 S C Uをシアン化水素のための上限量 Q C Uに設定し、又はイソシアン酸のための上限量 Q I Uに設定してもよい。

あるいは、許容上限容量 S C Uをアンモニア、シアン化水素、ィソシアン酸のための上限量 QAU， Q C U， Q I Uのうち最も少ないものに設定することもできる。このようにすれば、アンモニア、シアン化水素、イソシアン酸すべてがそれぞれの許容上限値 C AU ， C C U, C I Uを越えるのを阻止することができる。

Claims

請求の範囲

1 . 酸素過剰のもとでアンモニアにより排気ガス中の N O xを還元するのに適した触媒を機関排気通路内に配置した内燃機関の排気浄化装置であって、該装置が、

該触媒にアンモニア発生化合物を供給するための供給手段と、該アンモニア発生化合物の供給量を制御するための供給制御手段と、

を具備し、

該触媒は、触媒に供給された該アンモニア発生化合物の少なくとも一部を触媒内に貯蔵すると共に該触媒内に貯蔵されているアンモニァ発生化合物からアンモニアを生成して該生成したアンモニアにより排気ガス中の N O Xを還元する機能を有し、

該装置がさらに、該触媒の貯蔵容量があらかじめ定められた許容上限容量よりも大きいか否かを判断する判断手段を具備し、

前記供給制御手段は、該触媒の貯蔵容量が該許容上限容量よりも大きいと判断されたときにアンモニア発生化合物の供給を禁止する内燃機関の排気浄化装置。

2 . 前記触媒からその後に排出されるアンモニア発生化合物由来物質の量がその許容上限量を越えないように前記許容上限容量を設定した請求項 1 に記載の内燃機関の排気浄化装置。

3 . 前記アンモニア発生化合物由来物質がアンモニア、シアン化水素、及びイソシアン酸のうちから選ばれた少なくとも一つである請求項 2に記載の内燃機関の排気浄化装置。

4 . 前記触媒からその後に排出されるアンモニア、シアン化水素、及びイソシアン酸すべてがそれぞれの許容上限量を越えないように前記許容上限容量を設定した請求項 2に記載の内燃機関の排気浄化装置。

5 . 前記触媒の貯蔵容量は、該触媒の温度が低いときには該触媒の温度が高いときに比べて大きくなつており、前記判断手段は、該触媒の温度が、該触媒の貯蔵容量が前記許容上限容量となる温度に設定された設定温度よりも低いときに該触媒の貯蔵容量が該許容上限容量よりも大きいと判断する請求項 1 に記載の内燃機関の排気浄化装置。

6 . 前記触媒の N O X還元率は、該触媒の温度が高いときには該触媒の温度が低いときに比べて高くなつており、前記設定温度は、該触媒の N〇 x浄化率があらかじめ定められた許容下限率となる温度よりも高く設定される請求項 5に記載の内燃機関の排気浄化装置

7 . 前記供給制御手段は、前記触媒の貯蔵容量が前記許容上限容量よりも小さいと判断されたときにアンモニア発生化合物の供給を許容する請求項 1 に記載の内燃機関の排気浄化装置。