JP2008286001A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯ_x吸着触媒におけるＮＯ_xの吸着および放出を考慮して尿素供給量を算出する。
【解決手段】機関排気通路内にＮＯ_x選択還元触媒１５を配置し、ＮＯ_x選択還元触媒１５上流の機関排気通路内にＮＯ_x吸着触媒１２を配置する。ＮＯ_x吸着触媒１２への吸着ＮＯ_x量およびＮＯ_x吸着触媒１２からの放出ＮＯ_x量を算出し、機関の運転状態から定まる尿素供給量に対し算出された吸着ＮＯ_x量の還元分だけ尿素供給量を減少させ、機関の運転状態から定まる尿素供給量に対し算出された放出ＮＯ_x量の還元分だけ尿素供給量を増大させる。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

機関排気通路内にＮＯ_x選択還元触媒を配置し、ＮＯ_x選択還元触媒上流の機関排気通路内に、排気ガス中に含まれるＮＯ_xを硝酸塩の形で吸蔵し還元剤を供給すると吸蔵したＮＯ_xを放出するＮＯ_x吸蔵触媒を配置し、ＮＯ_x選択還元触媒に尿素を供給して尿素から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯ_xを選択的に還元するようにした内燃機関が公知である（例えば特許文献１を参照）。この内燃機関ではＮＯ_x吸蔵触媒に吸蔵されるＮＯ_x量およびＮＯ_x吸蔵触媒から放出されるＮＯ_x量を考慮して尿素供給量が決定されている。例えばＮＯ_x吸蔵触媒からＮＯ_xが放出されているときには放出ＮＯ_x量の還元分だけ尿素供給量が増大せしめられる。
特開２００５−２９２５号公報

しかしながらこの内燃機関ではＮＯ_x吸蔵触媒からＮＯ_xを放出させるために還元剤、即ち燃料を供給した場合、一部の吸蔵ＮＯ_xはＮＯ又はＮＯ₂の形でＮＯ_x吸蔵触媒から放出されるが一部の吸蔵ＮＯ_xはＮＯよりも更に還元されてアンモニアＮＨ₃の形で放出される。この場合、吸蔵ＮＯ_xがどの程度ＮＯ_xとなって放出されるか、どの程度アンモニアＮＨ₃となって放出されるかは明確ではない。この場合、アンモニアＮＨ₃となって放出される量が多いと放出されたＮＯ_xがこのアンモニアＮＨ₃によって還元されるので尿素供給量は増大させる必要がなくなる。

ところが上述の内燃機関では吸蔵ＮＯ_xは全てＮＯ_xとなって放出されるとの前提に立っており、従って放出されたＮＯ_x量の還元分だけ尿素供給量が増大せしめられるので尿素供給量が過剰になってしまうという問題がある。このような問題はＮＯ_x吸蔵触媒を用いている限り生ずる。
本発明は、還元剤を供給しなくてもＮＯ_xを放出しうるＮＯ_x吸着触媒を用いることにより上述の如き問題が生ずることのない内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

即ち、本発明によれば機関排気通路内にＮＯ_x選択還元触媒を配置し、ＮＯ_x選択還元触媒に尿素を供給してこの尿素から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯ_xを選択的に還元するようにした内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯ_x選択還元触媒上流の機関排気通路内にＮＯ_x吸着触媒を配置し、このＮＯ_x吸着触媒はＮＯ_x吸着触媒の温度に応じて排気ガス中に含まれるＮＯ_xを吸着するか或いは吸着されているＮＯ_xを放出する性質を有し、ＮＯ_x吸着触媒への吸着ＮＯ_x量およびＮＯ_x吸着触媒からの放出ＮＯ_x量を算出し、機関の運転状態から定まる尿素供給量に対し算出された吸着ＮＯ_x量の還元分だけ尿素供給量を減少させ、機関の運転状態から定まる尿素供給量に対し算出された放出ＮＯ_x量の還元分だけ尿素供給量を増大させるようにしている。

ＮＯ_x吸着触媒から放出されるのはＮＯ又はＮＯ₂であるのでＮＯ_xの還元に必要な尿素供給量を正確に算出することができる。

図１に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。
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内に夫々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夫々示す。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ャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結され、コンプレッサ７ａの入口は吸入空気量検出器８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁１０が配置され、更に吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１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１１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の排気タービン７ｂの入口に連結され、排気タービン７ｂの出口はＮＯ_x吸着触媒１２の入口に連結される。このＮＯ_x吸着触媒１２の下流にはＮＯ_x吸着触媒１２に隣接して排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するためのパティキュレートフィルタ１３が配置され、このパティキュレートフィルタ１３の出口は排気管１４を介してＮＯ_x選択還元触媒１５の入口に連結される。このＮＯ_x選択還元触媒１５の出口には酸化触媒１６が連結される。

ＮＯ_x選択還元触媒１５上流の排気管１４内には尿素水供給弁１７が配置され、この尿素水供給弁１７は供給管１８、供給ポンプ１９を介して尿素水タンク２０に連結される。尿素水タンク２０内に貯蔵されている尿素水は供給ポンプ１９によって尿素水供給弁１７から排気管１４内を流れる排気ガス中に噴射され、尿素から発生したアンモニア（（ＮＨ₂）₂ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→２ＮＨ₃＋ＣＯ₂）によって排気ガス中に含まれるＮＯ_xがＮＯ_x選択還元触媒１５において還元される。

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、ＥＧＲと称す）通路２１を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２１内には電子制御式ＥＧＲ制御弁２２が配置される。また、ＥＧＲ通路２１周りにはＥＧＲ通路２１内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２３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２３内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管２４を介してコモンレール２５に連結され、このコモンレール２５は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２６を介して燃料タンク２７に連結される。燃料タンク２７内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ２６によってコモンレール２５内に供給され、コモンレール２５内に供給された燃料は各燃料供給管２４を介して燃料噴射弁３に供給される。

電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。ＮＯ_x吸着触媒１２にはＮＯ_x吸着触媒１２の床温を検出するための温度センサ２８が取付けられ、この温度センサ２８および吸入空気量検出器８の出力信号は夫々対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０の駆動用ステップモータ、尿素水供給弁１７、供給ポンプ１９、ＥＧＲ制御弁２２および燃料ポンプ２６に接続される。

ＮＯ_x吸着触媒１２の基体は多数の細孔を有するコージライト或いはゼオライトからなり、この基体上には例えばアルミナからなる触媒担体の層が形成されていてこの触媒担体上に例えば白金のような貴金属触媒が担持されている。一方、パティキュレートフィルタ１３としては触媒を担持していないパティキュレートフィルタを用いることもできるし、例えば白金のような貴金属触媒を担持したパティキュレートフィルタを用いることもできる。また、ＮＯ_x選択還元触媒１５は低温で高いＮＯ_x浄化率を有するアンモニア吸着タイプのＦｅゼオライトから構成することもできるし、アンモニアの吸着機能がないチタニア・バナジウム系の触媒から構成することもできる。酸化触媒１６は例えば白金からなる貴金属触媒を担持しており、この酸化触媒１６はＮＯ_x選択還元触媒１５から漏出したアンモニアを酸化する作用をなす。

図２に圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す。この実施例ではパティキュレートフィルタ１３が酸化触媒１６の下流に配置され、従ってこの実施例ではＮＯ_x吸着触媒１２の出口が排気管１４を介してＮＯ_x選択還元触媒１５の入口に連結される。

ところでＮＯ_x選択還元触媒１５はほぼ２００℃以上にならないと活性化せず、従って機関始動後、ＮＯ_x選択還元触媒１５の温度が上昇するまではＮＯ_x選択還元触媒１５によるＮＯ_xの浄化作用は期待できない。ところがＮＯ_x吸着触媒１２はＮＯ_x吸着触媒１２の温度が低くなるほど吸着しうるＮＯ_x量が増大する。従って図１および図２に示されるようにＮＯ_x選択還元触媒１５の上流にＮＯ_x吸着触媒１２が配置されているとＮＯ_x選択還元触媒１５が活性化していないときには排気ガス中のＮＯ_xはＮＯ_x吸着触媒１２に吸着され、斯くしてＮＯ_xが大気中に放出されるのが抑制されることになる。

次いでＮＯ_x吸着触媒１２の温度が上昇してくると吸着しうるＮＯ_x量が減少するためにＮＯ_x吸着触媒１２からＮＯ_xが放出される。一方、ＮＯ_x吸着触媒１２の温度が上昇するとＮＯ_x選択還元触媒１５の温度も上昇するためにＮＯ_x選択還元触媒１５が活性化し、斯くしてＮＯ_x吸着触媒１２から放出されたＮＯ_xはＮＯ_x選択還元触媒１５において浄化させることになる。

さて、ＮＯ_x吸着触媒１２は概略的に言うと低温時にＮＯ_xを吸着し、高温時にＮＯ_xを放出する性質を有する。即ち、ＮＯ_x吸着触媒１２はＮＯ_x吸着触媒１２の温度に応じて排気ガス中に含まれるＮＯ_xを吸着するか或いは吸着されているＮＯ_xを放出する性質を有する。従って機関から一定量のＮＯ_xが排出されているとするとＮＯ_xがＮＯ_x吸着触媒１２に吸着されたときにはＮＯ_x吸着触媒１２から流出する排気ガス中のＮＯ_x量は減少し、ＮＯ_xがＮＯ_x吸着触媒１２から放出しているときにはＮＯ_x吸着触媒１２から流出する排気ガス中のＮＯ_x量は増大する。

この場合、ＮＯ_xを還元するのに必要な尿素量はＮＯ_x吸着触媒１２から流出する排気ガス中のＮＯ_x量が減少すれば減少し、ＮＯ_x吸着触媒１２から流出する排気ガス中のＮＯ_x量が増大すれば増大する。一方、機関の運転状態が定まると機関からのＮＯ_x排出量が定まり、従って機関の運転状態が定まると機関からの排出ＮＯ_xを還元するのに必要な尿素供給量が定まる。そこで本発明ではＮＯ_x吸着触媒１２への吸着ＮＯ_x量およびＮＯ_x吸着触媒１２からの放出ＮＯ_x量を算出し、機関の運転状態から定まる尿素供給量に対し算出された吸着ＮＯ_x量の還元分だけ尿素供給量を減少させ、機関の運転状態から定まる尿素供給量に対し算出された放出ＮＯ_x量の還元分だけ尿素供給量を増大させるようにしている。

次に図３から図６を参照しつつ本発明による尿素供給方法の一実施例について説明する。
上述したように機関から排出されるＮＯ_xは機関の運転状態に応じて定まる。本発明による実施例では機関から単位時間当り排出されるＮＯ_x量ＮＯＸＡが要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図３（Ａ）に示すマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

一方、機関から排出されたＮＯ_xのうちＮＯ_x吸蔵触媒１２に吸着するＮＯ_xの吸着率はＮＯ_x吸着触媒１２に吸着されているＮＯ_x吸着量ΣＮＯＸとＮＯ_x吸着触媒１２内における排気ガス流の空間速度との関数となる。即ち、図３（Ｂ）においてＫ１で示されるように吸着率はＮＯ_x吸着触媒１２に吸着されているＮＯ_x吸着量ΣＮＯＸが増大するほど減少し、図３（Ｃ）においてＫ２で示されるように吸着率はＮＯ_x吸着触媒１２内における排気ガス流の空間速度、即ち吸入空気量Ｇａが増大するほど減少する。これら吸着率Ｋ１，Ｋ２は予めＲＯＭ３２内に記憶されている。本発明による実施例では機関からの排出ＮＯ_x量ＮＯＸＡに吸着率Ｋ１およびＫ２を乗算することによって単位時間当りＮＯ_x吸着触媒１２に吸着されるＮＯ_x量ＮＯＸＡ・Ｋ１・Ｋ２が算出される。

一方、図４はＮＯ_x吸着触媒１２が吸着しうるＮＯ_xの最大吸着量ＮＭＡＸを示している。なお、図４において縦軸はＮＯ_x吸着触媒１２へのＮＯ_x吸着量ΣＮＯＸを示しており、横軸はＮＯ_x吸着触媒１２の床温ＴＣを示している。図４に示されるように最大ＮＯ_x吸着量ＮＭＡＸはＮＯ_x吸着触媒１２の床温ＴＣが低くなるほど増大し、従ってＮＯ_x吸着触媒１２はＮＯ_x吸着触媒１２の床温ＴＣが低いとき、例えば機関始動時に多量のＮＯ_xを吸着する機能を有していることがわかる。

ところで今、ＮＯ_x吸蔵触媒１２が図４のＡ点で示される状態、即ち床温ＴＣが比較的低く、ＮＯ_x吸着量ΣＮＯＸが比較的多い状態であったとする。この状態から床温ＴＣがＢ点で示される温度まで上昇するとこのときには最大吸着量ＮＭＡＸに対する超過ＮＯ_x吸着量ΔＮＸがＮＯ_x吸着触媒１２から放出されることになる。このようにＮＯ_xを硝酸塩の形で吸蔵するＮＯ_x吸蔵触媒とは異なり、ＮＯ_x吸着触媒１２の上流に還元剤を供給しなくてもＮＯ_x吸着触媒１２の床温ＴＣが上昇すればＮＯ_x吸着触媒１２からＮＯ_xが放出される。

図４における超過ＮＯ_x吸着量ΔＮＸは一気に放出されるのではなくて、ＮＯ_x吸着触媒１２へのＮＯ_x吸着量ΣＮＯＸおよびＮＯ_x吸着触媒１２内における排気ガスの空間速度、即ち吸入空気量Ｇａに応じた速度でもって徐々に放出される。即ち、図５（Ａ）に示されるように或る吸入空気量ＧａにおけるＮＯ_xの脱離速度Ｗ、即ちＮＯ_x吸蔵触媒１２から単位時間当り放出されるＮＯ_x量ＷはＮＯ_x吸着量ΣＮＯＸが増大するほど高くなる。即ち、ＮＯ_x吸着量ΣＮＯＸが多いほど多量のＮＯ_xが放出される。

一方、ＮＯ_x吸着触媒１２から脱離されるＮＯ_xの脱離率は図５（Ｂ）に示されるように吸入空気量Ｇａが増大するほど高くなる。この場合、実際のＮＯ_x脱離速度、即ちＮＯ_x吸着触媒１２から単位時間当り実際に脱離されるＮＯ_x量は図５（Ａ）に示される脱離速度Ｗに図５（Ｂ）に示される脱離率Ｄを乗算した値Ｗ・Ｄとなる。なお、これら脱離速度Ｗおよび脱離率Ｄは予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

図６は尿素の供給を制御するためのルーチンを示している。なお、このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。
図６を参照するとまず初めにステップ５０において図３（Ａ）に示すマップから機関からの単位時間当りの排出ＮＯ_x量ＮＯＸＡが算出される。次いでステップ５１ではＮＯ_x吸着触媒１２への吸着ＮＯ_x量ΣＮＯＸが図４に示される最大ＮＯ_x吸着量ＮＭＡＸよりも少ないか否かが判別される。ΣＮＯＸ＜ＮＭＡＸのとき、即ちまだＮＯ_xを吸着する余地があるときにはステップ５２に進む。

ステップ５２では図３（Ｂ）に示す関係から吸着率Ｋ１が算出され、次いでステップ５３では図３（Ｃ）に示す関係から吸着率Ｋ２が算出される。次いでステップ５４では単位時間当りＮＯ_x吸着触媒１２に実際に吸着されるＮＯ_x量ＮＯＸＡ・Ｋ１・Ｋ２をΣＮＯＸに加算することによってＮＯ_x吸着量ΣＮＯＸが算出される。次いでステップ５５では排出ＮＯ_x量ＮＯＸＡから単位時間当り実際に吸着されるＮＯ_x量ＮＯＸＡ・Ｋ１・Ｋ２を減算することによってＮＯ_x吸蔵触媒１２から単位時間当り流出する排気ガス中のＮＯ_x量ＮＯＸＺが算出される。

次いでステップ６０ではＮＯ_x吸蔵触媒１２から流出する排気ガス中のＮＯ_x、即ちＮＯ_x選択還元触媒１５に流入する排気ガス中のＮＯ_xを還元するのに必要な尿素量が算出される。本発明による実施例ではこの尿素量は還元すべきＮＯ_x量に対して当量比＝１となる量にされている。次いでステップ６１では尿素水供給弁１７からの尿素水の供給作用が行われる。

一方、ステップ５１においてΣＮＯＸ≧ＮＭＡＸであると判断されたときにはステップ５６に進んで図５（Ａ）に示す関係から脱離速度Ｗが算出される。次いでステップ５７では図５（Ｂ）に示す関係から脱離率Ｄが算出される。次いでステップ５８では単位時間当り実際に脱離するＮＯ_x量Ｗ・ＤをΣＮＯＸから減算することによってＮＯ_x吸着量ΣＮＯＸが算出される。次いでステップ５９では排出ＮＯ_x量ＮＯＸＡに単位時間当り実際に脱離するＮＯ_x量Ｗ・Ｄを加算することによってＮＯ_x吸蔵触媒１２から単位時間当り流出する排気ガス中のＮＯ_x量ＮＯＸＺが算出される。次いでステップ６０ではこのＮＯ_xを還元するのに必要な尿素量が算出される。

このように本発明による実施例では機関から排出されるＮＯ_x量ＮＯＸＡから吸着ＮＯ_x量ＮＯＸＡ・Ｋ１・Ｋ２を減算し或いは機関から排出されるＮＯ_x量ＮＯＸＡに放出ＮＯ_x量Ｗ・Ｄを加算することによってＮＯ_x吸着触媒１２から流出する排気ガス中のＮＯ_x量ＮＯＸＺが算出され、このＮＯ_x量ＮＯＸＺから供給尿素量が算出される。

ＮＯ_x吸着触媒１２を用いるとＮＯ_x吸着触媒１２からは吸着されているＮＯ_xがアンモニアＮＨ₃に変換されることなくＮＯ_xの形で放出されるのでＮＯ_xを還元するのに必要な尿素量を正確に算出することができる。従って供給された尿素から発生するアンモニアによってＮＯ_xを良好に浄化することができると共に余剰のアンモニアがＮＯ_x選択還元触媒１５から流出するのを抑制することができる。

圧縮着火式内燃機関の全体図である。 圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す全体図である。 機関から排出されるＮＯ_x量ＮＯＸＡのマップ等を示す図である。 ＮＯ_x吸着触媒の最大ＮＯ_x吸着量ＮＭＡＸを示す図である。 ＮＯ_xの脱離速度等を示す図である。 尿素の供給制御を行うためのフローチャートである。

符号の説明

４ 吸気マニホルド
５ 排気マニホルド
７ 排気ターボチャージャ
１２，１６ 酸化触媒
１３ パティキュレートフィルタ
１５ ＮＯ_x選択還元触媒
１７ 尿素水供給弁

Claims (3)

1. 機関排気通路内にＮＯ_x選択還元触媒を配置し、該ＮＯ_x選択還元触媒に尿素を供給して該尿素から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯ_xを選択的に還元するようにした内燃機関の排気浄化装置において、上記ＮＯ_x選択還元触媒上流の機関排気通路内にＮＯ_x吸着触媒を配置し、該ＮＯ_x吸着触媒はＮＯ_x吸着触媒の温度に応じて排気ガス中に含まれるＮＯ_xを吸着するか或いは吸着されているＮＯ_xを放出する性質を有し、ＮＯ_x吸着触媒への吸着ＮＯ_x量およびＮＯ_x吸着触媒からの放出ＮＯ_x量を算出し、機関の運転状態から定まる尿素供給量に対し算出された吸着ＮＯ_x量の還元分だけ尿素供給量を減少させ、機関の運転状態から定まる尿素供給量に対し算出された放出ＮＯ_x量の還元分だけ尿素供給量を増大させるようにした内燃機関の排気浄化装置。
2. 機関から排出されるＮＯ_x量から上記算出された吸着ＮＯ_x量を減算し或いは機関から排出されるＮＯ_x量に、上記算出された放出ＮＯ_x量を加算することによってＮＯ_x吸着触媒から流出する排気ガス中のＮＯ_x量を算出し、このＮＯ_x量から供給尿素量を算出するようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 上記ＮＯ_x吸着触媒はＮＯ_x吸着触媒の上流に還元剤を供給せずしてＮＯ_xを放出しうる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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