JP4375483B2

JP4375483B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP4375483B2
Application number: JP2008041884A
Authority: JP
Inventors: 太郎青山; 豊田内
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-02-22
Filing date: 2008-02-22
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2028-02-22
Also published as: US20110061370A1; EP2256311A1; JP2009197728A; EP2256311A4; US8516808B2; EP2256311B1; WO2009104799A1

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

機関排気通路内に脱硝触媒を配置すると共に脱硝触媒の上流にアンモニアを含んだ空気を供給して脱硝触媒にアンモニアを吸着させ、吸着されたアンモニアにより排気ガス中のＮＯ_Xを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）。この内燃機関では機関始動直後から脱硝触媒によるＮＯ_Xの還元作用を開始させるために機関を始動すべきときには機関を始動する前に脱硝触媒を予備加熱し、脱硝触媒が活性化した後に機関を始動させるようにしている。
特開２００６−２５７９３６号公報

ところで従来よりアンモニアの存在下でＮＯ_Xを還元するために例えばＦｅゼオライトからなるＮＯ_X選択還元触媒が用いられている。この場合、通常ＮＯ_X選択還元触媒上流の機関排気通路内に尿素水が供給されると共に尿素水から発生したアンモニアがＮＯ_X選択還元触媒に吸着され、ＮＯ_X選択還元触媒に吸着されたアンモニアによって排気ガス中のＮＯ_Xが還元される。

さて、通常内燃機関では機関を始動すべき要求があったときには機関をただちに始動させる必要がある。また、ＮＯ_X選択還元触媒は上述の脱硝装置に比べてはるかに温度上昇しやすい。従ってＮＯ_X選択還元触媒が用いられた場合には通常機関を始動すべき要求があったときには機関がただちに始動され、機関から排出される排気ガスによってＮＯ_X選択還元触媒の温度が上昇せしめられる。

このようにＮＯ_X選択還元触媒の温度が上昇せしめられ、ＮＯ_X選択還元触媒が活性化するとＮＯ_Xの還元作用が開始される。このときＮＯ_Xを良好に還元するには十分な量のアンモニアがＮＯ_X選択還元触媒の全体に亘って吸着していることが必要となる。そのためには機関始動直後にＮＯ_X選択還元触媒に尿素水を供給することが考えられる。しかしながら機関始動直後は排気通路内壁面の温度が低いために供給された尿素水が液状の形で排気通路内壁面上に付着し続けたり、また排気ガス温が低いために尿素水が十分に微粒化しないために供給された全ての尿素水をアンモニアの形でＮＯ_X選択還元触媒の全体に亘って吸着させるのは困難である。即ち、機関始動時に尿素水を供給してもＮＯ_Xを早期から良好に還元することができない。

本発明は機関始動時に早期からＮＯ_Xを還元することの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、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をＮＯ_X選択還元触媒を吸着させ、主に吸着した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、機関を停止すべき操作がなされたときにＮＯ _X 選択還元触媒へのアンモニア吸着量が予め定められている目標吸着量よりも少ないときにはＮＯ _X 選択還元触媒の温度を低下させるために機関の運転を続行し、ＮＯ _X 選択還元触媒へのアンモニア吸着量をこの目標吸着量とするのに必要な尿素をＮＯ _X 選択還元触媒に供給した後に機関を停止するようにしている。

機関停止時には排気系全体の温度が高いために十分な量のアンモニアをＮＯ_X選択還元触媒の全体に亘って吸着させることができ、斯くして機関始動時には早期からＮＯ_Xを良好に浄化することができる。

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の出口は酸化触媒１２の入口に連結される。この酸化触媒１２の下流には酸化触媒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が供給ポンプ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）はＮＯ_X選択還元触媒１５に吸着される。排気ガス中に含まれるＮＯ_XはこのＮＯ_X選択還元触媒１５に吸着されたアンモニアにより還元される。

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２６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選択還元触媒１５にはＮＯ_X選択還元触媒１５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の出力信号が夫々対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。

一方、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。また入力ポート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。更に入力ポート３５にはイグニッションスイッチ４３のオン・オフ信号が入力される。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。

酸化触媒１２は例えば白金のような貴金属触媒を担持しており、この酸化触媒１２は排気ガス中に含まれるＮＯをＮＯ₂に転換する作用と排気ガス中に含まれるＨＣを酸化させる作用をなす。即ち、ＮＯ₂はＮＯよりも酸化性が強く、従ってＮＯがＮＯ₂に転換されるとパティキュレートフィルタ１３上に捕獲された粒子状物質の酸化反応が促進され、またＮＯ_X選択還元触媒１５でのアンモニアによる還元作用が促進される。一方、ＮＯ_X選択還元触媒１５にＨＣが吸着するとアンモニアの吸着量が減少するためにＮＯ_X浄化率が低下する。しかしながら図１に示される実施例では酸化触媒１２によりＨＣが酸化されるのでＮＯ_X浄化率が低下するのが阻止される。

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。一方、ＮＯ_X選択還元触媒１５はアンモニア吸着タイプのＦｅゼオライトからなる。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。

さて、図２においてＮＨ_maxは飽和状態にあるＮＯ_X選択還元触媒１５へのアンモニア吸着量、即ち飽和吸着量を示している。図２に示されるようにこの飽和吸着量ＮＨ_maxはＮＯ_X選択還元触媒１５の床温ＴＣの関数であり、床温ＴＣが高くなるほどこの飽和吸着量ＮＨ_maxは低下する。一方、本発明による実施例では破線で示されるようにこのアンモニアの飽和吸着量ＮＨ_maxよりも若干少ないアンモニア吸着量ΣＮＨ₃が目標アンモニア吸着量ＮＨ₀とされる。従って図２に示されるようにこの目標アンモニア吸着量ＮＨ₀はＮＯ_X選択還元触媒１５の床温ＴＣが高くなるほど低下する。本発明による実施例では通常ＮＯ_X選択還元触媒１５へのアンモニア吸着量ΣＮＨ₃が目標アンモニア吸着量ＮＨ₀となるように尿素の供給が制御されている。

図３に尿素の供給を制御するためのルーチンを示す。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３を参照するとまず初めにステップ５０において機関からの単位時間当りの排出ＮＯ_X量ＮＯＸＡが算出される。この機関からの単位時間当りの排出ＮＯ_X量ＮＯＸＡは要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図４（Ａ）に示すマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

次いでステップ５１ではＮＯ_X選択還元触媒１５におけるＮＯ_X浄化率Ｒが算出される。このＮＯ_X浄化率Ｒは図４（Ｂ）に示されるようにＮＯ_X選択還元触媒１５の床温ＴＣの関数であり、更に排気ガス量、即ち吸入空気量Ｇａに応じて変化する。このＮＯ_X浄化率Ｒは図４（Ｃ）に示されるように吸入空気量ＧａおよびＮＯ_X選択還元触媒１５の床温ＴＣの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

次いでステップ５２では排出ＮＯ_X量ＮＯＸＡとＮＯ_X浄化率ＲからＮＯ_Xを還元するために単位時間当り消費された吸着アンモニア量ＮＤが算出される。次いでステップ５３ではΣＮＨ₃に尿素の形で単位時間当り供給された供給アンモニア量Ｑを加算し、ΣＮＨ₃から消費されたアンモニア量ＮＤを減算することによってＮＯ_X選択還元触媒１５のアンモニア吸着量ΣＮＨ₃（←ΣＮＨ₃＋Ｑ−ＮＤ）が算出される。次いでステップ５４ではこのアンモニア吸着量ΣＮＨ₃が目標アンモニア吸着量ＮＨ₀よりも大きいか否かが判別される。

ΣＮＨ₃＜ＮＨ₀のときにはステップ５５に進んでアンモニア供給量Ｑが算出され、次いでステップ５６に進んで尿素水供給弁１７からの尿素水の供給が行われる。一方、ΣＮＨ₃≧ＮＨ₀のときにはステップ５７に進んでアンモニア供給量Ｑが零とされる。このとき尿素水の供給は停止される。このようにしてＮＯ_X選択還元触媒１５へのアンモニア吸着量ΣＮＨ₃が目標アンモニア吸着量ＮＨ₀となるように尿素の供給制御が行われる。

さて、機関始動時に早期にＮＯ_Xの還元作用を開始させるためにはＮＯ_X選択還元触媒１５が活性化する前に十分な量のアンモニアがＮＯ_X選択還元触媒１５の全体に亘って吸着していることが必要である。そこで本発明では機関停止時にＮＯ_X選択還元触媒１５へのアンモニア吸着量が予め定められている目標吸着量よりも少ないときにはＮＯ_X選択還元触媒１５へのアンモニア吸着量をこの目標吸着量とするのに必要な尿素を機関停止時にＮＯ_X選択還元触媒に供給するようにしている。

即ち、機関停止時には排気系全体の温度が高いために十分な量のアンモニアをＮＯ_X選択還元触媒１５の全体に亘って吸着されることができる。従って機関停止時にＮＯ_X選択還元触媒１５へのアンモニア吸着量が目標吸着量となるように尿素をＮＯ_X選択還元触媒１５に供給すると機関始動時にはＮＯ_Xを還元するのに必要な十分な量のアンモニアがＮＯ_X選択還元触媒１５の全体に亘って吸着することになる。その結果機関の始動時には早期からＮＯ_Xを良好に浄化することができることになる。

上述の説明からわかるように機関停止時のアンモニアの目標吸着量は機関始動時にＮＯ_Xを還元するのに必要なアンモニア吸着量であり、この機関停止時の目標吸着量が図２においてＮＨ_Sで示されている。なお、この目標吸着量ＮＨ_SはＮＯ_X選択還元触媒１５の床温ＴＣがＴ_Sであるときの目標アンモニア吸着量ＮＨ₀に一致している。

即ち、前述したように機関運転中はＮＯ_X選択還元触媒１５へのアンモニア吸着量ΣＮＨ₃は目標アンモニア吸着量ＮＨ₀に制御されており、従って機関停止直前におけるＮＯ_X選択還元触媒１５の床温ＴＣが図２に示すＴ_Sよりも低いときにはＮＯ_X選択還元触媒１５には機関始動時のアンモニアの目標吸着量ＮＨ_Sよりも多くのアンモニアが吸着されている。

これに対し、機関停止直前におけるＮＯ_X選択還元触媒１５の床温ＴＣが図２に示すＴ_Sよりも高いときにはＮＯ_X選択還元触媒１５に吸着されているアンモニア量は機関始動時のアンモニアの目標吸着量ＮＨ_Sよりも少ない。従ってこの場合には機関停止時に尿素を供給してＮＯ_X選択還元触媒１５へのアンモニア吸着量ΣＮＨ₃を増大しなければならない。

しかしながらこのようにアンモニア吸着量ΣＮＨ₃を増大するにはＮＯ_X選択還元触媒１５の床温ＴＣを低下させなければならない。この場合、例えば機関の運転をアイドリングのような低負荷運転でもって続行するとＮＯ_X選択還元触媒１５の床温ＴＣが低下する。

そこで本発明による第１実施例では、機関を停止すべき操作がなされたときにＮＯ_X選択還元触媒１５へのアンモニア吸着量ΣＮＨ₃が機関停止時の目標吸着量ＮＨ_Sよりも少ないときにはＮＯ_X選択還元触媒１５の温度ＴＣを低下させるために機関の運転を続行し、ＮＯ_X選択還元触媒１５へのアンモニア吸着量ΣＮＨ₃を機関停止時の目標吸着量ＮＨ_Sとするのに必要な尿素をＮＯ_X選択還元触媒１５に供給した後に機関を停止するようにしている。なお、機関を停止すべき操作がなされたときには、例えば機関が必要に応じて駆動されるハイブリッドエンジンにおいて機関を停止すべき命令が発せられたときも含まれる。

図５はこの第１実施例を実行するための機関停止時におけるアンモニア吸着量の制御ルーチンを示している。
図５を参照するとまず初めにステップ６０においてイグニッションスイッチ４３がオンからオフに切換えられたか否か、即ち、機関を停止すべき操作がなされたかが判別される。イグニッションスイッチ４３がオンからオフに切換えられたとき、即ち機関を停止すべき操作がなされたときにはステップ６１に進んでアンモニア吸着量ΣＮＨ₃が機関停止時のアンモニアの目標吸着量ＮＨ_Sよりも多いか否かが判別される。なお、この場合、アンモニア吸着量ΣＮＨ₃としては図３のステップ５３において算出されているアンモニア吸着量ΣＮＨ₃が使用される。

ステップ６１においてΣＮＨ₃≧ＮＨ_Sであると判別されたときにはステップ６３に進んで機関が停止される。これに対し、ステップ６１においてΣＮＨ₃＜ＮＨ_Sであると判別されたときには、即ちアンモニア吸着量ΣＮＨ₃が機関停止時のアンモニアの目標吸着量ＮＨ_Sよりも少ないときにはステップ６２に進んで機関のアイドリング運転が継続され、再びステップ６１に戻る。機関のアイドリング運転が継続されている間、ＮＯ_X選択還元触媒１５の床温ＴＣは徐々に低下し、それに伴ない図３に示される尿素供給制御によってＮＯ_X選択還元触媒１５へのアンモニア吸着量ΣＮＨ₃が徐々に増大せしめられる。次いでステップ６１においてΣＮＨ₃≧ＮＨ_Sになったと判断されるとステップ６３に進んで機関が停止される。

図６に第２実施例を示す。この第２実施例ではＮＯ_X選択還元触媒１５を冷却するための冷却装置４５が設けられている。図６に示される実施例ではこの冷却装置４５は排気管１４内に配置された冷却用空気供給弁４６とこの空気供給弁４６に外気を送り込むためのエアポンプ４７からなり、機関を停止すべき操作がなされたときにＮＯ_X選択還元触媒１５の床温ＴＣを低下すべく機関のアイドリング運転が続行せしめられたときにはその間、空気供給弁４６から還元触媒１５に空気が供給され、この空気によってＮＯ_X選択還元触媒１５が冷却される。

図７はこの第２実施例を実行するための機関停止時におけるアンモニア吸着量の制御ルーチンを示している。
図７を参照するとまず初めにステップ７０においてイグニッションスイッチ４３がオンからオフに切換えられたか否か、即ち、機関を停止すべき操作がなされたかが判別される。イグニッションスイッチ４３がオンからオフに切換えられたとき、即ち機関を停止すべき操作がなされたときにはステップ７１に進んでアンモニア吸着量ΣＮＨ₃が機関停止時のアンモニアの目標吸着量ＮＨ_Sよりも多いか否かが判別される。なお、この場合にもアンモニア吸着量ΣＮＨ₃としては図３のステップ５３において算出されているアンモニア吸着量ΣＮＨ₃が使用される。

ステップ７１においてΣＮＨ₃≧ＮＨ_Sであると判別されたときにはステップ７４に進んで機関が停止される。これに対し、ステップ７１においてΣＮＨ₃＜ＮＨ_Sであると判別されたときには、即ちアンモニア吸着量ΣＮＨ₃が機関停止時のアンモニアの目標吸着量ＮＨ_Sよりも少ないときにはステップ７２に進んで機関のアイドリング運転が継続される。次いでステップ７３ではエアポンプ４７が作動せしめられ、空気供給弁４６から冷却用空気が供給される。従ってＮＯ_X選択還元触媒１５の床温ＴＣは急速に低下し、それに伴ない図３に示される尿素供給制御によってＮＯ_X選択還元触媒１５へのアンモニア吸着量ΣＮＨ₃が急速に増大せしめられる。次いでステップ７１においてΣＮＨ₃≧ＮＨ_Sになったと判断されるとステップ７４に進んで機関が停止される。

圧縮着火式内燃機関の全体図である。目標アンモニア吸着量ＮＨ₀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。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。機関停止時におけるアンモニア吸着量を制御するためのフローチャートである。別の実施例の圧縮着火式内燃機関の一部を示す図である。機関停止時におけるアンモニア吸着量を制御する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酸化触媒
１３パティキュレートフィルタ
１５ＮＯ_X選択還元触媒
１７尿素水供給弁

Claims

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をＮＯ_X選択還元触媒に吸着させ、主に吸着した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、機関を停止すべき操作がなされたときにＮＯ _X 選択還元触媒へのアンモニア吸着量が予め定められている目標吸着量よりも少ないときにはＮＯ _X 選択還元触媒の温度を低下させるために機関の運転を続行し、ＮＯ _X 選択還元触媒へのアンモニア吸着量を該目標吸着量とするのに必要な尿素をＮＯ _X 選択還元触媒に供給した後に機関を停止するようにした内燃機関の排気浄化装置。
上記機関の運転の続行中、ＮＯ _X 選択還元触媒に空気を供給してＮＯ _X 選択還元触媒を冷却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。