JP4656071B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

機関排気通路内にアンモニアの存在のもとでＮＯ_Xを還元しうる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尿素水溶液を供給するための還元剤供給弁を配置し、ＮＯ_X選択還元触媒において還元剤供給弁から供給された尿素水溶液により排気ガス中に含まれる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ＮＯ_X選択還元触媒において供給された尿素水溶液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が還元される。
国際公開ＷＯ９９／６７５１１

ところでＮＯ_X選択還元触媒では尿素水溶液から発生したアンモニアは一旦ＮＯ_X選択還元触媒に吸着され、吸着したアンモニアにＮＯ_Xが反応してＮＯ_Xの還元作用が行われることが知られている。一方、排気ガス中には炭化水素、即ちＨＣが含まれており、このＨＣもＮＯ_X選択還元触媒に吸着しようとする。

即ち、ＮＯ_X選択還元触媒の上流に尿素水溶液を供給すると尿素水溶液から発生したアンモニアと排気ガス中に含まれるＨＣとが互いに張り合ってＮＯ_X選択還元触媒に吸着しようとする。この場合、排気ガス中に含まれるＨＣの量が多くなるとＮＯ_X選択還元触媒へのＨＣの吸着量が増大し、その結果ＮＯ_X選択還元触媒へのアンモニアの吸着量が減少するためにＮＯ_X選択還元触媒におけるＮＯ_Xの還元作用が弱められてしまう。その結果、ＮＯ_X選択還元触媒による高いＮＯ_X浄化率が得られないという問題がある。

上記問題を解決するために本発明によれば、機関排気通路内にアンモニアの存在のもとでＮＯ_Xを還元しうる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尿素を含有する還元剤を供給するための還元剤供給弁を配置し、ＮＯ_X選択還元触媒において還元剤供給弁から供給された還元剤により排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを還元するようにした内燃機関の排気浄化装置において、還元剤供給弁とＮＯ_X選択還元触媒との間の機関排気通路内に排気ガス中のＨＣを吸着する機能を有するＨＣ処理触媒を配置し、還元剤供給弁から供給された還元剤および排気ガス中に含まれるＮＯ_XをＨＣ処理触媒に吸着されているＨＣに反応させてシアノ基、オキシムおよびアミノ基を夫々有する中間生成物を生成させ、この中間生成物をＮＯ_X選択還元触媒に送り込むことにより排気ガス中に含まれるＮＯ_Xの還元作用を促進するようにしている。

排気ガス中に含まれるＨＣをＨＣ処理触媒に吸着して吸着したＨＣを中間生成物に変換させることによりＮＯ_X選択還元触媒によるＮＯ_Xの高い浄化効率を得ることができる。

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を検出する吸入空気量検出器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の出口は排気ガス中のＨＣを吸着する機能を有するＨＣ処理触媒１２の入口に連結される。ＨＣ処理触媒１２の出口は排気管１３を介してアンモニアの存在のもとでＮＯ_Xを還元しうるＮＯ_X選択還元触媒１４に連結される。図１に示される実施例ではこのＮＯ_X選択還元触媒１４はＦｅゼオライトからなる。また、ＨＣ処理触媒１２の上流には排気ガス中に例えば尿素水溶液からなる還元剤を供給するための還元剤供給弁１５が取付けられる。

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１６を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１６内には電子制御式ＥＧＲ制御弁１７が配置される。また、ＥＧＲ通路１６周りにはＥＧＲ通路１６内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置１８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１８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１９を介してコモンレール２０に連結される。このコモンレール２０内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２１から燃料が供給され、コモンレール２０内に供給された燃料は各燃料供給管１９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。ＨＣ処理触媒１２にはＨＣ処理触媒１２の温度を検出するための温度センサ２２が取付けられ、ＮＯ_X選択還元触媒１４にはＮＯ_X選択還元触媒１４の温度を検出するための温度センサ２３が取付けられる。これら温度センサ２２、２３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。

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、還元剤供給弁１５、ＥＧＲ制御弁１７および燃料ポンプ２１に接続される。

図２に圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す。この実施例では還元剤供給弁１５上流の排気通路内に酸化触媒２４が配置されている。この酸化触媒２４では排気ガス中に含まれるＮＯをＮＯ₂に変換する作用、即ちＮＯ_X中のＮＯ₂比率増大作用が行われる。

次に図３を参照しつつ本発明において生じさせるようにしている作用および反応について説明する。
ＨＣ処理触媒１２内に流入する排気ガス中にはＮＯ_XおよびＨＣが含まれており、更にＨＣ処理触媒１２内に流入する排気ガス中には還元剤供給弁１５から供給された尿素水溶液が含まれている。従って図３に示されるようにＨＣ処理触媒１２内にはＮＯ_X、ＨＣおよび尿素水溶液が供給されることになる。なお、図２に示される例では酸化触媒２４において上述のＮＯ₂比率増大作用に加え、排気ガス中に含まれるＨＣの酸化作用が行われるが排気ガス中に含まれる全てのＨＣが酸化せしめられるわけではないのでこの場合でも図３に示されるようにＨＣ処理触媒１２にはＨＣが流入する。

さて、前述したようにＨＣ処理触媒１２はＨＣを吸着する機能を有しており、従ってＨＣ処理触媒１２に流入したＨＣはＨＣ処理触媒１２に吸着される。一方、ＨＣ処理触媒１２に流入したＮＯ_X、尿素（ＮＨ₂）₂ＣＯ、およびＨＣ処理触媒１２に吸着しているＨＣは図３に示されるように夫々互いに反応し、それによって中間生成物が生成する。このとき生成される代表的な中間生成物が図４に示されている。

図４に示されるようにこの代表的な中間生成物はシアノ基、或いはオキシム、或いはアミノ基を有している。図４に列挙されているようにシアノ基を有する中間生成物としてはシアノヒドリン、シアノカーボン、シアヌル酸、イソシアヌル酸、シアン化水素等が生成され、オキシムを有する中間生成物としてはアルドオキシム、ケトオキシム等が生成され、アミノ基を有する中間生成物としてはメチルアミン、エチルアミン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、アニリン等が生成される。これらの中間生成物はＮ₂、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ、ＮＨ₃に変化する中間段階の状態、云い換えるとＮ₂、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ、ＮＨ₃に変化する直前の状態にある。

ＨＣ処理触媒１２において生成された中間生成物はＨＣ処理触媒１２から排出されて図３に示されるようにＮＯ_X選択還元触媒１４内に流入する。また、図３に示されるようにＮＯ_X選択還元触媒１４にはＨＣ処理触媒１２において吸着ＨＣ或いは尿素（ＮＨ₂）₂ＣＯと反応しなかったＮＯ_X、およびＨＣ処理触媒１２において尿素（ＮＨ₂）₂ＣＯから発生したアンモニアＮＨ₃或いはＨＣ処理触媒１２を素通りした尿素（ＮＨ₂）₂ＣＯが流入する。

図３に示されるように中間生成物はＮＯ_X選択還元触媒１４に流入するとＮ₂、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ、ＮＨ₃に変化せしめられ、この場合アミノ基を有する中間生成物から生じたＮＨ₃はＮＯ_X選択還元触媒１４に吸着される。一方、図３に示されるようにＮＯ_X選択還元触媒１４に流入したアンモニアＮＨ₃はＮＯ_X選択還元触媒１４に吸着され、ＮＯ_X選択還元触媒１４に流入した尿素（ＮＨ₂）₂ＣＯもアンモニアＮＨ₃の形でＮＯ_X選択還元触媒１４に吸着される。これら吸着したアンモニアＮＨ₃にＮＯ_Xが反応してＮＯ_Xが還元され、斯くしてＮＯ_XがＮＯ_X選択還元触媒１４において良好に浄化せしめられることになる。

ＮＯ_X選択還元触媒１４内にＨＣが流入するとＮＯ_X選択還元触媒１４内においてアンモニアＮＨ₃が吸着する領域が減少する。その結果、アンモニアＮＨ₃の吸着量が減少するためにＮＯ_Xの浄化率が低下する。そこで本発明では排気ガス中に含まれるＨＣをＨＣ処理触媒１２に吸着させてＨＣがＮＯ_X選択還元触媒１４に流入するのを阻止し、ＨＣ処理触媒１２に吸着したＨＣをＮ₂、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ、ＮＨ₃になる直前の中間生成物に変化させるようにしている。

ＨＣ処理触媒１２では一部のＮＯ_Xが尿素から発生したアンモニアＮＨ₃によって還元される。しかしながらＨＣ処理触媒１２において生じさせようとしている最も重要な反応はＮＯ_X、吸着ＨＣおよび尿素（ＮＨ₂）₂ＣＯを互いに反応させて中間生成物を生成させる反応である。というのは中間生成物が生成されるとこの中間生成物は下流のＮＯ_X選択還元触媒１４において容易にＮ₂、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ、ＮＨ₃に変化しうるからである。

この場合、下流のＮＯ_X選択還元触媒１４において多量の中間生成物を発生させても意味がない。というのは下流のＮＯ_X選択還元触媒１４において多量の中間生成物を発生させるとこれら中間生成物は大気中に排出されてしまう可能性が高いからである。これに対し、ＨＣ処理触媒１２において中間生成物を発生させればこれらは必ず下流のＮＯ_X選択還元触媒１４においてＮ₂、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ、ＮＨ₃に変化する。従って本発明はＨＣ処理触媒１２において可能な限り多量の中間生成物を生成させるようにしている。

ところでシアノ基やオキシムを有する中間生成物は毒性が強く、従って通常の内燃機関ではこれらシアノ基やオキシムを有する中間生成物をできる限り発生させないようにしている。これに対し、本発明はこれら毒性のあるシアノ基やオキシムを有する中間生成物をできる限り多量に発生させることを特徴としており、従って本発明が通常の内燃機関とは全く異なることが理解できよう。

ＨＣ処理触媒１２において中間生成物を発生させるためにはＨＣ処理触媒１２において反応が完結しないこと、即ちＨＣ処理触媒１２において不完全な反応が行われることが必要である。そのためにはＨＣ処理触媒１２内における排気ガス流の空間速度を速くすることが必要であり、従って本発明による実施例では図１および図２に示されるようにＨＣ処理触媒１２の容積はＮＯ_X選択還元触媒１４の容積に比べてかなり小さく、例えば数分の１以下にされている。なお、中間生成物を発生させるにはＨＣ処理触媒１２を或る程度高温に維持する必要があり、そのためにＨＣ処理触媒１２は図１および図２に示されるように排気マニホルド５の近くに配置される。

また、ＮＯ_X選択還元触媒１４においてＮＯ_Xを良好に浄化するためにはできるだけ多量のアンモニアＮＨ₃をＮＯ_X選択還元触媒１４に常時吸着させておく必要がある。ところでＮＯ_X選択還元触媒１４が吸着しうる最大アンモニア吸着量ＧＸは図５に示されるようにＮＯ_X選択還元触媒１４の温度ＴＣが高くなるほど低下する。本発明による実施例ではアンモニア吸着量がこの最大アンモニア吸着量ＧＸに維持されるように尿素水溶液の供給制御が行われる。なお、このときＨＣ処理触媒１２は多量の中間生成物を発生させるのに十分な尿素（ＮＨ₂）₂ＣＯで満たされている。

ＨＣ処理触媒１２としてはＨＣ吸着触媒を用いることができる。また、ＮＯ_X選択還元触媒がＨＣを吸着する機能を有する場合にはＨＣ処理触媒１２としてＮＯ_X選択還元触媒を用いることができる。

次に図６を参照しつつ尿素水溶液の供給制御ルーチンについて説明する。なお、このルーチンは時間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において機関から単位時間当り排出されるＮＯ_X量が算出される。このＮＯ_X量は機関の各運転状態に対して予めＲＯＭ３２内に記憶されている。次いでステップ５１では機関から単位時間当り排出されるＨＣ量が算出される。このＨＣ量も機関の各運転状態に対して予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

次いでステップ５２では単位時間当りの尿素水溶液供給量Ｑが算出される。次いでステップ５３ではＮＯ_X選択還元触媒１４において中間生成物から生じ、ＮＯ_X選択還元触媒１４に吸着されたアンモニアＮＨ₃の量Ｍ１が算出される。次いでステップ５４ではＨＣ処理触媒１２を素通りした尿素から発生してＮＯ_X選択還元触媒１４に吸着されたアンモニアＮＨ₃、およびＨＣ処理触媒１２から排出されてＮＯ_X選択還元触媒１４に吸着されたアンモニアＮＨ₃の量Ｍ２が算出される。次いでステップ５５ではＮＯ_X選択還元触媒１４においてＨＣ処理触媒１２から排出されたＮＯ_Xを浄化するために消費されたアンモニアＮＨ₃の量Ｍ３が算出される。これらの各アンモニア量Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３はＨＣ処理触媒１２の温度、吸入空気量、機関から排出されるＮＯ_X量およびＨＣ量、および尿素水溶液供給量Ｑの関数として予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

次いでステップ５６ではＮＯ_X選択還元触媒１４に吸着しているアンモニア量ΣＧに新たに吸着されたアンモニア量（Ｍ１＋Ｍ２）を加算すると共に、このアンモニア量ΣＧから消費されたアンモニア量Ｍ３を減算することによって吸着アンモニア量ΣＧが算出される。次いでステップ５７では吸着アンモニア量ΣＧが図５に示される最大吸着アンモニア量ＧＸを越えたか否かが判別される。ΣＧ≦ＧＸのときにはステップ５８に進んで尿素水溶液の供給作用が続行され、ΣＧ＞ＧＸになるとステップ５９に進んで尿素水溶液の供給作用が停止される。

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。 ＨＣ処理触媒１２およびＮＯ_X選択還元触媒１４における作用および反応を説明するための図である。 中間生成物を説明するための図である。 吸着アンモニア量を示す図である。 尿素水溶液の供給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 ＨＣ処理触媒
１４ ＮＯ_X選択還元触媒
１５ 還元剤供給弁

Claims (5)

1. 機関排気通路内にアンモニアの存在のもとでＮＯ_Xを還元しうるＮＯ_X選択還元触媒を配置し、該ＮＯ_X選択還元触媒上流の機関排気通路内に尿素を含有する還元剤を供給するための還元剤供給弁を配置し、該ＮＯ_X選択還元触媒において還元剤供給弁から供給された還元剤により排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを還元するようにした内燃機関の排気浄化装置において、上記還元剤供給弁とＮＯ_X選択還元触媒との間の機関排気通路内に排気ガス中のＨＣを吸着する機能を有するＨＣ処理触媒を配置し、還元剤供給弁から供給された還元剤および排気ガス中に含まれるＮＯ_XをＨＣ処理触媒に吸着されているＨＣに反応させてシアノ基、オキシムおよびアミノ基を夫々有する中間生成物を生成させ、該中間生成物をＮＯ_X選択還元触媒に送り込むことにより排気ガス中に含まれるＮＯ_Xの還元作用を促進するようにした内燃機関の排気浄化装置。
2. 上記ＮＯ_X選択還元触媒に吸着されているアンモニア量を算出し、該算出されたアンモニア量に基づいて還元剤供給弁からの還元剤の供給作用が制御される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 上記ＨＣ処理触媒がＨＣ吸着触媒からなる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 上記ＨＣ処理触媒がＮＯ_X選択還元触媒からなる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 上記還元剤供給弁の上流に酸化触媒が配置されている請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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