JP2004176636A

JP2004176636A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2004176636A
Application number: JP2002344443A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Shimazaki; 勇一島崎
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-11-27
Filing date: 2002-11-27
Publication date: 2004-06-24

Abstract

【課題】パティキュレートフィルタとＮＯｘ吸着触媒とを備える排気浄化装置において、ＮＯｘ吸着触媒における浄化効率を向上させる。
【解決手段】本発明の内燃機関の排気浄化装置は、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタ（１３）と、前記パティキュレートフィルタの上流に備えられ、排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘを吸着し排気の空燃比がリッチのときに吸着したＮＯｘを還元するＮＯｘ吸着触媒（１２）と、前記ＮＯｘ吸着触媒の上流に備えられ、排気を加熱するヒータ（１１）とを有する構成をとる。
パティキュレートフィルタの上流にＮＯｘ吸着触媒を配置し、排気を加熱昇温させるヒータをＮＯｘ吸着触媒のさらに上流に配置するので、充分な熱エネルギを持った排気がＮＯｘ吸着触媒に流入することになり、該触媒における浄化効率が高められる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、より具体的には、内燃機関から発生する浮遊粒子状物質（ＳＰＭ、以下「パティキュレート」という）を捕集除去するパティキュレートフィルタと、ＮＯｘを低減するＮＯｘ吸着触媒の配置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関から排出されるパティキュレートは、煤粒子、種々の炭化水素粒子、その他の負可溶性有機物質（ＳＯＯＴ）に、未燃燃料、未燃焼オイル成分、その他の可溶性有機物質（ＳＯＦ）や、燃料の硫黄分が酸化する等して生じた硫黄酸化物が付着したものをいい、排気中のパティキュレートを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）が開発され実用化されている。このパティキュレートフィルタにより、排気中のパティキュレートを９５％以上捕集することができる。
【０００３】
パティキュレートフィルタは、セラミック等の多孔質のハニカムでできており、排気ガスが多孔質材の壁を通過する際に、パティキュレートが捕集される。従って、パティキュレートが堆積してくるにつれ、排気圧力が上昇する。排気圧力の上昇は内燃機関に対する背圧となり、燃費の悪化や内燃機関の不調の原因となるので、数百ｋｍから数千ｋｍ程度走行する毎に、パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを除去し、フィルタを再生する必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特開平８−３３８２２９号公報には、排気通路内に上流から電気ヒータ、酸化触媒及びパティキュレートフィルタを順に配置し、前記酸化触媒または前記パティキュレートフィルタ上にＮＯｘ吸収剤を担持させることが開示されている。この発明によると、ＮＯｘ吸収剤に吸収されたＮＯｘの酸化触媒における変換作用により、捕集されたパティキュレートを燃焼させる。しかしながら、このような構成では、吸収されたＮＯｘが放出されるとき、捕集されたパティキュレートの燃焼に使われずに大気中に放出されてしまうおそれがある。
【０００５】
従って、本発明は上記課題を解決する内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の一形態（請求項１）は、内燃機関の排気系に設けられ、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタと、前記パティキュレートフィルタの上流に備えられ、排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘを吸着し、排気の空燃比がリッチのときに吸着したＮＯｘを還元するＮＯｘ吸着触媒と、前記ＮＯｘ吸着触媒の上流に備えられる排気を加熱するヒータとを有する内燃機関の排気浄化装置である。
【０００７】
この形態によると、パティキュレートフィルタの上流にＮＯｘ吸着触媒を配置し、さらに排気を加熱昇温させるヒータをＮＯｘ吸着触媒の上流に配置するので、充分な熱エネルギを持った排気がＮＯｘ吸着触媒に流入することになり、該触媒における浄化効率が高められる。さらに、本発明ではＮＯｘ吸着触媒の上流のヒータにより液体燃料やパティキュレートが燃焼されるので、ＮＯｘ吸着触媒の性能低下が防止される。また、ＮＯｘ吸着触媒を用いることで、ＮＯｘが大気に放出するのを防止することができる。
【０００８】
本発明の別の形態（請求項２）は、前記排気浄化装置において、ＮＯｘ吸着触媒の上流に酸化触媒をさらに備える構成をとる。
【０００９】
この形態によると、酸化触媒により燃料の酸化燃焼が促進されるので、排気温度をさらに高められ、よってＮＯｘ吸着触媒の温度が高く維持され浄化効率が上がる。また、パティキュレートフィルタの再生時に、ヒータ及び酸化触媒による発熱によりＮＯｘ吸着触媒のデサルフェーション（硫黄燃焼）を行って、ＮＯｘ吸着触媒を再生することができる。この酸化触媒は、ヒータと一体化した通電発熱式触媒コンバータであっても良い。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。
【００１１】
図１は本発明の一実施形態である排気浄化装置を備えた内燃機関の概略構成図である。図１中、内燃機関（以下、「エンジン」という）１の各気筒の燃焼室には吸気管２を介して空気が供給される。エンジン１の各気筒には、吸気・排気の制御を行う吸気弁と排気弁とが備えられている。また、エンジン１の各気筒の燃焼室には燃料噴射弁５が設けられている。燃料噴射弁５は燃料供給ポンプ（図示せず）に接続されており、電子制御装置（以下「ＥＣＵ」という）２０の制御の下で適切な量の燃料を適切なタイミングで燃焼室内に噴射する。燃料噴射弁５から燃料が噴射されると、燃焼室内で空気と燃料とが燃焼して、排気管６に排気が排出される。
【００１２】
エンジン１は好適にはディーゼルエンジンであるが、本発明の排気浄化装置の適用範囲はディーゼルエンジンに限られず、燃料を燃焼室内に直接噴射する方式のガソリンエンジンにも適用可能である。また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンにも適用可能である。
【００１３】
吸気管２には、吸気管内を流れる空気の流量を調節するスロットル弁３が設けられている。また、吸気管２にはエンジン１の気筒内にスワールを発生させて燃焼効率を上げるためのスワール制御弁４（ＳＣＶ：Ｓｗｉｒｌｃｏｎｔｒｏｌｖａｌｖｅ）も設けられている。
【００１４】
スロットル弁３及びスワール制御弁４には、スロットル弁３またはスワール制御弁４を開閉駆動するアクチュエータ（図示せず）がそれぞれ取り付けられている。これらのアクチュエータは、ＥＣＵ２０からの信号により制御される。
【００１５】
排気管６の途中には、過給器７が設けられている。過給器７は、排気管６内に設けられたタービンと、吸気管２内に設けられたコンプレッサ（図示せず）と、タービンとコンプレッサとをつなぐシャフト等から構成されている。エンジン１の各気筒の燃焼室から排出された排気が過給器７のタービンを回すと、シャフトを介してコンプレッサが回転し、吸気管２内の空気を圧縮して各燃焼室に供給する。過給器７にはアクチュエータが設けられており、タービンに排気が流入する部分の開口面積を変更することによって吸入空気量を制御することが可能である。このアクチュエータは、ＥＣＵ２０からの信号により制御される。
【００１６】
過給器７は、可変ジオメトリー過給器であっても良く、この場合は、過給器７のベーンを変更することによって吸入空気量を制御する。
【００１７】
さらに、排気管６の途中には、排気管６と吸気管２とを接続する排気再循環（ＥＧＲ：Ｅｘｈａｕｓｔｇａｓｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）通路８が設けられており、通路の途中にはＥＧＲ弁９が配置されている。ＥＧＲ弁９の開度を調整することで、排気管６から吸気管２内に還流する排気量を制御することができる。ＥＧＲ通路８を介して吸気管２に還流された排気は、吸気管２の上流から流れてきた新気と混ざり合ってエンジン１の各気筒の燃焼室へ導かれて燃焼される。こうすることによって、排気中に含まれるＮＯｘ濃度を低下させることができる。ＥＧＲ弁９にはＥＧＲ弁９を駆動するアクチュエータ（図示せず）が取り付けられており、ＥＣＵ２０からの信号により制御される。
【００１８】
排気管６を通過した排気は、排気浄化装置１０に流入する。排気浄化装置１０には、上流側から、電気ヒータ（ＥＨＣ）１１、ＮＯｘ吸着触媒（ＬＮＣ）１２、及びパティキュレートフィルタ（ＰＦ）１３が備えられている。電気ヒータの代わりに、通電発熱式触媒コンバータを配置しても良い。また、電気ヒータ１１とＮＯｘ吸着触媒１２の間に酸化触媒（ＤＯＣ）を配置することも本発明の範囲に含まれるが、これについては図２を参照して後述する。
【００１９】
パティキュレートフィルタ１３は、ハニカムセラミックスまたは金属多孔体等の上流側に栓が施された通路と下流側に栓が施された通路とを交互に配置し、セラミックスまたは金属多孔体の薄壁をフィルタとして使用するものである。出口を塞がれた通路に入ったパティキュレートを含む排気がフィルタ薄壁の微細な孔を通過して隣の通路へと通り抜けるとき、パティキュレートがフィルタ薄壁に捕集される。
【００２０】
ＮＯｘ吸着触媒１２は、排気の空燃比が理論空燃比より薄いリーン状態では、ＮＯｘ吸着剤によりＮＯｘを吸着する。排気の空燃比が理論空燃比より濃いリッチ状態においては、吸着されたＮＯｘがＨＣ、ＣＯにより還元されて窒素ガスとして排出され、同時にＨＣ、ＣＯが酸化されて水蒸気及び二酸化炭素として排出される。
【００２１】
ディーゼルエンジンでは、通常の運転時にはリーン運転がされるため、ＮＯｘ吸着触媒１２は排気中のＮＯｘを吸着する。ＮＯｘ触媒の再生は、エンジン１の排気行程において燃焼室内に燃料を一時的に噴射供給（ポストインジェクション）して、排気をリッチ状態にすることにより行われる。なお、このポストインジェクションは、排気の温度を上昇させてパティキュレートフィルタを再生するためにも行われるが、これについては後述する。
【００２２】
パティキュレートフィルタ１３の上流側には、排気の広範囲の空燃比に渡ってそれに比例したレベルの出力を生成する空燃比センサ（以下、「ＬＡＦセンサ」という）１４と、排気管内の圧力を検出する圧力センサ１５が設けられる。また、パティキュレートフィルタ１３の下流側には、排気管内の温度を検出する温度センサ１６も設けられる。これらセンサの出力は、ＥＣＵ２０に送られる。
【００２３】
ＥＣＵ２０はコンピュータで構成されており、各種センサからの入力信号を処理する入力インターフェース、プログラムおよびデータを格納するＲＯＭ、実行時に必要なプログラムおよびデータを一時記憶して演算作業領域を提供するＲＡＭ、各種制御プログラムを実行するＣＰＵ、および各部に制御信号を送る出力インターフェースを備えている。上記各センサからの信号は入力インターフェースにより受信され、ＲＯＭに格納されたプログラムに従って処理される。
【００２４】
ＥＣＵ２０は、エンジン回転速度やアクセル開度といった運転条件を検出し、予め定められているマップを検索して要求トルクを算出する。続いて、要求トルクに対応した基本燃料噴射量を算出し、さらに燃料を噴射する時期を決定する。する。そして、燃料噴射弁は、ＥＣＵ２０からの制御信号に従って、燃料を燃焼室内に噴射する。
【００２５】
ところで、パティキュレートフィルタ１３に捕集されたパティキュレート量が増加すると、パティキュレートフィルタ１３内の排気流路の断面積が減少し、排気の流れが妨げられるようになる。すると、パティキュレートフィルタ上流の排気管６内の圧力が上昇し、エンジン１の性能に影響を及ぼしてしまうようになる。そこで、ＥＣＵ２０は、パティキュレートフィルタ１３におけるパティキュレートの捕集量を推定し、所定の値を上回ると、パティキュレートフィルタ１３を加熱して捕集したパティキュレートを燃焼除去するフィルタ再生処理を実行する。このフィルタ再生処理によりパティキュレートフィルタ１３の捕集性能が維持される。
【００２６】
パティキュレートフィルタ１３を加熱する方法は種々あるが、本実施形態では、電気ヒータ１１を加熱するとともにポストインジェクションにより燃料を排気管内に供給し燃料を燃焼させることによってパティキュレートフィルタ１３を高温（例えば、５００°Ｃ以上）にして、捕集されているパティキュレートを燃焼させる。さらに、スロットル弁３を若干閉弁して吸入空気量を減少させることによって、排気の温度を上昇させる。このとき、エンジン１における燃焼状態を最適とするために、ＥＣＵ２０は、スワール強度、ＥＧＲ通路８の排気流量、過給器７による過給圧の調整等も実行する。
【００２７】
次に、図２を参照して、従来の排気浄化装置と本発明による排気浄化装置を比較しつつ説明する。
【００２８】
ディーゼルエンジンにおいては排気温が低い（例えば、１５０〜２００℃）ため燃料が気化しにくく、また、ポストインジェクションを行った時には燃料が液体の状態で浄化装置に流入してくるので、図２（ａ）に示すように、ＮＯｘ吸着触媒（ＬＮＣ）をパティキュレートフィルタ（ＰＦ）の下流に配置した場合、ＮＯｘ吸着触媒がこれら燃料による被毒から保護されるという効果がある。
【００２９】
しかし、排気温が低いうえ、上流に熱容量が大きく排気の熱エネルギの相当部分を吸収してしまうパティキュレートフィルタがあるために排気熱の伝達効率は下流側になるほど低下するので、ＮＯｘ吸着触媒が活性温度まで上昇しにくくなり、浄化効率が低下するという欠点が存在する。
【００３０】
そこで本発明の一形態では、図２（ｂ）に示すように、電気ヒータ（ＥＨＣ）とパティキュレートフィルタ（ＰＦ）の間にＮＯｘ吸着触媒（ＬＮＣ）を配置する構成を取った。こうすることで、充分な熱エネルギを持った排気がＮＯｘ吸着触媒に流入することになり、また、電気ヒータにより排気を加熱昇温することも可能となるので、ＮＯｘ吸着触媒における浄化効率が高められる。このように配置すると、燃料や硫黄によりＮＯｘ吸着触媒が被毒するおそれもあるが、ＮＯｘ吸着触媒の上流の電気ヒータで液体燃料やパティキュレートが燃焼されるので、ＮＯｘ吸着触媒の性能低下は防止される。
【００３１】
しかし、図２（ｂ）のような構成とした場合でも、ディーゼルエンジンの場合は空気量が多いこと等から、電気ヒータによる電気的な加熱だけではＮＯｘ吸着触媒の温度が充分に高くならないことも考えられる。
【００３２】
そこで、本発明の別の形態では、図２（ｃ）に示すように、上記構成に加えて、酸化触媒（ＤＯＣ）を電気ヒータ（ＥＨＣ）とＮＯｘ吸着触媒（ＬＮＣ）の間に配置することとした。これによると、ＮＯｘ吸着触媒の上流に配置された酸化触媒によって燃料の酸化（燃焼）反応が促進されるので、排気温がさらに高くなる。これによって、ＮＯｘ吸着触媒の温度が高く維持され、高い浄化効率が得られる。さらに、パティキュレートフィルタにおける排気温も上がるので、ポストインジェクションが実行された場合に、パティキュレートフィルタの再生処理と同時にＮＯｘ吸着触媒のデサルフェーション（硫黄燃焼）を行ってＮＯｘ吸着触媒を再生することができる。
【００３３】
このように、本発明では、図２（ｂ）または（ｃ）のような配置とすることによって、パティキュレートや液体状態の燃料によるＮＯｘ吸着触媒の劣化が防止でき、従って浄化効率を高い状態で維持できる。また、ＮＯｘ吸着触媒の硫黄被毒が発生した場合、電気ヒータの作動やポストインジェクション等により、ＮＯｘ吸着触媒の温度を硫黄脱離温度まで上昇させて、硫黄を除去し、浄化効率の回復を行うことができる。
【００３４】
図３は、本発明による排気浄化装置を採用したときのＮＯｘ吸着触媒の温度変化を示すグラフである。図中、Ｔ_ＥＨＣは電気ヒータの温度を、Ｔ_ＣＡＴ（ｗ／Ｈｅａｔｅｒ）は電気ヒータが備えられているときのＮＯｘ吸着触媒の温度を表す。また、横軸はエンジンが始動されてからの時間経過を、縦軸は温度（°Ｃ）を表し、図中の矢印で表された期間だけ電気ヒータが作動されたものとする。また、Ｔ_ＣＡＴ（ｗ／ｏＨｅａｔｅｒ）は、電気ヒータが備えられていない場合のＮＯｘ吸着触媒の温度を表す。
【００３５】
図３から分かるように、電気ヒータが備えられていない場合、エンジンの始動直後は排気流量が多いためＮＯｘ吸着触媒の温度がなかなか上昇せず、従ってＮＯｘ吸着触媒はその機能をほとんど発揮することができない。これに対し、電気ヒータが備えられている場合は、電気ヒータの温度上昇につれてＮＯｘ吸着触媒の温度も上昇しており、従ってＮＯｘ吸着触媒はその機能を十分発揮できる温度（例えば、２５０°Ｃ）にエンジンの始動直後から到達することができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、パティキュレートフィルタの上流にＮＯｘ吸着触媒を配置し、さらに排気を加熱昇温させるヒータをＮＯｘ吸着触媒の上流に配置するので、充分な熱エネルギを持った排気がＮＯｘ吸着触媒に流入することになり、該触媒における浄化効率が高められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による排気浄化装置が適用される内燃機関の構成図である。
【図２】従来の排気浄化装置（ａ）と本発明による排気浄化装置（ｂ、ｃ）を比較した図である。
【図３】電気ヒータを備えている場合と備えていない場合におけるＮＯｘ吸着触媒の温度変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１エンジン（内燃機関）
２吸気管
３スロットル弁（吸入空気量減少手段）
４スワールコントロール弁（燃焼保持手段）
５燃料噴射弁
６排気管
７過給器
８ＥＧＲ通路
９ＥＧＲ弁
１０排気浄化装置
１１電気ヒータ
１２ＮＯｘ吸着触媒
１３パティキュレートフィルタ
２０電子制御装置（ＥＣＵ）

Claims

内燃機関の排気系に設けられ、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタと、
前記パティキュレートフィルタの上流に備えられ、排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘを吸着し、排気の空燃比がリッチのときに吸着したＮＯｘを還元するＮＯｘ吸着触媒と、
前記ＮＯｘ吸着触媒の上流に備えられる排気を加熱するヒータと、
を備える、内燃機関の排気を浄化する排気浄化装置。
前記ＮＯｘ吸着触媒の上流に酸化触媒をさらに備える、請求項１に記載の排気浄化装置。