JP2010261387A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置コスト及び燃費を抑制しつつ内燃機関の冷間始動時等に浄化されずに外部に放出されるＮＯｘの量を抑制できる排気浄化装置を提供する。
【解決手段】ＮＯｘ触媒３５と、ＮＯｘを一時的に吸着保持するＮＯｘ吸着触媒２５と、排ガスを加熱可能な加熱手段としてのバーナー６０とを有し、内燃機関の冷間始動時にＮＯｘ吸着触媒２５の吸着可能なＮＯｘ吸着量を相対的に高めるためにその床温を第１の温度域までバーナー６０により昇温させる第１段階昇温制御と、ＮＯｘ吸着触媒２５に吸着されたＮＯｘを脱離させるとともにＮＯｘ触媒３５のＮＯｘ浄化率を相対的に高めるために、ＮＯｘ触媒２５の床温を第１の温度域よりも高い第２の温度域まで昇温させる。
【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。

内燃機関の排出する排ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する排気浄化装置として、特許文献１は、ＮＯｘを吸着するＮＯｘ吸着触媒と、ＮＯｘを浄化するＮＯｘ触媒と、ＮＯｘ吸着触媒を加熱するための燃焼ガスを供給する高温ガス発生装置とを備えるものを開示している。この排気浄化装置においては、排ガス中のＮＯｘをＮＯｘ吸着触媒に吸着させ、ＮＯｘ吸着触媒の吸着したＮＯｘの量がある程度に達したＮＯｘがされると、高温ガス発生装置から燃焼ガスがＮＯｘ吸着触媒に供給される。これにより、ＮＯｘ吸着触媒に吸着されたＮＯｘが脱離する。脱離したＮＯｘは、ＮＯｘ触媒において浄化される。

特開平３−１３５４１７号公報

ところで、ＮＯｘ吸着触媒及びＮＯｘ触媒は、効率良くＮＯｘを吸着し、あるいは、効率良くＮＯｘを浄化することがある活性温度域をそれぞれ有している。このため、内燃機関の冷間始動時等においては、ＮＯｘ吸着触媒及びＮＯｘ触媒を早期に暖気しないと、ＮＯｘが浄化されずに外部に排出されてしまう可能性がある。ＮＯｘ吸着触媒及びＮＯｘ触媒の早期暖気のために、各々に加熱手段を設けると、装置のコストが大幅に上昇するとともに燃費も悪化するという問題がある。

本発明の目的は、内燃機関の冷間始動時等に浄化されずに外部に放出されるＮＯｘの量を抑制できるとともに、装置のコストおよび燃費を低減できる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられ、排ガスに含まれるＮＯｘを浄化するＮＯｘ触媒と、前記排気通路の前記ＮＯｘ触媒の上流側に設けられ、排ガスに含まれるＮＯｘを一時的に吸着保持するＮＯｘ吸着触媒と、前記排気通路の前記ＮＯｘ吸着触媒の上流側に設けられ、排ガスを加熱可能な加熱手段と、内燃機関の始動時に前記ＮＯｘ吸着触媒の吸着可能なＮＯｘ吸着量を相対的に高めるために前記ＮＯｘ吸着触媒の床温を第１の温度域まで前記加熱手段により昇温させる第１段階昇温制御と、前記ＮＯｘ吸着触媒に吸着されたＮＯｘを脱離させるとともに前記ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率を相対的に高めるために、前記ＮＯｘ触媒の床温を前記第１の温度域よりも高い第２の温度域まで前記加熱手段により昇温させる第２段階昇温制御を実行する制御手段とを有することを特徴とする。

上記構成において、前記第１の温度域は、前記ＮＯｘ吸着触媒が活性化する温度域であり、前記第２の温度域は、前記ＮＯｘ触媒が活性化する温度域である。

上記構成において、前記加熱手段は、燃料と空気とが供給され、排ガスとしての燃焼ガスを前記排気通路に供給するバーナーを含む、構成を採用できる。

上記構成において、前記排気通路の前記ＮＯｘ吸着触媒と前記ＮＯｘ触媒との間に、排ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するフィルタをさらに備え、前記加熱手段は、前記フィルタの浄化機能を再生するためのフィルタ再生処理に用いられる、構成を採用できる。

本発明によれば、装置コスト及び燃費を抑制しつつ内燃機関の冷間始動時等に浄化されずに外部に放出されるＮＯｘの量を抑制できる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成を示す概略図である。 ＮＯｘ吸着触媒の吸着量及びＮＯｘ触媒の浄化率と温度との関係の一例を示すグラフである。 第１段階昇温制御及び第２段階昇温制御を説明するためのタイミングチャートである。 昇温制御におけるＮＯｘ量の変化の一例を示すグラフである。 ＥＣＵによる昇温制御の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の好適一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成図である。
図１において、内燃機関１０は、例えば、ディーゼルエンジンであり、この内燃機関１０の排気通路１５の上流側には、加熱手段としてのバーナー６０が設けられている。バーナー６０には、内燃機関１０側から、空気が供給される空気供給経路６１及び燃料が供給される燃料供給経路６２が接続されている。バーナー６０は、燃料供給経路６２から供給される燃料を燃焼させ、燃焼ガスを排気通路１５に供給する。また、空気供給経路６１からの空気量及び燃料供給経路６２からの燃料の量を制御することにより、燃焼ガスの空燃比が制御される。バーナー６０は、後述するＮＯｘ吸着触媒２５、ＤＰＦ３０、ＮＯｘ触媒コンバータ３５の床温を上昇させるのに用いられる。

バーナー６０から排出される燃焼ガスは、完全燃焼した状態で排気通路１５に排出されてもよいし、あるいは、未燃燃料を含む状態で排気通路１５に排出されてもよい。

排気通路１５のバーナー６０の下流側には、ＮＯｘ吸着触媒２５、フィルタとしてのＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルタ）３０及びＮＯｘ触媒３５が順に設けられている。

排気通路１５において、ＮＯｘ触媒３５の下流には、窒素酸化物の濃度を検出するＮＯｘセンサ９５Ａが設けられ、ＮＯｘ触媒３５の上流側には、ＮＯｘセンサ９５Ｂが設けられている。また、ＮＯｘ吸着触媒２５の入口、ＤＰＦ３０の入出口及びＮＯｘ触媒３５の入口には、それぞれ、排気温度センサ９０が設けられ、これらセンサの検出信号は、制御手段としてのＥＣＵ１００へ入力される。

さらに、排気通路１５において、ＤＰＦ３０とＮＯｘ触媒３５との間には、排気通路１５に尿素水溶液を添加するための尿素水添加弁７０と、この尿素水添加弁７０の下流に設けられて排ガスＥＧと尿素水溶液を混合させるための添加弁下流ミキサ８０とが設けられている。

ＮＯｘ吸着触媒２５は、ゼオライト等の吸着触媒から構成され、排ガスＥＧに含まれるＮＯｘを一時的に吸着する。なお、ＮＯｘ吸着触媒２５の吸着可能な最大のＮＯｘ吸着量は、後述するように、その床温に応じて変化する。

ＤＰＦ３０は、排ガスＥＧに含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集するフィルタである。ＤＰＦ３０の構造は、周知のように、例えば、金属やセラミクス製のハニカム体で構成されている。ＤＰＦ３０は、ＰＭが所定量堆積すると再生処理が必要である。具体的には、バーナー０６０により昇温された排ガスＥＧ及び未燃燃料をＤＰＦ３０に供給する。これにより、捕集したＰＭが燃焼処理され、フィルタ機能が再生される。この再生処理におけるＤＰＦ３０の温度は、例えば、６００〜７００℃程度となる。なお、ＤＰＦ３０に所定量のＰＭが堆積したかの判断は、周知技術であるので、説明を省略する。また、ＤＰＦ３０は、貴金属からなる酸化触媒を担持する構成としてもよい。

尿素水添加弁７０は、尿素水溶液を収容するタンク７５から尿素水が供給され、ＥＣＵ１００からの制御信号に応じた量の尿素水を排気通路１５に添加する。

ＮＯｘ触媒３５は、尿素添加弁７０から添加される尿素水溶液を還元剤として用いて、排ガスＥＧに含まれるＮＯｘを選択的に還元して窒素ガスと水にする。具体的には、排ガスＥＧ中に添加された尿素水溶液は、排ガスＥＧの熱により加水分解されてアンモニアに変化し、ＮＯｘ触媒３５に吸着保持される。このＮＯｘ触媒３５に吸着保持されたアンモニアがＮＯｘと反応し、水と無害な窒素に還元される。ＮＯｘ触媒３５のアンモニア吸着量が飽和吸着量を超えると、アンモニアスリップが発生する可能性があり、少なすぎると、ＮＯｘを十分に浄化できない可能性がある。なお、還元剤として、尿素の代わりに、アンモニアを直接供給することも可能である。

ＮＯｘ触媒３５は、周知の構造であり、例えば、Ｓｉ、Ｏ、Ａｌを主成分とすると共にＦｅイオンを含むゼオライトから構成されたものや、例えば、酸化アルミニウムアルミナからなる基材の表面にバナジウム触媒（Ｖ2Ｏ5）を担持させたものなどを用いることができ、特に、これらに限定されるわけではない。

ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electronically Erasable and Programmable Read Only Memory）等のバックアップ用メモリ、Ａ／Ｄ変換器やバッファ等を含む入力インターフェース回路、駆動回路等を含む出力インターフェース回路を含むハードウエアと所要のソフトウエアで構成される。ＥＣＵ１００は、排気温度センサ９０Ａ〜９０Ｄ、ＮＯｘセンサ９５Ａ，９５Ｂなどからの信号に基づいて、尿素水添加弁７０からの還元剤としての尿素水の添加量を制御する尿素水添加量制御や、後述するバーナー６０によるＮＯ吸着触媒２５の床温及びＮＯｘ触媒３５の床温を制御する。

次に、本発明の原理について図２及び図３を参照して説明する。
先ず、図２に示すように、ＮＯｘ吸着触媒２５の吸着量（最大吸着量）、および、ＮＯｘ触媒３５のＮＯｘ浄化率（最大浄化率）は、その床温に応じて変化する。具体的には、ＮＯｘ吸着触媒２５は、冷間始動時から温度が上昇していくと、温度Ｔａで吸着量が最大となり、その後の温度上昇に従って吸着量が減少していく。ＮＯｘ触媒３５のＮＯｘ浄化率は、冷間始動時から温度が上昇していくにしたがって増加し、温度Ｔａよりも高い温度Ｔ２において最大となり、その後、温度上昇にしたがって低下していく。

本発明では、上記したようなＮＯｘ吸着触媒２５とＮＯｘ触媒３５の性質を利用して、図３に示すように、冷間始動時（コールドスタート時）にＮＯｘ吸着触媒２５の吸着可能なＮＯｘ吸着量を相対的に高めるためにＮＯｘ吸着触媒２５の床温を第１の温度域（温度Ｔａ付近）までバーナー６０を用いて昇温させる第１段階昇温制御と、ＮＯｘ吸着触媒２５に吸着されたＮＯｘを脱離させるとともにＮＯｘ触媒３５のＮＯｘ浄化率を相対的に高めるために、ＮＯｘ触媒２５の床温を第１の温度域（温度Ｔａ付近）よりも高い第２の温度域（温度Ｔ２付近）までバーナー６０を用いて昇温させる第２段階昇温制御を実行する。

すなわち、本発明では、コールドスタート時にＮＯｘ吸着触媒２５のＮＯｘ吸着量を速やかに増大させるために、強制的にＮＯｘを最も吸着しやすい温度域まで昇温し、ＮＯｘを効率良く吸着して、外部への放出を抑制する（図３のＡの区間）。ＮＯｘ吸着触媒２５の床温を昇温させると、これに伴い、ＮＯｘ触媒３５の床温も昇温する。このとき、図３に示すように、ＮＯｘ触媒の床温が、所定のしきい値温度Ｔ１に達したところで（図３に示すＢの付近）、温度制御の対象をＮＯｘ吸着触媒２５からＮＯｘ触媒３５へ代えて、ＮＯｘ触媒３５を第２の温度域Ｔ２まで昇温させる。ここで、温度域Ｔ１は、図２に示す外部に排出されるＮＯｘ量が所定のＮＯｘ量Ｘ（ｐｐｍ）以下に抑えることができる浄化率αが得られる温度の領域とするのが好ましい。

また、代替的には、第１段階昇温制御から第２段階昇温制御への切り替えタイミングは、ＮＯｘ吸着触媒２５に吸着されたＮＯｘの推定量が所定のしきい値Ｔｈを超えたタイミングとすることも可能である。

ここで、上記のような昇温制御を実行した際のＮＯｘ触媒２５の前で検出されるＮＯｘ量と外部に放出される（テールパイプから放出される）ＮＯｘ量の変化の一例について図４を参照して説明する。

コールドスタート時点付近では、ＮＯｘの浄化が進んでいないため、ＮＯｘ触媒２５の前のＮＯｘ量およびテールパイプから放出されるＮＯｘ量は比較的多い。ＮＯｘ吸着触媒２５の温度が上昇して吸着能力が増加するため、ＮＯｘ触媒２５の前のＮＯｘ量およびテールパイプから放出されるＮＯｘ量は急激に減少する。そして、Ａ区間を達してＢ地点において第２段階昇温制御に切り替えられると、ＮＯｘ吸着触媒２５に吸着されたＮＯｘがパージされるため、ＮＯｘ触媒２５の前のＮＯｘ量は増大する。しかし、テールパイプから放出されるＮＯｘ量は最大でも所定のＮＯｘ量Ｘを超えることがない。図４に示すα（Ｔ１）が温度域Ｔ１で少なくとも得られるＮＯｘ浄化率に相当する。

次に、ＥＣＵ１００による上記昇温制御の一例について図５に示すフローチャートを参照して説明する。なお、図５に示す処理ルーチンは、内燃機関のコールドスタート時に実行される。

まず、バーナー６０を起動して、ＮＯｘ吸着触媒２５を活性化温度（温度Ｔａ付近）まで加熱する（ステップＳ１）。すなわち、第１段階昇温制御を実行する。ＮＯｘ吸着触媒２５の温度は、例えば、排気温度センサの出力から推定することができる。

次いで、ＮＯｘ吸着触媒２５の床温が温度Ｔ１を超えたかを判断する（ステップＳ２）。ＮＯｘ吸着触媒２５の床温は、排気温度センサの出力から推定できる。

ＮＯｘ吸着触媒２５の床温が温度Ｔ１を超えている場合には、ＮＯｘ吸着触媒２５のＮＯｘ吸着量の推定値が所定のしきい値Ｔｈを超えているかを判断する（ステップＳ３）。超えている場合には、ＮＯｘ触媒３５を活性化温度（温度Ｔ２付近）まで加熱する（ステップＳ４）。すなわち、第２段階昇温制御を実行する。

上記実施形態では、ＤＰＦ３０を備え、このＤＰＦ３０の再生処理を利用して選択還元触媒を加熱する場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。ＤＰＦ３０を備えていない構成も可能であり、ＤＰＦ３０がＮＯｘ触媒コンバータ３５の下流側に設けられている場合には、バーナーやヒータを用いて選択還元触媒を加熱してもよいし、急加速時などの高負荷が内燃機関にかかった際の排ガスの温度上昇を利用して高温域に温度を上昇させることも可能である。

上記実施形態では、加熱手段としてバーナー６０を用いたが、例えば、排ガス自体を加熱するヒータ等の他の加熱手段を用いることも可能である。

１０…内燃機関
１５…排気通路
２５…ＮＯｘ吸着触媒
３０…ＤＰＦ（フィルタ）
３５…ＮＯｘ触媒
６０…バーナー
７０…尿素水添加弁
１００…ＥＣＵ
９０Ａ〜９０Ｄ…排気温度センサ
９５Ａ，９５Ｂ…ＮＯｘセンサ

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、排ガスに含まれるＮＯｘを浄化するＮＯｘ触媒と、
   前記排気通路の前記ＮＯｘ触媒の上流側に設けられ、排ガスに含まれるＮＯｘを一時的に吸着保持するＮＯｘ吸着触媒と、
   前記排気通路の前記ＮＯｘ吸着触媒の上流側に設けられ、排ガスを加熱可能な加熱手段と、
   内燃機関の始動時に前記ＮＯｘ吸着触媒の吸着可能なＮＯｘ吸着量を相対的に高めるために前記ＮＯｘ吸着触媒の床温を第１の温度域まで前記加熱手段により昇温させる第１段階昇温制御と、前記ＮＯｘ吸着触媒に吸着されたＮＯｘを脱離させるとともに前記ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率を相対的に高めるために、前記ＮＯｘ触媒の床温を前記第１の温度域よりも高い第２の温度域まで前記加熱手段により昇温させる第２段階昇温制御を実行する制御手段と、
   を有することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記加熱手段は、燃料と空気とが供給され、排ガスとしての燃焼ガスを前記排気通路に供給するバーナーを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記排気通路の前記ＮＯｘ吸着触媒と前記ＮＯｘ触媒との間に、排ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するフィルタをさらに備え、
   前記加熱手段は、前記フィルタの浄化機能を再生するためのフィルタ再生処理に用いられる、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記第１の温度域は、前記ＮＯｘ吸着触媒が活性化する温度域であり、前記第２の温度域は、前記ＮＯｘ触媒が活性化する温度域である、ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。

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