JP5348539B2 - 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。

内燃機関の排出する排気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、尿素選択還元排気浄化装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この排気浄化装置は、排気通路に選択還元触媒（ＳＣＲ）を備える触媒コンバータと、その上流側に設けられた尿素水添加弁とを備える。選択還元触媒は、その触媒担体に、酸化バナジウムなどの触媒金属を担持している。排気通路に尿素水を添加すると、排気ガスの熱により、尿素水が加水分解されてアンモニアが生成され、このアンモニアとＮＯｘが選択還元触媒においてＮＯｘと脱硝反応して窒素と水が生成される。

このような、排気浄化装置では、いわゆるアンモニアスリップが発生しないように、選択還元触媒に吸着されているアンモニアの吸着量を常時管理する必要がある。例えば、特許文献２はアンモニアスリップを抑制する技術を開示している。

特開２００３−３０１７３７号公報 特開２００３−２９３７４３号公報

ところで、選択還元触媒は熱負荷、硫黄、炭化水素の被毒等によって経時劣化していき、アンモニアを吸着できる最大量である飽和吸着量が低下していく。飽和吸着量の低下が進んだ場合に、同様の還元剤の添加量制御を継続していると、アンモニアスリップが発生する可能性がある。

一方、選択還元触媒の飽和吸着量が一定であれば、選択還元触媒の入口と出口とにＮＯｘセンサを設け、これらの出力と選択還元触媒の床温に応じたＮＯｘ浄化率とに基づいて、アンモニアのスリップ量を検出することは可能である。しかしながら、選択還元触媒の飽和吸着量が低下していくと、その低下は考慮されていないため、アンモニアのスリップ量を正確に検出することは困難である。

本発明の目的は、選択還元触媒からの劣化によるアンモニアスリップの発生を抑制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、アンモニアを吸着可能で、かつ、排気ガスに含まれるＮＯｘをアンモニアを還元剤として選択的に還元する選択還元触媒と、前記選択還元触媒へ還元剤としての尿素又はアンモニアを添加する還元剤供給手段と、前記排気通路の還元剤供給手段の上流側に設けられた第１のＮＯｘセンサと、前記選択還元触媒の下流側に設けられた第２のＮＯｘセンサと、前記選択還元触媒のアンモニア吸着量が当該選択還元触媒の飽和吸着量に応じた量になるように、前記第１及び第２のＮＯｘセンサの出力に基づいて前記還元剤供給手段による還元剤の添加量を制御する添加量制御手段と、アンモニア吸着能力が相対的に低下する所定の高温域となるまで加熱された前記選択還元触媒の加熱の終了後の床温低下過程において、アンモニアスリップを生じさせるために前記還元剤を添加させ、アンモニアスリップが発生するまでに要したアンモニア量に基づいて前記添加量制御手段に用いる飽和吸着量を補正する飽和吸着量補正手段と、を有することを特徴とする。

上記構成において、前記内燃機関の排気通路の前記選択還元触媒の上流側に設けられ、かつ、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集するフィルタをさらに有し、前記選択還元触媒は、前記フィルタの浄化能力を再生させるフィルタ再生処理の実行に伴って、前記所定の高温域となるまで加熱される、構成を採用できる。

上記構成において、前記飽和吸着量補正手段は、前記選択還元触媒が前記高温域の下限を規定する所定温度に達するまでにアンモニアスリップが発生するように、前記還元剤を添加させる、構成を採用できる。

本発明によれば、選択還元触媒からのアンモニアスリップの発生を抑制できる。

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。 選択還元触媒のアンモニア飽和吸着量と床温との関係をグラフである。 ＰＭ再生処理時における選択還元触媒の床温の変化を示すグラフである。 ＥＣＵによる飽和吸着量補正処理の一例を示すフローチャートである。 アンモニア飽和吸着量補正処理中の各種状態量を示すタイミングチャートである。 アンモニア飽和吸着量補正処理前後の飽和吸着量曲線を示すグラフである。

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は、熱エネルギーが外部に放出されるのを極力抑制して各種触媒の活性化を促すために、断熱材で覆われている。

排気通路１５の上流側には、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ＤＰＦ３０や選択還元触媒コンバータ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には、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及び選択還元触媒コンバータ３５が順に設けられている。

排気通路１５において、選択還元触媒コンバータ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、選択還元触媒コンバータ３５の上流側には、ＮＯｘセンサ９５Ｂが設けられ、選択還元触媒コンバータ３５の入口には排気温度センサ９０が設けられ、これらセンサの検出信号は、ＥＣＵ１００へ入力される。

さらに、排気通路１５において、ＤＰＦ３０と選択還元触媒コンバータ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気ガス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。

ＤＰＦ３０は、排気ガス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気ガス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。ＤＰＦ３０の再生処理は、バーナー６０で加熱するのではなく、いわゆるポスト噴射や燃料添加によっても可能である。

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。

選択還元触媒コンバータ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、排気ガス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、排気ガスＥＧ中に添加された尿素水溶液は、排気ガスＥＧの熱により加水分解されてアンモニアに変化し、選択還元触媒コンバータ３５に吸着保持される。この触媒コンバータ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。選択還元触媒コンバータ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。

選択還元触媒コンバータ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９０、ＮＯｘセンサ９５Ａ，９５Ｂなどからの信号に基づいて、選択還元触媒のアンモニア吸着量が当該選択還元触媒の飽和吸着量に基づく目標吸着量となるように尿素水添加弁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、後述するアンモニア飽和吸着量補正処理等の各種処理を実行する。

尿素水添加量制御においては、選択還元触媒のアンモニア吸着量が、例えば、飽和吸着量に対して所定の割合の目標吸着量となるように、尿素水の添加量が制御される。すなわち、上流側のＮＯｘセンサ９５Ｂの出力から得られる選択還元触媒に流入するＮＯｘ量、下流側のＮＯｘセンサ９５Ｂから得られるＮＯｘ量及びアンモニア量、及び、予め求められている選択還元触媒の触媒床温に応じたＮＯｘ浄化率から算出される選択還元触媒のアンモニア吸着量が、上記した目標吸着量になるように尿素水添加量を制御する。なお、目標吸着量は、アンモニアスリップを抑制し、ＮＯｘ浄化能力を確保する観点等から適宜設定され、床温に応じて変化させることもできる。

次に、本発明の基本的原理について説明する。
まず、選択還元触媒のアンモニア飽和吸着量は、図２に示すように、温度が上昇するにしたがって増大し、最大値をとったあとは減少していき、高温になるほどアンモニア飽和吸着量は急激に減少していく。本発明では、この選択還元触媒の高温域の飽和吸着量の特性を利用する。

すなわち、選択還元触媒を車両の通常走行時よりも高い、アンモニア吸着能力が相対的に低下する高温域まで選択還元触媒を加熱する。この加熱には、後述するように、選択還元触媒の上流側に配置されるＤＰＦ３０の再生処理（ＰＭ再生処理ともいう。）を利用する。ＰＭ再生処理の実行に伴って、ＤＰＦ３０から高温の排気ガスが排出され、この高温の排気ガスにより選択還元触媒も上記の高温域まで加熱される。

ＰＭ再生処理が実行されると、図３に示すように、選択還元触媒は温度Ｔ０よりも高い温度Ｔ２まで加熱される。ＰＭ再生処理の実行前に尿素水の添加を中断して、選択還元触媒を温度Ｔ２まで加熱すると、選択還元触媒のアンモニア吸着量は略ゼロとなる。ＰＭ再生処理が終了すると、選択還元触媒の触媒床温は、徐々に低下していく。この床温低下過程において、アンモニアスリップを発生させるためにアンモニア（尿素）を選択還元触媒へ添加する。なお、このアンモニアスリップを発生させるまでの期間を、図３においは、飽和吸着量学習期間としている。

この飽和吸着量学習期間において添加すべきアンモニア添加量は、好適には、温度Ｔ０における劣化していない選択還元触媒のアンモニア飽和吸着量に相当するアンモニア量に、選択還元触媒コンバータ３５に流入するＮＯｘを浄化するためのアンモニア量を加えた量である。このような量のアンモニアを選択還元触媒に添加すれば、選択還元触媒が劣化している場合にはアンモニア飽和吸着量も低下しているので、温度Ｔ０に達する時間Ｘ０よりも前の時間Ｘ１において確実にアンモニアスリップが発生する。

ここで、アンモニアスリップが発生したかの判断は、選択還元触媒コンバータ３５の下流に設けられたＮＯｘセンサ９５Ａの出力と、選択還元触媒コンバータ３５の上流に設けられたＮＯｘセンサ９５Ｂの出力と、選択還元触媒の触媒床温に対するＮＯｘ浄化率のマップとを用いて行う。ＮＯｘセンサはＮＯｘとアンモニアのいずれにも反応する。このため、ＮＯｘセンサ９５Ｂの出力と選択還元触媒の触媒床温に対するＮＯｘ浄化率のマップとを用いて、ＮＯｘセンサ９５Ａの出力に含まれるアンモニア量を算出する。そして、算出したアンモニア量が所定のしきい値を超えた場合には、アンモニアスリップが発生したと判断する。このアンモニアスリップが発生するまでに添加したアンモニア添加量からＮＯｘの浄化で消費されたアンモニア量を差し引いたアンモニア量が選択還元触媒の飽和吸着量と判断する。このアンモニアの飽和吸着量を、尿素水添加量制御の飽和吸着量として新たに使用する。すなわち、尿素水添加量制御に用いる飽和吸着量を補正し、アンモニアスリップが生じないように、補正後の飽和吸着量に応じた目標吸着量を新たな飽和吸着量に応じて補正する。

次に、ＥＣＵ１００による飽和吸着量補正処理の一例について図４に示すフローチャート及び図５に示すタイミングチャートを参照して説明する。なお、図４に示す飽和吸着量補正ルーチンは、ＰＭ再生処理が実行されたときに実行される。また、ＰＭ再生処理が実行される直前に尿素水の添加は中断されているものとして説明する。

先ず、ＰＭ再生処理が終了したか、すなわち、選択還元触媒のアンモニア吸着量が略ゼロになったかを判断する（ステップＳ１）。ＰＭ再生処理が終了した場合には、図５（ａ）に示すように、一定量の尿素水の添加を開始する(ステップＳ２)。

ＰＭ再生処理が終了すると、触媒床温は、図５（ｂ）に示すように、徐々に低下していく。この触媒床温の低下に伴い、選択還元触媒のアンモニア飽和吸着量は、図５（ｂ）の点線で示すように、徐々に増加していく。そして、尿素水の添加を開始すると、選択還元触媒のアンモニア吸着量は、徐々に増加していき、アンモニア飽和吸着量に近づいていく。

次いで、選択還元触媒コンバータ３５の出口側に設けられたＮＯｘセンサ９５Ａの出力が、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）。しきい値Ｔｈは、アンモニアスリップが発生していると判断するための値である。図５（ｂ）及び（ｄ）に示すように、選択還元触媒のアンモニア吸着量が増加していき、アンモニア飽和吸着量に近づくと、ＮＯｘセンサ９５Ａの出力が大きくなり、アンモニアスリップが発生した時点Ｘ１の付近でしきい値Ｔｈを超える。

次いで、アンモニアスリップの発生を検出すると、触媒床温Ｔ１における選択還元触媒のアンモニア飽和吸着量Ｎａを算出する（ステップＳ４）。すなわち、新たにアンモニア飽和吸着量Ｎａを学習する。

そして、算出したアンモニア飽和吸着量Ｎａに基づく尿素水添加量制御に移行する（ステップＳ５）。これにより、尿素水添加量制御においては、選択還元触媒のアンモニア吸着量がアンモニア飽和吸着量Ｎａに応じた目標吸着量になるように、尿素水の添加量が制御される。具体的には、例えば、図６に示すように、触媒床温Ｔ１におけるアンモニア飽和吸着量補正前(学習前)のアンモニア飽和吸着量Ｎｂが新たなアンモニア飽和吸着量Ｎａに更新される。補正前後のアンモニア飽和吸着量の比Ｎａ／Ｎｂを補正前の各触媒床温でのアンモニア飽和吸着量に掛け合わせることにより、点線で示すように、各触媒床温での新たなアンモニア飽和吸着量が得られる。尿素水添加量制御においては、この各触媒床温でのアンモニア飽和吸着量に応じてアンモニア吸着量の目標吸着量が設定され、選択還元触媒のアンモニア吸着量がこの目標吸着量になるように尿素水の添加量が制御される。この結果、選択還元触媒の経時劣化が進んでアンモニアを吸着する能力が低下していったとしても、それに応じて目標吸着量も低く設定されるので、アンモニアスリップの発生が抑制される。

上記実施形態では、尿素水の添加を中断し、ＰＭ再生処理終了後に再開する構成としたが、継続して尿素水を添加してもよい。この場合には、選択還元触媒を高温域の所定温度まで加熱した状態で、アンモニア吸着量はゼロにはならないが、この高温域の所定温度でのアンモニア吸着量を触媒床温等から推定することにより、アンモニア飽和吸着量を算出可能である。

上記実施形態では、高温域の下限温度Ｔ０に達するまでに、アンモニアスリップを発生させる構成とした。これにより、飽和吸着量を学習するための尿素水の量が少なくて済み、また、飽和吸着量を学習するのに要する時間も短くて済む。しかしながら、下限温度Ｔ０より低い温度でアンモニアスリップを発生させて飽和吸着量を算出することも可能である。

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を備えていない場合や、ＤＰＦ３０が選択還元触媒コンバータ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気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。

１０…内燃機関
１５…排気通路
３０…ＤＰＦ（フィルタ）
３５…選択還元触媒コンバータ
６０…バーナー
７０…尿素水添加弁
１００…ＥＣＵ
９５Ａ，９５Ｂ…ＮＯｘセンサ

Claims (2)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、アンモニアを吸着可能で、かつ、排気ガスに含まれるＮＯｘをアンモニアを還元剤として選択的に還元する選択還元触媒と、
   前記選択還元触媒へ還元剤としての尿素又はアンモニアを添加する還元剤供給手段と、
   前記排気通路の還元剤供給手段の上流側に設けられた第１のＮＯｘセンサと、
   前記選択還元触媒の下流側に設けられた第２のＮＯｘセンサと、
   前記選択還元触媒のアンモニア吸着量が、当該選択還元触媒の飽和吸着量に応じた目標吸着量になるように、前記第１及び第２のＮＯｘセンサの出力に基づいて前記還元剤供給手段による還元剤の添加量を制御する添加量制御手段と、
   アンモニア飽和吸着量が最大値となる温度を含む低温域から離れ、かつ、アンモニア吸着能力が前記低温域におけるアンモニア吸着能力よりも低下する所定の高温域となるまで加熱された前記選択還元触媒の加熱の終了後の床温低下過程において、アンモニアスリップを生じさせるために前記還元剤を添加させ、当該アンモニアスリップが発生するまでに要したアンモニア量に基づいて前記添加量制御手段に用いる飽和吸着量を補正する飽和吸着量補正手段と、
   を有し、
   前記飽和吸着量補正手段は、アンモニア飽和吸着量が最大値となる温度を含む低温域から離れ、かつ前記高温域の下限を規定するあらかじめ定めた所定温度に達するまでにアンモニアスリップが発生するように、前記還元剤を添加させる、
   ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記内燃機関の排気通路の前記選択還元触媒の上流側に設けられ、かつ、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集するフィルタをさらに有し、
   前記選択還元触媒は、前記フィルタの浄化能力を再生させるフィルタ再生処理の実行に伴って、前記所定の高温域となるまで加熱される、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。

Images