JP6663126B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気中の窒素酸化物を浄化する排気浄化触媒を備えたエンジンの排気浄化装置に関する。

エンジンの排気通路には、排気を浄化するための排気浄化装置が備えられている。例えば、エンジンの排気中のＮＯx(窒素酸化物)を浄化するために、ＮＯx吸蔵触媒や選択還元触媒等の排気浄化触媒が開発されている。
ＮＯx吸蔵触媒は、リーン雰囲気下でＮＯxを吸蔵し、リッチ雰囲気下でＮＯxを窒素に還元する。なお、ＮＯx吸蔵触媒は、低温領域で吸蔵量を多く確保でき、高温領域で吸蔵量が低下する性質を有している。一方、選択還元触媒は、主に高温領域でアンモニア等の還元剤を使用して排気中のＮＯxを窒素に還元する。

例えば特許文献１には、ディーゼルエンジンの排気通路に、排気中のＰＭ（粒子状物質）を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタを設け、ディーゼルパティキュレートフィルタの上流側の排気通路にＮＯx吸蔵触媒を備えるとともに、ディーゼルパティキュレートフィルタの下流側の排気通路に選択還元触媒を備えた排気浄化装置が開示されている。

特許第４７３０３３６号公報

ところで、排気通路にＮＯx吸蔵触媒を備えたエンジンでは、ＮＯx吸蔵触媒に吸蔵したＮＯxを除去するために、例えばエンジンの燃料噴射制御によってＮＯx吸蔵触媒にリッチ空燃比の排気を供給するＮＯxパージが必要に応じて行われる。
しかしながら、例えば低負荷運転が続いてＮＯx吸蔵触媒の温度が低下している場合には、ＮＯxパージをすることができず、ＮＯx吸蔵触媒におけるＮＯx吸蔵量が更に増加する。このようにＮＯx吸蔵量が増加すると、その後例えば高負荷運転等により排気温度が上昇してＮＯxパージが開始されたときに、ＮＯx吸蔵触媒からＮＯxが流出してしまう。特許文献１のようにＮＯx吸蔵触媒の下流に選択還元触媒を設けている構成では、ＮＯx吸蔵触媒から流出したＮＯxを選択還元触媒にて還元除去可能であるものの、低負荷運転が続いていた状態では選択還元触媒の温度が低下しており、選択還元触媒においてＮＯxを十分に除去できず下流に流出してしまうといった虞がある。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、排気通路に窒素酸化物吸蔵還元触媒及び選択還元触媒を備えたエンジンにおいて、排気浄化性能の優れた排気浄化装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１のエンジンの排気浄化装置では、エンジンの排気通路に設けられ、排気中の窒素酸化物を吸蔵する窒素酸化物吸蔵還元触媒と、前記窒素酸化物吸蔵還元触媒の下流側の前記排気通路に設けられ、還元剤を用いて窒素酸化物を還元除去する選択還元触媒と、前記選択還元触媒に前記還元剤を供給する還元剤供給部と、前記窒素酸化物吸蔵還元触媒の窒素酸化物吸蔵量を推定する窒素酸化物吸蔵量推定部と、前記窒素酸化物吸蔵量が所定の第１の吸蔵量より多くなった状態で、所定のパージ条件が成立した場合には、排気の空燃比をストイキまたはリッチにして、前記窒素酸化物吸蔵還元触媒に吸蔵した前記窒素酸化物を還元するパージ制御を実行するパージ制御部と、前記窒素酸化物吸蔵量が前記第１の吸蔵量より大きい第２の吸蔵量より大きくなった状態で、前記パージ条件が成立しない場合には、排気の空燃比をリーンにした状態で、前記還元剤供給部により前記還元剤を供給して前記選択還元触媒に対する前記還元剤の供給と前記選択還元触媒の温度を所定温度以上に上昇させる昇温制御を実行する昇温制御部と、を備えることを特徴とする。

また、好ましくは、前記パージ制御部は、前記昇温制御を実行中に前記パージ条件が成立した際には、前記昇温制御から前記パージ制御に強制的に切換えるとよい。
また、好ましくは、前記昇温制御を、前記エンジンの吸気量の絞り及び前記エンジンの燃料噴射量の増加の少なくともいずれか一方により行うとよい。
また、好ましくは、前記還元剤供給部は、前記選択還元触媒の上流側の前記排気通路に尿素水溶液を供給して、当該尿素水溶液が加水分解して得られるアンモニアを前記選択還元触媒に供給するとよい。

また、好ましくは、前記エンジンの負荷が所定値以上である場合には、前記窒素酸化物吸蔵量に拘わらず、前記昇温制御を実行するとよい。

本発明のエンジンの排気浄化装置によれば、排気通路に低温領域で浄化効率の高い窒素酸化物吸蔵還元触媒と高温領域で浄化効率の高い選択還元触媒が設けられているので、広範囲の温度領域で浄化効率を向上させることができる。更に、窒素酸化物の下流側に選択還元触媒が設けられているので、窒素酸化物吸蔵還元触媒から窒素酸化物が流出しても選択還元触媒によって還元除去することができる。

特に、窒素酸化物吸蔵還元触媒が低温で窒素酸化物の還元除去が不能であってパージ条件が成立せずに、窒素酸化物吸蔵量の吸蔵量が多くなった状態では、排気の空燃比をリーンにして排気温度を選択還元触媒の所定温度以上に上昇させる昇温制御を実行することで、燃料消費を抑えつつ選択還元触媒での浄化をすぐに可能にするよう準備させることができる。これにより、パージ制御が開始されたときに、窒素酸化物吸蔵還元触媒から窒素酸化物が流出したとしても、選択還元触媒にて十分に窒素酸化物を還元除去することができ、大気中への窒素酸化物の排出を減少させることができる。

本発明の実施形態におけるエンジンの吸排気系の概略構成図である。 本実施形態のエンジンコントロールユニットにおける排気浄化装置の制御手順を示すフローチャートである。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の排気浄化装置１が適用された第１の実施形態のディーゼルエンジン（以下、エンジン２という）の吸排気系の概略構成図である。
エンジン２は、走行駆動源として車両に搭載されており、多気筒の筒内直接噴射式エンジンであって、図１では簡略して１つの気筒のみ記載している。エンジン２は、各気筒に設けられた燃料噴射ノズル３から、任意の噴射時期及び噴射量で各気筒の燃焼室４内に燃料を噴射可能な構成となっている。

エンジン２の吸気通路５には、新気の流量を調整するための電子制御スロットルバルブ６が設けられている。
エンジン２の排気通路１０には、エンジン２から下流に向かって順番に、ＮＯx吸蔵触媒１１（窒素酸化物吸蔵還元触媒）、ディーゼルパティキュレートフィルタ１２、選択還元触媒１３が設けられている。

ディーゼルパティキュレートフィルタ１２と選択還元触媒１３との間の排気通路１０には、尿素水（尿素水溶液）を噴射供給する尿素水インジェクタ１４（還元剤供給部）が設けられている。尿素水インジェクタ１４には、車両に搭載した図示しない尿素水タンクから尿素水が供給される。
尿素水インジェクタ１４から排気通路１０内に噴射された尿素水が排気の熱によって加水分解されてアンモニアを発生し選択還元触媒１３に到達するように、尿素水インジェクタ１４の噴射位置が設定されている。

ＮＯx吸蔵触媒１１は、排気中の窒素酸化物（以下、ＮＯx）を貯留し、高温リッチ雰囲気下でＮＯxを還元除去する。
ディーゼルパティキュレートフィルタ１２は、排気中の黒鉛を主成分とする微粒子状物資を捕集する。
選択還元触媒１３は、尿素水から生成したアンモニアを還元剤として用いて排気中のＮＯxを還元浄化する。

また、エンジン２には、ＥＧＲ装置１５が備えられている。ＥＧＲ装置１５は、吸気通路５と排気通路１０とを連通するＥＧＲ通路１６と、ＥＧＲ通路１６を開閉するＥＧＲバルブ１７とにより構成されている。
更に、エンジン２には、エンジン２の回転速度を検出する回転速度センサ２０が設けられている。エンジン２の吸気通路５には、吸気流量を検出するエアフローセンサ２１が設けられている。選択還元触媒１３には、選択還元触媒１３の温度を検出する選択還元触媒温度センサ２２が設けられている。

エンジンコントロールユニット３０（窒素酸化物吸蔵量推定部、パージ制御部、昇温制御部）は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、タイマ及び中央演算処理装置（ＣＰＵ）等を含んで構成され、回転速度センサ２０、エアフローセンサ２１、選択還元触媒温度センサ２２等の各種センサの検出情報と、車両のアクセル操作量等の情報を入力し、当該各種情報に基づいて、燃料噴射ノズル３からの燃料噴射量及び燃料噴射時期、電子制御スロットルバルブ６の開度、尿素水インジェクタ１４からの尿素水噴射量及び尿素水噴射時期、ＥＧＲバルブ１７の開度を演算して、上記各種機器の作動制御を行うことで、エンジン２の運転制御を行う。

また、エンジンコントロールユニット３０は、ポスト噴射等により、空燃比を１４.７以下のストイキまたはリッチとするとともにＮＯx吸蔵触媒１１を所定温度以上に昇温させることで、ＮＯx吸蔵触媒１１に貯留したＮＯxを還元除去するＮＯxパージを実行する機能を有している（パージ制御部）。
次に、図２を用いて、ＮＯx吸蔵触媒１１に貯留されたＮＯxを還元除去するＮＯxパージ制御について説明する。

図２は、エンジンコントロールユニット３０におけるＮＯxパージ制御手順を示すフローチャートである。
図２に示す本実施形態の排気浄化装置１の作動制御は、エンジン運転時にエンジンコントロールユニット３０において所定期間毎に繰り返し実行される。
始めに、ステップＳ１０では、ＮＯx吸蔵触媒１１に吸蔵されているＮＯx吸蔵量Ｑa（窒素酸化物吸蔵量）が所定値Ａ（第１の吸蔵量）より大きいか否かを判別する。ＮＯx吸蔵量Ｑaは、例えば前回のＮＯxパージ終了から現在までのエンジン２の運転時間及び運転状態に基づいて推定すればよい（窒素酸化物吸蔵量推定部）。所定値Ａは、ＮＯxパージを実行するか否かを判別する閾値であり、ＮＯx吸蔵触媒１１におけるＮＯx吸蔵量Ｑaの最大許容量より少ない値に設定すればよい。ＮＯx吸蔵量Ｑaが所定値Ａより大きい場合には、ステップＳ２０に進む。ＮＯx吸蔵量Ｑaが所定値Ａ以下である場合には、本ルーチンを終了する。

ステップＳ２０では、ＮＯx吸蔵量Ｑaが所定値Ｂ（第２の吸蔵量）より大きいか否かを判別する。所定値Ｂは、所謂スリップ判定値であって、所定値Ａより大きい値であり、ＮＯxパージを行った際にＮＯxが還元除去しきれずにＮＯx吸蔵触媒１１から流出してしまうか否かを判別可能な閾値に設定すればよい。ＮＯx吸蔵量Ｑaが所定値Ｂより大きい場合には、ステップＳ３０に進む。ＮＯx吸蔵量Ｑaが所定値Ｂ以下である場合には、ステップＳ６０に進む。

ステップＳ３０では、選択還元触媒１３におけるアンモニア吸着量Ｑbが所定値Ｃより大きいか否かを判別する。アンモニア吸着量Ｑbは、例えば選択還元触媒１３におけるアンモニア吸着量Ｑbの増加分から消費分を減算して求めればよい。アンモニア吸着量Ｑbの増加分は、尿素水噴射量と排気温度に依存するアンモニア生成率とアンモニア吸着率との積算値により演算できる。なお、アンモニア吸着率は、アンモニア既吸着量が多い場合に低くなり、選択還元触媒１３の温度にも依存する。アンモニア吸着量Ｑbの消費分は、選択還元触媒１３入口のＮＯx量と選択還元触媒１３の温度及びアンモニア既吸着量に依存するＮＯx浄化率との積算値に、選択還元触媒１３の温度及びアンモニア既吸着量に依存する選択還元触媒１３から脱離または酸化してしまうアンモニア量を加算した値で求められる。所定値Ｃは、ＮＯxパージした際にＮＯx吸蔵触媒１１から流出して選択還元触媒１３に流入するＮＯxを十分に還元除去できるアンモニア吸着量に設定すればよい。アンモニア吸着量Ｑbが所定値Ｃより大きい場合には、ステップＳ４０に進む。アンモニア吸着量Ｑbが所定値Ｃ以下である場合には、ステップＳ８０に進む。

ステップＳ４０では、選択還元触媒温度センサ２２から選択還元触媒温度Ｔbを入力し、選択還元触媒温度Ｔbが所定値Ｔ1（所定温度）より低いか否かを判別する。所定値Ｔ1は、選択還元触媒１３においてＮＯxを十分に還元除去可能となる活性温度に設定すればよい。選択還元触媒温度Ｔbが所定値Ｔ1より低い場合には、ステップＳ５０に進む。選択還元触媒温度Ｔbが所定値Ｔ1以上である場合には、ステップＳ６０に進む。

ステップＳ５０では、選択還元触媒活性用昇温制御（昇温制御）を実行する（昇温制御部）。選択還元触媒活性用昇温制御は、電子制御スロットルバルブ６によって吸気量を絞ったり、燃料噴射ノズル３からの燃料噴射量を増加したりすることで、排気温度を上昇させる。なお、ここでは、ＮＯx吸蔵触媒１１からＮＯxが流出しないように、排気の空燃比をＮＯxパージの際よりもリーン側に制御する。例えば、本実施形態のエンジン２が通常燃焼時に空燃比２０程度のリーンバーンエンジンである場合には、ＮＯxパージ時には空燃比１４.７以下のストイキまたはリッチ燃焼とし、本ステップの選択還元触媒活性用昇温制御及び後述するステップＳ９０におけるアンモニア発生用昇温制御では、空燃比を１７〜１８程度のスライトリーンにすればよい。すなわち、通常のリーン燃焼よりリッチ側には空燃比を変更するものの、空燃比としては１４．７以上のリーン燃焼を実施するものである。これにより、ＮＯxの流出増加を抑えつつ選択還元触媒１３を昇温することが可能となる。なお、このようにスライトリーンにしてもＮＯxの流出が抑えられるのは、ＮＯx吸蔵触媒に吸蔵されたＮＯxは硝酸塩（硝酸バリウムなど）として蓄積されることから、硝酸塩を分解してＮＯxを放出するには還元雰囲気にする必要があるため、スライトリーンではＮＯx は放出されないからである。そして、ステップＳ６０に進む。

ステップＳ６０では、ＮＯxパージ条件が成立しているか否かを判別する。ＮＯxパージ条件は、例えばＮＯx吸蔵触媒１１の温度がＮＯxパージ可能な所定温度（第１の所定温度）以上であることを検出したり、高負荷運転であることを判定したりすればよい。ＮＯxパージ条件が成立している場合には、ステップＳ７０に進む。ＮＯxパージ条件が成立していない場合には、本ルーチンを終了する。

ステップＳ７０では、ＮＯxパージ（パージ制御）を実行する。ＮＯxパージは、上記のように、ポスト噴射等により、ＮＯx吸蔵触媒１１をパージ可能な第１の所定温度以上に維持しつつ空燃比を１４.７以下のストイキまたはリッチとすることで行なわれる。そして、本ルーチンを終了する。
ステップＳ８０では、選択還元触媒温度センサ２２から選択還元触媒温度Ｔbを入力し、選択還元触媒温度Ｔbが所定値Ｔ2より低いか否かを判別する。所定値Ｔ2は、尿素水が加水分解されてアンモニアが発生する温度に設定すればよい。選択還元触媒温度Ｔbが所定値Ｔ2より低い場合には、ステップＳ９０に進む。選択還元触媒温度Ｔbが所定値Ｔ2以上である場合には、ステップＳ１００に進む。

ステップＳ９０では、アンモニア発生用昇温制御を実行する。アンモニア発生用昇温制御は、尿素水インジェクタ１４から噴射した尿素水を加水分解してアンモニアを発生させ、選択還元触媒１３に吸着させるための制御であり、ステップＳ５０における選択還元触媒活性用昇温制御と同様に、吸気量を絞ったり、燃料噴射量を増加したりすることで、排気温度を上昇させる。そして、ステップＳ１００に進む。

ステップＳ１００では、尿素水インジェクタ１４から、選択還元触媒１３においてＮＯxを還元除去するための尿素水を噴射させる。そして、ステップＳ３０に戻る。
以上のように、本実施形態では、排気通路１０に低温領域で浄化性能の優れたＮＯx吸蔵触媒１１と高温領域で浄化性能の優れた選択還元触媒１３を備えているので、広範囲の排気温度でＮＯxの浄化性能を向上させることができる。ＮＯx吸蔵触媒１１にＮＯxが所定値Ａを超えて多く吸蔵された場合には、ＮＯxパージが要求されるが、例えばアイドリング運転のような低負荷運転が継続されてＮＯx吸蔵触媒１１の温度が低下し、ＮＯxパージが不能である場合には、ＮＯx吸蔵触媒１１におけるＮＯx吸蔵量Ｑaが更に増加する。本実施形態では、ＮＯxの発生を抑える装置としてＥＧＲ装置１５を備えているが、アイドリング運転のような運転状況では燃焼安定性を確保するため、排気の還流量が抑えられ、ＮＯxの発生を十分に抑制することが困難である。

そこで、本実施形態では、ＮＯx吸蔵触媒１１におけるＮＯx吸蔵量Ｑaがスリップ判定値である所定値Ｂより大きくなってしまった場合に選択還元触媒活性用昇温制御を行うことで、排気温度を上昇させて選択還元触媒１３の温度を活性温度である所定値Ｔ1まで上昇させる。これにより、ＮＯx吸蔵触媒１１からＮＯxが流出したとしても、ＮＯx吸蔵触媒１１の下流の選択還元触媒１３によって浄化することができ、大気中へのＮＯxの排出を減少させることができる。また、この昇温制御では空燃比をリーンに留めておくことで、燃料消費を抑えることができる。

また、ＮＯx吸蔵触媒１１におけるＮＯx吸蔵量Ｑaが所定値Ｂより大きく、かつ選択還元触媒１３のアンモニア吸着量Ｑbが所定値Ｃに達していない場合には、アンモニア発生用昇温制御を行って尿素が加水分解できる温度まで選択還元触媒１３を昇温させた上で尿素水を噴射しておくことで、選択還元触媒１３を十分に活性化させておくだけでなく選択還元触媒１３のアンモニア吸着量Ｑbを十分に確保しておくことができる。

以上のように、本実施形態では、ＮＯx吸蔵量Ｑaが所定値Ａを超えてＮＯxパージが要求されている状態において、ＮＯx吸蔵触媒１１におけるＮＯx吸蔵量Ｑaがスリップ判定値より大きくなった場合には、ＮＯxパージから昇温制御（昇温制御、アンモニア発生用昇温制御）に切換えて行うことで、ＮＯxパージが不能であるときに選択還元触媒１３にアンモニアを十分に吸着させるとともに十分に活性化させておき、選択還元触媒１３においてＮＯxの浄化を可能に準備させておくことができる。したがって、例えば高負荷運転が行なわれてＮＯxパージが可能となったときに、ＮＯxパージの開始時においてＮＯx吸蔵触媒１１からＮＯxが流出したとしても選択還元触媒１３によってすぐにかつ十分に浄化することができ、大気中へのＮＯxの排出を減少させ、排気浄化性能を向上させることができる。また、これらの昇温制御によりＮＯx吸蔵触媒１１も昇温するので、ＮＯxパージの開始を早めることができる。

なお、以上の実施形態では、ＮＯx吸蔵触媒１１におけるＮＯx吸蔵量Ｑaがスリップ判定値である所定値Ｂより大きくなった際に昇温制御を行うが、ＮＯx吸蔵量が所定値Ｂ以下であり通常燃焼である場合でも、エンジン２の負荷が所定値以上の高負荷運転状態である場合には、図２に示す作動制御のステップＳ３０以降を実施するようにしてもよい。この所定値は、ＮＯx吸蔵触媒１１が高温となってＮＯxが流出するような運転状態での負荷である。

このように、高負荷運転においても選択還元触媒１３の昇温制御を行うことで、ＮＯx吸蔵触媒１１のＮＯxの浄化率が低下してＮＯx吸蔵触媒１１からＮＯxが流出する高温下においても、ＮＯx吸蔵触媒１１の下流の選択還元触媒１３において十分にＮＯxを除去することができ、大気中へのＮＯxの排出を抑制することができる。
また、本願発明は、上記実施形態に限定するものではない。本願発明は、排気浄化装置として排気通路にＮＯx吸蔵触媒及び選択還元触媒を備えたエンジンに広く適用することができる。

２ エンジン
１０ 排気通路
１１ ＮＯx吸蔵触媒（窒素酸化物吸蔵還元触媒）
１３ 選択還元触媒
１４ 尿素水インジェクタ（還元剤供給部）
３０ エンジンコントロールユニット（窒素酸化物吸蔵量推定部、パージ制御部、昇温制御部）

Claims (5)

1. エンジンの排気通路に設けられ、排気中の窒素酸化物を吸蔵する窒素酸化物吸蔵還元触媒と、
   前記窒素酸化物吸蔵還元触媒の下流側の前記排気通路に設けられ、還元剤を用いて窒素酸化物を還元除去する選択還元触媒と、
   前記選択還元触媒に前記還元剤を供給する還元剤供給部と、
   前記窒素酸化物吸蔵還元触媒の窒素酸化物吸蔵量を推定する窒素酸化物吸蔵量推定部と、
   前記窒素酸化物吸蔵量が所定の第１の吸蔵量より大きい第２の吸蔵量より大きくなった状態で、所定のパージ条件が成立した場合には、排気の空燃比をストイキまたはリッチにして、前記窒素酸化物吸蔵還元触媒に吸蔵した前記窒素酸化物を還元するパージ制御を実行するパージ制御部と、
   前記窒素酸化物吸蔵量が前記第１の吸蔵量より大きい第２の吸蔵量より大きくなった状態で、前記パージ条件が成立しない場合には、排気の空燃比をリーンにした状態で、前記還元剤供給部により前記還元剤を供給して前記選択還元触媒に対する前記還元剤の供給と前記選択還元触媒の温度を所定温度以上に上昇させる昇温制御を実行する昇温制御部と、
   を備えることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
2. 前記パージ制御部は、前記昇温制御を実行中に前記パージ条件が成立した際には、前記昇温制御から前記パージ制御に強制的に切換えることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
3. 前記昇温制御は、前記エンジンの吸気量の絞り及び前記エンジンの燃料噴射量の増加の少なくともいずれか一方により行われることを特徴とする請求項１または２に記載のエンジンの排気浄化装置。
4. 前記還元剤供給部は、前記選択還元触媒の上流側の前記排気通路に尿素水溶液を供給して、当該尿素水溶液が加水分解して得られるアンモニアを前記選択還元触媒に供給することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
5. 前記エンジンの負荷が所定値以上である場合には、前記窒素酸化物吸蔵量に拘わらず、前記昇温制御を実行することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。

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