JP2010270616A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】NOx浄化率の低下及びアンモニアスリップの発生を抑制可能な内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】NOx吸着触媒25と、NOx触媒35と、還元剤供給手段としての尿素水添加弁70と加熱手段としてのバーナー60とを有し、バーナー60によりNOx触媒35の床温をNOx浄化率を相対的に高めるための所定温度域に昇温させる昇温処理を実行するに際して、昇温処理に伴って第1の温度域から第2の温度域へ向けて昇温されるNOx吸着触媒35から放出され得るNOxの最大放出量を浄化するのに必要な還元剤を最大供給量として、最大供給量を超えない範囲の還元剤をNOx触媒35に昇温処理を終了するまでに供給する。
【選択図】図1
【解決手段】NOx吸着触媒25と、NOx触媒35と、還元剤供給手段としての尿素水添加弁70と加熱手段としてのバーナー60とを有し、バーナー60によりNOx触媒35の床温をNOx浄化率を相対的に高めるための所定温度域に昇温させる昇温処理を実行するに際して、昇温処理に伴って第1の温度域から第2の温度域へ向けて昇温されるNOx吸着触媒35から放出され得るNOxの最大放出量を浄化するのに必要な還元剤を最大供給量として、最大供給量を超えない範囲の還元剤をNOx触媒35に昇温処理を終了するまでに供給する。
【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、特許文献1は、排気通路に設けられたNOxを吸着するNOx吸着触媒(酸化触媒)と、この酸化触媒の下流側に設けられたアンモニアを還元剤としてNOxを選択的に還元して浄化するNOx触媒とを有するものを開示している。この排気浄化装置では、NOxおよびアンモニアの大気への放出を抑制するために、酸化触媒のNOx吸着量に応じて還元剤の供給量を調整する。特に、酸化触媒のNOx吸着量が飽和吸着量に近づくと、NOxの大気中への放出を防ぐために、NOx触媒のアンモニア吸着量を予め高めに維持し、酸化触媒の温度上昇によるNOxの放出量の一時的増加に備える技術を開示している。
ところで、酸化触媒の床温の上昇と共に、NOx触媒の床温も上昇する。NOx触媒の床温が上昇すると、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する。このため、NOx触媒のアンモニア吸着量を予め高めに設定しておくと、床温の上昇によりアンモニアが大気中に放出される可能性がある。
本発明の目的は、NOx浄化率の低下及びアンモニアスリップの発生を抑制可能な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、排気ガスに含まれるNOxをその床温に応じた飽和NOx吸着量まで吸着保持可能なNOx吸着触媒と、前記NOx吸着触媒の下流側に設けられ、供給される還元剤を吸着する機能を有するとともに、前記還元剤に基づいて前記NOx吸着触媒からのNOxを選択的に還元して浄化するNOx触媒と、前記NOx触媒に還元剤を供給する前記還元剤供給手段と、前記NOx吸着触媒およびNOx触媒に導入される排気ガスを加熱して前記NOx吸着触媒およびNOx触媒を共に昇温可能な加熱手段と、を有し、前記加熱手段により前記NOx触媒の床温をNOx浄化率を相対的に高めるための所定温度域に昇温させる昇温処理を実行するに際して、前記昇温処理に伴って第1の温度域から第2の温度域へ向けて昇温される前記NOx吸着触媒から放出され得るNOxの最大放出量を浄化するのに必要な還元剤を最大供給量として、前記最大供給量を超えない範囲の前記還元剤を前記NOx触媒に前記昇温処理を終了するまでに供給する、ことを特徴とする。
この構成によれば、NOx吸着触媒の床温に応じた吸着特性が既知であるので、昇温処理に際して、NOx吸着触媒は第1の温度域から第2の温度域に向けて昇温されたときのNOx吸着触媒から放出されるNOx量の最大放出量を確定できる。この最大量のNOxの浄化に必要な最大供給量を超えない範囲で還元剤を供給することにより、還元剤のスリップを抑制できる。
この構成によれば、NOx吸着触媒の床温に応じた吸着特性が既知であるので、昇温処理に際して、NOx吸着触媒は第1の温度域から第2の温度域に向けて昇温されたときのNOx吸着触媒から放出されるNOx量の最大放出量を確定できる。この最大量のNOxの浄化に必要な最大供給量を超えない範囲で還元剤を供給することにより、還元剤のスリップを抑制できる。
上記構成において、前記所定温度域は、前記NOx触媒が活性化する温度域である、構成を採用できる。
この構成によれば、NOx吸着触媒から放出されたNOxを効率良く浄化できる。
この構成によれば、NOx吸着触媒から放出されたNOxを効率良く浄化できる。
上記構成において、前記第1の温度域における前記NOx吸着触媒のNOx吸着量の推定値に応じて前記昇温処理により前記NOx吸着触媒から放出され得るNOxを浄化するのに必要な量の還元剤を供給する、構成を採用できる。
上記構成において、前記還元剤を前記昇温処理前に供給して前記NOx触媒に吸着させておく、構成を採用できる。
上記構成において、前記所定温度域における前記NOx触媒の飽和還元剤吸着量を超えない量の還元剤を前記昇温処理前に供給し、NOx浄化のための不足分の前記還元剤を前記昇温処理の開始後に供給する、構成を採用できる。
この構成によれば、昇温前にNOx触媒に吸着された還元剤の量が所定温度域における飽和還元剤吸着量を超えないため、還元剤のスリップを確実に防ぐことができる。また、昇温処理を開始後は、NOx触媒に吸着された還元剤は消費されるので、不足分の還元剤を供給したとしても、還元剤のスリップの発生を防ぐことができる。
この構成によれば、昇温前にNOx触媒に吸着された還元剤の量が所定温度域における飽和還元剤吸着量を超えないため、還元剤のスリップを確実に防ぐことができる。また、昇温処理を開始後は、NOx触媒に吸着された還元剤は消費されるので、不足分の還元剤を供給したとしても、還元剤のスリップの発生を防ぐことができる。
本発明によれば、NOx浄化率の低下及びアンモニアスリップの発生を抑制可能となる。
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。
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、DPF(ディーゼル・パティキュレート・フィルタ)30、NOx触媒35の床温を上昇させるのに用いられる。
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。
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、DPF(ディーゼル・パティキュレート・フィルタ)30、NOx触媒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、DPF30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吸着触媒25の入口、出口とNOx触媒35の入口にそれぞれ窒素酸化物の濃度を検出するNOxセンサ95A,95B,95Cが設けられている。また、DPF30の入口と出口には、それぞれ、排気温度センサ90A,90Bが設けられている。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還元剤供給手段としての尿素水添加弁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。
NOx吸着触媒25は、ゼオライト等の吸着触媒から構成され、排気ガスEGに含まれるNOxを吸着する。なお、NOx吸着触媒25の吸着可能な最大のNOx吸着量である飽和NOx吸着量は、後述するように、その床温に応じて変化する。この特性を利用して、NOx吸着触媒25の床温を変化させて飽和NOx吸着量を変化させることにより、吸着されたNOxをパージ可能に構成されている。
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60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。
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(以下、SCR触媒ともいう。)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還元剤としての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、尿素水の代わりに、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、90B、NOxセンサ95A〜95cなどからの信号に基づいて、尿素水添加弁70からの尿素水の添加量の制御や、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の床温の制御を実行する。
次に、ECU100による昇温処理の一例について図2ないし図5を参照して説明する。
まず、バーナー60を起動してNOx吸着触媒25の床温を活性温度域(第1の温度域)Ta(℃)に達するまで昇温させる(ステップS1)。ここで、NOx吸着触媒25は、図4に示すように、NOxの最大吸着量である飽和NOx吸着量がその床温に応じて変化する。具体的には、NOx吸着触媒25は、冷間始動時等の低温状態から温度が上昇していくと、温度域Taで飽和NOx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。このため、NOx吸着量を最大化するためにNOx吸着触媒25の床温を温度域Taに制御する。
まず、バーナー60を起動してNOx吸着触媒25の床温を活性温度域(第1の温度域)Ta(℃)に達するまで昇温させる(ステップS1)。ここで、NOx吸着触媒25は、図4に示すように、NOxの最大吸着量である飽和NOx吸着量がその床温に応じて変化する。具体的には、NOx吸着触媒25は、冷間始動時等の低温状態から温度が上昇していくと、温度域Taで飽和NOx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。このため、NOx吸着量を最大化するためにNOx吸着触媒25の床温を温度域Taに制御する。
NOx吸着触媒25の床温が温度域Taに向かって上昇していくと、図3に示すように、NOx吸着触媒25に吸着されるNOx吸着量も増大する。また、NOx吸着触媒25の昇温に伴って、NOx触媒の床温(SCR床温)も上昇していく。
ここで、NOx触媒35は、図5に示すように、アンモニアの最大吸着量である飽和アンモニア吸着量がその床温に応じて変化する。具体的には、NOx触媒35は、冷間始動時等の低温状態から温度が上昇していくと、温度域T1で飽和アンモニア吸着量が最大となり、その後の温度上昇に従って飽和アンモニア吸着量が減少していく。一方、NOx触媒35は、低温状態から床温の上昇に伴ってNOx浄化率が増大していき、温度域T1よりも高温の温度域T2で活性化した相対的に浄化率の高い状態となる。このため、NOxを浄化する際には、NOx触媒35の床温を温度域T2に制御する必要がある。
NOx触媒35の昇温制御をするには、先ず、SCR床温が所定温度域T0に達したかを判断する(ステップS2)。所定温度域T0は、図5に示すように、NOx触媒35が十分量のアンモニアを吸着可能な状態となる温度域である。
ステップS2において、SCR床温が所定温度域T0に達した場合には、尿素水(アンモニア)を供給する(ステップS3)。ここで、供給するアンモニア量は、NOx触媒35の昇温処理に伴って昇温されるNOx吸着触媒25から放出され得るNOxの最大放出量を浄化するのに必要なアンモニア量を最大供給量Amaxとして、この最大供給量Amaxを超えない範囲の量とする。具体的には、図4に示すように、NOx吸着触媒25の床温が温度域Ta及びTbにおける飽和NOx吸着量をγ及びβとしたとき、NOx触媒35の昇温処理により、NOx吸着触媒25の床温が温度域Taから温度域Tbへ上昇すると、放出される可能性のあるNOxの最大放出量Emaxは、β−γである。アンモニアの最大供給量Amaxは、最大放出量EmaxのNOxを浄化できる量である。
本実施形態では、図3に示すように、最大供給量Amaxのアンモニア(尿素水)を、アンモニアスリップが発生しないように、NOx触媒35の昇温処理を開始する前に一定量(単位時間当り)を添加する。
次いで、NOx触媒35の床温が所定温度域T1に達したかを判断する(ステップS4)。温度域T1は、図5に示すように、アンモニア吸着量が最大となる温度域である。アンモニアの吸着量を最大化する観点から、この温度域に達したところでNOx触媒35の昇温処理を開始する(ステップS6)。なお、所定温度域T1はこれに限定されるわけではなく、適宜設定可能である。ステップS4において、NOx触媒35の床温が所定温度域T1に達していない場合には、NOx触媒35の推定したNOx吸着量が閾値Nに達していないかを判断する(ステップS5)。閾値Nは、例えば、飽和NOx吸着量βに設定する。そして、NOx触媒35の床温が所定温度域T1に達していない場合であっても、NOx触媒35のアンモニア吸着量が飽和した場合には、NOx触媒35の昇温処理を開始する(ステップS6)。
NOx触媒35の床温を活性化させるための所定温度域T2に向けて上昇させると、図3に示すように、NOx吸着触媒25の床温も上昇し、第2の温度域としての温度域Tbに達する。NOx吸着触媒25の床温の上昇に伴い、NOx吸着触媒25の飽和NOx吸着量は、図4に示したように低下していく。このため、NOx吸着触媒25からNOxが放出され、NOx吸着触媒25のNOx吸着量も減少していく。また、NOx触媒35のアンモニア吸着量は、図5に示すように、NOx触媒35の昇温処理の開始と同時に減少していき、昇温処理中にアンモニア吸着量が増加することはない。このため、アンモニアスリップが発生しにくくなる。
上記実施形態では、NOx触媒35の昇温処理の開始前にNOx触媒35へ供給するアンモニアの量をNOxの最大放出量Emaxを浄化できる最大供給量Amaxとした。しかし、例えば、図6に示すように、NOx吸着触媒25の床温を温度域Taまで上昇した際に、実際のNOx吸着量Xが飽和NOx吸着量βに達していない場合も想定される。このような場合に、最大供給量Amaxのアンモニアを供給すると、アンモニアが過剰となる可能性がある。
このため、図7に示すように、NOx吸着触媒25に温度域Taにおいて吸着されている推定されるNOx吸着量Xに応じて、アンモニア供給量をAmに調整することも可能である。アンモニア供給量Amは、NOx吸着触媒25が温度域Taから温度域Tbまで昇温したときに放出されるNOx量(X−γ)を浄化するのに必要なアンモニアの量である。
次に、図8ないし図10を参照して本発明のさらに他の実施形態について説明する。
図8に示すように、NOx触媒35は床温に応じてアンモニア吸着量が変化する。例えば、床温が所定温度域T1およびT2におけるアンモニア吸着量をそれぞれA1およびA2とすると、床温が所定温度域T1からT2へ上昇すると、NOx触媒35からA1−A2に相当するアンモニアが放出される。このA1−A2に相当するアンモニアは、NOx浄化によってすべて消費されない場合には、残りがスリップして外部へ放出されてしまう。本実施形態では、NOx触媒35の床温の上昇に伴うアンモニアスリップを確実に防ぐために、所定温度域T2におけるNOx触媒25の飽和アンモニア吸着量A2を超えない量のアンモニアをNOx触媒35の昇温処理前に供給し、NOx浄化のための不足分のアンモニアを昇温処理の開始後に供給する。
図8に示すように、NOx触媒35は床温に応じてアンモニア吸着量が変化する。例えば、床温が所定温度域T1およびT2におけるアンモニア吸着量をそれぞれA1およびA2とすると、床温が所定温度域T1からT2へ上昇すると、NOx触媒35からA1−A2に相当するアンモニアが放出される。このA1−A2に相当するアンモニアは、NOx浄化によってすべて消費されない場合には、残りがスリップして外部へ放出されてしまう。本実施形態では、NOx触媒35の床温の上昇に伴うアンモニアスリップを確実に防ぐために、所定温度域T2におけるNOx触媒25の飽和アンモニア吸着量A2を超えない量のアンモニアをNOx触媒35の昇温処理前に供給し、NOx浄化のための不足分のアンモニアを昇温処理の開始後に供給する。
図9は、ECU100による処理の一例を示すフローチャートである。
先ず、ステップS11及びS12は、図2で説明したステップS1及びS2と同様である。
先ず、ステップS11及びS12は、図2で説明したステップS1及びS2と同様である。
NOx触媒35の床温が所定温度域T0を超えた場合には、NOx触媒35へアンモニア(尿素水)の添加を開始する(ステップS13)。そして、アンモニア添加量Aが所定温度域T2の飽和アンモニア吸着量A2に達したかを判断する(ステップS14)。アンモニア添加量Aが飽和アンモニア吸着量A2に達した場合には、アンモニアの添加を停止する(ステップS15)。これにより、図10に示すように、NOx触媒35に飽和アンモニア吸着量A2のアンモニアが吸着される。
次いで、NOx触媒35の床温が所定温度域T1に達したかを判断する(ステップS16)。温度域T1は、図8に示した温度域である。この温度域に達したところでNOx触媒35の昇温処理を開始する(ステップS18)。ステップS16において、NOx触媒35の床温が所定温度域T1に達していない場合には、NOx触媒35の推定したNOx吸着量が閾値Nに達していないかを判断する(ステップS17)。閾値Nは、例えば、温度域T1における飽和NOx吸着量に設定する。そして、NOx触媒35の床温が所定温度域T1に達していない場合であっても、NOx触媒35のアンモニア吸着量が飽和した場合には、NOx触媒35の昇温処理を開始する(ステップS18)。
NOx触媒35の床温を活性化する温度域Tbに向けて開始すると、図10に示すように、NOx触媒35のアンモニア吸着量がNOx浄化のために消費されて減少していく。これと同時に、NOx浄化に必要な不足分のアンモニア(A1−A2)を添加する(ステップS19)。なお、不足分のアンモニア(A1−A2)は、NOx触媒35の床温が所定温度域Tbに達するまでにすべて添加する。
NOx触媒35の昇温処理前に所定温度域T2の飽和アンモニア吸着量A2を超えない量のアンモニアを予め添加し、NOx触媒35が活性化されてNOx浄化が開始された後に不足分のアンモニア(A1−A2)を添加することにより、NOx触媒35の昇温に起因するアンモニアスリップを確実に抑制できる。
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、排気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,90B…排気温度センサ
95A〜95c…NOxセンサ
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,90B…排気温度センサ
95A〜95c…NOxセンサ
Claims (5)
- 内燃機関の排気通路に設けられ、排気ガスに含まれるNOxをその床温に応じた飽和NOx吸着量まで吸着保持可能なNOx吸着触媒と、
前記NOx吸着触媒の下流側に設けられ、供給される還元剤を吸着する機能を有するとともに、前記還元剤に基づいて前記NOx吸着触媒からのNOxを選択的に還元して浄化するNOx触媒と、
前記NOx触媒に還元剤を供給する前記還元剤供給手段と、
前記NOx吸着触媒およびNOx触媒に導入される排気ガスを加熱して前記NOx吸着触媒およびNOx触媒を共に昇温可能な加熱手段と、を有し、
前記加熱手段により前記NOx触媒の床温をNOx浄化率を相対的に高めるための所定温度域に昇温させる昇温処理を実行するに際して、前記昇温処理に伴って第1の温度域から第2の温度域へ向けて昇温される前記NOx吸着触媒から放出され得るNOxの最大放出量を浄化するのに必要な還元剤を最大供給量として、前記最大供給量を超えない範囲の前記還元剤を前記NOx触媒に前記昇温処理を終了するまでに供給する、
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 前記所定温度域は、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に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記第1の温度域における前記NOx吸着触媒のNOx吸着量の推定値に応じて前記昇温処理により前記NOx吸着触媒から放出され得るNOxを浄化するのに必要な量の還元剤を供給する、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。
- 前記還元剤を前記昇温処理前に供給して前記NOx触媒に吸着させておく、ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記所定温度域における前記NOx触媒の飽和還元剤吸着量を超えない量の還元剤を前記昇温処理前に供給し、NOx浄化のための不足分の前記還元剤を前記昇温処理の開始後に供給する、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。
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2009
- 2009-05-19 JP JP2009121102A patent/JP2010270616A/ja active Pending
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