JP2013151861A - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents
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Abstract
【課題】内燃機関からのNOx排出量が急激に増加しても、このNOxがシステム外へ排出するのを防止できる内燃機関の排気浄化システムを提供すること。
【解決手段】排気浄化システム2は、排気管3内にプラズマを生成するプラズマリアクタ8と、プラズマリアクタ8への供給電力量を制御するECU5と、HCを還元剤として排気中のNOxを還元するHC−SCR触媒34と、NH3を吸着するとともに、NH3を還元剤として排気中のNOxを還元するNH3−SCR触媒35と、触媒34と触媒35との間の排気中のNH3濃度を検出するNH3センサ37と、を備える。ECU5は、NH3センサの出力値に基づいて推定されたNH3吸着量がNH3目標吸着量より小さい場合には、プラズマリアクタ8に電力を供給するとともに、その供給電力量をNH3センサの出力値に応じて増減する。
【選択図】図1
【解決手段】排気浄化システム2は、排気管3内にプラズマを生成するプラズマリアクタ8と、プラズマリアクタ8への供給電力量を制御するECU5と、HCを還元剤として排気中のNOxを還元するHC−SCR触媒34と、NH3を吸着するとともに、NH3を還元剤として排気中のNOxを還元するNH3−SCR触媒35と、触媒34と触媒35との間の排気中のNH3濃度を検出するNH3センサ37と、を備える。ECU5は、NH3センサの出力値に基づいて推定されたNH3吸着量がNH3目標吸着量より小さい場合には、プラズマリアクタ8に電力を供給するとともに、その供給電力量をNH3センサの出力値に応じて増減する。
【選択図】図1
Description
本発明は、内燃機関の排気浄化システムに関する。より詳しくは、排気を浄化するためにプラズマ発生装置を利用した内燃機関の排気浄化システムに関する。
内燃機関の排気を浄化する排気浄化システムには、プラズマ発生装置を利用した技術が数多く提案されている。プラズマ発生装置で排気通路内にプラズマを発生させると、排気に含まれるHCやNOxなどの成分が変化することから、プラズマ発生装置は、様々な排気浄化触媒と組み合わせることにより、排気の浄化を促進するために用いられることが多い。
例えば特許文献1には、Ag/Al2O3触媒を備える第1浄化器9と、Ag/ゼオライト触媒を備える第2浄化器10とを排気通路に備えた排気浄化システムにおいて、第1浄化器9の上流側にプラズマ発生装置6を設けた技術が提案されている。
次に、例えば特許文献2には、HC、CO、H2などの還元性成分によって排気中のNOxを還元する触媒装置32とプラズマ発生装置12とを組み合わせた技術が開示されている。この技術では、触媒装置32で必要とされる還元性成分が供給されるように、運転状態に応じてプラズマ発生装置12への供給電力量が制御される。
また、例えば特許文献3には、放電リアクタに流入する排気のHC/NOx比を調整することにより、放電リアクタにおけるNOからNO2への転化を調整し、放電リアクタの下流側に設けられた浄化触媒のNOx浄化を促進する技術が開示されている。
次に、例えば特許文献2には、HC、CO、H2などの還元性成分によって排気中のNOxを還元する触媒装置32とプラズマ発生装置12とを組み合わせた技術が開示されている。この技術では、触媒装置32で必要とされる還元性成分が供給されるように、運転状態に応じてプラズマ発生装置12への供給電力量が制御される。
また、例えば特許文献3には、放電リアクタに流入する排気のHC/NOx比を調整することにより、放電リアクタにおけるNOからNO2への転化を調整し、放電リアクタの下流側に設けられた浄化触媒のNOx浄化を促進する技術が開示されている。
しかしながら、従来の技術では制御遅れが大きく、急激な運転状態の変化により内燃機関から多量のNOxが排出された場合には、十分に対応しきれずにNOxが排出されてしまう場合がある。ここで制御遅れとは、上記特許文献2の技術を例にとれば、触媒装置32に流入する排気の還元成分を調整すべくプラズマ発生装置12への供給電力量の制御を開始してから、これが実際に触媒装置32におけるNOxの還元性能に反映されるまでの遅れをいう。
本発明は、プラズマ生成装置を備えた排気浄化システムであって、内燃機関からのNOx排出量が急激に増加しても、このNOxがシステム外へ排出するのを防止できる内燃機関の排気浄化システムを提供することを目的とする。
(1)上記目的を達成するため本発明は、内燃機関(例えば、後述のエンジン1)の排気通路(例えば、後述の排気管3)に設けられ、電力が供給されると前記排気通路内にプラズマを生成するプラズマ生成装置(例えば、後述のプラズマリアクタ8)と、前記プラズマ生成装置への供給電力量を制御する制御装置(例えば、後述のECU5)と、を備えた内燃機関の排気浄化システム(例えば、後述の排気浄化システム2)を提供する。前記排気浄化システム2は、前記プラズマ生成装置より下流側に設けられ、HCを還元剤として排気中のNOxを還元するHC選択還元触媒(例えば、後述のHC−SCR触媒34)と、前記HC選択還元触媒より下流側に設けられ、NH3を吸着するとともに、当該NH3を還元剤として排気中のNOxを還元するNH3選択還元触媒(例えば、後述のNH3−SCR触媒35)と、前記HC選択還元触媒と前記NH3選択還元触媒との間の排気中のNH3濃度を検出するNH3センサ(例えば、後述のNH3センサ37)と、を備え、前記制御装置は、前記NH3センサの出力値に基づいて推定された前記NH3選択還元触媒のNH3吸着量(例えば、後述のNH3吸着量)が所定の目標吸着量(例えば、後述のNH3目標吸着量)より小さい場合には、前記プラズマ生成装置に電力を供給するとともに、その供給電力量を前記NH3センサの出力値に応じて増減する(例えば、後述の図12のS6−S14参照)ことを特徴とする。
(1)の発明では、排気通路にプラズマ生成装置、HC選択還元触媒、NH3センサ、およびNH3選択還元触媒を、上流側からこの順で設ける。プラズマ生成装置でプラズマを生成すると、排気中のHCからより高活性のアセトアルデヒド(CH3CHO)が生成され、より下流側のHC選択還元触媒ではアセトアルデヒドからNH3が生成される。さらに下流側のNH3選択還元触媒では、生成されたNH3が還元剤としてNOxの還元に消費されるか、あるいはNOxの還元に消費されることなく吸着される。
また、制御装置によりプラズマ生成装置への供給電力量を制御することで、アセトアルデヒドの生成量、ひいてはNH3の生成量を調整することができる。特にここで、NH3センサの出力値に基づいてNH3選択還元触媒のNH3吸着量を推定し、これが目標吸着量より小さい場合には、NH3センサの出力値に応じて供給電力量を増減することにより、NH3選択還元触媒におけるNH3吸着量を、NH3スリップが生じない程度に高く維持することができる。
NH3選択還元触媒に吸着されたNH3は、流入するNOxの還元に適宜消費されることから、本発明のようにNH3吸着量をNH3スリップが生じない程度に高く維持することにより、内燃機関の運転状態の急激な変化により多量のNOxが排出された場合であっても、このNOxがシステム外へ排出されないように、吸着されたNH3を利用してNH3選択還元触媒で還元することができる。
また、以上のように排気中のHCから最終的にNH3を生成し、これをNH3選択還元触媒におけるNOxの還元に利用することにより、システム全体のNOx浄化率を向上できるとともに、HCの排出を防止できる。
また、(1)の発明によれば、プラズマ生成装置への供給電力量を制御することで還元剤としてのNH3の生成量を調整できるので、還元剤の量を調整するためのみによって、燃料噴射量や点火時期などの内燃機関の運転条件を最適な条件から変更する必要がない。
また、制御装置によりプラズマ生成装置への供給電力量を制御することで、アセトアルデヒドの生成量、ひいてはNH3の生成量を調整することができる。特にここで、NH3センサの出力値に基づいてNH3選択還元触媒のNH3吸着量を推定し、これが目標吸着量より小さい場合には、NH3センサの出力値に応じて供給電力量を増減することにより、NH3選択還元触媒におけるNH3吸着量を、NH3スリップが生じない程度に高く維持することができる。
NH3選択還元触媒に吸着されたNH3は、流入するNOxの還元に適宜消費されることから、本発明のようにNH3吸着量をNH3スリップが生じない程度に高く維持することにより、内燃機関の運転状態の急激な変化により多量のNOxが排出された場合であっても、このNOxがシステム外へ排出されないように、吸着されたNH3を利用してNH3選択還元触媒で還元することができる。
また、以上のように排気中のHCから最終的にNH3を生成し、これをNH3選択還元触媒におけるNOxの還元に利用することにより、システム全体のNOx浄化率を向上できるとともに、HCの排出を防止できる。
また、(1)の発明によれば、プラズマ生成装置への供給電力量を制御することで還元剤としてのNH3の生成量を調整できるので、還元剤の量を調整するためのみによって、燃料噴射量や点火時期などの内燃機関の運転条件を最適な条件から変更する必要がない。
(2)この場合、前記制御装置は、前記NH3吸着量が前記目標吸着量以上である場合には、前記プラズマ生成装置への電力の供給を停止する(例えば、後述の図12のS5参照)ことが好ましい。
(2)の発明では、NH3吸着量が目標吸着量以上である場合に、プラズマ生成装置への電力の供給を停止することにより、NH3吸着量が限界吸着量を超えてしまい、NH3スリップが生じるのを抑制することができる。
(3)この場合、前記制御装置は、前記NH3吸着量が前記目標吸着量より小さくかつ前記NH3センサの出力値が所定の上限値以上である場合には、前記プラズマ生成装置への供給電力量を低減するか又は前記内燃機関からのHC排出量を低減する(例えば、後述の図12のS12−S14参照)ことが好ましい。
(3)の発明では、NH3センサの出力値が所定の上限値以上である場合に、プラズマ生成装置への供給電力量を低減するか又はHC排出量を低減することにより、NH3選択還元触媒に流入するNH3を低減し、ひいてはNH3吸着量が過剰に上昇し、NH3スリップが生じるのを防止できる。
(4)この場合、前記制御装置は、前記NH3吸着量が前記目標吸着量より小さくかつ前記NH3センサの出力値が所定の下限値より小さい場合には、前記プラズマ生成装置への供給電力量を増加するか又は前記内燃機関からのHC排出量を増加する(例えば、後述の図12のS9−S11参照)ことが好ましい。
(4)の発明では、NH3センサの出力値が所定の下限値より小さい場合に、プラズマ生成装置への供給電力量を増加するか又はHC排出量を増加することにより、NH3選択還元触媒に流入するNH3を増加し、ひいてはNH3吸着量が過剰に低下し、NOx浄化率が低下するのを防止できる。
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
図1は、本実施形態に係る内燃機関(以下、「エンジン」という)1と、その排気を浄化する排気浄化システム2の構成を示す模式図である。
図1は、本実施形態に係る内燃機関(以下、「エンジン」という)1と、その排気を浄化する排気浄化システム2の構成を示す模式図である。
エンジン1の排気浄化システム2は、エンジン1の排気管3に設けられたプラズマリアクタ8と、プラズマリアクタ8の下流側に設けられたHC−選択還元触媒34と、HC選択還元触媒34の下流側に設けられたNH3選択還元触媒35と、エンジン1およびプラズマリアクタ8を制御する電子制御ユニット(以下、「ECU」という)と、を含んで構成される。
エンジン1は、リーンバーン運転方式のガソリンエンジン又はディーゼルエンジンであり、図示しない車両に駆動源として搭載されている。エンジン1の燃料噴射弁(図示せず)はECU5に接続されており、燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期などはECU5によって制御される。
以下、排気管3に設けられたプラズマリアクタ8、HC選択還元触媒(以下、「HC−SCR(Selective Catalytic Reduction)触媒」という)34、およびNH3選択還元触媒(以下、「NH3−SCR触媒」という)の詳細な構成について順に説明する。
図2は、プラズマリアクタ8の概略構成を示す斜視図である。図3は、プラズマリアクタ8の断面図である。
プラズマリアクタ8は、排気管3内に収容された複数の円筒状のプラズマ放電ユニット81と、これら複数の放電ユニット81によりプラズマを発生させるための高圧電源82と、高圧電源82の電力を放電ユニット81に供給する第1給電プラグ83aおよび第2給電プラグ83bと、給電プラグ83a,83bと複数の放電ユニット81とを電気的に接続する第1接続部材84aおよび第2接続部材84bと、を含んで構成される。このプラズマリアクタ8は、図2においては紙面手前側から奥へ向けて、図3においては左から右へ向けて排気が流通するように、排気管3内に組み込まれる。
プラズマリアクタ8は、排気管3内に収容された複数の円筒状のプラズマ放電ユニット81と、これら複数の放電ユニット81によりプラズマを発生させるための高圧電源82と、高圧電源82の電力を放電ユニット81に供給する第1給電プラグ83aおよび第2給電プラグ83bと、給電プラグ83a,83bと複数の放電ユニット81とを電気的に接続する第1接続部材84aおよび第2接続部材84bと、を含んで構成される。このプラズマリアクタ8は、図2においては紙面手前側から奥へ向けて、図3においては左から右へ向けて排気が流通するように、排気管3内に組み込まれる。
各放電ユニット81は、排気の流通方向に沿って設けられた円筒状の外周電極81aと、電極811の中心に同軸に設けられた線状又は棒状の内部電極81bとの電極対によって構成される。
排気管3のうち、放電ユニット81よりも上流側には図示しない第1プラグホールが形成された第1プラグ取付部31aが設けられ、放電ユニット81よりも下流側には図示しない第2プラグホールが形成された第2プラグ取付部31bが設けられている。給電プラグ83a,83bは、これらプラグ取付部31a,31bのプラグホール内に螺合することにより、各々の先端部が排気管3内の放電ユニット81の上流側および下流側に臨むように、鉛直方向に沿って排気管3に装着される。
図3に示すように、第1接続部材84aは、放電ユニット81の上流側に設けられ、各放電ユニット81の内部電極81bの上流側の端部と第1給電プラグ83aとを電気的に接続する。第2接続部材84bは、放電ユニット81の下流側に設けられ、各放電ユニット81の内部電極81bの下流側の端部と第2給電プラグ83bとを電気的に接続する。
高圧電源82は、磁気スイッチを備えた高圧パルス電源である。高圧電源82はECU5に接続されており(図1参照)、放電ユニット81への供給電力量やパルス幅などはECU5によって制御される。
第1給電プラグ83aおよび第2給電プラグ83bは、ともに高圧電源82に並列に、すなわち高圧電源82の同電位極に接続され、各放電ユニット81の外周電極81aは接地される。すなわち、本実施形態のプラズマリアクタ8は、放電ユニット81の内部電極81bの両端を、接続部材84a,84bを介して2本の給電プラグ83a,83bで保持し、両側から高圧電源82の電力を供給する所謂両持ち式のものである。この両持ち式のプラズマリアクタ8によれば、放電ユニット81の上流側から下流側までプラズマの強度を均質にでき、かつプラズマの発生の時間差を小さくすることができる。また、2本の給電プラグ83a,83bで各内部電極81bを保持することにより、内部電極81bの位置を外周電極81aの中心に維持することができる。
図1に戻って、以上のように構成されたプラズマリアクタ8によれば、高圧電源82から電力を供給し、排気管3内にプラズマを生成することにより、排気中のHCをより高活性の還元剤であるアセトアルデヒド(CH3CHO)に変換するとともに、排気中のNOをNO2に酸化し、下流側に設けられたHC−SCR触媒34やNH3−SCR触媒35におけるNOxの還元を促進することができる。また、プラズマリアクタ8への供給電力量をさらに大きくすると、プラズマリアクタ8単体で排気中のHCやNOxをCO2やN2に直接分解することができる。したがって、例えば、下流側の触媒34,35が活性に達していないエンジン始動直後には、触媒34,35によらずプラズマリアクタ8単体でHCやNOxを浄化することができる。
次に、プラズマリアクタによるNOx浄化性能およびアセトアルデヒド生成能力について、本実施形態に係るプラズマリアクタ8と従来のプラズマリアクタとを比較して説明する。ここで、従来のプラズマリアクタとは、プラグ放電ユニットの内部電極を一方側のみを給電プラグで保持し、この一方側のみから電力を供給する所謂片持ち式のものを用い、高圧電源としてSIサイリスタを備えた高圧パルス電源を用いた例をいう。また、高圧電源のパルス幅は、本実施形態のプラズマリアクタは100[nsec]とし、従来のプラズマリアクタは250〜300[nsec]とした。
図4は、プラズマリアクタへの供給電力量[W]とそのNOx浄化率[%]との関係を示す図である。なお、図4のNOx浄化率とは、HC−SCR触媒やNH3−SCR触媒が活性する前の低温環境下におけるプラズマリアクタ単体のNOx浄化率を示す。また、図4に示す結果は、混合気の空燃比をストイキ近傍にしたストイキ燃焼時における排気のモデルガスを、プラズマリアクタに10[L/min]で供給して得られたものである。
図4に示すように、プラズマリアクタへの供給電力量を大きくすると、これに応じてNOx浄化率も高くなる。また、本実施形態のようにパルス幅を短くすることにより、従来のプラズマリアクタと比較してより少ない供給電力量で高いNOx浄化性能が得られる。
図4に示すように、プラズマリアクタへの供給電力量を大きくすると、これに応じてNOx浄化率も高くなる。また、本実施形態のようにパルス幅を短くすることにより、従来のプラズマリアクタと比較してより少ない供給電力量で高いNOx浄化性能が得られる。
図5は、プラズマリアクタへの供給電力量[W]とアセトアルデヒドの生成量[ppmC]との関係を示す図である。この図5に示す結果は、混合気の空燃比をストイキよりリーン側にしたリーン燃焼時における排気のモデルガスを20[L/min]で供給して得られたものである。なお、このモデルガスのHC濃度は、2200[ppmC]であった。
図5に示すように、プラズマリアクタへの供給電力量を大きくすると、これに応じてアセトアルデヒドの生成量も増加する。また、本実施形態のように、パルス幅を短くすることにより、より少ない供給電力量で効率的にアセトアルデヒドが生成される。また、従来のプラズマリアクタでは、供給電力量の増加に従いアセトアルデヒドの生成量は緩やかに大きくなるのに対し、本実施形態のプラズマリアクタによれば、供給電力量の小さな領域からアセトアルデヒドの生成量が鋭く立ち上がる。
図5に示すように、プラズマリアクタへの供給電力量を大きくすると、これに応じてアセトアルデヒドの生成量も増加する。また、本実施形態のように、パルス幅を短くすることにより、より少ない供給電力量で効率的にアセトアルデヒドが生成される。また、従来のプラズマリアクタでは、供給電力量の増加に従いアセトアルデヒドの生成量は緩やかに大きくなるのに対し、本実施形態のプラズマリアクタによれば、供給電力量の小さな領域からアセトアルデヒドの生成量が鋭く立ち上がる。
図1に戻って、HC−SCR触媒34は、プラズマリアクタ31より下流側に設けられ、排気中のHCやCH3CHOを還元剤として排気中のNOxを還元する。以下、詳細に説明するように、上記プラズマリアクタに電力を供給することで生成されたアセトアルデヒドから、後述のNH3−SCR触媒35における還元剤となるNH3を効率的に生成するため、HC−SCR触媒34の触媒材料にはAg/Al2O3を用いることが好ましい。
先ず、プラズマリアクタで生成されたアセトアルデヒド(CH3CHO)が流入すると、HC−SCR触媒34では、これを還元剤として下記式(1)に示す反応により、排気中のNO2を還元する反応が進行する。
2CH3CHO+4NO2+O2→4CO2+2N2+4H2O (1)
2CH3CHO+4NO2+O2→4CO2+2N2+4H2O (1)
このCH3CHOによるNO2の還元反応は、例えば、以下のような素反応に分解される。特に式(4)は、CH3NO2からNH3を生成する反応となっている。
CH3CHO+NO2→CH3COOH+NO (2)
CH3COOH+2NO2→CH3NO2+CO2+HNO2 (3)
CH3NO2→NH3+CO2 (4)
HNO2+NH3→NH4NO2 (5)
NH4NO2→N2+2H2O (6)
CH3CHO+NO2→CH3COOH+NO (2)
CH3COOH+2NO2→CH3NO2+CO2+HNO2 (3)
CH3NO2→NH3+CO2 (4)
HNO2+NH3→NH4NO2 (5)
NH4NO2→N2+2H2O (6)
ここで式(4)に示すように、NH3の生成にはCH3NO2が必要となっている。このCH3NO2は、図6に示すように、プラズマリアクタで生成されたアセトアルデヒドを、触媒材料として選定したアルミナ(Al2O3)に吸着させ、NO2の求核攻撃を進行させることにより生成することができる(式(2)および(3)参照)。
また、このようにNH3を生成するために必要な反応式(2)では、NOが生成されるところ、上記アルミナ上に高分散化したAgにより、生成されたNOをより反応性の高いNO2に再酸化することができる(図7参照)。すなわち、触媒材料としてAgを選定することにより、上記CH3NO2ひいてはNH3の生成に必要なNO2を再酸化して生成することができる。
以上のような理由から、NH3を効率的に生成するためにはHC−SCR触媒34の触媒材料として、Ag/Al2O3を用いることが好ましい。
また、このようにNH3を生成するために必要な反応式(2)では、NOが生成されるところ、上記アルミナ上に高分散化したAgにより、生成されたNOをより反応性の高いNO2に再酸化することができる(図7参照)。すなわち、触媒材料としてAgを選定することにより、上記CH3NO2ひいてはNH3の生成に必要なNO2を再酸化して生成することができる。
以上のような理由から、NH3を効率的に生成するためにはHC−SCR触媒34の触媒材料として、Ag/Al2O3を用いることが好ましい。
次に、HC−SCR触媒34の作成手順について説明する。
先ず、Ag/Al2O34質量%となるように、ベーマイト(Sasol社製)と硝酸銀(和光純薬社製)水溶液をイオン交換水に加え、減圧乾燥後200℃にて一晩に亘り乾燥する。その後、450℃で4時間焼成することにより、4質量%の触媒Ag/Al2O3を合成する。
次に、上記触媒、イオン交換水、アルミナボール、およびバインダ(例えば、日産化学アルミナゾル520)をアルミナ質量換算で、上記触媒に対し質量比で10%となるようにポリ瓶に加え、これを一晩攪拌しスラリーを作成する。
次に、例えば、1inch×6cmのCdハニカム構造体(400セル、3.5ミル)を準備し、これに触媒量200g/Lとなるようにスラリーを担持させた後、600℃で2時間に亘って焼成する。
先ず、Ag/Al2O34質量%となるように、ベーマイト(Sasol社製)と硝酸銀(和光純薬社製)水溶液をイオン交換水に加え、減圧乾燥後200℃にて一晩に亘り乾燥する。その後、450℃で4時間焼成することにより、4質量%の触媒Ag/Al2O3を合成する。
次に、上記触媒、イオン交換水、アルミナボール、およびバインダ(例えば、日産化学アルミナゾル520)をアルミナ質量換算で、上記触媒に対し質量比で10%となるようにポリ瓶に加え、これを一晩攪拌しスラリーを作成する。
次に、例えば、1inch×6cmのCdハニカム構造体(400セル、3.5ミル)を準備し、これに触媒量200g/Lとなるようにスラリーを担持させた後、600℃で2時間に亘って焼成する。
HC−SCR触媒34は、以上のような手順で作成されたものが用いられるが、本発明はこれに限るものではない。なお、後述の図8〜図11に示すデータは、以上のような手順で製造されたHC−SCR触媒34を用いて得られたものである。
図1に戻って、NH3−SCR触媒35は、HC−SCR触媒34の下流側に設けられ、上述のようにしてHC−SCR触媒34において生成されたNH3を還元剤として、排気中のNOxを還元する。NH3−SCR触媒35におけるNOxの還元反応の反応式は、例えば下記式(7)、(8)、(9)で示される。
NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O (7)
4NO+4NH3+O2→4N2+16H2O (8)
6NO2+8NH3→7N2+16H2O (9)
NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O (7)
4NO+4NH3+O2→4N2+16H2O (8)
6NO2+8NH3→7N2+16H2O (9)
NH3−SCR触媒35は、鉄ゼオライト又は銅ゼオライトを備えており、これにより流入したNH3又はNOxの還元に余剰となったNH3を所定の量だけ吸着する機能を有する。NH3−SCR触媒35に流入するNOx量が多くなったときには、NH3−SCR触媒35に吸着されたNH3が適宜消費される。このため、NH3−SCR触媒35のNOx浄化性能を高く維持するためには、そのNH3の吸着量をできるだけ高く維持することが好ましいといえる。
しかしながら、NH3−SCR触媒35におけるNH3の吸着量には限界がある。このため、限界吸着量を超えてNH3が流入すると、NOxの還元にも供されずまた吸着されなかったNH3が下流側へ排出されてしまう(NH3スリップ)。このため、NH3−SCR触媒35を備えたシステムでは、NOx浄化性能の向上とNH3スリップの抑制とを両立するには、NH3吸着量をその限界吸着量を超えない程度に大きく維持することが好ましい。
ECU5には、排気浄化システム2の状態を検出するためのセンサとして、NH3センサ37と排気温度センサ38とが接続されている。NH3センサ37は、排気管3のうち、HC−SCR触媒34とNH3−SCR触媒35との間の排気中のNH3濃度を検出し、検出値に略比例した信号をECU5に送信する。排気温度センサ38は、排気管3のうち、NH3−SCR触媒35の下流側の排気温度を検出し、検出値に略比例した信号をECU5に送信する。NH3−SCR触媒35の温度は、排気温度センサ38からの出力値に基づいてECU5により算出される。
この他、ECU5には、エンジン1の運転状態を検出するためのセンサとして、クランクシャフトの回転角度を検出するクランク角度位置センサ(図示せず)やアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ(図示せず)などが接続されている。エンジン回転速度や要求トルクなどエンジン1の運転状態を示すパラメータは、これらセンサからの出力値に基づいて、ECU5により算出される。
プラズマリアクタ8、HC−SCR触媒34、およびNH3−SCR触媒35を上流側からこの順で排気管3内に設けられた排気浄化システム2では、主に以下の3つの態様(A)、(B)、(C)で排気中のNOxを浄化することが可能となっている。
(A)触媒34,35の活性前
先ず、触媒34,35が活性に達する前の低温環境下にある場合は、図4を参照して説明したように、プラズマリアクタ8に比較的大きな電力を供給することにより、プラズマリアクタ8単体でNOxを還元することができる。
先ず、触媒34,35が活性に達する前の低温環境下にある場合は、図4を参照して説明したように、プラズマリアクタ8に比較的大きな電力を供給することにより、プラズマリアクタ8単体でNOxを還元することができる。
(B)プラズマリアクタOFF時
また、プラズマリアクタ8への電力の供給を停止している間は、HC−SCR触媒34では排気中のHCを還元剤としてNOxが還元され、またNH3−SCR触媒35では吸着されたNH3を還元剤としてNOxが還元される。
また、プラズマリアクタ8への電力の供給を停止している間は、HC−SCR触媒34では排気中のHCを還元剤としてNOxが還元され、またNH3−SCR触媒35では吸着されたNH3を還元剤としてNOxが還元される。
(C)プラズマリアクタON時
一方、プラズマリアクタ8に電力を供給している間は、HC−SCR触媒34にはプラズマリアクタ8により生成されたアセトアルデヒドが流入し、これによりHC−SCR触媒34ではNH3が生成される。このNH3はNH3−SCR触媒35に流入し、NH3−SCR触媒35では、流入したNH3や吸着されたNH3を還元剤として排気中のNOxが還元される。また、流入したNH3のうち、NOxの還元に余剰となったNH3は、NH3−SCR触媒35に吸着される。
一方、プラズマリアクタ8に電力を供給している間は、HC−SCR触媒34にはプラズマリアクタ8により生成されたアセトアルデヒドが流入し、これによりHC−SCR触媒34ではNH3が生成される。このNH3はNH3−SCR触媒35に流入し、NH3−SCR触媒35では、流入したNH3や吸着されたNH3を還元剤として排気中のNOxが還元される。また、流入したNH3のうち、NOxの還元に余剰となったNH3は、NH3−SCR触媒35に吸着される。
次に、上記(C)のプラズマリアクタON時における排気浄化システムの浄化性能について、リーン燃焼時の排気のモデルガスを利用して得られた試験結果(図8〜図11)を参照して具体的に説明する。
図8は、プラズマリアクタON時に生成されるアセトアルデヒドを含んだモデルガスの空間速度[h−1]を変化させたときにおける、HC−SCR触媒のNOx浄化率[%]とその温度[℃]との関係を示す図である。
図9は、プラズマリアクタON時に生成されるアセトアルデヒドを含んだモデルガスの空間速度を変化させたときにおける、HC−SCR触媒下流のNH3濃度[ppm](NH3センサの出力値)と、HC−SCR触媒の温度との関係を示す図である。なお、これら図8および図9では、モデルガスのアセトアルデヒド濃度は500[ppmC]とする。
図8は、プラズマリアクタON時に生成されるアセトアルデヒドを含んだモデルガスの空間速度[h−1]を変化させたときにおける、HC−SCR触媒のNOx浄化率[%]とその温度[℃]との関係を示す図である。
図9は、プラズマリアクタON時に生成されるアセトアルデヒドを含んだモデルガスの空間速度を変化させたときにおける、HC−SCR触媒下流のNH3濃度[ppm](NH3センサの出力値)と、HC−SCR触媒の温度との関係を示す図である。なお、これら図8および図9では、モデルガスのアセトアルデヒド濃度は500[ppmC]とする。
図10は、プラズマリアクタON時に生成されるアセトアルデヒドのHC−SCR触媒への流入量を変化させたときにおける、HC−SCR触媒のNOx浄化率とその温度との関係を示す図である。
図11は、プラズマリアクタON時に生成されるアセトアルデヒドのHC−SCR触媒への流入量を変化させたときにおける、HC−SCR触媒下流側のNH3濃度と、HC−SCR触媒の温度との関係を示す図である。モデルガスの温度およびプラズマリアクタへの供給電力量との関係を示す図である。なお、これら図10および図11では、モデルガスのアセトアルデヒド濃度を250[ppmC]と500[ppmC]にした場合を示す。また、これら図10および図11では、モデルガスの空間速度を20000[h−1]とした例を示す。
図11は、プラズマリアクタON時に生成されるアセトアルデヒドのHC−SCR触媒への流入量を変化させたときにおける、HC−SCR触媒下流側のNH3濃度と、HC−SCR触媒の温度との関係を示す図である。モデルガスの温度およびプラズマリアクタへの供給電力量との関係を示す図である。なお、これら図10および図11では、モデルガスのアセトアルデヒド濃度を250[ppmC]と500[ppmC]にした場合を示す。また、これら図10および図11では、モデルガスの空間速度を20000[h−1]とした例を示す。
図8に示すように、NOx浄化率は、HC−SCR触媒の温度を高くするに従い、また空間速度を低くするに従い高くなる。図9に示すように、NH3の生成量は、HC−SCR触媒の温度を高くするに従い、また空間速度を低くするに従い大きくなる。なお、図8のNOx浄化率は上述のようにNH3−SCR触媒の寄与は含まれていないが、NH3−SCR触媒を加えたシステム全体のNOx浄化率も図8とほぼ同じ傾向を示すものと考えられる。
また図10に示すように、例えばプラズマリアクタへの供給電力を大きくすることにより、プラズマリアクタによるアセトアルデヒドの生成量が増加すると(図5参照)、HC−SCR触媒によるNOx浄化率が向上する。これは、アセトアルデヒドがHC−SCR触媒において高活性の還元剤として作用するためであると考えられる。また、図11に示すように、プラズマリアクタへの供給電力量を大きくし、アセトアルデヒドの生成量を増加すると、HC−SCR触媒によるNH3生成量も増加する。なお、図10のNOx浄化率はNH3−SCR触媒の寄与は含まれていないが、HC−SCR触媒によるNH3生成量が増加するとNH3−SCR触媒によるNOx浄化率も向上するため、プラズマリアクタへの供給電力を大きくするとシステム全体のNOx浄化率も向上すると考えられる。
図12は、排気浄化システムにおけるプラズマリアクタの制御手順を示すフローチャートである。図12に示す処理は、ECUにおいて所定の演算周期で実行される。
S1では、NH3−SCR触媒の温度(以下、単に「触媒温度」という)に基づいてNH3目標吸着量を算出し、次ステップS2へ進む。このNH3目標吸着量とは、本処理におけるNH3−SCR触媒のNH3吸着量の目標値に相当し、例えば触媒温度に基づいてマップを検索することで算出される。
図13は、NH3目標吸着量を決定するマップの一例を示す図である。また、図13には、NH3−SCR触媒におけるNH3の限界吸着量を破線で示す。この図に示すように、NH3の限界吸着量は、触媒温度が高くなるに従い小さくなる。このような特性を示す限界吸着量に対し、NH3目標吸着量は、NH3−SCR触媒におけるNH3スリップが抑制されるように、限界吸着量よりもやや小さくかつ触媒温度が高くなるに従い小さくなるように設定される。
より具体的には、NH3−SCR触媒の暖機を判断する際の目安となる暖機判定温度(例えば150℃)を設定し、触媒温度が暖機判定温度より低い場合にはNH3目標吸着量は触媒温度によらずほぼ一定とし、触媒温度が暖機判定温度以上である場合にはNH3目標吸着量は温度が高くなるに従い小さくなるように設定される。
より具体的には、NH3−SCR触媒の暖機を判断する際の目安となる暖機判定温度(例えば150℃)を設定し、触媒温度が暖機判定温度より低い場合にはNH3目標吸着量は触媒温度によらずほぼ一定とし、触媒温度が暖機判定温度以上である場合にはNH3目標吸着量は温度が高くなるに従い小さくなるように設定される。
図12に戻って、S2では、触媒温度、エンジンの運転状態、およびNH3センサの出力値に基づいて、NH3−SCR触媒におけるNH3吸着量を算出し、次ステップS3に移る。より具体的には、このNH3吸着量は、下記式(10)により算出される。下記式(10)において、ΣNH3(k−1)は前回制御時におけるNH3吸着量であり、ΣNH3(k)は今回制御時におけるNH3吸着量を示す。
ΣNH3(k)←ΣNH3(k−1)+ΔNH3(k)−ΔdNH3(k) (10)
ΣNH3(k)←ΣNH3(k−1)+ΔNH3(k)−ΔdNH3(k) (10)
上記式(10)において、ΔNH3は、前回から今回までの間にNH3−SCR触媒に流入したNH3の量を示し、正の値である。この新規流入分ΔNH3は、NH3センサの出力値に基づいて図14に示すようなマップを検索することで算出される。図14に示すように、新規流入分ΔNH3は、NH3センサの出力値に比例して大きな値に設定される。
また、上記式(10)において、ΔdNH3は、前回制御時から今回制御時までの間にNH3−SCR触媒においてNOxの還元に消費されたNH3の量を示し、正の値である。この消費分ΔdNH3は、エンジンの運転状態を示すパラメータ(例えば、エンジン回転速度および要求トルクなど)と、NH3センサの出力値とに基づいて、予め定められたマップを検索することで算出される。より具体的には、消費分ΔdNH3は、エンジン回転速度又は要求トルクが大きくなるに従い、大きな値になるように設定される。また、NH3センサの出力値に対しては、消費分ΔdNH3は、NH3センサの出力値が小さくなるに従い大きな値になるように設定される。
S3では、触媒温度に基づいてNH3センサの出力値に対する上限値と下限値とを算出し、次ステップS4に移る。これら上限値および下限値は、本処理におけるNH3センサの出力値に対する目標範囲の上限と下限を定める値に相当し、例えば触媒温度に基づいて、図15に示すようなマップを検索することで算出される。
図12に戻って、S4では、NH3吸着量がNH3目標吸着量以上か否かを判定する。この判定がYESの場合、すなわち目標よりも多い量のNH3が吸着されていると推定される場合には、S5に移る。S5では、前回制御時においてプラズマリアクタへ電力を供給していた場合(ON時)には、これを停止することにより、HC−SCR触媒におけるNH3の生成を停止し、NH3−SCR触媒におけるNH3吸着量を減少側に転じさせ、NH3スリップを抑制する。
S4の判定がNOの場合、すなわちNH3吸着量がNH3目標吸着量に満たない場合には、S6に移る。S6では、前回制御時においてプラズマリアクタへの電力の供給を停止していた場合(OFF時)には、プラズマリアクタへの電力の供給を開始し、S7に移る。なお、プラズマリアクタへの供給電力量の初期値は、例えば、200Wとする。
S7では、NH3吸着量がNH3目標吸着量の近傍に維持されるようにプラズマリアクタへの供給電力量やエンジンからのHC排出量を、NH3センサの出力値に基づいて微調整すべく、NH3センサの出力値が、目標範囲内か、目標範囲の上限値より大きいか、あるいは目標範囲の下限値より小さいかを判定する。
S7の判定において、NH3センサの出力値が目標範囲内にあると判定された場合には、NH3吸着量の急激な上昇は無いと判断し、S8に移り、プラズマリアクタへの供給電力量を、前回制御時から維持する。すなわち、前回制御時においてプラズマリアクタへの供給電力量が例えば200Wであった場合には、これを増減することなく維持したままこの処理を終了する。
S7の判定において、NH3センサの出力値が目標範囲の上限値より大きいと判定された場合には、NH3吸着量が上記NH3目標吸着量を超えて急激に上昇するおそれがあると判断し、プラズマリアクタへの供給電力量を減少するか又はエンジンからのHC排出量を減少すべくS9に移る。
S9では、プラズマリアクタへの供給電力量が所定の下限値より小さいか否かを判定する。この判定がYESである場合には、プラズマリアクタへの供給電力量を低下することは適切でないと判断し、S10に移り、エンジンからのHC排出量を減少する。一方、S9の判定がNOである場合には、S11に移り、プラズマリアクタへの供給電力量を減少する。ここで、供給電力量の減少幅は、例えば−10Wとする。
S9では、プラズマリアクタへの供給電力量が所定の下限値より小さいか否かを判定する。この判定がYESである場合には、プラズマリアクタへの供給電力量を低下することは適切でないと判断し、S10に移り、エンジンからのHC排出量を減少する。一方、S9の判定がNOである場合には、S11に移り、プラズマリアクタへの供給電力量を減少する。ここで、供給電力量の減少幅は、例えば−10Wとする。
S7の判定において、NH3センサの出力値が目標範囲の下限値より小さいと判定された場合には、NH3吸着量が大きく減少するおそれがあると判断し、プラズマリアクタへの供給電力量を増加するか又はエンジンからのHC排出量を増加すべくS12に移る。
S12では、プラズマリアクタへの供給電力量が所定の上限値より大きいか否かを判定する。この判定がYESである場合には、プラズマリアクタへの供給電力量を増加することは適切でないと判断し、S13に移り、エンジンからのHC排出量を増加する。一方、S12の判定がNOである場合には、S14に移り、プラズマリアクタへの供給電力量を増加する。ここで、供給電力量の増加幅は、例えば+10Wとする。なお、S10およびS13におけるHC排出量の増減は、より具体的には、例えばエンジンの点火時期や燃料噴射時期を調整することにより行われる。
S12では、プラズマリアクタへの供給電力量が所定の上限値より大きいか否かを判定する。この判定がYESである場合には、プラズマリアクタへの供給電力量を増加することは適切でないと判断し、S13に移り、エンジンからのHC排出量を増加する。一方、S12の判定がNOである場合には、S14に移り、プラズマリアクタへの供給電力量を増加する。ここで、供給電力量の増加幅は、例えば+10Wとする。なお、S10およびS13におけるHC排出量の増減は、より具体的には、例えばエンジンの点火時期や燃料噴射時期を調整することにより行われる。
以上詳述した排気浄化システム2によれば、以下の効果を奏する。
(1)ECUによりプラズマリアクタへの供給電力量を制御することで、アセトアルデヒドの生成量、ひいてはNH3の生成量を調整することができる。特にここで、NH3センサの出力値に基づいてNH3−SCR触媒のNH3吸着量を推定し、これが目標吸着量より小さい場合には、NH3センサの出力値に応じて供給電力量を増減することにより、NH3−SCR触媒におけるNH3吸着量を、NH3スリップが生じない程度に高く維持することができる。
NH3−SCR触媒に吸着されたNH3は、流入するNOxの還元に適宜消費されることから、本実施形態のようにNH3吸着量をNH3スリップが生じない程度に高く維持することにより、エンジンの運転状態の急激な変化により多量のNOxが排出された場合であっても、このNOxがシステム外へ排出されないように、吸着されたNH3を利用してNH3−SCR触媒で還元することができる。
また、以上のように排気中のHCから最終的にNH3を生成し、これをNH3−SCR触媒におけるNOxの還元に利用することにより、システム全体のNOx浄化率を向上できるとともに、HCの排出を防止できる。
また、プラズマリアクタへの供給電力量を制御することで還元剤としてのNH3の生成量を調整できるので、還元剤の量を調整するためのみによって、燃料噴射量や点火時期などのエンジンの運転条件を最適な条件から変更する必要がない。
(1)ECUによりプラズマリアクタへの供給電力量を制御することで、アセトアルデヒドの生成量、ひいてはNH3の生成量を調整することができる。特にここで、NH3センサの出力値に基づいてNH3−SCR触媒のNH3吸着量を推定し、これが目標吸着量より小さい場合には、NH3センサの出力値に応じて供給電力量を増減することにより、NH3−SCR触媒におけるNH3吸着量を、NH3スリップが生じない程度に高く維持することができる。
NH3−SCR触媒に吸着されたNH3は、流入するNOxの還元に適宜消費されることから、本実施形態のようにNH3吸着量をNH3スリップが生じない程度に高く維持することにより、エンジンの運転状態の急激な変化により多量のNOxが排出された場合であっても、このNOxがシステム外へ排出されないように、吸着されたNH3を利用してNH3−SCR触媒で還元することができる。
また、以上のように排気中のHCから最終的にNH3を生成し、これをNH3−SCR触媒におけるNOxの還元に利用することにより、システム全体のNOx浄化率を向上できるとともに、HCの排出を防止できる。
また、プラズマリアクタへの供給電力量を制御することで還元剤としてのNH3の生成量を調整できるので、還元剤の量を調整するためのみによって、燃料噴射量や点火時期などのエンジンの運転条件を最適な条件から変更する必要がない。
(2)NH3吸着量が目標吸着量以上である場合に、プラズマリアクタへの電力の供給を停止することにより、NH3吸着量が限界吸着量を超えてしまい、NH3スリップが生じるのを抑制することができる。
(3)NH3センサの出力値が所定の上限値以上である場合に、プラズマリアクタへの供給電力量を低減するか又はHC排出量を低減することにより、NH3−SCR触媒に流入するNH3を低減し、ひいてはNH3吸着量が過剰に上昇し、NH3スリップが生じるのを抑制することができる。
(4)NH3センサの出力値が所定の下限値より小さい場合に、プラズマリアクタへの供給電力量を増加するか又はHC排出量を増加することにより、NH3−SCR触媒に流入するNH3を増加し、ひいてはNH3吸着量が過剰に低下し、NOx浄化率が低下するのを防止できる。
(3)NH3センサの出力値が所定の上限値以上である場合に、プラズマリアクタへの供給電力量を低減するか又はHC排出量を低減することにより、NH3−SCR触媒に流入するNH3を低減し、ひいてはNH3吸着量が過剰に上昇し、NH3スリップが生じるのを抑制することができる。
(4)NH3センサの出力値が所定の下限値より小さい場合に、プラズマリアクタへの供給電力量を増加するか又はHC排出量を増加することにより、NH3−SCR触媒に流入するNH3を増加し、ひいてはNH3吸着量が過剰に低下し、NOx浄化率が低下するのを防止できる。
1…エンジン(内燃機関)
2…排気浄化システム
3…排気管(排気通路)
34…HC−SCR触媒(HC選択還元触媒)
35…NH33−SCR触媒(NH3選択還元触媒)
37…NH3センサ
5…ECU(制御装置)
8…プラズマリアクタ
2…排気浄化システム
3…排気管(排気通路)
34…HC−SCR触媒(HC選択還元触媒)
35…NH33−SCR触媒(NH3選択還元触媒)
37…NH3センサ
5…ECU(制御装置)
8…プラズマリアクタ
Claims (4)
- 内燃機関の排気通路に設けられ、電力が供給されると前記排気通路内にプラズマを生成するプラズマ生成装置と、
前記プラズマ生成装置への供給電力量を制御する制御装置と、を備えた内燃機関の排気浄化システムであって、
前記プラズマ生成装置より下流側に設けられ、HCを還元剤として排気中のNOxを還元するHC選択還元触媒と、
前記HC選択還元触媒より下流側に設けられ、NH3を吸着するとともに、当該NH3を還元剤として排気中のNOxを還元するNH3選択還元触媒と、
前記HC選択還元触媒と前記NH3選択還元触媒との間の排気中のNH3濃度を検出するNH3センサと、を備え、
前記制御装置は、前記NH3センサの出力値に基づいて推定された前記NH3選択還元触媒のNH3吸着量が所定の目標吸着量より小さい場合には、前記プラズマ生成装置に電力を供給するとともに、その供給電力量を前記NH3センサの出力値に応じて増減することを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。 - 前記制御装置は、前記NH3吸着量が前記目標吸着量以上である場合には、前記プラズマ生成装置への電力の供給を停止す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システム。
- 前記制御装置は、前記NH3吸着量が前記目標吸着量より小さくかつ前記NH3センサの出力値が所定の上限値以上である場合には、前記プラズマ生成装置への供給電力量を低減するか又は前記内燃機関からのHC排出量を低減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システム。
- 前記制御装置は、前記NH3吸着量が前記目標吸着量より小さくかつ前記NH3センサの出力値が所定の下限値より小さい場合には、前記プラズマ生成装置への供給電力量を増加するか又は前記内燃機関からのHC排出量を増加することを特徴とする請求項1から3の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
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Cited By (2)
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JP2014066200A (ja) * | 2012-09-26 | 2014-04-17 | Denso Corp | 内燃機関の排気浄化装置 |
CN107288726A (zh) * | 2016-04-13 | 2017-10-24 | 通用汽车环球科技运作有限责任公司 | 用于内燃机的排气净化的方法和设备 |
-
2012
- 2012-01-19 JP JP2012009141A patent/JP2013151861A/ja active Pending
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