JP2022054622A - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＯ２の発生を抑制しつつ、排気温度を触媒の活性化温度に昇温して排気浄化効率を向上できる排気浄化システムを提供すること。
【解決手段】排気浄化システムは、内燃機関の排気管に配置されたＳＣＲと、ＳＣＲよりも上流側の排気管に配置されたＤＯＣと、ＤＯＣよりも上流側の排気管内にアンモニアを供給するアンモニア供給装置と、排気管内に供給されたアンモニアを燃焼させる点火装置と、アンモニアが供給される排気管内の酸素濃度を検出する酸素センサーと、少なくとも酸素センサーによって検出された酸素濃度に基づいて、アンモニア供給装置による排気管内へのアンモニアの供給を制御する制御部（ＥＣＵ）と、を有する。
【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。

トラックやバス等の車両に搭載されるディーゼルエンジンの排気ガス中のＮＯｘを浄化するための排気ガス浄化システムとして、尿素水等を還元剤として用いてＮＯｘを窒素と水に還元する選択還元型触媒（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）を用いたシステムが開発され、実現されている。ＳＣＲを用いた排気浄化システムは、例えば特許文献１などで開示されている。

ＳＣＲを用いた排気浄化システムは、尿素水タンクに貯留された尿素水をＳＣＲ上流の排気管に供給し、排気ガスの熱で尿素を加水分解してアンモニアを生成し、このアンモニアによってＳＣＲでＮＯｘを還元するようになっている。尿素水は、例えば排気通路を構成する排気管に設けられた尿素水インジェクターによって適量が噴射される。

また、尿素水に代えてアンモニアを排気管内に供給する技術も知られている（例えば特許文献２参照）。

ＳＣＲは、触媒反応が活性化する最適な温度がある（以下これを「活性化温度」と呼ぶ）。活性化温度は、触媒の種類にもよるが、例えば２００℃程度である。

ここで、排気温度が低下すると、ＳＣＲの活性化温度よりも低くなり、触媒の反応効率が低下する。なお、触媒としてＬＮＴ（Lean NOx Trap）などのNOx吸蔵触媒を用いた場合にも同様であり、ＬＮＴの活性化温度よりも低くなると触媒の反応効率が低下する。

これを考慮して、例えば特許文献３などに開示されているように、排気管内の温度を昇温することにより、触媒の反応効率の低下を防止する技術がある。特許文献３では、ＬＮＴの上流側に設けられている酸化触媒（ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst）に未燃燃料を供給し、ＤＯＣによる未燃燃料の酸化により発生する熱で排気を昇温することで、下流側のＬＮＴの触媒反応を高める構成が開示されている。

特開２０１２－７５５７号公報 特開２０１３－１２４５６９号公報 特開２０１３－１９４７０２号公報

ところが、未燃燃料の排気管への直接噴射やエンジンへのポスト噴射により排気の昇温を行うと、ＣＯ２が発生してしまう欠点がある。

本発明は、以上の点を考慮してなされたものであり、ＣＯ２の発生を抑制しつつ、排気温度を触媒の活性化温度に昇温して排気浄化効率を向上し得る、排気浄化システムを提供する。

本発明の内燃機関の排気浄化システムの一つの態様は、
内燃機関の排気を浄化する排気浄化システムであって、
前記内燃機関の排気管に配置されたＮＯｘ還元型触媒又はＮＯｘ吸蔵触媒と、
前記ＮＯｘ還元型触媒又はＮＯｘ吸蔵触媒よりも上流側の前記排気管に配置された酸化触媒と、
前記酸化触媒よりも上流側の前記排気管内にアンモニアを供給するアンモニア供給装置と、
前記排気管内に供給された前記アンモニアを燃焼させる点火装置と、
前記アンモニアが供給される前記排気管内の酸素濃度を検出する酸素センサーと、
前記酸素センサーによって検出された酸素濃度に基づいて、前記アンモニア供給装置による前記排気管内へのアンモニアの供給を制御する制御部と、
を備える。

本発明によれば、ＣＯ２の発生を抑制しつつ、排気温度を触媒の活性化温度に昇温して排気浄化効率を向上させることができる。

実施の形態１の排気浄化システムの要部構成を示した図 実施の形態１による昇温制御の説明に供するフローチャート 実施の形態２による排気管の構成を示す図であり、図３Ａは排気管を排気管の長手方向に平行な面で切った略線的断面図、図３Ｂは排気管を排気管の長手方向と垂直な面で切った略線的断面図 実施の形態２による排気管の別の構成を示す図であり、図４Ａは排気管を排気管の長手方向に平行な面で切った略線的断面図、図４Ｂは排気管を排気管の長手方向と垂直な面で切った略線的断面図 実施の形態３によるアンモニア供給の様子を示す図

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

＜１＞実施の形態１
＜１－１＞排気浄化システムの構成
図１は、本実施の形態の排気浄化システムの要部構成を示した図である。本実施形態では、本発明を、ディーゼルエンジン１０の排気浄化システム１００に適用した態様について説明する。ただし、本実施形態に係る排気浄化システムは、ディーゼルエンジン１０の排気浄化システム１００に限らず、ガソリンエンジンの排気浄化システムにも適用し得る。

排気浄化システム１００は、例えば、トラック等の車両に搭載されており、エンジン１０の排気ガス中のＮＯｘを浄化する。

エンジン１０は、例えば、燃焼室、燃焼室内で燃料を噴射する燃料噴射装置、及び、燃料噴射装置を制御するエンジンＥＣＵ等（図示せず）を含んで構成される。エンジン１０は、燃焼室内で、燃料と空気の混合気を燃焼及び膨張させて、動力を発生する。エンジン１０には、燃焼室内に空気を導入する吸気管２０と、燃焼室から排出される燃焼後の排気ガスを、車両の外部に排出する排気管３０と、が接続されている。

排気浄化システム１００は、ＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）１０１、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）１０２及びＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）１０３を有する。なお、排気浄化システム１００は、触媒として、ＳＣＲ１０３に加えて、あるいは、ＳＣＲに代えて、ＬＮＴ（Lean NOx Trap）などを有していてもよい。

ＤＯＣ１０１は、酸化アルミニウム又は金属等からなる担持体に、ロジウム、白金等を担持して形成される。ＤＯＣ１０１は、排気中の未燃成分（炭化水素ＨＣ及び一酸化炭素ＣＯ）を酸化除去するとともに、このときの反応熱で排気ガスを加熱昇温し、また排気中のＮＯをＮＯ２に酸化する。

ＤＰＦ１０２は、触媒付きフィルターからなり、排気中に含まれる粒子状物質（ＰＭ: Particulate Matter）を捕集するとともに、捕集したＰＭを燃焼除去する。

ＳＣＲ１０３は、例えば円柱形状を有し、セラミックで作製されたハニカム担体を有する。ハニカム壁面には、例えばゼオライトやバナジウム等の触媒が担持又はコーティングされる。ＳＣＲ１０３は、アンモニアを吸蔵するとともに、当該吸蔵したアンモニアによって排気ガス中からＮＯｘを選択的に還元浄化する。

排気浄化システム１００は、排気管３０内にアンモニアを供給するアンモニア供給装置１１０を有する。アンモニア供給装置１１０は、液化アンモニア（液化ＮＨ３）を貯蔵するアンモニアタンク１１１、遮断弁１１２、減圧弁１１３、流量調整弁１１４、１１５及びアンモニア噴射ポート１１６、１１７を有する。

さらに、排気浄化システム１００は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１３０を有する。ＥＣＵ１３０は、排気浄化システム１００の動作を制御する。

ＥＣＵ１３０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、入力ポート、及び出力ポート等を含んで構成されている。ＥＣＵ１３０の後述する機能は、例えば、ＣＰＵがＲＯＭ、ＲＡＭ等に記憶された制御プログラムや各種データを参照することによって実現される。但し、当該機能は、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア回路によっても実現できることは勿論である。

なお、ＥＣＵ１３０は、エンジン１０のエンジンＥＣＵ（図示せず）等と通信することで、これらを制御したり、これらの状態を取得したりする。

ＥＣＵ１３０は、アンモニア供給装置１１０によるＤＯＣ１０１へのアンモニアの供給を制御する制御部として機能する。

具体的には、ＥＣＵ１３０は、ＳＣＲ１０３の入り口に設けられた温度センサー１４１、ＤＯＣ１０１の入り口に設けられた温度センサー１４２により検出された温度情報を入力し、当該温度情報に基づいて、遮断弁１１２、流量調整弁１１４、１１５の開度を制御することにより、アンモニア噴射ポート１１６、１１７から噴射されるアンモニアの量を制御する。

これに加えて、排気管３０内には酸素センサーとしてのラムダセンサー１６０が設けられている。ラムダセンサー１６０は、アンモニア噴射ポート１１７の上流側に配設されている。ラムダセンサー１６０により検出された酸素濃度は、ＥＣＵ１３０に送られる。

ＥＣＵ１３０は、ラムダセンサー１６０によって検出された酸素濃度に基づいて、アンモニア供給装置１１０による排気管３０内へのアンモニアの供給を制御する。具体的には、ＥＣＵ１３０は、検出された酸素濃度が高いほど、流量調整弁１１５の開度を大きくしてアンモニア供給量を多くする。

＜１－２＞昇温制御
次に、本実施の形態による昇温制御について説明する。

図２は、本実施の形態による昇温制御の説明に供するフローチャートである。図２のフローチャートは、ＥＣＵ１３０によって実行される。

ＥＣＵ１３０は、昇温制御を開始すると、ステップＳ１１において、温度センサー１４１によって検出された温度情報を入力することで、排気温情報を取得する。

ＥＣＵ１３０は、続くステップＳ１２において、排気昇温要求があるか否か判断する。具体的には、ＥＣＵ１３０は、排気温がＳＣＲ活性温度（例えば２００℃）未満であれば、排気昇温要求があると判断し、排気温がＳＣＲ活性温度以上であれば排気昇温要求がないと判断する。なお、ステップＳ１２で用いる閾値（ＳＣＲ活性温度）は、勿論、用いるＳＣＲ触媒の種類や構造によって適宜設定することが好ましい。

ＥＣＵ１３０は、ステップＳ１２で否定結果を得た場合（ステップＳ１２；ＮＯ）、当該昇温制御を終了する。

一方、ＥＣＵ１３０は、ステップＳ１２で肯定結果を得た場合（ステップＳ１２；ＹＥＳ）、ステップＳ１３に移る。ＥＣＵ１３０は、ステップＳ１３において、温度センサー１４２によって検出された排気温度がＤＯＣ１０１のアンモニア燃焼温度未満であるか否か判断する。

ＥＣＵ１３０は、ステップＳ１３で肯定結果を得た場合（ステップＳ１３；ＹＥＳ）、
ステップＳ１４に移って、ラムダセンサー１６０からの酸素濃度情報を取得し、続くステップＳ１５において、酸素濃度に基づいて供給するアンモニア量を算出する。

ＥＣＵ１３０は、続くステップＳ１６において、排気管３０内に算出した量のアンモニアを供給するとともに、点火装置１５０を点火させる。これにより、点火装置１５０によってアンモニアを燃焼させて排気温を昇温する。なお、排気管３０内に供給するアンモニア量の調整は、流量調整弁１１５の開度を調節することで実現できる。

これに対して、ＥＣＵ１３０は、ステップＳ１３で否定結果を得た場合（ステップＳ１３；ＮＯ）、ステップＳ１７に移って、遮断弁１１２及び流量調整弁１１５を開状態に制御することでアンモニア噴射ポート１１７からアンモニアを噴射させることで、ＤＯＣ１０１にアンモニアを供給する。ステップＳ１７では、ＥＣＵ１３０は、点火装置１５０を点火させない。

ＥＣＵ１３０は、ステップＳ１６又はステップＳ１７の処理を行った後に、あるいは、ステップＳ１６又はステップＳ１７の処理を行いながら、ステップＳ１１に戻る。

なお、ステップＳ１３で用いる閾値（ＤＯＣ１０１のアンモニア燃焼温度）は、勿論、用いるＤＯＣの種類や構造によって適宜設定することが好ましい。

要は、本実施の形態の制御は、排気温度が所定閾値未満の場合には、ＤＯＣ１０１にアンモニアを供給してしまうと、ＤＯＣ１０１によってアンモニアの燃焼（酸化）が十分に行われず、昇温効果が低くなるので、最初は点火装置１５０によってアンモニアを燃焼させて排気温度を所定閾値まで上昇させる。そして、排気温度が所定閾値まで達した場合には、ＤＯＣ１０１にアンモニアを供給してアンモニアによる昇温を行うようにする。

ＥＣＵ１３０は、ＤＯＣ１０１によるアンモニア燃焼によって、排気温がＳＣＲの活性温度まで昇温されると、流量調整弁１１４を開状態に制御してＳＣＲ１０３にアンモニアを供給する。このとき、ＥＣＵ１３０は、流量調整弁１を閉状態に制御してもよく、開状態のままに制御してもよい。

ここで、ステップＳ１５において算出する、酸素濃度に基づくアンモニア供給量について説明する。本実施の形態では、以下の点を考慮してアンモニア供給量を決定する。

（１）排気管３０内に噴射されるアンモニア濃度が点火装置１５０によって点火（燃焼）可能な濃度であること。

（２）Ｏ２に対してアンモニアが少なすぎると、点火装置１５０による燃焼時に有害物質であるＮＯｘが発生するので、それを考慮した量のアンモニアを供給すること。具体的には、完全燃焼の化学式は、４ＮＨ３ ＋ ３Ｏ２ →２Ｎ２ ＋６Ｈ２Ｏで表されるので、アンモニア供給装置１１０は、ラムダセンサー１６０によって検出された酸素濃度に基づいて、アンモニアの燃焼空間において、アンモニアの分子数が酸素の分子数に対して４／３以上となるようにアンモニアを供給することが好ましい。つまり、アンモニアの分子数が酸素の分子数に対して４／３未満であると、ＮＯｘが発生するので好ましくない。

（３）アンモニアの燃焼によって排気中の酸素が全て消費してしまわないこと。なぜなら、排気中にはＨＣやＣＯが含まれており、ディーゼルエンジンの場合には、ＤＯＣ１０１において、余剰な酸素でＨＣやＣＯを燃焼させてＣＯ２やＨ２Ｏに変えている。よって、アンモニア燃焼のためにＯ２を使い切ってしまうと、ＤＯＣ１０１でＨＣやＣＯを浄化できなくなる問題が生じる。

本実施の形態では、上記（１）、（２）、（３）を考慮して、アンモニア噴射ポート１１７から噴射させるアンモニア量及び噴射タイミングを適切化するようになっている。

以上の構成によれば、内燃機関の排気管３０に配置されたＳＣＲ１０３と、ＳＣＲ１０３よりも上流側の排気管３０に配置されたＤＯＣ１０１と、ＤＯＣ１０１よりも上流側の排気管３０内にアンモニアを供給するアンモニア供給装置１１０と、排気管３０内に供給されたアンモニアを燃焼させる点火装置１５０と、アンモニアが供給される排気管３０内の酸素濃度を検出する酸素センサー（ラムダセンサー１６０）と、少なくとも酸素センサー（ラムダセンサー１６０）によって検出された酸素濃度に基づいて、アンモニア供給装置１１０による排気管３０内へのアンモニアの供給を制御する制御部（ＥＣＵ１３０）と、を設けたことにより、ＣＯ２の発生を抑制しつつ、排気温度を触媒の活性化温度に昇温して排気浄化効率を向上させることができる。

ここで、ＤＯＣ１０１でのアンモニア燃焼により発生するのは、無害で温室効果のないＮ２とＨ２Ｏである。一部のアンモニアは、ＮＯｘとなるが、下流のＳＣＲ１０３でＮ２とＨ２Ｏに浄化されるので環境への影響は無い。

また、本実施の形態によれば、アンモニア供給装置１１０を、ＤＯＣ１０１とＳＣＲ１０３とで共有しているので、排気浄化システムの大型化も抑制できる。ただし、ＳＣＲ１０３にはアンモニアに代えて尿素水を供給する構成にしてもよい。

なお、ステップＳ１６における予備的な昇温は、上述したように点火装置１５０によるアンモニア燃焼のみで行ってもよく、エンジンによる排気温の昇温とを組み合わせて行ってもよい。

さらに、点火装置１５０によるアンモニア燃焼と、排気管３０内に設けた電気ヒーター（図示せず）による排気温の昇温と、を組み合わせることでステップＳ１６の予備的な昇温を行うようにしてもよい。

なお、本実施の形態では、本発明を、ＮＯｘを浄化するための触媒としてＳＣＲ１０３を用いた排気浄化システム１００に適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、要は、触媒反応が温度に依存したＮＯｘ還元型触媒又はＮＯｘ吸蔵触媒を用いる場合に広く適用できる。つまり、制御部（ＥＣＵ１３０）は、ＮＯｘ還元型触媒又はＮＯｘ吸蔵触媒の活性化温度と、排気温との関係基づいて、排気昇温要求の有無を判断し、排気昇温要求があると判断した場合に、ＤＯＣ１０１の上流側の排気管３０にアンモニアを供給すればよい。

＜２＞実施の形態２
図３及び図４は、実施の形態２による排気管３０の構成を示す略線的断面図である。

図３は、実施の形態２による排気管の第１の構成例を示す図であり、図３Ａは排気管３０を排気管３０の長手方向に平行な面で切った略線的断面図、図３Ｂは排気管３０を排気管３０の長手方向と垂直な面で切った略線的断面図である。

図４は、実施の形態２による排気管の第２の構成例を示す図であり、図４Ａは排気管３０を排気管３０の長手方向に平行な面で切った略線的断面図、図４Ｂは排気管３０を排気管３０の長手方向と垂直な面で切った略線的断面図である。

先ず、図３の構成について説明する。ＤＯＣ１０１よりも上流側の排気管３０には、排気流を分割する隔壁１７０が設けられ、アンモニア供給装置１１０のアンモニア噴射ポート１１７及び点火装置１５０は、隔壁１７０により分割された１つの流路３０ａに設けられている。

これにより、上記（１）、（２）、（３）の要求を満たすことができるようになる。つまり、隔壁１７０で分割された流路３０ａには、点火装置１５０によるアンモニア燃焼が可能な十分な濃度、かつ、アンモニアの分子数が酸素の分子数に対して４／３以上となる十分な量のアンモニアを供給できる。よって、排気温度がＤＯＣ１０１のアンモニア燃焼温度以上になるまでの予備的なアンモニア燃焼を確実に行うことができるとともに、このときのＮＯｘの発生を防止できる。これにより、上記（１）、（２）要求を満たすことができる。一方で、排気中のＯ２は点火装置１５０によるアンモニア燃焼が行われない他方の流路３０ｂを通ってＤＯＣ１０１に到達するので、上記（３）の要求を満たすことができる。

次に、図４の構成について説明する。図４の構成で特徴的なのは、図４Ｂから分かるように、隔壁１７０で分割された流路３０ａ、３０ｂの断面がほぼ円形形状となっている点である。これにより、流路３０ａに容易にスロットルバルブを設けることができ、ＥＣＵ１３０によってスロットルバルブの開度を制御することで、流路３０ａの排気流量を調整することができる。

ここで、運転状態によっては排気管３０内の排気流量が非常に速くなり、アンモニアの供給量を大きくしてもアンモニア濃度を大きくすることができず、その結果、アンモニアを着火できないおそれがある。このような場合には、流路３０ａに設けたスロットルバルブ（図示せず）を絞る（つまり開口率を小さくする）ことで、アンモニア濃度を大きくし、点火装置１５０によってアンモニアを着火することができるようになる。

＜３＞実施の形態３
図５は、実施の形態３によるアンモニア供給の様子を示す図である。

本実施の形態では、アンモニア供給装置１１０が、排気管３０内に間欠的にアンモニアを供給する。この結果、図５に示したように、排気流の中にアンモニア濃度が高い領域（ＮＨ３リッチ領域）と、アンモニア濃度が低い領域（ＮＨ３無噴射領域）とが交互に存在するようになる。アンモニア濃度が高い領域（ＮＨ３リッチ）は、上記（１）、（２）の要求を満たすような量のアンモニアを供給することで形成すればよい。上記（３）の要求は、アンモニア濃度が低い領域（ＮＨ３無噴射領域）がＤＯＣ１０１に到達することで達成される。

また、本実施の形態のように、排気管３０内に間欠的にアンモニアを供給すれば、全体のアンモニア濃度を大きくする場合と比較して、アンモニアを節約しつつ、着火確率を高めることもできる。

上述の実施の形態は、本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することの無い範囲で、様々な形で実施することができる。

本発明は、ＣＯ２の発生を抑制しつつ、排気温度を触媒の活性化温度に昇温して排気浄化効率を向上できるといった効果を有し、触媒反応が温度に依存する（活性化温度を有する）触媒を用いた排気浄化システムに広く適用可能である。

１０ ディーゼルエンジン（エンジン）
２０ 吸気管
３０ 排気管
３０ａ、３０ｂ 流路
１００、２００ 排気浄化システム
１０１ ＤＯＣ（酸化触媒）
１０２ ＤＰＦ（ディーゼル微粒子捕集フィルター）
１０３ ＳＣＲ（選択還元型触媒）
１１０ アンモニア供給装置
１１１ アンモニアタンク
１１２ 遮断弁
１１３ 減圧弁
１１４、１１５ 流量調整弁
１１６、１１７ アンモニア噴射ポート
１３０ ＥＣＵ（制御部）
１４１、１４２ 温度センサー
１５０ 点火装置
１６０ ラムダセンサー
１７０ 隔壁

Claims (5)

1. 内燃機関の排気を浄化する排気浄化システムであって、
   前記内燃機関の排気管に配置されたＮＯｘ還元型触媒又はＮＯｘ吸蔵触媒と、
   前記ＮＯｘ還元型触媒又はＮＯｘ吸蔵触媒よりも上流側の前記排気管に配置された酸化触媒と、
   前記酸化触媒よりも上流側の前記排気管内にアンモニアを供給するアンモニア供給装置と、
   前記排気管内に供給された前記アンモニアを燃焼させる点火装置と、
   前記アンモニアが供給される前記排気管内の酸素濃度を検出する酸素センサーと、
   前記酸素センサーによって検出された酸素濃度に基づいて、前記アンモニア供給装置による前記排気管内へのアンモニアの供給を制御する制御部と、
   を備える排気浄化システム。
2. 前記酸化触媒よりも上流側の前記排気管には、排気流を分割する隔壁が設けられ、
   前記アンモニア供給装置のアンモニア噴射ポート及び前記点火装置は、前記隔壁により分割された１つの流路に設けられている、
   請求項１に記載の排気浄化システム。
3. 前記アンモニア供給装置は、前記排気管内に間欠的にアンモニアを供給する、
   請求項１に記載の排気浄化システム。
4. 前記アンモニア供給装置は、前記酸素センサーによって検出された前記酸素濃度に基づいて、アンモニアの燃焼空間において、アンモニアの分子数が酸素の分子数に対して４／３以上となるようにアンモニアを供給する、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の排気浄化システム。
5. ＮＯｘ還元型触媒又はＮＯｘ吸蔵触媒は、触媒反応が温度に依存し、
   前記制御部は、前記排気昇温要求の有無を、前記ＮＯｘ還元型触媒又は前記ＮＯｘ吸蔵触媒の活性化温度と、排気温との関係に基づいて判断する、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の排気浄化システム。

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