WO2009110102A1

WO2009110102A1 - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: WO2009110102A1
Application number: PCT/JP2008/054241
Authority: WO
Inventors: 利岡俊祐; 小田富久; 伊藤和浩
Original assignee: トヨタ自動車株式会社
Priority date: 2008-03-04
Filing date: 2008-03-04
Publication date: 2009-09-11
Also published as: CN101680331B; US8225596B2; ES2526645T3; KR101122406B1; EP2264291B1; KR20100005079A; EP2264291A4; CN101680331A; US20100031642A1; EP2264291A1

Abstract

内燃機関において、機関排気通路内に尿素吸着型選択還元触媒（１４）が配置される。この選択還元触媒（１４）に流入する排気ガス中に尿素供給弁（１６）から尿素を供給することにより選択還元触媒（１４）において排気ガス中に含まれるＮＯ_xが還元される。シアン化水素の発生を抑制するために選択還元触媒（１４）上流の機関排気通路内に排気ガス中のＨＣを吸着するためのＨＣ吸着触媒（１２）が配置される。

Description

明細書内燃機関の排気浄化装置技術分野

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。背景技術

機関排気通路内に触媒を担持したパティキュレートフィル夕を配置し、パティキュレートフィル夕下流の排気通路内に選択還元触媒を配置し、パティキユレ一卜フィル夕上流の排気通路内に尿素を供給するようにした内燃機関が公知である（例えば特表 2 0 0 4— 5 1 1 6 9 1号公報を参照）。この内燃機関ではパティキュレートフィル夕上に担持された触媒が活性化するとパティキュレートフィル夕において排気ガス中に含まれる未燃 H Cおよび C Oが酸化除去せしめられると共に排気ガス中に含まれる微粒子、即ちパティキユレ一卜がパティキュレートフィル夕上において燃焼除去せしめられる。更にこの内燃機関では排気通路内に供給された尿素により選択還元触媒上において排気ガス中に含まれる N O _xが還元せしめられるしかしながらこのように機関排気通路内に尿素を供給するとこの尿素に由来する中間生成物と排気ガス中に含まれる未燃 H Cとが反応して有害なシアン化水素 H C Nが生成される。この場合、特に機関冷間始動時におけるように機関から多量の未燃 H Cが排出されるとき、および車両走行中において排気ガス中の未燃 H Cが増大した瞬間には多量のシアン化水素が生成され、その結果許容される濃度を越えた多量のシアン化水素 H C Nが大気中に排出されるという問題を生ずる。発明の開示

本発明の目的は、大気中にシアン化水素が排出されるのを抑制することのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。本発明によれば、機関排気通路内に尿素吸着型選択還元触媒を配置し、この選択還元触媒に流入する排気ガス中に尿素を供給することにより選択還元触媒において排気ガス中に含まれる NO_xを還元するようにした内燃機関の排気浄化装置において、シアン化水素の発生を抑制するために選択還元触媒上流の機関排気通路内に排気ガス中の H Cを吸着するための H C吸着触媒を配置した内燃機関の排気浄化装置が提供される。図面の簡単な説明

図 1は内燃機関の全体図、図 2は H C N排出濃度と H C脱離速度の関係を示す図、図 3は H C N排出濃度と H C吸着量の関係を示す図、図 4は H C N排出濃度と H C吸着量の関係を示す図、図 5は昇温制御を示すタイムチャート、図 6は N O _x吸着量 Wのマップ等を示す図、図 7は H C脱離制御を行うためのフローチャート、図 8は H C N排出濃度が基準値以上および基準値以上となる領域等を示す図、図 9は H C脱離制御を行うためのフローチャート、図 1 0は昇温速度と H C脱離速度の関係等を示す図、図 1 1は昇温速度と H C 吸着量の関係を示す図、図 1 2は内燃機関の別の実施例を示す全体図である。発明を実施するための最良の形態

図 1 に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。図 1 を参照すると、 1 は機関本体、 2は各気筒の燃焼室、 3は各燃焼室 2内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、 4 は吸気マニホルド、 5は排気マニホルドを夫々示す。吸気マ二ホルド 4は吸気ダクト 6 を介して排気ターボチャージャ 7のコンプレツサ 7 aの出口に連結され、コンプレッサ 7 aの入口はエアフローメ一夕 8を介してエアクリーナ 9に連結される。吸気ダク卜 6内にはステップモー夕により駆動されるスロットル弁 1 0が配置され、更に吸気ダク卜 6周りには吸気ダクト 6内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置 1 1が配置される。図 1 に示される実施例では機関冷却水が冷却装置 1 1 内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。

一方、排気マニホルド 5は排気ターボチャージャ 7の排気夕ービン 7 bの入口に連結され、排気夕一ビン 7 bの出口は H C吸着触媒 1 2の入口に連結される。 H C吸着触媒 1 2の出口は排気管 1 3 を介して尿素吸着型選択還元触^ 1 4の入口に連結され、この選択還元触媒 1 4の出口は排気管 1 5に連結される。排気管 1 3内には選択還元触媒 1 4に尿素を供給するための尿素供給弁 1 6が配置され、この尿素供給弁 1 6からは尿素を含んだ尿素水が排気ガス中に噴射される。また、各排気管 1 3 , 1 5内には夫々排気ガス温を検出するための温度センサ 1 7， 1 8が配置される。

排気マ二ホルド 5 と吸気マ二ホルド 4とは排気ガス再循環（以下、 E G Rと称す）通路 1 9を介して互いに連結され、 E G R通路 1 9内には電子制御式 E G R制御弁 2 0が配置される。また、 E G R 通路 1 9周りには E G R通路 1 9内を流れる E G Rガスを冷却するための冷却装置 2 1が配置される。図 1 に示される実施例では機関冷却水が冷却装置 2 1内に導かれ、機関冷却水によって E G Rガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁 3は燃料供給管 2 2 を介してコモンレール 2 3に連結される。このコモンレール 2 3内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ 2 4から燃料が供給され、コモンレール 2 3内に供給された燃料は各燃料供給管 2 2を介して燃料噴射弁 3に供給される。

電子制御ュニット 3 0はデジタルコンピュー夕からなり、双方向性バス 3 1 によつて互いに接続された R OM (リード、オン Uメモリ

) 3 2、 R AM (ランダムアクセスメモリ） 3 3、 C P U (マイク

□プ□セッサ） 3 4、入力ポート 3 5および出力ポ一 h 3 6を具備する。エアフ口一メータ 8の出力信号および各温度センサ 1 7 , 1

8の出力信号は夫々対応する AD変換器 3 7 を介して入力ポート 3 5に入力される。アクセルペダル 4 0にはアクセルペダル 4 0の踏込み量 Lに比例した出力電圧を発生する負荷センサ 4 1が接続され、負荷センサ 4 1の出力電圧は対応する AD変換器 3 7 を介して入力ポート 3 5に入力される。更に入力ポート 3 5にはクランクシャフトが例えば 1 5 ° 回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ 4 2が接続される。一方、出力ポート 3 6は対応する駆動回路 3 8を介して燃料噴射弁 3、スロットル弁 1 0駆動用ステップモ一夕、尿素供給弁 1 6、 E G R制御弁 2 0および燃料ポンプ 2 4に接続される。

選択還元触媒 1 4は例えば遷移金属を含有するゼォライトからなり、図 1 に示される実施例では選択還元触媒 1 4は F e —ゼォライ卜から構成される。尿素供給弁 1 6から尿素水が供給されると尿素水中の大部分の尿素は選択還元触媒 1 4に吸着され、吸着された尿素は形態変化をしつつ、即ち中間生成物に変化しつつアンモニア N H₃を生成する。排気ガス中に含まれる NO_xは選択還元触媒 1 4上においてこれら生成されたアンモニア NH₃と反応して還元せしめられる。本発明による実施例では選択還元触媒 1 4に吸着されている尿素吸着量が N〇_xを還元するのに十分な量となるように尿素供給弁 1 6から尿素水が供給される。

ところでこのように尿素が吸着されている選択還元触媒 1 4に未燃 H Cが流入すると選択還元触媒 1 4内に生成されている尿素由来の中間生成物と未燃 H Cとが反応して有害なシアン化水素 H C Nが生成される。この場合、生成されるシアン化水素 H C Nの量が少なく、従って大気中に排出される排気ガス中のシアン化水素 H C Nの濃度が薄いときには特に問題とはならない。

しかしながら選択還元触媒 1 4に多量の未燃 H Cが送り込まれると大量のシアン化水素 H C Nが生成され、大気中に排出されるシァン化水素 H C Nの濃度が許容されうる濃度、即ち予め定められた基準値を越えてしまうことになる。そこで本発明では選択還元触媒 1 4に流入する排気ガス中に含まれる未燃 H Cを吸着除去するために選択還元触媒 1 4の上流に H C吸着触媒 1 2を配置するようにしている。

本発明による実施例ではこの H C吸着触媒 1 2はゼォライ卜からなる。このゼォライトは機関冷間始動時におけるようにゼォライトの温度が低いときでも未燃 H Cを吸着する機能を有する。従って機関冷間始動時におけるように多量の未燃 H Cが機関から排出される場合でもこれら未燃 H Cは H C吸着触媒 1 2に吸着され、斯くして多量のシアン化水素 H C Nが大気中に排出されるのを阻止することができる。

なお、この H C吸着触媒 1 2上に例えば白金 P tからなる酸化触媒を担持させることもできる。この場合、酸化触媒が活性化していないときには排気ガス中の大部分の未燃 H Cが H C吸着触媒 1 2に吸着され、酸化触媒が活性化すると排気ガス中の大部分の未燃 H C が酸化される。従ってこの場合には酸化触媒が活性化していなくても、活性化していても選択還元触媒 1 4に多量の未燃 H Cが流入するのが阻止される。

ところで、大気中にシアン化水素 H C Nが排出されるのを完全に阻止するのは実際上ほとんど不可能であり、社会の要請を考えると大気中に排出されるシアン化水素 H C Nの濃度を許容されうる濃度、即ち予め定められた基準値以下に抑制すれば十分である。従って大気中に排出されるシアン化水素 H C Nの濃度を基準値以下に抑制することができれば H C吸着触媒 1 2から吸着した H Cを脱離させてもよいことになる。以下この H Cの脱離作用と大気中に排出されるシアン化水素 H C Nの濃度との関係について説明する。

図 2は H C吸着触媒 1 2からの H Cの脱離速度（重量 Z単位時間 ) と選択還元触媒 1 4から流出する排気ガス中のシアン化水素 H C Nの濃度、即ち大気中に排出されるシアン化水素 H C Nの排出濃度との関係を示している。なお、図 2には選択還元触媒 1 4への尿素吸着量が多い場合と少ない場合についての H C脱離速度と H C N排出濃度との 2つの関係が示されている。

H C脱離速度が高くなると H C吸着触媒 1 2から単位時間当り脱離する H Cの量が増大するので図 2に示されるように尿素吸着量の大小にかかわらずに H C脱離速度が高くなるほど H C N排出濃度が高くなる。また、 H C脱離速度が同一であっても尿素吸着量が多いほど H C N排出濃度は高くなる。従って図 2に示されるように尿素吸着量が大のときを示す曲線は尿素吸着量が小のときを示す曲線よりも上方に位置する。

一方、図 2には H C N排出濃度の許容されうる濃度、即ち基準値 R Xが示されている。図 2から尿素吸着量が少ない場合には H C脱離速度を Y a以下にすれば H C N排出濃度が基準値 R X以下となり、尿素吸着量が多い場合には H C脱離速度を Y b以下にすれば H C N排出濃度が基準値 R X以下となることがわかる。従って本発明では選択還元触媒 1 4から流出する排気ガス中のシアン化水素濃度が予め定められた基準値 R X以下となるように H C吸着触媒 1 2からの H Cの脱離速度を抑制するようにしている。

ところで H C脱離速度と H C吸着量との間には図 3に示されるように H C吸着量が増大するほど H C脱離速度が高くなる関係がある。従って尿素吸着量が一定であるとすると図 4に示されるように H C吸着量が増大するほど H C N排出濃度が高くなる。従って図 4に示される場合には H C吸着量が WX以下のときに H C吸着触媒 1 2 から H Cを脱離させれば H C N排出濃度が基準値 R X以下となることがわかる。従って本発明による一実施例では H C吸着量が許容 H C吸着量 WX以下のときに H C吸着触媒 1 2からの H C脱離作用が行われる。

ところで H C吸着触媒 1 2の温度を上昇させると H C吸着触媒 1 2からの H C脱離作用が開始される。従って本発明による実施例では H C吸着触媒 1 2から H Cを脱離すべきときには H C吸着触媒 1 2を昇温せしめるようにしている。 H C吸着触媒 1 2の昇温制御は例えば噴射時期を遅角して排気ガス温を上昇させることにより、或いは膨張行程に追加の燃料を噴射して排気ガス温を上昇させることにより行われる。

以上のことをまとめると本発明による一実施例では、 H C吸着触媒 1 2が吸着しうる H C吸着量として、 H C吸着触媒 1 2から H C を脱離させたときに選択還元触媒 1 4から流出する排気ガス中のシアン化水素濃度が基準値 R X以下となる許容 H C吸着量 WXが予め求められており、 H C吸着触媒 1 2への H C吸着量が許容 H C吸着量 WX以下のときに H C吸着触媒 1 2から H Cを脱離させるべく H C吸着触媒 1 2の昇温作用が行われる。この場合、図 4に示される例では許容 H C吸着量 R Xが一定値とされている。

図 5は H C脱離制御の一例を示している。この例では H C吸着触媒 1 2への H C吸着量∑Wが許容 H C吸着量 WXに達する毎に H C 吸着触媒 1 2の昇温制御が行われ、それによつて H C吸着触媒 1 2 から H Cが脱離される。なお、図 5に示される例では H C吸着量∑ Wは単位時間当りの H C吸着量 Wを積算することによって算出される。この単位時間当りの H C吸着量 Wは予め実験により求められており、要求トルク T Qおよび機関回転数 Nの関数として図 6 ( A) に示すようなマップの形で予め R〇 M 3 2内に記憶されている。一方、 H C吸着触媒 1 2からの H C脱離速度 WDは図 6 ( B ) に示されるように H C吸着触媒 1 2の温度 T Cの関数であり、 H C吸着触媒 1 2の温度 T Cが脱離開始温度を越えると H C脱離速度 WD は急速に上昇する。図 5に示される昇温制御時の H C吸着量∑Wの減少量は図 6 ( B ) に示される H C脱離速度 WDを用いて算出される。なお、 H C吸着触媒 1 2に吸着されている H C吸着量∑Wは H C吸着触媒 1 2の温度履歴や、車両の走行距離や、 H C吸着触媒 1 2から流出する排気ガス中の H C濃度の検出値等から求めることもできる。

図 7 に H Cの脱離制御を行うためのルーチンを示す。

図 7 を参照するとまず初めにステップ 5 0において H C吸着触媒 1 2の昇温制御中であるか否かが判別される。通常は昇温制御中でないのでステップ 5 1 に進み、図 6 ( A) に示すマップから単位時間当りの H C吸着量 Wが算出される。次いでステップ 5 2では H C 吸着量∑ Wに H C吸着量 Wが加算される。次いでステップ 5 3では H C吸着量∑ Wが許容 H C吸着量 WXよりも大きくなつたか否かが判別され、 N〇_x吸着量∑Wが許容 H C吸着量 WXよりも大きくなつたときにはステップ 5 4に進んで H C吸着触媒 1 2の昇温制御が開始される。

昇温制御が開始されるとステツプ 5 0からステップ 5 5 に進んで昇温制御が続行される。ステップ 5 6では温度センサ 1 7 による検出温度から推定される H C吸着触媒 1 2 の温度 T Cに基づいて図 6

( B ) に示される関係から H C脱離速度 W Dが算出される。次いでステップ 5 7では H C吸着 ∑ Wから単位時間当りの H C脱離量を表す H C脱離速度 W Dが減算される。次いでステツプ 5 8では H C 吸着量∑ Wが零又は負になつたか否かが判別される。 ∑ W ≤ 0 になつたときにはステップ 5 9 に進んで昇温制御が完了せしめられ、次いでステップ 6 0 において ∑ Wがクリァされる。

前述したように図 4は尿吸着量を一定としたときの基準値 R X を示している。これに対し尿素吸量を考慮したときに H C N排出濃度が基準値 R X以下となる領域と基準値 R X以上となる領域との境界 S Xが図 8 ( Α ) に示されている。図 2からわかるように尿素吸着量が多くなるほど Η C Ν排出濃度が基準値 R Xとなるときの

H C脱離速度、即ち H C吸着量は小さ <なり、従って H C N排出濃度が基準値 R X以下となる尿素吸着と H C吸着量の領域は図 8 (

A ) においてハッチングで示される領域となる。

とろで図 8 ( A ) において或る尿素吸着量のとさに H C N排出濃度が基準値以上とならない H C吸着量の限界は境界 S Xであり、従つてこの境界 S Xは許容 H C吸着量 W Xに相当している。従って尿素吸着量を考慮した場合、図 8 ( B ) に示されるように許容 H C 吸着 W Xは選択還元触媒 1 4に吸着している尿 1 'のが多いほど小さ <なる。この実施例では H C吸着量が図 8 ( B ) に示される許容 H C吸着量 W Xに達したときに H C吸触媒 1 2 の昇温作用が行われる。

図 9 に H Cの脱離制御を行うためのルーチンを示す。図 9 を参照するとまず初めにステップ 7 0 において H C吸着触媒 1 2 の昇温制御中であるか否かが判別される。通常は昇温制御中でないのでステップ 7 1 に進み、図 6 ( A ) に示すマップから単位時間当りの H C吸着量 Wが算出される。次いでステップ 7 2では H C 吸着量∑ Wに H C吸着量 Wが加算される。次いでステップ 7 3では尿素供給弁 1 6から供給される尿素供給量 Q Aが算出される。

次いでステップ 7 4では機関の運転状態に応じた機関からの N O _x排出量が求められ、この N〇_xを還元するために脱離した尿素脱離量 Q Bが算出される。次いでステップ 7 5では尿素吸着量∑ Qに尿素供給量 Q Aが加算され、尿素吸着量∑ Qから尿素脱離量 Q Bが減算される。次いでステップ 7 6ではこの尿素吸着量∑ Qに基づいて図 8 ( B ) から許容 H C吸着量 W Xが算出される。次いでステップ 7 7では N O _x吸着量∑Wが許容 H C吸着量 W Xよりも大きくなつたか否かが判別され、 N〇_x吸着量∑ Wが許容 H C吸着量 W Xよりも大きくなつたときにはステップ 7 8 に進んで H C吸着触媒 1 2の昇温制御が開始される。

昇温制御が開始されるとステップ 7 0からステップ 7 9 に進んで昇温制御が続行される。ステップ 8 0では温度センサ 1 7 による検出温度から推定される H C吸着触媒 1 2の温度 T Cに基づいて図 6

( B ) に示される関係から H C脱離速度 W Dが算出される次いでステップ 8 1では H C吸着量∑ Wから H C脱離速度 W Dが減算される。次いでステップ 8 2では H C吸着量∑ Wが零又は負になつたか否かが判別される。 ∑ W ≤ 0 になつたときにはステツプ 8 3 に進んで昇温制御が完了せしめられ、次いでステップ 8 4において ∑ Wがクリアされる。

次に図 1 0 ( A ) , ( B ) および図 1 1 を参照しつつ更に別の実施例について説明する。図 6 (B) を参照しつつ説明したように H C脱離速度は H C吸着触媒 1 2の温度 T Cが脱離開始温度を越えると急速に上昇し、従つて図 1 0 (A) に示されるように H C脱離速度は H C吸着触媒 1 2 の昇温速度が高くなるほど高くなる。従って図 2の横軸を昇温速度に代えると H C N排出濃度と昇温速度とは図 1 0 (B) に示されるような関係となる。ただし、図 1 0 ( B ) には図 2 と異なって H C 吸着量が多い場合と少ない場合について H C N排出濃度と昇温速度との 2つの関係が示されている。

図 1 0 (B) からわかるように H C N排出濃度が基準値 R Xとなるときの昇温速度は H C吸着量が多いほど低くなる。即ち、 H C N 排出濃度を基準値 R X以下に維持するには H C吸着量が多いほど昇温速度を低くする必要がある。従ってこの実施例では図 7のステツプ 5 5或いは図 9のステップ 7 9における昇温制御の際に図 1 1 に示される如く H C吸着触媒 1 2の昇温制御開始時における H C吸着触媒 1 2への H C吸着量が多いほど昇温速度が低くされる。

図 1 2に更に別の実施例を示す。この実施例では H C吸着触媒 1 2 と選択還元触媒 1 4との間の排気管 1 3から選択還元触媒 1 4を迂回して排気管 1 5まで延びるバイパス通路 2 5が分岐されており、このバイパス通路 2 5の分岐部に流路切換弁 2 6が配置されている。また、排気管 1 3内には H C吸着触媒 1 2から流出した排気ガス中の未燃 H Cの濃度を検出するための H C濃度センサ 2 7が配置されている。

この実施例では H C吸着触媒 1 2から流出する排気ガス中の H C 濃度が予め定められた許容濃度以下のときには流路切換弁 2 6が図 1 2において実線で示される位置に保持されており、従ってこのとき H C吸着触媒 1 2から流出した排気ガスは選択還元触媒 1 4内に送り込まれる。これに対し、 H C吸着触媒 1 2から流出する排気ガス中の H C濃度が予め定められた許容濃度以上になったときには流路切換弁 2 6が図 1 2 において破線で示される位置に切換えられる。従ってこのとき排気ガスはバイパス通路 2 5 に送り込まれ、それによってシアン化水素 H C Nが発生するのが阻止される。

Claims

請求の範囲

1. 機関排気通路内に尿素吸着型選択還元触媒を配置し、該選択還元触媒に流入する排気ガス中に尿素を供給することにより該選択還元触媒において排気ガス中に含まれる NO_xを還元するようにした内燃機関の排気浄化装置において、シアン化水素の発生を抑制するために上記選択還元触媒上流の機関排気通路内に排気ガス中の H Cを吸着するための H C吸着触媒を配置した内燃機関の排気浄化装置。

2. 上記 H C吸着触媒がゼォライトからなる請求項 1 に記載の内燃機関の排気浄化装置。

3. 上記 H C吸着触媒上に酸化触媒を担持させた請求項 1 に記載の内燃機関の排気浄化装置。

4. 上記選択還元触媒から流出する排気ガス中のシアン化水素濃度が予め定められた基準値以下となるように上記 H C吸着触媒からの H Cの脱離速度を抑制するようにした請求項 1 に記載の内燃機関の排気浄化装置。

5. 上記 H C吸着触媒が吸着しうる H C吸着量として、 H C吸着触媒から H Cを脱離させたときに上記選択還元触媒から流出する排気ガス中のシアン化水素濃度が上記基準値以下となる許容 H C吸着量が予め求められており、 H C吸着触媒への H C吸着量が該許容 H C吸着量以下のときに H C吸着触媒から H Cを脱離させるべく H C 吸着触媒の昇温作用が行われる請求項 4に記載の内燃機関の排気浄化装置。

6. 上記許容 H C吸着量が一定値である請求項 5に記載の内燃機関の排気浄化装置。

7. 上記許容 H C吸着量は上記選択還元触媒に吸着している尿素の量が多いほど小さくされる請求項 5 に記載の内燃機関の排気浄化装置。

8 . H C吸着触媒の昇温制御開始時における H C吸着触媒への H C吸着量が多いほど昇温速度が低くされる請求項 5 に記載の内燃機関の排気浄化装置。

9 . H C吸着触媒への H C吸着量を算出する算出手段を具備した請求項 5 に記載の内燃機関の排気浄化装置。

10. 上記 H C吸着触媒と上記選択還元触媒との間の機関排気通路から該選択還元触媒を迂回するバイパス通路を分岐し、 H C吸着触媒から流出する排気ガス中の H C濃度が予め定められた許容濃度以下のときには排気ガスを選択還元触媒内に送り込み、 H C吸着触媒から流出する排気ガス中の H C濃度が予め定められた許容濃度以上になったときには排気ガスをバイパス通路内に送り込むようにした請求項 1 に記載の内燃機関の排気浄化装置。