JP2008232055A

JP2008232055A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2008232055A
Application number: JP2007074632A
Authority: JP
Inventors: Tomihisa Oda; 富久小田; Kazuhiro Ito; 和浩伊藤; Toshisuke Toshioka; 俊祐利岡
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-03-22
Filing date: 2007-03-22
Publication date: 2008-10-02

Abstract

【課題】要求に応じてＮＯ_x選択還元触媒とパティキュレートフィルタとを流れる排気ガスの流れ方向を変える。
【解決手段】機関排気通路内に酸化触媒１２を配置し、酸化触媒１２の出口に切替弁装置１３を配置する。排気ガスの流れ方向はこの切替弁装置１３の切替作用によってＮＯ_x選択還元触媒１５を流通後パティキュレートフィルタ１６を流通する第１の流れＩとパティキュレートフィルタ１６を流通後ＮＯ_x選択還元触媒１５を流通する第２の流れIIとに切替可能であり、ＮＯ_x選択還元触媒１５およびパティキュレートフィルタ１６に対する要求に応じて第１の流れＩと第２の流れIIのいずれかに切替えるようにする。
【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。

機関排気通路内に上流側から順に酸化触媒、パティキュレートフィルタ、ＮＯ_x選択還元触媒を配置した内燃機関が公知である（例えば特許文献１を参照）。この内燃機関ではパティキュレートフィルタ上に捕集された粒子状物質の量が許容量を越えたときに酸化触媒に供給されるＨＣの量が増量され、このとき酸化触媒において発生する酸化反応熱によりパティキュレートフィルタの温度を上昇させてパティキュレートフィルタ上の粒子状物質を燃焼させ、それによってパティキュレートフィルタを再生するようにしている。
特開２００５−１４０１１１号公報

ところでこの内燃機関において例えば機関始動時にＮＯ_x選択還元触媒を早期に暖機すべく酸化触媒に供給されるＨＣの量を増量した場合、この内燃機関では中間にパティキュレートフィルタが介在しているためにＮＯ_x選択還元触媒の温度がなかなか上昇せず、従ってＮＯ_x選択還元触媒を早期に暖機するのは困難となる。

このようにこの内燃機関ではパティキュレートフィルタに対しては例えば再生に必要な温度まで上昇させなければならないという要求があり、またＮＯ_x選択還元触媒に対しては例えば早期に暖機させなければならないという要求がある。しかしながらこの内燃機関ではＮＯ_x選択還元触媒およびパティキュレートフィルタに対する各要求に対して適切に対処しえないという問題がある。

上記問題を解決するために本発明によれば、機関排気通路内に酸化触媒を配置し、酸化触媒の出口を切替弁装置を介して流れ方向の切替え可能な排気通路部分に連結し、排気通路部分内にアンモニアによりＮＯ_xを選択的に還元可能なＮＯ_x選択還元触媒と粒子状物質を捕集するためのパティキュレートフィルタとを直列に配置し、排気通路部分内における排気ガスの流れは切替弁装置の切替作用によってＮＯ_x選択還元触媒を流通後パティキュレートフィルタを流通する第１の流れとパティキュレートフィルタを流通後ＮＯ_x選択還元触媒を流通する第２の流れとに切替可能であり、ＮＯ_x選択還元触媒およびパティキュレートフィルタに対する要求に応じて第１の流れと該第２の流れのいずれかに切替えるようにしている。

ＮＯ_x選択還元触媒およびパティキュレートフィルタに対する要求に対して適切に対処することができる。

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。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結され、コンプレッサ７ａの入口は吸入空気量検出器８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁１０が配置され、更に吸気ダクト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１１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１１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の排気タービン７ｂの入口に連結される。排気タービン７ｂの出口は酸化触媒１２の入口に連結される。この酸化触媒１２の出口は切替弁装置１３を介して流れ方向の切替え可能な排気通路部分１４に連結される。この排気通路部分１４内にはアンモニアによりＮＯ_xを選択的に還元可能なＮＯ_x選択還元触媒１５と粒子状物質を捕集するためのパティキュレートフィルタ１６とが直列に配置されている。

具体的に言うと酸化触媒１２の出口にはアクチュエータ１７によって駆動される切替弁１８が配置されており、切替弁１８に関し酸化触媒１２の出口と反対側には排出口１９が形成されている。この排出口１９は排気管２０を介して酸化触媒２１に連結されている。一方、切替弁１８の両側には排気通路部分１４の一方の端部である第１の流出入口２２と排気通路部分１４の他方の端部である第２の流出入口２３とが対面配置されている。

切替弁１８が図１において実線で示される第１の位置にあるときには酸化触媒１２内を流れた排気ガスは第１の流出入口２２から排気通路部分２２内に流入し、ＮＯ_x選択還元触媒１５およびパティキュレートフィルタ１６内を流れて第２の流出入口２３から排出口１９に流入し、次いで排気管２０を介して酸化触媒２１内に流入する。

一方、切替弁１８が図１において破線で示される第２の位置にあるときには酸化触媒１２内を流れた排気ガスは第２の流出入口２３から排気通路部分２２内に流入し、パティキュレートフィルタ１６およびＮＯ_x選択還元触媒１５内を流れて第１の流出入口２２から排出口１９に流入し、次いで排気管２０を介して酸化触媒２１内に流入する。

即ち、排気通路部分１４内における排気ガスの流れは切替弁装置１３の切替作用によってＮＯ_x選択還元触媒１５を流通後パティキュレートフィルタ１６を流通する第１の流れＩとパティキュレートフィルタ１６を流通後ＮＯ_x選択還元触媒１５を流通する第２の流れIIとに切替可能である。本発明ではＮＯ_x選択還元触媒１５およびパティキュレートフィルタ１６に対する要求に応じて第１の流れＩと第２の流れIIのいずれかに切替えられる。

図１に示されるように排気マニホルド５内には排気マニホルド５内を流れる排気ガス中に炭化水素、即ちＨＣを供給するためのＨＣ供給弁２４が配置されている。また、排気ガスの流れ方向ＩからみてＮＯ_x選択還元触媒１５の上流側および下流側の排気通路部分１４内には夫々尿素供給弁２５，２６が配置されている。

これらの尿素供給弁２５，２６は供給管２７、供給ポンプ２８を介して尿素水溶液タンク２９に連結される。尿素水溶液タンク２９内に貯蔵されている尿素水溶液は供給ポンプ２８によって上流側に位置する尿素供給弁２５，２６から排気通路部分１４内を流れる排気ガス中に噴射され、尿素から発生したアンモニア（（ＮＨ₂）ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→２ＮＨ₃＋ＣＯ₂）によって排気ガス中に含まれるＮＯ_xがＮＯ_x選択還元触媒１５において還元される。

排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路３０を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路３０内には電子制御式ＥＧＲ制御弁３１が配置される。また、ＥＧＲ通路３０周りにはＥＧＲ通路３０内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置３２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３２内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管３３を介してコモンレール３４に連結され、このコモンレール３４は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ３５を介して燃料タンク３６に連結される。燃料タンク３６内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ３５によってコモンレール３４内に供給され、コモンレール３４内に供給された燃料は各燃料供給管３３を介して燃料噴射弁３に供給される。

電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５および出力ポート４６を具備する。ＮＯ_x選択還元触媒１５にはＮＯ_x選択還元触媒１５の床温を検出するための温度センサ３７が取付けられ、この温度センサ３７および吸入空気量検出器８の出力信号は夫々対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。また、アクセルペダル５０にはアクセルペダル５０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５１が接続され、負荷センサ５１の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。更に入力ポート４５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５２が接続される。一方、出力ポート４６は対応する駆動回路４８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０の駆動用ステップモータ、切替弁１８の駆動用アクチュエータ１７、ＨＣ供給弁２４、尿素供給弁２５，２６、供給ポンプ２８、ＥＧＲ制御弁３１および燃料ポンプ３５に接続される。

酸化触媒１２は例えば白金のような貴金属触媒を担持しており、この酸化触媒１２は排気ガス中に含まれるＮＯをＮＯ₂に転換する作用と排気ガス中に含まれるＨＣを酸化させる作用をなす。即ち、ＮＯ₂はＮＯよりも酸化性が強く、従ってＮＯがＮＯ₂に転換されるとパティキュレートフィルタ１６上に捕獲された粒子状物質の酸化反応が促進され、またＮＯ_x選択還元触媒１５でのアンモニアによる還元作用が促進される。一方、ＨＣが酸化されるとＨＣの酸化反応熱でもって排気ガス温が上昇せしめられる。

パティキュレートフィルタ１６としては触媒を担持していないパティキュレートフィルタを用いることもできるし、例えば白金のような貴金属触媒を担持したパティキュレートフィルタを用いることもできる。一方、ＮＯ_x選択還元触媒１５は低温で高いＮＯ_x浄化率を有するアンモニア吸着タイプのＦｅゼオライトから構成することもできるし、アンモニアの吸着機能がないチタン・バナジウム系の触媒から構成することもできる。酸化触媒２１は例えば白金からなる貴金属触媒を担持しており、この酸化触媒２１はＮＯ_x選択還元触媒１５から漏出したアンモニアを酸化する作用をなす。

図２は切替弁１８によって排気通路部分１４内の流れ方向を第１の流れＩか或いは第２の流れIIのいずれかに切替えるためのルーチンを示している。次にこのルーチンを参照しつつ本発明による流れ方向の切替制御について説明する。

図２を参照するとまず初めにステップ６０においてパティキュレートフィルタ１６を再生すべきであるか否かが判別される。パティキュレートフィルタ１６を再生すべきときにはステップ６１に進んで第２の流れIIに切替えられる。このときにはＨＣ供給弁２４からＨＣが供給され、酸化触媒１２におけるＨＣの酸化反応熱により温度上昇した排気ガスがパティキュレートフィルタ１６に送り込まれる。斯くしてパティキュレートフィルタ１６の温度は容易に再生温度まで上昇せしめられる。

また、このときには酸化触媒１２において発生したＮＯ₂により粒子状物質の酸化作用が促進される。なお、パティキュレートフィルタ１６の再生が完了するまで切替弁１８は図１において破線で示される位置に保持され、第２の流れIIが維持される。パティキュレートフィルタ１６の再生が完了するとステップ６０からステップ６２に進む。

ステップ６２では温度センサ３７の検出値に基づいてＮＯ_x選択還元触媒１５の床温ＴＣが予め定められた下限温度Ｔ₁、例えば２００℃よりも低いか否かが判別され、ＮＯ_x選択還元触媒１５の床温ＴＣが下限温度Ｔ₁よりも低いときにはステップ６３に進んで第１の流れＩに切替えられる。このときには酸化触媒１２を流れた排気ガスがただちにＮＯ_x選択還元触媒１５に送り込まれるのでＮＯ_x選択還元触媒１５は早期に暖機される。ＴＣ＜Ｔ₁である限り切替弁１８は図１において実線で示される位置に保持され、第１の流れＩが維持される。次いでＮＯ_x選択還元触媒１５の床温ＴＣが下限温度Ｔ₁よりも高くなるとステップ６２からステップ６４に進む。

ステップ６４ではＮＯ_x選択還元触媒１５の床温ＴＣが予め定められた上限温度Ｔ₂、例えば５００℃よりも低いか否かが判別される。ＮＯ_x選択還元触媒１５の床温ＴＣが上限温度Ｔ₂よりも低いときにはステップ６５に進んで減速運転時であるか否かが判別される。減速運転時でないときには処理サイクルを完了する。これに対し、減速運転時のときにはステップ６６に進んで現在第１の流れＩであるときには第１の流れＩから第２の流れIIへ、現在第２の流れIIであるときには第２の流れIIから第１の流れＩに切替えられる。即ち、ＮＯ_x選択還元触媒１５の床温ＴＣがＴ₁≦ＴＣ＜Ｔ₂のとき、即ち通常運転時には減速運転が行われる毎に第１の流れＩおよび第２の流れIIに交互に切替えられ、切替後に上流側に位置する尿素供給弁２５，２６から尿素が供給される。

即ち、ＮＯ_x選択還元触媒１５がゼオライト系の触媒からなる場合にはＮＯ_x選択還元触媒１５は極めて高いアンモニアの吸着性能を有する。従ってこの場合には供給された尿素から発生するアンモニアはＮＯ_x選択還元触媒１５の上流側にしか吸着せず、斯くして触媒全体をＮＯ_x浄化のために有効に使用しえない。そこで定期的に流れ方向を切替え、切替える毎に上流側に位置する尿素供給弁２５，２６から尿素を供給することによってＮＯ_x選択還元触媒１５の全体にアンモニアを吸着させ、それによりＮＯ_x選択還元触媒１５の全体をＮＯ_x浄化のために有効に活用するようにしている。

なお、流れ方向を減速運転が行われる毎に交互に切換えないで高いＮＯ_x浄化率を確保することを重視する場合には第１の流れＩに維持しておく割合を増大させ、ＮＯ₂による粒子状物質の酸化作用を重視する場合には第２の流れIIに維持しておく割合を増大させることもできる。

一方、図１からわかるように切替弁１８が切替えられる際には酸化触媒１２から流出した排気ガスが切替の途中で直接排出口１９内に流入し、次いで大気中に排気されてしまう。しかしながら減速運転時には燃料の供給が停止されており、従ってこのときには切替弁１８を切替えたとしても有害な排気ガスが大気中に排出されることはない。従って本発明による実施例では減速運転時に切替弁１８の切替作用を行うようにしている。なお、この場合減速運転時ではなくて、排気ガス量の少ないとき、例えばアイドリング運転時に切替弁１８の切替作用を行うこともできる。

一方、ステップ６４においてＮＯ_x選択還元触媒１５の床温ＴＣが上限温度Ｔ₂よりも高いと判別されたときにはステップ６７に進んで減速運転中であるか否かが判別される。減速運転中のときにはステップ６８に進んで第１の流れＩに切替えられ、減速運転中でないときにはステップ６９に進んで第２の流れIIに切替えられる。

即ち、ＮＯ_x選択還元触媒１５の床温ＴＣが上限温度Ｔ₂よりも高くなるとＮＯ_x浄化率が低下してくるのでこのときにはＮＯ_x選択還元触媒１５の温度を低下させる必要がある。この場合、第２の流れIIにするとＮＯ_x選択還元触媒１５はパティキュレートフィルタ１６の下流側になるのでＮＯ_x選択還元触媒１５の床温は低下する。従って通常運転時にＮＯ_x選択還元触媒１５の床温ＴＣが上限温度Ｔ₂よりも高くなったときには第２の流れIIに切替えるようにしている。

一方、減速運転中は燃料の供給が停止されるために排気ガス温は低下し、このときには第１の流れＩに切替えた方がＮＯ_x選択還元触媒１５を効果的に冷却することができる。従ってＮＯ_x選択還元触媒１５の床温ＴＣが上限温度Ｔ₂よりも高く、このとき減速運転が行われたときには減速運転中第１の流れＩに切替えるようにしている。

なお、パティキュレートフィルタ１６が貴金属触媒を担持しており、ＮＯ_x選択還元触媒１５を暖機するためにＨＣ供給弁２４からＨＣを供給するようにした場合には酸化触媒１２およびパティキュレートフィルタ１６の双方においてＨＣの酸化反応熱が発生する。従ってこの場合には第１の流れＩに切替えた方がＮＯ_x選択還元触媒１５を早期に暖機させることができ、好ましいと言える。

圧縮着火式内燃機関の全体図である。流れ方向の切替制御を行うためのフローチャートである。

符号の説明

４吸気マニホルド
５排気マニホルド
７排気ターボチャージャ
１２，２１酸化触媒
１３切替弁装置
１４排気通路部分
１５ＮＯ_x選択還元触媒
１６パティキュレートフィルタ
２４ＨＣ供給弁
２５，２６尿素供給弁

Claims

機関排気通路内に酸化触媒を配置し、該酸化触媒の出口を切替弁装置を介して流れ方向の切替え可能な排気通路部分に連結し、該排気通路部分内にアンモニアによりＮＯ_xを選択的に還元可能なＮＯ_x選択還元触媒と粒子状物質を捕集するためのパティキュレートフィルタとを直列に配置し、該排気通路部分内における排気ガスの流れは切替弁装置の切替作用によってＮＯ_x選択還元触媒を流通後パティキュレートフィルタを流通する第１の流れとパティキュレートフィルタを流通後ＮＯ_x選択還元触媒を流通する第２の流れとに切替可能であり、ＮＯ_x選択還元触媒およびパティキュレートフィルタに対する要求に応じて該第１の流れと該第２の流れのいずれかに切替える内燃機関の排気浄化装置。
パティキュレートフィルタを再生すべきときには上記第２の流れに切替える請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
ＮＯ_x選択還元触媒の温度が予め定められた下限温度よりも低いときには該第１の流れに切替える請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
排気ガスの流れ方向からみてＮＯ_x選択還元触媒の上流側および下流側の上記排気通路部分内に夫々尿素供給弁を配置し、第１の流れおよび第２の流れに交互に切替えて切替後に上流側に位置する尿素供給弁から尿素を供給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。
減速運転時に第１の流れから第２の流れへ、或いは第２の流れから第１の流れに切替えられる請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
ＮＯ_x選択還元触媒の温度が予め定められた上限温度よりも高いときには該第２の流れに切替える請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
減速運転中は第１の流れに切替える請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。