JP4595926B2

JP4595926B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP4595926B2
Application number: JP2006306369A
Authority: JP
Inventors: 俊祐利岡; 富久小田; 和浩伊藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-11-13
Filing date: 2006-11-13
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2026-11-13
Also published as: JP2008121555A

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

機関排気通路内に触媒を担持したパティキュレートフィルタを配置し、パティキュレートフィルタ下流の排気通路内に選択還元触媒を配置し、パティキュレートフィルタ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タにおいて排気ガス中に含まれる未燃ＨＣおよびＣＯ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、即ちパティキュレートがパティキュレートフィルタ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ＮＯ_xが還元せしめられる。
特表２００４−５１１６９１号公報

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ＨＣとが反応して有害なシアン化水素ＨＣＮ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ＨＣ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ＨＣ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ＨＣＮが大気中に排出されるという問題を生ずる。

上記問題点を解決するために本発明によれば、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ＨＣを吸着するためのＨＣ吸着触媒を配置し、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ＨＣ吸着触媒からのＨＣの脱離速度を抑制するようにしている。

大気中にシアン化水素が排出されるのを抑制することができる。

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の入口はエアフローメータ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、排気タービン７ｂの出口はＨＣ吸着触媒１２の入口に連結される。ＨＣ吸着触媒１２の出口は排気管１３を介して尿素吸着型選択還元触媒１４の入口に連結され、この選択還元触媒１４の出口は排気管１５に連結される。排気管１３内には選択還元触媒１４に尿素を供給するための尿素供給弁１６が配置され、この尿素供給弁１６からは尿素を含んだ尿素水溶液が排気ガス中に噴射される。また、各排気管１３，１５内には夫々排気ガス温を検出するための温度センサ１７，１８が配置される。

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１９を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１９内には電子制御式ＥＧＲ制御弁２０が配置される。また、ＥＧＲ通路１９周りにはＥＧＲ通路１９内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２１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２１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２２を介してコモンレール２３に連結される。このコモンレール２３内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２４から燃料が供給され、コモンレール２３内に供給された燃料は各燃料供給管２２を介して燃料噴射弁３に供給される。

電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。エアフローメータ８の出力信号および各温度センサ１７，１８の出力信号は夫々対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０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４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５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４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０駆動用ステップモータ、尿素供給弁１６、ＥＧＲ制御弁２０および燃料ポンプ２４に接続される。

選択還元触媒１４は例えば遷移金属を含有するゼオライトからなり、図１に示される実施例では選択還元触媒１４はＦｅ−ゼオライトから構成される。尿素供給弁１６から尿素水溶液が供給されると尿素水溶液中の大部分の尿素は選択還元触媒１４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ＮＨ₃を生成する。排気ガス中に含まれるＮＯ_xは選択還元触媒１４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１４に吸着されている尿素吸着量がＮＯ_xを還元するのに十分な量となるように尿素供給弁１６から尿素水溶液が供給される。

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１４に未燃ＨＣが流入すると選択還元触媒１４内に生成されている尿素由来の中間生成物と未燃ＨＣとが反応して有害なシアン化水素ＨＣＮが生成される。この場合、生成されるシアン化水素ＨＣＮ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ＨＣＮ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１４に多量の未燃ＨＣが送り込まれると大量のシアン化水素ＨＣＮが生成され、大気中に排出されるシアン化水素ＨＣＮ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１４に流入する排気ガス中に含まれる未燃ＨＣを吸着除去するために選択還元触媒１４の上流にＨＣ吸着触媒１２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ＨＣ吸着触媒１２はゼオライトからなる。このゼオライトは機関冷間始動時におけるようにゼオライトの温度が低いときでも未燃ＨＣ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ＨＣが機関から排出される場合でもこれら未燃ＨＣはＨＣ吸着触媒１２に吸着され、斯くして多量のシアン化水素ＨＣＮ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ＨＣ吸着触媒１２上に例えば白金Ｐｔ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ＨＣがＨＣ吸着触媒１２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ＨＣ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１４に多量の未燃ＨＣ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ＨＣＮ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ＨＣＮ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ＨＣＮの濃度を基準値以下に抑制することができればＨＣ吸着触媒１２から吸着したＨＣを脱離させてもよいことになる。以下このＨＣの脱離作用と大気中に排出されるシアン化水素ＨＣＮの濃度との関係について説明する。

図２はＨＣ吸着触媒１２からのＨＣの脱離速度（重量／単位時間）と選択還元触媒１４から流出する排気ガス中のシアン化水素ＨＣＮの濃度、即ち大気中に排出されるシアン化水素ＨＣＮ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１４への尿素吸着量が多い場合と少ない場合についてのＨＣ脱離速度とＨＣＮ排出濃度との２つの関係が示されている。

ＨＣ脱離速度が高くなるとＨＣ吸着触媒１２から単位時間当り脱離するＨＣ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ＨＣ脱離速度が高くなるほどＨＣＮ排出濃度が高くなる。また、ＨＣ脱離速度が同一であっても尿素吸着量が多いほどＨＣＮ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ＨＣＮ排出濃度の許容されうる濃度、即ち基準値ＲＸが示されている。図２から尿素吸着量が少ない場合にはＨＣ脱離速度をＹａ以下にすればＨＣＮ排出濃度が基準値ＲＸ以下となり、尿素吸着量が多い場合にはＨＣ脱離速度をＹｂ以下にすればＨＣＮ排出濃度が基準値ＲＸ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１４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ＲＸ以下となるようにＨＣ吸着触媒１２からのＨＣの脱離速度を抑制するようにしている。

ところでＨＣ脱離速度とＨＣ吸着量との間には図３に示されるようにＨＣ吸着量が増大するほどＨＣ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ＨＣ吸着量が増大するほどＨＣＮ排出濃度が高くなる。従って図４に示される場合にはＨＣ吸着量がＷＸ以下のときにＨＣ吸着触媒１２からＨＣを脱離させればＨＣＮ排出濃度が基準値ＲＸ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ＨＣ吸着量が許容ＨＣ吸着量ＷＸ以下のときにＨＣ吸着触媒１２からのＨＣ脱離作用が行われる。

ところでＨＣ吸着触媒１２の温度を上昇させるとＨＣ吸着触媒１２からのＨＣ脱離作用が開始される。従って本発明による実施例ではＨＣ吸着触媒１２からＨＣを脱離すべきときにはＨＣ吸着触媒１２を昇温せしめるようにしている。ＨＣ吸着触媒１２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、ＨＣ吸着触媒１２が吸着しうるＨＣ吸着量として、ＨＣ吸着触媒１２からＨＣを脱離させたときに選択還元触媒１４から流出する排気ガス中のシアン化水素濃度が基準値ＲＸ以下となる許容ＨＣ吸着量ＷＸが予め求められており、ＨＣ吸着触媒１２へのＨＣ吸着量が許容ＨＣ吸着量ＷＸ以下のときにＨＣ吸着触媒１２からＨＣを脱離させるべくＨＣ吸着触媒１２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ＨＣ吸着量ＲＸが一定値とされている。

図５はＨＣ脱離制御の一例を示している。この例ではＨＣ吸着触媒１２へのＨＣ吸着量ΣＷが許容ＨＣ吸着量ＷＸに達する毎にＨＣ吸着触媒１２の昇温制御が行われ、それによってＨＣ吸着触媒１２からＨＣが脱離される。なお、図５に示される例ではＨＣ吸着量ΣＷは単位時間当りのＨＣ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ＨＣ吸着量Ｗは予め実験により求められており、要求トルクＴＱ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ＲＯＭ３２内に記憶されている。

一方、ＨＣ吸着触媒１２からのＨＣ脱離速度ＷＤは図６（Ｂ）に示されるようにＨＣ吸着触媒１２の温度ＴＣの関数であり、ＨＣ吸着触媒１２の温度ＴＣが脱離開始温度を越えるとＨＣ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ＨＣ吸着量ΣＷの減少量は図６（Ｂ）に示されるＨＣ脱離速度ＷＤを用いて算出される。なお、ＨＣ吸着触媒１２に吸着されているＨＣ吸着量ΣＷはＨＣ吸着触媒１２の温度履歴や、車両の走行距離や、ＨＣ吸着触媒１２から流出する排気ガス中のＨＣ濃度の検出値等から求めることもできる。

図７にＨＣ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５０においてＨＣ吸着触媒１２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５１に進み、図６（Ａ）に示すマップから単位時間当りのＨＣ吸着量Ｗが算出される。次いでステップ５２ではＨＣ吸着量ΣＷにＨＣ吸着量Ｗが加算される。次いでステップ５３ではＨＣ吸着量ΣＷが許容ＨＣ吸着量ＷＸよりも大きくなったか否かが判別され、ＮＯ_x吸着量ΣＷが許容ＨＣ吸着量ＷＸよりも大きくなったときにはステップ５４に進んでＨＣ吸着触媒１２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５０からステップ５５に進んで昇温制御が続行される。ステップ５６では温度センサ１７による検出温度から推定されるＨＣ吸着触媒１２の温度ＴＣに基づいて図６（Ｂ）に示される関係からＨＣ脱離速度ＷＤが算出される。次いでステップ５７ではＨＣ吸着量ΣＷから単位時間当りのＨＣ脱離量を表すＨＣ脱離速度ＷＤが減算される。次いでステップ５８ではＨＣ吸着量ΣＷが零又は負になったか否かが判別される。ΣＷ≦０になったときにはステップ５９に進んで昇温制御が完了せしめられ、次いでステップ６０においてΣＷがクリアされる。

前述したように図４は尿素吸着量を一定としたときの基準値ＲＸを示している。これに対し、尿素吸着量を考慮したときにＨＣＮ排出濃度が基準値ＲＸ以下となる領域と基準値ＲＸ以上となる領域との境界ＳＸが図８（Ａ）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ＨＣＮ排出濃度が基準値ＲＸとなるときのＨＣ脱離速度、即ちＨＣ吸着量は小さくなり、従ってＨＣＮ排出濃度が基準値ＲＸ以下となる尿素吸着量とＨＣ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。

ところで図８（Ａ）において或る尿素吸着量のときにＨＣＮ排出濃度が基準値以上とならないＨＣ吸着量の限界は境界ＳＸであり、従ってこの境界ＳＸは許容ＨＣ吸着量ＷＸ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ＨＣ吸着量ＷＸは選択還元触媒１４に吸着している尿素の量が多いほど小さくなる。この実施例ではＨＣ吸着量が図８（Ｂ）に示される許容ＨＣ吸着量ＷＸに達したときにＨＣ吸着触媒１２の昇温作用が行われる。

図９にＨＣ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７０においてＨＣ吸着触媒１２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７１に進み、図６（Ａ）に示すマップから単位時間当りのＨＣ吸着量Ｗが算出される。次いでステップ７２ではＨＣ吸着量ΣＷにＨＣ吸着量Ｗが加算される。次いでステップ７３では尿素供給弁１６から供給される尿素供給量ＱＡが算出される。

次いでステップ７４では機関の運転状態に応じた機関からのＮＯ_x排出量が求められ、このＮＯ_xを還元するために脱離した尿素脱離量ＱＢが算出される。次いでステップ７５では尿素吸着量ΣＱに尿素供給量ＱＡが加算され、尿素吸着量ΣＱから尿素脱離量ＱＢが減算される。次いでステップ７６ではこの尿素吸着量ΣＱに基づいて図８（Ｂ）から許容ＨＣ吸着量ＷＸが算出される。次いでステップ７７ではＮＯ_x吸着量ΣＷが許容ＨＣ吸着量ＷＸよりも大きくなったか否かが判別され、ＮＯ_x吸着量ΣＷが許容ＨＣ吸着量ＷＸよりも大きくなったときにはステップ７８に進んでＨＣ吸着触媒１２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７０からステップ７９に進んで昇温制御が続行される。ステップ８０では温度センサ１７による検出温度から推定されるＨＣ吸着触媒１２の温度ＴＣに基づいて図６（Ｂ）に示される関係からＨＣ脱離速度ＷＤが算出される。次いでステップ８１ではＨＣ吸着量ΣＷからＨＣ脱離速度ＷＤが減算される。次いでステップ８２ではＨＣ吸着量ΣＷが零又は負になったか否かが判別される。ΣＷ≦０になったときにはステップ８３に進んで昇温制御が完了せしめられ、次いでステップ８４においてΣＷがクリアされる。

次に図１０（Ａ），（Ｂ）および図１１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ＨＣ脱離速度はＨＣ吸着触媒１２の温度ＴＣが脱離開始温度を越えると急速に上昇し、従って図１０（Ａ）に示されるようにＨＣ脱離速度はＨＣ吸着触媒１２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ＨＣＮ排出濃度と昇温速度とは図１０（Ｂ）に示されるような関係となる。ただし、図１０（Ｂ）には図２と異なってＨＣ吸着量が多い場合と少ない場合についてＨＣＮ排出濃度と昇温速度との２つの関係が示されている。

図１０（Ｂ）からわかるようにＨＣＮ排出濃度が基準値ＲＸとなるときの昇温速度はＨＣ吸着量が多いほど低くなる。即ち、ＨＣＮ排出濃度を基準値ＲＸ以下に維持するにはＨＣ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のステップ５５或いは図９のステップ７９における昇温制御の際に図１１に示される如くＨＣ吸着触媒１２の昇温制御開始時におけるＨＣ吸着触媒１２へのＨＣ吸着量が多いほど昇温速度が低くされる。

図１２に更に別の実施例を示す。この実施例ではＨＣ吸着触媒１２と選択還元触媒１４との間の排気管１３から選択還元触媒１４を迂回して排気管１５まで延びるバイパス通路２５が分岐されており、このバイパス通路２５の分岐部に流路切換弁２６が配置されている。また、排気管１３内にはＨＣ吸着触媒１２から流出した排気ガス中の未燃ＨＣの濃度を検出するためのＨＣ濃度センサ２７が配置されている。

この実施例ではＨＣ吸着触媒１２から流出する排気ガス中のＨＣ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２６が図１２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ＨＣ吸着触媒１２から流出した排気ガスは選択還元触媒１４内に送り込まれる。これに対し、ＨＣ吸着触媒１２から流出する排気ガス中のＨＣ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２６が図１２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２５に送り込まれ、それによってシアン化水素ＨＣＮが発生するのが阻止される。

内燃機関の全体図である。ＨＣＮ排出濃度とＨＣ脱離速度の関係を示す図である。ＨＣＮ排出濃度とＨＣ吸着量の関係を示す図である。ＨＣＮ排出濃度とＨＣ吸着量の関係を示す図である。昇温制御を示すタイムチャートである。ＮＯ_x吸着量Ｗのマップ等を示す図である。ＨＣ脱離制御を行うためのフローチャートである。ＨＣＮ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である。ＨＣ脱離制御を行うためのフローチャートである。昇温速度とＨＣ脱離速度の関係等を示す図である。昇温速度とＨＣ吸着量の関係を示す図である。内燃機関の別の実施例を示す全体図である。

符号の説明

５排気マニホルド
７ターボチャージャ
１２ＨＣ吸着触媒
１４選択還元触媒
１６尿素供給弁

Claims

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ＨＣを吸着するためのＨＣ吸着触媒を配置し、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ＨＣ吸着触媒からのＨＣの脱離速度を抑制するようにした内燃機関の排気浄化装置。
上記ＨＣ吸着触媒がゼオ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。
上記ＨＣ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。
上記ＨＣ吸着触媒が吸着しうるＨＣ吸着量として、ＨＣ吸着触媒からＨＣ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ＨＣ吸着量が予め求められており、ＨＣ吸着触媒へのＨＣ吸着量が該許容ＨＣ吸着量以下のときにＨＣ吸着触媒からＨＣを脱離させるべくＨＣ吸着触媒の昇温作用が行われる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記許容ＨＣ吸着量が一定値である請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記許容ＨＣ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４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
ＨＣ吸着触媒の昇温制御開始時におけるＨＣ吸着触媒へのＨＣ吸着量が多いほど昇温速度が低くされる請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
ＨＣ吸着触媒へのＨＣ吸着量を算出する算出手段を具備した請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記ＨＣ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、ＨＣ吸着触媒から流出する排気ガス中のＨＣ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、ＨＣ吸着触媒から流出する排気ガス中のＨＣ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。