JP5668737B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

周知のとおり、内燃機関（例えばディーゼルエンジン）から排出されるＮＯｘ（窒素酸化物）の浄化のための技術として、いわゆる尿素ＳＣＲ(Selective Catalytic Reduction)がある。尿素ＳＣＲシステムでは、排気ガス中に尿素水溶液（尿素水）を添加することで触媒（ＳＣＲ触媒）に還元剤（ＮＨ３（アンモニア））を供給して、触媒により還元反応を起こしてＮＯｘを窒素と水に分解して浄化する。

こうした技術に関して各種提案がなされてきている。下記特許文献１には、尿素またはＮＨ３を還元剤として添加するＮＯｘ触媒を備える構成において、ＮＯｘ触媒への尿素またはＮＨ３の添加量を過不足なく適切に制御可能な技術が開示されている。

特許第４３０５６４３号公報

ＳＣＲ触媒はＮＨ３を貯蔵し、貯蔵したＮＨ３によってＮＯｘを浄化することが知られている。ＳＣＲ触媒におけるＮＨ３の可能な最大貯蔵量（貯蔵可能量）は、図６に例示するとおり、ＳＣＲ触媒の温度が高いほど通常小さくなる性質がある。尿素水の添加量を決定する際に考慮するＳＣＲ触媒におけるＮＨ３の目標貯蔵量は、この貯蔵可能量を超えない範囲で設定することとなる。したがって従来技術においては、例えば図７のように、ＳＣＲ触媒におけるＮＨ３の目標貯蔵量を、一定の余裕分（余裕度）だけ貯蔵可能量から減算した数値として設定していた。ここで余裕分は、温度変化に対応できるために設定される。

このように目標貯蔵量が設定された状態で、例えば車両が急加速すると、排気温度が急上昇し、その影響でＳＣＲ触媒温度も上昇する。よって図８に示すように、例えある程度の余裕分を設定しておいても、急上昇した触媒温度では現在の貯蔵量が貯蔵可能量を超える場合がある。その場合、ＳＣＲ触媒で貯蔵できなくなったＮＨ３（アンモニア）が下流へと流れ、いわゆるＮＨ３スリップが発生してしまう。

ＮＨ３スリップにより放出されたＮＨ３が車外に排出されることは排気浄化の観点から望ましくない。従来技術においては、ＳＣＲ触媒の下流に配置した酸化触媒にＮＨ３を浄化する役割を担わせていた。しかし、一般に触媒は、その触媒固有の活性化温度より高い温度ならば適切に機能するが、活性化温度より低い温度では適切に機能しない（あるいは機能が大きく低下する）。

したがって、たとえＳＣＲ触媒の下流に酸化触媒を装備したとしても、酸化触媒の活性化温度より低い温度でＮＨ３スリップが発生した場合には、酸化触媒がＮＨ３を浄化できないので、ＮＨ３がエミッションを悪化させる。よって酸化触媒の活性化温度より低い温度ではＮＨ３スリップが起きにくい排気浄化方法が望まれる。しかし上記特許文献１を含め従来技術では、ＮＨ３スリップへの対策が考慮されていても、酸化触媒の活性化温度に関係する上記課題は認識されていない。

そこで本発明が解決しようとする課題は、上記に鑑み、還元剤を貯蔵してＮＯｘを浄化する触媒の下流に還元剤を浄化する酸化触媒を配置した構成において、酸化触媒が活性化温度より低い温度では有効に機能しないことに適切に対処する内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

上記課題を達成するために、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に備えられて、ＮＯｘを浄化する機能を有する第１触媒（４）と、その第１触媒よりも排気通路の上流に備えられて、ＮＯｘ浄化のための還元剤を前記第１触媒に供給する供給手段（６）と、前記第１触媒よりも排気通路の下流に配置されて、前記還元剤を浄化する機能を有する第２触媒（５）と、前記供給手段によって供給される還元剤の前記第１触媒における貯蔵量の目標値を、その目標値と前記第１触媒における最大貯蔵可能量との差である余裕分が、前記第１触媒の温度が前記第２触媒の活性化温度より低い領域では相対的に大きく、前記活性化温度より高い領域では相対的に小さくなるように設定する設定手段（７、Ｓ５０、Ｓ６０）と、を備えたことを前提とする。これにより、第２触媒が活性化温度よりも低い場合には、急な温度上昇などが起きても第１触媒から下流に還元剤が放出されることが抑制される。したがって、還元剤の放出によるエミッションの悪化が適切に抑制される。

本発明における排気浄化システムの一実施形態におけるシステム構成の概要図。 排気浄化システムの処理手順の例を示すフローチャート。 還元剤の目標貯蔵量の設定の第１の例を示す図。 還元剤の目標貯蔵量の設定の第２の例を示す図。 還元剤の目標貯蔵量の設定の第３の例を示す図。 ＳＣＲ触媒温度とＮＨ３貯蔵可能量との関係の例を示す図。 従来技術における目標貯蔵量の設定の例を示す図。 ＮＨ３スリップの発生原因を示す図。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。まず図１は、本発明に係る排気浄化システム１（以下、システム）の一実施例における装置構成の概要図である。

システム１は、例えば自動車に搭載されたエンジン２（例えばディーゼルエンジン）の排気管３中に、上流側から順に尿素ＳＣＲ触媒４（ＳＣＲ触媒）、酸化触媒５を備える。ＳＣＲ触媒４の上流には添加弁６が備えられている。添加弁６は、尿素水が貯留された尿素タンク６０を備え、尿素タンク６０から供給された尿素水が添加弁６により排気管３中に添加（噴射）される。

ＳＣＲ触媒４は、尿素ＳＣＲのための触媒としての周知の構造、すなわち例えば、ゼオライト等からなる適当な基材の表面に金属触媒が担持された構造を有する。添加弁６により添加された尿素水から、例えば排気ガスの熱により加水分解してＮＨ３が生成され、そのＮＨ３がＳＣＲ触媒４に吸着する（貯蔵される）。ＳＣＲ触媒４に貯蔵されたＮＨ３が排気中のＮＯｘを窒素と水に還元して浄化する。

酸化触媒４は酸化機能を有する触媒であり、排気中の例えばＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣなどの成分を燃焼して浄化する機能を有するが、本発明に関しては、ＳＣＲ触媒４から流れてきた還元剤を浄化する機能を有する。また、排気管３におけるＳＣＲ触媒４の上流、下流には排気温度センサ３０、ＮＯｘセンサ３１が配置されている。排気温度センサ３０、ＮＯｘセンサ３１はそれぞれの配置位置で、排気温度、排気中のＮＯｘを検出する。

またシステム１は本発明に係るＥＣＵ７（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）を備える。ＥＣＵ７は、通常のコンピュータと同様の構造、すなわち各種演算などの情報処理を行うＣＰＵや、そのＣＰＵの作業領域としてのＲＡＭ、必要な各種プログラムやデータを記憶する不揮発性のメモリ７０などを備える。ＥＣＵ７は、排気温度センサ３０、ＮＯｘセンサ３１の検出値を取得し、エンジン２における燃料噴射量、添加弁６からの尿素水添加量などを制御する。

以上の構成のもとで、システム１はＮＯｘ浄化に関する処理を実行する。その処理手順が図２に示されている。図２の処理手順は、予めプログラム化されてメモリ７０内に記憶しておき、ＥＣＵ７が自動的に呼び出して実行すればよい。

図２の手順では、まずＳ１０でＥＣＵ７が排気温度を取り込む。具体的には排気温度センサ３０の計測値を取得する。次にＳ２０でＥＣＵ７は、ＳＣＲ触媒４の（内部）温度Ｔｓｃｒを算出する。具体的には、ＳＣＲ触媒の（内部）温度を排気温度から算出する数学的モデルをメモリ７０に記憶しておき、そのモデルとＳ１０で取得した排気温度の実際値とから算出すればよい。

次にＳ３０でＥＣＵ７は、酸化触媒５の活性化温度Ｔｄｏｃを算出する。ここで算出する数値は酸化触媒５の活性化温度そのものとしてもよいが、より好適には、酸化触媒５の内部温度が活性化温度であるときのＳＣＲ触媒４の内部温度の算出とすればよい。後者の場合、具体的には、ＳＣＲ触媒４の内部温度と酸化触媒５の内部温度との間の温度差の通常の値（あるいは平均的な値）を求めておき、その温度差の数値を酸化触媒５の活性化温度に加算すればよい。こうしたＴｄｏｃや酸化触媒５の活性化温度は予めメモリ７０内に記憶しておき、Ｓ３０でＲＡＭに呼び出せばよい。

なお周知のとおり、触媒はある温度より高いか低いかで触媒機能が発揮されるか否かがほぼ不連続的に変わる性質を有するので、その境界の温度を活性化温度（あるいは活性温度）とすればよい。あるいは本実施例においては、酸化触媒５の活性化温度（活性温度）を、より厳密に、ＮＨ３の浄化率が所定％（例えば５０％、８０％、９０％など）となる触媒温度と定義してもよい。通常、酸化触媒５の活性化温度は摂氏２００度から２５０度の範囲内にある。

次にＳ４０でＥＣＵ７は、Ｓ２０で算出したＴｓｃｒとＳ３０で算出した（呼び出した）Ｔｄｏｃとの大小を比較する。ＴｓｃｒがＴｄｏｃより大きい場合（Ｓ４０：Ｙｅｓ）はＳ６０に進み、ＴｓｃｒがＴｄｏｃ以下の場合（Ｓ４０：Ｎｏ）はＳ５０に進む。

Ｓ５０およびＳ６０でＥＣＵ７はＳＣＲ触媒４におけるＮＨ３の目標貯蔵量を設定する。Ｓ５０に進んだ場合は、酸化触媒５が活性化していない温度におけるＮＨ３の目標貯蔵量を設定する。酸化触媒５が活性化していないので、上述のとおり、例えば急加速など何らかの理由で急激な温度上昇があってＳＣＲ触媒４でＮＨ３スリップが発生したら、酸化触媒５でのＮＨ３の浄化が行われるとはみなされない場合である。よってＳ５０では、ＳＣＲ触媒４におけるＮＨ３の目標貯蔵量の貯蔵可能量からの余裕分を大きくとる。

一方、Ｓ６０に進んだ場合は、酸化触媒５が活性化している温度におけるＮＨ３の目標貯蔵量を設定する。この場合は酸化触媒５が活性化しているので、上述のとおり、ＳＣＲ触媒４でＮＨ３スリップが発生しても、酸化触媒５でのＮＨ３の浄化が行われるとみなせる場合である。よってＳ６０では、ＳＣＲ触媒４におけるＮＨ３の目標貯蔵量の貯蔵可能量からの余裕分を小さくして、ＮＯｘ浄化率を高めるためにできるだけ多くのＮＨ３を貯蔵することを目指す。Ｓ５０とＳ６０での目標貯蔵量設定の具体例に関しては後述する。

続いてＳ７０からＳ９０でＥＣＵ７は、添加弁６からの尿素水添加量を算出する一連の処理を行う。まずＳ７０でＥＣＵ７は、ＳＣＲ触媒４におけるＮＨ３貯蔵量の現在値を推定する。具体的には、貯蔵量がゼロであるとみなされる時点を開始時点として、（ａ）エンジン２からのＮＯｘ排出量、（ｂ）ＳＣＲ触媒４下流へのＮＯｘ流出量、（ｃ）ＳＣＲ触媒４でのＮＯｘ浄化量、（ｄ）ＳＣＲ触媒４でのＮＨ３消費量、（ｅ）ＳＣＲ触媒４へのＮＨ３供給量、の各量を例えば所定周期で繰り返し算出して積算していく。

各量の算出を具体的に説明すると、（ａ）エンジン２からのＮＯｘ排出量は、エンジン２の運転状態（負荷、回転数）から例えばマップにより算出する。エンジン２の運転状態（負荷、回転数）とＮＯｘ排出量との関係を示すマップは予め求めておいてメモリ７０に記憶しておけばよい。（ｂ）ＳＣＲ触媒４下流へのＮＯｘ流出量は、ＮＯｘセンサ３１の計測値を取得すればよい。

（ｃ）ＳＣＲ触媒４でのＮＯｘ浄化量は、上記で求められた、（ａ）エンジン２からのＮＯｘ排出量から（ｂ）ＳＣＲ触媒４下流へのＮＯｘ流出量を減算することにより算出できる。（ｄ）ＳＣＲ触媒４でのＮＨ３消費量は、上記で求められた（ｃ）ＳＣＲ触媒４でのＮＯｘ浄化量から算出する。ＳＣＲ触媒４でのＮＯｘ浄化量とＮＨ３消費量との関係を示す数式やマップなどを予めメモリ７０に記憶しておけばよい。

（ｅ）ＳＣＲ触媒４へのＮＨ３供給量の算出では、添加弁６からの尿素水の添加量から、その結果生成されてＳＣＲ触媒４へ供給されるＮＨ３量を算出する。尿素水添加量から生成されるＮＨ３量を算出する数式は、予めメモリ７０に記憶しておけばよい。最終的に、以上により求められた（ｅ）ＳＣＲ触媒４へのＮＨ３供給量から（ｄ）ＳＣＲ触媒４でのＮＨ３消費量を減算することにより、ＳＣＲ触媒４でのＮＨ３貯蔵量（の推定値）が算出される。

次にＳ８０でＥＣＵ７は、ＳＣＲ触媒４における目標貯蔵量と現在のＮＨ３貯蔵量（の推定値）との偏差を求める。すなわち、Ｓ５０またはＳ６０で設定した目標貯蔵量から、Ｓ７０で算出した現在貯蔵量（の推定値）を減算する。

続いてＳ９０でＥＣＵ７は、Ｓ８０で算出した偏差分をＳＣＲ触媒４に（現在時点での貯蔵量に加えてさらに）貯蔵させるための尿素水添加量を算出する。具体的には、上記Ｓ７０における（ｅ）と同様に、尿素水添加量と、それから生成されるＮＨ３量との関係を示す数式などを予めメモリ７０に記憶しておき、その関係を用いて算出すればよい。

最後にＳ１００でＥＣＵ７は、添加弁６に対し、Ｓ９０で算出された尿素水添加量を実際に添加することを指令する。以上が図２の処理手順である。

図３から図５には、図２のＳ５０とＳ６０におけるＳＣＲ触媒４でのＮＨ３目標貯蔵量の設定の具体的な例が示されている。いずれも横軸をＳＣＲ触媒温度Ｔｓｃｒ、縦軸をＮＨ３貯蔵量（目標貯蔵量、あるいは貯蔵可能量）としている。横軸中に示された酸化触媒活性化温度が上述のＴｄｏｃである。したがって、図３から図５では、酸化触媒活性化温度よりも温度が低い部分（図示左側の部分）がＳ５０で設定される領域であり、酸化触媒活性化温度よりも温度が高い部分（図示右側の部分）がＳ６０で設定される領域である。

図３から図５のいずれにおいても、Ｓ５０、Ｓ６０で述べたように、酸化触媒活性化温度を境にして、それより温度が低い領域では、ＮＨ３目標貯蔵量の貯蔵可能量からの余裕分を、ＮＨ３スリップしたら酸化触媒５で浄化されないことを考慮して相対的に大きくし、酸化触媒活性化温度より温度が高い領域では、ＮＨ３スリップしたら酸化触媒５で浄化されるとみなせるので、より多くのＮＨ３貯蔵量によってより高いＮＯｘ浄化を目指して、余裕分を相対的に小さくしている。

そのような基本的な考え方に基き、図３の設定例では、酸化触媒活性化温度よりＳＣＲ触媒温度が低い領域で温度が低くなるほど、余裕分が大きくなるように設定している。（なお余裕（分）は、貯蔵可能量から目標貯蔵量を減算した数値そのものでも、それを百分率（％）で表した数値としてもよい。）図３のように設定することにより、酸化触媒活性化温度より低温領域での大きな余裕分によって（余裕分が温度に関わらず一定の場合と比較して）低温領域でＮＨ３スリップが起きる可能性を低減できる。

図３では余裕分を連続的に増加させているのに対し、図４の設定例では、酸化触媒活性化温度を境に、それよりＳＣＲ触媒温度が高い領域から低い領域へ余裕分を不連続に増加させている。これにより、酸化触媒活性化温度より低温領域で余裕分をさらに大きくして、低温領域でＮＨ３スリップが起きる可能性をさらに低減できる。

図５の設定例では、低温領域で目標貯蔵量を一定値としている。図５の例で本質的な点は、酸化触媒活性化温度よりもＳＣＲ触媒温度が低い領域では、一点鎖線で図示された直線Ｌよりも下になるように目標貯蔵量を設定することである。直線Ｌは、ＳＣＲ触媒温度が酸化触媒活性化温度である点での貯蔵可能量を図示左側に延長した線である。

あきらかに、直線Ｌよりも下になるように目標貯蔵量を設定すれば、酸化触媒活性化温度よりも低温度の領域ではＮＨ３スリップが起きない。よってＮＨ３スリップが起きる場合は酸化触媒活性化温度よりも高温度領域に限られるので、その場合は酸化触媒５が活性化されており、ＮＨ３スリップが起きてもＮＨ３は酸化触媒５で浄化されるとみなされる。したがって図５の例は、ＮＨ３スリップが起きてもエミッションの悪化が発生しないと考えられる例である。（ただし図５の場合、低温度領域ではＮＨ３貯蔵量が少なく、その結果ＮＯｘ浄化性能も低くなる。低温度でのＮＯｘ浄化に関しては図３、図４の方が優れている。）

なお図３、図４、図５の考え方を任意に組み合わせてもよい。すなわち、酸化触媒活性化温度よりＳＣＲ触媒温度が低い領域で温度が低くなるほど余裕分が大きくなるように設定すること、酸化触媒活性化温度を境に、それよりＳＣＲ触媒温度が高い領域から低い領域へ余裕分を不連続に増加させること、酸化触媒活性化温度よりもＳＣＲ触媒温度が低い領域では、ＳＣＲ触媒温度が酸化触媒活性化温度である点での貯蔵可能量以下に目標貯蔵量を設定すること、のうちのいずれか又は全てを組み合わせてもよい。

なお上記実施例は特許請求の範囲に記載された趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更できる。例えばエンジン２はディーゼルエンジンのみでなく、リーンバーンガソリンエンジンとしてもよい。また図３から図５は目標貯蔵量の設定例に過ぎず、ＳＣＲ触媒４におけるＮＨ３の目標貯蔵量を、その目標貯蔵量とＳＣＲ触媒４における最大貯蔵可能量との差である余裕分が、ＳＣＲ触媒４の温度が酸化触媒５の活性化温度より低い領域では相対的に大きく、活性化温度より高い領域では相対的に小さくなるように設定すればよい。

３ 排気管（排気通路）
４ ＳＣＲ触媒（ＮＯｘ触媒、第１触媒）
５ 酸化触媒（第２触媒）
６ 添加弁（供給手段）

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に備えられて、ＮＯｘを浄化する機能を有する第１触媒（４）と、
   その第１触媒よりも排気通路の上流に備えられて、ＮＯｘ浄化のための還元剤を前記第１触媒に供給する供給手段（６）と、
   前記第１触媒よりも排気通路の下流に配置されて、前記還元剤を浄化する機能を有する第２触媒（５）と、
   前記供給手段によって供給される還元剤の前記第１触媒における貯蔵量の目標値を、その目標値と前記第１触媒における最大貯蔵可能量との差である余裕分が、前記第１触媒の温度が前記第２触媒の活性化温度より低い領域では相対的に大きく、前記活性化温度より高い領域では相対的に小さくなるように設定する設定手段（７、Ｓ５０、Ｓ６０）と、
   を備え、
   前記設定手段（７、Ｓ５０、Ｓ６０）は、前記第２触媒の活性化温度より高い温度領域から前記活性化温度より低い温度領域にかけて、不連続に前記余裕分を大きく設定することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記設定手段（７、Ｓ５０、Ｓ６０）は、前記第２触媒の活性化温度より低い温度領域において、触媒温度が低いほど前記余裕分を大きく設定する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記設定手段（７、Ｓ５０、Ｓ６０）は、前記第２触媒の活性化温度より低い温度領域において、前記目標値を、前記活性化温度における最大貯蔵可能量よりも低く設定する請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記設定手段（７、Ｓ５０、Ｓ６０）において用いられる前記第２触媒の活性化温度の情報は、前記第１触媒と第２触媒との温度差を前記第２触媒の活性化温度に加算した数値である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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