(57)【要約】【課題】ＮＯｘ浄化反応が阻害されない内燃機関の排気浄化装置を提供する。【解決手段】エンジン２の排気系にＳＣＲ触媒７と、当該ＳＣＲ触媒７よりも上流側に酸化触媒８を有する排気浄化装置１において、酸化触媒８をバイパスする酸化触媒バイパス１５及び排気ガス流路を切替える切替弁１６を設けて、ＳＣＲ触媒７の温度が硝酸アンモニウムの融点より低い場合には、切替弁１６により排気ガスの流路を酸化触媒８側から酸化触媒バイパス１５側へ切り替えて、ＮＯｘの酸化（ＮＯ２の生成）を行わないようにする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気系に設けられアンモニアを還元剤にして排気ガス中のＮＯｘを選択還元するＮＯｘ触媒と、前記排気系のうち当該ＮＯｘ触媒よりも上流側に設けられる酸化触媒と、前記排気系のうち前記ＮＯｘ触媒よりも上流側であり前記酸化触媒よりも下流側に前記還元剤を供給する還元剤供給手段とを有する内燃機関の排気浄化装置において、
前記ＮＯｘ触媒の温度を検出又は推測する触媒温度検出手段と、
前記酸化触媒をバイパスする酸化触媒バイパスと、
前記内燃機関からの排気ガスの流路を前記酸化触媒または前記酸化触媒バイパスのいずれかに切り替える切替手段と、
前記触媒温度検出手段により検出又は推測されるＮＯｘ触媒の温度が所定温度より低いときに、前記内燃機関からの排気ガスが前記酸化触媒バイパスを通過するように前記切替手段を制御する切替制御手段とを備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
内燃機関の排気系に設けられアンモニアを還元剤にして排気ガス中のＮＯｘを選択還元するＮＯｘ触媒と、前記排気系のうち当該ＮＯｘ触媒よりも上流側に設けられる酸化触媒と、前記排気系のうち前記ＮＯｘ触媒よりも上流側であり前記酸化触媒よりも下流側に前記還元剤を供給する還元剤供給手段とを有する内燃機関の排気浄化装置において、
前記ＮＯｘ触媒の温度を検出又は推測する触媒温度検出手段と、
前記触媒温度検出手段により検出又は推測されるＮＯｘ触媒の温度が所定温度より低く、かつ当該所定温度より低い状況が所定時間以上継続したときに、前記ＮＯｘ触媒の温度を前記所定温度以上となるよう制御する触媒再生制御手段とを備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
請求項２に記載する内燃機関の排気浄化装置において、
前記触媒再生制御手段は、前記触媒温度検出手段により検出又は推測されるＮＯｘ触媒の温度が所定温度より低く、かつ当該所定温度より低い状況が所定時間以上継続したときに、前記内燃機関からの排気ガスの温度を上昇させて、前記ＮＯｘ触媒の温度を前記所定温度以上となるように制御することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに係る内燃機関の排気浄化装置において、
前記所定温度は、硝酸アンモニウムが融解する温度であることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気ガスには、ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）及びＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｍａｔｔｅｒ：パティキュレート）等の汚染物質が含まれる。これらの汚染物質の中でもＮＯｘは、酸化触媒やガソリン自動車で実用化されている三元触媒では浄化が難しく、ＮＯｘを浄化することができる有望な触媒として選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）の開発が行われている。
【０００３】
ＳＣＲ触媒はアンモニアなどの還元剤の存在下でＮＯｘを浄化する触媒である。尿素タンクからＳＣＲ触媒の上流側の排気系に添加された尿素水は、排気ガスの熱により加水分解されアンモニアを生成する。このアンモニアがＳＣＲ触媒で排気ガス中のＮＯｘと反応することにより排気ガス中のＮＯｘが浄化される。
【０００４】
このＮＯｘの浄化反応については、排気ガス中のＮＯｘにおけるＮＯ（一酸化窒素）とＮＯ２（二酸化窒素）との比が１：１のときに、最もＮＯｘ浄化反応が良いことが知られている。しかしながら、内燃機関から排出されるＮＯｘはほとんどがＮＯである。このため、ＳＣＲ触媒の上流側に酸化触媒を設けてＮＯの一部をＮＯ２に酸化することにより、排気ガス中のＮＯとＮＯ２との比を１：１に近づけるようにしている。
【０００５】
しかしながら、この酸化触媒により発生させたＮＯ２は、ディーゼルエンジンのような比較的低温の排気ガス環境下においては、還元剤として供給されるアンモニアとの反応により、硝酸アンモニウムを生成することが分かっている。この硝酸アンモニウムは、融点である１７０℃より低温では触媒上に固形物として堆積し、触媒の細孔を詰まらせたり、触媒表面を覆ってしまうことにより、ＮＯｘ浄化反応を阻害するおそれがある。
【０００６】
本願発明は以下詳細に説明するが、本願発明に関連する文献公知発明としては、リーンＮＯｘ触媒をバイパスする触媒バイパス手段を設ける技術がある（下記、特許文献１参照。）。しかしながら、本技術はリーンＮＯｘ触媒の熱劣化を抑えつつ、高いＮＯｘ浄化率を得ることを目的としており、硝酸アンモニウムによるＮＯｘ浄化反応の阻害を解決する技術ではない。
【０００７】
【特許文献１】
特開平５−３１２０２７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記状況に鑑みてなされたものであり、硝酸アンモニウムによりＮＯｘ浄化反応が阻害されない内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題解決するための手段】
上記課題を解決する第１の発明は、内燃機関の排気系に設けられアンモニアを還元剤にして排気ガス中のＮＯｘを選択還元するＮＯｘ触媒と、前記排気系のうち当該ＮＯｘ触媒よりも上流側に設けられる酸化触媒と、前記排気系のうち前記ＮＯｘ触媒よりも上流側であり前記酸化触媒よりも下流側に前記還元剤を供給する還元剤供給手段とを有する内燃機関の排気浄化装置において、
前記ＮＯｘ触媒の温度を検出又は推測する触媒温度検出手段と、
前記酸化触媒をバイパスする酸化触媒バイパスと、
前記内燃機関からの排気ガスの流路を前記酸化触媒または前記酸化触媒バイパスのいずれかに切り替える切替手段と、
前記触媒温度検出手段により検出又は推測されるＮＯｘ触媒の温度が所定温度より低いときに、前記内燃機関からの排気ガスが前記酸化触媒バイパスを通過するように前記切替手段を制御する切替制御手段とを備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。
【００１０】
ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率を向上させるため、ＮＯｘ触媒の上流側に酸化触媒を設置してＮＯｘの一部をＮＯ２に酸化しているが、ＮＯｘ触媒の温度が所定温度よりも低い場合には、このＮＯ２と還元剤であるアンモニアとの反応により生成される硝酸アンモニウムがＮＯｘ浄化反応を阻害する。そこで、第１の発明では、ＮＯｘ触媒の温度が所定温度より低い場合には、排気ガスの流路を酸化触媒側から酸化触媒バイパス側へ切り替えて、ＮＯｘの酸化（ＮＯ２の生成）を行わないようにする。
【００１１】
切替手段は、内燃機関からの排気ガスの流路を酸化触媒または酸化触媒バイパスのいずれかに切り替える機能を有するが、当該機能としては、流路を完全に切り替える機能のほかに、酸化触媒と酸化触媒バイパスとを流れる排気ガスの流量比を制御する機能であっても良い。
【００１２】
上記課題を解決する第２の発明は、内燃機関の排気系に設けられアンモニアを還元剤にして排気ガス中のＮＯｘを選択還元するＮＯｘ触媒と、前記排気系のうち当該ＮＯｘ触媒よりも上流側に設けられる酸化触媒と、前記排気系のうち前記ＮＯｘ触媒よりも上流側であり前記酸化触媒よりも下流側に前記還元剤を供給する還元剤供給手段とを有する内燃機関の排気浄化装置において、
前記ＮＯｘ触媒の温度を検出又は推測する触媒温度検出手段と、
前記触媒温度検出手段により検出又は推測されるＮＯｘ触媒の温度が所定温度より低く、かつ当該所定温度より低い状況が所定時間以上継続したときに、前記ＮＯｘ触媒の温度を前記所定温度以上となるよう制御する触媒再生制御手段とを備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。
【００１３】
ＮＯｘ触媒の温度が所定温度より低く、かつ当該所定温度より低い状況が所定時間以上継続した場合には、生成した硝酸アンモニウムによりＮＯｘ浄化率が低下しているおそれがある。そこで、第２の発明では、ＮＯｘ触媒について所定温度より低い状況が所定時間以上継続した場合には、ＮＯｘ触媒の温度を前記所定温度以上となるように制御して、ＮＯｘ触媒上に生成した硝酸アンモニウムを除去する。ＮＯｘ触媒の温度を制御する手段としては、ヒーター等により直接加熱する手段や、温度を上昇させた排気ガスにより加熱する手段（下記第３の発明を参照）が挙げられる。
【００１４】
上記課題を解決する第３の発明は、第２の発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、
前記触媒再生制御手段は、前記触媒温度検出手段により検出又は推測されるＮＯｘ触媒の温度が所定温度より低く、かつ当該所定温度より低い状況が所定時間以上継続したときに、前記内燃機関からの排気ガスの温度を上昇させて、前記ＮＯｘ触媒の温度を前記所定温度以上となるように制御することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。
【００１５】
排気ガスの温度を上昇させる手段としては、例えば、ＥＧＲ制御弁、吸気スロットル弁又は排気ブレーキ弁を閉じる、ＶＧ（Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｇｅｏｍｅｔｒｙ）ターボのノズルベーン開度を大きくする等してエンジン負荷を大きくしたり、燃料噴射系の制御、例えば、タイミングリタード、アフター噴射又はポスト噴射等の噴射制御等をすることが挙げられる。
【００１６】
上記課題を解決する第４の発明は、第１ないし第３のいずれかの発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、
前記所定温度は、硝酸アンモニウムが融解する温度であることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。
【００１７】
硝酸アンモニウムによるＮＯｘ浄化反応の阻害は、主として硝酸アンモニウムがＮＯｘ触媒上で固体状態となることにより起こるため、硝酸アンモニウムが融解する温度を所定温度とする。詳細には、硝酸アンモニウムの融点は約１７０℃であるが、排気系内の圧力等の影響により変化するため、１６０℃〜１８０℃の範囲を設定することが好ましい。
【００１８】
また、固体状態から融解した液体状態の硝酸アンモニウムもＮＯｘ浄化反応を阻害するおそれがあり、ＮＯｘ触媒上から完全に硝酸アンモニウムを除去可能な温度として、硝酸アンモニウムがガス化又は分解する温度を所定温度に設定しても良い。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。
図１は、本発明の実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を示した構成図である。同図に示すように、排気浄化装置１は、内燃機関としてのエンジン２の排気系に設けられたＮＯｘ触媒としてのＳＣＲ触媒７と、排気系のうちＳＣＲ触媒７よりも上流側に設けられた酸化触媒８と、排気系のうちＳＣＲ触媒７よりも上流側であり酸化触媒８よりも下流側に還元剤としてのアンモニアを供給する還元剤供給手段としての尿素添加装置９等と、酸化触媒８をバイパスする酸化触媒バイパス１５と、酸化触媒バイパス１５における上流側に設けられエンジン２からの排気ガスの酸化触媒バイパス１５への流入を制御する切替手段としての切替弁１６と、尿素添加装置９に内蔵され所定の条件によって切替弁１６を制御する切替制御手段とから構成される。
【００２０】
エアクリーナー３から吸引された空気は、ターボチャージャー４によって過給され、インタークーラー５を介してエンジン２に供給された後、エンジン２内で燃料と共に燃焼し、排気ガスとして排気系へ排出される。
【００２１】
還元剤供給手段は、還元剤としてのアンモニアの素となる尿素水を貯蔵する尿素タンク１０と、ＳＣＲ触媒７の温度を検出又は推測する触媒温度検出手段としての触媒温度センサ１３と、エア１１と混合された尿素水を排気系におけるＳＣＲ触媒７の上流側に供給する尿素噴射ノズル１２と、触媒温度センサ１３により推測される温度により添加する尿素量を制御する尿素添加装置９とから構成される。
【００２２】
触媒温度センサ１３は、ＳＣＲ触媒７の上流側と下流側とに設けられ、当該２つのポイントにおける排気ガスの温度の平均値をＳＣＲ触媒７の温度として推測している。なお、触媒温度センサとしては、ＳＣＲ触媒７の温度を直接検出できるセンサであってもよい。
【００２３】
また、ＳＣＲ触媒７の下流側には、酸化触媒１４が設けられ、過剰な尿素水の添加による余剰のアンモニア（アンモニアスリップの発生）を分解するようになっている。なお、アンモニアスリップを発生させない尿素水添加制御を行うことができる還元剤供給手段であれば、酸化触媒１４を省略することができる。
【００２４】
尿素添加装置９は、切替制御手段としての機能も有し、触媒温度センサ１３により推測されるＳＣＲ触媒７の温度が所定温度よりも低い場合には、切替弁１６を開弁し、エンジン２からの排気ガスを酸化触媒バイパス１５へ流入させると共に、ＳＣＲ触媒７の温度が所定温度以上の場合には、切替弁１６を閉弁して排気ガスが酸化触媒８を通過するようにする。
【００２５】
本実施形態では、切替手段として切替弁１６を酸化触媒バイパス１５にのみ設けている。このため、切替弁１６を開弁すると酸化触媒８と酸化触媒バイパス１５とが排気ガスの流路となるが、酸化触媒８側の流路は排気抵抗があるため、排気ガスは主として酸化触媒バイパス１５を流れるようになる。また、切替弁１６の開度を調整することにより、酸化触媒８と酸化触媒バイパス１５とを流れる排気ガスの流量比を制御することができる。切替手段の他の例としては、排気系における酸化触媒８と酸化触媒バイパス１５との分岐部分に切替弁を設けて、完全に流路を切り替えるタイプのものであってもよい。
【００２６】
切替制御手段としての尿素添加装置９は、ＳＣＲ触媒７の温度が所定温度以上か否かにより切替弁１６の開閉制御を行うが、この所定温度としては、アンモニアとＮＯ２との反応により生成する硝酸アンモニウムが融解する温度を設定してある。すなわち、切替制御手段は、ＳＣＲ触媒７の温度が硝酸アンモニウムの融点よりも低い場合には、切替弁１６を開弁し、エンジン２からの排気ガスを酸化触媒バイパス１５へ流入させると共に、ＳＣＲ触媒７の温度が硝酸アンモニウムの融点以上の場合には、切替弁１６を閉弁して排気ガスが酸化触媒８を通過するように制御する。
【００２７】
この結果、ＳＣＲ触媒７の温度が硝酸アンモニウムの融点以上の場合には、切替弁１６が閉弁して排気ガスの流路を酸化触媒８側へ切り替え、酸化触媒８によりＮＯｘの一部を酸化してＮＯ２とすることにより、ＳＣＲ触媒７におけるＮＯｘ浄化率を向上させることができる。この際にＮＯ２とアンモニアとの反応により硝酸アンモニウムが発生した場合であっても、硝酸アンモニウムは少なくとも固体状態となることはないため、ＳＣＲ触媒７の浄化反応が阻害されるおそれはない。
【００２８】
一方、ＳＣＲ触媒７の温度が硝酸アンモニウムの融点より低い場合には、切替弁１６が開弁して排気ガスの流路を酸化触媒バイパス１５側へ切り替えることにより、硝酸アンモニウムの生成原因となるＮＯ２自体の生成を抑制する。この結果、硝酸アンモニウムの発生を抑制してＳＣＲ触媒７の浄化反応が阻害されることを防ぐことができる。
【００２９】
次に、他の実施例について説明する。図２は、従来のＳＣＲ触媒におけるＳＣＲ触媒の温度とＮＯｘ浄化率との関係図である。従来のＳＣＲ触媒浄化システムを用いて、ＳＣＲ触媒の温度が平均１５５℃、１６７℃、１８４℃となるような３つの条件で排気ガスのＮＯｘ浄化試験を行うと共に、各試験条件において同一のＳＣＲ触媒を再生せずに３回テストを繰り返した場合のＮＯｘ浄化率の変化を試験した。
【００３０】
同図に示すように、ＳＣＲ触媒の温度が高いほどＮＯｘ浄化率が高く、１８４℃では６０％以上のＮＯｘ浄化率となることが分かる。更に、ＳＣＲ触媒の温度が平均１８４℃の条件では、３回の繰り返し試験に対してＮＯｘ浄化率の変化が見られなかったのに対して、平均温度１５５℃、１６７℃の条件では、試験を繰り返すごとにＮＯｘ浄化率が低下することが分かる。
【００３１】
この繰り返し試験によるＮＯｘ浄化率の低下は、低温時の硝酸アンモニウムの挙動によるものと考えられる。すなわち、ＮＯ２とアンモニアとの反応により生成した硝酸アンモニウムが、試験の繰り返しによりＳＣＲ触媒上に固形物として堆積する結果、触媒機能が低下してＮＯｘ浄化率が低下したものと考えられる。
【００３２】
そこで、他の実施例においては、図１に示した酸化触媒バイパス１５、切替弁１６及び切替制御手段の代わりに「触媒再生制御手段」を設けて、ＳＣＲ触媒について所定温度（例えば、硝酸アンモニウムの融点）より低い状況が所定時間以上継続したときには、ＳＣＲ触媒上に堆積した硝酸アンモニウムによりＮＯｘ浄化率が低下しているおそれがあるため、ＳＣＲ触媒の温度を所定温度以上となるように制御する。
【００３３】
ＳＣＲ触媒の温度を所定温度以上とする制御は、ＳＣＲ触媒上に堆積した硝酸アンモニウムを加熱除去する、言わば、ＳＣＲ触媒の再生処理に相当する制御である。この制御により、図２のＳＣＲ平均温度１５５℃、１５７℃の試験例に示すようなＮＯｘ浄化率が低下したＳＣＲ触媒（例えば、試験３回目のデータを参照）を、当該触媒温度に見合ったＮＯｘ浄化率が得られるＳＣＲ触媒（例えば、試験１回目のデータを参照）に再生することができる。
【００３４】
ＳＣＲ触媒の温度が所定温度以上となるように制御する手段としては、ヒーター等により直接加熱する手段が挙げられる。この場合には、触媒再生制御手段は、例えば、触媒温度センサと、ＳＣＲ触媒を加熱するヒーターと、等から構成される。
【００３５】
また、ＳＣＲ触媒の温度が所定温度以上となるように制御する他の手段としては、温度を上昇させた排気ガスにより加熱する手段が挙げられる。排気ガスの温度を上昇させる手段としては、例えば、ＥＧＲ制御弁（図１の符号６参照）、排気ブレーキ（図１の符号１７参照）を閉じる、ＶＧターボ（図１の符号４参照）のノズルベーン開度を大きくする等してエンジン負荷を大きくすること等が挙げられる。この場合には、触媒再生制御手段は、例えば、触媒温度センサと、エンジンの種々の制御を行うエンジンＥＣＵと、等から構成される。
【００３６】
ＳＣＲ触媒の温度が所定温度以上になるように制御する際の制御時間は、例えば、堆積したと推定される硝酸アンモニウム量を完全に除去することができる時間（実験的に求められた時間）を設定する。
【００３７】
ＳＣＲ触媒について所定温度より低い状況が所定時間以上継続したと判断する際の「所定時間」としては、例えば、所定温度より低いある温度においてＳＣＲ触媒上に堆積する硝酸アンモニウムにより低下したＮＯｘ浄化率が許容限度となる時間を基準として設定する。すなわち、ＳＣＲ触媒温度を一定として排気ガスを浄化したときの積算時間とＮＯｘ浄化率の変化との関係を予め調べておき、ＮＯｘ浄化率が許容限度まで低下する時間を設定する。
【００３８】
所定温度より低い状況が所定時間継続する前に、所定温度以上となった場合であっても、当該所定温度以上となった時間が短い（例えば一瞬）と、ＳＣＲ触媒上に堆積した硝酸アンモニウムが排気熱により完全に除去しきれないまま、触媒再生制御手段は所定時間のカウントをリセットして再びゼロからカウントしてしまう。この場合には、完全に再生されたＳＣＲ触媒の状態をゼロとして時間計算ができなくなってしまうため、所定時間のカウントをリセットせずに、そのままカウントを継続してもよい。
【００３９】
【発明の効果】
第１の発明によれば、ＮＯｘ触媒の上流側に酸化触媒を設けた内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯｘ触媒の温度が所定温度より低いときには、内燃機関からの排気ガスが酸化触媒バイパスを通過するようにして、ＮＯｘの酸化（ＮＯ２の生成）を行わないようにしたので、ＮＯ２を素として生成される硝酸アンモニウムによるＮＯｘ浄化反応の阻害を防止することができると共に、所定温度以上のときには排気ガスが酸化触媒を通過するように制御するためＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率を向上させることができる。
【００４０】
第２の発明によれば、ＮＯｘ触媒の上流側に酸化触媒を設けた内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯｘ触媒の温度が所定温度より低く、かつ当該所定温度より低い状況が所定時間以上継続したときには、ＮＯｘ触媒の温度を前記所定温度以上となるように制御することとしたので、ＮＯｘ触媒上に生成した硝酸アンモニウムを除去してＳＣＲ触媒を再生し、ＮＯｘ浄化率を高い状態で維持することができる。
【００４１】
第３の発明によれば、第２の発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、内燃機関からの排気ガスの温度を上昇させて、ＮＯｘ触媒の温度を前記所定温度以上となるように制御することとしたので、新たに加熱装置などを付加することなく、エンジン制御等の簡単な手段によりＮＯｘ浄化率を高い状態で維持することができる。
【００４２】
第４の発明によれば、第１ないし第３のいずれかの発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、硝酸アンモニウムが融解する温度を「所定温度」として設定したので、主として硝酸アンモニウムがＮＯｘ触媒上で固体状態となることにより引き起こされるＮＯｘ浄化反応の阻害を効果的に防止することができる。更に、硝酸アンモニウムがガス化又は分解する温度を「所定温度」として設定した場合には、ＮＯｘ触媒から完全に硝酸アンモニウムを除去又は付着することを防止することができるため、より効果的にＮＯｘ浄化反応の阻害を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】ＳＣＲ触媒の温度とＮＯｘ浄化率との関係図である。
【符号の説明】
１  排気浄化装置
２  エンジン
７  ＳＣＲ触媒
８  酸化触媒（前段）
９  尿素添加装置
１０  尿素タンク
１２  尿素噴射ノズル
１３  触媒温度センサ
１４  酸化触媒（後段）
１５  酸化触媒バイパス
１６  切替弁
【図１】
2004346794.tif 000003
【図２】
2004346794.tif 000004