JP2003120279A

JP2003120279A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2003120279A
Application number: JP2001309347A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Oki; 久大木; Masaaki Kobayashi; 正明小林; Hisafumi Magata; 尚史曲田; Daisuke Shibata; 大介柴田; Shinobu Ishiyama; 忍石山; Akihiko Negami; 秋彦根上
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-10-05
Filing date: 2001-10-05
Publication date: 2003-04-23

Abstract

(57)【要約】【課題】ＮＯｘ吸収材に還元剤を添加し、ＮＯｘを放出
して還元を行う過程を有する排気浄化装置において、還
元剤を排気集合管付近で添加する際に排気集合管温度が
所定の温度以下になると還元剤が液化して排気集合管内
部に溜まり、次に内燃機関が高負荷状態になった際に、
液化した還元剤が白煙化して大気に放出される。【解決手段】触媒流入ガス温度と排気集合管内部温度に
は、触媒流入ガス温度≧排気集合管内部温度、の関係が
成り立つことから触媒流入ガス温度を測定して、この温
度が所定の温度以下に下がった場合には排気集合管内部
温度も所定の温度以下と見なし、排気集合管においての
還元剤添加を制限することにより、排気集合管内部での
還元剤の液化を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の排気を
浄化する技術に関し、特に、添加還元剤の液化防止技術
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車等に搭載される内燃機関で
は、内燃機関より排出される排気を大気中に放出する前
に、排気中に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素
（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等の有毒ガス成分を浄
化又は除去することにより排気ミッションを向上させる
ことが要求されている。

【０００３】特に、軽油を燃料とする圧縮着火式のディ
ーゼル機関では、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（Ｈ
Ｃ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等に加え、排気中に含まれ
る煤や，ＳＯＦ（Solbule Organic Fraction）等の粒子
状物質（ＰＭ：Particulate Matter）と呼ばれる微粒子
を浄化若しくは除去することが重要である。

【０００４】このため、ディーゼル機関では、ＣＯ、Ｈ
Ｃ、ＮＯｘ等を浄化若しくは除去する除去装置と共に、
微粒子状物質を浄化若しくは除去する装置であるパティ
キュレートフィルタを排気通路に配置している。

【０００５】このうち、ＣＯ、ＨＣ、及びＮＯｘについ
ては、例えば酸素の存在下でＮＯｘを吸収する能力を有
するＮＯｘ吸収剤と、ＨＣ、ＣＯを酸化させる能力を有
する貴金属触媒とを併せて担持したものにより、酸化、
還元反応を行うことで浄化若しくは除去することが可能
である。

【０００６】前記のＮＯｘ吸収剤は、排気中の酸素濃度
が高い状態ではＮＯｘを吸収し、排気中の酸素濃度が低
い状態ではＮＯｘを放出する特性を有する。また、排気
中にＮＯｘが放出されたとき、排気中にＨＣやＣＯ等が
存在していれば、貴金属触媒がこれらＨＣやＣＯの酸化
反応を促進することで、ＮＯｘを酸化成分、ＨＣやＣＯ
を還元成分とする酸化還元反応が両者間で発生する。す
なわち、ＨＣやＣＯはＨＯやＣＯ₂に酸化され、ＮＯｘ
はＮ₂に還元される。

【０００７】ところで、ＮＯｘ触媒（ＮＯｘ吸収剤）は
排気中の酸素濃度が高い状態にあるときでも所定の限界
量のＮＯｘを吸収すると、それ以上ＮＯｘを吸収しなく
なる。そこで、このようなＮＯｘ触媒を排気通路に備え
た内燃機関では、同ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収量が限界量
に達する前に、排気通路のＮＯｘ触媒上流に燃料等の還
元剤を添加することで、ＮＯｘ触媒に吸収されたＮＯｘ
を放出及び還元浄化し、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収能力を
回復させるといった制御を所定のインターバルで繰り返
し行っている。

【０００８】また、ＮＯｘ触媒は、このようなＮＯｘの
浄化を行う過程で、副次的に活性酸素を生成する特性を
有する。この活性酸素は、酸化剤として極めて高い反応
性（活性）を有するため、パティキュレートフィルタに
捕捉された微粒子状物質のうち、ＮＯｘ触媒の表面や近
傍に退席した微粒子は、この活性酸素と速やかに反応
し、浄化されることとなる。

【０００９】よって、ＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣ、及び微粒子
状物質を連続して浄化するに際して、ＮＯｘのＮＯｘ触
媒による吸蔵還元作用が重要な問題となる。特に還元作
用においてはＮＯｘ触媒に流入する排気の酸素濃度が低
下し、且つＨＣ、ＣＯ等の還元成分が存在する必要があ
る。

【００１０】前記還元成分は元々排気ガス内に含まれて
いるものであるが、ディーゼルエンジン等の希薄燃焼を
行うエンジンにおいては、還元するＮＯｘと反応するに
当たっての必要量よりも不足しており、不足分を補う手
段として還元剤である燃料等を排気通路内に噴射ノズル
等で添加することにより、不足する還元剤を補う手段が
ある。

【００１１】この還元剤を添加する方法においては添加
ノズルをＮＯｘ触媒の直前の排気通路に設置していた
が、燃料ポンプから添加ノズルまでの採り回しの問題
や、事故時等の安全性の問題から添加ノズルを排気通路
上でＮＯｘ触媒直前から上流に位置する排気集合管の位
置に設置することとなった。

【００１２】添加ノズルの位置を集合管の位置に移すこ
とにより、還元剤を圧送するポンプから添加ノズルまで
の距離が短くなり、取り回しが簡単になること、添加位
置の温度が高く、より霧状化し易くなることや、過給器
（ターボチャージャ）を装備している場合には、ターボ
チャージャ内のタービンホイールにより還元剤を含む排
気が乱されて霧状化が進み、還元剤を均一に含んだ状態
にし易くなる、等の利点がある。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、集合管位置
で還元剤を添加した際に、内燃機関の低負荷運転によ
り、集合管の温度が低い場合には、集合管内部において
還元剤が液化し、液滴となって集合管内面に付着する場
合がある。

【００１４】特にターボチャージャ等を装着している場
合などは集合管の取り回しの関係で集合管の流れ方向が
下方に流れた後に上方を向いて流れるため、下方から上
方へ向く際の曲がり箇所において、トラップの役割を果
たし、その曲がり箇所へ還元剤が溜まる場合がある。

【００１５】集合管内部に還元剤が溜まった状態で内燃
機関を急激に高負荷運転状態にすると、曲がり箇所へ溜
まった還元剤が急激に加圧、加熱されて白煙等になり、
そのまま触媒で反応せずに排気される問題がある。

【００１６】また、元々気体の圧力により回転するよう
設計されているターボチャージャのタービンブレードに
液体である還元剤が接触することにより、ブレードに煤
等の付着を招き、効率の低下を発生し易くなる。

【００１７】本発明はこのような問題に鑑みてなされた
ものであって、集合管位置に有する還元剤添加ノズルよ
り噴霧される還元剤が液状に排気管内に溜まることを防
止することを課題とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明は、排気系に設けられたＮＯｘ吸収材に対す
る還元制御、若しくは昇温制御を行うための還元剤添加
装置を排気集合管に設けた内燃機関の排気浄化装置であ
って、排気集合管の壁内部表面温度を推定する内面温度
推定手段と、該内面温度推定手段により推定された温度
が予め定められた温度以下の場合は、還元剤添加装置に
より添加される還元剤添加量を抑制する還元剤添加量抑
制手段とを備えることとした。

【００１９】要は、排気集合管の内面温度が噴射した還
元剤の液化するような温度のとき、還元剤添加量を抑制
して液化した還元剤が排気管内面に不要に付着しないよ
うにする方法を提供するのである。

【００２０】よって、制御の分岐点となる所定温度と
は、還元剤の蒸発温度、あるいは凝縮温度、及びその近
傍の温度が好ましい。例えば、軽油を還元剤として添加
する場合に、下記の実施の形態での例のように１７０℃
を基準とすると良い。もちろん、１７０℃に限定される
ものではなく、付着する液化還元剤量に鑑みて適宜分岐
点となる温度を設定することが望まれる。

【００２１】ここで、内壁温度を検出する対象となる排
気管としてはとりわけ排気集合管（排気マニホールド）
であることが好ましい。排気集合管はその取付け位置の
構造上、屈曲せざるを得ず、液化した燃料が溜まり易い
からである。排気管・排気集合管の温度を測定する手段
としては、直接センサ等で排気管・排気集合管の温度を
測定しても良いが、排気管・排気集合管は排気ガスより
熱容量が大きく、そのために排気ガス温度が排気管・排
気集合管内面温度より低くなることは殆ど無い。よって
排気通路内部を流れる排気ガス温度より排気管・排気集
合管内面の温度を推定しても良い。

【００２２】尚、排気管の内面温度の検出は、所定の期
間行い、その検出期間中に、連続して所定の温度以下の
場合には還元剤の添加量を抑制することが望ましい。ま
た、還元剤の添加量の抑制とは、添加量を減らすこと、
場合によっては還元剤の添加を禁止することをいう。

【００２３】本発明では、排気通路内の還元剤添加位置
において、還元剤が気化しない温度の場合、あるいは気
化していた還元剤が凝縮して液化してしまう温度の場
合、還元剤が排気通路内に液化して溜まることをできる
だけ抑制することが可能となる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る内燃機関の排
気浄化装置を、ディーゼルエンジンシステムに適用した
実施の形態について説明する。

【００２５】図１において、内燃機関（以下、エンジン
という）１は、燃料供給系１０，燃焼室２０，吸気系３
０及び排気系４０等を主要部として構成される直列４気
筒のディーゼルエンジンシステムである。

【００２６】燃料供給系１０はサプライポンプ１１，蓄
圧室（コモンレール）１２、燃料噴射弁１３、遮断弁１
４、燃料添加ノズル１６、機関燃料通路Ｐ１及び添加燃
料通路Ｐ２等を備えて構成される。

【００２７】サプライポンプは燃料タンク（図外）から
くみ上げた燃料を高圧にし、機関燃料通路Ｐ１を介して
コモンレール１２に供給する。、コモンレール１２はサ
プライポンプ１１から供給された高圧燃料を所定の圧力
に保持（蓄圧）する機能を有し、この蓄圧した燃料を核
燃料噴射弁１３に分配する。燃料噴射弁１３はその内部
に電磁ソレノイド（図外）を備えた電磁弁であり、適宜
開弁して燃焼室２０内に燃料を供給噴射する。

【００２８】他方、サプライポンプ１１は、燃料タンク
からくみ上げた燃料の一部を添加燃料通路Ｐ２を介して
燃料添加ノズル１７に供給する。燃料通路Ｐ２にはサプ
ライポンプ１１から燃料添加ノズル１７に向かって遮断
弁１４が配設されている。遮断弁１４は緊急時におい
て、添加燃料通路Ｐ２を遮断し、燃料供給を中止する。
燃料添加ノズル１７は燃料噴射弁１３と同様な電磁弁で
あり、排気系４０内に還元剤としての燃料を噴射添加す
る本発明でいう還元剤添加手段である。

【００２９】吸気系３０は、各燃焼室２０内に供給され
る吸気空気の通路（吸気通路）形成する。一方、排気系
４０は、各燃焼室２０から排出される排気ガスの通路
（排気通路）を形成する。

【００３０】また、このエンジン１には、周知の過給器
（ターボチャージャ）５０が備えられている。ターボチ
ャージャ５０は、シャフト５１を介して連結された二つ
のタービンホイール５２，５３を備える。一方のタービ
ンホイール（吸気側タービンホイール）５３は吸気系３
０内の吸気に晒され、他方のタービンホイール８排気側
タービンホイール）５２は排気系４０内の排気に晒され
る。このような機械を有するターボチャージャ５０は、
排気側タービンホイール５３が受ける排気流（配気圧）
を利用して吸気側タービンホイール５２を回転させ、吸
気圧を高める効果（過給効果）を有する。

【００３１】吸気系３０において、ターボチャージャ５
０に設けられたインタークーラ３１は、過給によって昇
温した吸入空気を強制冷却する。インタークーラ３１よ
りも更に下流に設けられたスロットル弁３２は、その開
度を無段階に調節することができる電子制御式の開閉弁
であり、所定の条件下において吸入空気の流路面積を絞
り、同吸入空気の供給量を調整（低減）する機能を有す
る。

【００３２】また、エンジン１には、燃焼室２０の上流
（吸気系３０）及び下流（排気系４０）をバイパスする
排気環流通路（ＥＧＲ通路）６０が形成されている。こ
のＥＧＲ通路６０は、排気の一部を適宜吸気系３０に戻
す機能を有する。ＥＧＲ通路６０には、電子制御によっ
て無段階に開閉され、同通路を流れる排気流量を自在に
調節することが可能なＥＧＲ弁６１と、ＥＧＲ通路６０
を通過（環流）する排気を冷却するためのＥＧＲクーラ
６２が設けられている。

【００３３】また、排気系４０において、燃焼室より接
続する排気集合管４０ａ、排気側タービンホイール５２
が設けられた部位より下流側には、排気の流路に沿って
排気通路４０ｂ、ＮＯｘ触媒ケーシング４２、４０ｃが
順次連結されている。ＮＯｘ触媒ケーシング４２には、
排気中に含まれるＮＯｘ等の有害成分を浄化する吸蔵還
元型ＮＯｘ触媒及び、排気中に含まれる煤等の微粒子を
ＮＯｘ等の有害成分と併せて浄化するパティキュレート
フィルタが収容されている。

【００３４】また、エンジン１の各部位には、各種セン
サが取り付けられており、当該部位の環境条件やエンジ
ン１の運転状態に関する信号を出力する。

【００３５】すなわち、レール圧センサ７０は、コモン
レール１２内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出
信号を出力する。燃圧センサ７１は、添加燃料通路Ｐ２
内を流通する燃料のうち、燃料添加ノズル１７へ導入さ
れる燃料の圧力（燃圧）Ｐｇに応じた検出信号を出力す
る。エアフローメータ７２は、吸気系３０内のスロット
ル弁３２下流において吸入空気の流量（吸気量）Ｇａに
応じた検出信号を出力する。空燃比（Ａ／Ｆ）センサ７
３は、排気系４０の触媒ケーシング４２下流において排
気中の酸素濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出
力する。排気温度センサ７４は、同じく排気系４０の触
媒ケーシング４２下流において排気の温度（排気温度）
ＴＥＸに応じた検出信号を出力する。ＮＯｘセンサ７５
は、同じく排気系４０の触媒ケーシング４２下流におい
て排気中のＮＯｘ濃度に応じて連続的に変化する検出信
号を出力する。温度センサ７８は触媒ケーシング４２上
流において流入する排気温度を測定する。

【００３６】また、アクセル開度センサ７６はエンジン
１のアクセルペダル（図外）に取り付けられ、同ペダル
の踏み込み量ＡＣＣに応じた検出信号を出力する。クラ
ンク角センサ７７は、エンジン１の出力軸（クランクシ
ャフト）が一定角度回転する毎に検出信号（パルス）を
出力する。これら各センサ７０〜７８は、電子制御装置
（ＥＣＵ）８０と電気的に接続されている。

【００３７】ＥＣＵ８０は中央演算処理装置（ＣＰ
Ｕ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセ
スメモリ（ＲＡＭ）及びバックアップＲＡＭ、タイマー
カウンタ等と、Ａ／Ｄ変換器を含む外部入力回路と、外
部出力回路とが、双方向性バスにより接続されて構成さ
れる論理演算回路を備える。

【００３８】ＥＣＵ８０は、前記各種センサの検出信号
を外部入力回路を解して入力し、これら信号に基づいて
エンジン１の燃料噴射等についての基本制御を行う他、
還元剤（還元剤として機能する燃料）添加に係る添加タ
イミングや添加量の決定等に関する還元剤（燃料）添加
制御等、エンジン１の運転状態に関係する各種制御を行
う。

【００３９】尚、燃料噴射弁１３を通じて各期等に燃料
を添加する他、燃料添加ノズル１７を通じて排気系４０
に燃料を添加する機能を備えた燃料供給系１０、排気系
４０に備えられたＮＯｘ触媒やパティキュレートフィル
タ、及びこれら燃料供給係１０やＮＯｘ触媒及びパティ
キュレートフィルタの機能を制限するＥＣＵ８０等は、
併せて本実施の形態に係るエンジン１の排気浄化装置を
構成する。前記燃料添加制御等は、当該制御に関する指
令信号を出力するＥＣＵ８０を含め、この排気浄化装置
を構成する各種部材の作動を通じて実施される。

【００４０】次に、以上説明したエンジン１の構成要素
のうち、排気系４０に設けられた触媒ケーシング４２に
ついて、その構成及び機能を詳しく説明する。

【００４１】図３は、図１に示した触媒ケーシング４２
を、その内部構造の一部と共に拡大して示す断面図であ
る。触媒ケーシング４２は、その内部に吸蔵還元型ＮＯ
ｘ触媒４２ｂを担持したパティキュレートフィルタ４２
ａを収容する。

【００４２】ＮＯｘ触媒４２ｂは、例えばアルミナ（Ａ
Ｌ２Ｏ３）を主材料とした担体とし、この担体の表面に
ＮＯｘ吸収剤として機能する、例えばカリウム（Ｋ）、
ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃ
ｓ）のようなアルカリ金属、バリウム（Ｂａ）、カルシ
ウム（Ｃａ）、のようなアルカリ土類金属、あるいはイ
ットリウム（Ｙ）のような希土類と、酸化触媒（貴金属
触媒）として機能する、例えば白金（Ｐｔ）のような貴
金属とが担持されることによって構成される。

【００４３】パティキュレートフィルタ４２ａは、例え
ばコージライトのような多孔質材料から形成されてお
り、従って排気ガス流入通路に流入した排気ガスは、端
部が閉鎖されているために矢印で示されるように周囲の
多孔質材料からなる隔壁を通りって隣接する排気ガス流
入通路に流出する。

【００４４】尚、本実施の形態では、パティキュレート
フィルタ４２ａの隔壁の表面上、及び隔壁の細孔の内壁
面に、前記のアルミナ等からなる担体の層が形成されて
おり、この担体上に貴金属触媒とＮＯｘ吸収剤からなる
ＮＯｘ触媒４２ｂが担持されている。

【００４５】ＮＯｘ吸収剤は、排気中の酸素濃度が高い
状態ではＮＯｘを吸収し、排気中の酸素濃度が低い状態
ではＮＯｘを放出する特性を有する。また、排気中にＮ
Ｏｘが放出されたとき、排気中にＨＣやＣＯ等が存在し
ていれば、貴金属触媒がこれらＨＣやＣＯの酸化反応を
促すことで、ＮＯｘを酸化成分、ＨＣやＣＯを還元成分
とする酸化還元反応が両者間で起こる。すなわち、ＨＣ
やＣＯはＣＯ₂やＨ₂Ｏに酸化され、ＮＯｘはＮ₂に還元
される。

【００４６】また、ＮＯｘ吸収剤は排気中の酸素濃度が
高い状態であるときにでも所定の限界量のＮＯｘを吸収
すると、それ以上ＮＯｘを吸収しなくなる。エンジン１
では、触媒ケーシング４２内に収容されたＮＯｘ触媒４
２ｂのＮＯｘ吸収量が限界量に達する前に、燃料添加ノ
ズル１７を通じて排気通路の触媒ケーシング４２上流に
還元剤（本実施の形態では燃料）を添加供給すること
で、ＮＯｘ触媒４２ｂに吸収されたＮＯｘを放出及び還
元浄化し、ＮＯｘ触媒４２ｂのＮＯｘ吸収能力を回復さ
せるといった制御を所定のインターバルで繰り返す。

【００４７】前記のパティキュレートフィルタ４２ａに
おいては、その表面に担持するＮＯｘ触媒４２ｂが、Ｎ
Ｏｘを吸収、放出及び浄化を繰り返し行うことは上述し
た通りであるが、その一方、ＮＯｘ触媒４２ｂはこのよ
うなＮＯｘの浄化を行う過程で、副次的に活性酸素を生
成する特性を有する。パティキュレートフィルタ４２ａ
を排気が通過する際にその排気中に含まれる煤等の微粒
子成分は多孔質材料により、捕捉される。ここで、ＮＯ
ｘ触媒４２ｂの生成する活性酸素は、酸化剤として極め
て高い反応性（活性）を有するため、補作された微粒子
成分はこの活性酸素と輝炎を発すること無く速やかに反
応し、浄化されることとなる。

【００４８】次に、本実施の形態に係る燃料添加制御の
基本原理や制御手順等について詳述する。

【００４９】一般に、ディーゼルエンジンでは、燃焼室
内で燃焼に供される燃料及び空気の混合気の酸素濃度
が、殆どの運転領域で高濃度状態にある。

【００５０】燃焼に供される混合気の酸素濃度は、燃焼
に供された酸素を差し引いてそのまま排気中の酸素濃度
に反映されるのが通常であり、混合気中の酸素濃度（空
燃比）が高ければ、排気中の酸素濃度（空燃比）も基本
的には同様に高くなる。一方、上述したように、ＮＯｘ
触媒４２ｂは排気中の酸素濃度が高ければＮＯｘを吸収
し、低ければＮＯｘをＮＯ₂若しくはＮＯに還元して放
出する特性を有するため、排気中の酸素が高濃度にある
限りＮＯｘを吸収することとなる。ただし、当該ＮＯｘ
触媒４２ｂのＮＯｘ吸収量に限界量が存在し、同ＮＯｘ
触媒４２ｂが限界量のＮＯｘを吸収した状態では、排気
中のＮＯｘは同ＮＯｘ触媒４２ｂに吸収されず触媒ケー
シング４２を素通りすることとなる。

【００５１】そこで、エンジン１のように燃料添加ノズ
ル１７を備えた内燃機関では、適宜の時期に燃料添加ノ
ズル１７を通じ排気系４０の触媒ケーシング４２上流に
有する排気集合管４０ａの位置にて燃料を添加すること
で、一時的に排気中の酸素濃度を低減し、且つ還元成分
量（ＨＣ等）を増大させる。するとＮＯｘ触媒４２ｂ
は、これまで吸収したＮＯｘをＮＯ₂若しくはＮＯに還
元して放出し、ＮＯｘ触媒自信のＮＯｘ吸収能力を回
復、再生する。放出されたＮＯ₂やＮＯが、ＨＣやＣＯ
と反応して速やかにＮ₂に還元されることは上述した通
りである。

【００５２】燃料添加ノズル１７を排気系４０に有する
排気集合管４０ａの位置に設置する理由は、電気的制御
を行い燃料を添加するため、エンジン１本体の側に設置
され、取り回しの良い排気集合管位置４０ａにて添加を
行うのが部品構成上都合が良いためである。

【００５３】このとき、自身の吸着したＮＯｘを、前記
態様で放出し、更に還元浄化するＮＯｘ触媒４２ｂにと
って、触媒ケーシング４２内に流入する排気中の還元成
分量（燃料の濃度）と、酸素濃度（空燃比）とにより還
元浄化の効率が決定づけられることとなる。

【００５４】エンジン１のＥＣＵ８０は、ＮＯｘセンサ
７５の出力信号に基づいてＮＯｘ触媒４２ｂ下流におけ
る排気中のＮＯｘ濃度を連続的に観測する。ＮＯｘ触媒
４２ｂによるＮＯｘの吸収能力（吸収効率）は、当該Ｎ
Ｏｘ触媒４２ｂに吸蔵されているＮＯｘ量が多くなるほ
ど、言い換えれば、ＮＯｘ触媒４２ｂに吸蔵されている
ＮＯｘ量が当該ＮＯｘ触媒４２ｂの吸蔵し得るＮＯｘの
最大量（飽和量）に近づくほど低くなる。すなわち、Ｎ
Ｏｘ触媒４２ｂ内におけるＮＯｘの吸蔵量が増大すれ
ば、当該触媒ケーシング４２を素通りして下流に放出さ
れるＮＯｘ濃度も上昇するようになる。こうした両者の
推移様態には、十分な相関性があるため、ＮＯｘ濃度の
推移様態に基づいてＮＯｘ触媒４２ｂ内におけるＮＯｘ
の吸蔵量を把握することができる。

【００５５】そこで、ＥＣＵ８０は、図２に示すよう
に、燃料添加ノズル１７から還元剤を添加制御する還元
剤添加手段を実現しており、この還元剤添加手段は、本
発明における還元剤添加量抑制手段を含む。この還元剤
添加手段では、触媒ケーシング４２下流におけるＮＯｘ
濃度が所定値を上回ったところで、ＮＯｘ触媒４２ｂ内
のＮＯｘ吸蔵量が所定量を上回ったものと判断して、排
気系４０の触媒ケーシング４２上流に所定量の燃料を添
加することにより、触媒ケーシング４２内に流入する排
気中の還元成分量を一時的に増量し、空燃比を低下させ
る。以下、排気系４０触媒ケーシング４２上流に燃料を
添加することを、単に燃料添加という。

【００５６】燃料添加ノズル１７が設置される排気集合
管４０ａは、エンジン１から出て、ターボチャージャ５
０に接続され、他の内蔵機器との取り回しの関係から、
その排気管部分のエンジン側面からの形状が図４に示す
ように、一回下方に向かってその後上方に向かって流れ
るように設計されている。

【００５７】よって、排気集合管４０ａ内に液体が入っ
た場合にはその曲がり位置にて液体が溜まることにな
る。

【００５８】ここで、燃料添加ノズル１７より添加され
る燃料であるが、添加時の状態は燃料をノズル先端より
噴霧することで霧状の燃料として排気集合管４０ａ内に
添加するが、ノズルと管の位置関係より噴霧される燃料
の幾らかは直接集合管内面に吹き付けられる。

【００５９】排気集合管４０ａの温度が添加された燃料
を蒸発させるに十分な温度でない場合、例えば、還元剤
としての当該燃料の蒸発温度（あるいは凝縮温度）より
低い場合、燃料添加された際に排気管に付着した燃料が
蒸発せず、あるいは、通過する燃料が凝縮して排気管に
付着し、それらが排気管内に蓄積し、結果として曲がり
位置に噴射燃料溜まり４３が形成される。

【００６０】排気管内面温度が低いと言うことは、熱源
である排気ガス温度が低いと言うことであり、これはエ
ンジン１が低負荷状態にあると言うことである。よって
このエンジンが１が低負荷状態から急激に高負荷状態に
移行すると、排気圧力、排気風速の上昇により排気集合
管４０ａの曲がり位置に溜まっていた燃料が液状のまま
排気ガス中に残って白煙化したガスが一気に排出される
ことになる。

【００６１】排出された燃料は、触媒ケーシング４２で
還元剤として反応する許容量を超えており、結果として
排気系４０より大気中に未燃焼燃料ガスとして排出され
る。

【００６２】従って、燃料添加時には、排気集合管４０
ａ内面に添加燃料が付着しても、即時に蒸発してガス化
に必要な温度に排気集合管４０ａが保たれている必要が
ある。

【００６３】そのため、排気集合管４０ａ内面温度を計
測する必要があるが、排気集合管４０ａの構成上、内部
に温度センサを設置するのは難しいため、排気ガス温度
より排気集合管内面温度を類推する方法がある。

【００６４】図５に示したグラフにあるように触媒ケー
シング４２流入位置での触媒流入ガス温度９０と排気内
面温度９１には低速走行時（低負荷時）から高速走行時
（高負荷時）まで、触媒流入ガス温度≧排気集合管内面
温度の関係式が成り立っており、特に、車速９２が０ｋ
ｍ／ｈ（低負荷時）の状態では触媒流入ガス温度９０と
排気集合管内面温度９１とはほぼ等しいとなっている。
よって触媒流入ガス温度９０が所定の温度以下である場
合には、排気集合管内面温度９１も所定の温度以下と推
定される。これにより触媒ケーシング４２流入位置に温
度センサ７８を設置して排気ガス温度を測定して排気集
合管内面温度９１を類推する。ＥＣＵ８０で実現される
還元剤添加量抑制手段は、類推された排気集合管の内面
温度が、燃料が軽油の場合において、１７０℃を基準と
して、その温度より低いとき、燃料添加ノズル１７から
添加される燃料の量を制限する。実施形態としては添加
燃料量を減らすようにしても良いし、全く添加しないよ
うにしても良い。

【００６５】以下、本実施の形態に係るエンジン１のＥ
ＣＵ８０が実施する「燃料添加制御」に関し、その具体
的な処理手順についてフローチャートを参照して説明す
る。

【００６６】図６には、排気系４０へ燃料を添加するに
当たり、その添加量や添加時期を制御するために実施さ
れる「燃料添加制御ルーチン」の処理内容を示す。この
ルーチン処理はＥＣＵ８０を通じてエンジン１の始動と
同時にその実行が開始され、所定時間毎に繰り返され
る。

【００６７】処理がこのルーチンに移行すると、ＥＣＵ
８０はステップＳ１０１において、燃料添加の実施に係
る、添加ノズル１７の電磁弁の制御にとって必要な運転
状況を把握する。例えばＥＣＵ８０はクランク角センサ
７７の出力信号に基づいてエンジン１の機関回転数ＮＥ
を、またＮＯｘセンサ７５の出力信号に基づいて排気中
のＮＯｘ濃度を各々演算する。またアクセルの踏み込み
量ＡＣＣや排気温度ＴＥＸ等を把握する。

【００６８】ステップＳ１０２においては、演算したＮ
Ｏｘ濃度より既定値より上回った場合は次のステップに
進む。また、下回っている場合には、まだ十分にＮＯｘ
を吸収する余地があると見なし、本ルーチンを抜け、燃
料添加を行わず終了する。

【００６９】ステップＳ１０３においては、温度センサ
７８より測定した温度から排気集合管温度を推定し、そ
の温度が所定の温度（１７０℃）以上の場合には次のス
テップに進み、所定の温度以下の場合には、噴霧した燃
料が完全に気化せず、排気通路内に溜まるものと見な
し、本ルーチンを抜け、燃料添加を行わず終了する。ま
た、該ステップにおいて排気集合管温度を推定するので
はなく、排気集合管にセンサを取り付け、内面温度を直
接検出しても良い。

【００７０】ステップＳ１０４において、ＥＣＵ８０
は、燃料添加ノズル１７の電磁弁を調節し、燃料添加を
実施する。

【００７１】以上の実施の形態を行うことにより、排気
通路中に液体の燃料を溜めること無く、好適に燃料添加
を行うことが可能となる。

【００７２】尚、本実施の形態ではＮＯｘセンサ７５の
検出信号において燃料添加の判断要因としたが、これに
替え、他の運転状況に関するパラメータに基づいてＮＯ
ｘ触媒に吸蔵されているＮＯｘ量を推定すると共に、こ
の推定量を元にして添加ノズル１７より、燃料添加を行
っても良い。また、予め決められた時間により燃焼添加
を行う、等の制御方法も適用することが可能である。ま
た、還元剤としてディーゼルエンジンの燃料（軽油）を
適用することを前提で述べたが、この他、排気ガス中の
ＮＯｘを還元する機能を有するものであれば、例えばガ
ソリン等他の還元剤であっても問題は無い。

【００７３】また、当該実施の形態ではディーゼルエン
ジンの排気浄化装置において適用したが、希薄燃焼を行
うガソリンエンジンにも好適に本発明を実施することが
可能である。また、内燃機関の気筒数、気筒の配列方法
については異なる場合についても本発明を適応すること
が可能である。

【００７４】また、排気浄化装置において、霧状よりも
もっと荒い粒子状態である液滴状で燃料（還元剤）を添
加された場合、添加した排気管の内壁面に付着してしま
うことを防止するため、本発明を適用することはより効
果的である。

【００７５】

【発明の効果】本発明により、還元剤の添加に際し、排
気通路内面温度に従って、噴射添加した燃料が液化して
排気通路内部に溜まることを抑制でき、内燃機関を高負
荷状態とした場合に発生する白煙等を防止することが可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施の形態に係るディーゼルエンジンシ
ステムを示す概略構成図。

【図２】同実施の形態に係る排気管内面温度検出手段と
還元剤添加量制御手段、燃料添加ノズルとの関係を示す
概略図。

【図３】同実施の形態に係る触媒ケーシングの内部構造
を示す側面図。

【図４】同実施の形態に係る内燃機関から排気通路の形
態を示す概略構成図

【図５】（ａ）同実施の形態に係る車速、触媒流入排ガ
ス温度及び排気集合管内面温度の関係を示すグラフ（ｂ）同実施の形態に係る車速、触媒流入排ガス温度及
び排気集合管内面温度の関係を示すグラフ（拡大グラ
フ）

【図６】同実施の形態に係る燃料添加制御を示すフロー
チャート

【符号の説明】

１エンジン（内燃機関）１０燃料供給系１１サプライポンプ１２コモンレール（蓄圧室）１３燃料噴射弁１４制御弁１７燃料添加ノズル２０燃焼室３０吸気系３１インタークーラ３２スロットル弁４０排気系４０ａ排気集合管４０ｂ、ｃ排気通路４２触媒ケーシング４２ａパティキュレートフィルタ４２ｂ吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（ＮＯｘ触媒）４２ｃ栓詰め４３噴射燃料溜まり５０ターボチャージャ５１シャフト５２排気側タービンホイール５３吸気側タービンホイール６０ＥＧＲ通路６１ＥＧＲ弁６２ＥＧＲクーラ７０レール圧センサ７１燃焼センサ７２エアフローメータ７３空燃比（Ａ／Ｆ）センサ７４排気温センサ７５ＮＯｘセンサ７６アクセル開度センサ７７クランク角センサ７８触媒流入排気温センサ８０電子制御装置（ＥＣＵ）９０触媒流入排気温度９１排気集合管内面温度９２車速Ｐ１機関燃料通路Ｐ２添加燃料通路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者曲田尚史愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者柴田大介愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者石山忍愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者根上秋彦愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 3G091 AA02 AA10 AA11 AA18 AB06 AB13 BA14 CA18 DA01 DA08 DB10 DC05 EA01 EA05 EA07 EA08 EA17 EA34 GA06 GB02W GB03W GB04W GB05W GB06W

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の排気系に設けられたＮＯｘ吸収
材に対する還元制御、若しくは昇温制御を行うための還
元剤添加装置を排気集合管に設けた内燃機関の排気浄化
装置であって、排気集合管の内部表面温度を推定する内面温度推定手段
と、該内面温度推定手段により推定された温度が予め定
められた温度以下の場合は、還元剤添加装置により添加
される還元剤添加量を抑制する還元剤添加量抑制手段
と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装
置。
【請求項２】前記還元剤添加量抑制手段において、前記
内面温度推定手段により推定される排気集合管の内面温
度が予め定められた温度以下の場合には、還元剤添加が
禁止されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関
の排気浄化装置。
【請求項３】前記還元剤添加量抑制手段において、前記
内面温度推定手段により推定される排気集合管の内面温
度が、所定の期間中に連続して、予め定められた温度以
下の場合には添加量を抑制することを特徴とする請求項
１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】前記還元剤添加量抑制手段において、前記
内面温度推定手段により推定される排気集合管の内面温
度が所定の期間中に連続して、予め定められた温度以下
の場合には添加を禁止することを特徴とする請求項３に
記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】排気系に設けられたＮＯｘ吸収材に対する
還元制御、若しくは昇温制御を行うために還元剤添加を
行う還元剤の添加抑制方法であって、前記排気通路内の排気ガス温度の測定値から排気集合管
の排気管内面温度を推定して、その推定値が予め定めら
れた温度以下の場合には還元剤添加装置により添加され
る還元剤の添加量を抑制することを特徴とする還元剤添
加抑制方法。