JP2003328744A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

内燃機関の排気浄化装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 噴射ノズルを効率良く冷却可能な噴射ノズル
の冷却技術を提供する。 【解決課題】 排気管11に設けられ、適切量の還元剤
の流入に伴い排気浄化作用が促進される排気浄化触媒5
2と、この排気浄化触媒52上流の排気通路(排気枝管
12)に設けられ、排気浄化触媒52に流れ込む排気ガ
ス中に還元剤を噴射して排気浄化作用を促進させる噴射
ノズル21と、その時々に要求される噴射形態で噴射ノ
ズル21の開弁動作を制御する電子制御ユニット22
と、を備え、電子制御ユニット22は、排気ガスとの接
触に起因した噴射ノズル21の過熱に伴い、排気浄化作
用を促進させるときの噴射形態とは異なるノズル冷却用
の噴射形態で噴射ノズル21の開弁動作を制御し、その
還元剤の噴射によって噴射ノズル21を冷却することを
特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の排気浄
化装置に関し、より詳細には、排気通路に設けられる排
気浄化触媒に対して還元剤を噴射供給する噴射ノズルを
備えた排気浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】ディーゼル機関に代表される希薄燃焼式
内燃機関では、窒素酸化物(NOx)等の排出を低減す
るため種々の対策が講じられている。この対策の一つ
に、リーンNOx触媒、および還元剤供給装置を備えて
構成される排気浄化装置を使用した排気浄化技術があ
る。
【0003】このリーンNOx触媒は、排気ガス中の窒
素酸化物(NOx)を主として浄化する排気浄化触媒で
ある。より詳しくは、排気ガスの酸素濃度が高いときに
その排気ガス中の窒素酸化物(NOx)を吸蔵し、排気
ガスの酸素濃度が低いときすなわちリーンNOx触媒に
流れ込む排気ガスの空燃比が低いときに、その吸蔵して
いた窒素酸化物(NOx)を排気ガス中の未燃燃料成分
(CO、HC)と反応させることで、無害な窒素
(N2)に浄化する排気浄化作用を備えている。
【0004】一方の還元剤供給装置は、通常、酸素過剰
状態で機関燃焼が行われる希薄燃焼式内燃機関におい
て、その排気ガス中に還元剤たる機関燃料を供給するこ
とで排気ガスの酸素濃度の低下させ、また、併せて未燃
燃料成分たる炭化水素(HC)をリーンNOx触媒に供
給することで上記の排気浄化作用を促進させる。
【0005】より詳しくは、リーンNOx触媒上流の排
気管に噴射ノズルを備え、上記した排気浄化作用を促進
させるときには、還元剤たる機関燃料をその噴射ノズル
を介して排気ガス中に噴射供給し、上記の排気浄化作用
を促進させている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところで、噴射ノズル
は、排気管内に突設した状態で取り付けられるため、そ
の噴孔周辺は、高温の排気ガスに晒される。このため噴
孔周辺の高温化に伴い排気ガス中および機関燃料(還元
剤)中に含まれるデポジット成分が噴孔周辺で固化し、
噴孔の詰まりや噴霧状態の悪化等を引き起こす虞があっ
た。
【0007】つまり、噴射ノズルの高温化は、上記した
種々の弊害をもたらすため、噴射ノズルを介して還元剤
を噴射供給する還元剤供給装置では、噴射ノズルを適度
に冷却する必要がある。
【0008】本発明は、上記した技術的背景を考慮しな
されたもので、噴射ノズルを効率良く冷却可能な噴射ノ
ズルの冷却技術を提供することを課題とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記した技術的課題を解
決するため、本発明では、以下の構成とした。すなわ
ち、内燃機関の排気通路に設けられ、適切量の還元剤の
流入に伴い排気浄化作用が促進される排気浄化触媒と、
この排気浄化触媒上流の排気通路に設けられ、前記排気
浄化触媒に流れ込む排気ガス中に還元剤を噴射して前記
排気浄化作用を促進させる噴射ノズルと、その時々に要
求される噴射形態で前記噴射ノズルの開弁動作を制御す
る制御手段と、を備えた内燃機関の排気浄化装置であっ
て、前記制御手段は、排気ガスとの接触に起因した噴射
ノズルの過熱に伴い、前記排気浄化作用を促進させると
きの噴射形態とは異なるノズル冷却用の噴射形態で噴射
ノズルの開弁動作を制御し、その還元剤の噴射によって
噴射ノズルを冷却することを特徴とする。
【0010】このように構成された本発明では、排気ガ
スとの接触に起因した噴射ノズルの過熱を抑制するため
に、排気浄化作用を促進させるときの噴射形態とは異な
るノズル冷却用の噴射形態で噴射ノズルの開弁動作を制
御し、その還元剤の噴射によって噴射ノズル自らを冷却
する。なお、上記で「噴射ノズルの過熱に伴い」とは、
噴射ノズルの実質的過熱までを要求するものではなく、
噴射ノズルが過熱し易い状況で足りる。
【0011】また、前記制御手段は、内燃機関の運転状
態を検出する運転状態検出手段を備え、その運転状態検
出手段にて検出された運転状態が所定条件を満たすとき
に噴射ノズルの過熱とみなし、前記ノズル冷却用の噴射
形態を含む噴射形態に切り換える構成としてもよい。
【0012】この構成では、噴射ノズルの過熱に相関の
ある内燃機関の運転状態を運転状態検出手段にて監視
し、噴射ノズルの過熱が想定される運転状態では、ノズ
ル冷却用の噴射形態を含む噴射形態に切り換える。つま
り、噴射ノズルの過熱に相関のある内燃機関の運転状態
に応じて噴射形態を切り換え、適切な時期に噴射ノズル
を冷却する。
【0013】また、前記ノズル冷却用の噴射形態では、
所定量の還元剤を噴射させるにあたり、前記排気浄化作
用を促進させるときの噴射形態に較べ、少量且つ多数回
に分けて還元剤を噴射するように前記噴射ノズルの開弁
動作を制御してもよい。
【0014】この構成では、所定量の還元剤を噴射させ
ると仮定したとき、ノズル冷却用の噴射形態では、排気
浄化作用を促進させるときの噴射形態に較べ、少量且つ
多数回に分けて還元剤を噴射するように噴射ノズルの開
弁動作を制御する。つまり、噴射ノズルの冷却効率を考
えた場合、少量且つ多数回に分けて還元剤を噴射した方
が、還元剤の消費量を必要以上に増やすことなく噴射ノ
ズルの平均温度を低く抑えることができるため、本構成
では、排気浄化用の噴射形態に相違した、少量且つ多数
回に亘る還元剤の噴射によって噴射ノズルを効率良く冷
却する。
【0015】また、前記制御手段は、排気浄化作用を促
進させるべき状況において、前記排気浄化作用を促進さ
せる噴射形態に加えてノズル冷却用の噴射形態を取り入
れ、噴射ノズルの冷却を図りつつ排気浄化作用を促進さ
せてもよい。
【0016】すなわち、排気浄化作用を促進させる状況
においても噴射ノズルの温度は上昇するため、本構成で
は、排気浄化作用を促進させる噴射形態に加えてノズル
冷却用の噴射形態を取り入れて、噴射ノズルの冷却を図
りつつ排気浄化作用を促進させる。
【0017】また、前記制御手段は、前記ノズル冷却用
の噴射形態に切り換えての開弁制御において、その制御
期間中における少なくとも一つの開弁動作を、同制御期
間における他の開弁動作に較べて長い開弁時間で開弁さ
せてもよい。
【0018】この構成では、ノズル冷却用の噴射形態に
切り換えての制御期間中において、その制御期間中にお
ける少なくとも一つの開弁動作を、他の開弁動作の開弁
時間に較べて長くし、それによって噴射の貫徹力、すな
わち噴射ノズルに付着した付着物(例えば、煤)を還元
剤の噴射によって吹き飛ばす力を高め、ノズル冷却時に
おける付着物の堆積を抑制する。
【0019】
【発明の実施の形態】続いて、本発明に係る内燃機関の
排気浄化装置に関し、その好適な実施形態について説明
する。なお、以下に示す排気浄化触媒の構造は、あくま
でも本発明の一実施形態にすぎず、その詳細は、内燃機
関の各種仕様等に応じて変更可能である。
【0020】まず、本実施の形態では、ディーゼル機関
等に代表される希薄燃焼式内燃機関1の排気系に触媒コ
ンバータ50、及び還元剤供給装置20を備えて排気浄
化装置を構成している。
【0021】触媒コンバータ50は、ケーシング51、
及びそのケーシング51内に設けられる種々の排気浄化
触媒52a,52bを備え、機関本体1から排出される
排気ガス中の有害物質を浄化する排気浄化作用を備えて
いる。より詳しくは、内燃機関1のタービンハウジング
4下流にケーシング51が配置され、ケーシング51内
には、排気上流側から吸蔵還元型NOx触媒52a、パ
ティキュレートフィルタ52bの順に排気浄化触媒が内
蔵されている。
【0022】吸蔵還元型NOx触媒52aは、希薄燃焼
式内燃機関の排気系に設けられるリーンNOx触媒の代
表例であり、排気ガス中の窒素酸化物(NOx)を主と
して浄化する排気浄化作用を有している。
【0023】より詳しくは、排気ガスの酸素濃度が高い
ときにその排気ガス中の窒素酸化物(NOx)を吸蔵
し、排気ガス中の酸素濃度が低いときすなわち吸蔵還元
型NOx触媒に流れ込む排気ガスの空燃比が低いとき
に、その吸蔵していた窒素酸化物(NOx)を排気ガス
中に含まれている未燃燃料成分(CO、HC)と反応さ
せることで、無害な窒素(N2)に浄化する排気浄化作
用を有する。
【0024】また、その構成は、例えばアルミナ(Al
23)を担体とし、その担体上にカリウム(K)、ナト
リウム(Na)、リチウム(Li)、セシウム(Cs)
等のアルカリ金属、若しくはバリウム(Ba)、カルシ
ウム(Ca)等のアルカリ土類、又はランタン(L
a)、イットリウム(Y)等の希土類から選ばれた少な
くとも一つと、白金(Pt)のような貴金属とを担持し
てなる。
【0025】なお、ここで上記した排気浄化作用の補足
説明を行うと、希薄燃焼式内燃機関1では、通常、酸素
過剰雰囲気下で燃焼が行われている。このため燃焼に伴
い排出される排気ガスの酸素濃度は、上記の還元・放出
作用を促す迄に低下することは殆どなく、また、排気ガ
ス中に含まれる未燃燃料成分(CO,HC)も極僅かで
ある。
【0026】したがって、本実施の形態では、還元剤た
る機関燃料(HC)を排気ガス中に噴射供給することで
酸素濃度の低下を促し、また、未燃燃料成分たる炭化水
素(HC)を排気ガス中に補給し、上記の排気浄化作用
を促進させている。なお、この排気浄化作用を促進させ
る還元剤の供給は、後述の還元剤供給装置20によって
行われている。
【0027】一方のパティキュレートフィルタ52b
は、排気ガス中に含まれる煤などの微粒子を触媒物質の
働きで酸化燃焼させる排気浄化触媒の一種である。より
詳しくは、触媒物質として活性酸素放出剤を担持したフ
ィルタ基材58を備え、そのフィルタ基材58上に捕集
した微粒子を活性酸素の酸化力にて酸化燃焼させること
で浄化(除去)する排気浄化作用を備えている。
【0028】フィルタ基材58は、図2に示されるよう
にコージライトのような多孔質材料から形成されたハニ
カム形状をなし、互いに平行をなして延びる複数個の流
路55,56を具備している。より具体的には、下流端
が栓55aにより閉塞された排気ガス流入通路55と、
上流端が栓56aにより閉塞された排気ガス流出通路5
6と、を備え、各排気ガス流入通路55及び排気ガス流
出通路56は薄肉の隔壁57を介してフィルタ基材58
における縦方向及び横方向に並んで配置されている。
【0029】また、隔壁57の表面および内部の細孔に
は、アルミナ(Al23)等によって形成された担体の
層が設けられ、担体上には、白金(Pt)等の貴金属触
媒の他、周囲に過剰酸素が存在するとその過剰酸素を吸
蔵し、逆に酸素濃度が低下すると、その吸蔵した酸素を
活性酸素の形で放出する活性酸素放出剤が担持されてい
る。
【0030】なお、活性酸素放出剤としては、カリウム
(K)、ナトリウム(Na)、リチウム(Li)、セシ
ウム(Cs)、ルビジウム(Rb)のようなアルカリ金
属、バリウム(Ba)、カルシウム(Ca)、ストロン
チウム(Sr)のようなアルカリ土類金属、ランタン
(La)、イットリウム(Y)のような希土類、および
セリウム(Ce)、錫(Sn)のような遷移金属から選
ばれた少なくとも一つを用いるとよい。
【0031】また、好ましくは、カルシウム(Ca)よ
りもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類
金属、即ちカリウム(K)、リチウム(Li)、セシウ
ム(Cs)、ルビジウム(Rb)、バリウム(Ba)、
ストロンチウム(Sr)などを用いるとよい。
【0032】このように構成されたパティキュレートフ
ィルタ52bでは、まず、排気ガス流入通路55→隔壁
57→排気ガス流出通路56の順に排気ガスが流れ(図
2矢印a)、排気ガス中に含まれる煤などの微粒子は、
その隔壁57を通過する過程で、隔壁57の表面及び内
部に捕集される。そして、隔壁57に捕集された微粒子
は、隔壁57(フィルタ基材)に流れ込む排気ガスの酸
素濃度を多数回に亘り変化させることで増加する活性酸
素によって酸化され、ついには輝炎を発することなく燃
え尽きてフィルタ基材58上から除去される。
【0033】なお、本実施の形態では、パティキュレー
トフィルタ52bに流れ込む排気ガスの酸素濃度を変化
させるにあたり、吸蔵還元型NOx触媒52a同様にし
て還元剤供給装置20から還元剤たる機関燃料(炭化水
素:HC)を排気ガス中に噴射供給し、排気ガスの酸素
濃度を変化させている。
【0034】このように本実施の形態では、吸蔵還元型
NOx触媒52aおよびパティキュレートフィルタ52
bを内蔵した触媒コンバータ50を排気管11に配置
し、排気ガス中に含まれる窒素酸化物(NOx)および
煤などの微粒子を浄化している。また、本実施の形態で
は、上記した吸蔵還元型NOx触媒52aおよびパティ
キュレートフィルタ52bによって、本発明に係る排気
浄化触媒を構成している。
【0035】続いて、上記した吸蔵還元型NOx触媒5
2a、及びパティキュレートフィルタ52bの排気浄化
作用を促す還元剤供給装置20について説明する。還元
剤供給装置20は、内燃機関1の排気ポート(図示略)
に接続する排気枝管12に取り付けられた噴射ノズル2
1、及び内燃機関1の制御系に設けられる電子制御ユニ
ット22等にて構成されている。
【0036】噴射ノズル21は、電磁駆動式の開閉弁で
あり、電子制御ユニット22に準備される還元剤供給プ
ログラムのもと、適切量の還元剤を適宜のタイミングで
排気ガス中に噴射供給している。また、噴射ノズル21
は、内燃機関1の燃料供給系に接続され、その燃料供給
系から供給される機関燃料を還元剤として触媒コンバー
タ50に供給している。
【0037】また、電子制御ユニット22は、触媒コン
バータ50下流に設けられた空燃比センサ23の出力、
および触媒コンバータ50の排気上流側および排気下流
側に設けられた排気温度センサ24a,24bの出力、
さらに機関運転に即して変化する各種機関運転履歴など
に基づき還元剤の供給量や供給時期を算出し、その算出
した供給量および供給タイミングに基づき、噴射ノズル
21の開弁動作を制御している。なお、噴射ノズル21
の開弁制御すなわち噴射形態については、後に詳述す
る。また、本実施の形態では、電子制御ユニット22
で、本発明に係る制御手段を構成している。
【0038】そして、本実施の形態では、この還元剤供
給装置20にて排気ガス中に還元剤たる機関燃料を噴射
供給し、上記した吸蔵還元型NOx触媒52a、および
パティキュレートフィルタ52bの排気浄化作用を促進
させている。
【0039】ところで、上記噴射ノズル21は、排気枝
管12内に突設した状態で取り付けられるため、その噴
孔周辺は、高温の排気ガスに晒される。このため噴孔周
辺の高温化に伴う排気ガス中および機関燃料(還元剤)
中に含まれるデポジット成分の固化に起因して、噴孔の
詰まりや噴霧状態の悪化等が引き起こされる場合もあ
る。
【0040】そこで、本実施の形態に示す排気浄化装置
では、排気浄化作用を促進させるときの噴射形態とは異
なるノズル冷却用の噴射形態で噴射ノズル21の開弁動
作を制御し、そのノズル冷却用の噴射に伴う還元剤の噴
射によって噴射ノズル21自らを冷却している。つま
り、噴射ノズル21を冷却すべき必要が生じたときに
は、排気ガス温度に較べて十分に低い温度(例えば、常
温)の還元剤を噴射し、その還元剤で噴射ノズル21を
冷却する。
【0041】以下、このノズル冷却用の噴射形態につい
て、排気浄化作用を促進させる噴射形態との違いを踏ま
えつつ説明する。また、以下では、排気浄化作用を促進
させるための噴射形態にて実施する還元剤の噴射を単に
「排気浄化用の噴射」と称し、また、ノズル冷却用の噴
射形態にて実施する還元剤の噴射を単に「ノズル冷却用
の噴射」と称して説明することもある。また、上記吸蔵
還元型NOx触媒52a及びパティキュレートフィルタ
52bを総称して単に「排気浄化触媒52」と称するこ
ともある。
【0042】まず、ノズル冷却用の噴射の説明に先立
ち、吸蔵還元型NOx触媒52aやパティキュレートフ
ィルタ52bの排気浄化作用を促進させる排気浄化用の
噴射について説明する。排気浄化用の噴射では、図3に
示すように、その一供給過程につき、複数回の開弁動作
を繰り返すことで適切量の還元剤を排気ガス中に噴射し
ている。また、その供給動作は、数秒から数十秒のイン
ターバルをおいて実施されている。
【0043】つまり、排気浄化作用を促進させるときに
は、排気浄化触媒52に流れ込む排気ガスの酸素濃度を
局所的に低下させる必要があるため、本実施の形態で
は、一供給過程において比較的多めに還元剤を供給し、
局所的に酸素濃度の低い排気ガスを作り出している。な
お、好ましくは排気管11内に発生する排気脈動に併せ
て噴射ノズルの開弁動作を制御すると、より効率良く排
気ガスの酸素濃度を低下させることができる。
【0044】一方、ノズル冷却用の噴射では、所定量の
還元剤を噴射させるにあたり、排気浄化作用を促進させ
る排気浄化用の噴射に較べ、少量且つ多数回に分けて還
元剤を噴射させる。なお、ここで少量とは、図4に示さ
れるように、排気浄化用の噴射においてその一供給過程
につき噴射する還元剤の総噴射量に較べて十分に少ない
噴射量である。また、多数回とは、複数の開弁動作で構
成される排気浄化用の噴射を一つの供給動作とみなした
場合、その供給動作の間隔(本実施の形態では、数秒〜
数十秒のインターバル)に較べて十分に短い間隔で設定
された噴射回数に相当する。つまり、ノズル冷却用の噴
射では、少量且つ高頻度に還元剤を噴射することで、噴
射ノズル21の冷却を図っている。
【0045】また、本実施の形態では、ノズル冷却用の
噴射において、その噴射回数(噴射の頻度)を設定する
にあたり、例えば、図5に示す適性値をもって設定して
いる。なお、図5は、総噴射量一定条件下で実験した噴
射ノズル温度と噴射回数との相関を求めた実験結果であ
る。
【0046】この図5を参照して噴射回数の設定につい
て説明すると、まず、図5では、縦軸に噴射ノズル21
の温度、横軸に噴射回数(頻度)が取られ、また、グラ
フ右方に向かうに連れて一供給動作あたり還元剤噴射量
が減り且つ噴射回数は増加するようになっている。ま
た、図中の曲線は、その時々の噴射回数に応じた噴射ノ
ズル21の温度(噴射ノズル21の温度低下量)を示し
ている。本実施の形態では、この図5に示される実験結
果において、噴射ノズル21の温度低下量が最も大きい
値を示す噴射回数(図5中A点)を適正値とみなし、上
述の如くその適正値をもってノズル冷却用の噴射におけ
る噴射回数(噴射の頻度)を設定している。
【0047】なお、ここで一方の排気浄化用噴射を図5
に照らし合わせれば、噴射回数が少なく、一供給動作に
つき噴射する還元剤の噴射量が多い領域(例えば、図中
B点)に該当する。つまり、ノズル冷却用の噴射では、
少なくとも排気浄化用の噴射に対応した噴射頻度よりも
高頻度で、還元剤を噴射させている。
【0048】またなお、図5では、適性値を超える領域
において、噴射ノズル21の冷却効率が徐々に低下して
いるが、これは、極端な噴射間隔の短縮に起因した噴射
ノズル21の作動不良に伴う噴射量不足によるものであ
る。つまり、本実施の形態では、噴射回数の設定にあた
り、噴射ノズル21の機械特性(動的特性)をも考慮し
て噴射回数を決定している。
【0049】また、上記した噴射回数の設定に絡み、ノ
ズル冷却用の噴射では、一定の間隔で還元剤を噴射させ
るようにしている。つまり、排気浄化用の噴射形態で
は、排気脈動と同期させてその開弁動作を制御している
が、ノズル冷却用の噴射では、排気脈動と関係させるこ
となく単に時間経過に従いその開弁動作を制御してい
る。このようにノズル冷却用の噴射では、少量且つ多数
回に分けて還元剤を噴射することで、噴射ノズル21の
温度を効率良く低下させている。
【0050】また、一方でノズル冷却用の噴射といった
固有の噴射形態が必要になる背景として、排気浄化触媒
52の過熱(熱劣化)に対する配慮がある。まず、噴射
ノズル21の冷却のみを考えた場合には、排気浄化用の
噴射においても噴射ノズル21の冷却は図られる。しか
しながら、噴射ノズル21の過熱を抑制すべく排気浄化
用の噴射を繰り返すと、多量の還元剤が幾度となく排気
浄化触媒52に供給されることになり、その結果、還元
剤と触媒物質との反応に伴う反応熱によって排気浄化触
媒52が過剰に昇温し熱劣化が引き起こされる。
【0051】この点、少量の還元剤を多数回に分けて噴
射するノズル冷却用の噴射では、排気ガスの酸素濃度変
化が少なく排気浄化作用を促進させる迄に至らないた
め、図6に示されるように、排気浄化触媒52の温度上
昇を抑制しつつ、噴射ノズル21を冷却できる。とりわ
け、高負荷運転時には、排気ガスの温度上昇に伴い排気
浄化触媒の温度も高くなるため、排気浄化用の噴射のみ
では、噴射ノズル21の冷却に対応できないといった問
題が生じる。この点、本ノズル冷却用の噴射では、排気
浄化触媒の温度上昇を抑制しつつ噴射ノズル21の冷却
を図れるため、広い運転領域において排気浄化触媒の熱
劣化を抑制しつつ噴射ノズル21を冷却できるといった
利点が得られる。
【0052】続いて、上記した排気浄化用の噴射とノズ
ル冷却用の噴射に絡み、その切り換えについて説明す
る。まず、本実施の形態では、噴射ノズル21の過熱に
相関のある内燃機関1の運転状態に関連づけて作成した
噴射形態選択マップを電子制御ユニットに準備し、現時
点の運転状態において噴射ノズル21を冷却すべき必要
が生じているときには、ノズル冷却用の噴射を取り入れ
た噴射制御に切り換える。
【0053】なお、図7は、上記に係る噴射形態選択マ
ップである。噴射形態選択マップは、噴射ノズル21の
過熱に相関のある運転状態として、機関回転数、及び軸
トルク(機関出力)を噴射形態の選択に用いるパラメー
タとし、電子制御ユニット22では、内燃機関1に設け
られる各種センサ(例えば、クランクポジションセン
サ、負荷センサ)の出力値、および電子制御ユニットに
記録された運転履歴(例えば、燃料消費率)等から算出
した現在の機関回転数、軸トルクを上記マップ上に読み
込むことで、現時点の運転状態に要求される噴射形態を
設定する。
【0054】なお、各運転領域に対応した噴射形態を説
明すると、軸トルクおよび機関回転数共に低い低負荷運
転領域(図中:領域A)では、排気ガス温度も比較的低
く噴射ノズル21もさほど上昇しないため、本実施の形
態では、排気浄化用の噴射のみを実施し、排気浄化触媒
の排気浄化作用を促進させる。
【0055】また、中高負荷運転領域(図中:領域B)
では、排気ガス温度の上昇に起因して噴射ノズル21の
温度も上昇するため、排気浄化用の噴射にノズル冷却用
の噴射を織り交ぜて、排気浄化作用を促進させつつ噴射
ノズル21の冷却を図る。なお、排気浄化用の噴射に対
するノズル冷却用の噴射の織り交ぜ方は、図8に示され
るように、排気浄化用の噴射が休止されている区間(本
実施の形態では、数秒〜数十秒の休止区間)でノズル冷
却用の噴射を実施するなどの形態を例示できる。
【0056】また、高負荷運転領域(図中:領域C)で
は、排気ガスの高温化に伴い排気浄化触媒の温度も相当
に上昇するため、本実施の形態では、排気浄化触媒の熱
劣化を回避すべく排気浄化用の噴射を停止し、また、ノ
ズル冷却用の噴射で噴射ノズル21の冷却を図る。
【0057】このように本実施の形態では、噴射ノズル
21の冷却が必要になる状況、すなわち、噴射ノズル2
1の過熱を抑制すべき状況において、ノズル冷却用の噴
射形態を含む噴射形態に切り換え、噴射ノズル21を冷
却する。
【0058】また、上記したノズル冷却用の噴射に絡
み、本実施の形態では、ノズル冷却用の噴射に切り換え
ての開弁制御において、その制御期間中における少なく
とも一つの開弁動作を、同制御期間における他の開弁動
作に較べて長い開弁時間で開弁させている(図9参
照)。
【0059】つまり、ノズル冷却用の噴射において、そ
の制御期間中における少なくとも一つの開弁動作を長い
開弁時間で制御し、それによって噴射の貫徹力、すなわ
ち噴射ノズル21に付着した付着物(例えば、煤)を還
元剤の噴射によって吹き飛ばす力を高め、ノズル冷却時
における付着物の堆積を抑制する。なお、図10は、開
弁時間と噴射の貫徹力との相関を表すグラフであり、同
グラフからも解るように、開弁時間が長くなるほど噴射
の貫徹力は長くなることが解る。
【0060】また、本実施の形態では、長い開弁時間で
還元剤を噴射した後、次なる噴射の開始時刻を一時的に
遅延させ、不必要な還元剤の消費を抑制している(図9
参照)。つまり、開弁時間の長い噴射では、他の開弁制
御に較べて多くの還元剤が噴射されるため、噴射ノズル
21の温度が一時的に大きく下がり、その後、しばらく
の間は、噴射ノズル21の冷却に余裕が生じる。このた
め、その余裕を加味して噴射間隔を長めにとり、還元剤
の不要な消費を抑えている。
【0061】このように本実施の形態では、排気浄化作
用を促進させるときの噴射形態とは異なるノズル冷却用
の噴射形態で噴射ノズル21の開弁動作を制御し、噴射
ノズル21を効率良く冷却している。また、ノズル冷却
用の噴射形態では、排気浄化用の噴射形態に較べ、少量
且つ多数回に分けて還元剤を噴射し、還元剤の消費量、
並びに排気浄化触媒の過剰な温度上昇を抑制しつつ、噴
射ノズル21を広い運転領域にて冷却可能としている。
【0062】なお、上記した実施形態は、あくまでも本
発明の一実施形態であり、その詳細は変更である。例え
ば、上記したノズル冷却用の噴射では、噴射頻度の設定
において、図5に示す適正値を以て噴射頻度を設定して
いるが、その適正値は、その時々に運転状態に応じて若
干変化するため、運転状態に応じて噴射頻度を補正する
マップを別途用意し、そのマップから読み出される補正
値を以て噴射頻度を補正してもよい。
【0063】また、ノズル冷却用の噴射形態において、
その噴射量もその時々の運転状態に応じて変化するた
め、上記にならい運転状態に応じて噴射量を補正するマ
ップを準備し、その時々の運転状態に応じた最適な噴射
量で噴射ノズル21を冷却してもよい。
【0064】また、本実施形態では、噴射ノズル21の
温度に相関のある噴射形態選択マップをもって、噴射ノ
ズルを冷却すべき状況か否かを判定しているが、噴射ノ
ズル21に温度センサを取り付け、その温度センサの出
力に応じて噴射形態の切り換えてもよい。すなわち、温
度センサによって噴射ノズル21の高温化が検出された
ことを受け、ノズル冷却用の噴射形態に切り換えるな
ど、噴射形態の選択は、上記の実施形態以外に種々の態
様が考えられる。また、勿論、温度センサの出力を利用
して、噴射頻度の補正や噴射量の補正も可能である。
【0065】また、上記した実施形態では、排気浄化作
用を促進させる噴射形態(排気浄化用の噴射)におい
て、その一供給過程につき複数の開弁動作を繰り返すこ
とで、排気ガスの酸素濃度を局所的に低下させる噴射形
態としているが、その噴射形態は、上記に限定されるも
のでなく、多量の還元剤を短期に集中して噴射する噴射
形態であれば排気浄化用の噴射としての要をなす。
【0066】また、上記に絡み本発明で「ノズル冷却用
の噴射形態」とは、必ずしも上記実施形態中に記載した
排気浄化用の噴射に応じてその噴射形態が決定されるも
のではなく、排気浄化作用の促進を目的とする噴射形態
に相違し、且つ噴射ノズル21を冷却可能な噴射形態で
あればよい。
【0067】また、本発明に絡み、噴射ノズル21の冷
却のみを考えれば、噴射ノズルの周囲に冷却水を導入し
て噴射ノズル21を冷却するといった手法も考えられる
が、本発明では、還元剤の噴射によって噴射ノズル自ら
の冷却を図るため、既存の装置構成を利用して噴射ノズ
ル21を冷却できるといった利点も得られる。
【0068】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、噴射ノズ
ルを効率良く冷却可能な噴射ノズルの冷却技術を提供で
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施の形態に係る排気浄化装置の概略構成
図。
【図2】本実施の形態に係るパティキュレートフィルタ
の内部構造を示す図。
【図3】排気浄化作用を促進させる噴射形態(排気浄化
用の噴射)に対応した噴射波形を示す図。
【図4】噴射ノズルを冷却する噴射形態(ノズル冷却用
の噴射)に対応した噴射波形を示す図。
【図5】噴射ノズルの温度と噴射頻度との相関関係を示
すグラフ。
【図6】還元剤の噴射回数と排気浄化触媒の温度との相
関関係を示すグラフ。
【図7】本実施の形態に係る噴射形態選択マップの概略
図。
【図8】排気浄化用の噴射とノズル冷却用の噴射とを織
り交ぜて実施したときの噴射波形を示す図。
【図9】ノズル冷却用の噴射形態において、噴射の貫徹
力を一時的に上昇させた際の噴射波形を示す図。
【図10】噴射の貫徹力と開弁時間との相関関係を示す
グラフ。
【符号の説明】
1 内燃機関(機関本体) 4 タービンハウジング 11 排気管 12 排気枝管 20 還元剤供給装置 21 噴射ノズル 22 電子制御ユニット 23 空燃比センサ 24a,24b 排気温度センサ 50 触媒コンバータ 51 ケーシング 52 排気浄化触媒 52a 吸蔵還元型NOx触媒 52b パティキュレートフィルタ 55 排気ガス流入通路 55a 栓 56 排気ガス流出通路 56a 栓 57 隔壁 58 フィルタ基材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) F01N 3/28 301 B01D 53/34 129E Fターム(参考) 3G090 AA03 BA01 DA00 DA12 EA02 3G091 AA02 AA10 AA11 AA18 AA28 AB06 AB13 BA07 BA14 CA18 DA04 DC05 EA01 EA03 EA17 EA34 GA06 GB02W GB03W GB05W HA15 HB01 HB05 HB06 4D002 AA12 AC10 BA06 BA14 CA11 CA13 DA56 DA70 EA02 GA02 GA03 GB03 GB20 4D048 AA06 AA13 AA14 AA18 AB02 AB05 AB07 AC02 AC10 BA10Y BA14Y BA15Y BA18Y BA30Y BB02 CC32 CC41 CC61 CD03 DA01 DA02 DA10 DA20 EA04

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】内燃機関の排気通路に設けられ、適切量の
    還元剤の流入に伴い排気浄化作用が促進される排気浄化
    触媒と、この排気浄化触媒上流の排気通路に設けられ、
    前記排気浄化触媒に流れ込む排気ガス中に還元剤を噴射
    して前記排気浄化作用を促進させる噴射ノズルと、その
    時々に要求される噴射形態で前記噴射ノズルの開弁動作
    を制御する制御手段と、を備えた内燃機関の排気浄化装
    置であって、 前記制御手段は、排気ガスとの接触に起因した噴射ノズ
    ルの過熱に伴い、前記排気浄化作用を促進させるときの
    噴射形態とは異なるノズル冷却用の噴射形態で噴射ノズ
    ルの開弁動作を制御し、その還元剤の噴射によって噴射
    ノズルを冷却することを特徴とする内燃機関の排気浄化
    装置。
  2. 【請求項2】前記制御手段は、内燃機関の運転状態を検
    出する運転状態検出手段を備え、その運転状態検出手段
    にて検出した運転状態が所定条件を満たすときに噴射ノ
    ズルの過熱とみなし、前記ノズル冷却用の噴射形態を含
    む噴射形態に切り換え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。
  3. 【請求項3】前記ノズル冷却用の噴射形態では、所定量
    の還元剤を噴射させるにあたり、前記排気浄化作用を促
    進させるときの噴射形態に較べ、少量且つ多数回に分け
    て還元剤を噴射するように前記噴射ノズルの開弁動作を
    制御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。
  4. 【請求項4】前記制御手段は、排気浄化作用を促進させ
    るべき状況において、前記排気浄化作用を促進させる噴
    射形態に加えてノズル冷却用の噴射形態を取り入れ、噴
    射ノズルの冷却を図りつつ前記排気浄化作用を促進させ
    ることを特徴とする請求項1から3の何れかに記載の内
    燃機関の排気浄化装置。
  5. 【請求項5】前記制御手段は、前記ノズル冷却用の噴射
    形態に切り換えての開弁制御において、その制御期間中
    における少なくとも一つの開弁動作を、同制御期間にお
    ける他の開弁動作に較べて長い開弁時間で開弁させるこ
    とを特徴とする請求項1から4の何れかに記載の内燃機
    関の排気浄化装置。
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