JP2005147000A

JP2005147000A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2005147000A
Application number: JP2003386169A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Nakatani; 好一郎中谷
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-11-17
Filing date: 2003-11-17
Publication date: 2005-06-09
Anticipated expiration: 2023-11-17
Also published as: JP4349096B2

Abstract

【課題】ターボチャージャの上流側の排気通路に配置された触媒の過度の温度上昇を防止することができる内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】ターボチャージャ６の上流側の排気通路４に配置された触媒８と、前記ターボチャージャの下流側の前記排気通路に配置され、昇温操作により機能が再生される排気浄化手段９と、前記昇温操作時に前記排気浄化手段の温度上昇をもたらす処理を少なくとも前記触媒の上流側にて実施することにより前記排気浄化手段を前記昇温操作時の目標温度まで昇温させる昇温手段１５と、前記触媒へ流入する排気の流量を取得する排気流量取得手段１５と、前記排気流量が減少した場合に前記目標温度を低下させるように前記排気流量に応じて前記目標温度を変更する目標温度変更手段１５と、を排気浄化装置に設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、ターボチャージャの上流側の排気通路に触媒が配置された内燃機関の排気浄化装置に関する。

ターボチャージャの上流側の排気通路に三元触媒を、ターボチャージャの下流側の排気通路にＮＯｘ吸収還元触媒をそれぞれ配置した内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯｘ吸収還元触媒のＮＯｘ還元時には、ＨＣ、ＣＯを含んだ排気をＮＯｘ吸収還元触媒へ供給するために、三元触媒をバイパスさせて排気をＮＯｘ吸収還元触媒へ導く排気浄化装置が知られている（特許文献１参照）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２が存在する。
特開平９−２０９７４２号公報特開２００３−２０６７２２号公報

従来の装置では、ターボチャージャの上流側の排気通路に配置された触媒（ターボ前触媒）である三元触媒のバイパス時に排気エミッションが悪化するおそれがある。また、従来の装置においてターボチャージャの下流側の排気通路に配置された触媒（ターボ後触媒）である吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、ＮＯｘ触媒から硫黄（Ｓ）を放出させ得る温度域までＮＯｘ触媒の温度を昇温させて機能を再生させるＳ再生を行う必要がある。このようなターボ後触媒の加熱は、例えば排気に燃料を添加してこの燃料を触媒で酸化反応させることにより排気温度を上昇させて行っている。そのため、ターボチャージャや放熱等による温度の低下分が補償されてターボ後触媒が所定の目標温度まで加熱されるように排気温度を上昇させた場合、ターボ前触媒の温度が過度に上昇するおそれがある。

また、触媒の配置可能な容積の関係上、ターボ前触媒はターボ後触媒と比較して低容量である。そのため、排気への燃料添加時において排気流量が少ない場合、ターボ前触媒における燃料の酸化反応が促進されてターボ前触媒の温度が過度に上昇するおそれがある。

このような問題は、ターボチャージャの下流側に触媒を配置した場合に限らず、例えば昇温操作されることで捕捉していた粒子状物質（ＰＭ）が酸化除去されるパティキュレートフィルタなどの排気浄化手段をターボチャージャの下流側の排気通路に配置することでも同様に生じる。

そこで、本発明は、ターボチャージャの上流側の排気通路に配置された触媒の過度の温度上昇を防止することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明の第一の内燃機関の排気浄化装置は、ターボチャージャの上流側の排気通路に配置された触媒と、前記ターボチャージャの下流側の前記排気通路に配置され、昇温操作により機能が再生される排気浄化手段と、前記昇温操作時に前記排気浄化手段の温度上昇をもたらす処理を少なくとも前記触媒の上流側にて実施することにより前記排気浄化手段を前記昇温操作時の目標温度まで昇温させる昇温手段と、前記触媒へ流入する排気の流量を取得する排気流量取得手段と、前記排気流量が減少した場合に前記目標温度を低下させるように前記排気流量に応じて前記目標温度を変更する目標温度変更手段と、を備えたことにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

本発明の第一の排気浄化装置によれば、触媒へ流入する排気の流量が減少した場合、目標温度変更手段が目標温度を低下させるので、昇温手段による排気浄化手段の温度の上昇が抑えられる。昇温操作時における排気浄化手段の温度を上昇させる処理は少なくとも触媒の上流側にて実施されるので、排気浄化手段の温度の上昇を抑えることにより、触媒の温度上昇を抑えることができる。そのため、排気流量が減少した場合における触媒の過度の温度上昇を抑制することができる。なお、目標温度は排気流量に応じて連続的に変更させてもよいし、不連続に変更させてもよい。

本発明の第二の内燃機関の排気浄化装置は、ターボチャージャの上流側の排気通路に配置された触媒と、前記ターボチャージャの下流側の前記排気通路に配置され、昇温操作により機能が再生される排気浄化手段と、前記触媒へ流入する排気の流量を取得する排気流量取得手段と、前記排気浄化手段の機能再生時における前記排気流量の減少に応じて前記触媒へ流入する排気の温度を低下させるように前記排気流量に応じて前記排気温度を変更する排気温度変更手段と、を備えたことにより、上述した課題を解決する（請求項２）。

本発明の第二の排気浄化装置によれば、排気浄化手段の機能再生時に触媒へ流入する排気の流量が減少した場合は排気温度変更手段が排気温度を低下させる。これにより触媒へ供給される熱量が低減されるので、触媒の過度の温度上昇を抑制することができる。なお、排気温度は排気流量に応じて連続的に変更させてもよいし、不連続に変更させてもよい。

本発明の内燃機関の排気浄化装置において、前記触媒は、排気集合管に配置されていてもよい（請求項３）。異なる気筒から排出された排気を集合させる排気集合管に触媒を配置すると管径の影響により触媒が低容量になるので、触媒の空間速度の感度が高くなる。この場合、排気流量の少ないときに触媒が過度に温度上昇し易くなる。そこで、排気流量の減少に応じて目標温度や排気温度を低下させて触媒へ供給される熱量を低減させることで、触媒の過度の温度上昇を抑えることができる。

本発明の内燃機関の排気浄化装置は、前記排気浄化手段としてパティキュレートフィルタが設けられ、前記昇温操作時は前記パティキュレートフィルタに堆積した粒子状物質を酸化除去できる温度域まで昇温されてもよいし（請求項４）、前記排気浄化手段として吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が設けられ、前記昇温操作時は前記ＮＯｘ触媒から硫黄分を放出させ得る温度域まで昇温されてもよい（請求項５）。このように昇温操作による昇温は、パティキュレートフィルタや吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の機能が再生される温度域までの昇温が適用される。

本発明によれば、触媒へ流入する排気流量が減少した場合に目標温度や排気温度を低下させて触媒へ供給される熱量を低減するので、触媒の過度の温度上昇を防止することができる。そのため、触媒の熱劣化を抑制することができる。

図１に本発明の排気浄化装置が適用される内燃機関の要部を示す。内燃機関１は、複数（図１では４つ）の気筒２を備えたディーゼルエンジンとして構成されている。周知のように、内燃機関１には吸気通路３及び排気通路４が接続され、吸気通路３には吸気濾過用のエアクリーナ５、排気エネルギを利用して吸気圧を高めるターボチャージャ６のコンプレッサ６ａ、新気量調整用のスロットルバルブ７が設けられている。排気通路４には、過給機６のタービン６ｂと、タービン６ｂの上流側の排気集合管４ａに配置される酸化触媒８と、タービン６ｂの下流側に配置される排気浄化手段としての吸蔵還元型ＮＯｘ触媒９とが設けられる。なお、ＮＯｘ触媒９によるＮＯｘの吸蔵はＮＯｘを保持できればよく、その形態は問わない。ＮＯｘ触媒９は排気中のＳによって被毒されるので、所定の目標温度（例えば６００度）までＮＯｘ触媒９を昇温し、Ｓを放出させて機能を再生（Ｓ再生）させる。排気通路４は、排気の一部を吸気通路３へ戻すため、ＥＧＲクーラ１０及びＥＧＲ弁１１を介してＥＧＲ通路１２によって吸気通路３と接続されている。内燃機関１の各気筒２にはそれぞれ燃料噴射弁１３が設けられ、各燃料噴射弁１３は所定圧の燃料を蓄えるコモンレール１４に接続されている。

内燃機関１の運転状態はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１５により制御される。ＥＣＵ１５は、マイクロプロセッサ及びその動作に必要なＲＯＭ、ＲＡＭ等の周辺装置を組み合わせたコンピュータとして構成されている。ＥＣＵ１５は、例えば内燃機関１がアイドリングや低負荷の状態で運転されている場合にＥＧＲ弁１１の開度を大きくして吸気通路３へ戻す排気（ＥＧＲガス）の流量を増加させる。また、ＥＣＵ１５は、ＮＯｘ触媒９が目標温度まで昇温するように燃料噴射弁１３の動作を制御して内燃機関１の膨張行程の終期に燃料を噴射（ポスト噴射）させる処理を所定の周期で実行する。

なお、ＮＯｘ触媒９を昇温させるための処理は、ポスト噴射のみに限定されない。例えば、ＥＧＲガス流量の減少や燃焼行程時の燃焼噴射量の増加など内燃機関１の運転状態を変化させて内燃機関１の排気の温度を上昇させることによりＮＯｘ触媒９を目標温度まで昇温させてもよい。また、内燃機関１の排気温度を上昇させるとともに排気に燃料等の炭化水素を添加してＮＯｘ触媒９を昇温させてもよい。このようにＮＯｘ触媒９の温度上昇をもたらす処理を少なくとも酸化触媒８の上流側に行うことにより、ＥＣＵ１５は昇温手段として機能する。

酸化触媒８は、排気集合管４ａに配置されているため、ＮＯｘ触媒９と比較して低容量（例えば、ＮＯｘ触媒９の１／５０〜１／１００の容量。）である。そこで、ＥＣＵ１５は、酸化触媒８の過度の温度上昇を抑えるために図２の制御ルーチンを実行する。図２の制御ルーチンを実行することにより、ＥＣＵ１５は目標温度変更手段として機能する。図２の制御ルーチンは、内燃機関１の運転中に所定の周期で繰り返し実行される。

図２の制御ルーチンにおいてＥＣＵ１５は、まずステップＳ１１でＮＯｘ触媒９のＳ再生条件が成立しているか否かを判断する。Ｓ再生の条件が成立しているか否かは、例えば燃料噴射弁１３が供給した燃料量からＮＯｘ触媒９に流入したＳの量を推算して判断する。そして、推算値の累積が所定値を超えた場合にＳ再生の条件が成立していると判断される。なお、推算値の累積はＳ再生処理が実行されるとリセットされる。Ｓ再生条件が成立していないと判断した場合、今回の制御ルーチンを終了する。一方、Ｓ再生条件が成立していると判断した場合はステップＳ１２へ進み、ＥＣＵ１５は、酸化触媒８へ流入する排気の流量を取得し、酸化触媒８の空間速度（ＳＶ）を算出する。排気流量は、例えば排気通路４にエアフローメータを設けて取得してもよいし、内燃機関１の回転数と負荷とＥＧＲガス量とから取得してもよい。この処理を行うことにより、ＥＣＵ１５は排気流量取得手段として機能する。

次のステップＳ１３においてＥＣＵ１５は、算出したＳＶに応じてＮＯｘ触媒９のＳ再生時の目標温度を設定する。その後、今回の制御ルーチンを終了する。目標温度は、排気流量が減少してＳＶが低下した場合に低下するように、例えば図３（ａ）に示したマップに基づいて設定される。図３（ａ）に示した目標温度とＳＶとの関係は、図３（ｂ）に示した酸化触媒８のＳＶと反応率（例えば酸化触媒８と排気中の炭化水素との反応率。）との関係から求めることができる。図３（ａ）、（ｂ）から明らかなように目標温度は、ＳＶの変化に伴って反応率が変化する範囲において変更させる。

このように排気流量の減少に応じてＳ再生時の目標温度を低下させることで、ポスト噴射時の燃料量を減少させて排気温度の上昇を抑える。また、燃料量が減少することにより酸化触媒８における酸化反応も抑制される。従って、酸化触媒８の過度の温度上昇が抑えられる。

酸化触媒８の温度上昇は、Ｓ再生の目標温度を変更する他に酸化触媒８へ流入する排気の温度を低下させることでも抑えることができる。図４は、ＥＣＵ１５がＮＯｘ触媒９のＳ再生時に酸化触媒８へ流入する排気温度を変更させるために実行する制御ルーチンを示したフローチャートである。図４の制御ルーチンは、内燃機関１の運転中に所定の周期で繰り返し実行される。なお、図４において図２と同一の処理には同一の参照符号を付し、説明を省略する。

図４の制御ルーチンにおいてＥＣＵ１５は、まずステップＳ１１でＮＯｘ触媒９のＳ再生条件が成立しているか否かを判断する。再生条件が成立していないと判断した場合、今回の制御ルーチンを終了する。一方、再生条件が成立していると判断した場合、ステップＳ１２へ進み、ＥＣＵ１５は、酸化触媒８へ流入する排気の流量を取得し、取得した排気流量から酸化触媒８のＳＶを算出する。

次のステップＳ２１においてＥＣＵ１５は、算出したＳＶに応じてＮＯｘ触媒９のＳ再生処理時に酸化触媒８へ流入する排気の温度を設定する。その後、今回の制御ルーチンを終了する。排気温度は、排気流量が減少してＳＶが低下した場合に低下させるように、例えば図５に示したマップに基づいて設定される。図５に示した酸化触媒８のＳＶと排気温度との関係は、例えば図３（ａ）と同様に図３（ｂ）に示した酸化触媒８のＳＶと反応率との関係から求めることができる。なお、ステップＳ２１で設定された排気温度は、図２及び図４の他にＥＣＵ１５で実行されている内燃機関１の燃焼を制御する燃焼制御ルーチンに渡される。その後、この燃焼制御ルーチンにより、例えばスロットルバルブ７及びＥＧＲ弁１１の開度が変更され、新気量とＥＧＲ量とが調整されることにより排気温度が変更される。このように図４の制御ルーチンを実行し、図４の制御ルーチンで設定した排気温度になるように内燃機関１の燃焼を制御することで、ＥＣＵ１５は排気温度変更手段として機能する。

このように排気流量の減少に応じてＳ再生時に酸化触媒８へ流入する排気温度を低下させることでも、酸化触媒８の温度の上昇を抑えることができる。排気流量に応じて排気温度を変更する場合はＳ再生時におけるＮＯｘ触媒９の目標温度を変更しないので、ＮＯｘ触媒９の機能を適正に再生させることができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、種々の形態にて実施してよい。例えば、内燃機関はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジンに本発明を適用することもできる。また、排気に燃料を添加する方法はポスト噴射に限定されない。例えば排気集合管よりも上流側の排気マニホールドに燃料添加弁を設け、この燃料添加弁から燃料を添加してもよい。

ターボチャージャの上流側の排気通路に配置される触媒は酸化触媒に限定されず、燃料改質触媒などを配置してもよい。また、ターボチャージャの下流側の排気通路に配置される排気浄化手段は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に限定されない。所定の目標温度以上に加熱されることで機能を再生する種々の排気浄化手段を配置することができる。例えば、パティキュレートフィルタや、パティキュレートを捕捉するためのフィルタ基材に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒物質を担持させた排気浄化手段を配置してもよい。パティキュレートフィルタを配置した場合は、ＰＭを酸化除去（ＰＭ再生）できる所定の温度域までパティキュレートフィルタを加熱する場合の温度が目標温度として設定される。パティキュレートを捕捉するためのフィルタ基材に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒物質を担持させた排気浄化手段を配置した場合は、Ｓ再生とＰＭ再生とが所定の周期で実行される。そのため、目標温度には、Ｓ再生時の温度とＰＭ再生時の温度とが設定される。

本発明の排気浄化装置が適用される内燃機関の要部を示す図。図１のＥＣＵが実行する目標温度設定制御ルーチンを示すフローチャート。図１の酸化触媒のＳＶと目標温度との関係を示す図。図１のＥＣＵが実行する排気温度設定制御ルーチンを示すフローチャート。図１の酸化触媒のＳＶと排気温度との関係を示す図。

符号の説明

１内燃機関
４排気通路
４ａ排気集合管
８酸化触媒（触媒）
９吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（排気浄化手段）
１５エンジンコントロールユニット（昇温手段、排気流量取得手段、目標温度変更手段、排気温度変更手段）

Claims

ターボチャージャの上流側の排気通路に配置された触媒と、前記ターボチャージャの下流側の前記排気通路に配置され、昇温操作により機能が再生される排気浄化手段と、前記昇温操作時に前記排気浄化手段の温度上昇をもたらす処理を少なくとも前記触媒の上流側にて実施することにより前記排気浄化手段を前記昇温操作時の目標温度まで昇温させる昇温手段と、前記触媒へ流入する排気の流量を取得する排気流量取得手段と、前記排気流量が減少した場合に前記目標温度を低下させるように前記排気流量に応じて前記目標温度を変更する目標温度変更手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
ターボチャージャの上流側の排気通路に配置された触媒と、前記ターボチャージャの下流側の前記排気通路に配置され、昇温操作により機能が再生される排気浄化手段と、前記触媒へ流入する排気の流量を取得する排気流量取得手段と、前記排気浄化手段の機能再生時における前記排気流量の減少に応じて前記触媒へ流入する排気の温度を低下させるように前記排気流量に応じて前記排気温度を変更する排気温度変更手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記触媒は、排気集合管に配置されてい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。
前記排気浄化手段としてパティキュレートフィルタが設けられ、前記昇温操作時は前記パティキュレートフィルタに堆積した粒子状物質を酸化除去できる温度域まで昇温されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記排気浄化手段として吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が設けられ、前記昇温操作時は前記ＮＯｘ触媒から硫黄分を放出させ得る温度域まで昇温されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。