JP2005264833A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃焼式バーナを用いて内燃機関の作動時に排気浄化用の触媒を活性な温度範囲に維持することを可能にする内燃機関の排気浄化装置を提供することを課題とする。
【解決手段】 内燃機関であるディーゼルエンジン１の排気通路である排気管３の途中に設けた排気浄化用の触媒と、触媒を加熱する燃焼式バーナ５と、を備え、触媒の温度が所定値より低いときには、燃焼式バーナ５に空気と燃料を供給し、燃焼熱により触媒を加熱する触媒加熱状態とし、触媒の温度が所定値より高いときには、燃焼式バーナ５から燃料のみを供給することにより触媒の温度を維持する維持状態とするように制御することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に触媒暖機のための燃焼式バーナを有する内燃機関の排気浄化装置に関する。

近年、自動車等に搭載される内燃機関では、環境保護等の理由により排気中の有害ガス成分を低減させることが要求されている。その対策として、内燃機関の排気通路に触媒等を設け、排気中の有害成分を浄化する排気浄化装置が一般に研究され、用いられている。

特に、ディーゼルエンジンの場合は、排気中に含まれる粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）、及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減させることが緊急の課題となっている。このような要求に対し、排気中のＰＭを捕捉するフィルタの一種であるＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）や、ＮＯｘを低減させるＮＯｘ低減触媒等を、単独で又は複合させて排気系に具備した内燃機関の研究開発が進められている。

ところで、例えば、上記ＤＰＦは、捕集されたＰＭを酸化除去しなければ、連続して用いることができないという問題点を有している。そこで、この問題点を解決するための技術として、触媒を使用することで走行中に連続して再生が行われる連続再生式ＤＰＦ（ＤＰＲ：Diesel Particulate active Reduction system）と呼ばれる技術がある。これは、ＤＰＦ内の排気通路表面に触媒を担持し、酸化反応を起こさせ、その際の反応熱により、捕捉したＰＭを燃焼させるものである。

また、上記ＮＯｘ低減触媒も、ＮＯｘ吸収効率が低下した時点で、ＮＯｘの放出及び還元浄化をさせる必要があり、このためには雰囲気酸素濃度を低下させたり、温度を高くしたりすることが求められている。

一方、ディーゼルエンジンは、概して排気温度が低く、このことは触媒の温度（以下、触媒温度という）を一定以上に上げる必要がある上記ＤＰＲや上記ＮＯｘ低減触媒にとって、大きな障害となっている。そこで、このような場合に触媒温度を上げる技術が種々提案されている。

例えば、特許文献１には、内燃機関の始動時等で触媒温度が低い場合に排気浄化装置の触媒をバーナを用いて加熱することにより短時間で活性温度に到達させる技術、すなわち、バーナを利用して触媒を加熱する技術が開示されている。

また、例えば、特許文献２には、排気系に燃料を添加することで、触媒の温度を上昇させる技術が開示されている。具体的には、ディーゼル機関の排気系に配置されパティキュレートを捕集するためのフィルタと、排気系のフィルタの上流側に配置された酸化触媒へ軽油を供給する軽油供給手段と、フィルタ再生に際して酸化触媒の温度が所定値以下の時に、軽油供給手段から酸化触媒へ供給される軽油を軽油供給初期においてだけ加熱して気化するバーナ等の加熱手段とを具備し、酸化触媒において軽油を燃焼させ、その燃焼熱によって常用運転域における特定領域においてフィルタの再生を可能にする技術が開示されている。

特開平５−８６８４５号公報 特開平８−３１２３３１号公報

ところで、内燃機関の作動状態としては、始動時や、低ないし高負荷運転状態や、低ないし高回転運転状態を含む多様な運転状態がある。そして、そのような内燃機関の運転状態に応じ、排気ガスの温度、すなわち排気温度は変動する。その結果、運転状態に対応して内燃機関の排気ガスから排気浄化装置に供給される熱量が変化し、ひいては排気浄化装置の触媒温度が変動することになる。それ故、上記特許文献１に開示された技術のように、燃焼式バーナを用いて内燃機関の始動時などの触媒温度が低いときに急速加熱するのみでは、内燃機関の作動中に触媒を活性な温度範囲に維持することができないという問題がある。また、上記特許文献２に開示された技術のように、軽油を加熱して酸化触媒に供給して、酸化触媒での軽油の燃焼による燃焼熱によりフィルタに捕集されたパティキュレートを燃焼させることでは、内燃機関の始動時等の排気温度が低いときには酸化触媒に供給されている熱量が極めて少ないため酸化触媒上での軽油の充分な酸化燃焼を達成することはできないという問題がある。

一方、内燃機関の作動時においては、燃焼式バーナを用いて触媒を活性な状態に維持するのが好ましいが、燃焼式バーナを作動させることができない運転領域が存在する。具体的には、排気系に燃焼式バーナを備える場合に、例えば内燃機関の高負荷域では触媒上流の排気圧力が高くなるため、燃焼式バーナへの空気の供給が困難になるのである。そして、そのような状況下で、燃焼式バーナへ充分な空気を供給するためには、コンプレッサが必要となり、コストやスペースの問題から現実的には困難である。換言すると、内燃機関の高負荷域では、燃焼式バーナの燃焼熱を用いて触媒を加熱して触媒温度を維持することが困難であるという問題がある。

そこで、本発明は、燃焼式バーナを用いた場合であっても内燃機関の作動時において触媒を活性な温度範囲に維持することを可能にする内燃機関の排気浄化装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の一形態は、内燃機関の排気通路に設けた排気浄化用の触媒と、触媒を加熱する燃焼式バーナと、を備え、触媒の温度が所定値より低いときには、燃焼式バーナに空気と燃料を供給し、燃焼熱により触媒を加熱する触媒加熱状態とし、触媒の温度が所定値より高いときには、燃焼式バーナから少なくとも燃料を供給することにより触媒の温度を維持する維持状態とするように制御することを特徴とする。

また、本発明の他の一形態は、上記一形態において、触媒加熱状態から前記維持状態に移行させるときは、空気と燃料のうち少なくとも燃料の燃焼式バーナへの供給を一旦停止した後に、再度燃料の供給を開始するように制御することを特徴とする。

本発明の一形態によれば、内燃機関の始動時や低負荷運転域のために触媒の温度が低いときには、燃焼式バーナに空気と燃料が供給されるので燃焼式バーナの燃焼熱を用いて触媒を活性な温度にまで暖めることができる。また、内燃機関の排気ガスや燃焼式バーナの燃焼ガスによる燃焼熱によって触媒がある温度まで暖められたときには、燃料のみが触媒に供給されて触媒燃焼により触媒が暖められ続けるので、触媒を活性な温度範囲に保つことができる。

また、本発明の他の一形態によれば、燃焼式バーナへの燃料を少なくとも停止して火を消してから燃料の供給を再び開始するので、当該失火のときに急激な燃焼が伴われることがなく、触媒の耐熱温度を超えずに燃焼式バーナの作動状態の切り替えを行うことができる。

以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施形態について、図面に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第一の実施形態の概略構成を示すブロック図であり、図１において本発明の第一の実施形態における内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関としてディーゼルエンジン１に適用されている。ディーゼルエンジン１には、新気が図示しないエアフィルタにて埃や塵を除去された後、吸気管２を経て供給される。そして、図示しない燃焼室で燃料が燃焼されて、その排気ガスが排気管３を介して排気浄化手段としての触媒を備えたＤＰＲ４に導かれる。

ＤＰＲ４は、ＰＭを捕捉するフィルタを備え、フィルタ内に酸化触媒が担持されている。すなわち、このフィルタは、表面に多孔・高表面積のアルミナ材を担持しているハニカム形状の一体型構造を有するセラミック材の担体で構成されており、この担体に触媒である例えば白金が担持されている。

また、ＤＰＲ４には、上流側からディーゼルエンジン１の排気ガスと共に燃焼式バーナ５により発生された燃焼ガスが導かれるようになっている。燃焼式バーナ５は、逆止弁５２を有する小型のエアポンプ５１と図示しない燃料タンクからの燃料を加圧供給する燃料ポンプ５３とに接続され、さらにその出口が配管５４を介して排気管３に接続されている。燃焼式バーナ５には、エアポンプ５１から空気が、また燃料ポンプ５３から燃料が供給され、図示しない点火プラグにより燃焼が開始されるように構成されている。この燃焼式バーナ５で発生した燃焼ガスは、配管５４を介して排気管３に導入されＤＰＲ４に流入する。そして、ＤＰＲ４に流入した燃焼ガスは、ＤＰＲ４内に担持されている触媒を加熱する。尚、後述するＥＣＵ６の制御の下、燃焼式バーナ５から燃焼ガスや、未然の燃料や、空気を、それぞれ排気管３へ供給可能になっている。

一方、燃焼式バーナ５の制御の他、エンジンの燃料噴射制御等の基本制御を行う電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）６を本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は備えている。ＥＣＵ６は、ＣＰＵと、種々のプログラムやデータを記録するメモリと、入力インタフェース回路と、出力インタフェース回路と、タイマ装置と、を備える、例えばマイクロコンピュータで構成されている。入力インタフェース回路には、エンジンの回転数や負荷などのエンジンの運転状態を検出する手段である図示しないセンサが電気配線を介して接続されている。そして、ＥＣＵ６は、ディーゼルエンジン１の回転数や負荷を検知ないしは算出して運転状態を得ることができる。一方、出力インタフェース回路は、エアポンプ５１や燃料ポンプ５３などに接続されていて、燃焼式バーナ５の燃焼が後述するＥＣＵ６から制御可能になっている。

ＥＣＵ６には、運転状態と排気温度、および運転状態と触媒温度が関連付けられたデータが予め実験により求められ、それらの関係がメモリにマップ化されて記憶されている。そして、ＥＣＵ６は、得られた運転状態に基づきメモリのデータにアクセスして、排気温度や触媒温度を導出することが可能にされている。

上記構成である第一の実施形態における内燃機関の排気浄化装置に対する燃焼式バーナ５の制御について図２を用いて説明する。なお、図２の排気浄化制御ルーチンは、所定時間毎に実行されるルーチンである。

まず、制御が開始されると、ＥＣＵ６は、ステップＳ１０１において、「触媒の加熱が必要か否か」を判別する。具体的には、第一の実施形態においては、排気温度が所定値よりも高いか否か、により触媒の加熱が必要か否かを判別する。これは、ディーゼルエンジン１の回転数および負荷に基づく運転状態から導出される排気温度が、所定値以上であるか否かを判別することにより行われる。より具体的には、設定値である所定値と運転状態に対応させてメモリに記録されている排気温度とを比較することにより行われる。そして、ＥＣＵ６は、排気温度が所定値よりも低いときには、触媒の加熱が必要であるとして、ステップＳ１０３に進む。一方、排気温度が所定値よりも高いときには、触媒の加熱が不必要であるとして、ステップＳ１０２に進み、燃焼式バーナ５を停止させる。

次に、ステップＳ１０１において触媒の加熱が必要と判別されたときには、ステップＳ１０３に進み、ＥＣＵ６は、「触媒燃焼が可能か否か」を判別する。具体的には、触媒温度が、触媒燃焼が可能な所定値以上か否かを判別する。尚、触媒燃焼可能とは、触媒又は触媒の周囲の熱により点火しなくても自発的に触媒上で燃焼が起こることを意味する。
第一の実施形態においては、ＥＣＵ６は、ディーゼルエンジン１の回転数および負荷によって求められる運転状態を基に触媒温度を導出している。なお、この触媒温度は、排気ガスから供給される熱量と、燃焼式バーナ５から供給される熱量により左右されるので、ディーゼルエンジン１の作動時間や、燃焼式バーナ５の作動時間も触媒温度の導出の一つの要素としてもよい。そして、設定値である所定値と、メモリに記録されている触媒温度とを比較して触媒燃焼が可能か否かを判別する。判別の結果、触媒温度が所定値よりも低いときには、ＥＣＵ６は、触媒燃焼が不可能であるとしてステップＳ１０４に進む。

次に、ステップＳ１０４でＥＣＵ６は、「燃焼式バーナの作動が可能か否か」を判別する。具体的には、ディーゼルエンジン１の回転数および負荷に基づく運転状態が所定領域にあるか否かを判別する。これは、ディーゼルエンジン１の回転数および負荷が大きいと、ＤＰＲ４の上流の圧力が最大で５０ｋＰａになる場合もあり、燃焼式バーナ５での燃焼に必要な空気の供給が困難になるからである。そして、回転数および負荷に基づく運転状態が所定領域にあるときには、燃焼式バーナ５の作動が可能、すなわち燃焼が可能であるとして、ステップＳ１０５で燃焼式バーナ５に燃料と空気が供給されて着火される。このように、燃焼式バーナ５で空気と燃料が供給されている燃焼状態で、触媒を加熱している状態を、触媒加熱状態という。一方、回転数および負荷に基づく運転状態が所定領域にないときには、燃焼式バーナ５の作動が不可能であるとして、ステップＳ１０２で燃焼式バーナ５は停止される。

一方、ステップＳ１０３において、触媒温度が所定値よりも高いときには、触媒燃焼が可能であるとして、ステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０６では、燃焼式バーナ５が失火された後、燃焼式バーナ５から未然の燃料のみが吐出されて排気管３を介してＤＰＲ４に供給される。その結果、供給された燃料をもとにＤＰＲ４の触媒上では触媒燃焼が起こる。なお、このように、燃焼式バーナ５で燃料を少なくとも供給しているが、燃焼式バーナ５では燃焼しておらず、触媒燃焼が起こり触媒温度をある温度以上に維持している状態を維持状態という。

以上、第一の実施形態では、ＥＣＵ６は、図２の排気浄化制御ルーチンに従って排気浄化制御を行う。その結果、ディーゼルエンジン１の作動中は、運転状態に応じて燃焼式バーナ５を用いて、ＤＰＲ４の再生浄化が効率よく、且つ的確に行われるようになる。

ところで、ステップＳ１０３で触媒燃焼が可能であると判別したときには、燃焼中の燃焼式バーナ５が失火され、燃料のみが供給されるようになる旨を上記した。尚、ステップＳ１０３の判別の前において燃焼式バーナ５が不燃の状態であれば、ステップＳ１０６で失火させられることなく燃料のみが供給されるようになる。

しかし、燃焼式バーナ５を強制的に失火させるときには、触媒温度がオーバーシュートする可能性がある。そこで、第一の実施形態では、オーバーシュートを抑制するために燃焼式バーナ５が燃焼している場合には、一旦空気および燃料を停止して火を消した後に、燃料を供給することとしている。この切り替えについて、図３に示したバーナ制御ルーチン及び図４に示した燃焼式バーナ５の空気量と燃料量が及ぼす触媒温度の変動の模式図を用いて説明する。なお、このバーナ制御ルーチンは、図２に示した排気浄化制御ルーチンのサブルーチンとしてステップＳ１０６で行われる。また、図４(ａ)にはオーバーシュートが起こる状態を、図４（ｂ）にはオーバーシュートの起こらない第一の実施形態の状態を示している。

まず、ＥＣＵ６は、ステップＳ１０６へのステップより、ステップＳ２０１で強制失火の指示を認識する。そして、ステップＳ２０２で燃焼式バーナ５への燃料および空気の供給を同時に停止する。次に、これらの停止を受けて、ＥＣＵ６は、ステップＳ２０３でＥＣＵ６内のタイマ装置を作動させ、燃料供給停止時間のカウントを始める。そして、「燃料供給停止時間が所定時間経過したか否か」をステップＳ２０４で判別する。第一の実施形態では、この所定時間を２秒としている。そして、ステップＳ２０４で、所定時間が経過したと判別されると、確実に失火したものと推定されるので燃焼式バーナ５から燃料のみが供給され、これがＤＰＲ４に導入される。

このように、一旦、燃料および空気の供給を停止して、強制失火を図るのでオーバーシュートの発生が抑えられ、触媒の耐熱温度を超えることがなくなる（図４（ｂ）参照）。なお、切り替えの際に空気量を低下させることのみで燃焼を停止させると、失火直前に燃焼ガス温度が急激に上昇し且つ燃えやすい高温の燃料やＣＯなどの部分酸化ガスが触媒に供給されるため、触媒の前面で急激な触媒燃焼が生じ、触媒の温度がオーバーシュートしてしまう（図４（ａ）参照）。

次に、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第二の実施形態について説明する。また、第二の実施形態の構成は、図１の上記第一の実施形態の構成と、燃焼式バーナ５に燃焼を確認する炎センサが備えられている以外は同じであるので、上記第一の実施形態と同一のものには、第二の実施形態でも同一の符号を付して、上記第一の実施形態と同じ部分の説明は省略する。

第二の実施形態における内燃機関の排気浄化装置に対する燃焼式バーナ５の制御について説明する。第二の実施形態の排気浄化制御ルーチンは、図２に示した上記第一の実施形態の排気浄化制御ルーチンのステップＳ１０６での処理が異なり、ステップＳ１０３で触媒温度が所定値よりも高いと判別したときには、触媒燃焼が可能であるとして、燃焼式バーナ５から未然の燃料と空気が吐出されて排気管３を介してＤＰＲ４に供給される。そして、その結果、供給された燃料をもとに燃焼式バーナ５では触媒燃焼が起こる。
次に、燃焼式バーナ５が着火しているときであって、失火させて後、燃焼式バーナ５から燃料と空気が吐出される、第二の実施形態における燃焼式バーナ５の切り替えについて、図５のバーナ制御ルーチンを用いて説明する。なお、図３に示した上記第一の実施形態のバーナ制御ルーチンと、ステップＳ２０６と、ステップＳ２０７と、ステップＳ２０８と、が異なる。

ステップＳ２０６では、ＥＣＵ６は、出力インタフェース回路から燃焼式バーナ５のエアポンプ５１と燃料ポンプ５３とに信号を送り、燃料の供給を停止すると共に、空気量を少量にして継続して空気の供給をし続ける。そして、燃焼式バーナ５の燃焼が止まっているか否か、すなわち「失火したか否か」をステップＳ２０７で判別する。この第二の実施形態では、燃焼式バーナ５に備えられた炎センサにより失火を確認する。そして、ステップＳ２０７で、失火したと判別したら、燃料の供給を燃焼式バーナ５から再開する。ただし、空気は失火させる過程でも継続してエアポンプ５１から供給されており、ステップＳ２０８での燃料の供給に際しても空気の供給は継続されている。このように継続して供給される少量の空気により、確実に触媒に未然の燃料が供給されると共に、燃料の微粒化が行われるので、ＤＰＲ４において触媒燃焼が確実に行われるのである。

このように、燃料の供給を停止して、供給する空気量を少量にすることでも、強制失火を図ることができる。そして、その失火の際には、図６に示すようにオーバーシュートの発生が抑えられる。

以上、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置について、第一の実施形態と第二の実施形態の二つの実施形態を用いて説明したが、これらの実施形態の異なる組み合わせを本発明は含めるものである。また、本発明は、これらの実施形態に限定されない。

具体的には、本発明は、触媒として、カリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ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、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類、貴金属を用いることが可能である。また、本発明は、上記した第一及び第二の実施形態で用いた内燃機関の排気浄化手段としてのＤＰＲ以外に、ＰＭとＮＯｘを同時に連続的に浄化するＤＰＮＲ（Diesel Particulate-NOx Reduction System）等の内燃機関の排気浄化手段を用いることも可能である。

また、上記第一及び第二の実施形態では、排気温度や触媒温度を内燃機関であるディーゼルエンジンの運転状態から推定することとした。しかし、温度センサなどの温度検出手段を備えて、これら排気温度や触媒温度を検知することとしてもよい。さらに、上記第一及び第二の実施形態では、内燃機関をディーゼルエンジンとしたが、ガソリンエンジンの排気浄化装置にも本発明は適用できるものである。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第一の実施形態の概略構成を示す図である。 本発明に係る第一の実施形態における排気浄化制御ルーチンである。 本発明に係る第一の実施形態におけるバーナ制御ルーチンである。 本発明に係る第一の実施形態においてバーナの触媒加熱状態から維持状態への切り替えについての説明図であり、(ａ)にはオーバーシュートが起こる状態を、（ｂ）には第一の実施形態におけるオーバーシュートの起こらない状態を示している。 本発明に係る第二の実施形態におけるバーナ制御ルーチンである。 本発明に係る第二の実施形態においてバーナの触媒加熱状態から維持状態への切り替えについての説明図であり、オーバーシュートの起こらない状態を示している。

符号の説明

１ ディーゼルエンジン
２ 吸気管
３ 排気管
４ ＤＰＲ
５ 燃焼式バーナ
５１ エアポンプ ５２ 逆止弁 ５３ 燃料ポンプ
６ ＥＣＵ

Claims (2)

1. 内燃機関の排気通路に設けた排気浄化用の触媒と、前記触媒を加熱する燃焼式バーナと、
   を備え、
   前記触媒の温度が所定値より低いときには、前記燃焼式バーナに空気と燃料を供給し、燃焼熱により前記触媒を加熱する触媒加熱状態とし、
   前記触媒の温度が所定値より高いときには、前記燃焼式バーナから少なくとも燃料を供給することにより前記触媒の温度を維持する維持状態とす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。
2. 前記触媒加熱状態から前記維持状態に移行させるときは、
   空気と燃料のうち少なくとも燃料の前記燃焼式バーナへの供給を一旦停止した後に、再度燃料の供給を開始するように制御す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。
   

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