JP2007162499A

JP2007162499A - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP2007162499A
Application number: JP2005356621A
Authority: JP
Inventors: Taro Aoyama; 太郎青山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-12-09
Filing date: 2005-12-09
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2025-12-09
Also published as: JP4609299B2

Abstract

【課題】内燃機関の排気浄化装置において、酸化機能を有する触媒に流入する排気の空燃比を適正値に維持することができる技術を提供する。
【解決手段】内燃機関の排気通路に設けられ酸化機能を有する触媒と、酸化機能を有する触媒よりも上流の排気通路に二次空気を供給する二次空気供給手段と、酸化機能を有する触媒に流入する排気の空燃比の変動を検出する空燃比変動検出手段と、を備え、空燃比変動検出手段により検出される空燃比の変動に応じて前記二次空気供給手段により供給する二次空気の量を調整する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気通路に吸蔵還元型ＮＯx触媒（以下、単にＮＯx触媒という。）を配置する技術が知られている。このＮＯx触媒は、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中
のＮＯxを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときは吸蔵し
ていたＮＯxを還元する。

ところで、ＮＯx触媒には燃料に含まれる硫黄分が燃焼して生成される硫黄酸化物（Ｓ
Ｏx）もＮＯxと同じメカニズムで吸蔵される。このように吸蔵されたＳＯxはＮＯxよりも放出されにくく、ＮＯx触媒内に蓄積される。これを硫黄被毒という。この硫黄被毒によ
りＮＯx触媒でのＮＯx浄化率が低下するため、適宜の時期に硫黄被毒から回復させる被毒回復処理を施す必要がある。この被毒回復処理は、ＮＯx触媒を高温にし、且つ酸素濃度
を低下させた排気をＮＯx触媒に流通させて行われる。

このようにして、ＮＯxの還元及び硫黄被毒の回復をリッチ雰囲気にて行うと、ＮＯx触媒下流に還元剤やＨ_２Ｓが流出することがある。ここで、ＮＯx触媒の下流に酸化触媒を
設け、該酸化触媒に空気を供給して酸素過剰の雰囲気を形成し、還元剤やＨ_２Ｓを酸化させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２０００−１１０５５２号公報特開２００２−０３８９３９号公報特開２００５−０７６５０４号公報特開２００４−０７６６８２号公報特開平６−１２９２３７号公報

ところで、内燃機関の過渡運転時には、該内燃機関の気筒内においてリッチ空燃比で燃焼が行われることがあり、この場合には内燃機関からの排気の空燃比がリッチ空燃比に変わる。また、排気中に還元剤の添加を行っている場合には、還元剤が排気通路に付着することがある。このように付着している還元剤は、加速時等のように排気の流量が多くなったとき、または排気の温度が高くなったときに、一気に蒸発して排気の空燃比をリッチ側へ変化させる。

そのため、一定量の二次空気を供給していたのでは、酸化触媒に流入する排気の空燃比が変動するため、リーン空燃比の排気が該酸化触媒に流入するおそれがある。また、リッチ側へ変化した排気が酸化触媒へ到達したときに、還元剤の供給を停止したり供給量を減少させたりしても、酸化触媒に流入する排気の空燃比はすぐには変わらない。そのため、酸化触媒はリッチ雰囲気となり酸化能力が低下する。以上より、酸化触媒をＨＣがすり抜けたり、白煙が発生したりするおそれがある。

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の排気浄化装置において、酸化機能を有する触媒に流入する排気の空燃比を適正値に維持することができる技術を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために本発明の内燃機関の排気浄化装置は、以下の手段を採用した。即ち、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、
内燃機関の排気通路に設けられ酸化機能を有する触媒と、
前記酸化機能を有する触媒よりも上流の排気通路に二次空気を供給する二次空気供給手段と、
前記酸化機能を有する触媒に流入する排気の空燃比の変動を検出する空燃比変動検出手段と、
を備え、
前記空燃比変動検出手段により検出される空燃比の変動に応じて前記二次空気供給手段により供給する二次空気の量を調整することを特徴とする。

このようにすると、酸化能力を有する触媒の上流を流れる排気の空燃比がリッチ空燃であっても、二次空気供給手段により酸化機能を有する触媒の上流へ空気を供給することにより、該酸化触媒へ流入する排気をリーン空燃比とすることができる。これにより、前記触媒の酸化能力を向上させることができる。そして、空燃比変動検出手段により、前記触媒に流入する排気の空燃比の変動を検出し、この変動に合わせて二次空気供給手段により二次空気を供給すれば、前記触媒の雰囲気をリーン雰囲気にすることができる。すなわち、現時点では内燃機関からの排気がリーンとなっているときであっても、過去にリッチガスが排出された場合には、そのリッチガスが酸化機能を有する触媒に到達するときに合わせて二次空気を供給する。

このようにして、ＨＣ、ＣＯおよびＨ_２Ｓ等を前記触媒により酸化させることができる。なお、空燃比変動検出手段は、酸化能力を有する触媒に流入する排気の空燃比の変動を検出するが、これは、酸化能力を有する触媒の直前の排気の空燃比の変動、または二次空気供給手段により二次空気が供給される箇所の近傍における排気の空燃比の変動を検出するとしてもよい。

また、本発明においては、前記酸化能力を有する触媒よりも上流に設けられ還元剤の存在下でＮＯxを還元するＮＯx触媒と、
前記ＮＯx触媒よりも上流から還元剤を添加する還元剤添加手段と、
をさらに備え、
前記還元剤添加手段により還元剤が添加された後に前記空燃比変動検出手段により検出される空燃比の変動に応じて前記二次空気供給手段により供給する二次空気の量を調整することができる。

還元剤添加手段により還元剤を添加すると、該還元剤の一部が排気通路に付着することがある。このようにして排気通路に付着した還元剤は、還元剤添加手段による還元剤の添加が終了した後であっても、排気通路から蒸発してＮＯx触媒および酸化能力を有する触
媒へ到達する。これにより、還元剤を添加していない場合であっても、排気の空燃比が変動する。このような場合であっても、空燃比変動検出手段により空燃比の変動を検出し、これに合わせて二次空気供給手段により空気を供給する。すなわち、現時点では還元剤添加手段から還元剤が添加されていないときであっても、過去に還元剤添加手段から還元剤が添加されていた場合には、その還元剤が酸化機能を有する触媒に到達するときに二次空気を供給する。これにより、酸化能力を有する触媒に流入する排気の空燃比をリーン空燃比とすることができる。さらには、前記触媒の酸化能力を向上させることができる。

また、本発明においては、前記空燃比変動検出手段は、前記内燃機関から未燃ＨＣが排出されてから前記酸化能力を有する触媒に到達するまでの時間である遅延時間、および／または前記還元剤添加手段により還元剤が添加されてから前記排気通路に付着しその後に蒸発して前記酸化能力を有する触媒に到達するまでの時間である遅延時間、に基づいて空
燃比の変動を検出することができる。

すなわち、内燃機関から未燃ＨＣが排出されたり、排気通路に還元剤が付着しその後蒸発したりしても、酸化能力を有する触媒まではある程度の距離があるため、それらが該触媒へ到達するまでには時間がかかる。このような時間を遅延時間と称している。そして、内燃機関から未燃ＨＣが排出されてから、および／または排気通路に付着していた還元剤が蒸発してからの経過時間が遅延時間となったときに二次空気供給手段により空気を供給することで、酸化能力を有する触媒に流入する排気の空燃比をリーン空燃比とすることができる。

また、本発明においては、前記遅延時間は、排気の流量および前記排気通路の容積に基づいて算出されてもよい。

排気通路の容積とは、内燃機関の気筒若しくは還元剤添加手段により添加された還元剤が付着している箇所から、前記二次空気供給手段により二次空気が供給される箇所若しくは酸化能力を有する触媒までの容積をいう。そして、排気の流量および排気通路の容積が決まれば、未燃ＨＣや蒸発した還元剤が酸化能力を有する触媒へ到達するまでに要する時間、すなわち前記遅延時間も決まる。すなわち、排気の流量および排気通路の容積に基づいて遅延時間を算出することができる。

また、本発明においては、前記空燃比変動検出手段は、排気の空燃比を検出する空燃比センサを含んで構成されてもよい。

空燃比センサにより直接排気の空燃比を測ることにより、空燃比の変動を正確に検出することができる。また、空燃比の変動は、還元剤の排気通路への付着量および蒸発量と、前記遅延時間と、から求めることもできる。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、酸化機能を有する触媒に流入する排気の空燃比を適正値に維持することができる。

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態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関１とその吸・排気通路の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、４つの気筒２を有する４サイクル・ディーゼルエンジンである。

内燃機関１には、吸気枝管３が接続されており、該吸気枝管３の各枝管は、各気筒２の燃焼室と通じている。前記吸気枝管３は、吸気管４に接続され、該吸気管４の途中には、排気の熱エネルギを駆動源として作動する遠心過給機（ターボチャージャ）５のコンプレッサハウジング５ａが設けられている。また、前記吸気管４における吸気枝管３の直上流に位置する部位には、該吸気管４内を流通する吸気の流量を調節する吸気絞り弁６が設けられている。

一方、内燃機関１には、排気枝管９が接続され、排気枝管９の各枝管は各気筒２の燃焼室へと通じている。排気枝管９は、前記ターボチャージャ５のタービンハウジング５ｂと接続されている。前記タービンハウジング５ｂは、排気管１０と接続されている。排気管
１０の途中には、吸蔵還元型ＮＯx触媒（以下、単にＮＯx触媒という。）を担持したパティキュレートフィルタ（以下、単にフィルタという。）１１が設けられている。フィルタ１１は排気中の粒子状物質（以下、ＰＭという。）を捕集する。また、ＮＯx触媒は、流
入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のＮＯxを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が
低下し且つ還元剤が存在するときは吸蔵していたＮＯxを還元する機能を有する。このフ
ィルタ１１の下流には、酸化能力を有する酸化触媒１２が設けられている。また、フィルタ１１と酸化触媒１２との間には、流通する排気の空燃比に対応した電気信号を出力する空燃比センサ１３が取り付けられている。

また、フィルタ１１と酸化触媒１２との間の排気管１０には、該排気管１０内に二次空気を供給するための二次空気供給ノズル２０が取り付けられている。この二次空気供給ノズル２０には、二次空気供給管２１の一端が接続されている。そして、二次空気供給管２１の他端はエアポンプ２２に接続されている。エアポンプ２２は、電動モータを備えて構成され、その回転数に応じた空気を吐出する。

そして、二次空気供給ノズル２０が開弁されることにより、エアポンプ２２と、排気管１０とが連通される。このときにエアポンプ２２が作動して空気を吐出することにより、空気が二次空気供給管２１へ流入する。そして、この空気は、二次空気供給ノズル２０を介して排気管１０へ供給される。このようにして排気管１０へ供給された空気は、排気管１０の上流から流れてきた排気と混ざり合いつつ酸化触媒１２へ流入する。なお、本実施例ではエアポンプ２２が、本発明における二次空気供給手段に相当する。

さらに、本実施例では、排気枝管９内を流通する排気中に還元剤たる燃料（軽油）を添加する還元剤添加弁１４を備えている。還元剤添加弁１４は、後述するＥＣＵ１０からの信号により開弁して燃料を噴射する。そして、還元剤添加弁１４から排気枝管９内へ噴射された燃料は、排気の空燃比をリッチにすると共に、ＮＯx触媒に吸蔵されていたＮＯxを還元する。ＮＯx還元時には、フィルタ１１に流入する排気の空燃比を比較的に短い周期
でスパイク的（短時間）にリッチとする、所謂リッチスパイク制御を実行する。なお、本実施例では還元剤添加弁１４が、本発明における還元剤供給手段に相当する。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１５が併設されている。このＥＣＵ１５は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御する。

ＥＣＵ１５には、各種センサが電気配線を介して接続され、上記した各種センサの出力信号がＥＣＵ１５に入力されるようになっている。一方、ＥＣＵ１５には、吸気絞り弁６、還元剤添加弁１４、二次空気供給ノズル２０、およびエアポンプ２２等が電気配線を介して接続され、ＥＣＵ１５はこれらを制御することが可能になっている。たとえば、ＥＣＵ１５は、二次空気供給ノズル２０の開弁量を調整することができ、これにより二次空気の供給量を制御することができる。また、前記ＥＣＵ１５は、各種アプリケーションプログラム及び各種制御マップを記憶している。

ところで、ＮＯx触媒には燃料に含まれる硫黄分が燃焼して生成される硫黄酸化物（Ｓ
Ｏx）もＮＯxと同じメカニズムで吸蔵される。このように吸蔵されたＳＯxはＮＯxよりも放出されにくく、ＮＯx触媒内に蓄積される。これを硫黄被毒という。この硫黄被毒によ
りＮＯx触媒におけるＮＯx浄化率が低下するため、適宜の時期に硫黄被毒から回復させる被毒回復処理を施す必要がある。この被毒回復処理は、ＮＯx触媒を高温にし、且つ酸素
濃度を低下させた排気をＮＯx触媒に流通させて行われる。そして、硫黄被毒回復処理で
は、ＥＣＵ１５は、フィルタ１１に流入する排気中の酸素濃度を比較的に短い周期でスパイク的に低くする、燃料添加制御（所謂リッチスパイク制御）を実行する。

燃料添加制御では、ＥＣＵ１５は、還元剤添加弁１４からスパイク的に還元剤たる燃料を噴射させるべく当該還元剤添加弁１４を制御することにより、フィルタ１１に流入する排気の空燃比を一時的に所定の目標リッチ空燃比とする。フィルタ１１では、温度の上昇とともにＮＯx触媒からＳＯxが放出される。これにより、フィルタ１１に担持されたＮＯx触媒の硫黄被毒を回復することが可能となる。

ところで、ＮＯx触媒の硫黄被毒を回復させるために該ＮＯx触媒へ燃料が供給されると、前述のようにＮＯx触媒からＳＯxが放出されるが、この放出されたＳＯxはリッチ雰囲
気ではＨ_２Ｓになり易い。また、燃料添加量が多すぎると、ＨＣ、ＣＯ等の還元成分がＮＯx触媒を通過して下流へ流出することがある。

これに対し、下流に酸化触媒を設けて、炭化水素（ＨＣ）等を酸化させることも考えられるが、硫黄被毒回復時では還元雰囲気となるため酸化触媒の酸化能力が著しく低下してしまう。

そこで、本実施例では、酸化触媒１２の上流に二次空気を供給することにより該酸化触媒１２に流入する排気を酸化雰囲気にして、該酸化触媒１２の酸化能力を高めるようにした。これにより、酸化触媒１２にてＨＣ、ＣＯ及びＨ_２Ｓ等を酸化させることが可能となる。

そのため、本実施例では、内燃機関１の負荷が高くなることにより排出される未燃ＨＣが、酸化触媒１２に到達するまでの時間（以下、未燃ＨＣ到達時間という。）を考慮して二次空気の供給を行う。または、還元剤添加弁１４から燃料が添加された後、酸化触媒１２に到達するまでの時間（以下、付着燃料到達時間という。）を考慮して二次空気の供給を行う。なお、二次空気供給ノズル２０と酸化触媒１２との距離が長い場合には、酸化触媒１２に到達するまでの時間ではなく、二次空気供給ノズル２０に到達するまでの時間としてもよい。このような場合には、酸化触媒１２に未燃ＨＣ等が到達してから二次空気を供給したのでは、その二次空気が酸化触媒１２に到達するまでの間は該酸化触媒１２に流入する排気がリッチ空燃比となってしまうからである。そのため、本実施例では二次空気供給ノズル２０に到達するまでの時間を以下、未燃ＨＣ到達時間または付着燃料到達時間とする。

未燃ＨＣ到達時間は、排気の流量および排気系の容積から求めることができる。この未燃ＨＣ到達時間は、従来の技術を用いて算出することもできる。ここで、排気系の容積とは、排気ポートから二次空気供給ノズル２０までの排気枝管９、ターボチャージャ５、排気管１０、およびフィルタ１１等の排気が流れる箇所の容積を示す。また、内燃機関１からの排気の空燃比を、吸入空気量と気筒２内への燃料供給量とに基づいて求める。この排気の空燃比および排気の流量から、排気の空燃比をリーン空燃比とするために必要となる二次空気量を求めることができる。そして、この空燃比の排気が内燃機関１から排出された後、未燃ＨＣ到達時間が経過したときに、前記必要となる二次空気量を二次空気供給ノズル２０から供給する。これにより、酸化触媒１２に流入する排気の空燃比をリーン空燃比とすることができる。

また、付着燃料到達時間は、添加された燃料が流れる排気系の容積および排気の流量に基づいて算出することができる。燃料が排気系に付着する量およびその蒸発量は、排気系の壁面温度および排気の流量に基づいて算出することができる。これらは、従来の技術を用いて算出することもできる。また、これらの関係を予め実験等により求めてマップ化しておいてもよい。

そして、還元剤添加弁１４から燃料が添加され、その後に内燃機関の負荷が上昇した場合には、内燃機関１の負荷が上昇してから付着燃料到達時間が経過したときに、二次空気供給ノズル２０から二次空気を供給する。ここで、二次空気を供給する前の排気の空燃比は、内燃機関１の吸入空気量、気筒２内への燃料供給量、および排気系に付着していた燃料の蒸発量に基づいて求めることができる。そして、この排気の空燃比および排気の流量から、酸化触媒１２に流入する排気の空燃比をリーンとするために必要となる二次空気量を求めることができる。これにより、還元剤添加弁１４からの燃料の供給を停止した後であっても二次空気の供給が行われる。

さらに、本実施例では、空燃比センサ１３により検出される排気の空燃比が目標のリーン空燃比となるように二次空気量をフィードバック制御する。たとえば算出された未燃ＨＣ到達時間や付着燃料到達時間と、実際の到達時間とにずれがあった場合でも、空燃比センサ１３の検出値に基づいて二次空気供給量を補正することができるので、より適正な空燃比の排気を酸化触媒１２へ供給することができる。そのため、本実施例では空燃比センサ１３を、二次空気供給ノズル２０よりも上流に取り付けている。そして、空燃比センサ１３と二次空気供給ノズル２０との距離は、二次空気量のフィードバック制御を行うことが可能となるように設定される。すなわち、空燃比センサ１３により排気の空燃比が検出されてから、この検出された排気中に二次空気を供給するために要する時間が、排気が空燃比センサ１３から二次空気供給ノズル２０まで流れるのにかかる時間よりも短くなるように設定される。

次に、本実施例に係る二次空気供給制御のフローについて説明する。図２は、本実施例に係る二次空気供給制御のフローを示したフローチャートである。本ルーチンは、ＮＯx
還元制御中または硫黄被毒回復制御実行中において所定時間毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１０１では、リッチ制御中であるか否か判定される。ＮＯx還元制御および
硫黄被毒回復制御では、フィルタ１１に流入する排気の空燃比が一時的に所定の目標リッチ空燃比とされる。そして、フィルタ１１が目標リッチ空燃比とされている期間およびその直後において二次空気が必要となるため、本ステップではこの期間であるか否か判定している。ステップＳ１０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０２へ進み、一方否定判定がなされた場合には本ルーチンを一旦終了させる。

ステップＳ１０２では、内燃機関１の負荷の変化に伴う排気空燃比の変化および未燃ＨＣ到達時間が算出される。すなわち、内燃機関１の吸入空気量と気筒２内への燃料供給量に基づいて排気の空燃比およびその変化が算出され、排気の流量および排気系の容積から未燃ＨＣ到達時間が算出される。内燃機関１が定常運転の場合には、本ステップは省略される。

ステップＳ１０３では、排気系に付着した燃料が蒸発する量、および付着燃料到達時間が算出される。前記したようにして、これらの値が算出される。

ステップＳ１０４では、酸化触媒１２に流入する排気の空燃比が目標リーン空燃比となるために必要となる二次空気供給量が算出される。ここで、目標リーン空燃比は、未燃ＨＣおよびＨ_２Ｓの酸化に必要な空燃比（たとえば、ストイキ：１４．７以上）と、ＳＯ_３の生成を抑制するための空燃比（たとえば、１６以下）となるように予め設定されている。二次空気供給量は、内燃機関１からの未燃ＨＣと、還元剤添加弁１４により添加され排気系に付着した燃料と、を考慮して求められる。

ステップＳ１０５では、エアポンプ２２を作動させつつ二次空気供給ノズル２０を開弁して二次空気を供給する。すなわち、ステップＳ１０４で算出された二次空気量となるよ
うに、二次空気供給ノズル２０の開度が調整される。

ステップＳ１０６では、空燃比センサ１３により得られる空燃比が目標リーン空燃比となるように、二次空気供給ノズル２０の開度がフィードバック制御される。

このようにして、酸化触媒１２へ目標リーン空燃比の排気を供給することにより酸素を供給することができるので、ＮＯx還元時または硫黄被毒回復時にＮＯx触媒から流出するＣＯ、ＨＣ、およびＨ_２Ｓ等を酸化することができる。

なお、本実施例では、ステップＳ１０２、１０３、または１０６の処理を行うＥＣＵ１５が、本実施例における空燃比変動検出手段に相当する。

実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸・排気通路の概略構成を示す図である。実施例に係る二次空気供給制御のフローを示したフローチャートである。

符号の説明

１内燃機関
２気筒
３吸気枝管
４吸気管
５ターボチャージャ
６吸気絞り弁
９排気枝管
１０排気管
１１フィルタ（吸蔵還元型ＮＯx触媒）
１２酸化触媒
１３空燃比センサ
１４還元剤添加弁
１５ＥＣＵ
２０二次空気供給ノズル
２１二次空気供給管
２２エアポンプ

Claims

内燃機関の排気通路に設けられ酸化機能を有する触媒と、
前記酸化機能を有する触媒よりも上流の排気通路に二次空気を供給する二次空気供給手段と、
前記酸化機能を有する触媒に流入する排気の空燃比の変動を検出する空燃比変動検出手段と、
を備え、
前記空燃比変動検出手段により検出される空燃比の変動に応じて前記二次空気供給手段により供給する二次空気の量を調整することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記酸化能力を有する触媒よりも上流に設けられ還元剤の存在下でＮＯxを還元するＮ
Ｏx触媒と、
前記ＮＯx触媒よりも上流から還元剤を添加する還元剤添加手段と、
をさらに備え、
前記還元剤添加手段により還元剤が添加された後に前記空燃比変動検出手段により検出される空燃比の変動に応じて前記二次空気供給手段により供給する二次空気の量を調整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。
前記空燃比変動検出手段は、前記内燃機関から未燃ＨＣが排出されてから前記酸化能力を有する触媒に到達するまでの時間である遅延時間、および／または前記還元剤添加手段により還元剤が添加されてから前記排気通路に付着しその後に蒸発して前記酸化能力を有する触媒に到達するまでの時間である遅延時間、に基づいて空燃比の変動を検出することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記遅延時間は、排気の流量および前記排気通路の容積に基づいて算出され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。
前記空燃比変動検出手段は、排気の空燃比を検出する空燃比センサを含んで構成され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。