JP2008184955A - 内燃機関の触媒劣化抑制装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気圧力損出の発生を抑制することができる内燃機関の触媒劣化抑制装置を提供する。
【解決手段】排気系に設けられた排気浄化用の触媒装置１４と、水の噴射によって該触媒装置の温度を低下させるようにした水噴射装置１６とを備える内燃機関の触媒劣化抑制装置において、水噴射装置１６により水の噴射を行うとき、触媒装置１４より上流の排気ガス温度に応じて、水噴射量を調整する水噴射量調整手段を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は触媒劣化抑制装置に関し、特に、触媒劣化抑制のために水噴射装置を備えた内燃機関の触媒劣化抑制装置に関する。

一般に、内燃機関においては、排気系に排気浄化用の触媒装置を備えており、かかる触媒装置はその活性温度以下の暖機が完了していないときはその処理能力が十分でないこと、および活性温度を超えるときは溶損などによる劣化が生じることが知られている。

このような触媒装置の溶損などによる劣化を抑制するために、特許文献１には、触媒装置の温度が所定の活性温度を超えたときに、内燃機関の吸気通路、筒内または触媒装置の上流側の排気通路のいずれかに水噴射装置により水を噴射し、この水噴射装置による水の噴射によって、触媒装置の温度を低下させるようにした技術が開示されている。

また、特許文献２には、リーンバーン状態で運転される内燃機関において、ストイキ（またはリッチ）に移行したときのＮＯｘ浄化性能の低下を抑制するために、排ガス浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がストイキ（またはリッチ）に移行する際に、その排ガス温度または排ガス浄化触媒のうちの少なくともいずれか一方の温度を低下させるべく、水を注入するようにした技術が開示されている。

特開２００１−２８９０３５号公報 特開２００６−１０４９６６号公報

しかしながら、かかる特許文献１に開示された水噴射装置においては、触媒装置の温度が所定の活性温度を超えたときは、単に、水を噴射するようにしているのみであるので、排気ガス温度が高いような状況下では噴射された水が全量気化され、その体積が急激に増加する。このような体積増加が生ずると排気系の圧力が上昇し、内燃機関の排気圧力損出が生じるおそれがある。

また、特許文献２に開示された技術においても、排ガス浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比がストイキ（またはリッチ）に移行する際に、その排ガス温度または排ガス浄化触媒の温度を低下させるべく水を注入するようにしているのみであり、触媒劣化抑制および排気圧力損出についての課題は認識されていない。

そこで、本発明の目的は、かかる内燃機関の排気圧力損出の発生を抑制することができる内燃機関の触媒劣化抑制装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る内燃機関の触媒劣化抑制装置の一形態は、排気系に設けられた排気浄化用の触媒装置と、水の噴射によって該触媒装置の温度を低下させるようにした水噴射装置とを備える内燃機関の触媒劣化抑制装置において、前記水噴射装置により水の噴射を行うとき、前記触媒装置より上流の排気ガス温度に応じて、水噴射量を調整する水噴射量調整手段を設けたことを特徴とする。

ここで、前記水噴射量は、前記触媒装置より上流の排気ガス温度が高い程少なくなるように調整されることが好ましい。

本発明の一形態によれば、水噴射装置により水の噴射を行うときは、触媒装置より上流の排気ガス温度に応じて、水噴射量調整手段により水噴射量が調整される。したがって、噴射された水の気化による体積増加が最小に抑えられ、排気圧力損出が抑制される。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明に係る触媒劣化抑制装置の概要を示すシステム構成図であり、エンジン１０の排気通路である排気管１２には、触媒装置１４として、例えば、三元触媒やＮＯｘを吸蔵還元浄化する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が配設されている。また、触媒装置１４の排気上流には、排気管１２内に冷却剤としての水を噴射供給する水噴射ノズル１６が配設されている。

水噴射ノズル１６には、加圧ポンプ１８によって、水貯蔵タンク２０内に貯蔵された水が供給される。より詳しくは、水噴射ノズル１６は水貯蔵タンク２０の底部に開口する配管１７に連通され、該配管１７に上記加圧ポンプ１８が配設されている。

さらに、水貯蔵タンク２０は、第１ないし第４の水回収配管２１ないし２４を介して、その上部が排気管１２に連通されており、該第１ないし第４の水回収配管２１ないし２４には、それぞれ、第１ないし第４の開閉バルブ３１ないし３４が設けられている。より詳しくは、第１および第２の水回収配管２１および２２は触媒装置１４の上流側の排気管１２に連通されており、第３および第４の水回収管２３および２４は触媒装置１４の下流側の排気管１２に連通されている。そして、第１および第３の水回収管２１および２３は排気通路の上流側に向けて開口されているのに対し、第２および第４の水回収管２２および２４は排気通路の下流側に向けて開口されている。これは、上記第１ないし第４の開閉バルブ３１ないし３４の開または閉位置を適宜選択して設定することにより、排気管１２の排気通路を流れる排気ガスの一部を、水貯蔵タンク２０内に誘導し、該排気ガスに含有されている水成分を凝縮させて回収するためである。

水貯蔵タンク２０には、その内部の水を加熱する加熱手段としての暖機用の電気ヒータ２５、その内部の水の温度Ｔｔａｎｋを検出する温度センサ２６、および、その内部に貯蔵された水の残量Ｂｗを計測するための水位センサ２７が設けられている。なお、加熱手段としては、水貯蔵タンク２０内に設けられた配管内にエンジン１０の冷却水や排気ガスを循環させることにより、水貯蔵タンク２０内の水を加熱する熱交換器を設けるようにしてもよい。

一方、排気管１２の触媒装置１４の上流側には、排気管１２を囲繞する形態でウォータジャケット３５が設けられている。そして、このウォータジャケット３５は触媒装置１４の上流側の排気通路における水噴射領域を冷却するためのものであり、供給配管３６および戻り配管３７でもって、水貯蔵タンク２０内の水が循環可能に構成され、そのために供給配管３６に加圧ポンプ３８が配設されている。なお、水貯蔵タンク２０内の水の凍結を抑制するように、水貯蔵タンク２０の周囲は断熱材により覆われているのが好ましい。

また、排気管１２の触媒装置１４の下流には消音のためのマフラー４０が設けられ、該マフラー４０にはテールパイプ４２が接続されている。本実施の形態に係るマフラー４０は、通過する排気ガス量を制御すべくテールパイプ４２への連通割合を変更可能な流量制御バルブ４１を備えている可変マフラーである。

そして、排気管１２の触媒装置１４の直上流には、触媒装置１４の入口温度Ｔｆを検出するための触媒入口温度センサ４５、触媒装置１４には、その触媒床の温度Ｔｓを検出するための触媒床温度センサ４６、触媒装置１４の直下流には、触媒装置１４の後流の温度Ｔｒを検出するための触媒後流温度センサ４７、および、テールパイプ４２には、その出口、換言すると、排気管出口温度Ｔｔを検出するためのテールパイプ出口温度センサ４８がそれぞれ設けられている。

上述のシステム構成を備える本発明に係る触媒劣化抑制装置は、図１に示される電子制御ユニット（ＥＣＵ）５０を通じて制御される。この実施の形態において、ＥＣＵ５０は、燃料噴射量や燃料噴射時期および点火時期の制御など、エンジン１０の運転状態全体の制御を司り、それらの制御の一環として、本発明に係る触媒劣化抑制装置に対する制御を併せ行う。

すなわち、本実施の形態におけるＥＣＵ５０には、現在の機関運転状態を示す機関回転数や機関負荷などの各種パラメータを検出するためのセンサからの入力に加えて、上述の温度センサ２６、水位センサ２７、触媒入口温度センサ４５、触媒床温度センサ４６、触媒後流温度センサ４７およびテールパイプ出口温度センサ４８などの各種センサからの検出信号が取り込まれる。他方、該ＥＣＵ５０の出力には、不図示の燃料噴射弁やイグナイタに加えて、加圧ポンプ１８、電気ヒータ２５、第１ないし第４の開閉バルブ３１ないし３４、加圧ポンプ３８および流量制御バルブ４１などが接続されており、このＥＣＵ５０から出力される信号を通じてそれら各部の駆動、あるいは開閉などの制御が実行される。

以下、本実施の形態における制御手順の一例を、ＥＣＵ５０による上記触媒劣化抑制装置の制御手順を示す図２のフローチャートに基づいて詳述する。なお、この制御は所定の周期で実行される。

そこで、制御が開始されるとＥＣＵ５０はまず、ステップＳ２０１における判定で、イグニッションスイッチがＯＮであるか否か、すなわちエンジン１０が運転中であるか否かを判定し、運転中であるときのみステップＳ２０２に進む。

そして、ステップＳ２０２で、温度センサ２６、触媒入口温度センサ４５、触媒床温度センサ４６およびテールパイプ出口温度センサ４８からの検出信号として、水貯蔵タンク２０の内部の水の温度Ｔｔａｎｋ、触媒入口の温度Ｔｆ、触媒装置１４の触媒床の温度Ｔｓおよびテールパイプ４２の排気管出口温度Ｔｔが取り込まれると共に、水位センサ２７からの検出信号として、水貯蔵タンク２０の内部の水の貯蔵水量ないしは残量Ｂｗが取り込まれる。

次に、ステップＳ２０３では、該水貯蔵タンク２０の内部の水の残量Ｂｗが所定量(例えば、０）あるか否かが判定される。水の残量Ｂｗが所定量ない（例えば、０である）ときには、水噴射による触媒装置１４への温度低下作用を奏させることが実質的に不可能であるから、ステップＳ２１０に進み後述する燃料増量制御が行なわれる。

一方、水貯蔵タンク２０の内部の水の残量Ｂｗが所定量ある（例えば、０でない）ときはステップＳ２０４に進み、水貯蔵タンク２０の内部の水の温度Ｔｔａｎｋが所定の閾値Ｔｔｂを超えているか否かが判定される。該水の温度Ｔｔａｎｋが所定の閾値Ｔｔｂを超えていないときは、さらにステップＳ２０５に進む。一方、水の温度Ｔｔａｎｋが所定の閾値Ｔｔｂを超えているときはステップＳ２０７に進み、後述する水貯蔵タンク２０の暖機制御を停止した後、ステップＳ２０５に進む。

このステップＳ２０５では、水貯蔵タンク２０の内部の水の温度Ｔｔａｎｋが水の凍結温度０℃以下か否かが判定される。そして、凍結温度０℃以下のときにはステップＳ２０６に進み、水貯蔵タンク２０の暖機制御を開始した後、ステップＳ２１０に進み後述する燃料増量制御が行なわれる。この暖機制御の開始は本実施形態では、暖機用の電気ヒータ２５に通電が開始されることにより行われる。なお、水の温度Ｔｔａｎｋが水の凍結温度０℃を超えているときはステップＳ２０８に進み、触媒床の温度Ｔｓが活性温度の所定の閾値Ｔｂを超えているか否かが判定される。触媒床の温度Ｔｓが所定の閾値Ｔｂ以下であるときには、後述するステップＳ２１４に進む。

ここで、触媒床の温度Ｔｓが所定の閾値Ｔｂより高いときには触媒装置１４の温度を低下させるべく水噴射を行うことが望まれるが、その前にステップＳ２０９に進み、テールパイプ４２の排気管出口温度Ｔｔが所定温度（本実施形態では、水の凍結温度０℃）を超えているか否かが判定される。

テールパイプ出口温度Ｔｔが水の凍結温度０℃より低いときには、噴射された水がテールパイプ４２の出口付近にて凍結するおそれがあるので、水噴射することなく、換言すると、水噴射が禁止されて、ステップＳ２１０に進み燃料増量制御が行なわれる。また、出口温度Ｔｔが水の凍結温度０℃を超えるときにはステップＳ２１１に進み、触媒装置上流排気管冷却が開始される。詳述すると、加圧ポンプ３８の作動が開始され水貯蔵タンク２０内の水が、供給配管３６および戻り配管３７を介してウォータジャケット３５に循環されて、触媒装置１４の上流側の排気通路における水噴射領域の冷却が開始される。そして、次のステップＳ２１２に進み、マフラー４０の流量制御バルブ４１が全開にされ、さらにステップＳ２１３に進み以下に詳述する水噴射制御が開始される。

かかる水噴射制御が開始されると、ＥＣＵ５０は、図３のフローチャートに示されるように、ステップＳ２１３１おいて、触媒床の温度Ｔｓに基づいて水の基本噴射量を算出する。この基本水噴射量は、温度Ｔｓにある触媒床を効果的に冷却する水量として予め実験により求められマップに保管されている。あるいは、所定の演算式により触媒床の温度Ｔｓに基づいて算出されてもよい。次に、ステップＳ２１３２に進み、触媒入口温度センサ４５から求められる触媒入口の温度Ｔｆ、換言すると、触媒装置１４より上流の排気ガス温度に応じて、上記基本水噴射量に対して水噴射量が調整されて最終の水噴射量が求められる。この最終水噴射量は、触媒入口の温度Ｔｆと基本水噴射量とのマップから求められる。なお、これらの水噴射量の調整量は、エンジン１０のドライバビリティを重視するか、燃費を重視するかにより適宜設定され得る。そして、ステップＳ２１３３において、第１ないし第４の水回収配管２１ないし２４における第１ないし第４の開閉バルブ３１ないし３４のうち、第１および第２の開閉バルブ３１および３２を開、第３および第４の開閉バルブ３３および３４を閉にする。

次に、ステップＳ２１３４において、水噴射が行われる。すなわち、ステップＳ２１３２で調整された最終水噴射量の水が、水噴射ノズル１６から触媒装置１４の排気上流である排気管１２内に噴射供給されるように、加圧ポンプ１８が作動制御される。排気管１２内に噴射供給された水は、周囲の熱により蒸発され、そのときの気化熱により触媒装置１４が冷却される。なお、このとき、ウォータジャケット３５に水が循環されて触媒装置１４の上流側の排気通路における水噴射領域が冷却されていることにより、気化された水の体積増加が抑制される。また、可変マフラー４０の流量制御バルブ４１は全開にされているので、排気系の圧力の上昇による排気圧力損出が軽減される。そして、ステップＳ２１３５においては、上述の水噴射により消費された水量が前回までの貯蔵水量から減ぜられ、新たな貯蔵水量または残量Ｂｗとして更新される。

一方、図２のフローチャートに戻って、ステップＳ２１０において行われる燃料増量制御では、ＥＣＵ５０は、エンジン１０の回転数や負荷に基づく燃料噴射量に加えて、触媒装置１４の冷却に寄与する量の燃料が付加されてエンジン１０の燃料噴射弁から供給されるように制御する。

かくて、ステップＳ２１０で行われる燃料増量制御またはステップＳ２１３で行われる水噴射制御の後は、ステップＳ２０２に戻り、上述の制御ルーチンが繰り返される。

ところで、上述のステップＳ２０８における判定で触媒床の温度Ｔｓが所定の閾値Ｔｂ以下であるときに進むステップＳ２１４においては、水噴射制御による水の噴射中であるか否かが判定される。そして、噴射中であるときにはステップＳ２１５に進み、この噴射が停止される。一方、ステップＳ２１４において噴射中でないと判定されたとき、およびステップＳ２１５で噴射が停止された後は、ステップＳ２１６およびステップＳ２１７に順に進み、前述の触媒装置上流排気管冷却が停止され、かつ、可変マフラー４０の流量制御バルブ４１が全開位置から通常の成行き制御による開度にされる。そして、この後は再度、ステップＳ２０２に戻り、上述の制御ルーチンが繰り返される。

なお、本実施の形態では、水貯蔵タンク２０の周囲に断熱材が設けられているので、水貯蔵タンク２０から外気への放熱が抑制され、電気ヒータ２５により効率よく水貯蔵タンク２０内の水を加熱できる。また、水貯蔵タンク２０は、熱伝導性の優れた部材で形成されるとともに、その下部に電気ヒータ２５が設けられるので、内部の水を対流させながら、周囲から効率よく加熱することができる。

また、ＥＣＵ５０は、水貯蔵タンク２０内の水の温度が所定の閾値Ｔｔｂより高くなったときに、電気ヒータ２５の作動を停止させるよう制御するので、水貯蔵タンク２０からの水の供給が可能となった時点で電気ヒータ２５の作動が停止する。これにより、電気ヒータ２５にて使用される電力の消費を抑制できる。

かくて、本実施の形態では、テールパイプ４２の排気管出口温度Ｔｔが所定温度（本実施形態では、水の凍結温度０℃）以下、換言すると、排気系の出口温度が所定値以下のときは、触媒床の温度Ｔｓが所定の閾値Ｔｂを超えている場合であっても、水噴射制御が開始されない、換言すると、水噴射禁止手段により水噴射装置による水の噴射が禁止される。したがって、噴射された水の排気管出口付近による凍結が防止されるので、排気通路が絞られるようなことがなく、排気圧力損出の発生が抑制される。さらに、水噴射装置により水の噴射を行うときは、触媒装置より上流の排気ガス温度に応じて、水噴射量調整手段により水噴射量が調整される。したがって、噴射された水の気化による体積増加が最小に抑えられ、排気圧力損出が抑制される。

なお、前述の実施形態では、触媒装置より上流の排気ガス温度を温度センサにより検出するようにしたが、これはエンジン１０の運転状態に基づいて排気ガス温度を推定することにより求めることも可能である。さらに、水噴射実行中は可変マフラー４０の流量制御バルブ４１を全開となるようにしたが、これは排気圧力損出を抑制すべく水噴射量に応じて調整するようにしてもよい。

本発明に係る触媒劣化抑制装置の実施形態の概要を示すシステム構成図である。 本発明の実施形態の制御手順の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施形態の水噴射制御手順の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１０ エンジン
１２ 排気管
１４ 触媒装置
１６ 水噴射ノズル
１８、３８ 加圧ポンプ
２０ 水貯蔵タンク
２１、２２、２３，２４ 第１ないし第４の水回収配管
２５ 電気ヒータ
２６ 温度センサ
２７ 水位センサ
３１、３２、３３、３４ 第１ないし第４の開閉バルブ
３５ ウォータジャケット
３６ 供給配管
３７ 戻り配管
４０ マフラー
４２ テールパイプ
４５ 触媒入口温度センサ
４６ 触媒床温度センサ
４７ 触媒後流温度センサ
４８ テールパイプ出口温度センサ
５０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (2)

1. 排気系に設けられた排気浄化用の触媒装置と、水の噴射によって該触媒装置の温度を低下させるようにした水噴射装置とを備える内燃機関の触媒劣化抑制装置において、
   前記水噴射装置により水の噴射を行うとき、前記触媒装置より上流の排気ガス温度に応じて、水噴射量を調整する水噴射量調整手段を設けたことを特徴とする内燃機関の触媒劣化抑制装置。
2. 前記水噴射量は、前記触媒装置より上流の排気ガス温度が高い程少なくなるように調整されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の触媒劣化抑制装置。

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