JP2010038116A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】還元剤として噴射した燃料を効率的に利用し、燃費の悪化を防止する。
【解決手段】機関排気通路内に、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１５を配置すると共にＮＯｘ吸蔵還元触媒の上流の機関排気通路内に酸化触媒１３を配置し、酸化触媒の上流の機関排気通路内に燃料供給弁２４を配置し、ＮＯｘ吸蔵還元触媒からＮＯｘを放出すべきときには、燃料供給弁により排気通路内に燃料を噴射する排気系噴射を行いＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比を一時的に理論空燃比又はリッチにするようにした内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯｘ吸蔵還元触媒からＮＯｘを放出すべきときの酸化触媒の触媒温度が予め定められた温度より低いとき、ポスト噴射を行う機関サイクルを開始し、ポスト噴射を行う機関サイクルの開始時期を排気系噴射の開始時期よりも予め定められた先行時間だけ早く設定し、先行時間は酸化触媒の温度が低いほど長く設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

機関排気通路内にＮＯｘを還元浄化する触媒を配置し、排気上死点近傍で燃焼室内に還元剤となる燃料（例えば、軽油）を噴射し、ＮＯｘを還元浄化するようにした内燃機関の排気浄化装置が公知である（特許文献１参照）。燃焼室内に噴射される還元剤としての軽油は、排気行程における熱によって可能な限り熱分解させた方が、触媒におけるＮＯｘの浄化効率にとって望ましい。

特開２００５−１１３８３２号公報

しかしながら、軽油は沸点が高いため、排気行程における熱では十分に熱分解されず、噴射された軽油を効率的に利用することができない。そのため、ＮＯｘの還元浄化に必要な噴射すべき軽油を確保するため、多めに噴射しなければならず、燃費が悪化するという問題がある。

そこで本発明は、還元剤として噴射した燃料を効率的に利用し、燃費の悪化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。

前記課題を解決するために請求項１に記載の発明によれば、機関排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯｘを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ吸蔵還元触媒を配置すると共にＮＯｘ吸蔵還元触媒の上流の機関排気通路内に酸化触媒を配置し、酸化触媒の上流の機関排気通路内に燃料供給弁を配置し、主噴射よりも後の圧縮行程又は排気行程中に燃焼室内に燃料を噴射するポスト噴射を行う機関サイクルとポスト噴射を行わない機関サイクルとを切替可能であり、ＮＯｘ吸蔵還元触媒からＮＯｘを放出すべきときには、燃料供給弁により排気通路内に燃料を噴射する排気系噴射を行いＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比を一時的に理論空燃比又はリッチにするようにした内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯｘ吸蔵還元触媒からＮＯｘを放出すべきときの酸化触媒の触媒温度が予め定められた温度より低いとき、ポスト噴射を行う機関サイクルを開始し、前記ポスト噴射を行う機関サイクルの開始時期を排気系噴射の開始時期よりも予め定められた先行時間だけ早く設定し、該先行時間は酸化触媒の温度が低いほど長く設定する内燃機関の排気浄化装置が提供される。

即ち、請求項１に記載の発明では、ＮＯｘ吸蔵還元触媒からＮＯｘを放出すべきときの酸化触媒の触媒温度が予め定められた温度より低い場合に、排気系噴射を行う前にポスト噴射を行う機関サイクルで運転することによって燃料を酸化触媒上で燃焼させることができ、酸化触媒を昇温させることができる。それによって、排気系噴射によって噴射された燃料を十分に熱分解させることが可能となり、供給された燃料を効率的にＮＯｘの還元浄化に利用することが可能となる。その結果として、燃費の悪化も防止することができる。更に、先行時間は、酸化触媒の触媒温度に応じた最適値を用いるため、不要なポスト噴射を行うことによる燃料の浪費がないという利点もある。

また、請求項２に記載の発明によれば請求項１に記載の発明において、ポスト噴射を行う機関サイクルの終了時期と排気系噴射の終了時期とを同時に設定する内燃機関の排気浄化装置が提供される。即ち、請求項２に記載の発明では、ポスト噴射は、排気系噴射が行われるときまでに、酸化触媒１３の触媒温度ＴＣを昇温させ維持することを目的とするため、ポスト噴射を行う機関サイクルの終了時期を、排気系噴射の終了時期と同時にすることによって、不要なポスト噴射を行うことによる燃料の浪費がないという利点がある。

各請求項に記載の発明によれば、還元剤として噴射した燃料を効率的に利用し、燃費の悪化を防止することができるという共通の効果を奏する。

図１に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内にそれぞれ燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドをそれぞれ示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結され、コンプレッサ７ａの入口は吸入空気量を検出するためのエアフローメータ８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁１０が配置され、更に吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置される。図１に示される実施形態では機関冷却水が冷却装置１１内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。

一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結され、排気タービン７ｂの出口は排気管１２を介して酸化触媒１３の入口に連結される。また、酸化触媒１３の出口は排気管１４を介してＮＯｘ吸蔵還元触媒１５に連結される。排気マニホルド５内には排気ガス中に還元剤としての燃料、即ち軽油を噴射するための燃料供給弁２４が取り付けられる。なお、燃料供給弁２４を排気管１２内に取り付けるようにしてもよい。

排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路１６を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１６内には電子制御式ＥＧＲ制御弁１７が配置される。また、ＥＧＲ通路１６周りにはＥＧＲ通路１６内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置１８が配置される。図１に示される実施形態では機関冷却水が冷却装置１８内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管１９を介してコモンレール２０に連結される。このコモンレール２０内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２１から燃料が供給され、コモンレール２０内に供給された燃料は各燃料供給管１９を介して燃料噴射弁３に供給される。

電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５及び出力ポート３６を具備する。酸化触媒１３には酸化触媒１３の触媒温度ＴＣを検出するための温度センサ２２が取り付けられ、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１５にはＮＯｘ吸蔵還元触媒１５の触媒温度を検出するための温度センサ２３が取り付けられる。これら温度センサ２２，２３及びエアフローメータ８の出力信号はそれぞれ対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。

アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０駆動用ステップモータ、燃料供給弁２４、ＥＧＲ制御弁１７及び燃料ポンプ２１に接続される。

まず、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１５について説明すると、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１５は三次元網目構造のモノリス担体或いはペレット状担体上に担持されているか、又はハニカム構造をなすパティキュレートフィルタ上に担持されている。このようにＮＯｘ吸蔵還元触媒１５は種々の担体上に担持させることができるが、以下ＮＯｘ吸蔵還元触媒１５をパティキュレートフィルタ上に担持した場合について説明する。

図２（Ａ）及び（Ｂ）は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１５を担持したパティキュレートフィルタ１５ａの構造を示している。図２（Ａ）はパティキュレートフィルタ１５ａの正面図を示しており、図２（Ｂ）はパティキュレートフィルタ１５ａの側面断面図を示している。

図２（Ａ）及び（Ｂ）に示されるようにパティキュレートフィルタ１５ａはハニカム構造をなしており、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路６０，６１を具備する。これら排気流通路は下流端が栓６２により閉塞された排気ガス流入通路６０と、上流端が栓６３により閉塞された排気ガス流出通路６１とにより構成される。なお、図２（Ａ）においてハッチングを付した部分は栓６３を示している。従って排気ガス流入通路６０及び排気ガス流出通路６１は薄肉の隔壁６４を介して交互に配置される。言い換えると排気ガス流入通路６０及び排気ガス流出通路６１は各排気ガス流入通路６０が４つの排気ガス流出通路６１によって包囲され、各排気ガス流出通路６１が４つの排気ガス流入通路６０によって包囲されるように配置される。

パティキュレートフィルタ１５ａは例えばコージライトのような多孔質材料から形成されており、従って排気ガス流入通路６０内に流入した排気ガスは図２（Ｂ）において矢印で示されるように周囲の隔壁６４内を通って隣接する排気ガス流出通路６１内に流出する。

このようにＮＯｘ吸蔵還元触媒１５をパティキュレートフィルタ１５ａ上に担持させた場合には、各排気ガス流入通路６０及び各排気ガス流出通路６１の周壁面、即ち各隔壁６４の両側表面上及び隔壁６４内の細孔内壁面上には例えばアルミナからなる触媒担体が担持されており、図３はこの触媒担体４５の表面部分の断面を図解的に示している。図３に示されるように触媒担体４５の表面上には貴金属触媒４６が分散して担持されており、更に触媒担体４５の表面上にはＮＯｘ吸収剤４７の層が形成されている。

本発明による実施形態では貴金属触媒４６として白金Ｐｔが用いられており、ＮＯｘ吸収剤４７を構成する成分としては例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、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、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つが用いられている。

機関吸気通路、燃焼室２及びＮＯｘ吸蔵還元触媒１５上流の排気通路内に供給された空気及び燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比と称すると、ＮＯｘ吸収剤４７は排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯｘを吸収し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯｘを還元放出するＮＯｘの吸収放出作用を行う。

即ち、ＮＯｘ吸収剤４７を構成する成分としてバリウムＢａを用いた場合を例にとって説明すると、排気ガスの空燃比がリーンのとき、即ち排気ガス中の酸素濃度が高いときには排気ガス中に含まれるＮＯは図３に示されるように白金Ｐｔ４６上において酸化されてＮＯ₂となり、次いでＮＯｘ吸収剤４７内に吸収されて炭酸化バリウムＢａＣＯ₃と結合しながら硝酸イオンＮＯ₃ ^-の形でＮＯｘ吸収剤４７内に拡散する。このようにしてＮＯｘがＮＯｘ吸収剤４７内に吸収される。排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔ４６の表面でＮＯ₂が生成され、ＮＯｘ吸収剤４７のＮＯｘ吸収能力が飽和しない限りＮＯ₂がＮＯｘ吸収剤４７内に吸収されて硝酸イオンＮＯ₃ ^-が生成される。

これに対し、還元剤として燃料を供給することによって排気ガスの空燃比をリッチ又は理論空燃比にすると排気ガス中の酸素濃度が低下するために反応が逆方向（ＮＯ₃ ^-→ＮＯ₂）に進み、こうしてＮＯｘ吸収剤４７内の硝酸イオンＮＯ₃ ^-がＮＯ₂の形でＮＯｘ吸収剤４７から放出される。次いで放出されたＮＯｘは排気ガス中に含まれる未燃ＨＣ，ＣＯによって還元される。

このように排気ガスの空燃比がリーンであるとき、即ちリーン空燃比のもとで燃焼が行われているときには排気ガス中のＮＯｘがＮＯｘ吸収剤４７内に吸収される。しかしながらリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われるとその間にＮＯｘ吸収剤４７のＮＯｘ吸収能力が飽和してしまい、こうしてＮＯｘ吸収剤４７によりＮＯｘを吸収できなくなってしまう。そこで本発明による実施形態ではＮＯｘ吸収剤４７の吸収能力が飽和する前に還元剤として燃料を噴射することによって、排気ガスの空燃比を一時的に理論空燃比又リッチ空燃比にし、それによってＮＯｘ吸収剤４７からＮＯｘを還元放出させるようにしている。

ところで、上述のように、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１５において、吸蔵したＮＯｘの浄化効率を上げるため、還元剤として供給される燃料は予め高温にされ、十分熱分解されている方が好ましい。従って、本発明では、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１５の上流の排気通路内に配置された酸化触媒１３を十分に昇温させておき、供給された燃料が酸化触媒１３内で十分に熱分解されるようにする。

これを実現するために、酸化触媒１３の昇温を目的とする燃料噴射と、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１５におけるＮＯｘの還元浄化を目的とする燃料噴射と２種類の燃料噴射を組み合わせて行う。以下、燃料供給弁２４によって排気通路内へ行う燃料噴射を「排気系噴射」と称し、主噴射よりも後の圧縮行程又は排気行程中に燃焼室２内に行う燃料噴射を「ポスト噴射」と称す。本発明における内燃機関では、ポスト噴射を行う機関サイクルとポスト噴射を行わない機関サイクルとを切り替えて実行することが可能である。

排気系噴射は、複数回に分割して行われ、それによって噴射された燃料は、専らＮＯｘ吸蔵還元触媒１５におけるＮＯｘの還元浄化に使用される。従って、排気系噴射をすることによって、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１５に流入する排気ガスが理論空燃比又はリッチ空燃比にされる。ポスト噴射によって噴射された燃料は、専ら酸化触媒１３の昇温に用いられる。これら噴射に用いられる燃料は同じものを使用するが、異なる燃料を用いてもよい。

図４を参照しながら各燃料噴射の時期について説明する。図４は、ポスト噴射を行う機関サイクルの時期と、排気系噴射の時期との関係を示す図である。ＮＯｘ吸蔵還元触媒１５からＮＯｘを放出すべきとき、排気系噴射を実行時間Δｔ１だけ行う。このとき、酸化触媒１３の触媒温度ＴＣが、予め定められた温度ＴＣ０よりも低い場合、即ち供給された燃料を十分に熱分解することができる温度よりも低い場合（例えば、３００℃）には、酸化触媒１３の触媒温度ＴＣを昇温させると共に昇温後触媒温度ＴＣを維持すべく、排気系噴射より先行してポスト噴射を行う機関サイクルを実行時間Δｔ２だけ行う。なお、上述のようなポスト噴射の役割を考慮すると、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１５からＮＯｘを放出すべきとき以外のときは、ポスト噴射を行う機関サイクルを実行する必要はない。

ポスト噴射を行う機関サイクルの開始時期が排気系噴射の開始時期に先行する時間を先行時間Δｔｐｒｅとすると、先行時間Δｔｐｒｅは、酸化触媒１３の触媒温度ＴＣに対応して図５のように示される。図５に示される関係は、排気系噴射の開始時期までに酸化触媒１３の触媒温度ＴＣを、供給された燃料を十分に熱分解できる温度まで昇温させるのに必要なポスト噴射を行う機関サイクルの実行時間である。この関係は、予め実験又は計算によって求められ、マップ又は計算式としてＲＯＭ３２に保存される。

ポスト噴射は、排気系噴射が行われるときまでに、酸化触媒１３の触媒温度ＴＣを昇温させ維持することを目的とするため、ポスト噴射を行う機関サイクルの終了時期は、排気系噴射の終了時期と同時であることが望ましい。即ち、この場合において、ポスト噴射を行う機関サイクルの実行時間Δｔ２は、先行時間Δｔｐｒｅと排気系噴射の実行時間Δｔ１との和となる。

図５は、ポスト噴射を行う機関サイクルの実行時間等を制御する、ポスト噴射制御操作のフローチャートである。この操作は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０によって予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行されるルーチンとして行われる。

まず、ステップ１００において、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１５からＮＯｘを放出すべきときか否かが判定される。ＮＯｘを放出すべきときではない場合には、以下の処理を行わずにルーチンを終了する。

一方、ステップ１００において、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１５からＮＯｘを放出すべきときである場合には、ステップ１０１へと進む。次いで、ステップ１０１では、酸化触媒１３の触媒温度ＴＣが読み込まれ、ステップ１０２へと進む。次いで、ステップ１０２では、ステップ１０１で読み込まれた触媒温度ＴＣが、予め定められた温度ＴＣ０よりも低いか否かが判定される。触媒温度ＴＣが温度ＴＣ０以上の場合には、供給された燃料を十分に熱分解することができるので、触媒温度ＴＣを更に昇温させる必要がないため、ポスト噴射を行わずルーチンを終了する。

一方、ステップ１０２において、触媒温度ＴＣが温度ＴＣ０よりも低い場合には、ステップ１０３へと進む。次いで、ステップ１０３では、図５に示される関係に基づいて、ステップ１０１で読み込まれた触媒温度ＴＣに対応する先行時間Δｔｐｒｅが算出され、ステップ１０４へと進む。次いで、ステップ１０４では、ステップ１０３で算出された先行時間Δｔｐｒｅに基づいてポスト噴射を行う機関サイクルを実行し、ルーチンを終了する。

圧縮着火式内燃機関の全体図である。 パティキュレートフィルタの構造を示す図である。 ＮＯｘ吸蔵還元触媒の触媒担体の表面部分の断面図である。 噴射時期を示す図である。 酸化触媒の温度と先行時間との関係を示す図である。 ポスト噴射制御操作のフローチャートである。

符号の説明

４ 吸気マニホルド
５ 排気マニホルド
７ 排気ターボチャージャ
１３ 酸化触媒
１５ ＮＯｘ吸蔵還元触媒
２４ 燃料供給弁

Claims (2)

1. 機関排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯｘを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ吸蔵還元触媒を配置すると共にＮＯｘ吸蔵還元触媒の上流の機関排気通路内に酸化触媒を配置し、酸化触媒の上流の機関排気通路内に燃料供給弁を配置し、主噴射よりも後の圧縮行程又は排気行程中に燃焼室内に燃料を噴射するポスト噴射を行う機関サイクルとポスト噴射を行わない機関サイクルとを切替可能であり、ＮＯｘ吸蔵還元触媒からＮＯｘを放出すべきときには、燃料供給弁により排気通路内に燃料を噴射する排気系噴射を行いＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比を一時的に理論空燃比又はリッチにするようにした内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯｘ吸蔵還元触媒からＮＯｘを放出すべきときの酸化触媒の触媒温度が予め定められた温度より低いとき、ポスト噴射を行う機関サイクルを開始し、前記ポスト噴射を行う機関サイクルの開始時期を排気系噴射の開始時期よりも予め定められた先行時間だけ早く設定し、該先行時間は酸化触媒の温度が低いほど長く設定する内燃機関の排気浄化装置。
2. ポスト噴射を行う機関サイクルの終了時期と排気系噴射の終了時期とを同時に設定する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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