JP2010229896A

JP2010229896A - 内燃機関及び内燃機関の制御方法

Info

Publication number: JP2010229896A
Application number: JP2009078511A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Osumi; 和生大角; Tetsuya Fujita; 哲也藤田; Keisuke Nakamura; 圭介中村; Kokichi Maekawa; 弘吉前川
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2010-10-14
Anticipated expiration: 2029-03-27
Also published as: JP5293337B2

Abstract

【課題】排気ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）を利用して、一酸化窒素酸化触媒（ＮＯ酸化触媒）に流入する排気ガスの温度が１５０℃〜２００℃の低温域にあるようなエンジン運転状態であっても、二酸化窒素（ＮＯ₂）を生成して、この生成された二酸化窒素を有効に活用してＥＧＲクーラーの冷却性能の低下を防止できる内燃機関及び内燃機関の制御方法を提供する。
【解決手段】ＥＧＲシステム７，８，９を備えた内燃機関１において、排気通路６のＥＧＲ通路７が分岐する部位Ｐよりも上流側に一酸化窒素酸化触媒１０を設けると共に、内燃機関１の運転状態が予め設定された運転状態になった場合に、前記一酸化窒素いり酸化触媒１０に流入する排気ガス中の一酸化炭素を増加させる一酸化炭素増量制御を行う制御装置を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＥＧＲシステムを備えた内燃機関及び内燃機関の制御方法において、ＥＧＲシステムのＥＧＲクーラーの端面と冷却フィンへの排気ガス中のＨＣの付着及び付着固化を抑制できる内燃機関及び内燃機関の制御方法に関し、より詳細には、内燃機関より排出されるＮＯｘを低温から有効に活用してＥＧＲクーラーの冷却性能の低下を防止することができる内燃機関及び内燃機関の制御方法に関する。

ＥＧＲ（排気循環）システムを備えた内燃機関においては、内燃機関の排気通路から分岐されたＥＧＲガスに含まれる炭化水素（ＨＣ）に由来する堆積物がＥＧＲクーラーの端面やその冷却フィンに付着及び付着固化してＥＧＲクーラーの冷却性能を低下させるという問題がある。

この問題を解決するために、従来技術では、ＥＧＲクーラーの前方にハニカムに触媒をコートしたＥＧＲ通路専用の触媒コンバータを配置して、この触媒コンバータでＥＧＲガスを浄化し、浄化後のＥＧＲガスをＥＧＲクーラーに導入している。しかしながら、この触媒コンバータの容積が嵩張るため、この触媒コンバータのための設置スペースを設けることが困難であるという問題が生じている。また、触媒コンバータを設置する替りに、ＥＧＲクーラーの端面や冷却フィンに触媒をコートすることも試みられているが、触媒の密着強度やＥＧＲクーラーの冷却性能等に問題があり、満足する材料が原状では得られていない。

一方、二酸化窒素（ＮＯ₂）の酸化力が高いことと、一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素に酸化する一酸化窒素酸化触媒（ＮＯ酸化触媒）とが知られており、例えば、排気ガス中のパティキュレート及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減することを目的に、ディーゼルエンジンの排気管にＮＯ酸化触媒とパティキュレートフィルタとを備えると共に、ＮＯ酸化触媒の上流側に還元剤噴射ノズルを備えて、エンジンの排気ガス浄化装置を構成し、還元剤でＮＯ及びＮＯ₂をＮＯ酸化触媒でＮ₂に還元すると共に、ＮＯ酸化触媒を通過した還元剤をパティキュレートフィルタで捕集することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、ディーゼル車のパティキュレートフィルタ上に捕集されたパティキュレートを従来よりも格段に低い温度で容易に燃焼させることを目的として、内燃機関の排ガス流路に、パティキュレート浄化触媒としてＮＯ酸化装置とＮＯｘ捕捉触媒を設置して、内燃機関始動期間の排ガス中のＮＯｘを浄化するパティキュレート浄化触媒が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

この一酸化窒素酸化触媒に関連して、本発明の発明者らは、二酸化窒素の酸化力が強いことに着目して、排気ガス中の二酸化窒素を一酸化窒素酸化触媒を利用して増加することで、ＥＧＲクーラーの端面や冷却フィンにおける排気ガス中の炭化水素に由来する堆積物の付着及び付着固化の抑制が可能となると考えた。しかしながら、通常の酸化触媒（ＤＯＣ）では二酸化窒素は２００℃〜３５０℃で生成されるため、１５０℃〜２００℃の低温域では一酸化窒素を二酸化窒素に酸化する反応が起こり難いという問題がある。

特開２００１−１１５８２４公報特開２００２−３５５８７公報

本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、排気ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）を利用して、ＮＯ酸化触媒に流入する排気ガスの温度が１５０℃〜２００℃の低温域にあるような内燃機関の運転状態であっても、排気ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）を発生させて、二酸化窒素（ＮＯ₂）を生成して、この生成された二酸化窒素を有効に活用してＥＧＲクーラーの冷却性能の低下を防止できる内燃機関及び内燃機関の制御方法を提供することにある。

上記のような目的を達成するための内燃機関は、ＥＧＲシステムを備えた内燃機関において、排気通路のＥＧＲ通路が分岐する部位よりも上流側に一酸化窒素酸化触媒を設けると共に、内燃機関の運転状態が予め設定された運転状態になった場合に、前記一酸化窒素酸化触媒に流入する排気ガス中の一酸化炭素を増加させる一酸化炭素増量制御を行う制御装置を備えて構成される。

この構成によれば、一酸化炭素（ＣＯ）がある場合には、一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ₂）に酸化して二酸化窒素を生成する割合が著しく高まるので、一酸化炭素増量制御と組み合わせることにより、二酸化窒素の生成量が高まり、発生した二酸化窒素により、排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）に由来する堆積物を酸化除去できるので、ＥＧＲクーラーに対して堆積物の付着及び付着固化を抑制することができ、その結果、ＥＧＲクーラーの冷却性能の低下を防止できる。

なお、この一酸化炭素増量制御は、空気過剰率センサで検出した酸素濃度と窒素酸化物センサで検出した二酸化窒素濃度をチェックしながら、筒内（シリンダ内）への燃料噴射量の増加、プレ噴射無しのメイン噴射、排気管内燃料直接噴射、吸気量の絞り、ＥＧＲ量の増加等で行うことができる。一酸化炭素の濃度で言えば、通常は、１０ｐｐｍ〜３００ｐｐｍ程度であるが、例えば、１０００ｐｐｍ〜２０００ｐｐｍに増量する。

また、上記の内燃機関において、前記予め設定された運転状態が、前記一酸化窒素酸化触媒に流入する排気ガスの温度が１５０℃〜２００℃の低温域にある場合を含むように構成される。この構成により、従来技術では困難であった１５０℃〜２００℃の低温域でも強い酸化力を有する二酸化窒素を生成して、より広い温度範囲で、ＥＧＲクーラーに対しての炭化水素に由来する堆積物の付着及び付着固化を抑制することができるようになる。

また、上記の内燃機関で、前記一酸化炭素増量制御において、排気ガス中の一酸化炭素の体積濃度が窒素酸化物の体積濃度の５倍以上２０倍以下になるように一酸化炭素を増量するように構成される。言い換えれば、一酸化炭素増量制御において、排気ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）と窒素酸化物（ＮＯｘ）の比率（ＣＯ／ＮＯｘ）を５以上２０以下になるように一酸化炭素を増量する。この構成により、効率よく二酸化窒素を生成することができるようになる。

上記のような目的を達成するための内燃機関の制御方法は、ＥＧＲシステムを備えると共に、排気通路のＥＧＲ通路が分岐する部位よりも上流側に一酸化窒素酸化触媒を設けた内燃機関の制御方法において、内燃機関の運転状態が予め設定された運転状態になった場合に、前記一酸化窒素酸化触媒に流入する排気ガス中の一酸化炭素を増加させる一酸化炭素増量制御を行うことを特徴とする方法である。

この方法によれば、一酸化炭素（ＣＯ）がある場合には、一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ₂）に酸化して二酸化窒素を生成する割合が著しく高まるので、一酸化炭素増量制御と組み合わせることにより、二酸化窒素の生成量が高まり、発生した二酸化窒素により、排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）に由来する堆積物を酸化除去できるので、ＥＧＲクーラーに対して堆積物が付着及び付着固化するのを抑制することができ、その結果、ＥＧＲクーラーの冷却性能の低下を防止できる。

また、上記の内燃機関の制御方法において、前記予め設定された運転状態が、前記一酸化窒素酸化触媒に流入する排気ガスの温度が１５０℃〜２００℃の低温域にある場合を含むと、この構成により、従来技術では困難であった１５０℃〜２００℃の低温域でも強い酸化力を有する二酸化窒素を生成して、より広い温度範囲で、ＥＧＲクーラーに対しての炭化水素に由来する堆積物の付着及び付着固化を抑制することができるようになる。

また、上記の内燃機関の制御方法で、前記一酸化炭素増量制御において、排気ガス中の一酸化炭素の体積濃度が窒素酸化物の体積濃度の５倍以上２０倍以下になるように一酸化炭素を増量すると、効率よく二酸化窒素を生成することができるようになる。

本発明に係る内燃機関及び内燃機関の制御方法によれば、排気ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）を利用して、一酸化窒素酸化触媒に流入する排気ガスの温度が、１５０℃〜２００℃の低温域にあるような予め設定した内燃機関の運転状態において、一酸化炭素増量制御を行うことで、一酸化窒素酸化触媒で二酸化窒素を効率よく生成して、この生成された二酸化窒素を有効に活用してＥＧＲクーラーの冷却性能が低下することを防止できる。

本発明の実施の形態の内燃機関の構成を示した図である。一酸化窒素酸化触媒（ＮＯ酸化触媒）における二酸化窒素（ＮＯ₂）生成率と一酸化窒素酸化触媒の温度との関係を示した図である。ＥＧＲクーラーにおける堆積物の付着率を示した図である。ＥＧＲクーラーのクーラー出口温度と試験時間との関係を示した図である。一酸化窒素酸化触媒（ＮＯ酸化触媒）における一酸化炭素（ＣＯ）の役割を説明するための模式的な図である。一酸化窒素酸化触媒（ＮＯ酸化触媒）における一酸化窒素（ＮＯ）の酸化を説明するための模式的な図である。一酸化窒素酸化触媒（ＮＯ酸化触媒）における一酸化炭素（ＣＯ）と窒素酸化物（ＮＯｘ）の比率（ＣＯ／ＮＯｘ）と二酸化窒素（ＮＯ₂）生成量との関係を示した図である。

以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関及び内燃機関の制御方法について、図面を参照しながら説明する。図１に、本発明の実施の形態の内燃機関（エンジン）１の構成を示す。

この内燃機関１は、エンジン本体２に接続された吸気通路３にターボチャージャ４のコンプレッサー４ａとインタークーラー５が設けられている。また、排気通路６にはターボチャージャ４のタービン４ｂと排気ガス浄化装置（図示しない）が設けられている。更に、ＥＧＲ通路７が排気通路６と吸気通路３のコンプレッサー４ａの下流側を連結して設けられており、このＥＧＲ通路７は、上流側からＥＧＲクーラー８とＥＧＲ弁９が備えられている。また、内燃機関１のＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）と呼ばれる制御装置（図示しない）を備えている。

本発明においては、一酸化窒素酸化触媒（ＮＯ酸化触媒）１０を排気通路６のタービン５ａの下流側でかつＥＧＲ通路７の分岐部位Ｐよりも上流側に設ける。この一酸化窒素酸化触媒１０は、担体である金属酸化物がアルミニウム（Ａｌ）、セリウム（Ｃｅ）の少なくとも１種類の酸化物を含む金属酸化物の担体に、白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ）の少なくとも１種類を含む金属触媒を担持して形成される。なお、貴金属は白金（Ｐｔ）以外にもロジウム（Ｐｈ），白金−パラジウム（Ｐｔ−Ｐｄ），パラジウム（Ｐｄ）などでも同様な効果を示すので、これらを用いることができる。

この一酸化窒素酸化触媒１０に使用する担体は一般的な酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）でよいが、酸素吸収機能（ＯＳＣ）のある酸化セリウム（ＣｅＯ₂）、酸化セリウム・二酸化ジルコニア（ＣｅＯ₂・ＺｒＯ₂）を含む材料で形成すると更に二酸化窒素の生成効果が大きいのでより好ましい。

更に、制御装置が、内燃機関１の運転状態が予め設定された運転状態になった場合に、一酸化窒素酸化触媒１０に流入する排気ガス中の一酸化炭素を増加させる一酸化炭素増量制御を行うように構成される。

この予め設定された運転状態は、排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）に由来する体積物がＥＧＲクーラー８の端面や冷却フィンに付着し易い運転状態のときであり、一酸化窒素酸化触媒１０に流入する排気ガスの温度が１５０℃〜２００℃の低温域にある場合を含む。

この一酸化炭素増量制御を行う範囲を１５０℃〜２００℃とするのは、一酸化炭素の酸化の活性温度以上にならないと触媒表面の酸素を除去できないので、一酸化窒素酸化触媒１０の一酸化炭素浄化率が２０％以上なる温度である１５０℃以上となる。なお、触媒表面においては一酸化炭素の浄化率が２０％を超えると急激に一酸化炭素の酸化の活性が大きくなる。また、２００℃以上では活性が一定となり一酸化炭素による効果が小さくなる。

この一酸化炭素増量制御は、空気過剰率センサ（図示しない）で検出した酸素濃度と窒素酸化物センサ（図示しない）で検出した窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度をチェックしながら、筒内（シリンダ内）への燃料噴射量の増加、プレ噴射無しのメイン噴射、排気管内燃料直接噴射、吸気量の絞り、ＥＧＲ量の増加などで行う。一酸化炭素の濃度で言えば、通常は、１０ｐｐｍ〜３００ｐｐｍ程度であるが、１０００ｐｐｍ〜２０００ｐｐｍに増量する。

次に一酸化炭素による二酸化窒素生成量の増加について、一酸化炭素を利用した場合の一酸化窒素酸化触媒（ＮＯ酸化触媒）の触媒表面における窒素酸化物（ＮＯｘ）吸着、及び、二酸化窒素（ＮＯ₂）生成と脱離のモデルを示す、図５及び図６を参照しながら説明する。ディーゼルエンジン等の内燃機関１において、一酸化炭素（ＣＯ）が白金（Ｐｔ）上の酸素（Ｏ₂）と反応する状況を示した図５のように、内燃機関１より排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）を一酸化窒素酸化触媒１０で一酸化炭素（ＣＯ）を酸化することにより、一酸化窒素酸化触媒１０の白金（Ｐｔ）等の貴金属活性点の酸素が消費される。

一方、一酸化窒素（ＮＯ）が白金（Ｐｔ）上の酸素（Ｏ₂）と反応して二酸化窒素（ＮＯ₂）を生成する状況を示した図６のように、一酸化窒素（ＮＯ）の酸化においては酸素不（Ｏ₂）足の状態になるため、貴金属近傍の担体酸化物格子酸素が貴金属に引き付けられて二酸化窒素（ＮＯ₂）等の一酸化窒素酸化生成物を安定保持するサイトが形成される。この安定保持サイトに、貴金属上で一酸化窒素（ＮＯ）が酸化して生成した二酸化窒素（ＮＯ₂）等の化合物は速やかに移動して保持される。従って、一酸化窒素酸化触媒１０への一酸化窒素（ＮＯ）の酸化と酸化された二酸化窒素（ＮＯ₂）の吸着とが連続的に発生する。

この吸着された二酸化窒素（ＮＯ₂）は温度が上昇すると脱離する。この脱離の温度は２００℃〜３００℃程度であり、従来の制御方法では一酸化窒素酸化触媒１０の出口では二酸化窒素を生成し難い温度領域である。

つまり、図５に示すように、一酸化炭素（ＣＯ）が白金（Ｐｔ）を清浄化することで、白金（Ｐｔ）表面への窒素酸化物（ＮＯｘ）の吸着が促進される。さらに、図６に示すように、白金（Ｐｔ）表面の酸素（Ｏ₂）と、担体（Ａｌ₂Ｏ₃，ＣｅＯ₂，ＺｒＯ₂等）表面と担体から放出される酸素とより、ＮＯｘ＋（２−ｘ）/２×Ｏ₂→ＮＯ₂（ｘ≦２）の反応が促進する。生成した二酸化窒素（ＮＯ₂）は白金（Ｐｔ）および担体表面に吸着し、温度上昇（２００℃〜２５０℃）により排気ガス中に脱離する。

図７に一酸化窒素酸化触媒（ＮＯ酸化触媒）１０の前後におけるモデルガスでの実験での二酸化窒素（ＮＯ₂）の生成率を示す。一酸化炭素（ＣＯ）濃度の違いにより二酸化窒素（ＮＯ₂）生成量が異なり、一酸化炭素（ＣＯ）と窒素酸化物（ＮＯｘ）のモル比（ＣＯ／ＮＯｘ）が５〜２０でＮＯ₂生成量が最大になっている。

この反応で使用する一酸化炭素（ＣＯ）量は、図７に示すように、モル比（ＣＯ／ＮＯｘ）が５〜２０の範囲が好ましく、上限は、触媒量、窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度などにより異なるが、概ね、モル比（ＣＯ／ＮＯｘ）で１５〜２０程度となる。

この一酸化炭素増量制御で一酸化窒素酸化触媒１０に流入する一酸化炭素を増量し、この一酸化炭素の効果により生成した二酸化窒素をＥＧＲ通路７に流通させることで、ＥＧＲクーラー８の端面や冷却フィンへの炭化水素に由来する堆積物を二酸化窒素の強い酸化力で酸化除去して、これらの部位への付着及び付着固化を抑制できるので、ＥＧＲクーラーの冷却性能の低下を防止できる。

つまり、排気ガス中に含まれる炭化水素が接着成分となって、ＥＧＲクーラーの端面や冷却フィンに付着及び付着固化するような、２００℃〜４００℃の温度域の全域で、一酸化炭素増量制御で発生した一酸化炭素によって生成した二酸化窒素により、これらの固化成分の酸化分解が進むので、ＥＧＲクーラーの冷却性能の低下を防止できる。

従って、上記の構成の内燃機関１及び内燃機関の制御方法によれば、一酸化窒素酸化触媒と一酸化炭素増量制御とを組み合わせることにより、一酸化炭素を発生して、一酸化窒素を二酸化窒素に酸化して二酸化窒素を生成する割合が著しく高めて、二酸化窒素生成量を高め、発生した二酸化窒素により、排気ガス中の炭化水素に由来する堆積物を酸化除去できるので、ＥＧＲクーラーに対して堆積物が付着及び付着固化するのを抑制することができ、その結果、ＥＧＲクーラーの冷却性能の低下を防止できる。

次に、本発明の実施例について説明する。図１に示すように、排気通路６のターボチャージャ４の直下に一酸化窒素酸化触媒を配置し、その下流にＥＧＲ通路７を有するインタークーラー５と、ターボチャージャ４を備えたディーゼル内燃機関１において、本発明の効果を確認した。

一酸化窒素酸化触媒１０として白金（Ｐｔ）担持の酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）で一酸化炭素増量制御を行った場合を図中ではＡとし、白金（Ｐｔ）担持の酸化セリウム（ＣｅＯ₂）／白金（Ｐｔ）担持の酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）で一酸化炭素増量制御を行った場合を図中のＢとし、白金（Ｐｔ）担持の酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）で一酸化炭素増量制御を行わない場合の比較例を図中のＣとしている。

実験の結果、図２に示すような二酸化窒素（ＮＯ₂）生成率が得られる各一酸化窒素酸化触媒を用いて、図３に示すような堆積物の付着率と、図４に示すようにＥＧＲクーラー８のクーラー出口温度が得られた。これらのことから、本発明の実施例Ａ，Ｂでは、比較例Ｃに比べて、ＥＧＲクーラー８の端面や冷却フィンへの炭化水素（ＨＣ）に由来する堆積物の付着及び付着固化を抑制できて、ＥＧＲクーラーの冷却性能の低下を防止できていることが確認できた。

本発明の内燃機関及び内燃機関の制御方法は、排気ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）を利用して、一酸化窒素酸化触媒に流入する排気ガスの温度が、１５０℃〜２００℃の低温域にあるような予め設定したエンジン運転状態において、一酸化炭素増量制御を行うことで、一酸化窒素酸化触媒で二酸化窒素（ＮＯ₂）を効率よく生成して、この生成された二酸化窒素を有効に活用してＥＧＲクーラーの冷却性能の低下を防止できるので、自動車搭載等の内燃機関や内燃機関の制御方法として利用できる。

１内燃機関（エンジン）
２エンジン本体
３吸気通路
４ターボチャージャ
４ａコンプレッサー
４ｂタービン
５インタークーラー
６排気通路
７ＥＧＲ通路
８ＥＧＲクーラー
９ＥＧＲ弁
１０ＮＯ酸化触媒

Claims

ＥＧＲシステムを備えた内燃機関において、排気通路のＥＧＲ通路が分岐する部位よりも上流側に一酸化窒素酸化触媒を設けると共に、内燃機関の運転状態が予め設定された運転状態になった場合に、前記一酸化窒素酸化触媒に流入する排気ガス中の一酸化炭素を増加させる一酸化炭素増量制御を行う制御装置を備えることを特徴とする内燃機関。
前記予め設定された運転状態が、前記一酸化窒素酸化触媒に流入する排気ガスの温度が１５０℃〜２００℃の低温域にある場合を含むことを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
前記一酸化炭素増量制御において、排気ガス中の一酸化炭素の体積濃度が窒素酸化物の体積濃度の５倍以上２０倍以下になるように一酸化炭素を増量することを特徴とする請求項１，２記載の内燃機関。
ＥＧＲシステムを備えると共に、排気通路のＥＧＲ通路が分岐する部位よりも上流側に一酸化窒素酸化触媒を設けた内燃機関の制御方法において、内燃機関の運転状態が予め設定された運転状態になった場合に、前記一酸化窒素酸化触媒に流入する排気ガス中の一酸化炭素を増加させる一酸化炭素増量制御を行うことを特徴とする内燃機関の制御方法。
前記予め設定された運転状態が、前記一酸化窒素酸化触媒に流入する排気ガスの温度が１５０℃〜２００℃の低温域にある場合を含むことを特徴とする請求項４記載の内燃機関の制御方法。
前記一酸化炭素増量制御において、排気ガス中の一酸化炭素の体積濃度が窒素酸化物の体積濃度の５倍以上２０倍以下になるように一酸化炭素を増量することを特徴とする請求項４、又は５記載の内燃機関の制御方法。