JP2016145543A - Exhaust emission control device for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。 The present invention relates to an exhaust emission control device for an internal combustion engine.
ディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどの内燃機関の排気には、例えば、一酸化炭素(CO)、未燃の燃料である炭化水素(HC)、窒素酸化物(NOX)または粒子状物質(PM:Particulate Matter)などの成分が含まれている。NOXを浄化する装置としては、排気浄化触媒に還元剤を供給することにより排気に含まれるNOXを連続的に還元する還元触媒、または排気ガスの空燃比がリーンのときにはNOXを吸蔵し、排気ガスの空燃比をリッチにすることにより吸蔵したNOXを放出すると共に還元するNOX吸蔵触媒が知られている。 For example, carbon monoxide (CO), unburned hydrocarbons (HC), nitrogen oxides (NO x ), or particulate matter (PM) may be used as exhaust gas from internal combustion engines such as diesel engines and gasoline engines. Ingredients such as Matter) are included. As a device for purifying NO X , a reducing catalyst that continuously reduces NO X contained in the exhaust by supplying a reducing agent to the exhaust purification catalyst, or NO X is stored when the air-fuel ratio of the exhaust gas is lean. , NO X storage catalyst is known to reduce with releasing NO X occluding by the air-fuel ratio of the exhaust gas rich.
特開2012−062864号公報においては、排気浄化触媒の上流に炭化水素供給弁が配置され、排気浄化触媒に流入する炭化水素の濃度を200ppm以上の振幅になるように、更に、炭化水素の供給間隔が5秒以下になるように炭化水素を供給することにより、排気ガスに含まれるNOXを浄化する内燃機関の排気浄化装置が開示されている。 In JP 2012-062864 A, a hydrocarbon supply valve is disposed upstream of the exhaust purification catalyst, and further, the hydrocarbon is supplied so that the concentration of hydrocarbon flowing into the exhaust purification catalyst has an amplitude of 200 ppm or more. by feeding hydrocarbons such interval is equal to or less than 5 seconds, an exhaust purifying apparatus for an internal combustion engine for purifying NO X contained in the exhaust gas is disclosed.
上記の特開2012−062864号公報に記載のNOX浄化方法では、NOXを浄化する炭化水素として内燃機関の燃料を用いることができる。このNOX浄化方法では、排気浄化触媒の温度が高くなっても優れたNOX浄化性能を発揮できるという特性を有する。しかしながら、NOXを浄化するためには燃料が必要であり、NOXの浄化率を高く維持しながら燃料の消費量を低減するように、圧力を調整して炭化水素供給弁から燃料を噴射することが好ましい。 In the NO X purification method described in JP 2012-062864 A described above, the fuel of the internal combustion engine can be used as the hydrocarbon for purifying NO X. This NO X purification method has a characteristic that it can exhibit excellent NO X purification performance even when the temperature of the exhaust purification catalyst becomes high. However, it is necessary fuel to purify NO X, so as to reduce the fuel consumption while maintaining a high purification rate of NO X, to inject fuel from the hydrocarbon feed valve by adjusting the pressure It is preferable.
一方で、内燃機関の排気浄化装置には、粒子状物質を除去するためのパティキュレートフィルタが配置される場合がある。たとえば、上記のNOX浄化方法を行う排気浄化触媒の下流にパティキュレートフィルタが配置される場合がある。パティキュレートフィルタは、運転を継続すると粒子状物質が蓄積する。パティキュレートフィルタに蓄積する粒子状物質を除去するためには、パティキュレートフィルタを所定の温度以上まで上昇させる。そして、パティキュレートフィルタに空気過剰の排気ガスを供給することにより、粒子状物質を酸化させて除去することができる。 On the other hand, a particulate filter for removing particulate matter may be disposed in an exhaust gas purification device for an internal combustion engine. For example, a particulate filter may be disposed downstream of the exhaust purification catalyst that performs the above-described NO X purification method. Particulate matter accumulates in the particulate filter when the operation is continued. In order to remove the particulate matter accumulated in the particulate filter, the particulate filter is raised to a predetermined temperature or higher. The particulate matter can be oxidized and removed by supplying exhaust gas containing excess air to the particulate filter.
パティキュレートフィルタの再生を行う場合には、比較的低温から上記のNOX浄化方法を行う場合がある。ところが、高温時に好適な圧力のまま、低温時に炭化水素供給弁から燃料を噴射すると燃料がすり抜けてしまうという問題があった。 When performing the regeneration of the particulate filter may perform relatively a low temperature of the NO X purification method. However, when fuel is injected from the hydrocarbon feed valve at a low temperature while maintaining a suitable pressure at a high temperature, there is a problem that the fuel slips through.
本発明は、NOX浄化率を高く維持しながら燃料の消費量を低減す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。 The present invention aims to provide an exhaust purification system of an internal combustion engine to reduce fuel consumption while maintaining a high NO X purification rate.
本発明の内燃機関の排気浄化装置は、炭化水素を供給するための炭化水素供給弁を機関排気通路内に配置し、炭化水素供給弁下流の機関排気通路内に排気ガス中に含まれるNOXと改質された炭化水素とを反応させるための排気浄化触媒を配置し、該排気浄化触媒の排気ガス流通表面上には貴金属触媒が担持されていると共に該貴金属触媒周りには塩基性の排気ガス流通表面部分が形成されており、該排気浄化触媒は、排気浄化触媒に流入する炭化水素の濃度を予め定められた範囲内の振幅および予め定められた範囲内の周期でもって振動させると排気ガス中に含まれるNOXを還元する性質を有すると共に、炭化水素濃度の振動周期を該予め定められた範囲よりも長くすると排気ガス中に含まれるNOXの吸蔵量が増大する性質を有しており、炭化水素供給弁に内燃機関の燃料を供給する燃料供給装置を備え、燃料供給装置は、炭化水素供給弁に供給する燃料の圧力を調整可能に形成されており、機関運転時に排気浄化触媒に流入する炭化水素の濃度変化の振幅が該予め定められた範囲内の振幅となるように炭化水素供給弁からの炭化水素の供給量が制御されると共に、排気浄化触媒に流入する炭化水素の濃度が予め定められた範囲内の周期でもって振動するように炭化水素供給弁からの炭化水素の供給間隔が制御される運転制御を実施するように形成されており、上記の運転制御を実施する場合に、燃料供給装置を駆動するための燃料消費量と、上記の運転制御により炭化水素供給弁から噴射される燃料の燃料消費量との合計の燃料消費量に基づいて、炭化水素供給弁に供給する燃料の圧力を設定する。 The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention includes a hydrocarbon supply valve for supplying hydrocarbons disposed in the engine exhaust passage, and NO X contained in the exhaust gas in the engine exhaust passage downstream of the hydrocarbon supply valve. An exhaust purification catalyst for reacting the reformed hydrocarbon with the noble metal catalyst is disposed on the exhaust gas flow surface of the exhaust purification catalyst and a basic exhaust around the noble metal catalyst. A gas flow surface portion is formed, and the exhaust purification catalyst emits exhaust gas when the concentration of hydrocarbons flowing into the exhaust purification catalyst is vibrated with a predetermined range of amplitude and a predetermined range of period. which has a property for reducing the NO X contained in the gas, the vibration period of the hydrocarbon concentration has a property of absorbing the amount of NO X contained in the exhaust gas to be longer than the range defined the advance is increased The A fuel supply device that supplies fuel to the hydrocarbon supply valve to the internal combustion engine. The fuel supply device is formed so that the pressure of the fuel supplied to the hydrocarbon supply valve can be adjusted, and the exhaust purification catalyst during engine operation. The amount of hydrocarbons supplied from the hydrocarbon supply valve is controlled so that the amplitude of the change in the concentration of hydrocarbons flowing into the exhaust gas falls within the predetermined range, and the amount of hydrocarbons flowing into the exhaust purification catalyst is controlled. It is configured to perform operation control in which the hydrocarbon supply interval from the hydrocarbon supply valve is controlled so that the concentration vibrates with a period within a predetermined range, and the above operation control is performed. In this case, based on the total fuel consumption amount of the fuel consumption amount for driving the fuel supply device and the fuel consumption amount of the fuel injected from the hydrocarbon supply valve by the above operation control, the hydrocarbon supply valve Supply To set the pressure of that fuel.
本発明によれば、NOX浄化率を高く維持しながら燃料の消費量を低減する内燃機関の排気浄化装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an exhaust purification system of an internal combustion engine to reduce fuel consumption while maintaining a high NO X purification rate.
図1から図26を参照して、実施の形態における内燃機関の排気浄化装置について説明する。本実施の形態においては、車両に取り付けられている圧縮着火式の内燃機関を例に取り上げて説明する。 With reference to FIGS. 1 to 26, an exhaust emission control device for an internal combustion engine in an embodiment will be described. In the present embodiment, a compression ignition type internal combustion engine attached to a vehicle will be described as an example.
図1は、本実施の形態における内燃機関の全体図である。内燃機関は、機関本体1を備える。また、内燃機関は、排気を浄化する排気浄化装置を備える。機関本体1は、各気筒としての燃焼室2と、それぞれの燃焼室2に燃料を噴射するための電子制御式の燃料噴射弁3と、吸気マニホールド4と、排気マニホールド5とを含む。
FIG. 1 is an overall view of an internal combustion engine in the present embodiment. The internal combustion engine includes an
吸気マニホールド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の出口に連結されている。コンプレッサ7aの入口は、吸入空気量検出器8を介してエアクリーナ9に連結されている。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が配置されている。更に、吸気ダクト6の途中には、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が配置されている。図1に示される実施例では、機関冷却水が冷却装置11に導かれている。機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
The
本実施の形態の排気浄化装置は、NOXを浄化するための排気浄化触媒13を備える。また、排気浄化装置は、排気浄化触媒13の下流に配置されているパティキュレートフィルタ14を備える。排気マニホールド5は、排気ターボチャージャ7の排気タービン7bの入口に連結されている。排気タービン7bの出口は排気管12を介して排気浄化触媒13の入口に連結されている。排気浄化触媒13の出口は、パティキュレートフィルタ14に連結されている。
Exhaust purifying apparatus of the present embodiment includes an
排気浄化触媒13上流には圧縮着火式内燃機関の燃料として用いられる軽油、又は、その他の燃料からなる炭化水素を供給するための炭化水素供給弁15が配置されている。本実施の形態においては、炭化水素供給弁15から供給される炭化水素として軽油が用いられている。なお、本発明は、燃焼時の空燃比がリーンに制御される火花点火式の内燃機関にも適用することができる。この場合、炭化水素供給弁からは火花点火式の内燃機関の燃料として用いられるガソリン又は、その他の燃料からなる炭化水素が供給される。
A
炭化水素供給弁15は、燃料室62に接続されている。燃料室62は、燃料ポンプ61を介して燃料タンク22に接続されている。燃料ポンプ61が駆動することにより、燃料タンク22の燃料が燃料室62に供給される。燃料室62には、加圧された燃料が貯留される。燃料室62には、燃料の圧力を検出する圧力検出器として燃料圧センサ63が配置されている。燃料圧センサ63の出力により、炭化水素供給弁15の噴射圧力を検出することができる。
The
排気マニホールド5と吸気マニホールド4との間には、排気再循環(EGR)を行うためにEGR通路16が配置されている。EGR通路16には電子制御式のEGR制御弁17が配置されている。また、EGR通路16の途中には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が配置されている。図1に示される実施例では機関冷却水が冷却装置18内に導かれている。機関冷却水によってEGRガスが冷却される。
An
それぞれの燃料噴射弁3は、燃料供給管19を介してコモンレール20に連結されている。燃料タンク22に貯蔵される燃料は、電子制御式の燃料ポンプ61および燃料ポンプ21により昇圧されてコモンレール20に供給される。燃料ポンプ61は低圧ポンプであり、燃料を予め定められた圧力まで上昇する。燃料ポンプ21は高圧ポンプであり、燃料ポンプ61により昇圧された燃料の圧力を更に上昇させる。コモンレール20には、高圧になった燃料が供給される。コモンレール20内に供給された燃料は、燃料噴射弁3から燃焼室2内に噴射される。
Each
電子制御ユニット30は、デジタルコンピュータを含む。本実施の形態における電子制御ユニット30は、排気浄化装置の制御装置として機能する。電子制御ユニット30は、双方性バス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および出力ポート36を含む。
The
排気浄化触媒13の下流には排気浄化触媒13の温度を検出するための温度センサ23が配置されている。パティキュレートフィルタ14には、パティキュレートフィルタ14の前後の差圧を検出するための差圧センサ24が取付けられている。また、パティキュレートフィルタ14の下流には、パティキュレートフィルタ14の温度を検出するための温度検出器としての温度センサ25が配置されている。これらの温度センサ23,25、差圧センサ24および吸入空気量検出器8の出力信号は、夫々対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。
A
また、アクセルペダル40にはアクセルペダル40の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ41が接続されている。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。クランク角センサ42の出力により、クランク角度や機関回転数を検出することができる。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の駆動用ステップモータ、炭化水素供給弁15、EGR制御弁17および燃料ポンプ61,21に接続されている。これらの燃料噴射弁3、スロットル弁10、炭化水素供給弁15、EGR制御弁17および燃料ポンプ61,21等は、電子制御ユニット30により制御されている。
A
燃料圧センサ63の出力信号は、電子制御ユニット30に入力される。また、燃料ポンプ61は、電子制御ユニット30に制御されている。燃料ポンプ61は、燃料室62の内部の圧力が、要求される炭化水素供給弁15の噴射圧力になるように制御される。
An output signal of the
パティキュレートフィルタ14は、排気中に含まれる炭素微粒子、サルフェート等の粒子状物質(パティキュレート)を除去するフィルタである。パティキュレートフィルタ14は、例えば、ハニカム構造を有し、ガスの流れ方向に伸びる複数の流路を有する。複数の流路において、下流端が封止された流路と上流端が封止された流路とが交互に形成されている。流路の隔壁は、コージライトのような多孔質材料で形成されている。この隔壁を排気が通過するときにパティキュレートが捕捉される。粒子状物質は、パティキュレートフィルタ14に捕集される。パティキュレートフィルタ14に次第に堆積する粒子状物質は、空気過剰の雰囲気中で温度を例えば650℃程度まで上昇することにより酸化されて除去される。
The
パティキュレートフィルタ14に堆積する粒子状物質の量は、例えば差圧センサ24の出力により推定することができる。パティキュレートフィルタ14の前後差圧が予め定められた判定値を超えたときに、パティキュレートフィルタ14に堆積する粒子状物質の量が判定値を超えたと判別することができる。
The amount of particulate matter deposited on the
図2は、排気浄化触媒の基体上に担持された触媒担体の表面部分を図解的に示している。この排気浄化触媒13では図2に示されるように例えばアルミナからなる触媒担体50上には触媒粒子である貴金属触媒51,52が担持されており、更にこの触媒担体50上にはカリウム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金属、ランタノイドのような希土類および銀Ag、銅Cu、鉄Fe、イリジウムIrのようなNOXに電子を供与しうる金属から選ばれた少なくとも一つを含む塩基性層53が形成されている。排気ガスは触媒担体50上に沿って流れるので貴金属触媒51,52は排気浄化触媒13の排気ガス流通表面上に担持されていると言える。また、塩基性層53の表面は塩基性を呈するので塩基性層53の表面は塩基性の排気ガス流通表面部分54と称される。
FIG. 2 schematically shows the surface portion of the catalyst carrier carried on the substrate of the exhaust purification catalyst. In this
一方、図2において貴金属触媒51は白金Ptからなり、貴金属触媒52はロジウムRhからなる。なおこの場合、いずれの貴金属触媒51,52も白金Ptから構成することができる。また、排気浄化触媒13の触媒担体50上には白金PtおよびロジウムRhに加えて更にパラジウムPdを担持させることができるし、或いはロジウムRhに代えてパラジウムPdを担持させることができる。即ち、触媒担体50に担持されている貴金属触媒51,52は白金Pt、ロジウムRhおよびパラジウムPdの少なくとも一つにより構成される。
On the other hand, in FIG. 2, the
炭化水素供給弁15から排気ガス中に炭化水素が噴射されると、この炭化水素は排気浄化触媒13において改質される。本発明ではこのとき改質された炭化水素を用いて排気浄化触媒13においてNOXを浄化するようにしている。図3はこのとき排気浄化触媒13において行われる改質作用を図解的に示している。図3に示されるように炭化水素供給弁15から噴射された炭化水素HCは触媒51によって炭素数の少ないラジカル状の炭化水素HCとなる。
When hydrocarbons are injected into the exhaust gas from the
図4は、炭化水素供給弁15からの炭化水素の供給タイミングと排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比(A/F)inの変化とを示している。なお、この空燃比(A/F)inの変化は排気浄化触媒13に流入する排気ガス中の炭化水素の濃度変化に依存しているので図4に示される空燃比(A/F)inの変化は炭化水素の濃度変化を表しているとも言える。ただし、炭化水素濃度が高くなると空燃比(A/F)inは小さくなるので図4においては空燃比(A/F)inがリッチ側となるほど炭化水素濃度が高くなっている。
FIG. 4 shows the supply timing of hydrocarbons from the
図5は、排気浄化触媒13に流入する炭化水素の濃度を周期的に変化させることによって図4に示されるように排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比(A/F)inを変化させたときの排気浄化触媒13によるNOX浄化率を排気浄化触媒13の各触媒温度TCに対して示している。排気浄化触媒13に流入する炭化水素の濃度を予め定められた範囲内の振幅および予め定められた範囲内の周期でもって振動させると、図5に示されるように400℃以上の高温領域においても極めて高いNOX浄化率を得ることができる。
FIG. 5 shows a change in the air-fuel ratio (A / F) in of the exhaust gas flowing into the
更に、このときには窒素および炭化水素を含む多量の還元性中間体が塩基性層53の表面上に、即ち排気浄化触媒13の塩基性の排気ガス流通表面部分54上に保持又は吸着され続けており、この還元性中間体が高NOX浄化率を得る上で中心的役割を果していることが判明したのである。次にこのことについて図6Aおよび図6Bを参照しつつ説明する。なお、これら図6Aおよび図6Bは排気浄化触媒13の触媒担体50の表面部分を図解的に示しており、これら図6Aおよび図6Bには排気浄化触媒13に流入する炭化水素の濃度が予め定められた範囲内の振幅および予め定められた範囲内の周期でもって振動させたときに生ずると推測される反応が示されている。
Further, at this time, a large amount of reducing intermediates containing nitrogen and hydrocarbons are kept or adsorbed on the surface of the
図6Aは排気浄化触媒13に流入する炭化水素の濃度が低いときを示しており、図6Bは炭化水素供給弁15から炭化水素が供給されて排気浄化触媒13に流入する炭化水素の濃度が高くなっているときを示している。
FIG. 6A shows a case where the concentration of hydrocarbons flowing into the
さて、図4からわかるように排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比は一瞬を除いてリーンに維持されているので排気浄化触媒13に流入する排気ガスは通常酸素過剰の状態にある。このとき排気ガス中に含まれるNOの一部は排気浄化触媒13上に付着し、排気ガス中に含まれるNOの一部は図6Aに示されるように白金の貴金属触媒51上において酸化されてNO2となり、次いでこのNO2は更に酸化されてNO3となる。また、NO2の一部はNO2 -となる。従って白金Ptの貴金属触媒51上にはNO2 - とNO3とが生成されることになる。排気浄化触媒13上に付着しているNOおよび白金Pt51上において生成されたNO2 -とNO3は活性が強く、従って以下これらNO、NO2 -およびNO3を活性NOXと称する。
As can be seen from FIG. 4, since the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the
一方、炭化水素供給弁15から炭化水素が供給されるとこの炭化水素は排気浄化触媒13の全体に亘って吸着する。これら吸着した炭化水素の大部分は順次酸素と反応して燃焼せしめられ、吸着した炭化水素の一部は順次、図3に示されるように排気浄化触媒13内において改質されてラジカルになる。従って、図6Bに示されるように活性NOX周りの炭化水素濃度が高くなる。ところで活性NOXが生成された後、活性NOX周りの酸素濃度が高い状態が一定時間以上継続すると活性NOXは酸化され、硝酸イオンNO3 -の形で塩基性層53内に吸収される。しかしながらこの一定時間が経過する前に活性NOX周りの炭化水素濃度が高くされると図6Bに示されるように活性NOXは白金の貴金属触媒51上においてラジカル状の炭化水素HCと反応し、それにより還元性中間体が生成される。この還元性中間体は塩基性層53の表面上に保持又は吸着される。
On the other hand, when hydrocarbons are supplied from the
なお、このとき最初に生成される還元性中間体はニトロ化合物R−NO2であると考えられる。このニトロ化合物R−NO2は生成されるとニトリル化合物R−CNとなるがこのニトリル化合物R−CNはその状態では瞬時しか存続し得ないのでただちにイソシアネート化合物R−NCOとなる。このイソシアネート化合物R−NCOは加水分解するとアミン化合物R−NH2となる。ただしこの場合、加水分解されるのはイソシアネート化合物R−NCOの一部であると考えられる。従って図6Bに示されるように塩基性層53の表面上に保持又は吸着されている還元性中間体の大部分はイソシアネート化合物R−NCOおよびアミン化合物R−NH2であると考えられる。
Incidentally, the first produced reducing intermediate this time is considered to be a nitro compound R-NO 2. When this nitro compound R-NO 2 is produced, it becomes a nitrile compound R-CN, but since this nitrile compound R-CN can only survive for a moment in that state, it immediately becomes an isocyanate compound R-NCO. This isocyanate compound R-NCO becomes an amine compound R-NH 2 when hydrolyzed. However, in this case, it is considered that a part of the isocyanate compound R-NCO is hydrolyzed. Therefore, as shown in FIG. 6B, most of the reducing intermediates retained or adsorbed on the surface of the
一方、図6Bに示されるように生成された還元性中間体の周りに炭化水素HCが吸着しているときには還元性中間体は炭化水素HCに阻まれてそれ以上反応が進まない。この場合、排気浄化触媒13に流入する炭化水素の濃度が低下し、次いで還元性中間体の周りに吸着している炭化水素が酸化せしめられて消滅し、それにより還元性中間体周りの酸素濃度が高くなると、還元性中間体は図6Aに示されるように活性NOXと反応するか、周囲の酸素と反応するか、或いは自己分解する。それによって還元性中間体R−NCOやR−NH2はN2,CO2,H2Oに変換せしめられ、斯くしてNOXが浄化されることになる。
On the other hand, as shown in FIG. 6B, when hydrocarbon HC is adsorbed around the generated reducing intermediate, the reducing intermediate is blocked by hydrocarbon HC and the reaction does not proceed any further. In this case, the concentration of hydrocarbons flowing into the
このように排気浄化触媒13では、排気浄化触媒13に流入する炭化水素の濃度を高くすることにより還元性中間体が生成され、排気浄化触媒13に流入する炭化水素の濃度を低下させた後、酸素濃度が高くなったときに還元性中間体が活性NOXや酸素と反応し、或いは自己分解し、それによりNOXが浄化される。即ち、排気浄化触媒13によりNOXを浄化するには排気浄化触媒13に流入する炭化水素の濃度を周期的に変化させる必要がある。
As described above, in the
無論、この場合、還元性中間体を生成するのに十分高い濃度まで炭化水素の濃度を高める必要があり、生成された還元性中間体を活性NOXや酸素と反応させ、或いは自己分解させるのに十分低い濃度まで炭化水素の濃度を低下させる必要がある。即ち、排気浄化触媒13に流入する炭化水素の濃度を予め定められた範囲内の振幅で振動させる必要がある。なお、この場合、生成された還元性中間体R−NCOやR−NH2が活性NOXや酸素と反応するまで、或いは自己分解するまでこれら還元性中間体を塩基性層53上に、即ち塩基性の排気ガス流通表面部分54上に保持しておかなければならず、そのために塩基性の排気ガス流通表面部分54が設けられている。
Of course, that this case, it is necessary to increase the concentration of hydrocarbons to a sufficiently high concentration to generate a reducing intermediate, the generated reducing intermediate is reacted with the active NO X and oxygen, or to autolysis It is necessary to reduce the hydrocarbon concentration to a sufficiently low concentration. That is, it is necessary to vibrate the concentration of hydrocarbons flowing into the
一方、炭化水素の供給間隔を長くすると炭化水素が供給された後、次に炭化水素が供給されるまでの間において酸素濃度が高くなる期間が長くなり、従って活性NOXは還元性中間体を生成することなく硝酸塩の形で塩基性層53内に吸収されることになる。これを回避するためには排気浄化触媒13に流入する炭化水素の濃度を予め定められた範囲内の周期でもって振動させることが必要となる。
On the other hand, if the hydrocarbon supply interval is lengthened, the period during which the oxygen concentration becomes high after the hydrocarbon is supplied and before the next hydrocarbon is supplied becomes longer, so that the active NO X has a reducing intermediate. It is absorbed in the
そこで本発明による実施例では、排気ガス中に含まれるNOXと改質された炭化水素とを反応させて窒素および炭化水素を含む還元性中間体R−NCOやR−NH2を生成するために排気浄化触媒13の排気ガス流通表面上には貴金属触媒51,52が担持されており、生成された還元性中間体R−NCOやR−NH2を排気浄化触媒13内に保持しておくために貴金属触媒51,52周りには塩基性の排気ガス流通表面部分54が形成されており、塩基性の排気ガス流通表面部分54上に保持された還元性中間体R−NCOやR−NH2はN2,CO2,H2Oに変換せしめられ、炭化水素濃度の振動周期は還元性中間体R−NCOやR−NH2を生成し続けるのに必要な振動周期とされる。因みに図4に示される例では供給間隔が3秒とされている。
Therefore, in the embodiment according to the present invention, NO X contained in the exhaust gas is reacted with the reformed hydrocarbon to produce reducing intermediates R-NCO and R-NH 2 containing nitrogen and hydrocarbons. Further,
炭化水素濃度の振動周期、即ち炭化水素HCの供給間隔を上述の予め定められた範囲内の周期よりも長くすると塩基性層53の表面上から還元性中間体R−NCOやR−NH2が消滅し、このとき白金Ptの貴金属触媒51上において生成された活性NOXは図7Aに示されるように硝酸イオンNO3 -の形で塩基性層53内に拡散し、硝酸塩となる。即ち、このときには排気ガス中のNOXは硝酸塩の形で塩基性層53内に吸収されることになる。
If the oscillation period of the hydrocarbon concentration, that is, the supply interval of the hydrocarbon HC is longer than the period within the above-mentioned predetermined range, the reducing intermediates R-NCO and R-NH 2 are formed on the surface of the
一方、図7BはこのようにNOXが硝酸塩の形で塩基性層53内に吸収されているときに排気浄化触媒13内に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチにされた場合を示している。この場合には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、斯くして塩基性層53内に吸収されている硝酸塩は順次硝酸イオンNO3 -となって図7Bに示されるようにNO2の形で塩基性層53から放出される。次いで放出されたNO2は排気ガス中に含まれる炭化水素HCおよびCOによって還元される。
On the other hand, FIG. 7B shows a case where the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the
図8は塩基性層53のNOX吸収能力が飽和する少し前に排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比(A/F)inを一時的にリッチにするようにした場合を示している。なお、図8に示す例ではこのリッチ制御の時間間隔は1分以上である。この場合には排気ガスの空燃比(A/F)inがリーンのときに塩基性層53内に吸収されたNOXは、排気ガスの空燃比(A/F)inが一時的にリッチにされたときに塩基性層53から一気に放出されて還元される。従ってこの場合には塩基性層53はNOXを一時的に吸収するための吸収剤の役目を果している。
Figure 8 shows a case where NO X absorbing capacity of the
なお、このとき塩基性層53がNOXを一時的に吸着する場合もあり、従って吸収および吸着の双方を含む用語として吸蔵という用語を用いるとこのとき塩基性層53はNOXを一時的に吸蔵するためのNOX吸蔵剤の役目を果していることになる。即ち、この場合には、機関吸気通路、燃焼室2および排気浄化触媒13上流の排気通路内に供給された排気ガスの空気および燃料(炭化水素)の比を排気ガスの空燃比(A/F)と称すると、排気浄化触媒13は、排気ガスの空燃比がリーンのときにはNOXを吸蔵し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸蔵したNOXを放出するNOX吸蔵触媒として機能している。
Incidentally, at this time, sometimes the
図9は、排気浄化触媒13をこのようにNOX吸蔵触媒として機能させたときのNOX浄化率を示している。なお、図9の横軸は排気浄化触媒13の触媒温度TCを示している。排気浄化触媒13をNOX吸蔵触媒として機能させた場合には図9に示されるように触媒温度TCが300℃から400℃のときには極めて高いNOX浄化率が得られるが触媒温度TCが400℃以上の高温になるとNOX浄化率が低下する。
Figure 9 shows the NO X purification rate when making the
このように触媒温度TCが400℃以上になるとNOX浄化率が低下するのは、触媒温度TCが400℃以上になると硝酸塩が熱分解してNO2の形で排気浄化触媒13から放出されるからである。即ち、NOXを硝酸塩の形で吸蔵している限り、触媒温度TCが高いときに高いNOX浄化率を得るのは困難である。しかしながら図4から図6A、図6Bに示される新たなNOX浄化方法では図6A、図6Bからわかるように硝酸塩は生成されず或いは生成されても極く微量であり、斯くして図5に示されるように触媒温度TCが高いときでも高いNOX浄化率が得られることになる。
The reason why the the catalyst temperature TC becomes equal to or higher than 400 ° C. NO X purification rate is lowered, nitrate when the catalyst temperature TC becomes equal to or higher than 400 ° C. is released from the
そこで本発明では、炭化水素を供給するための炭化水素供給弁15を機関排気通路内に配置し、炭化水素供給弁15下流の機関排気通路内に排気ガス中に含まれるNOXと改質された炭化水素とを反応させるための排気浄化触媒13を配置し、排気浄化触媒13の排気ガス流通表面上には貴金属触媒51,52が担持されていると共に貴金属触媒51,52周りには塩基性の排気ガス流通表面部分54が形成されており、排気浄化触媒13は、排気浄化触媒13に流入する炭化水素の濃度を予め定められた範囲内の振幅および予め定められた範囲内の周期でもって振動させると排気ガス中に含まれるNOXを還元する性質を有すると共に、炭化水素濃度の振動周期をこの予め定められた範囲よりも長くすると排気ガス中に含まれるNOXの吸蔵量が増大する性質を有しており、機関運転時に排気浄化触媒13に流入する炭化水素の濃度を予め定められた範囲内の振幅および予め定められた範囲内の周期でもって振動させ、それにより排気ガス中に含まれるNOXを排気浄化触媒13において還元するようにしている。
In this invention, the
即ち、図4から図6A、図6Bに示されるNOX浄化方法は、貴金属触媒を担持しかつNOXを吸収しうる塩基性層を形成した排気浄化触媒を用いた場合において、ほとんど硝酸塩を形成することなくNOXを浄化するようにした新たなNOX浄化方法であると言うことができる。実際、この新たなNOX浄化方法を用いた場合には排気浄化触媒13をNOX吸蔵触媒として機能させた場合に比べて、塩基性層53から検出される硝酸塩は極く微量である。なお、この新たなNOX浄化方法を以下、第1のNOX浄化方法と称する。
That is, the NO X purification methods shown in FIGS. 4 to 6A and 6B almost form nitrates when an exhaust purification catalyst supporting a noble metal catalyst and forming a basic layer capable of absorbing NO X is used. It can be said that this is a new NO X purification method that purifies NO X without having to do so. In fact, when this new NO X purification method is used, the amount of nitrate detected from the
次に、図10から図15を参照しつつこの第1のNOX浄化方法についてもう少し詳細に説明する。 Next, the first NO x purification method will be described in a little more detail with reference to FIGS. 10 to 15.
図10は、図4に示される空燃比(A/F)inの変化を拡大して示している。なお、前述したように、この排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比(A/F)inの変化は同時に排気浄化触媒13に流入する炭化水素の濃度変化を示している。なお、図10においてΔHは排気浄化触媒13に流入する炭化水素HCの濃度変化の振幅を示しており、ΔTは排気浄化触媒13に流入する炭化水素濃度の振動周期を示している。
FIG. 10 shows an enlarged view of the change in the air-fuel ratio (A / F) in shown in FIG. As described above, the change in the air-fuel ratio (A / F) in of the exhaust gas flowing into the
更に図10において(A/F)bは機関出力を発生するための燃焼ガスの空燃比を示すベース空燃比を表している。言い換えるとこのベース空燃比(A/F)bは炭化水素の供給を停止したときに排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比を表している。一方、図10においてXは、生成された活性NOXが硝酸塩の形で塩基性層53内に吸蔵されることなく還元性中間体の生成のために使用される空燃比(A/F)inの上限を表しており、活性NOXと改質された炭化水素とを反応させて還元性中間体を生成させるには空燃比(A/F)inをこの空燃比の上限Xよりも低くすることが必要となる。
Further, in FIG. 10, (A / F) b represents the base air-fuel ratio indicating the air-fuel ratio of the combustion gas for generating the engine output. In other words, the base air-fuel ratio (A / F) b represents the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the
別の言い方をすると図10のXは活性NOXと改質された炭化水素とを反応させて還元性中間体を生成させるのに必要な炭化水素の濃度の下限を表しており、還元性中間体を生成するためには炭化水素の濃度をこの下限Xよりも高くする必要がある。この場合、還元性中間体が生成されるか否かは活性NOX周りの酸素濃度と炭化水素濃度との比率、即ち空燃比(A/F)inで決まり、還元性中間体を生成するのに必要な上述の空燃比の上限Xを以下、要求最小空燃比と称する。 In other words, X in FIG. 10 represents the lower limit of the concentration of hydrocarbons required for reacting active NO X with the reformed hydrocarbon to form a reducing intermediate, and the reducing intermediate In order to produce a body, it is necessary to make the hydrocarbon concentration higher than the lower limit X. In this case, the ratio of the oxygen concentration and the hydrocarbon concentration of whether around the active NO X reducing intermediate is produced, i.e. determined by the air-fuel ratio (A / F) in, for producing the reducing intermediate The above-mentioned upper limit X of the air-fuel ratio necessary for the above is hereinafter referred to as a required minimum air-fuel ratio.
図10に示される例では要求最小空燃比Xがリッチとなっており、従ってこの場合には還元性中間体を生成するために空燃比(A/F)inが瞬時的に要求最小空燃比X以下に、即ちリッチにされる。これに対し、図11に示される例では要求最小空燃比Xがリーンとなっている。この場合には空燃比(A/F)inをリーンに維持しつつ空燃比(A/F)inを周期的に低下させることによって還元性中間体が生成される。 In the example shown in FIG. 10, the required minimum air-fuel ratio X is rich. Therefore, in this case, the air-fuel ratio (A / F) in is instantaneously required to generate the reducing intermediate. The following is made rich: On the other hand, in the example shown in FIG. 11, the required minimum air-fuel ratio X is lean. In this case, the reducing intermediate is generated by periodically reducing the air-fuel ratio (A / F) in while maintaining the air-fuel ratio (A / F) in lean.
この場合、要求最小空燃比Xがリッチになるかリーンになるかは排気浄化触媒13の酸化力による。この場合、排気浄化触媒13は例えば貴金属触媒51の担持量を増大させれば酸化力が強まり、酸性を強めれば酸化力が強まる。従って排気浄化触媒13の酸化力は貴金属触媒51の担持量や酸性の強さによって変化することになる。
In this case, whether the required minimum air-fuel ratio X becomes rich or lean depends on the oxidizing power of the
さて、酸化力が強い排気浄化触媒13を用いた場合に図11に示されるように空燃比(A/F)inをリーンに維持しつつ空燃比(A/F)inを周期的に低下させると、空燃比(A/F)inが低下せしめられたときに炭化水素が完全に酸化されてしまい、その結果還元性中間体を生成することができなくなる。これに対し、酸化力が強い排気浄化触媒13を用いた場合に図10に示されるように空燃比(A/F)inを周期的にリッチにさせると空燃比(A/F)inがリッチにされたときに一部の炭化水素は完全に酸化されることなく部分酸化され、即ち炭化水素が改質され、斯くして還元性中間体が生成されることになる。従って酸化力が強い排気浄化触媒13を用いた場合には要求最小空燃比Xはリッチにする必要がある。
When the
一方、酸化力が弱い排気浄化触媒13を用いた場合には図11に示されるように空燃比(A/F)inをリーンに維持しつつ空燃比(A/F)inを周期的に低下させると、一部の炭化水素は完全に酸化されずに部分酸化され、即ち炭化水素が改質され、斯くして還元性中間体が生成される。これに対し、酸化力が弱い排気浄化触媒13を用いた場合に図10に示されるように空燃比(A/F)inを周期的にリッチにさせると多量の炭化水素は酸化されることなく単に排気浄化触媒13から排出されることになり、斯くして無駄に消費される炭化水素量が増大することになる。従って酸化力が弱い排気浄化触媒13を用いた場合には要求最小空燃比Xはリーンにする必要がある。
On the other hand, when the
即ち、要求最小空燃比Xは図12に示されるように排気浄化触媒13の酸化力が強くなるほど低下させる必要があることがわかる。このように要求最小空燃比Xは排気浄化触媒13の酸化力によってリーンになったり、或いはリッチになったりするが、以下要求最小空燃比Xがリッチである場合を例にとって、排気浄化触媒13に流入する炭化水素の濃度変化の振幅や排気浄化触媒13に流入する炭化水素濃度の振動周期について説明する。
That is, it can be seen that the required minimum air-fuel ratio X needs to be lowered as the oxidizing power of the
さて、ベース空燃比(A/F)bが大きくなると、即ち炭化水素が供給される前の排気ガス中の酸素濃度が高くなると空燃比(A/F)inを要求最小空燃比X以下とするのに必要な炭化水素の供給量が増大し、それに伴って還元性中間体の生成に寄与しなかった余剰の炭化水素量も増大する。この場合、NOXを良好に浄化するためには前述したようにこの余剰の炭化水素を酸化させる必要があり、従ってNOXを良好に浄化するためには余剰の炭化水素量が多いほど多量の酸素が必要となる。 When the base air-fuel ratio (A / F) b increases, that is, when the oxygen concentration in the exhaust gas before the hydrocarbons are supplied increases, the air-fuel ratio (A / F) in is set to be equal to or less than the required minimum air-fuel ratio X. As a result, the amount of hydrocarbons necessary for the increase increases, and the amount of excess hydrocarbons that did not contribute to the production of the reducing intermediate also increases. In this case, in order to satisfactorily purify NO X must oxidize the excess hydrocarbons as described above, therefore in order to satisfactorily purify NO X amounts of higher hydrocarbons the amount of the surplus is large Oxygen is needed.
この場合、排気ガス中の酸素濃度を高めれば酸素量を増大することができる。従ってNOXを良好に浄化するためには、炭化水素が供給される前の排気ガス中の酸素濃度が高いときには炭化水素供給後の排気ガス中の酸素濃度を高める必要がある。即ち、炭化水素が供給される前の排気ガス中の酸素濃度が高いほど炭化水素濃度の振幅を大きくする必要がある。 In this case, the amount of oxygen can be increased by increasing the oxygen concentration in the exhaust gas. To satisfactorily purify NO X, therefore, it is necessary to increase the oxygen concentration in the exhaust gas after the hydrocarbon feed when the oxygen concentration in the exhaust gas before the hydrocarbons are fed is high. That is, it is necessary to increase the amplitude of the hydrocarbon concentration as the oxygen concentration in the exhaust gas before the hydrocarbon is supplied is higher.
図13は同一のNOX浄化率が得られるときの、炭化水素が供給される前の排気ガス中の酸素濃度と炭化水素濃度の振幅ΔHとの関係を示している。図13から同一のNOX浄化率を得るためには炭化水素が供給される前の排気ガス中の酸素濃度が高いほど炭化水素濃度の振幅ΔHを増大させる必要があることがわかる。即ち、同一のNOX浄化率を得るにはベース空燃比(A/F)bが高くなるほど炭化水素濃度の振幅ΔHを増大させることが必要となる。別の言い方をすると、NOXを良好に浄化するためにはベース空燃比(A/F)bが低くなるほど炭化水素濃度の振幅ΔHを減少させることができる。 FIG. 13 shows the relationship between the oxygen concentration in the exhaust gas before the hydrocarbon is supplied and the amplitude ΔH of the hydrocarbon concentration when the same NO X purification rate is obtained. From FIG. 13, it can be seen that in order to obtain the same NO x purification rate, the higher the oxygen concentration in the exhaust gas before the hydrocarbons are supplied, the more the amplitude ΔH of the hydrocarbon concentration needs to be increased. That is, it is necessary to increase the amplitude ΔH of the hydrocarbon concentration as the base air-fuel ratio (A / F) b is increased to obtain the same of the NO X purification rate. In other words, in order to satisfactorily purify NO X can be reduced the amplitude ΔH of the hydrocarbon concentration as the base air-fuel ratio (A / F) b becomes lower.
ところでベース空燃比(A/F)bが最も低くなるのは加速運転時であり、このとき炭化水素濃度の振幅ΔHが200ppm程度あればNOXを良好に浄化することができる。ベース空燃比(A/F)bは通常、加速運転時よりも大きく、従って図14に示されるように炭化水素濃度の振幅ΔHが200ppm以上であれば良好なNOX浄化率を得ることができることになる。 By the way, the base air-fuel ratio (A / F) b becomes the lowest during acceleration operation. At this time, if the amplitude ΔH of the hydrocarbon concentration is about 200 ppm, NO X can be purified well. The base air-fuel ratio (A / F) b is usually larger than that during acceleration operation. Therefore, as shown in FIG. 14, if the hydrocarbon concentration amplitude ΔH is 200 ppm or more, a good NO x purification rate can be obtained. become.
一方、ベース空燃比(A/F)bが最も高いときには炭化水素濃度の振幅ΔHを10000ppm程度にすれば良好なNOX浄化率が得られることがわかっている。従って本発明では炭化水素濃度の振幅の予め定められた範囲が200ppmから10000ppmとされている。 On the other hand, when the base air-fuel ratio (A / F) b is the highest is found that good NO X purification rate when the amplitude ΔH of the hydrocarbon concentration of about 10000ppm is obtained. Therefore, in the present invention, the predetermined range of the amplitude of the hydrocarbon concentration is set to 200 ppm to 10,000 ppm.
また、炭化水素濃度の振動周期ΔTが長くなると炭化水素が供給された後、次に炭化水素が供給される間において、活性NOX周りの酸素濃度が高くなる期間が長くなる。この場合、炭化水素濃度の振動周期ΔTが5秒程度よりも長くなると活性NOXが硝酸塩の形で塩基性層53内に吸収され始め、従って図15に示されるように炭化水素濃度の振動周期ΔTが5秒程度よりも長くなるとNOX浄化率が低下することになる。従って炭化水素濃度の振動周期ΔTは5秒以下とする必要がある。
In addition, when the vibration period ΔT of the hydrocarbon concentration becomes longer, the period during which the oxygen concentration around the active NO X becomes higher after the hydrocarbon is supplied and then the hydrocarbon is supplied next becomes longer. In this case, when the vibration period ΔT of the hydrocarbon concentration becomes longer than about 5 seconds, the active NO X begins to be absorbed in the
一方、炭化水素濃度の振動周期ΔTがほぼ0.3秒以下になると供給された炭化水素が排気浄化触媒13の排気ガス流通表面上に堆積し始め、従って図15に示されるように炭化水素濃度の振動周期ΔTがほぼ0.3秒以下になるとNOX浄化率が低下する。そこで本発明では炭化水素濃度の振動周期が0.3秒から5秒の間とされている。
On the other hand, when the vibration period ΔT of the hydrocarbon concentration becomes approximately 0.3 seconds or less, the supplied hydrocarbon starts to accumulate on the exhaust gas flow surface of the
さて、本発明による実施例では、炭化水素供給弁15からの1回の炭化水素の供給量および供給間隔を変化させることによって炭化水素濃度の振幅ΔHおよび振動周期ΔTが機関の運転状態に応じた最適値となるように制御することができる。炭化水素濃度の振幅ΔHを得ることのできる炭化水素の供給量は、燃料噴射弁3の燃料噴射量Qおよび機関回転数Nの関数としてマップの形で予め電子制御ユニット30のROM32内に記憶されている。また、炭化水素濃度の振動周期ΔT、即ち炭化水素の供給間隔も燃料噴射弁3の燃料噴射量Qおよび機関回転数Nを関数にするマップの形で予めROM32内に記憶させることができる。
Now, in the embodiment according to the present invention, the amplitude ΔH and the vibration period ΔT of the hydrocarbon concentration correspond to the operating state of the engine by changing the supply amount and supply interval of one hydrocarbon from the
次に、図16から図19を参照しつつ排気浄化触媒13をNOX吸蔵触媒として機能させた場合のNOX浄化方法について具体的に説明する。このように排気浄化触媒13をNOX吸蔵触媒として機能させた場合のNOX浄化方法を以下、第2のNOX浄化方法と称する。
Next, the NO X purification method when the
この第2のNOX浄化方法では図16に示されるように塩基性層53に吸蔵された吸蔵NOX量ΣNOXが予め定められた許容量MAXを越えたときに排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比(A/F)inが一時的にリッチにされる。排気ガスの空燃比(A/F)inがリッチにされると排気ガスの空燃比(A/F)inがリーンのときに塩基性層53内に吸蔵されたNOXが塩基性層53から一気に放出されて還元される。それによってNOXが浄化される。
In this second NO X purification method, as shown in FIG. 16, the exhaust gas flowing into the
吸蔵NOX量ΣNOXは例えば機関から排出されるNOX量から算出される。本発明による実施例では機関から単位時間当り排出される排出NOX量NOXAが燃料噴射弁3からの噴射量Qおよび機関回転数Nの関数として、図17に示すようなマップの形で予めROM32内に記憶されており、この排出NOX量NOXAから吸蔵NOX量ΣNOXが算出される。この場合、前述したように排気ガスの空燃比(A/F)inがリッチにされる周期は通常1分以上である。
Occluded amount of NO X ΣNOX is calculated from the amount of NO X discharged from the engine, for example. As a function of the injection quantity Q and engine speed N from the discharge amount of NO X NOXA the
この第2のNOX浄化方法では図18に示されるように燃焼室2内に燃料噴射弁3から燃焼用燃料としての主噴射の噴射量Qに加え、補助噴射としての追加の燃料を噴射量WRにて噴射することによって排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比(A/F)inがリッチにされる。なお、図18の横軸はクランク角を示している。この追加の燃料WRは燃焼はするが機関出力となって現われない時期に、即ち圧縮上死点後ATDC90°の少し手前で噴射される。補助噴射の噴射量WRは、燃料噴射弁3からの噴射量Qおよび機関回転数Nの関数として図19に示すようなマップの形で予めROM32内に記憶されている。無論、この場合に炭化水素供給弁15からの炭化水素の供給量を増大させることによって排気ガスの空燃比(A/F)inをリッチにすることもできる。
In this second NO X purification method, as shown in FIG. 18, in addition to the injection quantity Q of main injection as fuel for combustion from the
図20に、通常運転時の排気浄化装置のNOXの浄化方法を説明するグラフを示す。横軸は機関回転数であり、縦軸は燃料噴射弁3からの筒内噴射量である。本実施の形態の排気浄化装置では、機関回転数および筒内噴射量に基づいて、第1のNOX浄化方法を実施する領域および第2のNOX浄化方法を実施する領域が定められている。第1のNOX浄化方法にて高い浄化率にてNOXの浄化を行なうためには、排気浄化触媒13が活性化していることが好ましい。即ち、排気浄化触媒13に流入するNOXから活性NOXの生成、炭化水素の部分酸化、および還元性中間体の生成等を十分に行なうためには、排気浄化触媒が活性化していることが好ましい。また、排気浄化触媒の温度が高くなると触媒が活性化することが知られている。このために、機関回転数の非常に低い領域および筒内噴射量が非常に低い領域では、第2のNOX浄化方法にてNOXを浄化している。そして、機関回転数が比較的低く、更に筒内噴射量も比較的低い領域においても、第2のNOX浄化方法にてNOXを浄化している。一方で、その他の領域では、第1のNOX浄化方法にてNOXを浄化している。
FIG. 20 shows a graph for explaining a NO x purification method of the exhaust purification device during normal operation. The horizontal axis is the engine speed, and the vertical axis is the in-cylinder injection amount from the
次に、本実施の形態における第1のNOX浄化方法において、炭化水素供給弁から供給する燃料の圧力と、NOXの浄化に必要な燃料の量について説明する。図21に、炭化水素供給弁から供給される燃料の圧力と排気ガスに含まれる炭化水素の濃度との関係を説明するグラフを示す。横軸は時間であり、縦軸は排気ガスに含まれる炭化水素の濃度である。図21には、炭化水素供給弁15から低圧で噴射したときの炭化水素の濃度の変化と、高圧で燃料を噴射したときの炭化水素の濃度の変化とが示されている。
Next, in the first NO X purification method in the present embodiment, the pressure of fuel supplied from the hydrocarbon supply valve and the amount of fuel necessary for NO X purification will be described. FIG. 21 shows a graph for explaining the relationship between the pressure of the fuel supplied from the hydrocarbon supply valve and the concentration of hydrocarbons contained in the exhaust gas. The horizontal axis is time, and the vertical axis is the concentration of hydrocarbons contained in the exhaust gas. FIG. 21 shows changes in the hydrocarbon concentration when injected from the
本実施の形態における内燃機関は、圧縮自着火式である。通常運転時には、燃焼室2において理論空燃比よりもリーンの状態にて燃焼が行われる。このために、排気ガスは空気過剰の状態になる。
The internal combustion engine in the present embodiment is a compression self-ignition type. During normal operation, combustion is performed in the
排気ガスに炭化水素が供給されると、炭化水素は過剰な空気により酸化される。排気ガスの炭化水素の濃度のうち、矢印91に示す濃度WHC以下の領域の炭化水素は、完全に酸化されてしまうためにNOXの還元には用いられない。一方で、濃度WHCよりも上側の部分の炭化水素は、NOXを浄化する為の還元剤として機能する。
When hydrocarbons are supplied to the exhaust gas, the hydrocarbons are oxidized by excess air. Of concentration of hydrocarbons in the exhaust gas, hydrocarbons concentration WHC following areas indicated by the
ここで、炭化水素供給弁15から高圧にて燃料を供給した場合と、低圧にて燃料を供給した場合とを比較する。同じ還元剤の量を得るためには、低圧で噴射した方が燃料を噴射する時間が長くなることが分かる。このために、低圧で噴射した場合には、濃度WHC以下の領域に含まれる燃料の量が多くなることが分かる。一方で、高圧になると、燃料を噴射している時間が短くなり、濃度WHC以下の領域に含まれる燃料の量が少なくなることが分かる。すなわち、完全に酸化されてNOXの還元に用いられない炭化水素の量が少なくなる。還元剤が不十分の領域では、NOXの浄化率は還元剤の量が多くなるほど高くなる。このために、第1のNOX浄化方法では、炭化水素供給弁15から噴射する燃料の圧力を高くすることが好ましい。
Here, the case where the fuel is supplied from the
ところで、前述のように、パティキュレートフィルタ14における粒子状物質の堆積量が、予め定められた判定値を超えた場合には、空気過剰の状態でパティキュレートフィルタを高温にする再生を実施する。パティキュレートフィルタ14の再生を実施することにより、粒子状物質を酸化させて除去することができる。図22に、パティキュレートフィルタの再生を行うときのNOX浄化方法を説明するグラフを示す。パティキュレートフィルタフィルタの再生を行う場合には、筒内噴射量に関わらず、機関回転数が低い領域から第1のNOXの浄化方法にてNOXを浄化する。すなわち、排気浄化触媒13が比較的低温の領域から第1のNOX浄化方法を実施する。
By the way, as described above, when the amount of particulate matter accumulated in the
排気浄化触媒13が比較的低温の領域では、炭化水素を部分酸化したり還元性中間体を生成したりする能力が低くなる。このような状態で、炭化水素供給弁15から高圧にて燃料を供給すると、一部の炭化水素が排気浄化触媒13をすり抜けてしまう場合が生じる。本実施の形態の排気浄化装置は、炭化水素が排気浄化触媒13をすり抜ける虞がある運転状態では、炭化水素供給弁15から供給する燃料の圧力を低くする制御を実施する。
When the
図23に、本実施の形態における内燃機関の燃料供給装置の概略図を示す。低圧の燃料ポンプ61から吐出される燃料は低圧燃料であり、高圧の燃料ポンプ21から吐出される燃料は高圧燃料になる。そして、燃料ポンプ21,61やコモンレール20等から漏れ出る非常に圧力の低い燃料は燃料タンク22に戻される。
FIG. 23 shows a schematic diagram of a fuel supply device for an internal combustion engine in the present embodiment. The fuel discharged from the low-pressure fuel pump 61 is low-pressure fuel, and the fuel discharged from the high-
燃料噴射弁3に供給される燃料は高圧燃料である。一方で、低圧の燃料ポンプ61から吐出される低圧燃料の一部は、炭化水素供給弁15に供給される。そして、低圧の燃料ポンプ61から吐出される低圧燃料のうち、過剰な燃料はオリフィス等の絞り部材75により圧力が低減された後に、燃料タンク22に戻される。本実施の形態の燃料供給装置は、低圧の燃料ポンプ61から吐出する燃料の圧力を調整可能に形成されている。
The fuel supplied to the
図24に、燃料ポンプに供給する電流と燃料ポンプが吐出する燃料の圧力との関係を示すグラフを示す。燃料ポンプ61に供給する電流を増加させると、燃料ポンプ61から吐出される燃料の圧力が上昇することが分かる。本実施の形態では、燃料ポンプ61に供給する電流を調整することにより、燃料ポンプ61から炭化水素供給弁15に供給する燃料の圧力を調整する。燃料ポンプ61に供給される電流は、電子制御ユニット30により制御される。図21を参照して、本実施の形態では、炭化水素が排気浄化触媒13をすり抜ける虞がある運転状態では、炭化水素供給弁15から供給する燃料の圧力を低くする。この制御により、排気ガスの炭化水素の濃度の最大値は低くなり、排気浄化触媒13のすり抜けを抑制することができる。
FIG. 24 is a graph showing the relationship between the current supplied to the fuel pump and the pressure of the fuel discharged from the fuel pump. It can be seen that when the current supplied to the fuel pump 61 is increased, the pressure of the fuel discharged from the fuel pump 61 increases. In the present embodiment, the pressure of the fuel supplied from the fuel pump 61 to the
このように、本実施の形態における排気浄化装置は、炭化水素供給弁15から噴射する炭化水素の圧力を調整可能に形成されている。ところが、前述の通り圧力を低くすると、完全に酸化されてしまう炭化水素が増大し、燃料消費量が多くなってしまう。そこで、本実施の形態の排気浄化装置は、第1のNOX浄化方法を行う場合に消費される燃料の量を少なくする制御を実施する。
Thus, the exhaust emission control device in the present embodiment is formed so that the pressure of hydrocarbons injected from the
図25に、本実施の形態における第1のNOX浄化方法を実施するときに、低圧の燃料ポンプから吐出する燃料の圧力を設定する制御のフローチャートを示す。図25のフローチャートは、換言すると、炭化水素供給弁15から噴射する燃料の圧力を設定する制御のフローチャートである。
FIG. 25 shows a flowchart of control for setting the pressure of the fuel discharged from the low-pressure fuel pump when the first NO X purification method in the present embodiment is performed. In other words, the flowchart of FIG. 25 is a control flowchart for setting the pressure of the fuel injected from the
ステップ101においては、炭化水素供給弁15から燃料を供給する要求があるか否かを判別する。燃料を供給する要求がある場合には、例えば、前述のパティキュレートフィルタの再生を実施する場合、第1のNOX浄化方法を実施する場合、および、炭化水素供給弁15が詰まることを防止するために、定期的に炭化水素供給弁15から炭化水素を噴射する場合等が含まれる。更に、排気浄化触媒13に吸蔵される硫黄酸化物(SOX)を放出させる制御を実施する場合が含まれる。
In
ステップ101において、炭化水素供給弁15から燃料を供給する要求がない場合には、この制御を繰り返す。ステップ101において、炭化水素供給弁15から燃料を供給する要求がある場合には、ステップ102に移行する。
In
ステップ102においては、第1のNOX浄化方法の要求があるか否かを判別する。すなわち、第1のNOX浄化方法を実施するか否かを判別する。第1のNOX浄化方法を実施する要求がある場合には、前述の通常運転時において内燃機関が所定の運転領域である場合や、パティキュレートフィルタの再生の要求がある場合等が含まれる。ここで、排気浄化触媒13の温度を検出し、所定の温度未満では第1のNOX浄化方法を禁止する制御を実施することができる。この他に、排気浄化触媒に流入するNOX量が所定値以上の場合に第1のNOX浄化方法を実施する制御を行うことができる。または、排気浄化触媒13におけるNOX吸蔵量が多いと、第1のNOX浄化方法を実施した場合に、吸蔵されていたNOXが一度に放出されて浄化しきれない虞がある。このために、排気浄化触媒13におけるNOX吸蔵量が予め定められた判定値よりも多い場合には、第1のNOX浄化方法を禁止する制御を実施することができる。このように、任意の条件を設定して、第1のNOX浄化方法を実施するか否かを判別することができる。
In
ステップ102において、第1のNOX浄化方法の要求がない場合には、ステップ103に移行する。この場合には、第2のNOX浄化方法にてNOXを浄化する。ステップ103においては、炭化水素供給弁15から供給する燃料の圧力を予め定められた圧力に設定する。例えば、予め定められた低い圧力に設定される。そして、ステップ106において、設定された燃料の圧力に基づいて、低圧の燃料ポンプ61に供給する電流を算出する。低圧の燃料ポンプ61は、算出した電流にて駆動される。
If there is no request for the first NO x purification method in
一方で、ステップ102において、第1のNOX浄化方法が要求されている場合には、ステップ104に移行する。ステップ104においては、NOXを浄化するための還元剤の要求量を算出する。図21を参照して、ここでの還元剤の要求量は、濃度WHCよりも上側の領域の炭化水素の量に相当する。ここで、炭化水素の供給間隔は、内燃機関の運転状態に応じて設定することができる。たとえば、炭化水素の供給間隔は、還元性中間体が塩基性層53の表面上に保持又は吸着が可能な時間に基づいて設定することができる。または、内燃機関の運転状態に基づいて炭化水素の供給間隔を設定しても構わない。
On the other hand, when the first NO X purification method is requested in
排気浄化触媒13のNOXの浄化率は予め定められている。要求されるNOXの浄化率に、機関本体1から排気浄化触媒13に流入するNOXの量を乗じることにより、要求されるNOXの浄化量が算出される。機関本体1から排気浄化触媒13に流入するNOXの量は、例えば機関回転数および負荷を関数にするマップから単位時間あたりの量を推定することができる。そして、炭化水素の供給間隔に基づいて、炭化水素供給弁15の1回の燃料噴射に対して、機関本体1から排気浄化触媒13に流入するNOXの量、すなわち要求されるNOXの浄化量を算出することができる。そして、要求されるNOXの浄化量に基づいて、還元剤の要求量を算出することができる。なお、還元剤の要求量は、例えば、機関回転数と負荷とを関数にするマップを予め作成し、電子制御ユニット30に記憶させておいても構わない。機関回転数および負荷を検出し、機関回転数および負荷に基づいて、還元剤の要求量を設定しても構わない。
The NO x purification rate of the
次に、ステップ105においては、設定された還元剤の要求量に基づいて、炭化水素供給弁15から噴射する燃料の圧力を設定する。
Next, in
図26に、第1のNOX浄化方法を行うときに消費される燃料消費量のグラフを示す。横軸は、炭化水素供給弁15から噴射される燃料の圧力である。第1のNOX浄化方法を行う時に、炭化水素供給弁15から供給される燃料の量は、圧力が高くなるほど小さくすることができる。このために、炭化水素供給弁15から噴射される燃料の圧力が高くなるほど、炭化水素供給弁15の燃料噴射による燃料消費量は小さくなる。
FIG. 26 shows a graph of fuel consumption consumed when the first NO x purification method is performed. The horizontal axis represents the pressure of fuel injected from the
一方で、本実施の形態の低圧の燃料ポンプ61は電気にて駆動されている。低圧の燃料ポンプ61から吐出される燃料の圧力を上昇させると消費電力が大きくなる。燃料ポンプ61を駆動する電力は、機関本体1から出力される回転力を用いて発電することにより生成されている。このために、燃料ポンプ61の消費電力が大きくなると燃焼室2における燃料消費量が多くなる。このように、炭化水素供給弁15から噴射される燃料の圧力が高くなるほど、燃料ポンプ61を駆動する為の燃料消費量は大きくなる。
On the other hand, the low-pressure fuel pump 61 of the present embodiment is driven by electricity. When the pressure of the fuel discharged from the low-pressure fuel pump 61 is increased, the power consumption increases. The electric power for driving the fuel pump 61 is generated by generating electric power using the rotational force output from the
図26には、炭化水素供給弁15からの燃料噴射による燃料消費量と、燃料ポンプ61の駆動による燃料消費量とを加算した合計の燃料消費量が示されている。そして、合計の燃料消費量は、炭化水素供給弁15から噴射される燃料の圧力Paにおいて最小になることが分かる。このために、図25を参照して、ステップ105では、炭化水素供給弁15から噴射される燃料の圧力を圧力Paに設定する。
FIG. 26 shows a total fuel consumption amount obtained by adding the fuel consumption amount due to fuel injection from the
次に、ステップ106において、炭化水素供給弁15から噴射される燃料の圧力が、圧力Paになるように低圧の燃料ポンプ61を駆動する。すなわち、低圧の燃料ポンプ61の吐出圧力が圧力Paになる電流を設定し、設定した電流にて燃料ポンプ61を駆動する。
Next, in step 106, the low-pressure fuel pump 61 is driven so that the pressure of the fuel injected from the
このように、本実施の形態の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気通路に炭化水素を供給する燃料供給装置を駆動するための燃料消費量と、炭化水素供給弁15から噴射される燃料の燃料消費量との合計の燃料消費量に基づいて、炭化水素供給弁15に供給する燃料の圧力を設定する。この制御により、NOX浄化率を高く維持しながら燃料の消費量を低くすることができる。
As described above, the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present embodiment is configured to reduce the amount of fuel consumed for driving the fuel supply device that supplies hydrocarbons to the engine exhaust passage and the fuel injected from the
本実施の形態の炭化水素供給弁15から噴射する燃料の圧力を設定する制御は、パティキュレートの再生を行う場合に限られず、第1のNOX浄化方法にてNOXを浄化する任意の場合に適用することができる。
The control for setting the pressure of the fuel injected from the
なお、排気浄化触媒13における炭化水素のすり抜けに関しては、排気浄化触媒13の温度に基づいて排気ガスに含まれる炭化水素の濃度の上限を設定しておいても構わない。たとえば、機関回転数と負荷とを関数にして、炭化水素の濃度の上限または炭化水素供給弁15から噴射される燃料の圧力の上限を予め定めておくことができる。そして、前述の制御により設定された低圧の燃料ポンプ61の圧力が、炭化水素のすり抜けに基づいた圧力の上限を超える場合には、炭化水素のすり抜けに基づいた圧力の上限にて炭化水素を供給しても構わない。
Note that regarding the passing of hydrocarbons in the
また、パティキュレートフィルタ14の再生を行う場合には、排気ガスの温度を上昇させて、パティキュレートフィルタ14を高温にする必要がある。このために、排気浄化触媒13に供給する炭化水素を増加させる場合がある。排気浄化触媒13の内部にて炭化水素の酸化反応を生じさせることにより、排気ガスの温度が上昇する。このような排気ガスの温度を上昇させるために供給する炭化水素の量は、上記のNOXを浄化する方法において、完全に酸化される炭化水素の量を考慮して算出することができる。
Further, when the
本実施の形態における燃料供給装置は、燃料ポンプの吐出圧力を変化させることにより、炭化水素供給弁から噴射する燃料の圧力を可変に形成されているが、この形態に限られず、炭化水素供給弁から噴射する燃料の圧力を可変にする任意の燃料供給装置を採用することができる。例えば、燃料供給装置は、炭化水素供給弁に燃料を供給する流路に可変流量ノズル等が配置されることにより、炭化水素供給弁に供給する燃料の圧力を調整可能に形成されていても構わない。 The fuel supply device in the present embodiment is formed such that the pressure of fuel injected from the hydrocarbon supply valve is variably changed by changing the discharge pressure of the fuel pump. Any fuel supply device that makes the pressure of the fuel injected from the fuel variable can be employed. For example, the fuel supply device may be formed so that the pressure of the fuel supplied to the hydrocarbon supply valve can be adjusted by disposing a variable flow nozzle or the like in the flow path for supplying fuel to the hydrocarbon supply valve. Absent.
なお、上述の制御は、それぞれの作用および機能を有する範囲内において適宜ステップの順序を変更することができる。上述のそれぞれの図において、同一または相等する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、特許請求の範囲に示される実施の変更が含まれている。 In addition, the above-mentioned control can change the order of steps suitably within the range which has each effect | action and function. In the respective drawings described above, the same or equivalent parts are denoted by the same reference numerals. In addition, said embodiment is an illustration and does not limit invention. Further, in the embodiment, changes in the implementation shown in the claims are included.
1 機関本体
2 燃焼室
3 燃料噴射弁
13 排気浄化触媒
14 パティキュレートフィルタ
15 炭化水素供給弁
21,61 燃料ポンプ
30 電子制御ユニット
50 触媒担体
51,52 貴金属触媒
53 塩基性層
54 排気ガス流通表面部分
62 燃料室
63 燃料圧センサ
DESCRIPTION OF
Claims (1)
該排気浄化触媒は、排気浄化触媒に流入する炭化水素の濃度を予め定められた範囲内の振幅および予め定められた範囲内の周期でもって振動させると排気ガス中に含まれるNOXを還元する性質を有すると共に、炭化水素濃度の振動周期を該予め定められた範囲よりも長くすると排気ガス中に含まれるNOXの吸蔵量が増大する性質を有しており、
炭化水素供給弁に内燃機関の燃料を供給する燃料供給装置を備え、
燃料供給装置は、炭化水素供給弁に供給する燃料の圧力を調整可能に形成されており、
機関運転時に排気浄化触媒に流入する炭化水素の濃度変化の振幅が該予め定められた範囲内の振幅となるように炭化水素供給弁からの炭化水素の供給量が制御されると共に、排気浄化触媒に流入する炭化水素の濃度が予め定められた範囲内の周期でもって振動するように炭化水素供給弁からの炭化水素の供給間隔が制御される運転制御を実施するように形成されており、
前記運転制御を実施する場合に、燃料供給装置を駆動するための燃料消費量と、前記運転制御により炭化水素供給弁から噴射される燃料の燃料消費量との合計の燃料消費量に基づいて、炭化水素供給弁に供給する燃料の圧力を設定することを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。 A hydrocarbon supply valve for supplying hydrocarbons is arranged in the engine exhaust passage, and NO X contained in the exhaust gas reacts with the reformed hydrocarbon in the engine exhaust passage downstream of the hydrocarbon supply valve. An exhaust gas purification catalyst is disposed, a noble metal catalyst is supported on the exhaust gas flow surface of the exhaust gas purification catalyst, and a basic exhaust gas flow surface portion is formed around the noble metal catalyst,
The exhaust purification catalyst reduces NO X contained in the exhaust gas when the concentration of hydrocarbons flowing into the exhaust purification catalyst is vibrated with an amplitude within a predetermined range and a period within the predetermined range. And has the property of increasing the amount of NO x stored in the exhaust gas when the vibration period of the hydrocarbon concentration is longer than the predetermined range,
A fuel supply device for supplying fuel of the internal combustion engine to the hydrocarbon supply valve;
The fuel supply device is formed so that the pressure of the fuel supplied to the hydrocarbon supply valve can be adjusted,
The amount of hydrocarbons supplied from the hydrocarbon supply valve is controlled so that the amplitude of the change in the concentration of hydrocarbons flowing into the exhaust purification catalyst during engine operation becomes an amplitude within the predetermined range, and the exhaust purification catalyst Is configured to carry out operation control in which the hydrocarbon supply interval from the hydrocarbon supply valve is controlled so that the concentration of the hydrocarbon flowing into the cylinder vibrates with a period within a predetermined range.
When performing the operation control, based on the total fuel consumption of the fuel consumption for driving the fuel supply device and the fuel consumption of the fuel injected from the hydrocarbon supply valve by the operation control, An exhaust purification device for an internal combustion engine, characterized in that the pressure of fuel supplied to the hydrocarbon supply valve is set.
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