JP3567531B2

JP3567531B2 - ＮＯｘ低減装置

Info

Publication number: JP3567531B2
Application number: JP11435595A
Authority: JP
Inventors: 欣久田代
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1995-05-12
Filing date: 1995-05-12
Publication date: 2004-09-22
Anticipated expiration: 2019-09-22
Also published as: JPH08312336A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ＮＯｘ低減装置に関し、更に詳細には、内燃機関の排気ガスのＮＯｘ還元触媒の経時変化による浄化率の変化が大きい触媒を使用した場合でも、適正なＮＯｘ浄化率を維持できるＮＯｘ低減装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関を作動させると有害なＮＯｘ（窒素酸化物）成分が生成するため、排気ガスを浄化する必要があり、浄化用触媒としてゼオライト系触媒が使用されていること、同触媒によってＮＯｘを浄化（還元）するには、排気ガス温度が活性化温度以上で、しかも還元剤として炭化水素（以下ＨＣと略記する）を排気ガスに混入する必要があり、ＨＣ源として内燃機関の燃料である軽油が使用されることは、例えば特開平４−２０９９２０号公報などによって知られている。
【０００３】
ところで前記触媒は、触媒の使用と共にＮＯｘ浄化率が低下（劣化）するなどの経時変化が進行する。そこで、例えば特開平４−２５５５２１号公報に提案された対策は、希薄燃焼エンジンにおいて、ＨＣの存在下にゼオライト系触媒によってＮＯｘを浄化する際に、触媒経時変化判断手段とＨＣ供給量増大手段とを設けるようにしたものである。
【０００４】
前記公報に記載された実際の触媒経時変化度検出手段は、走行距離、触媒入口・出口の温度差、触媒の下流側でＮＯｘ量を分析するなどであり、触媒を好ましい温度条件に保つために機関と触媒装置との間に、排気ガスの温度制御装置を配置している。
そしてＨＣ供給量の制御は、触媒入口と出口温度との温度差について、初期値と現在値との差Ｄ（触媒経時変化関数）を算出し、電子制御装置（ＥＣＵ）に記憶させた「触媒経時変化関数Ｄ−触媒経時変化度ＤＲマップ」、「触媒経時変化度ＤＲ−浄化率ピーク下限温度ＴＣ及び上限温度ＴＨマップ」、「触媒経時変化度ＤＲ−目標ＨＣ濃度ＨＴマップ」から、前記排気ガス温度制御装置及びＨＣ導入制御弁を制御し、触媒が経時変化するとＨＣ供給量を増量すると共に、触媒床温を高める制御をしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特開平４−２５５５２１号公報の第７図に記載されているように、触媒の経時変化による触媒浄化ピーク範囲温度の上昇の程度が小さく、しかも浄化率が経時変化と共に低下する触媒の場合には、触媒が経時変化するとＨＣ供給量を増量することに問題はないが、触媒の経時変化に伴って前記触媒浄化ピーク範囲全体が高温側に移行するような触媒を使用した場合には、供給ＨＣが未燃のまま排出される量が増大するので、前記公報に提案された方法を採用することはできない。
【０００６】
また触媒床温度を高めるために排気ガスの温度制御装置を取り付ける前記手段は、制御応答遅れ時間が大きく、且つ製造・保守コストが高くなるという問題がある。
本発明は、以上の問題点に着目してなされたものであり、ＮＯｘ還元触媒を備えた機関において、還元剤であるＨＣの供給を機関の運転状態に合わせて制御する際に、触媒の経時変化に応じＨＣ供給開始温度を変更し、触媒の浄化率特性の変化に関係なくＮＯｘ浄化率を適正に維持できるＮＯｘ低減装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以上の目的を達成するための本発明のＮＯｘ低減装置の構成は、酸化窒素還元触媒及び還元用炭化水素供給手段を備えた内燃機関のＮＯｘ低減装置であって、前記触媒の経時変化を検出する触媒経時変化検出手段を設け、該触媒経時変化検出手段を、還元用炭化水素供給量に依存する触媒使用初期時の触媒上昇温度よりも低い基準値を設定し、供給された還元用炭化水素に応じた実際の触媒上昇温度が前記基準値を下回った際に触媒の経時変化を検出し、触媒経時変化信号を出力するように構成すると共に、前記触媒経時変化信号が出力されると、機関運転状態に基づいて定める炭化水素供給量を設定したＨＣマップを変更するようにした炭化水素供給変更手段を設けたものである。
【０００８】
前記触媒経時変化検出手段は、触媒温度と排気ガスの触媒入口温度との差が、予め定めた基準値以下となると触媒経時変化信号を出力するように形成することができる。また前記炭化水素供給変更手段は、機関運転状態に基づいて定める炭化水素供給を、触媒の経時変化程度に応じて設定したマップを予め形成し、前記触媒経時変化信号が出力されると該マップを対応する経時変化段階のマップに変更するように形成することができる。
【０００９】
前記マップは、少なくとも新規又は再生触媒を使用初期に使用する初期マップと、触媒が経時変化したときに使用する経時変化マップとが必要であるが、経時変化マップは経時変化に応じ複数用意することができるが、実用化できる触媒であれば通常は２〜３種類で十分である。
前記ＮＯｘ低減装置に使用し得る触媒は特に限定はなく、公知の触媒、例えばゼオライト系触媒、アルミナ系触媒、その他ＨＣを還元剤として使用するＮＯｘ還元触媒のいずれも使用することができる。
【００１０】
本発明を適用できる内燃機関は、ディーゼルエンジンの外、ガソリンリーンバーン用にも適用できる。
上記ＮＯｘ還元触媒の触媒温度に対するＮＯｘ及びＨＣの浄化率は、図１に実線で示すとおり、使用初期においては、触媒温度Ｔが反応開始温度Ｔｉに達すると、ＮＯｘ及びＨＣの還元・酸化反応が起こり、触媒温度Ｔの上昇と共に浄化率が上昇する。そしてＨＣ浄化率は、最大値に達した後は、触媒温度が上昇しても変化はないが、ＮＯｘ浄化率は、最大値に達した後は触媒温度の上昇と共に低下し、触媒温度Ｔが（Ｔｉ＋ｔ）に達すると浄化率がゼロとなる曲線（以下浄化率曲線という）を描く。
【００１１】
この関係を機関負荷と回転速度との関係で表すと図２が得られる。触媒温度Ｔが初期反応開始温度Ｔｉ以下の領域、即ち図２にハッチで示した領域は、ＨＣを排気ガスに噴射しても、ＮＯｘ還元反応も、またＨＣの酸化反応も共に進行しない。そして、前記初期反応開始温度Ｔｉ曲線より上の領域では、それぞれの運転状態に応じて最適のＨＣ供給量を設定することができる。以上の関係を図４に纏めたものを以下ＨＣマップという。
【００１２】
そして、触媒の経時変化が進行すると、図１に破線で示すように反応開始温度Ｔｉは最終的にＴｉ＋Ｔａまで上昇し、図２のＴｉ曲線もＴｉ＋Ｔａ曲線へ移行する。即ち、ＨＣを供給してもＮＯｘ，ＨＣの還元・酸化反応が起こらない領域が増大する。
そこで、触媒の経時変化の進行度合いに応じて、図４に示すＨＣマップを、初期反応開始温度Ｔｉから触媒交換時期の反応開始温度Ｔｉ＋Ｔａまでの間に複数種類作成することにより、触媒使用開始から交換するまでの全期間にわたって、Ｎ０ｘ浄化曲線の経時変化パターンのいかんを問わず、最適なＨＣ供給量を制御することができる。
【００１３】
またＮＯｘ還元触媒を使用した場合のＮＯｘ及びＨＣの還元・酸化反応は、
【００１４】
【化１】

で示され、このときの反応熱によって触媒温度は排気温度よりも上昇するのであるが、この上昇温度ΔＴは、還元用ＨＣの供給量及び触媒の活性状態（ＨＣの浄化率）に依存し、
上昇温度ΔＴ∽ＨＣ供給量×ＨＣ浄化率
と表され、図３に示すグラフが得られる。
【００１５】
ここで、触媒使用初期には、ＨＣ浄化率は一義的に決まっているので、一定量のＨＣを供給すれば、上昇温度ΔＴもある決まった値（図３の理論値）を取る。ところが、触媒の経時変化に伴って触媒の浄化率が変化すると、同量のＨＣを供給しても上昇温度ΔＴは理論値に満たなくなる。この性質を利用して、理論値よりも低い基準値ΔＴｂａｓｅを設定し、上昇温度ΔＴが基準値Δｂａｓｅを下回った際に触媒の経時変化が進行したことを検出することができる。なお、基準値ΔＴｂａｓｅは、触媒の経時変化の進行度合いをどの程度まで許容するかによって、任意に設定すればよい。
【００１６】
【作用】
以上詳述したように、前記炭化水素供給手段が機関運転状態に基づき決定する炭化水素の量を、前記触媒経時変化検出手段の検出信号によって変更する前記手段は、触媒の経時変化特性のいかんに係わらず、触媒の経時変化に対応した適正なＨＣ供給を行うことがてきるので、ＮＯｘ浄化率を所定の水準に維持することが可能となる。
【００１７】
触媒の経時変化判定を、排気ガスの触媒入口温度と触媒温度との差により判定する前記手段は、触媒反応の進行、即ち触媒の性能を直接監視するため、迅速且つ正確に触媒の経時変化を検出することを可能にする。
また機関運転状態から炭化水素供量を決定するマップを触媒の経時変化程度ごとに作成する前記炭化水素供給変更手段は、制御時の演算を単純化することができ、制御の応答性を高めることができる。
【００１８】
【実施例】
以下添付の図面を参照し、一実施例により本発明を具体的に説明する。
図５に示した本実施例は、ディーゼルエンジン（以下単に内燃機関という）１の排気マニホルド２に接続した排気管３にＮＯｘ還元触媒を充填した触媒装置４と、その下流にサイレンサー５を接続し、浄化・消音した排気ガスを大気に放出し、触媒装置４の排気管３上流側に軽油を噴射するインジェクター６を取り付けた。
【００１９】
そして前記インジェクター６の制御は、内燃機関１を制御するＥＣＵ（電子制御装置）７に行わせ、そのため、負荷センサ１０及び回転速度センサ１１を燃料噴射ポンプ１２に取り付け、カムシャフト駆動ギヤ１３に、クランク角を検出する回転センサ１４を取り付け、前記各センサ１０，１１、１４の出力する検出信号を前記ＥＣＵ７に与えるようにした。
【００２０】
また触媒の経時変化を検出するセンサとしては、触媒装置４の排気ガス入口側の排気管３に排気温度センサ８を取り付け、また触媒装置４内部に臨むように触媒温度センサ９を取り付け、それぞれの検出信号をＥＣＵ７に入力した。
以上のように構成した本実施例のＮＯｘ低減装置の動作を図６に示したフローチャートによって説明する。図６は、内燃機関１の燃料である軽油を排気管３内に噴射するインジェクター６を制御するＨＣ供給ルーチンと、使用するＨＣマップを選定する触媒経時変化検出ルーチンとからなり、いずれも、所定時間間隔で内燃機関１の諸制御に割り込み、実行するものである。
【００２１】
ＨＣ供給ルーチンがスタートすると、ステップＭ１において、機関負荷Ｑと機関回転速度Ｎとを読み込み、ステップＭ２において、ＨＣマップの選定されたマップから軽油供給量（ＨＣ供給量）Ｇを読み込む。
前記ＨＣマップは、新規又は再生触媒の使用を開始した初期状態では、触媒反応開始温度がＴｉに相当する初期マップを選定し、その後、触媒が経時変化し、触媒反応開始温度が（Ｔｉ＋Ｔａ_１）となると経時変化マップ１を選定し、更に触媒が経時変化し、触媒反応開始温度が（Ｔｉ＋Ｔａ_２）となると経時変化マップ２を選定するように設定し、触媒反応開始課温度Ｔｉの上昇に対応してＨＣ供給開始温度を変更できるようにした。
【００２２】
次いでステップＭ３において、指定された噴射時間（ＨＣ供給量）で軽油を噴射するようにインジェクター６を制御してリターンする。
そして、前記ＨＣマップの選定を行う触媒経時変化検出ルーチンがスタートすると、ステップＳ１において、排気温度センサ８及び触媒温度センサ９の出力する触媒装置４の入口排気温度Ｔ_ＩＮと触媒温度Ｔ_ＣＡＴとを読み込み、ステップＳ２において温度差ΔＴ＝Ｔ_ＣＡＴ−Ｔ_ＩＮを算出し、ステップＳ３において、ΔＴが基準温度差ΔＴｂａｓｅより小さいか否か、即ち触媒が経時変化したか否かが判別される。
【００２３】
前記ステップ３において、否定的結果が得られると、再びステップＳ１が実行され、肯定的結果が得られるとステップＳ４に移行し、使用するＨＣマップを経時変化マップ１にする指定を行い、再びステップＳ１を実行する。
そして触媒経時変化検出ルーチンの実行過程で、ステップ３において触媒が経時変化したことが再度判別されると、使用するＨＣマップを経時変化マップ２にする変更する制御が行われる。
【００２４】
以上のとおり、直接触媒装置４の入口排気温度Ｔ_ＩＮ及び触媒温度Ｔ_ＣＡＴを検出して触媒の経時変化度を判定し、ＨＣ供給量を触媒の経時変化に対応するＨＣマップから制御目標値を読み込むようにしたので、触媒の経時変化特性のいかんにかかわらず、制御動作を確実且つ迅速に行わせることができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のＮＯｘ低減装置は、次の効果を得ることができる。前記炭化水素供給手段が炭化水素の供給を開始する触媒の基準温度を、前記触媒経時変化検出手段の検出信号によって変更するようにした手段は、触媒の経時変化特性のいかんに係わらず、ＨＣ供給開始温度を触媒反応開始温度の上昇に伴って変更するようにし、効果的にＮＯｘ浄化率を維持することができる。
【００２６】
また、触媒の経時変化判定を、触媒温度と、排気ガスの触媒入口温度との差により判定し、且つ機関運転状態から炭化水素供給量を決定するマップを触媒の経時変化程度ごとに作成する手段は、触媒反応の進行、即ち触媒の性能を直接監視し、且つ、制御時の演算を単純化することができるので、制御の応答性を高めることができ、ＨＣ供給の制御を、触媒の経時変化に迅速・確実に対応した制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＮＯｘ還元触媒の触媒温度とＮＯ_ｘ還元率及びＨＣ酸化率との関係を示したグラフ図である。
【図２】図１に示した経時変化特性を有する触媒を使用した場合について、機関負荷−機関回転速度座標における、触媒が反応しないためＨＣ供給を停止すべき領域と、触媒の経時変化による領域の変化との関係を示したグラフ図である。
【図３】ＨＣの酸化反応による触媒の温度上昇と、触媒の経時変化判定との関係を示したグラフ図である。
【図４】ＨＣマップの説明図である。
【図５】本発明の実施例によるＮＯ_ｘ低減装置の装置構成図である。
【図６】図５に示したＮＯ_ｘ低減装置の制御動作の一例を示すフローチャート図である。
【符号の説明】
１内燃機関（ディーゼルエンジン）２排気マニホルド
３排気管４触媒装置
５サイレンサー６インジェクター
７ＥＣＵ（電子制御装置）８排気温度センサ
９触媒温度センサ１０負荷センサ
１１回転速度センサ１２燃料噴射ポンプ
１３カムシャフト駆動ギヤ１４クランク角回転センサ

Claims

酸化窒素還元触媒及び還元用炭化水素供給手段を備えた内燃機関のＮＯｘ低減装置であって、前記触媒の経時変化を検出する触媒経時変化検出手段を設け、該触媒経時変化検出手段を、還元用炭化水素供給量に依存する触媒使用初期時の触媒上昇温度よりも低い基準値を設定し、供給された還元用炭化水素に応じた実際の触媒上昇温度が前記基準値を下回った際に触媒の経時変化を検出し、触媒経時変化信号を出力するように構成すると共に、前記触媒経時変化信号が出力されると、機関運転状態に基づいて定める炭化水素供給量を設定したＨＣマップを変更するようにした炭化水素供給変更手段を設けたＮＯｘ低減装置。