JP3633290B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関から排出される排気ガス中のNOxを浄化可能な内燃機関の排気浄化装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
酸素過剰の雰囲気で炭化水素(HC)の存在下でNOxを還元または分解する触媒、いわゆる選択還元型NOx触媒は、空燃比リーンの状態で燃焼させる内燃機関、例えば、ディーゼルエンジンやリーンバーンガソリンエンジンから排出される排気ガスのNOx浄化に多用されている。この選択還元型NOx触媒でNOxを浄化するためには触媒内に適量のHC成分が必要とされる。ところが、前記内燃機関の通常運転時の排気中のHC成分の量は極めて少なく、そのため、通常運転時にNOxを浄化するためには、選択還元型NOx触媒にHC成分を供給する必要がある。
【0003】
ところで、選択還元型NOx触媒にはNOx浄化作用を行うための適正な温度範囲(以下、NOx浄化温度範囲という)が存在し、触媒床温がNOx浄化温度範囲以下の時には適量のHCが触媒内に流入してもHCとNOxが反応せず十分な浄化作用が行われない。しかしながら、HCを軽質なHC(以下、軽質HCと称す)にすると比較的低温でもHCとNOxを反応させることができる。
【0004】
そこで、内燃機関の爆発行程後の膨張行程あるいは排気行程の時に、筒内に燃料を噴射(副噴射)し、燃料のHC成分を内燃機関の爆発時の熱によって軽質HCに改質し、これを排気ガスと共に選択還元型NOx触媒に供給する技術が開発されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
この副噴射によるHC供給方法では、副噴射された燃料のHC成分を最適に改質するために、排気ガス温が低くなるにしたがって副噴射時期を主噴射に近付ける必要があるが、このようにすると低排気ガス温時には、軽質HCが生成される反面、燃焼室内で燃焼してしまう燃料が多くなり、燃費が悪化するという問題がある。
【0006】
また、従来は副噴射時期を制御することでHCの改質を制御しているのであるが、この制御だけでは最適な軽質HCへの改質が難しく、その結果、選択還元型NOx触媒のNOx浄化温度範囲が狭くなって、NOx浄化率が低下するという問題も生じる。
【0007】
そこで、特開平10−61464号公報に開示されているように、選択還元型NOx触媒の上流に酸化触媒を設け、副噴射後の排気ガスを酸化触媒に通すことにより酸化触媒においてHC成分を軽質HCに改質し、これを選択還元型NOx触媒に供給するようにした技術が開発されている。
【0008】
しかしながら、この場合には、酸化触媒の選択が難しく、以下のような問題が生じる。排気ガス温は内燃機関の運転状態によって変化するが、前記酸化触媒に酸化能が強いものを採用した場合には、排気ガス温が高い時にHC成分が酸化触媒で燃焼焼失してしまい、その結果、選択還元型NOx触媒のNOx浄化率が低下し、一方、酸化触媒に酸化能が弱いものを採用した場合には、排気ガス温が低い時にHC成分が十分に改質されず、選択還元型NOx触媒でNOxとHCの反応性が低下し、やはりNOx浄化率が低下する。
【0009】
本発明はこのような従来の技術の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、選択還元型NOx触媒のNOx浄化率の向上と、燃費改善を図ることにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。本願の第1の発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、酸素過剰下で運転可能な多気筒
内燃機関の気筒毎の排気ガスが流れる複数の分岐排気通路と、この分岐排気通路の下流側で該分岐排気通路が集合する集合排気通路と、前記分岐排気通路の一つに設けられ、排気ガス中の炭化水素を酸化して改質する第1触媒と、前記分岐排気通路の他の一つに設けられ、前記第 1 触媒より弱い酸化能を有し排気ガス中の炭化水素を酸化して改質する第2触媒と、前記集合排気通路に設けられ酸素過剰の雰囲気で炭化水素の存在下でNOxを還元または分解する選択還元型NOx触媒と、前記第1触媒及び第2触媒を設けた分岐排気通路に対応する気筒内それぞれに膨張または排気行程で燃料を副噴射する第1及び第2副噴射手段と、排気ガスの温度が第1の所定温度範囲内にあるときは前記第1副噴射手段を作動させ、排気ガスの温度が前記第 1 の所定温度範囲よりも高い第2の温度範囲内にあるときは前記第2副噴射手段を作動させる副噴射作動切替手段と、を備えたことを特徴とする。
【0011】
この第1の発明に係る排気浄化装置では、排気ガスの温度に応じて、副噴射作動切替手段が第1及び第2副噴射手段の作動を切り換える。即ち、副噴射作動切替手段は、HCの改質を最良にするために、排気ガスの温度に応じて第1副噴射手段を作動させるか否か、第2副噴射手段を作動させるか否かを判断し、切り換える。第1副噴射手段が作動された場合には、副噴射された燃料は排気ガスとともに第1触媒に流れる。この第1触媒において、副噴射された燃料のHC成分は軽質HCに改質され、集合排気通路を流れて選択還元型NOx触媒に供給される。また、第2副噴射手段が作動された場合には、副噴射された燃料は排気ガスとともに第2触媒に流れる。この第2触媒において、副噴射された燃料のHC成分は軽質HCに改質され、集合排気通路を流れて選択還元型NOx触媒に供給される。ここで、第1触媒と第2触媒とでは酸化能が異なるため、選択還元型NO x 触媒でのNOx浄化に適した軽質HCに排気ガス中のHC成分を改質することが可能となる排気ガスの温度範囲が異なる。即ち、第2触媒は第1触媒よりも酸化能が弱いため、第2触媒においてHC成分をNOx浄化に適した軽質HCに改質することが可能となる排気ガスの温度範囲は第1触媒のそれよりも高くなる。そこで、本発明では、排気ガスの温度が第1の所定温度範囲内にあるときは第1副噴射手段を作動させ、排気ガスの温度が第 1 の所定温度範囲よりも高い第2の温度範囲内にあるときは第2副噴射手段を作動させる。第1の所定温度範囲とは、第1の触媒においてHC成分を選択還元型NO x 触媒でのNOx浄化に適した軽質HCに改質することが可能となる排気ガスの温度範囲であり、第2の所定温度範囲とは、第1の触媒においてHC成分をNOx浄化に適した軽質HCに改質することが可能となる排気ガスの温度範囲である。上記したように、第2の所定温度範囲は第1の所定温度範囲よりも高くなる。このような制御によって、排気ガスの温度に応じた触媒をHC成分の改質に使用することが出来、選択還元型NOx触媒のNOx浄化に最適な軽質HCが生成されることになる。
【0012】
この第1の発明に係る排気浄化装置においては、前記第1触媒及び第2触媒とも酸化能を異にする第3の触媒を別の分岐排気通路に設けてもよく、さらに別の分岐排気通路に第4の触媒を設けてもよい。その場合には、前記第3、第4の触媒を設けた分岐排気通路に対応する気筒に燃料を副噴射する副噴射手段を設け、これら副噴射手段の作動も前記副噴射作動切替手段によって切り換える。
【0013】
また、第1の発明に係る排気浄化装置において、前記副噴射作動切替手段は、内燃機関のクランクシャフトが2回転する間に、ただ一つの副噴射手段だけを作動させるようにすることも可能であるし、複数の副噴射手段を作動させるようにすることも可能である。
【0014】
本願の第2の発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、酸素過剰下で運転可能な多気筒内燃機関の気筒毎の排気ガスが流れる複数の分岐排気通路と、この分岐排気通路の下流側で該分岐排気通路が集合する集合排気通路と、前記複数ある分岐排気通路のうちの一部の分岐排気通路に設けられ、排気ガス中の炭化水素を酸化して改質する改質触媒と、前記集合排気通路に設けられ酸素過剰の雰囲気で炭化水素の存在下でNOxを還元または分解する選択還元型NOx触媒と、前記改質触媒を設けた分岐排気通路及び前記改質触媒を有しない分岐排気通路に対応する気筒内それぞれに膨張または排気行程で燃料を副噴射する複数の副噴射手段と、排気ガスの温度が第1の所定温度範囲内にあるときは、前記改質触媒を設けた分岐排気通路に対応する気筒内に燃料を副噴射する副噴射手段を作動させ、排気ガスの温度が前記第 1 の所定温度範囲よりも高い第2の温度範囲内にあるときは、前記改質触媒を有しない分岐排気通路に対応する気筒内に燃料を副噴射する副噴射手段を作動させる副噴射作動切替手段と、を備えたことを特徴とする。
【0015】
この第2の発明に係る排気浄化装置では、排気ガスの温度に応じて、副噴射作動切替手段が複数ある副噴射手段の作動を切り換える。即ち、副噴射作動切替手段は、HC改質を最良にするために、排気ガスの温度に応じていずれの副噴射手段を作動させるか否かを判断し、切り換える。排気ガス中の炭化水素を酸化して改質する改質触媒を設けた分岐排気通路に対応する気筒の副噴射手段が作動された場合には、当該気筒内に副噴射された燃料は排気ガスとともにこの改質触媒に流れる。この改質触媒において、副噴射された燃料のHC成分は軽質HCに改質され、集合排気通路を流れて選択還元型NOx触媒に供給される。また、改質触媒が設けられていない分岐排気通路に対応する気筒の副噴射手段が作動された場合には、当該気筒内に副噴射された燃料は気筒内の爆発行程時の熱により軽質HCに改質された後、あるいは改質されないまま分岐排気通路を流れ、集合排気通路を流れて選択還元型NOx触媒に供給される。このように、いずれの副噴射手段を作動させるかを切り替えることによって、副噴射された排気ガスを、改質触媒に通すか否か切り換えることになり、これにより、選択還元型NOx触媒のNOx浄化に最適な軽質HCが生成されることになる。尚、第2の発明では、第1の所定温度範囲とは、改質触媒においてHC成分をNOx浄化に適した軽質HCに改質することが可能な排気ガスの温度範囲であり、第2の所定温度範囲とは、改質触媒においてHC成分を改質する必要がないと判断される温度範囲である。
【0016】
前記第1及び第2の発明において、副噴射手段は気筒内に燃料を主噴射する燃料噴射手段と兼用することが可能であり、換言すれば、気筒内に燃料を主噴射する燃料噴射手段によって副噴射を行うことが可能である。
【0017】
前記第1及び第2の発明において、内燃機関としては、ディーゼルエンジンやリーンバーンガソリンエンジンを例示することができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の一実施の形態を図1から図3の図面に基いて説明する。尚、この実施の形態は、本発明に係る排気浄化装置を内燃機関としての車両用ディーゼルエンジンに適用した態様である。
【0019】
図1は内燃機関の排気浄化装置の全体構成を示す図である。エンジン1は6気筒ディーゼルエンジンであり、1番気筒(#1)から6番気筒(#6)の各気筒11,12,13,14,15,16の燃焼室には吸気管2、及び吸気管2から分岐された図示しない吸気枝管を介して新気が導入される。吸気管2の途中には、ターボチャージャ3のコンプレッサ4と、インタークーラ5と、吸気絞り弁6が設けられている。吸気絞り弁6は、エンジン1の運転状態に応じてエンジンコントロール用電子制御ユニット(ECU)100によって制御される。
【0020】
また、エンジン1には、コモンレール7の燃料を各気筒11〜16の燃焼室に噴射する燃料噴射弁21,22,23,24,25,26が設けられており、これら燃料噴射弁21〜26の開弁時期及び開弁時間は、エンジン1の運転状態に応じてECU100によって制御される。
【0021】
各気筒11〜16の燃焼室には、各気筒11〜16における圧縮上死点近傍において各燃料噴射弁21〜26から燃料が主噴射され、この燃料の爆発によって生じた排気ガスが各気筒11〜16に対応して設けられた排気枝管(分岐排気通路)31,32,33,34,35,36を介して排気マニホールド40に排出される。排気マニホールド40には、排気マニホールド40内の排気ガス温に対応した出力信号をECU100に出力するエキマニ温センサ41が取り付けられている。このエキマニ温センサ41で検出される排気ガス温は排気ポート温度に対応する。
【0022】
また、このエンジン1においては、4番(#4)気筒14と5番(#5)気筒15と6番(#6)気筒16で、膨張行程あるいは排気行程においてそれぞれの気筒に対応する燃料噴射弁24,25,26から燃料が副噴射されるようになっており、1番(#1)気筒11と2番(#2)気筒12と3番(#3)気筒13については副噴射は行われない。尚、4〜6番気筒14〜16のうちのいずれの気筒に対して副噴射が行われるかについてはエンジン1の運転状態に応じて決定され、これについては後で詳述する。尚、この実施の形態において、燃料噴射弁24,25,26は副噴射手段を兼用している。
【0023】
4番気筒14に対応する排気枝管34には、酸化能の強い低温型HC改質触媒44が設けられている。酸化能の強い低温型HC改質触媒44は、比較的に低温でも高沸点HCを軽質HCに改質することができる。5番気筒15に対応する排気枝管35には、酸化能の弱い高温型HC改質触媒45が設けられている。高温型HC改質触媒45は酸化能が弱いので、高沸点HCを軽質HCに改質するには、比較的に高温を必要とする。6番気筒16に対応する排気枝管36には、低温型HC改質触媒44よりは酸化能が弱く、高温型HC改質触媒45よりは酸化能が強い中温型HC改質触媒46が設けられている。この実施の形態では、これら低温型、高温型、中温型HC改質触媒44,45,46は酸化触媒で構成されている。
【0024】
尚、HC改質触媒は、選択還元型NOx触媒や吸蔵還元型NOx触媒で構成することも可能である。ここで、吸蔵還元型NOx触媒とは、例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムK、ナトリウムNa、リチウムLi、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と、白金Ptのような貴金属とが担持されて構成された触媒であり、この吸蔵還元型NOx触媒は、流入排気ガスの空燃比がリーンのときはNOxを吸収し、流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したNOxを放出する。
【0025】
排気マニホールド40に流入した排気ガスは、集合排気管(集合排気通路)42を介して大気に排出される。集合排気管42の途中には、ターボチャージャ3のタービン8と、触媒コンバータ9が設けられている。排気ガスはタービン8を駆動し、タービン8に連結されたコンプレッサ4を駆動して、吸気を過給する。
【0026】
触媒コンバータ9には、その上流側に高温型の選択還元型NOx触媒9aが収容され、下流側に低温型の選択還元型NOx触媒9bが収容されている。選択還元型NOx触媒は、酸素過剰の雰囲気で炭化水素の存在下でNOxを還元または分解する触媒であり、選択還元型NOx触媒には、ゼオライトにCu等の遷移金属をイオン交換して担持した触媒、ゼオライトまたはアルミナに貴金属を担持した触媒、等が含まれる。高温型の選択還元型NOx触媒9aとは、NOx浄化温度範囲が比較的に高温側にある選択還元型NOx触媒のことをいい、低温型の選択還元型NOx触媒9bとは、NOx浄化温度範囲が比較的に低温側にある選択還元型NOx触媒のことをいう。
【0027】
集合排気管42において触媒コンバータ9の入口近傍と出口近傍には、触媒コンバータ9に流入する排気ガスの温度あるいは触媒コンバータ9から流出する排気ガスの温度に対応した出力信号をECU100に出力する入ガス温センサ51と出ガス温センサ52が取り付けられている。これら入ガス温センサ51と出ガス温センサ52の出力信号に基づいて、ECU100は触媒コンバータ9の触媒床温を演算する。
【0028】
また、排気マニホールド40に流入した排気ガスの一部は、排気還流管60を介して吸気管2に再循環可能になっている。排気還流管60の途中には、EGRクーラ61とEGR弁62が設けられている。EGR弁62は、エンジン1の運転状態に応じてECU100によって開度制御され、排気還流量を制御する。
【0029】
ECU100はデジタルコンピュータからなり、双方向バスによって相互に接続されたROM(リードオンリメモリ)、RAM(ランダムアクセスメモリ)、CPU(セントラルプロセッサユニット)、入力ポート、出力ポートを具備し、エンジン1の燃料噴射量制御等の基本制御を行うほか、この実施の形態では、副噴射制御を行っている。
【0030】
これら制御のために、ECU100の入力ポートには、アクセル開度センサ71からの入力信号と、クランク角センサ72からの入力信号が入力される。アクセル開度センサ71はアクセル開度に比例した出力電圧をECU100に出力し、ECU100はアクセル開度センサ71の出力信号に基づいて機関負荷を演算する。クランク角センサ72はクランクシャフトが一定角度回転する毎に出力パルスをECU100に出力し、ECU100はこの出力パルスに基づいて機関回転速度を演算する。これらエンジン負荷とエンジン回転速度によってエンジン運転状態が判別される。
【0031】
この排気浄化装置では、エンジン1の通常運転時に選択還元型NOx触媒9a,9bによって排気ガス中のNOxを浄化するために、エンジン1の爆発行程後の膨張行程あるいは排気行程において気筒内に燃料を副噴射し、副噴射された燃料のHC成分を軽質HCに改質して選択還元型NOx触媒9a,9bに供給する。ここで、選択還元型NOx触媒9a,9bのNOx浄化温度範囲を拡大し、NOx浄化率を向上させるためには、常にNOx浄化に最適な軽質HCを選択還元型NOx触媒9a,9bに供給する必要がある。
【0032】
そこで、この排気浄化装置では、エンジン1の排気ガス温に応じて副噴射を実行する気筒を切り換えることにより、副噴射された燃料のHC成分をHC改質触媒44〜46で常にNOx浄化に最適な軽質HCに改質し、選択還元型NOx触媒9a,9bに供給するようにしている。
【0033】
即ち、この実施の形態では、排気ガス温が低い時には、4番気筒14の気筒内に燃料を副噴射し、副噴射された燃料を排気枝管34に設けられた低温型HC改質触媒44で軽質HCに改質し、排気ガス温が高い時には、5番気筒15の気筒内に燃料を副噴射し、副噴射された燃料を排気枝管35に設けられた高温型HC改質触媒45で軽質HCに改質し、排気ガス温が低くもなく高くもない時には4番気筒14あるいは5番気筒15のいずれか一方の気筒と6番気筒16に燃料を副噴射し、6番気筒16で副噴射された燃料を排気枝管36に設けられた中温型HC改質触媒46で軽質HCに改質すると共に、4番気筒14あるいは5番気筒15で副噴射された燃料を低温型HC改質触媒44あるいは高温型HC改質触媒45で軽質HCに改質して選択還元型NOx触媒9a,9bに供給する。
【0034】
次に、副噴射の気筒切り換え制御について、図2に従って説明する。図2の制御ルーチンは、ECU100のROMに格納されCPUに呼び出されて演算が実行され、一定時間毎に割り込まれる。
【0035】
まず、ECU100は、ステップ101において、入ガス温センサ51と出ガス温センサ52の入力信号から演算した触媒床温TcatがNOx浄化温度範囲か否かを判定する。ステップ101でNOx浄化温度範囲内であると判定されたときにはステップ102に進んで副噴射気筒決定処理を実行し、NOx浄化温度範囲から外れていると判定されたときには本制御ルーチンを終了する。
【0036】
ステップ102における副噴射気筒決定処理は、エキマニ温センサ41で検出される排気ガス温Texに基づいて行われる。
【0037】
排気ガス温Texが第1設定温度T1未満のときには、いずれの気筒に対しても副噴射を実行しないものと決定する。これは、排気ガス温Texが第1設定温度T1未満の場合には、副噴射した燃料をいずれのHC改質触媒44〜46に通しても、温度が低すぎてHC成分を軽質なHCに改質することができないからであり、改質されない高沸点HCを選択還元型NOx触媒9a,9bに供給すると、選択還元型NOx触媒9a,9bにHC被毒(SOF被毒)を生じさせる虞れがあるからである。
【0038】
排気ガス温Texが第1設定温度T1以上であって第2設定温度T2未満のときには、4番気筒14に対してのみ副噴射を実行するものと決定する。排気ガス温Texが第2設定温度T2以上であって第3設定温度T3未満のときには、4番気筒14と6番気筒16に対して副噴射を実行し、5番気筒15に対しては副噴射を実行しないものと決定する。排気ガス温Texが第3設定温度T3以上であって第4設定温度T4未満のときには、6番気筒16と5番気筒15に対して副噴射を実行し、4番気筒14に対しては副噴射を実行しないものと決定する。排気ガス温Texが第4設定温度T4以上であって第5設定温度T5未満のときには、5番気筒15に対してのみ副噴射を実行するものと決定する。
【0039】
排気ガス温Texが第5設定温度T5以上のときには、いずれの気筒に対しても副噴射を実行しないものと決定する。これは、排気ガス温Texが第5設定温度T5以上の場合には、副噴射した燃料をいずれのHC改質触媒44〜46に通しても、温度が高すぎて副噴射された燃料がHC改質触媒44〜46で燃焼してしまい、燃費を悪化させるだけとなるからである。
【0040】
ステップ102で副噴射を実行する気筒を決定した後、ステップ103に進んで、ECU100は、エンジン1の運転状態(エンジン回転速度、エンジン負荷等)に基づいて副噴射実行予定の気筒毎の副噴射時期及び副噴射量を演算する。
【0041】
次に、ステップ104に進み、ECU100は、ステップ102で決定した副噴射気筒に対し、ステップ103で決定した副噴射時期及び副噴射量での燃料の副噴射を実行する。即ち、該当する気筒の燃料噴射弁が前記副噴射時期に開弁せしめられ、前記副噴射量の燃料が気筒内に噴射される。
【0042】
しかして、前述したように、排気ガス温Texが第1設定温度T1以上であって第2設定温度T2未満のときには、4番気筒14に対してのみ副噴射が実行されるが、このとき、4番気筒14に副噴射された燃料は、排気枝管34に設けられた低温型HC改質触媒44を通過する。低温型HC改質触媒44は酸化能が強いので、排気ガス温Texが前記温度範囲にあっても燃料のHC成分をNOx浄化に最適な軽質HCに十分に改質することができる。低温型HC改質触媒44で改質された軽質HCは、排気マニホールド40、集合排気管42を通って触媒コンバータ9の選択還元型NOx触媒9a,9bに供給され、選択還元型NOx触媒9a,9bにおけるNOxの還元浄化に供される。
【0043】
また、排気ガス温Texが第2設定温度T2以上であって第3設定温度T3未満のときには、4番気筒14と6番気筒16に対して副噴射が実行され、5番気筒15に対しては副噴射は実行されないこととなるが、このときには、4番気筒14に副噴射された燃料は、排気枝管34に設けられた低温型HC改質触媒44を通過し、その際に燃料のHC成分が低温型HC改質触媒44によってNOx浄化に最適な軽質HCに改質され、一方、6番気筒16に副噴射された燃料は排気枝管36に設けられた中温型HC改質触媒46を通過し、その際に燃料のHC成分が中温型HC改質触媒46によってNOx浄化に最適な軽質HCに改質される。これら低温型及び中温型HC改質触媒44,46によって改質された軽質HCは、排気マニホールド40、集合排気管42を通って触媒コンバータ9の選択還元型NOx触媒9a,9bに供給され、選択還元型NOx触媒9a,9bにおけるNOxの還元浄化に供される。
【0044】
さらに、排気ガス温Texが第3設定温度T3以上であって第4設定温度T4未満のときには、6番気筒16と5番気筒15に対して副噴射が実行され、4番気筒14に対しては副噴射は実行されないこととなるが、このときには、6番気筒16に副噴射された燃料は、排気枝管36に設けられた中温型HC改質触媒46を通過し、その際に燃料のHC成分が中温型HC改質触媒46によってNOx浄化に最適な軽質HCに改質され、一方、5番気筒15に副噴射された燃料は排気枝管35に設けられた高温型HC改質触媒45を通過し、その際に燃料のHC成分が高温型HC改質触媒45によってNOx浄化に最適な軽質HCに改質される。これら中温型及び高温型HC改質触媒46,45によって改質された軽質HCは、排気マニホールド40、集合排気管42を通って触媒コンバータ9の選択還元型NOx触媒9a,9bに供給され、選択還元型NOx触媒9a,9bにおけるNOxの還元浄化に供される。
【0045】
また、排気ガス温Texが第4設定温度T4以上であって第5設定温度T5未満のときには、5番気筒15に対してのみ副噴射が実行されるが、このとき、5番気筒15に副噴射された燃料は、排気枝管35に設けられた高温型HC改質触媒45を通過する。高温型HC改質触媒44は酸化能が弱いので、排気ガス温Texが前記温度範囲にあっても燃料が燃焼焼失することはなく、燃料のHC成分をNOx浄化に最適な軽質HCに改質することができる。高温型HC改質触媒45で改質された軽質HCは、排気マニホールド40、集合排気管42を通って触媒コンバータ9の選択還元型NOx触媒9a,9bに供給され、選択還元型NOx触媒9a,9bにおけるNOxの還元浄化に供される。
【0046】
したがって、この実施の形態の排気浄化装置においては、排気ガス温Texが第1設定温度T1から第5設定温度T5の温度範囲に入っているときに、所定の気筒において副噴射が実行され、副噴射された燃料をHC改質触媒44〜46に通すことにより、燃料のHC成分を常にNOx浄化に最適な軽質HCに改質して、選択還元型NOx触媒9a,9bに供給することができる。その結果、触媒コンバータ9のNOx浄化温度範囲を拡大することができるとともに、NOx浄化率が向上する。特に低温側のNOx浄化温度範囲が拡大する。また、HC軽質化の改善によってNOx浄化率を向上させているので、選択還元型NOx触媒9a,9bの貴金属量を従来よりも低減することが可能になり、コストダウンを図ることができる。
【0047】
また、副噴射された燃料のHC成分が常にNOx浄化に最適な軽質HCに改質されるので、高沸点HCが触媒コンバータ9に供給されなくなり、その結果、選択還元型NOx触媒9a,9bがHC被毒(SOF被毒)されにくくなる。これは、排気ガス温Texの低温時に特に効果が大きい。
【0048】
排気ガス温Texの低温時においても、副噴射された燃料のHC成分が常にNOx浄化に最適な軽質HCに改質され、この軽質HCがNOxの還元浄化に供されるので、排気ガス低温時でのHC浄化率が向上する。
【0049】
さらに、HC軽質化の改善によってNOx浄化率を向上させているので、選択還元型NOx触媒9a,9bの酸化力を低く抑えることができ、したがって、選択還元型NOx触媒でサルフェートが生成されるのを抑制することができる。
【0050】
図3は、この実施の形態の排気浄化装置において、触媒コンバータ9の触媒床温Tcatと、NOx浄化率及び副噴射による燃費悪化との関係を示している。この図における触媒床温Tc1,Tc2,Tc3,Tc4,Tc5は、排気ガス温Texに係る前記第1〜第5の設定温度T1,T2,T3,T4,T5とそれぞれ対応関係にある。
【0051】
この図では、4番(#4)気筒14だけ副噴射を実行したときのNOx浄化率曲線と、6番(#6)気筒16だけ副噴射を実行したときのNOx浄化率曲線と、5番(#5)気筒15だけ副噴射を実行したときのNOx浄化率曲線が記載されているが、4番気筒14と6番気筒16に対して副噴射を実行した場合のNOx浄化率曲線は、触媒床温がTc2とTc3の間でNOx浄化率が最大となる曲線になるものと推定される。同様に、6番気筒16と5番気筒15に対して副噴射を実行した場合のNOx浄化率曲線は、触媒床温がTc3とTc4の間でNOx浄化率が最大となる曲線になるものと推定される。
【0052】
この図から明らかなように、触媒床温Tc1〜Tc5の全温度範囲において4番気筒14の副噴射だけで対応した場合(換言すれば、低温型HC改質触媒44だけで対応した場合)、NOx浄化率は低温側では高いが高温側では低くなり、また、触媒床温Tc1〜Tc5の全温度範囲において5番気筒15の副噴射だけで対応した場合(換言すれば、高温型HC改質触媒45だけで対応した場合)、NOx浄化率は高温側では高いが低温側では低くなる。しかしながら、この実施の形態の排気浄化装置では、排気ガス温Texの大きさに応じて副噴射を実行する気筒を切り換えているので、触媒床温Tc1〜Tc5の全温度範囲においてNOx浄化率を高く維持することができるのである。
【0053】
また、触媒床温Tc1〜Tc5の全温度範囲において6番気筒16の副噴射だけで対応した場合(換言すれば、中温型HC改質触媒46だけで対応した場合)の燃費曲線と、この実施の形態の排気浄化装置(即ち、排気ガス温Texの大きさに応じて副噴射を実行する気筒を切り換えた場合)における副噴射による燃費曲線とを比較すると、後者の方が前者の方より低温域において燃費悪化が低減されることが明らかである。これは、この実施の形態における排気浄化装置では、排気ガス温Texが低いほど、副噴射された燃料を酸化能の強いHC改質触媒に通して軽質HCに改質しているので、排気ガス温Texが低いときの副噴射時期を、6番気筒16の副噴射だけで対応した場合よりも遅らせることが可能になるからである。副噴射時期が遅れれば遅れるほど副噴射された燃料が燃焼焼失する量は減少する傾向にあり、したがって、燃費が向上することになる。
【0054】
上述した実施の形態では、5番気筒15に対応する排気枝管35に酸化能の弱い高温型HC改質触媒45を設けているが、排気枝管35にHC改質触媒を設けずに、前述の実施の形態と同様に5番気筒15の副噴射を実行するようにしてもよい。この場合、酸化能が限りなく零に近い高温型HC改質触媒を排気枝管35に設けたのと等価と考えることができる。この場合には、5番気筒15に副噴射された燃料は、爆発行程時の気筒内の熱によって軽質HCに改質されるか、あるいは改質されないまま触媒コンバータ9に供給されることになる。
【0055】
【発明の効果】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置よれば、排気ガスの温度に応じて副噴射作動切替手段が副噴射手段の作動を切り換え、これによって副噴射された燃料をHC改質触媒に通すか否か、あるいはいずれのHC改質触媒に通すかを選択するようにしているので、選択還元型NOx触媒には常にNOx浄化に最適な軽質HCが供給されるようになり、その結果、NOx浄化温度範囲が拡大し、NOx浄化率を向上せしめることができるとともに、燃費の向上を図ることができるという優れた効果が奏される。
【0056】
また、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、HC軽質化の改善によってNOx浄化率の向上を図っているので、選択還元型NOx触媒のHC被毒(SOF被毒)を抑制することができる。
【0057】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、排気ガス低温時でのHC浄化率を向上せしめることができ、また、サルフェートの生成を抑制することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の一実施の形態における概略構成を示すシステム図である。
【図2】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置における副噴射作動制御手順の一例を示すフローチャートである。
【図3】NOx浄化率曲線と燃費曲線の一例を示す図である。
【符号の説明】
1 ディーゼルエンジン(内燃機関)
9 触媒コンバータ
9a,9b 選択還元型NOx触媒
11〜16 気筒
24〜25 燃料噴射弁(副噴射手段)
34〜36 排気枝管(分岐排気通路)
42 集合排気管(集合排気通路)
44 低温型HC改質触媒(酸化能を有する触媒)
45 中温型HC改質触媒(酸化能を有する触媒)
46 高温型HC改質触媒(酸化能を有する触媒)
100 ECU(副噴射作動切替手段)
Claims (2)
- 酸素過剰下で運転可能な多気筒内燃機関の気筒毎の排気ガスが流れる複数の分岐排気通路と、この分岐排気通路の下流側で該分岐排気通路が集合する集合排気通路と、前記分岐排気通路の一つに設けられ、排気ガス中の炭化水素を酸化して改質する第1触媒と、前記分岐排気通路の他の一つに設けられ、前記第 1 触媒より弱い酸化能を有し排気ガス中の炭化水素を酸化して改質する第2触媒と、前記集合排気通路に設けられ酸素過剰の雰囲気で炭化水素の存在下でNOxを還元または分解する選択還元型NOx触媒と、前記第1触媒及び第2触媒を設けた分岐排気通路に対応する気筒内それぞれに膨張または排気行程で燃料を副噴射する第1及び第2副噴射手段と、排気ガスの温度が第1の所定温度範囲内にあるときは前記第1副噴射手段を作動させ、排気ガスの温度が前記第 1 の所定温度範囲よりも高い第2の温度範囲内にあるときは前記第2副噴射手段を作動させる副噴射作動切替手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
- 酸素過剰下で運転可能な多気筒内燃機関の気筒毎の排気ガスが流れる複数の分岐排気通路と、この分岐排気通路の下流側で該分岐排気通路が集合する集合排気通路と、前記複数ある分岐排気通路のうちの一部の分岐排気通路に設けられ、排気ガス中の炭化水素を酸化して改質する改質触媒と、前記集合排気通路に設けられ酸素過剰の雰囲気で炭化水素の存在下でNOxを還元または分解する選択還元型NOx触媒と、前記改質触媒を設けた分岐排気通路及び前記改質触媒を有しない分岐排気通路に対応する気筒内それぞれに膨張または排気行程で燃料を副噴射する複数の副噴射手段と、排気ガスの温度が第1の所定温度範囲内にあるときは、前記改質触媒を設けた分岐排気通路に対応する気筒内に燃料を副噴射する副噴射手段を作動させ、排気ガスの温度が前記第 1 の所定温度範囲よりも高い第2の温度範囲内にあるときは、前記改質触媒を有しない分岐排気通路に対応する気筒内に燃料を副噴射する副噴射手段を作動させる副噴射作動切替手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
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