JP3663663B2 - 内燃機関の窒素酸化物浄化装置 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は,内燃機関の排気中に含まれるNOx を除去する窒素酸化物浄化装置に関する。
【0002】
【従来技術】
自動車のエンジン等の排気通路には,排気ガス中の有害成分を浄化する排気浄化装置が設けられている。そして,上記有害成分の中でも特に環境に影響を与える一酸化炭素(CO),炭化水素(HC)及び窒素酸化物(NOx )の三成分について,優れた浄化特性を発揮する三元触媒が上記浄化装置に用いられている。しかしながら,理論空燃比(空気/燃料=14.7)よりも酸素過剰(リーン)状態で燃焼が行われるディーゼル機関においては,排気ガスの組成も燃焼時における上記空燃比を反映して酸素過剰状態となり,上記三元触媒では窒素酸化物(NOx )が効果的に除去できないという問題があった。そのため,リーン雰囲気においても優れたNOx 浄化特性を示す金属担持ゼオライトなどを用いた窒素酸化物浄化装置が用いられている。
【0003】
そして,最近の研究によれば,この種の窒素酸化物浄化触媒にHC成分(例えば燃料成分)を添加すれば窒素酸化物の浄化率が向上することが明らかにされている。
そのため,排気管の途中に触媒を配設し,その触媒の上流において,たとえば軽油などの還元剤を排気管内に供給し,還元剤と排気ガスを混合して,触媒上でNOx を還元浄化するという方法が提案されている。
【0004】
しかし,この方法では還元剤が高沸点分子であり反応性が低いため,NOx の還元浄化効率が低いという問題がある。さらに,構成が複雑となるため装置が大型化するという問題もある。
そこで,特開平5−156993号公報では,フィードポンプで供給する燃料をシリンダ室に噴射させるフューエルインジェクタの燃料噴射時期を,電磁弁を用いて制御する方法が提案されている。
【0005】
すなわち,機関出力発生のための主燃料の噴射後に,主燃料噴射量の0.3〜3%に相当する極微量の燃料を,膨張行程中の温度が低下したシリンダ室内に後噴射して,燃焼させることなく熱分解して反応性が高い炭化水素を生成させ,排気ガスにその炭化水素を混合して,排気ガスに含まれるNOx を触媒上で還元浄化するという方法である。
【0006】
また,特開平6−159041号公報では,上記において排気温度が変化した場合,後噴射時期を変えて,触媒に還元剤として供給する燃料の分解度合が排気温度によらず一定となるよう制御する方法が提案されている。
すなわち,排気温度が低い場合は,通常より後噴射時期を早めて,シリンダ内温度が高いうちに後噴射をし,逆に排気温度が高い場合には,通常より後噴射時期を遅らせて,シリンダ内温度が低下したところへ後噴射する。そして,これによって噴射された燃料が触媒に到達するまでに排気ガスから受ける熱量を一定にして,運転状態によらず常に燃料の分解度合い(還元剤として用いる炭化水素の炭素数)を一定にしようとしている。
【0007】
【解決しようとする課題】
しかしながら,上記特開平5−156993号公報の浄化装置では極微量の後噴射量を所定のタイミングに精度よく制御するために,極めて高速応答の電磁弁が必要となり,そのためコストが上昇し,かつ装置の大形化を招くという問題がある。さらに噴射ノズルが1サイクルで2回着座するため,ノズルシート部の劣化が著しいという問題もある。
また,この方法では,排気高温時には後噴射した燃料の大部分が高温の燃焼室壁面や排気ガスからの熱を受けて燃焼し,触媒に到達する未燃成分が不足してNOx 還元浄化効率が低下してしまうという問題がある。
【0008】
一方,上記特開平6−159041号公報の浄化装置は,排気ガスの温度に応じて後噴射のタイミングを変化させ,燃料の分解度をほぼ均一にする。
しかしながら,後述する図8に示すように,触媒によりNOx を還元するために最適な燃料(HC)の分解度合(炭素数)は排気温度によって異なるため,この方法ではすべての排気温度において,最もNOx の還元浄化効率が高くなるような還元剤(炭化水素)を触媒に供給することができないという問題があり,浄化効率が充分であるとは言えない。
【0009】
そして,この浄化率の低下は排気温度が刻々と変化する車両の加・減速時に,より顕著となる。
本発明は,かかる従来の問題点に鑑みてなされたものであり,簡素な構成で耐久性に優れまた浄化効率の良好な内燃機関の窒素酸化物浄化装置を提供しようとするものである。
【0010】
【課題の解決手段】
本願の第1発明は,気筒毎に設けられた燃料噴射手段と,窒素酸化物を還元浄化する,排気通路に配設された触媒装置と,上記燃料噴射手段を作動させる燃料噴射制御手段とを有する内燃機関の窒素酸化物浄化装置であって,
上記燃料噴射制御手段は,機関出力発生のための圧縮上死点近傍での主燃料噴射指令と,上記触媒装置に炭化水素を供給するための,膨張行程又は排気行程での後噴射指令とを上記燃料噴射手段に対して発し,上記後噴射指令は,上記主燃料噴射指令の回数よりも少ない回数だけ発せられ,
かつ該後噴射指令は,少なくとも1サイクル以上を含む限られた時間内においては,一部分の気筒に対してのみ発せられることを特徴とする内燃機関の窒素酸化物浄化装置にある(請求項1)。
また,第2発明は,気筒毎に設けられた燃料噴射手段と,窒素酸化物を還元浄化する,排気通路に配設された触媒装置と,上記燃料噴射手段を作動させる燃料噴射制御手段とを有する内燃機関の窒素酸化物浄化装置であって,
上記燃料噴射制御手段は,機関出力発生のための圧縮上死点近傍での主燃料噴射指令と,上記触媒装置に炭化水素を供給するための,膨張行程又は排気行程での後噴射指令とを上記燃料噴射手段に対して発し,上記後噴射指令は,上記主燃料噴射指令の回数よりも少ない回数だけ発せられ,
かつ,該後噴射指令は,複数のサイクルに対して1回の割合で発せられることを特徴とする窒素酸化物浄化装置にある(請求項2)。
【0011】
上記両発明において最も注目すべきことは,後噴射指令の回数を主燃料噴射指令の回数よりも少なくしたことである。
後噴射指令の回数を少なくする方法には,例えば,一部分の気筒に対してのみ後噴射指令を発するという方法があり,また複数のサイクルに対して1回の割合で後噴射指令を発するという方法がある。そして,更に上記2例の方法においては,特定の気筒にだけ後噴射を行わせるという方法もあるが,燃料噴射手段の耐久性と寿命をほぼ等しくするという観点から,各気筒に対して後噴射を順次切替えて実施させるという方法が好ましい。
また,後噴射を行なわない気筒分の後噴射量を,後噴射を行なう気筒にて噴射することにより,上記後噴射指令は上記主燃料噴射の回数よりも少ない回数だけ発せられることもある。
【0012】
また,第1参考発明として,気筒毎に設けられた燃料噴射手段と,窒素酸化物を還元浄化する,排気通路中に配設された触媒装置と,上記燃料噴射手段を作動させる燃料噴射制御手段とを有する内燃機関の窒素酸化物浄化装置であって,
上記燃料噴射制御手段は,排気ガス又は触媒装置の温度を検出する温度検出手段と,この温度検出手段の出力を受けて燃料噴射時期を補正変更する燃料噴射時期補正手段と,この燃料噴射時期補正手段の出力を受ける噴射指令手段とを有しており,
上記燃料噴射制御手段は,機関出力発生のための圧縮上死点近傍での主燃料噴射指令と,上記触媒装置に炭化水素を供給するための,膨張行程又は排気行程における後噴射指令とを上記燃料噴射手段に対して発し,
上記後噴射指令は,排気ガス又は触媒装置の温度が高いほど,主燃料噴射指令に対してより遅いタイミングで発せられることを特徴とする窒素酸化物浄化装置がある。
【0013】
第1参考発明において最も注目すべきことは,排気ガス又は触媒装置の温度が高いほど,後噴射指令が主燃料噴射指令に対してより遅いタイミングで発せられることである。
後噴射の遅らせるタイミングは,そのときの排気ガス又は触媒装置の温度において窒素酸化物の浄化効率を最大とする炭素数の炭化水素が,後噴射の燃料分解によって得られるようにするタイミングである。
【0014】
次に,第2参考発明として,気筒毎に設けられた燃料噴射手段と,窒素酸化物を還元浄化する,排気通路中に配設された触媒装置と,上記燃料噴射手段を作動させる燃料噴射制御手段とを有する内燃機関の窒素酸化物浄化装置であって,
上記燃料噴射制御手段は,排気ガス又は触媒装置の温度を検出する温度検出手段と,この温度検出手段の出力と設定値とを比較する比較演算手段と,この比較演算手段の出力を受けて燃料噴射時期を補正変更する燃料噴射時期補正手段と,この燃料噴射時期補正手段の出力を受ける噴射指令手段とを有しており,
上記燃料噴射制御手段は,機関出力発生のための圧縮上死点近傍の主燃料噴射指令と,上記触媒装置に炭化水素を供給するための,膨張行程又は排気行程における後噴射指令とを上記燃料噴射手段に対して発し,
排気ガス又は触媒装置の温度が触媒における吸着反応が生じ易い上記設定値より低い温度となった場合には,上記後噴射指令の発せられるタイミングは,その時の状態において触媒効率を良好にする所定のタイミングを中心にして,一定の範囲内において前後両方向に順次切換えて変更,揺動せしめられることを特徴とする窒素酸化物浄化装置がある。
【0015】
第2参考発明において最も注目すべきことは,排気ガス又は触媒装置の温度が触媒の吸着反応が活発となる低めの温度となったときは,後噴射指令の発せられるタイミングが,その時の状態において触媒効率を良好にする所定のタイミングを中心にして一定の範囲内において早めたり遅らせたりすることである。
【0016】
更に,第3参考発明として,気筒毎に設けられた燃料噴射手段と,窒素酸化物を還元浄化する,排気通路中に配設された触媒装置と,上記燃料噴射手段を作動させる燃料噴射制御手段とを有する内燃機関の窒素酸化物浄化装置であって,
上記燃料噴射制御手段は,排気ガス又は触媒装置の温度を検出する温度検出手段と,この温度検出手段の出力と設定値とを比較する比較演算手段と,この比較演算手段の出力を受けて燃料噴射時期を補正変更する燃料噴射時期補正手段と,この燃料噴射時期補正手段の出力を受ける噴射指令手段とを有しており,
上記燃料噴射制御手段は,機関出力発生のための圧縮上死点近傍の主燃料噴射指令と,上記触媒装置に炭化水素を供給するための,膨張行程又は排気行程における後噴射指令とを上記燃料噴射手段に対して発し,
排気ガス又は触媒装置の温度が触媒における吸着反応が生じ易い上記設定値より低い温度となった場合には,上記後噴射指令の発せられるタイミングは,その時の状態において触媒効率を良好にする所定のタイミングよりも遅らせて発せられ,その遅らせる時間はゼロから一定の値の範囲内で順次切換えて変更,揺動せしめられることを特徴とする窒素酸化物浄化装置がある。
【0017】
第3参考発明において最も注目すべきとことは,排気ガス又は触媒装置の温度が触媒の吸着反応が活発となる低めの温度となった場合に,後噴射指令の発せられるタイミングがその時の状態において触媒効率を良好にする所定のタイミングよりも遅らせて発せられることであり,そのタイミングを遅らせる時間は,ゼロから一定の値の範囲内において順次切換えて変更,揺動せしめることである。
【0018】
なお,第1発明,第2発明の浄化装置において提示された後噴射指令を発する方法は,上記第1参考発明〜第3参考発明のいずれにおいても用いることが可能であり,それぞれの効果を合わせ持って相乗的に効果を発揮させることができる。
【0019】
【作用及び効果】
第1発明にかかる窒素酸化物浄化装置においては,後噴射指令の発せられる回数は主燃料噴射指令の回数よりも少ない。そのため,後噴射において1回当たりに噴射される燃料の量は前記従来装置よりまとまった量となり,従来よりも多量となる(図10と図2〜図4を比較参照)。なぜならば,従来は後噴射も主燃料噴射と同じ回数だけ発せられているから後噴射の回数が本発明の装置よりも多くなるからである。
【0020】
そのため,本発明では燃料噴射手段の動作性能(弁の応答速度やミニマム操作量など)が低くてよいこととなり,安価で小形化することが可能となる。例えば,弁の操作力として電磁力を用いた場合に,弁の応答速度を早めようとすると,コイルのアンペアターン数が大きくなり,コイルが大きくなり大形化する。
それ故,本発明では燃料噴射手段が小形かつ安価となる。
【0021】
また,後噴射指令の回数を少なくすることは,制御回路等が簡素になることがあっても複雑になることがない。例えば,後噴射指令を特定の気筒に対してのみ発せられるようにすれば,燃料噴射手段に対する制御,指令回路が簡素になることは明らかである。
【0022】
また,後噴射の回数が少なくなるから,燃料噴射手段の寿命が長くなるという利点がある。そして,燃料噴射ノズルの動作(着座)回数が減少し,ノズルシート部の耐久性が大幅に向上する。
逆に,同じ性能の燃料噴射手段及び燃料噴射制御手段を用いた場合には,1回に操作する燃料噴射量が大きいから,制御の精度が向上し,浄化効率も良好となる。
上記のように,第1発明によれば,簡素な構成で耐久性に優れ浄化効率が良好な窒素酸化物浄化装置を提供することができる。
これらのことは,第2発明においても同様である。
【0023】
第1参考発明にかかる窒素酸化物浄化装置においては,排気ガス又は触媒装置の温度が高いほど後噴射指令のタイミングを遅らせる。
一方,後噴射された燃料から熱分解によって得られる炭化水素の炭素数は,図9に示すように,温度,即ち後噴射の時期によって変化する。それ故,第2発明の窒素酸化物浄化装置では,排気ガスが高いほど後噴射によって得られる炭化水素の炭素数が大きくなる。
一方,窒素酸化物の浄化効率を最大にする炭化水素の炭素数は,図8に示すように,触媒の温度によって変化し,触媒の温度が高いほど最大効率を示す炭素数が大きくなる(図8参照)。図8において,実線Bは炭素数の大きいHC還元剤の効果を示し,破線Aは炭素数の少ないHC還元剤の効果を示す。
【0024】
そして,上記のように第1参考発明の浄化装置は,触媒(排気ガス)の温度に合わせて炭素数を増減させるから,触媒(排気ガス)の温度変化に対応してHCの炭素数を変化させ窒素酸化物の浄化効率を常に高めに保持することが可能である。例えば,触媒温度が図8のT2 からT1
に変化した場合には,実線の特性を示す炭化水素から破線の特性を示す炭化水素に炭素数を変化させる。
上記のように,第1参考発明によれば,排気ガスの変化にかかわらず浄化効率を高めに保持することのできる窒素酸化物浄化装置を提供することができる。
【0025】
次に,第2参考発明にかかる窒素酸化物浄化装置においては,触媒の吸着反応を生じ易い低めの温度のとき,後噴射の発せられるタイミングを浄化効率の高い所定のタイミングを中心にして前後両方向に揺動させる。
そして,前記のように後噴射のタイミングを変化させると,図9に示すように,噴射された燃料から生ずる炭化水素の炭素数が変化するから,後噴射から得られる炭素数は満遍なく広い範囲に分布する。そして,多くの炭素数を含むそれらの炭化水素は,触媒(排気ガス)温度が低いため触媒装置に良好に吸着される。
【0026】
そして,触媒装置に吸着された炭素数が広く分布した炭化水素は,その後に順次脱離して窒素酸化物の浄化作用に寄与するようになる。
それ故,刻々と変化する排気ガスや触媒の温度に対して,それぞれの温度において触媒によって窒素酸化物を浄化するのに適した炭化水素を供給することができ,窒素酸化物浄化効率を高めることが可能となる。
上記のように,第2参考発明によれば排気ガスや触媒の温度変化にかかわらず,浄化効率を高めに保持することのできる窒素酸化物浄化装置を提供することができる。
【0027】
一方,第3参考発明にかかる窒素酸化物浄化装置においては,後噴射のタイミングを前記所定のタイミングよりも遅らせる方向で揺動変化させる。
本発明では,後噴射のタイミングを遅らせるから発生する炭化水素の炭素数は,図9から分かるように第2参考発明の浄化装置に比べて大きめの値に多く分布する。
一方,大きめの炭素数の炭化水素は,小さい炭素数の炭化水素に比べて相対的に触媒装置に吸着され易く,また高温になるまで脱離されにくいという特徴がある。
従って,この浄化装置は,第2参考発明に比べると特に排気ガスが高温であるときの窒素酸化物の浄化効率が良好であるという特色がある。
【0028】
そして,低めの温度で炭化水素を吸着させることにより,第2参考発明と同様に,低温域ばかりでなく高温域における浄化効率を高めることができる。
上記のように,第3参考発明によれば,排気ガス(触媒)の温度変化にもかかわらず浄化効率を高めに保持することのできる窒素酸化物浄化装置を提供することができる。
【0029】
【実施例】
実施例1
第1発明の実施例にかかるディーゼルエンジンの窒素酸化物浄化装置について,図1,図2を用いて説明する。
本例は,図1に示すように,気筒毎に設けられた燃料噴射手段としてのフューエルインジェクタ11及び電磁弁12と,窒素酸化物を還元浄化する,排気通路45中に配設された触媒装置15と,上記燃料噴射手段を作動させる燃料噴射制御手段30とを有するディーゼルエンジン40の窒素酸化物浄化装置1である。燃料噴射制御手段30は,排気ガス80の温度を検出する温度センサ32と,温度センサ32の出力を受ける燃料噴射指令手段としての電子制御装置(ECU)31とを有する。
【0030】
ECU31は,圧縮上死点近傍で発せられる機関出力発生のための主燃料噴射指令と,膨張行程又は排気行程で発せられる触媒装置15に炭化水素を供給するための後噴射指令とを燃料噴射手段の電磁弁12に対して発する。
そして,図2に示すように,後噴射指令62は主燃料噴射指令61よりも少ない回数だけ発せられる。
即ち,後噴射指令62は,4つの気筒のうち第1気筒に対してのみ発せられ,第2〜第4気筒に対しては発せられない。
【0031】
以下,それぞれについて説明を補足する。
このディーゼルエンジン40および窒素酸化物浄化装置1は,図1に示すごとく,4個のシリンダボアを設けそれぞれにピストンを往復摺動可能にはめ込んで,それぞれの内部にシリンダ室をなしたシリンダブロック41,シリンダブロック41上に組付けられてそのシリンダ室のそれぞれを閉じたシリンダヘッド42,そのピストンをコネクティングロッドで連結したクランクシャフト,吸気弁及び排気弁を開閉させる動弁機構,シリンダ室に対応してシリンダヘッド42に設置された4個のフューエルインジェクタ11,フューエルインジェクタ11に組付けらた4個の電磁弁12,図示しない燃料タンクからフューエルインジェクタ11に燃料を供給するフィードポンプ43,排気通路45中に触媒装置15,電磁弁12を開閉させてフューエルインジェクタ11に主燃料噴射及び後燃料噴射を行わせるECU31を有する。
【0032】
ECU31は,入力回路にエンジン40の回転センサ33,負荷センサ34,圧力センサ35,温度センサ32,および酸素センサ36を接続し,出力回路に電磁弁12を電気的に接続する。そして,上記センサ32〜36で検出されたエンジン回転数,エンジン負荷,燃料噴射圧,排気温度T,および酸素濃度は,内部のメモリに予め入力された燃料噴射パターンと照合され,パターンに従って電磁弁12を開閉制御する。
【0033】
回転センサ33はクランクシャフトに,負荷センサ34は図示しないアクセルペダルに,圧力センサ35はフューエルヘッダ44に,温度センサ32および酸素センサ36は触媒装置15よりも上流の排気管451内に,それぞれ配置される。
また,フィードポンプ43はフューエルヘッダ44を介してフューエルインジェクタ11に,それぞれ燃料配管441および442により接続されている。すなわち,配管441,442およびフューエルヘッダ44の内部はフィードポンプ43の作動により常に高圧に保たれている。
【0034】
そして,ECU31からの指令により,常時閉状態の電磁弁12が開いた場合のみ,フューエルインジェクタ11よりシリンダ室内へ高圧燃料を噴射する。すなわち,エンジン出力発生のための主噴射および触媒へ還元剤として炭化水素(熱分解した燃料)を供給するための後噴射を,共通の装置11,12により行う。
また,触媒装置15はセラミック等の担体に,例えばCu−ゼオライトやPt−ゼオライト等の還元剤の存在下で,ディーゼル排気中等の酸素過剰雰囲気中でもNOx を還元浄化可能な触媒を担持したものである。
【0035】
次に,本例の作用効果につき,説明する。
上記図1のように構成される排気浄化装置において,従来は図10に示すように,主燃料噴射61終了後(たとえば排気弁開前の40度から5度のクランク角範囲)に,極微量の燃料(たとえば主噴射量の0.3〜3%)を後噴射69として,全気筒において常時噴射していた。
【0036】
この後噴射69は,触媒へ還元剤としての炭化水素(熱分解した燃料)を供給するためのものであるため,触媒において排気中のNOx を還元浄化するためには不可欠であるが,後噴射に用いた燃料分は燃費が悪化してしまうため,その量を精度良く制御することが非常に重要である。
したがって,従来はその極微量の後噴射69を制御するために,極めて応答性が高い電磁弁12が必要であった。そのため,電磁弁12のコストおよび大きさが増大していた。
【0037】
これに対し,本例では,後噴射62をたとえば図2に示すように,第1気筒のみで行うようにする。すなわち,従来装置の4気筒分の後噴射を第1気筒のみで行うこと(第2発明)により,後噴射62の量を従来の装置における第1気筒の後噴射69の量の4倍とすることができる。
したがって,従来と比較して,本例では極微量の後噴射量を制御する必要がないため,電磁弁12に対して,急峻な立上がりと立下がり動作をさせる極めて高い応答性は要求されず,コストおよび大きさの大幅な低減が可能である。
【0038】
さらに,極微量の噴射において顕著となる各気筒のノズル間の噴射量のばらつきを吸収できるから,高精度で安定した性能を得ることができる。
また,後噴射69を行わない第2〜4気筒においては,噴射ノズルの着座回数を従来と比較して半減できるため,ノズルシート部の耐久性を大幅に向上させることができる。
本例は,第1気筒のみで後噴射する場合を例に説明したが,これはそれ以外の第2〜第4気筒あるいは複数の気筒で行うようにしてもよい(第2発明)。
【0039】
実施例2
本例は,図3に示すように,実施例1において更に後噴射63を複数サイクル(本例は4サイクル)につき1回行うようにしたもう1つの実施例である。
即ち,第1気筒の4サイクルにつき1回ずつ4気筒4サイクル分の後噴射を行う。このため,電磁弁12は応答性能が更に低いものを採用することが出来るようになり,一段と安価かつ小形化することができる。また,第1気筒のノズルシート部の寿命も更に長くなる。
その他については,実施例1と同様である。
【0040】
実施例3
本例は,図4に示すように,実施例1又は実施例2において全気筒に後噴射64を順次行わせるようにしたもう1つの実施例である。
即ち,本例は,各気筒が4サイクル毎に1回の割合で後噴射64を実行し,後噴射64は順番に気筒を切替えて実施される。
これによって,各ノズルシート部の耐久寿命は均一となり,装置全体として平均寿命を大幅に向上させることができる。
その他については,実施例1又は実施例2と同様である。
【0041】
なお,後噴射する気筒を順番に切替える方法としては,図4に示す方法のほか,例えば4気筒のエンジンであれば,気筒によらず2回あるいは4回の主噴射のみの噴射を行ったら,その次に噴射する気筒は主噴射と後噴射を行うようにして,後噴射する気筒を順番に切替えてもよい。
【0042】
実施例4
本例は,実施例1〜実施例3において,排気ガスの温度が低めのときに,後噴射指令を発するタイミング(主燃料噴射に対する遅れ時間)Δtを変化させるようにした他の実施例である。
即ち,本例は,図1に示す第1〜第3実施例と同様の構成において,エンジン出力発生のための主噴射61の後に行う,触媒へ還元剤としての炭化水素(熱分解した燃料)を供給するための後噴射62〜64の時期を,温度センサ32で検出した排気温度Tに応じて変更するものである。
【0043】
図8に示すように,還元剤として炭化水素を供給した場合,触媒によるNOx 還元浄化効率はある温度T1 ,T2 でピークとなり,それより高温でも低温でも浄化効率は低下してしまう。さらに,ピーク浄化率が得られる温度は,還元剤(炭化水素)の炭素数により異なり,炭素数が大きいほど高くなる。
したがって,温度T1(たとえば350℃)では炭素数が小さい炭化水素A(たとえば炭素数5以下)を還元剤として用いるほうが,炭素数が大きいB(たとえば炭素数10以上)を用いるよりNOx の還元浄化効率は高いが,温度T2(たとえば400℃)では逆に炭素数が大きいBを用いたほうが効率が高くなる。
【0044】
このため,従来装置(特開平6−159041号公報)のように還元剤として用いる燃料の分解度合を常に一定にしてしまうと,特定の触媒温度以外では高いNOx 還元浄化効率を得ることができない。一方,後噴射62〜64により得られる,熱分解した燃料(炭化水素)の炭素数は図9に示すように後噴射時期により異なり,その噴射時期が遅いほどシリンダ室内の温度が下がってから後噴射するため,燃料の熱分解の度合が小さくなり,得られる炭化水素の炭素数が大きくなる。
【0045】
そこで,本例では,排気温度に応じてそれぞれ触媒のNOx 還元浄化効率を最大にする炭素数の炭化水素(熱分解した燃料)を還元剤として供給するように構成する。すなわち,排気温度により最適な還元剤の炭素数が異なるため,排気温度に応じて後噴射する噴射時期を変更し,排気温度が高いほど後噴射時期を遅らせて炭素数が大きな還元剤を触媒に供給するようにする。
【0046】
これにより,排気温度が低い場合には,低温で触媒のNOx 還元浄化効率が高い,即ち炭素数が小さい(たとえば5以下の)炭化水素を供給し,また,排気温度が高い場合には,高温で触媒のNOx 還元浄化効率が高い,炭素数が大きい(たとえば10以上)炭化水素を供給する。
そのため後噴射時期は,排気温度に対して多段階あるいは連続的に無段階に変更するようにする。これにより,排気温度によらず,常にNOx 還元効率が高い状態で触媒を使用でき,触媒のNOx 還元浄化効率を大幅に向上できる。
【0047】
なお,本例における,各排気温度に対する最適な後噴射のタイミングΔtは,予めECU31内に記憶されており,図1に示す第1実施例と同様の構成において温度センサ32の信号をもとにECU31内にて,決定されるものとする。
また,この場合の後噴射を行う気筒は図2に示す第1実施例,図3に示す第2実施例,あるいは図4に示す第3実施例のようにする。その結果,第1実施例,第2実施例および第3実施例で説明したのと同様の効果を合わせて得ることができる。
その他については,実施例1と同様である。
【0048】
実施例5
本例は,実施例1〜実施例3において,排気ガスの温度が低めのときに,図5に示すように,後噴射指令を発するタイミングΔtを所定のタイミングt0 を中心に前後にtmin からtmax まで揺動変化させるようにした他の実施例である。
上記において,所定のタイミングt0 とは,その時の運転状態においてその時の触媒装置15の浄化効率を最大にすることのできるタイミングである。
また,tmin 及びtmax は予めECU31に記憶された設定値であり,揺動の周期は例えば10分とする。
【0049】
即ち,本例は,図1に示す第1実施例と同様の構成において,温度センサ32で検出した排気温度が設定値以下の場合,エンジン出力発生のための主噴射61の後に行う,触媒へ還元剤としての炭化水素(熱分解した燃料)を供給するための後噴射62〜64の時期を,順次変更するものである。
【0050】
後噴射により発生した炭化水素は,排気低温時には多くが触媒上に未反応のまま吸着され,排気温度上昇過程で離脱してNOx 還元反応に寄与する。そのため,排気温度定常時や降温時に比べて,排気温度昇温時のNOx 還元浄化効率は,一般に高くなる。
そこで,昇温時において離脱する吸着炭化水素を浄化反応に効率的に利用することは,触媒のNOx 還元浄化効率を向上させるのに非常に有効である。
一方,前記の説明のとおり,排気温度に応じてそれぞれ触媒のNOx 還元浄化効率を最大にする炭化水素(熱分解した燃料)の炭素数が異なる。そのため,従来の方法では,吸着された炭化水素の炭素数が偏在するために,排気温度が刻々と変化する排気昇温時に最高の効率でNOx を還元浄化することが困難であった。
【0051】
そこで,本例では,後噴射により得られる熱分解した燃料(炭化水素)の炭素数が後噴射時期により異なり,その噴射時期が遅いほど得られる炭化水素の炭素数が大きくなること(図9)に着目し,排気温度が低い(たとえば200℃以下)運転状態では,後噴射時期を順次変更し,さまざまな分解度合の燃料を触媒上に吸着させるようにする。このように排気温度が低い運転状態は,例えば市街地走行時において頻繁に発生する。
その後,吸着された炭化水素は車両加速時等の排気昇温時にいっせいに脱離し,NOx 還元浄化反応に寄与する。本例では,刻々と変化するすべての排気温度下で,それぞれNOx 還元浄化効率を最大とする炭化水素が存在するので,浄化効率を高めに保持することができる。
【0052】
次に,上記排気浄化装置の作動を図6に示すフローチャートを用いて説明する。
このフローチャートにおいては,上記温度センサ32からの信号を受け,後噴射時期をコントロールする部分だけを示した。
まず,S(ステップ)501においては,上記温度センサ32からの信号によりディーゼルエンジン40の排気温度Tを読み込む。
S502においては,上記S501で読み込んだ排気温度Tが設定値T0 よりも小さいか否かを判定し,大きい場合は,S504にて予め設定された時期に後噴射を行ないS501へ戻る。
【0053】
一方,ステップ502で排気温度Tが設定値T0 よりも小さい場合にはS503へ進み,後噴射時期を徐々にずらして順次変更する。
その変更パターンは,予めECU31内に記憶されており,たとえば時間に対してタイミングΔtを図5に示すように変更する。なお,その際の後噴射のタイミングはECU31内に記憶することとする。
その後,S501へ戻る。そして再び,S502においてT<T0 の条件を満たし,S503へ進んだ場合には,ECU31に記憶されている前回の後噴射のタイミングよりもΔtをさらにずらすようにする。
以上のサイクルを,たとえば1秒に1回ずつ繰り返す。
【0054】
その結果,本例によれば,排気低温時にさまざまな分解度合の燃料を触媒上に未反応のまま吸着させるため,排気温度が刻々と変化する排気昇温時にもそれぞれの温度で最適な炭素数の炭化水素を還元剤として供給できる。その結果,NOx 還元浄化効率を大幅に,向上させることができる。
また,この場合の後噴射を行う気筒は,図2に示す第1実施例,図3に示す第2実施例,あるいは図4に示す第3実施例のようにし,第1実施例,第2実施例および第3実施例で説明したのと同様の効果を合わせて得るものである。
その他ついては,実施例1と同様である。
【0055】
実施例6
本例は,図7に示すように,実施例5において後噴射のタイミングΔtを所定のタイミングt0 からtmax まで遅らせるように揺動変化させるようにしたもう1つの実施例である。
上記tmax は予めECU31に記憶された設定値であり,揺動の周期は例えば5分とする。
すなわち,触媒に対する吸着,脱離特性が炭化水素の分解度合により異なることに着目し,排気温度が低く触媒の活性が小さい場合には後噴射の噴射時期を通常より遅らせ,更に順次変更するようにする。
【0056】
これによって,触媒上へ吸着しやすく,かつ高温になるまで脱離しにくい,炭素数が大きいさまざまな分解度合の炭化水素を生成,吸着させるようにする。これらは,触媒によるNOx 還元反応が活発に起こる排気温度高温時に脱離し,図8に示すように炭素数の大きい炭化水素は高温度でより有効に還元剤として作用するため,NOx 還元浄化効率を大幅に向上させることができる。
その他については実施例5と同様である。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1の窒素酸化物浄化装置のシステム構成図。
【図2】実施例1の窒素酸化物浄化装置における各気筒毎の燃料噴射の発生タイミング図。
【図3】実施例2の窒素酸化物浄化装置における各気筒毎の燃料噴射の発生タイミング図。
【図4】実施例3の窒素酸化物浄化装置における各気筒毎の燃料噴射の発生タイミング図。
【図5】実施例5の窒素酸化物浄化装置の後噴射の発生タイミングの揺動変化を示す図。
【図6】実施例5の浄化装置の後噴射の制御フロー図。
【図7】実施例6の浄化装置の後噴射の発生タイミングの揺動変化を示す図。
【図8】触媒温度に対するNOx の浄化効率の変化を炭化水素の炭素数の大小別に示した図。
【図9】後噴射の発生タイミングの変化に伴う炭化水素の発生炭素数の変化図。
【図10】従来の窒素酸化物浄化装置における各気筒毎の燃料噴射の発生タイミング図。
【符号の説明】
1...窒素酸化物浄化装置,
12...電磁弁,
15...触媒装置,
30...燃料噴射制御手段,
61...主燃料噴射,
62...後噴射,
Δt...後噴射の発生タイミング,
t0 ...所定のタイミング,
Claims (4)
- 気筒毎に設けられた燃料噴射手段と,窒素酸化物を還元浄化する,排気通路に配設された触媒装置と,上記燃料噴射手段を作動させる燃料噴射制御手段とを有する内燃機関の窒素酸化物浄化装置であって,
上記燃料噴射制御手段は,機関出力発生のための圧縮上死点近傍での主燃料噴射指令と,上記触媒装置に炭化水素を供給するための,膨張行程又は排気行程での後噴射指令とを上記燃料噴射手段に対して発し,上記後噴射指令は,上記主燃料噴射指令の回数よりも少ない回数だけ発せられ,
かつ該後噴射指令は,少なくとも1サイクル以上を含む限られた時間内においては,一部分の気筒に対してのみ発せられることを特徴とする内燃機関の窒素酸化物浄化装置。 - 気筒毎に設けられた燃料噴射手段と,窒素酸化物を還元浄化する,排気通路に配設された触媒装置と,上記燃料噴射手段を作動させる燃料噴射制御手段とを有する内燃機関の窒素酸化物浄化装置であって,
上記燃料噴射制御手段は,機関出力発生のための圧縮上死点近傍での主燃料噴射指令と,上記触媒装置に炭化水素を供給するための,膨張行程又は排気行程での後噴射指令とを上記燃料噴射手段に対して発し,上記後噴射指令は,上記主燃料噴射指令の回数よりも少ない回数だけ発せられ,
かつ,該後噴射指令は,複数のサイクルに対して1回の割合で発せられることを特徴とする窒素酸化物浄化装置。 - 請求項1又は2において,前記後噴射指令は,複数の気筒に対して順次切換えて発せられることを特徴とする窒素酸化物浄化装置。
- 請求項1〜3のいずれか一項において,後噴射を行なわない気筒分の後噴射量を,後噴射を行なう気筒にて噴射することにより,上記後噴射指令は上記主燃料噴射の回数よりも少ない回数だけ発せられることを特徴とする窒素酸化物浄化装置。
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