JP3750766B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気中に含まれる窒素酸化物を浄化する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】
ディーゼルエンジン等の酸素過剰下で燃料の燃焼が行われる内燃機関から排出される排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するために、排気管内にＮＯｘ触媒を設置し、燃料等の炭化水素（ＨＣ）を還元剤としてＮＯｘ触媒に供給してＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ触媒システムが開発されている。このＮＯｘ触媒システムでは、近年、特開平９一４４３７号公報に示すように、触媒への過剰な燃料の供給による燃費悪化を少なくするために、触媒のＨＣ吸着割合と触媒からのＨＣ脱離速度等に応じて触媒へのＨＣ供給量を制御することが提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、最近、ＮＯｘ触媒システムにおけるＮＯｘ触媒の被毒現象を調査したところ、供給したＨＣが触媒に多量に吸着されると、そのＨＣによって触媒が被毒を受けて元の状態まで回復しにくい状態となり、ＮＯｘ浄化性能が著しく低下する現象を発見した。このような触媒の被毒は、触媒のＨＣ吸着量が一定値を越えたときに発生し始め（以下、この時のＨＣ吸着量を「被毒限界値」と呼ぶ）、一旦、触媒が被毒されると、ガソリンエンジンと比較して排気温度が低い通常のディーゼルエンジンの運転条件では、触媒からＨＣが脱離しにくい状態になって、触媒の回復が因難になることが分かってきた。
【０００４】
しかるに、上記公報のＨＣ供給量制御方法では、触媒のＨＣ吸着割合を検出するものの、専ら燃費改善とＮＯｘ浄化率向上とを優先した制御であるため、時として触媒のＨＣ吸着量が被毒限界値を越えてしまい、元の状態まで回復し得ない被毒が発生し、ＮＯｘ浄化性能が低下するという問題がある。
【０００５】
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、触媒が過剰なＨＣの吸着による被毒を起こさないように、触媒へのＨＣ供給量を適正化することができて、長期間に亘って高いＮＯｘ浄化性能を維持できる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１の内燃機関の排気浄化装置によれば、内燃機関の運転状態に基づいて触媒に供給すべき炭化水素量（以下「基本炭化水素供給量」という）を基本炭化水素供給量演算手段により演算すると共に、触媒に吸着された炭化水素吸着量を炭化水素吸着量検出手段により検出し、その炭化水素吸着量が設定値を越えないように前記基本炭化水素供給量を補正手段により補正して目標炭化水素供給量を決定し、この目標炭化水素供給量に応じて炭化水素供給手段を制御手段により制御して、触媒に対して目標炭化水素供給量に相当する量の炭化水素を供給する。このようにすれば、触媒の炭化水素吸着量が過剰とならないように触媒への炭化水素供給量を適正に制限することができ、過剰な炭化水素の吸着による触媒の被毒が従来より発生しにくくなり、長期間に亘って高いＮＯｘ浄化性能を維持することができる。
【０００７】
更に、請求項１に係る発明は、触媒の炭化水素吸着量を制限するための設定値を、触媒の被毒限界値又はそれ以下の値に設定するところにも特徴がある。このようにすれば、触媒の炭化水素吸着量が被毒限界値を越えないように、触媒への炭化水素供給量を適正化することができ、過剰な炭化水素の吸着による触媒の被毒を確実に防止することができる。
【０００８】
また、請求項２のように、触媒の炭化水素吸着量に応じて補正係数を設定し、この補正係数を基本炭化水素供給量に乗算して目標炭化水素供給量を求めるようにしても良い。このようにすれば、比較的簡単な演算処理で、炭化水素供給量の補正量を触媒の炭化水素吸着量に応じて適正に設定することができ、ＮＯｘ浄化性能の低下を最小限に抑えながら触媒の被毒を有効に防止することができる。
【０００９】
また、請求項３のように、触媒の炭化水素吸着量が触媒の被毒限界値を越えた時に、炭化水素供給手段による炭化水素の供給を、該炭化水素吸着量が被毒限界値以下となるまで停止させるようにしても良い。このようにすれば、触媒の炭化水素吸着量が被毒限界値を越えて増加することを確実に防止でき、触媒の被毒をより確実に防止することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１に基づいてシステム全体の構成を説明する。内燃機関であるディーゼルエンジン１１の排気管１２（排気通路）の途中には、排気中のＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ触媒１３が設けられている。このＮＯｘ触媒１３は、活性金属である白金を多孔質ゼオライトの一種に担持させたものであり、このＮＯｘ触媒１３の内部で排気中のＮＯｘが炭化水素（ＨＣ）と反応して浄化される。このＮＯｘ触媒１３の入口部には、触媒温度を評価するために、ＮＯｘ触媒１３に流入する排気の温度を検出する排気温度センサ１４が設置されている。
【００１１】
また、排気管１２のうちのＮＯｘ触媒１３の上流側には、還元剤用のＨＣとして軽油等の燃料をＮＯｘ触媒１３に供給するＨＣ供給ノズル１５（炭化水素供給手段）が設けられている。このＨＣ供給ノズル１５には、燃料タンク（図示せず）から噴射ポンプ１６で汲み上げた燃料が供給される。この噴射ポンプ１６を駆動する駆動回路１７は、エンジン制御回路１８（制御手段）からの目標ＨＣ供給量信号によって制御される。
【００１２】
ＮＯｘ触媒１３の過剰なＨＣ吸着による被毒を回避するために、ＮＯｘ触媒１３のＨＣ吸着量を検出するＨＣ吸着量検出装置１９（炭化水素吸着量検出手段）が設けられている。ＨＣ吸着量の検出原理は、▲１▼過去のエンジン運転条件の履歴から推定、▲２▼ＮＯｘ触媒１３の重量の変化量を測定、▲３▼外部からＮＯｘ触媒１３にエネルギーを与えてその応答性から推定、などが考えられるが、いずれの方法でも良い。
【００１３】
ここで、過去のエンジン運転条件の履歴からＮＯｘ触媒１３のＨＣ吸着量を推定する場合には次のようにして推定する。
【００１４】
（１）所定時間Δｔ内にＮＯｘ触媒１３に流入するＨＣ流入量ΔＨＣinを次式により算出する。
ΔＨＣin＝ΔＨＣex＋ΔＨＣfd
ここで、ΔＨＣexは、所定時間Δｔ内にディーゼルエンジン１１から排出されるＨＣ量、ΔＨＣfdは、所定時間Δｔ内にＨＣ供給ノズル１５から添加されるＨＣ量である。
【００１５】
（２）所定時間Δｔ内にＮＯｘ触媒１３内で反応して消費されるＨＣ消費量 ΔＨＣrec を次式により算出する。
ΔＨＣrec ＝ΔＨＣin×Ｋrep
ここで、Ｋrep はＮＯｘ触媒１３のＨＣ浄化率であり、触媒温度（ＮＯｘ触媒１３に流入する排気の温度）やエンジン運転条件等をパラメータとするマップから算出される。
【００１６】
（３）所定時間Δｔ内にＮＯｘ触媒１３に吸着されるＨＣ吸着量ΔＨＣcad をＨＣ流入量ΔＨＣinからＨＣ消費量ΔＨＣrec を差し引いた値に吸着係数ｆ₁ を乗算して求める。
ΔＨＣcad ＝（ΔＨＣin−ΔＨＣrec ）×ｆ₁
【００１７】
ここで、吸着係数ｆ₁ は、次式により算出される。
ｆ₁ ＝ｆ₁₁×ｆ₁₂×ｆ₁₃×ｆ₁₄
ｆ₁₁：最新のＨＣ吸着量ＨＣadsoから求めた係数
ｆ₁₂：ＮＯｘ触媒１３に流入するＨＣ濃度から求めた係数
ｆ₁₃：触媒温度から求めた係数
ｆ₁₄：排気流量から求めた係数
これらの係数ｆ₁₁〜ｆ₁₄は、いずれも０〜１の範囲内の値をとり、マップ等により求められる。
【００１８】
（４）所定時間Δｔ内にＮＯｘ触媒１３から脱離するＨＣ脱離量ΔＨＣdisoを次式により算出する。
ΔＨＣdiso＝ΔＨＣcad ×ｆ₂
【００１９】
ここで、ｆ₂ は脱離係数であり、次式により算出される。
ｆ₂ ＝ｆ₂₁×ｆ₂₂×ｆ₂₃×ｆ₂₄
ｆ₂₁：最新のＨＣ吸着量ＨＣadsoから求めた係数
ｆ₂₂：ＮＯｘ触媒１３に流入するＨＣ濃度から求めた係数
ｆ₂₃：触媒温度から求めた係数
ｆ₂₄：排気流量から求めた係数
これらの係数ｆ₂₁〜ｆ₂₄は、いずれも０〜１の範囲内の値をとり、マップ等により求められる。
【００２０】
（５）現時点ｔ₀ におけるＮＯｘ触媒１３のＨＣ吸着量ＨＣadso（ｔ₀ ）を次式により算出する。
【００２１】
【数１】

【００２２】
ところで、ＮＯｘ触媒１３に流入する軽油には、化学構造（カーボンナンバー）の異なる多くの種類のＨＣが含まれ、それらのＨＣの沸点も異なる。低沸点のＨＣは、ＮＯｘ触媒１３に吸着されても、排気熱により比較的短時間でＮＯｘ触媒１３から揮発して脱離するため、低沸点のＨＣは、ＮＯｘ触媒１３の被毒には影響しない。従って、上述したＨＣ流入量ΔＨＣin、ＨＣ消費量ΔＨＣrec 、ＨＣ吸着量ΔＨＣcad 、ＨＣ脱離量ΔＨＣdiso、現時点ｔ₀ のＨＣ吸着量ＨＣadsoについては、いずれも、被毒に影響しない低沸点のＨＣを除外して考え、被毒を生じさせる可能性のある沸点の比較的高いＨＣのみについて算出することが好ましい。
【００２３】
但し、このようなＨＣの沸点による区別をせずに、低沸点のＨＣも含めた全てのＨＣの吸着量で評価するようにしても良く、この場合でも、後述する被毒限界値を低沸点のＨＣの存在を考慮して設定することで、本発明の所期の目的を十分に達成できる。
【００２４】
以上のようにしてＨＣ吸着量検出装置１９で検出した現時点ｔ₀ のＨＣ吸着量ＨＣadsoの情報は、エンジン制御回路１８へ送られる。このエンジン制御回路１８は、マイクロコンピュータを主体として構成され、排気温度センサ１４、エンジン回転数センサ（図示せず）等、エンジン運転状態を検出する各種センサの出力に基づいてディーゼルエンジン１１の各気筒への燃料噴射量を制御する。
【００２５】
更に、エンジン制御回路１８は、ＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された図２の目標ＨＣ供給量演算プログラムを所定時間毎又は所定クランク角毎に実行することで、目標ＨＣ供給量を次のようにして算出する。まず、ステップ１０１で、排気温度センサ１４、エンジン回転数センサ（図示せず）等、エンジン運転状態を検出する各種センサの出力を読み込んだ後、ステップ１０２で、排気温度（触媒温度）とエンジン回転数とをパラメータとする図３の基本ＨＣ供給量マップを検索し、その時点の排気温度（触媒温度）とエンジン回転数とに応じた基本ＨＣ供給量ＨＣbaseを求める。図３の基本ＨＣ供給量マップは、ＮＯｘ触媒１３のＮＯｘ浄化率が触媒活性温度範囲（例えば２００〜３５０℃）においてのみ高いというＮＯｘ触媒１３のＮＯｘ浄化特性を考慮して設定されている。このステップ１０２の処理が、特許請求の範囲でいう基本炭化水素供給量演算手段としての役割を果たす。
【００２６】
基本ＨＣ供給量ＨＣbaseの算出後、ステップ１０３に進み、ＨＣ吸着量検出装置１９で検出した現時点ｔ₀ のＨＣ吸着量ＨＣadsoの情報を読み込む。尚、図１のシステム構成例では、ＨＣ吸着量検出装置１９とエンジン制御回路１８とを別々に設けているが、ＨＣ吸着量検出装置１９の機能をエンジン制御回路１８に組み込み、ステップ１０３で、現時点ｔ₀ のＨＣ吸着量ＨＣadsoを前述した算出方法で算出するようにしても良い。
【００２７】
この後、ステップ１０４で、ＨＣ吸着量ＨＣadsoが予め設定された被毒限界値を越えているか否かを判定する。ここで、被毒限界値とは、これ以上のＨＣがＮＯｘ触媒１３に吸着されると、ＮＯｘ触媒１３が元の状態まで回復しにくい状態となる限界のＨＣ吸着量であり、本発明者らの実験結果によれば、触媒１ｇ当たり４ｍｇのＨＣが吸着されると、触媒が元の状態まで回復しにくい状態になることを確認している。この場合は、触媒１ｇ当たり４ｍｇのＨＣが被毒限界値となる。
【００２８】
もし、ＨＣ吸着量ＨＣadsoが被毒限界値を越えていれば、ステップ１０７に進み、目標ＨＣ供給量ＨＣｔをゼロにして、ＨＣ供給ノズル１５からＮＯｘ触媒１３へのＨＣの供給を停止する。この場合は、ＨＣ吸着量ＨＣadsoが被毒限界値以下になるまで、ＮＯｘ触媒１３へのＨＣの供給が停止される。これにより、ＨＣ吸着量ＨＣadsoが被毒限界値を越えて増加し続けることが防止され、ＮＯｘ触媒１３のＮＯｘ浄化能力が保たれる。
【００２９】
一方、ＨＣ吸着量ＨＣadsoが被毒限界値以下の場合には、ステップ１０５に進み、ＨＣ吸着量ＨＣadsoをパラメータとする図４の補正係数マップを検索し、その時点のＨＣ吸着量ＨＣadsoに応じた補正係数Ｋhcを求める。この補正係数Ｋhcは、ＨＣ吸着量ＨＣadsoに応じて基本ＨＣ供給量ＨＣbaseを補正するための補正係数であり、ＨＣ吸着量ＨＣadso≦０の時には補正係数Ｋhc＝１、ＨＣ吸着量ＨＣadso≧被毒限界値の時には補正係数Ｋhc＝０であり、ＨＣ吸着量ＨＣadsoが０から被毒限界値の範囲では、ＨＣ吸着量ＨＣadsoが増加するに従って、補正係数Ｋhcが１からリニアに減少する。
【００３０】
尚、ＨＣ吸着量ＨＣadsoに応じた補正係数Ｋhcの変化は、リニア（直線）に限定されず、２次曲線等の曲線であっても良く、また、階段状（ステップ状）に変化するものであっても良い。
【００３１】
補正係数Ｋhcの設定後、ステップ１０６に進み、基本ＨＣ供給量ＨＣbaseに補正係数Ｋhcを乗算して基本ＨＣ供給量ＨＣbaseを補正し、目標ＨＣ供給量ＨＣｔを求める。エンジン制御回路１８は、この目標ＨＣ供給量ＨＣｔの信号を駆動回路１７に出力して噴射ポンプ１６を制御し、ＨＣ供給ノズル１５から目標ＨＣ供給量ＨＣｔに相当する量の燃料を排ガスに添加する。上述したステップ１０４〜１０７の処理が特許請求の範囲でいう補正手段としての役割を果たす。
【００３２】
本発明者は、以上説明した図２の目標ＨＣ供給量演算プログラムによりＨＣ供給量をＨＣ吸着量ＨＣadsoに応じて補正した場合の効果を評価する試験を行ったので、その試験結果について図５及び図６に基づいて説明する。この評価試験では、４．２リットルの直噴ディーゼルエンジンを用いて、排気温度が図５に示すパターンで変化するようにベンチ上で負荷を制御し、白金ゼオライト触媒に空間速度４２０００（リットル／Ｈｒ）で流通させる試験を２０サイクル行った。この試験により、触媒のＨＣ吸着量に応じてＨＣ供給量を補正した場合（本実施形態に相当）と、ＨＣ供給量を補正しない場合（従来に相当）について、２３５℃（ＮＯｘ浄化率がピークを示す温度）におけるＮＯｘ浄化率を測定したところ、図６に示すような結果が得られた。
【００３３】
この試験結果から明らかなように、触媒のＨＣ吸着量に応じてＨＣ供給量を補正した場合は、初期時のＮＯｘ浄化特性と同等の性能を維持でき、ＮＯｘ浄化率の低下は見られなかったが、補正なしの場合は、初期時と比較してＮＯｘ浄化率が大幅に低下した。
【００３４】
つまり、本実施形態では、ＨＣ吸着量に応じてＮＯｘ触媒１３へのＨＣ供給量を補正するようにしたので、ＮＯｘ触媒１３のＨＣ吸着量が被毒限界値を越えないように、ＮＯｘ触媒１３へのＨＣ供給量を適正化することができ、過剰なＨＣの吸着によるＮＯｘ触媒１３の被毒を確実に防止することができて、長期間に亘って高いＮＯｘ浄化性能を維持できる。
【００３５】
尚、本実施形態では、ＨＣ吸着量ＨＣadsoが被毒限界値を越えた時に、目標ＨＣ供給量ＨＣｔをゼロにしてＮＯｘ触媒１３へのＨＣの供給を停止するようにしたが、ＨＣの供給を停止する領域を被毒限界値より低い値に設定して、ＨＣ吸着量ＨＣadsoが被毒限界値に近付いた時にＨＣ供給を停止するようにしても良い。このようにしても、補正係数Ｋhcのマップを適宜変更することで、本実施形態とほぼ同様の効果を得ることができる。
【００３６】
また、本実施形態では、ＮＯｘ触媒１３にＨＣを供給する手段として、排気管１２にＨＣ供給ノズル１５を設けたが、これに代え、燃料噴射ノズルからエンジンに燃料を噴射した後の膨脹行程で、燃料噴射ノズルから後噴射により少量の燃料を噴射し、これをＮＯｘ触媒１３に供給するようにしても良い。
【００３７】
また、本実施形態では、ＮＯｘ触媒１３に供給するＨＣとして燃料（軽油）を用いたが、灯油等の液状のＨＣや、プロパン等のガス状のＨＣを用いるようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す排気浄化システム全体の構成図
【図２】目標ＨＣ供給量演算プログラムの処理の流れを示すフローチャート
【図３】基本ＨＣ供給量マップを概念的に示す図
【図４】補正係数マップを概念的に示す図
【図５】評価試験の排気温度変化パターンを示す図
【図６】触媒のＨＣ吸着量に応じてＨＣ供給量を補正した場合（本実施形態に相当）とＨＣ供給量を補正しない場合（従来に相当）について、２３５℃におけるＮＯｘ浄化率を測定した結果を示す図
【符号の説明】
１１…ディーゼルエンジン（内燃機関）、１２…排気管（排気通路）、１３…ＮＯｘ触媒、１５…ＨＣ供給ノズル（炭化水素供給手段）、１８…エンジン制御回路（制御手段，基本炭化水素供給量演算手段，補正手段）、１９…ＨＣ吸着量検出装置（炭化水素吸着量検出手段）。

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路に設置され、窒素酸化物を還元浄化する触媒と、 前記触媒に対して窒素酸化物の還元剤として炭化水素を供給する炭化水素供給手段と、 内燃機関の運転状態に基づいて前記触媒に供給すべき炭化水素量（以下「基本炭化水素供給量」という）を演算する基本炭化水素供給量演算手段と、
   前記触媒に吸着された炭化水素吸着量を検出する炭化水素吸着量検出手段と、
   前記炭化水素吸着量が設定値を越えないように前記基本炭化水素供給量を補正して目標炭化水素供給量を求める補正手段と、
   前記目標炭化水素供給量に応じて前記炭化水素供給手段を制御する制御手段とを備え、 前記設定値は、前記触媒の被毒限界値又はそれ以下の値に設定されていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記補正手段は、前記炭化水素吸着量に応じて補正係数を設定し、この補正係数を前記基本炭化水素供給量に乗算して目標炭化水素供給量を求めることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記補正手段は、前記炭化水素吸着量が前記触媒の被毒限界値を越えた時に、前記炭化水素供給手段による炭化水素の供給を、該炭化水素吸着量が被毒限界値以下となるまで停止させることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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