JP3826257B2

JP3826257B2 - 圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP3826257B2
Application number: JP31602799A
Authority: JP
Inventors: 喜代志小端; 弘道柳原
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-11-05
Filing date: 1999-11-05
Publication date: 2006-09-27
Anticipated expiration: 2019-11-05
Also published as: JP2001132433A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置に関し、詳しくは、例えばディーゼルエンジンの排気中のＮＯｘを主として除去する排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気管を流れる排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘを主として吸収し、前記空燃比がリッチ空燃比または理論空燃比のときにそれまで吸収していたＮＯｘを放出する吸蔵還元型リーンＮＯｘ触媒を内燃機関の排気通路に配置して排気中のＮＯｘを除去する技術が周知である（例えば特開平８−２１８９２０号公報参照）。
【０００３】
吸蔵還元型リーンＮＯｘ触媒は、ＮＯｘを吸蔵し過ぎて飽和状態になると、吸収力が低下してしまい、そのままではその後の排気浄化ができない。
このため、排気浄化を継続するにはそれまで吸収していたＮＯｘを放出して再び吸収できるようにする必要がある。しかし、ＮＯｘを放出するわけにはいかないので、還元剤を用いてＮＯｘを窒素に還元してから放出する。
【０００４】
吸蔵還元型リーンＮＯｘ触媒がＮＯｘを吸蔵して飽和状態にあるかどうかは、例えば内燃機関の作動積算時間が所定量に達したかどうかを判断する。そして、作動積算時間が所定量に達した場合は、吸蔵還元型リーンＮＯｘ触媒がＮＯｘで飽和状態にあると仮定する。
【０００５】
そして、飽和状態にあると判定した後は、排気空燃比がリッチ空燃比または理論空燃比になるように機関運転を切り換えて吸蔵還元型リーンＮＯｘ触媒を還元雰囲気におき、その結果前記のように吸蔵還元型リーンＮＯｘ触媒からＮＯｘを放出し、放出したＮＯｘを排気中の未燃ＨＣやＣＯ等の還元成分で窒素に還元する。
【０００６】
このようにＮＯｘを吸蔵して飽和状態になっている吸蔵還元型リーンＮＯｘ触媒からＮＯｘを放出して再びＮＯｘ吸蔵ができるようにすることを吸蔵還元型リーンＮＯｘ触媒の再生（以下「触媒再生」という。）を行うという。
【０００７】
ところで、このような吸蔵還元型リーンＮＯｘ触媒をディーゼルエンジンに適用した場合、次のような問題が考えられる。
圧縮着火式内燃機関であるディーゼルエンジンは、その構造上および作動上の理由から空気過剰な状態で燃焼するので排気空燃比は大幅にリーンになる。したがって、ディーゼルエンジンにあっては、触媒再生を目的として、吸蔵還元型リーンＮＯｘ触媒に流入する排気をリッチ空燃比または理論空燃比にして前記還元成分を増大するには、例えば気筒への噴射燃料を大幅に増量して行う。
【０００８】
しかし、ディーゼルエンジンは、圧縮行程において高温状態となっている圧縮空気に噴射した燃料とその周囲の空気との境界部分にできる可燃混合気層で燃焼を生じる。したがって、燃料噴射量を大幅に増量すると、燃焼室内に気化せずに液状のまま残る燃料が増大する。すると、この液状燃料は、前記可燃混合気層でその周囲の空気と接触しない状態のまま高温高圧を受けるので、当該液状燃料が恰も蒸し焼きにされたごときになってスモークとして排出される。
【０００９】
スモークは触媒再生に寄与しないばかりか吸蔵還元型リーンＮＯｘ触媒に付着して吸蔵還元型リーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収力を低下させる。
このような理由から、これまで、吸蔵還元型リーンＮＯｘ触媒をディーゼルエンジンに適用した場合、排気空燃比をリッチ空燃比や理論空燃比にするのはスモークの発生を招来する虞があり、あまり好ましいものとは言い難かった。
【００１０】
ところで、スモークは燃料の燃え残りであるから、スモークが発生しないようにするには、燃焼室での燃料の空気との混合割合を高めればよい。
このことを踏まえて実験および研究を重ねた結果、本願発明者は、空気と混合しやすい、換言すれば多くの酸素と結合しやすい燃料を触媒再生時に燃焼できれば、スモークの発生を抑制しながら、触媒再生用に排気空燃比をリッチ空燃比や理論空燃比にできるのではないかと考えた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、排気管に吸蔵還元型リーンＮＯｘ触媒を適用した内燃機関において、排気の空燃比制御の実行によって排気空燃比を触媒再生用にリッチ空燃比や理論空燃比にしてもスモークの発生を抑制できる圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置は、上記実状に鑑みて発明されたものであって、次の手段を採用する。
（１）本発明の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置は、気筒内に機関作動用燃料を噴射する主噴射装置と、この主噴射装置によって噴射された前記燃料の燃焼によって排出される排気の浄化用に機関排気通路に備えられ、排気がリーン空燃比状態にあるときに排気中のＮＯｘを吸蔵し、排気がリッチ空燃比または理論空燃比状態にあるときにそれまで吸蔵していたＮＯｘを放出することで再生を図る吸蔵還元型リーンＮＯｘ触媒と、を有する圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置において、前記吸蔵還元型リーンＮＯｘ触媒の再生要求時、前記機関作動用燃料をクラッキングすることで前記主噴射装置によって噴射される燃料よりも炭素数が低い低炭素数成分燃料を生成するとともにこの低炭素数成分燃料を前記気筒内で均一に分散する予混合噴霧を行う副噴射装置を有し、前記吸蔵還元型リーンＮＯｘ触媒の再生要求時に、前記副噴射装置から予混合噴霧された前記低炭素数成分燃料を、前記気筒において空気との混合割合が高い状態で燃焼させることを特徴とする。
【００１３】
ここで「再生」とは、吸蔵還元型リーンＮＯｘ触媒に飽和状態で吸蔵されていたＮＯｘを放出することにより吸蔵還元型リーンＮＯｘ触媒が再びＮＯｘを吸蔵できるようになることをいう。
【００１４】
「低炭素数成分燃料」とは、空気と混合し易く、換言すれば酸素と結合し易く、よって、低炭素数成分燃料を燃焼した場合にスモークの発生量を少なくできる燃料をいう。
【００１５】
また、本発明に係る副噴射装置では、低炭素数成分燃料としてメタンの生成は行わない。メタンを燃焼しても化学変化しにくく、よってそのまま機関排気通路に排出され、その後、このメタンが排気浄化用触媒に至ってもそこでも反応しにくく、よって触媒による排気浄化ができないからである。
【００１６】
「クラッキング」とは、周知のごとく有機化合物の分子を分解して、より小さな分子に変えることであり、クラッキングには、高温と高圧を利用する熱分解や触媒を利用する接触分解等が適用される。
【００１７】
本発明では、吸蔵還元型リーンＮＯｘ触媒の再生要求時に、副噴射装置によって機関作動用燃料をクラッキングすることで低炭素数成分燃料を生成し、この低炭素数成分燃料を前記気筒内で均一に分散する予混合噴霧を行うため、主噴射装置によって機関作動用燃料が気筒内に噴射されると、機関作動用燃料と低炭素数成分燃料とが混在するようになる。
【００１８】
しかも、低炭素数成分燃料は空気と混合し易いため、機関作動用燃料と低炭素数成分燃料とからなる気筒内の燃料は、機関作動用燃料だけを気筒内に噴射した場合と比べ、全体として空気との混合割合が高くなる（空気と結合し易くなる）。
【００１９】
よって、機関作動用燃料と低炭素数成分燃料とが混在する燃料を燃焼するとスモークの発生量を効果的に減少させることができる。
したがって、このような機関作動用燃料と低炭素数成分燃料とが混在する燃料を燃焼した時に排出される排気の空燃比を空燃比制御を行ってリッチ空燃比や理論空燃比とし、そのような空燃比の排気を吸蔵還元型リーンＮＯｘ触媒の再生用に使えば、スモークは発生しにくくなる。
（２）前記低炭素数成分燃料の炭素数は１１以下であることが好ましい。すなわち、機関作動用燃料が例えば軽油の場合、ガソリン並に炭素数の少ない低炭素数成分燃料を生成することが好ましい。
（３）前記副噴射装置によって噴霧される前記低炭素数成分燃料は、機関吸気通路に導入することが好ましい。
【００２０】
炭素数が１１以下の軽質な低炭素数成分燃料であれば、それ自体がもともと付着しにくい性質があるが、このようにすると、副噴射装置から噴射された低炭素数成分燃料のシリンダボア（シリンダ開口），吸気ポート，ピストン，シリンダ壁等への付着がなく、また、オイルが燃料によって希釈されてしまうオイル希釈を生じることもない。
（４）前記副噴射装置の作動時には、前記主噴射装置による燃料噴射は遅角または／および減量して行うとよい。
【００２１】
これは次の理由による。
気筒の容積は変わらないので、低炭素数成分燃料が導入される分に応じて主噴射装置による燃料の導入量を低減させなければ出力が増大してしまう。したがって、低炭素数成分燃料の気筒内への導入の有無に拘わらず、出力を一定にさせる必要上このような制御をすることが望ましいのである。
（５）前記クラッキングには熱分解を適用し、この熱分解は無酸素状態で行うことが好ましい。
【００２２】
無酸素状態で熱分解すると、燃料が酸化しない非酸化状態で熱分解のみ行えるからであり、この場合、燃料の水素重合を無くして煤の生成を抑制できるからである。
（６）前記熱分解は７００℃以上で行うことが好ましい。
【００２３】
７００℃よりも低温状態で熱分解を行うと、炭素数１１以下にクラッキングするのに長い時間必要であり、メタンの生成量も多くなるからである。
この点７００℃以上の加熱物に接触させて瞬間的にクラッキングを行うとメタンの生成量は少なくなる。また、クラッキングが短時間で行われるため、クラッキングされた燃料の吸気系への調量の制御性も容易となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付した図面に基づいて説明する。
〈実施の形態〉
図１を用いて、第１の実施の形態を説明する。
【００２５】
図１に内燃機関として例示するディーゼルエンジン１の全体構造を概略示す。
エンジン１のシリンダブロック２に形成されたシリンダ２ａには、ピストン３が上下動可能に設けられている。ピストン３の上部には、凹部６を燃焼室として形成してある。
【００２６】
シリンダブロック２は、その上部にシリンダヘッド７が載置固定され、その内部には、燃焼室６に臨む吸気ポート８と排気ポート９とが形成されている。
これら吸気ポート８および排気ポート９には、それぞれ吸気バルブ８ａおよび排気バルブ９ａが組み込まれ、また、吸気バルブ８ａと排気バルブ９ａとの間には、図示しないインジェクションポンプとつながっているインジェクタ１１を燃焼室６に臨んだ状態で取り付けてある。
【００２７】
そして、インジェクタ１１からは、インジェクションポンプのポンプ圧を受けて、適切な時期に適正量の高圧燃料が燃焼室６に向けて噴射される。インジェクタ１１は、燃焼室６に機関作動用燃料として軽油を噴射するのでこれを便宜上主噴射装置という。
【００２８】
また、吸気ポート８には吸気管１３が接続され、排気ポート９には排気管１５が接続されている。
吸気管（機関吸気通路）１３には、図示しないエアクリーナを経由して流れて来る外気の流量を測定するエアフロータ１７と、吸気管１３の吸気流量を調整するスロットル弁１９と、主噴射装置であるインジェクタ１１に対する副噴射装置２１を取り付けてある。副噴射装置２１については後で詳述する。
【００２９】
排気管（機関排気通路）１５には、インジェクタ１１によって燃焼室６内に噴射された軽油を燃焼することにで排出される排気の浄化用に備えられ、排気がリーン空燃比状態にあるときに排気中のＮＯｘを吸蔵し、排気がリッチ空燃比または理論空燃比状態にあるときにそれまで吸蔵していたＮＯｘを放出することで再生を図る吸蔵還元型リーンＮＯｘ触媒２２を取り付けてある。
【００３０】
また、排気管１５の上流には排気分散管である排気マニホールド２３を、また吸気管１３の下流側には吸気集合管である吸気マニホールド２５を設置してある。そして、これら両マニホールドは、排気再循環通路であるＥＧＲ通路２７で連結されている。
【００３１】
ＥＧＲ通路２７は、周知のごとく排気ガスの一部を排気管１５から吸気管１３へ戻して排気ガスを再循環することにより燃焼室６で生じるＮＯｘを低減するための装置である。また、ＥＧＲ通路２７には、ここを通って排気側から吸気側へ再循環する排気ガスの量を制御するＥＧＲ弁２９が設けられている。
【００３２】
次に吸気管１３に設置した副噴射装置２１について説明する。
副噴射装置２１は、吸蔵還元型リーンＮＯｘ触媒２２の再生要求時、軽油をクラッキングすることで、インジェクタ１１から噴射される燃料よりも炭素数が低い、具体的にはガソリン並に炭素数の少ないＣ１１以下の低炭素数成分燃料（以下特に断らない限り「改質燃料」という。）を生成するとともにこの改質燃料をシリンダ２ａ内で均一に分散する予混合噴霧を行う装置である。
【００３３】
副噴射装置２１では、改質燃料としてメタンの生成を極力抑える。
低炭素数成分燃料は、空気と混合し易く、よって、これを燃焼した場合にスモークの発生量を少なくできる燃料をいう。
【００３４】
また、メタンはこれを燃焼室６で燃焼しても化学変化しにくく、よってそのまま排気管１５に排出され、その後、このメタンが排気浄化用触媒２２に至っても、そこでも反応しにくいため触媒２２によるメタンの排気浄化ができないからである。
【００３５】
このような副噴射装置２１は、改質燃料を生成するために軽油をクラッキングするクラッキング部３３と、このクラッキング部３３に機関作動用燃料としてインジェクタ１１から噴射される軽油と同じ軽油を供給する燃料供給部３５とからなる。
【００３６】
クラッキング部３３は、燃料供給部３５から供給された軽油を無酸素状態でかつ７００℃以上の高熱で熱分解する。よって、クラッキング部３３は、軽油の通る油路３７と、油路３７に軽油が流れている間に軽油を熱分解するヒータ部３９とを有する。また、ヒータ部３９は、そこに電流を流すことによって発熱する。
【００３７】
無酸素状態で熱分解するのは、軽油が酸化しない非酸化状態で熱分解のみ行えるからであり、この場合、燃料の水素重合を極力無くして煤の生成を抑制できるからである。
【００３８】
また、７００℃以上としたのは、７００℃よりも低温状態で熱分解を行うと、炭素数１１以下にクラッキングするのに長い時間必要であり、メタンの生成量も多くなるからである。
【００３９】
この点７００℃以上の加熱物に接触させて瞬間的にクラッキングを行うとメタンの生成量は少なくなる。また、クラッキングが短時間で行われるため、クラッキングされた燃料の吸気系への調量の制御性も容易となる。
【００４０】
よって、ヒータ部３９の温度が７００℃に至らない間は、燃料供給部３５からヒータ部３９に軽油を流さない。
燃料供給部３５は、油路３７に軽油を導入する導入路４１と、導入路４１の途中に設けられ、導入路４１を流れる軽油の流量を制御する制御弁４３とを有する。導入路４１は図示しないポンプとつながっており、このポンプの圧力で導入路４１を流れる軽油をクラッキング部３３に押し出し、これによってクラッキング部３３で生成された改質燃料を吸気管１３に噴射導入するのである。
【００４１】
そして、副噴射装置２１の作動時には、主噴射装置であるインジェクタ１１による燃料噴射は遅角または／および減量して行う。
これは、つぎのような理由による。すなわち、シリンダ容積は変わらないので、改質燃料が導入される分に応じてインジェクタ１１による軽油の導入量を低減させなければ出力が増大してしまうからである。改質燃料のシリンダ内への導入の有無に拘わらず、出力を一定にさせる必要上、このような制御をすることが望ましい。
【００４２】
なお、クラッキングは、熱分解に限るものではないのは勿論であり触媒を利用する接触分解等の他の分解手段を適用してもよい。
また、軽油が流通するクラッキング部３３には、残渣物が油路３７に付着し易くそのままにしておくと油路３７が詰まることがある。そこで、この残渣物を定期的に除去してクリーニングする。残渣物は通常可燃物であるので、これを燃焼してしまえば残渣物の除去ができる。
【００４３】
このため、クラッキング部３３には軽油を低炭素数成分燃料に改質することを要しない非改質時、すなわち吸蔵還元型リーンＮＯｘ触媒がその再生を要求されていない時に、軽油の流れを止めて外部からヒータ部３９内に前記残渣物の燃焼用空気を入れることが望ましい。
【００４４】
具体的には、クラッキング部３３の適所である、例えば制御弁４３よりも下流箇所に図示しない空気導入部を設け、この空気導入部から残渣物燃焼用の空気を送る。このようにすると、ヒータ部３９の熱と前記空気導入部から送られて来た空気とによって、可燃物である残渣物を燃焼できる。
【００４５】
なお、残渣物を除去する場合にのみ空気を流すのであって、軽油を熱分解する場合は、既述のように無酸素状態で行うことは勿論である。
以上のように、気筒内に機関作動用燃料を噴射するインジェクタ１１と、インジェクタ１１によって噴射された燃料の燃焼によって排出される排気の浄化用に排気管１５に備えられ、排気がリーン空燃比状態にあるときに排気中のＮＯｘを吸蔵し、排気がリッチ空燃比または理論空燃比状態にあるときにそれまで吸蔵していたＮＯｘを放出することで再生を図る吸蔵還元型リーンＮＯｘ触媒２２と、吸蔵還元型リーンＮＯｘ触媒２２の再生要求時、機関作動用燃料である軽油を熱分解することでインジェクタ１１によって噴射される軽油に比べ炭素数が１１以下とガソリン並に低い適宜の改質燃料を生成するとともにこの改質燃料をシリンダ２ａ内で均一に分散する予混合噴霧を行う副噴射装置２１を有するものが、本発明に係る圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置である。
〈実施の形態の作用効果〉
次に、このような圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置の作用効果について説明する。
【００４６】
吸蔵還元型リーンＮＯｘ触媒２２の再生要求時に、副噴射装置２１によって軽油を副噴射装置２１のヒータ部３９で熱分解することで炭素数１１以下の適宜の改質燃料を生成し、この改質燃料をシリンダ２ａ内で均一に分散する予混合噴霧を行うため、インジェクタ１１によって機関作動用燃料としての軽油が吸気管１３を軽油してシリンダ２ａ内に噴射されると、機関作動用燃料としての軽油と炭素数１１以下の改質燃料に改質された改質燃料とが混在する。
【００４７】
しかも、この改質燃料は炭素数１１であるから空気と混合し易いため、機関作動用燃料としての軽油と改質燃料とからなるシリンダ２ａ内の燃料は、全体として軽油だけをシリンダ２ａ内に噴射した場合と比べ、空気（酸素）との混合割合が高くなる（酸素と結合し易くなる）。
【００４８】
燃料が空気と結合し易くなると、燃料を構成する分子と酸素分子とが均一に反応してメタン化やスモークの生成が少なくなる。反対に一酸化炭素の生成が多くなる。そして、このような場合、吸蔵還元型リーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵を十分にかつ迅速に還元できる。
【００４９】
要するに、機関作動用燃料としての軽油と改質燃料とが混在する燃料を燃焼した時に排出される排気の空燃比を空燃比制御を行ってリッチ空燃比や理論空燃比とし、そのような空燃比の排気を吸蔵還元型リーンＮＯｘ触媒の再生用に使っても、スモークは発生しにくくなる。
【００５０】
また、副噴射装置２１によって噴射される改質燃料を吸気管１３に導入するようになっている。これは、炭素数が１１以下の軽質な改質燃料であれば、それ自体がもともと付着しにくい性質があるが、このようにすると、副噴射装置２１から噴射された改質燃料のシリンダボア（シリンダ開口），吸気ポート９，ピストン３，シリンダ壁等への付着がなく、また、オイルが燃料によって希釈されてしまうオイル希釈を生じないようにできるからである。
【００５１】
さらに熱分解を７００℃以上で行うのでメタンの生成を抑制できる。
そして、熱分解によって軽質化された改質燃料が燃焼室６内でたとえ燃え残ってスモークが発生したにしても軽質化された炭化水素故、触媒下流にまで至らなくとも触媒上流側でも十分に浄化できる。
【００５２】
加えて、副噴射装置２１ではそこに付着した残渣物を燃焼することによってクリーニングできるので、このクリーニングを定期的に行うようにすれば副噴射装置２１に目詰まりを生じてしまうこともない。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、排気管に吸蔵還元型リーンＮＯｘ触媒を適用した内燃機関において、空燃比制御の実行によって排気空燃比を触媒再生用にリッチ空燃比や理論空燃比にしてもスモークの発生を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置を採用したディーゼルエンジンの構成図である。
【符号の説明】
１ディーゼルエンジン
２シリンダブロック
２ａシリンダ（気筒）
３ピストン
６燃焼室
７シリンダヘッド
８吸気ポート
８ａ吸気バルブ
９排気ポート
９ａ排気バルブ
１１インジェクタ（主噴射装置）
１３吸気管（機関吸気通路）
１５排気管（機関排気通路）
１７エアフロータ
１９スロットル弁
２１副噴射装置
２２吸蔵還元型リーンＮＯｘ触媒
２３排気マニホールド
２５吸気マニホールド
２７ＥＧＲ通路
２９ＥＧＲ弁
３３クラッキング部
３５燃料供給部
３７油路
３９ヒータ部
４１導入路
４３制御弁

Claims

気筒内に機関作動用燃料を噴射する主噴射装置と、この主噴射装置によって噴射された前記燃料の燃焼によって排出される排気の浄化用に機関排気通路に備えられ、排気がリーン空燃比状態にあるときに排気中のＮＯｘを吸蔵し、排気がリッチ空燃比または理論空燃比状態にあるときにそれまで吸蔵していたＮＯｘを放出することで再生を図る吸蔵還元型リーンＮＯｘ触媒と、を有する圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置において、前記吸蔵還元型リーンＮＯｘ触媒の再生要求時、前記機関作動用燃料をクラッキングすることで前記主噴射装置によって噴射される燃料よりも炭素数が低い低炭素数成分燃料を生成するとともにこの低炭素数成分燃料を前記気筒内で均一に分散する予混合噴霧を行う副噴射装置を有し、
前記吸蔵還元型リーンＮＯｘ触媒の再生要求時に、前記副噴射装置から予混合噴霧された前記低炭素数成分燃料を、前記気筒において空気との混合割合が高い状態で燃焼させることを特徴とする圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
前記低炭素数成分燃料の炭素数は１１以下であることを特徴とする請求項１記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
前記副噴射装置によって噴霧される前記低炭素数成分燃料は、機関吸気通路に導入されることを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記副噴射装置の作動時には、前記主噴射装置による燃料噴射は遅角または／および減量して行うことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
前記クラッキングには熱分解を適用し、この熱分解は無酸素状態で行うことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
前記熱分解は７００℃以上で行うことを特徴とする請求項５記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。