JP4241181B2 - 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、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
内燃機関の排気通路に排気の空燃比に応じてNOxを吸収、放出するNOx吸収剤を配置し、NOx吸収剤からNOxを放出させるとともに放出されたNOxを還元浄化するときの吸収剤の温度を所定温度以下に制御する排気浄化装置が提案されている(特許文献1参照)。その他、本発明に関連する技術として特許文献2〜5が存在する。
【0003】
【特許文献1】
特開平8−200049号公報
【特許文献2】
実開昭63−69712号公報
【特許文献3】
特開平6−123259号公報
【特許文献4】
特開平11−229856号公報
【特許文献5】
特開平11−153025号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
内燃機関の排気浄化装置に使用される触媒等の排気浄化手段は、適正な温度範囲内において高い浄化性能を発揮する。ところが、排気の温度は内燃機関の運転条件によって変化するので、排気浄化手段を常に適正な温度範囲内に維持することができないおそれがある。また、排気浄化手段に付着した粒子状物質(PM)の燃焼や排気中に含まれる炭化水素(HC)の酸化によって排気浄化手段が加熱され、適正な温度範囲から外れるおそれもある。
【0005】
しかしながら、上述した排気浄化装置では、排気通路に設けた冷却用フィンによって排気を冷却しているので、排気温度が急に上昇した場合、又はPMやHCの再生が過度に進行した場合に排気浄化手段の温度を適正な温度範囲内に維持することが困難である。
【0006】
そこで、本発明は、排気浄化手段への加熱に対して排気浄化手段を適正な温度範囲内に維持し、高い浄化性能を持続させることができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の排気浄化装置は、内燃機関の排気を浄化する排気浄化手段と、前記内燃機関の排気通路に接続され、前記排気通路から捕集された排気を蓄えるとともに蓄えた排気を前記排気浄化手段に供給可能なタンクと、前記タンクから前記排気浄化手段に供給される排気の供給量を操作する供給量操作手段と、前記排気浄化手段の温度を取得する温度取得手段と、前記排気浄化手段が適正な温度範囲に維持されるように前記温度取得手段が取得した温度に基づいて前記供給量操作手段を制御する排気供給制御手段とを備え、前記排気供給制御手段は、前記温度取得手段が前回取得した温度と前記温度取得手段が今回取得した温度とを比較して前記排気浄化手段の温度が前記適正な温度範囲よりも上昇することが予想される場合に前記タンクから前記排気浄化手段に排気が供給されるように前記供給量操作手段を制御することにより、上述した課題を解決する(請求項1)。
【0008】
本発明の排気浄化装置によれば、排気浄化手段の温度に応じて冷却に必要な量の排気をタンクから供給することができるので、内燃機関から排気浄化手段に流入する排気の温度が急に上昇した場合でも排気浄化手段を適正な温度範囲内に維持することができる。従って、高い浄化性能を持続させることができる。
【0009】
本発明における排気浄化手段には、浄化性能に温度依存性のある手段が適用され、特に浄化性能を発揮する温度範囲の狭い手段が好適に適用される。また、吸蔵還元型NOx触媒とパティキュレートフィルタとを組み合わせた排気浄化システムも本発明の排気浄化手段に含まれる。
【0010】
前記排気供給制御手段は、前記排気浄化手段の温度が上昇した場合に前記供給量が増加するように前記供給量操作手段を制御してもよい(請求項2)。このように供給量を制御することで、排気浄化手段の温度上昇を抑えることができる。
【0011】
本発明の排気浄化装置において、前記排気通路から前記タンクへの排気の導入を許可する位置とその導入を阻止する位置との間で切り替え可能な弁手段と、排気中の酸素濃度が所定レベルよりも低くなる運転条件で前記内燃機関が運転されている場合に前記排気が前記タンクに導入されるように前記弁手段を制御する弁制御手段とを備えてもよい(請求項3)。酸素濃度の低い排気をタンクに蓄え、この排気を排気浄化手段に供給することにより、排気浄化手段へ流入する排気の酸素分圧を下げてPMの燃焼やHCの酸化を抑制することができる。これにより、タンクに蓄えた排気による排気浄化手段の冷却効果を高めることができるので、より安定して排気浄化手段を適正な温度範囲内に維持することができる。
【0012】
流入する排気の空燃比をストイキ又はリッチに設定することによって機能が再生される吸蔵還元型NOx触媒が前記排気浄化手段として設けられ、前記弁制御手段は、前記NOx触媒の機能再生時の排気が前記タンクに導入されるように前記弁手段を制御してもよいし(請求項4)、内燃機関の排気の少なくとも一部を吸気通路に戻すEGR通路と、前記EGR通路を流通するEGRガス量を制御するEGR弁と、をさらに有し、前記弁制御手段は、EGRガスの増量によって前記内燃機関の燃焼温度を低下させる処理が行われているときの排気が前記タンクに導入されるように前記弁手段を制御してもよい(請求項5)。内燃機関の燃焼温度を低下させる処理(低温燃焼)を行っている場合も、大量のEGRガスによって空燃比がリッチになるので、排気の酸素濃度が低下する。従って、このように弁手段を制御することにより、タンクに酸素濃度の低い排気を蓄えることができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
図1に本発明の排気浄化装置が組み込まれた内燃機関の要部を示す。内燃機関1は、複数(図1では4つ)の気筒2を備えたディーゼルエンジンとして構成されている。周知のように、内燃機関1には吸気通路3及び排気通路4が接続され、吸気通路3には吸気濾過用のエアフィルタ5、排気エネルギを利用して吸気圧を高める過給機6のコンプレッサ6a、吸気を冷却するインタークーラ7、吸気量調整用のスロットルバルブ8が設けられている。排気通路4には過給機6のタービン6b、排気浄化手段としての触媒9、触媒9の温度に対応した信号を出力する温度取得手段としての温度センサ10、排気の酸素濃度に対応した信号を出力する酸素濃度センサ11が設けられている。触媒9には、吸蔵還元型NOx触媒が利用される。排気通路4は、排気の一部を吸気通路3に戻すためEGRクーラ12及びEGR弁13を介してEGR通路22によって吸気通路3と接続されている。内燃機関1の各気筒2にはそれぞれ燃料噴射弁14が設けられ、各燃料噴射弁14は所定圧の燃料を蓄えるコモンレール15に接続されている。
【0014】
内燃機関1の運転状態はエンジンコントロールユニット(ECU)16により制御される。ECU16は、マイクロプロセッサ及びその動作に必要なROM、RAM等の周辺装置を組み合わせたコンピュータとして構成されている。ECU16は、例えば内燃機関1がアイドリングや低負荷の状態で運転されている場合にEGR弁13の開度を大きくしてEGRガスの流量を増加させ、内燃機関1の燃焼温度を低下させる処理(低温燃焼)を実行する。またECU16は、排気の空燃比をストイキ又はリッチにして触媒9の機能を再生させる処理を所定の周期で実行する。
【0015】
排気通路4には、排気を蓄えるためのタンク17が接続されている。タンク17には、タンク17内の圧力に対応した信号を出力する圧力センサ18が設けられている。またタンク17には、タンク17内に蓄えた排気を触媒9に供給するための排気供給通路19が接続されている。タンク17へ排気を導入するため、排気通路4上には図1の矢印A方向と矢印B方向との間で排気の流れ方向を切り替える弁手段としての切替弁20が設けられている。また、供給口19aから触媒9に供給される排気の供給量を制御するため、排気供給通路19には供給量操作手段として供給弁21が設けられている。
【0016】
タンク17は、金属性の箱のように一定の形状を保持できる程度の剛性を有していてもよいし、容積可変の袋状に構成されていてもよい。供給弁21は、流量を適宜に変化させることができるものでもよいし、開閉のみが制御できるものでもよい。切替弁20は排気捕集位置において、排気の全量に対して図1の矢印B方向への通過を禁止してもよいし、一部の排気の通過を許容してもよい。
【0017】
供給弁21及び切替弁20の動作はECU16により制御される。図2及び図3は、ECU16が供給弁21及び切替弁20をそれぞれ制御するために実行する排気供給制御ルーチン及び排気捕集制御ルーチンを示すフローチャートである。ECU16は、これらの制御ルーチンを実行することにより、排気供給制御手段及び弁制御手段として機能する。図2及び図3のルーチンは、内燃機関1の運転中に所定の周期で繰り返し実行される。
【0018】
図2の排気供給制御ルーチンにおいて、ECU16はまずステップS11でタンク17内に触媒9へ供給可能な排気が有るか否かを判断する。排気の有無は例えば圧力センサ18によって判断し、圧力センサ18の出力が大気圧に近い圧力を示している場合に供給可能な排気が無いと判断することができる。
【0019】
供給可能な排気が有ると判断した場合はステップS12に進み、排気が触媒9に供給中か否かを判別するための供給フラグが、供給中であることを示すオンの状態であるか否かを判断する。供給フラグがオンの状態ではないと判断した場合はステップS13に進み、触媒9の温度が排気を浄化するのに適正な温度範囲よりも上昇しているか否かを判断する。なお、適正な温度範囲とは、触媒9が高い浄化性能を発揮する温度範囲のことである。触媒9の温度とNOx浄化率との関係の一例を図4に示す。図4から明らかなように、NOx浄化率は温度と依存関係にあり、触媒9には高い浄化性能を発揮する温度範囲が存在する。そのため、NOx浄化性能を所定のレベル(図4中の点線)以上に維持するためには、図4のAの温度よりも温度を低くする必要がある。触媒9の温度が上昇しているか否かの判断は、前回の制御ルーチンの実行時に温度センサ10が取得した温度と今回温度センサ10が取得した温度とを比較して適正範囲よりも上昇することが予想される場合にステップS13を肯定する。
【0020】
触媒9の温度が上昇していると判断した場合はステップS14に進み、上昇していないと判断した場合は今回の制御ルーチンを終了する。ステップS14では供給弁21を開いて触媒9にタンク17から排気を供給し、続くステップS15で供給フラグをオンの状態にする。その後今回の制御ルーチンを終了する。
【0021】
ステップS12で供給フラグがオンの状態であると判断した場合はステップS16に進み、タンク17から供給する排気によって触媒9の冷却が不要か否かを判断する。冷却が不要か否かは、例えば触媒9が高い浄化性能を発揮する温度範囲の下限の温度(図4のBの温度)と温度センサ10が取得した温度とを比較して判断することができる。冷却が不要と判断した場合はステップS17に進み、冷却は必要と判断した場合は今回の制御ルーチンを終了する。ステップS17では供給弁21を閉じてタンク17からの排気の供給を停止し、続くステップS18で供給フラグをオフの状態にする。その後今回の制御ルーチンを終了する。なお、ステップS11でタンク17に供給可能な排気が無いと判断した場合もステップS17、S18の処理を実行し、その後今回の制御ルーチンを終了する。
【0022】
このように供給弁21を制御することにより、触媒9の温度に応じてタンク17から排気を供給することができるので、触媒9を適正な温度範囲に維持することができる。
【0023】
一方、タンク17に排気を捕集するために実行する図3の排気捕集ルーチンにおいて、ECU16はまずステップS21で排気の酸素濃度が所定レベルよりも低いか否かを判断する。排気の酸素濃度が低いか否かは、例えば酸素濃度センサ11が取得した排気の酸素濃度が所定の酸素濃度以下を示しているか否かで判断することができる。酸素濃度が低いと判断した場合はステップS22に進み、タンク17の捕集量が限界か否かを判断する。捕集量が限界か否かは、例えば圧力センサ18の出力が所定の圧力を超えたか否かで判断することができる。タンク17の捕集量が限界ではないと判断した場合、ECU16はタンク17に排気が捕集される(図1の矢印A方向に排気が流れる)ように切替弁20の位置に切り替える。その後今回の制御ルーチンを終了する。
【0024】
ステップS21で酸素濃度が高いと判断した場合及びステップS22でタンク17の捕集量が限界であると判断した場合はステップS24に進み、ECU16は排気が大気に放出される(図1の矢印B方向に排気が流れる)ように切替弁20の位置を切り替える。その後今回の制御ルーチンを終了する。
【0025】
このように切替弁20を制御することにより、タンク17に酸素濃度の低い排気を蓄えることができる。
【0026】
また、図5及び図6に示した制御ルーチンを実行することによっても酸素濃度の低い排気をタンク17に捕集することができる。これらのルーチンも内燃機関1の運転中に所定の周期で繰り返し実行される。なお、図5及び図6において図3と同一の処理には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【0027】
図5の排気捕集制御ルーチンにおいて、ECU16はまずステップS31で触媒9の機能が再生中か否かを判断する。再生中であると判断した場合はステップS22に進み、タンク17の捕集量が限界か否かを判断する。タンク17の捕集量が限界ではないと判断した場合、ECU16はタンク17に排気が捕集されるように切替弁20の位置を切り替える。その後今回の制御ルーチンを終了する。
【0028】
ステップS31で再生中ではないと判断した場合及びステップS22でタンク17の捕集量が限界であると判断した場合はステップS24に進み、ECU16は排気が大気に放出されるように切替弁20の位置を切り替える。その後今回の制御ルーチンを終了する。
【0029】
触媒9の機能再生中は、例えば燃料噴射弁14から噴射する燃料量を増加して、排気の空燃比をストイキ又はリッチな状態にする。従って、図5の制御ルーチンによって切替弁20の動作を制御しても、タンク17に酸素濃度の低い排気を捕集することができる。なお、吸蔵還元型NOx触媒の再生には、流入する排気の空燃比をストイキ又はリッチに設定して吸蔵されたNOxを放出させるNOx再生と、流入する排気の空燃比をストイキ又はリッチに設定するとともにNOx再生時よりも排気の温度を高温にして硫黄分(S)を放出させるS再生とがある。NOx再生及びS再生のいずれにおいても、排気の空燃比がストイキ又はリッチに設定されるので、ステップS31ではNOx再生とS再生のいずれが実行されていても肯定判断してよい。
【0030】
一方、図6の排気捕集制御ルーチンにおいて、ECU16はまずステップS41で内燃機関1が低温燃焼の状態で運転中(低温燃焼中)であるか否かを判断する。低温燃焼中であると判断した場合はステップS22に進み、タンク17の捕集量が限界か否かを判断する。タンク17の捕集量が限界ではないと判断した場合、ECU16はタンク17に排気が捕集されるように切替弁20の位置を切り替える。その後今回の制御ルーチンを終了する。
【0031】
ステップS41で低温燃焼中ではないと判断した場合及びステップS22でタンク17の捕集量が限界であると判断した場合はステップS24に進み、ECU16は排気が大気に放出されるように切替弁20の位置を切り替える。その後今回の制御ルーチンを終了する。
【0032】
内燃機関1の燃焼温度を低下させるために、低温燃焼中は大量のEGRガスを吸気側に循環させている。そのため、内燃機関1は空燃比がリッチになり、内燃機関1から排出される排気も空燃比がリッチな状態になる。従って、図6の制御ルーチンによって切替弁20の動作を制御することでも、タンク17に酸素濃度の低い排気を捕集することができる。
【0033】
本実施形態によれば、タンク17に酸素濃度の低い排気を蓄え、この排気を触媒9の温度に応じて供給口19aから触媒9に供給するので、触媒9に流入する排気の酸素分圧を低下させることができる。これにより、触媒9を冷却しつつPMの燃焼やHCの酸化を抑制することができるので、触媒9を適正な温度範囲に維持することができる。
【0034】
本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、種々の形態にて実施してよい。内燃機関1はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジンに本発明を適用することもできる。触媒9は、吸蔵還元型NOx触媒に限定されず、種々の排気浄化触媒を適用することができる。例えば、図7にHC吸着割合及びHC放出割合と温度との関係を示したようなHC吸着触媒を適用することができる。図7から明らかなように、HC吸着割合及びHC放出割合は温度と依存関係にある。そのため、HCの放出割合を所定のレベル(図7の点線)以下に維持する場合には、図7のAの温度以下にHC吸着触媒の温度を維持する必要がある。このように温度管理が必要な触媒に本発明は好適に適用することができる。
【0035】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、排気浄化手段の温度に応じてタンクから供給する排気の供給量を制御するので、排気浄化手段が適正な温度範囲内に維持され、高い浄化性能を持続させることができる。また、酸素濃度の低い排気をタンクに蓄え、この排気を供給するので、PMの燃焼やHCの酸化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の排気浄化装置が組み込まれた内燃機関の要部を示す図。
【図2】図1のECUが実行する排気供給制御ルーチンを示すフローチャート。
【図3】図1のECUが実行する排気捕集制御ルーチンを示すフローチャート。
【図4】NOx浄化触媒のおける温度とNOx浄化率との関係の一例を示す図。
【図5】図1のECUが実行する排気捕集制御ルーチンの他の形態を示すフローチャート。
【図6】図1のECUが実行する排気捕集制御ルーチンのさらに他の形態を示すフローチャート。
【図7】HC吸着触媒におけるHC吸着割合及びHC放出割合と温度との関係の一例を示す図。
【符号の説明】
1 内燃機関
3 吸気通路
4 排気通路
9 触媒(排気浄化手段)
10 温度センサ(温度取得手段)
13 EGR弁
16 エンジンコントロールユニット(排気供給制御手段、弁制御手段)
17 タンク
20 切替弁(弁手段)
21 供給弁(供給量制御手段)
22 EGR通路
Claims (5)
- 内燃機関の排気を浄化する排気浄化手段と、前記内燃機関の排気通路に接続され、前記排気通路から捕集された排気を蓄えるとともに蓄えた排気を前記排気浄化手段に供給可能なタンクと、前記タンクから前記排気浄化手段に供給される排気の供給量を操作する供給量操作手段と、前記排気浄化手段の温度を取得する温度取得手段と、前記排気浄化手段が適正な温度範囲に維持されるように前記温度取得手段が取得した温度に基づいて前記供給量操作手段を制御する排気供給制御手段とを備え、
前記排気供給制御手段は、前記温度取得手段が前回取得した温度と前記温度取得手段が今回取得した温度とを比較して前記排気浄化手段の温度が前記適正な温度範囲よりも上昇することが予想される場合に前記タンクから前記排気浄化手段に排気が供給されるように前記供給量操作手段を制御することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 前記排気供給制御手段は、前記排気浄化手段の温度が上昇した場合に前記供給量が増加するように前記供給量操作手段を制御す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。
- 前記排気通路から前記タンクへの排気の導入を許可する位置とその導入を阻止する位置との間で切り替え可能な弁手段と、排気中の酸素濃度が所定レベルよりも低くなる運転条件で前記内燃機関が運転されている場合に前記排気が前記タンクに導入されるように前記弁手段を制御する弁制御手段とを備えた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。
- 流入する排気の空燃比をストイキ又はリッチに設定することによって機能が再生される吸蔵還元型NOx触媒が前記排気浄化手段として設けられ、前記弁制御手段は、前記NOx触媒の機能再生時の排気が前記タンクに導入されるように前記弁手段を制御することを特徴とする請求項3に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 内燃機関の排気の少なくとも一部を吸気通路に戻すEGR通路と、前記EGR通路を流通するEGRガス量を制御するEGR弁と、をさらに有し、前記弁制御手段は、EGRガスの増量によって前記内燃機関の燃焼温度を低下させる処理が行われているときの排気が前記タンクに導入されるように前記弁手段を制御することを特徴とする請求項3又は4に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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