JP4404048B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関から排出される排気中の有害成分を除去して排気を浄化する内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気通路に設けられた吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＮＯｘ触媒という）のＮＯｘ吸蔵量が限界量に達する前に、吸気流量を低減すると共に排気通路内に燃料を添加して、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを放出及び還元浄化し、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能力を回復させる制御が一般的に行われている。この制御をＮＯｘ還元処理という。

そして、ＮＯｘ還元処理などにおける燃料添加の実施の際に、排気流量、排気温度、並びに排気通路内壁の壁温を検出又は推定し、これらのパラメータに基づいて、添加燃料の蒸発量（微粒化量）を推定し、これを加味してその添加量や添加タイミングを決定する技術が知られている（特許文献１参照）。
特開２００２−３８９３９号公報 特開平９−２２８８６９号公報 特開２００１−４１０２５号公報

本発明は上記事情に鑑みなされたもので、その目的とするところは、内燃機関の排気浄化装置において、排気浄化能力をより効率的に回復させることが可能な技術を提供することにある。

本発明にあっては、以下の構成を採用する。すなわち、
内燃機関の排気通路に設けられ排気を浄化する排気浄化手段に燃料を供給することで前記排気浄化手段の排気浄化能力を回復させる内燃機関の排気浄化装置であって、
前記排気浄化手段の排気浄化能力を回復させる際に、
前記排気浄化手段へ流入する排気の温度が第１所定範囲内にあり、かつ、前記排気浄化手段の温度が第２所定範囲内にある場合には、微粒化度合いが比較的低くなるように燃料の供給を実行し、
前記排気浄化手段へ流入する排気の温度が前記第１所定範囲の下限温度よりも低い場合、又は、前記排気浄化手段の温度が前記第２所定範囲の上限温度よりも高い場合には、微粒化度合いが比較的高くなるように燃料の供給を実行することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。

本発明における、排気についての第１所定範囲の温度及び排気浄化手段についての第２所定範囲の温度は、排気浄化手段の排気浄化能力を回復させる際に供給される燃料の微粒化度合いが比較的低くても、排気浄化手段の排気浄化能力を好適に回復させることができる温度範囲である。

この構成によると、排気浄化手段の排気浄化能力を回復させる際に、排気の温度が第１所定範囲内にあり、かつ、排気浄化手段の温度が第２所定範囲内にある場合には、供給された燃料の微粒化度合いを比較的低くするので、比較的多くの燃料が短時間で排気浄化手段に到達することになる。そのため、排気浄化手段における、該排気浄化手段の排気浄化能力を回復させるための化学反応がより早期に実施される。従って、排気浄化手段の排気
浄化能力をより早期に回復させることができる。

一方、排気浄化手段の排気浄化能力を回復させる際に、排気の温度が第１所定範囲の下限温度よりも低い場合は、供給された燃料の微粒化度合いが比較的低いと、該燃料が排気浄化手段において化学反応し難くなる。そのため、供給された燃料が化学反応せずに排気浄化手段をすり抜ける虞がある。

本発明の構成によれば、排気の温度が第１所定範囲の下限温度よりも低い場合は、供給される燃料の微粒化度合いを比較的高くするので、より多くの燃料を排気浄化手段の排気浄化能力を回復させるための化学反応に利用できる。そのため、供給された燃料が化学反応せずに排気浄化手段をすり抜けることを抑制できる。

また、排気浄化手段の排気浄化能力を回復させる際に、排気浄化手段の温度が第２所定範囲の上限温度よりも高い場合は、供給された燃料が排気浄化手段において化学反応し易くなる。そのため、過剰な量の燃料が短時間で排気浄化手段に到達すると、排気浄化手段の温度が過剰に上昇する虞がある。

本発明の構成によれば、排気浄化手段の温度が第２所定範囲の上限温度よりも高い場合は、供給される燃料の微粒化度合いを比較的高くするので、燃料が徐々に排気浄化手段に到達することになる。そのため、排気浄化手段の温度が過剰に上昇することを抑制することができる。

このように、この構成では、状況に応じて供給する燃料の微粒化度合いを変更することによって、内燃機関の排気浄化装置において、排気浄化能力をより効率的に回復させることができる。

また、所定量の燃料の供給を実行すると共に燃料を供給しない期間である燃料供給不実行期間を有する１回の供給周期中に、所定量の燃料の供給を複数回に分けて間欠的に行うことで燃料の微粒化度合いが比較的高くなるようにするとよい。

この構成によると、簡易な構成で燃料の微粒化度合いを比較的高くなるようにすることができ、燃料の微粒化度合いの変更をより容易に達成することができる。

本発明によると、内燃機関の排気浄化装置において、排気浄化能力をより効率的に回復させることが可能となる。

以下に本発明の具体的な実施例を説明する。

実施例１では、本発明を車両駆動用エンジンに適用した場合について説明する。図１は、本実施例に係る内燃機関及びその吸排気系の概略構成を示す図である。

図１に示す内燃機関１は、直列４気筒の水冷式の４サイクル・ディーゼル機関である。

内燃機関１には、吸気通路２及び排気通路３が接続されている。吸気通路２の途中には、ターボチャージャ（過給機）４のコンプレッサ４ａが設置されている。一方、排気通路３の途中には、ターボチャージャ４のタービン４ｂが設置されている。タービン４ｂは、排気通路３を流れる排気によって駆動され、コンプレッサ４ａは、駆動されたタービン４
ｂと共に回転して吸気通路２を流れる吸気を過給する。

排気通路３におけるタービン４ｂより下流の部位には、内燃機関１の気筒から排出される排気を浄化するためのフィルタ５が配置されている。なお、フィルタ５は、内燃機関１から排出される粒子状物質（以下、ＰＭと称する）を捕集するものである。また、該フィルタ５には、ＮＯｘ触媒が担持されている。本実施例においては、フィルタ５が本発明の排気浄化手段に相当する。

フィルタ５の直上流には、第１温度センサ６が配置されており、第１温度センサ６でフィルタに流入する排気の温度を検出している。本実施例においては、フィルタ５の直下流には、第２温度センサ７が配置されている。

排気通路３におけるタービン４ｂより下流かつフィルタ５の上流の部位には、排気通路３を流れる排気中に燃料を添加する燃料添加ノズル８が配置されている。燃料添加ノズル８が本発明の燃料添加手段に相当する。

以上の構成の内燃機関１には、内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）９が併設されている。このＥＣＵ９は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、
ＲＡＭ、バックアップＲＡＭなどからなる制御コンピュータである。

ＥＣＵ９には、第１、第２温度センサ６，７などが電気的に接続されている。そして、これらの出力信号がＥＣＵ９に入力される。ＥＣＵ９は、第２温度センサ７の出力値からフィルタ５の温度を推定する。

ＥＣＵ９には、内燃機関１の燃料噴射弁、燃料添加ノズル８などが電気的に接続されている。そして、ＥＣＵ９によってこれら燃料噴射弁、燃料添加ノズル８などが制御される。

また、ＥＣＵ９は、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、燃料添加ノズル８を用いた燃料添加を実行する。

ここで、燃料添加とは、フィルタ５の排気浄化能力を回復させる処理時に、燃料添加ノズル８から排気通路３内の排気中に燃料を添加するものである。上記フィルタ５の排気浄化能力を回復させる処理としては、ＮＯｘ還元処理、ＳＯｘ被毒回復処理、ＰＭ酸化除去処理などといった処理が挙げられる。

なお、ＮＯｘ還元処理は、燃料添加ノズル８から排気中へ燃料を添加させることにより、フィルタ５に担持されたＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比とし、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを放出・還元する処理である。ＳＯｘ被毒回復処理は、燃料添加ノズル８から排気中へ燃料を添加させることにより、燃料をフィルタ５に担持されたＮＯｘ触媒において酸化させ、酸化の際に発生する熱によってフィルタ５の温度を高めると共に、フィルタ５に担持されたＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比とし、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＳＯｘを放出・還元させる処理である。ＰＭ酸化除去処理は、燃料添加ノズル８から排気中へ燃料を添加させることにより、ＳＯｘ被毒回復処理と同様にフィルタ５の温度を高め、フィルタ５に捕集されたＰＭを酸化させ除去する処理である。

上記のようなＮＯｘ還元処理、ＳＯｘ被毒回復処理、及びＰＭ酸化除去処理においては、燃料添加ノズル８からの燃料添加が、燃料の添加を行わない燃料添加不実行期間を有する所定期間の添加周期毎に実行される。添加周期において燃料添加不実行期間を設けず燃料添加ノズル８からの燃料添加が長時間連続的に実行されるとフィルタ５の温度が過剰に
上昇する虞がある。そのため、上記のように燃料添加不実行期間を有する添加周期毎に燃料添加を実行することでフィルタ５の過昇温を抑制している。

また、本実施例では、この燃料添加において、燃料添加ノズル８から添加する燃料の微粒化度合いを状況に応じて変更する。すなわち、微粒化度合いが比較的高くなるように燃料を添加する場合と微粒化度合いが比較的低くなるように燃料を添加する場合とを状況に応じて切り換える。ここで、燃料の微粒化度合いとは、添加された燃料の粒径の大きさの程度を示しており、燃料の微粒化度合いを高くするほど該燃料の粒径は小さくなる。

本実施例においては、１回の添加周期中の燃料添加回数を変更することで、燃料添加ノズル８から添加される燃料の微粒化度合い変更する。即ち、添加される燃料の微粒化度合いを比較的低くする場合、１回の添加周期において添加すべき所定の燃料添加量を燃料添加ノズル８から連続的に添加する。以下、このような燃料添加を連続燃料添加と称する。一方、添加される燃料の微粒化度合いを比較的高くする場合、１回の添加周期において添加すべき所定の燃料添加量を、添加周期中に４回に分けて間欠的に燃料添加ノズル８から添加する。以下、このような燃料添加を間欠燃料添加と称する。

これによれば、より簡易な構成で燃料の微粒化度合いを変更することが可能となる。

ここで、ＮＯｘ還元処理時の燃料添加について図２に示すタイムチャートに基づいて説明する。図２（ａ）は、間欠燃料添加の場合の１回の添加周期を示しており、図２（ｂ）は、連続燃料添加の場合の１回の添加周期を示している。なお、ＮＯｘ還元処理においては、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを放出・還元するべく、実線で現されるＡ／Ｆ（空燃比）を破線のストイキ（理論空燃比）よりもリッチな空燃比である目標空燃比に移行させるために燃料添加が行われる。

具体的には、ＮＯｘ還元処理要求条件が満たされたときに、第１温度センサ６で検出するフィルタ５へ流入する排気の温度が第１温度範囲内にあり、かつ、第２温度センサ７の出力値から推定されるフィルタ５の温度が第２温度範囲内にある場合には、図２（ｂ）のような連続燃料添加を行い、燃料の微粒化度合いが比較的低くなるように燃料添加を実施する。

ここで、ＮＯｘ還元処理における、排気についての第１温度範囲の温度とフィルタ５についての第２温度範囲の温度は、フィルタ５に担持されたＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを放出・還元させる際に燃料添加ノズル８から添加される燃料の微粒化度合いが比較的低くても、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを好適に放出・還元できる温度範囲である。

上記排気の温度が第１温度範囲内にあり、かつ、フィルタ５の温度が第２温度範囲内にある場合には、添加された燃料の微粒化度合いを比較的低くするので、比較的多くの燃料が短時間でフィルタ５に到達することになる。そのため、図２（ｂ）に示すように、図２（ａ）のように間欠燃料添加を行った場合よりも早期にＡ／Ｆを目標空燃比に移行できる。よって、フィルタ５における、該フィルタ５の排気浄化能力を回復させるためのＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘの放出・還元がより早期に実施される。従って、ＮＯｘ還元処理をより早期に完了させることができる。

一方、ＮＯｘ還元処理要求条件が満たされたときに、第１温度センサ６で検出するフィルタ５へ流入する排気の温度が第１温度範囲の下限温度よりも低い場合は、図２（ａ）のような間欠燃料添加を行い、燃料の微粒化度合いが比較的高くなるように燃料添加を実施する。

ここで、上記排気の温度が第１温度範囲の下限温度よりも低い場合には、添加された燃料の微粒化度合いが比較的低いと、燃料が気化・霧化し難く、該燃料がフィルタ５においてＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘの放出・還元し難くなる。そのため、添加された燃料がＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘの放出・還元に使用されずにＮＯｘ触媒をすり抜ける虞がある。

しかし、本実施例では、排気の温度が第１温度範囲の下限温度よりも低い場合は、添加される燃料の微粒化度合いを比較的高くするので、燃料が比較的気化・霧化し易く、より多くの燃料がＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘの放出・還元に使用されることになる。よって、より多くの燃料がＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能力を回復させるためのＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘの放出・還元に利用でき、添加された燃料がＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘの放出・還元に使用されずにＮＯｘ触媒をすり抜けることを抑制できる。

また、ＮＯｘ還元処理要求条件が満たされたときに、第２温度センサ７の出力値から推定されるフィルタ５の温度が第２温度範囲の上限温度よりも高い場合は、図２（ａ）のような間欠燃料添加を行い、燃料の微粒化度合いが比較的高くなるように燃料添加を実施する。

ここで、上記フィルタ５の温度が第２温度範囲の上限温度よりも高い場合には、添加された燃料がフィルタ５においてＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘの放出・還元に使用され易くなる。そのため、一度に多量の燃料が短時間でフィルタ５に到達すると、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘの放出・還元が促進され反応に伴う発熱によりフィルタ５の温度が過剰に上昇する虞がある。

しかし、本実施例では、フィルタ５の温度が第２温度範囲の上限温度よりも高い場合は、添加される燃料の微粒化度合いを比較的高くするので、燃料が徐々にフィルタ５に到達することになる。そのため、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘの放出・還元が抑制され、反応に伴う発熱も抑えられ、フィルタ５の温度が過剰に上昇することを抑制することができる。

次に、ＰＭ酸化除去処理時の燃料添加について図３に示すタイムチャートに基づいて説明する。図３（ａ）は、間欠燃料添加の場合の１回の添加周期を示しており、図３（ｂ）は、連続燃料添加の場合の１回の添加周期を示している。なお、ＰＭ酸化除去処理においては、フィルタ５に担持されたＮＯｘ触媒上での燃料の酸化反応によって実線で現されるフィルタ５の温度を破線の目標温度に到達させるために燃料添加が行われる。なお、ＳＯｘ被毒回復処理においても同様の目的で燃料添加が行われる。

具体的には、ＰＭ酸化除去処理要求条件が満たされたときに、第１温度センサ６で検出するフィルタ５へ流入する排気の温度が第３温度範囲内にあり、かつ、第２温度センサ７の出力値から推定されるフィルタ５の温度が第４温度範囲内にある場合には、図３（ｂ）のような連続燃料添加を行い、燃料の微粒化度合いが比較的低くなるように燃料添加を実施する。

ここで、ＰＭ酸化除去処理における、排気についての第３温度範囲の温度とフィルタ５についての第４温度範囲の温度は、フィルタ５に担持されたＮＯｘ触媒上で燃料を酸化反応させる際に燃料添加ノズル８から添加される燃料の微粒化度合いが比較的低くても、ＮＯｘ触媒上で燃料を好適に酸化反応させることができる温度範囲である。

上記排気の温度が第３温度範囲内にあり、かつ、フィルタ５の温度が第４温度範囲内にある場合には、添加された燃料の微粒化度合いを比較的低くするので、比較的多くの燃料
が短時間でフィルタ５に到達することになる。そのため、フィルタ５に担持されたＮＯｘ触媒上で燃料の酸化反応が早期に実施され、図３（ｂ）に示すように、図３（ａ）のように間欠燃料添加を行った場合よりも早期にフィルタ５の温度の上昇が行える。従って、フィルタ５の昇温をより早期に行い、ＰＭ酸化除去処理開始がより早期に行われることで、ＰＭ酸化除去処理をより早期に完了させることができる。

一方、ＰＭ酸化除去処理要求条件が満たされたときに、第１温度センサ６で検出するフィルタ５へ流入する排気の温度が第３温度範囲の下限温度よりも低い場合は、図３（ａ）のような間欠燃料添加を行い、燃料の微粒化度合いが比較的高くなるように燃料添加を実施する。

ここで、上記排気の温度が第３温度範囲の下限温度よりも低い場合には、添加された燃料の微粒化度合いが比較的低いと、燃料が気化・霧化し難く、該燃料がＮＯｘ触媒上で酸化反応し難くなり、反応に伴う発熱も生じ難くなる。そのため、添加された燃料がＮＯｘ触媒上での酸化反応に使用されずにＮＯｘ触媒をすり抜ける虞がある。

しかし、本実施例では、排気の温度が第３温度範囲の下限温度よりも低い場合は、添加される燃料の微粒化度合いを比較的高くするので、燃料が比較的気化・霧化し易く、より多くの燃料がＮＯｘ触媒上での酸化反応にしようされることになる。よって、より多くの燃料がフィルタ５のＰＭ捕集能力を回復させるためのＮＯｘ触媒上での酸化反応に利用でき、添加された燃料がＮＯｘ触媒上での酸化反応に使用されずにＮＯｘ触媒をすり抜けることを抑制できる。

また、ＮＯｘ還元処理要求条件が満たされたときに、第２温度センサ７の出力値から推定されるフィルタ５の温度が第４温度範囲の上限温度よりも高い場合は、図３（ａ）のような間欠燃料添加を行い、燃料の微粒化度合いが比較的高くなるように燃料添加を実施する。

ここで、上記フィルタ５の温度が第４温度範囲の上限温度よりも高い場合には、添加された燃料がフィルタ５においてＮＯｘ触媒上での酸化反応に使用され易くなる。そのため、一度に多量の燃料が短時間でフィルタ５に到達すると、ＮＯｘ触媒上で燃料の酸化反応が促進され反応に伴う発熱によりフィルタ５の温度が過剰に上昇する虞がある。

しかし、本実施例では、フィルタ５の温度が第４温度範囲の上限温度よりも高い場合は、添加される燃料の微粒化度合いを比較的高くするので、燃料が徐々にフィルタ５に到達することになる。そのため、ＮＯｘ触媒上での燃料の酸化反応が抑制され、反応に伴う発熱も抑えられ、フィルタ５の温度が過剰に上昇することを抑制することができる。

以上説明したように、本実施例では、状況に応じて微粒化度合いを変更して燃料添加を行うことで、フィルタ５の排気浄化能力をより効率的に回復させることができる。

また、本実施例では、燃料添加ノズル８がタービン４ｂの下流に配置され、燃料添加ノズル８からの添加燃料がタービン４ｂで排気と攪拌されるということもないため、燃料添加の際に燃料の微粒化度合いを変更することによるフィルタ５に対する効果がより顕著に生じる。

なお、上記実施例では、１回の添加周期中の燃料添加回数を変えることで燃料の微粒化度合いを変化させる例を挙げた。しかし、例えば、燃料を添加する噴孔の孔径が異なる燃料添加ノズルを切り換えて使用する手法や、添加燃料の噴射圧を変更する手法など、燃料の微粒化度合いを変化させることができればよく、これら手法を用いた場合も本発明に包
含されるものである。また、上記実施例では、燃料添加ノズルから排気中に燃料を添加する構成であったが、本発明はこれに限られず、内燃機関内での副噴射などにより実現されてもよい。

実施例１に係る排気浄化装置を適用する内燃機関及びその吸排気系の概略構成を示す図である。 実施例１に係るＮＯｘ還元処理時の燃料添加のタイムチャートであり、（ａ）は間欠燃料添加の場合、（ｂ）は連続燃料添加の場合である。 実施例１に係るＰＭ酸化除去処理時の燃料添加のタイムチャートであり、（ａ）は間欠燃料添加の場合、（ｂ）は連続燃料添加の場合である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 吸気通路
３ 排気通路
４ ターボチャージャ
４ａ コンプレッサ
４ｂ タービン
５ フィルタ
６ 第１温度センサ
７ 第２温度センサ
８ 燃料添加ノズル
９ ＥＣＵ

Claims (2)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ排気を浄化する排気浄化手段に燃料を供給することで前記排気浄化手段の排気浄化能力を回復させる内燃機関の排気浄化装置であって、
   前記排気浄化手段の排気浄化能力を回復させる際に、
   前記排気浄化手段へ流入する排気の温度が第１所定範囲内にあり、かつ、前記排気浄化手段の温度が第２所定範囲内にある場合には、微粒化度合いが比較的低くなるように燃料の供給を実行し、
   前記排気浄化手段へ流入する排気の温度が前記第１所定範囲の下限温度よりも低い場合、又は、前記排気浄化手段の温度が前記第２所定範囲の上限温度よりも高い場合には、微粒化度合いが比較的高くなるように燃料の供給を実行することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 所定量の燃料の供給を実行すると共に燃料を供給しない期間である燃料供給不実行期間を有する１回の供給周期中に、所定量の燃料の供給を複数回に分けて間欠的に行うことで燃料の微粒化度合いが比較的高くなるように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。

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