JP4706501B2 - Ｖ型８気筒内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、Ｖ型８気筒内燃機関の排気浄化装置に関する。

吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵されているＮＯxを還元するときには、該吸蔵還元型ＮＯx
触媒に流入する排気の空燃比を比較的に短い周期でスパイク的（短時間）にリッチとする、所謂リッチスパイク制御が実行される。このリッチスパイク制御は、還元剤添加弁から排気通路へ還元剤を噴射することにより行われる。

そして、４番気筒の開弁時期に還元剤添加を行うことにより、該還元剤を排気の流れに乗せつつ、ＮＯx触媒に到達させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この技術によれば、還元剤を排気の流れに乗せることができるので、還元剤が吸蔵還元型ＮＯx触媒へ速やかに到達し得る。
特開２００１−２８０１２５号公報 特開２００２−１０６３３２号公報

ところで、還元剤添加弁は排気に晒されているため、煤による詰まりが発生することがある。この詰まりを抑制するために、たとえば所定の時間毎に還元剤添加弁から還元剤を噴射させることがある。この詰まり抑制のための還元剤添加は、ＮＯx還元のための還元
剤添加とは異なり、ＮＯx触媒の温度によらず行わなければならない。すなわち、還元剤
添加弁の詰まりを抑制するためには、ＮＯx触媒が活性温度に達していない場合にも還元
剤を噴射させる必要がある。この場合、添加した還元剤がＮＯx触媒で反応せずにそのま
ま該ＮＯx触媒を通過するおそれがある。また、ＮＯx触媒の温度が高いときに還元剤を噴射させなければならない場合もある。この場合、ＮＯx触媒の温度がさらに上昇して該Ｎ
Ｏx触媒が過熱するおそれがある。

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、Ｖ型８気筒内燃機関の排気浄化装置において、還元剤の流出および吸蔵還元型ＮＯx触媒の過熱を抑制しつつ、
還元剤添加弁の詰まりを抑制することができる技術を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために本発明によるＶ型８気筒内燃機関の排気浄化装置は、以下の手段を採用した。すなわち、本発明によるＶ型８気筒内燃機関の排気浄化装置は、
クランクアングル９０度間隔で少なくとも１回連続して燃焼を行うＶ型８気筒内燃機関の排気浄化装置において、
ＮＯxを吸蔵し且つ吸蔵していたＮＯxが還元剤により還元される吸蔵還元型ＮＯx触媒
と、
内燃機関と前記吸蔵還元型ＮＯx触媒との間に還元剤を噴射する還元剤添加弁と、
を夫々のバンク毎に備え、
還元剤が噴射される箇所の排気の流動が最小となる時期に前記還元剤添加弁から還元剤を噴射することを特徴とする。

ここで、還元剤添加弁から還元剤が添加されてから吸蔵還元型ＮＯx触媒に到達するま
での時間が短いと、排気中に還元剤があまり拡散しないので、高濃度の還元剤が吸蔵還元型ＮＯx触媒に供給されることとなる。そのため、吸蔵還元型ＮＯx触媒の温度が低いと還
元剤が反応せずにすり抜け、温度が高いと該吸蔵還元型ＮＯx触媒が過熱するおそれがあ
る。一方、還元剤添加弁から還元剤が添加されてから吸蔵還元型ＮＯx触媒に到達するま
での時間が長いと、排気中に還元剤が拡散するために排気中の還元剤濃度が低くなる。吸蔵還元型ＮＯx触媒へ還元剤が到達するまでの時間が長くなれば、その間に該吸蔵還元型
ＮＯx触媒の温度が変わり得るため、還元剤のすり抜け、または吸蔵還元型ＮＯx触媒の過熱を抑制し得る。また、還元剤の濃度が低下することにより、吸蔵還元型ＮＯx触媒にお
いて反応せずに通過する還元剤が減少する。さらに、吸蔵還元型ＮＯx触媒の温度上昇が
緩慢となるため、該吸蔵還元型ＮＯx触媒の過熱を抑制できる。

ところで、クランクアングル９０度間隔で少なくとも１回連続して燃焼を行うＶ型８気筒内燃機関では、片側バンク毎に見ると片側バンクの４気筒が何れも排気行程でない期間がある。このように、排気行程が行われていない期間では、排気の流動が最小となる。そして、このような時期に還元剤添加弁から還元剤を噴射させると、還元剤が排気通路へ付着する。その後排気の流れが再開すると、還元剤が徐々に蒸発するため、還元剤が吸蔵還元型ＮＯx触媒へ到達するまでの時間が長くなる。また、排気中の還元剤濃度は低くなる
。したがって、排気の流動が最小となる時期に還元剤を噴射させることにより、吸蔵還元型ＮＯx触媒の低温時における還元剤のすり抜けや高温時における過熱を抑制することが
できる。

なお、排気の流動が最小となる時期は、片側バンクで排気の流れが停止する期間、または片側バンクで排気が行われていない期間としてもよい。

さらに、本発明においては前記内燃機関からクランクアングルで少なくとも１８０度の期間排気が行われないときに前記還元剤添加弁から還元剤を噴射することができる。

クランクアングル９０度間隔で少なくとも１回連続して燃焼を行うＶ型８気筒内燃機関の排気浄化装置では、片側のバンクにおいてクランクアングルで少なくとも１８０度、内燃機関から排気が行われない期間がある。このようにクランクアングルで少なくとも１８０度の間内燃機関から排気が流出しない場合には、この期間中に排気の流動が最小となり得る。そのため、この期間中に、還元剤添加弁から還元剤を噴射すれば、噴射した還元剤が排気通路に付着する。これにより、還元剤が吸蔵還元型ＮＯx触媒へ到達するまでの時
間を長くすることができる。

本発明においては、前記吸蔵還元型ＮＯx触媒の温度が第１所定温度よりも低い場合に
前記還元剤添加弁から還元剤を噴射することができる。

この第１所定温度とは、吸蔵還元型ＮＯx触媒が活性化しているときの温度の最低値で
ある。ＮＯxの浄化率が許容値以上のときとしてもよい。吸蔵還元型ＮＯx触媒が活性化する温度に達していない場合には、該吸蔵還元型ＮＯx触媒において還元剤がほとんど反応
しないため、排気の流動が最小となっているときに還元剤を噴射させる。これにより、還元剤が吸蔵還元型ＮＯx触媒をすり抜けることを抑制できる。

また、本発明においては、前記吸蔵還元型ＮＯx触媒の温度が前記第１所定温度よりも
高い温度である第２所定温度よりも高い場合に前記還元剤添加弁から還元剤を噴射することができる。

この第２所定温度とは、排気の流れに還元剤を乗せつつ還元剤を供給したときに吸蔵還元型ＮＯx触媒が過熱するおそれのない温度の最高値である。吸蔵還元型ＮＯx触媒が過熱するおそれがある場合には、排気の流動が最小となっている時期に還元剤を噴射させることにより、還元剤が吸蔵還元型ＮＯx触媒へ到達するまでの時間を長くする。その間に吸
蔵還元型ＮＯx触媒の温度が低下すれば、該吸蔵還元型ＮＯx触媒の過熱を抑制することができる。また、還元剤の濃度が低下すれば、吸蔵還元型ＮＯx触媒の温度上昇が緩慢とな
るため、吸蔵還元型ＮＯx触媒の過熱を抑制できる。

本発明に係るＶ型８気筒内燃機関の排気浄化装置によれば、還元剤の流出および吸蔵還元型ＮＯx触媒の過熱を抑制しつつ、還元剤添加弁の詰まりを抑制することができる。

以下、本発明に係るＶ型８気筒内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係るＶ型８気筒の内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関１とその吸・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、Ｖ型８気筒の４サイクル・ディーゼルエンジンである。内燃機関１は、クランクアングル９０度間隔で少なくとも１回連続して燃焼を行う。すなわち、クランクアングル９０度毎に何れかの気筒で燃焼が行われる。

内燃機関１は、右バンク２および左バンク３を備えて構成されている。右バンク２および左バンク３には、夫々４つの気筒４が備わる。右バンク２には、１，３，５，および７番気筒が備わり、左バンク３には、２，４，６，および８番気筒が備わる。右バンク２には、該右バンク２の各気筒４に接続される右排気マニホールド５が接続されている。また、左バンク３には、該左バンク３の各気筒４に接続される左排気マニホールド６が接続されている。そして、右排気マニホールド５は右排気管７へ接続され、左排気マニホールド６は左排気管８へ接続されている。

右排気管７の途中には、右吸蔵還元型ＮＯx触媒９（以下、右ＮＯx触媒９という。）が設けられ、左排気管８の途中には、左吸蔵還元型ＮＯx触媒１０（以下、左ＮＯx触媒１０という。）が設けられている。右ＮＯx触媒９および左ＮＯx触媒１０は、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のＮＯxを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低く且つ還元
剤が存在するときは吸蔵していたＮＯxを還元する機能を有する。

右ＮＯx触媒９よりも上流の右排気管７には、該右排気管７を流通する排気中に還元剤
たる燃料（軽油）を添加する右燃料添加弁１１を備えている。また、左ＮＯx触媒１０よ
りも上流の左排気管８には、該左排気管８を流通する排気中に還元剤たる燃料（軽油）を添加する左燃料添加弁１２を備えている。右燃料添加弁１１および左燃料添加弁１２は、後述するＥＣＵ１３からの信号により開弁して排気中へ燃料を噴射する。右燃料添加弁１１および左燃料添加弁１２から右排気管７および左排気管８内へ噴射された燃料は、右排気管７および左排気管８の上流から流れてきた排気の空燃比をリッチにする。そして、ＮＯx還元時には、右ＮＯx触媒９および左ＮＯx触媒１０に流入する排気の空燃比を比較的
に短い周期でスパイク的（短時間）にリッチとする、所謂リッチスパイク制御を実行する。なお、本実施例においては、右燃料添加弁１１および左燃料添加弁１２が、本発明における還元剤添加弁に相当する。また、右ＮＯx触媒９および左ＮＯx触媒１０を合わせて以下、ＮＯx触媒９，１０という。

また、右ＮＯx触媒９よりも上流の右排気管７には、該右排気管７を流通する排気の温
度に応じた信号を出力する右排気温度センサ１５が取り付けられている。また、左ＮＯx
触媒１０よりも上流の左排気管８には、該左排気管８を流通する排気の温度に応じた信号を出力する左排気温度センサ１６が取り付けられている。右排気温度センサ１５により右
ＮＯx触媒９の温度が検出され、左排気温度センサ１６により左ＮＯx触媒１０の温度が検出される。なお、右ＮＯx触媒９および左ＮＯx触媒１０に直接温度センサを取り付けても良い。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１３が併設されている。このＥＣＵ１３は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。ＥＣＵ１３には、前記センサの他、内燃機関１のクランクアングルに応じた信号を出力するクランクポジションセンサ１４が電気配線を介して接続され、これらの出力信号がＥＣＵ１３へ入力されるようになっている。一方、ＥＣＵ１３には、右燃料添加弁１１および左燃料添加弁１２が電気配線を介して接続され、該ＥＣＵ１３により右燃料添加弁１１および左燃料添加弁１２が制御される。

そして、本実施例では、右燃料添加弁１１および左燃料添加弁１２の詰まりを抑制するために、所定の時間毎に右燃料添加弁１１および左燃料添加弁１２から燃料を噴射させている。この詰まりを抑制するための燃料噴射を、右ＮＯx触媒９および左ＮＯx触媒１０の状態によらず行うことにより、詰まりを抑制する。この場合、右ＮＯx触媒９または左Ｎ
Ｏx触媒１０の温度が活性領域以外であっても燃料噴射を行うことになる。なお、活性領
域とは、ＮＯxの浄化率が許容値以上でかつ過熱のおそれのない温度領域をいう。そして
、本実施例においては、活性領域の最低温度が、本発明における第１所定温度に相当し、活性領域の最高温度が、本発明における第２所定温度に相当する。

ＮＯx触媒９，１０の温度が活性領域よりも低い場合には、該ＮＯx触媒９，１０にて燃料が反応しないまま該ＮＯx触媒９，１０をすり抜けるおそれがある。また、ＮＯx触媒９，１０の温度が活性領域よりも高い場合には、該ＮＯx触媒９，１０にて燃料が反応する
ことにより該ＮＯx触媒９，１０の温度がさらに上昇して過熱するおそれがある。そこで
、本実施例においては、ＮＯx触媒９，１０の温度が活性領域内の場合には排気の流れに
乗せるように燃料を添加し、活性領域外の場合には排気の流れが最小となっているとき、若しくは停止しているときに燃料を添加する。これを右バンク２および左バンク３の夫々について行う。

ここで、図２は、内燃機関１の各気筒４の燃焼順序を示した図である。右バンク２では、１，７，３，５番気筒の順に燃焼が行われ、左バンク３では、２，４，６，８番気筒の順に燃焼が行われる。ここで、右バンク２では、５番気筒の排気が完了してから１番気筒の排気が開始されるまでに排気を行う気筒４がない。すなわち、このクランクアングルで１８０度の期間は排気の流動が最小となる、若しくは排気の流れが停止する。また、左バンク３では、２番気筒の排気が完了してから４番気筒の排気が開始されるまでに排気を行う気筒４がない。すなわち、このクランクアングルで１８０度の期間は排気の流動が最小となる、若しくは排気の流れが停止する。このようにクランクアングルで１８０度の期間排気が行われない期間に燃料添加を行うことにより、燃料を右排気管７または左排気管８に付着させることができる。これにより、右ＮＯx触媒９および左ＮＯx触媒１０での排気の空燃比を高く保つことができる。

一方、右ＮＯx触媒９または左ＮＯx触媒１０の温度が活性領域内であれば、排気の流れがあるときに燃料添加を行うことにより、燃料を積極的に排気の流れに乗せることができる。これにより、右ＮＯx触媒９および左ＮＯx触媒１０の温度を活性領域内に維持することが可能となる。たとえば、何れかの気筒４が排気行程のときに燃料添加を行うことにより、排気の流れに燃料を乗せることができる。なお、右ＮＯx触媒９または左ＮＯx触媒１０の一部分の温度が活性領域内であっても同様に排気の流れに燃料を乗せることにより、その一部分の温度を活性領域内に維持することができる。

図３は、右ＮＯx触媒９または左ＮＯx触媒１０の温度と燃料添加のタイミングとの関係を示した図である。図３（Ａ）はＮＯx触媒９，１０の温度が活性領域内の場合、図３（
Ｂ）はＮＯx触媒９，１０の温度が活性領域よりも低い場合、図３（Ｃ）はＮＯx触媒９，１０の温度が活性領域よりも高い場合、図３（Ｄ）はＮＯx触媒９，１０の一部分の温度
が活性領域内で他の部分の温度が活性領域よりも低い場合を示している。図３ではＮＯx
触媒９，１０を上流から下流に向かって３つの部分に分けて夫々の温度がどのようになっているか示している。「適」と表している部分は活性領域内の温度であることを示し、「低」と表している部分は活性領域よりも温度が低いことを示し、「高」と表している部分は活性領域よりも温度が高いことを示している。たとえば、ＮＯx触媒９，１０の複数個
所に温度センサを取り付けることにより、複数部分の温度を検出することができる。

図３（Ａ）の場合には、ＮＯx触媒９，１０の温度が活性領域内であるため、ＮＯx触媒９，１０へ燃料を添加することにより該ＮＯx触媒９，１０の温度を活性領域内で維持す
ることができる。すなわち、排気の流れが「流動」しているときに燃料添加を行って、燃料を排気の流れに乗せ、速やかに燃料をＮＯx触媒９，１０へ到達させる。これにより、
燃料が排気中へ拡散することを抑制することができるので、ＮＯx触媒９，１０に流入す
る排気の空燃比が低くなる。そして、燃料の反応熱によりＮＯx触媒９，１０の温度を活
性温度内に維持することが可能となる。

図３（Ｂ）の場合には、ＮＯx触媒９，１０の温度が活性領域よりも低いため、排気の
流れがあるときにＮＯx触媒９，１０へ燃料を添加すると、燃料が該ＮＯx触媒９，１０をすり抜けるおそれがある。これを抑制するために、排気の流れが「停止」しているときに燃料添加を行って、燃料を排気管に付着させ、徐々に蒸発させつつＮＯx触媒９，１０へ
到達させる。これにより、燃料が排気中へ拡散するので、ＮＯx触媒９，１０に流入する
排気の空燃比が高くなる。そのため、ＮＯx触媒９，１０の活性が低くても燃料を反応さ
せることができるようになるので、燃料のすり抜けを抑制することが可能となる。

図３（Ｃ）の場合には、ＮＯx触媒９，１０の温度が活性領域よりも高いため、排気の
流れがあるときにＮＯx触媒９，１０へ燃料を添加すると、該ＮＯx触媒９，１０の温度が急激に上昇して過熱するおそれがある。これを抑制するために、排気の流れが「停止」しているときに燃料添加を行って、燃料を排気管に付着させ、徐々に蒸発させつつＮＯx触
媒９，１０へ到達させる。これにより、燃料が排気中へ拡散するので、ＮＯx触媒９，１
０に流入する排気の空燃比が高くなる。そのため、ＮＯx触媒９，１０の温度が徐々に上
昇するため、その上昇している間にＮＯx触媒９，１０の熱を排気が持ち去るので、ＮＯx触媒９，１０の過熱を抑制することが可能となる。なお、ＮＯx触媒９，１０の一部分の
温度のみが活性領域よりも高い場合であっても同様に、排気の流れが「停止」しているときに燃料添加を行うことにより、この一部分の過熱を抑制することができる。

図３（Ｄ）の場合には、ＮＯx触媒９，１０の一部の温度が活性領域内であり、他の部
分の温度が活性領域よりも低いので、燃料の添加により少なくとも活性領域にある部分において温度を維持することができる。すなわち、排気の流れが「流動」しているときに燃料添加を行って、燃料を排気の流れに乗せ、速やかに燃料をＮＯx触媒９，１０へ到達さ
せる。これにより、燃料が排気中へ拡散することを抑制することができるので、ＮＯx触
媒９，１０に流入する排気の空燃比を低くなる。そして、温度が活性領域内の部分では、燃料の反応熱によりＮＯx触媒９，１０の温度を活性温度内に維持することが可能となる
。これにより、燃料のすり抜けも抑制される。

以上説明したように、本実施例では、右ＮＯx触媒９または左ＮＯx触媒１０の温度が活性領域よりも低い場合には、活性領域よりも温度の低いＮＯx触媒への燃料添加を排気の
流動が最小となっているきに行う。これにより、活性領域よりも温度の低いＮＯx触媒９
，１０を燃料がすり抜けることを抑制できる。また、右ＮＯx触媒９または左ＮＯx触媒１０の温度が活性領域よりも高い場合にも、活性領域よりも温度の高いＮＯx触媒への燃料
添加を排気の流動が最小となっているときに行う。これにより、ＮＯx触媒９，１０の過
熱を抑制できる。また、右ＮＯx触媒９または左ＮＯx触媒１０の温度が活性領域にある場合には、排気の流れに乗せるように燃料を添加する。これにより、ＮＯx触媒の温度を活
性領域に維持することができる。

実施例に係るＶ型８気筒の内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸・排気系の概略構成を示す図である。 内燃機関の各気筒の燃焼順序を示した図である。 右ＮＯx触媒または左ＮＯx触媒の温度と燃料添加のタイミングとの関係を示した図である。図３（Ａ）はＮＯx触媒の温度が活性領域内の場合、図３（Ｂ）はＮＯx触媒の温度が活性領域よりも低い場合、図３（Ｃ）はＮＯx触媒の温度が活性領域よりも高い場合、図３（Ｄ）はＮＯx触媒の一部の温度が活性領域内で他の部分の温度が活性領域よりも低い場合を示している。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 右バンク
３ 左バンク
４ 気筒
５ 右排気マニホールド
６ 左排気マニホールド
７ 右排気管
８ 左排気管
９ 右ＮＯx触媒
１０ 左ＮＯx触媒
１１ 右燃料添加弁
１２ 左燃料添加弁
１３ ＥＣＵ
１４ クランクポジションセンサ
１５ 右排気温度センサ
１６ 左排気温度センサ

Claims (3)

1. クランクアングル９０度間隔で少なくとも１回連続して燃焼を行うＶ型８気筒内燃機関の排気浄化装置において、
   ＮＯxを吸蔵し且つ吸蔵していたＮＯxが還元剤により還元される吸蔵還元型ＮＯx触媒
   と、
   内燃機関と前記吸蔵還元型ＮＯx触媒との間に還元剤を噴射する還元剤添加弁と、
   を夫々のバンク毎に備え、
   前記吸蔵還元型ＮＯx触媒の温度が活性領域の最低温度である第１所定温度よりも低い
   場合において、還元剤が噴射される箇所の排気の流動が最小となる時期に前記還元剤添加弁から還元剤を噴射することを特徴とするＶ型８気筒内燃機関の排気浄化装置。
2. クランクアングル９０度間隔で少なくとも１回連続して燃焼を行うＶ型８気筒内燃機関の排気浄化装置において、
   ＮＯxを吸蔵し且つ吸蔵していたＮＯxが還元剤により還元される吸蔵還元型ＮＯx触媒
   と、
   内燃機関と前記吸蔵還元型ＮＯx触媒との間に還元剤を噴射する還元剤添加弁と、
   を夫々のバンク毎に備え、
   前記吸蔵還元型ＮＯx触媒の温度が活性領域の最高温度である第２所定温度よりも高い
   場合において、還元剤が噴射される箇所の排気の流動が最小となる時期に前記還元剤添加弁から還元剤を噴射することを特徴とするＶ型８気筒内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記内燃機関からクランクアングルで少なくとも１８０度の期間排気が行われないときに前記還元剤添加弁から還元剤を噴射することを特徴とする請求項１または２に記載のＶ型８気筒内燃機関の排気浄化装置。

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