JP4862787B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

予混合圧縮着火燃焼と拡散燃焼とを切替可能な内燃機関が知られている。予混合圧縮着火燃焼は低負荷時に行なわれるため、拡散燃焼時と比較して排気の温度が低くなる。そのため、予混合圧縮着火燃焼時には、触媒の活性を維持することが困難な場合がある。そこで、予混合圧縮着火燃焼用の触媒と、拡散燃焼用の触媒とを並列に備え、内燃機関の燃焼モードに応じて触媒を切り替える技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００５−３０２８４号公報

しかし、予混合圧縮着火燃焼用の触媒は、拡散燃焼用の触媒と比較して、低温度で活性化する代わりに、比較的低い温度でも熱劣化が進行する。例えば車両が高速道路を走行した後にサービスエリアに入る場合には、内燃機関の負荷が一気に低下する。このときに、拡散燃焼から予混合圧縮着火燃焼に切り替わるが、このときには内燃機関の温度が高いために排気の温度も高くなる。そのため、予混合圧縮着火燃焼用の触媒へ排気を流すと、該触媒の熱劣化が進行することになる。

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、内燃機関の排気浄化装置において、予混合圧縮着火燃焼用の触媒の熱劣化の進行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、本発明による内燃機関の排気浄化装置は、
拡散燃焼と予混合圧縮着火燃焼とを切替可能な内燃機関の排気浄化装置において、
主に拡散燃焼時に用いる排気浄化触媒である拡散燃焼用触媒と、
主に予混合圧縮着火燃焼時に用いる排気浄化触媒である予混合燃焼用触媒と、
前記拡散燃焼用触媒または前記予混合燃焼用触媒の何れか一方へ排気を流す流路切替手段と、
を備え、
特定の条件が成立したときには、予混合圧縮着火燃焼中であっても、前記拡散燃焼用触媒へ排気を流すことを特徴とする。

特定の条件とは、予混合燃焼用触媒の劣化が進行する虞のある条件としてもよい。このような条件が成立したときには、拡散燃焼用触媒へ排気を流すことにより、予混合燃焼用触媒の熱劣化の進行を抑制できる。

また、特定の条件が成立していないときおいては、拡散燃焼中には拡散燃焼用触媒へ排気が流され、予混合圧縮着火燃焼中には予混合燃焼用触媒へ排気が流される。

本発明において前記特定の条件が成立したときとは、前記拡散燃焼用触媒の温度が所定温度以上のときであってもよい。

この所定温度とは、拡散燃焼用触媒において排気を浄化可能な温度であり、該触媒が活
性している温度としてもよい。つまり、拡散燃焼用触媒にて排気を浄化可能であれば、予混合圧縮着火燃焼時であっても該拡散燃焼用触媒にて排気を浄化することができる。これにより、予混合燃焼用触媒に高温の排気が通過することを抑制できるため、該触媒の熱劣化の進行を抑制できる。

本発明において前記特定の条件が成立したときとは、排気の温度が所定温度以上のときであってもよい。

このときの所定温度は、予混合燃焼用触媒の熱劣化を進行させる温度としてもよい。つまり、高温の排気が予混合燃焼用触媒を通過すると、該触媒の熱劣化が進行する虞があるため、排気の温度が所定温度以上のときには拡散燃焼用触媒へ排気を流す。

本発明においては、前記拡散燃焼用触媒が設けられる排気通路および前記予混合燃焼用触媒が設けられる排気通路が、夫々の触媒よりも下流で合流し、この合流した箇所よりもさらに下流の排気通路にパティキュレートフィルタを備え、
前記特定の条件が成立したときとは、前記パティキュレートフィルタの再生を行なっているときであってもよい。

予混合圧縮着火燃焼では、粒子状物質が多く排出されることがある。この粒子状物質をパティキュレートフィルタで捕集することができる。このパティキュレートフィルタの再生を行なうときには、該パティキュレートフィルタへ高温の排気を流している。つまり、フィルタの再生を行なうときに拡散燃焼用触媒へ排気を流せば、予混合圧縮着火燃焼時であっても該拡散燃焼用触媒の温度が高くなる。そのため、拡散燃焼用触媒へ排気を流しても十分に排気を浄化することが可能となる。また、予混合燃焼用触媒へ排気を流さないようにすることにより、予混合燃焼用触媒の熱劣化の進行を抑制できる。

パティキュレートフィルタの再生を行なっているときとは、該パティキュレートフィルタに捕集されている粒子状物質が実際に酸化されているときに限らず、パティキュレートフィルタの温度を上昇させている最中のときも含んでいる。

本発明において前記特定の条件が成立したときとは、拡散燃焼から予混合圧縮着火燃焼に切り替わってから所定の時間が経過するまであってもよい。

高負荷から低負荷へ移行した直後では、まだ排気の温度が高いため、予混合燃焼用触媒へ排気を流すと該触媒の熱劣化が進行する虞がある。この温度の高い排気を予混合燃焼用触媒に流入させないように、所定の時間が経過するまでは主に拡散燃焼用触媒へ排気を流す。すなわち、所定の時間とは、予混合燃焼用触媒の熱劣化の進行を抑制できるほど排気の温度が低下するまでにかかる時間とすることができる。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、予混合圧縮着火燃焼用の触媒の熱劣化の進行を抑制することができる。

以下、本発明に係る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、水冷式の４サイクル・ディーゼルエンジンである。

内燃機関１には、燃焼室へ通じる排気通路２が接続されている。この排気通路２は、分岐部２３にて第１排気通路２１と第２排気通路２２とに分岐し、該第１排気通路２１と第２排気通路２２とは、分岐部２３よりも下流の合流部２４にて合流している。

第１排気通路２１には通常燃焼用酸化触媒３１が設けられている。通常燃焼用酸化触媒３１は、主に拡散燃焼中に用いられる触媒であり、他の触媒が併設されていてもよい。また、第２排気通路２２にはＨＣＣＩ用酸化触媒３２が設けられている。ＨＣＣＩ用酸化触媒３２は、主に予混合圧縮自着火燃焼中に用いられる触媒であり、他の触媒が併設されていてもよい。また、ＨＣＣＩ用酸化触媒３２は、通常燃焼用酸化触媒３１よりも低温で活性する反面、高温で熱劣化が進行し易い。なお、本実施例においては通常燃焼用酸化触媒３１が、本発明における拡散燃焼用触媒に相当する。また、本実施例においてはＨＣＣＩ用酸化触媒３２が、本発明における予混合燃焼用触媒に相当する。

また、分岐部２３には、該分岐部２３よりも上流の排気通路２を、第１排気通路２１または第２排気通路２２のいずれか一方と接続する流路切替弁４が設けられている。なお、本実施例においては流路切替弁４が、本発明における流路切替手段に相当する。

分岐部２３よりも上流の排気通路２には、該排気通路２を流通する排気中に還元剤たる燃料（軽油）を添加する燃料添加弁５が取り付けられている。

また、通常燃焼用酸化触媒３１よりも上流の第１排気通路２１には、該第１排気通路２１を流通する排気の温度を測定する第１温度センサ６１が取り付けられている。また、ＨＣＣＩ用酸化触媒３２よりも上流の第２排気通路２２には、該第２排気通路２２を流通する排気の温度を測定する第２温度センサ６２が取り付けられている。第１温度センサ６１により通常燃焼用酸化触媒３１の温度を検出することができる。また、第２温度センサ６２によりＨＣＣＩ用酸化触媒３２の温度を検出することができる。

そして、合流部２４よりも下流の排気通路２には、パティキュレートフィルタ７（以下、フィルタ７という。）が設けられている。このフィルタ７は、排気中に含まれるＰＭを捕集する。

一方、内燃機関１には、吸気通路８が接続されている。そして、内燃機関１には、排気通路２内を流通する排気の一部を吸気通路８へ再循環させるＥＧＲ装置９が備えられている。このＥＧＲ装置９は、ＥＧＲ通路９１およびＥＧＲ弁９２を備えて構成されている。

ＥＧＲ通路９１は、分岐部２３よりも上流の排気通路２と、吸気通路８と、を接続している。このＥＧＲ通路９１を通って、排気が再循環される。また、ＥＧＲ弁９２は、ＥＧＲ通路９１の通路断面積を変更することにより、該ＥＧＲ通路９１を流れるＥＧＲガスの量を変更する。

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ＥＣＵ１０が併設されている。

また、ＥＣＵ１０には、上記センサの他、機関回転数を検出するクランクポジションセンサ１１、および運転者がアクセルペダル１２を踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し機関負荷を検出可能なアクセル開度センサ１３が電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がＥＣＵ１０に入力されるようになっている。一方、ＥＣＵ１０には、流路切替弁４、燃料添加弁５、およびＥＧＲ弁９２が接続され、これらはＥＣＵ１０により制御される。

そして、本実施例による内燃機関１は負荷に応じて、拡散燃焼（以下、通常燃焼という。）と、予混合圧縮着火燃焼（以下、ＨＣＣＩ燃焼という。）とを切り替えている。すなわち、負荷が比較的高いときには通常燃焼を行い、負荷が比較的低い状態のときにはＨＣＣＩ燃焼を行なう。ＨＣＣＩ燃焼を行なうと、期待される着火時期よりも早い時期に着火が起こることがある。これを過早着火と称している。この過早着火は、ＥＧＲガスを供給することにより抑制することができる。

ＨＣＣＩ燃焼は、低負荷時に行われるために、該ＨＣＣＩ燃焼中は触媒の温度が上昇し難い。そのため、本実施例では通常、ＨＣＣＩ燃焼を行なうときには、流路切替弁４により排気をＨＣＣＩ用酸化触媒３２へ流している。また、ＨＣＣＩ用酸化触媒３２を通常燃焼時に用いると、熱劣化が進行する虞があるため、通常燃焼時には、流路切替弁４により排気を通常燃焼用酸化触媒３１へ流している。

しかし本実施例では、ＨＣＣＩ燃焼中であっても通常燃焼用酸化触媒３１にて排気を浄化することができる場合には、該通常燃焼用酸化触媒３１へ排気を流している。例えば、内燃機関１が高負荷から低負荷に移行することにより、通常燃焼からＨＣＣＩ燃焼に切り替わっても、排気の温度や通常燃焼用酸化触媒３１の温度はすぐには低下せずに、徐々に低下する。そのため、ＨＣＣＩ燃焼に切り替わった後であっても、通常燃焼用酸化触媒３１が活性しているときがある。また、ＨＣＣＩ燃焼に切り替わった直後では、排気の温度が高いときがあるため、ＨＣＣＩ用酸化触媒３２へ排気を流すと、熱劣化が進行する虞がある。

つまり、通常燃焼からＨＣＣＩ燃焼に切り替わっても、通常燃焼用酸化触媒３１で排気の浄化が可能であるのならば、通常燃焼用酸化触媒３１へ排気を流すことにより、ＨＣＣＩ用酸化触媒３２の熱劣化の進行を抑制しつつ、排気を浄化することが可能となる。このように、可及的に通常燃焼用酸化触媒３１を用いることにより、ＨＣＣＩ用酸化触媒３２の熱劣化の進行を抑制できる。

具体的には、通常燃焼用酸化触媒３１の温度が排気を浄化可能な温度以上となっている場合には、ＨＣＣＩ燃焼中であっても該通常燃焼用酸化触媒３１へ排気を流す。この通常燃焼用酸化触媒３１へ排気を流す条件は、触媒が活性化する温度の下限値以上としても良い。また、通常燃焼からＨＣＣＩ燃焼に切り替わってから所定時間が経過するまでは、通常燃焼用酸化触媒３１へ排気を流しても良い。この所定時間は、ＨＣＣＩ用酸化触媒３２の熱劣化が進行する虞のある排気が流れる時間として予め実験等により求めておく。

また、ＨＣＣＩ用酸化触媒３２の熱劣化が進行するほど排気の温度が高い場合には、ＨＣＣＩ燃焼中であっても通常燃焼用酸化触媒３１へ排気を流しても良い。例えば、ＨＣＣＩ燃焼中にＨＣＣＩ用酸化触媒３２へ排気を流している最中に排気の温度が上昇して該ＨＣＣＩ用酸化触媒３２へ流れる排気の温度が所定温度以上となった場合には、流路切替弁４を切り替えることにより通常燃焼用酸化触媒３１へ排気を流す。この流路切替弁４を切り替える排気の温度は、予め実験等により求めておく。また、このときの排気の温度は、第１温度センサ６１または第２温度センサ６２のどちらで測定してもよい。なお、排気の温度と内燃機関１の運転状態（例えば、機関回転数または負荷）との関連を予め実験等により求めておけば、内燃機関１の運転状態に基づいて流路切替弁４を切り替えることもできる。

なお、比較的上死点近傍で燃料を噴射するＨＣＣＩ燃焼では、特にＳＯＯＴが多く排出される。そのため、ＨＣＣＩ燃焼を行なう内燃機関は、フィルタ７を備えている。そして、本実施例では、ＨＣＣＩ燃焼中であっても通常燃焼用酸化触媒３１へ排気を流すことが
あるため、合流部２４よりも下流の排気通路２にフィルタ７を設けている。つまり、ＨＣＣＩ燃焼中においてＨＣＣＩ用酸化触媒３２へのみ排気を流すのであれば、該触媒と合流部２４との間にフィルタ７を備えれば良いが、本実施例では合流部２４よりも下流にフィルタ７を備えている。

そして本実施例では、フィルタ７の再生中には、たとえＨＣＣＩ燃焼中であっても、通常燃焼用酸化触媒３１へ排気を流している。ここで、フィルタ７の再生時には、燃料添加弁５から燃料が添加される。添加された燃料は、通常燃焼用酸化触媒３１で反応して熱が発生する。この熱によりフィルタ７の温度を上昇させて、該フィルタ７に捕集されているＰＭを酸化させることができる。なお、内燃機関１において副噴射を行ない、排気の温度を上昇させるか又は内燃機関１から未燃燃料を排出するようにしてもよい。このときに、ＨＣＣＩ用酸化触媒３２へ排気を流してしまうと、添加された燃料の反応熱により該ＨＣＣＩ用酸化触媒３２の温度が上昇し、熱劣化が進行する虞がある。これに対し、通常燃焼用酸化触媒３１へ排気を流すことにより、ＨＣＣＩ用酸化触媒３２の熱劣化の進行を抑制できる。また、燃料の添加により通常燃焼用酸化触媒３１の温度が上昇するため、ＨＣＣＩ燃焼中であっても通常燃焼用酸化触媒３１は活性化し、排気を浄化することができる。

次に、図２は、本実施例における流路切替弁４の制御フローを示したフローチャートである。本ルーチンは所定の時間毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１０１では、ＨＣＣＩ燃焼中であるか否か判定される。ステップＳ１０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０２へ進み、一方否定判定がなされた場合にはステップＳ１０３へ進んで通常燃焼用酸化触媒３１へ排気が流される。

ステップＳ１０２では、特定の条件が成立しているか否か判定される。本ステップでは、ＨＣＣＩ燃焼中であっても通常燃焼用酸化触媒３１へ排気を流すか否か判定される。特定の条件が成立しているとは、例えば、通常燃焼用酸化触媒３１の温度が活性化温度に達していることである。また、ＨＣＣＩ用酸化触媒３２の熱劣化を進行させるほど排気の温度が高いとき、または、フィルタ７の再生を行なっているときに所定の条件が成立しているとしてもよい。さらには、通常燃焼からＨＣＣＩ燃焼に切り替わってから所定の時間が経過するまでは所定の条件が成立しているとしてもよい。

ステップＳ１０２で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０３へ進んで通常燃焼用酸化触媒３１へ排気が流される。また、ステップＳ１０２で否定判定がなされた場合にはステップＳ１０４へ進んでＨＣＣＩ用酸化触媒３２へ排気が流される。

このようにして、可及的に通常燃焼用酸化触媒３１へ排気を流すことができるため、ＨＣＣＩ用酸化触媒３２の熱劣化が進行することを抑制できる。

実施例に係る内燃機関とその吸・排気系の概略構成を示す図である。 実施例における流路切替弁の制御フローを示したフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 排気通路
４ 流路切替弁
５ 燃料添加弁
７ パティキュレートフィルタ
８ 吸気通路
９ ＥＧＲ装置
１０ ＥＣＵ
１１ クランクポジションセンサ
１２ アクセルペダル
１３ アクセル開度センサ
２１ 第１排気通路
２２ 第２排気通路
２３ 分岐部
２４ 合流部
３１ 通常燃焼用酸化触媒
３２ ＨＣＣＩ用酸化触媒
６１ 第１温度センサ
６２ 第２温度センサ
９１ ＥＧＲ通路
９２ ＥＧＲ弁

Claims (1)

1. 拡散燃焼と予混合圧縮着火燃焼とを切替可能な内燃機関の排気浄化装置において、
   主に拡散燃焼時に用いる酸化触媒である拡散燃焼用触媒と、
   主に予混合圧縮着火燃焼時に用いる排気浄化触媒である予混合燃焼用触媒と、
   前記拡散燃焼用触媒または前記予混合燃焼用触媒の何れか一方へ排気を流す流路切替手段と、
   を備え、
   前記拡散燃焼用触媒の温度が所定温度以上のときには、予混合圧縮着火燃焼中であっても、前記拡散燃焼用触媒へ排気を流すことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。

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