JPH10121948A - 内燃機関の排気ガス浄化装置 - Google Patents
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Abstract
供する。 【解決手段】 排気ガス中のNOX を浄化する触媒17
を機関排気通路内に備え、該触媒に還元剤を供給し、前
記触媒が予め定められた温度範囲内において前記還元剤
の還元作用により予め定められた浄化率で浄化作用を行
う内燃機関の排気ガス浄化装置において、前記触媒の上
流端20の触媒温度が前記温度範囲の下限温度値より低
く且つ前記触媒の下流端24の触媒温度が前記温度範囲
の下限温度値以上である時に触媒に供給する還元剤を増
大する。
Description
浄化装置に関する。
NOX )を浄化するNOX 触媒を機関排気通路内に備え
た内燃機関の排気ガス浄化装置が知られている。NOX
触媒は予め定められた温度範囲で高いNOX 浄化率を示
す。従って、NOX 触媒は、その温度が上記予め定めら
れた温度範囲内にある時に、排気ガス中の炭化水素(以
下、HC)によりNOX を窒素(以下、N2 )へ還元し
てNOX を浄化する。即ち、高いNOX 浄化率を確保す
るには、排気ガス中のHC濃度をNOX を還元するのに
適した濃度に維持することが好ましい。例えば、特開昭
63−283727号公報には、排気ガス中のHC濃度
がNOX 還元にとって不十分である場合には、気体状の
HCをNOX 触媒へ供給して排気ガス中のHC濃度を増
大させることが開示されている。
(以下、NO)または二酸化窒素(以下、NO2 )の形
で排気ガス中に存在する。NO2 はHCの還元作用によ
りN2 へ還元され易いが、NOは還元され難い。このた
め、NOは、NOX 触媒において、排気ガス中の酸素
(以下、O2 )によりNO2 へ酸化されてからHCによ
りN2 へ還元される。しかしながら、NOX 触媒の温度
が高いNOX 浄化率を示す上記予め定められた温度範囲
内にある時にHCが供給されると、該温度範囲内ではH
CとO2 との反応が活発であるため、HCをNOX 触媒
へ供給しても、NOX 触媒内においてNOがNO2 へ酸
化されにくいため、NOを浄化できず、触媒の浄化率が
低下するという問題が生じる。従って、本発明の目的は
常に高いNOX 浄化率を確保できる排気ガス浄化装置を
提供することにある。
ば、排気ガス中のNOX を浄化する触媒を機関排気通路
内に備え、該触媒に還元剤を供給し、前記触媒が予め定
められた温度範囲内において前記還元剤の還元作用によ
り予め定められた浄化率で浄化作用を行う内燃機関の排
気ガス浄化装置において、前記触媒の上流端の触媒温度
が前記温度範囲の下限温度値より低く且つ前記触媒の下
流端の触媒温度が前記温度範囲の下限温度値以上である
時に触媒に供給する還元剤の量を増大する。本発明の請
求項2によれば、排気ガス中のNOX を浄化する触媒を
機関排気通路内に備え、該触媒に還元剤を供給し、前記
触媒が予め定められた温度範囲内において前記還元剤の
還元作用により予め定められた浄化率で浄化作用を行う
内燃機関の排気ガス浄化装置において、前記触媒の上流
端の触媒温度が前記温度範囲の下限温度値より低く且つ
前記触媒の下流端の触媒温度が前記温度範囲の下限温度
値以上である時にのみ還元剤を触媒に供給する。また、
本発明の請求項3によれば、請求項1または2に記載の
内燃機関の排気ガス浄化装置において、前記予め定めら
れた浄化率が最大浄化率の略半分以上である。上記発明
により、触媒の上流端の温度が予め定められた浄化率で
浄化作用を行う温度範囲から外れている時に供給された
還元剤が、触媒の上流端において還元作用を行わずに触
媒に吸着する。
体、2はピストン、3は燃焼室、4は点火栓、5は吸気
弁、6は吸気ポート、7は排気弁、8は排気ポートを夫
々示す。吸気ポート6は対応するインテークマニホルド
9を介してサージタンク10に連結され、各インテーク
マニホルド9には夫々吸気ポート6内に向けて燃料を噴
射する燃料噴射弁11が取り付けられる。サージタンク
10は吸気ダクト12を介してエアクリーナ13に連結
され、吸気ダクト12内にはスロットル弁14が配置さ
れる。一方、排気ポート8はエキゾーストマニホルド1
5および排気管16を介してNOX 触媒17を内蔵した
ケーシング18に接続される。NOX 触媒17の上流側
の排気管16にはHC供給弁19が設けられている。本
明細書において『上流』および『下流』という用語は排
気管16内を流れる排気ガスの流れに対するものであ
り、また本発明は、主に、ディーゼルエンジンまたはリ
ーンバーンエンジンのような酸素を過剰に含む排気ガス
を排出する内燃機関に適用される。
ータからなり双方向性バス41を介して相互に接続され
たROM(リードオンメモリ)42、RAM(ランダム
アクセスメモリ)43、CPU(マイクロプロセッサ)
44、入力ポート45および出力ポート46を具備す
る。サージタンク10内にはサージタンク10内の絶対
圧PMに比例した出力電圧を発生する圧力センサ28が
取り付けられ、この圧力センサ28の出力電圧がAD変
換器47を介して入力ポート45に入力される。また、
入力ポート45には機関本体1のクランクシャフトが例
えば30度回転する毎に出力パルスを発生するクランク
角センサ30が接続される。CPU44ではこの出力パ
ルスに基づいて機関本体1の機関回転数が算出される。
更に、NO X 触媒17の上流端20には触媒温度に比例
した出力電圧を発生する上流側温度センサ32が取り付
けられ、この上流側温度センサ32の出力電圧はAD変
換器48を介して入力ポート45に入力される。NOX
触媒17の下流端24にも触媒温度に比例した出力電圧
を発生する下流側温度センサ34が取り付けられ、この
下流側温度センサ34の出力電圧はAD変換器49を介
して入力ポート45に入力される。一方、出力ポート4
6は駆動回路50を介してHC供給弁19に接続され
る。
内において予め定められた高いNO X 浄化率を示す。触
媒温度とNOX 浄化率との関係を示した図2にあるよう
に、本実施形態における予め定められた温度範囲Wは、
NOX 浄化率が約35%以上となる下限温度値T1 と上
限温度値T2 との間の範囲である。従って、本実施形態
では予め定められた高いNOX 浄化率を示す温度範囲W
とは約35%以上のNOX 浄化率を示す温度範囲と定義
される。しかしながら、これは本発明を限定するもので
はなく、予め定められた高いNOX 浄化率を示す温度範
囲Wを最大NO X 浄化率の略半分以上、即ち約25%以
上の浄化率を示す温度範囲と定義することもできる。ま
た、下限温度値T1 は最大NOX 浄化率を示す触媒温度
Tm より小さくなければならない。更に、上限温度値T
2 は最大NOX 浄化率を示す触媒温度Tm 以上であるこ
とが好ましいが、T1 <T2 を満たせば触媒温度Tm よ
り小さくてもよい。
の温度TUが予め定められた温度範囲Wの下限温度値T
1 よりも小さく且つNOX 触媒17の下流端24の温度
TDが予め定められた温度範囲Wの下限温度値T1 以上
である時(以下、状態C1 )には、予め定められた開弁
時間tv1 だけHC供給弁19を開弁して時間t1 でN
OX を浄化するのに適した量M1 のHCをNOX 触媒1
7へ供給する。また、上記以外の温度状態である時(以
下、状態C2 )には、予め定められた開弁時間tv2 だ
け開弁して時間t2 でNOX を浄化するのに適した量M
2 のHCをNO X 触媒17へ供給する。尚、ここでは、
t1 >t2 、M1 >M2 の関係を満たす。時間t1 また
はt2 が経過する直前に触媒温度を検出し、触媒温度が
いずれの温度状態にあるかを判別して次に供給すべきH
Cの量M1 またはM2 を決定する。次に本発明の作動を
図3を参照して説明する。噴射タイミングti1 の直前
ti1 −αでは触媒の温度が状態C1 であるため、量M
1 のHCを供給する。以下、αは微小時間である。噴射
タイミングti1 から時間t1 を経過した噴射タイミン
グti2 の直前ti2 −αの触媒の温度が状態C2 であ
るため、量M2 のHCを供給する。更に、噴射タイミン
グti2 から時間t2 を経過した噴射タイミングti3
の直前ti3 −αの触媒の温度が状態C1 であるため、
量M1 のHCを供給する。以下、同様に触媒の温度の状
態を判別してHCの供給量を決定する。
化する量M1 またはM2 は、排気ガス中のNOX の量に
応じて決定される。排気ガス中のNOX 量は、例えば、
以下のようにして推定する。機関回転数Nが高くなるほ
ど機関から単位時間当たり排出される排気ガス量が増大
するので機関回転数Nが高くなるにつれて機関から単位
時間当たり排出されるNOX 量は増大する。また、機関
負荷が高くなるほど、即ちサージタンク10内の絶対圧
PMが高くなるほど各燃焼室3から排出される排気ガス
量が増大し、しかも燃焼温度が高くなるので機関負荷が
高くなるほど、即ちサージタンク10内の絶対圧PMが
高くなるほど機関から単位時間当たり排出されるNOX
量が増大する。図4は実験により求められた単位時間当
たりに機関から排出されるNOX 量と、サージタンク1
0内の絶対圧PM、機関回転数Nとの関係を示してお
り、図4において各曲線は同一NOX 量を示している。
図4に示されるように単位時間当たり機関から排出され
るNOX 量はサージタンク10内の絶対圧PMが高くな
るほど多くなり、機関回転数Nが高くなるほど多くな
る。尚、図4に示したNOX 量は図5に示すようなマッ
プの形で予めROM42内に記憶されている。しかしな
がら、一回に供給するHCの量の上限をHCが還元作用
をせずにNO X 触媒を通過してしまわない量に設定して
おく。
C供給制御のフローチャートを示している。ステップS
610においてフラッグFが1であるか否かが判別され
る。フラッグFが1であると判別された時にはステップ
S612へ進み、時間t1 −αが経過したか否かが判別
される。時間t1 −αが経過したと判別された時にはス
テップS614へ進む。ステップS610においてフラ
ッグFが1ではないと判別された時にはステップS61
6へ進み、時間t2 −αが経過したか否かが判別され
る。時間t2 −αが経過したと判別された時にはステッ
プS614へ進む。ステップS612で時間t1 −αが
経過していないと判別された時、およびステップS61
6で時間t2 −αが経過していないと判別された時には
サイクルを終了する。ステップS614ではNOX 触媒
17の上流端20の温度TUが下限温度値T1 より小さ
いか否かが判別される。NOX 触媒17の上流端20の
温度TUが下限温度値T1 より小さい時にはステップS
618へ進む。ステップS618ではNOX 触媒17の
下流端24の温度TDが下限温度値T1 以上であるか否
かが判別される。NOX 触媒17の下流端24の温度T
Dが下限温度値T1 以上である時にはステップS620
へ進み、HC供給弁19を予め定められた開弁時間tv
1 だけ開弁し、ステップS622でフラッグFに1を入
力して処理サイクルを終了する。一方、ステップS61
4においてNOX 触媒17の上流端20の温度TUが下
限温度値T1 より小さくないと判別された時、およびス
テップS618においてNOX 触媒17の下流端24の
温度TDが下限温度値T1 以上ではないと判別された時
にはステップS624へ進み、HC供給弁19を予め定
められた開弁時間tv2 だけ開弁し、ステップS626
でフラッグFに0を入力して処理サイクルを終了する。
触媒17の上流端20の温度TUが予め定められた温度
範囲Wの下限温度値T1 よりも小さく且つNOX 触媒1
7の下流端24の温度TDが予め定められた温度範囲W
の下限温度値T1 以上である時(状態C1 )にNOX 触
媒へ供給されたHCは、NOX 触媒の上流端の温度が下
限温度値よりも小さく、NOX 触媒の触媒金属周辺に気
体として存在しないため、NOX 触媒の上流端では還元
作用を活発には行わない。即ち、HCの大部分は排気ガ
ス中のNO2 やO2 と還元反応せずにNOX 触媒の上流
端に吸着する。また、HCによりO2 が還元されないた
め、排気ガス中の酸度濃度は高いままに維持される。従
って、NOが酸化されてNO2 となる活性化温度が下限
温度値T 1 より小さいため、NOはNOX 触媒の上流端
の領域において排気ガス中のO2により酸化されてNO
2 とされる。NOX 触媒の上流端に吸着したHCは、排
気ガスの流れに沿って徐々に下流へと移動する。HC
は、温度が上記予め定められた温度範囲W内にあるNO
X 触媒の領域に到達した時に、還元作用を活発に行い、
NOX 触媒の上流端の領域で酸化されたNO2 を含む排
気ガス中のNO2 を還元してN2 とする。上記一連の流
れが時間t1 の間続けられる。これによりNOを高い浄
化率で浄化できるため、従来のNOX 触媒におけるNO
X 浄化率よりも高いNOX 浄化率が確保される。また、
NOX 触媒17の上流端20の温度TUが予め定められ
た温度範囲Wの下限温度値T1 よりも小さく且つNOX
触媒17の下流端24の温度TDが予め定められた温度
範囲Wの下限温度値T1 以上ではない時(状態C2 )に
NOX 触媒へ供給されたHCは、一般的なNOX 触媒と
同じNOX 浄化率でNOX を浄化する。即ち、本実施形
態によれば、NOX 触媒17の上流端20の温度TUが
予め定められた温度範囲Wの下限温度値T1 よりも小さ
く且つNOX 触媒17の下流端24の温度TDが予め定
められた温度範囲Wの下限温度値T1 以上である時(状
態C1 )において、従来よりも高いNOX 浄化率が確保
できるため、全体としても高いNOX 浄化率を確保する
ことができる。
排気ガス浄化装置のHC供給制御を示す図である。本発
明ではNOX 触媒17の上流端20の温度TUが予め定
められた温度範囲Wの下限温度値T1 よりも小さく、且
つNOX 触媒17の下流端24の温度TDが予め定めら
れた温度範囲Wの下限温度値T1 以上である時(状態C
1 )にのみHC供給弁19を予め定められた開弁時間t
v3 だけ開弁してHCをNOX 触媒へ供給する。上記以
外の触媒温度条件においてはHCの供給は行わない。更
に、本実施形態では、一回に供給するHCの量は、NO
X 触媒17の上流端20の温度を次のHC供給タイミン
グまでの時間t3 だけ下限温度値T1 よりも低く維持で
き、且つ供給されたHCがそのままNOX 触媒を通過し
てしまわない量M3 に設定される。
排気ガス浄化装置に従ったHC供給制御のフローチャー
トを示している。ステップS810において時間t3 −
αを経過したか否かが判別される。時間t3 −αを経過
したと判別された時にはステップS812へ進み、NO
X 触媒17の上流端20の温度TUが下限温度値T1よ
り小さいか否かが判別される。NOX 触媒17の上流端
20の温度TUが下限温度値T1 より小さい時にはステ
ップS814へ進む。ステップS814ではNOX 触媒
17の下流端24の温度TDが下限温度値T1 以上であ
るか否かが判別される。NOX 触媒17の下流端24の
温度TDが下限温度値T1 以上である時にはステップS
816へ進み、HC供給弁19を予め定められた開弁時
間tv3だけ開弁してサイクルを終了する。ステップS
810において時間t3 −αを経過していないと判別さ
れた時、ステップS812においてNOX 触媒17の上
流端20の温度TUが下限温度値T1 より小さくないと
判別された時、およびステップS814においてNOX
触媒17の下流端24の温度TDが下限温度値T1以上
ではないと判別された時には、処理サイクルを終了す
る。尚、本発明においてNOX 触媒の上流端の温度が下
限温度値以上である場合にHC供給弁を開弁してNOX
触媒の上流端の温度を下限温度値より小さくし、その
後、上記のHC供給制御を行うことも可能である。
ある。本実施形態では、NOX 触媒17の上流端20に
その上流端20を冷却する冷却装置22を設け、NOX
触媒17の下流端24にその下流端24を加熱する加熱
装置26を設けている。冷却装置22としては空冷式ま
たは水冷式といった従来の装置を用いる。加熱装置26
としては電気式のヒータといった従来の装置を用いる。
これ以外の構成については第一実施形態と同様である。
本実施形態では、NOX 触媒の上流端および下流端の温
度に応じて上記冷却装置および加熱装置を作動し、NO
X 触媒の上流端の温度が下限温度値より小さく且つNO
X 触媒の下流端の温度が下限温度値以上となるようにN
OX 触媒の上流端および下流端の温度を制御する。
の排気ガス浄化装置における触媒温度制御のフローチャ
ートを示している。ステップS1010においてNOX
触媒17の上流端20の温度TUが下限温度値T1 以上
であるか否かが判別される。NOX 触媒17の上流端2
0の温度TUが下限温度値T1 以上である時にはステッ
プS1012へ進み冷却装置22を作動(ON)し、ス
テップS1016へ進む。NOX 触媒17の上流端20
の温度TUが下限温度値T1 以上でない時にはステップ
S1014へ進み冷却装置22の作動を停止(OFF)
し、ステップS1016へ進む。次にステップS101
6では、NOX 触媒17の下流端24の温度TDが下限
温度値T1 より小さいか否かが判別される。NOX 触媒
17の下流端24の温度TDが下限温度値T1 より小さ
い時にはステップS1018へ進み加熱装置26を作動
(ON)し、処理サイクルを終了する。NOX 触媒17
の下流端24の温度TDが下限温度値T1 より小さくな
い時にはステップS1020へ進み加熱装置26の作動
を停止(OFF)し、処理サイクルを終了する。尚、本
実施形態のHC供給制御は第一または第二実施形態と同
様である。
転期間において、NOX 触媒の上流端の温度が下限温度
値より小さく且つNOX 触媒の下流端の温度が下限温度
値以上に維持されるため、より高いNOX 浄化率を確保
することができる。
定められた浄化率で浄化作用を行う温度範囲から外れて
いる時に供給された還元剤が、触媒の上流端において還
元作用を行わずに触媒に吸着する。触媒の上流端におい
て還元剤が還元作用を行わないため、排気ガス中の酸素
濃度が高く維持され、NOX 中のNOが排気ガス中の酸
素によりNO2 へ酸化される。上記NO2 は還元され易
いため、触媒の下流側へと移動したNO2 は、上記温度
範囲から外れた上流端から上記温度範囲内にある下流側
へ移動したHCによりN2 へ容易に還元される。従っ
て、本発明によれば、触媒の高い浄化率を確保すること
ができる。
えた内燃機関を示す図である。
を示した図である。
C供給制御の実例を示す図である。
る。
めのマップを示す図である。
ートである。
C供給制御の実例を示す図である。
ートである。
えた内燃機関を示す図である。
ャートである。
Claims (3)
- 【請求項1】 排気ガス中のNOX を浄化する触媒を機
関排気通路内に備え、該触媒に還元剤を供給し、前記触
媒が予め定められた温度範囲内において前記還元剤の還
元作用により予め定められた浄化率で浄化作用を行う内
燃機関の排気ガス浄化装置において、前記触媒の上流端
の触媒温度が前記温度範囲の下限温度値より低く且つ前
記触媒の下流端の触媒温度が前記温度範囲の下限温度値
以上である時に触媒に供給する還元剤の量を増大したこ
とを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。 - 【請求項2】 排気ガス中のNOX を浄化する触媒を機
関排気通路内に備え、該触媒に還元剤を供給し、前記触
媒が予め定められた温度範囲内において前記還元剤の還
元作用により予め定められた浄化率で浄化作用を行う内
燃機関の排気ガス浄化装置において、前記触媒の上流端
の触媒温度が前記温度範囲の下限温度値より低く且つ前
記触媒の下流端の触媒温度が前記温度範囲の下限温度値
以上である時にのみ還元剤を触媒に供給することを特徴
とする内燃機関の排気ガス浄化装置。 - 【請求項3】 前記予め定められた浄化率が最大浄化率
の略半分以上であることを特徴とする請求項1または2
に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
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