JPH1181990A

JPH1181990A - 排ガス浄化触媒用の還元剤添加装置

Info

Publication number: JPH1181990A
Application number: JP9241346A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Omichi; 重樹大道; Naohisa Oyama; 尚久大山; Shinya Hirota; 信也広田; Eiji Iwasaki; 英二岩▲崎▼; Toshiaki Tanaka; 俊明田中
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 1997-09-05
Filing date: 1997-09-05
Publication date: 1999-03-26
Anticipated expiration: 2017-09-05
Also published as: JP3759667B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ＨＣ等の還元剤によるＮＯx 触媒の被毒を避
ける目的で触媒を加熱する場合に、加熱手段によって消
費されるエネルギーを最少にする。【解決手段】ディーゼルエンジンのような内燃機関が
排出する酸素過剰の排ガスに含まれているＮＯx を浄化
する触媒に対して、その浄化作用を助けるために還元剤
が添加供給されるが、本発明の還元剤供給装置において
は、その還元剤を加熱する加熱手段と、その加熱手段を
触媒の状態に応じて作動させるか否かを判断する制御手
段とを備えている。例えば、触媒の活性化温度が２００
〜３５０°Ｃである場合に、還元剤はその温度範囲内の
全域において供給可能であるが、還元剤の加熱手段は２
００〜２２０°Ｃ（入りガス温度或いは触媒温度）とい
う狭い範囲だけ付勢される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ディーゼルエンジ
ンの排ガスのような、酸素過剰の雰囲気に含まれる窒素
酸化物（ＮＯx と略称する）を触媒によって浄化するＮ
Ｏx 触媒システムにおいて、炭化水素（ＨＣと略称す
る）のような還元剤を触媒の上流側に添加するための還
元剤添加装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】過剰な酸素（空気）が含まれているディ
ーゼルエンジンの排ガスのようなリーン雰囲気中のＮＯ
x を触媒によって浄化するＮＯx 触媒システムにおい
て、触媒の上流側に還元剤として軽油のような燃料を添
加することによって触媒のＮＯx浄化性能を高める場合
に、還元剤として添加される軽油等には、ＮＯx との間
で直接に酸化還元反応を行うことができる比較的軽質の
ＨＣ成分（炭素数が少ない分子）と、ＮＯx の浄化には
直接に関与しない比較的重質のＨＣ成分（炭素数が多い
分子）とが含まれているが、後者の重質のＨＣ成分はＮ
Ｏx の浄化作用に直接に役立たないだけでなく、触媒の
活性点に徐々に付着してその浄化性能を低下させる所謂
「ＨＣ被毒」を生じる。

【０００３】そこで従来技術の一つとして、特開平７−
２０８１５０号公報に記載された還元剤添加装置におい
ては、添加される液体の燃料を加熱して重質のＨＣ分子
を熱分解（改質）させることにより、炭素数が少ない軽
質のＨＣ分子を転換させて、その燃料を触媒の上流側へ
添加することによりＮＯx 浄化率を高めている。しかし
ながら、この従来技術においては添加される燃料を常時
加熱しているので、加熱のためのエネルギ消費が無視で
きない程度になるという問題がある。

【０００４】他の従来技術として、特開平９−４４３７
号公報には、触媒の上流側に供給されるＨＣの量を適正
に調整してＮＯx 浄化率を高く維持するために、触媒に
おけるＨＣの吸着量を推定して、そのＨＣ吸着量に応じ
てＨＣの添加量を制御するという還元剤の添加制御の手
段が開示されている。しかしながら、この従来技術では
触媒に対するＨＣ被毒を回避したり、被毒した触媒の浄
化性能を回復させるための緻密な制御を行うことができ
ないので、長期間にわたってこの手段を実施すると、そ
の間に生じたものと推定される触媒のＨＣ吸着量と、実
際にＨＣの吸着によって生じたＨＣ被毒の程度との間に
ずれが生じてくるので、触媒のＮＯx 浄化性能を十分に
引き出すために必要な最適のＨＣ添加量の制御ができな
くなるという問題がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来技術に
おける前述のような諸問題に対処して、適正な量のＨＣ
を触媒に添加供給することにより高いＮＯx 浄化性能を
維持する一方、添加されるＨＣを加熱するためのエネル
ギ消費を最少限度に低減しながら、十分に触媒のＨＣ被
毒を防止することができるような、また、既にＨＣ被毒
が進行している触媒に対しても浄化能力を回復させるこ
とができるような、排ガス浄化用触媒に対する改良され
たＨＣ添加装置を提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記の課題を
解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項
に記載された排ガス浄化触媒用の還元剤供給装置を提供
する。

【０００７】本発明の排ガス浄化触媒用還元剤添加装置
においては、ディーゼルエンジンのような内燃機関が排
出する酸素過剰の排ガスに含まれているＮＯx を浄化す
る触媒に対して、その浄化作用を助けるために還元剤を
添加供給するが、その還元剤を加熱する加熱手段と、そ
の加熱手段を触媒の状態によって作動させるか否かを判
断する制御手段とを備えているので、添加される還元剤
によって触媒に被毒が発生する恐れがある時期、及び、
既に被毒が生じている場合は被毒を回復させ得る時期に
のみ、制御手段によって加熱手段を作動させて還元剤を
加熱する。それによって還元剤を改質して触媒の被毒を
回避し、既に被毒が生じている場合は被毒を回復させる
ことができる。このように適時においてのみ加熱手段を
付勢するので、加熱手段に投入するエネルギーを最少限
に抑制することができる。

【０００８】本発明の還元剤添加装置において添加供給
される還元剤は、例えば炭化水素からなる燃料であっ
て、機関本体の燃料と同じものでよく、ディーゼルエン
ジン用の燃料としての軽油をそのまま使用することがで
きる。

【０００９】本発明においては、加熱手段を作動させる
時期等を決定する制御手段に入力すべきデータの一部を
検出するために、実質的に触媒の温度を検出する温度検
出手段を設けることができるが、その温度検出手段は触
媒に直接に取り付けられたものだけでなく、触媒への入
りガス温度を検出するものや、触媒からの出ガス温度を
検出するものであってもよい。

【００１０】多くのＮＯx 浄化触媒に関して、制御手段
がその触媒が被毒を受けていないか或いは被毒の程度が
所定のレベルよりも低いと判断した時は、入りガス温度
が２００〜２２０°Ｃの範囲にある期間だけ加熱手段を
作動させる。また、触媒が所定のレベルよりも高い程度
に被毒を受けていると判断した場合は、入りガス温度が
２００〜２２０°Ｃの範囲にある期間に加えて、触媒の
被毒の程度に応じて算出した追加期間だけ加熱手段を余
分に付勢する。還元剤の加熱温度は略６００℃〜略８０
０°Ｃとすることができる。それによってエネルギー消
費を必要最少限に抑えながら、触媒の被毒を抑制すると
共に、既に被毒が生じているときはそれを回復させるこ
とができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は排気系統に本発明のＨＣ添
加装置を設けたディーゼルエンジン全体を概括的に示す
図である。この図において、１１は例えば排気量４２０
０ｍｌの所謂直噴型のディーゼルエンジンである。ディ
ーゼルエンジン１１から排出される排ガスには汚染物質
のＮＯx 等が含まれている。排ガスは、例えば内径６０
ｍｍの排気管１２を通って触媒コンバータ１３に流入
し、その内部に収容されている体積３．４Ｌ程度の図示
しない触媒を通過し、その間に無害化されて大気中へ放
出される。この触媒は活性金属である白金等を多孔質の
ゼオライトの一種に担持させたものであって、ＮＯx は
ここで排ガス中のＨＣと反応して浄化される。１４は触
媒コンバータ１３内へ流入する「入りガス温度」を計測
する温度センサであるが、場合によっては触媒自体の温
度を検出する温度センサであってもよい。

【００１２】本発明の図示実施形態においては、ＮＯx
と反応してそれを浄化するＨＣを補うために、ＨＣ添加
装置が排気系統に設置されている。このＨＣ添加装置
は、ディーゼルエンジン１１の燃料として図示しないタ
ンク内に保有されている軽油の一部を、触媒コンバータ
１３内の触媒から見て上流側の排気管１２内を流れる排
ガス中へ添加供給するものであって、ヒータ付き添加ノ
ズル１５、電磁弁等からなるインジェクタ１６、インジ
ェクタ制御用電源１７、及びヒータ加熱用電源１８等か
ら構成されている。

【００１３】更に、触媒コンバータ１３に設けられた前
述の温度センサ１４や、ディーゼルエンジン１１の運転
状態を示すデータを検出するために通常設けられている
図示しない幾つかのセンサ類から入力される信号を演算
処理するマイクロプロセッサを含む電子式制御装置（Ｅ
ＣＵ）のような制御装置１９が設けられていて、その指
令により、ＨＣ添加許容時期において所定の条件を満た
した時に、ヒータ付き添加ノズル１５の図示しないヒー
タに対してヒータ加熱用電源１８から電力を加えること
により、添加供給される軽油を加熱して軽質化させるこ
とができる。

【００１４】図２にヒータ付き添加ノズル１５の具体的
な実施形態の構造を例示する。この例は、自動車用ディ
ーゼルエンジンに使用されているグロープラグ２０をヒ
ータとして排気管１２内に取り付けたものであり、イン
ジェクタ１６から延びる軽油供給管２１の先端に形成さ
れた噴口であるノズル２２から、グロープラグ２０に向
かって軽油の噴霧を噴射あるいは滴下して、グロープラ
グ２０に接触することによって気化させると共に、一部
の重質の成分を熱分解させて軽質の成分に改質させるこ
とができるようになっている。なお、２３はヒータ（グ
ロープラグ２０）へ電力を供給する電線を、２４はヒー
タ付き添加ノズル１５の取り付け部を示す。

【００１５】図３もまたヒータ付き添加ノズル１５の他
の具体的な実施形態の構造を例示するもので、この場合
はアルミナ製の板に白金線を印刷して製作したヒータ２
５を使用している。２６はステンレス鋼等の耐熱性の金
属板からなる筒状の容器であって、その先端部分には、
ノズル２２から噴射され加熱された板状のヒータ２５に
触れて少なくとも一部が気化・軽質化した軽油を排気管
１２内の排ガス中へ噴出させる開口２７が設けられてい
る。

【００１６】いずれのヒータでも、表面温度を約８００
°Ｃまで昇温させることが可能であって、略同等の軽油
改質効果が得られる。触媒コンバータ１３内に収容され
ている図示しない触媒は例えば白金系のものであって、
ＮＯx 浄化温度域は２００〜３５０°Ｃ程度の範囲であ
る。また、このような触媒では、ＨＣ添加温度が２２０
°Ｃ以下の時に、比較的重質のＨＣ成分に接触すると被
毒が進行することが確認されている。

【００１７】図４及び図５に、触媒のＨＣ被毒を抑える
ための本発明装置の特徴として、触媒のＨＣ被毒の状況
に応じてＯＮ−ＯＦＦさせるヒータ（２０，２５）の加
熱時期や、温度センサ１４によって検出される入りガス
温度（或いは触媒の温度）に応じて決定される軽油の添
加許容時期等の、ヒータ付き添加ノズル１５を含むＨＣ
添加装置の制御条件を示す。詳細な判定の手法等は後に
説明するが、触媒が未だＨＣ被毒を受けていないと判定
された場合には、図４に示すような被毒の発生を抑える
ための制御条件が適用される。また、被毒が既に進行し
ていると判定された場合には、それ以上の被毒の進行を
抑えるか、或いは被毒の回復を図るために図５に示すよ
うな制御条件が適用される。

【００１８】図４及び図５はいずれも入りガス温度（触
媒の温度でもよい）を基準とするものであって、それら
の図の上段はヒータの加熱時期を示しており、下段は軽
油の添加許容時期を示している。但し、下段の「添加許
容時期」は、後に説明する他の条件が共に満たされた時
に軽油の添加供給が実行される許容時期或いは期間を示
すものであって、これらの図における添加許容時期の条
件、即ち、入りガス温度が触媒のＮＯx 浄化温度域であ
る２００〜３５０°Ｃの範囲にあれば必ず添加供給が実
行されるという訳ではない。

【００１９】この点は本発明のＨＣ添加装置の特徴の一
つであると言ってよいが、図４又は図５に示されたいず
れの場合であっても、即ち、触媒のＨＣ被毒が未だ生じ
ていないか、或いは、既に生じているかのいずれの場合
でも、入りガス温度が触媒の浄化温度域である２００〜
３５０°Ｃの範囲内にあるときだけ、ＨＣ添加装置のノ
ズル２２から軽油が排気管１２内の排ガス中へ添加され
ることが許容される。換言すれば、それ以外の温度範囲
では他の条件がどのようなものであっても原則的にはＨ
Ｃ添加を行わないということである。

【００２０】このようにして軽油を添加供給する時期を
入りガス温度の所定の温度範囲に限定することにより、
軽油の消費量を必要最少限度に抑制することができ、デ
ィーゼルエンジン１１の燃費を低減させることができ
る。また、入りガス温度が低すぎる時に軽油を添加供給
して触媒にＨＣ被毒を生じさせること、及び、２００〜
３５０°Ｃ以外の、触媒がＮＯx の浄化能力を有しない
低温度及び高温度の温度範囲においてＨＣ添加を行って
燃料を無駄にしたり、大気を汚染することを避けること
ができる。

【００２１】後に説明するような手段によって、触媒に
未だＨＣ被毒が生じていないと判定されたときは、図４
に示すように、軽油が添加供給され得る前述の温度域２
００〜３５０°Ｃの中でも特に、軽油に含まれている重
質のＨＣ成分による被毒が生じやすい２００〜２２０°
Ｃという比較的狭い温度範囲において、制御装置１９の
指令によってヒータ加熱用電源１８からヒータ（グロー
プラグ２０又は板状のヒータ２５）に電力を供給して、
添加される軽油を約８００°Ｃまで加熱する。それによ
って軽油を改質し、軽質化させた後にノズル２２から排
ガス中へ噴射する。従って、触媒の被毒を避けるために
軽油の加熱・改質が必要な限られた時期だけヒータによ
って軽油を加熱するので、電力の消費が必要最少限に抑
えられ、これもまたエンジン１１の燃費を低減させるの
に役立つ。

【００２２】また、後に述べるような手法によって、制
御装置１９が触媒にＨＣ被毒が生じていると判定したと
きは、図５に示したような制御条件が適用される。軽油
の添加許容時期は、やはり触媒が活性化している温度域
２００〜３５０°Ｃの範囲であるが、ヒータ（グロープ
ラグ２０又は板状のヒータ２５）の加熱時期或いは期
間、即ちヒータ加熱用電源１８からの給電時期或いは期
間は、触媒の被毒の進行状況に応じて制御装置１９によ
って決定される。

【００２３】例えば、触媒のＨＣ吸着量が最も少ない所
定値以下であると判定された時は、入りガス温度が２０
０〜２２０°Ｃの範囲にある時だけヒータを加熱する。
そして、ＨＣ吸着量が最も多い所定値以上であると判定
された時は、実際にＨＣが添加される期間の全域にわた
ってヒータに通電してＨＣを加熱する。そして、被毒の
程度がそれらの中間である時は、図５に破線によって示
したように、制御装置１９の指令する中間程度の期間だ
けヒータを付勢する。

【００２４】このようにすれば、触媒が既に被毒を受け
ていた場合でも、それ以上に被毒が進行するのを抑制す
ることができるし、被毒状態から徐々に回復させて触媒
を正常な状態に戻すことも可能になる。言うまでもな
く、この場合も燃料と電力の消費量は必要最少限に止ま
り、ディーゼルエンジン１１の燃費を低減させることが
可能になる。

【００２５】次に、以上概括的に説明した実施形態の作
動を生じさせるために必要な、細部の構成或いは機能に
ついて更に詳細に説明する。まず、図６は制御装置１９
の作動を示す制御フローチャートである。イグニッショ
ンスイッチをＯＮにするとステップ１００において制御
装置１９が作動を開始し、まずステップ１１０におい
て、ディーゼルエンジン１１に設けられている図示しな
い回転数センサ及びアクセル開度センサから、エンジン
回転数信号Ｎe とアクセル開度信号ＡＣＣが制御装置１
９に読み込まれる。なお、図６のフローチャートには示
されていないが、エンジン回転数Ｎe 及びアクセル開度
ＡＣＣの読み取りと共に、排気温度（温度センサ１４が
検出する入りガス温度）、或いは触媒温度とか、場合に
よっては、触媒の下流側に設けられた図示しない温度セ
ンサが検出する触媒からの出ガス温度をも読み込む。

【００２６】次に、ステップ１２０に進んでＨＣ添加を
行うか否かが判定され、ＨＣ添加を行うと判定された場
合には同時に添加量が決定される。その具体的な手法に
ついて詳細に説明すると、まず、その時にエンジンの運
転状態が定常状態にあるか或いは過渡状態にあるかが判
定される。微小な時間Δｔの間のエンジン回転数Ｎeの
変化と、アクセル開度ＡＣＣの変化が、その時間Δｔの
前後のそれぞれの信号の差の値として常時算出されてお
り、それらの差の絶対値がいずれも所定値以下であれば
エンジンは定常状態にあると判定され、どちらかの差の
絶対値が所定値を越えると過渡状態にあると判定され
る。定常状態及び過渡状態のそれぞれに応じて、ＨＣ添
加条件の判定が、即ち実際にＨＣ添加を行うか否かとい
うことがエンジン回転数Ｎe とアクセル開度ＡＣＣに基
づいて決定される。

【００２７】例えばエンジンが定常状態にあると判定さ
れた場合に、前述の添加許容時期において実際にＨＣを
添加するか否かは、図７に示したようなマップを使用し
て決定される。即ち、入りガス温度が触媒の浄化温度域
２００〜３５０°Ｃ内にあるという添加許容時期におい
て、その時のＮe とＡＣＣの交わる点が図７のハッチン
グを施した領域内にあればＨＣ添加が実行される。この
時、制御装置１９はインジェクタ制御用電源１７によっ
てインジェクタ１６を付勢するので、ヒータ付き添加ノ
ズル１５のノズル２２は軽油の噴霧を触媒の上流側の排
ガス中へ噴射して混入させる。また、その時のＮe とＡ
ＣＣの交わる点が図７においてハッチングを施した領域
内になければ、添加許容時期であってもＨＣ添加は停止
される。言うまでもなく、図７のようなマップは予め設
定されたもので、制御装置１９内のＲＯＭに収納されて
いる。

【００２８】制御装置１９によって、エンジンが定常の
運転状態にあり且つＨＣ添加を実行する時期にあると判
定された場合のＨＣ添加量は、やはりその時のエンジン
回転数Ｎe とアクセル開度ＡＣＣの値に基づいて、図８
に示したようなマップを使用して決定される。図８のマ
ップは複数本の曲線によって幾つかの添加量の領域に区
切られているので、その時のエンジン回転数Ｎe とアク
セル開度ＡＣＣの交わる点がどの領域に存在するかとい
うことを制御装置１９によって読み取ることによって、
適正な添加量を決定することができる。なお図８には図
７に添加条件として示したハッチングの領域の外の領域
まで延びる可能性のある曲線を示しているが、これは添
加量の変化の傾向を示したものに過ぎない。

【００２９】次に、微小な時間Δｔ内におけるエンジン
回転数Ｎe 又はアクセル開度ＡＣＣの変化量の絶対値が
所定値を上回っていて、エンジンが過渡状態にあると判
定された場合に、前述の添加許容時期において実際にＨ
Ｃを添加するか否かということは、微小な時間Δｔ内に
おけるアクセル開度ＡＣＣの変化量の値が正であるか或
いは負であるかを判定した後に、それぞれの場合に対し
て別々に用意されたマップを使用して、添加条件に合致
するか否かを判定する。言うまでもなく、この場合に使
用するマップは、微小な時間Δｔ内におけるアクセル開
度ＡＣＣの変化量の代わりに、エンジン回転数Ｎe の変
化量が正か負かを見て選択することも可能である。

【００３０】微小な時間Δｔ内におけるアクセル開度Ａ
ＣＣ、或いはエンジン回転数Ｎe の変化量が正であると
きはエンジン１１が増速であることを示しており、その
時の添加許容時期に実際にＨＣを添加するか否かは、図
９に示したようなマップを使用して判定される。即ち、
入りガス温度が添加許容時期を示していて、しかもその
時のＮe とＡＣＣの交わる点が図９においてハッチング
が施された領域の中にある時だけＨＣ添加が実行され
る。

【００３１】そして、その時にノズル２２から噴射され
る軽油の噴射量即ちＨＣ添加量は、図１０に示したよう
な、複数本の曲線によって幾つかの添加量の領域に区切
られたマップを使用して、制御装置１９がその時のエン
ジン回転数Ｎe とアクセル開度ＡＣＣの交わる点がどの
領域に存在するかということを読み取ることによって決
定される。

【００３２】以上の説明から類推されるように、微小な
時間Δｔ内におけるアクセル開度ＡＣＣ、或いはエンジ
ン回転数Ｎe の変化量が負であるときは、エンジン１１
が減速中であることを示しており、その時の添加許容時
期に実際にＨＣを添加するか否かを決める添加条件の判
定や、添加量の大きさの決定は、制御装置１９が図１１
及び図１２のようなマップを使用して同様な手順によっ
て行う。

【００３３】再び図６のフローチャートに戻って、前述
のように実行されるステップ１２０におけるＨＣ添加の
判定の後に、ステップ１３０において、ヒータ付き添加
ノズル１５のヒータ（２０又は２５）への通電加熱を行
うか否かが決定され、更に、加熱する場合にはヒータに
投入する電力量が演算によって決定される。

【００３４】まず、ヒータを加熱するか否かについて、
白金系の触媒に対して入りガス温度が２２０°Ｃ以下の
場合は、その他の条件に関係なく基本的にヒータを加熱
することとする。しかし、本発明の装置によってＨＣ添
加を行うのは、原則的に触媒が活性化して浄化能力を有
する２００〜３５０°Ｃの温度範囲内に限られているか
ら、ＨＣ添加を行わない２００°Ｃ以下の温度範囲では
ヒータの加熱を行っても電力の浪費となるので、結局、
入りガス温度が比較的低温度の範囲で他の条件に関係な
く共通的にヒータの加熱を行うのは、前述の通り入りガ
ス温度が２００〜２２０°Ｃの範囲にある時だけという
ことになる。また、触媒が被毒を受けていない場合や、
被毒の程度が所定値よりも低い場合のヒータの加熱は、
本発明によれば原則的にこの狭い温度範囲だけに限られ
る。

【００３５】触媒が既にある程度以上の被毒を受けてい
ると判定された場合は、本発明装置においては、被毒の
程度に応じて前述のように入りガス温度が比較的高温度
となる範囲までヒータの加熱を続行して、被毒の進行を
止めたり、更に進んで被毒状態の回復を図るが、被毒の
程度、即ち触媒のＨＣ吸着量に対応して、実際にどれだ
けの電力をヒータに投入して加熱を続行し、加熱温度や
それに従う入りガス温度をどの程度まで高めるのが適当
であるかということを探り出すために、多くの実験を重
ねて知り得た最適値を次に開示する。

【００３６】図１３は、被毒の程度を示す触媒へのＨＣ
の吸着量と、それに対処するのに適当なＨＣの加熱温度
との関係を調べた結果を示したものである。ＨＣの吸着
量が多くなるのに対応してＨＣの加熱温度を少しずつ高
くする必要があるが、加熱温度を８００°Ｃ程度まで高
めると吸着量が５ｇ以上の重度の被毒状態の全てに対応
することができる。しかし、それ以上に加熱温度を高め
ると触媒の劣化のような他の問題を生じる恐れがある
し、それ以上は加熱の効果の伸びが期待できないことか
ら、加熱温度は少なくとも４００°Ｃ以上で、好ましく
は重度の被毒状態に対応し得る８００°Ｃ付近に取るの
が良いことが判る。

【００３７】図１４は、添加されるＨＣ（軽油）を加熱
する場合に、加熱温度に応じて炭素数１０以下の軽質成
分の割合がどのように変化するかということを調べた結
果を示したものである。この結果から判るように、加熱
温度が６００°Ｃ以上においては、軽油の熱分解が進む
ことから軽質成分の割合が急に多くなり、８００°Ｃの
近くで頭打ちになる。軽質成分が多くなると触媒による
ＮＯx の浄化能力が高まるし、添加ＨＣによる触媒の被
毒の恐れがなくなるから、軽質成分の割合は高いほど良
いが、図１４に示した結果から見ると、添加されるＨＣ
の加熱温度の最適温度範囲は凡そ６００〜８００°Ｃ程
度であることが判る。

【００３８】以上の実験結果から、添加されるＨＣの加
熱の最適温度は少なくとも４００°Ｃ以上で好ましくは
６００°Ｃ以上であり、吸着量が約５ｇ以上の重度の被
毒状態に対しては８００°Ｃ程度の高温とするのが良い
ことが判るから、触媒のＨＣ被毒の程度（ＨＣ吸着量）
に対応して加熱温度を決定し、それだけの加熱温度をも
たらし得るヒータへの投入電力量（電圧が一定の場合は
電流値と通電時間）を算出して、制御装置１９のＲＯＭ
に設定するとよい。

【００３９】なお、図１５は、触媒の被毒の程度が進む
（ＨＣ吸着量が多くなる）とＮＯx浄化率がどのように
低下するかということを実験によって調べた結果を示す
ものである。この結果から判るように、ＨＣ吸着量が８
〜１０ｇ程度以上になると、触媒は実質的に浄化能力を
失ってＮＯx 浄化率が０になる。従って、ＨＣ吸着量が
５〜８ｇ程度に達するまでに、本発明の添加装置を使用
することによって被毒の進行を止めたり、被毒状態から
の回復を図る必要がある。

【００４０】次に、前述のような手段を講じるために
は、触媒が問題となる程度以上の被毒状態に陥ったとき
に、それを正確に検知する必要がある。対策を講じる必
要がある触媒の被毒状態の程度は、触媒のＨＣ吸着量が
所定値よりも高くなった状態として量的に定義すること
ができるが、ＨＣ吸着量の数値が所定値を超えた状態を
確実に検知するためには、当然のこととして触媒のＨＣ
吸着量の数値を正確に知る必要がある。

【００４１】触媒のＨＣ吸着量を正確に知るための具体
的な手法の一つは、図１に示したようなシステムにおい
て、触媒コンバータ１３内の触媒への入りガスと、触媒
からの出ガス中にそれぞれ含まれているＨＣの量をセン
サによって検出して、触媒における単位時間当たりのＨ
Ｃの吸着量、脱離量、及び反応量を制御装置１９によっ
て時間的に積算し、触媒へ吸着したＨＣの全量を推定す
る手法である。

【００４２】即ち、ＨＣのような一般的にＳＯＦ（可溶
性有機成分）と呼ばれる物質について、触媒におけるそ
れの単位時間当たりの吸着量をＡｂ、同じく脱離量をＤ
ｅ、同じく反応量をＲｅとすると、それらの数値はいず
れも変数である入りガス温度Ｔと経過時間ｔとの関数と
なっており、更に、或る長い時間が経過した後の吸着量
Ｍｇは、次の積分式によって示されるように、それらＡ
ｂ，Ｒｅ，Ｄｅ，Ｔ，ｔを変数とする一つの関数となっ
ているからである。

【００４３】

【数１】

【００４４】また、触媒の被毒状態を正確に検知するた
めの第２の判定方法は、図１に示したようなシステムに
おいて、触媒コンバータ１３内に収容されている触媒の
下流側に図示しないＨＣセンサを設けて、その検出値を
制御装置１９に入力しておくことにより、ＨＣセンサが
検出する出ガス中のＨＣの量が所定値以上になったとき
に、触媒がＨＣによって飽和してＨＣ吸着量が所定値を
超えた（触媒が許容できない程度に被毒した）と判定す
ることである。

【００４５】更に、触媒の被毒状態を正確に検知するた
めの第３の判定方法は、触媒の上流側の温度センサ１４
の他に、触媒の下流側にも図示しない温度センサを設け
て、双方の検出信号を制御装置１９に入力しておき、触
媒のライトＯＮ温度、例えば触媒の昇温時におけるＣＯ
浄化開始温度と、触媒のライトＯＦＦ温度、例えば触媒
の降温時におけるＣＯ浄化停止温度とを検出して、それ
らの値が所定値よりも上昇した時は、触媒が何らかの対
策を必要とする程度まで被毒したと判定することであ
る。

【００４６】なお、前述の説明においては白金系のＮＯ
x 浄化触媒を使用した例を挙げているが、触媒金属の種
類に関係なくＮＯx 浄化触媒においては一般的に、温度
の変化に対応するＮＯx 浄化率の変化と、温度の変化に
対応するＴＨＣ（トータルＨＣ、或いは全ＨＣ）の浄化
率の変化という点において、図１６及び図１７の線図に
示したような共通の性質のあることが認められる。

【００４７】ここで注目すべき点は、触媒のＮＯx 浄化
率が上昇し始める温度（ＮＯx 浄化開始温度）は、ＴＨ
Ｃ浄化の開始温度と一致していることである。温度を上
昇させることによってＮＯx 浄化率が最大となる条件に
おいて、添加ＨＣとして軽油のような色々な炭化水素の
混合物を用いると、ＴＨＣ浄化率は２０％から８０％の
間の値となる。更に、ＮＯx 浄化率が略０％まで低下す
る温度では、ＴＨＣ浄化率は略１００％となる。

【００４８】上記の関係において、ＨＣ添加によって生
じるＨＣ被毒は、ＴＨＣ浄化の開始温度から触媒の置か
れている状況に応じて進行するが、ＴＨＣ浄化率が４０
％以下の温度範囲において特に顕著に生じることが発明
者等の実験によって明らかになっている。

【００４９】従って、各種の触媒金属に対して添加装置
の加熱制御の条件を上位概念によって一般的に表示する
と図１８及び図１９のようになる。図１８は触媒が未だ
被毒を受けていない場合を示すもので、ヒータは触媒の
入りガス温度がＣＯの浄化開始温度からＴＨＣ４０％の
浄化温度までの範囲にある時に通電されて、添加される
ＨＣをこの間だけ加熱する。

【００５０】これに対して、触媒が既に被毒状態にある
時は、図１９に示したように、触媒の入りガス温度がＣ
Ｏの浄化開始温度からＴＨＣ９０％の浄化温度までの比
較的広い範囲にある間にヒータに通電を行って添加され
るＨＣを加熱する。先に説明した図５及び図６に示され
ているヒータの加熱時期は、このような考察に基づいて
到達した結論である。

【００５１】なお、このようなものの例外として、触媒
金属の種類が異なると入りガス温度に対するＨＣ添加装
置の加熱制御の条件を変えなければならない場合もあ
る。その例としてＣｕ（銅）系触媒とＡｇ（銀）系触媒
の２つについて説明する。

【００５２】図２０は、Ｃｕ系触媒を使用した場合に、
入りガス温度の変化に対するＮＯx浄化率の変化を示し
たものである。この場合のＮＯx 浄化率は、ＣＯの浄化
開始温度である入りガス温度３００°Ｃから立ち上が
り、ＴＨＣ４０％の浄化温度である入りガス温度３９０
°Ｃを超えたところで最大となり、その後は次第に下降
して行くが、ＴＨＣ９０％の浄化温度である入りガス温
度５００°Ｃにおいても未だ十分に高いというように、
Ｃｕ系触媒特有の性質が認められる。

【００５３】そこで、この性質に対応して、ＨＣ被毒が
生じていない場合には、図２１に示したように、入りガ
ス温度の３００〜３９０°Ｃの温度範囲においてのみ、
ヒータに通電して、添加されるＨＣを加熱する。

【００５４】また、Ａｇ系触媒の場合は、入りガス温度
の変化に対して図２２に示されているようにＮＯx 浄化
率が変化するので、ＨＣ被毒が生じていない場合には、
入りガス温度の４００〜５５０°Ｃの温度範囲において
ヒータに通電して、添加されるＨＣを加熱することにな
る。

【００５５】再び図７のフローチャートに戻って残りの
説明を補足する。以上詳細に説明したような手法によっ
てステップ１３０におけるヒータの通電制御が行われ
て、触媒に添加されるＨＣが適正な時期に電力の無駄な
く加熱されるが、その後のステップ１４０において微小
な時間Δｔの経過を検知するとステップ１５０に進む。
そして、イグニッションスイッチが依然としてＯＮの状
態（運転中）であれば、ステップ１１０に戻って再び同
じ制御を繰り返すが、イグニッションスイッチがＯＦ
Ｆ、つまりエンジンが停止の状態になっていると、ステ
ップ１６０において制御装置１９の制御作動を終了す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の装置が適用されるシステムの構成を概
括的に示す図である。

【図２】ヒータ付き添加ノズルの具体的な構造を例示す
る横断平面図である。

【図３】ヒータ付き添加ノズルの他の具体例を示す横断
平面図である。

【図４】未被毒の触媒の被毒抑制のための制御モードを
示す線図である。

【図５】被毒済の触媒の被毒抑制のための制御モードを
示す線図である。

【図６】本発明装置において制御装置が実行する制御の
手順を概括的に示すフローチャートである。

【図７】エンジンの定常運転状態において、ＨＣ添加を
実行するか否かを決定するためのマップを例示する線図
である。

【図８】エンジンの定常運転状態において、ＨＣ添加量
を決定するためのマップを例示する線図である。

【図９】エンジンの増速運転状態において、ＨＣ添加を
実行するか否かを決定するためのマップを例示する線図
である。

【図１０】エンジンの増速運転状態において、ＨＣ添加
量を決定するためのマップを例示する線図である。

【図１１】エンジンの減速運転状態において、ＨＣ添加
を実行するか否かを決定するためのマップを例示する線
図である。

【図１２】エンジンの減速運転状態において、ＨＣ添加
量を決定するためのマップを例示する線図である。

【図１３】ヒータの加熱温度の最適値を示す線図であ
る。

【図１４】ヒータの加熱温度によって変わる軽質分の割
合を示す線図である。

【図１５】ＨＣ吸着量がＮＯx 浄化率に及ぼす影響を示
す線図である。

【図１６】異なる種類の触媒金属が温度の変化に対して
示す共通の性質として、ＮＯx 浄化率の変化を示す線図
である。

【図１７】異なる種類の触媒金属が温度の変化に対して
示す共通の性質として、全ＨＣの浄化率の変化を示す線
図である。

【図１８】未被毒の各種の触媒金属に関連して設けられ
たＨＣ加熱用ヒータへ通電するための制御モードを一般
的に示す線図である。

【図１９】被毒済の各種の触媒金属に関連して設けられ
たＨＣ加熱用ヒータへ通電するための制御モードを一般
的に示す線図である。

【図２０】Ｃｕ系触媒の温度の変化とＮＯx 浄化率との
関係を示す線図である。

【図２１】未被毒のＣｕ系触媒に関連して設けられたＨ
Ｃ加熱用ヒータへ通電するための制御モードを示す線図
である。

【図２２】Ａｇ系触媒の温度の変化とＮＯx 浄化率との
関係を示す線図である。

【符号の説明】

１１…ディーゼルエンジン１２…排気管１３…触媒コンバータ１４…温度センサ１５…ヒータ付き添加ノズル１６…インジェクタ１７…インジェクタ制御用電源１８…ヒータ加熱用電源１９…制御装置（ＥＣＵ）２０…グロープラグ２１…軽油供給管２２…ノズル２３…ヒータ用リード線２４…ヒータ付き添加ノズル取付部２５…板状のヒータ２６…ヒータ部容器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者広田信也愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者岩▲崎▼ 英二愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者田中俊明愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸素過剰の排ガスを導く内燃機関の排気
通路に設置され還元剤の存在の下で前記排ガスに含まれ
る窒素酸化物を浄化する触媒に対して、前記触媒の上流
側において前記排ガス中へ前記還元剤を添加するため
に、添加される前記還元剤を加熱する加熱手段と、前記
触媒の状態に応じて前記加熱手段を作動させるか否かを
判断する制御手段とを備えていることを特徴とする、排
ガス浄化触媒用の還元剤添加装置。
【請求項２】前記内燃機関がディーゼルエンジンであ
る請求項１に記載された排ガス浄化触媒用の還元剤添加
装置。
【請求項３】前記還元剤が炭化水素からなる燃料であ
る請求項１又は２に記載された排ガス浄化触媒用の還元
剤添加装置。
【請求項４】前記燃料が軽油である請求項３に記載さ
れた排ガス浄化触媒用の還元剤添加装置。
【請求項５】前記触媒の温度を検出する温度検出手段
が設けられ、その信号が前記制御手段に入力される請求
項１ないし４のいずれかに記載された排ガス浄化触媒用
の還元剤供給装置。
【請求項６】前記触媒が被毒を受けていないか或いは
被毒の程度が所定のレベルよりも低いと判断された場合
に、前記制御手段が、入りガス温度が２００〜２２０°
Ｃの範囲にある期間だけ前記加熱手段を付勢する請求項
１ないし５のいずれかに記載された排ガス浄化触媒用の
還元剤供給装置。
【請求項７】前記触媒が所定のレベルよりも高い程度
に被毒を受けていると判断された場合に、前記制御手段
が、入りガス温度が２００〜２２０°Ｃの範囲にある期
間に加えて、前記触媒の被毒の程度に応じた期間だけ前
記加熱手段を付勢する請求項１ないし６のいずれかに記
載された排ガス浄化触媒用の還元剤供給装置。
【請求項８】前記還元剤の加熱温度を略６００℃〜略
８００°Ｃとする請求項１ないし７のいずれかに記載さ
れた排ガス浄化触媒用の還元剤供給装置。