WO2007077973A1

WO2007077973A1 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: WO2007077973A1
Application number: PCT/JP2006/326404
Authority: WO
Inventors: Takekazu Ito
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2005-12-28
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2007-07-12
Also published as: CN101151440A; EP1967708A1; JP4404048B2; US7779623B2; JP2007177721A; EP1967708A4; US20090031707A1; CN100595421C

Abstract

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。内燃機関の排気通路に設けられ排気を浄化するフィルタに燃料を供給することでフィルタ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、フィルタの排気浄化能力を回復させる際に、フィルタへ流入する排気の温度が第１所定範囲内にあり、かつ、フィルタの温度が第２所定範囲内にある場合には、（ｂ）に示すように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、フィルタへ流入する排気の温度が第１所定範囲の下限温度よりも低い場合、又は、フィルタの温度が第２所定範囲の上限温度よりも高い場合には、（ａ）に示すように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。

Description

明細書内燃機関の排気浄化装置技術分野

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。背景技術

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、特開 2002— 38939号公報には、 NO x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、これらのパラメ一夕に基づいて、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開示されている。

また、特開平 9一 228869号公報には、特定の気筒の空燃比をリッチ、他気筒をリーンで運転する際、リッチ気筒の燃料噴射パルス幅を複数回にわけ、噴射初期の粒径の大きい燃料噴霧を供給し HC、 COを多く発生させることにより、リッチ度合を小さくし、リツチ気筒とリーン気筒の出力差を低減する技術が開示されている。特開 2001—41025号公報には、エンジンの排気通路に配置され還元剤によつて排気ガス中の NOxを還元浄化する触媒に供給される還元剤を増量しているときに、検出される NOx浄化度合が所定度合以下になったときには、還元剤の増量を一時的に抑制する技術が開示されている。発明の開示

本発明の目的は、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塲合は、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。図面の簡単な説明

図 1は、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。

図 2は、実施例 1に係る N O X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。

図 3は、実施例 1に係る P M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。発明を実施するための最良の形態

以下に本発明の具体的な実施例を説明する。

(実施例 1 )

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ストロークサイクル ·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、ターボチヤ一ジャ（過給機） 4のコンプレッサ 4 aが設置されている。一方、排気通路 3の途中には、タ一ポチャージャ 4のタービン 4 bが設置されている。タービン 4 b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 4 a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 4 b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、フィル夕 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、該フィル夕 5には、吸蔵還元型 NOx触媒（以下、 NOx触媒と称する）が担持されている。本実施例においては、フィル夕 5が本発明の排気浄化手段に相当する。フィル夕 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、フィル夕 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における夕一ビン 4 b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（E CU： 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。

ECU 9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 E CU 9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。

ECU 9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、 ECU 9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、 S Ox被毒回復処理、 P M酸化除去処理などといつ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ツチ空燃比とし、 NOx触媒に吸蔵された N〇x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、燃料をフィル夕 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夕 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ツチ空燃比とし、 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、フィル夕 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。添加周期にぉレ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夕 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の（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の（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 AZF (空燃比）を破線のストィキ（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夕 5の温度が第 2温度範囲内にある場合には、図 2の（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、フィル夕 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夕 5に到達することになる。そのため、図 2の（b) に示すように、図 2の（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、 N〇x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で検出するフィル夕 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 の（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 NO X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夕 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の (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 N〇x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夕 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夕 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、フィル夕 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、 P M酸化除去処理時の燃料添加について図 3に示すタイムチヤ一トに基づいて説明する。図 3の（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の（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で検出するフィル夕 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夕 5の温度が第 4温度範囲内にある場合には、図 3の（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夕 5についての第 4温度範囲の温度は、フィル夕 5に担持された NO X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、フィル夕 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の（b) に示すように、図 3の（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夕 5の温度の上昇が行える。従って、フィル夕 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で検出するフィル夕 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の（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使用されることになる。よって、より多くの燃料がフィル夕 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 NO X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夕 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の (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 N O X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夕 5に到達すると、 N O X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夕 5に到達することになる。そのため、 N O X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 4 b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 4 b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に对する効果がより顕著に生じる。

ここで、上記実施例における第 1温度範囲及び第 3温度範囲が本発明の第 1所定範囲に相当し、上記実施例における第 2温度範囲及び第 4温度範囲が本発明の第 2所定範囲に相当する。

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つたが、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。

Claims

請求の範囲

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つて、

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。