JP2005090462A

JP2005090462A - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP2005090462A
Application number: JP2003328882A
Authority: JP
Inventors: Shinya Hirota; 信也広田; Takanobu Ueda; 貴宣植田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-09-19
Filing date: 2003-09-19
Publication date: 2005-04-07
Anticipated expiration: 2023-09-19
Also published as: JP4367065B2

Abstract

【課題】改質燃料の性状が安定していない場合でも、排気浄化手段の再生を安定的に実行できる内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】内燃機関１の燃料を改質する燃料改質手段１５と、前記燃料改質手段により改質された改質燃料を貯留する改質燃料貯留手段１７と、前記改質燃料貯留手段の前記改質燃料を前記内燃機関の排気浄化手段６へ供給する改質燃料供給手段１９と、前記改質燃料貯留手段に貯留された前記改質燃料の性状を判断する性状判断手段２２と、前記性状判断手段が判断した前記改質燃料の性状に応じて前記改質燃料供給手段から供給される改質燃料量が調整されるように前記改質燃料供給手段を制御する改質燃料供給制御手段２２と、を排気浄化装置に設ける。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料を改質する燃料改質装置を備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。

燃料を改質させて水素を含む改質ガスを生成し、この改質ガスをＮＯｘトラップ触媒へ供給して触媒にトラップされているＮＯｘを還元する内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯｘの還元に必要な水素量及びバッファタンクに保持されている改質ガス保持量に応じて改質ガスの排気系への供給を制御する排気浄化装置が知られている（特許文献１参照）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２〜４が存在する。
特開２００２−１６１７３５号公報特開平１１−２１０４４７号公報特開２００２−３８９２５号公報特開２００２−３８９２６号公報

改質ガス等の改質された燃料（改質燃料）の性状は、改質時の温度や量及び改質前の燃料の組成、性状等により変化する。そのため、ＮＯｘトラップ触媒等の排気浄化手段の機能を再生するために改質燃料を供給しても、改質燃料の性状によっては排気浄化手段が適切に再生されないおそれがある。

そこで、本発明は、改質燃料の性状が安定していない場合でも、排気浄化手段の再生を安定的に実行できる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の燃料を改質する燃料改質手段と、前記燃料改質手段により改質された改質燃料を貯留する改質燃料貯留手段と、前記改質燃料貯留手段の前記改質燃料を前記内燃機関の排気浄化手段へ供給する改質燃料供給手段と、前記改質燃料貯留手段に貯留された前記改質燃料の性状を判断する性状判断手段と、前記性状判断手段が判断した前記改質燃料の性状に応じて前記改質燃料供給手段から供給される改質燃料量が調整されるように前記改質燃料供給手段を制御する改質燃料供給制御手段と、を備えたことにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

本発明の排気浄化装置によれば、改質燃料の性状に応じて供給する改質燃料量を調整するので、改質燃料の性状が安定していない場合でも、排気浄化手段を再生するのに適切な量の改質燃料を供給することができる。従って、排気浄化手段の再生を安定的に実行することができる。なお、ここでいう改質燃料量とは単位時間当たりに供給される改質燃料量のことを示している。そのため、改質燃料量の調整には、供給間隔、供給回数を調整することも含まれる。

本発明の排気浄化装置において、前記燃料改質手段は、前記内燃機関の排気熱によって前記燃料を改質してもよい（請求項２）。このように内燃機関の排気熱を利用することで、燃料を改質させるためのエネルギを供給するエネルギ供給源を他に設ける必要がなくなる。これにより、コストが低減できる。

本発明の排気浄化装置において、前記性状判断手段は、前記改質燃料の性状として前記改質燃料の沸点の高低を判断し、前記改質燃料供給制御手段は、前記改質燃料の沸点が低いほど前記改質燃料量を低減させてもよい（請求項３）。

改質燃料の沸点が低い場合、供給された改質燃料が短時間で気化することにより、改質燃料濃度の高い（空燃比がリッチな）排気が排気浄化手段へ一度に供給される可能性がある。そのため、改質燃料の一部は、排気浄化手段の再生に利用されないまま排気浄化手段を通過して大気へ放出されるおそれがある。一方、改質燃料の沸点が高い場合は、改質燃料が気化するのに時間がかかる。そのため、排気浄化手段を再生するのに必要な所定の空燃比の排気が排気浄化手段へ供給されない可能性がある。

本発明では、改質燃料の沸点が低い場合は改質燃料量を低減させるので、改質燃料が排気浄化手段を通過して大気に排出されることを防止できる。一方、改質燃料の沸点が高い場合は改質燃料量を増加させるので、排気浄化手段の再生に必要な空燃比の排気を排気浄化手段へ供給することができる。なお、本発明における「沸点の高低」の判断は、沸点の検出値から直接判断する場合と沸点をこれと相関する物理量に置き換えて検出した値から判断する場合とのいずれも含む概念である。

本発明の排気浄化装置において、前記燃料改質手段は、前記内燃機関の排気を利用して燃料を改質し、前記性状判断手段は、改質に利用される排気の温度に基づいて前記改質燃料の性状を判断してもよい（請求項４）。この場合、燃料を改質するエネルギ供給源は排気となるので、排気の温度から燃料が改質されたときの温度を推定することができる。従って、排気の温度から改質燃料の性状を判断することができる。

本発明の排気浄化装置は、前記燃料改質手段へ供給される燃料量を取得する燃料量取得手段と、前記燃料改質手段から前記改質燃料貯留手段へ送られる改質燃料量を取得する改質燃料量取得手段と、を備え、前記性状判断手段は、前記燃料量取得手段が取得する燃料量と前記改質燃料量取得手段が取得する改質燃料量とに基づいて前記改質燃料の性状を判断してもよい（請求項５）。改質される燃料量とこの燃料量から回収される改質燃料量との比（改質燃料回収比）と、燃料が改質されたときの温度と、の間には相関関係があることが知られている。従って、改質燃料回収比から燃料改質時の温度を推定することができるので、燃料量と改質燃料量とから改質燃料の性状を判断することができる。

本発明によれば、改質燃料の性状に応じて供給する改質燃料量を調整するので、改質燃料の性状が安定していない場合でも、排気浄化手段の再生を安定的に実行することができる。

図１に、本発明の一実施形態に係る排気浄化装置が適用される内燃機関の要部を示す。内燃機関１は、ディーゼルエンジンとして構成される。周知のように、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には、吸気量を調節するスロットルバルブ４と、排気エネルギを利用して吸気圧を高める過給機５のコンプレッサ５ａとが設けられている。排気通路３には、過給機５のタービン５ｂと、排気浄化手段としての排気浄化装置６と、排気の温度に対応した信号を出力する排気温センサ７と、排気の空燃比に対応した信号を出力する空燃比センサ８と、が設けられている。排気浄化装置６は、例えばパティキュレートを捕集するためのフィルタ基材に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒物質を担持させた公知のものである。なお、ＮＯｘの吸蔵はＮＯｘを保持できればよく、その形態は問わない。

内燃機関１は、燃料（軽油）を貯留する燃料タンク９と、燃料タンク９の燃料をインジェクタ１０へ供給するための燃料ポンプ１１と、燃料ポンプ１１により供給された燃料のうち余剰な燃料を燃料タンク９へ戻すリターン通路１２と、を備えている。

内燃機関１には、燃料を改質するための燃料改質装置１３と、改質燃料供給装置１４と、が設けられている。燃料改質装置１３は、燃料改質手段としての分留通路１５と、リターン通路１２から分留通路１５へ供給される燃料の流量を制御する流量制御バルブ１６と、分留通路１５により分留された軽質分の改質燃料を貯留する改質燃料貯留手段としての改質燃料容器１７と、改質燃料容器１７に貯留された改質燃料量に対応した信号を出力するレベルセンサ１８と、を備えている。改質燃料供給装置１４は、改質燃料を排気浄化装置６へ供給する改質燃料供給手段としての改質燃料供給用インジェクタ１９と、改質燃料容器１７の改質燃料を改質燃料供給用インジェクタ１９へ送り出すフィードポンプ２０とを備えている。

図２に示したように、分留通路１５は、排気通路３内に水平方向に対して傾斜しつつ配置された分留区間１５ａと、分留区間１５ａにおいて排気熱により蒸発した軽質分の燃料を改質燃料容器１７へ導く気相通路１５ｂと、排気熱により蒸発しなかった重質分の燃料を燃料タンク９へ導く液相通路１５ｃと、気相通路１５ｂと液相通路１５ｃとの分岐点１５ｄの温度に対応した信号を出力する温度センサ２１（図１参照）と、を備えている。なお、液相通路１５ｃは、燃料タンク７に直接接続されていてもよいし、分留通路１５が接続された位置よりも下流側のリターン通路１２に接続されていてもよい。このように分留通路１５は、内燃機関１の排気を利用して、燃料を軽質な改質燃料へ改質する。

内燃機関１の運転状態はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２２により制御される。ＥＣＵ２２は、マイクロプロセッサ及びその動作に必要なＲＯＭ、ＲＡＭ等の周辺装置を組み合わせたコンピュータとして構成されている。ＥＣＵ２２は、例えば空燃比センサ８の信号等を参照して改質燃料供給用インジェクタ１９の動作を制御し、改質燃料を排気通路３へ供給することにより排気の空燃比をストイキ又はリッチにして排気浄化装置６の機能を再生させる処理を行う。ＥＣＵ２２には上述したセンサの他に、外気の温度に対応した信号する出力する外気温センサ２３、燃料の温度に対応した信号を出力する燃温センサ２４等が接続される。ＥＣＵ２２は、改質燃料供給用インジェクタ１９の他に流量制御バルブ１６等を制御している。

改質燃料は、内燃機関１の排気温度により性状が変化する。例えば、排気温度が高い場合、沸点の高い重質分の燃料も蒸発して改質燃料容器１７へ導かれる。そのため、改質燃料は重質になり、揮発性が低く、高沸点になる。一方、排気温度が低い場合は、軽質分の燃料のうちでも沸点の低い燃料のみが改質燃料容器１７へ導かれる。そのため、改質燃料は軽質になり、揮発性が高く、低沸点になる。

ＥＣＵ２２は、このような改質燃料の性状に応じて改質燃料供給用インジェクタ１９から排気浄化装置６へ供給する改質燃料量を調整する。図３に、ＥＣＵ２２が改質燃料量を調整するために実行する改質燃料供給量制御ルーチンを示す。図３の制御ルーチンを実行することにより、ＥＣＵ２２は性状判断手段及び改質燃料供給制御手段として機能する。図３の制御ルーチンは、内燃機関１の運転中に所定の周期で繰り返し実行される。

図３の制御ルーチンにおいて、ＥＣＵ２２はまずステップＳ１１で改質燃料容器１７内の改質燃料の性状が、通常の添加制御で供給するのに適した性状（適正性状）であるか否かを判断する。適正性状であると判断した場合はステップＳ１２へ進み、ＥＣＵ２２は改質燃料供給用インジェクタ１９に通常供給制御を行わせる。その後、今回の制御ルーチンを終了する。図４に、通常供給制御時の改質燃料の供給パターンの一例を示す。図４から明らかなように、改質燃料は供給時間Ｔ内に供給量ｑずつ四回供給される。

改質燃料が適正性状であるか否かは、例えば改質燃料の沸点の高低から判断される。改質燃料の沸点は、例えば温度センサ２１の温度履歴から推定できる。分岐部１５ｄの温度が適正性状の改質燃料が回収される所定の温度範囲（例えば２２０度付近の温度範囲）よりも高かった場合、改質燃料の沸点は高いと判断される。一方、所定の温度範囲よりも低かった場合、改質燃料の沸点は低いと判断される。

一方、改質燃料が適正性状ではないと判断した場合、ステップＳ１３へ進み、ＥＣＵ２２は、改質燃料の性状に応じて改質燃料の供給パターンを変更する。その後、今回の制御ルーチンを終了する。図５に、ＥＣＵ２２が供給パターンを変更する際に使用する改質燃料の性状と改質燃料供給回数との関係の例を示す。図５から明らかなように、ＥＣＵ２２は、改質燃料が軽質（低沸点）になるほど供給回数を増加させる。また、ＥＣＵ２２は、供給回数を増加させるに伴い、改質燃料供給用インジェクタ１９から一回に供給される改質燃料量（添加量）を低減させる。改質燃料が軽質と判断された場合の供給パターンの例を図６に、改質燃料が重質と判断された場合の供給パターンの例を図７に示す。

図６（ａ）は、添加量を低減させ、供給回数を増加させた場合の供給パターンを示している。このように供給パターンを変更することで、改質燃料を排気通路３へ分散させて供給することができる。従って、空燃比のリッチな排気が一度に排気浄化装置６へ供給されることを防止できる。なお、改質燃料が軽質と判断された場合の供給パターンは、図６（ａ）の供給パターンに限定されない。例えば、図６（ｂ）、（ｃ）に示した供給パターンに変更してもよい。図６（ｂ）は、添加量は図４の供給パターンと同じ（供給量ｑのまま）で、供給間隔を拡大させた場合の供給パターンを示している。図６（ｃ）は、添加量を低減させつつ供給回数を増加させ、さらに供給間隔を拡大させた場合の供給パターンを示している。このように供給パターンを変更することでも、改質燃料を排気通路３へ分散させて供給することができる。

一方、図７（ａ）では、添加量を増加させ、供給回数を低減させた場合の供給パターンを示している。このように供給パターンを変更し、気化する改質燃料量を増加させることで、沸点の高い重質な改質燃料でも排気浄化装置６を再生させるのに必要十分な、リッチな空燃比の排気を供給することができる。なお、改質燃料が重質と判断された場合の供給パターンは、図７（ａ）の供給パターンに限定されない。例えば、図７（ｂ）、（ｃ）の供給パターンに変更してもよい。図７（ｂ）は、添加量は図４の供給パターンと同じ（供給量ｑのまま）で、供給間隔を縮小させた場合の供給パターンを示している。図７（ｃ）は、添加量を増加させつつ供給回数を低減させ、さらに供給間隔を縮小させた場合の供給パターンを示している。このように変更することでも、図７（ａ）と同じ効果を得ることができる。

このように図３の制御ルーチンを実行することにより、改質燃料の性状に応じて改質燃料の供給パターンを変更することができる。

図３のステップＳ１１において、改質燃料の性状は、分岐部１５ｄの温度以外の物理量から判断することもできる。例えば、流量制御バルブ１６から分留通路１５へ供給された燃料量とこの燃料量が分留されたときのレベルセンサ１８の増加分との比（改質燃料回収比）から性状を判断することができる。図８に、分岐部１５ｄの温度と改質燃料回収比との関係を示す。図８から明らかなように、分岐部１５ｄの温度と改質燃料回収比との間には相関関係があるので、改質燃料回収比から改質燃料の性状を判断することができる。なお、流量制御バルブ１６はＥＣＵ２２に制御されているので、分留通路１５へ供給された燃料量はＥＣＵ２２に取得されている。この場合、ＥＣＵ２２は燃料量取得手段として機能し、レベルセンサ１８は改質燃料量取得手段として機能する。

また、分流通路１５では排気の熱を利用して燃料を改質しているので、排気温度から分岐部１５ｄの温度を推定することもできる。従って、排気温度から改質燃料の性状を判断することができる。排気温度と併せて、燃料改質時の燃料温度や分流通路１５へ供給された燃料量を参照することで、分岐部１５ｄの温度をより精度良く推定するができる。

さらに、ＥＣＵ２２は、空燃比センサ８の信号を参照して供給パターンを変更してもよい。図９〜図１２に、ＥＣＵ２２が空燃比センサ８の信号を参照して変更する供給パターンの例を示す。なお、図９〜図１２の（ｃ）には、比較例として通常供給制御時の供給パターンを示した。

図９は、空燃比センサ８により排気浄化装置６の再生時に、排気浄化装置６を再生させるのに必要な空燃比よりもリッチな空燃比の排気が検出された場合、次回の排気浄化装置６の再生時にＥＣＵ２２が変更する供給パターンの例を示している。図９（ａ）は、添加量として供給量ｑの改質燃料が供給された時に、所定の空燃比よりもリッチな排気が長時間検出された場合の供給パターンの例を示している。改質燃料を供給量ｑで供給したときに長時間リッチな排気が検出された場合、改質燃料の沸点が低く一度に大量の改質燃料が蒸発したと推定される。そのため、添加間隔を拡大することにより改質燃料を分散させて排気浄化装置６へ供給する。図９（ｂ）は、改質燃料の供給後、直ぐに空燃比センサ８がリッチな排気を検出した場合の供給パターンの例を示している。この場合も、改質燃料の沸点が低いと推定されるので、１回の添加量を低減させつつ、供給回数を増加させることで、改質燃料を分散させて排気浄化装置６へ供給することができる。

図１０は、改質燃料供給用インジェクタ１９により改質燃料を供給している時に、排気浄化装置６の再生に必要な空燃比よりもリッチな排気が検出された場合、その供給時にＥＣＵ２２が変更する供給パターンの例を示している。図１０（ａ）では、３回目と４回目の供給間隔を拡大することで、改質燃料を分散させて排気浄化装置６へ供給する。図１０（ｂ）では、４回目の添加量を低減させることにより、改質燃料が排気浄化装置６へ過剰に供給されるのを防止している。

図１１は、排気浄化装置６の再生時においてストイキ又はリッチな空燃比の排気が検出されない場合に、次回の排気浄化装置６の再生時にＥＣＵ２２が変更する供給パターンの例を示している。改質燃料を供給してもストイキ又はリッチな空燃比の排気が検出されない場合、改質燃料は沸点の高い重質な性状であると推定される。そのため、図１１（ａ）では、次回の供給時の供給間隔を縮小させ、所定時間内において気化する改質燃料量を増加させて排気の空燃比をストイキ又はリッチにさせる。また、図１１（ｂ）では、次回の排気浄化装置６の再生時に添加量を増加させることで、排気の空燃比をストイキ又はリッチにさせる。なお、図１１（ｂ）の供給パターンでは、供給回数を削減してもよい。

図１２は、排気浄化装置６の再生時においてストイキ又はリッチな空燃比の排気が検出されない（改質燃料の沸点が高く重質である）場合、その再生時にＥＣＵ２２が変更する供給パターンの例を示している。図１２（ａ）では３回目と４回目の供給間隔を縮小させることで、図１２（ｂ）では４回目の添加量を増加させることで、排気の空燃比をストイキ又はリッチにさせる。

このように排気の空燃比を参照して供給パターンを変更することで、排気浄化装置６へ供給する改質燃料量をより精度よく調整することができる。なお、図９、図１０に示した供給パターンに変更した後、所定の空燃比よりもリッチな空燃比の排気が検出されなくなった場合は通常供給制御時の供給パターンに戻す。また、図１１、図１２に示した供給パターンに変更した後、所定の空燃比よりもリッチな空燃比を検出した場合も通常供給制御時の供給パターンへ戻す。

排気浄化装置６である吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の機能再生には、流入する排気の空燃比をストイキ又はリッチに設定して吸蔵されたＮＯｘを放出させるＮＯｘ再生と、流入する排気の空燃比をストイキ又はリッチに設定するとともにＮＯｘ再生時よりも排気の温度を高温にして硫黄分（Ｓ）を放出させるＳ再生と、ＮＯｘ触媒の温度を高温にして付着した粒子状物質（ＰＭ）を燃焼させるＰＭ再生と、がある。ＮＯｘ再生、Ｓ再生及びＰＭ再生のいずれの場合においても改質燃料を排気通路３へ供給するので、改質燃料量の調整はこれらのいずれの再生時にも行われる。

本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、種々の形態にて実施してよい。例えば、排気の空燃比を検出するのは空燃比センサに限定されず、酸素濃度センサを使用してもよい。

本発明の一実施形態に係る排気浄化装置が適用される内燃機関の要部を示す図。図１の燃料改質装置の一部を拡大して示す図。図１のＥＣＵが改質燃料量を調整するために実行する改質燃料量制御ルーチンを示す図。改質燃料の通常添加時の供給パターンの一例を示す図。改質燃料の性状と改質燃料供給回数との関係を示す図。改質燃料が軽質と判断された場合における改質燃料の供給パターンの例を示す図。改質燃料が重質と判断された場合における改質燃料の供給パターンの例を示す図。図２の分岐部の温度と改質燃料回収比との関係を示す図。改質燃料が軽質と判断された場合における、次回の排気浄化装置の再生時に変更される改質燃料の供給パターンの例を示す図。改質燃料が軽質と判断された場合における、其の回の排気浄化装置の再生時に変更される改質燃料の供給パターンの例を示す図。改質燃料が重質と判断された場合における、次回の排気浄化装置の再生時に変更される改質燃料の供給パターンの例を示す図。改質燃料が重質と判断された場合における、其の回の排気浄化装置の再生時に変更される改質燃料の供給パターンの例を示す図。

符号の説明

１内燃機関
６排気浄化装置（排気浄化手段）
１５分留通路（燃料改質手段）
１７改質燃料容器（改質燃料貯留手段）
１８レベルセンサ（改質燃料量取得手段）
１９改質燃料供給用インジェクタ（改質燃料供給手段）
２２エンジンコントロールユニット（性状判断手段、改質燃料供給制御手段、燃料量取得手段）

Claims

内燃機関の燃料を改質する燃料改質手段と、前記燃料改質手段により改質された改質燃料を貯留する改質燃料貯留手段と、前記改質燃料貯留手段の前記改質燃料を前記内燃機関の排気浄化手段へ供給する改質燃料供給手段と、前記改質燃料貯留手段に貯留された前記改質燃料の性状を判断する性状判断手段と、前記性状判断手段が判断した前記改質燃料の性状に応じて前記改質燃料供給手段から供給される改質燃料量が調整されるように前記改質燃料供給手段を制御する改質燃料供給制御手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記燃料改質手段は、前記内燃機関の排気熱によって燃料を改質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。
前記性状判断手段は、前記改質燃料の性状として前記改質燃料の沸点の高低を判断し、
前記改質燃料供給制御手段は、前記改質燃料の沸点が低いほど前記改質燃料量を低減させることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記燃料改質手段は、前記内燃機関の排気を利用して燃料を改質し、
前記性状判断手段は、改質に利用される排気の温度に基づいて前記改質燃料の性状を判断することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記燃料改質手段へ供給される燃料量を取得する燃料量取得手段と、前記燃料改質手段から前記改質燃料貯留手段へ送られる改質燃料量を取得する改質燃料量取得手段と、を備え、
前記性状判断手段は、前記燃料量取得手段が取得する燃料量と前記改質燃料量取得手段が取得する改質燃料量とに基づいて前記改質燃料の性状を判断することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。