JP2005273504A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 触媒全体を温度差なく所定の温度に維持することを可能にする内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】 内燃機関であるディーゼルエンジン１の排気通路である排気管１に設けた排気浄化用の触媒と、触媒を加熱する燃焼式バーナ５と、を備え、燃焼式バーナ５の燃焼が安定したとき、燃焼式バーナ５を、空燃比をリッチまたは超希薄にて燃焼させるように制御する制御手段を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に触媒暖機のための燃焼式バーナを有する内燃機関の排気浄化装置に関する。

近年、自動車等に搭載される内燃機関では、環境保護等の理由により排気中の有害ガス成分を低減させることが要求されている。その対策として、内燃機関の排気通路に触媒等を設け、排気中の有害成分を浄化する排気浄化装置が一般に研究され、用いられている。

特に、ディーゼルエンジンの場合は、排気中に含まれる粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）、及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減させることが緊急の課題となっている。このような要求に対し、排気中のＰＭを捕捉するフィルタの一種であるＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）や、ＮＯｘを低減させるＮＯｘ低減触媒等を、単独で又は複合させて排気系に具備した内燃機関の研究開発が進められている。

ところで、例えば、上記ＤＰＦは、捕集されたＰＭを酸化除去しなければ、連続して用いることができないという問題点を有している。そこで、この問題点を解決するための技術として、触媒を使用することで走行中に連続して再生が行われる連続再生式ＤＰＦ（ＤＰＲ：Diesel Particulate active Reduction system）と呼ばれる技術がある。これは、ＤＰＦ内の排気通路表面に触媒を担持し、酸化反応を起こさせ、その際の反応熱により、捕捉したＰＭを燃焼させるものである。

また、上記ＮＯｘ低減触媒も、ＮＯｘ吸収効率が低下した時点で、ＮＯｘの放出及び還元浄化をさせる必要があり、このためには雰囲気酸素濃度を低下させたり、温度を高くしたりすることが求められている。

一方、ディーゼルエンジンは、概して排気温度が低く、このことは触媒の温度（以下、触媒温度という）を一定以上に上げる必要がある上記ＤＰＲや上記ＮＯｘ低減触媒にとって、大きな障害となっている。そこで、このような場合に触媒温度を上げる技術が種々提案されている。

例えば、特許文献１には、内燃機関の始動時等で触媒温度が低い場合に排気浄化装置の触媒をバーナを用いて加熱することにより短時間で活性温度に到達させる技術、すなわち、バーナを利用して触媒を加熱する技術が開示されている。

また、例えば、特許文献２には、排気系に燃料を添加することで、触媒の温度を上昇させる技術が開示されている。具体的には、ディーゼル機関の排気系に配置されパティキュレートを捕集するためのフィルタと、排気系のフィルタの上流側に配置された酸化触媒へ軽油を供給する軽油供給手段と、フィルタ再生に際して酸化触媒の温度が所定値以下の時に、軽油供給手段から酸化触媒へ供給される軽油を軽油供給初期においてだけ加熱して気化するバーナ等の加熱手段とを具備し、酸化触媒において軽油を燃焼させ、その燃焼熱によって常用運転域における特定領域においてフィルタの再生を可能にする技術が開示されている。

特開平５−８６８４５号公報 特開平８−３１２３３１号公報

しかしながら、排気系に燃焼式バーナを備えて触媒の温度を上昇させるときに、燃焼式バーナの燃焼熱のみを用いて触媒を加熱すると、触媒の入口温度が出口温度よりも高くなる。そこで出口温度を十分な温度まで上昇させるためには、入口温度を上昇させる必要があるが、触媒には例えば７００℃といった耐熱温度があるために、その耐熱温度を超えて触媒を加熱することができない。すなわち、上記特許文献１に開示された技術のように、燃焼式のバーナで触媒を加熱するのみでは、入口温度を十分に上げることができても、出口温度を十分に上げることができず、触媒全体を所定の温度に維持できないという問題がある。

また、上記特許文献２に開示された技術のように、軽油を加熱して酸化触媒に供給して、酸化触媒での軽油の燃焼を起こさせることでは、触媒の入口ではその入口近傍が燃焼熱のみにより加熱されるのに対して、触媒の出口ではその出口近傍の燃焼熱に加えて入口から出口近傍までの燃焼熱により加熱されるため、入口温度よりも出口温度の方が高くなる。従って、この場合も触媒全体を所定の温度に維持できないという問題がある。

そこで、本発明は、上記問題を解消し、触媒の入口温度を触媒の耐熱温度内に維持したまま、触媒の出口温度を上昇させて、触媒全体を温度差なく所定の温度に維持させることを可能にする内燃機関の排気浄化装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の一形態は、内燃機関の排気通路に設けた排気浄化用の触媒と、触媒を加熱する燃焼式バーナと、を備え、燃焼式バーナの燃焼が安定したとき、燃焼式バーナを、空燃比をリッチにて燃焼させるように制御する制御手段を備えたことを特徴とする。

また、本発明の他の形態は、内燃機関の排気通路に設けた排気浄化用の触媒と、触媒を加熱する燃焼式バーナと、を備え、燃焼式バーナの燃焼が安定したとき、燃焼式バーナを、空燃比を超希薄にて燃焼させるように制御する制御手段を備えたことを特徴とする。

本発明の一形態によれば、燃焼式バーナの燃焼が安定した後は、リッチの空燃比で燃焼式バーナが燃焼されるので、燃焼式バーナの燃焼による燃焼熱と、過剰に供給されて燃焼しなかった未燃燃料を含む未燃ガスとが触媒に供給されるようになる。その結果、触媒の入口を含む全体は燃焼熱により加熱され、且つ触媒の出口を含む全体は加熱された触媒でもって未燃ガスが排気ガス中の空気と共に自発的に燃焼（以下、触媒燃焼という）することにより加熱される。従って、触媒全体に十分な熱量が与えられ、触媒の入口温度と出口温度との温度差を低減させることができるという効果を有する。

また、本発明の他の形態によれば、燃焼式バーナの燃焼が安定した後は、超希薄の空燃比で燃焼式バーナが燃焼されるので、燃焼式バーナの燃焼による燃焼熱と、供給された空気量に対して供給された燃料量が極めて少ないために燃焼が起こらなかった未燃の燃料を含む未燃ガスとが触媒に供給されるようになる。その結果、触媒の入口側を含む全体は燃焼熱により加熱され、且つ触媒の出口側を含む全体は余剰の空気を含む未燃ガスによる触媒燃焼により加熱される。従って、本発明の一形態と同様に、触媒全体に十分な熱量が与えられ、触媒の入口温度と出口温度との温度差を低減させるという効果を有する。

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形態について、図面に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第一の実施形態の概略構成を示すブロック図であり、図１において本発明の第一の実施形態における内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関としてディーゼルエンジン１に適用されている。ディーゼルエンジン１には、新気が図示しないエアフィルタにて埃や塵を除去された後、吸気管２を経て供給される。そして、燃焼室内で燃料が燃焼されて、その排気ガスが排気管３を介して排気浄化装置としての触媒を備えたＤＰＲ４に導かれる。

ここで、ＤＰＲ４は、ＰＭを捕捉するフィルタを備え、フィルタ内に酸化触媒が担持されている。すなわち、このフィルタは、表面に多孔・高表面積のアルミナ材を担持しているハニカム形状の一体型構造を有するセラミック材の担体で構成されており、この担体に触媒である例えば白金が担持されている。

また、ＤＰＲ４には、上流側からディーゼルエンジン１の排気ガスと共に燃焼式バーナ５により発生された燃焼ガスが導かれるようになっている。燃焼式バーナ５には、吐出側に逆止弁５２を有する小型のエアポンプ５１と図示しない燃料タンクからの燃料を加圧供給する燃料ポンプ５３とが接続され、さらにその出口は配管５４を介して排気管３に接続されている。燃焼式バーナ５には、エアポンプ５１から空気が、また燃料ポンプ５３から燃料が供給され、図示しない点火プラグにより燃焼が開始されるように構成されている。この燃焼式バーナ５で発生した燃焼ガスは、配管５４を介して排気管３に導入されＤＰＲ４に流入する。そして、ＤＰＲ４に流入した燃焼ガスは、ＤＰＲ４内に担持されている触媒を加熱する。尚、後述するＥＣＵ６の制御の下、燃焼式バーナ５から燃焼ガスや、未燃の燃料や、空気を、それぞれ排気管３へ供給可能になっている。

一方、燃焼式バーナ５の制御の他、エンジンの燃料噴射制御等の基本制御を行う電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）６を本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は備えている。ＥＣＵ６は、ＣＰＵと、種々のプログラムやデータを記録するメモリと、入力インタフェース回路と、出力インタフェース回路とを備える、例えばマイクロコンピュータで構成されている。入力インタフェース回路には、エンジンの回転数や負荷などのエンジンの運転状態を検出する手段である図示しないセンサが電気配線を介して接続されている。そして、ＥＣＵ６は、ディーゼルエンジン１の回転数や負荷を検知ないしは算出して運転状態を得ることができる。一方、出力インタフェース回路は、エアポンプ５１や燃料ポンプ５３などに接続されていて、燃焼式バーナ５の燃焼が後述するＥＣＵ６から制御可能になっている。

ＥＣＵ６のメモリには、運転状態と排気温度、および運転状態と触媒温度が関連付けられたデータが予め実験により求められ、それらの関係がマップ化されて記憶されている。そして、ＥＣＵ６は、得られた運転状態に基づきメモリのデータにアクセスして、排気温度や触媒温度を導出することが可能にされている。

ここで、上記構成である第一の実施形態における内燃機関の排気浄化装置に対する燃焼式バーナ５の制御の一例について図２のフローチャートを用いて説明する。なお、図２の排気浄化制御ルーチンは、所定時間毎に実行されるルーチンである。

まず、ＥＣＵ６は、エンジンの始動と共に図２の排気浄化制御ルーチンを開始する。そこで、ＥＣＵ６は、まずステップＳ１０１において、「触媒の加熱が必要か否か」を判別する。具体的には、第一の実施形態においては、排気温度が所定値よりも高いか否か、により触媒の加熱が必要か否かを判別する。これは、ディーゼルエンジン１の回転数および負荷に基づく運転状態から導出される排気温度が、所定値以上であるか否かを判別することにより行われる。より具体的には、設定値である所定値と運転状態に対応させてメモリにマップ化して記憶されている排気温度とを比較することにより行われる。そして、ＥＣＵ６は、排気温度が所定値よりも低いときには、触媒の加熱が必要であるとして、ステップＳ１０２に進む。一方、排気温度が所定値よりも高いときには、触媒の加熱が不必要であるとして、ステップＳ１０５へ進む。なお、ここでは排気温度が所定値以上か否かにより触媒の加熱が必要か否かを判別することとしたが、排気温度と同様に運転状態に対応してマップ値から導出するか、さらには温度センサにより直接に計測される触媒温度が所定値以上か否かにより判別するようにしてもよい。または、排気温度および触媒温度に基づき、触媒の加熱が必要か否かを判別するようにしてもよい。

次に、ステップＳ１０１での判別の結果、触媒の加熱が必要であるときは、すなわち「Yes」のときは、ステップＳ１０２に進み、燃焼式バーナ５は、エアポンプ５１から空気が、そして燃料ポンプ５３から燃料が供給されて、点火プラグにより着火される。そして、ステップＳ１０３へ進む。尚、前サイクルの制御ルーチンにおいて、既に燃焼式バーナ５が着火されている場合には着火することなく次のステップＳ１０３へ進む。

この、ステップＳ１０３では、ＥＣＵ６は、「燃焼式バーナの燃焼が安定したか否か」を判別する。具体的には、この燃焼式バーナ５の燃焼が安定したか否かの判別は、燃焼式バーナ５がステップＳ１０２で着火された後、所定の時間が経過したか否か、を以って行われる。ＥＣＵ６は、図示しないタイマ装置を備えていて、ステップＳ１０２で燃焼式バーナ５に着火した時からの時間を計測している。そして、設定値である所定時間と、カウントアップされた経過時間とを比較して、燃焼式バーナ５の燃焼が安定したか否かを判別する。判別の結果、所定時間以上経過していれば、燃焼式バーナ５の燃焼が安定したとしてステップＳ１０４に進む。一方、経過時間が所定時間よりも短ければ、ＥＣＵ６は、燃焼式バーナ５の燃焼が安定していないとしてこの制御ルーチンを一旦終了する。

次に、ステップＳ１０４では、ＥＣＵ６は、「燃焼式バーナのＡ／Ｆをリッチ、すなわち理論空燃比１４．７より小にする。」ことを行う。具体的には、燃料量を調節して、空燃比を変えるのである。尚、空気量を調節して、空燃比を変えてもよい。または、空気量と燃料量を共に変えて、空燃比を変えてもよい。

一方、ステップＳ１０１において、排気温度が所定値よりも高いときには、触媒の加熱が必要でないとして、ステップＳ１０５に進むことを上記した。そこで、ステップＳ１０５では、ＥＣＵ６は、「燃焼式バーナが作動しているか否か」を判別する。そして、燃焼式バーナ５が作動していなければこの制御ルーチンを終了し、作動していればステップＳ１０６に進んで燃焼式バーナを停止して終了する。

このように第一の実施形態では、触媒の加熱が必要であれば燃焼式バーナ５を着火させて触媒を加熱し、燃焼式バーナ５の着火からの時間が所定時間以上経過したときには燃焼式バーナ５の燃焼が安定したとして、空燃比が理論空燃比である１４．７より小、すなわちリッチ状態で燃焼式バーナ５の燃焼を継続させるので、ＤＰＲ４には燃焼式バーナ５での燃焼による熱と、未燃の燃料を含む未燃ガスとが供給されることになる。この未燃ガスが生ずるのは、１４．７より小というリッチな空燃比のために、一部の燃料に対して燃焼に必要な空気が不足することとなって燃焼されない燃料が生じるからである。空燃比（Ａ／Ｆ）と燃焼式バーナ５の出口における全炭化水素（ＴＨＣ：Total Hydrocarbon）量の関係を示す図３のグラフから明らかなように、空燃比を理論空燃比１４．７より小にするとＴＨＣ量が多くなる。かくて、燃焼式バーナ５で燃焼される燃料の量はほぼ一定であり、同一熱量が燃焼式バーナ５からＤＰＲ４に供給されるが、空燃比に応じた余剰な未燃成分であるＴＨＣや、それの部分酸化ガスなどであるＨ_２、ＣＯも未燃ガスとして供給されることになる。一方、未燃の燃料を含む未燃ガスが導かれるＤＰＲ４には、空気を含む排気ガスも導入されているので、排気ガスから空気が供給されて未燃の燃料をもとに触媒燃焼がおこり、ＤＰＲ４の触媒全体で触媒燃焼による燃焼熱が発生することになる。この結果、ＤＰＲ４の入口付近では、燃焼式バーナ５の燃焼による燃焼熱により主として加熱されて温度が上昇し、その出口付近では、燃焼式バーナ５の燃焼による燃焼熱に加えて、触媒の入口から出口近傍までの触媒燃焼による燃焼熱により温度が上昇する。従って、この加熱の状態を継続することにより、触媒全体にほぼ一定の熱量を供給することができ、ＤＰＲ４の触媒温度は、図４に曲線Ａで示すように触媒の入口温度を触媒の耐熱温度内に維持したまま、触媒の出口温度を上昇させることが可能になるばかりか、触媒全体の温度差を最小限にして所定の温度に維持させることが可能になる。なお、例えば、燃焼式バーナ５がない状態では、図４に燃焼式バーナなしの曲線Ｄで示すように、触媒の温度は排気ガスによる熱の付与のみになり十分には上げられない。また、燃焼式バーナ５がなく、排気ガス中に燃料を添加して触媒燃焼を起こすようにしたものでは、図４に燃焼式バーナなし＋排気系燃料添加の曲線Ｃで示すように、触媒の出口温度は上昇するものの同様に触媒の全体の加熱が不十分である。さらに、例えば、空燃比を２０として燃焼式バーナ５を燃焼させるのみでは、図３からも明らかなように触媒に供給されるＴＨＣ量が少ないので触媒燃焼の効果が少なく、図４に曲線Ｂで示すように出口温度を十分に上げることはできないのである。

次に、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第二の実施形態について説明する。また、第二の実施形態のハード構成は、図１の上記第一の実施形態の構成と同じであるので、その部分の説明は省略する。そこで、第二の実施形態における内燃機関の排気浄化装置に対する燃焼式バーナ５の制御ルーチンの一例について説明するが、第二の実施形態の排気浄化制御ルーチンは、図２に示した上記第一の実施形態の排気浄化制御ルーチンのステップＳ１０４での処理が「燃焼式バーナのＡ／Ｆを２５より大にする。」となる点で異なるのみであるから、この相違点のみをステップＳ１０４´として説明する。

第二の実施形態では、燃焼式バーナ５の燃焼が安定したとき、ステップＳ１０４´が行われる。ステップＳ１０４´では、燃焼式バーナ５が着火されて燃焼しているので、ＥＣＵ６は、「燃焼式バーナのＡ／Ｆを２５より大にする。」ことを行う。具体的には、燃料量を調節して、空燃比を変える。尚、空気量を調節して、空燃比を変えてもよい。または、空気量と燃料量を共に変えて、空燃比を変えてもよい。

このように第二の実施形態において、燃焼式バーナ５を用いて触媒の加熱を行い、燃焼式バーナ５の燃焼が安定したときに、空燃比が２５より大、すなわち超希薄状態で燃焼式バーナ５の燃焼を継続させるので、ＤＰＲ４には燃焼式バーナ５の燃焼による熱と、未燃の燃料が供給されることになる。この未燃の燃料を含む未燃ガスが生ずるのは、２５より大という超希薄な空燃比のために、酸素に対して燃料が著しく少なく良好な燃焼の条件が得られずに、空燃比（Ａ／Ｆ）と燃焼式バーナ５の出口におけるＴＨＣ量の関係を示す図３のグラフから明らかなように、ＴＨＣ量が多くなる現象が生じることに依る。すなわち、燃焼することができた燃料からは燃焼熱が、また燃焼が不完全であった燃料からはＴＨＣなどの未燃ガスが、燃焼式バーナ５からＤＰＲ４に供給されることになる。そして、このような未燃ガスである未燃燃料は確実にＤＰＲ４内に行き届き、触媒燃焼されて、触媒の加熱が行われる。この結果、上記第一の実施形態と同様に、ＤＰＲ４の入口付近では主として燃焼式バーナ５の燃焼による燃焼熱により加熱されて温度が上昇し、その出口付近では燃焼式バーナ５の燃焼による燃焼熱に加えて、触媒燃焼による燃焼熱により温度が上昇され、触媒温度は入口付近と出口付近で差が少なくなる。従って、触媒全体を温度差なく所定の温度に維持させることが可能になる（図４の曲線Ａ参照）。

以上、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置について、第一の実施形態と第二の実施形態の二つの実施形態を用いて説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されない。

具体的には、本発明は、触媒として、カリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類金属、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類、貴金属を用いることが可能である。また、本発明は、上記した第一及び第二の実施形態で用いた内燃機関の排気浄化手段としてのＤＰＲ以外に、ＰＭとＮＯｘを同時に連続的に浄化するＤＰＮＲ（Diesel Particulate-NOx Reduction system）等の内燃機関の排気浄化手段を用いることも可能である。

また、上記第一及び第二の実施形態では、排気温度や触媒温度を内燃機関であるディーゼルエンジンの運転状態から推定することとした。しかし、温度センサなどの温度検出手段を備えて、これらにより排気温度や触媒温度を直接に検知することとしてもよい。さらに、上記第一及び第二の実施形態では、内燃機関をディーゼルエンジンとしたが、ガソリンエンジンの排気浄化装置にも本発明は適用できるものである。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第一及び第二の実施形態の概略構成を示す図である。 本発明に係る第一の実施形態における排気浄化制御ルーチンを示すフローチャートである。 燃焼式バーナのＡ／Ｆと、燃焼式バーナの出口におけるＴＨＣ量との関係を表したグラフ図である。 触媒の入り口からの距離と、触媒温度との関係を、種々の形態に関して表したグラフ図である。

符号の説明

１ ディーゼルエンジン
２ 吸気管
３ 排気管
４ ＤＰＲ
５ 燃焼式バーナ
６ ＥＣＵ
５１ エアポンプ
５２ 逆止弁
５３ 燃料ポンプ
５４ 配管

Claims (2)

1. 内燃機関の排気通路に設けた排気浄化用の触媒と、前記触媒を加熱する燃焼式バーナと、を備え、
   前記燃焼式バーナの燃焼が安定したとき、前記燃焼式バーナを、空燃比をリッチにて燃焼させるように制御する制御手段を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 内燃機関の排気通路に設けた排気浄化用の触媒と、前記触媒を加熱する燃焼式バーナと、を備え、
   前記燃焼式バーナの燃焼が安定したとき、前記燃焼式バーナを、空燃比を超希薄にて燃焼させるように制御する制御手段を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。

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