JP2009150271A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガス中のＮＯｘ低減を促進するために、アクセルがオフにされ、筒内燃料噴射量がゼロとなり、更にアイドル運転等の軽負荷領域に移行する場合の、ＮＯｘ還元触媒の触媒床温を確保する。
【解決手段】ＮＯｘ還元触媒を備える内燃機関の排気浄化装置であって、可変ノズルターボチャージャと、アフターターボ酸化触媒と、燃料添加弁とを備え、アフターターボ酸化触媒が、可変ノズルターボチャージャの直後であってＮＯｘ還元触媒の上流に配置され、燃料添加弁が、排気マニホールドに配置された、内燃機関の排気浄化装置を構成し、可変ノズルターボチャージャのノズル開度を過絞り側に制御する。更に、燃料添加弁からの燃料添加又は燃料噴射弁によるポスト燃料噴射又は排気再循環を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

排気ガス中に含まれるＮＯｘを浄化処理するためにＮＯｘ還元触媒を備え、燃料を還元剤として添加し、ＮＯｘの還元浄化を実施する内燃機関においては、触媒床温をある一定の温度以上に昇温することが必要である。例えば、特許文献１の排気浄化装置では、内燃機関の運転領域において、排気再循環（ＥＧＲ）量の制御、又は燃料噴射弁によるパイロット噴射又はポスト噴射等の制御を行って排気温度を制御し、ＮＯｘ還元触媒上流で還元剤としての燃料添加を行う技術が開示されている。しかし、特許文献１の排気浄化装置では、触媒床温を判定する手段を更に備え、この温度が所定値を下回った場合には、燃料添加を停止する。

特開２００３−１２０３９２号公報

すなわち、特許文献１の排気浄化装置では、アクセルをオフとし、筒内燃料噴射量がゼロになると、排気温度が低下するため、アクセルオフ状態からアイドル運転等の軽負荷領域に移行する場合には、ＮＯｘ還元触媒の触媒床温が既に低下しており、燃料添加を停止せざるを得ない。また、軽負荷領域では、排気再循環制御に基づく低温燃焼を通じて、排気温度の上昇を狙っているが、触媒活性温度が既に低下していること、及び触媒活性化に必要なＨＣ、ＣＯ排出量が少ないため、ＨＣ、ＣＯのＮＯｘ還元触媒での燃焼が持続せず、白煙を発生するという問題を生じる。

従って、排気ガス中のＮＯｘ低減を進めるためには、アクセルをオフとし、筒内燃料噴射量がゼロとなった場合の、ＮＯｘ還元触媒の触媒床温の低下を防止し、アイドル運転等の軽負荷領域に移行する場合のＮＯｘ還元触媒の触媒床温を確保することが課題となる。

請求項１に記載の発明によれば、ＮＯｘ還元触媒を備える内燃機関の排気浄化装置であって、可変ノズルターボチャージャと、アフターターボ酸化触媒と、燃料添加弁と、を備え、アフターターボ酸化触媒が、可変ノズルターボチャージャの直後であってＮＯｘ還元触媒の上流に配置され、燃料添加弁が、排気マニホールドに配置された、内燃機関の排気浄化装置が提供される。

すなわち、請求項１の発明では、ＮＯｘ還元触媒の上流にアフターターボ酸化触媒（ＡＴＣ）を配置し、アフターターボ酸化触媒の上流で、燃料添加弁による燃料添加を行うことによって、アフターターボ酸化触媒にＨＣ、ＣＯを供給することができる。従って、アフターターボ酸化触媒でＨＣ、ＣＯを燃焼させることにより、アクセルをオフとし、筒内燃料噴射量がゼロとなった場合に、アフターターボ酸化触媒出口の排気ガス温度を高く維持することができるため、ＮＯｘ還元触媒に流入するガス温度が上がり、アイドル運転等の軽負荷領域に移行する場合のＮＯｘ還元触媒の触媒床温を確保することができる。アフターターボ酸化触媒の上流への燃料添加は、排気再循環、燃料噴射弁によるポスト噴射等によって行ってもよい。

請求項２に記載の発明によれば、アクセルをオフとし、筒内燃料噴射量がゼロとなった場合には、可変ノズルターボチャージャのノズル開度を過絞り側に制御する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。

すなわち、請求項２の発明では、アクセルをオフとし、筒内燃料噴射量がゼロとなった場合に、冷えた吸入空気がアフターターボ酸化触媒に流入することを抑制し、アフターターボ酸化触媒の温度を触媒活性温度付近に維持するとともに、アフターターボ酸化触媒で排気ガス中のＨＣ、ＣＯを燃焼させる。従って、アクセルをオフとし、筒内燃料噴射量がゼロとなった場合に、アフターターボ酸化触媒出口の排気ガス温度を高く維持できるため、ＮＯｘ還元触媒に流入するガス温度が上がり、アイドル運転等の軽負荷領域に移行する場合に、ＮＯｘ還元触媒の触媒床温を確保することができる。可変ノズルターボチャージャのノズル開度を過絞り側に制御する代わりに、ＮＯｘ還元触媒の下流の排気絞り弁を、絞り側に制御してもよい。

請求項３に記載の発明によれば、アクセルをオフとし、筒内燃料噴射量がゼロとなった場合には、更に、燃料添加弁からの燃料添加又は燃料噴射弁によるポスト燃料噴射又は排気再循環による燃料供給を行い、アフターターボ酸化触媒で燃料を燃焼させる、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。

すなわち、請求項３の発明では、アクセルをオフとし、筒内燃料噴射量がゼロとなった場合に、従来、燃料噴射弁によるポスト燃料噴射又は燃料添加弁からの燃料添加のみでは、ＮＯｘ還元触媒が活性化せず、白煙増加といった問題が生じていたが、アフターターボ酸化触媒上流で燃料添加を行い、アフターターボ酸化触媒でＨＣ、ＣＯを燃焼させることにより、アクセルをオフとし、筒内燃料噴射量がゼロとなった場合に、アイドル運転へ移行するまでのアフターターボ酸化触媒出口の排気ガス温度を高く維持できるため、ＮＯｘ還元触媒に流入するガス温度が上がり、アイドル運転等の軽負荷領域におけるＮＯｘ還元触媒の触媒床温を確保することができる。アフターターボ酸化触媒へのＨＣ、ＣＯの供給は、燃料噴射弁によるポスト燃料噴射又は排気再循環によって行ってもよい。

請求項４に記載の発明によれば、アフターターボ酸化触媒の温度が触媒活性温度に到達した場合に、可変ノズルターボチャージャのノズル開度を開放側に制御する、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。

すなわち、請求項４の発明では、アフターターボ酸化触媒の温度が一旦、活性温度に到達し、更にアフターターボ酸化触媒で燃焼する燃料の供給が継続すれば、アフターターボ酸化触媒が失活することがなくなるため、可変ノズルターボチャージャのノズル開度を開放側に制御して、過絞りによる燃費の悪化を回避することができる。

請求項５に記載の発明によれば、ＮＯｘ還元触媒を備える内燃機関の排気浄化装置であって、可変ノズルターボチャージャと、アフターターボ酸化触媒と、燃料添加弁と、を備え、アフターターボ酸化触媒が、可変ノズルターボチャージャの直後であってＮＯｘ還元触媒の上流に配置され、燃料添加弁が、アフターターボ酸化触媒の下流であってＮＯｘ還元触媒の上流に配置され、アクセルをオフとし、筒内燃料噴射量がゼロとなった場合には、可変ノズルターボチャージャのノズル開度を過絞り側に制御し、更に、燃料噴射弁によるポスト燃料噴射又は排気再循環によってアフターターボ酸化触媒への燃料供給を行い、燃料添加弁からの燃料添加によってＮＯｘ還元触媒への還元剤燃料添加を行う、内燃機関の排気浄化装置が提供される。

すなわち、請求項３の制御を実施した場合に、請求項１の構成では、添加した燃料が、ＮＯｘ還元触媒の上流に配置されたアフターターボ酸化触媒で燃焼してしまい、ＮＯｘ還元触媒への燃料の供給が不足し、ＮＯｘ還元効率が低下する恐れがあることから、請求項５の発明では、燃料添加弁をアフターターボ酸化触媒の下流であってＮＯｘ還元触媒の上流に配置し、アフターターボ酸化触媒の活性確保は、燃料噴射弁からの燃料のポスト噴射による燃焼又は排気再循環による燃料供給で確保し、ＮＯｘ還元剤燃料添加は、燃料添加弁で制御する。これにより、アフターターボ酸化触媒の活性確保とＮＯｘ還元効率アップの効果を両立させることができる。また、アフターターボ酸化触媒の過熱回避のために燃料添加量を制限する必要もなくなる。

各請求項に記載の発明によれば、アクセルをオフとし、筒内燃料噴射量がゼロとなった場合の、ＮＯｘ還元触媒の触媒床温の低下を防止し、アイドル運転等の軽負荷領域に移行する場合のＮＯｘ還元触媒の触媒床温を確保することができ、排気ガス中のＮＯｘ低減を進めることができるという共通の効果を奏する。

以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。なお、複数の添付図面において、同一又は相当する部材又は装置には、同一の符号を付している。

図１は、本発明による内燃機関の排気浄化装置の、一実施形態を説明する図である。内燃機関１０は、その下流にＮＯｘ還元触媒１３を備え、内燃機関１０からの排気を還元浄化する。内燃機関１０は、排気マニホールド１２の下流であってＮＯｘ還元触媒１３の上流に配置され排気によってタービンを駆動し吸気を圧送する可変ノズルターボチャージャ２と、可変ノズルターボチャージャ２の直後でＮＯｘ還元触媒１３の上流に配置されたアフターターボ酸化触媒１４と、排気マニホールド１２に配置され、排気に燃料を添加する燃料添加弁１６とを備える。また、内燃機関１０は、排気再循環（ＥＧＲ）を行うためのＥＧＲクーラ３及びＥＧＲバルブ７と、コモンレール式燃料噴射弁１１とを備える。

図２は、図１に示す排気浄化装置の制御の一実施形態を説明するフローチャートである。工程１００において、エンジンＥＣＵより、エンジン回転数ＮＥ（ｒｐｍ）、アクセル開度ＡＣＣＰ（％）、燃料噴射量Ｑｆｉｎ（ｍｍ³/秒）、可変ノズルターボチャージャのノズル開度ｐｖｎｆｉｎ（％）、アフターターボ酸化触媒温度Ｔａｔｃ（℃）を読み込む。工程２００において、アクセルオフ状態で燃料噴射量がゼロであるかどうかを判定し、アクセルオフ状態で燃料噴射量がゼロである場合には、工程３００に進んで、可変ノズルターボチャージャのノズル開度を過絞り側に制御し、冷えた吸入空気がアフターターボ酸化触媒に流入することを抑制する。この場合、可変ノズルターボチャージャのノズル開度を過絞り側に制御する代わりに、ＮＯｘ還元触媒の下流の排気絞り弁（図示せず）を、絞り側に制御してもよい。更に工程４００に進み、燃料添加信号ｅｘｑｆｉｎをオンとし、燃料添加を開始する。すなわち、アフターターボ酸化触媒で、ＨＣ、ＣＯを燃焼させる。従って、アフターターボ酸化触媒出口の排気ガス温度を高く維持できるため、ＮＯｘ還元触媒に流入するガス温度が上がる。アフターターボ酸化触媒へのＨＣ、ＣＯの供給は、燃料噴射弁によるポスト燃料噴射又は排気再循環によって行ってもよい。工程５００に進み、アフターターボ酸化触媒温度が活性温度α以上である場合には、工程６００に進み、燃料添加信号ｅｘｑｆｉｎをオフにして、燃料添加を停止する。更に工程７００に進み、可変ノズルターボチャージャのノズル開度を開放側に制御し、通常制御の目標値ｐｖｎｔｒｇに設定する。一方工程５００で、アフターターボ酸化触媒温度が活性温度α未満である場合には、工程２００に戻り、アクセルオフ状態で燃料噴射量がゼロであるかどうかの判定を再度行い、アクセルオフ状態で燃料噴射量がゼロである場合には、可変ノズルターボチャージャのノズル開度を更に過絞り側に制御する。

このようにして、アクセルオフ状態で燃料噴射量がゼロである場合に、ＮＯｘ還元触媒の触媒床温を確保することができるので、その後のアイドル運転等の軽負荷領域においてＮＯｘ還元触媒の触媒床温を確保することができる。

図３は、本発明による内燃機関の排気浄化装置の、他の実施形態を説明する図である。図４は、図２に対して、燃料添加弁１６が、アフターターボ酸化触媒１４の下流であって、ＮＯｘ還元触媒１３の上流に配置されている点が異なる。

図４は、図３に示す排気浄化装置の制御の一実施形態を説明するフローチャートである。本制御では、工程１００から工程４００までは図２と同様であるが、工程４００で、燃料添加信号ｅｘｑｆｉｎをオンとし、燃料添加を開始した後、工程４１０で、燃料噴射弁１１のポスト噴射許可信号ｅｘｐｏｓｔをオンにする。すなわち、燃料添加弁１６からの燃料は、ＮＯｘ還元触媒１３で還元剤として使用し、アフターターボ酸化触媒１４では、ポスト噴射による燃料噴射弁からの燃料又は排気再循環による排気中の燃料を燃焼させ、アフターターボ酸化触媒の昇温を行う。工程５００に進み、アフターターボ酸化触媒温度が活性温度α以上である場合には、工程６００に進み、燃料添加信号ｅｘｑｆｉｎをオフにして、燃料添加を停止し、更に工程６１０で、ポスト噴射許可信号ｅｘｐｏｓｔをオフにして、ポスト噴射を停止する。その他の流れは、図１と同様である。

従って、図１、図２の実施形態では、添加した燃料が、ＮＯｘ還元触媒の上流に配置されたアフターターボ酸化触媒で燃焼してしまい、ＮＯｘ還元触媒への燃料の供給が不足し、ＮＯｘ還元効率が低下する恐れがあるのに対し、図３、図４の実施形態では、ＮＯｘ還元触媒への燃料の供給が確保され、アフターターボ酸化触媒の活性確保とＮＯｘ還元効率アップの効果を両立させることができ、有利である。また、アフターターボ酸化触媒の過熱回避のために燃料添加量を制限する必要もなくなるという利益もある。

本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、実施形態の概略構成を説明する図である。 本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、実施形態の概略構成を説明するフローチャートである。 本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、他の実施形態の概略構成を説明する図である。 本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、他の実施形態の概略構成を説明するフローチャートである。

符号の説明

１ エアクリーナ
２ 可変ノズルターボチャージャ
３ ＥＧＲクーラ
４ 吸気バイパス弁
５ インタークーラ
６ 吸気絞り弁
７ ＥＧＲバルブ
８ 吸気マニホールド
９ コモンレール
１０ 内燃機関本体
１１ 燃料噴射弁
１２ 排気マニホールド
１３ ＮＯｘ還元触媒
１４ ＡＴＣ
１５ 排気温度センサー
１６ 燃料添加弁

Claims (5)

1. ＮＯｘ還元触媒を備える内燃機関の排気浄化装置であって、
   可変ノズルターボチャージャと、
   アフターターボ酸化触媒と、
   燃料添加弁と、を備え、
   前記アフターターボ酸化触媒が、前記可変ノズルターボチャージャの直後であって前記ＮＯｘ還元触媒の上流に配置され、
   前記燃料添加弁が、排気マニホールドに配置された、
   内燃機関の排気浄化装置。
2. アクセルをオフとし、筒内燃料噴射量がゼロとなった場合には、前記可変ノズルターボチャージャのノズル開度を過絞り側に制御する、
   請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. アクセルをオフとし、筒内燃料噴射量がゼロとなった場合には、更に、前記燃料添加弁からの燃料添加又は燃料噴射弁によるポスト燃料噴射又は排気再循環による燃料供給を行い、
   前記アフターターボ酸化触媒で前記燃料を燃焼させる、
   請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記アフターターボ酸化触媒の温度が触媒活性温度に到達した場合に、前記可変ノズルターボチャージャのノズル開度を開放側に制御する、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. ＮＯｘ還元触媒を備える内燃機関の排気浄化装置であって、
   可変ノズルターボチャージャと、
   アフターターボ酸化触媒と、
   燃料添加弁と、を備え、
   前記アフターターボ酸化触媒が、前記可変ノズルターボチャージャの直後であって前記ＮＯｘ還元触媒の上流に配置され、
   前記燃料添加弁が、前記アフターターボ酸化触媒の下流であって前記ＮＯｘ還元触媒の上流に配置され、
   アクセルをオフとし、筒内燃料噴射量がゼロとなった場合には、
   前記可変ノズルターボチャージャのノズル開度を過絞り側に制御し、
   更に、燃料噴射弁によるポスト燃料噴射又は排気再循環によって前記アフターターボ酸化触媒への燃料供給を行い、前記燃料添加弁からの燃料添加によって前記ＮＯｘ還元触媒への還元剤燃料添加を行う、
   内燃機関の排気浄化装置。

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