JP4259139B2 - 内燃機関の排気ガス再循環装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の排気ガス再循環装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
機関吸気通路と機関排気通路とを排気ガス再循環通路により互いに接続し、排気ガス再循環通路内に酸化触媒を配置した内燃機関の排気ガス再循環装置が公知である(特許文献1,2,3参照)。機関から排出された排気ガス中には未燃炭化水素(HC)が含まれており、この未燃HCが排気ガス再循環ガスと共に供給されると、吸気通路又は燃焼室内に炭素からなるいわゆるデポジットが形成される恐れがある。そこでこの内燃機関では、排気ガス再循環通路内に酸化触媒を配置して未燃HCを酸化除去するようにしている。
【0003】
【特許文献1】
特開2000−45881号公報
【特許文献2】
特開2000−249003号公報
【特許文献3】
特開平6−66208号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
一方、排気ガスの温度を上昇させたり排気ガス中に含まれる還元剤即ちHC及び一酸化炭素(CO)の量を増大させるために、膨張行程又は排気行程に追加の燃料を噴射するようにした内燃機関が知られている。
【0005】
しかしながら、この内燃機関に上述の排気ガス再循環装置を適用すると酸化触媒で多量のHC,COが酸化されて大きな酸化熱が発生し、この大きな酸化熱によってEGRガスの温度が大幅に上昇される恐れがある。排気ガス再循環ガスの温度が高くなると新気充填効率が低下するという問題点がある。
【0006】
そこで本発明の目的は、酸化触媒における排気ガス再循環ガスの温度上昇を抑制しつつ排気ガス再循環ガス中のHCを良好に除去することができる内燃機関の排気ガス再循環装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために1番目の発明によれば、機関吸気通路と機関排気通路とを排気ガス再循環通路により互いに接続すると共に、該排気ガス再循環通路内に貴金属を担持した酸化触媒を配置した内燃機関の排気ガス再循環装置において、酸化触媒の一酸化炭素浄化率が予め定められた許容上限値を上回らないようにかつ酸化触媒の炭化水素浄化率が予め定められた許容下限値を下回らないように酸化触媒の貴金属担持量を設定している。
【0009】
また、2番目の発明によれば1番目の発明において、前記許容上限値がほぼ10パーセントである。
【0010】
また、3番目の発明によれば1番目又は2番目の発明において、前記許容下限値がほぼ40パーセントである。
【0013】
また、4番目の発明によれば1番目の発明において、排気ガス再循環ガスを冷却するための冷却装置が排気ガス再循環通路内に配置されており、該冷却装置上流の排気ガス再循環通路内に前記酸化触媒を配置している。
【0014】
なお、本明細書における酸化触媒の一酸化炭素浄化率及び炭化水素浄化率は酸化触媒が活性化した後の値である。
【0015】
【発明の実施の形態】
図1は本発明を圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。なお、本発明は火花点火式内燃機関にも適用することもできる。
【0016】
図1を参照すると、1は機関本体、2はシリンダブロック、3はシリンダヘッド、4はピストン、5は燃焼室、6は電気制御式燃料噴射弁、7は吸気弁、8は吸気ポート、9は排気弁、10は排気ポートをそれぞれ示す。吸気ポート8は対応する吸気枝管11を介してサージタンク12に連結され、サージタンク12は吸気ダクト13を介して排気ターボチャージャ14のコンプレッサ15の出口に連結される。吸気ダクト13内にはステップモータ16により駆動されるスロットル弁17が配置され、更にスロットル弁17上流の吸気ダクト13内には吸気ダクト13内を流れる吸入空気を冷却するための吸気冷却装置18が配置される。
【0017】
一方、排気ポート10は排気マニホルド19及び排気管20を介して排気ターボチャージャ14の排気タービン21の入口に連結され、排気タービン21の出口は排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタ23が収容されたケーシング23に連結される。このパティキュレートフィルタ23の隔壁上には酸化触媒が担持されている。
【0018】
更に図1を参照すると、排気マニホルド19とサージタンク12とは排気ガス再循環(以下、EGRと称す)通路24を介して互いに連結され、EGR通路24内には電気制御式EGR制御弁25と、EGR通路24内を流れるEGRガスを冷却するためのEGR冷却装置26とが配置される。このようにEGRガスを冷却することによって、EGRガスによる充填効率の低下が抑制され、燃焼温度の上昇が抑制される。
【0019】
また、EGR冷却装置26上流のEGR通路24内には酸化触媒27が配置される。この酸化触媒27は例えばアルミナを担体とし、担体上に白金PtやパラジウムPdといった貴金属が担持されている。EGRガス中に含まれるHCはこの酸化触媒27によって酸化除去され、従って吸気通路及び燃焼室5内にいわゆるデポジットが形成されるのが阻止される。更に、酸化触媒27をEGR冷却装置26上流に配置しているので、EGRガス中に含まれるHCによってEGR冷却装置26が目詰まりするのも阻止される。
【0020】
一方、各燃料噴射弁6は燃料供給管6aを介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール28に連結される。このコモンレール28内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ29から燃料が供給され、コモンレール28内に供給された燃料は各燃料供給管6aを介して燃料噴射弁6に供給される。図1に示される内燃機関ではコモンレール28内の燃料圧が検出され、検出されたコモンレール28内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ29の吐出量が制御される。
【0021】
電子制御ユニット30はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス31によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)32、RAM(ランダムアクセスメモリ)33、CPU(マイクロプロセッサ)34、入力ポート35及び出力ポート36を具備する。コモンレール28にはコモンレール28内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ39が取付けられ、燃料圧センサ39の出力信号は対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。また、アクセルペダル40にはアクセルペダル40の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ41が接続され、負荷センサ41の出力電圧は対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。更に入力ポート35にはクランクシャフトが例えば30°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ42が接続される。CPU44ではこの出力パルスに基づいて機関回転数が算出される。一方、出力ポート36は対応する駆動回路38を介して燃料噴射弁6、ステップモータ16、EGR制御弁25、及び燃料ポンプ29にそれぞれ接続される。
【0022】
排気ガス中に含まれる主に炭素の固体からなる微粒子はパティキュレートフィルタ23上に捕集される。図1に示される内燃機関ではリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われているので、パティキュレートフィルタ23の温度が微粒子を酸化しうる温度、例えば250℃以上に維持されていれば、パティキュレートフィルタ23上で微粒子が酸化せしめられ除去される。
【0023】
ところが、パティキュレートフィルタ23の温度が微粒子を酸化しうる温度に維持されなくなるか又は単位時間当たりにパティキュレートフィルタ23内に流入する微粒子の量がかなり多くなると、パティキュレートフィルタ23上に堆積する微粒子の量が次第に増大し、パティキュレートフィルタ23の圧損が増大する。
【0024】
そこで本発明による実施例では、例えばパティキュレートフィルタ23上の堆積微粒子量が微粒子許容量を越えたときには、パティキュレートフィルタ23に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつパティキュレートフィルタ23の温度を例えば600℃以上まで上昇し維持する微粒子酸化作用を行うようにしている。この微粒子酸化作用が行われると、パティキュレートフィルタ23上に堆積した微粒子が着火燃焼せしめられ除去される。
【0025】
パティキュレートフィルタ23の温度を上昇させるために本発明による実施例では、圧縮上死点周りに行われる主燃料に加えて膨張行程中又は排気行程中に追加の燃料を噴射し、それにより内燃機関から排出される排気ガスの温度を上昇させるようにしている。
【0026】
ところが、このように追加の燃料を噴射すると排気ガス従ってEGRガス中に多量のHC,COが含まれるようになり、この多量のHC,COが酸化触媒27で酸化されるとEGRガスの温度が大幅に上昇されることになる。このEGRガスの温度上昇を抑制するためにはEGR冷却装置26の冷却能力をかなり高めなければならない。
【0027】
排気通路内に配置された触媒に還元剤としてのHC及びCOを供給するために追加の燃料を噴射する場合や、燃焼室内で理論空燃比又はリッチ混合気を燃焼させるようにした場合も同様なことが生じうる。
【0028】
本願発明者らによれば、追加の燃料を噴射した場合のEGRガス中にはHCよりも高濃度のCOが含まれており、この高濃度のCOが酸化されることによってEGRガスの温度が大幅に上昇されることが判明している。従って、酸化触媒27におけるCOの酸化を抑制すればEGRガスの温度上昇を抑制できることになる。COが酸化されることなく酸化触媒27から排出されたとしても、デポジット形成のような悪影響は生じない。
【0029】
更に、酸化触媒の酸化能力を決める因子の一つに酸化触媒の貴金属担持量があることからこの貴金属担持量に着目したところ、HCの良好な酸化を維持しながらCOの酸化を抑制できる貴金属担持量範囲が存在することが見出されたのである。このことを図2を参照しながら詳しく説明する。
【0030】
図2は、酸化触媒27に担持される貴金属を白金Ptから構成した場合の酸化触媒27の白金担持量Q(Pt)に対する、酸化触媒27のCO浄化率PR(CO)及びHC浄化率PR(HC)並びに酸化触媒27におけるEGRガスの温度上昇ΔTの変化を示す実験結果である。ここで、浄化率は酸化触媒27内に流入する排気ガス中の注目成分の量に対する酸化触媒27で浄化された排気ガス中の注目成分の量の割合である。
【0031】
図2からわかるように、白金担持量Q(Pt)がかなり少ないときにはCO浄化率PR(CO)及びHC浄化率PR(HC)は共に低くなる。白金担持量Q(Pt)を増大させるとCO浄化率PR(CO)が低く維持されながらHC浄化率PR(HC)が急激に上昇し、白金担持量Q(Pt)を更に増大させるとようやくCO浄化率PR(CO)が上昇し始める。また、CO浄化率PR(CO)が上昇すると温度上昇ΔTも増大する。
【0032】
このようにHCを選択的に酸化しCOを酸化しない白金担持量Q(Pt)の範囲が存在し、この範囲では温度上昇ΔTがかなり小さいことが判明したのである。
【0033】
更に図2を参照すると、白金担持量Q(Pt)が上限量QUを上回るとCO浄化率PR(CO)が許容上限値ULを越えて急激に増大し、白金担持量Q(Pt)が下限量QLを下回るとHC浄化率PR(HC)が許容下限値LLを越えて急激に低下する。
【0034】
そこで本発明による実施例では、CO浄化率PR(CO)が許容上限値ULを上回らないように白金担持量Q(Pt)を上限量QU以下に設定している。このようにすると、EGRガスの温度上昇ΔTをかなり低く抑えることができる。
【0035】
その上で、HC浄化率PR(HC)が許容下限値LLを下回らないように白金担持量Q(Pt)を下限量QL以上に設定している。即ち、白金担持量Q(Pt)が下限量QLから上限量QUまでの設定範囲内に設定される。このようにすると、HC浄化率PR(HC)を高く維持しながらCO浄化率PR(CO)を低く維持することができる。
【0036】
言い換えると、CO浄化率PR(CO)が許容上限値ULを上回らないように酸化触媒27の貴金属担持量又は酸化能力を設定し、HC浄化率PR(HC)が許容下限値LLを下回らないように酸化触媒27の貴金属担持量又は酸化能力を設定しているということになる。
【0037】
或いは、CO浄化率PR(CO)がHC浄化率PR(HC)よりも低く維持されるように酸化触媒27の貴金属担持量又は酸化能力を設定しているという見方もできる。
【0038】
ここで、許容上限値ULはほぼ10パーセントが好ましく、許容下限値LLはほぼ40パーセントが好ましい。
【0039】
一方、上限量QU及び下限量QLは機関の型式や酸化触媒の種類によって変動し、必ずしも正確に言うことはできない。しかしながら、或る特定の内燃機関においてQ(Pt)=0.05g/dm3(g/リットル)であるとCO浄化率PR(CO)が許容上限値ULよりも低くかつHC浄化率PR(HC)が許容下限値LLよりも低くなり、Q(Pt)=0.3g/dm3(g/リットル)であるとCO浄化率PR(CO)が許容上限値ULよりも高くかつHC浄化率PR(HC)が許容下限値LLよりも高くなることが確認されている。従って、この特定の内燃機関における白金担持量Q(Pt)の設定範囲0.05g/dm3(g/リットル)から0.3g/dm3(g/リットル)の範囲内にあるということになる。
【0040】
【発明の効果】
酸化触媒における排気ガス再循環ガスの温度上昇を抑制しつつEGRガス中のHCを良好に除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】内燃機関の全体図である。
【図2】酸化触媒の白金担持量Q(Pt)に対する、酸化触媒のCO浄化率PR(CO)及びHC浄化率PR(HC)並びに酸化触媒におけるEGRガスの温度上昇ΔTの変化の実験結果を示す線図である。
【符号の説明】
1…機関本体
24…EGR通路
26…EGR冷却装置
27…酸化触媒
Claims (4)
- 機関吸気通路と機関排気通路とを排気ガス再循環通路により互いに接続すると共に、該排気ガス再循環通路内に貴金属を担持した酸化触媒を配置した内燃機関の排気ガス再循環装置において、酸化触媒の一酸化炭素浄化率が予め定められた許容上限値を上回らないようにかつ酸化触媒の炭化水素浄化率が予め定められた許容下限値を下回らないように酸化触媒の貴金属担持量を設定した内燃機関の排気ガス再循環装置。
- 前記許容上限値がほぼ10パーセントである請求項1に記載の内燃機関の排気ガス再循環装置。
- 前記許容下限値がほぼ40パーセントである請求項1又は2に記載の内燃機関の排気ガス再循環装置。
- 排気ガス再循環ガスを冷却するための冷却装置が排気ガス再循環通路内に配置されており、該冷却装置上流の排気ガス再循環通路内に前記酸化触媒を配置した請求項1に記載の内燃機関の排気ガス再循環装置。
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