JP4730352B2 - 圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Description

本発明は圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置に関する。
機関排気通路内にＮＯx選択還元触媒を配置し、ＮＯx選択還元触媒上流の機関排気通路内に酸化触媒を配置し、ＮＯx選択還元触媒に尿素を供給して尿素から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯxを選択的に還元するようにした内燃機関が公知である（例えば特許文献１を参照）。この内燃機関ではＮＯx選択還元触媒にアンモニアが吸着し、吸着したアンモニアが排気ガス中に含まれるＮＯxと反応してＮＯxが還元せしめられる。
特開２００５−２３９２１号公報
ところでこのような内燃機関では通常機関から排出された大部分のＨＣは酸化触媒において酸化されるが一部のＨＣは酸化触媒において酸化されることなくＮＯx選択還元触媒に流入してＮＯx選択還元触媒に付着する。ところがＨＣがＮＯx選択還元触媒に付着するとＮＯx選択還元触媒にアンモニアが吸着できなくなり、斯くしてＮＯx浄化率が低下するという問題を生ずる。
上記問題を解決するために本発明によれば、機関排気通路内にＮＯx選択還元触媒を配置し、ＮＯx選択還元触媒に尿素を供給して尿素から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯxを選択的に還元するようにした圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯx選択還元触媒に付着したＨＣの付着量を推定するＨＣ付着量推定手段を具備しており、ＨＣ付着量推定手段により推定されたＨＣ付着量が予め定められた許容付着量を越えたときにはＮＯx選択還元触媒を昇温させてＮＯx選択還元触媒から付着ＨＣを脱離させ、それによってＮＯx選択還元触媒のＨＣ被毒を回復するようにしている。
ＮＯx選択還元触媒へのＨＣ付着量が許容付着量を越えたときにＮＯx選択還元触媒を昇温させることによってＮＯx選択還元触媒のＨＣ被毒が解消され、斯くして良好なＮＯx浄化率が得られる。
図１に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。
図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドを夫々示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結され、コンプレッサ７ａの入口は吸入空気量検出器８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁１０が配置され、更に吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１１内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結され、排気タービン７ｂの出口は酸化触媒１２の入口に連結される。この酸化触媒１２の下流には酸化触媒１２に隣接して排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するためのパティキュレートフィルタ１３が配置され、このパティキュレートフィルタ１３の出口は排気管１４を介してＮＯx選択還元触媒１５の入口に連結される。このＮＯx選択還元触媒１５の出口には酸化触媒１６が連結される。
ＮＯx選択還元触媒１５上流の排気管１４内には尿素水供給弁１７が配置され、この尿素水供給弁１７は供給管１８、供給ポンプ１９を介して尿素水タンク２０に連結される。尿素水タンク２０内に貯蔵されている尿素水は供給ポンプ１９によって尿素水供給弁１７から排気管１４内を流れる排気ガス中に噴射され、尿素から発生したアンモニア（（ＮＨ2）2ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→２ＮＨ3＋ＣＯ2）によって排気ガス中に含まれるＮＯxがＮＯx選択還元触媒１５において還元される。
排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路２１を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２１内には電子制御式ＥＧＲ制御弁２２が配置される。また、ＥＧＲ通路２１周りにはＥＧＲ通路２１内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２３が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２３内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管２４を介してコモンレール２５に連結され、このコモンレール２５は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２６を介して燃料タンク２７に連結される。燃料タンク２７内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ２６によってコモンレール２５内に供給され、コモンレール２５内に供給された燃料は各燃料供給管２４を介して燃料噴射弁３に供給される。また、排気マニホルド５には排気マニホルド５内に炭化水素、即ちＨＣを供給するためのＨＣ供給弁２８が配置される。図１に示される実施例ではこのＨＣは軽油からなる。
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および出力ポート３６を具備する。酸化触媒１２には酸化触媒１２の床温を検出するための温度センサ４５が取付けられ、ＮＯx選択還元触媒１５にはＮＯx選択還元触媒１５の床温を検出するための温度センサ４６が取付けられる。また、排気管１４内にはＮＯx選択還元触媒１５内に流入する排気ガス中のＨＣ濃度を検出するためのＨＣ濃度センサ４７が配置される。これら温度センサ４５，４６、ＨＣ濃度センサ４７および吸入空気量検出器８の出力信号は夫々対応する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の踏込み量Ｌ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１５°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。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３、スロットル弁１０の駆動用ステップモータ、尿素水供給弁１７、供給ポンプ１９、ＥＧＲ制御弁２２、燃料ポンプ２６およびＨＣ供給弁２８に接続される。
酸化触媒１２は例えば白金のような貴金属触媒を担持しており、この酸化触媒１２は排気ガス中に含まれるＮＯをＮＯ2に転換する作用と排気ガス中に含まれるＨＣを酸化させる作用をなす。即ち、ＮＯ2はＮＯよりも酸化性が強く、従ってＮＯがＮＯ2に転換させるとパティキュレートフィルタ１３上に捕獲された粒子状物質の酸化反応が促進され、またＮＯx選択還元触媒１５でのアンモニアによる還元作用が促進される。一方、ＮＯx選択還元触媒１５では前述したようにＨＣが付着するとアンモニアの吸着量が減少するためにＮＯx浄化率が低下する。従ってこのように酸化触媒１２によりＨＣを酸化することによってＮＯx選択還元触媒１５にＨＣが付着するのを、即ちＮＯx選択還元触媒１５がＨＣ被毒を生ずるのをできる限り回避するようにしている。
パティキュレートフィルタ１３としては触媒を担持していないパティキュレートフィルタを用いることもできるし、例えば白金のような貴金属触媒を担持したパティキュレートフィルタを用いることもできる。一方、ＮＯx選択還元触媒１５は低温で高いＮＯx浄化率を有するアンモニア吸着タイプのＦｅゼオライトから構成されている。また、酸化触媒１６は例えば白金からなる貴金属触媒を担持しており、この酸化触媒１６はＮＯx選択還元触媒１５から漏出したアンモニアを酸化する作用をなす。
図２に圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す。この実施例ではパティキュレートフィルタ１３が酸化触媒１６の下流に配置され、従ってこの実施例では酸化触媒１２の出口が排気管１４を介してＮＯx選択還元触媒１５の入口に連結される。
ところで図１および図２に示される内燃機関では通常機関から排出された大部分のＨＣは酸化触媒１２において酸化されるが一部のＨＣは酸化触媒１２において酸化されることなくＮＯx選択還元触媒１５に流入してＮＯx選択還元触媒１５に付着する。特に機関始動時におけるように酸化触媒１２が活性化していないときには多量のＨＣがＮＯx選択還元触媒１５に流入してＮＯx選択還元触媒１５に付着する。そこでまず初めに酸化触媒１２によるＨＣの酸化作用について説明する。
図３は酸化触媒１２の床温ＴOとＨＣの酸化速度ＭO（ｇ／sec）、即ち単位時間当り酸化しうるＨＣの量との関係を示している。図３からわかるように酸化触媒１２の床温ＴOがほぼ２００℃以下のとき、即ち酸化触媒１２が活性化していないときには酸化速度ＭOは零であり、従ってこのとき酸化触媒１２内に流入するＨＣは酸化触媒１２をすり抜ける。一方、酸化触媒１２が活性化したときに酸化触媒１２に単位時間当り流入するＨＣの量が酸化触媒１２の床温ＴOから定まる酸化速度ＭOよりも少ないときは全ての流入ＨＣが酸化触媒１２において酸化され、酸化触媒１２に単位時間当り流入するＨＣの量が酸化触媒１２の床温ＴOから定まる酸化速度ＭOよりも多いときは酸化速度ＭOを越えた分のＨＣが酸化触媒１２をすり抜けることになる。
酸化触媒１２をすり抜けたＨＣはＮＯx選択還元触媒１５に流入してＮＯx選択還元触媒１５に付着する。図４（Ａ）はこのときＮＯx選択還元触媒１５に付着するＨＣの付着率Ｒを示している。図４（Ａ）からわかるようにＨＣ付着率ＲはＮＯx選択還元触媒１５の床温Ｔｎが低くなるほど高くなる。従ってＮＯx選択還元触媒１５に流入するＨＣ量が同一であったとしてもＮＯx選択還元触媒１５の床温Ｔｎが低いほど多量のＨＣがＮＯx選択還元触媒１５に付着することになる。
このように酸化触媒１２をすり抜けたＨＣはＮＯx選択還元触媒１５に流入してＮＯx選択還元触媒１５に付着する。しかしながらこの付着したＨＣはＮＯx選択還元触媒１５を昇温させることによってＮＯx選択還元触媒１５から脱離させることができる。次にこのことについて図４（Ｂ）を参照しつつ説明する。
図４（Ｂ）はＮＯx選択還元触媒１５の床温ＴｎとＨＣの脱離速度Ｍｄ（ｇ／sec）、即ち単位時間当りＮＯx選択還元触媒１５から脱離されるＨＣの量との関係を示している。図４（Ｂ）に示されるようにＮＯx選択還元触媒１５の床温Ｔｎがほぼ３５０℃を越えると脱離速度Ｍｄが立ち上がり、図４（Ｂ）においてＴＦで示されるほぼ３５０℃が脱離開始温度となる。従ってＮＯx選択還元触媒１５の床温Ｔｎを脱離開始温度ＴＦ以上まで上昇させるとＮＯx選択還元触媒１５からＨＣを脱離できることになる。
本発明による実施例では、ＮＯx選択還元触媒１５からＨＣを脱離すべきときには酸化触媒１２にＨＣを供給してＨＣの酸化反応熱によりＮＯx選択還元触媒１５を昇温させるようにしている。このＨＣの供給は例えば排気行程中に燃焼室２内に燃料を噴射することによって行うこともできるし、機関排気通路内にＨＣを供給することによっても行うことができる。図１および図２に示される実施例ではこのＨＣの供給はＨＣ供給弁２８から軽油を噴射することによって行われる。
さて、前述したようにＮＯx選択還元触媒１５へのＨＣ付着量が増大するとＮＯx選択還元触媒１５に吸着しうるアンモニア量が減少し、斯くしてＮＯx浄化率が低下してしまう。そこで本発明では、ＮＯx選択還元触媒１５に付着したＨＣの付着量を推定するＨＣ付着量推定手段を具備しており、このＨＣ付着量推定手段により推定されたＨＣ付着量が予め定められた許容付着量を越えたときにはＮＯx選択還元触媒１５を昇温させてＮＯx選択還元触媒１５から付着ＨＣを脱離させ、それによってＮＯx選択還元触媒１５のＨＣ被毒を回復するようにしている。
ところでこのようにＨＣ付着量推定手段によりＨＣ付着量を推定する場合、ＨＣ付着量を全て計算により求めるやり方と、ＨＣ濃度センサ４７の検出値から求めるやり方とがある。図５はＨＣ付着量を全て計算により求めるようにした場合の算出ルーチンを示しており、図６はＨＣ付着量をＨＣ濃度センサ４７の検出値から求めるようにした場合の算出ルーチンを示している。いずれの算出ルーチンも一定時間毎の割込みによって実行される。
まず初めに図５に示すＨＣ付着量の算出ルーチンについて説明すると、ステップ５０では機関から単位時間当り排出される排出ＨＣ量ＧOが算出される。この機関の運転状態に応じて変化する排出ＨＣ量ＧOは予めＲＯＭ３２内に記憶されている。次いでステップ５１では例えばＮＯx選択還元触媒１５を昇温するためにＨＣ供給弁２８から供給されるＨＣ供給量ＧIが算出される。次いでステップ５２では酸化触媒１２の床温ＴOに基づいて図３に示される酸化速度ＭOが算出される。次いでステップ５３では酸化速度ＭOが排出ＨＣ量ＧOと供給ＨＣ量ＧIとの和（ＧO＋ＧI）よりも大きいか否かが判別される。ＭO≧ＧO＋ＧIのときにはステップ５５に進んですり抜け量Ｇが零とされ、次いでステップ５６に進む。これに対し、ＭO＜ＧO＋ＧIのときにはステップ５５に進んですり抜け量ＧがＧO＋ＧI−ＭOとされ、次いでステップ５６に進む。
次いでステップ５６では図４（Ａ）に示されるＨＣ付着率Ｒが算出される。次いでステップ５７ではＨＣのすり抜け量ＧにＨＣ付着率Ｒを乗算することによってＮＯx選択還元触媒１５への新たなＨＣ付着量Ｗ（＝Ｇ・Ｒ）が算出される。次いでステップ５８ではＮＯx選択還元触媒１５の床温Ｔｎに基づいて図４（Ｂ）に示される脱離速度Ｍｄが算出され、次いでステップ５９ではＨＣ付着量ΣＨＣに新たなＨＣ付着量Ｗを加算し、ＨＣ付着量ΣＨＣから脱離速度Ｍｄを減算することによってＨＣ付着量ΣＨＣが算出される。
即ち、図５に示される実施例ではＮＯx選択還元触媒１５に流入するＨＣの量（ＧO＋ＧI）が算出され、ＨＣ付着量推定手段は、算出された流入ＨＣ量（ＧO＋ＧI）に対して予め設定されているＮＯx選択還元触媒１５へのＨＣ付着率ＲおよびＮＯx選択還元触媒１５からのＨＣ脱離速度Ｍｄを用いてＨＣ付着量ΣＨＣが推定される。
次に図６に示すＨＣ付着量の算出ルーチンについて説明すると、ステップ６０ではＨＣ濃度センサ４７によりＮＯx選択還元触媒１５に流入する排気ガス中のＮＯx濃度が検出される。次いでステップ６１ではＨＣ濃度センサ４７により検出されたＮＯx濃度と、排気ガス量、即ち吸入空気量検出器８により検出された吸入空気量とに基づいてＮＯx選択還元触媒１５に単位時間当り流入するＮＯx量Ｇが算出される。
次いでステップ６２では図４（Ａ）に示されるＨＣ付着率Ｒが算出される。次いでステップ６３ではＨＣ流入量ＧにＨＣ付着率Ｒを乗算することによってＮＯx選択還元触媒１５への新たなＨＣ付着量Ｗ（＝Ｇ・Ｒ）が算出される。次いでステップ６４ではＮＯx選択還元触媒１５の床温Ｔｎに基づいて図４（Ｂ）に示される脱離速度Ｍｄが算出され、次いでステップ６５ではＨＣ付着量ΣＨＣに新たなＨＣ付着量Ｗを加算し、ＨＣ付着量ΣＨＣから脱離速度Ｍｄを減算することによってＨＣ付着量ΣＨＣが算出される。
即ち、図６に示される実施例ではＮＯx選択還元触媒１５に流入する排気ガス中のＨＣ濃度を検出するためのＨＣ濃度センサ４７を設けてこのＨＣ濃度センサ４７によりＮＯx選択還元触媒１５に流入するＨＣの量Ｇが求められ、ＨＣ付着量推定手段は、求められた流入ＨＣ量Ｇに対して予め設定されているＮＯx選択還元触媒１５へのＨＣ付着率ＲおよびＮＯx選択還元触媒１５からのＨＣ脱離速度Ｍｄを用いてＨＣ付着量ΣＨＣが推定される。
本発明ではこのようにして機関運転中ＨＣ付着量ΣＨＣが求められており、このＨＣ付着量ΣＨＣに基づいてＮＯx選択還元触媒１５のＨＣ被毒を回復するための昇温制御が行われる。即ち、図７に示されるようにＨＣ付着量ΣＨＣが予め定められた許容付着量ＭＡＸを越えるとＮＯx選択還元触媒１５の昇温制御が開始され、ＮＯx選択還元触媒１５の昇温開始後、ＨＣ付着量ΣＨＣが予め定められた下限値ＭＩＮまで低下したときにＮＯx選択還元触媒１５の昇温作用が停止される。
図８にＨＣ被毒を回復するためのルーチンを示す。このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。
図８を参照するとまず初めにステップ７０において昇温制御中か否かが判別される。昇温制御中でないときにはステップ７１に進んでＨＣ付着量ΣＨＣが許容付着量ＭＡＸを越えたか否かが判別される。ΣＨＣ＞ＭＡＸとなったときにはステップ７２に進んで昇温制御が開始される。昇温制御が開始されるとステップ７０からステップ７３に進んでＨＣ付着量ΣＨＣが下限値ＭＩＮ以下になったか否かが判別される。ΣＨＣ＜ＭＩＮになったときにはステップ７４に進んで昇温制御が停止される。
圧縮着火式内燃機関の全体図である。 圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す全体図である。 酸化速度を示す図である。 ＨＣ付着率等を示す図である。 ＨＣ付着量を算出するためのフローチャートである。 ＨＣ付着量を算出するためのフローチャートである。 昇温制御を示すタイムチャートである。 ＨＣ被毒を回復するためのフローチャートである。
符号の説明
４ 吸気マニホルド
５ 排気マニホルド
７ 排気ターボチャージャ
１２，１６ 酸化触媒
１３ パティキュレートフィルタ
１５ ＮＯx選択還元触媒
１７ 尿素水供給弁
２８ ＨＣ供給弁
４７ ＨＣ濃度センサ

Claims (5)

  1. 機関排気通路内にＮＯx選択還元触媒を配置し、該ＮＯx選択還元触媒に尿素を供給して該尿素から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯxを選択的に還元するようにした圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置において、上記ＮＯx選択還元触媒に付着したＨＣの付着量を推定するＨＣ付着量推定手段を具備しており、該ＨＣ付着量推定手段により推定されたＨＣ付着量が予め定められた許容付着量を越えたときにはＮＯx選択還元触媒を昇温させてＮＯx選択還元触媒から付着ＨＣを脱離させ、それによってＮＯx選択還元触媒のＨＣ被毒を回復するようにした圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
  2. 上記ＮＯx選択還元触媒に流入するＨＣの量が算出され、上記ＨＣ付着量推定手段は、算出された流入ＨＣ量に対して予め設定されているＮＯx選択還元触媒へのＨＣ付着率およびＮＯx選択還元触媒からのＨＣ脱離速度を用いて上記ＨＣ付着量を推定するようにした請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
  3. ＮＯx選択還元触媒に流入する排気ガス中のＨＣ濃度を検出するためのＨＣ濃度センサを設けて該ＨＣ濃度センサによりＮＯx選択還元触媒に流入するＨＣの量が求められ、上記ＨＣ付着量推定手段は、求められた流入ＨＣ量に対して予め設定されているＮＯx選択還元触媒へのＨＣ付着率およびＮＯx選択還元触媒からのＨＣ脱離速度を用いて上記ＨＣ付着量を推定するようにした請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
  4. 上記ＮＯx選択還元触媒上流の機関排気通路内に酸化触媒を配置し、該ＮＯx選択還元触媒を昇温すべきときには該酸化触媒にＨＣを供給してＨＣの酸化反応熱によりＮＯx選択還元触媒を昇温させるようにした請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
  5. 上記ＮＯx選択還元触媒の昇温開始後、上記ＨＣ付着量が予め定められた下限値まで低下したときにＮＯx選択還元触媒の昇温作用を停止するようにした請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
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