JPH09317524A - 内燃機関の窒素酸化物浄化装置 - Google Patents
内燃機関の窒素酸化物浄化装置Info
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Abstract
酸化物浄化装置の提供。 【解決手段】 燃料噴射手段(インジェクション11〜
14)と,燃料噴射制御手段(ECU40)と,複数の
触媒装置21,22と,触媒温度判定手段(排気温度セ
ンサー24〜26と,運転状態検知手段とを有する窒素
酸化物浄化装置1である。排気通路の上流側の第1触媒
装置21と,下流側に直列に配置された第2の触媒装置
22とを有し,気筒は第1触媒装置の上流に接続された
第1の気筒群と触媒装置21と22との間の排気通路に
接続された第2の気筒群とからなる。燃料噴射制御手段
は,主燃料噴射指令と,後燃料噴射指令とを各気筒毎に
発し,上記後燃料噴射の量を触媒装置21又は22の温
度に対応して設定する。
Description
窒素酸化物を浄化する排気浄化装置に関するものであ
る。
される窒素酸化物(NOx)は金属担持ゼオライト等を
用いた触媒装置を用いて浄化されている。そして,上記
触媒装置の浄化率は,図2の符号51の曲線に示すよう
に,特定の温度範囲(同図のT1〜T3,例えば200
〜300℃)でだけ高い浄化率を示している。また,こ
の窒素酸化物の触媒装置は,例えば燃料等のHC(炭化
水素)成分を添加することにより反応が促進されること
が知られている。そのため,触媒装置の上流から軽油等
の還元剤を供給して排気ガスと混合し,窒素酸化物の浄
化を促進する方法が提案されている。
化物の浄化率を高めるためには,還元剤であるHCを多
く供給すれば良いことになる。しかしながら,HCの供
給を増やすとHCの反応熱により触媒装置の温度が上昇
し,上記図2に示したT2近傍の浄化率の良好な温度範
囲を越えてしまうこととなる。そのため,その状態に応
じて適当な量のHCを添加し,浄化率の高い状態に触媒
装置を維持する必要がある。
は,触媒とHC供給装置とを備えたユニットを複数設
け,所定の温度範囲にあるユニットに対してのみHC供
給装置を作動させて触媒の過熱を防止し,窒素酸化物の
浄化率を向上させる浄化装置が提案されている。
−214919号公報に示された窒素酸化物浄化装置
は,触媒装置の数だけHC供給装置が必要となり,装置
の構成が複雑となり,大形でコストの高いものとなると
いう不具合がある。本発明は,かかる従来の問題点に鑑
みてなされたものであり,より簡素な構成により,窒素
酸化物の浄化率を高めることのできる優れた窒素酸化物
浄化装置を提供しようとするものである。
浄化装置は,触媒装置が排気通路の上流側に配置された
第1触媒装置と第1触媒装置の下流側に直列に配置され
た第2の触媒装置とからなると共に,全体の気筒が上記
第1触媒装置の上流に接続された第1の気筒群と上記第
1触媒装置と第2触媒装置との間の排気通路に接続され
た第2の気筒群とからなる。
のための主燃料噴射指令と,炭化水素供給のための後燃
料噴射指令とを各気筒毎または各気筒群毎に発する。そ
して,燃料噴射制御手段は,触媒温度判定手段により判
定した第1触媒装置及び第2触媒装置の温度に対応して
後燃料噴射の量を調整し,各触媒装置の過熱を抑制しつ
つ窒素酸化物の浄化率の最大化を図る。
気筒群から排出された排気ガスは,第1の触媒装置に流
入し,一方第2の触媒装置には,第2の気筒群から排出
された排気ガスと第1触媒装置で浄化された排気ガスと
が流入する。そして,後燃料噴射量は気筒毎または気筒
群毎に設定できるから,第1触媒装置に供給されるHC
還元剤の量,即ち後燃料噴射の量と,第2触媒装置に供
給されるHC還元剤の量,即ち後燃料噴射の量とを別個
に設定することができる。
た第1,第2触媒装置の温度状態に合わせて適切なHC
還元剤を各触媒装置に供給することができる。即ち,無
駄なHC(後燃料)は触媒装置に供給せず,適切な量の
HC(後燃料)を供給し,触媒装置を出来るだけ浄化率
の高い状態に制御することが可能となる。なお,上記後
燃料噴射は,膨張行程または排気行程において噴射され
るから,気筒内の熱により窒素酸化物の還元に適したH
Cに変化させうるという効果も有している。
の窒素酸化物の浄化率が極めて低いレベルで推移する低
温の第1の温度ゾーン(図2のT1以下)と,窒素酸化
物の浄化率が温度と共に上昇する第2の温度ゾーン(図
2のT1〜T2)と,窒素酸化物の浄化率が温度と共に
下降する第3の温度ゾーン(図2のT2〜T3)と,窒
素酸化物の浄化率が極めて低いレベルで推移する高温の
第4の温度ゾーン(図2のT3以上)とに温度ゾーンを
区分し,各温度ゾーン毎に各気筒または各気筒群に対す
る後燃料噴射量の大きさ及び配分比率を変化させること
により,効果的な窒素酸化物の浄化を達成することがで
きる(後述する実施形態例参照)。
度に対する浄化率の増減傾向が全く異なってくるから,
その特性に適合した後燃料噴射の制御を行わないと浄化
率の最大化を図ることが出来ないからである。例えば,
第2の温度ゾーンと第3の温度ゾーンの間の関係では,
請求項3記載のように,第3の温度ゾーンにおいては,
第1の気筒群に属する気筒に対して第2の温度ゾーンに
おける後燃料噴射量よりも小さい後燃料噴射量を設定
し,第2の気筒群に属する気筒に対しては第2の温度ゾ
ーンにおける後燃料噴射量よりも大きい後燃料噴射量を
設定することが好ましい。
大温度を過ぎた温度の高い上流の第1触媒装置の過昇温
を抑制する必要があり,一方,相対的に温度が低い第2
の触媒装置を高い浄化率の温度にするためには,通常H
Cを供給して浄化率を向上させることが適切な制御とな
るからである。
想に基づく構成は,触媒装置が2個の場合にのみ有効な
ものではなく,2個を越える3個以上の触媒装置を設け
る場合にも適用可能である。即ち,請求項4に記載のよ
うに触媒装置の数をN個とすると共に気筒をN個の気筒
群に分割し,各触媒装置の温度に対応して後燃料噴射の
量を調整し,各触媒装置の過熱を抑制しつつ窒素酸化物
の浄化率の最大化を図る。
り,第Iの気筒群から排出された排気ガスは,第Iの触
媒装置に流入し,一方第(I+1)番目の触媒装置に
は,第(I+1)番目の気筒群から排出された排気ガス
と第I触媒装置で浄化された排気ガスとが流入する。そ
して,後燃料噴射量は気筒毎または気筒群毎に設定でき
るから,第I触媒装置に供給されるHC還元剤の量,即
ち後燃料噴射の量と,第(I+1)触媒装置に供給され
るHC還元剤の量,即ち後燃料噴射の量とを別個に設定
することができる。
た第I,第(I+1)触媒装置の温度状態に合わせて適
切なHC還元剤を各触媒装置に供給することができる。
即ち,無駄なHC(後燃料)は触媒装置に供給せず,適
切な量のHC(後燃料)を供給し,触媒装置を出来るだ
け浄化率の高い状態に制御することが可能となる。そし
て,触媒装置が3個以上の場合にも請求項5,請求項6
記載の発明により,前記請求項2または請求項3と同様
の作用効果を奏することが可能となる。
において,更に請求項7記載のように,上流側に配置さ
れる触媒装置の窒素酸化物浄化可能温度範囲を,下流側
に配置される触媒装置の窒素酸化物浄化可能温度範囲よ
りも低温とすることが好ましい。このように構成するこ
とにより,始動時等において昇温の容易な上流側の触媒
装置を迅速に昇温し,より低い温度で素早く活性化する
ことが可能となるからである。
けるトータルの後燃料噴射量を設定し,その気筒群にお
ける全後燃料噴射をその気筒群内の一部の気筒に集中さ
せて噴射させるようにすることが好ましい。何故なら
ば,各気筒に均一に後燃料噴射量を設定した場合より,
一部の気筒に後燃料噴射を集中させることにより,噴射
させる気筒における後燃料噴射の噴射量を相対的に大き
くすることができ,燃料噴射手段は相対的に動作性能
(例えば弁の応答速度や操作可能な最小操作量)の低い
ものを用いることが可能となるからである。
噴射量に加えて,更に気筒群毎に主燃料噴射の量を調整
することにより,より適切に各触媒装置の過熱を抑制し
つつ窒素酸化物の浄化率の最大化を図ることが可能とな
る。即ち,気筒群におけるトータルの主燃料噴射量を調
整することにより,その気筒群の接続された触媒装置に
流入する排気ガスの量が変化し,これによって触媒装置
の昇温速度や降温速度を制御することが可能となるから
である。
置が2つである場合には,前記第1の温度ゾーンにおい
ては主燃料噴射を第1の気筒群に集中させて第1触媒装
置の昇温を促進し,請求項2記載の前記第4の温度ゾー
ンにおいては主燃料噴射を第1の気筒群に集中させて第
2触媒装置の冷却を促進すると好適である。
燃料噴射を第1の気筒群に集中させることにより排気ガ
スの流入を第1触媒装置に集中して第1触媒装置の昇温
を促進し,第1触媒装置の浄化率を迅速に高めることが
可能となる。また,前記第4の温度ゾーンにおいては主
燃料噴射を第1の気筒群に集中させて排気ガスの流入を
第1触媒装置に集中して第2触媒装置を冷却し第2触媒
装置を浄化率の高いより低温の領域の移行させることが
可能となるからである。そして,後者の場合には,高い
浄化率を保持する第2触媒装置において全ての排気ガス
の窒素酸化物の浄化を行わせる。
般化した場合にも,請求項10に記載のように,上流側
に位置する第I番目の触媒装置の温度が第1の温度ゾー
ンにある場合おいては主燃料噴射を第I番目の気筒群に
集中させて第I触媒装置の昇温を促進し,第4の温度ゾ
ーンにある場合においては主燃料噴射を第I番目の気筒
群に集中させて第(I+1)番目以降の下流の触媒装置
の冷却を促進することにより,同様の効果を得ることが
できる。
れた燃料噴射手段としての電磁弁式インジェクタ11〜
14と,燃料噴射手段(電磁弁式インジェクタ11〜1
4)を制御する燃料噴射制御手段としての電子制御装置
(ECU)40と,排気通路35,34に配置され窒素
酸化物を還元浄化する複数の触媒装置21,22と,各
触媒装置21,22の温度を測定する触媒温度判定手段
としての排気温度センサー24〜26と,少なくとも気
筒81〜84の行程位置を検知することの出来る運転状
態検知手段としてのエンジンの回転センサー28及びア
クセルセンサー29とを有する内燃機関の窒素酸化物浄
化装置1である。
7の上流側に配置された第1触媒装置21と,この第1
触媒装置21の下流側に直列に配置された第2の触媒装
置22とからなると共に,気筒81〜84は,第1触媒
装置21の上流に接続された第1の気筒81〜83群
と,第1触媒装置21と第2触媒装置22との間の排気
通路36に接続された第2の気筒84群とからなる(即
ち,請求項4記載のN=2に相当する)。
御装置(ECU)40は,上記触媒温度判定手段及び上
記運転状況検知手段の出力信号を受け,圧縮上死点近傍
における機関出力発生のための主燃料噴射指令と,膨張
行程または排気行程における炭化水素供給のための後燃
料噴射指令とを上記燃料噴射手段に対して各気筒81〜
84毎に発し,第1触媒装置21または第2触媒装置2
2の温度に対応して各気筒81〜84または気筒81〜
83群,気筒84群に対する上記後燃料噴射の量(波形
b1〜b4,図3〜図6)を調整し,各触媒装置21,
22の過熱を抑制しつつ窒素酸化物の浄化率の最大化を
図る。
は,第1の触媒装置21の窒素酸化物の浄化率が極めて
低いレベルで推移する低温の第1の温度ゾーン(図2の
T<T1)と,第1の触媒装置21の窒素酸化物の浄化
率が温度Tと共に上昇する第2の温度ゾーン(図2のT
1<T<T2)と,第1の触媒装置21の窒素酸化物の
浄化率が温度Tと共に下降する第3の温度ゾーン(図2
のT2<T<T3)と,第1の触媒装置21の窒素酸化
物の浄化率が極めて低いレベルで推移する高温の第4の
温度ゾーン(図2のT>T3)とに温度ゾーンを区分
し,図3〜図6に示すように各温度ゾーン毎に各気筒8
1〜83群,気筒84群に対する前記後燃料噴射量(波
形b1〜b4)の大きさ及び配分比率を変化させる。
ーンにおいては,第1の気筒群に属する気筒81〜83
に対して図4に示す第2の温度ゾーンにおける後燃料噴
射量(波形b1〜b3)よりも小さい後燃料噴射量(波
形b1〜b3)を設定し,第2の気筒群に属する気筒8
4に対しては図4に示す第2の温度ゾーンにおける後燃
料噴射量(波形b4)よりも大きい後燃料噴射量(波形
b4)を設定する。
図1に示すように,本例の内燃機関は,ディーゼルエン
ジン8であり,燃料ポンプ89から各電磁弁式インジェ
クタ11〜14に対して燃料が供給される。同図におい
て,符号88は,常時高圧状態で燃料が蓄積されている
燃料配管である。そして,第1気筒群の気筒81〜83
の排気管31〜33は一つの排気管35に集約されて,
第1触媒装置21に接続されている。また,第2気筒群
に属する気筒84の排気管34は,第1触媒装置21と
第2触媒装置22とを結ぶ排気管36に連結されてい
る。
特性を示しており,符号51で示す曲線は,窒素酸化物
の浄化特性を示し,符号52で示す曲線は,炭化水素の
浄化特性を示している。即ち,触媒の温度TがT1未満
では,窒素酸化物もHCも浄化されず,触媒温度TがT
1以上となって始めて窒素酸化物とHCの浄化が実質的
に開始される。そして,窒素酸化物の浄化率が増加し,
やがて窒素酸化物の浄化率が最大となる温度T2を越え
ると,窒素酸化物の浄化率は減少し,触媒温度TがT3
以上では,窒素酸化物の浄化率はほぼ零となる。
囲T1〜T3にある場合しか,実質的な窒素酸化物の浄
化は行われない。例えば,ゼオライトにPtを担持した
触媒においては,上記T1は約200℃,T2は約25
0℃,T3は約300℃である。また,例えば,ゼオラ
イトにCuを担持またはイオン交換した触媒において
は,上記T1は約300℃,T2は約400℃,T3は
約500℃である。そして,前記のように,燃料等のH
C(炭化水素)成分を添加することにより窒素酸化物の
浄化反応を促進することが出来るわけであるが,一方こ
のHC添加により触媒装置の上流側での反応が増大し触
媒装置21,22の昇温により浄化率が低下するという
問題がある。
の態様につき,図3〜図7を用いて説明する。同図にお
いて,横軸はクランク角を示し縦軸は燃料の単位時間当
たりの噴射率を示す。図3は,第1触媒装置21の温度
が,T1未満即ち第1の温度ゾーンにある場合におい
て,ECU40の燃料噴射指令に基づく電磁弁式インジ
ェクタ11〜14の燃料噴射の波形を示すものである。
即ち,a1〜a4はそれぞれ気筒81〜84の主燃料噴
射量の波形を示し,b1〜b4はそれぞれ気筒81〜8
4の後燃料噴射量の波形を示している。また,同図にお
いて,UDは気筒の上死点をLDは下死点のタイミング
を示し,気筒の添え字1〜4は気筒81〜84に対応す
る。
の温度が,T1以上T2未満即ち第2の温度ゾーンにあ
る場合にける電磁弁式インジェクタ11〜14の燃料噴
射の波形を示すものである。また,図5は,第1触媒装
置21の温度が,T2以上T3未満即ち第3の温度ゾー
ンにある場合の電磁弁式インジェクタ11〜14の燃料
噴射の波形を,図6は,第1触媒装置21の温度が,T
3以上即ち第4の温度ゾーンにある場合の電磁弁式イン
ジェクタ11〜14の燃料噴射の波形を示す。
チャートを示す。即ち,始めにステップ601におい
て,ECU40はアクセルセンサー29及び回転センサ
ー28並びに排気温度センサー24〜26の出力信号を
読み込む。そして,ステップ602において,アクセル
センサー29及び回転センサー28の信号から,機関出
力を得るための主燃料噴射量を算出する。次いで,ステ
ップ603において,排気温度センサー24〜26の出
力信号を基に第1触媒装置21及び第2触媒装置22の
触媒温度を推定する。
しては,例えば,簡便な方法としてその下流の排気温度
センサー25の排気温度を用いるという方法があり,ま
た,上流と下流の排気温度センサー24,25のうち高
い方を採用するという方法等がある。また,上流と下流
の排気温度センサー24,25の出力を加重平均した値
を用いる方法もある。
定方法としては,例えば,簡便な方法としてその下流の
排気温度センサー26の排気温度を用いるという方法,
上流と下流の排気温度センサー25,26のうち高い方
を採用するという方法等がある。また,上流と下流の排
気温度センサー25,26の出力を加重平均した値を用
いる方法もある。
1の境界温度即ち第1設定温度T1,第2の境界温度即
ち第1設定温度T2,第3の境界温度即ち第1設定温度
T3を読み込む。そして,ステップ605において,第
1触媒装置21の触媒温度Tが第1設定温度T1未満で
あるが否かを判定し,是ならばステップ606に進み,
否ならばステップ607に進む。
ち第1触媒装置21の触媒温度が触媒活性開始温度T1
に達していない場合には,第1気筒群に属する気筒81
〜83の後燃料噴射量を零とする。また,第2気筒群
(気筒84)に対する後燃料噴射量は,第2触媒装置2
2の触媒温度Tsに対応した値に設定する。
は,通常は,第1触媒装置21の温度よりも低い。その
理由は,下流の第2触媒装置22に達する迄の間に放熱
により排気ガスの温度が低下するからである。従って,
通常の場合は,図3に示すように,第2触媒装置22の
後燃料噴射b4の量は零に設定される。
熱的な慣性により,第2触媒装置22の温度の方が第1
触媒装置21よりも高い場合があり,この場合には,そ
の温度Tsに応じて図2のカーブ51を勘案して窒素酸
化物の浄化率を高めに保持する後燃料噴射量に第2気筒
群(気筒84)の値を設定する。そして,ステップ62
0に進み,ECU40は上記設定量と図3に示すタイミ
ングにおいて電磁弁式インジェクタ11〜14に主燃料
噴射及び後燃料噴射を指令する。
ばa1〜a4の量(積分値,以下同じ)は50mm3/
ストロークであり,b1〜b4の量は零である。即ち,
気筒81〜84の後噴射の総量は0mm3/エンジン2
回転であり,従って主燃料噴射量に対する後燃料噴射に
よる燃費の悪化率は0%である。これにより,触媒装置
21,22の未活性時には,無駄な後噴射を行わず燃費
の悪化を回避する。
は,ステップ607に進み,ステップ607において,
第1触媒装置21の触媒温度Tが第2設定温度T2未満
であるが否かを判定し,是ならばステップ608に進
み,否ならばステップ609に進む。そして,ステップ
608に進んだ場合,即ち第1触媒装置21の触媒温度
が触媒活性開始温度T1に達しているが最大温度T2未
満である場合(第2の温度ゾーンの時)には,図4に示
すように,第1気筒群に属する気筒81〜83の後燃料
噴射b1〜b3の量は比較的少なめの量A1とする。
排気ガスのHC濃度を高くすることにより直接的な効果
として窒素酸化物の浄化率を高めると共に,HCの反応
熱で第1触媒装置21を昇温し間接的な効果として浄化
率を高める為である。そして,この時,通常は供給され
たHCの全てが上流の触媒装置21で反応するわけでは
なく,未反応HCは下流の第2触媒装置22に流入す
る。そのため,第2触媒装置22においても残留HCの
反応による触媒装置22の昇温が生ずることとなる。
は,第2触媒装置22の触媒温度Tsに対応した値A2
に設定する。即ち,下流の第2触媒装置22の触媒温度
が過昇温しないような量に,第2気筒群(気筒84)の
後燃料噴射量を設定する。そして,ステップ620に進
み,ECU40は上記設定量と図4に示すタイミングに
おいて電磁弁式インジェクタ11〜14に主燃料噴射及
び後燃料噴射を指令する。
ば主燃料噴射a1〜a4の量は50mm3/ストローク
であり,第1気筒群の後燃料噴射b1〜b3の量A1
は,主燃料噴射量の2%に相当する1mm3/ストロー
ク,第2気筒群の後燃料噴射b4の量A2は,主燃料噴
射量の2%に相当する1mm3/ストロークである。即
ち,気筒81〜84の後噴射の総量は4mm3/エンジ
ン2回転であり,従って主燃料噴射量に対する後燃料噴
射による燃費の悪化率は2%である。
気ガスは,排気管34から流入する排気ガス(気筒84
の排気ガス)と第1触媒装置21で排出された排気ガス
の混合排気ガスであり,気筒84の排気ガスのHC濃度
は第1触媒装置21で排出されたHC濃度の低い排気ガ
スにより希釈化されるから,第2触媒装置22の排気ガ
スのHC濃度は第1触媒装置21の排気ガスHC濃度よ
りも低くなる。
は,ステップ609に進み,ステップ609において,
第1触媒装置21の触媒温度Tが第3設定温度T3未満
であるが否かを判定し,是ならばステップ610に進
み,否ならばステップ611に進む。そして,ステップ
610に進んだ場合,即ち第1触媒装置21の触媒温度
が浄化率最大温度T2以上で浄化停止温度T3未満であ
る場合(第3の温度ゾーンの時)には,第1気筒群に属
する気筒81〜83の後燃料噴射量は前記A1よりも小
さい量A3とする。
防止するためである。即ち,上流にある第1触媒装置2
1ではHCがほぼ全量反応するが,後噴射量A3が少な
いため過昇温を抑制することが出来る。そして,第1触
媒装置21から流出し第2触媒装置22に流入する排気
ガスの温度は,放熱により低下する。そのため,第2触
媒装置22は,窒素酸化物の浄化率がより高い状態に調
整することが可能となる。即ち,通常は第2気筒群(気
筒84)に対する後燃料噴射量を前記A2よりも大きな
量A4とすることにより,第2触媒装置22の浄化率を
高めに保持することが出来る。
0は上記設定量と図5に示すタイミングにおいて電磁弁
式インジェクタ11〜14に主燃料噴射及び後燃料噴射
を指令する。図5における具体的な設定量の例は,例え
ば主燃料噴射a1〜a4の量は50mm3/ストローク
であり,第1気筒群の後燃料噴射b1〜b3の量A3
は,主燃料噴射量の1%に相当する0.5mm3/スト
ローク,第2気筒群の後燃料噴射b4の量A4は,主燃
料噴射量の5%に相当する2.5mm3/ストロークで
ある。即ち,気筒81〜84の後噴射の総量は4mm3
/エンジン2回転であり,従って主燃料噴射量に対する
後燃料噴射による燃費の悪化率は2%である。
第1触媒装置21の触媒温度が浄化停止温度T3以上で
ある場合(第4の温度ゾーンの時)には,第1気筒群
(気筒81〜83)に対する後燃料噴射量は零にする。
一方,第2触媒装置22に流入する排気ガスの温度は,
放熱により第1触媒装置21の流出排気ガスよりも低く
なる。それ故,第2触媒装置22を窒素酸化物浄化可能
な状態,即ち第3の温度ゾーンとすることが可能な場合
があり,第2気筒群(気筒84)に対する後燃料噴射の
量は,第2触媒装置22の触媒温度Tsに対応した値に
設定する。
0は上記設定量と図6に示すタイミングにおいて電磁弁
式インジェクタ11〜14に主燃料噴射及び後燃料噴射
を指令する。図6における具体的な設定量の例は,例え
ば主燃料噴射a1〜a4の量は50mm3/ストローク
であり,第1気筒群の後燃料噴射b1〜b3の量は零,
第2気筒群の後燃料噴射b4の量A5は,主燃料噴射量
の2%に相当する1mm3/ストロークである。即ち,
気筒81〜84の後噴射の総量は1mm3/エンジン2
回転であり,従って主燃料噴射量に対する後燃料噴射に
よる燃費の悪化率は0.5%である。
果を,本例のような制御を行わず後燃料噴射を一律に一
定量にした場合と比較して図示したものであり,横軸に
触媒装置に流入する排気ガスの温度を取り縦軸に窒素酸
化物の浄化率を%で示したものである。同図の符号54
で示す曲線は,第1触媒装置21及び第2触媒装置22
の触媒温度T,Tsによらず気筒81〜84に対する後
燃料噴射量を小さめの値,例えば0.5mm3/ストロ
ークにした場合の浄化特性である。そして,符号55で
示す曲線は,第1触媒装置21及び第2触媒装置22の
触媒温度T,Tsによらず気筒81〜84に対する後燃
料噴射量を大きめの値,例えば1mm3/ストロークに
した場合の浄化特性である。
(符号54)に比較すると,HCの量を多くしたため流
入排気ガスの低温側ではHCの反応熱で触媒が昇温して
浄化率が向上し,最大浄化率が得られる排気ガス温度が
低下すると共にHCの増加により最大の浄化率の値も大
きくなる。しかしながら,高温排気ガスの側では,HC
の反応熱により触媒装置が過昇温し浄化率が低下する。
合,即ち,第1触媒装置21の温度が低温(第2温度ゾ
ーン)の場合には全ての気筒81〜84の後噴射量を比
較的大きな値(例えば1mm3/ストローク)にし,第
1触媒装置21の温度がより高い(第3温度ゾーン)の
場合には第1気筒群(気筒81〜83)の後噴射量を小
さな値(例えば0.5mm3/ストロークとし第2気筒
群(気筒84)の後噴射量を大きな値(例えば2.5m
m3/ストローク)とした場合の特性を,符号56で示
す。同図から分かるように,本例の窒素酸化物浄化装置
1は,広い範囲の排気ガス温度領域で高い窒素酸化物の
浄化率を示す。
低い場合は昇温を促進し,触媒の温度が高い場合には,
過昇温を抑制し,広い範囲で高い窒素酸化物の浄化率を
達成することが出来る。そして,本例によれば装置が大
形化したり大幅に複雑化したりするようなこともない。
合計2個の場合について説明したが,4気筒の場合には
最大4個の触媒装置を用いることが可能である。この場
合,触媒装置の数を多くすれば,それだけ構成が複雑と
なるが,窒素酸化物の浄化率は向上する。
2とは,同一の特性のものを用いても良いが,異なった
特性の触媒装置21,22とすることもできる。後者の
場合には,特に,上流に配置する第1触媒装置21によ
り低温の領域で窒素酸化物の浄化が可能である触媒(例
えばPt/ゼオライト触媒)を用い,下流側の第2触媒
装置22により高温の領域で活性化する触媒(例えばC
u/ゼオライト触媒)を用いることにより,窒素酸化物
を浄化することの出来る温度範囲をより広くすることが
できると共に,上流側の触媒装置21は排気ガスの熱に
より早く昇温するから一段と迅速に触媒装置21を活性
化出来るという利点がある。
装置と高温で活性化する触媒装置とを直列に配置する場
合には,以下に述べる理由から,上流側により高温で活
性化する触媒装置を配置する方法が採用されていた。即
ち,その理由は,触媒装置の上流側からHCを供給する
場合に,上流側に低温で活性化する触媒を配置すると,
上流側の触媒装置でHCが全て反応してしまい,下流側
の触媒にHCが供給できなくなる恐れがあるとの理由に
よるものである。
イドリングから加速を行う場合には,上流側にある昇温
の容易な触媒装置を速やかに活性化し窒素酸化物を浄化
したいのにも係わらず,上流側の触媒は高温にならない
と活性化しないため,モード走行では浄化率が低くなる
という結果をもたらしていた。しかしながら,本例で
は,上流の触媒装置21と下流の触媒装置22のそれぞ
れにHCを供給できるから,上記の理由による不具合は
発生せず,従って上流側に低温で活性化する触媒装置2
1を配置することにより何ら問題なく迅速に触媒装置を
立ち上げることが可能となる。
1気筒群(気筒81〜83)の後燃料噴射を1つの気筒
81(または82,83)において纏めて噴射させ,他
の気筒82,83は後噴射を実施しないようにしたもう
一つの実施形態例である。図9は実施形態例1の図4に
対応する状態(第2温度ゾーン)の燃料噴射波形を示す
ものである。また,本例では第2気筒群の気筒数が1個
の場合であるが,仮に第2気筒群が複数の気筒からなる
場合には,第2気筒群に属する1つの気筒のみが後噴射
を実施する。
m3/ストローク)であり,第1気筒群の後燃料噴射の
量は,気筒81の後噴射b1の量を主燃料噴射量の6%
に相当する3mm3/ストロークとし気筒82,83の
後噴射b2,b3の量を零とする。そして,第2気筒群
の後燃料噴射b4の量は,主燃料噴射量の2%に相当す
る1mm3/ストロークとする。即ち,気筒81〜84
の後噴射の総量は4mm3/エンジン2回転であり,従
って主燃料噴射量に対する後燃料噴射による燃費の悪化
率は2%である。
〜14のうち,高感度,高速応答の電磁弁式インジェク
タは第1,第4の電磁弁式インジェクタ11,14だけ
でよい。それ故,インジェクタの小型化と低コスト化が
可能となり,また第2,第3の電磁弁式インジェクタ1
2,13の動作回数が半減化し耐久性も向上する。その
他については実施形態例1と同様である。
おいて,主燃料噴射量を第1気筒群と第2気筒群とで異
なった値としたもう一つの実施形態例である。即ち,エ
ンジンの運転状況,触媒装置21,22の温度に対応し
て主燃料噴射量を異なった量とする。
前記T1未満(第1温度ゾーン)の場合の電磁弁式イン
ジェクタ11〜14の燃料噴射の波形を示すものであ
り,実施形態例1の図3に対応する。第1気筒群(気筒
81〜83)の各気筒の主燃料噴射量は,同一量(例え
ば67mm3/ストローク)であり,第2気筒群の気筒
84の主燃料噴射量は零である。即ち,トータルの主燃
料の量は実施形態例1の図3と同じにし,その配分だけ
を変化させる。そして,第2気筒群の主燃料噴射が零で
あるため,気筒84はエアーポンプの作用をすることと
なる。
燃料を分担させるから,第1触媒装置21に流入する排
気ガスの温度が高くなり,昇温が促進され,窒素酸化物
の浄化率が迅速に立ち上がることとなる。そして,後噴
射の量は,第1気筒群の気筒81〜83は少なめの値
(例えば1mm3/ストローク)とし,第2気筒の気筒
84は零である。第1気筒群に対して後燃料噴射を実施
する理由は,主燃料噴射により第1触媒装置21が急速
昇温し,急速に第1触媒装置21での窒素酸化物の浄化
が可能となるからである。
は3mm3/エンジン2回転であり,主燃料噴射量に対
する後噴射による燃費の悪化は平均して1.5%であ
る。また,第2気筒群の後噴射を零としたのは,第1気
筒群の気筒84がエアーポンプとなり第2触媒装置22
の温度が低下し,窒素酸化物の浄化作用を期待出来ない
からである。
温度が前記T3以上(第4温度ゾーン)の場合の電磁弁
式インジェクタ11〜14の燃料噴射の波形を示すもの
であり,実施形態例1の図6に対応する。第1気筒群
(気筒81〜83)の各気筒の主燃料噴射量は,同一量
(例えば67mm3/ストローク)であり,第2気筒群
の気筒84の主燃料噴射量は零である。即ち,トータル
の主燃料の量は実施形態例1の図6と同じにし,その配
分だけを変化させる。そして,第2気筒群の主燃料噴射
が零であるため,第2気筒群の気筒84はエアーポンプ
の作用をすることとなる。
1〜83は零であり,第2気筒の気筒84は多めの値
(例えば4mm3/ストローク)である。それ故,後噴
射の総量は4mm3/エンジン2回転であり,主燃料噴
射量に対する後噴射による燃費の悪化は平均して2.0
%である。上記のように,第2気筒群の気筒84をエア
ーポンプとして作動させるから,下流の第2触媒装置2
2の温度が低下し,窒素酸化物の浄化可能な温度に保持
することができる。
は,第1触媒装置21が高温で浄化作用をすることが出
来ないからである。また,第2気筒群の気筒84の後噴
射量を大きめにしたのは,全ての気筒81〜84の排気
ガスが窒素酸化物を浄化することなく第2触媒装置22
に流入するため,HCを多めに投入し窒素酸化物の浄化
率を高めんとするためである。上記のように本例によれ
ば,第1触媒装置21が第1,第4の温度ゾーンにある
場合にも,触媒装置の浄化を促進する制御が実施可能と
なる。その他については実施形態例1と同様である。
第1気筒群に属する気筒の数を2つとし,第2気筒群に
属する気筒の数を2つとしたもう一つの実施形態例であ
る。このようにすることにより,第1触媒装置21が第
1,第4温度ゾーンにある場合に,より広い温度範囲に
おいて,触媒装置21または触媒装置22による窒素酸
化物の浄化作用を発揮することが可能となる。
燃料を第1気筒群の2つの気筒81,83に集中し,3
つの気筒81〜83に集中した実施形態例3よりも第1
触媒装置21の昇温をより早めることができる。また,
第4温度ゾーンにある場合にも,第2気筒群に属する2
つの気筒82,84がエアーポンプの作用をすることに
なるから1つの気筒がエアーポンプの作用をした実施形
態例3の場合よりも第2触媒装置22の冷却が強めら
れ,第1触媒装置21のより広い温度範囲において第2
触媒装置22の浄化作用を維持することができる。その
他については実施形態例3と同様である。
ンジンの気筒81〜86及び電磁弁式インジェクタ11
〜16の数を6とし,第1気筒群に属する気筒81〜8
5を5つとし,第2気筒群に属する気筒86を1つとし
た例である。その他については実施形態例1と同様であ
る。
の数は2個に限定されるものではなく,3個以上として
もよい。また,第1気筒群の気筒数を4つの気筒として
第2気筒群の気筒の数を2気筒とすることもできる。そ
して,3気筒エンジン,8気筒エンジンにおいても同様
に各実施形態例の考え方を適用することができる。
構成図。
と浄化率の関係を示す図。
筒毎の燃料噴射の波形を示す図(第1の温度ゾーン)。
筒毎の燃料噴射の波形を示す図(第2の温度ゾーン)。
筒毎の燃料噴射の波形を示す図(第3の温度ゾーン)。
筒毎の燃料噴射の波形を示す図(第4の温度ゾーン)。
(符号56)を単純な制御を行った場合(符号54,5
5)と共に表示した図。
を示すフローチャート。
筒毎の燃料噴射の波形を示す図(第2の温度ゾーン)。
気筒毎の燃料噴射の波形を示す図(第1の温度ゾー
ン)。
気筒毎の燃料噴射の波形を示す図(第4の温度ゾー
ン)。
ム構成図。
ム構成図。
手段), 21,22...触媒装置, 24〜26...排気温度センサー, 40...ECU(燃料噴射制御手段),
Claims (11)
- 【請求項1】 気筒毎に設けられた燃料噴射手段と,上
記燃料噴射手段を制御する燃料噴射制御手段と,排気通
路に配置され窒素酸化物を還元浄化する複数の触媒装置
と,上記触媒装置の温度を測定または推定する触媒温度
判定手段と,少なくとも気筒の行程位置を検知すること
の出来る運転状態検知手段とを有する内燃機関の窒素酸
化物浄化装置であって,上記触媒装置は,排気通路の上
流側に配置された第1触媒装置と,この第1触媒装置の
下流側に直列に配置された第2触媒装置とからなると共
に,上記気筒は上記第1触媒装置の上流に接続された第
1の気筒群と上記第1触媒装置と第2触媒装置との間の
排気通路に接続された第2の気筒群とからなり,上記燃
料噴射制御手段は,上記触媒温度判定手段及び運転状況
検知手段の出力信号を受け,圧縮上死点近傍における機
関出力発生のための主燃料噴射指令と,膨張行程または
排気行程における炭化水素供給のための後燃料噴射指令
とを上記燃料噴射手段に対して各気筒毎に発し,第1触
媒装置又は第2触媒装置の温度に対応して各気筒または
気筒群に対する上記後燃料噴射の量を調整し,各触媒装
置の過熱を抑制しつつ窒素酸化物の浄化率の最大化を図
ることを特徴とする内燃機関の窒素酸化物浄化装置。 - 【請求項2】 請求項1において,前記燃料噴射制御手
段は,第1の触媒装置の窒素酸化物の浄化率が極めて低
いレベルで推移する低温の第1の温度ゾーンと,第1の
触媒装置の窒素酸化物の浄化率が温度と共に上昇する第
2の温度ゾーンと,第1の触媒装置の窒素酸化物の浄化
率が温度と共に下降する第3の温度ゾーンと,第1の触
媒装置の窒素酸化物の浄化率が極めて低いレベルで推移
する高温の第4の温度ゾーンとに温度ゾーンを区分し,
各温度ゾーン毎に各気筒または各気筒群に対する前記後
燃料噴射量の大きさ及び配分比率を変化させることを特
徴とする内燃機関の窒素酸化物浄化装置。 - 【請求項3】 請求項2において,前記燃料噴射制御手
段は,前記第3の温度ゾーンにおいては,第1の気筒群
に属する気筒に対して第2の温度ゾーンにおいて設定し
た後燃料噴射量よりも小さい後燃料噴射量を設定し,第
2の気筒群に属する気筒に対しては第2の温度ゾーンに
おいて設定した後燃料噴射量よりも大きい後燃料噴射量
を設定することを特徴とする内燃機関の窒素酸化物浄化
装置。 - 【請求項4】 気筒毎に設けられた燃料噴射手段と,上
記燃料噴射手段を制御する燃料噴射制御手段と,排気通
路に配置され窒素酸化物を還元浄化する複数の触媒装置
と,上記触媒装置の温度を測定または推定する触媒温度
判定手段と,少なくとも気筒の行程位置を検知すること
の出来る運転状態検知手段とを有する内燃機関の窒素酸
化物浄化装置であって,上記触媒装置は,上流側から第
1触媒装置,第2触媒装置,・・・,第N触媒装置の順
序で排気通路に直列に配置されたN個の触媒装置からな
り,一方,全体の気筒は,単一または複数の気筒によっ
て構成されるN個の気筒群からなると共に,第1の気筒
群は上記第1触媒装置の上流に接続され,1を越える自
然数Iにおける第I番目の気筒群は上記第(I−1)触
媒装置と第I触媒装置との間の排気通路に接続されてお
り,上記燃料噴射制御手段は,上記触媒温度判定手段及
び運転状況検知手段の出力信号を受け,圧縮上死点近傍
における機関出力発生のための主燃料噴射指令と,膨張
行程または排気行程における炭化水素供給のための後燃
料噴射指令とを上記燃料噴射手段に対して各気筒毎に発
し,上記N個の触媒装置の温度に対応して各気筒または
気筒群に対する上記後燃料噴射の量を調整し,各触媒装
置の過熱を抑制しつつ窒素酸化物の浄化率の最大化を図
ることを特徴とする内燃機関の窒素酸化物浄化装置。 - 【請求項5】 請求項4において,前記燃料噴射制御手
段は,各触媒装置の窒素酸化物の浄化率が極めて低いレ
ベルで推移する低温の第1の温度ゾーンと,各触媒装置
の窒素酸化物の浄化率が温度と共に上昇する第2の温度
ゾーンと,各触媒装置の窒素酸化物の浄化率が温度と共
に下降する第3の温度ゾーンと,各触媒装置の窒素酸化
物の浄化率が極めて低いレベルで推移する高温の第4の
温度ゾーンとに温度ゾーンを区分し,各温度ゾーン毎に
各気筒または各気筒群に対する前記後燃料噴射量の大き
さ及び配分比率を変化させることを特徴とする内燃機関
の窒素酸化物浄化装置。 - 【請求項6】 請求項5において,前記燃料噴射制御手
段は,前記第I番目の触媒装置の温度が前記第3の温度
ゾーンにある場合においては,第I番目の気筒群に属す
る気筒に対して第2の温度ゾーンにおいて設定した後燃
料噴射量よりも小さい後燃料噴射量を設定し,第(I+
1)番目以降の気筒群に属する気筒に対しては第2の温
度ゾーンにおいて設定した後燃料噴射量よりも大きい後
燃料噴射量を設定することを特徴とする内燃機関の窒素
酸化物浄化装置。 - 【請求項7】 請求項1から請求項6のいずれか1項に
おいて,前記触媒装置の特性は,上流側に配置される触
媒装置の窒素酸化物浄化可能温度範囲が,下流側に配置
される触媒装置の窒素酸化物浄化可能温度範囲よりも低
温であることを特徴とする内燃機関の窒素酸化物浄化装
置。 - 【請求項8】 請求項1から請求項7のいずれか1項に
おいて,前記燃料噴射制御手段は,気筒群におけるトー
タルの後燃料噴射量を設定し,その気筒群における後燃
料噴射をその気筒群内の一部の気筒に集中させて噴射さ
せることを特徴とする内燃機関の窒素酸化物浄化装置。 - 【請求項9】 請求項1から請求項8のいずれか1項に
おいて,前記燃料噴射制御手段は,前記後燃料噴射量に
加えて,更に気筒群毎に主燃料噴射の量を調整し,各触
媒装置の過熱を抑制しつつ窒素酸化物の浄化率の最大化
を図ることを特徴とする内燃機関の窒素酸化物浄化装
置。 - 【請求項10】 請求項9において,上流側に位置する
第I番目の触媒装置の温度が,請求項2または請求項5
記載の前記第1の温度ゾーンにある場合おいては主燃料
噴射を第I番目の気筒群に集中させて第I触媒装置の昇
温を促進し,請求項2または請求項5記載の前記第4の
温度ゾーンにある場合においては主燃料噴射を第I番目
の気筒群に集中させて第(I+1)番目以降の下流の触
媒装置の冷却を促進することを特徴とする内燃機関の窒
素酸化物浄化装置。 - 【請求項11】 請求項9において,前記触媒装置は第
1,第2触媒装置からなり,前記燃料噴射制御手段は,
請求項2記載の前記第1の温度ゾーンにおいては主燃料
噴射を第1の気筒群に集中させて第1触媒装置の昇温を
促進し,請求項2記載の前記第4の温度ゾーンにおいて
は主燃料噴射を第1の気筒群に集中させて第2触媒装置
の冷却を促進することを特徴とする内燃機関の窒素酸化
物浄化装置。
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