JPWO2012066606A1 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Abstract

本発明は、排気通路(18)に排気処理装置(28)を備えた内燃機関の排気浄化装置(1)を提供する。排気浄化装置(1)は、排気処理装置(28)よりも上流側に設けられた酸化装置(46)と、該酸化装置(46)の上流側に燃料を添加するための燃料添加弁(42)と、該燃料添加弁(42)から添加された燃料を加熱するために酸化装置(46)の上流側に設けられたグロープラグ(44)とを備える。酸化装置(46)は、排気流路方向断面において、0.0006452m2当たり、30以上かつ200以下のガス通路を備えるように形成されている。

Description

本発明は、排気を浄化する機能を有する排気処理装置を備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。
内燃機関の排気通路には一般に排気を浄化する機能を有する排気処理装置が設けられ、該排気処理装置は触媒等を備え得る。さらに、該排気処理装置よりも上流側に燃料添加弁およびグロープラグが設けられる場合がある。この場合、燃料添加弁から燃料が添加され、添加燃料にはグロープラグにより熱が加えられることができる。このような燃料添加弁およびグロープラグは、排気処理装置を加熱するために利用され得る。そして、さらに、グロープラグの下流側に酸化触媒を設け、これにより燃料添加弁により添加された燃料の酸化を促進する場合がある。
特許文献1は、内燃機関の排気浄化装置の一例を開示する。この排気浄化装置は、排気処理装置よりも上流側の排気通路に、断面積の小さな小型酸化触媒と、燃料供給弁と、これらの間に配置されたグロープラグとを備えている。燃料供給弁の噴射口は小型酸化触媒の端面を向き、グロープラグはその先端が燃料供給弁から噴射される燃料と接触する位置に配置されている。燃料供給弁およびグロープラグの各作動は制御され、それらは第1〜第3の制御状態を有し得る。第1の制御状態では、燃料供給弁から燃料が供給されつつグロープラグによる加熱が行われ、燃料供給弁からの燃料は着火する。第2の制御状態では、燃料供給弁から燃料が供給されつつグロープラグによる加熱が行われるが、燃料供給弁からの燃料は着火しない。第3の制御状態では、燃料供給弁から燃料が供給されるがグロープラグによる加熱は停止している。第1の制御状態または第3の制御状態は着火が可能な運転領域において選択され得、第2の制御状態または第3の制御状態は着火が不可能な運転領域において選択され得る。
特開2010−059886号公報
上記したように排気処理装置よりも上流側に小型酸化触媒つまり酸化装置を備える場合、その酸化装置は一般に複数のガス通路を備える。しかし、それらガス通路の形状および大きさ等に応じてそれらガス通路におけるガスの通り易さは異なる。例えば、ガスの通り易さに応じて、排気通路に添加供給された燃料の燃焼のし易さは異なり、ガスが通り難い場合、添加燃料の燃焼により生じた火炎が酸化装置で消える場合もある。このような失火は、排気処理装置の加熱を阻害するので、好ましくない。
そこで本発明の一の目的は、排気処理装置よりも上流側に設けられる酸化装置におけるガスの通り易さを好適にすることにある。
本発明の一の態様によれば、排気通路に排気処理装置を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、前記排気処理装置よりも上流側に設けられた酸化装置と、該酸化装置の上流側に燃料を添加するための燃料添加手段と、該燃料添加手段から添加された燃料を加熱するために前記酸化装置の上流側に設けられた加熱手段とを備え、前記酸化装置は、排気流路方向断面において、0.0006452m当たり、30以上かつ200以下のガス通路を備えるように形成されている、内燃機関の排気浄化装置が提供される。
上記構成によれば、酸化装置は、排気流路方向断面において、0.0006452m当たり、30以上かつ200以下のガス通路を備えるように形成されているので、ガスは酸化装置を効果的に通過することが可能になる。
好ましくは、前記酸化装置の前記ガス通路の各々は、前記排気流路方向断面において、1.6mm以上かつ4.9mm以下の直径の円が内接するように形成されている。
好ましくは、前記酸化装置よりも下流側の排気の状態に応じて出力が変化する検出手段と、該検出手段による出力に基づいて、前記酸化装置よりも下流側の排気の状態を判定する判定手段とがさらに備えられる。この場合、前記燃料添加手段および前記加熱手段の少なくとも一方の作動を制御する制御手段は、前記判定手段により判定された前記酸化装置よりも下流側の排気の状態に応じて、前記燃料添加手段および前記加熱手段の少なくとも一方の作動を制御するとよい。
好ましくは、前記酸化装置よりも下流側の排気通路に設けられた温度検出手段と、該温度検出手段による出力に基づいて、前記酸化装置よりも下流側の温度が前記酸化装置を火炎が通過したことに相当する所定温度未満であるか否かを判定する判定手段とがさらに備えられる。この場合、前記燃料添加手段および前記加熱手段の少なくとも一方の作動を制御する制御手段は、前記判定手段により前記酸化装置よりも下流側の温度が前記所定温度未満と判定されたとき、加熱量をそれまでよりも高めるように、前記燃料添加手段および前記加熱手段の少なくとも一方の作動を制御するとよい。
また、前記排気通路に供給される排気量を調整する排気量調整装置がさらに備えられるとよい。この場合、該排気量調整装置は、前記判定手段により前記酸化装置よりも下流側の温度が前記所定温度未満と判定されたとき、排気量をそれまでよりも多くするとよい。
本発明によれば、排気処理装置よりも上流側に設けられる酸化装置におけるガスの通り易さを好適にし、それにより排気処理装置に効果的に熱を加えることができるという、優れた効果が発揮される。
図1は、本発明の一実施形態の内燃機関の排気浄化装置が適用された内燃機関の概略構成図である。 図2は、図1における排気浄化装置の部分的な拡大断面模式図である。 図3は、図2のIII−III線に沿った断面図である。 図4は、図1における排気浄化装置の酸化装置の部分的な断面模式図である。 図5は、酸化装置の単位断面積当たりのガス通路の数と、酸化装置下流側の温度との関係を概念的に表したグラフである。 図6は、酸化装置の単位断面積当たりのガス通路の数と、微粒子の排出量との関係を概念的に表したグラフである。 図7は、代替的な酸化装置のガス通路の断面模式図であり、図4に対応する図である。 図8は、別の代替的な酸化装置のガス通路の断面模式図であり、図4に対応する図である。 図9は、さらに別の代替的な酸化装置のガス通路の断面模式図であり、図4に対応する図である。 図10は、図1の内燃機関の排気浄化装置における制御の一例を説明するためのフローチャートである。
本発明の好適な実施形態について、以下に詳細に説明する。ただし、本発明の実施態様は下記の各態様のみに限らず、本発明は、請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例を含むことに注意しなければならない。実施形態に記載されている構成要素の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に特定的な記載がない限りは、発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
図1は実施形態における内燃機関の排気浄化装置1を備えた内燃機関(以下、エンジン)5の概略構成を示す。エンジン本体10は、車載の4サイクルディーゼルエンジンをなす。エンジン本体10には、吸気管12および排気管14が接続されている。これら吸気管12および排気管14によって吸気通路16および排気通路18がそれぞれ区画形成される。
吸気管12の途中には、吸気管12内を流通する吸気の流量に応じた信号を出力するエアフローメータ20が設けられている。このエアフローメータ20の出力信号に基づき、エンジン本体10に単位時間当たりに流入する吸入空気量(すなわち吸気流量)が検出される。また、電子制御式の吸気スロットルバルブ21が吸気通路16に設けられている。ただし、エンジン本体10は直列4気筒を有し、各気筒には筒内燃料噴射弁22が設けられているが、図1では単一の筒内燃料噴射弁22のみが示されている。
排気管14の終端は、図示しない消音器に接続され、消音器の出口で大気に開放されている。そして、排気通路18の排気を浄化するために、排気浄化装置1が設けられている。
排気浄化装置1は、複数の排気処理装置を備える。排気管14の途中には、上流側から順に、第1触媒コンバータ24と、第2触媒コンバータ26とが直列的に配置されている。そして、第1触媒コンバータ24内には、第1排気処理装置(以下、第1処理装置)28が収容されている。第1処理装置28は、ここでは主に酸化触媒を含み、単に酸化触媒と称されることができる。また、第2触媒コンバータ26内には、第2排気処理装置(以下、第2処理装置)30が収容されている。第2処理装置30はパティキュレートフィルタ(DPF)である。
酸化触媒を含む第1処理装置28は、HC,COなどの未燃成分をOと反応させてCO,CO,HO等とする。酸化触媒の触媒物質としては例えばPt/CeO、Mn/CeO、Fe/CeO、Ni/CeO、Cu/CeO等を用いることができる。DPFである第2処理装置30は、排気中の煤等の微粒子(PM、パティキュレート)を捕集するものである。ここでは、DPFである第2処理装置30は、貴金属からなる触媒が担持され、捕集した微粒子を連続的に酸化燃焼可能な連続再生式のものである。
これら第1処理装置28および第2処理装置30に加え、排気中のNOx(窒素酸化物)を浄化するためにNOx触媒を含む第3排気処理装置(以下、第3処理装置)が設けられるのが好ましい。なお、第3処理装置は、単にNOx触媒と称されることができる。好ましくは第3処理装置のNOx触媒は、第2処理装置30の下流側に配置される。なお、火花点火式内燃機関(例えばガソリンエンジン)の場合、排気通路に三元触媒と称され得る排気処理装置(以下、第4処理装置)が設けられるのが好ましい。なお、これら第1処理装置28、第2処理装置30、第3処理装置および第4処理装置が、それぞれ本発明における排気処理装置に該当する。
なお第3処理装置つまりNOx触媒は、吸蔵還元型NOx触媒(NSR: NOx Storage Reduction)であることができる。この場合、NOx触媒は、流入する排気の酸素濃度が高いときに排気中のNOxを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低く且つ還元成分(例えばHC等)が存在するときに吸蔵NOxを還元する機能を有する。NOx触媒は、アルミナAl等の酸化物からなる基材表面に、触媒成分としての白金Ptのような貴金属と、NOx吸収成分とが担持されて構成されている。NOx吸収成分は、例えばカリウム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、ランタンLa、イットリウムYのような希土類から選ばれた少なくとも一つから成る。代替的に、NOx触媒は選択還元型NOx触媒(SCR: Selective Catalytic Reduction)であってもよい。選択還元型NOx触媒は、例えば、アンモニアとNOxとの化学反応(還元反応)を促進させるNOx浄化用の触媒を含む。この場合には、アンモニア供給用に例えば尿素水添加装置がNOx触媒の上流側に設けられ得る。
さらに、排気浄化装置1は、昇温装置40を備え、該昇温装置40は排気通路18における第1処理装置28の上流側に適用される。昇温装置40は、燃料添加手段としての燃料添加弁42と、加熱手段としてのグロープラグ44と、酸化装置46とを含む。なお、昇温装置40は、後述するように全体としてバーナーの如く作用し得るので、バーナー装置と称されてもよい。
昇温装置40は、エンジン本体10に接続された排気マニホールド(不図示)の集合部よりも下流側に実質的に配置されている。排気マニホールドの集合部の下流側にターボチャージャが設けられてもよく、この場合、昇温装置40は、ターボチャージャの下流側で且つ第1処理装置28の上流側に設けられるとよい。
図2および図3に、昇温装置40の燃料添加弁42、グロープラグ44、酸化装置46周囲の拡大模式図を示す。
図示するように、燃料添加弁42は、排気通路18に液体の燃料Fを添加或いは噴射することができる。ここでは、燃料Fは軽油である。燃料添加弁42は単一の噴孔42aを有しているが、噴孔は複数であってもよい。エンジン5の燃料タンク48は燃料吸引管50を介して、燃料ポンプ52に接続されている。燃料ポンプ52はここでは機械式であり、エンジン5の図示しない出力軸(クランクシャフト)の駆動力を利用して作動する。燃料ポンプ52は、更に燃料供給管54を介して燃料添加弁42に接続されている。上記構成では、燃料ポンプ52が燃料吸入管50を介して燃料タンク48に貯留されている燃料を吸入し、燃料供給管54へと吐出することで、燃料添加弁42に燃料が供給される。
グロープラグ44は、その先端部の発熱部44aが、燃料添加弁42よりも下流側で且つ酸化装置46よりも上流側の排気通路に位置するように設置されている。グロープラグ44は、昇圧回路56を経て車載直流電源58に接続されており、通電された際に発熱部44aが発熱する。発熱部44aで発生した熱により、燃料添加弁42から添加された燃料Fに着火して火炎を生じさせることができる。添加燃料Fの一部が、発熱部44aに直接接触して着火させられ得る。なお加熱手段としては、セラミックヒータやスパークプラグなどの他の装置、とくに電熱式または火花着火式の装置を用いることができる。
酸化装置46は、グロープラグ44の下流側かつ第1処理装置28の上流側に設けられ、燃料添加弁42から添加された燃料を酸化または改質するように設けられている。酸化装置46は、ここでは、ゼオライト製の担体と、そこに担持されたロジウム等の酸化触媒物質とを備えて構成されている。なお、酸化装置46は、支持部材60により、排気管14内に支持固定されている。
燃料Fが酸化装置46に供給されると、そのとき酸化装置46が活性化していれば、酸化装置46内で燃料が酸化させられる。このとき発生する酸化反応熱によって、酸化装置46が昇温させられる。よって酸化装置46を通過する排気を昇温することができる。また、酸化装置46の温度が高くなると、燃料中の炭素数の多い炭化水素が分解して、炭素数が少なく反応性の高い炭化水素が生成され、これによって燃料が反応性の高い燃料に改質され得る。換言すれば、酸化装置46は、一方では急速に発熱する急速発熱器を構成し、他方では、改質された燃料を排出する改質燃料排出器を構成する。
図2に示すように、燃料添加弁42は、上方からグロープラグ44の発熱部44aに向けて、やや下流側に向かうよう斜め下向きに燃料Fを噴射する。噴射された燃料Fは所定の噴霧角を有し、一般的には円錐形状の燃料経路を形成する。この燃料経路の途中に発熱部44aが配置されている。加熱手段であるグロープラグ44の発熱部44aによる加熱により、燃料添加弁42により添加された燃料は燃焼し得、これにより生じた火炎が酸化装置46に到達することができる。
こうして、昇温装置40は、場合によって火炎を含む、高温の加熱用ガスを生成することができる。この加熱用ガスは、エンジン本体10から排気通路18に供給される排気と混合して排気温度を昇温させる。昇温された排気は、第1処理装置28および第2処理装置30に供給され、これらの暖機および活性化を促進する。
ところで、酸化装置46は複数のガス通路46aを備える。複数のガス通路46aは、酸化装置46の担体の壁部46bによって区画形成されている。なお、複数のガス通路46aを区画形成する壁部46bには、上記したように触媒物質が担持つまりコーティングされている。図2および図3に示されるように、各ガス通路46aは、酸化装置46の上流側端面46uおよび下流側端面46dにそれぞれ連通する。そして、これら複数のガス通路46aは互いに独立している。換言すると、本実施形態での酸化装置46は、その上流端から下流端に概ね直線的に延びた複数の独立セルを有する所謂ストレートフロー型であり、個々のセルがガス通路46aを形成する。なお、図3から明らかなように、排気管14は概ね断面円形であり、酸化装置46は概ね断面円形であり、両者は互いに同軸に配置されている。
他方、燃料添加弁42から添加された燃料は、グロープラグ44の発熱部44a周囲を通過して酸化装置46に至り、酸化装置46のガス通路46aを通過する。上記したように、酸化装置46に至る前に、添加燃料Fは燃焼し得、これにより生成した火炎は、酸化装置46の各ガス通路46aに導かれ得る。
このような火炎や火炎を含むガスの好適な通過および排気浄化機能の維持確保を考慮して、酸化装置46は設計されて、構築されている。ここで酸化装置46についてより詳しく述べる。
酸化装置46は、排気流路方向A(図2参照)に略直交する平面での断面(以下、排気流路方向断面)において、1平方インチ当たりつまり0.0006452m当たり、30以上かつ200以下のガス通路46aを備えるように形成されている。この酸化装置46におけるガス通路の数つまりセル数は、後述するように、火炎の通過し易さと、煤等の微粒子の発生の抑制との両立を図るべく導き出されている。
ここで、排気流路方向断面における酸化装置46の任意の1つのガス通路46aを図4に示す。本実施形態では、ガス通路46aの断面形状は略正方形であるので、そこに内接円Iを実質的に定めることができる。排気流路方向断面におけるガス通路46aの内接円Iが1.6mm以上4.9mm以下の直径を有するように、本実施形態の酸化装置46は設計されている。
これらガス通路の数、および、その形状および大きさに関して、ここで以下に説明される。
図5は、酸化装置の排気流路方向断面における0.0006452m当たりのガス通路の数と、火炎の通過特性値との関係を概念的に表したグラフである。火炎の通過特性値としてはここでは火炎を酸化装置に所定時間送り続けたときの酸化装置下流側の温度が用いられていている。図5に結果が示される実験では、排気流路方向断面における単位断面積当たりのガス通路の数つまり通路密度(セル密度)が異なる複数の酸化装置を用いた。通路密度の単位として実験ではcpsi(cell per square inch)を用い、各々が排気流路方向断面において1cpsi、30cpsi、50cpsi、100cpsi、200cpsi、300cpsi、400cpsiの密度のガス通路を有する複数の酸化装置を用いた。そして実験ではそれらの各々に対して火炎を所定時間送り続け、その下流側の温度がどの程度まで高まるかを調べた。具体的には、酸化装置下流側に設けた温度センサによる出力に基づいて酸化装置下流側の温度を計測し、酸化装置における火炎の通過の程度を判断した。そして、酸化装置下流側の温度が火炎温度に相当する所定温度(例えば800℃)以上であったとき、火炎が酸化装置を通過したと判断した。ただし、酸化装置下流側の温度は、酸化装置に火炎を所定時間送り続けたときに、温度センサを用いて得られた最高温度に相当する。
その結果、酸化装置のガス通路の数つまり通路密度が、200cpsi以下のとき、酸化装置を火炎が通過するとの結果が得られた。
また、この実験および同様の実験を通じて、酸化装置のガス通路の断面形状および大きさと、火炎の通過し易さとの関係を調べた。その結果、酸化装置のガス通路が排気流路方向断面において1.6mm以上の直径の円が内接するように形成されているとき、酸化装置を火炎が通過することが分かった。
以上より、酸化装置の単位断面積当たりのガス通路の数つまり通路密度が、200cpsi以下(0.0006452m当たり200以下)であるとき、火炎の好適な通過が確保されることが明らかになった。そして、そのためには酸化装置のガス通路は排気流路方向断面において1.6mm以上の直径の円が内接するように形成されているとよいことが分かった。
他方、火炎が好適に酸化装置を通過する場合であっても、燃料添加弁により添加された燃料の燃焼により、排気状態が悪化するのでは好ましくない。そこで、酸化装置のガス通路の数と、煤等の微粒子の排出量との関係を実験で調べた。その結果が、図6のグラフに概念的に表されている。ただし、実験では、酸化装置の単位断面積当たりのガス通路の数に相当する種々の太さの実験通路、具体的には1cpsi、15cpsi、30cpsi、50cpsi、100cpsi、200cpsiのそれぞれに相当する太さの実験通路を用いた。そして、実験では、各実験通路上流側で燃料を燃焼させ、火炎を各実験通路に送った。該実験通路の下流側にガス中の微粒子の量つまりスモーク量を検出するためのセンサ(すす検出器)を配置し、該センサの出力に基づいて微粒子の排出量を評価した。
その結果、酸化装置のガス通路の数つまり通路密度が、30cpsi以上のとき、微粒子の排出が所定量以下に抑制できることが分かった。このように、酸化装置のガス通路の数つまり通路密度を30cpsi以上とすることで、微粒子の排出量を抑制でき、さらにこれにより排気通路での圧力損失を抑制することができる。通路密度つまりセル密度が1cpsiの場合、添加燃料が付着する領域が酸化装置に少なく、それ故に、燃料の気化が生じ難く、微粒子の排出量が所定量を超えたようである。
また、この実験および同様の実験を通じて、酸化装置のガス通路の断面形状および大きさと、微粒子の排出との関係を調べた。その結果、酸化装置のガス通路が排気流路方向断面において4.9mm以下の直径の円が内接するように形成されているとき、微粒子の排出を抑制できることが分かった。
以上より、酸化装置の単位断面積当たりのガス通路の数つまり通路密度が、30cpsi以上(0.0006452m当たり30以上)であるとき、微粒子の排出を好適に抑制できることが明らかになった。そして、そのためには酸化装置のガス通路は排気流路方向断面において4.9mm以下の直径の円が内接するように形成されているとよいことが分かった。
これらの実験結果にしたがって、上記したように、本実施形態の酸化装置46は、排気流路方向断面において0.0006452m当たり30以上かつ200以下のガス通路46aを備えるように形成されている。加えて、大部分のガス通路46aの各々は、その断面において1.6mm以上かつ4.9mm以下の直径の円が内接するように形成されている。
しかし、酸化装置のガス通路は排気流路方向断面において1.6mm以上かつ4.9mm以下の直径の円が内接するように形成されているとよいとの上記実験より得られた知見の適用は、ガス通路の該断面に内接円が定められる場合に限定されない。ここで、それが詳細に説明される。
本実施形態では、排気流路方向断面における酸化装置のガス通路の形状は図4に示す如く略正方形であるが、酸化装置のガス通路は他の形状等を有することができる。例えば排気流路方向断面における酸化装置のガス通路の形状は正六角形、正八角形などの正多角形であってもよく、図7には代替的な酸化装置のガス通路46a1が表されていて、その断面形状は略正六角形である。この場合、排気流路方向断面においてガス通路46a1には内接円I1が定められ得る。また、排気流路方向断面における酸化装置のガス通路の形状は正多角形でなくてもよく、上記したように排気流路方向断面において酸化装置のガス通路は1.6mm以上4.9mm以下の直径の円が内接するように形成されるとよい。例えば、図8には別の代替的な酸化装置のガス通路46a2が表されていて、排気流路方向断面においてガス通路46a2には円I2が3箇所で内接するようにガス通路46a2は略六角形に形成されている。また、図9にはさらに別の代替的な酸化装置のガス通路46a3が表されていて、その酸化装置の基材つまり担体は平面状板部材62と波状部材64とを組み合わせて形成されていて、それらの隙間がガス通路46a3とされている。この場合にも、排気流路方向断面においてガス通路46a3には円I3が3箇所で内接するようにガス通路46a3は形成されている。なお、酸化装置46の縁部に位置するガス通路は、排気流路方向断面において1.6mm以上4.9mm以下の直径の円が内接するように形成されていなくてもよいことは当業者に十分に理解されるだろう。つまり、酸化装置の過半のガス通路の各々が、排気流路方向断面において1.6mm以上かつ4.9mm以下の直径の円が内接するように形成されているとよい。
さて、本実施形態をさらに説明する。上記した構成を備える昇温装置40を備えたエンジン5は、各種制御手段としての機能を備える電子制御ユニット(以下、ECUという)70を備える。図1に示すように、エンジン本体10には、エンジン本体10の運転状態や運転者の要求等に応じて各種デバイスを制御するためのECU70が併設されている。このECU70は、エンジン制御に係る各種演算処理を実行するCPU、その制御に必要なプログラムやデータを記憶するROM、CPUの演算結果等を一時記憶するRAM、外部との間で信号を入・出力するための入・出力ポート等を備えて構成される。
ECU70には、上述したエアフローメータ20の他、吸気スロットルバルブ21の開度(スロットル開度)に応じた電気信号を出力するスロットル開度センサ72、エンジン本体10のクランク角を検出するクランク角センサ74、アクセルペダル75の開度(アクセル開度)に応じた電気信号を出力するアクセル開度センサ76、排気の温度を検出するための第1温度センサ78、第1処理装置28の温度を検出するための温度センサ80を含む各種センサ類が、電気配線を介して接続され、これらの出力信号がECU70に入力される。したがって、ECU70は、例えば、エアフローメータ20の出力値に基づいて吸入空気量を検出し、クランク角センサ74の出力値に基づいてエンジン回転速度を検出し、アクセル開度センサ76の出力値に基づいてエンジン本体10の要求負荷を検出することができる。
そして、ECU70には、スロットルバルブ21のアクチュエータ21a、燃料噴射弁22、燃料添加弁42、グロープラグ44を含む各種デバイスが電気配線を介して接続されている。これらの作動はECU70によって制御される。
このようなECU70はエンジン5全般の制御機能を有し、昇温装置40における制御手段(制御装置)の機能を有する。具体的には、燃料添加手段である燃料添加弁42の作動を制御する燃料添加制御手段、加熱手段であるグロープラグ44の作動を制御する加熱制御手段、ポンプ52の作動を制御するポンプ制御手段の各々としての機能をECU70は備える。したがって、燃料添加手段である燃料添加弁42とECU70の一部とを含んで燃料添加装置は構成され、加熱手段であるグロープラグ44とECU70の一部とを含んで加熱装置は構成される。また、酸化装置46よりも下流側の排気通路に設けられた温度検出手段としての第1温度センサ78の出力に基づいて、酸化装置46よりも下流側の排気の状態、特に酸化装置46下流側かつ第1排気処理装置28上流側の排気の状態を判定する判定手段としての機能をECU70は有する。また、排気通路18に供給される排気量を調整する排気量調整装置の制御機能をECU70は備え、ここでは以下に示すようにECU70は排気通路18に供給される排気量を調整するように燃料噴射弁22およびスロットルバルブ21の各作動を制御することができる。
エンジン10では、吸入空気量、エンジン回転速度など、すなわちエンジン負荷およびエンジン回転速度で表されるエンジン運転状態に基づいて、所望の出力を得るように、燃料噴射量および/または燃料噴射時期が設定される。そして、それら燃料噴射量および/または燃料噴射時期に基づいて、燃料噴射弁22からの燃料の噴射が実行される。
そして、排気処理装置の昇温を行うときには、ECU70が燃料添加弁42、グロープラグ44を適宜作動させる。すなわち、ECU70は、燃料添加弁42を適宜開弁駆動(オン)し、燃料添加弁42から適宜燃料を噴射させる。またECU70は、グロープラグ44を適宜通電(オン)して十分な高温とする。以下、本実施形態における、昇温装置40の制御を説明する。
昇温装置40では、例えば、エンジン始動時、排気処理装置の温度が所定温度以上に早期に上がるように、特にここでは第1処理装置28の温度が該第1処理装置28の所定活性温度域内に早期に達するように、燃料添加弁42およびグロープラグ44が作動させられる。つまり、グロープラグ44は通電され、その先端部44aに向けて燃料添加弁42から燃料が噴射される。この燃料を含むまたはこの燃料に起因して生じたガスは酸化装置46やその周囲を通過して排気処理装置に至る。このようなエンジン始動時の排気処理装置へのガスの供給は、エンジン始動開始時から行われ、第1処理装置28の温度がその所定活性温度域内の所定温度以上になるまで実行される。なお、ここでは第1処理装置の所定活性温度域内の所定温度は、例えば200℃に設定されている。ただし、このようなエンジン始動時の排気処理装置への加熱用ガスの供給は、排気処理装置の温度が早期に高まったとしても、エンジン暖機が完了するまで継続されるとよい。この場合、エンジン暖機完了はエンジン10の冷却水温に基づいて判断されるとよい。例えば、排気処理装置の温度が早期に高まって、その後、エンジン10の冷却水温が所定温度(例えば70℃)以上になってエンジン暖機完了とECU70が判定したとき、ECU70は、燃料添加弁42の作動とグロープラグ44の作動とを共に停止する。
さらに、第1処理装置28の温度が上記した所定活性温度域内に達した後、第1処理装置28の温度をその所定活性温度域内に保つように、昇温装置40が機能する。具体的には、第1処理装置28の温度がその所定活性温度域内の下限温度域(例えば200℃以上250℃以下の温度域)にあるとき、燃料添加弁42から燃料が添加される、および/または、グロープラグ44に通電される(グロープラグが作動される)。
また、昇温装置40は、DPFである第2処理装置30に捕集されたPMを除去するべく、つまり、それを再生させるべく、所定時期に、所定時間、作動する。例えば、エンジン5の累積作動時間が所定時間を越えるたびに、昇温装置40は作動する。なお、昇温装置40は、第2処理装置30の前後の差圧が所定圧以上になったときに、働くこともできる。この場合、第2処理装置30前後の差圧を検出するための圧力センサつまり差圧センサが備えられるとよい。
なお、燃料添加弁42および/またはグロープラグ44を作動させるときは、上記したように排気通路へ加熱して排気処理装置の昇温を図るときである。しかし、そのような燃料添加弁42および/またはグロープラグ44の作動は排気通路での燃料の酸化等を生じさせるので、燃料カット中またはアイドル運転中に積極的に行われるとよい。そのようなときには、排気通路の酸素濃度が相対的に高いからである。
以上述べたように排気通路への加熱が必要であるか否かがECU70により判断され、それが必要であるとECU70が判断したとき、ECU70により燃料添加弁42および/またはグロープラグ44は作動制御される。そして、このような燃料添加弁42およびグロープラグ44の各作動は酸化装置46よりも下流側の排気の状態に応じてECU70により制御される。以下に本実施形態での、その制御について図10のフローチャートに基づいて説明する。
まず、ECU70は加熱が必要か否かを判定する(ステップS101)。加熱が必要か否かは、上記各種センサからの出力および/または運転状態に基づいて判定される。加熱が必要なときには、上記したように、エンジン始動時、排気処理装置の昇温を図るとき、第2処理装置の再生を図るときが含まれる。
加熱が必要であると判定されると(ステップS101で肯定判定)、燃料添加弁42およびグロープラグ44が作動される(ステップS103)。この作動には、燃料添加弁42およびグロープラグ44の両方を作動させる場合と、燃料添加弁42およびグロープラグ44のいずれか一方のみを作動させる場合とが含まれる。このような作動形態の選択は、上記各種センサからの出力および/または運転状態に基づくと共に、予め記憶するデータ等に基づいて、実行される。ただし、ここでは、説明を容易にするために、燃料添加弁42およびグロープラグ44の両方を作動させる場合についてのみ以下説明する。ただし、燃料添加弁42およびグロープラグ44がそれまで停止状態であったときには、基本データ(例えば基本燃料添加量および基本供給電力)にしたがって燃料添加弁42およびグロープラグ44のそれぞれは作動される。そして、以後のルーチンのステップS103では、燃料添加弁42およびグロープラグ44の作動状態は維持される。
燃料添加弁42およびグロープラグ44が作動されると(ステップS103)、所定時間経過したか否かが判定される(ステップS105)。ここで判定対象となる時間は、加熱が必要であると判断された時点からの経過時間であり、ECU70により計測される。所定時間は予め実験に基づいて定められていてここでは定数であるが、変数とされてもよい。なお、この所定時間は、上記した図5の実験にしたがって定められることができる。
所定時間経過したと判定されると(ステップS105で肯定判定)、酸化装置46を火炎が未通過か否かが判定される(ステップS107)。この判定(ステップS107)は酸化装置46よりも下流側の排気の状態を判定することに相当する。ECU70は、第1温度センサ78からの出力に基づいて火炎が未通過であるか否かを判定する。具体的には、第1温度センサ78からの出力に基づいて検出された温度が、酸化装置46を火炎が通過したことに相当する所定温度未満(例えば800℃未満)であるか否かで判定される。
酸化装置46を火炎が通過したと判定されると(ステップS107で否定判定)、燃料添加弁42およびグロープラグ44の作動が基本データまたはそれまでに補正されたデータにしたがってそのまま続行される(ステップS109)。
他方、酸化装置46を火炎が未通過であると判定されると(ステップS107で肯定判定)、燃料添加弁42およびグロープラグ44の作動制御において基本データが補正される。この場合、火炎が未通過であるので、加熱量をそれまでよりも高めて加熱を強化するように、グロープラグ44への供給電力を増やすようにグロープラグ44の作動が補正制御され、燃料添加弁42による燃料添加量を増やすように燃料添加弁42の作動が補正制御される(ステップS111)。なお、以後のルーチンのステップS107では、補正量がさらに大きくされる。ただし、グロープラグ44への供給電力を増やすことと、燃料添加弁42による燃料添加量を増やすことのうちのいずれか一方により、加熱量をそれまでよりも高めることは可能である。それ故、燃料添加弁42およびグロープラグ44のいずれかの作動のみが補正制御されてもよい。
なお、酸化装置46を火炎が未通過であると判定されたとき(ステップS107で肯定判定)、ステップS111でフィードバック制御が実行されることも可能である。この場合、例えば、第1温度センサ78からの出力に基づいて、酸化装置46下流側の温度が所定温度(例えば800℃)に一致するように、燃料添加弁42およびグロープラグ44の少なくとも一方の作動がフィードバック制御される。
なお、加熱が必要でないと判定されると(ステップS101で否定判定)、燃料添加弁42およびグロープラグ44の作動が停止される(ステップS113)。
加えて、本実施形態では、上記したように加熱が強化されるとき(ステップS111)、ECU70は、排気通路18に供給される排気量を調整する。具体的には、そのとき、排気量が増やされる。これは、スロットル開度がそれまでよりも大きくなるようにかつ燃料噴射量がそれに対応させて多くなるようにスロットルバルブ21と燃料噴射弁22とを補正制御することを意味する。これにより、排気流量が増大し、燃料添加弁42から添加された燃料の気化が促進され、その添加燃料の燃焼が促される。したがって、酸化装置46下流側の排気の温度をそれまでよりも高めることが可能になる。なお、エンジン5が火花点火式内燃機関である場合、点火時期も補正制御されるとよい。また、排気量が増大するように、スロットルバルブ21、燃料噴射弁22、点火プラグの各作動のいずれか1つのみが補正制御されてもよい。ただし、ステップS111に至ったとき燃料添加弁42およびグロープラグ44の補正制御が実行されずに、排気通路18に供給される排気量のみが上記したように調整されてもよい。
以上、本発明を実施形態およびその変形例に基づいて説明したが、本発明はそれらに限定されず、他の実施形態を許容する。例えば、上記実施形態では、燃料添加手段として燃料添加弁を用いて、該燃料添加弁からエンジンの燃料と同じ燃料を添加した。しかし、他の燃料を用いることができ、例えば、添加剤として、エタノール、メタノール等のアルコールを用いることができる。
また、排気通路に設けられる排気処理装置の数、種類、構成および配列順序は、上記実施形態に限定されない。排気処理装置の数は1つでも、2つでも、4つ以上でもよい。排気処理装置として、種々の触媒、フィルタ等が用いられ得る。また、上記酸化装置は、上記した構成を有する酸化触媒を含まなくてもよく、別の酸化機能を有する触媒を含むことができる。第1処理装置28の酸化触媒と酸化装置46の酸化触媒とは同じであっても異なってもよい。
また、上記実施形態では、酸化装置よりも下流側の排気の状態を判定するために、温度検出手段である第1温度センサを用いたが、他の検出手段が用いられることができる。例えば、A/Fセンサ、O2センサ、NOxセンサなどの排気成分に応じて出力が変わるセンサを検出手段として用いることができる。これらの出力に基づいて判定手段として機能するECUの部分は、酸化装置下流側の排気の状態を判定することができる。そして、この場合、ECUは、判定された酸化装置下流側の排気の状態に応じて、燃料添加弁およびグロープラグの両方または一方の作動を制御することができる。
また、上記実施形態では、本発明はディーゼルエンジンに適用されたが、これに限定されず、本発明は、ポート噴射型式のガソリンエンジン、筒内噴射形式のガソリンエンジン等の各種のエンジンに適用可能である。また、用いられる燃料は、軽油やガソリンに限らず、アルコール燃料、LPG(液化天然ガス)等でもよい。また、本発明が適用されるエンジンの気筒数、気筒配列形式などは如何なるものであってもよい。
以上、本発明をある程度の具体性をもって説明したが、クレームされた発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。本発明の実施態様は上述の態様のみに限らず、本発明は、請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例を含む。したがって本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。本発明における課題を解決するための手段は、可能な限り組み合わせて使用することができる。
【0002】
領域において選択され得る。
先行技術文献
特許文献
[0004]
特許文献1:特開2010−059886号公報
発明の概要
発明が解決しようとする課題
[0005]
上記したように排気処理装置よりも上流側に小型酸化触媒つまり酸化装置を備える場合、その酸化装置は一般に複数のガス通路を備える。しかし、それらガス通路の形状および大きさ等に応じてそれらガス通路におけるガスの通り易さは異なる。例えば、ガスの通り易さに応じて、排気通路に添加供給された燃料の燃焼のし易さは異なり、ガスが通り難い場合、添加燃料の燃焼により生じた火炎が酸化装置で消える場合もある。このような失火は、排気処理装置の加熱を阻害するので、好ましくない。
[0006]
そこで本発明の一の目的は、排気処理装置よりも上流側に設けられる酸化装置におけるガスの通り易さを好適にすることにある。
課題を解決するための手段
[0007]
本発明の一の態様によれば、排気通路に排気処理装置を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、前記排気処理装置よりも上流側に設けられた酸化装置と、該酸化装置の上流側に燃料を添加するための燃料添加手段と、該燃料添加手段から添加された燃料を加熱するために前記酸化装置の上流側に設けられた加熱手段とを備え、前記酸化装置は、排気流路方向断面において、0.00064516m当たり、30以上かつ200以下のガス通路を備えるように形成されている、内燃機関の排気浄化装置が提供される。
[0008]
上記構成によれば、酸化装置は、排気流路方向断面において、0.00064516m当たり、30以上かつ200以下のガス通路を備えるように形成されているので、ガスは酸化装置を効果的に通過することが可能になる。
[0009]
好ましくは、前記酸化装置の前記ガス通路の各々は、前記排気流路方向断
【0009】
aは互いに独立している。換言すると、本実施形態での酸化装置46は、その上流端から下流端に概ね直線的に延びた複数の独立セルを有する所謂ストレートフロー型であり、個々のセルがガス通路46aを形成する。なお、図3から明らかなように、排気管14は概ね断面円形であり、酸化装置46は概ね断面円形であり、両者は互いに同軸に配置されている。
[0033]
他方、燃料添加弁42から添加された燃料は、グロープラグ44の発熱部44a周囲を通過して酸化装置46に至り、酸化装置46のガス通路46aを通過する。上記したように、酸化装置46に至る前に、添加燃料Fは燃焼し得、これにより生成した火炎は、酸化装置46の各ガス通路46aに導かれ得る。
[0034]
このような火炎や火炎を含むガスの好適な通過および排気浄化機能の維持確保を考慮して、酸化装置46は設計されて、構築されている。ここで酸化装置46についてより詳しく述べる。
[0035]
酸化装置46は、排気流路方向A(図2参照)に略直交する平面での断面(以下、排気流路方向断面)において、1平方インチ当たりつまり0.00064516m当たり、30以上かつ200以下のガス通路46aを備えるように形成されている。この酸化装置46におけるガス通路の数つまりセル数は、後述するように、火炎の通過し易さと、煤等の微粒子の発生の抑制との両立を図るべく導き出されている。
[0036]
ここで、排気流路方向断面における酸化装置46の任意の1つのガス通路46aを図4に示す。本実施形態では、ガス通路46aの断面形状は略正方形であるので、そこに内接円Iを実質的に定めることができる。排気流路方向断面におけるガス通路46aの内接円Iが1.6mm以上4.9mm以下の直径を有するように、本実施形態の酸化装置46は設計されている。
[0037]
これらガス通路の数、および、その形状および大きさに関して、ここで以下に説明される。
[0038]
図5は、酸化装置の排気流路方向断面における0.00064516m当たりのガス通路の数と、火炎の通過特性値との関係を概念的に表したグラフで
【0010】
ある。火炎の通過特性値としてはここでは火炎を酸化装置に所定時間送り続けたときの酸化装置下流側の温度が用いられていている。図5に結果が示される実験では、排気流路方向断面における単位断面積当たりのガス通路の数つまり通路密度(セル密度)が異なる複数の酸化装置を用いた。通路密度の単位として実験ではcpsi(cell per square inch)を用い、各々が排気流路方向断面において1cpsi、30cpsi、50cpsi、100cpsi、200cpsi、300cpsi、400cpsiの密度のガス通路を有する複数の酸化装置を用いた。そして実験ではそれらの各々に対して火炎を所定時間送り続け、その下流側の温度がどの程度まで高まるかを調べた。具体的には、酸化装置下流側に設けた温度センサによる出力に基づいて酸化装置下流側の温度を計測し、酸化装置における火炎の通過の程度を判断した。そして、酸化装置下流側の温度が火炎温度に相当する所定温度(例えば800℃)以上であったとき、火炎が酸化装置を通過したと判断した。ただし、酸化装置下流側の温度は、酸化装置に火炎を所定時間送り続けたときに、温度センサを用いて得られた最高温度に相当する。
[0039]
その結果、酸化装置のガス通路の数つまり通路密度が、200cpsi以下のとき、酸化装置を火炎が通過するとの結果が得られた。
[0040]
また、この実験および同様の実験を通じて、酸化装置のガス通路の断面形状および大きさと、火炎の通過し易さとの関係を調べた。その結果、酸化装置のガス通路が排気流路方向断面において1.6mm以上の直径の円が内接するように形成されているとき、酸化装置を火炎が通過することが分かった。
[0041]
以上より、酸化装置の単位断面積当たりのガス通路の数つまり通路密度が、200cpsi以下(0.00064516m当たり200以下)であるとき、火炎の好適な通過が確保されることが明らかになった。そして、そのためには酸化装置のガス通路は排気流路方向断面において1.6mm以上の直径の円が内接するように形成されているとよいことが分かった。
[0042]
他方、火炎が好適に酸化装置を通過する場合であっても、燃料添加弁によ
【0011】
り添加された燃料の燃焼により、排気状態が悪化するのでは好ましくない。そこで、酸化装置のガス通路の数と、煤等の微粒子の排出量との関係を実験で調べた。その結果が、図6のグラフに概念的に表されている。ただし、実験では、酸化装置の単位断面積当たりのガス通路の数に相当する種々の太さの実験通路、具体的には1cpsi、15cpsi、30cpsi、50cpsi、100cpsi、200cpsiのそれぞれに相当する太さの実験通路を用いた。そして、実験では、各実験通路上流側で燃料を燃焼させ、火炎を各実験通路に送った。該実験通路の下流側にガス中の微粒子の量つまりスモーク量を検出するためのセンサ(すす検出器)を配置し、該センサの出力に基づいて微粒子の排出量を評価した。
[0043]
その結果、酸化装置のガス通路の数つまり通路密度が、30cpsi以上のとき、微粒子の排出が所定量以下に抑制できることが分かった。このように、酸化装置のガス通路の数つまり通路密度を30cpsi以上とすることで、微粒子の排出量を抑制でき、さらにこれにより排気通路での圧力損失を抑制することができる。通路密度つまりセル密度が1cpsiの場合、添加燃料が付着する領域が酸化装置に少なく、それ故に、燃料の気化が生じ難く、微粒子の排出量が所定量を超えたようである。
[0044]
また、この実験および同様の実験を通じて、酸化装置のガス通路の断面形状および大きさと、微粒子の排出との関係を調べた。その結果、酸化装置のガス通路が排気流路方向断面において4.9mm以下の直径の円が内接するように形成されているとき、微粒子の排出を抑制できることが分かった。
[0045]
以上より、酸化装置の単位断面積当たりのガス通路の数つまり通路密度が、30cpsi以上(0.00064516m当たり30以上)であるとき、微粒子の排出を好適に抑制できることが明らかになった。そして、そのためには酸化装置のガス通路は排気流路方向断面において4.9mm以下の直径の円が内接するように形成されているとよいことが分かった。
[0046]
これらの実験結果にしたがって、上記したように、本実施形態の酸化装置46は、排気流路方向断面において0.00064516m当たり30以上か

Claims (7)

  1. 排気通路に排気処理装置を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、
    前記排気処理装置よりも上流側に設けられた酸化装置と、
    該酸化装置の上流側に燃料を添加するための燃料添加手段と、
    該燃料添加手段から添加された燃料を加熱するために前記酸化装置の上流側に設けられた加熱手段と
    を備え、
    前記酸化装置は、排気流路方向断面において、0.0006452m当たり、30以上かつ200以下のガス通路を備えるように形成されている、内燃機関の排気浄化装置。
  2. 前記酸化装置の前記ガス通路の各々は、前記排気流路方向断面において、1.6mm以上かつ4.9mm以下の直径の円が内接するように形成されている、請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 前記酸化装置よりも下流側の排気の状態に応じて出力が変化する検出手段と、
    該検出手段による出力に基づいて、前記酸化装置よりも下流側の排気の状態を判定する判定手段と
    をさらに備える、請求項1または2に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 前記燃料添加手段および前記加熱手段の少なくとも一方の作動を制御する制御手段は、前記判定手段により判定された前記酸化装置よりも下流側の排気の状態に応じて、前記燃料添加手段および前記加熱手段の少なくとも一方の作動を制御する、請求項3に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  5. 前記酸化装置よりも下流側の排気通路に設けられた温度検出手段と、
    該温度検出手段による出力に基づいて、前記酸化装置よりも下流側の温度が前記酸化装置を火炎が通過したことに相当する所定温度未満であるか否かを判定する判定手段と
    をさらに備える、請求項1または2に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  6. 前記燃料添加手段および前記加熱手段の少なくとも一方の作動を制御する制御手段は、前記判定手段により前記酸化装置よりも下流側の温度が前記所定温度未満と判定されたとき、加熱量をそれまでよりも高めるように、前記燃料添加手段および前記加熱手段の少なくとも一方の作動を制御する、請求項5に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  7. 前記排気通路に供給される排気量を調整する排気量調整装置をさらに備え、
    該排気量調整装置は、前記判定手段により前記酸化装置よりも下流側の温度が前記所定温度未満と判定されたとき、排気量をそれまでよりも多くする、請求項5または6に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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