(57)【要約】【課題】  排気通路へ液状還元剤を供給可能とした内燃機関の排気浄化装置において、排気通路壁面に堆積するパティキュレートへの液状還元剤の吸収を抑制する。【解決手段】  排気通路へ液状還元剤を供給する際に排気通路壁面にパティキュレートが堆積しているか否かを判断する判断手段（ステップ１０２）と、判断手段によってパティキュレートが堆積していると判断された時に堆積パティキュレートを除去する堆積パティキュレート除去手段（ステップ１０４）とを具備し、堆積パティキュレート除去手段によって堆積パティキュレートが除去された後に液状還元剤を排気通路へ供給する（ステップ１０５）。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路へ液状還元剤を供給可能とした内燃機関の排気浄化装置において、排気通路へ液状還元剤を供給する際に排気通路壁面にパティキュレートが堆積しているか否かを判断する判断手段と、前記判断手段によってパティキュレートが堆積していると判断された時に堆積パティキュレートを除去する堆積パティキュレート除去手段とを具備し、堆積パティキュレート除去手段によって堆積パティキュレートが除去された後に液状還元剤を排気通路へ供給することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記判断手段は、前記堆積パティキュレートによって覆われる第一排気温度センサと、前記堆積パティキュレートによって覆われることのない第二排気温度センサとを具備し、前記第一温度センサと前記第二温度センサとの出力差によって排気通路壁面にパティキュレートが堆積しているか否かを判断することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記堆積パティキュレート除去手段は、排気通路に配置された排気絞り弁を閉弁直後に開弁させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン及び成層燃焼等の希薄燃焼を実施する火花点火エンジンにおいて、一般的に、機関排気系にはＮＯX吸収剤を担持させた触媒装置が配置され、大気中へのＮＯX放出量を抑制している。触媒装置に吸蔵されたＮＯXは、触媒装置のＮＯX許容吸蔵量に達する以前に触媒装置から放出させて還元浄化させなければならず、そのためには、燃料のような還元剤を機関排気系に供給して触媒装置内で還元剤を酸化させることにより排気ガス中の酸素濃度を低下させることが必要である。
【０００３】
機関排気系に供給する還元剤量を決定する際に、排気通路壁面への付着量を考慮することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平６−１２９２３８号公報
【特許文献２】特開２００２−３８９３９号公報
【特許文献３】特開２００２−３８９２６号公報
【特許文献４】特開２００２−２８２８９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、排気ガス中のパティキュレートが排気通路壁面に付着堆積することがある。この堆積パティキュレートは、機関加速時等に排気通路壁面から剥がされ、機関運転において特に問題とはならない。しかしながら、機関排気系に還元剤が供給される際に、排気通路壁面にパティキュレートが堆積していると、供給された還元剤の一部が堆積パティキュレートに吸収され、この時には、排気通路壁面への一般的な還元剤付着を考慮しても、必要量の還元剤が触媒装置へ供給されず、触媒装置内で排気ガス中の酸素濃度を意図するように低下させることができない。それにより、触媒装置からのＮＯXの放出及び放出されたＮＯXの還元浄化が不十分となる。
【０００６】
従って、本発明の目的は、排気通路へ液状還元剤を供給可能とした内燃機関の排気浄化装置において、排気通路壁面に堆積するパティキュレートへの液状還元剤の吸収を抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置は、排気通路へ液状還元剤を供給可能とした内燃機関の排気浄化装置において、排気通路へ液状還元剤を供給する際に排気通路壁面にパティキュレートが堆積しているか否かを判断する判断手段と、前記判断手段によってパティキュレートが堆積していると判断された時に堆積パティキュレートを除去する堆積パティキュレート除去手段とを具備し、堆積パティキュレート除去手段によって堆積パティキュレートが除去された後に液状還元剤を排気通路へ供給することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明による請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記判断手段は、前記堆積パティキュレートによって覆われる第一排気温度センサと、前記堆積パティキュレートによって覆われることのない第二排気温度センサとを具備し、前記第一温度センサと前記第二温度センサとの出力差によって排気通路壁面にパティキュレートが堆積しているか否かを判断することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明による請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記堆積パティキュレート除去手段は、排気通路に配置された排気絞り弁を閉弁直後に開弁させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明による請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、判断手段によって排気通路へ液状還元剤を供給する際に排気通路壁面にパティキュレートが堆積していると判断された時には、堆積パティキュレート除去手段によって堆積パティキュレートが除去され、その後に液状還元剤が排気通路へ供給されるようになっており、液状還元剤が堆積パティキュレートに吸収されることを十分に抑制することができる。
【００１１】
また、本発明による請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、判断手段は、堆積パティキュレートによって覆われる第一排気温度センサと、堆積パティキュレートによって覆われることのない第二排気温度センサとを具備しており、第一排気温度センサは、堆積パティキュレートによって覆われている時には、排気ガス温度を正確に測定することができず、排気ガス温度を正確に測定可能な第二温度センサとの間に比較的大きな出力差が発生する。それにより、この出力差に基づき堆積パティキュレートの有無を容易に判断することができる。
【００１２】
また、本発明による請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、堆積パティキュレート除去手段は、排気通路に配置された排気絞り弁を閉弁直後に開弁させるために、排気絞り弁の開弁時には、高速の排気ガスが堆積パティキュレート近傍を通過し、それにより、堆積パティキュレートを容易に排気通路から剥がして除去することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は本発明による内燃機関の排気浄化装置を示す断面図である。ディーゼルエンジン及び成層燃焼等の希薄燃焼を実施する火花点火エンジンの機関排気系には、例えば、ＮＯX吸収剤を担持させた第一触媒装置１と、ＮＯX吸収剤を担持させたパティキュレートフィルタ２と、酸化触媒を担持させた第二触媒装置３とが、排気管の拡径部４内に上流側から直列に配置される。ＮＯX吸収剤として、カリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓ、ルビジウムＲｂのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａ、ストロンチウムＳｒのようなアルカリ土類金属、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類、および遷移金属から選ばれた少なくとも一つが使用可能であり、さらに、貴金属触媒としては、例えば、白金Ｐｔが担持されると、ＮＯX吸収剤には、酸素濃度の高いリーン空燃比の排気ガスからＮＯXが良好に吸蔵される。こうして、排気ガス中のＮＯXは、第一触媒装置１及びパティキュレートフィルタ２によって良好に吸蔵され、大気中へのＮＯX放出量を十分に低減することができる。
【００１４】
また、排気ガス中に含まれるパティキュレートは、パティキュレートフィルタ２によって捕集され、大気中へのパティキュレート放出量を十分に低減することができる。パティキュレートフィルタ２に、前述のＮＯX吸収剤及び貴金属触媒が担持されていると、ＮＯXを良好に吸蔵可能となるだけでなく、ＮＯXを吸収及び放出する際に同時に放出される活性酸素によって捕集パティキュレートを比較的低温度で輝炎を発することなく酸化除去することができる。すなわち、捕集パティキュレートを自然に酸化除去することができる。
【００１５】
ところで、第一触媒装置１及びパティキュレートフィルタ２は、無制限にＮＯXを吸蔵することはできない。例えば、機関運転状態毎の気筒内から排出されるＮＯX量を積算することにより第一触媒装置１及びパティキュレートフィルタ２の両方を合わせた現在のＮＯX吸蔵量を推定し、これが第一触媒装置１及びパティキュレートフィルタ２の両方を合わせたＮＯX許容吸蔵量に達する直前には、第一触媒装置１及びパティキュレートフィルタ２内の排気ガスの空燃比をリッチ空燃比（又は理論空燃比）として、それぞれに捕集されたＮＯXを放出させて還元浄化しなければならない。また、排気ガス中のＳＯXもＮＯXと同様なメカニズムによりＮＯX吸収剤に吸蔵され、第一触媒装置１及びパティキュレートフィルタ２のＮＯX許容吸蔵量を低減させるために、ＳＯX吸蔵量が所定量に達した時には、第一触媒装置１及びパティキュレートフィルタ２の温度を高めると共に、排気ガス中の空燃比をリッチ空燃比（又は理論空燃比）として第一触媒装置１及びパティキュレートフィルタ２からＳＯXを放出させなければならない。
【００１６】
さらに、エンジンからのパティキュレート排出量が多い時には、パティキュレートフィルタ２において自然に酸化除去させていたのでは、酸化除去が不十分となって捕集パティキュレートが徐々にパティキュレートフィルタ２に堆積することがある。この時にも、パティキュレートフィルタ２内の雰囲気をリッチ空燃比とすれば、ＮＯXが放出されると共に活性酸素が一気に放出され、パティキュレートフィルタ２に堆積するパティキュレートを酸化除去することができる。
【００１７】
このように、第一触媒装置１及びパティキュレートフィルタ２へ流入する排気ガスの空燃比をリッチ空燃比とする必要があるために、本排気浄化装置において、排気管の拡径部４より上流側に位置する上流部５には、燃料を供給するための還元剤供給装置６が配置されている。
【００１８】
ところで、排気管の上流部５には排気ガス中のパティキュレートが堆積することがある。この堆積パティキュレートは、機関加速時のように高速の排気ガスが近傍を通過する際に剥がされるために、堆積パティキュレートが異常に成長して排気管の上流部５における排気抵抗を無視できないほど高めるようなことはない。
【００１９】
パティキュレートは、特に、還元剤供給装置６によって噴射された液状燃料が付着する上流部５の壁面位置に堆積し易く、これは、付着燃料がパティキュレート堆積のバインダとして働くためである。こうして、還元剤供給装置６によって液状燃料が供給される時に、液状燃料が付着する上流部５の壁面位置にパティキュレートが堆積していると、堆積パティキュレートは、還元剤供給装置６によって供給された液状燃料のうちの比較的多くを吸収して保持するために、第一触媒装置１及びパティキュレートフィルタ２へ必要量の燃料を供給することができなくなる。この燃料の不足を解消するためには、還元剤供給装置６によって供給される液状燃料を増量しなければならず、燃料消費が悪化する。また、液状燃料を増量した際に、液状燃料を多量に含む堆積パティキュレートが、壁面から剥がれて細分化され、排気ガスと共に第一触媒装置１へ到達すると、この時には、多量の燃料が第一触媒装置１へ供給され、第一触媒装置１において燃料の酸化に伴う発熱が過剰となって第一触媒装置１が溶損する可能性がある。
【００２０】
本実施形態では、このような問題をもたらす堆積パティキュレートへの液状燃料吸収を抑制するために、還元剤供給装置６は図２に示すフローチャートに従って還元剤を供給するようになっている。図１において、７は排気管の拡径部４内の上流側に配置されて第一触媒装置１へ流入する排気ガスの圧力を検出するための上流側圧力センサであり、８は排気管の拡径部４内の下流側に配置されて第二触媒装置３から流出する排気ガスの圧力を検出するための下流側圧力センサである。また、排気管の拡径部４より下流側に位置する下流部９には、第二触媒装置３から流出する排気ガスの温度を検出する下流側温度センサ１０が配置されると共に、第二触媒装置３から流出する排気ガスの酸素濃度を検出する酸素センサ１１も配置されている。
【００２１】
還元剤供給装置６によって噴射された液状燃料が付着する上流部５の壁面位置には、第一触媒装置１へ流入する排気ガスの温度を検出するための第一上流側温度センサ１２が配置され、また、拡径部４内の上流側にも、第一触媒装置１へ流入する排気ガスの温度を検出するための第二上流側温度センサ１３が配置されている。１４は還元剤供給装置６の直上流側に配置された排気絞り弁である。
【００２２】
図２に示すフローチャートにおいて、ステップ１０１では、還元剤供給装置によって還元剤の供給が必要とされているか否かが判断される。前述したように、第一触媒装置１及びパティキュレートフィルタ２へのＮＯX吸蔵量がＮＯX許容吸蔵量直前に達していれば、ステップ１０１の判断が肯定される。また、第一触媒装置１及びパティキュレートフィルタ２のＳＯX吸蔵量が所定量に達した時にも、ステップ１０１の判断が肯定される。さらに、上流側圧力センサ７により検出される圧力と下流側圧力センサ８により検出される圧力との差圧が設定値以上となっていれば、パティキュレートフィルタ２における自然の酸化除去が不十分となってパティキュレートフィルタ２にはパティキュレートが堆積していると考えられ、前述したように、この堆積パティキュレートの酸化除去にはパティキュレートフィルタ２への還元剤の供給が必要となるために、やはり、ステップ１０１の判断が肯定される。
【００２３】
ステップ１０１の判断が否定される時には、そのまま終了するが、肯定される時には、ステップ１０２において、第二上流側温度センサ１３により検出される排気ガス温度Ｔ２と第一上流側温度センサ１２により検出される排気ガス温度Ｔ１との差が設定温度ａ以上であるか否かが判断される。堆積パティキュレートによって覆われることのない第二上流側温度センサ１３により検出される排気ガス温度Ｔ２は、常に、第一触媒装置１へ流入する現在の排気ガス温度を正確に表すものである。これに対して、第一上流側温度センサ１２により検出される排気ガス温度Ｔ１は、第一上流側温度センサ１２が図１に示すように堆積パティキュレートＰによって覆われる位置に配置されているために、堆積パティキュレートＰによって覆われていなければ、第一触媒装置１へ流入する現在の排気ガス温度を正確に表すことができるが、堆積パティキュレートＰによって覆われていれば、第一触媒装置１へ流入する現在の排気ガス温度を正確に表すことができなくなり、第二上流側温度センサ１３により検出される排気ガス温度Ｔ２とはかなり異なるものとなる（一般的には、第一触媒装置１へ流入する排気ガス温度より低い温度を検出する）。
【００２４】
こうして、ステップ１０２における判断が否定されれば、すなわち、第一上流側温度センサ１２により検出された排気ガス温度Ｔ１と第二上流側温度センサ１３により検出された排気ガス温度Ｔ２とがほぼ等しければ、排気管の上流部５へはパティキュレートが堆積しておらず、ステップ１０５において、還元剤供給装置６によって還元剤の供給が実施される。この還元剤として供給される燃料量は、酸素センサ１１によって第二触媒装置３から排出される排気ガスの空燃比（酸素濃度）が監視され、還元剤供給のそれぞれの目的に合わせた所望空燃比が実現されるように選択される。また、下流側温度センサ１０のよって第二触媒装置３から排出される排気ガスの温度も監視され、ＳＯX放出に際しては、第一触媒装置１及びパティキュレートフィルタ２の温度を高めることも必要であり、排気ガス温度が所望温度となるように還元剤供給装置６から供給される燃料量が調整される。また、監視される排気ガス温度が異常に高い場合には、第一触媒装置１、パティキュレートフィルタ２、及び、第二触媒装置３は溶損の危険があるために、直ぐに、還元剤供給装置６からの燃料の供給を停止する。
【００２５】
一方、ステップ１０２における判断が肯定されるならば、排気管の上流部５にはパティキュレートが堆積していることとなり、そのまま還元剤が供給されると、前述したように、燃料消費の悪化等の問題が発生する。それにより、本フローチャートでは、ステップ１０５における還元剤の供給以前に、ステップ１０３において、機関回転数Ｎが設定回転数ｂ以下であるか否かが判断され、この判断が肯定される機関低速時には、ステップ１０４において、排気絞り弁１４を閉弁した直後に開弁させるようになっている。このような排気絞り弁１４の閉弁直後の開弁によって、堆積パティキュレートＰの近傍を高速の排気ガスが通過し、堆積パティキュレートＰを容易に壁面より剥がして除去することができる。堆積パティキュレートＰを完全に除去するために、排気絞り弁１４の閉弁及び開弁を複数回繰り返すようにしても良い。
【００２６】
機関低速時には、排気絞り弁１４を一時的に閉弁させても、機関運転にそれほど影響しないが、排気ガス量の多い機関高速時には、ある程度の影響があるために、ステップ１０３の判断が否定される時にはそのまま終了し、機関低速時となるまで排気絞り弁１４の閉弁及び開弁を実施しない。しかしながら、もし、機関高速時の持続によって、堆積パティキュレートが自然に剥がれれば、ステップ１０２の判断が否定されるために、ステップ１０５の還元剤の供給を実施することができる。
【００２７】
こうして、堆積パティキュレートＰが完全に除去されてから還元剤の供給が実施されるために、還元剤が堆積パティキュレートに吸収されることはなく、そのための還元剤の増量は必要ない。
【００２８】
本実施形態において、還元剤供給装置６は液状還元剤として燃料を供給するものとしたが、燃料に限定されることはなく、他の液状還元剤が第一触媒装置１及びパティキュレートフィルタ２へ供給されても、第一触媒装置１及びパティキュレートフィルタ２内で酸化されて酸素が消費されることにより酸素濃度が低下すれば、ＮＯX及びＳＯXを放出させることができ、放出されたＮＯX及びＳＯXは還元剤によって還元浄化させることができる。
【００２９】
本実施形態において、排気通路への堆積パティキュレートＰの除去手段として、排気絞り弁１４を使用したが、排気絞り弁１４の位置は、還元剤供給装置６の上流側に限定されることはなく、堆積パティキュレートＰからそれほど離れていなければ、堆積パティキュレートＰの上流側でも下流側でも良い。例えば、還元剤供給装置６の直下流側に配置しても良く、排気管の下流部９に配置するようにしても良い。
【００３０】
酸化触媒を担持した第二触媒装置３は、排気ガス中に含まれる未燃ＨＣ及びＣＯを酸化浄化するためのものであり、また、還元剤供給装置６により供給された還元剤の一部が第一触媒装置１及びパティキュレートフィルタ２をすり抜けた際にも、これを酸化浄化することができる。
【００３１】
本実施形態では、還元剤供給装置６が、ＮＯX吸収剤を担持する第一触媒装置１及びパティキュレートフィルタ２へ還元剤を供給する場合を説明したが、本発明は、機関排気系に液状還元剤を供給する多くの場合に利用可能であり、例えば、パティキュレートフィルタ２が、ＮＯX吸収剤を担持しておらず、還元剤の燃焼熱によって捕集パティキュレートを燃焼温度にして焼失させる場合にも、本発明は利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明による内燃機関の排気浄化装置を示す断面図である。
【図２】還元剤供給装置による還元剤の供給のためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００３３】
１    第一触媒装置
２    パティキュレートフィルタ
３    第二触媒装置
６    還元剤供給装置
１２    第一上流側温度センサ
１３    第二上流側温度センサ
１４    排気絞り弁
Ｐ    堆積パティキュレート
【図１】
2006233874.tif 000003
【図２】
2006233874.tif 000004