(57)【要約】【課題】ＮＯX選択還元触媒を早期に暖機させる。【解決手段】機関排気通路内にＮＯX選択還元触媒１５を配置し、ＮＯX選択還元触媒１５上流の機関排気通路内に酸化触媒１２を配置する。機関始動時にＨＣ供給弁２８から酸化触媒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、このときＮＯX選択還元触媒１５の温度をＮＯX選択還元触媒１５からＨＣが脱離するＨＣ脱離温度範囲まで上昇させる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項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、機関始動時に上記酸化触媒に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、このときＮＯX選択還元触媒の温度をＮＯX選択還元触媒からＨＣが脱離するＨＣ脱離温度範囲まで上昇させるようにした圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
上記ＮＯX選択還元触媒の昇温時に該ＮＯX選択還元触媒の温度を３５０℃から６５０℃の範囲内まで上昇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。
【請求項３】
暖機運転中においてアイドリング運転が続行されたときにＮＯX選択還元触媒の温度が最終的に収束する収束温度が存在し、上記ＮＯX選択還元触媒の昇温時に該ＮＯX選択還元触媒の温度を該収束温度よりも１００℃以上高い温度まで上昇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。
【請求項４】
上記ＮＯX選択還元触媒に付着しているＨＣ量を算出し、算出されたＨＣ量が予め定められた設定値以下となったときにＨＣの供給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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【特許文献１】特開２００５−２３９２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところでこの内燃機関において機関始動時に酸化触媒にＨＣを供給し、ＨＣの酸化反応熱によりＮＯX選択還元触媒を昇温させる場合、ＮＯX選択還元触媒を早期に暖機すべく多量のＨＣを供給すると酸化触媒において酸化しきれなかったＨＣが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。
【０００４】
これに対し、ＨＣがＮＯX選択還元触媒に付着しないように、即ちＮＯX選択還元触媒がＨＣ被毒を受けないようにＨＣの供給量を少なくするとＮＯX選択還元触媒が昇温するのに時間を要し、斯くしてこの場合にもＮＯX浄化率が低下するという問題を生ずる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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この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、機関始動時に酸化触媒に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、このときＮＯX選択還元触媒の温度をＮＯX選択還元触媒からＨＣが脱離するＨＣ脱離温度範囲まで上昇させるようにしている。
【発明の効果】
【０００６】
ＮＯX選択還元触媒の温度をＨＣ脱離温度範囲まで上昇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。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
ＮＯX選択還元触媒１５上流の排気管１４内には尿素水溶液供給弁１７が配置され、この尿素水溶液供給弁１７は供給管１８、供給ポンプ１９を介して尿素水溶液タンク２０に連結される。尿素水溶液タンク２０内に貯蔵されている尿素水溶液は供給ポンプ１９によって尿素水溶液供給弁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。
【００１０】
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は経由からなる。
【００１１】
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（ランダムアクセルメモリ）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。これら温度センサ４５，４６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。
【００１２】
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、尿素水溶液供給弁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。
【００１３】
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被毒を生ずるのを回避するようにしている。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
さて、ＮＯX選択還元触媒１５は或る程度温度上昇しないとＮＯXの選択還元作用を行わず、即ち活性化せず、従って機関始動時にはできるだけ早くＮＯX選択還元触媒１５を活性化する必要がある。そこで本発明では機関始動時に酸化触媒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から経由を噴射することによって行われる。
【００１７】
しかしながら機関始動時には酸化触媒１２において供給された全てのＨＣを必ずしも酸化させることはできない。このことについて図３（Ａ）を参照しつつ説明する。図３（Ａ）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。
【００１８】
図３（Ａ）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。
【００１９】
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３（Ｂ）を参照しつつ説明する。
【００２０】
図３（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３（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３（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。
【００２１】
ＮＯX選択還元触媒１５を早期に昇温させるにはＨＣ供給弁２８から多量のＨＣを供給すればよい。しかしながら多量のＨＣを供給するとＨＣが酸化触媒１２をすり抜け、ＮＯX選択還元触媒１５がＨＣ被毒を生ずることになる。しかしながらＮＯX選択還元触媒１５の温度を脱離開始温度ＴＦ以上のＨＣ脱離温度範囲まで上昇させればＨＣ被毒が解消される。従って本発明では機関始動時にＮＯX選択還元触媒１５の温度をＮＯX選択還元触媒１５からＨＣが脱離するＨＣ脱離温度範囲まで上昇させるようにしている。
【００２２】
次に図４を参照しつつ本発明によるＮＯX選択還元触媒１５の暖機制御について説明する。
機関が始動されると多量の未燃ＨＣが燃焼室２から排出され、従って図４に示されるように機関始動時には燃焼室２から排出されるＨＣの量ＧOは一時的に高くなる。通常、このとき酸化触媒１２は活性化していないのでこの排出ＨＣは酸化触媒１２をすり抜ける。このすり抜けたＨＣはＮＯX選択還元触媒１５に付着し、従って図４からわかるようにすり抜けＨＣ量ＷがＮＯX選択還元触媒１５のＨＣ付着量ΣＨＣに加算される。
【００２３】
次いで酸化触媒１２の床温ＴOが活性化温度ＴＸを越えるとＨＣ供給弁２８からのＨＣの供給が開始され、このＨＣ供給量の変化がＧIで示されている。即ち、ＨＣ供給量ＧIは酸化触媒１２の床温ＴOが目標とする温度に滑らかに近ずくように少しずつ減少せしめられる。ＨＣ供給量ＧIは多量であるので多量のＨＣが酸化触媒１２をすり抜けが酸化触媒１２の床温ＴOが上昇するほど酸化触媒１２において酸化されるＨＣ量が増大するので図４に示されるようにすり抜けＨＣ量Ｗは時間が経過するにつれて次第に減少する。
【００２４】
一方、ＮＯX選択還元触媒１５は酸化触媒１２において昇温された排気ガスによって加熱されるので図４において実線で示されるように酸化触媒１２よりも遅れて温度上昇する。ＮＯX選択還元触媒１５の床温Ｔｎが脱離開始温度ＴＦよりも低いときにはすり抜けＨＣ量ＷがＨＣ付着量ΣＨＣに加算されるので付着量ΣＨＣは次第に増大する。しかしながらＮＯX選択還元触媒１５の床温Ｔｎが脱離開始温度ＴＦを越えるとＮＯX選択還元触媒１５からのＨＣの脱離作用が開始させるのでＨＣ付着量ΣＨＣは次第に減少する。
【００２５】
次いでＨＣ付着量ΣＨＣが設定値ＨＣＸ以下になるとＨＣの供給が停止される。即ち、この実施例ではＮＯX選択還元触媒１５に付着しているＨＣ量が算出され、算出されたＨＣ量ΣＨＣが予め定められた設定値ＨＣＸ以下となったときにＨＣの供給が停止される。
【００２６】
なお、ＮＯX選択還元触媒１５の床温ＴOの上昇しうる最大限界温度は熱劣化を考慮すると６５０°程度となる。従って本発明による実施例では機関始動時にＮＯX選択還元触媒１５の温度を３５０℃から６５０℃の範囲内まで上昇させるようにしている。
【００２７】
一方、図４において破線で示すＮＯX選択還元触媒１５の床温Ｔｎの変化は従来の昇温制御時における変化を示している。内燃機関では、暖機運転中においてアイドリング運転が続行されたときにＮＯX選択還元触媒１５の温度が最終的に収束する収束温度Ｔfが存在し、この収束温度Ｔfは２００℃から２５０℃程度である。従来の昇温制御ではＮＯX選択還元触媒１５の床温Ｔｎは破線で示すようにこの収束温度Ｔfに向けて滑らかに上昇するように変化せしめられる。
【００２８】
これに対して本発明では機関始動時にＮＯX選択還元触媒１５の床温Ｔｎは収束温度Ｔfよりも１００℃以上高い３５０℃以上まで昇温せしめられることがわかる。
【００２９】
次に図５に示す暖気制御ルーチンについて説明する。なお、この制御ルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。
図５を参照すると、まず初めにステップ５０において排出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では酸化触媒１２の床温ＴOが活性化温度ＴＸを越えたか否かが判別される。ＴO≦ＴＦのときにはステップ５２に進んですり抜け量Ｗが排出ＨＣ量ＧOとされ、次いでステップ５９に進む。
【００３０】
これに対してＴO＞ＴＸのときにはステップ５３に進んでＨＣ供給量ＧIが算出される。次いでステップ５４ではＨＣ供給弁２８からのＨＣ供給制御が行われる。次いでステップ５５では酸化触媒１２の床温ＴOに基づいて図３（Ａ）に示される酸化速度ＭOが算出される。次いでステップ５６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５７に進んですり抜け量Ｗが零とされ、次いでステップ５９に進む。これに対し、ＭO＜ＧO＋ＧIのときにはステップ５８に進んですり抜け量ＷがＧO＋ＧI−ＭOとされ、次いでステップ５９に進む。
【００３１】
ステップ５９ではＮＯX選択還元触媒１５の床温Ｔｎに基づいて図３（Ｂ）に示される脱離速度Ｍｄが算出され、次いでステップ６０ではＨＣ付着量ΣＨＣにすり抜け量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。次いでステップ６１ではＨＣ付着量ΣＨＣが減少中か否かが判別され、減少中のときにはステップ６２に進んでＨＣ付着量ΣＨＣが設定値ＨＣＸよりも低くなったか否かが判別される。ΣＨＣ＜ＨＣＸになったときにはステップ６３に進んでＨＣの供給が停止される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】圧縮着火式内燃機関の全体図である。
【図２】圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す全体図である。
【図３】酸化速度および脱離速度を示す図である。
【図４】暖機制御を示すタイムチャートである。
【図５】暖機制御を行うためのスローチャートである。
【符号の説明】
【００３３】
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    尿素水溶液供給弁
２８    ＨＣ供給弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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