(57)【要約】【課題】排気ガスのＮＯとＮＯ2との比率を１：１に近ずける。【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を配置し、ＮＯx選択還元触媒１５に尿素を供給してＮＯxを還元する。酸化触媒１２におけるＮＯからＮＯ2への転換率がマイナスとなる機関運転状態のときには燃焼室２から排出される排気ガス中のＮＯxに対するＮＯ2の比率が５０パーセント以上になるように燃焼を制御する。【選択図】図３
2008231950.tif 000002
【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内燃機関の排気浄化装置において、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、該酸化触媒におけるＮＯからＮＯ2への転換率がマイナスとなる機関運転状態のときには燃焼室から排出される排気ガス中のＮＯxに対するＮＯ2の比率が５０パーセント以上になるように燃焼を制御するようにした内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
ほぼ全ての機関運転状態において上記ＮＯx選択還元触媒に流入する排気ガス中のＮＯxに対するＮＯ2の比率がほぼ５０パーセントになるように燃焼を制御する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
上記ＮＯx選択還元触媒に流入する排気ガス中のＮＯxに対するＮＯ2の比率がほぼ５０パーセントになるようにＥＧＲ率および燃料噴射時期のいずれか一方又は双方を制御するようにした請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
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内燃機関の排気浄化装置において、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すると共に該酸化触媒を迂回するバイパス通路を設け、該酸化触媒におけるＮＯからＮＯ2への転換率がマイナスとなる機関運転状態のときには燃焼室から排出された排気ガスをバイパス通路内に導びいて酸化触媒を経由せずにＮＯx選択還元触媒に流入させるようにした内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
上記酸化触媒におけるＮＯからＮＯ2への転換率がマイナスとなる機関運転状態のときには燃焼室から排出される排気ガス中のＮＯxに対するＮＯ2の比率がほぼ５０パーセントになるように燃焼を制御し、該酸化触媒におけるＮＯからＮＯ2への転換率がプラスとなる機関運転状態のときにはバイパス通路を閉鎖して燃焼室から排出された排気ガスを該酸化触媒に流入させると共に、上記ＮＯx選択還元触媒に流入する排気ガス中のＮＯxに対するＮＯ2の比率がほぼ５０パーセントになるように燃焼を制御する請求項４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】
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てこの酸化触媒により排気ガス中に含まれるＮＯをＮＯ2に変換し、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）。
【０００３】
ところでアンモニアを用いてＮＯxを還元するようにした場合には排気ガス中のＮＯxに対するＮＯ2の比率が５０パーセントのときに最も良好にＮＯxを浄化できることが知られている。ところがＮＯx選択還元触媒の上流に酸化触媒を配置した場合には酸化触媒において多量のＮＯ2が生成されてＮＯx選択還元触媒に流入する排気ガス中のＮＯ2の量が過剰になる場合があり、この場合にはＮＯxの良好な浄化作用が得られなくなる。
【０００４】
そこで上述の内燃機関では酸化触媒を迂回するバイパス通路を設け、酸化触媒において生成されるＮＯ2の量が過剰になるときには排気ガスの一部をバイパス通路内に分流させ、それによって酸化触媒において過剰なＮＯ2が生成されないようにしている。
【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】
【０００５】
ところが機関の運転状態によっては酸化触媒においてＮＯ2がＮＯに還元させる場合、即ち酸化触媒におけるＮＯからＮＯ2への転換率がマイナスになる場合もあり、この場合にもＮＯxの良好な浄化が得られなくなる。しかしながら上述の内燃機関では酸化触媒におけるＮＯからＮＯ2への転換率がマイナスとなる場合については何ら対処しておらず、従って上述の内燃機関ではこのような場合にＮＯxの良好な浄化が得られないという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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内燃機関の排気浄化装置において、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、この酸化触媒におけるＮＯからＮＯ2への転換率がマイナスとなる機関運転状態のときには燃焼室から排出される排気ガス中のＮＯxに対するＮＯ2の比率が５０パーセント以上になるように燃焼を制御するようにしている。
【０００７】
更に、本発明によれば上記問題を解決するために、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内燃機関の排気浄化装置において、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すると共にこの酸化触媒を迂回するバイパス通路を設け、酸化触媒におけるＮＯからＮＯ2への転換率がマイナスとなる機関運転状態のときには燃焼室から排出された排気ガスをバイパス通路内に導びいて酸化触媒を経由せずにＮＯx選択還元触媒に流入させるようにしている。
【発明の効果】
【０００８】
１番目の発明では燃焼を制御することによってＮＯx選択還元触媒に流入する排気ガス中のＮＯxに対するＮＯ2の比率が増大せしめられる。
２番目の発明では酸化触媒を迂回して排気ガスをＮＯx選択還元触媒に送り込むことによってＮＯx選択還元触媒に流入する排気ガス中のＮＯxに対するＮＯ2の比率が増大せしめられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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を供給ポンプ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。
【００１２】
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。
【００１３】
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２８が取付けられ、この温度センサ２８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、尿素水溶液供給弁１７、供給ポンプ１９、ＥＧＲ制御弁２２および燃料ポンプ２６に接続される。
【００１４】
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に転換され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、アンモニアが吸着するタイプのＮＯx選択還元触媒１５ではＨＣが吸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。従ってこのようなＮＯx選択還元触媒を用いた場合には酸化触媒１２によりＨＣを酸化することによってＮＯx浄化率が低下するのが阻止される。
【００１５】
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することもできるし、アンモニアの吸着機能がないチタニア・バナジウム系の触媒から構成することもできる。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。
【００１６】
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。
【００１７】
さて、機関運転中に燃焼室２から排出されるＮＯxの大部分はＮＯかＮＯ2であり、これらＮＯとＮＯ2との比率は機関の運転状態に応じて変化する。
【００１８】
一方、ＮＯx選択還元触媒１５では尿素から発生したアンモニアＮＨ3によって排気ガス中に含まれるＮＯxが選択的に還元され、このとき最も速度の速い反応式が次式で示される。
ＮＯ＋ＮＯ2＋２ＮＨ3→２Ｎ2＋３Ｈ2Ｏ
上式から、排気ガス中のＮＯとＮＯ2との比率が１：１のとき、即ち排気ガス中の（ＮＯ＋ＮＯ2）に対するＮＯ2の比率、言い換えると排気ガス中のＮＯxに対するＮＯ2の比率が５０パーセントのときに反応速度が最も速くなり、斯くしてＮＯx浄化率が最も高くなることがわかる。
【００１９】
因みに、排気ガス中のＮＯ2が過剰の場合には例えばＮＯ2の過剰分は反応速度の遅い次式に従って反応が行われ、
６ＮＯ2＋８ＮＨ3→７Ｎ2＋１２Ｈ2Ｏ
排気ガス中のＮＯが過剰の場合には例えばＮＯの過剰分は反応速度の遅い次式に従って反応が行われる。
６ＮＯ＋４ＮＨ3→５Ｎ2＋６Ｈ2Ｏ
このように反応速度が遅くなるとＮＯx浄化率が低下する。
【００２０】
ところで前述したように酸化触媒１２は排気ガス中のＮＯをＮＯ2に変換する作用をなす。しかしながらこの点について詳細に検討するとＮＯがＮＯ2に変換されるのは酸化触媒１２が活性化しているときであり、酸化触媒１２が活性化していないときには逆にＮＯ2がＮＯに変換されることが判明したのである。即ち、排気ガス中にはＮＯ，ＮＯ2に加えてＨＣ，ＣＯが含まれており、酸化触媒１２が活性化するとＨＣ，ＣＯに加えてＮＯも酸化されるためにＮＯ2が生成される。ところが酸化触媒１２が活性化していないと排気ガス中にはＨＣ，ＣＯが残存しているためにこれらＨＣ，ＣＯによってＮＯ2が還元され、斯くしてＮＯが生成されることになる。
【００２１】
図３に酸化触媒１２におけるＮＯからＮＯ2へのＮＯ2転換率を示す。図３に示されるように酸化触媒１２の床温ＴＣが活性化温度Ｔ0を越えることにより酸化触媒１２が活性化するとＮＯ2転換率はプラスとなり、酸化触媒１２の床温ＴＣが活性化温度Ｔ0以下であって酸化触媒１２が活性化していないときにはＮＯ2転換率はマイナスとなる。
【００２２】
また、図３には燃焼室２から排出される排気ガス中のＮＯxに対するＮＯ2の目標ＮＯ2比率が示されており、本発明では排気ガス中のＮＯxに対するＮＯ2の比率は燃焼室２内における燃焼を制御することによって行われる。従って図３からわかるように本発明では酸化触媒１２が活性化していないときには、即ち、ＮＯ2転換率がマイナスとなる機関運転状態のときには燃焼室２から排出される排気ガス中のＮＯxに対するＮＯ2の比率が５０パーセント以上になるように燃焼が制御される。
【００２３】
なお、図３に示される目標ＮＯ2比率ＮＲＯは本発明による第１の実施例における目標ＮＯ2比率を示しており、本発明による第１の実施例ではこの目標ＮＯ2比率ＮＲＯはＮＯx選択還元触媒１５に流入する排気ガス中のＮＯxに対するＮＯ2の比率をほぼ５０パーセントとするのに必要なＮＯ2比率を示している。従ってこの第１実施例ではほぼ全ての機関運転状態においてＮＯx選択還元触媒１５に流入する排気ガス中のＮＯxに対するＮＯ2の比率がほぼ５０パーセントになるように燃焼が制御されることになる。
【００２４】
この場合、具体的にはＮＯx選択還元触媒１５に流入する排気ガス中のＮＯxに対するＮＯ2の比率がほぼ５０パーセントになるようにＥＧＲ率および燃料噴射時期のいずれか一方又は双方が制御される。次にこのことについて図４および図５を参照しつつ説明する。
【００２５】
図４に、ＥＧＲ率を変化させたときの燃焼室２から排出されるＮＯとＮＯ2の排出量の変化を示す。図４に示されるようにＥＧＲ率を高くしていくとＮＯ2の排出量はほとんど変化しないがＮＯの排出量は徐々に減少し、従って燃焼室２から排出される排気ガス中のＮＯxに対するＮＯ2の比率ＮＲは図４に示されるようにＥＧＲ率が高くなるほど増大する。従ってこの実施例ではこのＮＯ2比率ＮＲが図３に示される目標ＮＯ2比率ＮＲＯとなるようにＥＧＲ率が制御される。
【００２６】
即ち、ＮＯ2比率の制御ルーチンを示す図５を参照すると、まず初めにステップ５０において温度センサ２８により検出された酸化触媒１２の床温ＴＣから図３に示す目標ＮＯ2比率ＮＲＯが算出される。次いでステップ５１ではＮＯ2比率を目標ＮＯ2比率ＮＲＯとするのに必要な目標ＥＧＲ率が算出される。次いでステップ５２ではＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率となるようにＥＧＲ制御弁２２の開度が制御される。
【００２７】
図６に、燃料噴射時期を変化させたときの燃焼室２から排出されるＮＯとＮＯ2の排出量の変化を示す。図６に示されるように燃料噴射時期を進角していくとＮＯ2の排出量はほとんど変化しないがＮＯの排出量は徐々に減少し、従って燃焼室２から排出される排気ガス中のＮＯxに対するＮＯ2の比率ＮＲは図６に示されるように燃料噴射時期が進角されるほど増大する。従ってこの実施例ではこのＮＯ2比率ＮＲが図３に示される目標ＮＯ2比率ＮＲＯとなるように燃料噴射時期が制御される。
【００２８】
即ち、ＮＯ2比率の制御ルーチンを示す図７を参照すると、まず初めにステップ６０において温度センサ２８により検出された酸化触媒１２の床温ＴＣから図３に示す目標ＮＯ2比率ＮＲＯが算出される。次いでステップ６１ではＮＯ2比率を目標ＮＯ2比率ＮＲＯとするのに必要な目標噴射時期が算出される。次いでステップ６２ではこの目標噴射時期において燃料噴射が行われる。なお、ＮＯ2比率を目標ＮＯ2比率に制御する際にＥＧＲ率と燃料噴射時期の双方を制御することもできる。
【００２９】
図８に圧縮着火式内燃機関の更に別の実施例を示す。この実施例では酸化触媒１２を迂回するバイパス通路４５が設けられ、バイパス通路４５の入口部に流路切換弁４６が配置される。この実施例では通常図８において実線で示されるように流路切換弁４６がバイパス通路４５を閉鎖しており、このとき排気ガスは酸化触媒１２内を流通する。これに対し、図８の破線で示すように流路制御弁４６が酸化触媒１２の入口を閉鎖したときには排気ガスはバイパス通路４５内を流れてパティキュレートフィルタ１３に流入する。
【００３０】
この実施例では図９に示されるように酸化触媒１２におけるＮＯからＮＯ2への転換率がマイナスとなる機関運転状態のときにはバイパス通路４５が開通せしめられ、即ち酸化触媒１２の入口が閉鎖され、このとき燃焼室２から排出された排気ガスはバイパス通路４５内に導びかれて酸化触媒１２を経由せずにパティキュレートフィルタ１３およびＮＯx選択還元触媒１５に流入する。即ち、この実施例ではＮＯ2転換率がマイナスのときにはＮＯがＮＯ2に変換されるのを回避するようにしている。
【００３１】
具体的に言うとこの実施例では図９に示されるように酸化触媒１２が活性化していないときには、即ち酸化触媒１２におけるＮＯからＮＯ2への転換率がマイナスとなる機関運転状態のときには燃焼室２から排出される排気ガス中のＮＯxに対するＮＯ2の目標ＮＯ2比率がほぼ５０パーセントになるように燃焼が制御される。このとき、排気ガスはバイパス通路４５内に送り込まれるのでＮＯx選択還元触媒１５に流入する排気ガス中のＮＯxに対するＮＯ2の比率はほぼ５０パーセントになる。
【００３２】
一方、酸化触媒１２が活性化しているとき、即ち酸化触媒１２におけるＮＯからＮＯ2への転換率がプラスとなる機関運転状態のときにはバイパス通路４５が閉鎖されて燃焼室２から排出された排気ガスが酸化触媒１２に流入される。このときにはＮＯx選択還元触媒１５に流入する排気ガス中のＮＯxに対するＮＯ2の比率がほぼ５０パーセントになるように燃焼が制御される。
【００３３】
次に図１０を参照しつつＥＧＲ率を制御することによってＮＯ2比率を制御するようにした場合のＮＯ2比率制御ルーチンについて説明する。
図１０を参照すると、まず初めにステップ７０において温度センサ２８により検出された酸化触媒１２の床温ＴＣが活性化温度Ｔ0よりも高いか否かが判別される。ＴＣ＞Ｔ0のときにはステップ７１に進んでバイパス通路４５が閉鎖される。次いでステップ７２では図３に示す目標ＮＯ2比率ＮＲＯが算出される。次いでステップ７３ではＮＯ2比率を目標ＮＯ2比率ＮＲＯとするのに必要な目標ＥＧＲ率が算出される。次いでステップ７４ではＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率となるようにＥＧＲ制御弁２２の開度が制御される。
【００３４】
これに対し、ステップ７０においてＴＣ≦Ｔ0であると判別されたときにはステップ７５に進んでバイパス通路４５が開通せしめられる。次いでステップ７６では目標ＮＯ2比率ＮＲＯが０．５、即ち５０パーセントとされ、次いでステップ７３に進む。従ってこのときには燃焼室２から排出される排気ガス中のＮＯxに対するＮＯ2の比率はほぼ５０パーセントとなる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【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】ＮＯ2転換率等の変化を示す図である。
【図４】ＮＯ2比率等を示す図である。
【図５】ＮＯ2比率を制御するためのフローチャートである。
【図６】ＮＯ2比率等を示す図である。
【図７】ＮＯ2比率を制御するためのフローチャートである。
【図８】圧縮着火式内燃機関の更に別の実施例を示す全体図である。
【図９】ＮＯ2転換率等の変化を示す図である。
【図１０】ＮＯ2比率を制御するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００３６】
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
【図１】
2008231950.tif 000003
【図２】
2008231950.tif 000004
【図３】
2008231950.tif 000005
【図４】
2008231950.tif 000006
【図５】
2008231950.tif 000007
【図６】
2008231950.tif 000008
【図７】
2008231950.tif 000009
【図８】
2008231950.tif 000010
【図９】
2008231950.tif 000011
【図１０】
2008231950.tif 000012