(57)【要約】【課題】ＮＯX選択還元触媒の温度にかかわらずに高いＮＯX浄化率を確保する。【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下流の機関排気通路内にＮＯX選択還元触媒１５よりも低温でＮＯXを浄化しうる酸化触媒１６を配置する。ＮＯX選択還元触媒１５がＮＯXを浄化しうる温度範囲ＴＭ内にあるときにはＮＯX選択還元触媒１５にＮＯXを還元するのに必要な尿素を供給し、ＮＯX選択還元触媒１５がＮＯXを浄化しうる温度範囲ＴＭよりも低いときには酸化触媒１６にＮＯXを還元するのに必要な尿素を供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関排気通路内に尿素を供給するための尿素供給弁を配置すると共に、該機関排気通路内に該尿素から発生したアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯXを選択的に還元可能なＮＯX選択還元触媒を配置し、該ＮＯX選択還元触媒はＮＯX選択還元触媒により定まる温度範囲内においてアンモニアによるＮＯX浄化率が許容値以上となる内燃機関の排気浄化装置において、該ＮＯX選択還元触媒下流の機関排気通路内にアンモニアによるＮＯX浄化率が上記温度範囲よりも低い温度でピークとなる酸化触媒を配置し、該ＮＯX選択還元触媒の温度が上記温度範囲内にあるときにはＮＯX選択還元触媒にＮＯX選択還元触媒において排気ガス中に含まれるＮＯXを還元するのに必要な尿素を供給し、該ＮＯX選択還元触媒の温度が上記温度範囲よりも低いときには酸化触媒に酸化触媒において排気ガス中に含まれるＮＯXを還元するのに必要な尿素を供給するようにした内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
上記ＮＯX選択還元触媒におけるＮＯX浄化率がピークとなるＮＯX選択還元触媒の温度は上記酸化触媒におけるＮＯX浄化率がピークとなる酸化触媒の温度よりも高く、上記温度範囲は該ＮＯX選択還元触媒におけるＮＯX浄化率がピークとなるＮＯX選択還元触媒の温度と該酸化触媒におけるＮＯX浄化率がピークとなる酸化触媒の温度との中間温度よりも高い温度範囲とされる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
上記尿素供給弁は上記ＮＯX選択還元触媒上流の機関排気通路内に配置されており、該ＮＯX選択還元触媒の温度が上記温度範囲内にあるときにはＮＯX選択還元触媒にＮＯX選択還元触媒において排気ガス中に含まれるＮＯXを還元するのに必要な尿素が該尿素供給弁から供給され、該ＮＯX選択還元触媒の温度が上記温度範囲よりも低いときには酸化触媒に酸化触媒において排気ガス中に含まれるＮＯXを還元するのに必要な尿素が該尿素供給弁から供給される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
上記尿素供給弁が上記ＮＯX選択還元触媒上流の機関排気通路内に配置された主尿素供給弁と該ＮＯX選択還元触媒の下流でかつ上記酸化触媒上流の機関排気通路内に配置された補助尿素供給弁からなり、該ＮＯX選択還元触媒の温度が上記温度範囲内にあるときにはＮＯX選択還元触媒にＮＯX選択還元触媒において排気ガス中に含まれるＮＯXを還元するのに必要な尿素が該主尿素供給弁から供給され、該ＮＯX選択還元触媒の温度が上記温度範囲よりも低いときには酸化触媒に酸化触媒において排気ガス中に含まれるＮＯXを還元するのに必要な尿素が該補助尿素供給弁から供給される請求項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】
機関排気通路内にＮＯX選択還元触媒を配置し、ＮＯX選択還元触媒下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を選択的に還元し、ＮＯX選択還元触媒から漏出したアンモニアを酸化触媒において酸化させ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】
この内燃機関では、酸化触媒が或る温度範囲内にあるときにはＮＯX選択還元触媒にＮＯXの還元に対し当量比以上の尿素を供給するとＮＯX還元率が増大することに注目し、このことを利用してＮＯX浄化率を高めるために酸化触媒の温度がＮＯX還元率の増大をもたらす最適温度範囲内にあるときにＮＯX選択還元触媒にＮＯXの還元に対し当量比以上の尿素を供給するようにしている。
【特許文献１】特開２００１−５００３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながらこの内燃機関ではＮＯX選択還元触媒により良好なＮＯX浄化率の得られるＮＯX選択還元触媒の最適な温度範囲については何ら考慮が払われておらず、従ってＮＯX選択還元触媒の温度がこの最適な温度範囲よりも低下したときにはＮＯX浄化率が大巾に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、機関排気通路内に尿素を供給するための尿素供給弁を配置すると共に、機関排気通路内にこの尿素から発生したアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯXを選択的に還元可能なＮＯX選択還元触媒を配置し、ＮＯX選択還元触媒はＮＯX選択還元触媒により定まる温度範囲内においてアンモニアによるＮＯX浄化率が許容値以上となる内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯX選択還元触媒下流の機関排気通路内にアンモニアによるＮＯX浄化率が上述の温度範囲よりも低い温度でピークとなる酸化触媒を配置し、ＮＯX選択還元触媒の温度が上述の温度範囲内にあるときにはＮＯX選択還元触媒にＮＯX選択還元触媒において排気ガス中に含まれるＮＯXを還元するのに必要な尿素を供給し、ＮＯX選択還元触媒の温度が上述の温度範囲よりも低いときには酸化触媒に酸化触媒において排気ガス中に含まれるＮＯXを還元するのに必要な尿素を供給するようにしている。
【発明の効果】
【０００６】
ＮＯX選択還元触媒の温度にかかわらずに良好な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内には尿素供給弁１７が配置され、この尿素供給弁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。
【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。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。
【００１２】
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。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。
【００１３】
一方、ＮＯX選択還元触媒１５は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。図２に一例としてＮＯX選択還元触媒１５をＦｅゼオライトから構成した場合のＮＯX選択還元触媒１５によるＮＯX浄化率を破線で示す。図２からわかるようにＮＯX選択還元触媒１５によるＮＯX浄化率はＮＯX選択還元触媒１５の温度、即ち床温ＴＡが低下するとそれに伴なって次第に低下する。
【００１４】
一方、ＮＯX選択還元触媒１５の下流に配置されている酸化触媒１６は例えば白金からなる貴金属触媒を担持している。この酸化触媒１６は温度が上昇して活性化すると排気ガス中に含まれるアンモニアを酸化する酸化作用を行うが酸化触媒１６の温度が低いときにはアンモニアによってＮＯXを還元するＮＯX還元作用を行う。従って酸化触媒１６の温度が低いときには排気ガス中に含まれるＮＯXは酸化触媒１６においてアンモニアにより浄化される。図２に酸化触媒１６の温度、即ち床温ＴＢに応じて変化する酸化触媒１６によるＮＯX浄化率の変化を実線で示す。
【００１５】
さて、図２において例えばＮＯX選択還元触媒１５によるＮＯX浄化率の許容値を５０パーセントするとＮＯX浄化率が許容値以上となるＮＯX選択還元触媒１５の温度範囲、即ちＮＯX浄化に対する許容温度範囲ＴＭは図２において温度ＴＸ以上となる。このＮＯX浄化に対する許容温度範囲ＴＭはＮＯX選択還元触媒１５が定まるとそれに応じて定まる。従って別の言い方をすると、ＮＯX選択還元触媒１５はＮＯX選択還元触媒１５により定まる温度範囲ＴＭ内においてアンモニアによるＮＯX浄化率が許容値以上となると言うことができる。一方、図２に示されるように酸化触媒１６によるＮＯX浄化率はＮＯX選択還元触媒１５におけるＮＯX浄化に対する許容温度範囲ＴＭよりも低い温度でピークとなる。
【００１６】
即ち、ＮＯX選択還元触媒１５におけるＮＯX浄化率がピークとなるＮＯX選択還元触媒１５の床温ＴＡは酸化触媒１６におけるＮＯX浄化率がピークとなる酸化触媒１６の床温ＴＢよりも高く、本発明による実施例ではＮＯX選択還元触媒１５におけるＮＯX浄化に対する許容温度範囲ＴＭはＮＯX選択還元触媒１５におけるＮＯX浄化率がピークとなるＮＯX選択還元触媒１５の床温ＴＡと酸化触媒１６におけるＮＯX浄化率がピークとなる酸化触媒１６の床温ＴＢとの中間温度よりも高い温度範囲とされている。図２に示す例ではこの中間温度はＮＯX選択還元触媒１５によるＮＯX浄化率が５０パーセントとなる温度ＴＸとされている。
【００１７】
さて、本発明ではＮＯX選択還元触媒１５によるＮＯX浄化率が高いときには、即ちＮＯX選択還元触媒１５の床温ＴＡが許容温度範囲ＴＭ内にあるときにはＮＯX選択還元触媒１５において排気ガス中に含まれるＮＯXを還元するようにしている。従ってこのときにはＮＯX選択還元触媒１５にＮＯX選択還元触媒１５において排気ガス中に含まれるＮＯXを還元するのに必要な尿素が尿素供給弁１７から供給される。
【００１８】
これに対し、ＮＯX選択還元触媒１５の床温ＴＡが許容温度範囲ＴＭよりも低いときにはＮＯX選択還元触媒１５におけるＮＯXの浄化はほとんど期待できない。しかしながらこのとき酸化触媒１６においては高いＮＯX浄化率が得られる。従って本発明ではこのときＮＯXを酸化触媒１６において浄化するために酸化触媒１６に酸化触媒１６において排気ガス中に含まれるＮＯXを還元するのに必要な尿素が尿素供給弁１７から供給される。
【００１９】
このとき尿素供給弁１７から供給された尿素、実際には尿素水溶液は一部がＮＯX選択還元触媒１５に付着し、一部が酸化触媒１６に供給される。ところがこのときＮＯX選択還元触媒１５においてはほとんどＮＯXの還元作用が行われないのでＮＯX選択還元触媒１５に付着した尿素水溶液はほとんど消費されない。従ってＮＯX選択還元触媒１５への付着尿素水溶液の量は次第に増大し、終りにはＮＯX選択還元触媒１５から尿素水溶液が離脱して酸化触媒１６に流入する。従ってこのとき尿素供給弁１７から供給される尿素はこのような尿素の挙動を考慮してＮＯXを還元するのに必要な尿素量となるように制御される。
【００２０】
図３に尿素の供給制御ルーチンを示す。
図３を参照するとまず初めにステップ５０においてＮＯX選択還元触媒１５の床温ＴＡが図２に示される温度ＴＸよりも高いか否か、即ち許容温度範囲ＴＭ内であるか否かが判別される。ＴＡ＞ＴＸのときにはステップ５１に進んでＮＯX選択還元触媒１５において排気ガス中に含まれるＮＯXを還元するのに必要な尿素の供給量が算出される。次いでステップ５３では算出された尿素量に従って尿素供給弁１７から尿素が供給される。
【００２１】
これに対し、ステップ５０においてＴＡ≦ＴＸであると判断されたときにはステップ５２に進み、酸化触媒１６において排気ガス中に含まれるＮＯXを還元するのに必要な尿素の供給量が算出される。次いでステップ５３では算出された尿素量に従って尿素供給弁１７から尿素が供給される。
【００２２】
図４に圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す。この実勢例では図４に示されるようにＮＯX選択還元触媒１５上流の機関排気通路内に配置された主尿素供給弁１７ａとＮＯX選択還元触媒１５の下流でかつ酸化触媒１６上流の機関排気通路内に配置された補助尿素供給弁１７ｂからなる一対の尿素供給弁が設けられている。
【００２３】
この実施例ではＮＯX選択還元触媒１５の床温ＴＡが許容温度範囲ＴＭ内にあるときにはＮＯX選択還元触媒１５にＮＯX選択還元触媒１５において排気ガス中に含まれるＮＯXを還元するのに必要な尿素が主尿素供給弁１７ａから供給され、ＮＯX選択還元触媒１５の床温ＴＡが許容温度範囲ＴＭよりも低いときには酸化触媒１６に酸化触媒１６において排気ガス中に含まれるＮＯXを還元するのに必要な尿素が補助尿素供給弁１７ｂから供給される。
【００２４】
この実施例では酸化触媒１６に尿素を供給すべきときには酸化触媒１６に直接尿素が供給されるので酸化触媒１６において排気ガス中に含まれるＮＯXを還元するのに必要な尿素供給量を比較的簡単に算出することができるという利点がある。
【００２５】
図５に尿素の供給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６０においてＮＯX選択還元触媒１５の床温ＴＡが図２に示される温度ＴＸよりも高いか否か、即ち許容温度範囲ＴＭ内であるか否かが判別される。ＴＡ＞ＴＸのときにはステップ６１に進んでＮＯX選択還元触媒１５において排気ガス中に含まれるＮＯXを還元するのに必要な主尿素供給弁１７ａからの尿素の供給量が算出される。次いでステップ６３では算出された尿素量に従って主尿素供給弁１７ａから尿素が供給される。
【００２６】
これに対し、ステップ６０においてＴＡ≦ＴＸであると判断されたときにはステップ６２に進み、酸化触媒１６において排気ガス中に含まれるＮＯXを還元するのに必要な補助尿素供給弁１７ｂからの尿素の供給量が算出される。次いでステップ６３では算出された尿素量に従って補助尿素供給弁１７ｂから尿素が供給される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】圧縮着火式内燃機関の全体図である。
【図２】ＮＯX浄化率を示す図である。
【図３】尿素の供給を制御するためのフローチャートである。
【図４】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５】尿素の供給を制御するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００２８】
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
１７，１７ａ，１７ｂ    尿素水溶液供給弁
【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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