(57)【要約】【課題】  直列に設置された複数の触媒装置のそれぞれに適正な量の還元剤を添加する。【解決手段】  排気ガスの流速または流量に基づいて、供給ポンプ２５および電磁弁２７を制御することによって、ＮＯｘ吸蔵還元触媒装置１３とＤＰＮＲ触媒装置１５のそれぞれに、適正な量の還元剤を添加する。還元剤をＮＯｘ吸蔵還元触媒装置１３に添加するときには排気ガス空間速度ＳＶが小さいときに電磁弁２７を駆動し、ＤＰＮＲ触媒装置１５に添加するときには排気ガス空間速度ＳＶが大きいときに電磁弁２７を駆動する。【選択図】  図１
2007023807.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の触媒装置と、前記第１の触媒装置の下流側に設置された第２の触媒装置と、を備えたエンジンの排気浄化装置であって、
前記第１の触媒装置の上流側に還元剤を添加する還元剤添加手段と、
前記還元剤添加手段を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記第１および第２の触媒装置に選択的に前記還元剤を添加するために、エンジンの排気ガスの流速および流量のうち少なくともいずれか一方の値に基づいて前記還元剤添加手段を制御することを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
【請求項２】
請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置であって、
前記制御手段は、前記第１の触媒装置に添加するときには前記少なくともいずれか一方の値が第１の基準値より小さいときに前記還元剤添加手段を駆動し、前記第２の触媒装置に添加するときには前記少なくともいずれか一方の値が、前記第１の基準値より大である第２の基準値より大きいときに前記還元剤添加手段を駆動することを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒装置に還元剤を添加する機能を備えたエンジンの排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気ガスを浄化するために、各種の触媒装置が用いられている。この触媒装置に還元剤を添加することで、触媒を再生し、あるいは吸蔵した窒素酸化物を還元して浄化する技術が種々提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、吸蔵還元触媒に還元剤を添加するに際して、排気行程の中で排気ガスの流量が最小となる時期に同期して、還元剤を断続的に添加することで、少ない還元剤添加量で窒素酸化物を還元している。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−５２６８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、複数の触媒装置が直列に設置された排気系において、それらの触媒装置のそれぞれに適正な量の還元剤を添加する技術は従来存在しない。
【０００６】
そこで本発明の目的は、直列に設置された複数の触媒装置のそれぞれに適正な量の還元剤を添加することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の本発明は、第１の触媒装置と、前記第１の触媒装置の下流側に設置された第２の触媒装置と、を備えたエンジンの排気浄化装置であって、前記第１の触媒装置の上流側に還元剤を添加する還元剤添加手段と、前記還元剤添加手段を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記第１および第２の触媒装置に選択的に前記還元剤を添加するために、エンジンの排気ガスの流速および流量のうち少なくともいずれか一方の値に基づいて前記還元剤添加手段を制御することを特徴とするエンジンの排気浄化装置である。
【０００８】
還元剤添加手段から添加された還元剤は、排気ガスの流速または流量のうち少なくとも一方の値が過剰であると、触媒装置をすり抜けてその下流に排出されてしまう傾向がある。すなわち、還元剤添加手段から添加された還元剤の到達距離は、排気ガスの流速および流量のうち少なくともいずれか一方の値に依存する。第１の本発明では、制御手段が流速または流量に基づいて還元剤添加手段を制御することによって、直列に設置された複数の触媒装置のそれぞれに、適正な量の還元剤を添加することが可能になる。
【０００９】
制御手段による還元剤添加手段の制御は、第２の本発明のように、第１の触媒装置に添加するときには前記少なくともいずれか一方の値が第１の基準値より小さいときに還元剤添加手段を駆動し、第２の触媒装置に添加するときには前記少なくともいずれか一方の値が、第１の基準値より大である第２の基準値より大きいときに還元剤添加手段を駆動するようにすれば、簡易な構成によって本発明に所期の効果を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
【００１１】
図１は、本発明の第１実施形態のエンジンの排気浄化装置１を示す概略構成図である。エンジン１０は、車両用の多気筒ディーゼル内燃機関として構成されており、各燃焼室での混合気の燃焼によりピストン３を往復移動させて、不図示のクランクシャフトから動力を得るものである。
【００１２】
エンジン１０は、燃料噴射弁を気筒数に応じた数だけ有している。エンジン１０の各排気ポートには、排気マニホールド５が接続されている。
【００１３】
エンジン１０は、ターボ過給機７を備えている。ターボ過給機７は、排気経路中に設置されたタービンによって、吸気経路中に設置されたブロアを駆動することで過給を行うものである。吸気経路中であってターボ過給機７の下流側には、過給圧センサ３１、インタークーラ、および吸入空気量を調節するためのスロットルバルブが設置されている。
【００１４】
また、排気経路中であってターボ過給機７の下流側には排気管９が接続されており、排気管９の中途には、各燃焼室からの排気ガスを浄化するための酸化触媒装置１１、ＮＯｘ吸蔵還元触媒装置１３、およびＤＰＮＲ触媒装置１５がこの順に直列に設置されている。
【００１５】
酸化触媒装置１１には、白金族元素（例えばＰｔ等）やバナジウム、銅、マンガン、アルミナなどの金属元素及び金属酸化物などからなる酸化触媒が収容されている。
【００１６】
ＮＯｘ吸蔵還元触媒装置１３には、例えば、Ｐｔ／Ａｌ２Ｏ２触媒、Ｃｕ−ＺＳＭ−５触媒、ペロブスカイト系触媒、Ａｕ系触媒などからなる吸蔵還元型触媒が収容されている。ＮＯｘ吸蔵還元触媒装置１３は、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸蔵還元することができる。
【００１７】
ＤＰＮＲ触媒装置１５は、多孔質セラミック構造体に触媒物質を担持させたものであり、触媒物質としてはＮＯｘ吸蔵還元型三元触媒が用いられている。ＤＰＮＲ触媒装置１５では、リーン燃焼時には、ＰＭ（粒子状物質）が多孔質構造のセラミック構造体に一時的に捕集され、排出ガス中の酸素により酸化される。また、ＮＯｘはリーン燃焼時に触媒へいったん吸蔵され、その後瞬間的にリッチ燃焼が行われる際に、還元浄化される。またリッチ燃焼時には、吸蔵されたＮＯｘが還元される際に発生する酸素により、ＰＭが酸化浄化される。
【００１８】
ＤＰＮＲ触媒装置１５の直前および直後の排気経路９には、パイプ１７ａ，１７ｂがそれぞれ接続されており、これらパイプ１７ａ，１７ｂは差圧センサ３７に接続されている。差圧センサ３７は、ＤＰＮＲ触媒装置１５の直前と直後の圧力の差分を検出して出力する。
【００１９】
本実施形態では、還元剤として走行用の軽油燃料が用いられる。排気経路中であって酸化触媒装置１１の上流側には、還元剤添加ノズル１９が設置されている。還元剤添加ノズル１９は、パイプ２１によって燃料タンク２３に接続されており、パイプ２１には供給ポンプ２５および電磁弁２７が設けられている。供給ポンプ２５および電磁弁２７の動作により、燃料タンク２１からの燃料を還元剤として排気経路中に添加することが可能である。
【００２０】
本実施形態のエンジンの排気浄化装置１は、制御手段として機能する電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）３０を含む。ＥＣＵ３０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および、各種情報やマップ等が記憶されるバックアップＲＡＭなどの記憶装置等を含むものである。
【００２１】
このＥＣＵ３０の入力ポートには、上述の過給圧センサ３１、エンジン１０のクランクシャフトの近傍に設けられたクランク角センサ３２、エアフローメータ３３、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダルセンサ３４、スロットルバルブの開度を検出するスロットルポジションセンサ３５、触媒装置１１，１３，１５に設けられた触媒温度センサ３６、差圧センサ３７等の各種センサが、不図示のＡ／Ｄ変換器を介して接続されている。ＥＣＵ３０は、これら各センサの検出信号が入力されることによって、各検出値を取得する。また、ＥＣＵ３０の出力ポートには、供給ポンプ２５および電磁弁２７などの各種アクチュエータが、不図示のＤ／Ａ変換器を介して接続されている。
【００２２】
ＥＣＵ３０は、記憶装置に記憶されている各種マップ、基準値、設定値等を用いると共に、これらの情報および各種センサの検出値等に基づいて、動弁機構や燃料噴射弁などエンジン１０の各部のアクチュエータ類に加えて、供給ポンプ２５および電磁弁２７を制御する。特に、ＥＣＵ３０の記憶装置には、後述するしきい値th1，th2が記憶されており、これらは以下の還元剤供給処理ルーチンにおいて用いられる。
【００２３】
以上のとおり構成された本実施形態の動作の一例について説明する。本実施形態では、ＥＣＵ３０の制御によって、互いに直列に接続された複数の触媒装置であるＮＯｘ吸蔵還元触媒装置１３とＤＰＮＲ触媒装置１５とに、選択的に還元剤を添加する。図２は、本実施形態のＥＣＵ３０において実行される還元剤供給処理ルーチンを示す。この処理ルーチンは、イグニッションスイッチがＯＮされ、且つスタータの作動によりクランキングが開始されたことを条件に、予め定められた設定クランク角毎の割込みによって繰り返し実行される。
【００２４】
まず、ＥＣＵ３０は上述した各センサ、すなわち過給圧センサ３１、クランク角センサ３２、エアフローメータ３３、アクセルペダルセンサ３４、スロットルポジションセンサ３５、触媒温度センサ３６、差圧センサ３７等の検出値を読み込む（Ｓ１０）。次に、ＮＯｘ触媒スパイク条件が成立しているかが判定される（Ｓ２０）。ここにいうＮＯｘ触媒スパイク条件とは、ＮＯｘ吸蔵還元触媒装置１３に対する還元剤の添加（いわゆるリッチスパイク）を実行するか否かの条件である。この判定には、ＮＯｘ吸蔵量が還元すべき量に達していることを示す物理量（例えば、前回の添加実行からの累積運転時間や、燃料噴射量および回転数から求められる排出ＮＯｘ量の前回の添加実行からの積算値）、およびＮＯｘ吸蔵還元触媒がＮＯｘを還元可能な程度に活性化していることを示す物理量（例えば、触媒温度センサ３６の検出値）がそれぞれ所定値を上回っていることを、任意の組合せで条件として用いることができ、ステップＳ２０では該条件が満たされた場合に肯定される。
【００２５】
ＮＯｘ触媒スパイク条件が成立している場合には、ステップＳ２０で肯定され、供給ポンプ２５に対する起動指令信号が出力されると共に（Ｓ３０）、排気ガス空間速度ＳＶの算出が行われる（Ｓ４０）。この排気ガス空間速度ＳＶは、排気ガスの単位時間あたりの流量［ｌ／ｓｅｃ］で定義される空間速度（Space Velocity）であって、ＮＯｘ吸蔵還元触媒装置１３を通じた還元剤（燃料）の透過し易さに関連するパラメータである。排気ガスの流量は、クランク角センサ３２の検出から算出されるエンジン回転数および現在のクランク角に基づき、所定の推定演算によって算出することができる。なお、排気ガスの流量の推定には、過給圧センサ３１、エアフローメータ３３、アクセルペダルセンサ３４、スロットルポジションセンサ３５などの検出値に基づいて算出される燃料噴射量および吸入空気量を考慮することができる。
【００２６】
次に、算出された排気ガス空間速度ＳＶが、所定のしきい値th1より小であるかを判定する（Ｓ５０）。このしきい値th1は、還元剤添加ノズル１９から添加された還元剤が、ＮＯｘ吸蔵還元触媒装置１３をすり抜けて下流側に排出されるか否かの境界となる流速の値から所定の余裕量を減じた値である。すなわち、図３に示されるように、排気ガス空間速度ＳＶがしきい値th1を下回っている間（例えば、taからtbまでの間）に還元剤を添加すれば、還元剤は標的とするＮＯｘ吸蔵還元触媒装置１３に到達することになる。このステップＳ５０の判断は、排気ガス空間速度ＳＶがしきい値th1を下回るまでの間繰り返し実行され、その間はシステムが待機状態となる。
【００２７】
そして、ステップＳ５０で肯定の場合には、電磁弁２７が駆動されて、ＮＯｘ触媒スパイク、すなわちＮＯｘ吸蔵還元触媒装置１３に対するＮＯｘ還元のための還元剤の添加が行われる（Ｓ６０）。このＮＯｘ触媒スパイクは、排気ガス空間速度ＳＶがしきい値th1に達するまでの間、あるいは供給される還元剤の量が所定の添加量に達するまでの間、継続して行われる。ＮＯｘ触媒スパイクの終了後、供給ポンプ２５に対する停止指令信号が出力される（Ｓ７０）。
【００２８】
ステップＳ２０で否定の場合、およびステップＳ７０で供給ポンプ２５に対する停止指令がされた場合には、次に、ＤＰＮＲ触媒スパイク条件が成立しているかが判定される（Ｓ８０）。ここにいうＤＰＮＲ触媒スパイク条件とは、ＤＰＮＲ触媒装置１５に対する還元剤の添加（いわゆるリッチスパイク）を実行するか否かの条件である。この判定には、ＮＯｘ吸蔵量が還元すべき量に達していることを示す物理量（例えば、前回の添加実行からの累積運転時間、燃料噴射量および回転数から求められる供給ＮＯｘ量の前回の添加実行からの積算値）、触媒がＮＯｘを還元可能な程度に活性化していることを示す物理量（例えば、触媒温度センサ３６の検出値）、ＰＭ堆積量が焼却処理を必要とする量に達していることを示す物理量（例えば、差圧センサ３７の検出値）がそれぞれ所定値を上回っていることを、任意の組合せで条件として用いることができ、ステップＳ８０では該条件が例えば全て満たされた場合に肯定される。
【００２９】
ＤＰＮＲ触媒スパイク条件が成立している場合には、ステップＳ８０で肯定され、供給ポンプ２５に対する起動指令信号が出力されると共に（Ｓ９０）、次に、上記ステップＳ４０と同様にして、排気ガス空間速度ＳＶの算出が行われる（Ｓ１００）。
【００３０】
次に、算出された排気ガス空間速度ＳＶが、所定のしきい値th2より大であるかを判定する（Ｓ１１０）。このしきい値th2は、還元剤添加ノズル１９から添加された還元剤が、ＮＯｘ吸蔵還元触媒装置１３をすり抜けて、ＤＰＮＲ触媒装置１５に所定量（例えば、還元剤のうちの所定割合）以上が供給されるか否かの境界となる流速の値に所定の余裕量を加えた値である。すなわち、図３に示されるように、排気ガス空間速度ＳＶがしきい値th2を上回っている間（例えば、tcからtdまでの間）に還元剤を添加すれば、添加された還元剤のうちの少なくとも所定量が、標的とするＤＰＮＲ触媒装置１５に到達することになる。このステップＳ１１０の判断は、排気ガス空間速度ＳＶがしきい値th2を上回るまでの間繰り返し実行され、その間はシステムが待機状態となる。
【００３１】
そして、ステップＳ１１０で肯定の場合には、電磁弁２７が駆動されて、ＤＰＮＲ触媒スパイク、すなわちＤＰＮＲ触媒装置１５に対する吸蔵されたＮＯｘの還元のための還元剤の添加が行われる（Ｓ１２０）。このＤＰＮＲ触媒スパイクは、排気ガス空間速度ＳＶがしきい値th2を下回るまでの間、あるいは供給される還元剤の量が所定の添加量に達するまでの間、継続して行われる。ＤＰＮＲ触媒スパイクの終了後、供給ポンプ２５に対する停止指令信号が出力される（Ｓ１３０）。
【００３２】
以上の処理の結果、本実施形態では、ＮＯｘ触媒スパイク条件およびＤＰＮＲ触媒スパイク条件のそれぞれについて、条件が成立している場合に、上流側にあるＮＯｘ吸蔵還元触媒装置１３への還元剤の供給は排気ガス空間速度ＳＶがしきい値th1より低い場合に限って行われ、また、下流側にあるＤＰＮＲ触媒装置１５への還元剤の供給は、排気ガス空間速度ＳＶがしきい値th2より高い場合に限って行われることになる。
【００３３】
以上のとおり、本実施形態では、還元剤添加手段から添加された還元剤の到達距離が、排気ガス空間速度ＳＶに依存することを考慮して、ＥＣＵ３０が排気ガスの流速または流量に基づいて供給ポンプ２５および電磁弁２７を制御することによって、直列に設置された複数の触媒装置１３，１５のそれぞれに、適正な量の還元剤を添加することが可能になる。
【００３４】
また、本実施形態では、還元剤をＮＯｘ吸蔵還元触媒装置１３に添加するときには排気ガス空間速度ＳＶがしきい値th1より小さいときに還元剤添加手段を駆動し、ＤＰＮＲ触媒装置１５に添加するときには排気ガス空間速度ＳＶが、しきい値th1より大であるしきい値th2より大きいときに還元剤添加手段を駆動するようにしたので、簡易な構成によって本発明に所期の効果を実現することができる。
【００３５】
なお、上記実施形態では、本発明をある程度の具体性をもって説明したが、本発明については、特許請求の範囲に記載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。すなわち、本発明は特許請求の範囲およびその等価物の範囲および趣旨に含まれる修正および変更を包含するものである。例えば、上記実施形態では、制御の基準として排気ガス空間速度ＳＶを用いたが、本発明で制御の基準として用いられるパラメータは、流量と流速との所定の重み付け和など、流速および流量のうち少なくともいずれか一方であればよく、このような構成によっても本発明に所期の効果を相当程度に実現することができる。また上記実施形態では、第１および第２の触媒装置につき共通のパラメータを制御の基準として用いたが、本発明では第１および第２の触媒装置につき互いに異なるパラメータを制御の基準として用いてもよい。また、上記実施形態ではリッチスパイクを吸蔵されたＮＯｘの還元のために利用したが、触媒昇温のために利用してもよい。
【００３６】
また、上記実施形態では、しきい値th2をしきい値th1よりも大としたが、本発明における第１および第２の基準値は同じ値であってもよいし、逆にしきい値th2をしきい値th1よりも小としてもよい。
【００３７】
また、上記実施形態では、ＮＯｘ吸蔵還元触媒装置１３とＤＰＮＲ触媒装置１５とに選択的に還元剤を添加することとし、いずれの場合にも酸化触媒装置１１を単に還元剤を昇温させ気化を促進させるために利用したが、本発明は、互いに直列に接続された３個以上の触媒装置への還元剤の選択的添加にも利用することができる。すなわち、本発明における還元剤の添加は、例えば、酸化触媒装置１１、ＮＯｘ吸蔵還元触媒装置１３とＤＰＮＲ触媒装置１５に選択的に行うことも可能である。また、本発明における触媒装置は上記実施形態の組合せに限らず、従来公知の各種の触媒装置およびその組合せを用いることができる。
【００３８】
また、上記実施形態では還元剤添加ノズル１９を用いたが、本発明における還元剤添加手段としては燃料を燃焼室内に噴射する燃料噴射弁を利用することができる。その場合には、例えば燃料を圧縮上死点後に噴射（ポスト噴射）するのが特に好適である。また、上記実施形態では還元剤として走行用の軽油燃料を利用することとしたが、走行用の燃料以外の物質を還元剤として用いてもよい。
【００３９】
また、上記実施形態では本発明をディーゼルエンジン車に適用した例について説明したが、本発明はガソリンエンジン車や気体燃料エンジン車にも適用することができる。さらに、本発明は車両用以外のエンジンについても適用することができ、かかる構成も本発明の範疇に属するものである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１実施形態のエンジンの排気浄化装置を示す全体概要図である。
【図２】第１実施形態における還元剤供給処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図３】第１実施形態における排気ガスの流速と還元剤の添加タイミングとの関係を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
【００４１】
１        エンジンの排気浄化装置
５        排気マニホールド
７        ターボ過給機
９        排気経路
１１      酸化触媒装置
１３      ＮＯｘ吸蔵還元触媒装置
１５      ＤＰＮＲ触媒装置
１９      還元剤添加ノズル
２５      電磁弁
２７      供給ポンプ
３０      ＥＣＵ（電子制御ユニット）
【図１】
2007023807.tif 000003
【図２】
2007023807.tif 000004
【図３】
2007023807.tif 000005