(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気系に設けられて、排気ガスのパティキュレート中の不溶性成分を主に浄化する第１酸化触媒と、
前記第１酸化触媒よりも下流側の排気系に設けられて、排気ガスのパティキュレート中の可溶性有機成分を主に浄化する第２酸化触媒と、
パティキュレートの排出量の低減が要求される内燃機関の運転状態において、前記内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射ノズルから主燃料を噴射した後に、前記可溶性有機成分の割合を増加させるように制御された追加燃料を噴射する追加燃料噴射手段とを有する内燃機関の排気浄化装置であって、
前記第２酸化触媒よりも下流側の排気系に設けられて、還元剤の存在下で排気ガス中のＮＯｘを浄化する選択還元型ＮＯｘ触媒と、
前記内燃機関の運転状態に応じて、前記選択還元型ＮＯｘ触媒よりも上流側の排気系に還元剤を供給する還元剤供給手段とを備えた
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、
更に、前記排気系から前記内燃機関の吸気系に排気ガスを還流する排気ガス還流装置を備え、
前記選択還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化効率が所定値未満の運転状態においては、前記還元剤供給手段の作動を停止または抑制すると共に前記排気ガス還流装置を作動させ、前記ＮＯｘ浄化効率が所定値以上の運転状態においては、前記還元剤供給手段を作動させると共に前記排気ガス還流装置の作動を停止または抑制させる
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置において、
前記追加燃料噴射手段が、前記燃料噴射ノズルからの主燃料の噴射後に、追加燃料の噴射を開始する追加燃料噴射手段である
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンから排出される排気ガスには、ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）及びＰＭ（Particulate Matter：パティキュレート）等の汚染物質が含まれる。これらの物質による大気汚染を抑制するため、ＥＧＲ（排気ガス還流）及びコモンレール式高圧燃料噴射などの燃焼技術、又は酸化触媒、選択還元型ＮＯｘ触媒などによる後処理技術が開発されている。
【０００３】
我々は既に、前記汚染物質のなかでもＰＭの低減を目的として、特願２００２−７６８４１号に記載の排気ガス浄化装置を提案している。
【０００４】
ＰＭは、「すす」を主成分とするＩＮＳＯＬ成分（不溶性成分）と潤滑油、硫酸ミスト等を主成分とするＳＯＦ成分（可溶性有機成分）とからなり、本出願人は前述の出願において、前記コモンレール式高圧燃料噴射の技術を利用した追加燃料の噴射（以下、「アフタ噴射」という）により、ＰＭ中のＩＮＳＯＬ成分とＳＯＦ成分との割合をコントロールする技術を提案している。前記提案の技術では、前述したＰＭ中の各成分のコントロール技術と前記各成分に対応した触媒との組み合わせにより、ＰＭの低減を図っている。
【０００５】
すなわち、前記提案の技術では、エンジンの排気系に、ＩＮＳＯＬ成分を浄化するＩＮＳＯＬ低減触媒とＳＯＦ成分を浄化するＳＯＦ低減触媒とを直列に、かつＩＮＳＯＬ低減触媒がエンジン側となるように設置している。更に、前記アフタ噴射によりＳＯＦ成分の割合を増加させたＰＭを含む排気ガスが当該触媒により浄化されるようにした。
【０００６】
これにより、ＩＮＳＯＬ低減触媒において、ＩＮＳＯＬ低減触媒の通常の浄化作用と共にＳＯＦ成分等の酸化及び燃焼作用を利用してＩＮＳＯＬ成分を低減させた後、ＳＯＦ低減触媒において、ＩＮＳＯＬ低減触媒で浄化されなかったＳＯＦ成分を浄化することができるため、ＰＭ総量の十分な低減が可能となっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記提案の技術では、酸化触媒（ＩＮＳＯＬ、ＳＯＦ低減触媒）によりＰＭを低減すると共に、ＨＣ、ＣＯをも十分に浄化することができる。しかしながら、酸化触媒ではＮＯｘを浄化することができない。
【０００８】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、排気ガス中のＰＭ、ＨＣ、ＣＯ等の浄化はもちろんのこと、ＮＯｘをも十分に浄化することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明では、内燃機関の排気系に、パティキュレート中の不溶性成分を主に浄化する第１酸化触媒と可溶性有機成分を主に浄化する第２酸化触媒とを直列に、かつ第１酸化触媒がエンジン側となるように設置し、パティキュレートの排出量の低減が要求される内燃機関の運転状態において、前記内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射ノズルから主燃料を噴射した後に前記可溶性有機成分の割合を増加させるように制御された追加燃料を噴射する追加燃料噴射手段を備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記第２酸化触媒よりも下流側の排気系に、還元剤の存在下でＮＯｘを浄化する選択還元型ＮＯｘ触媒と、前記選択還元型ＮＯｘ触媒よりも上流側の排気系に還元剤を供給する還元剤供給手段とを備えた。前記「パティキュレートの排出量の低減が要求される内燃機関の運転状態」とは、例えば、低回転・低負荷の運転状態のときをいう。
これにより、大気へ排出される排気ガス中のＰＭと共に、ＮＯｘをも大幅に低減することができる。
【００１０】
また、請求項２に係る発明では、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、更に前記排気ガス還流装置を備え、前記選択還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化効率が所定値未満の運転状態においては、前記還元剤供給手段の作動を停止または抑制すると共に前記排気ガス還流装置を作動させ、前記ＮＯｘ浄化効率が所定値以上の運転状態においては、前記還元剤供給手段を作動させると共に前記排気ガス還流装置の作動を停止または抑制させるようにした。
これにより、前記排気ガス還流装置の作動により増加するＰＭの排出を抑制することができるため、どのような運転状態においても排気ガスの浄化を更に十分に行うことができる。
【００１１】
また、請求項３に係る発明では、請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記追加燃料噴射手段が、前記燃料噴射ノズルからの主燃料の噴射後に、追加燃料の噴射を開始するようにした。具体的には、主燃料噴射開始時期から２０°〜５０°ＣＡ後に追加燃料の噴射を開始すればよい。当該追加燃料の噴射タイミングにより、可溶性有機成分を適正に増加させることができるため、請求項１に記載の発明において説明したような、ＰＭ及びＮＯｘの低減という二つの効果を更に効果的にすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。
【００１４】
図１は、本発明の実施例に係る内燃機関の排気浄化装置の概略平面図である。同図に示すように、エンジン２の各気筒３には燃料噴射ノズル４が設けられ、各燃料噴射ノズル４は共通のコモンレール５に接続されている。コモンレール５には図示していない燃料噴射ポンプから高圧燃料が圧送され、この高圧燃料は各燃料噴射ノズル４の開弁に応じた任意の噴射量及び噴射時期で各気筒３に噴射されるようになっている。このコモンレール式の燃料噴射では、主燃料の噴射後に追加燃料を噴射するいわゆるアフター噴射が容易であり、これにより、後述するように、ＰＭ中のＩＮＳＯＬ成分とＳＯＦ成分との割合を制御することができる。
【００１５】
更に、エンジン２のエキゾーストマニホールド６とインテークマニホールド７との間には排気ガス還流装置であるＥＧＲ８が設けられ、エンジン２の排気ガスの一部が排気系から吸気系に循環するようになっている。排気ガス中のＮＯｘの大部分は高温燃焼により発生するサーマルＮＯｘであり、ＥＧＲ８による排気ガス還流により、排気ガス中の不活性で比熱が大きい成分の存在により燃焼温度が低下し、排気ガス中に含まれるＮＯｘの量を低減することができる。
【００１６】
エンジンＥＣＵ１４の主な機能は、これらのエンジン周辺装置を制御しエンジン２の運転の最適化を図ることであるが、後述するように、本実施例においては排気系の各種触媒をもコントロールしている。
【００１７】
エンジン２のエキゾーストマニホールド６から始まる排気系には、第１酸化触媒であるＩＮＳＯＬ低減触媒９が設けられ、このＩＮＳＯＬ低減触媒９の下流側には、第２酸化触媒であるＳＯＦ低減触媒１０が設けられている。
【００１８】
ＩＮＳＯＬ低減触媒９は、ＰＭ中の不溶性成分であるＩＮＳＯＬ成分を主として浄化する機能を有する一方、可溶性有機成分であるＳＯＦ成分に対する酸化機能をも有している。当該ＩＮＳＯＬ低減触媒９としては、特開平７−２４２６０号公報、特開平７−６８１７６号公報、特開平９−１８７６５５号公報、特開２００１−４１０２２号公報等に記載の触媒を任意に使用でき、例えば、超強酸成分を主成分とした触媒、あるいは銅の酸化物、酸化セリウム、ゼオライト等を主成分とした触媒を使用することができる。
【００１９】
また、ＳＯＦ低減触媒１０は、強力な酸化力を持ち、ＳＯＦ成分を主として浄化する機能を有する。当該ＳＯＦ低減触媒１０としては、例えば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の貴金属を主成分とする触媒を使用することができる。
【００２０】
更に、ＳＯＦ低減触媒１０の下流側には、還元剤供給手段であるユリア添加インジェクタ１１及び選択還元型ＮＯｘ触媒であるＳＣＲ触媒１２が設けられており、還元剤であるユリア水がユリアタンク１３からユリア添加インジェクタ１１によりＳＣＲ触媒１２の上流側に供給されるようになっている。ＳＣＲ触媒１２の上流側に供給されたユリア水は、加水分解反応により、二酸化炭素とアンモニアに分解され、アンモニアはＳＣＲ触媒１２の触媒表面に吸着する。ここで、ＳＣＲ触媒１２は、当該アンモニアの存在下、例えば「４ＮＯ＋４ＮＨ3 ＋Ｏ2 →４Ｎ2 ＋６Ｈ2 Ｏ」及び「２ＮＯ＋２ＮＯ2 ＋４ＮＨ3 →４Ｎ2 ＋６Ｈ2 Ｏ」等の反応により、排気ガス中のＮＯｘを浄化している。ＳＣＲ触媒１２としては、例えばバナジア系（Ｖ2 Ｏ5 ／ＴｉＯ2 ）やクロミア系（Ｃｒ2 Ｏ3 ／ＴｉＯ3 ）等が良く知られている。
【００２１】
以上より、各気筒３で発生した排気ガスは、エキゾーストマニホールド６から排出された後、一部はＥＧＲ８により吸気系に循環されるが、それ以外はＩＮＳＯＬ低減触媒９、ＳＯＦ低減触媒１０、ＳＣＲ触媒１２において浄化された後、図示していない消音器（マフラー）を経て大気に排出される。
【００２２】
図２は、本実施例にかかる内燃機関の排気浄化装置を制御するブロックの構成図である。エンジンＥＣＵ１４は、当該ＥＣＵ１４に入力されるアクセル開度１５及びエンジン回転速度１６等の情報に基づいて、主としてエンジン２を運転する制御装置であるが、本実施例においては排気浄化装置１をも制御するようになっている。すなわち、同図に示すように、エンジンＥＣＵ１４は、アクセル開度１５及びエンジン回転速度１６の入力情報に基づいて、主燃料噴射１８及び適宜アフタ噴射１９を行う燃料噴射ノズル４、ＥＧＲ８、ユリア水の供給２０をコントロールするコントロールユニット１７を制御している。
【００２３】
エンジンＥＣＵ１４による排気浄化装置１の制御には、エンジン２の回転速度及び負荷（主燃料の噴射量）が比較的小さい低回転・低負荷の運転状態と、回転速度及び負荷が比較的大きい高回転又は高負荷の運転状態とにより、二つのパターンに分けられる。
【００２４】
図３は、アフタ噴射と運転状態との関係図である。同図に示すように、前述するような比較的低回転・低負荷の運転状態ではアフタ噴射を実行する一方、比較的高回転又は高負荷の運転状態ではアフタ噴射を抑制または停止する。
【００２５】
また、図４は、ＥＧＲの作動及びユリア水の供給と運転状態との関係図である。図４に示すように、比較的低回転・低負荷の運転状態であるＡ領域ではＳＣＲ触媒１２へのユリア水の供給を抑制または停止すると共に、ＥＧＲ８を作動させる。一方、比較的高回転又は高負荷の運転状態であるＢ領域では、ユリア水の供給を行うと共にＥＧＲ８の作動を抑制または停止させる。
【００２６】
まず、エンジン２の運転状態が比較的低回転・低負荷の場合を簡単に説明する。この場合には、前述したように、主燃料の噴射に続いてアフタ噴射を行うと共に、ＳＣＲ触媒１２へのユリア水の供給を抑制または停止し、かつＥＧＲ８を作動させる。すなわち、アフタ噴射１９により、ＳＯＦ成分の多いＰＭを含む排気ガスとし、ＩＮＳＯＬ低減触媒９とＳＯＦ低減触媒１０とにより排気ガス中のＰＭを効率よく浄化させる。更に、当該酸化触媒において浄化されなかったＮＯｘをＳＣＲ触媒１２により浄化させるが、低回転・低負荷の運転状態では排気ガスの温度が低いため、ＳＣＲ触媒１２のＮＯｘ浄化率が低い。そこで、ユリア水の供給を抑制または停止することにより、積極的にはＳＣＲ触媒１２のＮＯｘ浄化を行わない代わりに、ＥＧＲ８を作動させることにより予め排気ガスに含まれるＮＯｘ量を低減させておく。
【００２７】
次に、エンジンの運転状態が比較的高回転又は高負荷の場合を簡単に説明する。この場合には、前述したように、アフタ噴射を抑制または停止すると共に、ＳＣＲ触媒１２にユリア水を供給し、かつＥＧＲ８の作動を抑制または停止させる。すなわち、高回転又は高負荷の運転状態では排気ガスの温度が高く、ＳＣＲ触媒１２は十分なＮＯｘ浄化能を有する。このため、ＥＧＲ８を作動させ積極的にＮＯｘ発生を抑制するということは行わずに、ＮＯｘ浄化は主としてＳＣＲ触媒１２により行う。
【００２８】
以上の制御により、比較的低回転・低負荷の状態から高回転又は高負荷の状態まで、あらゆる運転状態において、排気ガス中のＰＭと共にＮＯｘを大幅に低減させることができる。
【００２９】
詳細に説明すると以下のとおりである。
前記アフタ噴射により、ＰＭ中のＩＮＳＯＬ成分とＳＯＦ成分との比率をコントロールすることができる。主燃料噴射が圧縮行程上死点前後で開始されるのに対して、アフタ噴射の開始時期はメイン噴射の後に設定されている。エンジン負荷等に応じて主燃料噴射の噴射時期が制御されるので、この点を考慮してアフタ噴射の開始時期が設定される。具体的には主燃料噴射開始時期から２０°〜５０°ＣＡ後にアフタ噴射が開始される。
【００３０】
前述するタイミングのいずれかの時期でアフタ噴射を開始することにより、燃焼室内の高温の雰囲気下において、追加燃料の一部が緩やかに燃焼し、主燃料の燃焼により生じたＩＮＳＯＬ成分の一部を再燃焼させることができるため、ＩＮＳＯＬ成分の量を低減することができる。更に、残存中の火炎に直接追加燃料が衝突する場合とは異なるため、ＰＭ中のＳＯＦ成分の割合を増加させることができる。
【００３１】
前述するようにして、アフタ噴射の制御によりＳＯＦ成分の割合が増加したＰＭは、排気系に設けられた二つの酸化触媒を通過する際に、以下のようにして効率よく浄化される。まず、ＩＮＳＯＬ低減触媒９において、酸化され易いＳＯＦ成分の存在により触媒の浄化作用が促進されＩＮＳＯＬ成分が効果的に浄化される。次に、ＳＯＦ低減触媒１０において、ＩＮＳＯＬ低減触媒９により浄化されずに通過したＳＯＦ成分、ＨＣ及びＣＯを浄化する。これにより、大気へのＰＭの排出量を大幅に低減することができる。
【００３２】
すなわち、ＩＮＳＯＬ低減触媒９においては、通常の浄化作用によるＩＮＳＯＬ成分の浄化と共に、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ及びアフタ噴射で増加したＳＯＦ成分の酸化作用による残存ＩＮＳＯＬ成分の浄化が行われる。更に、ＩＮＳＯＬ低減触媒９を通過したＳＯＦ成分は下流側のＳＯＦ低減触媒１０により確実に浄化される。これにより、排気ガス中のＰＭを効果的に低減することが可能となる。
【００３３】
一方、排気ガス中のＮＯｘは前記酸化触媒では浄化することができないため、更に下流側に設けられたＳＣＲ触媒１２により浄化する。しかしながら、特定の温度以上で浄化性能が急激に向上するＳＣＲ触媒１２は、エンジン２の運転状態が低回転・低負荷の状態では、排気ガスの温度が低いためＮＯｘ浄化性能が十分でない一方、エンジン２が高回転又はエンジン２に高い負荷が加わるような運転状態では、排気ガスが高温となるため、高いＮＯｘ浄化性能を発揮するという性質を持つ。
【００３４】
前述するように、ＳＣＲ触媒１２のＮＯｘ浄化効率が所定値未満の運転状態である低回転・低負荷状態においては、ＳＣＲ触媒１２に還元剤を供給しても、十分なＮＯｘ浄化作用が得ることができない。従って、この場合には、ユリア水の供給を停止または抑制する一方、ＥＧＲ８を作動させてＮＯｘの発生そのものを抑制する。また、ＳＣＲ触媒１２のＮＯｘ浄化効率が所定値以上の運転状態である高回転又は高負荷状態においては、ユリア水を供給し、ＥＧＲ８の作動を抑制または停止し、主としてＳＣＲ触媒１２によりＮＯｘを浄化する。これにより、どのような運転状態においても排気ガス中のＮＯｘを低減することができる。
【００３５】
ここで、ＥＧＲ８の作動に伴い、排気ガス中のＮＯｘの発生を抑えることができる一方、ＰＭが増加するといった問題がある。しかしながら、前述のようにＥＧＲ８を作動させる低回転・低負荷状態においては、アフタ噴射と二つの酸化触媒とによりＰＭの浄化効率が高くなっているため、ＥＧＲ８の作動によるＰＭの増加に十分対応することができようになっている。一方、高回転又は高負荷状態においては、ＥＧＲ８を作動させない分ＰＭの発生が少ないため、アフタ噴射を行わなくても、酸化触媒が通常有する浄化作用によりＰＭを十分浄化することができる。
【００３６】
更に、ＳＣＲ触媒１２単独でＮＯｘを浄化するよりも、ＳＣＲ触媒１２と酸化触媒及びアフタ噴射の制御とを組み合わせることにより、以下の理由によりＳＣＲ触媒１２の浄化効率を向上させることができる。すなわち、ＳＣＲ触媒１２の上流側に配置された酸化触媒において、ＮＯ（一酸化窒素）が酸化され、ＳＣＲ触媒１２により浄化しやすいＮＯ2 （二酸化窒素）に化学変化すると共に、ＳＯＦ成分等の反応熱により排気温度が上昇するため、ＳＣＲ触媒１２の浄化効率を向上させることができる。
【００３７】
なお、上記実施例では、エンジン２の運転状態を低回転・低負荷状態と高回転又は高負荷状態とに分けて、エンジンＥＣＵ１４により排気浄化装置１を制御する構成としたが、本発明はこれに限られるものではない。すなわち、高回転又は高負荷及び低回転・低負荷の二つの運転状態だけでなく、低回転・低負荷状態から高回転又は高負荷状態までの間の状態を段階的に規定し、アフタ噴射、ＥＧＲ作動、ユリア水供給によるＳＣＲ触媒の作動を徐々に変化させ制御してもよい。
【００３８】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、第１酸化触媒、第２酸化触媒及び追加燃料噴射手段を有する内燃機関の排気浄化装置に、更に選択還元型ＮＯｘ触媒を備えたことにより、排気ガス中に含まれるＰＭの浄化と共に、酸化触媒では浄化できないＮＯｘをも浄化することができる。
【００３９】
また、請求項２の発明によれば、第１酸化触媒、第２酸化触媒、追加燃料噴射手段及び選択還元型ＮＯｘ触媒を有する内燃機関の排気浄化装置に、更に排気ガス還流装置を備えたことにより、排気ガス中に含まれるＰＭの浄化と共に、酸化触媒では浄化できないＮＯｘをも更に効果的に浄化することができる。
【００４０】
また、請求項３の発明によれば、追加燃料噴射の噴射タイミングを主燃料の噴射後としたことにより、ＰＭ中のＩＮＳＯＬ成分とＳＯＦ成分との比率を適正にコントロールすることができるため、請求項１に記載の発明において説明したような、ＰＭ及びＮＯｘの低減という二つの効果を更に効果的にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る内燃機関の排気浄化装置の概略平面図である。
【図２】本発明の実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を制御するブロックの構成図である。
【図３】アフタ噴射と運転状態との関係図である。
【図４】ＥＧＲの作動及びユリア水の供給と運転状態との関係図である。
【符号の説明】
１  排気浄化装置
４  燃料噴射ノズル
８  ＥＧＲ
９  ＩＮＳＯＬ低減触媒
１０  ＳＯＦ低減触媒
１２  ＳＣＲ触媒
【図１】
0004007046.tif 000002
【図２】
0004007046.tif 000003
【図３】
0004007046.tif 000004
【図４】
0004007046.tif 000005