(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスが流通する排気管の途中にＮＯｘ還元触媒を装備し、該ＮＯｘ還元触媒より上流側で排気ガスに対し必要量の還元剤を添加し得るよう構成した内燃機関の排気浄化装置であって、ターボチャージャとしてバリアブルジオメトリーターボチャージャを採用し、該バリアブルジオメトリーターボチャージャのタービン側ノズルベーンを傾動するアクチュエータに対し開度増減指令を出力して排気ガス温度がＮＯｘ還元触媒の活性温度域となるように吸入空気量を制御し且つ排気ガス温度がＮＯｘ還元触媒の耐久限界温度に達した際に直ちにアクチュエータに向けノズルベーンの開度を絞る一定角度減指令を出力する制御装置を備えたことを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
ＮＯｘ還元触媒の入口付近における排気ガス温度を検出する温度センサと、内燃機関の回転数を検出する回転センサと、内燃機関の負荷を検出する負荷センサとを備え、これら温度センサと回転センサと負荷センサとからの検出信号に基づき内燃機関の運転状態と現在の排気ガス温度とを照らし合わせて開度増減指令を出力し得るように制御装置を構成したことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばディーゼルエンジン等の内燃機関に適用される排気浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりディーゼルエンジン等の内燃機関においては、排気ガスが流通する排気管の途中にＮＯｘ還元触媒を装備し、該ＮＯｘ還元触媒より上流側で排気ガスに対し必要量の還元剤を添加し得るように構成したものがある。
【０００３】
通常、この種のＮＯｘ還元触媒としては、例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）等の担体上に白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）等から選ばれた少なくとも一つを担持させてなるものが用いられ、還元剤としては、軽油等が用いられており、排気ガス中のＮＯｘと還元剤とをＮＯｘ還元触媒を介し還元反応させることでＮＯｘの排出濃度を低減するようにしている。
【０００４】
そして、内燃機関の回転数と負荷とを検出して排気ガスのＮＯｘ排出量を推定し、その推定された排気ガスのＮＯｘ排出量に応じ還元剤の添加量を算出すると共に、ＮＯｘ還元触媒上流側に設置した温度センサにより排気ガス温度を検出し、その検出温度がＮＯｘ還元触媒の活性温度域となった時に、前記算出した必要量の還元剤を添加するように作動されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上に述べた如き従来の排気浄化装置にあっては、ＮＯｘ還元触媒に入る排気ガスの温度が内燃機関の回転数や負荷等により上下し、変化する排気ガス温度に従って制御するようにしていた為、限られた運転状態でしかＮＯx低減効果が得られないという問題があった。
【０００６】
本発明は、上述の実情に鑑みてなされたものであり、排気ガス温度をＮＯｘ還元触媒の活性温度域となるよう積極的に制御してＮＯｘ低減効果の向上を図ることを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、排気ガスが流通する排気管の途中にＮＯｘ還元触媒を装備し、該ＮＯｘ還元触媒より上流側で排気ガスに対し必要量の還元剤を添加し得るよう構成した内燃機関の排気浄化装置であって、ターボチャージャとしてバリアブルジオメトリーターボチャージャを採用し、該バリアブルジオメトリーターボチャージャのタービン側ノズルベーンを傾動するアクチュエータに対し開度増減指令を出力して排気ガス温度がＮＯｘ還元触媒の活性温度域となるように吸入空気量を制御し且つ排気ガス温度がＮＯｘ還元触媒の耐久限界温度に達した際に直ちにアクチュエータに向けノズルベーンの開度を絞る一定角度減指令を出力する制御装置を備えたことを特徴とするものである。
【０００８】
このようにターボチャージャとしてバリアブルジオメトリーターボチャージャを採用すると、タービン側ノズルベーンの開度を大きく開くことによりタービンにおける排気ガスの旋速を下げ、これによりタービンの回転数を下げてコンプレッサ側における吸入空気量を減少したり、或いは、これとは反対に、ノズルベーンの開度を小さく絞ることによりタービンにおける排気ガスの旋速を上げ、これによりタービンの回転数を上げてコンプレッサ側における吸入空気量を増加したりすることが可能となる。
【０００９】
そして、排気ガスの温度がＮＯｘ還元触媒の活性温度域を下まわっているような場合に、タービン側ノズルベーンを傾動するアクチュエータに対し開度増減指令を出力し、ノズルベーンの開度を大きく開けて吸入空気量を減少すれば、インタークーラで冷却された吸気の内燃機関への導入量が減らされて排気ガスの温度が結果的に上がり、逆に排気ガスの温度がＮＯｘ還元触媒の活性温度域を上まわっているような場合に、ノズルベーンの開度を絞って吸入空気量を増加すれば、インタークーラで冷却された多量の吸気により排気ガスの温度が結果的に下がるので、該排気ガスの温度をＮＯｘ還元触媒の活性温度域に入るように調整することが可能となる。
また、排気ガス温度がＮＯｘ還元触媒の耐久限界温度に達した時点で、直ちにノズルベーンの開度が一定角度分だけ絞られて吸入空気量が増加され、これにより排気ガス温度が急激に下げられるので、ＮＯｘ還元触媒への過剰な熱負担が緊急回避されることになる。
【００１０】
また、本発明においては、ＮＯｘ還元触媒の入口付近における排気ガス温度を検出する温度センサと、内燃機関の回転数を検出する回転センサと、内燃機関の負荷を検出する負荷センサとを備え、これら温度センサと回転センサと負荷センサとからの検出信号に基づき内燃機関の運転状態と現在の排気ガス温度とを照らし合わせて開度増減指令を出力し得るように制御装置を構成することが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１から図４に示す図面を参照しながら詳細に説明すると、図１は本発明に係る排気浄化装置を実施する形態の一例を示し、図中１はディーゼル機関であるエンジン本体を示し、該エンジン本体１は、ターボチャージャとしてバリアブルジオメトリーターボチャージャ２（以下ではＶＧＴと略称する）を備えており、エアクリーナ３から導いた吸気４を吸気管５を介し前記ＶＧＴ２のコンプレッサ２ａへ送り、該コンプレッサ２ａで加圧された吸気４を更にインタークーラ６へ送って冷却し、該インタークーラ６から図示しないインテークマニホールドへと吸気を導いてエンジン本体１の各気筒に導入するようにしてある。
【００１４】
また、このエンジン本体１の各気筒には、燃料ポンプ７により図示しない燃料タンクからの液体燃料（軽油）を供給して燃焼させるようにしてあり、エンジン本体１の各気筒から排出された排気ガス８をエキゾーストマニホールド９を介し前記ＶＧＴ２のタービン２ｂへ送り、該タービン２ｂを駆動した排気ガス８を排気管１０を介し車外へ排出するようにしてある。
【００１５】
前記排気管１０におけるマフラ１１より上流側の中途部には、ＮＯｘ還元触媒１２が抱持されていると共に、該ＮＯｘ還元触媒１２の上流側には、還元剤タンク１３から還元剤１４（軽油）を導く還元剤供給管１５が接続されており、この還元剤供給管１５は、その途中に具備した供給ポンプ１６の駆動により逆止弁１７を介し還元剤１４を導いて前記ＮＯｘ還元触媒１２の上流側で排気ガス８に還元剤１４を添加し得るように構成されている。
【００１６】
前記エンジン本体１には、その機関回転数を検出する回転センサ１８が装備されており、該回転センサ１８からの回転数信号１８ａと、燃料ポンプ７に付設された負荷センサ１９（燃料の噴射量を検出するセンサ）からの負荷信号１９ａとが制御装置２０に入力されて排気ガス８のＮＯｘ排出量が推定されるようになっている。
【００１７】
一方、制御装置２０においては、推定された排気ガス８のＮＯｘ排出量に応じた還元剤１４の添加量が算出されて、その添加量に見合う還元剤１４の供給を指令する還元剤噴射指令１６ａが還元剤供給管１５の供給ポンプ１６に向け出力されるようになっている。
【００１８】
そして、前記排気管１０におけるＮＯｘ還元触媒１２の入口付近には、該ＮＯｘ還元触媒１２に入る排気ガス８の温度を検出する温度センサ２１が装備されており、該温度センサ２１からの温度信号２１ａが前記制御装置２０に入力され、この温度信号２１ａから判る触媒入口温度と、前述した回転数信号１８ａ及び負荷信号１９ａから判断されるＮＯｘ排出量とを照らし合わせて、触媒入口温度をＮＯｘ還元触媒１２の活性温度域に調整し得るようなＶＧＴ２のタービン２ｂにおけるノズルベーンの開度ｘ1が算出され、該ノズルベーンを傾動するアクチュエータ２２に向けて開度増減指令２２ａが出力されるようになっている。
【００１９】
即ち、ＶＧＴ２は、従来周知であるように、タービン２ｂのノズルベーンをアクチュエータ２２により傾動することで前記ノズルベーンの開度を調整できるようになっており、例えばノズルベーンの開度を大きく開くと、ＶＧＴ２のタービン２ｂにおける排気ガス８の旋速が下がり、これによりタービン２ｂの回転数が下がってコンプレッサ２ａ側における吸入空気量が減少し、反対にノズルベーンの開度を絞ると、ＶＧＴ２のタービン２ｂにおける排気ガス８の旋速が上がり、これによりタービン２ｂの回転数が上がってコンプレッサ２ａ側における吸入空気量が増加するようになっている。
【００２０】
そこで、温度センサ２１により検出される排気ガス８の温度がＮＯｘ還元触媒１２の活性温度域（約３５０℃〜４５０℃の範囲）を下まわっているような場合に、ノズルベーンの開度を開けて吸入空気量を減少すれば、インタークーラ６で冷却された吸気４のエンジン本体１への導入量が減らされて該エンジン本体１の各気筒から排出される排気ガス８の温度が結果的に上がり、逆に排気ガス８の温度がＮＯｘ還元触媒１２の活性温度域を上まわっているような場合に、ノズルベーンの開度を絞って吸入空気量を増加すれば、インタークーラ６で冷却された多量の吸気４によりエンジン本体１の各気筒から排出される排気ガス８の温度が結果的に下がるので、該排気ガス８の温度をＮＯｘ還元触媒１２の活性温度域に入るように調整することが可能となる。
【００２１】
制御装置２０における具体的な制御フローは、図２にステップＳ１〜Ｓ１０に示す通りであり、先ずステップＳ１で温度センサ２１により排気ガス８の温度が検出されると、その温度がＮＯｘ還元触媒１２の活性温度域内であるか否かがステップＳ２で判定され、その判定がＹＥＳである場合に、ステップＳ３へと進んで回転センサ１８及び負荷センサ１９により検出されたエンジン本体１の回転数と負荷とが取り込まれ、これらをもとに推定される排気ガス８のＮＯｘ排出量に応じた還元剤１４の添加量がステップＳ４にて算出され、次いで、ステップＳ５にて還元剤噴射指令１６ａが還元剤供給管１５の供給ポンプ１６に向け出力され、必要量の還元剤１４がＮＯｘ還元触媒１２の上流側で排気ガス８に添加されるようになっている。
【００２２】
一方、ステップＳ２における判定がＮＯであった場合には、ステップＳ６に進んで排気ガス８の温度が耐久限界温度の５００℃より低いか否かが判定され、その判定がＹＥＳである場合に、ステップＳ７へと進んで回転センサ１８及び負荷センサ１９により検出されたエンジン本体１の回転数と負荷とが取り込まれ、これらをもとに判断されるＮＯｘ排出量と現在の排気ガス８の温度とを照らし合わせてステップＳ８にて触媒入口温度をＮＯｘ還元触媒１２の活性温度域に調整し得るようなＶＧＴ２のノズルベーン開度ｘ1が算出され、次いで、ステップＳ９にてＶＧＴ２のアクチュエータ２２に向けて開度増減指令２２ａが出力される。
【００２３】
ここで、ステップＳ８にてノズルベーン開度ｘ1を算出するに際しては、例えばＮＯｘ還元触媒１２の活性温度域内における最活性温度（約４００℃程度）に排気ガス８の温度が調整されるようにノズルベーンの開度ｘ1を算出することが好ましい。
【００２４】
尚、エンジン本体１の運転状態によっては、排気ガス８の温度がＮＯｘ還元触媒１２の活性温度域を大幅に下まわっているようなケースがあり、単にノズルベーン開度ｘ1を開けて吸入空気量を減少するだけでは対応しきれないケースも当然にして起こるので、吸入空気量の減少で対応できないケースであると判断された場合には、排気ガス８の温度制御を考慮しない従来通りの開度を算出して出力するようにすれば良い。
【００２５】
更に、ステップＳ６における判定がＮＯであった場合には、ステップＳ１０に進んでＶＧＴ２のノズルベーンの開度を絞る方向に一定角度分だけ傾動する一定角度減指令２２ａ’がＶＧＴ２のアクチュエータ２２に向けて出力される。
【００２６】
従って、このようにＶＧＴ２のタービン２ｂのノズルベーン開度を調整して吸入空気量を制御すると、排気ガス８の温度をＮＯｘ還元触媒１２の活性温度域となるよう積極的に制御することができるので、従来において排気ガス８の温度不足により還元剤１４が供給されていなかった運転状態でもＮＯｘが低減されることになり、ＮＯｘ低減効果を従来より大幅に向上することができ、しかも、排気ガス８の温度がＮＯｘ還元触媒１２の耐久限界温度に達した時点で、直ちにＶＧＴ２のノズルベーンの開度が一定角度分だけ絞られて吸入空気量が増加され、これにより排気ガス８の温度が急激に下げられるので、ＮＯｘ還元触媒１２への過剰な熱負担を緊急回避することができる。
【００２７】
また、以上は従来と同じＮＯｘ還元触媒１２の活性温度域（約３５０℃〜４５０℃の範囲）を基準として制御装置２０のステップＳ２で排気ガス８の温度を判定する場合を説明したが、ステップＳ２における判定基準を厳しくして最活性温度付近の狭い温度範囲で排気ガス８の温度を判定するようにすれば、図３に示すように、日本ディーゼル自動車１３モードとして［１］〜［１３］の項目に分けられた公的な各種の運転モードに対し、実線で示した吸入空気量を制御しない場合の触媒入口温度の分布曲線が二点鎖線で示すように改善され、運転モード［９］〜［１２］の比較的広い範囲に亘り触媒入口温度を活性温度域に維持することが可能となる。
【００２８】
そして、図４に示すように、吸入空気量を制御しない場合に運転モード［１０］［１１］［１２］で確認されたＮＯｘ低減率よりも、吸入空気量を制御した場合の方が運転モード［１０］［１１］［１２］の何れにおいても優れたＮＯｘ低減率となり、しかも、吸入空気量を制御しない場合に確認できなかった運転モード［９］においても優れたＮＯｘ低減率となる。
【００２９】
尚、本発明の排気浄化装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、図示する例では、ＮＯｘ還元触媒の上流側に還元剤タンクから還元剤を導く還元剤供給管を接続して供給ポンプの駆動により還元剤を添加する場合を例示したが、コモンレール式の燃料ポンプによる後噴射（膨張行程又は排気行程での燃料噴射）で還元剤を添加するように構成しても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００３０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、この発明に係る排気浄化装置によれば、下記のような種々の優れた効果を奏する。
【００３１】
本発明の請求項１及び２に記載の発明によれば、排気ガス温度をＮＯｘ還元触媒の活性温度域となるよう積極的に制御することができるので、従来において排気ガス温度の不足により還元剤が供給されていなかった運転状態でもＮＯｘが低減されることとなり、ＮＯｘ低減効果を従来より大幅に向上することができ、しかも、排気ガス温度がＮＯｘ還元触媒の耐久限界温度に達した時点で、直ちに吸入空気量を増加して排気ガス温度を急激に下げることができるので、ＮＯｘ還元触媒への過剰な熱負担を緊急回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。
【図２】図１の制御装置の制御フローを示すフローチャートである。
【図３】触媒入口温度と運転モードとの関係を示すグラフである。
【図４】ＮＯｘ低減率と運転モードとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１          エンジン本体（内燃機関）
２          バリアブルジオメトリーターボチャージャ
２ｂ        タービン
８          排気ガス
１０          排気管
１２          ＮＯｘ還元触媒
１４          還元剤
１８          回転センサ
１８ａ        回転数信号（検出信号）
１９          負荷センサ
１９ａ        負荷信号（検出信号）
２０          制御装置
２１          温度センサ
２１ａ        温度信号（検出信号）
２２          アクチュエータ
２２ａ        開度増減指令
２２ａ’      一定角度減指令
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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