(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気管に酸素過剰雰囲気の還元剤存在下でＮＯｘを還元するリーンＮＯｘ触媒及び該触媒に流入する排気ガスに還元剤を供給する還元剤供給装置を備え、該還元剤供給装置は液体状の還元剤を供給する供給通路と該通路から供給された液体状の還元剤を排気管内に噴射する噴射手段からなる内燃機関の還元剤供給装置において、前記噴射手段下流側の排気管内に温度センサを設け、該温度センサから検出された温度に応じて還元剤供給装置の詰まり度合いを検出する詰まり検出手段を備えたことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関から排出される酸素過剰状態下の排気ガス中のＮＯｘを浄化するための還元剤供給装置であって、さらには、この還元剤供給装置の詰まりを検出する異常検出に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
酸素過剰状態下の排気ガス中に含まれる酸化窒素（以下、ＮＯｘ）を浄化するＮＯｘ触媒を機関排気通路内に備えた内燃機関の排気ガス浄化装置が知られている。ＮＯｘ触媒は予め定められた温度範囲で高いＮＯｘ浄化率を示す。従って、ＮＯｘ触媒は、その温度が上記予め定められた温度範囲にある時に、排気ガス中の還元剤（一般的には炭化水素即ちＨＣが用いられており、以下ＨＣとする）によりＮＯｘを窒素へ還元してＮＯｘを浄化する。即ち、高いＮＯｘ浄化率を確保するには、排気ガス中のＨＣ濃度をＮＯｘ量及び排気ガス温度に応じた最適な濃度にすることが好ましい。例えば、特開平０５−１１３１１６号公報には、排気ガス中のＮＯｘ濃度、触媒温度に応じて最適なＨＣ濃度となるようにＨＣ供給装置によってＨＣを排気ガス中に添加するＨＣ供給装置およびＨＣ供給制御が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＨＣを供給し続けると、排気ガスの熱によりＨＣ供給装置内の供給通路上に一部のＨＣが固体化（即ち、デポジットが堆積する）してＨＣ添加壁面に付着し、しいてはＨＣ供給装置内の通路を詰まらせるという問題があった。そこで、ＨＣ供給装置内の通路の何れかで詰まりが発生したかを検出するため、実際に排気管中に所望のＨＣが噴射されたか否かを検出することが望まれていた。しかし、この供給されたＨＣは排気管内で排気ガスと混合されており、ＨＣ量を正確に検出することができなかった。
従って、本発明の目的は、ＨＣが液体から気体になったときに生じる吸熱作用を利用して添加されたＨＣ量を推定することで、ＨＣ添加装置の詰まりを検出する異常検出装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１によれば、内燃機関の排気管に酸素過剰雰囲気の還元剤存在下でＮＯｘを還元するリーンＮＯｘ触媒及び該触媒に流入する排気ガスに還元剤を供給する還元剤供給装置を備え、該還元剤供給装置は液体状の還元剤を供給する供給通路と該通路から供給された液体状の還元剤を排気管内に噴射する噴射手段からなる内燃機関の還元剤供給装置において、前記噴射手段下流側の排気管内に温度センサを設け、該温度センサから検出された温度に応じて還元剤供給装置の詰まり度合いを検出する。
上記発明により、還元剤供給装置内の液体状の還元剤が排気ガス中に添加される時、この液体から気体になる時に生じる吸熱作用で生じた排気ガス温度変化を検出し、この変化量から還元剤供給装置内の詰まり度合いを検出する。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、１は機関本体、２はピストン、３は燃焼室、４は点火栓、５は吸気弁、６は吸気ポート、７は排気弁、８は排気ポートを夫々示す。吸気ポート６は対応するインテークマニホルド９を介してサージタンク１０に連結され、各インテークマニホルド９には夫々吸気ポート６内に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁１１が取り付けられる。サージタンク１０は吸気ダクト１２を介してエアクリーナ１３に連結され、吸気ダクト１２内にはスロットル弁１４が配置される。一方、排気ポート８はエキゾーストマニホルド１５及び排気管１６を介してリーンＮＯｘ触媒１７を内蔵したケーシング１８に接続される。ここで、リーンＮＯｘ触媒１７とは、遷移金属あるいは貴金属を担持せしめたゼオライトからなり、酸化雰囲気中、ＨＣの存在下で排気ガス中のＮＯｘを還元する選択還元型ＮＯｘ触媒、又はアルミナ担体上にアルカリ金属、アルカリ土類、希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金のような貴金属とが担持され、酸素過剰下でＮＯｘを吸収し、酸素低下時吸収されたＮＯｘを放出して排気ガス中のＨＣと還元させる吸蔵還元型ＮＯｘ触媒等が考えられる。このリーンＮＯｘ触媒１７の上流側の排気管１６には還元剤供給装置であるＨＣ供給弁１９が設けられている。さらに、ＨＣ供給弁１９へ液状のＨＣを供給する通路３０、３１及び三方弁３３が設けられ、液状のＨＣはＨＣ供給弁１９内のノズルによって気化されて排気管１６の排気ガス中へ噴射添加される。尚、ＨＣは図示しない燃料タンクからポンプによって通路３０へ供給され、三方弁３３によって必要な量のみ通路３１へ供給し残りは通路３２によって燃料タンクへリターンされる。ここで、このシステムでの還元剤即ちＨＣはディーゼルエンジンの場合軽油、ガソリンエンジン場合ガソリンとなるが、これに限られるものではなく、予めＨＣタンクを備えたシステムであってもよい。本明細書において『上流』および『下流』という用語は排気管１６内を流れる排気ガスの流れに対するものであり、また本発明は、主にディーゼルエンジンまたはリーンバーンエンジンのような酸素を過剰に含む排気ガスを排出する内燃機関に適用される。
【０００６】
電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり双方向性バス４１を介して相互に接続されたＲＯＭ（リードオンメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５および出力ポート４６を具備する。サージタンク１０内にはサージタンク１０内の絶対圧ＰＭに比例した出力電圧を発生する圧力センサ２８が取り付けられ、この圧力センサ２８の出力電圧がＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。また、入力ポート４５には機関本体１のクランクシャフトが例えば３０度回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ３０が接続される。ＣＰＵ４４ではこの出力パルスに基づいて機関本体１の機関回転数が算出される。更に、ＨＣ供給弁１９の上流側には排気ガス温度に比例した出力電圧を発生する上流側温度センサ３２が取り付けられ、この上流側温度センサ３２の出力電圧はＡＤ変換器４８を介して入力ポート４５に入力される。ＨＣ供給弁１９の下流側にもＨＣ供給弁１９から噴射されたばかりのＨＣ温度を加味した排気ガス温度に比例した出力電圧を発生する下流側温度センサ３４が取り付けられ、この下流側温度センサ３４の出力電圧はＡＤ変換器４９を介して入力ポート４５に入力される。尚、下流側温度センサ３４の位置は、ＨＣ供給弁１９から噴射されたばかりのＨＣ温度を加味した排気ガス温度を検出するためＨＣ供給弁１９の近傍且つＨＣ噴射方向に設けている。一方、出力ポート４６は駆動回路５０を介してＨＣ供給弁１９から噴射されるＨＣ量を制御するため、三方弁３３の開度量を制御している。
【０００７】
リーンＮＯｘ触媒１７は予め定められた温度範囲内において予め定められた高いＮＯｘ浄化率を示す。触媒温度とＮＯｘ浄化率との関係を示した図２にあるように本実施形態における予め定められた温度範囲Ｗは、ＮＯｘ浄化率が約３５％以上となる下限温度値Ｔ１と上限温度値Ｔ２との間の範囲である。従って、本実施形態では予め定められた高いＮＯｘ浄化率を示す温度範囲Ｗとは約３５％以上のＮＯｘ浄化率を示す温度範囲と定義される。しかしながら、これは本発明を限定するものではない。尚、図２において、最大ＮＯｘ浄化率を示す触媒温度をＴｍとする。
【０００８】
本実施形態では、リーンＮＯｘ触媒１７の温度Ｔが予め定められた温度範囲Ｗの下限温度値Ｔ１と上限温度値Ｔ２との間の範囲内であるとき、ＨＣ供給弁１９を開弁してＨＣを噴射するように三方弁３３を制御する。このＨＣ供給弁１９の開弁時間は排気ガス中のＮＯｘ量が多い程大きくなるように設定される。排気ガス中のＮＯｘ量は、例えば、以下のようにして推定する。機関回転数Ｎが高くなる程機関から単位時間当たり排出される排気ガス量が増大するので機関回転数Ｎが高くなるにつれて機関から単位時間当たり排出されるＮＯｘ量を増大する。また、機関負荷が高くなる程、即ちサージタンク１０内の絶対圧ＰＭが高くなるほど各燃焼室３から排出される排気ガス量が増大し、しかも燃焼温度が高くなるので機関負荷が高くなるほど、即ちサージタンク１０内の絶対圧ＰＭが高くなるほど機関から単位時間当たり排出されるＮＯｘ量が増大する。図３は実験により求められた単位時間当たりに機関から排出されるＮＯｘ量と、サージタンク１０内の絶対圧ＰＭ、機関回転数Ｎとの関係を示しており、図３において各曲線は同一ＮＯｘ量を示している。図３に示されるように単位時間当たり機関から排出されるＮＯｘ量はサージタンク１０内の絶対圧ＰＭが高くなるほど多くなり、機関回転数Ｎが高くなるほど多くなる。尚、図３に示したＮＯｘ量は図４に示すようなマップの形で予めＲＯＭ４２内に記憶されている。
しかしながら、一回に供給するＨＣの量の上限はＨＣが還元作用をせずにリーンＮＯｘ触媒を通過してしまわない量に設定しておく。
【０００９】
図５には本発明の実施形態に従ったＨＣ供給制御のフローチャートを示している。ステップＳ１０においては上記図３及び図４に基づいて現時点の排気ガス中のＮＯｘ量を推定している。次に、リーンＮＯｘ触媒１７の温度Ｔｓを検出し、ステップＳ１２では上記温度範囲Ｗの上限温度値Ｔ２以下か否かを判断し、ステップＳ１４では上記温度範囲Ｗの下限温度値Ｔ１以上か否かを判断する。この両判断ステップで上限温度値Ｔ２以下且つ下限温度値Ｔ１以上と判断した時にはステップＳ１６に進み、この温度範囲以外ではＨＣ供給制御を終了する。ステップＳ１６に進んだ場合には、Ｓ１０で推定されたＮＯｘ量を還元浄化させることができるＨＣ量をＨＣ供給弁１９から排気管１６内に噴射するようにＨＣ供給弁を所定期間開弁させる。この開弁期間は三方弁３３によって通路３０と通路３１とを連通する期間によって決定されるものであり、ＮＯｘ量を還元浄化させることができるＨＣ量を基に三方弁３３は制御されている。そして、ＨＣ供給弁１９からＨＣが噴射されている状態で別のルーチンＡが作動される。尚、本実施形態ではＨＣ供給弁１９の上流側に備えられた上流側温度センサ３２の温度値をリーンＮＯｘ触媒の温度Ｔｓとしている。
【００１０】
図６は本発明のポイントを示しており、第一の実施形態のＨＣ供給弁１９の異常検出のルーチンＡを示している。まず、ステップＳ２０において上流側温度センサ３２によって排気ガス温度Ｔｇを検出する。尚、温度センサを用いるのではなく内燃機関の運転状態から排気ガス温度を推定することもできる。次にステップＳ２２に進んで、ＨＣ供給弁１９の近傍且つＨＣ噴射方向に設けられた下流側温度センサ３４によってＨＣ供給弁１９から噴射されたばかりのＨＣ温度を加味した排気ガス温度Ｔｈを検出する。そして、ステップＳ２４では上記で検出したＴｇとＴｈとの温度差（Ｔｇ−Ｔｈ）が所定値Ｂ以上か否かを判断する。ここで、所定値Ｂは実験等によって予め定められた値であるが、さらにはＨＣの添加の量が多い程所定値Ｂを大きくするように変更してもよい。この判断ステップで温度差（Ｔｇ−Ｔｈ）が所定値Ｂより大きな値であると判断されたときには、排気管１６内にＨＣが正常に供給されたとして、この異常検出ルーチンＡを終了する。なお、ＨＣが正常に供給していると判断される理由は通路３１及びＨＣ供給弁１９内では液状のＨＣであり、排気管１６内にＨＣが噴射された瞬間にＨＣは液体から気体に変化し、この液体から気体になる時に周囲の熱を吸熱する気化熱によって周りの排気ガス温度が低下する。そして、ＨＣの量が多い程排気ガス温度の低下量は多くなり、上記温度差を検出することによって排気管１６内にＨＣが噴射された量を推定することができる。この判断ステップで温度差（Ｔｇ−Ｔｈ）が所定値Ｂより小さな値であると判断されたときには、上記理由によって排気管１６内に所望のＨＣ量が供給されておらず、通路３１及びＨＣ供給弁１９内で詰まり等が発生したと判断される。このときには、ステップＳ２６に進んで三方弁３３を制御してＨＣを通路３１へ供給するのを停止するとともに、ステップＳ２８によって運転手等にＨＣ供給系の詰まり異常であることを表示する。
【００１１】
図７は第二の実施形態として別のＨＣ供給弁１９の異常検出のルーチンＡを示している。まず、ステップＳ３０においてＨＣ供給弁１９の近傍且つＨＣ噴射方向に設けられた下流側温度センサ３４によってＨＣ供給弁１９から噴射していない時の排気ガス温度からＨＣ供給弁１９から噴射している時の排気ガス温度へ変化した変化量ΔＴｈを検出する。ここで、下流側温度センサ３４の位置は第一の実施形態と同様にＨＣ供給弁１９の近傍且つＨＣ噴射方向に設けられている。次に、ステップＳ３０で求められた変化量ΔＴｈ（ここでΔＴｈは絶対値）が所定値Ｃ以上か否かを判断している。ここで、所定値Ｃは実験等によって予め定められた値であるが、さらにはＨＣの添加の量が多い程所定値Ｃを大きくするように変更してもよい。この判断ステップで変化量ΔＴｈが所定値Ｃより大きな値であると判断されたときには、排気管１６内にＨＣが正常に供給されたとして、この異常検出ルーチンＡを終了する。一方、所定値Ｃ以下であれば第一の実施形態と同様な理由によって排気管１６内に所望のＨＣ量が供給されておらず、通路３１及びＨＣ供給弁１９内で詰まり等が発生したと判断される。このときには、ステップＳ３４に進んで三方弁３３を制御してＨＣを通路３１へ供給するのを停止し、ステップＳ３６へ進む。第二の実施形態では予めＨＣ供給弁１９内のノズル内又は通路３１内に付着したデポジットを燃焼除去する加熱ヒータが埋め込まれており、ステップＳ３６では所定期間加熱ヒータを作動させてデポジット等の詰まりを除去する。ステップＳ３６で所定期間加熱した後、ＨＣ供給弁１９を開弁するように三方弁３３を制御する。そして、再度ステップＳ３０に戻って異常判定を行う。
尚、本実施形態のＨＣ供給制御は第一の実施形態と同様である。
【００１２】
上記異常判定により、この液体から気体になる時に吸熱する気化熱を検出することで排気管１６内の排気ガスに添加されたＨＣ量を推定でき、ＨＣ供給弁１９及び通路３１の詰まり度合いを精度良く且つ容易に検出することができる。さらに、第二の実施形態では詰まりを検出したら加熱除去手段を備えているので、最小限の加熱エネルギで長期間ＨＣ添加を作動させることができる。
【００１３】
【発明の効果】
本発明では、還元剤が液体から気体になる時に吸熱する気化熱を検出することで排気ガスに添加された還元剤量を推定でき、還元剤添加装置内のの詰まり度合いを精度良く且つ容易に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の排気ガス浄化装置を備えた内燃機関を示す図である。
【図２】触媒温度とＨＣおよびＮＯｘの浄化率との関係を示した図である。
【図３】機関本体から排出されるＮＯｘ量を示す図である。
【図４】機関本体から排出されるＮＯｘ量を推定するためのマップを示す図である。
【図５】ＨＣ供給制御を示すフローチャートである。
【図６】第一実施形態のＨＣ供給異常検出を示すフローチャートである。
【図７】第二実施形態のＨＣ供給異常検出を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１７…ＮＯｘ触媒
１９…ＨＣ供給弁
３２…上流側温度センサ
３４…下流側温度センサ
３０、３１…通路
３２…リターン通路
３３…三方弁
【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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【図６】
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【図７】
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