JP2008069663A

JP2008069663A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2008069663A
Application number: JP2006247136A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Kitano; 康司北野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-09-12
Filing date: 2006-09-12
Publication date: 2008-03-27

Abstract

【課題】含酸素量の異なる燃料を使用する場合であっても、排気ガスを所望する温度および空燃比に容易に制御すること。
【解決手段】エンジン１の排気系４０に設けられた吸蔵還元型ＮＯｘ触媒４１と、排気ガス中に使用燃料の一部を噴射添加する還元剤添加弁１７とを備え、還元剤添加弁１７の燃料添加量を制御することにより排気ガスを浄化する内燃機関の排気浄化装置において、使用燃料の酸素濃度を検出する燃料酸素濃度センサ１９と、所定の標準燃料（軽油）を基準としたときに等発熱量となる使用燃料の噴射割合または理論空燃比とするのに必要な使用燃料の噴射割合を当該使用燃料の酸素濃度に応じて算出する噴射割合算出手段と、を更に備え、この噴射割合算出手段によって算出された噴射割合に基づいて還元剤添加弁１７の燃料添加量を補正するようにした。
【選択図】図１

Description

この発明は、希薄燃焼可能な内燃機関の排気系内であって当該排気系内に設けられたＮＯｘ触媒上流に還元剤を供給し、排気中の有害成分の浄化を促す内燃機関の排気浄化装置に関し、更に詳しくは、含酸素量の異なる燃料を使用する場合であっても、排気ガスを所望する温度および空燃比に容易に制御できる内燃機関の排気浄化装置に関する。

近年、自動車等に搭載される内燃機関では、排気エミッションを向上させることが要求されている。すなわち、内燃機関から排気ガスを大気中に放出する前に、排気ガス中に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等のガス成分を浄化もしくは除去することを要求されている。

ディーゼルエンジンや、希薄燃焼可能なガソリンエンジンでは、高い空燃比（リーン雰囲気）の混合気を燃焼に供して機関運転を行う運転領域が、全運転領域の大部分を占める。この種のエンジンでは一般に、リーン雰囲気でＮＯｘを吸収することのできるＮＯｘ触媒が排気系に備えられている。

ＮＯｘ触媒は、排気中の還元成分濃度が低い状態ではＮＯｘを吸収し、排気中の還元成分濃度が高い状態ではＮＯｘを放出する特性を有している。排気中に放出されたＮＯｘは、排気中にＨＣやＣＯ等の還元成分が存在していれば、それらと速やかに反応して窒素に還元される。

また、ＮＯｘ触媒が吸蔵できるＮＯｘの量には限界量（飽和量）が存在し、当該触媒がその飽和量を上回るＮＯｘを吸蔵している場合には、排気中の還元成分濃度が低い状態にあってもそれ以上ＮＯｘを吸収しなくなる。

そこで、従来の内燃機関の排気浄化装置にあっては、内燃機関の排気系に還元剤を供給するための添加弁を備え、当該ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量が所定量に達する前に、当該ＮＯｘ触媒に流入する排気に還元剤を所定インターバルで繰り返し添加する制御が行われている。

このように添加弁を通じて排気系に還元剤が供給されると、その還元剤は排気中の還元成分濃度を高め、ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＮＯｘを放出および還元浄化するとともに、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収能力を回復させる。

したがって、ＮＯｘ触媒に流入する排気中の還元成分を所望の時期に増量することができ、ＮＯｘ触媒の排気浄化効率を常に高く維持することが可能となる。

なお、軽油を燃料とする圧縮着火式のディーゼルエンジンでは、上記ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ等に加え、排気ガス中に含まれる煤や，ＳＯＦ（Solbule Organic Fraction）等の粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）を浄化もしくは除去することを要求されている。

このように、排気エミッションを向上させるために種々の従来技術が提供されているが、その他の例として、たとえばつぎの従来技術が公知である。すなわち、還元剤として与える燃料の性状によらずに高いＮＯx 転化率を得るために、内燃機関の排気通路に排気ガスを浄化する触媒を有し、この触媒に還元剤を供給する還元剤供給手段を有する排気ガス処理装置において、内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、触媒に供給する還元剤の性状を検出する性状検出手段とを有し、検出された運転状態と還元剤の性状とに応じて、触媒に供給する還元剤の量を制御する技術が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

また、燃料中に含まれる酸素成分量にかかわらず常にサルフェートの生成量を抑制して、排気ガス浄化とサルフェート生成量低減の両立を図るべく、つぎの従来技術が公知である。すなわち、内燃機関の排気管内に酸化能を有する触媒と、排気ガスがその触媒側に流入することを防止するバイパス通路および切換弁とを備えた内燃機関の排気浄化装置において、燃料中に酸素が含まれるか否かを検出する含酸素検出手段と、その含酸素検出手段によって燃料中に含まれる酸素量が多いと判断した時には上記切換弁によって上記バイパス通路のみに排気ガスを流入させる切換弁制御手段とを備えた技術が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。

特開２０００−１７９３３５号公報特開平１１−３５０９４３号公報

上記ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ等を含む排気ガスを浄化する場合、触媒の温度や空燃比を所定値に制御することが重要である。しかしながら、従来の内燃機関の排気浄化装置は、燃料中に酸素が存在すると、噴射量に対する発熱量や理論空燃比が標準燃料（たとえば、ガソリンや軽油）の場合と異なるため、また触媒温度センサや空燃比センサによるフィードバック制御を全ての運転状態（たとえば、ＮＯｘ還元、ＰＭ再生、Ｓ再生等）では実施していないため、排気ガスを所望する温度および空燃比に制御できないという課題があった。

また、近年では、エネルギー対策や環境対策等の観点から、ガソリンや軽油等の標準燃料に対する代替燃料としてアルコールや、いわゆるバイオ燃料等の含酸素燃料も注目されており、これらの燃料を使用可能な内燃機関の開発も要請されている。この場合にも、燃料中の酸素の存在により、上記と同様の理由で、排気ガスを所望する温度および空燃比に制御できないという課題が生じ得る。

したがって、含酸素量の異なる燃料を使用する場合であっても、排気ガスを所望する温度および空燃比に容易に制御できる手段の提供が望まれていた。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、含酸素量の異なる燃料を使用する場合であっても、排気ガスを所望する温度および空燃比に容易に制御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。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気系に設けられ、排気ガス中の還元成分濃度が高くなるとＮＯｘの還元反応を促す特性を備えたＮＯｘ触媒と、前記排気系を通じて前記ＮＯｘ触媒に流入する前記排気ガス中に使用燃料の一部を還元剤として噴射添加する燃料添加手段と、を備え、前記燃料添加手段の燃料添加量を制御することにより前記排気ガスを浄化する内燃機関の排気浄化装置において、前記使用燃料の酸素濃度を検出する燃料酸素濃度検出手段と、所定の標準燃料を基準としたときに等発熱量となる前記使用燃料の噴射割合または理論空燃比とするのに必要な前記使用燃料の噴射割合を前記使用燃料の酸素濃度に応じて算出する噴射割合算出手段と、を更に備え、前記噴射割合算出手段によって算出された前記噴射割合に基づいて前記燃料添加手段の燃料添加量を補正することを特徴とするものである。

この発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、含酸素量の異なる燃料を使用する場合であっても、標準燃料の場合と同様に、排気ガスを所望する温度および空燃比に容易に制御することができる。

以下に、この発明に係る内燃機関の排気浄化装置の実施例をディーゼルエンジンシステムに適用した例について図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、この発明の実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用したディーゼルエンジンシステムを示す概略構成図である。図１に示すように、内燃機関（以下、エンジンと記す。）１は、燃料供給系１０、燃焼室２０、吸気系３０および排気系４０等を主要部として構成される直列４気筒のディーゼルエンジンシステムである。

燃料供給系１０は、燃料タンク１８、メイン燃料通路Ｐ０、サプライポンプ１１、コモンレール１２、燃料噴射弁１３、遮断弁１４、還元剤添加弁（燃料添加手段）１７、機関燃料通路Ｐ１および添加燃料通路（燃料添加手段）Ｐ２等を備えて構成されている。また、燃料タンク１８には、燃料の酸素濃度を検出する燃料酸素濃度センサ（燃料酸素濃度検出手段）１９が設けられている。

サプライポンプ１１は、燃料タンク１８からメイン燃料通路Ｐ０を介して汲み上げた燃料を高圧にし、機関燃料通路Ｐ１を経てコモンレール１２に供給する。コモンレール１２は、サプライポンプ１１から供給された高圧燃料を所定圧力に蓄圧し、各燃料噴射弁１３に分配する。電磁弁である燃料噴射弁１３は、燃焼室２０内に燃料を噴射供給する。

また、サプライポンプ１１は、燃料タンク１８から汲み上げた燃料の一部を添加燃料通路Ｐ２を介して還元剤添加弁１７に供給する。遮断弁１４は、必要時に添加燃料通路Ｐ２を遮断し、燃料供給を停止する。

なお、添加燃料通路Ｐ２には調量弁（図示せず）も設けられている。この調量弁は、還元剤添加弁１７に供給する燃料の圧力（燃圧）を制御する。電磁弁である還元剤添加弁１７は、還元剤として機能する燃料を、適宜量、適宜タイミングで排気系４０の吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（ＮＯｘ触媒）４１上流に添加供給する。

また、吸気系３０は、各燃焼室２０内に供給される吸入空気の通路（吸気通路）を形成するものである。排気系４０は、各燃焼室２０から排出される排気ガスの通路（排気通路）を形成するものである。

また、エンジン１には、その排気により吸気を過給するターボチャージャ５０を備えている。ターボチャージャ５０に設けられたインタークーラ３１は、過給によって昇温した吸入空気を強制冷却する。このインタークーラ３１よりも下流に設けられたスロットル弁３２は、いわゆる電子スロットルであり、吸入空気の供給量を調整する。

また、エンジン１には、吸気系３０と排気系４０をバイパスし、排気の一部を吸気系３０に戻すＥＧＲ通路６０が設けられている。ＥＧＲ通路６０には、排気流量を調整するＥＧＲ弁６１と、排気を冷却するためのＥＧＲクーラ６２が設けられている。

また、排気系４０は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒４１と、その下流側に設けられた酸化触媒４２とを備えている。吸蔵還元型ＮＯｘ触媒４１は、排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸蔵し、排気ガス中の酸素濃度が低下するとともに還元雰囲気で吸蔵したＮＯｘを放出し還元するためのものである。

また、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒４１の温度が比較的低い場合等においては、還元剤添加弁１７による添加燃料が吸蔵還元型ＮＯｘ触媒４１をすり抜けてしまう場合があるが、酸化触媒４２によりこれを確実に酸化することができる。

また、エンジン１の各部位には、吸気量を検出するエアフロメータ７２、排気中の酸素濃度を検出する空燃比センサ７３、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒４１の上流側と下流側の排気温度を検出する排気温センサ７４ａ，７４ｂ、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒４１の上流側と下流側との圧力差を検出する圧力センサ７５が設けられている。

また、図示を省略するが、エンジン１の各部位には、コモンレール１２内の燃料の温度と圧力を検出する温度センサおよび圧力センサ、エンジン１のクランク軸回転を検出するクランクポジションセンサ、吸気温度を検出する吸気温センサ、吸気圧力を検出する吸気圧センサ、アクセルペダルの踏込み量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ、スロットル弁３２の開度を検出するスロットルポジションセンサ、エンジン１の冷却水温を検出する水温センサ等が設けられている。

図示しない電子制御装置であるＥＣＵは、上記各種センサの検出信号を外部入力回路を介して入力し、これらの信号に基づき燃料噴射弁１３や還元剤添加弁１７の開閉制御等、エンジン１の運転状態に関する各種制御を実施する。このＥＣＵは、後述する噴射割合の算出手段として機能するとともに、その噴射割合に基づいて還元剤添加弁１７の燃料添加量を補正する手段としても機能するものである。

つぎに、本実施例に係る制御方法について図４に基づいて図１〜図３を参照しつつ説明する。ここで、図４は、制御方法を示すフローチャートである。なお、排気浄化のための基本制御は、公知技術とほぼ同様であるので重複説明を省略し、相違点を説明する。

また、図２は、燃料の酸素濃度と発熱量比率の関係を示すグラフであり、軽油（所定の標準燃料）を基準としたときに等発熱量となる使用燃料の噴射割合を当該使用燃料の含酸素量（酸素濃度）に応じて算出したマップである。なお、グラフ中には、標準燃料である軽油の他、バイオ燃料、有機系燃料、アルコール類の燃料も示してある。

また、図３は、燃料の酸素濃度と理論空燃比の関係を示すグラフであり、軽油を基準としたときに理論空燃比とするのに必要な使用燃料の噴射割合を当該使用燃料の含酸素量（酸素濃度）に応じて算出したマップである。なお、グラフ中には、標準燃料である軽油の他にアルコール類の燃料を示してある。

これら図２および図３の縦軸のａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅは、軽油を１（基準値）とした場合の所定の数値（比率）を示している。また、横軸のｗｔ１，ｗｔ２，ｗｔ３は、含酸素量（重量パーセント）を示す所定の数値である。図２および図３を比較して分かるように、等発熱量の差による噴射割合の変化のグラフ（図２）と、理論空燃比の差による噴射割合の変化のグラフ（図３）は、ほぼ同一となっている。

すなわち、図２および図３から分かるように、使用燃料の含酸素量が増加すると、軽油と等発熱量となる使用燃料の噴射割合も増加し、また理論空燃比とするのに必要な使用燃料の噴射割合もほぼ同一の曲線に沿って増加している。

したがって、使用燃料の含酸素量が分かれば、これらのうちのいずれかのマップ（図２または図３）を用いることにより、当該含酸素量に対応する噴射割合に基づいて、還元剤添加弁１７からの燃料添加量を容易に補正（噴射割合を増加させる）することができる。

すなわち、本実施例に係る制御方法は、上記ＥＣＵによって実行され、図４に示すように、燃料タンク１８の燃料酸素濃度センサ１９によって使用燃料の含酸素量を検出する（ステップＳ１０）。

つぎに、この含酸素量に対応する噴射割合を、たとえば図２に示したマップから求め、この噴射割合を、基準となる軽油の場合の燃料添加量に乗じることにより、還元剤添加弁１７からの燃料添加量を補正することができる（ステップＳ２０）。

そして、この補正された燃料添加量を還元剤添加弁１７から噴射する（ステップＳ３０）。これにより、含酸素量の異なる燃料を使用する場合、あるいは燃料の含酸素量が変化した場合であっても、軽油の場合と同等の発熱量（触媒温度）を得ることができ、リッチガスを吸蔵還元型ＮＯｘ触媒４１に供給することができる。

以上のように、この実施例に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、含酸素量の異なる燃料を使用する場合であっても、軽油の場合と同様に、排気ガスを所望する温度および空燃比に容易に制御することができる。

なお、上記実施例においては、本発明をディーゼルエンジンシステムに適用し、標準燃料を軽油とするものとして説明したが、これに限定されず、たとえば、ガソリンエンジンに適用し、標準燃料をガソリンとしてもよい。この場合、ガソリンの含酸素量を検出すれば、排気ガスを所望する温度および空燃比に容易に制御することができるので、触媒温度センサや空燃比センサによる複雑なフィードバック制御を不要とすることができる。

以上のように、この発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、希薄燃焼可能な内燃機関の排気系内であって当該排気系内に設けられたＮＯｘ触媒上流に還元剤を供給し、排気中の有害成分の浄化を促すのに有用であり、特に、含酸素量の異なる燃料を使用する場合であっても、排気ガスを所望する温度および空燃比に容易に制御することを目指す内燃機関に適している。

この発明の実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用したディーゼルエンジンシステムを示す概略構成図である。燃料の酸素濃度と発熱量比率の関係を示すグラフである。燃料の酸素濃度と理論空燃比の関係を示すグラフである。制御方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１エンジン（内燃機関）
１０燃料供給系
１７還元剤添加弁（燃料添加手段）
１８燃料タンク
１９燃料酸素濃度センサ（燃料酸素濃度検出手段）
２０燃焼室
３０吸気系
４０排気系
４１吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（ＮＯｘ触媒）
７３空燃比センサ
７４ａ、７４ｂ排気温センサ
Ｐ０メイン燃料通路
Ｐ１機関燃料通路
Ｐ２添加燃料通路（燃料添加手段）

Claims

内燃機関の排気系に設けられ、排気ガス中の還元成分濃度が高くなるとＮＯｘの還元反応を促す特性を備えたＮＯｘ触媒と、
前記排気系を通じて前記ＮＯｘ触媒に流入する前記排気ガス中に使用燃料の一部を還元剤として噴射添加する燃料添加手段と、
を備え、前記燃料添加手段の燃料添加量を制御することにより前記排気ガスを浄化する内燃機関の排気浄化装置において、
前記使用燃料の酸素濃度を検出する燃料酸素濃度検出手段と、
所定の標準燃料を基準としたときに等発熱量となる前記使用燃料の噴射割合または理論空燃比とするのに必要な前記使用燃料の噴射割合を前記使用燃料の酸素濃度に応じて算出する噴射割合算出手段と、
を更に備え、
前記噴射割合算出手段によって算出された前記噴射割合に基づいて前記燃料添加手段の燃料添加量を補正することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。