JP3759667B2

JP3759667B2 - Reductant addition device for exhaust gas purification catalyst

Info

Publication number: JP3759667B2
Application number: JP24134697A
Authority: JP
Inventors: 重樹大道; 尚久大山; 信也広田; 英二岩▲崎▼; 俊明田中
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 1997-09-05
Filing date: 1997-09-05
Publication date: 2006-03-29
Anticipated expiration: 2017-09-05
Also published as: JPH1181990A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジンの排ガスのような、酸素過剰の雰囲気に含まれる窒素酸化物（ＮＯx と略称する）を触媒によって浄化するＮＯx 触媒システムにおいて、炭化水素（ＨＣと略称する）のような還元剤を触媒の上流側に添加するための還元剤添加装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
過剰な酸素（空気）が含まれているディーゼルエンジンの排ガスのようなリーン雰囲気中のＮＯx を触媒によって浄化するＮＯx 触媒システムにおいて、触媒の上流側に還元剤として軽油のような燃料を添加することによって触媒のＮＯx 浄化性能を高める場合に、還元剤として添加される軽油等には、ＮＯx との間で直接に酸化還元反応を行うことができる比較的軽質のＨＣ成分（炭素数が少ない分子）と、ＮＯx の浄化には直接に関与しない比較的重質のＨＣ成分（炭素数が多い分子）とが含まれているが、後者の重質のＨＣ成分はＮＯx の浄化作用に直接に役立たないだけでなく、触媒の活性点に徐々に付着してその浄化性能を低下させる所謂「ＨＣ被毒」を生じる。
【０００３】
そこで従来技術の一つとして、特開平７−２０８１５０号公報に記載された還元剤添加装置においては、添加される液体の燃料を加熱して重質のＨＣ分子を熱分解（改質）させることにより、炭素数が少ない軽質のＨＣ分子を転換させて、その燃料を触媒の上流側へ添加することによりＮＯx 浄化率を高めている。しかしながら、この従来技術においては添加される燃料を常時加熱しているので、加熱のためのエネルギ消費が無視できない程度になるという問題がある。
【０００４】
他の従来技術として、特開平９−４４３７号公報には、触媒の上流側に供給されるＨＣの量を適正に調整してＮＯx 浄化率を高く維持するために、触媒におけるＨＣの吸着量を推定して、そのＨＣ吸着量に応じてＨＣの添加量を制御するという還元剤の添加制御の手段が開示されている。しかしながら、この従来技術では触媒に対するＨＣ被毒を回避したり、被毒した触媒の浄化性能を回復させるための緻密な制御を行うことができないので、長期間にわたってこの手段を実施すると、その間に生じたものと推定される触媒のＨＣ吸着量と、実際にＨＣの吸着によって生じたＨＣ被毒の程度との間にずれが生じてくるので、触媒のＮＯx 浄化性能を十分に引き出すために必要な最適のＨＣ添加量の制御ができなくなるという問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来技術における前述のような諸問題に対処して、適正な量のＨＣを触媒に添加供給することにより高いＮＯx 浄化性能を維持する一方、添加されるＨＣを加熱するためのエネルギ消費を最少限度に低減しながら、十分に触媒のＨＣ被毒を防止することができるような、また、既にＨＣ被毒が進行している触媒に対しても浄化能力を回復させることができるような、排ガス浄化用触媒に対する改良されたＨＣ添加装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記の課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載された排ガス浄化触媒用の還元剤供給装置を提供する。
【０００７】
本発明の排ガス浄化触媒用還元剤添加装置においては、ディーゼルエンジンのような内燃機関が排出する酸素過剰の排ガスに含まれているＮＯx を浄化する触媒に対して、その浄化作用を助けるために還元剤を添加供給するが、その還元剤を加熱する加熱手段と、その加熱手段を触媒の被毒状態によって作動させるか否かを判断する制御手段とを備えているので、添加される還元剤によって触媒に被毒が発生する恐れがある時期、及び、既に被毒が生じている場合は被毒を回復させ得る時期にのみ、制御手段によって加熱手段を作動させて還元剤を加熱する。それによって還元剤を改質して触媒の被毒を回避し、既に被毒が生じている場合は被毒を回復させることができる。このように適時においてのみ加熱手段を付勢するので、加熱手段に投入するエネルギーを最少限に抑制することができる。
【０００８】
本発明の還元剤添加装置において添加供給される還元剤は、例えば炭化水素からなる燃料であって、機関本体の燃料と同じものでよく、ディーゼルエンジン用の燃料としての軽油をそのまま使用することができる。
【０００９】
本発明においては、加熱手段を作動させる時期等を決定する制御手段に入力すべきデータの一部を検出するために、実質的に触媒の温度を検出する温度検出手段を設けることができるが、その温度検出手段は触媒に直接に取り付けられたものだけでなく、触媒への入りガス温度を検出するものや、触媒からの出ガス温度を検出するものであってもよい。
【００１０】
多くのＮＯx 浄化触媒に関して、制御手段がその触媒が被毒を受けていないか或いは被毒の程度が所定のレベルよりも低いと判断した時は、入りガス温度が２００〜２２０°Ｃの範囲にある期間だけ加熱手段を作動させる。また、触媒が所定のレベルよりも高い程度に被毒を受けていると判断した場合は、入りガス温度が２００〜２２０°Ｃの範囲にある期間に加えて、触媒の被毒の程度に応じて算出した追加期間だけ加熱手段を余分に付勢する。還元剤の加熱温度は略６００℃〜略８００°Ｃとすることができる。それによってエネルギー消費を必要最少限に抑えながら、触媒の被毒を抑制すると共に、既に被毒が生じているときはそれを回復させることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は排気系統に本発明のＨＣ添加装置を設けたディーゼルエンジン全体を概括的に示す図である。この図において、１１は例えば排気量４２００ｍｌの所謂直噴型のディーゼルエンジンである。ディーゼルエンジン１１から排出される排ガスには汚染物質のＮＯx 等が含まれている。排ガスは、例えば内径６０ｍｍの排気管１２を通って触媒コンバータ１３に流入し、その内部に収容されている体積３．４Ｌ程度の図示しない触媒を通過し、その間に無害化されて大気中へ放出される。この触媒は活性金属である白金等を多孔質のゼオライトの一種に担持させたものであって、ＮＯx はここで排ガス中のＨＣと反応して浄化される。１４は触媒コンバータ１３内へ流入する「入りガス温度」を計測する温度センサであるが、場合によっては触媒自体の温度を検出する温度センサであってもよい。
【００１２】
本発明の図示実施形態においては、ＮＯx と反応してそれを浄化するＨＣを補うために、ＨＣ添加装置が排気系統に設置されている。このＨＣ添加装置は、ディーゼルエンジン１１の燃料として図示しないタンク内に保有されている軽油の一部を、触媒コンバータ１３内の触媒から見て上流側の排気管１２内を流れる排ガス中へ添加供給するものであって、ヒータ付き添加ノズル１５、電磁弁等からなるインジェクタ１６、インジェクタ制御用電源１７、及びヒータ加熱用電源１８等から構成されている。
【００１３】
更に、触媒コンバータ１３に設けられた前述の温度センサ１４や、ディーゼルエンジン１１の運転状態を示すデータを検出するために通常設けられている図示しない幾つかのセンサ類から入力される信号を演算処理するマイクロプロセッサを含む電子式制御装置（ＥＣＵ）のような制御装置１９が設けられていて、その指令により、ＨＣ添加許容時期において所定の条件を満たした時に、ヒータ付き添加ノズル１５の図示しないヒータに対してヒータ加熱用電源１８から電力を加えることにより、添加供給される軽油を加熱して軽質化させることができる。
【００１４】
図２にヒータ付き添加ノズル１５の具体的な実施形態の構造を例示する。この例は、自動車用ディーゼルエンジンに使用されているグロープラグ２０をヒータとして排気管１２内に取り付けたものであり、インジェクタ１６から延びる軽油供給管２１の先端に形成された噴口であるノズル２２から、グロープラグ２０に向かって軽油の噴霧を噴射あるいは滴下して、グロープラグ２０に接触することによって気化させると共に、一部の重質の成分を熱分解させて軽質の成分に改質させることができるようになっている。なお、２３はヒータ（グロープラグ２０）へ電力を供給する電線を、２４はヒータ付き添加ノズル１５の取り付け部を示す。
【００１５】
図３もまたヒータ付き添加ノズル１５の他の具体的な実施形態の構造を例示するもので、この場合はアルミナ製の板に白金線を印刷して製作したヒータ２５を使用している。２６はステンレス鋼等の耐熱性の金属板からなる筒状の容器であって、その先端部分には、ノズル２２から噴射され加熱された板状のヒータ２５に触れて少なくとも一部が気化・軽質化した軽油を排気管１２内の排ガス中へ噴出させる開口２７が設けられている。
【００１６】
いずれのヒータでも、表面温度を約８００°Ｃまで昇温させることが可能であって、略同等の軽油改質効果が得られる。触媒コンバータ１３内に収容されている図示しない触媒は例えば白金系のものであって、ＮＯx 浄化温度域は２００〜３５０°Ｃ程度の範囲である。また、このような触媒では、ＨＣ添加温度が２２０°Ｃ以下の時に、比較的重質のＨＣ成分に接触すると被毒が進行することが確認されている。
【００１７】
図４及び図５に、触媒のＨＣ被毒を抑えるための本発明装置の特徴として、触媒のＨＣ被毒の状況に応じてＯＮ−ＯＦＦさせるヒータ（２０，２５）の加熱時期や、温度センサ１４によって検出される入りガス温度（或いは触媒の温度）に応じて決定される軽油の添加許容時期等の、ヒータ付き添加ノズル１５を含むＨＣ添加装置の制御条件を示す。詳細な判定の手法等は後に説明するが、触媒が未だＨＣ被毒を受けていないと判定された場合には、図４に示すような被毒の発生を抑えるための制御条件が適用される。また、被毒が既に進行していると判定された場合には、それ以上の被毒の進行を抑えるか、或いは被毒の回復を図るために図５に示すような制御条件が適用される。
【００１８】
図４及び図５はいずれも入りガス温度（触媒の温度でもよい）を基準とするものであって、それらの図の上段はヒータの加熱時期を示しており、下段は軽油の添加許容時期を示している。但し、下段の「添加許容時期」は、後に説明する他の条件が共に満たされた時に軽油の添加供給が実行される許容時期或いは期間を示すものであって、これらの図における添加許容時期の条件、即ち、入りガス温度が触媒のＮＯx 浄化温度域である２００〜３５０°Ｃの範囲にあれば必ず添加供給が実行されるという訳ではない。
【００１９】
この点は本発明のＨＣ添加装置の特徴の一つであると言ってよいが、図４又は図５に示されたいずれの場合であっても、即ち、触媒のＨＣ被毒が未だ生じていないか、或いは、既に生じているかのいずれの場合でも、入りガス温度が触媒の浄化温度域である２００〜３５０°Ｃの範囲内にあるときだけ、ＨＣ添加装置のノズル２２から軽油が排気管１２内の排ガス中へ添加されることが許容される。換言すれば、それ以外の温度範囲では他の条件がどのようなものであっても原則的にはＨＣ添加を行わないということである。
【００２０】
このようにして軽油を添加供給する時期を入りガス温度の所定の温度範囲に限定することにより、軽油の消費量を必要最少限度に抑制することができ、ディーゼルエンジン１１の燃費を低減させることができる。また、入りガス温度が低すぎる時に軽油を添加供給して触媒にＨＣ被毒を生じさせること、及び、２００〜３５０°Ｃ以外の、触媒がＮＯx の浄化能力を有しない低温度及び高温度の温度範囲においてＨＣ添加を行って燃料を無駄にしたり、大気を汚染することを避けることができる。
【００２１】
後に説明するような手段によって、触媒に未だＨＣ被毒が生じていないと判定されたときは、図４に示すように、軽油が添加供給され得る前述の温度域２００〜３５０°Ｃの中でも特に、軽油に含まれている重質のＨＣ成分による被毒が生じやすい２００〜２２０°Ｃという比較的狭い温度範囲において、制御装置１９の指令によってヒータ加熱用電源１８からヒータ（グロープラグ２０又は板状のヒータ２５）に電力を供給して、添加される軽油を約８００°Ｃまで加熱する。それによって軽油を改質し、軽質化させた後にノズル２２から排ガス中へ噴射する。従って、触媒の被毒を避けるために軽油の加熱・改質が必要な限られた時期だけヒータによって軽油を加熱するので、電力の消費が必要最少限に抑えられ、これもまたエンジン１１の燃費を低減させるのに役立つ。
【００２２】
また、後に述べるような手法によって、制御装置１９が触媒にＨＣ被毒が生じていると判定したときは、図５に示したような制御条件が適用される。軽油の添加許容時期は、やはり触媒が活性化している温度域２００〜３５０°Ｃの範囲であるが、ヒータ（グロープラグ２０又は板状のヒータ２５）の加熱時期或いは期間、即ちヒータ加熱用電源１８からの給電時期或いは期間は、触媒の被毒の進行状況に応じて制御装置１９によって決定される。
【００２３】
例えば、触媒のＨＣ吸着量が最も少ない所定値以下であると判定された時は、入りガス温度が２００〜２２０°Ｃの範囲にある時だけヒータを加熱する。そして、ＨＣ吸着量が最も多い所定値以上であると判定された時は、実際にＨＣが添加される期間の全域にわたってヒータに通電してＨＣを加熱する。そして、被毒の程度がそれらの中間である時は、図５に破線によって示したように、制御装置１９の指令する中間程度の期間だけヒータを付勢する。
【００２４】
このようにすれば、触媒が既に被毒を受けていた場合でも、それ以上に被毒が進行するのを抑制することができるし、被毒状態から徐々に回復させて触媒を正常な状態に戻すことも可能になる。言うまでもなく、この場合も燃料と電力の消費量は必要最少限に止まり、ディーゼルエンジン１１の燃費を低減させることが可能になる。
【００２５】
次に、以上概括的に説明した実施形態の作動を生じさせるために必要な、細部の構成或いは機能について更に詳細に説明する。まず、図６は制御装置１９の作動を示す制御フローチャートである。イグニッションスイッチをＯＮにするとステップ１００において制御装置１９が作動を開始し、まずステップ１１０において、ディーゼルエンジン１１に設けられている図示しない回転数センサ及びアクセル開度センサから、エンジン回転数信号Ｎe とアクセル開度信号ＡＣＣが制御装置１９に読み込まれる。なお、図６のフローチャートには示されていないが、エンジン回転数Ｎe 及びアクセル開度ＡＣＣの読み取りと共に、排気温度（温度センサ１４が検出する入りガス温度）、或いは触媒温度とか、場合によっては、触媒の下流側に設けられた図示しない温度センサが検出する触媒からの出ガス温度をも読み込む。
【００２６】
次に、ステップ１２０に進んでＨＣ添加を行うか否かが判定され、ＨＣ添加を行うと判定された場合には同時に添加量が決定される。その具体的な手法について詳細に説明すると、まず、その時にエンジンの運転状態が定常状態にあるか或いは過渡状態にあるかが判定される。微小な時間Δｔの間のエンジン回転数Ｎe の変化と、アクセル開度ＡＣＣの変化が、その時間Δｔの前後のそれぞれの信号の差の値として常時算出されており、それらの差の絶対値がいずれも所定値以下であればエンジンは定常状態にあると判定され、どちらかの差の絶対値が所定値を越えると過渡状態にあると判定される。定常状態及び過渡状態のそれぞれに応じて、ＨＣ添加条件の判定が、即ち実際にＨＣ添加を行うか否かということがエンジン回転数Ｎe とアクセル開度ＡＣＣに基づいて決定される。
【００２７】
例えばエンジンが定常状態にあると判定された場合に、前述の添加許容時期において実際にＨＣを添加するか否かは、図７に示したようなマップを使用して決定される。即ち、入りガス温度が触媒の浄化温度域２００〜３５０°Ｃ内にあるという添加許容時期において、その時のＮe とＡＣＣの交わる点が図７のハッチングを施した領域内にあればＨＣ添加が実行される。この時、制御装置１９はインジェクタ制御用電源１７によってインジェクタ１６を付勢するので、ヒータ付き添加ノズル１５のノズル２２は軽油の噴霧を触媒の上流側の排ガス中へ噴射して混入させる。また、その時のＮe とＡＣＣの交わる点が図７においてハッチングを施した領域内になければ、添加許容時期であってもＨＣ添加は停止される。言うまでもなく、図７のようなマップは予め設定されたもので、制御装置１９内のＲＯＭに収納されている。
【００２８】
制御装置１９によって、エンジンが定常の運転状態にあり且つＨＣ添加を実行する時期にあると判定された場合のＨＣ添加量は、やはりその時のエンジン回転数Ｎe とアクセル開度ＡＣＣの値に基づいて、図８に示したようなマップを使用して決定される。図８のマップは複数本の曲線によって幾つかの添加量の領域に区切られているので、その時のエンジン回転数Ｎe とアクセル開度ＡＣＣの交わる点がどの領域に存在するかということを制御装置１９によって読み取ることによって、適正な添加量を決定することができる。なお図８には図７に添加条件として示したハッチングの領域の外の領域まで延びる可能性のある曲線を示しているが、これは添加量の変化の傾向を示したものに過ぎない。
【００２９】
次に、微小な時間Δｔ内におけるエンジン回転数Ｎe 又はアクセル開度ＡＣＣの変化量の絶対値が所定値を上回っていて、エンジンが過渡状態にあると判定された場合に、前述の添加許容時期において実際にＨＣを添加するか否かということは、微小な時間Δｔ内におけるアクセル開度ＡＣＣの変化量の値が正であるか或いは負であるかを判定した後に、それぞれの場合に対して別々に用意されたマップを使用して、添加条件に合致するか否かを判定する。言うまでもなく、この場合に使用するマップは、微小な時間Δｔ内におけるアクセル開度ＡＣＣの変化量の代わりに、エンジン回転数Ｎe の変化量が正か負かを見て選択することも可能である。
【００３０】
微小な時間Δｔ内におけるアクセル開度ＡＣＣ、或いはエンジン回転数Ｎe の変化量が正であるときはエンジン１１が増速であることを示しており、その時の添加許容時期に実際にＨＣを添加するか否かは、図９に示したようなマップを使用して判定される。即ち、入りガス温度が添加許容時期を示していて、しかもその時のＮe とＡＣＣの交わる点が図９においてハッチングが施された領域の中にある時だけＨＣ添加が実行される。
【００３１】
そして、その時にノズル２２から噴射される軽油の噴射量即ちＨＣ添加量は、図１０に示したような、複数本の曲線によって幾つかの添加量の領域に区切られたマップを使用して、制御装置１９がその時のエンジン回転数Ｎe とアクセル開度ＡＣＣの交わる点がどの領域に存在するかということを読み取ることによって決定される。
【００３２】
以上の説明から類推されるように、微小な時間Δｔ内におけるアクセル開度ＡＣＣ、或いはエンジン回転数Ｎe の変化量が負であるときは、エンジン１１が減速中であることを示しており、その時の添加許容時期に実際にＨＣを添加するか否かを決める添加条件の判定や、添加量の大きさの決定は、制御装置１９が図１１及び図１２のようなマップを使用して同様な手順によって行う。
【００３３】
再び図６のフローチャートに戻って、前述のように実行されるステップ１２０におけるＨＣ添加の判定の後に、ステップ１３０において、ヒータ付き添加ノズル１５のヒータ（２０又は２５）への通電加熱を行うか否かが決定され、更に、加熱する場合にはヒータに投入する電力量が演算によって決定される。
【００３４】
まず、ヒータを加熱するか否かについて、白金系の触媒に対して入りガス温度が２２０°Ｃ以下の場合は、その他の条件に関係なく基本的にヒータを加熱することとする。しかし、本発明の装置によってＨＣ添加を行うのは、原則的に触媒が活性化して浄化能力を有する２００〜３５０°Ｃの温度範囲内に限られているから、ＨＣ添加を行わない２００°Ｃ以下の温度範囲ではヒータの加熱を行っても電力の浪費となるので、結局、入りガス温度が比較的低温度の範囲で他の条件に関係なく共通的にヒータの加熱を行うのは、前述の通り入りガス温度が２００〜２２０°Ｃの範囲にある時だけということになる。また、触媒が被毒を受けていない場合や、被毒の程度が所定値よりも低い場合のヒータの加熱は、本発明によれば原則的にこの狭い温度範囲だけに限られる。
【００３５】
触媒が既にある程度以上の被毒を受けていると判定された場合は、本発明装置においては、被毒の程度に応じて前述のように入りガス温度が比較的高温度となる範囲までヒータの加熱を続行して、被毒の進行を止めたり、更に進んで被毒状態の回復を図るが、被毒の程度、即ち触媒のＨＣ吸着量に対応して、実際にどれだけの電力をヒータに投入して加熱を続行し、加熱温度やそれに従う入りガス温度をどの程度まで高めるのが適当であるかということを探り出すために、多くの実験を重ねて知り得た最適値を次に開示する。
【００３６】
図１３は、被毒の程度を示す触媒へのＨＣの吸着量と、それに対処するのに適当なＨＣの加熱温度との関係を調べた結果を示したものである。ＨＣの吸着量が多くなるのに対応してＨＣの加熱温度を少しずつ高くする必要があるが、加熱温度を８００°Ｃ程度まで高めると吸着量が５ｇ以上の重度の被毒状態の全てに対応することができる。しかし、それ以上に加熱温度を高めると触媒の劣化のような他の問題を生じる恐れがあるし、それ以上は加熱の効果の伸びが期待できないことから、加熱温度は少なくとも４００°Ｃ以上で、好ましくは重度の被毒状態に対応し得る８００°Ｃ付近に取るのが良いことが判る。
【００３７】
図１４は、添加されるＨＣ（軽油）を加熱する場合に、加熱温度に応じて炭素数１０以下の軽質成分の割合がどのように変化するかということを調べた結果を示したものである。この結果から判るように、加熱温度が６００°Ｃ以上においては、軽油の熱分解が進むことから軽質成分の割合が急に多くなり、８００°Ｃの近くで頭打ちになる。軽質成分が多くなると触媒によるＮＯx の浄化能力が高まるし、添加ＨＣによる触媒の被毒の恐れがなくなるから、軽質成分の割合は高いほど良いが、図１４に示した結果から見ると、添加されるＨＣの加熱温度の最適温度範囲は凡そ６００〜８００°Ｃ程度であることが判る。
【００３８】
以上の実験結果から、添加されるＨＣの加熱の最適温度は少なくとも４００°Ｃ以上で好ましくは６００°Ｃ以上であり、吸着量が約５ｇ以上の重度の被毒状態に対しては８００°Ｃ程度の高温とするのが良いことが判るから、触媒のＨＣ被毒の程度（ＨＣ吸着量）に対応して加熱温度を決定し、それだけの加熱温度をもたらし得るヒータへの投入電力量（電圧が一定の場合は電流値と通電時間）を算出して、制御装置１９のＲＯＭに設定するとよい。
【００３９】
なお、図１５は、触媒の被毒の程度が進む（ＨＣ吸着量が多くなる）とＮＯx 浄化率がどのように低下するかということを実験によって調べた結果を示すものである。この結果から判るように、ＨＣ吸着量が８〜１０ｇ程度以上になると、触媒は実質的に浄化能力を失ってＮＯx 浄化率が０になる。従って、ＨＣ吸着量が５〜８ｇ程度に達するまでに、本発明の添加装置を使用することによって被毒の進行を止めたり、被毒状態からの回復を図る必要がある。
【００４０】
次に、前述のような手段を講じるためには、触媒が問題となる程度以上の被毒状態に陥ったときに、それを正確に検知する必要がある。対策を講じる必要がある触媒の被毒状態の程度は、触媒のＨＣ吸着量が所定値よりも高くなった状態として量的に定義することができるが、ＨＣ吸着量の数値が所定値を超えた状態を確実に検知するためには、当然のこととして触媒のＨＣ吸着量の数値を正確に知る必要がある。
【００４１】
触媒のＨＣ吸着量を正確に知るための具体的な手法の一つは、図１に示したようなシステムにおいて、触媒コンバータ１３内の触媒への入りガスと、触媒からの出ガス中にそれぞれ含まれているＨＣの量をセンサによって検出して、触媒における単位時間当たりのＨＣの吸着量、脱離量、及び反応量を制御装置１９によって時間的に積算し、触媒へ吸着したＨＣの全量を推定する手法である。
【００４２】
即ち、ＨＣのような一般的にＳＯＦ（可溶性有機成分）と呼ばれる物質について、触媒におけるそれの単位時間当たりの吸着量をＡｂ、同じく脱離量をＤｅ、同じく反応量をＲｅとすると、それらの数値はいずれも変数である入りガス温度Ｔと経過時間ｔとの関数となっており、更に、或る長い時間が経過した後の吸着量Ｍｇは、次の積分式によって示されるように、それらＡｂ，Ｒｅ，Ｄｅ，Ｔ，ｔを変数とする一つの関数となっているからである。
【００４３】
【数１】

【００４４】
また、触媒の被毒状態を正確に検知するための第２の判定方法は、図１に示したようなシステムにおいて、触媒コンバータ１３内に収容されている触媒の下流側に図示しないＨＣセンサを設けて、その検出値を制御装置１９に入力しておくことにより、ＨＣセンサが検出する出ガス中のＨＣの量が所定値以上になったときに、触媒がＨＣによって飽和してＨＣ吸着量が所定値を超えた（触媒が許容できない程度に被毒した）と判定することである。
【００４５】
更に、触媒の被毒状態を正確に検知するための第３の判定方法は、触媒の上流側の温度センサ１４の他に、触媒の下流側にも図示しない温度センサを設けて、双方の検出信号を制御装置１９に入力しておき、触媒のライトＯＮ温度、例えば触媒の昇温時におけるＣＯ浄化開始温度と、触媒のライトＯＦＦ温度、例えば触媒の降温時におけるＣＯ浄化停止温度とを検出して、それらの値が所定値よりも上昇した時は、触媒が何らかの対策を必要とする程度まで被毒したと判定することである。
【００４６】
なお、前述の説明においては白金系のＮＯx 浄化触媒を使用した例を挙げているが、触媒金属の種類に関係なくＮＯx 浄化触媒においては一般的に、温度の変化に対応するＮＯx 浄化率の変化と、温度の変化に対応するＴＨＣ（トータルＨＣ、或いは全ＨＣ）の浄化率の変化という点において、図１６及び図１７の線図に示したような共通の性質のあることが認められる。
【００４７】
ここで注目すべき点は、触媒のＮＯx 浄化率が上昇し始める温度（ＮＯx 浄化開始温度）は、ＴＨＣ浄化の開始温度と一致していることである。温度を上昇させることによってＮＯx 浄化率が最大となる条件において、添加ＨＣとして軽油のような色々な炭化水素の混合物を用いると、ＴＨＣ浄化率は２０％から８０％の間の値となる。更に、ＮＯx 浄化率が略０％まで低下する温度では、ＴＨＣ浄化率は略１００％となる。
【００４８】
上記の関係において、ＨＣ添加によって生じるＨＣ被毒は、ＴＨＣ浄化の開始温度から触媒の置かれている状況に応じて進行するが、ＴＨＣ浄化率が４０％以下の温度範囲において特に顕著に生じることが発明者等の実験によって明らかになっている。
【００４９】
従って、各種の触媒金属に対して添加装置の加熱制御の条件を上位概念によって一般的に表示すると図１８及び図１９のようになる。図１８は触媒が未だ被毒を受けていない場合を示すもので、ヒータは触媒の入りガス温度がＣＯの浄化開始温度からＴＨＣ４０％の浄化温度までの範囲にある時に通電されて、添加されるＨＣをこの間だけ加熱する。
【００５０】
これに対して、触媒が既に被毒状態にある時は、図１９に示したように、触媒の入りガス温度がＣＯの浄化開始温度からＴＨＣ９０％の浄化温度までの比較的広い範囲にある間にヒータに通電を行って添加されるＨＣを加熱する。先に説明した図５及び図６に示されているヒータの加熱時期は、このような考察に基づいて到達した結論である。
【００５１】
なお、このようなものの例外として、触媒金属の種類が異なると入りガス温度に対するＨＣ添加装置の加熱制御の条件を変えなければならない場合もある。その例としてＣｕ（銅）系触媒とＡｇ（銀）系触媒の２つについて説明する。
【００５２】
図２０は、Ｃｕ系触媒を使用した場合に、入りガス温度の変化に対するＮＯx 浄化率の変化を示したものである。この場合のＮＯx 浄化率は、ＣＯの浄化開始温度である入りガス温度３００°Ｃから立ち上がり、ＴＨＣ４０％の浄化温度である入りガス温度３９０°Ｃを超えたところで最大となり、その後は次第に下降して行くが、ＴＨＣ９０％の浄化温度である入りガス温度５００°Ｃにおいても未だ十分に高いというように、Ｃｕ系触媒特有の性質が認められる。
【００５３】
そこで、この性質に対応して、ＨＣ被毒が生じていない場合には、図２１に示したように、入りガス温度の３００〜３９０°Ｃの温度範囲においてのみ、ヒータに通電して、添加されるＨＣを加熱する。
【００５４】
また、Ａｇ系触媒の場合は、入りガス温度の変化に対して図２２に示されているようにＮＯx 浄化率が変化するので、ＨＣ被毒が生じていない場合には、入りガス温度の４００〜５５０°Ｃの温度範囲においてヒータに通電して、添加されるＨＣを加熱することになる。
【００５５】
再び図７のフローチャートに戻って残りの説明を補足する。以上詳細に説明したような手法によってステップ１３０におけるヒータの通電制御が行われて、触媒に添加されるＨＣが適正な時期に電力の無駄なく加熱されるが、その後のステップ１４０において微小な時間Δｔの経過を検知するとステップ１５０に進む。そして、イグニッションスイッチが依然としてＯＮの状態（運転中）であれば、ステップ１１０に戻って再び同じ制御を繰り返すが、イグニッションスイッチがＯＦＦ、つまりエンジンが停止の状態になっていると、ステップ１６０において制御装置１９の制御作動を終了する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の装置が適用されるシステムの構成を概括的に示す図である。
【図２】ヒータ付き添加ノズルの具体的な構造を例示する横断平面図である。
【図３】ヒータ付き添加ノズルの他の具体例を示す横断平面図である。
【図４】未被毒の触媒の被毒抑制のための制御モードを示す線図である。
【図５】被毒済の触媒の被毒抑制のための制御モードを示す線図である。
【図６】本発明装置において制御装置が実行する制御の手順を概括的に示すフローチャートである。
【図７】エンジンの定常運転状態において、ＨＣ添加を実行するか否かを決定するためのマップを例示する線図である。
【図８】エンジンの定常運転状態において、ＨＣ添加量を決定するためのマップを例示する線図である。
【図９】エンジンの増速運転状態において、ＨＣ添加を実行するか否かを決定するためのマップを例示する線図である。
【図１０】エンジンの増速運転状態において、ＨＣ添加量を決定するためのマップを例示する線図である。
【図１１】エンジンの減速運転状態において、ＨＣ添加を実行するか否かを決定するためのマップを例示する線図である。
【図１２】エンジンの減速運転状態において、ＨＣ添加量を決定するためのマップを例示する線図である。
【図１３】ヒータの加熱温度の最適値を示す線図である。
【図１４】ヒータの加熱温度によって変わる軽質分の割合を示す線図である。
【図１５】ＨＣ吸着量がＮＯx 浄化率に及ぼす影響を示す線図である。
【図１６】異なる種類の触媒金属が温度の変化に対して示す共通の性質として、ＮＯx 浄化率の変化を示す線図である。
【図１７】異なる種類の触媒金属が温度の変化に対して示す共通の性質として、全ＨＣの浄化率の変化を示す線図である。
【図１８】未被毒の各種の触媒金属に関連して設けられたＨＣ加熱用ヒータへ通電するための制御モードを一般的に示す線図である。
【図１９】被毒済の各種の触媒金属に関連して設けられたＨＣ加熱用ヒータへ通電するための制御モードを一般的に示す線図である。
【図２０】Ｃｕ系触媒の温度の変化とＮＯx 浄化率との関係を示す線図である。
【図２１】未被毒のＣｕ系触媒に関連して設けられたＨＣ加熱用ヒータへ通電するための制御モードを示す線図である。
【図２２】Ａｇ系触媒の温度の変化とＮＯx 浄化率との関係を示す線図である。
【符号の説明】
１１…ディーゼルエンジン
１２…排気管
１３…触媒コンバータ
１４…温度センサ
１５…ヒータ付き添加ノズル
１６…インジェクタ
１７…インジェクタ制御用電源
１８…ヒータ加熱用電源
１９…制御装置（ＥＣＵ）
２０…グロープラグ
２１…軽油供給管
２２…ノズル
２３…ヒータ用リード線
２４…ヒータ付き添加ノズル取付部
２５…板状のヒータ
２６…ヒータ部容器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a NOx catalyst system for purifying nitrogen oxides (abbreviated as NOx) contained in an oxygen-excess atmosphere, such as exhaust gas from a diesel engine, with a catalyst, and reducing the hydrocarbons (abbreviated as HC). The present invention relates to a reducing agent addition device for adding an agent to the upstream side of a catalyst.
[0002]
[Prior art]
In a NOx catalyst system that purifies NOx in a lean atmosphere such as exhaust gas from a diesel engine containing excess oxygen (air) with a catalyst, a fuel such as light oil is added as a reducing agent upstream of the catalyst. When the NOx purification performance of the catalyst is improved by the above, the relatively light HC components (molecules with a small number of carbon atoms) that can directly undergo oxidation-reduction reactions with NOx are added to the light oil added as a reducing agent. And relatively heavy HC components (molecules with a large number of carbon atoms) that are not directly involved in NOx purification, but the latter heavy HC components are not directly useful for NOx purification. In addition to this, so-called “HC poisoning” is caused which gradually adheres to the active sites of the catalyst and lowers its purification performance.
[0003]
Therefore, as one of the prior arts, in the reducing agent addition apparatus described in JP-A-7-208150, the liquid fuel to be added is heated to thermally decompose (reform) heavy HC molecules. As a result, light HC molecules with a small number of carbon atoms are converted, and the fuel is added to the upstream side of the catalyst to increase the NOx purification rate. However, in this prior art, since the fuel to be added is constantly heated, there is a problem that energy consumption for heating cannot be ignored.
[0004]
As another prior art, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-4437 discloses the amount of HC adsorbed on the catalyst in order to appropriately adjust the amount of HC supplied to the upstream side of the catalyst and maintain a high NOx purification rate. A means for controlling addition of a reducing agent is disclosed in which the amount of HC added is estimated and controlled according to the amount of HC adsorbed. However, this conventional technique cannot avoid HC poisoning of the catalyst or perform precise control for recovering the purification performance of the poisoned catalyst. Since there is a difference between the estimated amount of HC adsorbed by the catalyst and the degree of HC poisoning actually caused by the adsorption of HC, it is necessary to fully extract the NOx purification performance of the catalyst. There is a problem that the optimal amount of HC addition cannot be controlled.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention addresses the above-mentioned problems in the prior art and maintains high NOx purification performance by adding and supplying an appropriate amount of HC to the catalyst, while at the same time energy for heating the added HC. It is possible to sufficiently prevent the HC poisoning of the catalyst while reducing the consumption to the minimum, and to recover the purification ability for the catalyst that has already progressed the HC poisoning. Another object of the present invention is to provide an improved HC addition device for an exhaust gas purifying catalyst.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a reducing agent supply apparatus for an exhaust gas purifying catalyst described in each claim as a means for solving the above-mentioned problems.
[0007]
In the reducing agent addition apparatus for exhaust gas purification catalyst according to the present invention, a catalyst for purifying NOx contained in exhaust gas containing excess oxygen discharged from an internal combustion engine such as a diesel engine is reduced to assist its purification action. The heating means for heating the reducing agent and the heating means Poisoning Control means for determining whether or not to operate depending on the state, so that the catalyst may be poisoned by the reducing agent added, and if poisoning has already occurred, poisoning Only when it can be recovered, the heating means is operated by the control means to heat the reducing agent. As a result, the reducing agent can be modified to avoid poisoning of the catalyst, and when poisoning has already occurred, the poisoning can be recovered. Since the heating means is energized only in a timely manner as described above, the energy input to the heating means can be suppressed to the minimum.
[0008]
The reducing agent added and supplied in the reducing agent addition apparatus of the present invention is, for example, a fuel made of hydrocarbons, which may be the same as the fuel for the engine body, and the diesel oil as the fuel for the diesel engine can be used as it is. it can.
[0009]
In the present invention, in order to detect a part of data to be input to the control means for determining the timing for operating the heating means, etc., a temperature detection means for substantially detecting the temperature of the catalyst can be provided. The temperature detection means is not limited to one directly attached to the catalyst, but may be one that detects the temperature of the gas entering the catalyst or one that detects the temperature of the gas emitted from the catalyst.
[0010]
For many NOx purification catalysts, when the control means determines that the catalyst is not poisoned or the degree of poisoning is lower than a predetermined level, the incoming gas temperature is in the range of 200-220 ° C. The heating means is activated for a certain period. Further, when it is determined that the catalyst is poisoned to a degree higher than a predetermined level, in addition to the period in which the input gas temperature is in the range of 200 to 220 ° C., depending on the degree of poisoning of the catalyst The heating means is energized for the additional period calculated in the above. The heating temperature of the reducing agent can be about 600 ° C. to about 800 ° C. As a result, it is possible to suppress poisoning of the catalyst while suppressing energy consumption to the minimum necessary, and to recover it when poisoning has already occurred.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a view schematically showing an entire diesel engine provided with an HC addition device of the present invention in an exhaust system. In this figure, 11 is a so-called direct injection type diesel engine having a displacement of 4200 ml, for example. The exhaust gas discharged from the diesel engine 11 contains pollutant NOx and the like. For example, the exhaust gas flows into the catalytic converter 13 through the exhaust pipe 12 having an inner diameter of 60 mm, passes through a catalyst (not shown) having a volume of about 3.4 L accommodated therein, and is detoxified and released into the atmosphere. Is done. This catalyst is obtained by supporting platinum, which is an active metal, on a kind of porous zeolite, and NOx reacts with HC in the exhaust gas to be purified. Reference numeral 14 denotes a temperature sensor that measures the “entering gas temperature” flowing into the catalytic converter 13, but may be a temperature sensor that detects the temperature of the catalyst itself in some cases.
[0012]
In the illustrated embodiment of the present invention, an HC addition device is installed in the exhaust system to supplement HC that reacts with and purifies NOx. This HC addition device supplies and supplies a part of light oil held in a tank (not shown) as fuel of the diesel engine 11 into exhaust gas flowing in the exhaust pipe 12 on the upstream side when viewed from the catalyst in the catalytic converter 13. It comprises an addition nozzle 15 with a heater, an injector 16 comprising a solenoid valve, an injector control power source 17, a heater heating power source 18, and the like.
[0013]
Further, arithmetic processing is performed on signals input from the above-described temperature sensor 14 provided in the catalytic converter 13 and some sensors (not shown) that are normally provided for detecting data indicating the operating state of the diesel engine 11. When a control device 19 such as an electronic control unit (ECU) including a microprocessor is provided and a predetermined condition is satisfied at the HC addition allowable time according to the command, a heater (not shown) of the addition nozzle 15 with heater is not shown. On the other hand, by adding electric power from the heater heating power source 18, the light oil supplied and supplied can be heated and lightened.
[0014]
FIG. 2 illustrates the structure of a specific embodiment of the addition nozzle 15 with a heater. In this example, a glow plug 20 used in a diesel engine for automobiles is mounted in the exhaust pipe 12 as a heater, and from a nozzle 22 which is a nozzle formed at the tip of a light oil supply pipe 21 extending from the injector 16. , By spraying or dripping a spray of light oil toward the glow plug 20 and contacting the glow plug 20 to vaporize it, and by thermally decomposing some of the heavy components, the light components can be reformed. It can be done. Reference numeral 23 denotes an electric wire for supplying electric power to the heater (glow plug 20), and reference numeral 24 denotes an attachment portion of the addition nozzle 15 with a heater.
[0015]
FIG. 3 also illustrates the structure of another specific embodiment of the addition nozzle 15 with a heater. In this case, a heater 25 manufactured by printing a platinum wire on an alumina plate is used. Reference numeral 26 denotes a cylindrical container made of a heat-resistant metal plate such as stainless steel, and at the tip thereof, the plate-like heater 25 sprayed from the nozzle 22 is heated and at least a part thereof is vaporized and light. An opening 27 is provided for jetting the gas oil into the exhaust gas in the exhaust pipe 12.
[0016]
With any heater, the surface temperature can be raised to about 800 ° C., and a substantially equivalent light oil reforming effect can be obtained. The catalyst (not shown) accommodated in the catalytic converter 13 is, for example, platinum-based, and the NOx purification temperature range is about 200 to 350 ° C. Further, it has been confirmed that in such a catalyst, poisoning proceeds when it comes into contact with a relatively heavy HC component when the HC addition temperature is 220 ° C. or lower.
[0017]
4 and 5, as a feature of the apparatus of the present invention for suppressing the HC poisoning of the catalyst, the heating timing of the heaters (20, 25) to be turned on and off according to the state of the catalyst HC poisoning, the temperature sensor 14 shows control conditions of the HC addition device including the addition nozzle 15 with a heater, such as the allowable addition time of light oil determined according to the inlet gas temperature (or the temperature of the catalyst) detected by 14. A detailed determination method and the like will be described later, but when it is determined that the catalyst has not yet received HC poisoning, control conditions for suppressing the occurrence of poisoning as shown in FIG. 4 are applied. . If it is determined that poisoning has already progressed, control conditions as shown in FIG. 5 are applied to suppress further progress of poisoning or to recover the poisoning. .
[0018]
4 and 5 are based on the inlet gas temperature (which may be the temperature of the catalyst), the upper part of the figure shows the heating time of the heater, and the lower part shows the allowable time for addition of light oil. Show. However, the “additional allowable time” in the lower row indicates the allowable time or period during which the light oil supply is performed when other conditions described later are satisfied. If the condition, that is, the temperature of the incoming gas is in the range of 200 to 350 ° C. which is the NOx purification temperature range of the catalyst, the addition supply is not necessarily executed.
[0019]
This point can be said to be one of the features of the HC addition device of the present invention, but in any case shown in FIG. 4 or FIG. 5, that is, HC poisoning of the catalyst has not yet occurred. In the case where there is no or has already occurred, the light oil is exhausted from the nozzle 22 of the HC addition device only when the incoming gas temperature is in the range of 200 to 350 ° C. which is the purification temperature range of the catalyst. It is allowed to be added to the exhaust gas in 12. In other words, in principle, no HC addition is performed in any other temperature range regardless of other conditions.
[0020]
Thus, by limiting the timing for adding and supplying light oil to the predetermined temperature range of the incoming gas temperature, the consumption of light oil can be suppressed to the minimum necessary, and the fuel consumption of the diesel engine 11 can be reduced. it can. In addition, when the entering gas temperature is too low, gas oil is added and supplied to cause HC poisoning to the catalyst, and other than 200 to 350 ° C, the catalyst does not have NOx purification ability at low and high temperatures. By adding HC in the temperature range, it is possible to avoid wasting fuel and polluting the atmosphere.
[0021]
When it is determined by the means described later that HC poisoning has not yet occurred in the catalyst, as shown in FIG. 4, particularly in the above temperature range of 200 to 350 ° C. where light oil can be added and supplied. In a relatively narrow temperature range of 200 to 220 ° C. where poisoning by heavy HC components contained in light oil is likely to occur, a heater (glow plug 20 or plate) is supplied from the heater heating power source 18 by a command from the control device 19. Electric power is supplied to the heater 25) and the added light oil is heated to about 800 ° C. As a result, the light oil is reformed and lightened, and then injected from the nozzle 22 into the exhaust gas. Therefore, since the light oil is heated by the heater only in a limited time when heating / reforming of the light oil is necessary to avoid poisoning of the catalyst, the power consumption can be suppressed to the minimum necessary. To help reduce
[0022]
Further, when the control device 19 determines that HC poisoning has occurred in the catalyst by the method described later, the control conditions as shown in FIG. 5 are applied. The light oil addition permissible time is also in the temperature range of 200 to 350 ° C. where the catalyst is activated, but the heating time or period of the heater (glow plug 20 or plate heater 25), that is, the heater heating power source The power supply timing or period from 18 is determined by the control device 19 in accordance with the progress of catalyst poisoning.
[0023]
For example, when it is determined that the HC adsorption amount of the catalyst is less than a predetermined value, the heater is heated only when the incoming gas temperature is in the range of 200 to 220 ° C. When it is determined that the HC adsorption amount is greater than or equal to the predetermined value, the heater is energized over the entire period during which HC is actually added to heat the HC. When the degree of poisoning is intermediate between them, the heater is energized only during an intermediate period commanded by the control device 19, as indicated by a broken line in FIG.
[0024]
In this way, even if the catalyst has already been poisoned, it is possible to suppress further progress of poisoning and to gradually recover from the poisoned state to bring the catalyst into a normal state. It can also be returned. Needless to say, also in this case, the consumption of fuel and electric power is kept to the minimum necessary, and the fuel consumption of the diesel engine 11 can be reduced.
[0025]
Next, detailed configurations or functions necessary for causing the operation of the embodiment described above in general will be described in more detail. First, FIG. 6 is a control flowchart showing the operation of the control device 19. When the ignition switch is turned on, the control device 19 starts operating in step 100. First, in step 110, the engine speed signal Ne and the accelerator are detected from a speed sensor and an accelerator opening sensor (not shown) provided in the diesel engine 11. The opening signal ACC is read into the control device 19. Although not shown in the flowchart of FIG. 6, along with the reading of the engine speed Ne and the accelerator opening ACC, the exhaust temperature (the inlet gas temperature detected by the temperature sensor 14) or the catalyst temperature, The temperature of the outgas from the catalyst detected by a temperature sensor (not shown) provided on the downstream side of the catalyst is also read.
[0026]
Next, the routine proceeds to step 120, where it is determined whether or not HC addition is to be performed. When it is determined that HC addition is to be performed, the addition amount is determined simultaneously. The specific method will be described in detail. First, it is determined at that time whether the engine operating state is in a steady state or in a transient state. The change in the engine speed Ne during the minute time Δt and the change in the accelerator opening ACC are always calculated as the difference between the signals before and after the time Δt, and the absolute value of the difference is If both are below a predetermined value, it is determined that the engine is in a steady state, and if the absolute value of either difference exceeds a predetermined value, it is determined that the engine is in a transient state. In accordance with each of the steady state and the transient state, the determination of the HC addition condition, that is, whether or not HC addition is actually performed is determined based on the engine speed Ne and the accelerator opening ACC.
[0027]
For example, when it is determined that the engine is in a steady state, whether or not HC is actually added at the above-described addition allowable time is determined using a map as shown in FIG. That is, at the addition allowable time when the inlet gas temperature is within the purification temperature range of the catalyst of 200 to 350 ° C., if the point where Ne and ACC intersect at that time is within the hatched region of FIG. Is done. At this time, since the control device 19 urges the injector 16 by the injector control power source 17, the nozzle 22 of the addition nozzle 15 with a heater injects and mixes the spray of light oil into the exhaust gas upstream of the catalyst. Further, if the point where Ne and ACC intersect at that time is not within the hatched region in FIG. 7, the addition of HC is stopped even when the addition is permitted. Needless to say, the map as shown in FIG. 7 is preset and stored in the ROM in the control device 19.
[0028]
The amount of HC addition when the control device 19 determines that the engine is in a steady operating state and is in a time to execute HC addition is also based on the value of the engine speed Ne and the accelerator opening ACC at that time. , Determined using a map as shown in FIG. Since the map of FIG. 8 is divided into a plurality of added amount regions by a plurality of curves, the control device determines in which region the intersection of the engine speed Ne and the accelerator opening ACC exists at that time. By reading by 19, the appropriate addition amount can be determined. FIG. 8 shows a curve that may extend to a region outside the hatched region shown as the addition condition in FIG. 7, but this shows only a tendency of the addition amount to change.
[0029]
Next, when the absolute value of the change amount of the engine speed Ne or the accelerator opening degree ACC within a minute time Δt exceeds a predetermined value and it is determined that the engine is in a transient state, the above-described addition allowable time Whether or not the HC is actually added in the case of whether or not the value of the change amount of the accelerator opening ACC within a minute time Δt is positive or negative is determined for each case. A map prepared separately is used to determine whether or not the addition conditions are met. Needless to say, the map used in this case can be selected by looking at whether the amount of change in the engine speed Ne is positive or negative instead of the amount of change in the accelerator opening ACC within a minute time Δt. .
[0030]
When the amount of change in the accelerator opening degree ACC or the engine speed Ne within a minute time Δt is positive, it indicates that the engine 11 is increasing, and HC is actually added at the addition allowable time at that time. It is determined using a map as shown in FIG. That is, the HC addition is executed only when the entering gas temperature indicates the allowable addition time and the point where Ne and ACC intersect at that time is in the hatched region in FIG.
[0031]
And the injection amount of the light oil injected from the nozzle 22 at that time, that is, the HC addition amount, using a map divided into several addition amount regions by a plurality of curves as shown in FIG. The controller 19 is determined by reading in which region the point where the engine speed Ne at that time and the accelerator opening degree ACC intersect is present.
[0032]
As can be inferred from the above explanation, when the amount of change in the accelerator opening ACC or the engine speed Ne within a minute time Δt is negative, this indicates that the engine 11 is decelerating. The determination of the addition condition for determining whether or not to actually add HC at the addition allowable time and the determination of the magnitude of the addition amount are the same by the control device 19 using the maps as shown in FIGS. Follow the procedure.
[0033]
Returning to the flowchart of FIG. 6 again, whether or not to heat the heater (20 or 25) of the addition nozzle 15 with heater in step 130 after the determination of addition of HC in step 120 executed as described above. In addition, in the case of heating, the amount of electric power supplied to the heater is determined by calculation.
[0034]
First, as to whether or not to heat the heater, if the inlet gas temperature is 220 ° C. or lower with respect to the platinum-based catalyst, the heater is basically heated regardless of other conditions. However, the addition of HC by the apparatus of the present invention is limited to a temperature range of 200 to 350 ° C. in which the catalyst is activated and has a purification capacity in principle. Even if the heater is heated in the following temperature range, electric power is wasted. Therefore, the heater is commonly heated in the relatively low temperature range regardless of other conditions. This is only when the temperature of the incoming gas is in the range of 200-220 ° C. Further, according to the present invention, heating of the heater when the catalyst is not poisoned or when the degree of poisoning is lower than a predetermined value is basically limited to this narrow temperature range.
[0035]
If it is determined that the catalyst has already received a certain degree of poisoning, the apparatus according to the present invention enters as described above according to the degree of poisoning, and enters the heater temperature to a range where the gas temperature becomes relatively high. Continue heating to stop the progress of poisoning, or go further to recover the poisoned state, but how much electric power is actually applied to the heater according to the degree of poisoning, that is, the amount of HC adsorption of the catalyst In order to find out how appropriate it is to increase the heating temperature and the incoming gas temperature according to it, the optimum value obtained through many experiments was disclosed below. To do.
[0036]
FIG. 13 shows the result of examining the relationship between the amount of HC adsorbed on the catalyst indicating the degree of poisoning and the heating temperature of HC suitable for coping with it. It is necessary to gradually increase the heating temperature of HC in response to the increase in the amount of HC adsorbed, but if the heating temperature is increased to about 800 ° C, the amount of adsorbed will be 5 g or more in all severe poisoning states. Can respond. However, if the heating temperature is further increased, other problems such as deterioration of the catalyst may occur, and since the increase in the heating effect cannot be expected beyond that, the heating temperature is at least 400 ° C or higher. It can be seen that the temperature should preferably be around 800 ° C., which can cope with severe poisoning.
[0037]
FIG. 14 shows the results of examining how the proportion of light components having 10 or less carbon atoms changes depending on the heating temperature when heating the added HC (light oil). . As can be seen from this result, when the heating temperature is 600 ° C. or higher, the thermal decomposition of light oil proceeds, so the ratio of light components suddenly increases and reaches a peak near 800 ° C. As the amount of light components increases, the NOx purification ability of the catalyst increases and the risk of poisoning of the catalyst by added HC disappears. Therefore, the higher the proportion of light components, the better, but from the results shown in FIG. It can be seen that the optimum temperature range of the heating temperature of HC is about 600 to 800 ° C.
[0038]
From the above experimental results, the optimum temperature for heating the added HC is at least 400 ° C., preferably 600 ° C. or more, and 800 ° C. for a severe poisoned state with an adsorption amount of about 5 g or more. It can be seen that a high temperature is good, so the heating temperature is determined according to the degree of HC poisoning (HC adsorption amount) of the catalyst, and the amount of power input to the heater (voltage) that can bring about that heating temperature. If is constant, the current value and the energization time) may be calculated and set in the ROM of the control device 19.
[0039]
FIG. 15 shows the results of an experiment that shows how the NOx purification rate decreases as the degree of catalyst poisoning progresses (the HC adsorption amount increases). As can be seen from this result, when the HC adsorption amount is about 8 to 10 g or more, the catalyst substantially loses the purification ability and the NOx purification rate becomes zero. Therefore, it is necessary to stop the progress of poisoning or to recover from the poisoned state by using the addition device of the present invention until the HC adsorption amount reaches about 5 to 8 g.
[0040]
Next, in order to take the above-described means, it is necessary to accurately detect when the catalyst falls into a poisoning state exceeding a problem level. The degree of catalyst poisoning for which countermeasures need to be taken can be quantitatively defined as a state where the HC adsorption amount of the catalyst is higher than a predetermined value, but the value of the HC adsorption amount exceeds the predetermined value. Naturally, it is necessary to accurately know the numerical value of the HC adsorption amount of the catalyst in order to reliably detect the state.
[0041]
One specific method for accurately knowing the amount of HC adsorbed on the catalyst is that in the system as shown in FIG. 1, each of the gas entering the catalyst in the catalytic converter 13 and the gas exiting the catalyst are respectively The amount of HC contained is detected by a sensor, and the adsorption amount, desorption amount, and reaction amount of HC per unit time in the catalyst are integrated over time by the control device 19, and the total amount of HC adsorbed on the catalyst This is a method for estimating.
[0042]
That is, for a substance generally called SOF (soluble organic component) such as HC, if the adsorption amount per unit time of the catalyst is Ab, the desorption amount is De, and the reaction amount is Re, then those The numerical values are functions of the input gas temperature T and the elapsed time t, both of which are variables, and the adsorption amount Mg after a long time has passed, as shown by the following integral formula: This is because it is a single function having Ab, Re, De, T, and t as variables.
[0043]
[Expression 1]

[0044]
In addition, a second determination method for accurately detecting the poisoning state of the catalyst is as follows. In the system as shown in FIG. 1, an HC sensor (not shown) is provided downstream of the catalyst accommodated in the catalytic converter 13. By providing the detected value to the control device 19, when the amount of HC in the output gas detected by the HC sensor exceeds a predetermined value, the catalyst is saturated with HC and the HC adsorption amount Is over a predetermined value (the catalyst is poisoned to an unacceptable level).
[0045]
Furthermore, a third determination method for accurately detecting the poisoning state of the catalyst is provided by providing a temperature sensor (not shown) on the downstream side of the catalyst in addition to the temperature sensor 14 on the upstream side of the catalyst. A signal is input to the control device 19 to detect the light ON temperature of the catalyst, for example, the CO purification start temperature when the catalyst is heated, and the light OFF temperature of the catalyst, for example, the CO purification stop temperature when the catalyst is cooled. When these values rise above a predetermined value, it is determined that the catalyst has been poisoned to the extent that some measures are required.
[0046]
In the above description, an example in which a platinum-based NOx purification catalyst is used has been described. However, in general, in the NOx purification catalyst, a change in the NOx purification rate corresponding to a change in temperature regardless of the type of catalyst metal. In view of the change in the purification rate of THC (total HC or total HC) corresponding to the change in temperature, it is recognized that there is a common property as shown in the diagrams of FIGS.
[0047]
What should be noted here is that the temperature at which the NOx purification rate of the catalyst starts to rise (NOx purification start temperature) matches the start temperature of THC purification. When a mixture of various hydrocarbons such as light oil is used as the added HC under the condition that the NOx purification rate is maximized by increasing the temperature, the THC purification rate becomes a value between 20% and 80%. Further, at a temperature at which the NOx purification rate decreases to approximately 0%, the THC purification rate is approximately 100%.
[0048]
In the above relationship, HC poisoning caused by the addition of HC proceeds according to the situation where the catalyst is placed from the start temperature of THC purification, but it occurs particularly noticeably in a temperature range where the THC purification rate is 40% or less. Has been clarified through experiments by the inventors.
[0049]
Therefore, when the conditions of the heating control of the addition apparatus are generally indicated by a superordinate concept for various catalyst metals, the results are as shown in FIGS. FIG. 18 shows the case where the catalyst has not yet been poisoned. The heater is energized and added when the gas entering the catalyst is in the range from the CO purification start temperature to the THC 40% purification temperature. HC is heated only during this time.
[0050]
On the other hand, when the catalyst is already poisoned, as shown in FIG. 19, the temperature of the gas entering the catalyst is within a relatively wide range from the CO purification start temperature to the THC 90% purification temperature. The heater is energized to heat the added HC. The heating timing of the heater shown in FIGS. 5 and 6 described above is a conclusion reached based on such consideration.
[0051]
As an exception to this, if the type of catalytic metal is different, the heating control conditions of the HC addition device with respect to the incoming gas temperature may have to be changed. As an example, a Cu (copper) -based catalyst and an Ag (silver) -based catalyst will be described.
[0052]
FIG. 20 shows changes in the NOx purification rate with respect to changes in the inlet gas temperature when a Cu-based catalyst is used. In this case, the NOx purification rate rises from an incoming gas temperature of 300 ° C., which is the CO purification start temperature, reaches a maximum when it exceeds an incoming gas temperature of 390 ° C., which is a THC 40% purification temperature, and then gradually decreases. However, a characteristic characteristic of the Cu-based catalyst is recognized such that it is still sufficiently high even at an inlet gas temperature of 500 ° C., which is a purification temperature of 90% THC.
[0053]
Therefore, in response to this property, when no HC poisoning has occurred, as shown in FIG. 21, the heater is energized and added only in the temperature range of 300 to 390 ° C. of the inlet gas temperature. The HC to be heated is heated.
[0054]
Further, in the case of an Ag-based catalyst, the NOx purification rate changes as shown in FIG. 22 with respect to the change in the input gas temperature. Therefore, when no HC poisoning occurs, the input gas temperature of 400 is set. In the temperature range of ˜550 ° C., the heater is energized to heat the added HC.
[0055]
Returning to the flowchart of FIG. 7 again, the remaining description will be supplemented. The energization control of the heater in step 130 is performed by the method described in detail above, and the HC added to the catalyst is heated without waste of power at an appropriate time. When the passage of time is detected, the process proceeds to step 150. If the ignition switch is still ON (during operation), the process returns to step 110 and the same control is repeated again. However, if the ignition switch is OFF, that is, the engine is stopped, control is performed in step 160. The control operation of the device 19 is terminated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of a system to which an apparatus of the present invention is applied.
FIG. 2 is a cross-sectional plan view illustrating a specific structure of an addition nozzle with a heater.
FIG. 3 is a cross-sectional plan view showing another specific example of the addition nozzle with a heater.
FIG. 4 is a diagram showing a control mode for suppressing poisoning of an unpoisoned catalyst.
FIG. 5 is a diagram showing a control mode for suppressing poisoning of a poisoned catalyst.
FIG. 6 is a flowchart schematically showing a control procedure executed by the control device in the device of the present invention.
FIG. 7 is a diagram illustrating a map for determining whether or not to add HC in a steady operation state of the engine.
FIG. 8 is a diagram illustrating a map for determining an HC addition amount in a steady operation state of the engine.
FIG. 9 is a diagram illustrating a map for determining whether or not to perform HC addition in an engine speed increasing operation state;
FIG. 10 is a diagram illustrating a map for determining an HC addition amount in an engine speed increasing operation state.
FIG. 11 is a diagram illustrating a map for determining whether or not to add HC in the engine deceleration operation state;
FIG. 12 is a diagram illustrating a map for determining the amount of HC addition when the engine is decelerating.
FIG. 13 is a diagram showing the optimum value of the heating temperature of the heater.
FIG. 14 is a diagram showing the ratio of light components that changes depending on the heating temperature of the heater.
FIG. 15 is a diagram showing the influence of the HC adsorption amount on the NOx purification rate.
FIG. 16 is a diagram showing a change in NOx purification rate as a common property that different types of catalyst metals show with respect to a change in temperature.
FIG. 17 is a diagram showing a change in the purification rate of all HCs as a common property that different types of catalyst metals show with respect to a change in temperature.
FIG. 18 is a diagram generally showing a control mode for energizing a heater for HC heating provided in association with various non-poisoned catalyst metals.
FIG. 19 is a diagram generally showing a control mode for energizing a heater for HC heating provided in association with various poisoned catalyst metals.
FIG. 20 is a diagram showing the relationship between the change in temperature of a Cu-based catalyst and the NOx purification rate.
FIG. 21 is a diagram showing a control mode for energizing a heater for HC heating provided in association with an unpoisoned Cu-based catalyst.
FIG. 22 is a diagram showing the relationship between the change in temperature of the Ag-based catalyst and the NOx purification rate.
[Explanation of symbols]
11 ... Diesel engine
12 ... Exhaust pipe
13 ... Catalytic converter
14 ... Temperature sensor
15 ... Additive nozzle with heater
16 ... Injector
17 ... Injector control power supply
18 ... Power source for heater heating
19 ... Control device (ECU)
20 ... Glow plug
21 ... Light oil supply pipe
22 ... Nozzle
23 ... Lead wire for heater
24 ... Addition nozzle mounting part with heater
25 ... Plate heater
26 ... Heater container

Claims

With respect to a catalyst that is installed in an exhaust passage of an internal combustion engine that guides exhaust gas containing excess oxygen and purifies nitrogen oxides contained in the exhaust gas in the presence of the reducing agent, the reducing agent into the exhaust gas upstream of the catalyst In order to add the reducing agent, heating means for heating the reducing agent to be added and control means for determining whether to activate the heating means according to the poisoning state of the catalyst are provided. A reducing agent addition device for an exhaust gas purification catalyst.

The reducing agent addition apparatus for an exhaust gas purification catalyst according to claim 1, wherein the internal combustion engine is a diesel engine.

The reducing agent addition apparatus for an exhaust gas purification catalyst according to claim 1 or 2, wherein the reducing agent is a fuel made of hydrocarbon.

The reducing agent addition apparatus for an exhaust gas purification catalyst according to claim 3, wherein the fuel is light oil.

The reducing agent supply apparatus for an exhaust gas purifying catalyst according to any one of claims 1 to 4, wherein temperature detecting means for detecting the temperature of the catalyst is provided, and a signal thereof is input to the control means.

When it is determined that the catalyst is not poisoned or the degree of poisoning is lower than a predetermined level, the control means performs the above-mentioned only during a period when the incoming gas temperature is in the range of 200 to 220 ° C. The reducing agent supply apparatus for an exhaust gas purification catalyst according to any one of claims 1 to 5, wherein the heating means is energized.

When it is determined that the catalyst is poisoned to a degree higher than a predetermined level, the control means adds the period of the input gas temperature in the range of 200 to 220 ° C. The reducing agent supply apparatus for an exhaust gas purifying catalyst according to any one of claims 1 to 6, wherein the heating means is energized only for a period according to the degree of poisoning.

The reducing agent supply apparatus for an exhaust gas purification catalyst according to any one of claims 1 to 7, wherein a heating temperature of the reducing agent is set to approximately 600 ° C to approximately 800 ° C.