JP3759667B2 - 排ガス浄化触媒用の還元剤添加装置 - Google Patents

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

Claims (8)

1. 酸素過剰の排ガスを導く内燃機関の排気通路に設置され還元剤の存在の下で前記排ガスに含まれる窒素酸化物を浄化する触媒に対して、前記触媒の上流側において前記排ガス中へ前記還元剤を添加するために、添加される前記還元剤を加熱する加熱手段と、前記触媒の被毒状態に応じて前記加熱手段を作動させるか否かを判断する制御手段とを備えていることを特徴とする、排ガス浄化触媒用の還元剤添加装置。
2. 前記内燃機関がディーゼルエンジンである請求項１に記載された排ガス浄化触媒用の還元剤添加装置。
3. 前記還元剤が炭化水素からなる燃料である請求項１又は２に記載された排ガス浄化触媒用の還元剤添加装置。
4. 前記燃料が軽油である請求項３に記載された排ガス浄化触媒用の還元剤添加装置。
5. 前記触媒の温度を検出する温度検出手段が設けられ、その信号が前記制御手段に入力される請求項１ないし４のいずれかに記載された排ガス浄化触媒用の還元剤供給装置。
6. 前記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された場合に、前記制御手段が、入りガス温度が２００〜２２０°Ｃの範囲にある期間だけ前記加熱手段を付勢する請求項１ないし５のいずれかに記載された排ガス浄化触媒用の還元剤供給装置。
7. 前記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された場合に、前記制御手段が、入りガス温度が２００〜２２０°Ｃの範囲にある期間に加えて、前記触媒の被毒の程度に応じた期間だけ前記加熱手段を付勢する請求項１ないし６のいずれかに記載された排ガス浄化触媒用の還元剤供給装置。
8. 前記還元剤の加熱温度を略６００℃〜略８００°Ｃとする請求項１ないし７のいずれかに記載された排ガス浄化触媒用の還元剤供給装置。

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