JP6323239B2 - Reducing agent addition device - Google Patents
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Description
本発明は、NOxの還元に用いる還元剤を、排気通路のうち還元触媒の上流側へ添加する還元剤添加装置に関する。 The present invention relates to a reducing agent addition device for adding a reducing agent used for NOx reduction to an upstream side of a reduction catalyst in an exhaust passage.
内燃機関の排気通路にNOx浄化装置が設けられた燃焼システムに関し、特許文献1には、排気通路のうち還元触媒の上流側へ還元剤を添加する還元剤添加装置が開示されている。これによれば、添加された還元剤により、NOx浄化装置が有する還元触媒上で排気中のNOxが還元される。
Regarding a combustion system in which a NOx purification device is provided in an exhaust passage of an internal combustion engine,
ここで、排気中のSOxが還元触媒に吸着されて残存することによりNOx浄化率が低下する、といった硫黄被毒の問題が従来より知られている。この問題に対し特許文献1では、還元剤として用いられている燃料をプラズマにより活性化させ、活性化した燃料を添加させる旨が開示されている。これによれば、還元触媒に吸着されている硫黄を還元触媒から脱離させることができ、硫黄被毒からの回復を図ることができる。
Here, a problem of sulfur poisoning, in which SOx in the exhaust gas is adsorbed by the reduction catalyst and remains to reduce the NOx purification rate, has been conventionally known. With respect to this problem,
しかしながら、上述の如く活性化燃料により硫黄が還元触媒から脱離するといった現象は、内燃機関の燃焼をリッチの状態にすることを要する。そのため、上記回復の手法では大幅な燃費悪化を招く。 However, the phenomenon that sulfur is desorbed from the reduction catalyst by the activated fuel as described above requires that the combustion of the internal combustion engine be rich. For this reason, the above recovery method causes a significant deterioration in fuel consumption.
しかも、リッチ燃焼時には硫黄が水素と結合して硫化水素が発生するが、該硫化水素は悪臭成分であるので、上述の如くリッチの状態にして硫化水素の発生量が増大することは望ましくない。 In addition, sulfur is combined with hydrogen to generate hydrogen sulfide during rich combustion, but since the hydrogen sulfide is a malodorous component, it is not desirable to increase the amount of hydrogen sulfide generated in a rich state as described above.
本発明は、上記問題を鑑みてなされたもので、その目的は、硫化水素の発生を抑制するとともに燃費悪化の抑制を図った還元剤添加装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a reducing agent addition device that suppresses generation of hydrogen sulfide and suppresses deterioration of fuel consumption.
ここに開示される発明は上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、発明の技術的範囲を限定するものではない。 The invention disclosed herein employs the following technical means to achieve the above object. Note that the reference numerals in parentheses described in the claims and in this section indicate the correspondence with the specific means described in the embodiments described later, and do not limit the technical scope of the invention. .
開示される発明のひとつは、内燃機関(10)の排気に含まれるNOxを還元触媒上で浄化するNOx浄化装置(15)が排気通路(10ex)に備えられた燃焼システムに設けられ、排気通路のうち還元触媒の上流側へ炭化水素化合物である還元剤を添加する還元剤添加装置であることを前提とする。そして、還元剤を部分的に酸化させて改質する改質手段(20、30)と、還元触媒上でのNOx浄化が要求される浄化要求時に、改質手段により改質された還元剤を排気通路に添加させる浄化制御手段(81a)と、硫黄被毒した還元触媒の回復が要求される回復要求時に、内燃機関がリーン燃焼していることを条件として、改質手段により改質された還元剤を排気通路に添加させる回復制御手段(81b)と、を備えることを特徴とする。 One of the disclosed inventions is provided in a combustion system in which an NOx purification device (15) for purifying NOx contained in exhaust gas of an internal combustion engine (10) on a reduction catalyst is provided in an exhaust passage (10ex). It is assumed that this is a reducing agent addition device for adding a reducing agent that is a hydrocarbon compound to the upstream side of the reduction catalyst. The reforming means (20, 30) that partially oxidizes the reducing agent and reforms, and the reducing agent that has been reformed by the reforming means at the time of a purification request that requires NOx purification on the reduction catalyst. The purification control means (81a) added to the exhaust passage and the recovery means required to recover the sulfur-poisoned reduction catalyst were reformed by the reforming means on the condition that the internal combustion engine was lean burning And a recovery control means (81b) for adding a reducing agent to the exhaust passage.
ここで、炭化水素化合物を部分的に酸化させた物質(部分酸化物)を還元触媒に流入させると、その部分酸化物が、還元触媒に吸着されている硫黄および排気中の酸素と化学反応して、還元触媒から硫黄を脱離させて還元させる現象が生じることが分かった。 Here, when a substance (partial oxide) obtained by partially oxidizing a hydrocarbon compound flows into the reduction catalyst, the partial oxide chemically reacts with sulfur adsorbed on the reduction catalyst and oxygen in the exhaust. Thus, it has been found that a phenomenon occurs in which sulfur is desorbed from the reduction catalyst and reduced.
この知見に基づき、上記発明では、炭化水素化合物(還元剤)を部分的に酸化させて改質し、その改質された還元剤(部分酸化物)をリーン燃焼時に添加させる。そのため、部分酸化物が硫黄および酸素と化学反応し、還元触媒から硫黄が脱離して還元されるといった上述の現象が生じることとなる。そのため、従来の如くリッチの状態にすることを不要にできるので、燃費悪化を抑制しつつ、硫黄被毒からの回復を図ることができる。また、リッチの状態にすることを不要にできるので、悪臭成分である硫化水素の発生を抑制できる。 Based on this knowledge, in the above invention, the hydrocarbon compound (reducing agent) is partially oxidized and reformed, and the reformed reducing agent (partial oxide) is added during lean combustion. Therefore, the above-described phenomenon occurs in which the partial oxide chemically reacts with sulfur and oxygen, and sulfur is desorbed and reduced from the reduction catalyst. Therefore, since it is not necessary to make it rich as in the prior art, recovery from sulfur poisoning can be achieved while suppressing fuel consumption deterioration. Moreover, since it is not necessary to make it rich, generation of hydrogen sulfide, which is a malodorous component, can be suppressed.
図1に示す燃焼システムは、以下に詳述する内燃機関10、過給機11、微粒子捕集装置(DPF14)、DPF再生装置(再生用DOC14a)、NOx浄化装置15、還元剤浄化装置(浄化用DOC16)および還元剤添加装置を備える。燃焼システムは車両に搭載されたものであり、当該車両は、内燃機関10の出力を駆動源として走行する。内燃機関10は、圧縮自着火式のディーゼルエンジンであり、燃焼に用いる燃料には、炭化水素化合物である軽油を用いている。
The combustion system shown in FIG. 1 includes an
過給機11は、タービン11a、回転軸11bおよびコンプレッサ11cを備える。タービン11aは、内燃機関10の排気通路10exに配置され、排気の運動エネルギにより回転する。回転軸11bは、タービン11aおよびコンプレッサ11cの各インペラを結合することで、タービン11aの回転力をコンプレッサ11cに伝達する。コンプレッサ11cは、内燃機関10の吸気通路10inに配置され、吸気を圧縮して内燃機関10へ過給する。
The
吸気通路10inのうちコンプレッサ11cの下流側には、コンプレッサ11cで圧縮された吸気を冷却する冷却器12が配置されている。冷却器12により冷却された圧縮吸気は、スロットルバルブ13により流量調整された後、吸気マニホールドにより内燃機関10の複数の燃焼室へ分配される。
A
排気通路10exのうちタービン11aの下流側には、再生用DOC14a(Diesel Oxidation Catalyst)、DPF14(Diesel Particulate Filter)、NOx浄化装置15、浄化用DOC16が順に配置されている。DPF14は、排気に含まれている微粒子を捕集する。再生用DOC14aは、排気中の未燃燃料を酸化させて燃焼させる触媒を有する。この燃焼により、DPF14で捕集された微粒子を燃焼させて、DPF14を再生させて捕集能力を維持させる。なお、再生用DOC14aへの未燃燃料供給による燃焼は、常時実施されるものではなく、再生が必要な時期に一時的に実施される。
A
排気通路10exのうちDPF14の下流側かつNOx浄化装置15の上流側には、還元剤添加装置の供給管26が接続されている。この供給管26から排気通路10exへ、還元剤添加装置により生成された改質燃料が還元剤として添加される。改質燃料とは、還元剤として用いる炭化水素化合物(燃料)を部分的に酸化して、アルデヒド等の部分酸化炭化水素に改質したものであり、図3を用いて後に詳述する。
A
NOx浄化装置15は、還元触媒を担持するハニカム状の担体15bと、担体15bを内部に収容するハウジング15aとを備える。NOx浄化装置15は、排気中のNOxを還元触媒上で改質燃料と反応させてN2に還元することで、排気に含まれているNOxを浄化する。なお、排気中にはNOxの他にO2(酸素)も含まれているが、改質燃料はO2存在下においてNOxと選択的に反応する。
The
還元触媒には、NOxを吸着する機能を有したものが用いられている。詳細には、還元反応が可能となる活性化温度よりも触媒温度が低い場合に、還元触媒は排気中のNOxを吸着する機能を発揮する。そして、触媒温度が活性化温度以上の場合には、吸着されていたNOxは改質燃料により還元されて、還元触媒から放出される。例えば、担体15bに担持された銀アルミナによる還元触媒により、NOx吸着機能を有したNOx浄化装置15が提供される。
A reduction catalyst having a function of adsorbing NOx is used. Specifically, when the catalyst temperature is lower than the activation temperature at which the reduction reaction is possible, the reduction catalyst exhibits a function of adsorbing NOx in the exhaust. When the catalyst temperature is equal to or higher than the activation temperature, the adsorbed NOx is reduced by the reformed fuel and released from the reduction catalyst. For example, the
浄化用DOC16は、酸化触媒を担持する担体をハウジング内に収容して構成されている。浄化用DOC16は、還元触媒上にてNOx還元に用いられずにNOx浄化装置15から流出した還元剤を、酸化触媒上で酸化する。これにより、排気通路10exの出口から還元剤が大気に放出されることを防止する。なお、酸化触媒の活性化温度(例えば200℃)は、還元触媒の活性化温度(例えば250℃)よりも低い。
The
次に、改質燃料を生成して供給管26から排気通路10exへ添加する還元剤添加装置について説明する。還元剤添加装置は、以下に詳述する放電リアクタ20、エアポンプ20p、空気管23、反応容器25、ヒータ30および噴射弁40等を備える。特に、放電リアクタ20およびヒータ30は、還元剤を部分的に酸化させて改質する「改質手段」を提供する。また、改質手段に含まれる放電リアクタ20は、オゾンを生成する「オゾン生成装置」を提供し、改質手段に含まれるヒータ30は、還元剤を加熱する「加熱手段」を提供する。
Next, a reducing agent addition device that generates reformed fuel and adds it to the exhaust passage 10ex from the
放電リアクタ20は、内部に流通路22aを形成するハウジング22を備え、流通路22aには複数の電極21が配置されている。これらの電極21は、互いに平行に対向するように配置された平板形状であり、高電圧が印加される電極と接地電圧の電極とが交互に配置されている。電極21への電圧印加は、電子制御装置(ECU80)が備えるマイクロコンピュータ(マイコン81)により制御される。
The
放電リアクタ20のハウジング22には、エアポンプ20pにより送風された空気が流入する。エアポンプ20pは電動モータにより駆動され、その電動モータはマイコン81により制御される。エアポンプ20pにより送風された空気は、ハウジング22内の流通路22aに流入し、電極21間の通路である電極間通路21aを流通する。
The air blown by the
放電リアクタ20の下流側部分には、空気通路23bを内部に形成する空気管23が接続され、電極間通路21aを流通した空気は空気通路23bを流通する。空気管23の下流側部分には供給管26が接続されている。空気管23には、逆止弁24が取り付けられている。逆止弁24は、エアポンプ20pを駆動させるとスプリング(図示せず)の弾性力に抗して開弁作動し、エアポンプ20pを停止させている時には閉弁作動して、供給管26の側から放電リアクタ20の側へ改質燃料が逆流することを防止する。
An
空気管23のうち逆止弁24の下流側部分には、内部に気化室25aを形成する反応容器25が接続されている。気化室25aは、空気通路23bから分岐して連通する袋小路の形状であり、空気管23に形成された流入口23cを通じて空気通路23bと連通する。
A
反応容器25には、ヒータ30および噴射弁40が取り付けられている。ヒータ30は、通電により発熱する発熱部31を有し、発熱部31への通電はマイコン81により制御される。具体的には、発熱部31への電力供給量をマイコン81がデューティ制御することにより、発熱量が制御される。発熱部31は気化室25aに配置され、噴射弁40から気化室25aへ噴射された燃料を加熱する。気化室25aの温度は温度センサ27により検出される。温度センサ27は、検出した温度の情報(検出温度)をECU80へ出力する。
A
噴射弁40は、噴孔が形成されたボデー、電気アクチュエータおよび弁体を有する。電気アクチュエータを通電オンさせると、弁体が開弁作動して噴孔から気化室25aへ燃料が噴射され、通電オフさせると弁体が閉弁作動して燃料噴射が停止される。マイコン81は、電気アクチュエータへの通電を制御することで、気化室25aへの単位時間当たりの燃料噴射量を制御する。燃料タンク70t内の液体燃料は、ポンプ70pにより噴射弁40へ供給される。燃料タンク70t内の燃料は、先述した燃焼用の燃料としても用いられており、内燃機関10の燃焼に用いる燃料と、還元剤として用いる燃料は共用される。
The
噴射弁40から気化室25aへ噴射された燃料は、発熱部31に衝突し、加熱されて気化する。気化した燃料は、空気通路23bに流入して空気と混合される。その結果、空気中の酸素により気体燃料が部分的に酸化され、アルデヒド等の部分酸化炭化水素に改質される。このように改質された気体燃料(改質燃料)は、供給管26を通じて排気通路10exに流入する。
The fuel injected from the
さて、放電リアクタ20への通電を実施すると、電極21から放出された電子が、電極間通路21aの空気中に含まれる酸素分子に衝突する。すると、酸素分子からオゾンが生成される。つまり、放電リアクタ20は、放電により酸素分子をプラズマ状態にして、活性酸素としてのオゾンを生成する。したがって、放電リアクタ20への通電時には、空気通路23bを流通する空気にオゾンが含まれる。
Now, when the
空気通路23bまたは気化室25aでは、空気中の酸素により気体燃料が部分的に酸化される冷炎反応が生じている。このように部分的に酸化された燃料(改質燃料)の具体例として、燃料(炭化水素化合物)の一部がアルデヒド基(CHO)に酸化された状態の部分酸化物(例えばアルデヒド)が挙げられる。
In the
ここで、冷炎反応について図2および図3を用いて詳述する。 Here, the cold flame reaction will be described in detail with reference to FIGS.
図2は、燃料(ヘキサデカン)をヒータ30に噴き付けて気化させ、気化した燃料がヒータ30近傍に滞留して改質される現象を模擬したシミュレーション結果である。具体的には、気体燃料(ヘキサデカン)を430℃に暴露した場合における、暴露開始からの経過時間に対する各種物理量の変化を示す。すなわち、図中の(a)は雰囲気温度の変化を示す。(b)は、燃料(ヘキサデカン)のモル濃度の変化を示す。(c)は、酸化で消費された酸素分子、酸化で生成された水分子および二酸化炭素分子について、各々のモル濃度の変化を示す。(d)は、冷炎反応により生成された改質燃料であるアセトアルデヒドおよびプロピオンアルデヒドのモル濃度の変化を示す。燃料噴射開始時点での初期条件は、1気圧、ヘキサデカン濃度2200ppm、酸素濃度20%、二酸化炭素濃度9%、水濃度2%である。
FIG. 2 is a simulation result simulating a phenomenon in which fuel (hexadecane) is sprayed on the
図2に示されるように、燃料を噴射すると直ぐ、雰囲気温度が上昇するとともに燃料のモル濃度が減少し、かつ、改質燃料のモル濃度が増加している。この現象は、燃料が酸素に酸化されて発熱していることと、燃料から改質燃料が生成されていることを意味する。つまり、冷炎反応が生じていることを意味する。但し、このような温度上昇や各種モル濃度の変化は一時的なものであり、燃料噴射開始から4秒ほどの期間は、温度上昇やモル濃度の変化は現れない。 As shown in FIG. 2, as soon as fuel is injected, the ambient temperature increases, the molar concentration of the fuel decreases, and the molar concentration of the reformed fuel increases. This phenomenon means that the fuel is oxidized to oxygen and generates heat, and reformed fuel is generated from the fuel. That is, a cold flame reaction is occurring. However, such a temperature rise and changes in various molar concentrations are temporary, and during the period of about 4 seconds from the start of fuel injection, no temperature rise and no change in molar concentration appear.
そして、約4秒経過した時点で、雰囲気温度がさらに上昇するとともに改質燃料のモル濃度が減少し、かつ、二酸化炭素および水の生成量と、酸素の消費量が増加している。この現象は、改質燃料が酸素に酸化されて発熱していることと、改質燃料が完全燃焼して二酸化炭素および水が生成されていることを意味する。つまり、熱炎反応が生じていることを意味する。なお、冷炎反応による温度上昇量は、熱炎反応による温度上昇量よりも小さい。また、冷炎反応による酸素消費量は、熱炎反応による酸素消費量よりも少ない。 When about 4 seconds elapse, the atmospheric temperature further rises, the reformed fuel molar concentration decreases, and the amount of carbon dioxide and water produced and the amount of oxygen consumed increase. This phenomenon means that the reformed fuel is oxidized to oxygen and generates heat, and the reformed fuel is completely burned to generate carbon dioxide and water. That is, a hot flame reaction is occurring. Note that the amount of temperature increase due to the cold flame reaction is smaller than the amount of temperature increase due to the hot flame reaction. Moreover, the oxygen consumption by a cold flame reaction is less than the oxygen consumption by a hot flame reaction.
2段階で酸化反応が生じる場合には、冷炎反応が為されてから熱炎反応が開始されるまでの期間に、改質燃料が中間生成物として現れる。中間生成物には、アルデヒドやケトン等、様々な炭化水素化合物が具体例として挙げられる。図3では、アルデヒドが生成される主要な反応経路の一例を示す。 When the oxidation reaction occurs in two stages, the reformed fuel appears as an intermediate product during the period from the start of the cold flame reaction to the start of the hot flame reaction. Specific examples of the intermediate product include various hydrocarbon compounds such as aldehydes and ketones. FIG. 3 shows an example of a main reaction route through which aldehyde is generated.
先ず、図中の(1)に示すように、炭化水素(軽油)が酸素分子と反応して炭化水素ペルオキシラジカルが生成される。この炭化水素ペルオキシラジカルは、アルデヒドと炭化水素ラジカルに分解される((2)参照)。この炭化水素ラジカルと酸素分子とが反応して別の炭化水素ペルオキシラジカルが生成される((3)参照)。この炭化水素ペルオキシラジカルは、アルデヒドと炭化水素ラジカルに分解される((4)参照)。この炭化水素ラジカルと酸素分子とが反応して別の炭化水素ペルオキシラジカルが生成される((5)参照)。このように、炭素数を減らしながら繰り返し炭化水素ペルオキシラジカルが生成され、その生成の都度、アルデヒドが生成されていく。なお、熱炎反応では、燃料が完全燃焼して二酸化炭素と水が生成され、中間生成物は現れない。すなわち、冷炎反応により生成された中間生成物は、酸化されて二酸化炭素と水になる。 First, as shown in (1) in the figure, hydrocarbon (light oil) reacts with oxygen molecules to generate hydrocarbon peroxy radicals. This hydrocarbon peroxy radical is decomposed into an aldehyde and a hydrocarbon radical (see (2)). This hydrocarbon radical reacts with oxygen molecules to generate another hydrocarbon peroxy radical (see (3)). This hydrocarbon peroxy radical is decomposed into an aldehyde and a hydrocarbon radical (see (4)). This hydrocarbon radical reacts with oxygen molecules to generate another hydrocarbon peroxy radical (see (5)). In this way, hydrocarbon peroxy radicals are repeatedly generated while reducing the number of carbon atoms, and aldehydes are generated each time the carbon peroxy radical is generated. In the hot flame reaction, the fuel is completely burned to generate carbon dioxide and water, and no intermediate product appears. That is, the intermediate product produced by the cold flame reaction is oxidized to carbon dioxide and water.
図2に示すシミュレーションでは、暴露温度を430℃としていた。これに対し、さらに本発明者らは、暴露温度を異ならせてシミュレーションによる解析を実施した。その結果、暴露温度が530℃の場合には冷炎反応で留まる期間が殆ど無く、1段で酸化反応が完了する。暴露温度を330℃にすると、430℃にした場合に比べて冷炎反応の開始時期が遅くなる。暴露温度を230℃以下にすると、冷炎反応および熱炎反応のいずれもが生じなくなり、酸化反応が生じない。 In the simulation shown in FIG. 2, the exposure temperature was 430 ° C. On the other hand, the present inventors further conducted analysis by simulation with different exposure temperatures. As a result, when the exposure temperature is 530 ° C., there is almost no period of staying in the cold flame reaction, and the oxidation reaction is completed in one stage. When the exposure temperature is set to 330 ° C., the start time of the cold flame reaction is delayed as compared with the case where the exposure temperature is set to 430 ° C. When the exposure temperature is 230 ° C. or lower, neither a cold flame reaction nor a hot flame reaction occurs, and no oxidation reaction occurs.
図2に示すシミュレーションでは、噴射した燃料と供給される空気の比率である当量比を0.23としていた。これに対し、さらに本発明者らは、当量比を異ならせてシミュレーションによる解析を実施した。なお、当量比を厳密に定義すると、「実際の混合気が含む燃料の重量」を、「完全燃焼できる燃料の重量」で除算した値である。当量比を1.0にすると、冷炎反応で留まる期間が殆ど無く、1段で酸化反応が完了する。また、当量比を0.37にすると、当量比を0.23にした場合に比べて、冷炎反応の開始時期が早くなる。また、冷炎反応速度が速くなり、冷炎反応期間が短くなる。また、冷炎反応が終了した時点での雰囲気温度が高くなる。 In the simulation shown in FIG. 2, the equivalence ratio, which is the ratio between the injected fuel and the supplied air, is 0.23. On the other hand, the present inventors further performed analysis by simulation with different equivalence ratios. If the equivalence ratio is strictly defined, it is a value obtained by dividing "the weight of fuel contained in the actual air-fuel mixture" by "the weight of fuel capable of complete combustion". When the equivalence ratio is 1.0, there is almost no period of staying in the cold flame reaction, and the oxidation reaction is completed in one stage. In addition, when the equivalent ratio is 0.37, the start time of the cold flame reaction is earlier than when the equivalent ratio is 0.23. In addition, the cold flame reaction rate is increased and the cold flame reaction period is shortened. In addition, the atmospheric temperature at the time when the cold flame reaction ends is increased.
図4は、これらの解析結果をまとめて表したものである。つまり暴露温度(雰囲気温度)および当量比と、冷炎反応発生有無との関係を表しており、図4の横軸はヒータ温度(雰囲気温度)、縦軸は当量比を示す。図中のドットを付した領域は、2段酸化反応が生じる領域を表す。図示されるように、雰囲気温度が下限値よりも低い領域では、酸化反応が生じない無反応領域となる。雰囲気温度が下限値よりも高い場合であっても、当量比が1.0以上の領域であれば、1段で酸化反応が完了する1段酸化反応領域となる。 FIG. 4 summarizes these analysis results. That is, the relationship between the exposure temperature (atmosphere temperature) and the equivalence ratio and the presence / absence of the occurrence of a cold flame reaction is shown. The horizontal axis in FIG. A region with dots in the figure represents a region where a two-stage oxidation reaction occurs. As shown in the figure, in the region where the ambient temperature is lower than the lower limit value, it becomes a non-reactive region where no oxidation reaction occurs. Even if the atmospheric temperature is higher than the lower limit, if the equivalent ratio is in the region of 1.0 or more, it becomes a one-step oxidation reaction region where the oxidation reaction is completed in one step.
また、2段酸化反応領域と1段酸化反応領域との境界線は、雰囲気温度および当量比に応じて変化する。つまり、雰囲気温度が所定の温度範囲であり、かつ、当量比が所定の当量比範囲である場合に、2段酸化反応が生じる。これらの温度範囲および当量比範囲は、図4中のドットを付した領域の範囲に相当する。所定の温度範囲のうち最適温度(例えば370℃)に雰囲気温度を調整すると、上記境界線における当量比が最大値(例えば1.0)となる。したがって、冷炎反応を早期に生じさせるには、ヒータ温度を最適温度に調整し、当量比を1.0にすればよい。但し、当量比が1.0を超えると冷炎反応が生じなくなるので、1.0よりも余裕分だけ小さい値に当量比を調整することが望ましい。 Further, the boundary line between the two-stage oxidation reaction region and the first-stage oxidation reaction region varies depending on the ambient temperature and the equivalence ratio. That is, a two-stage oxidation reaction occurs when the ambient temperature is in a predetermined temperature range and the equivalent ratio is in a predetermined equivalent ratio range. These temperature range and equivalent ratio range correspond to the range of the region with dots in FIG. When the atmospheric temperature is adjusted to an optimum temperature (for example, 370 ° C.) within a predetermined temperature range, the equivalent ratio at the boundary line becomes the maximum value (for example, 1.0). Therefore, in order to cause the cold flame reaction at an early stage, the heater temperature is adjusted to the optimum temperature and the equivalence ratio is set to 1.0. However, since the cold flame reaction does not occur when the equivalent ratio exceeds 1.0, it is desirable to adjust the equivalent ratio to a value smaller than the margin by 1.0.
図2に示すシミュレーションでは、空気中のオゾン濃度をゼロにしている。これに対し、さらに本発明者らは、空気中のオゾン濃度を異ならせたシミュレーションによる解析を実施した。このシミュレーションでの初期条件は、1気圧、ヘキサデカン濃度2200ppm、雰囲気温度330℃である。その結果、オゾン濃度が大きいほど、冷炎反応の開始時期が早くなることが確認された。このようなオゾンによる現象は以下の理由により生じる。すなわち、図3中の(1)(3)(5)では、炭化水素ラジカルと酸素分子とが反応しているが、空気中にオゾンが含まれている場合にはこの反応が促進され、アルデヒドが短時間で生成されることとなる。 In the simulation shown in FIG. 2, the ozone concentration in the air is zero. On the other hand, the present inventors further performed an analysis by simulation with different ozone concentrations in the air. The initial conditions in this simulation are 1 atm, hexadecane concentration 2200 ppm, and ambient temperature 330 ° C. As a result, it was confirmed that the start time of the cold flame reaction was earlier as the ozone concentration was higher. Such a phenomenon caused by ozone occurs for the following reason. That is, in (1), (3), and (5) in FIG. 3, hydrocarbon radicals and oxygen molecules react, but when ozone is contained in the air, this reaction is promoted, and aldehyde Will be generated in a short time.
ECU80が備えるマイコン81は、プログラムを記憶する記憶装置と、記憶されたプログラムにしたがって演算処理を実行する中央演算処理装置と、を備える。ECU80は、各種センサの検出値に基づき内燃機関10の作動を制御する。上記各種センサの具体例として、アクセルペダルセンサ91、機関回転速度センサ92、スロットル開度センサ93、吸気圧センサ94、吸気量センサ95、排気温度センサ96等が挙げられる。
The
アクセルペダルセンサ91は、ユーザのアクセルペダル踏込量を検出する。機関回転速度センサ92は、内燃機関10の出力軸10aの回転速度(エンジン回転数)を検出する。スロットル開度センサ93はスロットルバルブ13の開度を検出する。吸気圧センサ94は、吸気通路10inのうちスロットルバルブ13の下流側の圧力を検出する。吸気量センサ95は吸気の質量流量を検出する。
The
概略、ECU80は、出力軸10aの回転速度および内燃機関10の負荷に応じて、図示しない燃料噴射弁から噴射される燃焼用燃料の噴射量および噴射時期を制御する。さらにECU80は、排気温度センサ96により検出された排気温度に基づき、還元剤添加装置の作動を制御する。すなわち、マイコン81は、図5に示す手順のプログラムを所定周期で繰り返し実行することで、改質燃料の生成とオゾンの生成を切り替えるように制御する。上記プログラムは、イグニッションスイッチがオン操作されたことをトリガとして始動し、内燃機関10の運転期間中は常時実行される。
In general, the
先ず、図5のステップS5において、内燃機関10が運転中であるか否かを判定する。運転中でないと判定されれば、ステップS18において還元剤添加装置の作動を停止させる。具体的には、放電リアクタ20、エアポンプ20p、噴射弁40、およびヒータ30への通電が為されていた場合、それらの通電を停止させる。また、NOx触媒温度が活性化温度未満であり、かつ、NOx吸着量が飽和状態になっている場合や、NOx触媒温度が還元可能範囲を超えて高温になっている場合にも、ステップS18により装置の作動を停止させる。
First, in step S5 of FIG. 5, it is determined whether or not the
一方、内燃機関10が運転中であると判定されれば、次のステップS10において、後述するS被毒回復処理(図8参照)を実施している期間中であるか否かを判定する。S被毒回復処理中でないと判定された場合、NOx浄化装置15が有する還元触媒の温度(NOx触媒温度)に応じて還元剤添加装置を以下の如く作動させる。
On the other hand, if it is determined that the
すなわち、先ずステップS11において、NOx触媒温度が所定温度T1より高温であるか否かを判定する。所定温度T1より低温であると判定された場合、続くステップS12において、NOx触媒温度が第2所定温度T2より高温であるか否かを判定する。第2所定温度より低温であると判定された場合、続くステップS13において、NOx触媒温度が活性化温度T3より高温であるか否かを判定する。 That is, first, in step S11, it is determined whether or not the NOx catalyst temperature is higher than a predetermined temperature T1. If it is determined that the temperature is lower than the predetermined temperature T1, it is determined in subsequent step S12 whether or not the NOx catalyst temperature is higher than the second predetermined temperature T2. If it is determined that the temperature is lower than the second predetermined temperature, in the subsequent step S13, it is determined whether or not the NOx catalyst temperature is higher than the activation temperature T3.
所定温度T1および第2所定温度T2は、活性化温度T3より高温に設定されている。所定温度T1は、第2所定温度T2より高温に設定されている。例えば、活性化温度T3が250℃である場合、第2所定温度T2を350℃、所定温度T1を400℃に設定する。NOx触媒温度は、排気温度センサ96により検出された排気温度から推定される。ここで、還元触媒の活性化温度T3とは、還元触媒上でNOxを還元浄化できる最低温度のことである。
The predetermined temperature T1 and the second predetermined temperature T2 are set to be higher than the activation temperature T3. The predetermined temperature T1 is set to be higher than the second predetermined temperature T2. For example, when the activation temperature T3 is 250 ° C., the second predetermined temperature T2 is set to 350 ° C., and the predetermined temperature T1 is set to 400 ° C. The NOx catalyst temperature is estimated from the exhaust temperature detected by the
ステップS11、S12、S13の判定により、触媒温度が活性化温度T3より低温と判定された場合、ステップS14において、オゾン生成モードで還元剤添加装置を作動させる。触媒温度が活性化温度T3より高温、かつ第2所定温度T2より低温と判定された場合、ステップS15において、強部分酸化モードで還元剤添加装置を作動させる。触媒温度が第2所定温度T2より高温、かつ所定温度T1より低温と判定された場合、ステップS16において、弱部分酸化モードで還元剤添加装置を作動させる。触媒温度が所定温度T1より高温と判定された場合、ステップS17において、酸化停止モードで還元剤添加装置を作動させる。 If it is determined in steps S11, S12, and S13 that the catalyst temperature is lower than the activation temperature T3, the reducing agent adding device is operated in the ozone generation mode in step S14. When it is determined that the catalyst temperature is higher than the activation temperature T3 and lower than the second predetermined temperature T2, in step S15, the reducing agent addition device is operated in the strong partial oxidation mode. When it is determined that the catalyst temperature is higher than the second predetermined temperature T2 and lower than the predetermined temperature T1, in step S16, the reducing agent addition device is operated in the weak partial oxidation mode. When it is determined that the catalyst temperature is higher than the predetermined temperature T1, in step S17, the reducing agent adding device is operated in the oxidation stop mode.
図5のステップS14にてオゾン生成モードに設定されると、予め設定されている電力量でエアポンプ20pを作動させるとともに、予め設定されている電力量で放電リアクタ20の電極21へ通電して放電を生じさせる。また、ヒータ30への通電を停止させるとともに、噴射弁40への通電を停止させて燃料噴射を停止させる。したがって、オゾン生成モードによれば、放電リアクタ20でオゾンが生成され、生成されたオゾンは、空気管23および供給管26を通じて排気通路10exへ添加される。
When the ozone generation mode is set in step S14 of FIG. 5, the
ここで、ヒータ30への通電を実施していると、オゾンは加熱されて崩壊する。また、燃料噴射を実施していると、オゾンは燃料と反応してしまう。これらの点を鑑み、オゾン生成モードではヒータ30による加熱を停止させ、かつ、燃料噴射を停止させているので、オゾンが燃料と反応することや加熱崩壊を回避できる。よって、生成したオゾンがそのまま排気通路10exへ添加されることとなる。
Here, when the
図5のステップS15にて強部分酸化モードに設定されると、図6のサブルーチン処理が開始される。 When the strong partial oxidation mode is set in step S15 in FIG. 5, the subroutine processing in FIG. 6 is started.
この処理の概略を図中の一点鎖線にしたがって説明すると、先ずステップS30において、反応容器25内の温度を所定の温度範囲に調整する。次に、ステップS40において、燃料と空気の比率である当量比を所定の当量比範囲に調整する。これらの温度範囲および当量比範囲は、図4中のドットに示される2段酸化反応領域の範囲である。これにより、冷炎反応を生じさせて先述した改質燃料を生成する。
The outline of this process will be described according to the one-dot chain line in the drawing. First, in step S30, the temperature in the
温度範囲の下限は、1段酸化領域および2段酸化領域と無反応領域との境界線となる260℃に設定されている。温度範囲の上限は、1段酸化領域と2段酸化領域の境界線のうちの最大温度に設定されている。当量比範囲の上限は、1段酸化領域と2段酸化領域の境界線のうちの最大値であって、370℃に対応する当量比に設定されている。 The lower limit of the temperature range is set to 260 ° C., which is the boundary line between the first stage oxidation region and the second stage oxidation region and the non-reaction region. The upper limit of the temperature range is set to the maximum temperature on the boundary line between the first stage oxidation region and the second stage oxidation region. The upper limit of the equivalence ratio range is the maximum value of the boundary lines between the first stage oxidation region and the second stage oxidation region, and is set to an equivalent ratio corresponding to 370 ° C.
さらに、ステップS50において、反応容器25内での燃料の濃度に応じて、放電リアクタ20への供給電力を制御する。これにより、オゾンが生成され、そのオゾンが反応容器25内に供給されるので、冷炎反応の開始時期の早期化と冷炎反応時間の短縮化が図られる。よって、反応容器25内での燃料の滞留時間が短くなるように反応容器25を小型化しても、上記滞留時間内に冷炎反応が完了するようにできる。よって、反応容器25の小型化を図ることができる。
Further, in step S50, the power supplied to the
なお、ステップS30の処理を実行している時のマイコン81は、気化室25aの温度を所定の温度範囲に調整する「温度調整手段」を提供する。ステップS40の処理を実行している時のマイコン81は、気化室25aへ供給される燃料と空気の比率である当量比を所定の当量比範囲に調整する「当量比調整手段」を提供する。
The
以下、これらのステップS30、S40、S50の詳細について、図6を用いて説明する。 Details of these steps S30, S40, and S50 will be described below with reference to FIG.
先ず、温度調整手段に係るステップS30の処理について説明する。先ずステップS31において、還元剤添加装置内の温度、つまり反応容器25内の温度を取得する。具体的には、温度センサ27による検出温度Tactを取得する。続くステップS32では、予め設定しておいた目標温度Ttrgよりも検出温度Tactが高い値であるか否かを判定する。具体的には、検出温度Tactから目標温度Ttrgを減算して得られた差分値ΔTが、ゼロより大きいか否かを判定する。
First, the process of step S30 related to the temperature adjusting means will be described. First, in step S31, the temperature in the reducing agent addition apparatus, that is, the temperature in the
ΔT>0でないと否定判定されれば、ステップS33に進み、ヒータ30による加熱量を増加させる。具体的には、ヒータ30への通電デューティ比を、差分値ΔTの絶対値が大きいほど増大させる。一方、ΔT>0であると肯定判定されれば、続くステップS34にて差分値ΔTが上限値(例えば50℃)を超えているか否かを判定する。上限値を超えていないと否定判定されれば、ステップS35に進み、ヒータ30による加熱量を低減させる。具体的には、ヒータ30への通電デューティ比を、差分値ΔTの絶対値が大きいほど減少させる。但し、上限値を超えていると肯定判定された場合には、ステップS36に進み、ヒータ30への通電を停止させる。これにより、雰囲気温度を迅速に低下させることを図る。
If a negative determination is made that ΔT> 0 is not satisfied, the process proceeds to step S33, and the amount of heating by the
ステップS32で用いる目標温度Ttrgは、図4に示す2段酸化反応領域のうち、当量比が最大となる雰囲気温度(例えば370℃)に設定されている。なお、気化室25aの温度は冷炎反応により上昇するので、ヒータ30自体の温度は、冷炎反応による温度上昇分だけ目標温度Ttrgよりも低い値に制御されることとなる。
The target temperature Ttrg used in step S32 is set to an atmospheric temperature (for example, 370 ° C.) at which the equivalent ratio is maximum in the two-stage oxidation reaction region shown in FIG. Since the temperature of the vaporizing
次に、当量比調整手段に係るステップS40の処理について説明する。ステップS40の処理では、差分値ΔTが50℃以下であればステップS41に進み、検出温度Tactに対応する、冷炎反応を生じさせる当量比の最大値φmaxを算出する。具体的には、2段酸化反応領域における当量比の最大値φmaxであって、雰囲気温度に対応する当量比の最大値φmax、またはその最大値φmaxから所定の余裕分だけ減算した値を、目標当量比φtrgとしてマイコン81に記憶させておく。例えば、図4に示す2段酸化反応領域における当量比の最大値φmaxであって、雰囲気温度に対応する当量比の最大値φmaxを、マップ化してマイコン81に記憶させておく。そして、検出温度Tactに対応する当量比の最大値φmaxを、マップを参照して算出する。
Next, the process of step S40 related to the equivalence ratio adjusting means will be described. In the process of step S40, if the difference value ΔT is 50 ° C. or less, the process proceeds to step S41, and the maximum value φmax of the equivalent ratio that causes the cold flame reaction corresponding to the detected temperature Tact is calculated. Specifically, the maximum value φmax of the equivalent ratio in the two-stage oxidation reaction region, which is the maximum value φmax of the equivalent ratio corresponding to the ambient temperature, or a value obtained by subtracting a predetermined margin from the maximum value φmax, The equivalent ratio φtrg is stored in the
続くステップS42では、ステップS41で算出した当量比の最大値φmaxに基づき、目標当量比φtrgを設定する。具体的には、所定の余裕分だけ最大値φmaxから減算した値を目標当量比φtrgとして設定する。これにより、実際の当量比が目標当量比φtrgより大きくなったとしても、最大値φmaxを超えるおそれを低減でき、冷炎反応にとどまらず熱炎反応にまで至るおそれを低減できる。 In the subsequent step S42, the target equivalent ratio φtrg is set based on the maximum equivalent ratio value φmax calculated in step S41. Specifically, a value obtained by subtracting the maximum value φmax by a predetermined margin is set as the target equivalent ratio φtrg. Thereby, even if the actual equivalent ratio becomes larger than the target equivalent ratio φtrg, the possibility of exceeding the maximum value φmax can be reduced, and the possibility of reaching not only the cold flame reaction but also the hot flame reaction can be reduced.
一方、差分値ΔTが50℃より大きく、上記ステップS36にてヒータ30を停止させている場合には、ステップS43に進み、予め設定しておいた空冷用の値に目標当量比φtrgを設定する。この空冷用の値は、目標温度Ttrgに対応する当量比の最大値φmaxよりも小さい値に設定されている。つまり、ステップS42の場合に比べて空気の流量を増大させることで、雰囲気温度の迅速な低下を促進させることを図る。
On the other hand, if the difference value ΔT is greater than 50 ° C. and the
続くステップS44では、NOx浄化装置15へ流入したNOxの全てを還元するのに必要な燃料を、過不足なくNOx浄化装置15へ供給するための値を、目標燃料流量Ftrgとして設定する。上記目標燃料流量Ftrgとは、単位時間当たりにNOx浄化装置15へ供給する燃料の質量である。
In the subsequent step S44, a value for supplying the fuel necessary for reducing all of the NOx flowing into the
具体的には、以下に説明するNOx流入流量およびNOx触媒温度に基づき、目標燃料流量Ftrgを設定する。上記NOx流入流量とは、単位時間当たりにNOx浄化装置15へ流入するNOxの質量である。例えば、内燃機関10の運転状態に基づき、NOx流入流量を推定できる。上記NOx触媒温度とは、NOx浄化装置15が有する還元触媒の温度のことである。例えば、排気温度センサ96により検出された温度に基づき、NOx触媒温度を推定できる。
Specifically, the target fuel flow rate Ftrg is set based on the NOx inflow rate and NOx catalyst temperature described below. The NOx inflow rate is the mass of NOx flowing into the
そして、NOx流入流量が多いほど、目標燃料流量Ftrgを増大させる。また、NOx触媒温度に応じて還元触媒上でNOxが還元される量(還元力)が異なってくるので、NOx触媒温度による還元力の違いに応じて目標燃料流量Ftrgを設定する。 The target fuel flow rate Ftrg is increased as the NOx inflow rate increases. Further, since the amount (reducing power) in which NOx is reduced on the reduction catalyst varies depending on the NOx catalyst temperature, the target fuel flow rate Ftrg is set according to the difference in the reducing power depending on the NOx catalyst temperature.
続くステップS45では、ステップS42またはステップS43で設定した目標当量比φtrg、およびステップS44で設定した目標燃料流量Ftrgに基づき、目標空気流量Atrgを算出する。具体的には、φtrg=Ftrg/Atrgとなるように目標空気流量Atrgを算出する。 In the subsequent step S45, the target air flow rate Atrg is calculated based on the target equivalent ratio φtrg set in step S42 or step S43 and the target fuel flow rate Ftrg set in step S44. Specifically, the target air flow rate Atrg is calculated so that φtrg = Ftrg / Atrg.
続くステップS46では、ステップS45で算出した目標空気流量Atrgに基づき、エアポンプ20pの作動を制御する。具体的には、目標空気流量Atrgが大きいほど、エアポンプ20pへの通電デューティ比を増大させる。続くステップS47では、ステップS44で設定した目標燃料流量Ftrgに基づき、噴射弁40の作動を制御して燃料噴射を実施する。具体的には、目標燃料流量Ftrgが大きいほど噴射弁40の開弁時間を長くする。或いは、今回の噴射終了から次回の噴射開始までのインターバルを短くする。
In the subsequent step S46, the operation of the
次に、放電電力制御手段に係るステップS50の処理について説明する。先ずステップS51において、ステップS44で設定した目標燃料流量Ftrgに基づき、目標オゾン流量Otrgを算出する。具体的には、気化室25aにおけるオゾン濃度の燃料濃度に対する比率が所定値(例えば0.2)となるように、目標オゾン流量Otrgを算出する。例えば、所定時間(例えば0.02秒)内に冷炎反応を完了させるよう、上記比率を設定する。さらにステップS51では、還元触媒が低温であるほど目標オゾン流量Otrgを増加させるように設定する。
Next, the process of step S50 related to the discharge power control means will be described. First, in step S51, the target ozone flow rate Otrg is calculated based on the target fuel flow rate Ftrg set in step S44. Specifically, the target ozone flow rate Otrg is calculated so that the ratio of the ozone concentration to the fuel concentration in the vaporizing
続くステップS52では、ステップS45で算出した目標空気流量Atrg、およびステップS51で算出した目標オゾン流量Otrgに基づき、放電リアクタ20への目標通電量Ptrgを算出する。具体的には、目標空気流量Atrgが多いほど、電極間通路21aでの空気の滞留時間が短くなるので、目標通電量Ptrgを大きくする。また、目標オゾン流量Otrgが多いほど、目標通電量Ptrgを大きくする。続くステップS53では、ステップS52で算出した目標通電量Ptrgに基づき、放電リアクタ20への通電量を制御する。具体的には、目標通電量Ptrgが大きいほど、放電リアクタ20への通電デューティ比を増大させる。或いは、今回の通電終了から次回の通電開始までのインターバルを短くする。
In the subsequent step S52, the target energization amount Ptrg to the
以上により、図6に示す強部分酸化モードによれば、放電リアクタ20で生成されたオゾン、空気中の酸素、およびヒータ30により気化された燃料が、空気中の酸素と混合され、オゾンが存在する環境下で燃料が部分酸化される。これに対し、図5のステップS16による弱部分酸化モードでは、オゾンの生成を停止させて、ヒータ30により気化された燃料および空気中の酸素が混合され、オゾンが存在しない環境下で燃料が部分酸化される。
As described above, according to the strong partial oxidation mode shown in FIG. 6, the ozone generated in the
詳細には、弱部分酸化モードでは、図6に示すステップS30、S40と同様の処理を実施しつつ、ステップS50の処理を廃止している。つまり、ステップS30にて所定の温度範囲に調整するとともに、ステップS40にて所定の当量比範囲に調整する。但し、ステップS50によるオゾン生成を実施せず、放電リアクタ20への通電を停止させる。
Specifically, in the weak partial oxidation mode, the processing in step S50 is abolished while the same processing as in steps S30 and S40 shown in FIG. 6 is performed. That is, while adjusting to a predetermined temperature range in step S30, it adjusts to a predetermined equivalence ratio range in step S40. However, the ozone generation in step S50 is not performed, and energization to the
また、図5のステップS17による酸化停止モードでは、図6に示すステップS30と同様の処理を実施しつつ、図6のステップS40、S50の処理を廃止している。つまり、ステップS30にて所定の温度範囲に調整する。但し、ステップS40による当量比の調整およびステップS50によるオゾン生成を実施せず、放電リアクタ20への通電を停止させる。また、エアポンプ20pの作動を停止させて、気化室25aおよびガイド面53a上への空気(酸素)の供給を停止させる。但し、燃料を気化室25aへ供給してヒータ30により気化させることは実施する。そのため、酸素やオゾンによる酸化が為されることなく部分酸化していない気体燃料が、排気通路10exへ添加される。
Moreover, in the oxidation stop mode by step S17 of FIG. 5, the process of FIG.6 S40 and S50 is abolished, implementing the process similar to step S30 shown in FIG. That is, the temperature is adjusted to a predetermined temperature range in step S30. However, the adjustment of the equivalence ratio in step S40 and the ozone generation in step S50 are not performed, and energization to the
マイコン81は、図5に示す各種モードの処理とは別に、図7に示す処理を所定周期で繰返し実施している。
The
図7の処理では、先ずステップS61において、DPF14の再生要求が為されているか否かを判定する。DPF再生要求とは、DPF14に付着して目詰りを生じさせている微粒子成分(煤)を燃焼させて、DPF14の微粒子捕集能力を再生させる要求である。なお、マイコン81は、図7とは別の判定処理を実行することで、DPF再生要求のフラグをオンに設定してDPF14の再生を要求するか否かを判定する。
In the process of FIG. 7, first, in step S61, it is determined whether a regeneration request for the
このDPF再生要求の判定では、例えば、排気通路10exのうちDPF14の上流側と下流側との圧力差をセンサで検出し、その差圧が所定以上になっていればDPF再生要求フラグをオンに設定する。或いは、車両の走行距離が所定距離に達した場合や、内燃機関10の運転時間が所定時間に達した場合に、DPF再生要求フラグをオンに設定する。そして、上記差圧が所定未満になった場合、或いは、DPF14の再生処理が所定時間実施された場合に、DPF再生要求フラグをオフに設定して、DPF再生の要求を停止させる。
In the determination of the DPF regeneration request, for example, a pressure difference between the upstream side and the downstream side of the
図7の説明に戻り、DPF再生要求が為されていると判定された場合(S61:YES)には、次のステップS62において、DPF14の温度が、煤が燃焼する再生処理温度(例えば650℃)に達しているか否かを判定する。再生処理温度に達していないと判定された場合(S62:NO)、続くステップS63において、DPF14の温度を上昇させる。具体的には、燃焼室へ燃料を噴射するタイミングを遅らせるように燃料噴射弁(図示せず)の作動を制御することで、排気の温度を昇温させる。この昇温の結果、DPF14の温度が再生処理温度に達すると、DPF14に付着している煤が燃焼して、DPF14の再生処理が開始されることとなる。
Returning to the description of FIG. 7, if it is determined that a DPF regeneration request has been made (S61: YES), in the next step S62, the temperature of the
また、本実施形態にかかる内燃機関10は圧縮自着火式であるため、DPF再生処理を実施していない通常運転時において、基本的にはリーン状態で燃焼させるように内燃機関10を作動させている。そして、DPF再生処理時においても、通常運転時と同様にしてリーン状態で燃焼させている。つまり、燃焼室に噴射された燃料と燃焼室に吸入される空気との比率である空燃比が、空気過剰に設定された状態で燃焼(リーン燃焼)させている。
Further, since the
DPF14の温度が再生処理温度に達したと判定された場合(S62:YES)、続くステップS64において、DPF14の温度が再生処理温度に維持されるように、燃料噴射タイミングおよび燃料噴射量を制御する。
When it is determined that the temperature of the
続くステップS65では、S被毒回復要求が為されているか否かを判定する。S被毒回復要求とは、排気中のSOxが還元触媒に吸着されて残存することによりNOx浄化率が低下する硫黄被毒の状態から、還元触媒を回復させる要求である。なお、マイコン81は、図7とは別の判定処理を実行することで、S被毒回復要求のフラグをオンに設定して還元触媒の回復を要求するか否かを判定する。
In a succeeding step S65, it is determined whether or not an S poison recovery request is made. The S poison recovery request is a request for recovering the reduction catalyst from the sulfur poisoning state in which the NOx purification rate is reduced by SOx in the exhaust gas being adsorbed and remaining on the reduction catalyst. Note that the
このS被毒回復要求の判定では、例えば、前回のS被毒回復処理の実施終了の後、車両の走行距離が所定距離に達した場合に、S被毒回復要求フラグをオンに設定する。或いは、前回のS被毒回復処理の実施終了の後、内燃機関10の運転時間が所定時間に達した場合や、内燃機関10の燃焼に用いる燃料の噴射量が所定量に達した場合に、S被毒回復要求フラグをオンに設定する。そして、ステップS65によるS被毒回復処理が所定時間以上実施された場合に、S被毒回復要求フラグをオフに設定する。或いは、今回のS被毒回復処理の実施開始以降、噴射弁40からの燃料の噴射量が所定量に達した場合に、S被毒回復要求フラグをオフに設定する。
In the determination of the S poisoning recovery request, for example, when the travel distance of the vehicle reaches a predetermined distance after the previous execution of the S poisoning recovery process, the S poisoning recovery request flag is set to ON. Alternatively, when the operation time of the
S被毒回復要求が為されていると判定された場合(S65:YES)には、次のステップS66において、図8に示すS被毒回復処理を実施するよう、還元剤添加装置を作動させる。S被毒回復処理の実施期間中は、図5によるNOx浄化処理を停止させる。なお、NOx浄化処理を実施している時のマイコン81は、還元触媒上でのNOx浄化が要求される浄化要求時に、改質燃料を排気通路10exに添加させる浄化制御手段81a(図1参照)を提供する。また、S被毒回復処理を実施している時のマイコン81は、S被毒回復要求時に改質燃料を排気通路10exに添加させる回復制御手段81bを提供する。また、図7のステップS62、S63、S64によるDPF再生処理を実施している時のマイコン81は、DPF14を温度上昇させることによりDPF14に堆積した微粒子を燃焼除去させる燃焼除去制御手段81cを提供する。
If it is determined that an S poisoning recovery request has been made (S65: YES), in the next step S66, the reducing agent addition device is operated so as to perform the S poisoning recovery process shown in FIG. . During the implementation period of the S poison recovery process, the NOx purification process shown in FIG. 5 is stopped. When the NOx purification process is being performed, the
図8に示すS被毒回復処理では、先ずステップS71において、気化室25aの温度が所定温度となるように、予め設定しておいた通電量でヒータ30を作動させる。続くステップS72では、空気通路23bに送風される空気流量が所定流量となるように、予め設定しておいた通電量でエアポンプ20pを作動させる。
In the S poisoning recovery process shown in FIG. 8, first, in step S71, the
なお、DPF再生処理がリーン燃焼で実施されることは先述した通りである。したがって、S被毒回復処理は、リーン燃焼による排気が還元触媒に流入してくる環境下で実施される。また、DPF再生処理では、内燃機関10の通常制御時に比べて排気温度を上昇させて、DPF温度を再生処理温度(例えば650℃)にまで上昇させることは先述した通りである。したがって、S被毒回復処理は、通常制御時よりも高温の排気が還元触媒に流入してくる環境下で実施される。
Note that the DPF regeneration process is performed by lean combustion as described above. Therefore, the S poison recovery process is performed in an environment in which exhaust from lean combustion flows into the reduction catalyst. Further, in the DPF regeneration process, as described above, the exhaust gas temperature is raised compared to the normal control of the
続くステップS73では、気化室25aへの単位時間当たりの燃料噴射量が所定量となるように、予め設定しておいた開弁時間および噴射インターバルで噴射弁40を作動させる。続くステップS74では、空気に含まれるオゾンの量が所定量となるように、予め設定しておいた通電量で放電リアクタ20を作動させる。要するに、図8のS被毒回復処理では、図5のステップS15による強部分酸化モードと同様にして、オゾンが存在する環境下で燃料が部分酸化される。
In subsequent step S73, the
但し、S被毒回復処理では、予め設定しておいた制御量で、ヒータ30、エアポンプ20p、噴射弁40および放電リアクタ20を作動させる。また、S被毒回復処理では、強部分酸化モード、弱部分酸化モード、および酸化停止モードの切り替えを実施せず、触媒温度に拘らず、オゾン環境下部分酸化させた燃料を排気通路10exに添加する。
However, in the S poisoning recovery process, the
図7の説明に戻り、ステップS67において、DPF再生処理が終了したか否かを判定する。具体的には、先述したDPF再生要求フラグがオフに切り替わっていれば、DPF再生処理が終了したと判定する。なお、DPF再生要求フラグがオンからオフに切り替わると、排気温度を昇温させてDPF再生処理温度に維持させるように燃料噴射弁の作動を制御することを終了させて、DPF再生処理を終了させる。その結果、DPF14の温度は降下して再生処理温度よりも低くなる。
Returning to the description of FIG. 7, in step S67, it is determined whether or not the DPF regeneration process is completed. Specifically, if the above-described DPF regeneration request flag is switched off, it is determined that the DPF regeneration process has been completed. Note that when the DPF regeneration request flag is switched from on to off, the operation of the fuel injection valve is controlled to increase the exhaust gas temperature and maintain the DPF regeneration processing temperature, and the DPF regeneration processing is terminated. . As a result, the temperature of the
DPF再生処理が終了していないと判定(S67:NO)された場合には、処理はステップS64に戻り、DPF再生処理が継続される。DPF再生処理が終了したと判定(S67:YES)された場合には、S被毒回復要求が為されているか否かに拘らず、DPF再生処理を終了させることとなる。したがって、DPF再生処理の実施期間中(S67:NO)であり、かつ、S被毒回復要求が為されている期間中(S65:YES)は、S被毒回復処理も継続される。 If it is determined that the DPF regeneration process has not ended (S67: NO), the process returns to step S64, and the DPF regeneration process is continued. If it is determined that the DPF regeneration process is completed (S67: YES), the DPF regeneration process is terminated regardless of whether or not the S poison recovery request is made. Therefore, the S poison recovery process is continued during the DPF regeneration process (S67: NO) and during the S poison recovery request (S65: YES).
DPF再生処理の実施期間中(S67:NO)にS被毒回復処理が終了することを想定しているが、仮に、S被毒回復要求が為されている状態でDPF再生処理が終了した場合には、S被毒回復処理を強制的に終了させる。また、このようにS被毒回復処理を強制終了させた場合には、次回のS被毒回復処理を実施する際に、強制終了させたことを加味してS被毒回復要求フラグのオンオフを設定する。 It is assumed that the S poison recovery process ends during the implementation period of the DPF regeneration process (S67: NO), but if the DPF regeneration process ends with the S poison recovery request being made. In this case, the S poisoning recovery process is forcibly terminated. In addition, when the S poisoning recovery process is forcibly terminated in this way, when performing the next S poisoning recovery process, the S poisoning recovery request flag is turned on / off in consideration of the forced termination. Set.
次に、図8のS被毒回復処理による効果について説明する。 Next, the effect of the S poison recovery process of FIG. 8 will be described.
図9は、以下の如く試験条件を異ならせた場合のNOx浄化率を示す。すなわち、S被毒していない新品の還元触媒を用いてNOx浄化率を計測する試験1を実施したところ、NOx浄化率は91%であった。その後、この新品の還元触媒を、車両走行距離が80000kmに達するまで使用してS被毒させ、その状態でNOx浄化率を計測する試験2を実施したところ、NOx浄化率は65%にまで低下したことが確認された。その後、このS被毒した還元触媒に対して、図8のS被毒回復処理を実施し、その状態でNOx浄化率を計測する試験3を実施したところ、NOx浄化率は90%にまで向上したことが確認された。したがって、上記S被毒回復処理によれば、NOx浄化率をほぼ回復できることが確認された。
FIG. 9 shows the NOx purification rate when the test conditions are varied as follows. That is, when a
上記試験3に係るS被毒回復処理の実施時間は15分であり、この15分間において、還元触媒から脱離したSO2の濃度を計測した試験結果を図10は示す。図示されるように、S被毒回復処理の実施直後に、脱離SO2の濃度が急上昇し、実施経過約1分で脱離SO2の濃度が最大となる。その後、脱離SO2の濃度が急降下し、15分経過時点では脱離SO2の濃度が1ppm未満となっている。したがって、S被毒回復処理を15分実施すれば、還元触媒の残存SO2を十分に低下できることが確認された。
The implementation time of the S poisoning recovery process according to
図9および図10に係る試験では、還元触媒の温度が後述する最適温度(例えば550℃)になっている。具体的には、DPF再生処理の実施に伴いDPF温度を上昇させると、排気および排気管を通じてDPF14の熱が還元触媒に伝わり、還元触媒の温度が上昇する。よって、排気通路10exにおけるNOx浄化装置15とDPF14との離間距離L(図1参照)に応じて、DPF再生処理時の還元触媒温度は異なってくる。この点を鑑み、DPF14が再生処理温度(例えば650℃)に維持されている時に還元触媒が最適温度(例えば550℃)になるように、上記離間距離Lが設定されている。
In the tests according to FIGS. 9 and 10, the temperature of the reduction catalyst is an optimum temperature (for example, 550 ° C.) described later. Specifically, when the DPF temperature is increased in accordance with the DPF regeneration process, the heat of the
図11は、上記最適温度が存在することを示す試験結果である。この試験では、排気温度を異ならせてS被毒回復処理を15分間実施し、排気温度を異ならせた試験毎にSO2の脱離量を計測している。つまり、図11の試験結果は、還元触媒温度とNOx浄化率との関係を表している。また、図11の最も右側に示すSO2の脱離量は、ヒータ30および放電リアクタ20を停止させつつ噴射弁40から燃料を噴射して試験している。つまり、噴射した燃料を、部分酸化させてアルデヒドに改質させることなく還元触媒へ供給させた場合について、SO2脱離量を計測している。
FIG. 11 is a test result showing that the optimum temperature exists. In this test, the S poison recovery process was performed for 15 minutes with different exhaust temperatures, and the amount of SO 2 desorption was measured for each test with different exhaust temperatures. That is, the test result of FIG. 11 represents the relationship between the reduction catalyst temperature and the NOx purification rate. Further, the SO 2 desorption amount shown on the rightmost side in FIG. 11 is tested by injecting fuel from the
図11の試験結果は、燃料を部分酸化させてアルデヒドに改質させない場合には、還元触媒温度が550℃では十分にS被毒回復できないのに対し、部分改質すれば、還元触媒温度が500℃以上の領域で十分にS被毒回復できることを表している。また、500℃以上の領域において高温で有るほどS被毒回復が促進される訳ではなく、最適温度(550℃)が存在しており、最適温度より高温にすると却ってNOx浄化率が低下することを表している。つまり、還元触媒温度を500℃〜600℃の範囲にすることが、十分にS被毒回復させる上で望ましく、還元触媒温度を525℃〜600℃の範囲にすることがより望ましい。 The test results in FIG. 11 show that when the fuel is not partially oxidized to be reformed to aldehyde, the reduction catalyst temperature cannot be sufficiently recovered at 550 ° C., whereas when the partial reforming is performed, the reduction catalyst temperature is reduced. It shows that S poisoning can be sufficiently recovered in a region of 500 ° C. or higher. In addition, the higher the temperature is in the region of 500 ° C or higher, the more the S poison recovery is not promoted, and the optimal temperature (550 ° C) exists, and the NOx purification rate decreases when the temperature is higher than the optimal temperature. Represents. That is, it is desirable that the reduction catalyst temperature be in the range of 500 ° C. to 600 ° C. in order to sufficiently recover S poisoning, and it is more desirable that the reduction catalyst temperature be in the range of 525 ° C. to 600 ° C.
最適温度より高温にすると却ってNOx浄化率が低下する理由について、本発明者らは次のように考察している。すなわち、最適温度より高温にすると排気通路10ex内が過剰に高温になり、その結果、排気通路10exに添加された還元剤が、還元触媒に到達するまでに排気通路10ex内で燃焼してしまう。 The present inventors consider the reason why the NOx purification rate decreases when the temperature is higher than the optimum temperature as follows. That is, when the temperature is higher than the optimum temperature, the inside of the exhaust passage 10ex becomes excessively hot, and as a result, the reducing agent added to the exhaust passage 10ex burns in the exhaust passage 10ex before reaching the reduction catalyst.
また、燃料を部分酸化させて改質させると、改質させない場合に比べて低温環境下でSO2を還元触媒から脱離できる理由について、本発明者らは次のように考察している。以下、図12を用いて、担体15b(酸化アルミナ)上の還元触媒(銀触媒)に吸着されているSO2が、リーン環境下で改質燃料と反応して脱離するメカニズム、つまり還元触媒がS被毒回復するメカニズムについて説明する。
Further, the present inventors consider the reason why SO 2 can be desorbed from the reduction catalyst in a low temperature environment when the fuel is partially oxidized and reformed as compared with the case where the fuel is not reformed. Hereinafter, referring to FIG. 12, a mechanism in which SO 2 adsorbed on the reduction catalyst (silver catalyst) on the
図12中の(a)に示すように、先ず、排気通路10exへ添加されたアルデヒドは銀触媒に吸着される。この時の銀触媒は、アルデヒドの他にも硫黄を吸着した状態(S被毒した状態)である。このS被毒回復処理はリーン燃焼時に実施されるため、銀触媒に接触する排気中には酸素分子が含まれている。この酸素分子により、銀触媒に吸着されたアルデヒドは酸化され、(b)に示す如くアセテートに変化する。このように銀触媒上で生成されたアセテートは、硫黄成分と結合しやすい物質である。そのため、銀触媒に吸着された状態のアセテートは、(c)に示す如く、銀触媒に吸着されている硫黄成分と結合して、R−SCOに変化する。その後、銀触媒に吸着されたR−SCOは、(d)に示す如く排気中の酸素分子により酸化され、その結果、SやSO2、H2O、CO2に分解されて銀触媒から脱離する。 As shown in (a) of FIG. 12, first, the aldehyde added to the exhaust passage 10ex is adsorbed by the silver catalyst. The silver catalyst at this time is in a state where sulfur is adsorbed in addition to the aldehyde (a state in which S is poisoned). Since this S poisoning recovery process is performed during lean combustion, oxygen molecules are contained in the exhaust gas that contacts the silver catalyst. By this oxygen molecule, the aldehyde adsorbed on the silver catalyst is oxidized and converted into acetate as shown in (b). Thus, the acetate produced | generated on the silver catalyst is a substance which is easy to couple | bond with a sulfur component. Therefore, the acetate in the state adsorbed on the silver catalyst is combined with the sulfur component adsorbed on the silver catalyst and changed to R-SCO as shown in (c). Thereafter, R-SCO adsorbed on the silver catalyst is oxidized by oxygen molecules in the exhaust as shown in (d), and as a result, it is decomposed into S, SO 2 , H 2 O, CO 2 and desorbed from the silver catalyst. Release.
要するに、「リーン環境下で部分酸化物を還元触媒に流入させると、その部分酸化物が、還元触媒に吸着されている硫黄および排気中の酸素と化学反応して、還元触媒から硫黄を脱離させて還元させる現象が生じる」といった知見を本発明者らは得た。この知見に鑑み、本実施形態では、S被毒回復要求時に、内燃機関10がリーン燃焼していることを条件として、部分酸化された改質燃料を排気通路10exに添加させる。
In short, when a partial oxide is allowed to flow into the reduction catalyst in a lean environment, the partial oxide chemically reacts with sulfur adsorbed on the reduction catalyst and oxygen in the exhaust, thereby desorbing sulfur from the reduction catalyst. The present inventors have obtained the knowledge that the phenomenon of reduction occurs. In view of this knowledge, in the present embodiment, the partially oxidized reformed fuel is added to the exhaust passage 10ex on the condition that the
そのため、従来の如くリーン燃焼からリッチ燃焼に切り替える制御(リッチ切替制御)を不要にしつつ、上記知見の現象が生じさせて、S被毒回復を実施することができる。よって、従来のリッチ切替制御による燃費悪化を回避できる。また、本実施形態に反してリッチ環境下で還元触媒から硫黄を脱離させる場合には悪臭成分である硫化水素が発生するが、本実施形態ではリーン環境下で硫黄を脱離させるので、硫化水素の発生を抑制できる。 Therefore, it is possible to perform the S poison recovery by causing the phenomenon of the above knowledge while eliminating the need for the control to switch from lean combustion to rich combustion (rich switching control) as in the prior art. Therefore, fuel consumption deterioration due to the conventional rich switching control can be avoided. Also, contrary to the present embodiment, when sulfur is desorbed from the reduction catalyst in a rich environment, malodorous hydrogen sulfide is generated, but in this embodiment, sulfur is desorbed in a lean environment. Generation of hydrogen can be suppressed.
還元触媒から硫黄を脱離させるためには、内燃機関10の排気を通常制御時よりも高温にして還元触媒を高温にすることを要するが、本実施形態によれば、従来のリッチ切替制御に比べて低い温度で硫黄を脱離させることができる。これらの効果は実験により確認された事実であるが、図12の如く部分酸化物が反応することに起因するものであると本発明者らは考察する。
In order to desorb sulfur from the reduction catalyst, it is necessary to set the exhaust gas of the
さらに本実施形態によれば、DPF14および燃焼除去制御手段81cを備えた燃焼システムに適用され、燃焼除去制御手段81cによる燃焼除去(DPF再生)の実施期間中であることを条件として、回復制御手段81bによる還元剤の添加を実施する。そのため、DPF再生とは別にS被毒回復の目的で排気温度を上昇させることを不要にでき、燃費向上を促進できる。なお、低温で硫黄脱離できる先述した効果により、DPF再生時の排気温度でS被毒回復させることが実現可能となっている。
Furthermore, according to the present embodiment, the recovery control means is applied to a combustion system provided with the
さて、DPF再生処理のためのDPF温度には最適温度が存在し、S被毒回復処理のための還元触媒温度にも最適温度が存在する。この点を鑑みた本実施形態によれば、DPF再生処理による温度上昇に伴い還元触媒が温度上昇して、該還元触媒の温度がS被毒回復に適した温度範囲になるよう、排気通路10exにおけるDPF14とNOx浄化装置15との離間距離Lが設定されている。そのため、DPF温度および還元触媒温度をともに最適温度にすることを同時に実現できる。よって、DPF再生時の排気温度でS被毒回復させるにあたり、DPF再生とS被毒回復の両方を高効率で実施できる。
Now, there is an optimum temperature for the DPF temperature for the DPF regeneration process, and there is also an optimum temperature for the reduction catalyst temperature for the S poison recovery process. According to the present embodiment in view of this point, the exhaust passage 10ex is set such that the temperature of the reduction catalyst rises as the temperature rises due to the DPF regeneration process, and the temperature of the reduction catalyst falls within the temperature range suitable for S poison recovery. The separation distance L between the
さらに本実施形態では、少なくとも銀を含む物質を還元触媒として用いている。これによれば、より低温かつ短時間でS被毒回復できることが確認された。このことは、先述した「部分酸化物が、還元触媒に吸着されている硫黄および排気中の酸素と化学反応して、還元触媒から硫黄を脱離させて還元させる現象」が、銀触媒を用いると活発に生じるからである、と本発明者らは考察する。 Furthermore, in this embodiment, a substance containing at least silver is used as the reduction catalyst. According to this, it was confirmed that S poisoning can be recovered at a lower temperature and in a shorter time. This is because the phenomenon that “the partial oxide chemically reacts with sulfur adsorbed on the reduction catalyst and oxygen in the exhaust gas to desorb and reduce sulfur from the reduction catalyst” uses a silver catalyst. The present inventors consider that this occurs actively.
該考察をより詳細に説明すると、触媒に白金を用いた場合、白金は銀に比べて酸化力が強いので、触媒に流入した部分酸化物は、図12(b)に示すアセテートの状態になる過程を経ること無く完全に酸化して、H2O、CO2に分解される。これに対し、触媒に銀を用いた場合、銀は白金に比べて酸化力が弱いので、触媒に流入した部分酸化物は、完全に酸化する前に、一旦アセテートの状態になる(図12(b)参照)。そのため、還元剤(アセテート)が硫黄と結合する反応を生じさせることができ、硫黄と結合した状態で還元剤が完全に酸化して、硫黄とともに分解する。このように、程よい酸化力の銀触媒を用いることで、上記現象が活発に生じると本発明者らは考察する。 Explaining this consideration in more detail, when platinum is used as the catalyst, platinum has a stronger oxidizing power than silver, so the partial oxide flowing into the catalyst is in the state of acetate shown in FIG. It is completely oxidized without going through the process and decomposed into H 2 O and CO 2 . On the other hand, when silver is used for the catalyst, since silver has a lower oxidizing power than platinum, the partial oxide that has flowed into the catalyst is once in the state of acetate before being completely oxidized (FIG. 12 ( b)). Therefore, a reaction in which the reducing agent (acetate) is combined with sulfur can be caused, and the reducing agent is completely oxidized and decomposed together with sulfur in a state of being combined with sulfur. Thus, the present inventors consider that the above phenomenon occurs actively by using a silver catalyst having an appropriate oxidizing power.
さて、高温環境下の燃料は、大気圧であっても、周囲の空気に含まれる酸素と酸化反応して自着火燃焼する。このような自着火燃焼による酸化反応は、発熱しながら二酸化炭素と水が生成される熱炎反応とも呼ばれている。但し、燃料と空気の比率(当量比)および雰囲気温度が所定範囲にある場合には、以下に説明する冷炎反応で留まる期間が長くなり、その後に熱炎反応が生じる。つまり、冷炎反応と熱炎反応の2段階で酸化反応が生じる(図4参照)。 A fuel in a high temperature environment oxidizes with oxygen contained in the surrounding air and ignites and burns even at atmospheric pressure. Such an oxidation reaction by self-ignition combustion is also called a hot flame reaction in which carbon dioxide and water are generated while generating heat. However, when the ratio of fuel to air (equivalent ratio) and the ambient temperature are within a predetermined range, the period of staying in the cold flame reaction described below becomes longer, and then a hot flame reaction occurs. That is, an oxidation reaction occurs in two stages, a cold flame reaction and a hot flame reaction (see FIG. 4).
この冷炎反応は、雰囲気温度が低く当量比が小さい場合に生じやすい反応であり、周囲の空気に含まれる酸素により燃料が部分的に酸化される反応である。そして、冷炎反応による発熱で雰囲気温度が上昇し、その後一定の時間が経過すると、部分酸化された燃料(例えばアルデヒド)が酸化されて先述の熱炎反応が生じる。そして、冷炎反応により生成されたアルデヒド等の部分酸化燃料をNOx浄化用の還元剤として用いると、部分酸化されていない燃料を用いた場合に比べてNOx浄化率が向上する。 This cold flame reaction is a reaction that easily occurs when the ambient temperature is low and the equivalence ratio is small, and is a reaction in which the fuel is partially oxidized by oxygen contained in the surrounding air. Then, when the ambient temperature rises due to heat generated by the cold flame reaction and then a certain period of time elapses, the partially oxidized fuel (for example, aldehyde) is oxidized and the above-described hot flame reaction occurs. When a partially oxidized fuel such as an aldehyde generated by a cold flame reaction is used as a reducing agent for NOx purification, the NOx purification rate is improved as compared with the case where a fuel that is not partially oxidized is used.
この点を鑑みた本実施形態では、ヒータ30により所定温度以上に加熱された炭化水素化合物(還元剤)を、空気中に含まれる酸素により部分的に酸化させて改質する。そのため、冷炎反応により炭化水素化合物をアルデヒド等に改質し、その改質燃料をNOx浄化用の還元剤として用いるので、NOx浄化率を向上させることができる。そして、このようにNOx浄化用の還元剤として用いる部分酸化物(アルデヒド等)をS被毒回復に用いるので、S被毒回復専用のハード構成を不要にできる。
In this embodiment in view of this point, the hydrocarbon compound (reducing agent) heated to a predetermined temperature or higher by the
また、本発明者らは、雰囲気温度および当量比を所定範囲に調整すれば、熱炎反応の前に冷炎反応が生じるとの知見を得た。この知見に基づき為された本実施形態では、空気中の酸素により燃料を酸化反応させる気化室25aを内部に形成する反応容器25を備える。そして、冷炎反応が生じるように気化室25aの温度および当量比が調整され、冷炎反応により部分的に酸化された燃料が、NOx浄化用の還元剤として用いられる。そのため、部分酸化されていない燃料を還元剤としてそのまま用いる場合に比べて、NOx浄化率を向上させることができる。
In addition, the present inventors have obtained knowledge that a cold flame reaction occurs before a hot flame reaction if the atmospheric temperature and the equivalent ratio are adjusted within a predetermined range. In the present embodiment made based on this knowledge, a
さて、先述した強部分酸化モード、弱部分酸化モード、および酸化停止モードのいずれで還元剤を添加した場合であっても、NOx触媒温度に応じてNOx浄化率は変化する。そして、いずれのモードにおいても、浄化率が最大となる場合の触媒温度(ピーク温度)が存在する。但し、そのピーク温度はモードによって異なる。したがって、所定温度T1(第1境界温度)より高温側の領域では、部分酸化された改質燃料の一部が、NOxを還元する前に完全に酸化して二酸化炭素および水に変化(酸化変質)し、NOx還元能力を失う。そのため、部分酸化による改質を行わない方が却って浄化率が高くなる。所定温度T2(第2境界温度)より高温側の領域においても同様にして、部分酸化された改質燃料の一部が酸化変質してNOx還元能力を失うこととなり、触媒温度が高温であるほど酸化変質する度合いが高くなる。よって、オゾンを供給しない方が却って浄化率が高くなる。但し、第2境界温度より低温側の領域においては、オゾンを供給して部分酸化を促進させても上記酸化変質が殆ど生じなくなるので、オゾンを供給した方が浄化率は高くなる。 Now, regardless of the case where the reducing agent is added in any of the above-described strong partial oxidation mode, weak partial oxidation mode, and oxidation stop mode, the NOx purification rate changes according to the NOx catalyst temperature. In any mode, there is a catalyst temperature (peak temperature) when the purification rate is maximized. However, the peak temperature differs depending on the mode. Accordingly, in the region on the higher temperature side than the predetermined temperature T1 (first boundary temperature), a part of the partially oxidized reformed fuel is completely oxidized and converted into carbon dioxide and water (oxidation alteration) before reducing NOx. ) And lose NOx reduction ability. For this reason, the purification rate is higher when the modification by partial oxidation is not performed. Similarly, even in a region on the higher temperature side than the predetermined temperature T2 (second boundary temperature), a part of the partially oxidized reformed fuel is oxidized and deteriorated and loses the NOx reduction ability, and the higher the catalyst temperature is, the higher the catalyst temperature is. The degree of oxidative alteration increases. Therefore, the purification rate is higher when ozone is not supplied. However, in the region on the lower temperature side than the second boundary temperature, even if ozone is supplied and partial oxidation is promoted, the oxidation deterioration hardly occurs. Therefore, the purification rate is higher when ozone is supplied.
以上の考察に基づき、本実施形態によれば、還元触媒温度が所定温度T1より高温である場合に、酸化停止モードに切り替えて改質を停止させる。そのため、例えば触媒温度が上昇して第1境界温度の低温側から高温側に移行した場合には、弱部分酸化モードから酸化停止モードに切り替えられる。よって、部分酸化した燃料が酸化変質してNOx還元能力を失うといった事態に陥る機会が低減されて、浄化率が向上する。また、例えば触媒温度が上昇して第2境界温度の低温側から高温側に移行した場合には、高部分酸化モードから弱部分酸化モードに切り替えられる。よって、部分酸化した燃料が酸化変質してNOx還元能力を失うといった事態に陥る機会が低減されて、浄化率が向上する。 Based on the above consideration, according to the present embodiment, when the reduction catalyst temperature is higher than the predetermined temperature T1, the reforming is stopped by switching to the oxidation stop mode. Therefore, for example, when the catalyst temperature rises and shifts from the low temperature side to the high temperature side of the first boundary temperature, the mode is switched from the weak partial oxidation mode to the oxidation stop mode. Therefore, the chance of falling into a situation where the partially oxidized fuel is oxidized and deteriorated to lose the NOx reduction ability is reduced, and the purification rate is improved. For example, when the catalyst temperature rises and shifts from the low temperature side to the high temperature side of the second boundary temperature, the high partial oxidation mode is switched to the weak partial oxidation mode. Therefore, the chance of falling into a situation where the partially oxidized fuel is oxidized and deteriorated to lose the NOx reduction ability is reduced, and the purification rate is improved.
さらに本実施形態では、放電リアクタ20を備え、冷炎反応を生じさせる時には、放電リアクタ20により生成されたオゾンを供給する。そのため、冷炎反応の開始時期の早期化と、冷炎反応時間の短縮化を図ることができる。よって、反応容器25内での燃料の滞留時間が短くなるように反応容器25を小型化しても、上記滞留時間内に冷炎反応が完了するようにできる。よって、反応容器25の小型化を図ることができる。そして、このような改質に用いる放電リアクタ20をS被毒回復に用いるので、S被毒回復専用のハード構成を不要にできる。
Furthermore, in this embodiment, the
さらに本実施形態では、還元触媒が活性化温度T3未満である場合には、噴射弁40による燃料噴射を停止させつつ、放電リアクタ20により生成されたオゾンを空気通路23bへ供給させることで、排気通路10exへオゾンを添加する。これによれば、NOx浄化装置15の還元触媒が活性化していないにも拘わらず、還元剤としての改質燃料を添加することを防止できる。そして、オゾンの添加により、排気中のNOをNO2に酸化させてNOx浄化触媒に吸着させるので、NOx浄化装置15へのNOx吸着量を増大できる。
Further, in the present embodiment, when the reduction catalyst is lower than the activation temperature T3, the fuel generated by the
さらに本実施形態では、ヒータ30により炭素数の少ない炭化水素化合物に燃料を分解させるクラッキングを実施している。クラッキングにより炭素数が少なくなった炭化水素は沸点が低くなるので、気化した燃料が液体に戻ることが抑制される。
Furthermore, in the present embodiment, cracking is performed in which the fuel is decomposed into a hydrocarbon compound having a small number of carbon atoms by the
(他の実施形態)
以上、発明の好ましい実施形態について説明したが、発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、以下に例示するように種々変形して実施することが可能である。各実施形態で具体的に組合せが可能であることを明示している部分同士の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、明示してなくとも実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
(Other embodiments)
The preferred embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made as illustrated below. Not only combinations of parts that clearly show that combinations are possible in each embodiment, but also combinations of the embodiments even if they are not explicitly stated unless there is a problem with the combination. Is also possible.
上記実施形態では、銀を含んだ触媒を還元触媒として用いているが、本発明はこのような銀触媒に限定されるものではなく、例えば銅または鉄を含んだ触媒を還元触媒として用いてもよい。なお、これら銅触媒または鉄触媒についても、銀触媒と同様にして白金触媒よりも酸化力が弱いので、図12に示す硫黄脱離の現象が生じると推察される。 In the above embodiment, a catalyst containing silver is used as the reduction catalyst. However, the present invention is not limited to such a silver catalyst. For example, a catalyst containing copper or iron may be used as the reduction catalyst. Good. Since these copper catalysts or iron catalysts also have lower oxidizing power than platinum catalysts in the same manner as silver catalysts, it is assumed that the phenomenon of sulfur desorption shown in FIG. 12 occurs.
上記実施形態では、図8に示すS被毒回復処理を実施するにあたり、ヒータ30、エアポンプ20p、噴射弁40および放電リアクタ20を、予め設定した制御量で作動させている。これに対し、還元触媒に吸着している硫黄成分量(S被毒量)を推定し、推定したS被毒量に応じて上記制御量を可変設定してもよい。
In the embodiment described above, the
図1に示す実施形態では、放電リアクタ20を備えることにより、空気通路23bへオゾンを供給している。これに対し、放電リアクタ20を廃止して強部分酸化モードを廃止し、部分酸化モードと酸化停止モードを切り替えるように制御し、かつ、S被毒回復処理時におけるオゾン供給を廃止してもよい。これによれば、オゾンの供給による燃料の反応速度を向上できず、かつ、S被毒回復処理に要する時間が長くなるものの、放電リアクタ20を廃止して、装置の小型化を図ることができる。
In the embodiment shown in FIG. 1, by providing the
図1に示す実施形態では、DPF14を備える燃焼システムにNOx浄化装置15を適用させ、DPF再生処理時にS被毒回復処理を実施している。これに対し、DPF再生処理を実施していない時に、DPF再生処理とは別にS被毒回復処理を実施してもよい。この場合、DPF14を備えていない燃焼システムにNOx浄化装置15を適用させてもよい。
In the embodiment shown in FIG. 1, the
図1に示す実施形態では、エアポンプ20pにより放電リアクタ20へ空気を供給している。これに対し、内燃機関10の吸気の一部を分岐させて放電リアクタ20へ流入させてもよい。具体的には、冷却器12により冷却される前の高温吸気を放電リアクタ20へ分岐させてもよいし、冷却器12により冷却された後の低温吸気を放電リアクタ20へ分岐させてもよい。
In the embodiment shown in FIG. 1, air is supplied to the
図1に示す上記実施形態では、NOxを物理的に捕捉(つまり吸着)する還元触媒が採用されているが、NOxを化学的結合により捕捉(つまり吸蔵)する還元触媒が採用された燃焼システムに、還元剤添加装置を適用させてもよい。 In the above embodiment shown in FIG. 1, a reduction catalyst that physically captures (that is, adsorbs) NOx is employed. However, the combustion system employs a reduction catalyst that traps (that is, stores) NOx by chemical bonding. A reducing agent addition device may be applied.
内燃機関10が理論空燃比よりもリーンな状態で燃焼させている時に、NOx浄化装置15がNOxを吸着し、リーン燃焼以外の時にNOxを還元させる燃焼システムに、還元剤添加装置を適用させてもよい。この場合、リーン燃焼時にはオゾンを生成し、リーン燃焼以外の時に改質燃料を生成させればよい。このようにリーン燃焼時にNOxを捕捉する触媒の具体例としては、担体に担持された白金とバリウムによる吸蔵還元触媒が挙げられる。
When the
図1に示す実施形態では、車両に搭載された燃焼システムに還元剤添加装置を適用させている。これに対し、定置式の燃焼システムに還元剤添加装置を適用させてもよい。図1に示す実施形態では、圧縮自着火式のディーゼルエンジンに還元剤添加装置を適用させており、燃焼用の燃料として用いる軽油を還元剤として用いている。これに対し、点火着火式のガソリンエンジンに還元剤添加装置を適用させて、燃焼用の燃料として用いるガソリンを還元剤として用いてもよい。 In the embodiment shown in FIG. 1, a reducing agent addition device is applied to a combustion system mounted on a vehicle. On the other hand, a reducing agent addition device may be applied to a stationary combustion system. In the embodiment shown in FIG. 1, a reducing agent addition device is applied to a compression self-ignition diesel engine, and light oil used as a fuel for combustion is used as a reducing agent. On the other hand, gasoline used as a fuel for combustion may be used as a reducing agent by applying a reducing agent addition device to an ignition ignition type gasoline engine.
10…内燃機関、10ex…排気通路、15…NOx浄化装置、20…放電リアクタ(改質手段)、30…ヒータ(改質手段)、81a…浄化制御手段、81b…回復制御手段。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記還元剤を部分的に酸化させて改質する改質手段(20、30)と、
前記還元触媒上でのNOx浄化が要求される浄化要求時に、前記改質手段により改質された還元剤を前記排気通路に添加させる浄化制御手段(81a)と、
硫黄被毒した前記還元触媒の回復が要求される回復要求時に、前記内燃機関がリーン燃焼していることを条件として、前記改質手段により改質された還元剤を前記排気通路に添加させる回復制御手段(81b)と、
を備えることを特徴とする還元剤添加装置。 A NOx purification device (15) for purifying NOx contained in the exhaust gas of the internal combustion engine (10) on the reduction catalyst is provided in a combustion system provided in the exhaust passage (10ex), and upstream of the reduction catalyst in the exhaust passage. In a reducing agent addition apparatus for adding a reducing agent that is a hydrocarbon compound to the side,
Modifying means (20, 30) for partially oxidizing and modifying the reducing agent;
A purification control means (81a) for adding a reducing agent reformed by the reforming means to the exhaust passage at the time of a purification request that requires NOx purification on the reduction catalyst;
Recovery for adding the reducing agent reformed by the reforming means to the exhaust passage on the condition that the internal combustion engine is lean burning at the time of the recovery request for recovery of the sulfur-poisoned reduction catalyst Control means (81b);
An apparatus for adding a reducing agent, comprising:
前記排気通路のうち前記NOx浄化装置の上流側に配置され、排気に含まれる微粒子を捕集する微粒子捕集装置(14)と、
前記微粒子捕集装置を温度上昇させることにより前記微粒子捕集装置に堆積した微粒子を燃焼除去させる燃焼除去制御手段(81c)と、
を備えており、
前記燃焼除去制御手段による燃焼除去の実施期間中であることを条件として、前記回復制御手段による還元剤の添加を実施することを特徴とする請求項1に記載の還元剤添加装置。 The combustion system includes:
A particulate collection device (14) disposed upstream of the NOx purification device in the exhaust passage and collecting particulates contained in the exhaust; and
Combustion removal control means (81c) for burning and removing fine particles deposited on the fine particle collection device by raising the temperature of the fine particle collection device;
With
2. The reducing agent addition apparatus according to claim 1, wherein the reducing agent is added by the recovery control means on condition that the combustion removal by the combustion removal control means is in progress.
前記改質手段は、前記還元剤を加熱する加熱手段(30)を有し、前記加熱手段により所定温度以上に加熱された前記還元剤を、空気中に含まれる酸素により部分的に酸化させて改質することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の還元剤添加装置。 The reducing agent is a hydrocarbon compound;
The reforming means includes a heating means (30) for heating the reducing agent, and the reducing agent heated to a predetermined temperature or higher by the heating means is partially oxidized by oxygen contained in air. The reducing agent addition apparatus according to claim 1, wherein the reducing agent addition apparatus is reformed.
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