JP3620446B2 - Exhaust gas purification device for internal combustion engine - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に、ディーゼルエンジンの排気中に含まれる浮遊粒子状物質である煤に代表されるパティキュレートマター(Particulate Matter以下特に断らない限り「PM」という。)を捕集する手段を有する排気浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンは経済性に優れている反面、排気中に含まれるPMの除去が重要な課題となっている。このため、大気中にPMが放出されないようにディーゼルエンジンの排気系にPMの捕集を行うパティキュレートフィルタ(以下、単に「フィルタ」とする)を設ける技術が周知である。
【0003】
このフィルタにより排気中のPMが一旦捕集され大気中へ放出されることを防止することができる。しかし、捕集されたPMはフィルタに堆積しフィルタの目詰まりを発生させる。この目詰まりによりフィルタ上流の排気の圧力が上昇し内燃機関の出力低下やフィルタの毀損を誘発する。そこで、フィルタ上に堆積したPMを着火燃焼せしめることによりPMを除去する必要が生じる。このようにフィルタに堆積したPMを除去することをフィルタの再生という。
【0004】
しかし、前記フィルタに捕集されたPMを着火燃焼させるためには、フィルタの温度を例えば500℃以上の高温にする必要があるが、ディーゼルエンジンの排気の温度は通常この温度よりも低いためPMを燃焼除去するのは困難であった。
【0005】
そこで、電気ヒータ、バーナ等を用いて捕集されたPMの着火燃焼が生じる温度までフィルタを加熱、昇温することが考えられるが、これには多大なエネルギを外部から供給する必要がある。この問題に対し、例えば特開平6−159037号公報によれば、NOx触媒を担持したフィルタと、排気中に炭化水素を供給する装置とを使用し、排気中に供給した炭化水素をNOx触媒で燃焼させた際に発生する熱を利用して容易にPMの燃焼を可能としている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
このような構成の内燃機関の排気浄化装置では、NOx触媒へ還元剤を供給するための実行条件及びPMを燃焼減量させるための実行条件を適切に設定することが重要である。
【0007】
例えば、車両の運転条件、NOx触媒温度、前回のPM燃焼制御実行からの経過時間をPM燃焼制御の実行条件とすると、この条件が成立しない限りPMの燃焼制御は行われないため、PMの燃焼除去が必要とされる堆積量よりも多くのPMがフィルタに堆積することがある。この状態が長く続いた後、NOx触媒に吸収されたNOxを還元するために還元剤を排気中へ供給すると、還元剤はNOx触媒に到達する前にフィルタに堆積したPMに付着してPM同様にフィルタに堆積し、フィルタの目詰まりを進行させてしまう。
【0008】
本発明は以上の問題を解決するためになされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、フィルタ及び窒素酸化物吸収剤を具備する内燃機関の排気浄化装置において、粒子状物質の除去及び窒素酸化物の還元を適正な時期に行い、還元剤がフィルタに堆積することを防止し、以て、フィルタ機能の低下を防止することができる技術を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために本発明の内燃機関の排気浄化装置は、次の手段を採用した。
【0010】
すなわち、内燃機関の排気通路に設けられ排気中に含まれる粒子状物質を捕集するフィルタと、
内燃機関の排気通路に設けられ排気中に含まれる窒素酸化物を吸収する窒素酸化物吸収剤と、
前記窒素酸化物吸収剤に還元剤を供給する還元剤供給手段と、
前記フィルタに堆積した粒子状物質の量を推定する堆積状態推定手段と、
前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記堆積状態推定手段が所定量以上の粒子状物質が堆積していると推定し且つ前記運転状態検出手段により検出された内燃機関の運転状態が所定条件を満たした場合に堆積した粒子状物質を除去して前記フィルタの再生を行うフィルタ再生手段と、
を具備し、
前記堆積状態推定手段がフィルタ再生の条件である所定量以上の粒子状物質がフィルタに堆積していると推定したにもかかわらず前記運転状態検出手段で検出された運転状態が所定条件を満たさないために所定期間以上フィルタの再生が行われない場合には、前記フィルタに堆積した粒子状物質の除去が完了するまで前記還元剤供給手段による還元剤の供給を行わないことを特徴とする。
【0011】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、排気中に含まれる粒子状物質が排気通路に設けられたフィルタによって捕集される。
【0012】
フィルタに捕集された粒子状物質は、フィルタに堆積しフィルタの目詰まりを誘発するので、フィルタ再生手段により除去される。
【0013】
また、排気中に含まれる窒素酸化物(NOx)は、排気通路に設けられた窒素酸化物吸収剤に吸収される。
【0014】
そして、窒素酸化物吸収剤へ還元剤を供給する必要が生じたときに、還元剤供給手段は、窒素酸化物吸収剤より上流の排気通路へ還元剤を供給する。
【0015】
排気通路に供給された還元剤は、排気通路の上流から流れてくる排気とともに窒素酸化物吸収剤へ流入する。そして、窒素酸化物吸収剤は、還元剤を利用して排気中の有害ガス成分を還元及び浄化することになる。
【0016】
ところで、フィルタの再生及び窒素酸化物の還元を行ったときの効果は、内燃機関の運転状態等によって大きく異なる。
【0017】
そこで、フィルタに粒子状物質が堆積している状態又は窒素酸化物吸収剤に吸収されている窒素酸化物の量を考慮しつつ運転状態検出手段の検出結果等に基づいてフィルタの再生又は窒素酸化物吸収剤へ還元剤を供給する時期が決定される。
【0018】
このような条件を定めると、フィルタに粒子状物質が所定量以上堆積し、再生が必要とされても、運転状態等の所定条件が成立していないときにはフィルタの再生は行われない。このような状態が続いてフィルタに所定量以上の粒子状物質が堆積したときに、窒素酸化物吸収剤へ還元剤を供給する条件が成立してしまい還元剤の供給が行われると、窒素酸化物吸収剤へ還元剤が到達する前に、フィルタに堆積した粒子状物質に還元剤が付着しそのまま粒子状物質と共にフィルタに堆積してしまう。
【0019】
そこで、フィルタに堆積している粒子状物質の量を堆積状態推定手段により推定し、所定量以上の粒子状物質の堆積が推定されたときには、フィルタの再生が完了するまでは還元剤の供給は行わないようにし、フィルタの目詰まりが進行することを防止する。
【0020】
前記堆積状態推定手段は、例えばフィルタ前後の差圧に基づいて予め求めた数値マップにより粒子状物質の堆積量を推定することができる。その他にも、所定期間フィルタの再生が行われていない、所定の距離を走行した間にフィルタの再生が行われていない、フィルタを再生する前に内燃機関の運転が停止された等の条件が成立したときに、フィルタの再生が完了するまで窒素酸化物吸収剤へ還元剤の供給を行わないようにしてもよい。
【0021】
本発明においては、前記運転状態検出手段により検出された運転状態が所定条件を満たしていないためにフィルタの再生が行われていないときに、前記内燃機関が高負荷状態になった場合には、前記内燃機関に供給する燃料を減量させてもよい。
【0022】
高負荷時に供給される燃料の量が多いと、酸素濃度が低い状態での高温燃焼となるため粒子状物質が多量に発生する。そこで、高負荷時に燃料を減量することで内燃機関から排出される粒子状物質を低減することができ、フィルタの目詰まりが進行することを防止できる。
【0023】
本発明においては、排気の一部を内燃機関の吸気系に再循環させるEGR装置を具備し、前記運転状態検出手段により検出された運転状態が所定条件を満たしていないためにフィルタの再生が行われていないときに、EGRガス量を減量させてもよい。
【0024】
高負荷時にEGRガス量が多いと、酸素濃度が低い状態での高温燃焼となるため粒子状物質が多量に発生する。そこで、高負荷時にEGRガス量を減量することで内燃機関から排出される粒子状物質を低減することができ、フィルタの目詰まりが進行することを防止できる。
【0025】
本発明においては、前記還元剤供給手段は、内燃機関の排気通路に還元剤を添加する還元剤添加ノズルであり、また、前記フィルタ再生手段は、内燃機関へ機関出力のための燃料を噴射させる主噴射の後の機関出力とはならない時期に再度燃料を噴射させる副噴射であってもよい。
【0026】
副噴射を行うと、噴射された燃料は内燃機関から排出される前に燃焼し、排気の温度を上昇させる。この高温になった排気がフィルタに到達すると、フィルタに堆積した粒子状物質は着火され燃焼除去される。
【0027】
また、このときに排出される炭化水素は十分にガス化されており、フィルタに捕集されて目詰まりの原因とはなりにくいものである。
【0028】
本発明においては、前記窒素酸化物吸収剤を前記フィルタに担持させてもよい。
【0029】
また、本発明においては、前記フィルタを前記窒素酸化物吸収剤よりも排気通路の上流に設置してもよい。
【0030】
窒素酸化物吸収剤が担持されたフィルタや、窒素酸化物吸収剤よりも排気通路の上流に設置されたフィルタは、還元剤が窒素酸化物吸収剤に到達する前にフィルタに堆積した粒子状物質に付着するので特に効果が高い。
【0031】
本発明においては、前記内燃機関が低回転低負荷で運転されているときで、前記内燃機関が温間状態にあるときは、通常よりもEGRガス量を増量し、また、前記内燃機関が冷間状態にあるときは、内燃機関へ機関出力のための燃料を噴射させる主噴射の後の機関出力とはならない時期に再度燃料を噴射させる副噴射を行いフィルタ又は窒素酸化物吸収剤の温度を上昇させることができる。
【0032】
副噴射を行うと、噴射された燃料は内燃機関から排出される前に燃焼し、排気の温度を上昇させる。この副噴射により窒素酸化物吸収剤及びフィルタの早期温度上昇が可能となる。ここで、窒素酸化物吸収剤は、炭化水素を酸化する機能も有するが、冷間時は、窒素酸化物吸収剤の温度が活性温度に達していないため炭化水素の酸化が行われないので炭化水素の排出量が少ない副噴射をおこなう。
【0033】
また、このときに排出される炭化水素は高温のため十分にガス化されており、フィルタに捕集されて目詰まりの原因とはなりにくいものである。
【0034】
副噴射は、燃料を燃焼させて排気を高温状態にするため、フィルタ及び窒素酸化物吸収剤の昇温を行うことに関しては効果的であるが、燃料を多く消費するため冷間時に主に行うこととしたが、以下に述べる低温燃焼が達成できない領域では、温間時でも使用することができる。
【0035】
温間時は、窒素酸化物吸収剤の温度が活性温度に達しているので窒素酸化物吸収剤による炭化水素の浄化が期待できる。このときに、EGRガス量を通常よりも増量して内燃機関の運転を行う。これは、粒子状物質の発生量がピークとなるEGRガス量よりも更に多くのEGRガスを加えて燃料を燃焼させるものである。これを、低温燃焼といい、粒子状物質はほとんど発生せず、その代わりに未燃炭化水素が多く排出される。排出された未燃炭化水素は窒素酸化物吸収剤で酸化され該窒素酸化物吸収剤の温度が上昇する。この低温燃焼は未燃炭化水素を多く排出するために窒素酸化物吸収剤が活性温度に達してないと、未燃炭化水素が窒素酸化物吸収剤で酸化されずに大気中へ放出されてしまう。そこで、低温燃焼は温間時のみ行うこととした。
【0036】
本発明においては、フィルタとしてパティキュレートフィルタを例示できる。
【0037】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。ここでは、本発明に係る排気浄化装置を車両駆動用のディーゼル機関に適用した場合を例に挙げて説明する。
<第1の実施の形態>
図1は、本発明に係る排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。
【0038】
図1に示す内燃機関1は、4つの気筒2を有する水冷式の4サイクル・ディーゼル機関である。
【0039】
内燃機関1は、各気筒2の燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁3を備えている。各燃料噴射弁3は、燃料を所定圧まで蓄圧する蓄圧室(コモンレール)4と接続されている。このコモンレール4には、該コモンレール4内の燃料の圧力に対応した電気信号を出力するコモンレール圧センサ4aが取り付けられている。
【0040】
前記コモンレール4は、燃料供給管5を介して燃料ポンプ6と連通している。この燃料ポンプ6は、内燃機関1の出力軸(クランクシャフト)の回転トルクを駆動源として作動するポンプであり、該燃料ポンプ6の入力軸に取り付けられたポンププーリ6aが内燃機関1の出力軸(クランクシャフト)に取り付けられたクランクプーリ1aとベルト7を介して連結されている。
【0041】
このように構成された燃料噴射系では、クランクシャフトの回転トルクが燃料ポンプ6の入力軸へ伝達されると、燃料ポンプ6は、クランクシャフトから該燃料ポンプ6の入力軸へ伝達された回転トルクに応じた圧力で燃料を吐出する。
【0042】
前記燃料ポンプ6から吐出された燃料は、燃料供給管5を介してコモンレール4へ供給され、コモンレール4にて所定圧まで蓄圧されて各気筒2の燃料噴射弁3へ分配される。そして、燃料噴射弁3に駆動電流が印加されると、燃料噴射弁3が開弁し、その結果、燃料噴射弁3から気筒2内へ燃料が噴射される。
【0043】
次に、内燃機関1には、吸気枝管8が接続されており、吸気枝管8の各枝管は、各気筒2の燃焼室と図示しない吸気ポートを介して連通している。
【0044】
前記吸気枝管8は、吸気管9に接続され、この吸気管9は、エアクリーナボックス10に接続されている。前記エアクリーナボックス10より下流の吸気管9には、該吸気管9内を流通する吸気の質量に対応した電気信号を出力するエアフローメータ11と、該吸気管9内を流通する吸気の温度に対応した電気信号を出力する吸気温度センサ12とが取り付けられている。
【0045】
前記吸気管9における吸気枝管8の直上流に位置する部位には、該吸気管9内を流通する吸気の流量を調節する吸気絞り弁13が設けられている。この吸気絞り弁13には、ステッパモータ等で構成されて該吸気絞り弁13を開閉駆動する吸気絞り用アクチュエータ14が取り付けられている。
【0046】
前記エアフローメータ11と前記吸気絞り弁13との間に位置する吸気管9には、排気の熱エネルギを駆動源として作動する遠心過給機(ターボチャージャ)15のコンプレッサハウジング15aが設けられ、コンプレッサハウジング15aより下流の吸気管9には、前記コンプレッサハウジング15a内で圧縮されて高温となった吸気を冷却するためのインタークーラ16が設けられている。
【0047】
このように構成された吸気系では、エアクリーナボックス10に流入した吸気は、該エアクリーナボックス10内の図示しないエアクリーナによって吸気中の塵や埃等が除去された後、吸気管9を介してコンプレッサハウジング15aに流入する。
【0048】
コンプレッサハウジング15aに流入した吸気は、該コンプレッサハウジング15aに内装されたコンプレッサホイールの回転によって圧縮される。前記コンプレッサハウジング15a内で圧縮されて高温となった吸気は、インタークーラ16にて冷却された後、必要に応じて吸気絞り弁13によって流量を調節されて吸気枝管8に流入する。吸気枝管8に流入した吸気は、各枝管を介して各気筒2の燃焼室へ分配され、各気筒2の燃料噴射弁3から噴射された燃料を着火源として燃焼される。
【0049】
一方、内燃機関1には、排気枝管18が接続され、排気枝管18の各枝管が図示しない排気ポートを介して各気筒2の燃焼室と連通している。
【0050】
前記排気枝管18は、前記遠心過給機15のタービンハウジング15bと接続されている。前記タービンハウジング15bは、排気管19と接続され、この排気管19は、下流にて図示しないマフラーに接続されている。
【0051】
前記排気管19の途中には、吸蔵還元型NOx触媒を担持したパティキュレートフィルタ20が配置されている。フィルタ20の上流の排気管19には、該排気管19内を流通する排気の圧力に対応した電気信号を出力するフィルタ上流圧力センサ38が取り付けられている。フィルタ20より下流の排気管19には、該排気管19内を流通する排気の空燃比に対応した電気信号を出力する空燃比センサ23と、該排気管19内を流通する排気の温度に対応した電気信号を出力する排気温度センサ24と、該排気管19内を流通する排気の圧力に対応した電気信号を出力するフィルタ下流圧力センサ39と、が取り付けられている。
【0052】
前記した空燃比センサ23及び排気温度センサ24より下流の排気管19には、該排気管19内を流通する排気の流量を調節する排気絞り弁21が設けられている。この排気絞り弁21には、ステッパモータ等で構成されて該排気絞り弁21を開閉駆動する排気絞り用アクチュエータ22が取り付けられている。
【0053】
このように構成された排気系では、内燃機関1の各気筒2で燃焼された混合気(既燃ガス)が排気ポートを介して排気枝管18へ排出され、次いで排気枝管18から遠心過給機15のタービンハウジング15bへ流入する。タービンハウジング15bに流入した排気は、該排気が持つ熱エネルギを利用してタービンハウジング15b内に回転自在に支持されたタービンホイールを回転させる。その際、タービンホイールの回転トルクは、前述したコンプレッサハウジング15aのコンプレッサホイールへ伝達される。
【0054】
前記タービンハウジング15bから排出された排気は、排気管19を介してフィルタ20へ流入し、排気中のPMが捕集され且つ有害ガス成分が除去又は浄化される。フィルタ20にてPMを捕集され且つ有害ガス成分を除去又は浄化された排気は、必要に応じて排気絞り弁21によって流量を調節された後にマフラーを介して大気中に放出される。
【0055】
また、排気枝管18と吸気枝管8とは、排気枝管18内を流通する排気の一部を吸気枝管8へ再循環させる排気再循環通路(EGR通路)25を介して連通されている。このEGR通路25の途中には、電磁弁などで構成され、印加電力の大きさに応じて前記EGR通路25内を流通する排気(以下、EGRガスと称する)の流量を変更する流量調整弁(EGR弁)26が設けられている。
【0056】
前記EGR通路25においてEGR弁26より上流の部位には、該EGR通路25内を流通するEGRガスを冷却するEGRクーラ27が設けられている。
【0057】
このように構成された排気再循環機構では、EGR弁26が開弁されると、EGR通路25が導通状態となり、排気枝管18内を流通する排気の一部が前記EGR通路25へ流入し、EGRクーラ27を経て吸気枝管8へ導かれる。
【0058】
その際、EGRクーラ27では、EGR通路25内を流通するEGRガスと所定の冷媒との間で熱交換が行われ、EGRガスが冷却されることになる。
【0059】
EGR通路25を介して排気枝管18から吸気枝管8へ還流されたEGRガスは、吸気枝管8の上流から流れてきた新気と混ざり合いつつ各気筒2の燃焼室へ導かれ、燃料噴射弁3から噴射される燃料を着火源として燃焼される。
【0060】
ここで、EGRガスには、水(H2O)や二酸化炭素(CO2)などのように、自らが燃焼することがなく、且つ、吸熱性を有する不活性ガス成分が含まれているため、EGRガスが混合気中に含有されると、混合気の燃焼温度が低められ、以て窒素酸化物(NOx)の発生量が抑制される。
【0061】
更に、EGRクーラ27においてEGRガスが冷却されると、EGRガス自体の温度が低下するとともにEGRガスの体積が縮小されるため、EGRガスが燃焼室内に供給されたときに該燃焼室内の雰囲気温度が不要に上昇することがなくなるとともに、燃焼室内に供給される新気の量(新気の体積)が不要に減少することもない。
【0062】
次に、本実施の形態に係るフィルタ20について説明する。
【0063】
図4にフィルタ20の構造を示す。なお、図4において(A)はフィルタ20の横方向断面を示しており、(B)はフィルタ20の縦方向断面図を示している。図4(A)及び(B)に示されるようにフィルタ20は、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路50,51を具備するいわゆるウォールフロー型である。これら排気流通路は下流端が栓52により閉塞された排気流入通路50と、上流端が栓53により閉塞された排気流出通路51とにより構成される。なお、図4(A)においてハッチングを付した部分は栓53を示している。従って、排気流入通路50および排気流出通路51は薄肉の隔壁54を介して交互に配置される。換言すると排気流入通路50および排気流出通路51は各排気流入通路50が4つの排気流出通路51によって包囲され、各排気流出通路51が4つの排気流入通路50によって包囲されるように配置される。
【0064】
フィルタ20は例えばコージライトのような多孔質材料から形成されており、従って排気流入通路50内に流入した排気は図4(B)において矢印で示されるように周囲の隔壁54内を通って隣接する排気流出通路51内に流出する。
【0065】
本発明による実施例では各排気流入通路50および各排気流出通路51の周壁面、即ち各隔壁54の両側表面上および隔壁54内の細孔内壁面上には例えばアルミナからなる担体の層が形成されており、この担体上に吸蔵還元型NOx触媒が坦持されている。
【0066】
次に、本実施の形態に係るフィルタ20に担持された吸蔵還元型NOx触媒の働きについて説明する。
【0067】
フィルタ20は、例えば、アルミナを担体とし、その担体上に、カリウム(K)、ナトリウム(Na)、リチウム(Li)、もしくはセシウム(Cs)等のアルカリ金属と、バリウム(Ba)もしくはカルシウム(Ca)等のアルカリ土類と、ランタン(La)もしくはイットリウム(Y)等の希土類とから選択された少なくとも1つと、白金(Pt)等の貴金属とを担持して構成されている。尚、本実施の形態では、アルミナからなる担体上にバリウム(Ba)と白金(Pt)とを担持して構成される吸蔵還元型NOx触媒を例に挙げて説明する。
【0068】
このように構成されたNOx触媒は、該NOx触媒に流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中の窒素酸化物(NOx)を吸収する。
【0069】
一方、NOx触媒は、該NOx触媒に流入する排気の酸素濃度が低下したときは吸収していた窒素酸化物(NOx)を放出する。その際、排気中に炭化水素(HC)や一酸化炭素(CO)等の還元成分が存在していれば、NOx触媒は、該NOx触媒から放出された窒素酸化物(NOx)を窒素(N2)に還元せしめることができる。
【0070】
尚、NOx触媒のNOx吸放出作用については明らかにされていない部分もあるが、おおよそ以下のようなメカニズムによって行われていると考えられる。
【0071】
先ず、NOx触媒では、該NOx触媒に流入する排気の空燃比がリーン空燃比となって排気中の酸素濃度が高まると、図2(A)に示されるように、排気中の酸素(O2)がO2 −またはO2−の形で白金(Pt)の表面上に付着する。排気中の一酸化窒素(NO)は、白金(Pt)の表面上でO2 −またはO2−と反応して二酸化窒素(NO2)を形成する(2NO+O2→2NO2)。二酸化窒素(NO2)は、白金(Pt)の表面上で更に酸化され、硝酸イオン(NO3 −)の形でNOx触媒に吸収される。尚、NOx触媒に吸収された硝酸イオン(NO3 −)は、酸化バリウム(BaO)と結合して硝酸バリウム(Ba(NO3)2)を形成する。
【0072】
このようにNOx触媒に流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときは、排気中の窒素酸化物(NOx)が硝酸イオン(NO3−)としてNOx触媒に吸収される。
【0073】
上記したようなNOx吸収作用は、流入排気の空燃比がリーン空燃比であり、且つNOx触媒のNOx吸収能力が飽和しない限り継続される。従って、NOx触媒に流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときは、NOx触媒のNOx吸収能力が飽和しない限り、排気中の窒素酸化物(NOx)がNOx触媒に吸収され、排気中から窒素酸化物(NOx)が除去されることになる。
【0074】
これに対して、NOx触媒では、該NOx触媒に流入する排気の酸素濃度が低下すると、白金(Pt)の表面上において二酸化窒素(NO2)の生成量が減少するため、酸化バリウム(BaO)と結合していた硝酸イオン(NO3 −)が逆に二酸化窒素(NO2)や一酸化窒素(NO)となってNOx触媒から離脱する。
【0075】
その際、排気中に炭化水素(HC)や一酸化炭素(CO)等の還元成分が存在していれば、それらの還元成分が白金(Pt)上の酸素(O2 −またはO2−)と部分的に反応して活性種を形成する。この活性種は、NOx触媒から放出された二酸化窒素(NO2)や一酸化窒素(NO)を窒素(N2)に還元せしめることになる。
【0076】
従って、NOx触媒に流入する排気の空燃比が理論空燃比又はリッチ空燃比となって排気中の酸素濃度が低下するとともに還元剤の濃度が高まると、NOx触媒に吸収されていた窒素酸化物(NOx)が放出及び還元され、以てNOx触媒のNOx吸収能力が再生されることになる。
【0077】
ところで、内燃機関1が希薄燃焼運転されている場合は、内燃機関1から排出される排気の空燃比がリーン雰囲気となり排気の酸素濃度が高くなるため、排気中に含まれる窒素酸化物(NOx)がNOx触媒に吸収されることになるが、内燃機関1の希薄燃焼運転が長期間継続されると、NOx触媒のNOx吸収能力が飽和し、排気中の窒素酸化物(NOx)がNOx触媒にて除去されずに大気中へ放出されてしまう。
【0078】
特に、内燃機関1のようなディーゼル機関では、大部分の運転領域においてリーン空燃比の混合気が燃焼され、それに応じて大部分の運転領域において排気の空燃比がリーン空燃比となるため、NOx触媒のNOx吸収能力が飽和し易い。
【0079】
従って、内燃機関1が希薄燃焼運転されている場合は、NOx触媒のNOx吸収能力が飽和する前にNOx触媒に流入する排気中の酸素濃度を低下させるとともに還元剤の濃度を高め、NOx触媒に吸収された窒素酸化物(NOx)を放出及び還元させる必要がある。
【0080】
本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置は、フィルタ20より上流の排気通路を流通する排気中に還元剤たる燃料(軽油)を添加する還元剤供給機構を備え、この還元剤供給機構から排気中へ燃料を添加することにより、フィルタ20に流入する排気の酸素濃度を低下させるとともに還元剤の濃度を高めるようにした。
【0081】
還元剤供給機構は、図1に示されるように、その噴孔が排気枝管18内に臨むよう内燃機関1のシリンダヘッドに取り付けられ、所定の開弁圧以上の燃料が印加されたときに開弁して燃料を噴射する還元剤噴射弁28と、前述した燃料ポンプ6から吐出された燃料を前記還元剤噴射弁28へ導く還元剤供給路29と、この還元剤供給路29の途中に設けられ該還元剤供給通路29内を流通する燃料の流量を調整する流量調整弁30と、この流量調整弁30より上流の還元剤供給路29に設けられて該還元剤供給路29内の燃料の流通を遮断する遮断弁31と、前記流量調整弁30より上流の還元剤供給路29に取り付けられ該還元剤供給路29内の圧力に対応した電気信号を出力する還元剤圧力センサ32と、を備えている。
【0082】
尚、還元剤噴射弁28は、該還元剤噴射弁28の噴孔が排気枝管18におけるEGR通路25との接続部位より下流であって、排気枝管18における4つの枝管の集合部に最も近い気筒2の排気ポートに突出するとともに、排気枝管18の集合部へ向くようシリンダヘッドに取り付けられることが好ましい。
【0083】
これは、還元剤噴射弁28から噴射された還元剤(未燃の燃料成分)がEGR通路25へ流入するのを防止するとともに、還元剤が排気枝管18内に滞ることなく遠心過給機のタービンハウジング15bへ到達するようにするためである。
【0084】
尚、図1に示す例では、内燃機関1の4つの気筒2のうち1番(#1)気筒2が排気枝管18の集合部と最も近い位置にあるため、1番(#1)気筒2の排気ポートに還元剤噴射弁28が取り付けられているが、1番(#1)気筒2以外の気筒2が排気枝管18の集合部と最も近い位置にあるときは、その気筒2の排気ポートに還元剤噴射弁28が取り付けられるようにする。
【0085】
また、前記還元剤噴射弁28は、シリンダヘッドに形成された図示しないウォータージャケットを貫通、あるいはウォータージャケットに近接して取り付けられるようにし、前記ウォータージャケットを流通する冷却水を利用して還元剤噴射弁28が冷却されるようにしてもよい。
【0086】
このような還元剤供給機構では、流量調整弁30が開弁されると、燃料ポンプ6から吐出された高圧の燃料が還元剤供給路29を介して還元剤噴射弁28へ印加される。そして、還元剤噴射弁28に印加される燃料の圧力が開弁圧以上に達すると、該還元剤噴射弁28が開弁して排気枝管18内へ還元剤としての燃料が噴射される。
【0087】
還元剤噴射弁28から排気枝管18内へ噴射された還元剤は、排気枝管18の上流から流れてきた排気ととともにタービンハウジング15bへ流入する。タービンハウジング15b内に流入した排気と還元剤とは、タービンホイールの回転によって撹拌されて均質に混合され、リッチ空燃比の排気を形成する。
【0088】
このようにして形成されたリッチ空燃比の排気は、タービンハウジング15bから排気管19を介してフィルタ20に流入し、フィルタ20に吸収されていた窒素酸化物(NOx)を放出させつつ窒素(N2)に還元することになる。
【0089】
その後、流量調整弁30が閉弁されて燃料ポンプ6から還元剤噴射弁28への還元剤の供給が遮断されると、還元剤噴射弁28に印加される燃料の圧力が前記開弁圧未満となり、その結果、還元剤噴射弁28が閉弁し、排気枝管18内への還元剤の添加が停止されることになる。
【0090】
以上述べたように構成された内燃機関1には、該内燃機関1を制御するための電子制御ユニット(ECU:Electronic Control Unit)35が併設されている。このECU35は、内燃機関1の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関1の運転状態を制御するユニットである。
【0091】
ECU35には、コモンレール圧センサ4a、エアフローメータ11、吸気温度センサ12、吸気管圧力センサ17、空燃比センサ23、排気温度センサ24、還元剤圧力センサ32、クランクポジションセンサ33、水温センサ34、アクセル開度センサ36、フィルタ上流圧力センサ38、フィルタ下流圧力センサ39等の各種センサが電気配線を介して接続され、上記した各種センサの出力信号がECU35に入力されるようになっている。
【0092】
一方、ECU35には、燃料噴射弁3、吸気絞り用アクチュエータ14、排気絞り用アクチュエータ22、EGR弁26、流量調整弁30、遮断弁31等が電気配線を介して接続され、上記した各部をECU35が制御することが可能になっている。
【0093】
ここで、ECU35は、図3に示すように、双方向性バス350によって相互に接続された、CPU351と、ROM352と、RAM353と、バックアップRAM354と、入力ポート356と、出力ポート357とを備えるとともに、前記入力ポート356に接続されたA/Dコンバータ(A/D)355を備えている。
【0094】
前記入力ポート356は、クランクポジションセンサ33のようにデジタル信号形式の信号を出力するセンサの出力信号を入力し、それらの出力信号をCPU351やRAM353へ送信する。
【0095】
前記入力ポート356は、コモンレール圧センサ4a、エアフローメータ11、吸気温度センサ12、吸気管圧力センサ17、空燃比センサ23、排気温度センサ24、還元剤圧力センサ32、水温センサ34、アクセル開度センサ36、フィルタ上流圧力センサ38、フィルタ下流圧力センサ39等のように、アナログ信号形式の信号を出力するセンサのA/D355を介して入力し、それらの出力信号をCPU351やRAM353へ送信する。
【0096】
前記出力ポート357は、燃料噴射弁3、吸気絞り用アクチュエータ14、排気絞り用アクチュエータ22、EGR弁26、流量調整弁30、遮断弁31等と電気配線を介して接続され、CPU351から出力される制御信号を、前記した燃料噴射弁3、吸気絞り用アクチュエータ14、排気絞り用アクチュエータ22、EGR弁26、流量調整弁30、あるいは遮断弁31へ送信する。
【0097】
前記ROM352は、燃料噴射弁3を制御するための燃料噴射制御ルーチン、吸気絞り弁13を制御するための吸気絞り制御ルーチン、排気絞り弁21を制御するための排気絞り制御ルーチン、EGR弁26を制御するためのEGR制御ルーチン、フィルタ20に捕集されたPMを燃焼除去するためのPM燃焼制御ルーチン、吸蔵還元型NOx触媒に吸蔵されたNOxを還元するための燃料添加制御ルーチン、フィルタ20の酸化物による被毒を解消するための被毒解消制御ルーチン等のアプリケーションプログラムを記憶している。
【0098】
前記ROM352は、上記したアプリケーションプログラムに加え、各種の制御マップを記憶している。前記制御マップは、例えば、内燃機関1の運転状態と基本燃料噴射量(基本燃料噴射時間)との関係を示す燃料噴射量制御マップ、内燃機関1の運転状態と基本燃料噴射時期との関係を示す燃料噴射時期制御マップ、内燃機関1の運転状態と吸気絞り弁13の目標開度との関係を示す吸気絞り弁開度制御マップ、内燃機関1の運転状態と排気絞り弁21の目標開度との関係を示す排気絞り弁開度制御マップ、内燃機関1の運転状態とEGR弁26の目標開度との関係を示すEGR弁開度制御マップ、内燃機関1の運転状態と還元剤の目標添加量(若しくは排気の目標空燃比)との関係を示す還元剤添加量制御マップ、還元剤の目標添加量と流量調整弁30の開弁時間との関係を示す流量調整弁制御マップ等である。
【0099】
前記RAM353は、各センサからの出力信号やCPU351の演算結果等を格納する。前記演算結果は、例えば、クランクポジションセンサ33がパルス信号を出力する時間的な間隔に基づいて算出される機関回転数である。これらのデータは、クランクポジションセンサ33がパルス信号を出力する都度、最新のデータに書き換えられる。
【0100】
前記バックアップRAM354は、内燃機関1の運転停止後もデータを記憶可能な不揮発性のメモリである。
【0101】
前記CPU351は、前記ROM352に記憶されたアプリケーションプログラムに従って動作して、燃料噴射弁制御、吸気絞り制御、排気絞り制御、EGR制御、PM燃焼制御、燃料添加制御、被毒解消制御等を実行する。
【0102】
例えば、燃料噴射弁制御では、CPU351は、先ず、燃料噴射弁3から噴射される燃料量を決定し、次いで燃料噴射弁3から燃料を噴射する時期を決定する。
【0103】
燃料噴射量を決定する場合は、CPU351は、RAM353に記憶されている機関回転数とアクセル開度センサ36の出力信号(アクセル開度)とを読み出す。CPU351は、燃料噴射量制御マップへアクセスし、前記機関回転数及び前記アクセル開度に対応した基本燃料噴射量(基本燃料噴射時間)を算出する。CPU351は、エアフローメータ11、吸気温度センサ12、水温センサ34等の出力信号値等に基づいて前記基本燃料噴射時間を補正し、最終的な燃料噴射時間を決定する。
【0104】
燃料噴射時期を決定する場合は、CPU351は、燃料噴射開始時期制御マップへアクセスし、前記機関回転数及び前記アクセル開度に対応した基本燃料噴射時期を算出する。CPU351は、エアフローメータ11、吸気温度センサ12、水温センサ34等の出力信号値をパラメータとして前記基本燃料噴射時期を補正し、最終的な燃料噴射時期を決定する。
【0105】
燃料噴射時間と燃料噴射時期とが決定されると、CPU351は、前記燃料噴射時期とクランクポジションセンサ33の出力信号とを比較し、前記クランクポジションセンサ33の出力信号が前記燃料噴射開始時期と一致した時点で燃料噴射弁3に対する駆動電力の印加を開始する。CPU351は、燃料噴射弁3に対する駆動電力の印加を開始した時点からの経過時間が前記燃料噴射時間に達した時点で燃料噴射弁3に対する駆動電力の印加を停止する。
【0106】
尚、燃料噴射制御において内燃機関1の運転状態がアイドル運転状態にある場合は、CPU351は、水温センサ34の出力信号値や、車室内用空調装置のコンプレッサのようにクランクシャフトの回転力を利用して作動する補機類の作動状態等をパラメータとして内燃機関1の目標アイドル回転数を算出する。そして、CPU351は、実際のアイドル回転数が目標アイドル回転数と一致するよう燃料噴射量をフィードバック制御する。
【0107】
また、吸気絞り制御では、CPU351は、例えば、RAM353に記憶されている機関回転数とアクセル開度とを読み出す。CPU351は、吸気絞り弁開度制御マップへアクセスし、機関回転数及びアクセル開度に対応した目標吸気絞り弁開度を算出する。CPU351は、前記目標吸気絞り弁開度に対応した駆動電力を吸気絞り用アクチュエータ14に印加する。その際、CPU351は、吸気絞り弁13の実際の開度を検出して、実際の吸気絞り弁13の開度と目標吸気絞り弁開度との差分に基づいて前記吸気絞り用アクチュエータ14をフィードバック制御するようにしてもよい。
【0108】
また、排気絞り制御では、CPU351は、例えば、内燃機関1が冷間始動後の暖機運転状態にある場合や、車室内用ヒータが作動状態にある場合などに排気絞り弁21を閉弁方向へ駆動すべく排気絞り用アクチュエータ22を制御する。
【0109】
この場合、内燃機関1の負荷が増大し、それに対応して燃料噴射量が増量されることなる。その結果、内燃機関1の発熱量が増加し、内燃機関1の暖機が促進されるとともに、車室内用ヒータの熱源が確保される。
【0110】
また、EGR制御では、CPU351は、RAM353に記憶されている機関回転数、水温センサ34の出力信号(冷却水温度)、アクセル開度センサ36の出力信号(アクセル開度)等を読み出し、EGR制御の実行条件が成立しているか否かを判別する。
【0111】
上記したEGR制御実行条件としては、冷却水温度が所定温度以上にある、内燃機関1が始動時から所定時間以上連続して運転されている、アクセル開度の変化量が正値である等の条件を例示することができる。
【0112】
上記したようなEGR制御実行条件が成立していると判定した場合は、CPU351は、機関回転数とアクセル開度とをパラメータとしてEGR弁開度制御マップへアクセスし、前記機関回転数及び前記アクセル開度に対応した目標EGR弁開度を算出する。CPU351は、前記目標EGR弁開度に対応した駆動電力をEGR弁26に印加する。一方、上記したようなEGR制御実行条件が成立していないと判定した場合は、CPU351は、EGR弁26を全閉状態に保持すべく制御する。
【0113】
更に、EGR制御では、CPU351は、内燃機関1の吸入空気量をパラメータとしてEGR弁26の開度をフィードバック制御する、いわゆるEGR弁フィードバック制御を行うようにしてもよい。
【0114】
EGR弁フィードバック制御では、例えば、CPU351は、アクセル開度や機関回転数等をパラメータとして内燃機関1の目標吸入空気量を決定する。その際、アクセル開度と機関回転数と目標吸入空気量との関係を予めマップ化しておき、そのマップとアクセル開度と機関回転数とから目標吸入空気量が算出されるようにしてもよい。
【0115】
上記した手順により目標吸入空気量が決定されると、CPU351は、RAM353に記憶されたエアフローメータ11の出力信号値(実際の吸入空気量)を読み出し、実際の吸入空気量と目標吸入空気量とを比較する。
【0116】
前記した実際の吸入空気量が前記目標吸入空気量より少ない場合には、CPU351は、EGR弁26を所定量閉弁させる。この場合、EGR通路25から吸気枝管8へ流入するEGRガス量が減少し、それに応じて内燃機関1の気筒2内に吸入されるEGRガス量が減少することになる。その結果、内燃機関1の気筒2内に吸入される新気の量は、EGRガスが減少した分だけ増加する。
【0117】
一方、実際の吸入空気量が目標吸入空気量より多い場合には、CPU351は、EGR弁26を所定量開弁させる。この場合、EGR通路25から吸気枝管8へ流入するEGRガス量が増加し、それに応じて内燃機関1の気筒2内に吸入されるEGRガス量が増加する。この結果、内燃機関1の気筒2内に吸入される新気の量は、EGRガスが増加した分だけ減少することになる。
【0118】
次に、燃料添加制御では、CPU351は、吸蔵還元型NOx触媒に流入する排気の空燃比を比較的に短い周期でスパイク的(短時間)にリッチ空燃比とする、リッチスパイク制御を実行する。
【0119】
リッチスパイク制御では、CPU351は、所定の周期毎にリッチスパイク制御実行条件が成立しているか否かを判別する。このリッチスパイク制御実行条件としては、例えば、吸蔵還元型NOx触媒が活性状態にあるか、排気温度センサ24の出力信号値(排気温度)が所定の上限値以下であるか、被毒解消制御が実行されていないか、等の条件を例示することができる。
【0120】
上記したようなリッチスパイク制御実行条件が成立していると判定された場合は、CPU351は、還元剤噴射弁28からスパイク的に還元剤たる燃料を噴射させるべく流量調整弁30を制御することにより、吸蔵還元型NOx触媒に流入する排気の空燃比を一時的に所定の目標リッチ空燃比とする。
【0121】
具体的には、CPU351は、RAM353に記憶されている機関回転数、アクセル開度センサ36の出力信号(アクセル開度)、エアフローメータ11の出力信号値(吸入空気量)、燃料噴射量等を読み出す。更に、CPU351は、前記した機関回転数とアクセル開度と吸入空気量と燃料噴射量とをパラメータとしてROM352の還元剤添加量制御マップへアクセスし、排気の空燃比を予め設定された目標リッチ空燃比とする上で必要となる還元剤の添加量(目標添加量)を算出する。
【0122】
続いて、CPU351は、前記目標添加量をパラメータとしてROM352の流量調整弁制御マップへアクセスし、還元剤噴射弁28から目標添加量の還元剤を噴射させる上で必要となる流量調整弁30の開弁時間(目標開弁時間)を算出する。
【0123】
流量調整弁30の目標開弁時間が算出されると、CPU351は、流量調整弁30を開弁させる。この場合、燃料ポンプ6から吐出された高圧の燃料が還元剤供給路29を介して還元剤噴射弁28へ供給されるため、還元剤噴射弁28に印加される燃料の圧力が開弁圧以上に達し、還元剤噴射弁28が開弁する。
【0124】
CPU351は、流量調整弁30を開弁させた時点から前記目標開弁時間が経過すると、流量調整弁30を閉弁させる。この場合、燃料ポンプ6から還元剤噴射弁28への還元剤の供給が遮断されるため、還元剤噴射弁28に印加される燃料の圧力が開弁圧未満となり、還元剤噴射弁28が閉弁する。
【0125】
このように流量調整弁30が目標開弁時間だけ開弁されると、目標添加量の燃料が還元剤噴射弁28から排気枝管18内へ噴射されることになる。そして、還元剤噴射弁28から噴射された還元剤は、排気枝管18の上流から流れてきた排気と混ざり合って目標リッチ空燃比の混合気を形成して吸蔵還元型NOx触媒に流入する。
【0126】
この結果、吸蔵還元型NOx触媒に流入する排気の空燃比は、比較的に短い周期で「リーン」と「スパイク的な目標リッチ空燃比」とを交互に繰り返すことになり、以て、吸蔵還元型NOx触媒が窒素酸化物(NOx)の吸収と放出・還元とを交互に短周期的に繰り返すことになる。
【0127】
次に、本発明の要旨となるPM燃焼制御について説明する。
【0128】
図5は、フィルタ20を再生するときに行われるPM燃焼制御のフローチャート図である。
【0129】
ステップ101では、PMが所定量以上フィルタ20に堆積し、再生の必要があるか否か判定する。
【0130】
まず、フィルタ20の上流側に設置されたフィルタ上流圧力センサ38の出力信号と下流側に設置されたフィルタ下流圧力センサ39の出力信号とに基づいてフィルタ20前後の差圧をCPU351が算出する。算出された差圧をROM352に記憶されたフィルタ20前後の差圧とPM堆積量との関係を示す数値マップに代入してフィルタ20に堆積したPMの量を求めることができる。
【0131】
また、フィルタ20が再生されなかった時間、フィルタ20が再生されなかった間に車両が走行した距離、等に基づいてPMの堆積量を推定してもよい。
【0132】
このようにして推定されたPMの堆積量が、所定量よりも多い場合は、フィルタの再生が必要である旨を示す数値をRAM353に記憶させる。このように、PM再生が必要である旨を示す数値をRAM353に記憶させた状態を図5では「PM再生フラグON」と表現している。また、推定されたPMの堆積量が、所定量以下の場合は、フィルタの再生が必要でない旨を示す数値をRAM353に記憶させる。このように、フィルタの再生が必要でない旨を示す数値をRAM353に記憶させた状態を図5では「PM再生フラグOFF」と表現している。
【0133】
ステップ102では、フィルタ再生可能条件が成立しているか否か判定する。具体的には、RAM353に記憶された数値がフィルタの再生が必要である旨を示す数値か否かを判定する。フィルタの再生が必要である旨がRAM353に記憶されていればステップ103へ進み、フィルタの再生が必要でない旨がRAM353に記憶されていればステップ105へ進む。
【0134】
ステップ105では、フィルタの再生が必要でない旨を示す数値をRAM353に記憶させる。
【0135】
ステップ103では、PMの燃焼制御を実行できる状態である否か判定する。このPM燃焼制御実行条件としては、例えば、フィルタ20が活性状態にあるか、排気温度センサ24の出力信号値(排気温度)が所定の上限値以下であるか、等の条件を例示することができる。フィルタ再生条件が成立していればステップ104へ進む。
【0136】
ステップ104では、フィルタ20の再生を行うために副噴射が行われる。フィルタ20の温度を早期に上昇させる手段として、内燃機関1の膨張行程中に燃料を副次的に噴射させる副噴射を行うことが有効である。このように膨張行程で燃料を噴射させるのは、圧縮行程中に行う燃料噴射は機関出力を上昇させ運転状態が悪化する虞があるためである。副噴射により噴射された燃料は気筒2内で燃焼し気筒2内のガス温度を上昇させる。温度が上昇したガスは排気となって排気管19を通りフィルタ20に到達し、フィルタ20の温度を上昇させ、PMが燃焼する。
【0137】
副噴射の量及び噴射時期は、アクセル開度と機関回転数と副噴射量又は副噴射時期との関係を予めマップ化しておきROM352に記憶させておけば、そのマップとアクセル開度と機関回転数とから算出することができる。
【0138】
また、ステップ103でフィルタの再生条件が成立していなければステップ106へ進む。
【0139】
ステップ106では、PM再生フラグがONになってから所定時間が経過しているか否か判定される。CPU351はPM再生フラグがONになっている時間を算出し、ROM352に記憶された所定の時間と比較して、PM再生フラグがONになってからの経過時間が所定時間よりも長いか否か判定する。所定時間以上経過している場合は、ステップ108へ進み、所定時間以上経過していない場合は、ステップ107へ進む。
【0140】
ステップ106では、燃料の添加を禁止する旨の数値をRAM353に記憶させる。このように、燃料の添加を禁止する旨の数値をRAM353に記憶させた状態を図5では「燃料添加フラグOFF」と表現している。この状態では、所定量以上のPMがフィルタ20に堆積しているため、燃料の添加を行うと燃料がPMに付着し目詰まりが進行するので、これを防止するために燃料の添加が禁止される。
【0141】
ステップ107では、燃料の添加をする旨の数値をRAM353に記憶させる。このように、燃料の添加をする旨の数値をRAM353に記憶させた状態を図5では「燃料添加フラグON」と表現している。この状態では、所定量以上のPMはフィルタ20に堆積していないため、燃料添加が行われNOx触媒に吸蔵されているNOxが還元される。
【0142】
ステップ109では、高負荷時の気筒2内への燃料主噴射量を減量する。フィルタ20に所定量以上のPMが堆積しているため、PMの排出量を低減し目詰まりの進行を抑制する。
【0143】
一般に、高負荷時には、機関出力を増大させるために燃料の噴射量を増加させるが、燃料の噴射量が増加すると局所的に燃料の過濃な部分が発生し、不完全燃焼によってPMの排出量が増加する。そこで、機関出力となるための燃料の主噴射量を減量し、PMの排出を低減する。
【0144】
燃料噴射量を決定する場合は、CPU351は、RAM353に記憶されている機関回転数とアクセル開度センサ36の出力信号(アクセル開度)とを読み出す。CPU351は、予めROM352に記憶させておいた燃料噴射量減量制御マップへアクセスし、前記機関回転数及び前記アクセル開度に対応した燃料噴射量(燃料噴射時間)を算出する。CPU351は、エアフローメータ11、吸気温度センサ12、水温センサ34等の出力信号値等に基づいて前記燃料噴射時間を補正し、最終的な燃料噴射時間を決定する。
【0145】
ステップ110では、高負荷時のEGRガス量を減量する。フィルタ20に所定量以上のPMが堆積しているため、PMの排出量を低減し目詰まりの進行を抑制する。
【0146】
一般に、高負荷時には、機関出力を増大させるために燃料の噴射量を増加させるが、EGRガス量が多いと局所的に燃料の過濃な部分が発生し、不完全燃焼によってPMの排出量が増加する。そこで、EGRガス量を減量し、PMの排出を低減する。
【0147】
ここで、CPU351は、予めROM352に記憶させておいた機関回転数とアクセル開度とをパラメータとするEGR減量弁開度制御マップへアクセスし、機関回転数及びアクセル開度に対応した目標EGR減量弁開度を算出しEGR弁フィードバック制御を行う。
【0148】
このようにして、フィルタ20に堆積したPM量に基づいてフィルタ20の再生の実行若しくは禁止が選択され、再生が実行されときにはPMは燃焼され、再生が禁止されたときには、PMが更に堆積して目詰まりを進行させることを抑制することができる。
【0149】
次に、吸蔵還元型NOx触媒に吸蔵されたNOxを還元するための燃料添加制御について説明する。
【0150】
図6は、フィルタ20に担持された吸蔵還元型NOx触媒の吸蔵されたNOxを還元するときのフローチャート図である。
【0151】
ステップ201では、フィルタ再生可能条件が成立しているか否か判定する。具体的には、RAM353に記憶された数値が還元剤たる燃料の添加が必要である旨を示す数値か否かを判定する。燃料の添加が必要である旨がRAM353に記憶されていればステップ202へ進み、燃料の添加が必要でない旨がRAM353に記憶されていればステップ204へ進む。ステップ204では、燃料の添加が必要でない旨を示す数値をRAM353に記憶させる。
【0152】
ステップ202では、還元剤噴射弁28から燃料を添加するリッチスパイク制御を実行できる状態である否か判定する。このリッチスパイク制御実行条件としては、例えば、吸蔵還元型NOx触媒が活性状態にあるか、排気温度センサ24の出力信号値(排気温度)が所定の上限値以下であるか、被毒解消制御が実行されていないか、等の条件を例示することができる。リッチスパイク制御実行条件が成立していればステップ203へ進み、成立していなければステップ204へ進む。
【0153】
ステップ203では、CPU351は、還元剤噴射弁28からスパイク的に還元剤たる燃料を噴射させるべく流量調整弁30を制御することにより、吸蔵還元型NOx触媒に流入する排気の空燃比を一時的に所定の目標リッチ空燃比とするリッチスパイク制御を行う。
【0154】
この結果、吸蔵還元型NOx触媒に流入する排気の空燃比は、比較的に短い周期で「リーン」と「スパイク的な目標リッチ空燃比」とを交互に繰り返すことになり、以て、吸蔵還元型NOx触媒が窒素酸化物(NOx)の吸収と放出・還元とを交互に短周期的に繰り返すことになる。
【0155】
このようにして、フィルタ20にPMが所定量以上堆積していないときにのみ燃料添加制御を行い、目詰まりの進行を抑制することができる。
<第2の実施の形態>
本発明に係る第2の実施の形態は、第1の実施の形態と比較してフィルタ20及びNOx触媒の温度を上昇させる手段が異なる。
【0156】
第1の実施の形態においては、副噴射及び還元剤噴射弁28からの燃料添加が用いられていたが、本実施の形態においては、内燃機関1が特に低回転低負荷で運転しているときに限り温間時は低温燃焼、冷間時は副噴射を用いる。
【0157】
ここで、低温燃焼について説明する。
【0158】
従来より内燃機関においてNOxの発生を抑制するためにEGRが用いられてきた。EGRガスは、比較的比熱比が高く、従って多量の熱を吸収することができるので、吸気中におけるEGRガス割合が高くなるほど気筒2内における燃焼温度が低下する。燃焼温度が低下するとNOxの発生量も低下するので、EGRガス割合が高くなればなるほどNOxの排出量を低下させることができる。
【0159】
しかし、EGRガス割合を高くしていくとある割合以上で急激に煤の発生量が増大し始める。通常のEGR制御は煤が急激に増大し始めるよりも低いEGRガス割合のところで行われている。
【0160】
ところが、更にEGRガス割合を高くしていくと、上述したように煤が急激に増大するが、この煤の発生量にはピークが存在し、このピークを越えて更にEGRガス割合を高くすると、今度は煤が急激に減少し始め、ついにはほとんど発生しなくなる。
【0161】
これは、燃焼室内における燃焼時の燃料及びその周囲のガス温度がある温度以下のときには炭化水素(HC)の成長が煤に至る前の途中の段階で停止し、燃料及びその周囲のガス温度がある温度以上になると炭化水素(HC)は一気に煤まで成長してしまうためである。
【0162】
従って、燃焼室内における燃焼時の燃焼及びその周囲のガス温度を炭化水素(HC)の成長が途中で停止する温度以下に抑制すれば煤は発生しなくなる。この場合、燃料及びその周囲のガス温度は、燃料が燃焼した際の燃料周りのガスの吸熱作用が大きく影響しており、燃料燃焼時の発熱量に応じて燃料周りのガスの吸熱量即ちEGRガス割合を調整することによって煤の発生を抑制することが可能となる。
【0163】
一方、煤に至る前に成長が途中で停止した炭化水素(HC)は、NOx吸収剤等を用いて浄化することができる。
【0164】
このように、低温燃焼では、煤に至る前に成長が途中で停止した炭化水素(HC)をNOx吸収剤等により浄化することを基本としている。従ってNOx吸収剤等が活性化していないときには、炭化水素(HC)は浄化されずに大気中へ放出しされてしまうために低温燃焼を用いることはできない。
【0165】
また、気筒2内における燃焼時の燃料及びその周囲のガス温度を炭化水素(HC)の成長が途中で停止する温度以下に制御しうるのは燃焼による発熱量が少ない比較的機関負荷が低いときに限られる。
【0166】
従って、本発明においては、内燃機関1が低回転低負荷で運転されているときで且つフィルタ20に担持されたNOx触媒が活性温度に達している温間時に限り低温燃焼制御を行うこととした。
【0167】
NOx触媒が活性温度に達しているか否かは排気温度センサ24の出力信号に基づいて判定することができる。
【0168】
このようにして、低温燃焼では、煤に代表されるPMの排出が抑制されるため、フィルタ20の目詰まりを進行させることなくNOx触媒へHCを供給できる。NOx触媒ではHCが燃焼され、その熱によりフィルタ20の温度が上昇する。
【0169】
また、NOx触媒が活性温度に達していないときは副噴射を行いフィルタ20及びNOx触媒の温度を上昇させることとした。副噴射により噴射された燃料は気筒2内で燃焼し気筒2内のガス温度を上昇させる。温度が上昇したガスは排気となって排気管19を通りフィルタ20に到達し、フィルタ20の温度を上昇させる。また、このときに排出されるHCは十分にガス化されており、フィルタ20に捕集されて目詰まりの原因とはなりにくいものである。
【0170】
このように副噴射を用いるとNOx触媒の温度を早期に上昇させることができるが、燃料を多く消費するので、燃費改善のため内燃機関1が低回転低負荷で運転されているときは、NOx触媒が活性温度に達していない冷間時に限り副噴射を行うこととした。
【0171】
この副噴射及び低温燃焼は、図5の第1の実施の形態におけるPM燃焼制御中のステップ104及び燃料添加制御中のステップ203で行われる。また、内燃機関1が低回転低負荷で運転されていないときには、通常のPM燃焼制御及び燃料添加制御が行われる。
【0172】
このようにして、内燃機関1が低回転低負荷で運転していてフィルタ20及びNOx触媒の温度が上昇しづらいときでも、HCの排出を抑制しつつ早期に温度上昇させ、PMの燃焼及びNOxの還元を行うことができる。
<第3の実施の形態>
本発明に係る第3の実施の形態は、第1の実施の形態と比較してフィルタ20と吸蔵還元型NOx触媒37との位置関係が異なる。
【0173】
第1の実施の形態においては、吸蔵還元型NOx触媒はフィルタ20に担持されていたが、第3の実施の形態においては、図7に示すようにフィルタ20の下流に吸蔵還元型NOx触媒37を配置した。
【0174】
このように構成された排気浄化装置では、内燃機関1から排出された排気中に含まれるPMは上流のフィルタ20によって捕集されるので、下流にあるNOx触媒37にPMが付着することがなく、NOx還元能力が低下せずに済む。
【0175】
しかし、NOx触媒37よりも上流に設置されたフィルタ20には、NOx触媒20に吸蔵されたNOxを還元するために排気中へ添加された還元剤たる燃料が付着する。このときフィルタ20にPMが堆積していると、堆積したPMに燃料が付着し、燃料もPMと共にフィルタ20に堆積してしまう。このようにして目詰まりが進行し、フィルタ20の抵抗が大きくなるとフィルタ20上流の排気の圧力が増大し、フィルタ20の毀損及び機関出力の低下を誘発する。
【0176】
そこで、PMが所定量以上フィルタ20に堆積している場合には、NOx触媒37に燃料を添加する前にフィルタ20に堆積したPMを除去することとした。
【0177】
PMの堆積量を判定する方法や、PM燃焼制御、燃料添加制御等は第1の実施の形態と共通なので説明は割愛する。
【0178】
【発明の効果】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、窒素酸化物吸収剤に吸収された窒素酸化物を還元するための還元剤がフィルタに付着して目詰まりが進行することを防止できる。
【0179】
よって、目詰まりによるフィルタの毀損や機関出力の低下を防止し、フィルタの機能を長期に亘って維持することができ、排気エミッションの悪化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。
【図2】(A)は、吸蔵還元型NOx触媒のNOx吸収メカニズムを説明する図である。(B)は、吸蔵還元型NOx触媒のNOx放出メカニズムを説明する図である。
【図3】ECUの内部構成を示すブロック図である。
【図4】(A)は、パティキュレートフィルタの横方向断面を示す図である。(B)は、パティキュレートフィルタの縦方向断面を示す図である。
【図5】PM燃焼制御のフローチャート図である。
【図6】燃料添加制御のフローチャート図である。
【図7】第3の実施の形態に係るフィルタと吸蔵還元型NOx触媒との位置関係を示す図である。
【符号の説明】
1・・・・内燃機関
2・・・・気筒
3・・・・燃料噴射弁
4・・・・コモンレール
5・・・・燃料供給管
6・・・・燃料ポンプ
18・・・排気枝管
19・・・排気管
20・・・パティキュレートフィルタ
21・・・排気絞り弁
23・・・空燃比センサ
25・・・EGR通路
26・・・EGR弁
27・・・EGRクーラ
28・・・還元剤噴射弁
29・・・還元剤供給路
30・・・流量調整弁
31・・・遮断弁
32・・・還元剤圧力センサ
33・・・クランクポジションセンサ
34・・・水温センサ
35・・・ECU
37・・・吸蔵還元型NOx触媒
38・・・フィルタ上流圧力センサ
39・・・フィルタ下流圧力センサ
351・・CPU
352・・ROM
353・・RAM
354・・バックアップRAM
50・・・排気流入通路
51・・・排気流出通路
54・・・隔壁[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust emission control device for an internal combustion engine, and in particular, a particulate matter represented by soot, which is a suspended particulate matter contained in the exhaust of a diesel engine (hereinafter referred to as “PM” unless otherwise specified). The present invention relates to an exhaust emission control device having a means for collecting gas.
[0002]
[Prior art]
Diesel engines are excellent in economy, but removal of PM contained in exhaust gas is an important issue. For this reason, a technique of providing a particulate filter (hereinafter simply referred to as “filter”) for collecting PM in an exhaust system of a diesel engine so that PM is not released into the atmosphere is well known.
[0003]
This filter can prevent PM in the exhaust gas from being collected once and released into the atmosphere. However, the collected PM accumulates on the filter and causes clogging of the filter. This clogging causes the exhaust pressure upstream of the filter to rise, leading to a reduction in the output of the internal combustion engine and filter damage. Therefore, it is necessary to remove PM by igniting and burning PM accumulated on the filter. The removal of PM deposited on the filter in this way is called filter regeneration.
[0004]
However, in order to ignite and combust PM collected by the filter, it is necessary to set the temperature of the filter to a high temperature of, for example, 500 ° C. or more. However, since the temperature of exhaust gas from a diesel engine is usually lower than this temperature, PM It was difficult to burn off.
[0005]
Therefore, it is conceivable to heat and raise the temperature of the filter up to a temperature at which PM collected by an electric heater, burner or the like is generated, but this requires a large amount of energy to be supplied from the outside. To solve this problem, for example, according to Japanese Patent Laid-Open No. 6-1559037, a filter carrying a NOx catalyst and a device for supplying hydrocarbons into exhaust gas are used, and the hydrocarbons supplied into the exhaust gas are converted into NOx catalyst. PM can be easily burned using the heat generated when burned.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine having such a configuration, it is important to appropriately set an execution condition for supplying the reducing agent to the NOx catalyst and an execution condition for reducing the combustion of PM.
[0007]
For example, if the operating condition of the vehicle, the NOx catalyst temperature, and the elapsed time from the previous execution of PM combustion control are the execution conditions of PM combustion control, PM combustion control is not performed unless this condition is satisfied. More PM may accumulate on the filter than the amount of deposition that needs to be removed. After this state continues for a long time, when reducing agent is supplied into the exhaust gas to reduce NOx absorbed by the NOx catalyst, the reducing agent adheres to the PM deposited on the filter before reaching the NOx catalyst, and is similar to PM. The filter accumulates on the filter and clogs the filter.
[0008]
The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to remove particulate matter in an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine including a filter and a nitrogen oxide absorbent. It is another object of the present invention to provide a technique capable of reducing nitrogen oxides at an appropriate time to prevent the reducing agent from accumulating on the filter and thereby preventing the filter function from deteriorating.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine of the present invention employs the following means.
[0010]
That is, a filter provided in the exhaust passage of the internal combustion engine for collecting particulate matter contained in the exhaust,
A nitrogen oxide absorbent that is provided in the exhaust passage of the internal combustion engine and absorbs nitrogen oxide contained in the exhaust; and
Reducing agent supply means for supplying a reducing agent to the nitrogen oxide absorbent;
Deposition state estimation means for estimating the amount of particulate matter deposited on the filter;
An operating state detecting means for detecting an operating state of the internal combustion engine;
The particulate matter deposited when the accumulation state estimation means estimates that a predetermined amount or more of particulate matter has accumulated and the operation state of the internal combustion engine detected by the operation state detection means satisfies a predetermined condition. Filter regeneration means for removing and regenerating the filter;
Comprising
The operation state detected by the operation state detection unit does not satisfy the predetermined condition even though the accumulation state estimation unit estimates that a predetermined amount or more of the particulate matter that is the filter regeneration condition is accumulated on the filter. Therefore, when the filter is not regenerated for a predetermined period or longer, the reducing agent is not supplied by the reducing agent supply means until the removal of the particulate matter deposited on the filter is completed.
[0011]
In the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine configured as described above, particulate matter contained in the exhaust gas is collected by a filter provided in the exhaust passage.
[0012]
The particulate matter collected by the filter is deposited on the filter and induces clogging of the filter, so that it is removed by the filter regeneration means.
[0013]
Further, nitrogen oxide (NOx) contained in the exhaust is absorbed by the nitrogen oxide absorbent provided in the exhaust passage.
[0014]
Then, when it becomes necessary to supply the reducing agent to the nitrogen oxide absorbent, the reducing agent supply means supplies the reducing agent to the exhaust passage upstream of the nitrogen oxide absorbent.
[0015]
The reducing agent supplied to the exhaust passage flows into the nitrogen oxide absorbent together with the exhaust flowing from the upstream of the exhaust passage. The nitrogen oxide absorbent reduces and purifies harmful gas components in the exhaust using a reducing agent.
[0016]
By the way, the effects when the filter is regenerated and the nitrogen oxides are reduced greatly differ depending on the operating state of the internal combustion engine.
[0017]
Therefore, regeneration of the filter or nitrogen oxidation based on the detection result of the operating state detection means while taking into account the state in which particulate matter is deposited on the filter or the amount of nitrogen oxide absorbed in the nitrogen oxide absorbent The timing for supplying the reducing agent to the material absorbent is determined.
[0018]
If such conditions are set, even if a predetermined amount or more of the particulate matter is accumulated on the filter and regeneration is required, the filter is not regenerated when a predetermined condition such as an operating state is not satisfied. When such a state continues and a particulate matter of a predetermined amount or more is deposited on the filter, if the condition for supplying the reducing agent to the nitrogen oxide absorbent is satisfied and the reducing agent is supplied, Before the reducing agent reaches the material absorbent, the reducing agent adheres to the particulate matter deposited on the filter and is deposited on the filter together with the particulate matter.
[0019]
Therefore, the amount of particulate matter deposited on the filter is estimated by the accumulation state estimation means, and when the accumulation of particulate matter exceeding a predetermined amount is estimated, the supply of the reducing agent is not performed until the regeneration of the filter is completed. Do not do so to prevent the filter from clogging.
[0020]
The accumulation state estimation means can estimate the accumulation amount of the particulate matter by using a numerical map obtained in advance based on, for example, the differential pressure before and after the filter. There are other conditions such as the filter is not regenerated for a predetermined period, the filter is not regenerated while traveling a predetermined distance, and the operation of the internal combustion engine is stopped before the filter is regenerated. When established, the reducing agent may not be supplied to the nitrogen oxide absorbent until the regeneration of the filter is completed.
[0021]
In the present invention, when the internal combustion engine is in a high load state when the regeneration of the filter is not performed because the operation state detected by the operation state detection means does not satisfy a predetermined condition, The amount of fuel supplied to the internal combustion engine may be reduced.
[0022]
When the amount of fuel supplied at the time of high load is large, high temperature combustion is performed in a state where the oxygen concentration is low, so that a large amount of particulate matter is generated. Therefore, the particulate matter discharged from the internal combustion engine can be reduced by reducing the amount of fuel when the load is high, and the clogging of the filter can be prevented from proceeding.
[0023]
In the present invention, an EGR device that recirculates a part of the exhaust gas to the intake system of the internal combustion engine is provided, and the filter is regenerated because the operation state detected by the operation state detection means does not satisfy the predetermined condition. When not noticed, the amount of EGR gas may be reduced.
[0024]
When the amount of EGR gas is large at high load, a high amount of particulate matter is generated because of high temperature combustion with a low oxygen concentration. Thus, by reducing the amount of EGR gas at the time of high load, particulate matter discharged from the internal combustion engine can be reduced, and the progress of clogging of the filter can be prevented.
[0025]
In the present invention, the reducing agent supply means is a reducing agent addition nozzle for adding a reducing agent to an exhaust passage of the internal combustion engine, and the filter regeneration means injects fuel for engine output to the internal combustion engine. It may be a sub-injection in which fuel is injected again at a time when the engine output does not become after the main injection.
[0026]
When the sub-injection is performed, the injected fuel is burned before being discharged from the internal combustion engine, and the temperature of the exhaust is increased. When the exhaust gas having reached a high temperature reaches the filter, the particulate matter deposited on the filter is ignited and removed by combustion.
[0027]
Moreover, the hydrocarbons discharged at this time are sufficiently gasified and are not easily caused by clogging by being collected by the filter.
[0028]
In the present invention, the nitrogen oxide absorbent may be supported on the filter.
[0029]
In the present invention, the filter may be installed upstream of the nitrogen oxide absorbent in the exhaust passage.
[0030]
Filters loaded with nitrogen oxide absorbent and filters installed upstream of the exhaust passage from nitrogen oxide absorbent are particulate matter deposited on the filter before the reducing agent reaches the nitrogen oxide absorbent. Especially effective because it adheres to the surface.
[0031]
In the present invention, when the internal combustion engine is operating at a low rotation and a low load and the internal combustion engine is in a warm state, the EGR gas amount is increased more than usual, and the internal combustion engine is cooled. When the engine is in the intermediate state, the temperature of the filter or the nitrogen oxide absorbent is increased by performing the sub-injection to inject the fuel again at the time when the engine output after the main injection for injecting the fuel for engine output to the internal combustion engine is not reached. Can be raised.
[0032]
When the sub-injection is performed, the injected fuel is burned before being discharged from the internal combustion engine, and the temperature of the exhaust is increased. This sub-injection makes it possible to increase the temperature of the nitrogen oxide absorbent and the filter early. Here, the nitrogen oxide absorbent also has a function of oxidizing hydrocarbons, but during cold, the temperature of the nitrogen oxide absorbent does not reach the activation temperature, so the hydrocarbon is not oxidized and carbonized. Sub-injection with low hydrogen emissions.
[0033]
Further, the hydrocarbons discharged at this time are sufficiently gasified due to the high temperature, and are not easily caused by clogging by being collected by the filter.
[0034]
The sub-injection is effective in raising the temperature of the filter and the nitrogen oxide absorbent because the fuel is burned to bring the exhaust gas into a high temperature state, but it is mainly performed in the cold because it consumes a lot of fuel. However, in the region where low-temperature combustion described below cannot be achieved, it can be used even when warm.
[0035]
When warm, the temperature of the nitrogen oxide absorbent has reached the activation temperature, so hydrocarbon purification by the nitrogen oxide absorbent can be expected. At this time, the internal combustion engine is operated with the EGR gas amount increased more than usual. In this method, the fuel is burned by adding more EGR gas than the amount of EGR gas at which the generation amount of particulate matter peaks. This is called low-temperature combustion, and almost no particulate matter is generated. Instead, a lot of unburned hydrocarbons are discharged. The discharged unburned hydrocarbon is oxidized by the nitrogen oxide absorbent, and the temperature of the nitrogen oxide absorbent rises. This low temperature combustion discharges a lot of unburned hydrocarbons, so if the nitrogen oxide absorbent does not reach the activation temperature, the unburned hydrocarbons will be released into the atmosphere without being oxidized by the nitrogen oxide absorbent. . Therefore, it was decided to perform low-temperature combustion only when warm.
[0036]
In the present invention, a particulate filter can be exemplified as the filter.
[0037]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, specific embodiments of an exhaust emission control device for an internal combustion engine according to the present invention will be described with reference to the drawings. Here, the case where the exhaust emission control device according to the present invention is applied to a diesel engine for driving a vehicle will be described as an example.
<First Embodiment>
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an internal combustion engine to which an exhaust gas purification apparatus according to the present invention is applied and its intake and exhaust system.
[0038]
An internal combustion engine 1 shown in FIG. 1 is a water-cooled four-cycle diesel engine having four
[0039]
The internal combustion engine 1 includes a
[0040]
The common rail 4 communicates with a fuel pump 6 through a fuel supply pipe 5. The fuel pump 6 is a pump that operates using the rotational torque of the output shaft (crankshaft) of the internal combustion engine 1 as a drive source. A pump pulley 6 a attached to the input shaft of the fuel pump 6 is connected to the output shaft of the internal combustion engine 1 ( It is connected to a crank pulley 1a attached to the crankshaft) via a belt 7.
[0041]
In the fuel injection system configured as described above, when the rotational torque of the crankshaft is transmitted to the input shaft of the fuel pump 6, the fuel pump 6 transmits the rotational torque transmitted from the crankshaft to the input shaft of the fuel pump 6. The fuel is discharged at a pressure according to the pressure.
[0042]
The fuel discharged from the fuel pump 6 is supplied to the common rail 4 via the fuel supply pipe 5, accumulated in the common rail 4 up to a predetermined pressure, and distributed to the
[0043]
Next, an intake branch pipe 8 is connected to the internal combustion engine 1, and each branch pipe of the intake branch pipe 8 communicates with a combustion chamber of each
[0044]
The intake branch pipe 8 is connected to an intake pipe 9, and the intake pipe 9 is connected to an air
[0045]
An intake throttle valve 13 for adjusting the flow rate of the intake air flowing through the intake pipe 9 is provided at a portion of the intake pipe 9 located immediately upstream of the intake branch pipe 8. The intake throttle valve 13 is provided with an
[0046]
The intake pipe 9 positioned between the
[0047]
In the intake system configured as described above, the intake air that has flowed into the
[0048]
The intake air flowing into the
[0049]
On the other hand, an
[0050]
The
[0051]
In the middle of the
[0052]
The
[0053]
In the exhaust system configured as described above, the air-fuel mixture (burned gas) combusted in each
[0054]
Exhaust gas discharged from the turbine housing 15b flows into the
[0055]
The
[0056]
An EGR cooler 27 that cools the EGR gas flowing through the
[0057]
In the exhaust gas recirculation mechanism configured as described above, when the
[0058]
At that time, in the EGR cooler 27, heat exchange is performed between the EGR gas flowing in the
[0059]
The EGR gas recirculated from the
[0060]
Here, the EGR gas contains water (H2O) and carbon dioxide (CO2) And the like, and an inert gas component having endothermic properties is contained in the mixture, so if EGR gas is contained in the mixture, the combustion temperature of the mixture is lowered. Therefore, the amount of nitrogen oxide (NOx) generated is suppressed.
[0061]
Further, when the EGR gas is cooled in the EGR cooler 27, the temperature of the EGR gas itself is reduced and the volume of the EGR gas is reduced. Therefore, when the EGR gas is supplied into the combustion chamber, the atmospheric temperature in the combustion chamber is reduced. Is not increased unnecessarily, and the amount of fresh air (volume of fresh air) supplied into the combustion chamber is not unnecessarily reduced.
[0062]
Next, the
[0063]
FIG. 4 shows the structure of the
[0064]
The
[0065]
In the embodiment according to the present invention, a carrier layer made of alumina, for example, is formed on the peripheral wall surfaces of each
[0066]
Next, the function of the NOx storage reduction catalyst carried by the
[0067]
The
[0068]
The NOx catalyst configured in this way absorbs nitrogen oxide (NOx) in the exhaust when the oxygen concentration of the exhaust flowing into the NOx catalyst is high.
[0069]
On the other hand, the NOx catalyst releases the absorbed nitrogen oxide (NOx) when the oxygen concentration of the exhaust gas flowing into the NOx catalyst decreases. At that time, if a reducing component such as hydrocarbon (HC) or carbon monoxide (CO) is present in the exhaust, the NOx catalyst converts nitrogen oxide (NOx) released from the NOx catalyst to nitrogen (N2).
[0070]
In addition, although there is a part which is not clarified about the NOx absorption / release action of the NOx catalyst, it is considered that it is performed by the following mechanism.
[0071]
First, in the NOx catalyst, when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the NOx catalyst becomes a lean air-fuel ratio and the oxygen concentration in the exhaust gas increases, as shown in FIG.2) Is O2 −Or O2-It adheres on the surface of platinum (Pt) in the form of Nitric oxide (NO) in the exhaust is O on the surface of platinum (Pt).2 −Or O2-Reacts with nitrogen dioxide (NO2) (2NO + O)2→ 2NO2). Nitrogen dioxide (NO2) Is further oxidized on the surface of platinum (Pt), and nitrate ions (NO)3 −) Is absorbed by the NOx catalyst. Nitrate ions absorbed by the NOx catalyst (NO3 −) Combines with barium oxide (BaO) to form barium nitrate (Ba (NO3)2).
[0072]
Thus, when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the NOx catalyst is a lean air-fuel ratio, nitrogen oxides (NOx) in the exhaust gas are nitrate ions (NO3-) Is absorbed by the NOx catalyst.
[0073]
The above-described NOx absorption action is continued as long as the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is a lean air-fuel ratio and the NOx absorption capacity of the NOx catalyst is not saturated. Therefore, when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the NOx catalyst is a lean air-fuel ratio, nitrogen oxide (NOx) in the exhaust gas is absorbed by the NOx catalyst unless the NOx absorption capacity of the NOx catalyst is saturated. Nitrogen oxide (NOx) will be removed.
[0074]
On the other hand, in the NOx catalyst, when the oxygen concentration of the exhaust gas flowing into the NOx catalyst is lowered, nitrogen dioxide (NOt) on the surface of platinum (Pt).2Nitrate ions (NO) bound to barium oxide (BaO).3 −) On the contrary, nitrogen dioxide (NO2) Or nitric oxide (NO) and is released from the NOx catalyst.
[0075]
At that time, if reducing components such as hydrocarbon (HC) and carbon monoxide (CO) are present in the exhaust, these reducing components are converted into oxygen (O) on platinum (Pt).2 −Or O2-) To form an active species. This active species is nitrogen dioxide (NO) released from the NOx catalyst.2) Or nitric oxide (NO) to nitrogen (N2).
[0076]
Therefore, when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the NOx catalyst becomes the stoichiometric air-fuel ratio or rich air-fuel ratio, the oxygen concentration in the exhaust gas decreases and the concentration of the reducing agent increases, the nitrogen oxides absorbed by the NOx catalyst ( NOx) is released and reduced, so that the NOx absorption capacity of the NOx catalyst is regenerated.
[0077]
By the way, when the internal combustion engine 1 is operated in lean combustion, the air-fuel ratio of the exhaust discharged from the internal combustion engine 1 becomes a lean atmosphere, and the oxygen concentration of the exhaust becomes high. Therefore, nitrogen oxide (NOx) contained in the exhaust However, if the lean combustion operation of the internal combustion engine 1 is continued for a long time, the NOx absorption capacity of the NOx catalyst is saturated, and nitrogen oxides (NOx) in the exhaust gas are absorbed into the NOx catalyst. Will be released to the atmosphere without being removed.
[0078]
In particular, in a diesel engine such as the internal combustion engine 1, the lean air-fuel ratio mixture is combusted in the most operating region, and the exhaust air-fuel ratio becomes the lean air-fuel ratio in the most operating region accordingly. The NOx absorption capacity of the catalyst is easily saturated.
[0079]
Therefore, when the internal combustion engine 1 is operated in lean combustion, before the NOx absorption capacity of the NOx catalyst is saturated, the oxygen concentration in the exhaust gas flowing into the NOx catalyst is reduced and the concentration of the reducing agent is increased, so that the NOx catalyst It is necessary to release and reduce absorbed nitrogen oxides (NOx).
[0080]
The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present embodiment includes a reducing agent supply mechanism that adds fuel (light oil) as a reducing agent into the exhaust gas that flows through the exhaust passage upstream of the
[0081]
As shown in FIG. 1, the reducing agent supply mechanism is attached to the cylinder head of the internal combustion engine 1 so that its nozzle hole faces the
[0082]
The reducing agent injection valve 28 has an injection hole downstream of the connection portion of the
[0083]
This prevents the reducing agent (unburned fuel component) injected from the reducing agent injection valve 28 from flowing into the
[0084]
In the example shown in FIG. 1, the first (# 1)
[0085]
The reducing agent injection valve 28 is attached to a water jacket (not shown) formed in the cylinder head so as to penetrate or close to the water jacket, and the reducing agent injection is performed using the cooling water flowing through the water jacket. The valve 28 may be cooled.
[0086]
In such a reducing agent supply mechanism, when the flow
[0087]
The reducing agent injected from the reducing agent injection valve 28 into the
[0088]
The rich air-fuel ratio exhaust gas thus formed flows into the
[0089]
Thereafter, when the flow
[0090]
The internal combustion engine 1 configured as described above is provided with an electronic control unit (ECU: Electronic Control Unit) 35 for controlling the internal combustion engine 1. The
[0091]
The
[0092]
On the other hand, the
[0093]
Here, as shown in FIG. 3, the
[0094]
The
[0095]
The
[0096]
The
[0097]
The
[0098]
The
[0099]
The
[0100]
The
[0101]
The
[0102]
For example, in the fuel injection valve control, the
[0103]
When determining the fuel injection amount, the
[0104]
When determining the fuel injection timing, the
[0105]
When the fuel injection time and the fuel injection timing are determined, the
[0106]
In the fuel injection control, when the operation state of the internal combustion engine 1 is an idle operation state, the
[0107]
In the intake throttle control, for example, the
[0108]
In the exhaust throttle control, the
[0109]
In this case, the load on the internal combustion engine 1 increases, and the fuel injection amount is increased correspondingly. As a result, the amount of heat generated by the internal combustion engine 1 increases, warming up of the internal combustion engine 1 is promoted, and a heat source for the vehicle interior heater is secured.
[0110]
In the EGR control, the
[0111]
As the EGR control execution condition described above, the cooling water temperature is equal to or higher than a predetermined temperature, the internal combustion engine 1 is continuously operated for a predetermined time or more from the start, the amount of change in the accelerator opening is a positive value, etc. Conditions can be exemplified.
[0112]
When it is determined that the EGR control execution condition as described above is satisfied, the
[0113]
Further, in the EGR control, the
[0114]
In the EGR valve feedback control, for example, the
[0115]
When the target intake air amount is determined by the above-described procedure, the
[0116]
When the actual intake air amount is smaller than the target intake air amount, the
[0117]
On the other hand, when the actual intake air amount is larger than the target intake air amount, the
[0118]
Next, in the fuel addition control, the
[0119]
In the rich spike control, the
[0120]
When it is determined that the rich spike control execution condition as described above is satisfied, the
[0121]
Specifically, the
[0122]
Subsequently, the
[0123]
When the target valve opening time of the flow
[0124]
The
[0125]
Thus, when the flow
[0126]
As a result, the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the NOx storage reduction catalyst repeats “lean” and “spike target rich air-fuel ratio” alternately in a relatively short cycle, and thus the storage reduction The type NOx catalyst repeats absorption and release / reduction of nitrogen oxides (NOx) alternately in a short cycle.
[0127]
Next, PM combustion control which is the gist of the present invention will be described.
[0128]
FIG. 5 is a flowchart of PM combustion control performed when the
[0129]
In step 101, it is determined whether or not PM has accumulated on the
[0130]
First, the
[0131]
Further, the PM accumulation amount may be estimated based on the time when the
[0132]
If the amount of accumulated PM estimated in this way is larger than a predetermined amount, a numerical value indicating that the filter needs to be regenerated is stored in the
[0133]
In
[0134]
In
[0135]
In
[0136]
In
[0137]
If the relationship between the accelerator opening, the engine speed, the sub-injection amount or the sub-injection timing is mapped in advance and stored in the
[0138]
On the other hand, if the filter regeneration condition is not satisfied in
[0139]
In
[0140]
In
[0141]
In
[0142]
In
[0143]
In general, when the load is high, the fuel injection amount is increased in order to increase the engine output. However, when the fuel injection amount is increased, an excessively concentrated portion of the fuel is locally generated, and the PM emission amount due to incomplete combustion. Will increase. Therefore, the amount of main injection of fuel for engine output is reduced to reduce PM emissions.
[0144]
When determining the fuel injection amount, the
[0145]
In
[0146]
In general, when the load is high, the fuel injection amount is increased in order to increase the engine output. However, if the EGR gas amount is large, an excessively concentrated portion of the fuel is locally generated, and the PM emission amount is reduced due to incomplete combustion. To increase. Therefore, the amount of EGR gas is reduced to reduce PM emission.
[0147]
Here, the
[0148]
In this way, execution or prohibition of regeneration of the
[0149]
Next, fuel addition control for reducing NOx stored in the NOx storage reduction catalyst will be described.
[0150]
FIG. 6 is a flowchart when NOx stored in the NOx storage reduction catalyst supported by the
[0151]
In
[0152]
In
[0153]
In
[0154]
As a result, the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the NOx storage reduction catalyst repeats “lean” and “spike target rich air-fuel ratio” alternately in a relatively short cycle, and thus the storage reduction The type NOx catalyst repeats absorption and release / reduction of nitrogen oxides (NOx) alternately in a short cycle.
[0155]
In this way, fuel addition control can be performed only when PM is not accumulated in the
<Second Embodiment>
The second embodiment according to the present invention differs from the first embodiment in the means for raising the temperature of the
[0156]
In the first embodiment, the fuel injection from the sub-injection and the reducing agent injection valve 28 is used. However, in the present embodiment, the internal combustion engine 1 is particularly operated at a low rotation and a low load. Only when it is warm, low-temperature combustion is used, and when cold, secondary injection is used.
[0157]
Here, the low temperature combustion will be described.
[0158]
Conventionally, EGR has been used to suppress the generation of NOx in an internal combustion engine. Since the EGR gas has a relatively high specific heat ratio and can absorb a large amount of heat, the combustion temperature in the
[0159]
However, as the EGR gas ratio is increased, the generation amount of soot begins to increase abruptly at a certain ratio or more. Normal EGR control is performed at a lower EGR gas ratio than when soot begins to increase rapidly.
[0160]
However, as the EGR gas ratio is further increased, soot rapidly increases as described above, but there is a peak in the generation amount of this soot, and when the EGR gas ratio is further increased beyond this peak, This time, wrinkles start to decrease rapidly, and finally it hardly occurs.
[0161]
This is because when the temperature of the fuel during combustion in the combustion chamber and the surrounding gas is below a certain temperature, the growth of hydrocarbons (HC) stops at an intermediate stage before reaching soot, and the temperature of the fuel and the surrounding gas is reduced. This is because the hydrocarbon (HC) grows to soot all at once when the temperature rises above a certain temperature.
[0162]
Therefore, no soot will be generated if the combustion during combustion in the combustion chamber and the gas temperature around it are controlled below the temperature at which hydrocarbon (HC) growth stops midway. In this case, the endothermic effect of the gas around the fuel when the fuel burns greatly affects the temperature of the fuel and the surrounding gas, and the endothermic amount of the gas around the fuel, that is, EGR, according to the amount of heat generated during fuel combustion. It is possible to suppress the generation of soot by adjusting the gas ratio.
[0163]
On the other hand, hydrocarbons (HC) that have stopped growing before reaching soot can be purified using a NOx absorbent or the like.
[0164]
Thus, low temperature combustion is based on purifying hydrocarbons (HC) whose growth has stopped halfway before reaching soot with a NOx absorbent or the like. Therefore, when the NOx absorbent or the like is not activated, hydrocarbons (HC) are not purified but are released into the atmosphere, so low temperature combustion cannot be used.
[0165]
Further, the temperature of the fuel during combustion in the
[0166]
Therefore, in the present invention, the low-temperature combustion control is performed only when the internal combustion engine 1 is operated at a low rotation and low load and when the NOx catalyst supported on the
[0167]
Whether or not the NOx catalyst has reached the activation temperature can be determined based on the output signal of the
[0168]
In this way, in low-temperature combustion, PM emission typified by soot is suppressed, so that HC can be supplied to the NOx catalyst without causing clogging of the
[0169]
Further, when the NOx catalyst has not reached the activation temperature, the sub-injection is performed to raise the temperature of the
[0170]
When the sub-injection is used in this way, the temperature of the NOx catalyst can be raised early, but a large amount of fuel is consumed. Therefore, when the internal combustion engine 1 is operated at a low rotation and low load for improving fuel efficiency, the NOx Sub-injection was performed only when the catalyst was cold when it did not reach the activation temperature.
[0171]
This sub-injection and low-temperature combustion are performed in
[0172]
In this way, even when the internal combustion engine 1 is operating at a low rotation and a low load and the temperatures of the
<Third Embodiment>
In the third embodiment according to the present invention, the positional relationship between the
[0173]
In the first embodiment, the NOx storage reduction catalyst is supported by the
[0174]
In the exhaust gas purification apparatus configured as described above, PM contained in the exhaust gas discharged from the internal combustion engine 1 is collected by the
[0175]
However, the
[0176]
Therefore, when PM is accumulated on the
[0177]
Since the method for determining the amount of accumulated PM, PM combustion control, fuel addition control, and the like are the same as those in the first embodiment, description thereof will be omitted.
[0178]
【The invention's effect】
According to the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention, it is possible to prevent the clogging from proceeding due to the reducing agent for reducing the nitrogen oxide absorbed by the nitrogen oxide absorbent adhering to the filter.
[0179]
Therefore, it is possible to prevent the filter from being damaged and the engine output from being reduced due to clogging, to maintain the function of the filter over a long period of time, and to prevent the exhaust emission from deteriorating.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an internal combustion engine to which an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to a first embodiment is applied and an intake / exhaust system thereof.
FIG. 2 (A) is a diagram illustrating a NOx absorption mechanism of a NOx storage reduction catalyst. (B) is a diagram illustrating the NOx release mechanism of the NOx storage reduction catalyst.
FIG. 3 is a block diagram showing an internal configuration of an ECU.
FIG. 4A is a diagram showing a transverse cross section of a particulate filter. (B) is a figure which shows the longitudinal direction cross section of a particulate filter.
FIG. 5 is a flowchart of PM combustion control.
FIG. 6 is a flowchart of fuel addition control.
FIG. 7 is a diagram showing a positional relationship between a filter and an NOx storage reduction catalyst according to a third embodiment.
[Explanation of symbols]
1 ... Internal combustion engine
2. Cylinder
3. Fuel injection valve
4 ... Common rail
5. Fuel supply pipe
6. Fuel pump
18 ... Exhaust branch pipe
19 ... Exhaust pipe
20 ... Particulate filter
21 ... Exhaust throttle valve
23 ... Air-fuel ratio sensor
25 ... EGR passage
26 ... EGR valve
27 ... EGR cooler
28 ... Reducing agent injection valve
29 ... Reducing agent supply path
30 ... Flow control valve
31 ... Shut-off valve
32 ... Reducing agent pressure sensor
33 ... Crank position sensor
34 ... Water temperature sensor
35 ... ECU
37 ... NOx storage reduction catalyst
38 ... Filter upstream pressure sensor
39 ... Filter downstream pressure sensor
351 ... CPU
352 ... ROM
353 ... RAM
354 ... Backup RAM
50 ... Exhaust inflow passage
51 ... Exhaust outlet passage
54 ... Bulkhead
Claims (7)
内燃機関の排気通路に設けられ排気中に含まれる窒素酸化物を吸収する窒素酸化物吸収剤と、
前記窒素酸化物吸収剤に還元剤を供給する還元剤供給手段と、
前記フィルタに堆積した粒子状物質の量を推定する堆積状態推定手段と、
前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記堆積状態推定手段が所定量以上の粒子状物質が堆積していると推定し且つ前記運転状態検出手段により検出された内燃機関の運転状態が所定条件を満たした場合に堆積した粒子状物質を除去して前記フィルタの再生を行うフィルタ再生手段と、
を具備し、
前記堆積状態推定手段がフィルタ再生の条件である所定量以上の粒子状物質がフィルタに堆積していると推定したにもかかわらず前記運転状態検出手段で検出された運転状態が所定条件を満たさないために所定期間以上フィルタの再生が行われない場合には、前記フィルタに堆積した粒子状物質の除去が完了するまで前記還元剤供給手段による還元剤の供給を行わないことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。A filter provided in an exhaust passage of the internal combustion engine for collecting particulate matter contained in the exhaust;
A nitrogen oxide absorbent that is provided in the exhaust passage of the internal combustion engine and absorbs nitrogen oxide contained in the exhaust; and
Reducing agent supply means for supplying a reducing agent to the nitrogen oxide absorbent;
Deposition state estimation means for estimating the amount of particulate matter deposited on the filter;
An operating state detecting means for detecting an operating state of the internal combustion engine;
The particulate matter deposited when the accumulation state estimation means estimates that a predetermined amount or more of particulate matter has accumulated and the operation state of the internal combustion engine detected by the operation state detection means satisfies a predetermined condition. Filter regeneration means for removing and regenerating the filter;
Comprising
The operation state detected by the operation state detection unit does not satisfy the predetermined condition even though the accumulation state estimation unit estimates that a predetermined amount or more of the particulate matter that is the filter regeneration condition is accumulated on the filter. Therefore, when the filter is not regenerated for a predetermined period or longer, the reducing agent is not supplied by the reducing agent supply means until the removal of the particulate matter deposited on the filter is completed. Exhaust purification equipment.
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