JP2003343245A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

内燃機関の排気浄化装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】内燃機関の排気浄化装置において、NOx触媒
への還元剤供給時に流出する還元剤及び硫化水素を除去
することができる技術を提供する。 【解決手段】NOx触媒14と、還元剤供給手段28
と、NOx触媒14下流の酸化触媒18と、過給機15
と、NOx触媒14から酸化触媒18までの排気系13
と過給機15から内燃機関1までの吸気系9とを連通す
る二次空気導入管24と、二次空気量を調整する二次空
気量調整弁25と、NOx触媒14から酸化触媒18ま
での排気系13と過給機15から内燃機関1までの吸気
系9との圧力差を検出する差圧検出手段26と、吸気系
9よりも排気系13の圧力のほうが高いときに限り硫黄
被毒を回復させる硫黄被毒回復手段と、を具備した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の排気浄
化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、自動車等に搭載される内燃機関、
特に酸素過剰状態の混合気(所謂、リーン空燃比の混合
気)を燃焼可能とするディーゼル機関やリーンバーン・
ガソリン機関では、該内燃機関の排気中に含まれる窒素
酸化物(NOx)を浄化する技術が望まれている。
【0003】このような要求に対し、内燃機関の排気系
にNOx吸蔵剤を配置する技術が提案されている。この
NOx吸蔵剤の一つとして、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)を吸蔵(吸
収、吸着)し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還
元剤が存在するときは吸蔵していた窒素酸化物(NO
x)を還元する吸蔵還元型NOx触媒が知られている。
【0004】吸蔵還元型NOx触媒が内燃機関の排気系
に配置されると、内燃機関が希薄燃焼運転されて排気の
空燃比が高くなるときは排気中の窒素酸化物(NOx)
が吸蔵還元型NOx触媒に吸蔵され、吸蔵還元型NOx触
媒に流入する排気の空燃比が低くなったときは吸蔵還元
型NOx触媒に吸蔵されていた窒素酸化物(NOx)が還
元される。
【0005】ところで、吸蔵還元型NOx触媒には燃料
に含まれる硫黄分が燃焼して生成される硫黄酸化物(S
Ox)もNOxと同じメカニズムで吸蔵される。このよう
に吸蔵されたSOxはNOxよりも放出されにくく、吸蔵
還元型NOx触媒内に蓄積される。これをSOx被毒とい
い、NOx浄化率が低下するため、適宜の時期にSOx被
毒から回復させる被毒回復処理を施す必要がある。この
被毒回復処理は、吸蔵還元型NOx触媒を高温(例えば
600乃至650℃程度)にしつつ燃料添加により酸素
濃度を低下させた排気を吸蔵還元型NOx触媒に流通さ
せて行われている。
【0006】このようにして、NOxの還元及びSOx被
毒の回復をリッチ雰囲気にて行うと、吸蔵還元型NOx
触媒下流に還元剤や硫化水素(H2S)が流出すること
がある。
【0007】ここで、特開2000−110552号公
報に記載された発明では、下流に酸化触媒を設け、更に
該酸化触媒に空気を供給して酸素過剰の雰囲気を形成
し、還元剤や硫化水素を酸化させることを可能としてい
る。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかし、前記公報によ
れば、酸化触媒へ空気を供給するためにエアポンプを備
えているため、コスト高となり、また設置スペースが必
要となっていた。
【0009】本発明は、上記したような問題点に鑑みて
なされたものであり、内燃機関の排気浄化装置におい
て、NOx触媒への還元剤供給時に流出する還元剤及び
硫化水素を除去することができる技術を提供することを
目的とする。
【0010】
【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、以下の手段を採
用した。即ち、内燃機関の排気系に設けられ還元剤の存
在下でNOxを還元するNOx触媒と、前記NOx触媒へ
還元剤を供給する還元剤供給手段と、前記NOx触媒の
下流に設けられ酸化機能を有する触媒と、過給機と、前
記NOx触媒から前記酸化機能を有する触媒までの排気
系と前記過給機から内燃機関までの吸気系とを連通する
二次空気導入管と、前記二次空気導入管の流通面積を可
変とし該二次空気導入管を流通する空気の量を調整する
二次空気量調整弁と、前記NOx触媒から前記酸化機能
を有する触媒までの排気系と前記過給機から内燃機関ま
での吸気系との圧力差を検出する差圧検出手段と、前記
過給機から内燃機関までの吸気系の圧力が前記NOx触
媒から前記酸化機能を有する触媒までの排気系の圧力よ
りも高いと前記差圧検出手段により検出されたときに限
り前記NOx触媒へ還元剤を供給して硫黄被毒を回復さ
せる硫黄被毒回復手段と、を具備することを特徴とす
る。
【0011】本発明の最大の特徴は、内燃機関の排気浄
化装置において、酸化機能を有する触媒へ過給空気を供
給可能な場合に限り硫黄被毒回復を行うことにより、N
Ox触媒から流出する還元剤や硫化水素を下流の酸化触
媒で酸化可能とすることにある。
【0012】このように構成された内燃機関の排気浄化
装置では、NOx触媒に還元剤が供給されると、NOx触
媒に流入する排気の空燃比がリッチ空燃比となり、硫黄
酸化物(SOx)が放出される。しかし、このときに炭
化水素(HC)、一酸化炭素(CO)等の還元剤の一部
が下流へ流出することがある。また、SOx被毒回復時
には、NOx触媒から放出されたSOxが硫化水素になり
易い。このようにしてNOx触媒から流出した炭化水素
(HC)、一酸化炭素(CO)、硫化水素を下流の酸化
触媒により酸化させる。ここで、酸化機能を有する触媒
は、酸素過剰の雰囲気において酸化機能が有効に働く
が、SOx被毒回復時には、還元剤の供給により酸素濃
度が低下して、酸化触媒の酸化能力も低下してしまう。
このような状態であっても、二次空気導入管から酸化機
能を有する触媒の上流へ空気を供給することにより、該
酸化触媒の酸化能力を向上させることができる。ここ
で、吸気系は過給機により該過給機下流の空気の圧力が
上昇されているため、二次空気導入管を吸気系から排気
系へ向かって空気が流通する。これにより、酸化触媒の
酸化能力を向上させることが可能となる。また、過給機
による過給圧が十分でない場合には、SOx被毒回復等
を行わないようにすることにより還元剤及び硫化水素等
の大気中への放出を抑止することが可能となる。
【0013】尚、前記過給機から内燃機関までの吸気系
に吸気絞り弁が配設されている場合には、前記二次空気
導入管は、NOx触媒から酸化機能を有する触媒までの
排気系と過給機から吸気絞り弁までの吸気系とを連通す
ることが望ましい。
【0014】本発明においては、内燃機関の排気系と吸
気系とを連通し内燃機関から排出された排気の一部を内
燃機関の吸気系へ還流させるEGR通路と、前記EGR
通路内を流通するEGRガスの流量を調整するEGR弁
と、を更に備え、前記二次空気供給手段により二次空気
の供給が行われている場合には、前記EGR弁を閉じ側
へ制御することができる。
【0015】このように、EGR弁が閉じ側へ制御され
ると、EGRガス量が減少して排気の温度が上昇するた
め、排気のエネルギにより過給を行う過給機では、過給
圧を上昇させることができ、酸化機能を有する触媒へ多
くの空気を供給することが可能となる。
【0016】本発明においては、前記過給機は、吸気の
過給圧を所望の圧力とすべくタービンホイールに吹き付
けられる排気の流速をノズルベーンの開閉により可変と
する可変容量型ターボチャージャであって、前記二次空
気供給手段により二次空気の供給が行われている場合に
は、前記ノズルベーンを閉じ側へ制御することができ
る。
【0017】このように、ノズルベーンが閉じ側へ制御
されると、過給圧が上昇し、酸化機能を有する触媒への
空気の供給量を増加させることが可能となる。
【0018】本発明においては、前記酸化機能を有する
触媒を流通する排気の酸素濃度を検出する酸素濃度検出
手段を更に備え、前記硫黄被毒回復手段は、酸化機能を
有する触媒を流通する排気の酸素濃度が酸化機能を有す
る触媒を活性させる濃度となる範囲内で、前記二次空気
量調整弁を閉じ側へ制御することができる。
【0019】このように構成された内燃機関の排気浄化
装置では、酸化機能を有する触媒へ必要最低限の空気を
供給することができるため、過給圧が早期に低下するこ
とを抑制し、長期に亘り酸化機能を有する触媒へ空気を
供給することが可能となる。
【0020】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る内燃機関の具
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、本発明に係る内燃機関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。
【0021】図1は、本実施の形態に係るエンジンとそ
の吸排気系の概略構成を示す図である。
【0022】図1に示すエンジン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。
【0023】エンジン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。
【0024】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、エンジン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がエン
ジン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。
【0025】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。
【0026】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。
【0027】また、エンジン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
と吸気ポート(図示省略)を介して連通している。
【0028】前記吸気枝管8は、吸気管9に接続され、
該吸気管9の途中には、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が設けられている。
【0029】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10が設けられている。この吸
気絞り弁10には、ステップモータ等で構成されて該吸
気絞り弁10を開閉駆動する吸気絞り用アクチュエータ
11が取り付けられている。
【0030】このように構成された吸気系では、吸気は
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。
【0031】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た後、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。
【0032】一方、エンジン1には、排気枝管12が接
続され、排気枝管12の各枝管が排気ポート1bを介し
て各気筒2の燃焼室と連通している。
【0033】前記排気枝管12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13と接続され、こ
の排気管13は、下流にてマフラー(図示省略)に接続
されている。
【0034】前記排気管13の途中には、吸蔵還元型N
Ox触媒を担持したパティキュレートフィルタ(以下、
単にフィルタという。)14が設けられている。フィル
タ14は吸蔵還元型NOx触媒を担持し、排気中の粒子
状物質(以下、PMという。)を捕集するとともに、流
入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のNOxを吸
蔵(吸収、吸着)し、流入する排気の酸素濃度が低下し
且つ還元剤が存在するときは吸蔵していたNOxを還元
する機能を有する。このフィルタ14の上流には、酸化
機能を有する第1酸化触媒16が設けられている。ま
た、フィルタ14と第1酸化触媒16との間には、流通
する排気の温度に対応した電気信号を出力する第1排気
温度センサ17が取り付けられている。更に、フィルタ
14の下流には、酸化機能を有する第2酸化触媒18が
設けられている。フィルタ14と第2酸化触媒18との
間には、流通する排気の温度に対応した電気信号を出力
する第2排気温度センサ19及び流通する排気の空燃比
に対応した電気信号を出力する第1空燃比センサ20が
取り付けられている。また、第2酸化触媒18の下流に
は、流通する排気の空燃比に対応した電気信号を出力す
る第2空燃比センサ21が取り付けられている。
【0035】このように構成された排気系では、エンジ
ン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1bを介して排気枝管12へ排出され、次いで排
気枝管12からフィルタ14上流の第1酸化触媒16へ
流入する。この第1酸化触媒16では、還元剤の一部が
酸化して排気の温度を上昇させることができ、後述する
SOx被毒回復時に吸蔵還元型NOx触媒を昇温させるこ
とができる。また、還元剤によるフィルタ14の目詰ま
りを抑制することができる。第1酸化触媒16を通過し
た排気はフィルタ14へ流入し、該フィルタ14で排気
中のPMが捕集され、またNOxが吸蔵される。フィル
タ14から流出した排気は、下流の第2酸化触媒18へ
流入する。該第2酸化触媒18では、炭化水素(H
C)、一酸化炭素(CO)等を酸化させることができ
る。
【0036】排気枝管12と吸気枝管8とは、排気枝管
12内を流通する排気の一部を吸気枝管8へ再循環させ
るEGR通路(以下、EGR通路とする。)22を介し
て連通されている。このEGR通路22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E
GR通路22内を流通する排気(以下、EGRガスとす
る。)の流量を変更する流量調整弁(以下、EGR弁と
する。)23が設けられている。
【0037】このように構成されたEGR機構では、E
GR弁23が開弁されると、EGR通路22が導通状態
となり、排気枝管12内を流通する排気の一部が前記E
GR通路22へ流入し、吸気枝管8へ導かれる。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
かれる。
【0038】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、熱容量が高い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。
【0039】一方、ターボチャージャ15と吸気絞り弁
10との間の吸気管9には、二次空気導入管24の一端
が接続されている。一方、フィルタ14と第2酸化触媒
18との間の排気管13には、二次空気導入管24の他
端が接続されている。この二次空気導入管24を介して
吸気系と排気系とが連通されている。この二次空気導入
管24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二次空気導入管24内を流通する空
気の流量を変更する二次空気量調整弁25が設けられて
いる。
【0040】このように構成された二次空気導入機構で
は、二次空気量調整弁25が開弁されると、二次空気導
入管24が導通状態となる。排気系よりも吸気系の圧力
が高い場合には、吸気管9内を流通する空気の一部が前
記二次空気導入管24へ流入し、排気管13へ導入され
る。排気管13へ導入された空気は、排気管13の上流
から流れてきた排気と混ざり合いつつ第2酸化触媒18
へ流入する。
【0041】また、ターボチャージャ15と吸気絞り弁
10との間の吸気管9には、吸気を導入する吸気導入管
26aの一端が接続され、フィルタ14と第2酸化触媒
18との間の排気管13には、排気導入管26bの一端
が接続される。吸気導入管26aの他端及び排気導入管
26bの他端は差圧センサ26に接続されている。差圧
センサ26は、吸気導入管26aから導入された吸気
と、排気導入管26bから導入された排気との圧力差に
対応した電気信号を出力する。
【0042】尚、本実施の形態では、フィルタ14より
上流の排気枝管12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14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。
【0043】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12内に臨むように取り付けら
れ、後述するECU27からの信号により開弁して燃料
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、を備えている。
【0044】このような還元剤供給機構では、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、ECU2
7からの信号により該還元剤噴射弁28が開弁して排気
枝管12内へ還元剤としての燃料が噴射される。還元剤
噴射弁28から排気枝管12内へ噴射された燃料は、該
排気枝管12の上流から流れてきた排気の酸素濃度を低
下させる。
【0045】その後、ECU27からの信号により還元
剤噴射弁28が閉弁し、排気枝管12内への燃料の添加
が停止される。
【0046】このようにして、フィルタ14に燃料が供
給された結果、フィルタ14に流入する排気は、比較的
に短い周期で酸素濃度が変化することになる。これによ
り、フィルタ14に吸蔵されていた窒素酸化物(NO
x)は還元される。
【0047】以上述べたように構成されたエンジン1に
は、該エンジン1を制御するための電子制御ユニット
(ECU:Electronic Control Unit)27が併設され
ている。このECU27は、エンジン1の運転条件や運
転者の要求に応じてエンジン1の運転状態を制御するユ
ニットである。
【0048】ECU27には、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EC
U27に入力されるようになっている。一方、ECU2
7には、燃料噴射弁3、吸気絞り用アクチュエータ1
1、EGR弁23、二次空気量調整弁25、還元剤噴射
弁28等が電気配線を介して接続され、これらを制御す
ることが可能になっている。また、前記ECU27は、
各種アプリケーションプログラム及び各種制御マップを
記憶している。
【0049】ところで、吸蔵還元型NOx触媒には燃料
に含まれる硫黄分が燃焼して生成される硫黄酸化物(S
Ox)もNOxと同じメカニズムで吸蔵される。このよう
に吸蔵されたSOxはNOxよりも放出されにくく、吸蔵
還元型NOx触媒内に蓄積される。これをSOx被毒とい
い、NOx浄化率が低下するため、適宜の時期にSOx被
毒から回復させる被毒回復処理を施す必要がある。この
被毒回復処理は、吸蔵還元型NOx触媒を高温(例えば
600乃至650℃程度)にしつつ燃料添加により酸素
濃度を低下させた排気を吸蔵還元型NOx触媒に流通さ
せて行われている。ここで、第1排気温度センサ17
は、SOx被毒回復時にフィルタ14温度が所定温度
(例えば600乃至650度)となっているか否か判定
するために用いることができる。また、第2排気温度セ
ンサ19は、SOx被毒回復時にフィルタ14が過度に
温度上昇したことを検出するために用いることができ
る。
【0050】図2は、SOx被毒回復時にフィルタから
放出されるSOxの濃度及びフィルタ内の空燃比の時間
推移を示したタイムチャート図である。
【0051】SOx被毒回復時には、ECU27は、フ
ィルタ14に流入する排気中の酸素濃度を比較的に短い
周期でスパイク的に低くする、燃料添加制御(所謂リッ
チスパイク制御)を実行する。
【0052】燃料添加制御では、ECU27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
るべく当該還元剤噴射弁28を制御することにより、フ
ィルタ14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。
【0053】具体的には、ECU27は、記憶されてい
る機関回転数、機関負荷(アクセル開度)、エアフロー
メータ(図示省略)の出力信号値(吸入空気量)、第1
空燃比センサ20の出力信号、燃料噴射量等を読み出
す。
【0054】ECU27は、前記した機関回転数と機関
負荷と吸入空気量と燃料噴射量とをパラメータとして燃
料添加量制御マップへアクセスし、排気の空燃比を予め
設定された目標空燃比とする上で必要となる燃料の添加
量(目標添加量)を算出する。
【0055】続いて、ECU27は、前記目標添加量を
パラメータとして還元剤噴射弁制御マップへアクセス
し、還元剤噴射弁28から目標添加量の燃料を噴射させ
る上で必要となる還元剤噴射弁28の開弁時間(目標開
弁時間)を算出する。
【0056】還元剤噴射弁28の目標開弁時間が算出さ
れると、ECU27は、還元剤噴射弁28を開弁させ
る。
【0057】ECU27は、還元剤噴射弁28を開弁さ
せた時点から前記目標開弁時間が経過すると、還元剤噴
射弁28を閉弁させる。
【0058】このように還元剤噴射弁28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12内へ噴射されることになる。そし
て、還元剤噴射弁28から噴射された燃料は、排気枝管
12の上流から流れてきた排気と混ざり合って目標空燃
比の混合気を形成して第1酸化触媒16及びフィルタ1
4に流入する。
【0059】第1酸化触媒では、燃料が酸化され、その
ときに熱が発生する。この熱により排気の温度が上昇し
下流のフィルタ14の温度が上昇される。これにより、
フィルタ14の温度は、SOx被毒回復に必要となる温
度まで上昇する。
【0060】一方、フィルタ14に流入する排気の空燃
比は、比較的に短い周期で酸素濃度が変化することにな
る。フィルタ14では、温度の上昇とともに吸蔵還元型
NOx触媒からSOxが放出され、以て、フィルタ14に
担持された吸蔵還元型NOx触媒のSOx被毒を回復する
ことが可能となる。
【0061】尚、本実施の形態では、1回のリッチスパ
イクを複数回の燃料により形成させて、空燃比が過剰な
リッチとならないようにしても良い。ここで、1回に多
量の燃料を噴射させると空燃比が過リッチとなり、フィ
ルタ14で燃料が反応しきれずに下流へ流出する虞があ
る。そこで、本実施の形態では、1回当たりの燃料噴射
量を減量し且つ複数回噴射させることにより、過リッチ
を抑制しつつリッチ雰囲気を形成させるようにした。
【0062】ここで、図3は、図2中のAで示した箇所
に対応する還元剤噴射弁28の開閉信号を示した図であ
る。還元剤噴射弁28は、信号がOFFのときに閉弁
し、ONとなったときに開弁する。
【0063】1回のリッチスパイクは、例えば17回の
燃料噴射により形成されている。燃料噴射弁14の1回
当たりの開弁時間は例えば60msで、その後例えば1
50msの間閉弁される。これを、17回繰り返すこと
により、全体として1回のリッチスパイクが形成されて
いる。このように、1回のリッチスパイクを複数回の燃
料噴射により形成させると、空燃比が過剰にリッチとな
ることを抑制することができる。従って、フィルタ14
で反応せずに下流へ流出する燃料を低減することが可能
となる。また、リッチスパイクは、例えば7.5sのリ
ッチ休止期間毎に形成されている。このリッチ休止期間
により、フィルタ14の過熱を抑止することができ、フ
ィルタ14の熱劣化を抑制することが可能となる。
【0064】ところで、吸蔵還元型NOx触媒のSOx被
毒を回復させるために、燃料が供給されると、前述のよ
うに吸蔵還元型NOx触媒からSOxが放出されるが、こ
の放出されたSOxはリッチ雰囲気では硫化水素(H
2S)になり易い。また、炭化水素(HC)、一酸化炭
素(CO)等の還元成分が吸蔵還元型NOx触媒を通過
して下流へ流出することがある。
【0065】これに対し、下流に酸化触媒を設けて、炭
化水素(HC)等を酸化させることも考えられるが、S
Ox被毒回復時では還元雰囲気となるため酸化触媒の酸
化能力が著しく低下してしまう。
【0066】ここで、従来の内燃機関の排気浄化装置で
は、吸蔵還元型NOx触媒の下流に酸化触媒を設け、該
酸化触媒へ二次空気を供給していた。これにより、SO
x被毒回復時においても酸化触媒の酸化能力を高めるこ
とができた。しかし、二次空気を供給するためにエアポ
ンプが必要であったためコスト高となっていた。
【0067】そこで、本実施の形態では、第2酸化触媒
18の上流にターボチャージャ15で昇圧された過給空
気を導入し、該第2酸化触媒18に流入する排気を酸化
雰囲気にして、該第2酸化触媒18の酸化能力を高める
ようにした。これにより、第2酸化触媒18にて一酸化
炭素(CO)及び炭化水素(HC)並びに硫化水素(H
2S)等を酸化させることが可能となる。
【0068】ここで、SOx被毒回復は、吸気絞り弁1
0を閉じ側へ制御して、吸入空気量を減量させつつ空燃
比を例えば20以下にして行われることが多い。このよ
うに、吸入空気量を減量させることにより、少量の燃料
の添加で空燃比を低下させることができ、燃費を向上さ
せることが可能となる。そして、SOx被毒回復時に吸
入空気量が減少される運転状態では、過給機による過給
は不要である。従って、機関の運転状態やSOx被毒回
復にはほとんど影響を及ぼさずに吸気管内の圧縮された
空気を二次空気として酸化触媒へ供給することができ
る。
【0069】また、ターボチャージャ15により圧縮さ
れた空気を酸化触媒へ供給するため、空気を供給するた
めのポンプを設ける必要がない。
【0070】尚、本実施の形態では、ターボチャージャ
15から吸気絞り弁10までの間の吸気管9内の圧力
と、フィルタ14から第2酸化触媒18までの間の排気
管13内の圧力と、の差圧を検出し、排気管13内の圧
力よりも吸気管9内の圧力が高い場合に限り二次空気量
調整弁25を開弁させてSOx被毒回復を行う。
【0071】ここで、図4は、SOx被毒回復時に各触
媒から排出される排気の空燃比、炭化水素(HC)、一
酸化炭素(CO)及び硫化水素(H2S)の量を示した
図である。
【0072】フィルタ14では、SOx被毒の回復のた
めにリッチ空燃比が必要となる。また、このときに、還
元剤がフィルタ14を通過して、下流へ炭化水素(H
C)、一酸化炭素(CO)が排出される。さらに、少量
ではあるが、吸蔵還元型NOx触媒からSOxが放出さ
れ、リッチ雰囲気のため硫化水素(H2S)となって下
流へ流出する。
【0073】第2酸化触媒18では、二次空気の導入に
より最小空燃比が上昇し弱リーンとなる。このように、
第2酸化触媒18では排気の空燃比は理論空燃比以上と
なるため炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)及び硫
化水素(H2S)を酸化させることが可能となる。
【0074】以上により、上流から吸蔵還元型NOx触
媒を担持したフィルタ14、第2酸化触媒18の順に配
置し、第2酸化触媒18上流から二次空気を導入するこ
とにより、SOx被毒回復時に吸蔵還元型NOx触媒から
流出する炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)及び硫
化水素(H2S)の酸化を行うことが可能となる。
【0075】尚、本実施の形態では、SOx被毒回復制
御時には、差圧センサ26及び第2空燃比センサ21の
出力信号に基づいて、二次空気量調整弁25の開度をフ
ィードバック制御するようにしても良い。ここで、SO
x被毒回復は、軽負荷時に実施され、吸気絞り弁10は
閉じ側へ制御されている。従って、排気の流量が減少す
るため、過給圧が上昇しにくくなる。このような状態
で、二次空気量調整弁25を全開に開弁させると、吸気
管9内の圧力が早期に低下するため、第2酸化触媒18
へ長期間二次空気を供給することが困難となる。そこ
で、第2空燃比センサ21の出力信号から得られる空燃
比がストイキよりも大きくなる範囲内で二次空気量調整
弁25を閉じ側へ制御する。このような状態では、酸化
雰囲気を維持できるため、第2酸化触媒18において炭
化水素(HC)、一酸化炭素(CO)及び硫化水素(H
2S)を酸化することが可能である。しかも、必要最低
限の空気を供給するため、過給圧が早期に低下すること
を抑制でき、従って、長期に亘り二次空気を供給するこ
とが可能となる。
【0076】また、本実施の形態では、吸気管9内の圧
力と排気管13内の圧力との差圧が所定値以下となった
場合に、二次空気量調整弁25を閉じ側へ制御しても良
い。このようにして、過給圧の低下を抑制しつつ、二次
空気を継続して供給することが可能となる。ここで、所
定値とは、第2酸化触媒へ二次空気を供するために最低
限必要となる差圧であって、予め実験等により求めてお
く。
【0077】尚、本実施の形態では、第2酸化触媒18
にセリア(Ce)等を含有させて酸素貯蔵能力を持たせ
ても良い。第2酸化触媒18が酸素貯蔵能力を備えるこ
とにより弱リッチ空燃比又は理論空燃比の排気が第2酸
化触媒18に流入すると、貯蔵されていた酸素が放出さ
れ、酸化雰囲気を容易に形成することが可能となる。こ
のように、酸素貯蔵能力を備えることにより、酸化雰囲
気を容易に形成することが可能ではあるが、酸素貯蔵量
には限りがあるために、SOxの被毒量が多い場合には
酸素量が不足してしまう。このような場合であっても、
本実施の形態による二次空気の供給を併用することによ
り、長期間酸化雰囲気を形成することが可能となる。
【0078】本実施の形態では、SOx被毒回復時にE
GR弁23を閉じ側へ制御しても良い。このように、E
GR弁23が閉じ側へ制御されると、機関に吸入される
新気量が増加するため排気の温度が上昇する。これによ
り、排気のエネルギが上昇するため、ターボチャージャ
15の過給圧を上昇させることができ、第2酸化触媒1
8へより多くの空気を供給することが可能となる。ここ
で、EGR弁23は全閉としても良い。
【0079】また、本実施の形態では、ターボチャージ
ャ15を吸気の過給圧を所望の圧力とすべくタービンホ
イール(図示省略)に吹き付けられる排気の流速をノズ
ルベーン(図示省略)の開閉により可変とする可変容量
型ターボチャージャとし、SOx被毒回復時には、該タ
ーボチャージャのノズルベーンを閉じ側へ制御しても良
い。
【0080】可変容量型ターボチャージャは、ノズルベ
ーンの回動方向と回動量とを調整することにより、ノズ
ルベーン間の流路の向き、及びノズルベーン間の間隙を
変更することが可能である。即ち、ノズルベーンの回動
方向と回動量とを制御することにより、タービンホイー
ルに吹き付けられる排気の方向と流速が調節されること
になる。
【0081】例えば、エンジン1からの排気の量が少な
い場合は、ノズルベーンを閉じることにより、タービン
ホイールに吹き付けられる排気の流速が高まると共に、
排気とタービンインペラ(図示省略)との衝突角度がよ
り垂直に近づくため、少ない排気量でもタービンホイー
ルの回転速度及び回転力を高めることが可能となる。
【0082】一方、エンジン1からの排気の量が十分に
多い場合は、ノズルベーンを開くことにより、タービン
ホイールに吹き付けられる排気の流速の過剰な上昇が制
御され、タービンホイールの回転速度及び回転力の過剰
な上昇を抑制することが可能となる。
【0083】従って、本実施の形態では、SOx被毒回
復時にノズルベーンを閉じ側へ制御することにより、過
給圧を上昇させることができ、第2酸化触媒18へより
多くの空気を供給することが可能となる。
【0084】尚、本実施の形態では、還元剤を供給する
方法として前記したように排気中への燃料添加を採用し
たが、その他に、再循環するEGRガス量を増大させて
煤の発生量が増加して最大となった後に、更にEGRガ
ス量を増大させる低温燃焼(特許第3116876
号)、機関出力のための燃料を噴射させる主噴射の後の
膨張行程若しくは排気行程中に再度燃料を噴射させる副
噴射等の方法を採用しても良い。
【0085】また、本実施の形態では、最下流の第2酸
化触媒18は、例えば三元触媒のような酸化機能を有す
る他の触媒であっても良い。また、フィルタ14は、単
に、吸蔵還元型NOx触媒であっても良い。更に、最上
流の第1酸化触媒16は必ずしも必要ではない。
【0086】本実施の形態では、SOx被毒回復時の二
次空気の供給について説明したが、同様にして、吸蔵還
元型NOx触媒に吸蔵されたNOxの還元時に二次空気を
供給する場合に適用しても良い。即ち、二次空気の供給
が可能である場合に限りリッチスパイク制御を行い、N
Oxの還元を行っても良い。
【0087】以上述べたように、本実施の形態による内
燃機関の排気浄化装置によれば、昇圧された吸気を酸化
触媒へ供給することにより、SOx被毒回復時に流出す
る一酸化炭素(CO)及び炭化水素(HC)、更には硫
化水素(H2S)等を酸化することができる。
【0088】
【発明の効果】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置で
は、上流からNOx触媒、酸化触媒の順に配設し、過給
機で昇圧された空気を酸化触媒にのみ供給することがで
き、この空気の供給が可能な場合に限りSOx被毒回復
を実施することができる。これにより、SOx被毒回復
時に酸化触媒にて、一酸化炭素(CO)、炭化水素(H
C)を酸化させ浄化することができ、更には硫化水素
(H2S)等を酸化させてにおい成分を除去することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本実施の形態に係るエンジンとその吸排気系
の概略構成を示す図である。
【図2】 SOx被毒回復時にフィルタから放出される
SOxの濃度及びフィルタ内の空燃比の時間推移を示し
たタイムチャート図である。
【図3】 図2中のAで示した箇所に対応する還元剤噴
射弁の開閉信号を示した図である。
【図4】 SOx被毒回復時に各触媒から排出される排
気の空燃比、炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)及
び硫化水素(H2S)の量を示した図である。
【符号の説明】
1・・・・エンジン 1a・・・クランクプーリ 1b・・・排気ポート 2・・・・気筒 3・・・・燃料噴射弁 4・・・・コモンレール 5・・・・燃料供給管 6a・・・ポンププーリ 6・・・・燃料ポンプ 7・・・・ベルト 8・・・・吸気枝管 9・・・・吸気管 10・・・吸気絞り弁 11・・・吸気絞り用アクチュエータ 12・・・排気枝管 13・・・排気管 14・・・パティキュレートフィルタ 15・・・ターボチャージャ 15a・・コンプレッサハウジング 15b・・タービンハウジング 16・・・第1酸化触媒 17・・・第1排気温度センサ 18・・・第2酸化触媒 19・・・第2排気温度センサ 20・・・第1空燃比センサ 21・・・第2空燃比センサ 22・・・EGR通路 23・・・EGR弁 24・・・二次空気導入管 25・・・二次空気量調整弁 26・・・差圧センサ 26a・・吸気導入管 26b・・排気導入管 27・・・ECU 28・・・還元剤噴射弁 29・・・還元剤供給路
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) F01N 3/22 F01N 3/24 T 4D048 3/24 3/28 301D F02B 37/00 302F 3/28 301 F02D 21/08 301F F02B 37/00 302 301H 37/24 311B F02D 21/08 301 23/00 J 43/00 301N 311 301R 23/00 301T 43/00 301 F02M 25/07 550C 550R F02B 37/12 301Q F02M 25/07 550 B01D 53/36 103B K 101A (72)発明者 大木 久 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 柴田 大介 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 Fターム(参考) 3G005 DA02 EA15 EA16 FA35 GA04 GB25 GB26 HA12 HA18 3G062 AA01 AA05 AA06 BA02 BA07 GA14 GA22 3G084 AA01 AA03 BA05 BA07 BA08 BA09 BA13 BA15 BA20 BA24 BA25 DA10 DA22 DA27 EB11 EB22 FA07 FA12 FA20 FA26 FA27 FA30 FA33 FA38 3G091 AA10 AA11 AA18 AA28 AB02 AB06 AB13 BA00 BA04 BA11 BA14 BA15 BA19 BA20 BA38 CA13 CA18 CA22 CB02 CB03 CB07 CB08 DA01 DA02 DA04 DB10 EA01 EA03 EA05 EA17 EA30 EA32 EA34 FB10 FB12 FC02 GA06 GB04W HA02 HA09 HA10 HA12 HA14 HA36 HA37 HA38 HA42 HA47 HB05 HB06 HB07 3G092 AA02 AA06 AA13 AA17 AA18 AB03 AB20 BA02 BA04 BB01 BB06 DB03 DC03 DC09 DC15 DC16 DE03S DF01 DF02 DF06 EA07 EC01 FA17 FA18 FA20 FA37 FB06 HA01Y HA01Z HA06Y HA06Z HA11Y HA11Z HA16Y HA16Z HD01Y HD01Z HD02Y HD02Z HD06Y HD06Z HD07Y HD07Z HD08Y HD08Z HE01Y HE01Z HE03Y HE03Z HE08Y HE08Z HF08Y HF08Z 4D048 AA06 AA13 AA14 AA18 AB01 AB02 AB05 AB07 AC02 AC10 BB01 BD03 CC32 CC46 CC61 DA01 DA02 DA06 DA07 DA10 EA04

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】内燃機関の排気系に設けられ還元剤の存在
    下でNOxを還元するNOx触媒と、 前記NOx触媒へ還元剤を供給する還元剤供給手段と、 前記NOx触媒の下流に設けられ酸化機能を有する触媒
    と、 過給機と、 前記NOx触媒から前記酸化機能を有する触媒までの排
    気系と前記過給機から内燃機関までの吸気系とを連通す
    る二次空気導入管と、 前記二次空気導入管の流通面積を可変とし該二次空気導
    入管を流通する空気の量を調整する二次空気量調整弁
    と、 前記NOx触媒から前記酸化機能を有する触媒までの排
    気系と前記過給機から内燃機関までの吸気系との圧力差
    を検出する差圧検出手段と、 前記過給機から内燃機関までの吸気系の圧力が前記NO
    x触媒から前記酸化機能を有する触媒までの排気系の圧
    力よりも高いと前記差圧検出手段により検出されたとき
    に限り前記NOx触媒へ還元剤を供給して硫黄被毒を回
    復させる硫黄被毒回復手段と、 を具備することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 【請求項2】内燃機関の排気系と吸気系とを連通し内燃
    機関から排出された排気の一部を内燃機関の吸気系へ還
    流させるEGR通路と、 前記EGR通路内を流通するEGRガスの流量を調整す
    るEGR弁と、 を更に備え、 前記二次空気供給手段により二次空気の供給が行われて
    いる場合には、前記EGR弁を閉じ側へ制御することを
    特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 【請求項3】前記過給機は、吸気の過給圧を所望の圧力
    とすべくタービンホイールに吹き付けられる排気の流速
    をノズルベーンの開閉により可変とする可変容量型ター
    ボチャージャであって、 前記二次空気供給手段により二次空気の供給が行われて
    いる場合には、前記ノズルベーンを閉じ側へ制御するこ
    とを特徴とする請求項1又は2に記載の内燃機関の排気
    浄化装置。
  4. 【請求項4】前記酸化機能を有する触媒を流通する排気
    の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段を更に備え、 前記硫黄被毒回復手段は、酸化機能を有する触媒を流通
    する排気の酸素濃度が酸化機能を有する触媒を活性させ
    る濃度となる範囲内で、前記二次空気量調整弁を閉じ側
    へ制御することを特徴とする請求項1乃至3の何れかに
    記載の内燃機関の排気浄化装置。
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