JP2004036450A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】NOX触媒を担持したパティキュレートフィルタ下流の排気通路内に補助触媒を配置する。NOX触媒内の蓄積SOX量を減少させる蓄積SOX量減少制御を行うべきときにはまず、微粒子酸化制御が行われ、パティキュレートフィルタ上の堆積微粒子量が減少される。次いで、切替弁がバイパス位置に一時的に保持され、それによって補助触媒の温度TAが低下される。次いで、補助触媒の温度TAが許容上限温度TAL以下になったら、蓄積SOX量減少制御が開始される。
【選択図】 図5
Description
【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】
従来より、リーン空燃比のもとで継続して燃焼が行われる内燃機関の排気通路内に、流入する排気ガス中のSOXを一時的に蓄えるSOX蓄積剤、例えばNOX触媒を配置し、NOX触媒を迂回してNOX触媒上流の排気通路とNOX触媒下流の排気通路とを互いに接続するバイパス通路を設け、ほぼ全ての排気ガスをNOX触媒内に導く位置と、排気ガスのわずかな一部をNOX触媒内に導きながら残りの排気ガスをバイパス通路内に導くバイパス位置との間を切替可能な切替弁を具備し、NOX触媒内に蓄えられているSOXをNOX触媒から排出させるべきときには、切替弁をバイパス位置に保持しつつ、NOX触媒内に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチに切り替えるようにした内燃機関の排気浄化装置が知られている。切替弁がバイパス位置に保持されるとNOX触媒内に流入する排気ガスの量が低減されるので、NOX触媒内に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチにするのに必要な還元剤の量を低減することができる。NOX触媒内に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチに切り替えられるとNOX触媒内に蓄えられていたSOXがSO2,H2Sの形でNOX触媒から排出され、NOX触媒内に蓄えられているSOXの量が減少する。
【0003】
ところが、切替弁がバイパス位置に保持されるとこのとき大部分の排気ガスがNOX触媒を迂回することになり、その結果多量のHC,COが大気中に排出される恐れがある。
【0004】
NOX触媒内に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチであっても、バイパス通路の流出端が開口する部分よりも下流の排気通路内を流通する排気ガスの平均空燃比はリーンになっている。そこで、バイパス通路の流出端が開口する部分よりも下流の排気通路内に酸化能を有する補助触媒を配置すれば、この問題点は解決できると考えられる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、補助触媒の温度が高いときに補助触媒内に流入する排気ガス中の還元剤量が少ないと、このときNOX触媒から排出されたSO2,H2Sがこの補助触媒でサルフェートSO3に酸化され、次いでSO3の形で大気中に排出されるという問題点がある。
【0006】
そこで本発明の目的は、大気中に排出されるサルフェートの量を低減することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために1番目の発明によれば、リーン空燃比のもとで継続して燃焼が行われる内燃機関の排気通路内に流入する排気ガス中のSOXを一時的に蓄えるSOX蓄積剤を配置すると共に、該SOX蓄積剤下流の排気通路内に酸化能を有する補助触媒を配置し、SOX蓄積剤内に蓄えられているSOXがSOX蓄積剤から排出されるときに、補助触媒の雰囲気が、補助触媒内に流入する排気ガス中の還元剤の量が許容下限量よりも少なくかつ補助触媒の温度が許容上限温度よりも高いサルフェート生成雰囲気にあるときには、補助触媒の雰囲気をサルフェート生成雰囲気以外の雰囲気に変更し、サルフェート生成雰囲気以外の雰囲気にあるときには、補助触媒の雰囲気をサルフェート生成雰囲気以外の雰囲気に保持するようにしている。
【0008】
また、2番目の発明によれば1番目の発明において、前記補助触媒の雰囲気を前記サルフェート生成雰囲気以外の雰囲気に変更するか又は前記サルフェート生成雰囲気以外の雰囲気に保持するために、補助触媒の温度を前記許容上限温度以下に低下させるか又は前記許容上限温度以下に保持するようにしている。
【0009】
また、3番目の発明によれば1番目又は2番目の発明において、前記補助触媒の雰囲気を前記サルフェート生成雰囲気以外の雰囲気に変更するか又は前記サルフェート生成雰囲気以外の雰囲気に保持するために、補助触媒に流入する排気ガス中の還元剤の量を前記許容最小量以上に増大させるか又は前記許容最小量以上に保持するようにしている。
【0010】
また、前記課題を解決するために4番目の発明によれば、リーン空燃比のもとで継続して燃焼が行われる内燃機関の排気通路内に流入する排気ガス中のSOXを一時的に蓄えるSOX蓄積剤を配置すると共に、該SOX蓄積剤下流の排気通路内に酸化能を有する補助触媒を配置し、補助触媒の雰囲気が、補助触媒内に流入する排気ガス中の還元剤の量が許容下限量よりも少なくかつ補助触媒の温度が許容上限温度よりも高いサルフェート生成雰囲気にあるとき又はなったときには、SOX蓄積剤内に蓄えられているSOXがSOX蓄積剤から排出されるのを阻止するか又は抑制するようにしている。
【0011】
また、5番目の発明によれば1番目又は4番目の発明において、前記SOX蓄積剤を、流入する排気ガス中のSOXを硫酸塩の形で蓄える蓄積剤から形成している。
【0012】
また、6番目の発明によれば1番目又は4番目の発明において、前記SOX蓄積剤を、流入する排気ガス中のSOXを硫酸塩を形成することなく蓄える蓄積剤から形成している。
【0013】
なお、本明細書では排気通路の或る位置よりも上流の排気通路、燃焼室、及び吸気通路内に供給された空気と炭化水素HC及び一酸化炭素COのような還元剤との比をその位置における排気ガスの空燃比と称している。
【0014】
【発明の実施の形態】
図1は本発明を圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。なお、本発明は火花点火式内燃機関にも適用することもできる。
【0015】
図1を参照すると、1は機関本体、2はシリンダブロック、3はシリンダヘッド、4はピストン、5は燃焼室、6は電気制御式燃料噴射弁、7は吸気弁、8は吸気ポート、9は排気弁、10は排気ポートを夫々示す。吸気ポート8は対応する吸気枝管11を介してサージタンク12に連結され、サージタンク12は吸気ダクト13を介して排気ターボチャージャ14のコンプレッサ15に連結される。吸気ダクト13内にはステップモータ16により駆動されるスロットル弁17が配置され、更に吸気ダクト13周りには吸気ダクト13内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置18が配置される。図1に示される実施例では機関冷却水が冷却装置18内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
【0016】
一方、排気ポート10は排気マニホルド19及び排気管20を介して排気ターボチャージャ14の排気タービン21に連結され、排気タービン21の出口は排気管20aを介して触媒コンバータ22に接続される。
【0017】
図1と共に図2を参照すると、触媒コンバータ22はステップモータ60により駆動される切替弁61を具備し、この切替弁61の流入ポート62に排気管20aの出口が接続される。また、流入ポート62に対向する切替弁61の流出ポート63には触媒コンバータ22の排気ガス排出管64が接続される。切替弁61は更に、流入ポート62及び流出ポート63を結ぶ直線の両側において互いに対向する一対の流入流出ポート65,66を有しており、これら流入流出ポート65,66には触媒コンバータ22の環状排気管67の両端がそれぞれ接続される。なお、排気ガス排出管64の出口には排気管23が接続される。
【0018】
環状排気管67は排気ガス排出管64を貫通して延びており、環状排気管67の排気ガス排出管64内に位置する部分にはフィルタ収容室68が形成される。このフィルタ収容室68内には排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタ69が収容される。なお、図2において69a及び69bはパティキュレートフィルタ69の一端面及び他端面をそれぞれ示している。
【0019】
パティキュレートフィルタ69の一端面69aを含む触媒コンバータ22の部分縦断面図を示す図2(A)、及び触媒コンバータ22の部分横断面図を示す図2(B)に示されるようにパティキュレートフィルタ69はハニカム構造をなしており、互いに平行をなして延びる複数個の排気ガス通路70,71を具備する。これら排気ガス通路は一端が開放されかつ他端がシール材72により閉塞されている排気ガス通路70と、他端が開放されかつ一端がシール材73により閉塞されている排気ガス通路71とにより構成される。なお、図2(A)においてハッチングを付した部分はシール材73を示している。これら排気ガス通路70,71は例えばコージェライトのような多孔質材から形成される薄肉の隔壁74を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス通路70,71は各排気ガス通路70が4つの排気ガス通路71によって包囲され、各排気ガス通路71が4つの排気ガス通路70によって包囲されるように配置される。
【0020】
パティキュレートフィルタ69上には後述するようにNOX触媒81が担持されている。一方、切替弁61の流出ポート63と環状排気管67が貫通している部分との間の排気ガス排出管64内には触媒収容室75が形成されており、この触媒収容室75内にはハニカム構造の基材に担持された酸化能を有する補助触媒76が収容される。
【0021】
また、切替弁61の流入流出ポート65とパティキュレートフィルタ69間の環状排気管67にはパティキュレートフィルタ69に還元剤を供給するための電気制御式還元剤供給弁77が取り付けられる。還元剤供給弁77には電気制御式の還元剤ポンプ78から還元剤が供給される。本発明による実施例では還元剤として内燃機関の燃料即ち軽油が用いられている。なお、本発明による実施例では流入流出ポート66とパティキュレートフィルタ69間の環状排気管67に還元剤供給弁が配置されていない。
【0022】
更に図1を参照すると、排気マニホルド19とサージタンク12とは排気ガス再循環(以下、EGRと称す)通路24を介して互いに連結され、EGR通路24内には電気制御式EGR制御弁25が配置される。また、EGR通路24周りにはEGR通路24内を流れるEGRガスを冷却するための冷却装置26が配置される。図1に示される実施例では機関冷却水が冷却装置26内に導かれ、機関冷却水によってEGRガスが冷却される。
【0023】
一方、各燃料噴射弁6は燃料供給管6aを介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール27に連結される。このコモンレール27内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ28から燃料が供給され、コモンレール27内に供給された燃料は各燃料供給管6aを介して燃料噴射弁6に供給される。コモンレール27にはコモンレール27内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ29が取付けられ、燃料圧センサ29の出力信号に基づいてコモンレール27内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ28の吐出量が制御される。
【0024】
電子制御ユニット40はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス41によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)42、RAM(ランダムアクセスメモリ)43、CPU(マイクロプロセッサ)44、入力ポート45及び出力ポート46を具備する。燃料圧センサ29の出力信号は対応するAD変換器47を介して入力ポート45に入力される。補助触媒下流76下流の排気ガス排出管64には補助触媒76から流出した排気ガスの温度を検出するための温度センサ48が取り付けられ、温度センサ48の出力電圧は対応するAD変換器47を介して入力ポート45に入力される。この排気ガスの温度は補助触媒76の温度を表している。排気管20aには排気管20a内の圧力、即ち機関背圧を検出するための圧力センサ49が取り付けられ、圧力センサ49の出力電圧は対応するAD変換器47を介して入力ポート45に入力される。また、アクセルペダル50にはアクセルペダル50の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ51が接続され、負荷センサ51の出力電圧は対応するAD変換器47を介して入力ポート45に入力される。更に入力ポート45にはクランクシャフトが例えば30°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ52が接続される。
【0025】
一方、出力ポート46は対応する駆動回路53を介して燃料噴射弁6、スロットル弁駆動用ステップモータ16、EGR制御弁25、燃料ポンプ28、切替弁駆動用ステップモータ60、還元剤供給弁77、及び還元剤剤ポンプ78にそれぞれ接続される。
【0026】
切替弁61は通常、図3(B)において実線で示される位置と破線で示される位置とのうちいずれか一方に位置せしめられる。切替弁61が図3(B)において実線で示される位置に位置せしめられると、流入ポート62が切替弁61によって流出ポート63及び流入流出ポート66との連通が遮断されながら流入流出ポート65に連通され、流出ポート63が切替弁61によって流入流出ポート66に連通される。その結果、図3(B)において実線の矢印で示されるように排気管20a内を流通する全ての排気ガスが流入ポート62及び流入流出ポート65を順次介して環状排気管67内に流入し、次いでパティキュレートフィルタ69を通過した後に流入流出ポート66及び流出ポート63を順次介して排気ガス排出管64内に流出する。
【0027】
これに対し、切替弁61が図3(B)において破線で示される位置に位置せしめられると、流入ポート62が切替弁61によって流出ポート63及び流入流出ポート65との連通が遮断されながら流入流出ポート66に連通され、流出ポート63が切替弁61によって流入流出ポート65に連通される。その結果、図3(B)において破線の矢印で示されるように排気管20a内を流通する全ての排気ガスが流入ポート62及び流入流出ポート66を順次介して環状排気管67内に流入し、次いでパティキュレートフィルタ69を通過した後に流入流出ポート65及び流出ポート63を順次介して排気ガス排出管64内に流出する。
【0028】
このように切替弁61の位置を切り替えることによって環状排気管67内における排気ガスの流れが反転する。言い換えると、排気ガスがNOX触媒81内にその一端面を介し流入しNOX触媒81からその他端面を介し流出するように排気ガスを案内するか、又はNOX触媒81内にその他端面を介し流入しNOX触媒81からその一端面を介し流出するように排気ガスを案内するかを切り替え可能になっている。以下では、図3(B)において実線で示される排気ガスの流れを順流と称し、破線で示される排気ガスの流れを逆流と称することにする。また、図3(B)において実線で示される切替弁61の位置を順流位置と称し、破線で示される切替弁61の位置を逆流位置と称する。
【0029】
流出ポート66を介し排気ガス排出管64内に流出した排気ガスは図3(A)及び(B)に示されるように、次いで触媒76を通過し、環状排気管67の外周面に沿いつつ進行した後に排気管23内に流出する。
【0030】
パティキュレートフィルタ69における排気ガスの流れを説明すると、順流時には排気ガスは一端面69aを介しパティキュレートフィルタ69内に流入し、他端面69bを介しパティキュレートフィルタ69から流出する。このとき、排気ガスは一端面69a内に開口している排気ガス通路70内に流入し、次いで周囲の隔壁74内を通って隣接する排気ガス通路71内に流出する。一方、逆流時には排気ガスは他端面69bを介しパティキュレートフィルタ69内に流入し、一端面69aを介しパティキュレートフィルタ69から流出する。このとき、排気ガスは他端面69b内に開口している排気ガス通路71内に流入し、次いで周囲の隔壁74内を通って隣接する排気ガス通路70内に流出する。
【0031】
パティキュレートフィルタ69の隔壁74上即ち例えば隔壁74の両側面及び細孔内壁面上には、図4に示されるようにNOX触媒81がそれぞれ担持されている。このNOX触媒81は例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムK、ナトリウムNa、リチウムLi、セシウムCsのようなアルカリ金属、バリウムBa、カルシウムCaのようなアルカリ土類、ランタンLa、イットリウムYのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Pt、パラジウムPd、ロジウムRh、イリジウムIrのような貴金属とが担持されている。
【0032】
NOX触媒は流入する排気ガスの平均空燃比がリーンのときにはNOXを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているNOXを還元して蓄えているNOXの量を減少させる蓄積還元作用を行う。
【0033】
NOX触媒の蓄積還元作用の詳細なメカニズムについては完全には明らかにされていない。しかしながら、現在考えられているメカニズムを、担体上に白金Pt及びバリウムBaを担持させた場合を例にとって簡単に説明すると次のようになる。
【0034】
即ち、NOX触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもかなりリーンになると流入する排気ガス中の酸素濃度が大巾に増大し、酸素O2がO2 −又はO2−の形で白金Ptの表面に付着する。一方、流入する排気ガス中のNOは白金Ptの表面に付着し白金Ptの表面上でO2 −又はO2−と反応し、NO2となる(NO+O2→NO2+O*、ここでO*は活性酸素)。次いで生成されたNO2の一部は白金Pt上でさらに酸化されつつNOX触媒内に吸収されて酸化バリウムBaOと結合しながら、硝酸イオンNO3 −の形でNOX触媒内に拡散する。このようにしてNOXがNOX触媒内に蓄えられる。
【0035】
これに対し、NOX触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ又は理論空燃比になると、排気ガス中の酸素濃度が低下してNO2の生成量が低下し、反応が逆方向(NO3 −→NO+2O*)に進み、斯くしてNOX触媒内の硝酸イオンNO3 −がNOの形でNOX触媒から放出される。この放出されたNOXは排気ガス中に還元剤即ちHC,COが含まれているとこれらHC,COと反応して還元せしめられる。このようにして白金Ptの表面上にNOXが存在しなくなるとNOX触媒から次から次へとNOXが放出されて還元され、NOX触媒内に蓄えられているNOXの量が次第に減少する。
【0036】
なお、硝酸塩を形成することなくNOXを蓄え、NOXを放出することなくNOXを還元することも可能である。また、活性酸素O*に着目すれば、NOX触媒はNOXの蓄積及び放出に伴って活性酸素O*を生成する活性酸素生成触媒と見ることもできる。
【0037】
一方、補助触媒76は本発明による実施例では、アルカリ金属、アルカリ土類、及び希土類を含むことなく貴金属例えば白金Ptを含む貴金属触媒から形成される。しかしながら、補助触媒76を上述したNOX触媒から形成してもよい。
【0038】
ここで、パティキュレートフィルタ69は環状排気管67のほぼ中央部に配置されており、即ち切替弁61の流入ポート62からパティキュレートフィルタ69までの距離と、パティキュレートフィルタ69から流出ポート63までの距離とが切替弁61が順流位置にあるときと逆流位置にあるときとでほとんど変わらない。このことはパティキュレートフィルタ69の状態例えば温度が切替弁61が順流位置にあるときと逆流位置にあるときとでほとんど変わらないことを意味しており、従って切替弁61の位置に応じた特別な制御を必要としない。
【0039】
本発明による実施例では、機関低負荷運転が行われる毎に切替弁61が順流位置から逆流位置に又はその逆に切り替えられる。このようにすると、後の説明からわかるように、パティキュレートフィルタ69及びNOX触媒81を迂回する微粒子及びNOXの量を低減することができる。
【0040】
上述したように順流時であろうと逆流時であろうと排気ガスはパティキュレートフィルタ69を通過する。また、図1に示される内燃機関はリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われており、従ってパティキュレートフィルタ69内に流入する排気ガスの空燃比はリーンに維持されている。その結果、排気ガス中のNOXはパティキュレートフィルタ69上のNOX触媒81内に蓄えられる。
【0041】
時間の経過と共にNOX触媒81内の蓄積NOX量は次第に増大する。そこで本発明による実施例では、例えばNOX触媒81内の蓄積NOX量が許容量を越えたときにはNOX触媒81内に蓄えられているNOXを還元しNOX触媒81内の蓄積NOX量を減少させるために還元剤供給弁77からNOX触媒81に還元剤即ち還元剤を一時的に供給するようにしている。この場合、NOX触媒81内に流入する排気ガスの空燃比が一時的にリッチに切り替えられる。
【0042】
一方、排気ガス中に含まれる主に炭素の固体からなる微粒子はパティキュレートフィルタ69上に捕集される。即ち、概略的に説明すると、順流時には排気ガス通路70側の隔壁74の側面上及び細孔内に微粒子が捕集され、逆流時には排気ガス通路71側の隔壁74の側面上及び細孔内に微粒子が捕集される。図1に示される内燃機関はリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われており、また、NOX触媒81は酸化能を有しているので、パティキュレートフィルタ69の温度が微粒子を酸化しうる温度、例えば250℃以上に維持されていれば、パティキュレートフィルタ69上で微粒子が酸化せしめられ除去される。
【0043】
この場合、上述したNOX触媒81のNOXの蓄積還元メカニズムによれば、NOX触媒81内にNOXが蓄えられるときにもNOXが放出されるときにも活性酸素が生成される。この活性酸素は酸素O2よりも活性が高く、従ってパティキュレートフィルタ69上に堆積している微粒子を速やかに酸化する。即ち、パティキュレートフィルタ69上にNOX触媒81を担持させると、パティキュレートフィルタ69内に流入する排気ガスの空燃比がリーンであろうとリッチであろうとパティキュレートフィルタ69上に堆積している微粒子が酸化される。このようにして微粒子が連続的に酸化される。
【0044】
ところが、パティキュレートフィルタ69の温度が微粒子を酸化しうる温度に維持されなくなるか又は単位時間当たりにパティキュレートフィルタ69内に流入する微粒子の量がかなり多くなると、パティキュレートフィルタ69上に堆積する微粒子の量が次第に増大し、パティキュレートフィルタ69の圧損が増大する。
【0045】
そこで本発明による実施例では、例えばパティキュレートフィルタ69上の堆積微粒子量が許容最大量を越えたときには、パティキュレートフィルタ69に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつパティキュレートフィルタ69の温度を微粒子酸化要求温度TNP例えば600℃以上まで上昇し次いで微粒子酸化要求温度TNP以上に維持する微粒子酸化制御が行われる。この微粒子酸化制御が行われるとパティキュレートフィルタ69上に堆積した微粒子が着火燃焼せしめられ除去される。なお、図1に示される実施例では、切替弁61が順流位置又は逆流位置に保持されているときに圧力センサ49により検出される機関背圧が許容値を越えたときにパティキュレートフィルタ69上の堆積微粒子量が許容最大量を越えたと判断される。
【0046】
具体的に説明すると、図1に示される実施例では、切替弁61を順流位置に保持しながら、パティキュレートフィルタ69に流入する排気ガスの空燃比がリーンに維持されつつパティキュレートフィルタ69の温度が微粒子酸化要求温度TNP以上まで上昇され次いで微粒子酸化要求温度TNP以上に維持されるように、還元剤供給弁77から還元剤が供給される。この還元剤はパティキュレートフィルタ69上で酸化され、その結果パティキュレートフィルタ69の温度TNが微粒子酸化要求温度TNP以上に上昇され、維持される。
【0047】
ところで、排気ガス中にはイオウ分がSOXの形で含まれており、NOX触媒81内にはNOXばかりでなくSOXも蓄えられる。このSOXのNOX触媒81内への蓄積メカニズムはNOXの蓄積メカニズムと同じであると考えられる。即ち、担体上に白金Pt及びバリウムBaを担持させた場合を例にとって簡単に説明すると、NOX触媒81に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには上述したように酸素O2がO2 −又はO2−の形で白金Ptの表面に付着しており、流入する排気ガス中のSO2は白金Ptの表面に付着し白金Ptの表面上でO2 −又はO2−と反応し、SO3となる。次いで生成されたSO3は白金Pt上でさらに酸化されつつNOX触媒81内に吸収されて酸化バリウムBaOと結合しながら、硫酸イオンSO4 −の形でNOX触媒81内に拡散する。この硫酸イオンSO4 −は次いでバリウムイオンBa+と結合して硫酸塩BaSO4を生成する。
【0048】
この硫酸塩BaSO4は分解しにくく、NOX触媒81内に流入する排気ガスの空燃比をただ単にリッチにしてもNOX触媒81内の硫酸塩BaSO4の量は減少しない。このため、時間が経過するにつれてNOX触媒81内の硫酸塩BaSO4の量が増大し、その結果NOX触媒81が蓄えうるNOXの量が減少することになる。
【0049】
ところが、NOX触媒81の温度を550℃以上に維持しつつNOX触媒81に流入する排気ガスの平均空燃比を理論空燃比又はリッチにすると、NOX触媒81内の硫酸塩BaSO4が分解してSO3の形でNOX触媒81から放出される。この放出されたSO3は排気ガス中に還元剤即ちHC,COが含まれているとこれらHC,COと反応してSO2に還元せしめられる。このようにしてNOX触媒81内に硫酸塩BaSO4の形で蓄えられているSOXの量が次第に減少し、このときNOX触媒81からSOXがSO3の形で流出することがない。
【0050】
そこで本発明による実施例では、例えばNOX触媒81内の蓄積SOX量が許容量を越えたときには、NOX触媒81内の蓄積SOX量を減少させるために、NOX触媒81に流入する排気ガスの平均空燃比を理論空燃比又はリッチに維持しつつSOX量減少要求温度TNS例えば550℃以上に維持する蓄積SOX量減少制御が行われる。
【0051】
具体的に説明すると、図1に示される実施例では、切替弁61を順流位置から逆流位置に又はその逆に交互に繰り返し切り替えながら、NOX触媒81内に流入する排気ガスの平均空燃比が例えばわずかばかりリッチに維持されつつNOX触媒81の温度がSOX量減少要求温度TNS以上に維持されるように、還元剤供給弁77から還元剤が供給される。
【0052】
切替弁61が例えば順流位置から逆流位置に切り替えられる際に、流入ポート62と流出ポート63とが一時的に直接的に接続される。このため、切替弁61が例えば順流位置から逆流位置に切り替えられるときには、NOX触媒81内を順流方向に流通する排気ガスの量が次第に減少し、NOX触媒81を迂回する排気ガスの量が次第に増大する。次いで、NOX触媒81内を流通する排気ガスの量が一旦ゼロになった後に、NOX触媒81内を逆流方向に流通する排気ガスの量が次第に増大し、NOX触媒81を迂回する排気ガスの量が次第に減少する。即ち、切替弁61を順流位置から逆流位置に又はその逆に切り替えるとNOX触媒81内を順流方向に流通する排気ガスの量を一時的に低減することができ、このとき還元剤供給弁77から還元剤を供給すれば、NOX触媒81内に流入する排気ガスの平均空燃比をリッチにするのに必要な還元剤の量を低減することができることになる。このとき供給された還元剤は順流方向の排気ガス流れによってNOX触媒81全体に拡散せしめられる。なお、本発明による実施例では、燃料噴射弁6から供給された燃料及び還元剤供給弁77から供給された還元剤(燃料)の積算値が求められ、この積算値が予め定められたしきい値を越えたときにNOX触媒81内の蓄積SOX量が許容量を越えたと判断される。
【0053】
ところが、蓄積SOX量減少制御が行われるときにパティキュレートフィルタ69上に微粒子が堆積していると、この堆積微粒子の温度が高くされつつ堆積微粒子に比較的多量の還元剤が供給されることになる。その結果、堆積微粒子がいわゆる異常燃焼を起こし、パティキュレートフィルタ69が溶損する恐れがある。
【0054】
そこで本発明による実施例のSOX制御では、NOX触媒81内の蓄積SOX量が許容量を越えたときにはまず微粒子酸化制御を行い、次いで蓄積SOX量減少制御を行うようにしている。即ち、蓄積SOX量減少制御が行われる前にパティキュレートフィルタ69上の堆積微粒子が除去される。
【0055】
次に、図5を参照しながら本発明による第1実施例を説明する。図5においてQRは還元剤供給弁77から供給される還元剤の量、AFAは補助触媒76内に流入する排気ガスの平均空燃比、AFNはNOX触媒81内ないしパティキュレートフィルタ69内に流入する排気ガスの平均空燃比、TAは補助触媒76の温度、TNはNOX触媒81ないしパティキュレートフィルタ69の温度、TinはNOX触媒81内ないしパティキュレートフィルタ69内に流入する排気ガスの温度をそれぞれ表している。
【0056】
図5において矢印Xで示されるようにNOX触媒81内の蓄積SOX量QSが許容量QSUを越えるとまず、微粒子酸化制御が行われる。即ち、切替弁61が例えば逆流位置から順流位置に切り替えられて保持され、矢印Rで示されるように還元剤供給弁77から還元剤が間欠的に供給される。このとき還元剤供給弁77から供給される還元剤の量QRは切替弁61が順流位置にあるときにパティキュレートフィルタ69の温度TNを上述した微粒子酸化要求温度TNP以上に維持するのに必要なQRPとされる。その結果、パティキュレートフィルタ69の温度TNが上昇し、微粒子酸化要求温度TNP以上に維持される。この場合、補助触媒76の温度TAはパティキュレートフィルタ69の温度TNとほぼ同じになっている。また、還元剤が供給されているので、NOX触媒81内に流入する排気ガスの平均空燃比AFN及び補助触媒76内に流入する排気ガスの平均空燃比AFAが若干小さくなっている。
【0057】
次いで、図5において矢印Yで示されるようにパティキュレートフィルタ69上の堆積微粒子量が例えばほぼゼロになると微粒子酸化制御が完了される。この場合、切替弁61が図6に示されるバイパス位置に切り替えられ、還元剤供給弁77からの還元剤供給作用が停止される。切替弁61がバイパス位置に保持されると、図6に示されるように排気管20a内を流通した全ての排気ガスが流入ポート62から流出ポート63を介し直接的に排気ガス排出管64内に流出し即ちNOX触媒81及びパティキュレートフィルタ69を迂回し、排気ガスがNOX触媒81内及びパティキュレートフィルタ69内を流通しない。このように、切替弁61がバイパス位置に保持されているときには、切替弁61の流入ポート62から流出ポート63までの排気ガス流路はパティキュレートフィルタ69を迂回するバイパス通路として作用することになる。
【0058】
その結果、補助触媒76内に比較的低温の排気ガスが大量に流通することになり、補助触媒76の温度TAが急激に低下する。このとき、NOX触媒81内には排気ガスが流通しておらず、NOX触媒81の温度TNは高温に維持される。
【0059】
次いで、補助触媒76の温度TAがTALよりも低くなると蓄積SOX量減少制御が開始される。即ち、切替弁61を順流位置から逆流位置に又はその逆に交互に繰り返し切り替えながら、矢印Rで示されるように還元剤供給弁77から還元剤が間欠的に供給される。このとき還元剤供給弁77から供給される還元剤の量QRはNOX触媒81内に流入する排気ガスの平均空燃比AFNをわずかばかりリッチに維持しつつNOX触媒81の温度TNをSOX量減少要求温度TNS以上に維持するのに必要なQRSとされる。この場合、比較的多量の排気ガスがNOX触媒81を迂回しており、従って補助触媒76内に流入する排気ガスの平均空燃比AFAはリーンに維持されている。また、NOX触媒81を迂回する排気ガスの温度は低いので、蓄積SOX量減少制御が行われると補助触媒76の温度TAが低く維持される。
【0060】
次いで、図5において矢印Zで示されるようにNOX触媒81内の蓄積SOX量が例えばほぼゼロになると蓄積SOX量減少制御が完了される。この場合、切替弁61が例えば順流位置に切り替えられ、還元剤供給弁77からの還元剤供給作用が停止される。
【0061】
このように本発明による第1実施例では、微粒子酸化制御が完了しても直ちに蓄積SOX量減少制御が開始されず、補助触媒76の温度TAがTAL以下になった後に、蓄積SOX量減少制御が開始される。このようにしているのは次の理由による。
【0062】
蓄積SOX量減少制御によってNOX触媒81から排出されたSO2は次いで補助触媒76内に流入する。一方、上述したように蓄積SOX量減少制御が行われているときには補助触媒76内に流入する排気ガスの平均空燃比AFAはリーンに維持され、従って補助触媒76内に流入する排気ガス中の還元剤(HC,CO)の量は比較的少なくなっている。このように、補助触媒76内に流入する排気ガス中の還元剤量が少なくかつ補助触媒76の温度TAが比較的高いときに補助触媒76内にSO2が流入すると、このSO2が補助触媒76内でサルフェートSO3に酸化され、従って補助触媒76から多量のサルフェートSO3が排出される恐れがある。
【0063】
もう少し詳しく説明すると、補助触媒76におけるSO2からサルフェートSO3への変換効率EFF(=補助触媒76から流出する排気ガス中のサルフェートSO3の濃度/補助触媒76内に流入する排気ガス中のSO2の濃度)は図7(A)に示されるように補助触媒76の温度TAが高くなるにつれて高くなり、補助触媒76の温度TAが許容上限温度TA1を越えて増大すると変換効率EFFが許容値E1を越える。また、変換効率EFFは図7(B)に示されるように補助触媒76内に流入する排気ガス中の還元剤の量QREDが少なくなるにつれて高くなり、還元剤量QREDが許容下限量Q1を越えて減少すると変換効率EFFが許容値E1を越える。即ち、補助触媒76の雰囲気が、還元剤量QREDが許容下限量QRED1よりも少なくかつ補助触媒76の温度TAが許容下限温度TA1よりも高い雰囲気であるときには、補助触媒76から多量のサルフェートが排出されうる。
【0064】
従って、この雰囲気をサルフェート生成雰囲気と称すると、補助触媒76の雰囲気がサルフェート生成雰囲気であるときに補助触媒76内にSOXが流入すると、補助触媒76から多量のサルフェートSO3が排出されることになる。
【0065】
微粒子酸化制御が完了した直後は補助触媒76の雰囲気がこのサルフェート生成雰囲気になっており、従って微粒子酸化制御が完了した後直ちに蓄積SOX量減少制御が開始されるとNOX触媒81内から排出されたSOXが補助触媒76内に流入してサルフェートSO3が生成されることになる。
【0066】
そこで、本発明による第1実施例では、微粒子酸化制御が完了した後、補助触媒76の温度を低下させることにより補助触媒76の雰囲気をサルフェート生成雰囲気以外の雰囲気に変更し、次いで蓄積SOX量減少制御を行うようにしている。即ち、補助触媒76の温度TAを図7の許容上限温度TA1に相当するTAL以下に低下させ、次いで蓄積SOX量減少制御を行うようにしている。この場合の許容上限温度TALは例えば350から400℃程度である。
【0067】
ここで、補助触媒76内に流入する排気ガス中の還元剤の量を許容最小量以上に増大することにより、補助触媒76の雰囲気をサルフェート生成雰囲気以外の雰囲気に変更することも可能である。
【0068】
従って、一般的に言うと、NOX触媒81内に蓄えられているSOXがNOX触媒81から排出されるときに補助触媒76の雰囲気がサルフェート生成雰囲気にあるときには、補助触媒76の雰囲気をサルフェート生成雰囲気以外の雰囲気に変更するようにしているということになる。
【0069】
本発明による第1実施例では、補助触媒76の温度TAを低下させるために、還元剤供給弁77からの還元剤供給作用を一時的に停止しながら切替弁61をバイパス位置に一時的に保持するようにしている。しかしながら、補助触媒76の温度TAを低下させるために、還元剤供給弁77からの還元剤供給作用を一時的に停止しながら切替弁61を例えば図8に示されるような弱順流位置に一時的に保持するようにすることもできる。切替弁61が弱順流位置に保持されると、図8に矢印で示されるように排気管20a内を流通した排気ガスのうち一部の排気ガスが流入流出ポート65を介し環状排気管67内に流入し、次いでNOX触媒81内を順流方向に流通し、残りの排気ガスが流入ポート62から流出ポート63を介し直接的に排気ガス排出管64内に流出し即ちNOX触媒81を迂回して補助触媒76内に流入する。或いは、切替弁61を例えば順流位置に保持しながら還元剤供給弁77からの還元剤供給作用を一時的に停止するだけでも、補助触媒76の温度TAを低下させることができる。
【0070】
また、蓄積SOX量減少制御を行うために、切替弁61を弱順流位置に保持しながら、NOX触媒81内に流入する排気ガスの平均空燃比がわずかばかりリッチに維持されつつNOX触媒81の温度がSOX量減少要求温度TNS以上に維持されるように、還元剤供給弁77から還元剤を供給するようにしてもよい。この場合にも、NOX触媒81内に流入する排気ガスの平均空燃比をリッチにするのに必要な還元剤の量を低減することができる。
【0071】
更に、本発明による第1実施例では、補助触媒76の温度TAを検出し、補助触媒76の温度TAが許容下限温度TAL以下になったときに蓄積SOX量減少制御が開始される。しかしながら、切替弁61を例えばバイパス位置に保持してから補助触媒76の温度TAが許容下限温度TAL以下になるまでに必要な時間を予め求めておき、微粒子酸化制御が完了してからこの必要時間だけ切替弁61をバイパス位置に保持した後に、蓄積SOX量減少制御を開始するようにすることもできる。
【0072】
NOX触媒81内に蓄えられているSOXがNOX触媒81から排出されるときに補助触媒76の雰囲気がサルフェート生成雰囲気以外の雰囲気であるときには、補助触媒76の雰囲気がその雰囲気に保持され、即ち補助触媒76の雰囲気がサルフェート生成雰囲気になるのが阻止される。
【0073】
図9は本発明による第1実施例のSOX制御ルーチンを示している。このルーチンは予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行される。図9を参照すると、まずステップ200ではNOX触媒81内の蓄積SOX量QSが許容量QSUを越えたか否かが判別される。QS≦QSUのときには処理サイクルを終了し、QS>QSUのときには次いでステップ201に進み、図11を参照して後述する微粒子酸化制御ルーチンが実行される。続くステップ202では切替弁61がバイパス位置に切り替えられる。続くステップ203では補助触媒76の温度TAが許容上限温度TAL以下になったか否かが判別される。TA>TALである限り切替弁61がバイパス位置に保持され、TA≦TALになると次いでステップ204に進み、図12を参照して後述する蓄積SOX量減少制御ルーチンが実行される。
【0074】
図10は予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行される微粒子制御ルーチンを示している。図10を参照すると、まずステップ210ではパティキュレートフィルタ69上の堆積微粒子量QPMが許容量QPMUを越えたか否かが判別される。QPM≦QPMUのときには処理サイクルを終了し、QPM>QPMUのときには次いでステップ211に進み、図11を参照して後述する微粒子酸化制御ルーチンが実行される。
【0075】
図11は上述した微粒子酸化制御ルーチンを示している。図11を参照すると、まずステップ220では切替弁61が順流位置に切り替えられ又は保持される。続くステップ221では還元剤供給量QRが上述したQRPに設定される。続くステップ222では還元剤供給弁77から還元剤供給量QRだけ還元剤が供給される。続くステップ223では微粒子酸化制御を完了すべきか否かが判別される。本発明による実施例では、パティキュレートフィルタ69上の堆積微粒子量がほぼゼロになったときに微粒子酸化制御を完了すべきであると判断される。微粒子酸化制御を完了すべきであると判断されるまでステップ222に戻って還元剤が繰り返し供給され、微粒子酸化制御を完了すべきであると判断されると処理サイクルを終了する。
【0076】
図12は上述した蓄積SOX量減少制御ルーチンを示している。図12を参照すると、まずステップ230では還元剤供給量QRが上述したQRSに設定される。続くステップ231では切替弁61を順流位置に切り替えながら還元剤供給弁77から還元剤供給量QRだけ還元剤が供給される。続くステップ232では切替弁61を逆流位置に切り替えながら還元剤供給弁77から還元剤供給量QRだけ還元剤が供給される。続くステップ233では蓄積SOX量減少制御を完了すべきか否かが判別される。本発明による実施例では、NOX触媒81内の蓄積SOX量がほぼゼロになったときに蓄積SOX量減少制御を完了すべきであると判断される。蓄積SOX量減少制御を完了すべきであると判断されるまでステップ231及び232に戻って還元剤が繰り返し供給され、蓄積SOX量減少制御を完了すべきであると判断されると処理サイクルを終了する。
【0077】
次に、図13及び図14を参照して本発明による第2実施例を説明する。本発明による第2実施例でも蓄積SOX量減少制御を行うべきときにはそれに先立って微粒子酸化制御が行われる。なお、本発明による第2実施例では、上述したTALを第1の許容上限温度と称している。
【0078】
図13において矢印Xで示されるようにNOX触媒81内の蓄積SOX量QSが許容量QSUを越えるとまず、微粒子酸化制御が行われる。即ち、第1実施例と同様に、切替弁61が例えば逆流位置から順流位置に切り替えられて保持され、矢印Rで示されるように還元剤供給弁77から還元剤が間欠的に供給される。このとき、還元剤供給量QRは上述したQRPとされている。
【0079】
次いで、QR=QRPのもとでの還元剤供給作用が開始されてから設定時間tAだけ経過すると、或いは微粒子酸化制御が完了するまでの残り時間がtBになると、切替弁61が弱順流位置に切り替えられ、還元剤供給量QRがQRPRとされる。このQRPRは切替弁61が弱順流位置にあるときにパティキュレートフィルタ69の温度TNを微粒子酸化要求温度TNP以上に維持するのに必要な還元剤量である。なお、例えば圧力センサ49(図1)により検出される機関背圧が設定値よりも小さくなったときに微粒子酸化制御の残り時間がtBであると判断することができる。
【0080】
次いで、図13に矢印Yで示されるように微粒子酸化制御が完了すると直ちに蓄積SOX量減少制御が開始される。
【0081】
即ち、切替弁61が弱順流位置に切り替えられると、パティキュレートフィルタ69内を流通した後に補助触媒76内に流入する高温の排気ガスの量が減少され、パティキュレートフィルタ69を迂回して補助触媒76内に流入する低温の排気ガスの量が増大される。その結果、補助触媒76の温度TAが次第に低下し、次いで微粒子酸化制御が完了するときには補助触媒76の温度TAが第1の許容上限温度TALよりも低くなっている。即ち、微粒子酸化制御が完了したときに補助触媒76の雰囲気がサルフェート生成雰囲気以外の雰囲気になっている。従って、微粒子酸化制御が完了した後、直ちに蓄積SOX量減少制御を行っても補助触媒76から多量のサルフェートSO3が排出されない。
【0082】
このように本発明による第2実施例では、微粒子酸化制御の末期ないし後半に補助触媒76の温度TAを低下させることにより補助触媒76の雰囲気がサルフェート生成雰囲気以外の雰囲気に変更される。或いは、微粒子酸化制御の末期にパティキュレートフィルタ69を迂回する排気ガスの量を一時的に増大させているという見方もできる。
【0083】
ところで、切替弁61が順流位置に保持されているときにはパティキュレートフィルタ69内における排気ガスの空間速度が比較的高く、このためパティキュレートフィルタ69内に流入した還元剤はパティキュレートフィルタ69の排気ガス流入端周りというよりも排気ガス流出端において酸化される。その結果、パティキュレートフィルタ69の排気ガス流入端周りの温度が排気ガス流出端周りの温度よりも低くなり、即ちパティキュレートフィルタ69の温度が不均一になる場合がある。
【0084】
ところが本発明による第2実施例では、微粒子酸化制御が行われているときに切替弁61がバイパス位置に切り替えられるので、このときパティキュレートフィルタ69内における排気ガスの空間速度が低下し、還元剤がパティキュレートフィルタ69の排気ガス流入端周りで酸化されるようになる。その結果、パティキュレートフィルタ69の排気ガス流入端周りの温度が高くなり、従ってパティキュレートフィルタ69全体の温度を均一に高めることができる。
【0085】
更に、還元剤供給量QRがQRPからQRPRに減少されると、図13に示されるように補助触媒76内に流入する排気ガスの平均空燃比AFA及びNOX触媒81内に流入する排気ガスの平均空燃比AFNが大きくなる。言い換えると、微粒子酸化制御の初期ないし前半に補助触媒76内及びNOX触媒81内に流入する還元剤量がそれぞれ増大されている。このようにすると、補助触媒76から排出されるサルフェートSO3の量を低減することができる。これは次の理由による。
【0086】
即ち、本願発明者らによれば、NOX触媒81内に流入する排気ガスの平均空燃比AFNがリーンに維持されていてもNOX触媒81の温度TNが高くなると、NOX触媒81から流出する排気ガス中のSOX濃度がNOX触媒81内に流入する排気ガス中のSOX濃度よりも一時的に高くなることが確認されている。このことは、NOX触媒81の温度が高くなるとNOX触媒81内に蓄えられているSOXが排出され、このSOXは硫酸塩BaSO4を形成することなく蓄えられているということを意味している。
【0087】
このようなSOXがどのような形でNOX触媒81内に蓄えられるのかは必ずしも明らかではないが、次のようにして蓄えられると考えられている。即ち、上述したようにNOX触媒81内に流入する排気ガス中のSO2はまず例えば白金Pt表面上に付着した後に硫酸塩BaSO4の形で蓄えられる。ところが硫酸塩BaSO4の形で蓄えられているSOXの量が多くなると、白金Pt表面上に付着しているSO2が硫酸塩BaSO4になりにくくなり、SO2のまま白金Pt表面上に付着し続ける。このようにしてSOXが硫酸塩BaSO4を形成することなく蓄えられる。
【0088】
そうすると、NOX触媒81内には硫酸塩BaSO4の形で蓄えられるSOXもあれば、硫酸塩BaSO4を形成することなく蓄えられるSOXもあるということになる。従って、一般的に言うと、NOX触媒81は流入する排気ガス中のSOXを硫酸塩の形か又は硫酸塩を形成しない形かのいずれかで蓄えるSOX蓄積剤として作用することになる。
【0089】
微粒子酸化制御が開始されてNOX触媒81の温度TNが高くなると、硫酸塩BaSO4を形成することなく蓄えられているSOXがNOX触媒81から一気に放出され、このSOXは次いで比較的高温の補助触媒76内に流入する。従って、このとき補助触媒76内に流入する還元剤量が多ければSOXがSO2の形で排出され、サルフェートSO3が排出されない。
【0090】
一方、硫酸塩BaSO4を形成することなく蓄えられているSOXがNOX触媒81から排出される量は微粒子酸化制御が開始されてからの経過時間が長くなるにつれて少なくなる。パティキュレートフィルタ69上の堆積微粒子を速やかに酸化することを考えると、NOX触媒81内ないしパティキュレートフィルタ69内に流入する排気ガスの空燃比AFNはできるだけリーンの方が好ましい。
【0091】
そこで本発明による第2実施例では、微粒子酸化制御が開始されてからの経過時間が短いときには長いときに比べて補助触媒76内及びNOX触媒81内に流入する還元剤量を増大するようにしている。
【0092】
ここで、微粒子酸化制御が開始されるときには補助触媒76の例えば白金表面上にもSOXが付着している。このSOXは補助触媒76内に流入する還元剤量が増大されているとSO2の形で補助触媒76から排出される。
【0093】
本発明による第2実施例では、微粒子酸化制御の初期ないし前半に補助触媒76内に流入する還元剤量が増大されているので補助触媒76に付着しているSOXがSO2の形で排出される。また、このときNOX触媒81内に流入する還元剤量も増大されているので、NOX触媒81内に硫酸塩BaSO4を形成することなく蓄えられているSOXがNOX触媒81からサルフェートSO3の形で排出されるのも阻止できる。
【0094】
このような観点に基づき、還元剤供給量QRがQRPに保持される設定時間tAはNOX触媒81内及び補助触媒76内に硫酸塩を形成することなく蓄えられているSOXがNOX触媒81及び補助触媒76から排出されるのに必要な時間以上に設定される。一方、切替弁61がバイパス位置に保持される時間tBは補助触媒76の温度TAが第1の許容上限温度TAL以下になるのに必要な時間以上にされる。
【0095】
なお、本発明による第2実施例では、切替弁61を弱順流位置に切り替えると共に補助触媒76内及びNOX触媒81内に流入する還元剤量を減少させている。しかしながら、切替弁61を順流位置に保持しながら、微粒子酸化制御の経過時間と共に補助触媒76内及びNOX触媒81内に流入する還元剤量を減少させるようにすることもできる。
【0096】
微粒子酸化制御が完了すると、上述したように直ちに蓄積SOX量減少制御が開始される。即ち、本発明による第2実施例においても、図13及び図14に示されるように切替弁61を順流位置から逆流位置に又はその逆に交互に繰り返し切り替えながら還元剤供給弁77から還元剤が間欠的に供給され、このときNOX触媒81内に流入する排気ガスの平均空燃比AFNがわずかばかりリッチに維持され、NOX触媒81の温度TNがSOX量減少要求温度TNS以上に維持される。この場合、NOX触媒81を迂回した低温の排気ガスが補助触媒76内に大量に流入し、従って補助触媒76の温度TAはさほど高くならないはずである。
【0097】
しかしながら、例えばNOX触媒81内で酸化されることなく補助触媒76内に到り次いで補助触媒76内で酸化される還元剤の量が増大すると、図14に示されるように補助触媒76の温度TAが上昇し、図7を参照して説明した許容上限温度TA1に相当する第2の許容上限温度TAUを越える場合がある。このときNOX触媒81からSOXが排出されると、補助触媒76から多量のサルフェートSO3が排出されることになる。
【0098】
そこで本発明による第2実施例では、蓄積SOX量減少制御が行われているときに補助触媒76の温度TAが第2の許容上限温度TAUを越えて上昇したときには、蓄積SOX量減少制御を一時的に停止するようにしている。具体的には、還元剤供給弁77からの還元剤供給作用が停止される。また、このとき補助触媒76の温度TAを低下させるために、切替弁61がバイパス位置に切り替えられる。このようにするとNOX触媒81の温度TNを高温に維持しながら補助触媒76の温度を低下させることができる。
【0099】
次いで、補助触媒76の温度TAが第1の許容上限温度TAL以下になると、蓄積SOX量減少制御が再開される。次いで、図14において矢印Zで示されるようにNOX触媒81内の蓄積SOX量が例えばほぼゼロになると蓄積SOX量減少制御が完了される。
【0100】
このように、本発明による第2実施例では、蓄積SOX量減少制御が行われているときに補助触媒76の雰囲気がサルフェート生成雰囲気になったときには、蓄積SOX量減少制御が停止される。一方、上述した本発明による第1実施例では、微粒子酸化制御が完了したときに補助触媒76の雰囲気がサルフェート生成雰囲気にあり、このとき蓄積SOX量減少制御が開始されない。
【0101】
従って、一般的に言うと、補助触媒76の雰囲気がサルフェート生成雰囲気にあるとき又はなったときには、NOX触媒81内に蓄えられているSOXがNOX触媒81から排出されるのを阻止するようにしているということになる。
【0102】
補助触媒76の雰囲気がサルフェート生成雰囲気にあるとき又はなったときに、NOX触媒81から排出されるSOXの量を抑制するようにしてもよい。補助触媒76内に流入するSO2の量が抑制されれば補助触媒76から排出されるサルフェートSO3の量も抑制される。この場合、例えばNOX触媒81内に流入する排気ガスの平均空燃比AFNを大きくすることにより、NOX触媒81から排出されるSOXの量を抑制することができる。
【0103】
図13及び図14からわかるように本発明による第2実施例では、補助触媒76の雰囲気がサルフェート生成雰囲気からサルフェート生成雰囲気以外の雰囲気に変更されたか否かが第1の許容上限温度TALに基づいて判断され、補助触媒76の雰囲気がサルフェート生成雰囲気以外の雰囲気からサルフェート生成雰囲気に変更されたか否かが第2の許容上限温度TAUに基づいて判断される。ここで第2の許容上限温度TAUは例えば500℃程度である。
【0104】
図15は上述した第2実施例によるSOX制御ルーチンを示している。このルーチンは予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行される。図15を参照すると、まずステップ240ではNOX触媒81内の蓄積SOX量QSが許容量QSUを越えたか否かが判別される。QS≦QSUのときには処理サイクルを終了し、QS>QSUのときには次いでステップ241に進み、図16を参照して後述する微粒子酸化制御ルーチンが実行される。続くステップ242では図17を参照して後述する蓄積SOX量減少制御ルーチンが実行される。このように微粒子酸化制御ルーチンに引き続いて蓄積SOX量減少制御ルーチンが開始される。
【0105】
図16は上述した微粒子酸化制御ルーチンを示している。図16を参照すると、まずステップ250では切替弁61が順流位置に切り替えられ又は保持される。続くステップ251では還元剤供給量QRが上述したQRPに設定される。続くステップ252では還元剤供給弁77から還元剤供給量QRだけ還元剤が供給される。続くステップ253ではQR=QRPのもとでの微粒子酸化制御が開始されてから上述した設定時間tAだけ経過したか否かが判別される。設定時間tAだけ経過するまでステップ252に戻って還元剤が繰り返し供給され、時間tAだけ経過するとステップ254に進み、切替弁61が弱順流位置に切り替えられる。続くステップ255では還元剤供給量QRが上述したQRPRに設定される。続くステップ256では還元剤供給弁77から還元剤供給量QRだけ還元剤が供給される。続くステップ257では微粒子酸化制御を完了すべきか否かが判別される。微粒子酸化制御を完了すべきであると判断されるまでステップ256に戻って還元剤が繰り返し供給され、微粒子酸化制御を完了すべきであると判断されると処理サイクルを終了する。
【0106】
図17は上述した蓄積SOX量減少制御ルーチンを示している。図17を参照すると、まずステップ270では還元剤供給量QRが上述したQRSに設定される。続くステップ271では切替弁61を順流位置に切り替えながら還元剤供給弁77から還元剤供給量QRだけ還元剤が供給される。続くステップ272では切替弁61を逆流位置に切り替えながら還元剤供給弁77から還元剤供給量QRだけ還元剤が供給される。続くステップ273では蓄積SOX量減少制御を完了すべきか否かが判別される。蓄積SOX量減少制御を完了すべきでないと判断されたときには次いでステップ274に進み、補助触媒76の温度TAが第2の許容上限温度TAUよりも高いか否かが判別される。TA>TAUのときには次いでステップ275に進んで切替弁61がバイパス位置に切り替えられる。続くステップ276では補助触媒76の温度TAが第1の許容上限温度TALよりも高いか否かが判別される。TA≦TALになるまでステップ276が繰り返され、TA≦TALになると次いでステップ271に戻る。即ち、蓄積SOX量減少制御を完了すべきであると判断されるまでステップ271及び272に戻って還元剤が繰り返し供給される。
【0107】
ところで、上述したように、補助触媒76内にも硫酸塩を形成することなくSOXが蓄えられ、補助触媒76の温度TAが高くなりこのとき補助触媒76内に流入する排気ガス中の還元剤量が少ないと、このSOXがサルフェートSO3の形で補助触媒76から排出される。
【0108】
一方、硫酸塩を形成することなく補助触媒76内に蓄えられているSOXは補助触媒76内に流入する排気ガス中の還元剤量が多くなるとSO2の形で補助触媒76から排出される。
【0109】
そこで本発明による実施例では、微粒子酸化制御も蓄積SOX量減少制御も行われていない通常運転時に、補助触媒76の温度TAが上述した第2の許容上限温度TAUを越えたときには、還元剤供給弁77から還元剤を一時的に供給し、補助触媒76内に流入する排気ガス中の還元剤量を一時的に増大するようにしている。その結果、補助触媒76内に蓄えられているSOXが補助触媒76からSO2の形で除去されることになる。
【0110】
この場合、切替弁61を順流位置に保持しながら還元剤を供給してもよいし、逆流位置に保持しながら還元剤を供給してもよい。しかしながら、切替弁61が順流位置に保持されているとこのとき供給された還元剤がNOX触媒81内に流入してNOX触媒81内で酸化され、従ってNOX触媒81の温度TNが高くなる。このため、NOX触媒81の温度TNがNOX触媒81の熱劣化についての許容上限温度を越える恐れがある。
【0111】
そこで本発明による実施例では、補助触媒76の温度TAが上述した第2の許容上限温度TAUを越えたときには、切替弁61を逆流位置に切り替え又は保持しながら還元剤供給弁77から還元剤を一時的に供給するSOX除去制御を行うようにしている。即ち、図18に示されるように、TA>TAUとなると切替弁61が例えば順流位置から逆流位置に切り替えられ、矢印Rで示されるように還元剤供給弁77から還元剤が供給される。このとき、図18に示される例では補助触媒76内に流入する排気ガスの平均空燃比AFAがわずかばかりリーンになっている。平均空燃比AFAが理論空燃比又はわずかばかりリッチになるようにすることもできる。
【0112】
ただし、SOX除去制御、微粒子酸化制御、又は蓄積SOX量減少制御が完了した直後には補助触媒76内に蓄えられているSOXの量が少ない。そこで、SOX除去制御、微粒子酸化制御、又は蓄積SOX量減少制御が完了してから予め定められた設定時間tCが経過するまではSOX除去制御は行われない。
【0113】
図19は上述したSOX除去制御を実行するためのルーチンを示している。このルーチンは予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行される。図19を参照すると、まずステップ280ではSOX除去制御、微粒子酸化制御、又は蓄積SOX量減少制御が完了してから上述した設定時間tCだけ経過したか否かが判別される。時間tCだけ経過していないときには次いでステップ281に進み、このときの補助触媒76の温度TAをTAOLDとした後に、処理サイクルを終了する。時間tCだけ経過しているときには次いでステップ282に進み、前回の補助触媒76の温度TAOLDが第2の許容上限温度TAU以下でありかつ今回の補助触媒76の温度TAが第2の許容上限温度TAUよりも小さいか否か、即ち前回のサイクルから今回のサイクルまでの間にTAがTAUを越えたか否かが判別される。前回のサイクルから今回のサイクルまでの間にTAがTAUを越えていないときには次いで処理サイクルを終了し、前回のサイクルから今回のサイクルまでの間にTAがTAUを越えたときには次いでステップ283に進み、切替弁61が逆流位置に切り替えられる。続くステップ284では、還元剤供給弁77から還元剤が供給される。
【0114】
これまで述べてきた本発明による実施例は例えば図20及び図22に示される内燃機関にも適用することができる。
【0115】
図20に示される内燃機関では、排気管20aの出口にケーシング168が接続され、このケーシング167は排気管20cを介してケーシング175に接続され、ケーシング175は排気管23に接続される。これらケーシング168,175内にはNOX触媒81を担持したパティキュレートフィルタ69、及び補助触媒76がそれぞれ収容される。
【0116】
排気管20aからバイパス管185が分岐されており、このバイパス管185の流出端は排気管20cに開口している。また、バイパス管185の流入端が開口している排気管20aの部分には、図示しない電子制御ユニットによって制御される切替弁161が配置される。更に、バイパス管185の流入端とパティキュレートフィルタ69間の排気管20aに還元剤供給弁77が配置される。
【0117】
切替弁161は通常、図21に実線で示される通常位置に保持される。切替弁161がこの通常位置に保持されると、バイパス管185が遮断され、排気管20a内に流入したほぼ全ての排気ガスがパティキュレートフィルタ69内に導かれる。従って、切替弁161の通常位置は図1の内燃機関における切替弁61の順流位置又は逆流位置に相当する。
【0118】
例えば本発明による第1実施例について説明すると、切替弁161を通常位置に保持しながら還元剤供給弁77から還元剤を供給することにより微粒子酸化制御が行われる。次いで、微粒子酸化制御が完了すると、還元剤供給作用を停止しながら、切替弁161が図21に破線で示されるバイパス位置に切り替えられ保持される。切替弁161がバイパス位置に保持されると、バイパス管185が開放され、排気管20a内に流入したほぼ全ての排気ガスがパティキュレートフィルタ69を迂回する。従って、切替弁161のバイパス位置は図1の内燃機関における切替弁61のバイパス位置に相当する。次いで、補助触媒76の温度TAが許容上限温度TAL以下になると、切替弁161を図21に一点鎖線で示される弱流位置に切り替え保持しながら、還元剤供給作用が行われる。切替弁161が弱流位置に保持されると、排気管20a内に流入した排気ガスのわずかな一部がパティキュレートフィルタ69内に導かれ残りの排気ガスがバイパス管185内に導かれる。従って、切替弁161の弱流位置は図1の内燃機関における切替弁61の弱順流位置に相当する。
【0119】
一方、図22に示される内燃機関では、排気管20aが一対の枝管91’,91”を有するY字管から形成され、各枝管の出口にはケーシング68’,68”がそれぞれ接続される。これらケーシング68’,68”は排気管20cの枝管92’,92”に接続され、排気管20cを介してケーシング175に接続される。ケーシング175は排気管23に接続される。これらケーシング68’,68”内には第1及び第2のパティキュレートフィルタ69’,69”がそれぞれ収容され、ケーシング175内には補助触媒76が収容される。なお、第1及び第2のパティキュレートフィルタ69’,69”上にはそれぞれ第1及び第2のNOX触媒81’,81”が担持されている。
【0120】
排気管20cの枝管内には共通のアクチュエータ160によって駆動される第1及び第2の切替弁61’,61”が配置される。また、排気管20aの枝管内には第1及び第2の還元剤供給弁77’,77”がそれぞれ配置される。なおアクチュエータ160及び還元剤供給弁77’,77”は図示しない電子制御ユニットによって制御される。
【0121】
切替弁61’,61”は通常、図23(A)において実線で示される第1の通常位置か又は破線で示される第2の通常位置に保持される。切替弁61’,61”が第1の通常位置に保持されると、第1の切替弁61’が全開位置に保持され、第2の切替弁61”が全閉位置に保持され、従って図29(A)において実線の矢印で示されるように排気管20a内に流入したほぼ全ての排気ガスが第1のパティキュレートフィルタ69’内に導かれる。一方、切替弁61’,61”が第2の通常位置に保持されると、第1の切替弁61’が全閉位置に保持され、第2の切替弁61”が全開位置に保持され、従って図23(A)において破線の矢印で示されるように排気管20a内に流入したほぼ全ての排気ガスが第2のパティキュレートフィルタ69”内に導かれる。従って、切替弁61’,61”の第1及び第2の通常位置は図20の内燃機関における切替弁161の通常位置又はバイパス位置に相当する。
【0122】
例えば本発明による第1実施例について説明すると、切替弁61’,61”を第1の通常位置に保持しながら第1の還元剤供給弁77’から還元剤を供給することにより第1のパティキュレートフィルタ69’の微粒子酸化制御が行われる。次いで、微粒子酸化制御が完了すると、還元剤供給作用を停止しながら、切替弁61’,61”が第2の通常位置に切り替えられ保持される。その結果、比較的低温の排気ガスが補助触媒76内に流入し、補助触媒76の温度TAが低下される。次いで、補助触媒76の温度TAが許容上限温度TAL以下になると、切替弁61’,61”を図23(B)に実線で示される第1の弱流位置に切り替え保持しながら、還元剤供給作用が行われる。切替弁61’,61”が第1の弱流位置に保持されると、排気管20a内に流入した排気ガスのわずかな一部が第1のパティキュレートフィルタ69’内に導かれ残りの排気ガスが第2のパティキュレートフィルタ69”内に導かれる。
【0123】
或いは、切替弁61’,61”を第2の通常位置に保持しながら第2の還元剤供給弁77”から還元剤を供給することにより第2のパティキュレートフィルタ69”の微粒子酸化制御が行われる。次いで、微粒子酸化制御が完了すると、還元剤供給作用を停止しながら、切替弁61’,61”が第1の通常位置に切り替えられ保持される。次いで、補助触媒76の温度TAが許容上限温度TAL以下になると、切替弁61’,61”を図23(B)に破線で示される第2の弱流位置に切り替え保持しながら、還元剤供給作用が行われる。切替弁61’,61”が第2の弱流位置に保持されると、排気管20a内に流入した排気ガスのわずかな一部が第2のパティキュレートフィルタ69”内に導かれ残りの排気ガスが第1のパティキュレートフィルタ69’内に導かれる。このように切替弁61’,61”の弱流位置は図1の内燃機関における切替弁61の弱順流位置に相当する。
【0124】
従って、一般的に言うと、排気通路内にNOX触媒を配置すると共にNOX触媒下流の排気通路内に補助触媒を配置し、NOX触媒上流の排気通路から分岐してNOX触媒と補助触媒間の排気通路に到るバイパス通路を設け、バイパス通路内を流通する排気ガスの量を制御することによりNOX触媒内を流通する排気ガスの量を制御するための切替弁を設け、バイパス通路の分岐部分とNOX触媒間の排気通路内に還元剤を供給するための還元剤供給弁を配置しているということになる。
【0125】
その上で、図1に示される内燃機関では、排気ガスがNOX触媒内にその一端面を介し流入しNOX触媒からその他端面を介し流出するように排気ガスを案内するか、又はNOX触媒内にその他端面を介し流入しNOX触媒からその一端面を介し流出するように排気ガスを案内するかを切り替えているということになる。
【0126】
また、図22に示される内燃機関では、例えば排気管20aの枝管91’から排気管20cの枝管92’までの排気通路部分に着目すると、排気管20aの枝管91”から排気管20cの枝管92”までの排気通路部分はバイパス通路として作用すると見ることもできる。この場合、第2の還元剤供給弁77”、第2のパティキュレートフィルタ69”、第2のNOX触媒81”はそれぞれ、バイパス通路内に配置された追加の還元剤供給弁、追加のパティキュレートフィルタ、追加のNOX触媒を構成しているということになる。
【0127】
【発明の効果】
大気中に排出されるサルフェートの量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】内燃機関の全体図である。
【図2】触媒コンバータの構造を示す図である。
【図3】切替弁が順流位置又は逆流位置にあるときの排気ガスの流れを説明するための図である。
【図4】パティキュレートフィルタの隔壁の部分拡大断面図である。
【図5】本発明による第1実施例を説明するためのタイムチャートである。
【図6】切替弁がバイパス位置にあるときの排気ガスの流れを説明するための図である。
【図7】補助触媒のサルフェート変換効率を示す線図である。
【図8】切替弁が弱順流位置にあるときの排気ガスの流れを説明するための図である。
【図9】本発明による第1実施例のSOX制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図10】微粒子制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図11】本発明による第1実施例の微粒子酸化制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図12】本発明による第1実施例の蓄積SOX量減少制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図13】本発明による第2実施例を説明するためのタイムチャートである。
【図14】本発明による第2実施例を説明するためのタイムチャートである。
【図15】本発明による第2実施例のSOX制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図16】本発明による第2実施例の微粒子酸化制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図17】本発明による第2実施例の蓄積SOX量減少制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図18】SOX除去制御を説明するためのタイムチャートである。
【図19】SOX除去制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図20】別の実施例を示す図である。
【図21】図20に示される実施例の切替弁の位置を説明するための図である。
【図22】別の実施例を示す図である。
【図23】図22に示される実施例の切替弁の位置を説明するための図である。
【符号の説明】
1…機関本体
20a…排気管
22…触媒コンバータ
61…切替弁
64…排気ガス排出管
67…環状排気管
69…パティキュレートフィルタ
76…補助触媒
77…還元剤供給弁
81…NOX触媒
Claims (6)
- リーン空燃比のもとで継続して燃焼が行われる内燃機関の排気通路内に流入する排気ガス中のSOXを一時的に蓄えるSOX蓄積剤を配置すると共に、該SOX蓄積剤下流の排気通路内に酸化能を有する補助触媒を配置し、SOX蓄積剤内に蓄えられているSOXがSOX蓄積剤から排出されるときに、補助触媒の雰囲気が、補助触媒内に流入する排気ガス中の還元剤の量が許容下限量よりも少なくかつ補助触媒の温度が許容上限温度よりも高いサルフェート生成雰囲気にあるときには、補助触媒の雰囲気をサルフェート生成雰囲気以外の雰囲気に変更し、サルフェート生成雰囲気以外の雰囲気にあるときには、補助触媒の雰囲気をサルフェート生成雰囲気以外の雰囲気に保持するようにした内燃機関の排気浄化装置。
- 前記補助触媒の雰囲気を前記サルフェート生成雰囲気以外の雰囲気に変更するか又は前記サルフェート生成雰囲気以外の雰囲気に保持するために、補助触媒の温度を前記許容上限温度以下に低下させるか又は前記許容上限温度以下に保持するようにした請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記補助触媒の雰囲気を前記サルフェート生成雰囲気以外の雰囲気に変更するか又は前記サルフェート生成雰囲気以外の雰囲気に保持するために、補助触媒に流入する排気ガス中の還元剤の量を前記許容最小量以上に増大させるか又は前記許容最小量以上に保持するようにした請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- リーン空燃比のもとで継続して燃焼が行われる内燃機関の排気通路内に流入する排気ガス中のSOXを一時的に蓄えるSOX蓄積剤を配置すると共に、該SOX蓄積剤下流の排気通路内に酸化能を有する補助触媒を配置し、補助触媒の雰囲気が、補助触媒内に流入する排気ガス中の還元剤の量が許容下限量よりも少なくかつ補助触媒の温度が許容上限温度よりも高いサルフェート生成雰囲気にあるとき又はなったときには、SOX蓄積剤内に蓄えられているSOXがSOX蓄積剤から排出されるのを阻止するか又は抑制するようにした内燃機関の排気浄化装置。
- 前記SOX蓄積剤を、流入する排気ガス中のSOXを硫酸塩の形で蓄える蓄積剤から形成した請求項1又は4に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記SOX蓄積剤を、流入する排気ガス中のSOXを硫酸塩を形成することなく蓄える蓄積剤から形成した請求項1又は4に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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