JP2004346793A

JP2004346793A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2004346793A
Application number: JP2003143206A
Authority: JP
Inventors: 嘉則 ▲高▼橋; Yoshinori Takahashi; Yoshihisa Takeda; 好央武田
Original assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Current assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Priority date: 2003-05-21
Filing date: 2003-05-21
Publication date: 2004-12-09

Abstract

【課題】短時間でかつ低温状態から効率よくＳパージを行えて、ＮＯｘの浄化性能の回復を十分に図ることができると共に燃費悪化を抑制することができる内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】排気管７に、酸素濃度が高いリーンガス状態で排気ガス中のＮＯｘを吸収する一方酸素濃度が低く還元剤濃度が高いリッチガス状態によりこのＮＯｘを放出・還元するＮＯｘ吸蔵触媒１６を介装した内燃機関の排気浄化装置において、排気管７に燃料を噴射する燃料噴射弁２１を開閉制御することで、前記ＮＯｘ吸蔵触媒１６が被毒したＳＯｘを脱離するＳパージの開始時期から終了時期に亙って前記リッチガス状態とリーンガス状態を交互に切り替える電子制御ユニット３０を設けた。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気通路にＮＯｘ吸蔵触媒を介装した内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、内燃機関をリーン空燃比で運転して燃費等の向上を図るようにした希薄燃焼内燃機関が実用化されている。この希薄燃焼内燃機関では、リーン空燃比で運転すると、三元触媒がその浄化特性から排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を充分に浄化できないという問題があり、最近では、リーン空燃比で運転中に排気ガス中のＮＯｘを吸蔵し、ストイキ又はリッチ空燃比で運転中に吸蔵されたＮＯｘを放出・還元するＮＯｘ吸蔵（型）触媒が採用されている。
【０００３】
このＮＯｘ吸蔵触媒は、内燃機関の酸素の過剰状態（リーンガス状態）で排気ガス中のＮＯｘを硝酸塩（Ｘ−ＮＯ_３）として吸蔵し、吸蔵したＮＯｘを還元剤である一酸化炭素（ＣＯ）等の過剰状態（リッチガス状態）で放出して窒素（Ｎ_２）に還元させる特性（同時に炭酸塩Ｘ−ＣＯ_３が生成される）を有した触媒である。ところで、燃料中には硫黄（Ｓ）成分が含まれており、このＳ成分は前記リーンガス状態で酸素と反応して硫黄酸化物（ＳＯｘ）となり、このＳＯｘが硫酸塩としてＮＯｘと同様にＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵される。
【０００４】
このようにＮＯｘ吸蔵触媒に硫黄成分が吸蔵されてしまうと、ＮＯｘを吸蔵しなくなるためＮＯｘ吸蔵触媒の性能が低下し、その硫黄成分比率が高くなるとＮＯｘ吸蔵触媒として機能しなくなる。依って、ＮＯｘ吸蔵触媒の性能を維持させるためには、定期的に吸蔵（被毒）したＳＯｘ（硫黄成分）を脱離させる（Ｓパージ）必要がある。
【０００５】
Ｓパージは、高温のリッチガス条件下で成立するといわれている。そこで、特許文献１では、Ｓパージ制御時には、先ずリッチガス条件下にした後リーンガス条件下に切り換えて、炭化水素（ＨＣ）やＣＯ等の還元剤が浮遊、滞留している触媒ケーシング内に酸素を供給して触媒近傍でこれらを反応させることでＮＯｘ吸蔵触媒を効率よく昇温させた後、再びリッチガス条件下にしてＮＯｘ吸蔵触媒が被毒したＳＯｘを脱離させるようにした技術が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−２２７０２２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、Ｓパージに関し、本発明者等が種々の試験を行った結果、ＳＯｘを脱離させるには、高温のリッチガス条件が必要であることは事実であったが、定期的にリーンガス条件下にするなどして酸素を供給しないと、ＮＯｘ吸蔵触媒が被毒したＳＯｘを脱離させられないことが判明した。
【０００８】
即ち、前述した特許文献１のものは、空燃比のリッチ−リーンの切替をＮＯｘ吸蔵触媒（排気ガス）の昇温手段として行っているに過ぎず、昇温後はリッチガス条件下のみでＳパージを行うので、短時間で効率よくＳパージを実施できず、ＮＯｘの浄化性能の回復が不十分であると共に燃費が悪化するという問題点があった。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、短時間でかつ低温状態から効率よくＳパージを行えて、ＮＯｘの浄化性能の回復を十分に図ることができると共に燃費悪化を抑制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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための、本発明の請求項１に係る内燃機関の排気浄化装置は、排気通路に、酸素濃度が高いリーンガス状態で排気ガス中のＮＯｘを吸収する一方酸素濃度が低く還元剤濃度が高いリッチガス状態によりこのＮＯｘを放出・還元するＮＯｘ吸蔵触媒を介装した内燃機関の排気浄化装置において、前記ＮＯｘ吸蔵触媒が被毒したＳＯｘを脱離するＳパージの開始時期から終了時期に亙って前記リッチガス状態とリーンガス状態を交互に切り替えるＳパージ制御手段を設けたことを特徴とする。
【００１１】
これにより、短時間でかつ低温状態から効率よくＳパージを行える。
【００１２】
本発明の請求項２に係る内燃機関の排気浄化装置は、前記Ｓパージ制御手段は、少なくとも排気ガスが所定温度以上に昇温されてから前記リッチガス状態とリーンガス状態を交互に切り替えることを特徴とする。
【００１３】
これにより、好条件下で効率よくＳパージを行える。
【００１４】
【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を実施例により図面を用いて詳細に説明する。
【００１５】
［実施例］
図１は本発明の内燃機関の排気浄化装置を圧縮着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）に適用した概略構成図、図２は同じくＳパージ制御のフローチャート、図３はＳＯ_２−ＴＰＤ試験における脱離ガスコンディションを示す表、図４はＳＯ_２−ＴＰＤ試験の結果を示すグラフ、図５はＳＯ_２−ＴＰＤ試験後の触媒中のＳ残留量を示すグラフである。
【００１６】
図１に示すように、機関本体１の各気筒には、吸気管２及び吸気マニホールド３を介して図示しないエアクリーナからの吸入空気が供給されると共にコモンレール４及び燃料噴射弁５を介して図示しない燃料ポンプからの燃料が供給される。前記燃料噴射弁５はその噴射量及び噴射時期が後述する電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０により制御される電子制御式のもので、図面上の配線は煩雑化を避けるため省略する。一方、機関本体１の各気筒から排出される排気ガスは、排気通路としての排気マニホールド６及び排気管７を介して大気に放出される。
【００１７】
前記吸気管２と排気管７との間にはターボチャージャ８が設けられ、排気ガスで回転されるタービンと一体回転するコンプレッサにより吸入空気が加圧されて機関本体１の各気筒に供給されるようになっている。この際、吸気管２に介装したインタークーラ９で前記加圧空気が冷却されて機関本体１の各気筒への充填効率が高められるようにもなっている。
【００１８】
前記吸気管２には、ターボチャージャ８の上流に位置して吸入空気量を検出するためのエアーフローセンサ１０が設けられると共に、インタークーラ９の下流に位置して吸気絞り弁１１が設けられる。エアーフローセンサ１０の出力信号は前記ＥＣＵ３０に入力されると共に、吸気絞り弁１１は図示しないアクチュエータを介して前記ＥＣＵ３０により開閉制御される。
【００１９】
また、前記吸気マニホールド３と排気マニホールド６とはＥＧＲ（排気還流）通路１２で結ばれ、前記ＥＣＵ３０によりアクチュエータ１３を介して開閉制御されるＥＧＲ弁１４により、機関運転状態に応じて所定時期に所定量のＥＧＲを行いＮＯｘの発生を可及的に抑制している。ＥＧＲ通路１２にはＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ１５が介装されている。
【００２０】
そして、前記排気管７にＮＯｘ吸蔵触媒１６が介装される。このＮＯｘ吸蔵触媒１６は、酸素濃度が高いリーンガス状態で排気ガス中のＮＯｘを吸収する一方酸素濃度が低くＨＣやＣＯ等の還元剤濃度が高いリッチガス状態によりこのＮＯｘを放出・還元する特性を有する。
【００２１】
前記ＮＯｘ吸蔵触媒１６の直前、直後の排気管７には排気ガスの温度を検出するための温度センサ（触媒前後温度センサ）１７ａ，１７ｂが設けられると共に、ＮＯｘ吸蔵触媒１６の直後の排気管７には排気ガス中の酸素濃度を検出するための酸素センサ（触媒出口酸素センサ）１８が設けられ、これらセンサ１７ａ，１７ｂ，１８の出力信号はＥＣＵ３０に入力されている。
【００２２】
また、排気管７には、ターボチャージャ８の下流に位置して排気絞り弁１９と排気ガス中の酸素濃度を検出するための酸素センサ（機関出口酸素センサ）２０が下流側に向かって順に設けられ、前記排気絞り弁１９は図示しないアクチュエータを介してＥＣＵ３０により開閉制御されると共に前記酸素センサ２０の出力信号はＥＣＵ３０に入力されている。
【００２３】
また、前記ＮＯｘ吸蔵触媒１６の上流でかつ酸素センサ２０の下流に位置した排気管７には、ＥＣＵ３０によりその噴射量及び噴射時期が制御される燃料噴射弁２１が設けられる。
【００２４】
前記ＥＣＵ３０は、マイクロコンピュータ（ＣＰＵ）、メモリ及び入出力信号処理回路としてのインタフェイスとで構成される。ＥＣＵ３０の入力側には、上述のエアーフローセンサ１０、温度センサ１７ａ，１７ｂ、酸素センサ１８，２０が接続されると共に、図示しない機関回転数を検出するための回転センサや車両の速度を検出するための車速センサ並びにアクセルペダルの開度を検出するためのアクセル開度センサ等がそれぞれ接続されており、これら各センサ等からの機関運転情報が入力される。一方、ＥＣＵ３０の出力側には、上述の燃料噴射弁５，２１、吸気絞り弁１１、ＥＧＲ弁１４、排気絞り弁１９等が接続されている。
【００２５】
そして、ＥＣＵ３０は、上述した各センサ等からの機関運転情報に基づいて燃料噴射弁５の噴射量及び噴射時期を制御すると共に、ＥＧＲ弁１４を機関運転状態に応じて開閉制御してＰＭやＮＯｘの発生を可及的に抑制している。
【００２６】
また、ＥＣＵ３０は、筒内燃焼だけで排気ガスのリッチ化を行うと、特に高負荷域はスモークの発生やトルク変動などの多くの課題があるので、燃料噴射弁２１を開閉制御して当該燃料噴射弁２１より排気管７に燃料（軽油）を噴射（添加）することで、排気ガスのリッチ化を行いＮＯｘ吸蔵触媒１６によるＮＯｘの浄化を図っている。
【００２７】
また、ＥＣＵ３０は、前記ＮＯｘ吸蔵触媒１６が被毒したＳＯｘを脱離するために、その被毒量（以下、Ｓ蓄積量という）が所定の値に達したら、前記燃料噴射弁２１の開閉制御により、リッチガス状態とリーンガス状態を交互に切り替えることでＳパージ制御を行うようになっている（Ｓパージ制御手段）。
【００２８】
前記Ｓパージ制御を図２のフローチャートにより詳細に説明する。
先ず、ステップＰ１で機関本体１の燃料消費量の積算値から算出したＳ蓄積量がＳパージを開始する所定量に達したか否かを判断し、可であれば、ステップＰ２で前記Ｓ蓄積量に応じてＳパージ目標量を設定する。一方、否であれば、ステップＰ３で燃料消費量の積算値からのＳ蓄積量の算出を続行する。
【００２９】
前記ステップＰ２の後は、ステップＰ４で機関本体１の運転状態（トルク、回転、車速、アクセル開度、排気温度（触媒前後温度センサ１７ａ，１７ｂにより検出）、λ（空気過剰率で、機関出口酸素センサ２０により検出）等）が排気温度（ＮＯｘ吸蔵触媒１６の温度）を上げられる高負荷域等のＳパージ可能な運転状態か否かを判断し、可であれば、ステップＰ５で排気温度（ＮＯｘ吸蔵触媒１６の温度）とλとから決まる添加量マップに基づいて排気管７への目標燃料（軽油）添加量を算出する。一方、否であれば、Ｓパージ可能な運転状態になるまで待つ。
【００３０】
前記ステップＰ５の後は、ステップＰ６で燃料噴射弁２１より燃料噴射（軽油添加）を開始して酸素濃度が低く還元剤濃度が高いリッチガス状態に移行し、次いで、ステップＰ７で触媒出口酸素センサ１８からの信号により排気ガスがリッチ状態（リッチガス状態）か否かを判断する。
【００３１】
前記ステップＰ７で可であれば、ステップＰ８で、機関本体１の運転状態（トルク、回転、車速、アクセル開度）により、Ｓパージ運転の継続が可能か否かを判断する。前記ステップＰ７で否であれば、ステップＰ９で前記燃料噴射弁２１からの燃料噴射量を補正（増量）する。
【００３２】
前記ステップＰ８で可であれば、ステップＰ１０でタイマーにより設定されたリッチガス状態の終了時間（例えば３０秒）がきたか否かを判断する。前記ステップＰ８で否であれば、ステップＰ１１で燃料噴射弁２１からの燃料噴射を停止し、ステップＰ４に戻りＳパージ可能な運転状態になるまで待つ。
【００３３】
前記ステップＰ１０で可であれば、ステップＰ１２で燃料噴射弁２１からの燃料噴射を停止して酸素濃度が高いリーンガス状態に移行する。前記ステップＰ１０で否であれば、ステップＰ８に戻るが、その間のＳパージ量が保存される。このＳパージ量は、触媒前後温度センサ１７ａ，１７ｂで検出した排気温度から推定（算出）されるＮＯｘ吸蔵触媒１６の温度により決定されるＳＯｘ脱離量マップに基づいて算出される。この保存されたＳパージ量は、本Ｓパージ制御が前記ステップＰ８で中断された後再び実施された時に差し引かれるようになっている。
【００３４】
前記ステップＰ１２の後は、ステップＰ１３でタイマーにより設定されたリーンガス状態の終了時間（例えば３０秒）がきたか否かを判断し、可であれば、ステップＰ１４で前記設定したＳパージ目標量が達成されたか否かを判断する。ステップＰ１４で可であれば、本Ｓパージ制御は終了し、否であれば、ステップＰ４に戻り、繰り返しＳパージ制御を実行する。
【００３５】
このようにして本実施例では、Ｓパージ制御の開始時期から終了時期に亙ってリッチガス状態とリーンガス状態を交互に切り替えて、定期的に酸素を供給するようにしたので、短時間でかつ低温状態から効率よくＳパージを行え、ＮＯｘの浄化性能の回復を十分に図ることができると共に燃費悪化を抑制することができる。また、例えば５００℃位からＳパージが可能となり、ＮＯｘ吸蔵触媒１６を必要以上に昇温しなくて済むので、ＮＯｘ吸蔵触媒１６の熱劣化も防止することができる。
【００３６】
このようなＳパージ制御の効果は、後述するＳＯ_２−ＴＰＤ（ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＰｒｏｇｒａｍｍｅｄＤｅｓｏｒｐｔｉｏｎ）装置を用いて行なったＳＯ_２の脱離特性の調査で判明している。
【００３７】
即ち、試験は、ＴＰＤ装置内で触媒をＳ被毒させた後、図３に示す５種のガス条件で、８００℃まで昇温し、ＳＯ_２脱離特性を測定する手順で実施した。図４に結果を示す。図中に温度の上昇パターンを示すが、触媒の熱劣化を考慮し、６００℃での脱離特性を重点的に調査する目的で、一定時間ホールドした。この結果から明らかなように、条件▲１▼のＣＯリッチのみで昇温しただけでは、ＳＯ_２の脱離はほとんど認められず、またＳＯ_２の脱離に効果的といわれているＨ_２を共存させた▲２▼のリッチ条件のみでも、ＳＯ_２の脱離は認められない。これに対して、条件▲３▼，▲４▼，▲５▼のリッチ（リッチガス状態）とリーン（リーンガス状態）を切り替えながら（Ｏ_２スパイクと称す）昇温すると、ＳＯ_２が脱離することがわかった。
また、条件▲３▼のＣＯのみと、条件▲４▼のＨ_２のみは、ＳＯ_２脱離に差はなく、条件▲５▼のＣＯとＨ_２の共存によりＳＯ_２の脱離が低温から進行することも明らかになった。
【００３８】
次に、ＳＯ_２−ＴＰＤ試験後のＳ含有量を調査した。その結果を図５に示す。各触媒のＳ含有量と、図４のＴＰＤの結果には良い相関が認められ、ＳＯ_２が多く脱離している触媒（▲３▼，▲４▼，▲５▼）ほど、残留Ｓ分が少なくなっている。
【００３９】
尚、上記実施例では、Ｓ蓄積量が所定量に達したＳパージ制御の開始時期から終了時期に亙ってリッチガス状態とリーンガス状態を交互に切り替えるようにしたが、少なくとも排気ガス（ＮＯｘ吸蔵触媒１６）が所定温度（例えば５００℃）以上に昇温されてからリッチガス状態とリーンガス状態を交互に切り替えるようにしても良い。これによれば、好条件下で効率よくＳパージを行え、燃費悪化をより一層抑制することができる。
【００４０】
また、本発明は上記実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、各種変更が可能であることはいうまでもない。例えば、上記実施例においては、排気通路への燃料噴射により排気ガスのリッチ化を行なったが、機関本体の燃焼制御によるリッチ化であっても良い。尚、本発明の内燃機関の排気浄化装置を火花点火式内燃機関（ガソリンエンジン）にも適用することができる。この場合、排気ガスのリッチ化は筒内燃焼で行うことが可能である。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１の発明によれば、排気通路にＮＯｘ吸蔵触媒を介装した内燃機関の排気浄化装置において、前記ＮＯｘ吸蔵触媒が被毒したＳＯｘを脱離するＳパージの開始時期から終了時期に亙ってリッチガス状態とリーンガス状態を交互に切り替えるＳパージ制御手段を設けたので、短時間でかつ低温状態から効率よくＳパージを行え、ＮＯｘの浄化性能の回復を十分に図ることができると共に燃費悪化を抑制することができる。また、ＮＯｘ吸蔵触媒の熱劣化も防止することができる。
【００４２】
請求項２の発明によれば、前記Ｓパージ制御手段は、少なくとも排気ガスが所定温度以上に昇温されてからリッチガス状態とリーンガス状態を交互に切り替えるので、好条件下で効率よくＳパージを行え、燃費悪化をより一層抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の内燃機関の排気浄化装置を圧縮着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）に適用した概略構成図である。
【図２】同じくＳパージ制御のフローチャートである。
【図３】ＳＯ_２−ＴＰＤ試験における脱離ガスコンディションを示す表である。
【図４】ＳＯ_２−ＴＰＤ試験の結果を示すグラフである。
【図５】ＳＯ_２−ＴＰＤ試験後の触媒中のＳ残留量を示すグラフである。
【符号の説明】
１機関本体、２吸気管、３吸気マニホールド、４コモンレール、５燃料噴射弁、６排気マニホールド、７排気管、８ターボチャージャ、９インタークーラ、１０エアーフローセンサ、１１吸気絞り弁、１２ＥＧＲ通路、１３アクチュエータ、１４ＥＧＲ弁、１５ＥＧＲクーラ、１６ＮＯｘ吸蔵触媒、１７ａ，１７ｂ温度センサ、１８酸素センサ（触媒出口酸素センサ）、１９排気絞り弁、２０酸素センサ（機関出口酸素センサ）、２１燃料噴射弁、３０電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims

排気通路に、酸素濃度が高いリーンガス状態で排気ガス中のＮＯｘを吸収する一方酸素濃度が低く還元剤濃度が高いリッチガス状態によりこのＮＯｘを放出・還元するＮＯｘ吸蔵触媒を介装した内燃機関の排気浄化装置において、前記ＮＯｘ吸蔵触媒が被毒したＳＯｘを脱離するＳパージの開始時期から終了時期に亙って前記リッチガス状態とリーンガス状態を交互に切り替えるＳパージ制御手段を設けたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記Ｓパージ制御手段は、少なくとも排気ガスが所定温度以上に昇温されてから前記リッチガス状態とリーンガス状態を交互に切り替えることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。