JP2005147106A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】冷機運転中にNOxトラップ触媒に多量のNOxがトラップされ、リッチスパイクにより処理しきれずに放出されてしまうことを防止する。
【解決手段】ディーゼル機関の排気通路にNOxトラップ触媒が配設され、その出口側に、NOx濃度を検出するNOxセンサが配置される。冷間始動後(S101)、リーン運転を開始し(S102)、NOxセンサが検出するNOx濃度が第1閾値SNOx1よりも低くなったらNOxの処理が開始されたものとして、ストイキ運転に切り換える(S105)。NOx濃度が第2閾値SNOx2よりも低くなったら、完全に活性したものとして、ストイキ運転を終了する。
【選択図】図2
【解決手段】ディーゼル機関の排気通路にNOxトラップ触媒が配設され、その出口側に、NOx濃度を検出するNOxセンサが配置される。冷間始動後(S101)、リーン運転を開始し(S102)、NOxセンサが検出するNOx濃度が第1閾値SNOx1よりも低くなったらNOxの処理が開始されたものとして、ストイキ運転に切り換える(S105)。NOx濃度が第2閾値SNOx2よりも低くなったら、完全に活性したものとして、ストイキ運転を終了する。
【選択図】図2
Description
この発明は、NOxトラップ触媒を用いた内燃機関の排気浄化装置、特に、ディーゼル機関のような基本的に希薄燃焼を行う機関に好適な排気浄化装置に関する。
希薄燃焼を行う内燃機関において、排気空燃比がリーンのときに排気ガス中に含まれるNOx(窒素酸化物)をトラップし、トラップしたNOxを、排気空燃比をリッチに切り換えることにより放出浄化するNOxトラップ触媒を用いた排気浄化装置が公知である。そのNOx処理機能は年々進歩し、その処理性能も進歩にあわせ非常に高いものとなってきている。処理性能の向上において、特に低温における性能向上は非常に大きく進歩しており、特許文献1に開示されているように、排気ガス温度が200℃という低温でも、希薄燃焼の内燃機関から排出されるNOxの処理を可能としている。
特開2000−298832号公報
ディーゼル機関を含む内燃機関において、有害な排気ガス成分の大気中への放出を防止するためには、冷間始動時の排気ガス成分の浄化が非常に重要である。
NOxトラップ触媒は、NOxをトラップする機能を有するとともに、三元触媒としての酸化還元機能も持っている。この触媒の早期活性化を考えると、HCおよびCOの酸化反応を促進する必要があり、この酸化反応を考慮すると、冷間時にNOxトラップ触媒に与える排気ガスの排気空燃比は、リッチよりもリーンのほうがよい。リーンにおける触媒性能の昇温特性は、理論空燃比の場合に比較して、NOxについての昇温特性は同じだが、HC、COについての酸化特性は、より低温から立ち上がる。
このように、HCやCOの浄化性能の早期活性化のためには、冷間時に排気空燃比がリーンであることが好ましいが、NOxに対する処理としては、排気空燃比がリーンである条件下ではNOxのトラップ(吸着)機能を用いることになり、冷間始動後、排気空燃比がリーンのままでNOxトラップ触媒が活性化すると、多量のNOxがNOxトラップ触媒に貯蔵された状態となる。従って、その後、トラップしたNOxの脱離浄化のためにリッチスパイク(一時的な排気空燃比のリッチ化)を与えたときに、トラップしたNOxを1回目のリッチスパイクで処理しきれず、大気中へ放出してしまう恐れがある。
この発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路にNOxトラップ触媒が配設されている。このNOxトラップ触媒は、流入する排気ガスの排気空燃比がリーンのときに、排気ガス中のNOx(窒素酸化物)をトラップし、かつトラップしたNOxを、排気空燃比がリッチのときに脱離浄化する機能を有するとともに、排気空燃比が理論空燃比の下で三元触媒としても機能する。
そして、本発明では、機関冷間時における上記NOxトラップ触媒のNOx処理性能の立ち上がり状態を判定する手段を有しており、立ち上がり状態の判定に基づいて、上記NOxトラップ触媒のNOxを処理する機能を切り換えるようになっている。あるいは、立ち上がり状態の判定に基づいて、上記NOxトラップ触媒に流入する排気ガスの排気空燃比を変化させるようになっている。
すなわち、NOxトラップ触媒は、NOxをトラップする機能とともに三元触媒としての酸化還元機能も持っており、このNOxトラップ触媒における、リーン条件下でのNOxトラップ性能と理論空燃比下での還元性能の昇温特性はほぼ同じであるので、触媒昇温に応じて冷間時におけるNOxの処理機能を切り換え、大気中へのNOxの放出を防ぐことができる。
本発明では、機関の冷間始動後、上記NOxトラップ触媒の触媒性能が立ち上がる温度未満では、該NOxトラップ触媒に流入する排気ガスの排気空燃比がリーンに制御されることが望ましい。
前述の通り、NOxトラップ触媒における、リーン条件下でのNOxトラップ性能と理論空燃比下での還元性能の昇温特性はほぼ同じであるが、HC、COの酸化性能は、排気空燃比がリーンである方が理論空燃比の場合よりも低温で立ち上がるので、NOxトラップ触媒におけるHC、COの酸化活性をNOx性能の立ち上がりと同じ温度で立ち上げることができる。
また、本発明では、機関の冷間始動後、上記NOxトラップ触媒の触媒性能が立ち上がってから十分な活性状態に達するまでの温度範囲では、該NOxトラップ触媒に流入する排気ガスの排気空燃比が理論空燃比に制御されることが望ましい。
リーン条件下でNOxトラップ触媒を昇温してNOx性能が立ち上がったとき、該NOxトラップ触媒では、NOxをトラップする機能が発現している。しかし、NOxトラップ触媒のNOx性能が立ち上がり、完全活性に至るまでの間リーンのまま運転すると、NOxはトラップされ続け、飽和状態に達してしまう。この結果、冷間時にトラップしたNOxを冷間脱出後の1回目のリッチスパイク(例えば還元剤の供給による)で処理すべきNOx量が非常に多くなり、未浄化のNOxを大気中へ放出してしまう恐れがある。従って、冷間時および冷間脱出後のNOx性能を高性能で維持するには、冷間時のNOxトラップ量を少なくすることが必要であり、触媒性能が立ち上がった直後から完全活性に至る間は、排気空燃比を理論空燃比として運転して、NOxをトラップすることなく、NOxトラップ触媒の三元触媒機能による浄化を利用することが好ましい。
本発明の一つの態様では、上記NOxトラップ触媒の出口部に、該NOxトラップ触媒を通過した排気ガス中に含まれるNOx濃度を検出する手段を設け、機関冷間時に、検出したNOx濃度の変化から触媒性能の立ち上がりを判定することができる。
あるいは、上記NOxトラップ触媒の出口部に、該NOxトラップ触媒を通過した排気ガスの排気空燃比を検出する手段を設け、機関冷間時に、検出した排気空燃比の変化から触媒性能の立ち上がりを判定することができる。
あるいは、上記NOxトラップ触媒の入口側および出口側のそれぞれに、排気ガス温度を検出する手段を設け、機関冷間時に、該NOxトラップ触媒前後の温度差から触媒性能の立ち上がりを判定することができる。
また、本発明の一つの態様では、上記NOxトラップ触媒の入口側に、排気ガス温度を検出する温度検出手段を設け、上記NOxトラップ触媒におけるHC、COの酸化反応速度から予測される触媒性能の立ち上がり温度と、上記温度検出手段の検出温度とに基づいて、触媒性能の立ち上がりを判定することができる。
すなわち、HC、COの酸化反応速度は温度の関数であり、その速度式から酸化反応速度が変化する温度が推定でき、その推定した温度に到達した時点で触媒性能が立ち上がったものとして、NOxトラップ触媒に流入する排気ガスの排気空燃比を切り換えることができる。
この発明によれば、冷間始動後、HCやCOの酸化反応を早期に開始でき、NOxトラップ触媒の早期活性化を図れるとともに、NOxが多量にトラップされることによる冷間脱出後のNOxの大気中への排出を防止することができる。
図1は、この発明に係る排気浄化装置の第1実施例を示す構成説明図であって、1はディーゼル機関、2はこのディーゼル機関1の運転を制御する制御装置を示している。ディーゼル機関1の吸気系は図示していないが、その吸気系には、各気筒に流入する空気量を制御する手段、例えば吸気絞弁を具備しているとともに、その流量を検知する手段、例えば熱線式エアフロメータを具備している(いずれも図示せず)。
ディーゼル機関1の排気通路7には、NOxトラップ触媒3が配置されている。上記排気通路7に、上記NOxトラップ触媒3に加えて、他の三元触媒、HCトラップ触媒、ディーゼルパティキュレートフィルタが配置されていてもよい。上記NOxトラップ触媒3は、所定の温度範囲において、ディーゼル機関1から排出される排気ガスの排気空燃比がリーンのときに排気ガス中のNOxをトラップし、かつリッチのときには、トラップしていたNOxを放出して浄化する機能を有する。また、このNOxトラップ触媒3は、理論空燃比条件下で酸化還元を行う三元触媒としても機能する。なお、この例では、NOxトラップ触媒3は、独立したケーシング6を備えている。
排気通路12のNOxトラップ触媒3よりも上流側の位置に、排気通路12に流入する排気ガスの排気空燃比を検知する空燃比センサ4が配置されている。制御装置2は、この空燃比センサ4によって検出される実際の排気空燃比と、前述したエアフロメータにより検出されるディーゼル機関1に流入する空気量と、に基づいて、所望の空燃比となるように燃料噴射量および噴射時期を決定し、図示せぬ燃料噴射駆動回路を制御して、燃料噴射弁8から所望の燃料量を噴射するようになっている。
また、排気通路7のケーシング6出口部には、NOxトラップ触媒出口NOx濃度を検出するNOxセンサ5が設けられている。このNOxセンサ5の検出信号は、制御装置2に入力される。制御装置2は、その検出濃度に基づいて、冷間時に、NOxトラップ触媒3が排気ガス中のNOxを処理し始めているか否か、を判定し、後述するように、ディーゼル機関1から排出される排気ガスの排気空燃比を制御して、冷間時に排出されるHC、CO、NOxを低減する。
図2は、上記第1実施例における冷間時の排気空燃比の制御の流れを示すフローチャートであり、以下、これに基づいて、上記実施例の排気浄化装置の冷間時の作用を説明する。
ディーゼル機関1の始動後、まずステップ101において、冷却水温等に基づいて、冷間始動であるか否かが判定される。ステップ101において、冷間始動であると判定されたときはステップ102へ進み、ディーゼル機関1の排気ガスの排気空燃比をリーンとした運転を行う。冷間始動でないと判定されたときには、ルーチンを終了する。
そして、ステップ103において、ケーシング6出口部のNOxセンサ5の検出値RNOxが、あらかじめ定められた第1閾値SNOx1よりも小さいか否かが判定される。つまりNOx濃度が基準レベルより低いか判定される。リーン空燃比の下では、HCやCOの酸化性能は早期に、つまり比較的低温から開始される。そして、NOxトラップ触媒3の温度上昇に伴って、NOxトラップ性能が立ち上がってくる。ステップ103で検出値RNOxが所定値SNOx1よりも小さいならば、上記NOxトラップ触媒3が流入するNOxをトラップし始めたことを表すので、ステップ104に進み、ストイキ運転フラグをONとする。反対に所定値SNOx以上ならば、NOxトラップ触媒3は未活性の状態にあるので、リーン運転を継続する。
ステップ104でストイキ運転フラグをONとした後、ステップ105において、排気空燃比を理論空燃比としたストイキ運転を開始する。ストイキ運転の間、NOxトラップ触媒3は、その三元触媒機能によってNOxを還元し、NOxをトラップすることはない。従って、冷間時のNOxトラップ量の増加を未然に防ぐことができる。
そして、ステップ106において、ケーシング6出口部のNOxセンサ5の検出値RNOxが、あらかじめ定められた第2閾値SNOx2よりも小さいか否かが判定される。検出値RNOxが第2閾値SNOx2よりも小さければ、上記NOxトラップ触媒3は、NOxをトラップする機能が十分に発現したことを表しているので、ステップ107に進み、ストイキ運転フラグをOFFとして処理を終了する。反対に第2閾値SNOx2よりも大きいならば、NOxトラップ触媒3は活性途上にあるので、ストイキ運転を継続する。
次に、図3および図4は、この発明の第2実施例を示している。この実施例は、図3に示すように、排気通路7のケーシング6出口側に、前述したNOxセンサ5に代えて、空燃比センサ5Aが配設されている。つまり、この実施例では、NOxトラップ触媒3の入口側および出口側の双方に、空燃比センサ4,5Aがそれぞれ設けられている。
図4は、この第2実施例の制御の流れを示すものであって、ディーゼル機関1の始動後、まずステップ201において、冷却水温等に基づいて、冷間始動であるか否かが判定される。冷間始動であると判定されたときはステップ202へ進み、ディーゼル機関1の排気ガスの排気空燃比をリーンとした運転を行う。冷間始動でないと判定されたときには、ルーチンを終了する。
そして、ステップ203において、入口側の空燃比センサ4の空燃比検出値FA/Fと出口側の空燃比センサ5Aの空燃比検出値RA/Fとを比較し、NOxトラップ触媒3の触媒性能の立ち上がり状態を判定する。RA/F<FA/Fとなったら、NOxトラップ触媒3が活性化し始めたことを表すので、ステップ204に進み、ストイキ運転フラグをONとする。RA/F≧FA/Fであれば、NOxトラップ触媒3は未活性の状態にあるので、リーン運転を継続する。
ステップ204でストイキ運転フラグをONとした後、ステップ205において、排気空燃比を理論空燃比としたストイキ運転を開始する。ストイキ運転の間、NOxトラップ触媒3は、その三元触媒機能によってNOxを還元し、NOxをトラップすることはない。従って、冷間時のNOxトラップ量の増加を未然に防ぐことができる。
そして、ステップ206において、ケーシング6出口側の空燃比センサ5Aの空燃比検出値RA/Fが、あらかじめ定められた閾値SA/Fよりも小さいか否かが判定される。検出値RA/Fが閾値SA/Fよりも小さければ、上記NOxトラップ触媒3は、NOxをトラップする機能が十分に発現したことを表しているので、ステップ207に進み、ストイキ運転フラグをOFFとして処理を終了する。反対に閾値SA/Fよりも大きいならば、NOxトラップ触媒3は活性途上にあるので、ストイキ運転を継続する。
次に、図5および図6は、この発明の第3実施例を示している。この実施例は、図5に示すように、前述した空燃比センサ4,5AやNOxセンサ5に代えて、NOxトラップ触媒3の入口側および出口側の双方に、排気温度を検出する温度センサ4B,5Bがそれぞれ設けられている。
図6は、この第3実施例の制御の流れを示すものであって、ディーゼル機関1の始動後、まずステップ301において、冷却水温等に基づいて、冷間始動であるか否かが判定される。冷間始動であると判定されたときはステップ302へ進み、ディーゼル機関1の排気ガスの排気空燃比をリーンとした運転を行う。冷間始動でないと判定されたときには、ルーチンを終了する。
そして、ステップ303において、入口側の温度センサ4Bの検出値Ftempと出口側の温度センサ5Bの検出値Rtempとを比較し、NOxトラップ触媒3の触媒性能の立ち上がり状態を判定する。Ftemp<Rtempとなったら、NOxトラップ触媒3が活性化し始めたことを表すので、ステップ304に進み、ストイキ運転フラグをONとする。Ftemp≧Rtempであれば、NOxトラップ触媒3は未活性の状態にあるので、リーン運転を継続する。
ステップ304でストイキ運転フラグをONとした後、ステップ305において、排気空燃比を理論空燃比としたストイキ運転を開始する。ストイキ運転の間、NOxトラップ触媒3は、その三元触媒機能によってNOxを還元し、NOxをトラップすることはない。従って、冷間時のNOxトラップ量の増加を未然に防ぐことができる。
そして、ステップ306において、ケーシング6入口側の温度センサ4Bの検出値Ftempが、あらかじめ定められた閾値Stempよりも高いか否かが判定される。検出値Ftempが閾値Stempよりも高ければ、上記NOxトラップ触媒3は、NOxをトラップする機能が十分に発現したことを表しているので、ステップ307に進み、ストイキ運転フラグをOFFとして処理を終了する。反対に閾値Stemp以下であれば、NOxトラップ触媒3は活性途上にあるので、ストイキ運転を継続する。
次に、図7および図8は、この発明の第4実施例を示している。この実施例は、図7に示すように、NOxトラップ触媒3の入口側のみに排気温度を検出する温度センサ4Bを備えており、出口側には、温度センサ等は設けられていない。
図8は、この第4実施例の制御の流れを示すものであって、ディーゼル機関1の始動後、まずステップ401において、冷却水温等に基づいて、冷間始動であるか否かが判定される。冷間始動であると判定されたときはステップ402へ進み、ディーゼル機関1の排気ガスの排気空燃比をリーンとした運転を行う。冷間始動でないと判定されたときには、ルーチンを終了する。
そして、ステップ403において、入口側の温度センサ4Bの検出値Ftempを所定の第1閾値Ftemp1と比較し、NOxトラップ触媒3の触媒性能の立ち上がり状態を判定する。Ftemp>Ftemp1となったら、NOxトラップ触媒3が活性化し始めたことを表すので、ステップ404に進み、ストイキ運転フラグをONとする。Ftemp≦Ftemp1であれば、NOxトラップ触媒3は未活性の状態にあるので、リーン運転を継続する。
ステップ404でストイキ運転フラグをONとした後、ステップ405において、排気空燃比を理論空燃比としたストイキ運転を開始する。ストイキ運転の間、NOxトラップ触媒3は、その三元触媒機能によってNOxを還元し、NOxをトラップすることはない。従って、冷間時のNOxトラップ量の増加を未然に防ぐことができる。
そして、ステップ406において、ケーシング6入口側の温度センサ4Bの検出値Ftempを、所定の第2閾値Ftemp2と比較する。Ftemp>Ftemp2であれば、上記NOxトラップ触媒3は、NOxをトラップする機能が十分に発現したことを表しているので、ステップ407に進み、ストイキ運転フラグをOFFとして処理を終了する。Ftemp≦Ftemp2であれば、NOxトラップ触媒3は活性途上にあるので、ストイキ運転を継続する。
1…ディーゼル機関
2…制御装置
3…NOxトラップ触媒
4…空燃比センサ
4B…温度センサ
5…NOxセンサ
5A…空燃比センサ
5B…温度センサ
2…制御装置
3…NOxトラップ触媒
4…空燃比センサ
4B…温度センサ
5…NOxセンサ
5A…空燃比センサ
5B…温度センサ
Claims (9)
- 流入する排気ガスの排気空燃比がリーンのときに、排気ガス中のNOx(窒素酸化物)をトラップし、かつトラップしたNOxを、排気空燃比がリッチのときに脱離浄化する機能を有するとともに、排気空燃比が理論空燃比の下で三元触媒としても機能するNOxトラップ触媒が、内燃機関の排気通路に配設された内燃機関の排気浄化装置において、
機関冷間時における上記NOxトラップ触媒のNOx処理性能の立ち上がり状態を判定する手段を有し、その判定に基づいて、上記NOxトラップ触媒のNOxを処理する機能を切り換えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 流入する排気ガスの排気空燃比がリーンのときに、排気ガス中のNOx(窒素酸化物)をトラップし、かつトラップしたNOxを、排気空燃比がリッチのときに脱離浄化する機能を有するとともに、排気空燃比が理論空燃比の下で三元触媒としても機能するNOxトラップ触媒が、内燃機関の排気通路に配設された内燃機関の排気浄化装置において、
機関冷間時における上記NOxトラップ触媒のNOx処理性能の立ち上がり状態を判定する手段を有し、その判定に基づいて、上記NOxトラップ触媒に流入する排気ガスの排気空燃比を変化させることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 機関の冷間始動後、上記NOxトラップ触媒の触媒性能が立ち上がる温度未満では、該NOxトラップ触媒に流入する排気ガスの排気空燃比がリーンに制御されることを特徴とする請求項1または2に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 機関の冷間始動後、上記NOxトラップ触媒の触媒性能が立ち上がってから十分な活性状態に達するまでの温度範囲では、該NOxトラップ触媒に流入する排気ガスの排気空燃比が理論空燃比に制御されることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 上記NOxトラップ触媒の出口部に、該NOxトラップ触媒を通過した排気ガス中に含まれるNOx濃度を検出する手段を設け、機関冷間時に、検出したNOx濃度の変化から触媒性能の立ち上がりを判定することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 上記NOxトラップ触媒の出口部に、該NOxトラップ触媒を通過した排気ガスの排気空燃比を検出する手段を設け、機関冷間時に、検出した排気空燃比の変化から触媒性能の立ち上がりを判定することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 上記NOxトラップ触媒の入口側および出口側のそれぞれに、排気ガス温度を検出する手段を設け、機関冷間時に、該NOxトラップ触媒前後の温度差から触媒性能の立ち上がりを判定することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 上記NOxトラップ触媒の入口側に、排気ガス温度を検出する温度検出手段を設け、上記NOxトラップ触媒におけるHC、COの酸化反応速度から予測される触媒性能の立ち上がり温度と、上記温度検出手段の検出温度とに基づいて、触媒性能の立ち上がりを判定することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
- ディーゼル機関に用いられることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
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