JP2008095661A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】SOx放出時にNOx吸蔵触媒にSOxが流入するのを抑制する。
【解決手段】NOx吸蔵触媒13の上流を複数の排気枝通路11a,11b,11cに分岐して一部の排気枝通路11b,11c内に排気ガス中のSOxを捕獲しうるSOxトラップ触媒12b,12cを配置する。通常はSOxトラップ触媒12b,12cの配置されている排気枝通路11b,11cを介してのみ排気ガスを流通させ、NOx吸蔵触媒13からSOxを放出すべきときには還元剤供給弁22から還元剤を供給すると共にSOxトラップ触媒の配置されていない排気枝通路11aを介してのみ排気ガスを流通させる。
【選択図】図2
【解決手段】NOx吸蔵触媒13の上流を複数の排気枝通路11a,11b,11cに分岐して一部の排気枝通路11b,11c内に排気ガス中のSOxを捕獲しうるSOxトラップ触媒12b,12cを配置する。通常はSOxトラップ触媒12b,12cの配置されている排気枝通路11b,11cを介してのみ排気ガスを流通させ、NOx吸蔵触媒13からSOxを放出すべきときには還元剤供給弁22から還元剤を供給すると共にSOxトラップ触媒の配置されていない排気枝通路11aを介してのみ排気ガスを流通させる。
【選択図】図2
Description
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。
流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるNOxを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したNOxを放出するNOx吸蔵触媒を機関排気通路内に配置した内燃機関が公知である。この内燃機関ではリーン空燃比のもとで燃焼が行われているときに発生するNOxがNOx吸蔵触媒に吸蔵される。一方、NOx吸蔵触媒のNOx吸蔵能力が飽和に近づくと排気ガス中に還元剤を供給することによって排気ガスの空燃比が一時的にリッチにされ、それによってNOx吸蔵触媒からNOxが放出され還元される。
ところで燃料および潤滑油内にはイオウが含まれており、従って排気ガス中にはSOxが含まれている。このSOxはNOxと共にNOx吸蔵触媒に吸蔵される。ところがこのSOxは排気ガスの空燃比を単にリッチにしただけではNOx吸蔵触媒から放出されず、従ってNOx吸蔵触媒に吸蔵されているSOxの量が次第に増大していく。その結果吸蔵しうるNOx量が次第に減少してしまう。
そこでNOx吸蔵触媒にSOxが送り込まれるのを阻止するためにNOx吸蔵触媒上流の機関排気通路内にSOxトラップ触媒を配置した内燃機関が公知である(特許文献1参照)。しかしながらこのようにNOx吸蔵触媒の上流にSOxトラップ触媒を配置してもSOxトラップ触媒のSOxトラップ能力が低下してくるとSOxがNOx吸蔵触媒に流入し、斯くしてNOx吸蔵触媒に吸蔵されているSOx量が徐々に増大することになる。
ところでNOx吸蔵触媒の温度をSOx放出温度まで上昇させると共にNOx吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするとNOx吸蔵触媒からSOxを放出させることができる。この場合、NOx吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするためにSOxトラップ触媒の上流に還元剤を供給するとSOxトラップ触媒の温度が高いときやSOxトラップ触媒のSOxトラップ量が多いときにSOxトラップ触媒からSOxが放出され、この放出されたSOxがNOx吸蔵触媒に吸蔵されてしまう。従って上述の内燃機関ではSOx放出時にはSOxトラップ触媒の下流に還元剤を供給してNOx吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするようにしている。
特開2005−133610号公報
しかしながらこのようにSOxトラップ触媒の下流に還元剤を供給すべくSOxトラップ触媒の下流に還元剤供給弁を配置するようにした場合には機関本体から還元剤供給弁までの距離が長くなるために実際問題として還元剤供給管の取り回しが難かしくなり、更に還元剤が十分に霧化しないうちにNOx吸蔵触媒内に送り込まれることになるのでNOx吸蔵触媒からの良好なSOxの放出作用が確保できないという問題がある。
本発明はSOxトラップ触媒の上流に還元剤を供給すると共に、このときSOxトラップ触媒からSOxが放出するのを抑制するようにした内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
本発明はSOxトラップ触媒の上流に還元剤を供給すると共に、このときSOxトラップ触媒からSOxが放出するのを抑制するようにした内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
即ち、1番目の発明では、機関排気通路内に排気ガス中に含まれるSOxを捕獲しうるSOxトラップ触媒を配置し、SOxトラップ触媒下流の排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるNOxを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したNOxを放出するNOx吸蔵触媒を配置し、NOx吸蔵触媒からSOxを放出すべきときにはNOx吸蔵触媒の温度をSOx放出温度まで上昇させると共にNOx吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするようにした内燃機関において、機関排気通路から複数の排気枝通路を分岐すると共にこの分岐部よりも下流において各排気枝通路を共通のNOx吸蔵触媒に連結し、一つを除く残りの排気枝通路内にSOxトラップ触媒を配置すると共に通常はSOxトラップ触媒の配置されている排気枝通路を介してのみ排気ガスを流通させ、NOx吸蔵触媒からSOxを放出すべきときには上述の分岐部に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすると共にSOxトラップ触媒の配置されていない排気枝通路を介してのみ排気ガスを流通させるようにしている。
また、2番目の発明では1番目の発明において、SOxトラップ触媒の配置されていない排気枝通路内に酸化触媒を配置し、NOx吸蔵触媒からSOxを放出すべきときには上述の分岐部に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすると共に酸化触媒の配置されている排気枝通路を介してのみ排気ガスを流通させるようにしている。
また、3番目の発明では、機関排気通路内に排気ガス中に含まれるSOxを捕獲しうるSOxトラップ触媒を配置し、SOxトラップ触媒下流の排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるNOxを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したNOxを放出するNOx吸蔵触媒を配置し、NOx吸蔵触媒からSOxを放出すべきときにはNOx吸蔵触媒の温度をSOx放出温度まで上昇させると共にNOx吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするようにした内燃機関において、機関排気通路から複数の排気枝通路を分岐すると共にこの分岐部よりも下流において各排気枝通路を共通のNOx吸蔵触媒に連結し、全ての排気枝通路内にSOxトラップ触媒を配置し、NOx吸蔵触媒からSOxを放出すべきときには上述の分岐部に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすると共にSOx捕獲量の最も少ないSOxトラップ触媒の配置されている排気枝通路を介してのみ排気ガスを流通させるようにしている。
SOxトラップ触媒からのSOx放出作用を行わせないようにしつつNOx吸蔵触媒から良好にSOxを放出させることができる。
図1に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。
図1を参照すると、1は機関本体、2は各気筒の燃焼室、3は各燃焼室2内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、4は吸気マニホルド、5は排気マニホルドを夫々示す。吸気マニホルド4は吸気ダクト6を介して排気ターボチャージャ7のコンプレッサ7aの出口に連結され、コンプレッサ7aの入口はエアクリーナ8に連結される。吸気ダクト6内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁9が配置され、更に吸気ダクト6周りには吸気ダクト6内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置10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10内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
図1を参照すると、1は機関本体、2は各気筒の燃焼室、3は各燃焼室2内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、4は吸気マニホルド、5は排気マニホルドを夫々示す。吸気マニホルド4は吸気ダクト6を介して排気ターボチャージャ7のコンプレッサ7aの出口に連結され、コンプレッサ7aの入口はエアクリーナ8に連結される。吸気ダクト6内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁9が配置され、更に吸気ダクト6周りには吸気ダクト6内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置10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10内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
一方、排気マニホルド5は排気ターボチャージャ7の排気タービン7bの入口に連結され、排気タービン7bの出口は第1の排気枝通路11aと第2の排気枝通路11bに分岐される。図1に示されるように第2の排気枝通路11b内にはSOxトラップ触媒が配置されているが第1の排気枝通路11a内にはSOxトラップ触媒が配置されていない。これら第1の排気枝通路11aおよび第2の排気枝通路11bはSOxトラップ触媒12の下流において合流して共通のNOx吸蔵触媒13に連結される。
また、機関排気通路内には選択された排気枝通路11a,11b内に排気ガスを流通させるための通路切換弁装置が設けられている。図1に示される実施例ではこの通路切換弁装置は第1の排気枝通路11a内に配置されてアクチュエータ14aにより開閉制御される第1の排気遮断弁15aと、SOxトラップ触媒12下流の第2の排気枝通路11b内に配置されてアクチュエータ14bにより開閉制御される第2の排気遮断弁15bとにより構成される。
なお、第2の排気遮断弁15bはSOxトラップ触媒12上流の第2の排気枝通路11b内に配置することもできるし、また1の排気枝通路11aと第2の排気枝通路11bとの分岐部に配置した一つの排気切換弁からなる流路切換弁装置を用いることもできる。
排気マニホルド5と吸気マニホルド4とは排気ガス再循環(以下、EGRと称す)通路16を介して互いに連結され、EGR通路16内には電子制御式EGR制御弁17が配置される。また、EGR通路16周りにはEGR通路16内を流れるEGRガス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EGRガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁3は燃料供給管19を介してコモンレール20に連結される。このコモンレール20内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ21から燃料が供給され、コモンレール20内に供給された燃料は各燃料供給管19を介して燃料噴射弁3に供給される。排気マニホルド5には排気マニホルド5内を流れる排気ガス中に例えば炭化水素からなる還元剤を供給するための還元剤供給弁22が取付けられる。
電子制御ユニット30はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス31によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)32、RAM(ランダムアクセスメモリ)33、CPU(マイクロプロセッサ)34、入力ポート35および出力ポート36を具備する。図1に示されるようにNOx吸蔵触媒13にはNOx吸蔵触媒13の前後差圧を検出するための差圧センサ23が取付けられており、この差圧センサ23の出力信号は対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。
アクセルペダル40にはアクセルペダル40の踏込み量Lに比例した出力電圧を発生する負荷センサ41が接続され、負荷センサ41の出力電圧は対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。更に入力ポート35にはクランクシャフトが例えば15°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ42が接続される。一方、出力ポート36は対応する駆動回路38を介して燃料噴射弁3、スロットル弁9駆動用ステップモータ、各アクチュエータ14a,14b、EGR制御弁17、燃料ポンプ21、還元剤供給弁22に接続される。
図2に圧縮着火式内燃機関の他の例を示す。この例では排気タービン7bの出口は第1の排気枝通路11aと第2の排気枝通路11bと第3の排気枝通路11cに分岐され、第2の排気枝通路11b内にはSOxトラップ触媒12bが配置され、第3の排気枝通路11c内にはSOxトラップ触媒12cが配置されているが第1の排気枝通路11a内にはSOxトラップ触媒が配置されていない。なお、この例でも第1の排気枝通路11a、第2の排気枝通路11bおよび第3の排気枝通路11cはSOxトラップ触媒12b,12cの下流において合流して共通のNOx吸蔵触媒13に連結される。
一方、図2に示される例では図1に示される実施例と同様に通路切換弁装置は第1の排気枝通路11a内に配置された第1の排気遮断弁15aと、SOxトラップ触媒12b下流の第2の排気枝通路11b内に配置された第2の排気遮断弁15bと、SOxトラップ触媒12c下流の第3の排気枝通路11c内に配置された第3の排気遮断弁15cとにより構成される。
まず初めに図1および図2に示されるNOx吸蔵触媒13について説明すると、これらNOx吸蔵触媒13は三次元網目構造のモノリス担体或いはペレット状担体上に担持されているか、又はハニカム構造をなすパティキュレートフィルタ上に担持されている。このようにNOx吸蔵触媒13は種々の担体上に担持させることができるが、以下NOx吸蔵触媒13をパティキュレートフィルタ上に担持した場合について説明する。
図3(A)および(B)はNOx吸蔵触媒13を担持したパティキュレートフィルタ13aの構造を示している。なお、図3(A)はパティキュレートフィルタ13aの正面図を示しており、図3(B)はパティキュレートフィルタ13aの側面断面図を示している。図3(A)および(B)に示されるようにパティキュレートフィルタ13a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流通路60,61を具備する。これら排気流通路は下流端が栓62により閉塞された排気ガス流入通路60と、上流端が栓63により閉塞された排気ガス流出通路61とにより構成される。なお、図3(A)においてハッチングを付した部分は栓63を示している。従って排気ガス流入通路60および排気ガス流出通路61は薄肉の隔壁64を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス流入通路60および排気ガス流出通路61は各排気ガス流入通路60が4つの排気ガス流出通路61によって包囲され、各排気ガス流出通路61が4つの排気ガス流入通路60によって包囲されるように配置される。
パティキュレートフィルタ13a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、従って排気ガス流入通路60内に流入した排気ガスは図3(B)において矢印で示されるように周囲の隔壁64内を通って隣接する排気ガス流出通路61内に流出する。
このようにNOx吸蔵触媒13をパティキュレートフィルタ13a上に担持させた場合には、各排気ガス流入通路60および各排気ガス流出通路61の周壁面、即ち各隔壁64の両側表面上および隔壁64内の細孔内壁面上には例えばアルミナからなる触媒担体が担持されており、図4はこの触媒担体45の表面部分の断面を図解的に示している。図4に示されるように触媒担体45の表面上には貴金属触媒46が分散して担持されており、更に触媒担体45の表面上にはNOx吸収剤47の層が形成されている。
このようにNOx吸蔵触媒13をパティキュレートフィルタ13a上に担持させた場合には、各排気ガス流入通路60および各排気ガス流出通路61の周壁面、即ち各隔壁64の両側表面上および隔壁64内の細孔内壁面上には例えばアルミナからなる触媒担体が担持されており、図4はこの触媒担体45の表面部分の断面を図解的に示している。図4に示されるように触媒担体45の表面上には貴金属触媒46が分散して担持されており、更に触媒担体45の表面上にはNOx吸収剤47の層が形成されている。
本発明による実施例では貴金属触媒46として白金Ptが用いられており、NOx吸収剤47を構成する成分としては例えばカリウムK、ナトリウムNa、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が用いられている。
機関吸気通路、燃焼室2およびNOx吸蔵触媒13上流の排気通路内に供給された空気および燃料(炭化水素)の比を排気ガスの空燃比と称すると、NOx吸収剤47は排気ガスの空燃比がリーンのときにはNOxを吸収し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したNOxを放出するNOxの吸放出作用を行う。
即ち、NOx吸収剤47を構成する成分としてバリウムBaを用いた場合を例にとって説明すると、排気ガスの空燃比がリーンのとき、即ち排気ガス中の酸素濃度が高いときには排気ガス中に含まれるNOは図4に示されるように白金Pt46上において酸化されてNO2となり、次いでNOx吸収剤47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吸収剤47内に拡散する。このようにしてNOxがNOx吸収剤47内に吸収される。排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Pt46の表面でNO2が生成され、NOx吸収剤47のNOx吸収能力が飽和しない限りNO2がNOx吸収剤47内に吸収されて硝酸イオンNO3 -が生成される。
これに対し、還元剤供給弁22から還元剤を供給することによって排気ガスの空燃比をリッチ或いは理論空燃比にすると排気ガス中の酸素濃度が低下するために反応が逆方向(NO3 -→NO2)に進み、斯くしてNOx吸収剤47内の硝酸イオンNO3 -がNO2の形でNOx吸収剤47から放出される。次いで放出されたNOxは排気ガス中に含まれる未燃HC,COによって還元される。
このように排気ガスの空燃比がリーンであるとき、即ちリーン空燃比のもとで燃焼が行われているときには排気ガス中のNOxがNOx吸収剤47内に吸収される。しかしながらリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われるとその間にNOx吸収剤47のNOx吸収能力が飽和してしまい、斯くしてNOx吸収剤47によりNOxを吸収できなくなってしまう。そこで本発明による実施例ではNOx吸収剤47の吸収能力が飽和する前に還元剤供給弁22から還元剤を供給することによって排気ガスの空燃比を一時的にリッチにし、それによってNOx吸収剤47からNOxを放出させるようにしている。
ところで排気ガス中にはSOx、即ちSO2が含まれており、このSO2がNOx吸蔵触媒13に流入するとこのSO2は白金Pt46において酸化されてSO3となる。次いでこのSO3はNOx吸収剤47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 2-の形でNOx吸収剤47内に拡散し、安定した硫酸塩BaSO4を生成する。しかしながらNOx吸収剤47が強い塩基性を有するためにこの硫酸塩BaSO4は安定していて分解しづらく、排気ガスの空燃比を単にリッチにしただけでは硫酸塩BaSO4は分解されずにそのまま残る。従ってNOx吸収剤47内には時間が経過するにつれて硫酸塩BaSO4が増大することになり、斯くして時間が経過するにつれてNOx吸収剤47が吸収しうるNOx量が低下することになる。
そこで本発明では通常第1の排気遮断弁15aを閉弁し、図1に示される実施例では通常第2の排気枝通路11b内のみに排気ガスを流通させてSOxトラップ触媒12により排気ガス中に含まれるSOxを捕獲し、図2に示される例では通常第2の排気枝通路11bと第3の排気枝通路11cのいずれか一方又は双方のみに排気ガスを流通させてSOxトラップ触媒12b,12cのいずれか一方又は双方により排気ガス中に含まれるSOxを捕獲し、それによってNOx吸蔵触媒13にSOxが流入しないようにしている。次にこれらSOxトラップ触媒12,12b,12cについて説明する。
これらSOxトラップ触媒12,12b,12cは例えばハニカム構造のモノリス触媒からなり、SOxトラップ触媒12,12b,12cの軸線方向にまっすぐに延びる多数の排気ガス流通孔を有する。図5はこのようにSOxトラップ触媒12,12b,12cをハニカム構造のモノリス触媒から形成した場合の各排気ガス流通孔の内周壁面、即ち、基体50の表面部分の断面を図解的に示している。図5に示されるように基体50の表面上にはコート層51が形成されており、このコート層51の表面上には貴金属触媒52が分散して担持されている。
本発明による実施例では貴金属触媒52として白金が用いられており、コート層51を構成する成分としては例えばカリウムK、ナトリウムNa、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が用いられている。即ち、SOxトラップ触媒12,12b,12cのコート層51は強塩基性を呈している。
さて、排気ガス中に含まれるSOx、即ちSO2は図5に示されるように白金Pt52において酸化され、次いでコート層51内に捕獲される。即ち、SO2は硫酸イオンSO4 2-の形でコート層51内に拡散し、硫酸塩を形成する。なお、上述したようにコート層51は強塩基性を呈しており、従って図5に示されるように排気ガス中に含まれるSO2の一部は直接コート層51内に捕獲される。
図5においてコート層51内における濃淡は捕獲されたSOxの濃度を示している。図5からわかるようにコート層51内におけるSOx濃度はコート層51の表面近傍が最も高く、奥部に行くに従って次第に低くなっていく。コート層51の表面近傍におけるSOx濃度が高くなるとコート層51の表面の塩基性が弱まり、SOxの捕獲能力が弱まる。ここで排気ガス中に含まれるSOxのうちでSOxトラップ触媒12,12a,12bに捕獲されるSOxの割合をSOxトラップ率と称すると、コート層51の表面の塩基性が弱まればそれに伴なってSOxトラップ率が低下することになる。
図6にSOxトラップ率の時間的変化を示す。図6に示されるようにSOxトラップ率は初めは100パーセントに近いが時間が経過するとSOxトラップ率は急速に低下する。そこで本発明では図7に示されるようにSOxトラップ率が予め定められた率よりも低下したときには排気ガスの空燃比がリーンのもとでSOxトラップ触媒12,12b,12cの温度を上昇させる昇温制御を行い、それによってSOxトラップ率を回復させるようにしている。
即ち、排気ガスの空燃比がリーンのもとでSOxトラップ触媒12,12b,12cの温度を上昇させるとコート層51内の表面近傍に集中的に存在するSOxはコート層51内におけるSOx濃度が均一となるようにコート層51の奥部に向けて拡散していく。即ち、コート層51内に生成されている硝酸塩はコート層51の表面近傍に集中している不安定な状態からコート層51内の全体に亘って均一に分散した安定した状態に変化する。コート層51内の表面近傍に存在するSOxがコート層51の奥部に向けて拡散するとコート層51の表面近傍のSOx濃度が低下し、斯くしてSOxトラップ触媒12,12b,12cの昇温制御が完了すると図7に示されるようにSOxトラップ率が回復する。
SOxトラップ触媒12,12b,12cの昇温制御を行ったときにSOxトラップ触媒12,12b,12cの温度をほぼ450℃程度にすればコート層51の表面近傍に存在するSOxをコート層51内に拡散させることができ、SOxトラップ触媒12,12b,12cの温度を600℃程度まで上昇させるとコート層51内のSOx濃度をかなり均一化することができる。従ってSOxトラップ触媒12,12b,12cの昇温制御時には排気ガスの空燃比がリーンのもとでSOxトラップ触媒12,12b,12cの温度を600℃程度まで昇温させることが好ましい。
SOxトラップ触媒12,12b,12cの温度は、例えば主燃料に加え、膨張行程中又は排気行程中に補助燃料を噴射することによって上昇させることができる。即ち、このように補助燃料を噴射すると大部分の補助燃料はSOxトラップ触媒12,12b,12c上において過剰酸素により酸化され、このとき発生する酸化反応熱によってSOxトラップ触媒12,12b,12cの温度が上昇せしめられる。また、還元剤供給弁22から還元剤を供給し、この還元剤の酸化反応熱によってSOxトラップ触媒12,12b,12cの温度を上昇させることもできる。なお、いずれの方法により昇温した場合でもSOxトラップ触媒12,12b,12cに流入する排気ガスの空燃比はリッチにされることなくリーンに維持される。
前述したように図1に示される実施例では通常は第1の排気遮断弁15aは閉弁されており、このとき第2の排気遮断弁15bは全開せしめられている。SOxトラップ触媒12のSOxトラップ率が低下したときにはこのように第1の排気遮断弁15aが閉弁され、第2の排気遮断弁15bが全開している状態でSOxトラップ触媒12の昇温制御が行われる。
一方、図2に示される例では通常は第1の排気遮断弁15aは閉弁されており、このとき第2の排気遮断弁15bと第3の排気遮断弁15cのいずれか一方又は双方が全開せしめられる。即ち、この例では第1の排気遮断弁15aが閉弁されている状態で第2の排気遮断弁15bと第3の排気遮断弁15cとを交互に全開することによってSOxトラップ触媒12bと12cとが交互に使用されるか、或いは第1の排気遮断弁15aが閉弁されている状態で第2の排気遮断弁15bと第2の排気遮断弁15cとを共に全開することによってSOxトラップ触媒12bと12cとが同時に使用される。
この例ではSOxトラップ触媒12bのSOxトラップ率が低下したときには第1の排気遮断弁15aおよび第3の排気遮断弁15cが閉弁され、第2の排気遮断弁15bが全開している状態でSOxトラップ触媒12bの昇温制御が行われる。同様に、SOxトラップ触媒12cのSOxトラップ率が低下したときには第1の排気遮断弁15aおよび第2の排気遮断弁15bが閉弁され、第3の排気遮断弁15cが全開している状態でSOxトラップ触媒12cの昇温制御が行われる。
次に図8から図11を参照しつつNOx吸蔵触媒13に対する処理について説明する。
本発明による実施例ではNOx吸蔵触媒13に単位時間当り吸蔵されるNOx量NOXAが要求トルクTQおよび機関回転数Nの関数として図10(A)に示すマップの形で予めROM32内に記憶されており、このNOx量NOXAを積算することによってNOx吸蔵触媒13に吸蔵されたNOx量ΣNOXが算出される。本発明による実施例では図8に示されるようにこのNOx量ΣNOXが許容値NXに達する毎に還元剤供給弁22から還元剤を供給することによってNOx吸蔵触媒13に流入する排気ガスの空燃比A/Fが一時的にリッチにされ、それによってNOx吸蔵触媒13からNOxが放出される。
本発明による実施例ではNOx吸蔵触媒13に単位時間当り吸蔵されるNOx量NOXAが要求トルクTQおよび機関回転数Nの関数として図10(A)に示すマップの形で予めROM32内に記憶されており、このNOx量NOXAを積算することによってNOx吸蔵触媒13に吸蔵されたNOx量ΣNOXが算出される。本発明による実施例では図8に示されるようにこのNOx量ΣNOXが許容値NXに達する毎に還元剤供給弁22から還元剤を供給することによってNOx吸蔵触媒13に流入する排気ガスの空燃比A/Fが一時的にリッチにされ、それによってNOx吸蔵触媒13からNOxが放出される。
一方、排気ガス中に含まれる粒子状物質はNOx吸蔵触媒13を担持しているパティキュレートフィルタ13a上に捕集され、順次酸化される。しかしながら捕集される粒子状物質の量が酸化される粒子状物質の量よりも多くなると粒子状物質がパティキュレートフィルタ13a上に次第に堆積し、この場合粒子状物質の堆積量が増大すると機関出力の低下を招いてしまう。従って粒子状物質の堆積量が増大したときには堆積した粒子状物質を除去しなければならない。この場合、空気過剰のもとでパティキュレートフィルタ13aの温度を600℃程度まで上昇させると堆積した粒子状物質が酸化され、除去される。
そこで本発明による実施例ではパティキュレートフィルタ13a上に堆積した粒子状物質の量が許容量を越えたときには排気ガスの空燃比がリーンのもとでパティキュレートフィルタ13aの温度を上昇させ、それによって堆積した粒子状物質を酸化除去するようにしている。具体的に言うと本発明による実施例では差圧センサ23により検出されたパティキュレートフィルタ13aの前後差圧ΔPが図8に示されるように許容値PXを越えたときに堆積粒子状物質の量が許容量を越えたと判断され、このときパティキュレートフィルタ13a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13aの温度Tを上昇させる昇温制御が行われる。なお、パティキュレートフィルタ13aの温度Tが高くなるとNOx吸蔵触媒13からNOxが放出されるために捕獲されているNOx量ΣNOXは減少する。
図1に示される実施例においてNOx吸蔵触媒13からのNOx放出制御を行うとき、およびパティキュレートフィルタ13aの昇温制御を行うときには第1の排気遮断弁15aは閉弁されており、第2の排気遮断弁15bは全開せしめられている。
一方、図2に示される例においてNOx吸蔵触媒13からのNOx放出制御を行うとき、およびパティキュレートフィルタ13aの昇温制御を行うときには第1の排気遮断弁15aは閉弁されており、第2の排気遮断弁15bと第3の排気遮断弁15cのいずれか一方又は双方が全開せしめられる。
さて、上述したように排気ガスは通常、SOxトラップ触媒12,12b,12c内を流通せしめられた後にNOx吸蔵触媒13に送り込まれている。この場合、SOxトラップ触媒12,12a,12bによるSOxトラップ率が100パーセントのときにはNOx吸蔵触媒13にSOxが全く流入せず、従ってこのときにはNOx吸蔵触媒13にSOxが吸蔵される危険性は全くない。これに対しSOxトラップ率が100パーセントでない場合にはたとえSOxトラップ率が100パーセント近くであってもSOxがNOx吸蔵触媒13に吸蔵される。ただしこの場合、単位時間当りNOx吸蔵触媒13に吸蔵されるSOx量は極めて少ない。とは言え、長時間経過すれば多量のSOxがNOx吸蔵触媒13に吸蔵され、多量のSOxが吸蔵されれば吸蔵されたSOxを放出させる必要がある。
ところで前述したようにNOx吸蔵触媒13からSOxを放出させるにはNOx吸蔵触媒13の温度を600℃以上のSOx放出温度まで上昇させかつNOx吸蔵触媒13に流入する排気ガスの空燃比をリッチにする必要がある。この場合、本発明による実施例では還元剤供給弁22から還元剤を供給することによってNOx吸蔵触媒13に流入する排気ガスの空燃比がリッチにされる。しかしながら排気ガスをSOxトラップ触媒12,12b,12cに流通させている状態で還元剤供給弁22から還元剤を供給するとSOxトラップ触媒12,12b,12cの温度が高いときやSOxトラップ触媒12,12b,12cのSOxトラップ量が多い場合にはSOxトラップ触媒12,12b,12cからSOxが放出され、この放出されたSOxがNOx吸蔵触媒13に吸蔵されることになる。
そこで本発明ではNOx吸蔵触媒13からSOxを放出すべく還元剤供給弁22から還元剤を供給するときにはSOxトラップ触媒12,12b,12c内を排気ガスが流通しないように、即ち、第1の排気枝通路11aのみを介して排気ガスがNOx吸蔵触媒13に流入するように、図1に示される実施例では第1の排気遮断弁15aが全開せしめられると共に第2の排気遮断弁15bが閉弁せしめられ、図2に示される例では第1の排気遮断弁15aが全開せしめられると共に第2の排気遮断弁15bおよび第3の排気遮断弁15cが閉弁せしめられる。
即ち、本発明では、通常はSOxトラップ触媒12,12b,12cの配置されている排気枝通路11b,11cを介してのみ排気ガスを流通させ、NOx吸蔵触媒13からSOxを放出すべきときには各排気枝通路11a,11b,11cの分岐部に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすると共にSOxトラップ触媒の配置されていない排気枝通路11aを介してのみ排気ガスを流通させるようにしている。
SOxトラップ触媒12,12b,12cをすり抜けるSOx量は、例えば単位時間当り機関から排出されるSOx量に(1.0−SOxトラップ率)を乗算することによって算出することができる。また、この際SOxトラップ触媒12,12b,12cから離脱するSOx量を考慮することもできる。
更に、SOxトラップ触媒12,12b,12cから流出する排気ガス中のSOx濃度をSOx濃度センサにより検出し、この検出結果からSOxトラップ触媒12,12b,12cをすり抜けるSOx量を求めることもできる。
更に、SOxトラップ触媒12,12b,12cから流出する排気ガス中のSOx濃度をSOx濃度センサにより検出し、この検出結果からSOxトラップ触媒12,12b,12cをすり抜けるSOx量を求めることもできる。
本発明による実施例では単位時間当り機関から排出されるSOx量に(1.0−SOxトラップ率)を乗算することによってSOxトラップ触媒12,12b,12cをすり抜けるSOx量が算出される。なお、単位時間当りに機関から排出されるSOx量SOXZは要求トルクTQおよび機関回転数Nの関数として図10(B)に示すようなマップの形で予めROM32内に記憶されており、このSOx量SOXZに(1.0−SOxトラップ率)乗算した値を積算することにより吸蔵SOx量ΣSOXが算出される。
図9に示されるように本発明による実施例ではNOx吸蔵触媒13に吸蔵されているSOx量ΣSOXが許容値SXに達したときにはNOx吸蔵触媒13に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつ還元剤供給弁22から還元剤を供給してNOx吸蔵触媒13の温度TがNOx放出温度TXまで上昇せしめられ、次いで還元剤供給弁22からの還元剤の供給量を増大してNOx吸蔵触媒13に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするようにしている。
図11はNOx吸蔵触媒13に対する処理ルーチンを示している。
図11を参照するとまず初めにステップ100において図10(A)に示すマップから単位時間当り吸蔵されるNOx量NOXAが算出される。次いでステップ101ではこのNOXAがNOx吸蔵触媒13に吸蔵されているNOx量ΣNOXに加算される。次いでステップ102では吸蔵NOx量ΣNOXが許容値NXを越えたか否かが判別され、ΣNOX>NXとなったときにはステップ103に進んで還元剤供給弁22から供給された還元剤によってNOx吸蔵触媒13に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリーンからリッチに切換えるリッチ処理が行われ、ΣNOXがクリアされる。
図11を参照するとまず初めにステップ100において図10(A)に示すマップから単位時間当り吸蔵されるNOx量NOXAが算出される。次いでステップ101ではこのNOXAがNOx吸蔵触媒13に吸蔵されているNOx量ΣNOXに加算される。次いでステップ102では吸蔵NOx量ΣNOXが許容値NXを越えたか否かが判別され、ΣNOX>NXとなったときにはステップ103に進んで還元剤供給弁22から供給された還元剤によってNOx吸蔵触媒13に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリーンからリッチに切換えるリッチ処理が行われ、ΣNOXがクリアされる。
次いでステップ104では差圧センサ23によりパティキュレートフィルタ13aの前後差圧ΔPが検出される。次いでステップ105では差圧ΔPが許容値PXを越えたか否かが判別され、ΔP>PXとなったときにはステップ106に進んでパティキュレートフィルタ13aの昇温制御が行われる。この昇温制御はパティキュレートフィルタ13aに流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつ還元剤供給弁22から還元剤を供給することによって行われる。
次いでステップ107では図10(B)に示すマップから単位時間当り排出されるSOx量SOXZが算出される。次いでステップ108ではこのSOXZに(1.0−SOxトラップ率)を乗算した値がNOx吸蔵触媒13に吸蔵されているSOx量ΣSOXに加算される。次いでステップ109では吸蔵SOx量ΣSOXが許容値SXを越えたか否かが判別され、ΣSOX>SXとなったときにはステップ110に進んで第1の排気遮断弁15aが全開せしめられ、残りの排気制御弁15b,15cが閉弁せしめられる。
次いでステップ111ではNOx吸蔵触媒13に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつ還元剤供給弁22から還元剤を供給することによってNOx吸蔵触媒13の温度TをSOx放出温度TXまで上昇させる昇温制御が行われる。次いでステップ112では還元剤供給弁22から供給された還元剤によってNOx吸蔵触媒13に流入する排気ガスの空燃比をリッチに維持するリッチ処理が行われ、ΣSOXがクリアされる。リッチ処理が完了すると第1の排気遮断弁15aが再び閉弁され、残りの排気制御弁15b,15cの全部又は一部が全開せしめられる。
図12(A)および(B)に夫々別の実施例を示す。図12(A)に示される実施例では図1に示される実施例と同様に第2の排気枝通路11b内にSOxトラップ触媒12bが配置されているが図1に示される実施例とは異なって第1の排気枝通路11a内には酸化触媒12aが配置されている。また、図12(B)に示される例でも図2に示される例と同様に第2の排気枝通路11bおよび第3の排気枝通路11c内に夫々SOxトラップ触媒12b,12cが配置されているが図2に示される例とは異なって第1の排気枝通路11a内には酸化触媒12aが配置されている。
図9(A)および(B)に示される実施例では図1および図2に示される実施例と同様に第1の排気遮断弁15aは通常閉弁せしめられており、この第1の排気遮断弁15aはNOx吸蔵触媒13からSOxを放出させるべく還元剤供給弁22から還元剤が供給されているときに全開せしめられる。即ち、NOx吸蔵触媒13からのSOx放出時には還元剤を含有した排気ガスが酸化触媒12aを介してNOx吸蔵触媒13に送り込まれる。従ってこの実施例では還元剤が酸化触媒12aにおいて酸化せしめられるためにこのときの酸化反応熱によってNOx吸蔵触媒13は急速に昇温せしめられ、またこの酸化反応熱により還元剤、即ち燃料の気化が促進されるために排気ガスの空燃比が確実にリッチにせしめられる。
図13(A)および(B)に夫々更に別の実施例を示す。図13(A)および(B)に示される実施例では全排気枝通路11a,11b,11c内に夫々SOxトラップ触媒12a,12b,12cが配置されている。これらの実施例では全てのSOxトラップ触媒12a,12b,12cのうちでSOx捕獲量の最も少ないSOxトラップ触媒12a又は12b又は12cが探し出され、NOx吸蔵触媒13からSOxを放出すべきときには還元剤供給弁22から還元剤を供給して各排気枝通路12a,12b,12cの分岐部に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすると共にSOx捕獲量の最も少ないSOxトラップ触媒12a又は12b又は12cの配置されている排気枝通路11a又は11b又は11cを介してのみ排気ガスを流通させるようにしている。
即ち、これらの実施例では還元剤供給弁22から供給された還元剤を含んだ排気ガスがSOx捕獲量の最も少ないSOxトラップ触媒12a又は12b又は12cにのみ流入せしめられるのでSOxトラップ触媒12a又は12b又は12cをすり抜けるSOxの量を最小限に抑えることができ、斯くしてNOx吸蔵触媒13に吸蔵されるSOx量を最小限に抑えることができる。なお、この場合、各SOxトラップ触媒12a,12b,12cのSOx捕獲量は、例えば図10(B)に示される単位時間当りに機関から排出されるSOx量SOXZから算出される。
図13(A)に示される実施例では通常、SOxトラップ触媒12aおよび12bが交互に使用されるか、或いはSOxトラップ触媒12a又は12bのいずれか一方が継続的に使用される。
一方、図13(B)に示される例では通常、SOxトラップ触媒12a,12bおよび12cが交互に使用されるか、或いはSOxトラップ触媒12bおよび12cが交互に使用される。図13(A),(B)に示される実施例において通常、例えばSOxトラップ触媒12aを使用していない場合にはこのSOxトラップ触媒12aのSOx捕獲量が最も少くなる。従ってこの場合、NOx吸蔵触媒13からSOxを放出すべきときには還元剤供給弁22から還元剤が供給されると共に通常排気ガスの流通していない排気枝通路11aを介してのみ排気ガスが流通せしめられる。
一方、図13(B)に示される例では通常、SOxトラップ触媒12a,12bおよび12cが交互に使用されるか、或いはSOxトラップ触媒12bおよび12cが交互に使用される。図13(A),(B)に示される実施例において通常、例えばSOxトラップ触媒12aを使用していない場合にはこのSOxトラップ触媒12aのSOx捕獲量が最も少くなる。従ってこの場合、NOx吸蔵触媒13からSOxを放出すべきときには還元剤供給弁22から還元剤が供給されると共に通常排気ガスの流通していない排気枝通路11aを介してのみ排気ガスが流通せしめられる。
4 吸気マニホルド
5 排気マニホルド
7 排気ターボチャージャ
11a,11b,11c 排気枝通路
12a,12b,12c SOxトラップ触媒
13 NOx吸蔵触媒
15a,15b,15c 排気遮断弁
22 還元剤供給弁
5 排気マニホルド
7 排気ターボチャージャ
11a,11b,11c 排気枝通路
12a,12b,12c SOxトラップ触媒
13 NOx吸蔵触媒
15a,15b,15c 排気遮断弁
22 還元剤供給弁
Claims (9)
- 機関排気通路内に排気ガス中に含まれるSOxを捕獲しうるSOxトラップ触媒を配置し、SOxトラップ触媒下流の排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるNOxを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したNOxを放出するNOx吸蔵触媒を配置し、NOx吸蔵触媒からSOxを放出すべきときにはNOx吸蔵触媒の温度をSOx放出温度まで上昇させると共にNOx吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするようにした内燃機関において、機関排気通路から複数の排気枝通路を分岐すると共に該分岐部よりも下流において各排気枝通路を共通のNOx吸蔵触媒に連結し、一つを除く残りの排気枝通路内にSOxトラップ触媒を配置すると共に通常は該SOxトラップ触媒の配置されている排気枝通路を介してのみ排気ガスを流通させ、NOx吸蔵触媒からSOxを放出すべきときには上記分岐部に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすると共に該SOxトラップ触媒の配置されていない排気枝通路を介してのみ排気ガスを流通させるようにした内燃機関の排気浄化装置。
- 上記SOxトラップ触媒の配置されていない排気枝通路内に酸化触媒を配置し、NOx吸蔵触媒からSOxを放出すべきときには上記分岐部に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすると共に該酸化触媒の配置されている排気枝通路を介してのみ排気ガスを流通させ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。
- 機関排気通路内に排気ガス中に含まれるSOxを捕獲しうるSOxトラップ触媒を配置し、SOxトラップ触媒下流の排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるNOxを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したNOxを放出するNOx吸蔵触媒を配置し、NOx吸蔵触媒からSOxを放出すべきときにはNOx吸蔵触媒の温度をSOx放出温度まで上昇させると共にNOx吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするようにした内燃機関において、機関排気通路から複数の排気枝通路を分岐すると共に該分岐部よりも下流において各排気枝通路を共通のNOx吸蔵触媒に連結し、全ての排気枝通路内にSOxトラップ触媒を配置し、NOx吸蔵触媒からSOxを放出すべきときには上記分岐部に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすると共にSOx捕獲量の最も少ないSOxトラップ触媒の配置されている排気枝通路を介してのみ排気ガスを流通させるようにした内燃機関の排気浄化装置。
- 通常は一つを除く残りの排気枝通路を介してのみ排気ガスを流通させ、NOx吸蔵触媒からSOxを放出すべきときには上記分岐部に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすると共に通常排気ガスの流通していない排気枝通路を介してのみ排気ガスを流通させるようにした請求項3に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 上記排気枝通路内に選択的に排気ガスを流通させるための通路切換弁装置を具備した請求項1又は3に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 上記SOxトラップ触媒は基体上に形成されたコート層と、コート層上に維持された貴金属触媒からなり、コート層内にはアルカリ金属、アルカリ土類金属又は希土類金属が分散して含有されている請求項1又は3に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 上記分岐部上流の機関排気通路内に還元剤供給装置を配置し、NOx吸蔵触媒からNOxを放出すべきときには還元剤供給装置から排気通路内に還元剤を供給してNOx吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチにするようにした請求項1又は3に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- NOx吸蔵触媒からSOxを放出すべきときにはNOx吸蔵触媒の温度をSOx放出温度まで上昇させ、還元剤供給装置から還元剤を供給してNOx吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするようにした請求項7に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
- NOx吸蔵触媒が排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕獲して酸化させるためのパティキュレートフィルタ上に担持されている請求項1又は3に記載の内燃機関の排気浄化装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006281599A JP2008095661A (ja) | 2006-10-16 | 2006-10-16 | 内燃機関の排気浄化装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2006281599A JP2008095661A (ja) | 2006-10-16 | 2006-10-16 | 内燃機関の排気浄化装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2008095661A true JP2008095661A (ja) | 2008-04-24 |
Family
ID=39378754
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2006281599A Pending JP2008095661A (ja) | 2006-10-16 | 2006-10-16 | 内燃機関の排気浄化装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2008095661A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102015206503A1 (de) * | 2015-04-13 | 2016-10-13 | Ford Global Technologies, Llc | Konfiguration einer Abgasleitung zur Reduktion von Wärmeverlusten |
-
2006
- 2006-10-16 JP JP2006281599A patent/JP2008095661A/ja active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE102015206503A1 (de) * | 2015-04-13 | 2016-10-13 | Ford Global Technologies, Llc | Konfiguration einer Abgasleitung zur Reduktion von Wärmeverlusten |
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