JP2008163897A - 内燃機関の排気ガス浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】内燃機関10の排気通路12に、NOx吸蔵還元型触媒22を配置する。NOx吸蔵還元型触媒22に流れ込む排気ガスと混合するように空気またはオゾン(O3)を供給するNOx酸化ガス供給装置30を備える。NOx吸蔵還元型触媒22の温度が空気供給によるNOx吸蔵促進効果が発現する温度未満の状況下ではオゾンを供給し、NOx吸蔵還元型触媒22の温度が空気供給によるNOx吸蔵促進効果が発現する温度以上の状況下ではオゾンの供給を停止して空気の供給を行う。
【選択図】図5
Description
内燃機関の排気通路に配置され、NOx保持物質と触媒活性点とを含むNOx吸蔵還元型触媒と、
前記NOx吸蔵還元型触媒に流れ込む排気ガスと混合するように空気を供給する空気供給手段と、
前記NOx吸蔵還元型触媒に流れ込む排気ガスと混合するようにオゾン(O3)を供給するオゾン供給手段と、
前記NOx吸蔵還元型触媒の温度が前記空気供給によるNOx吸蔵促進効果が発現する温度未満の状況下では前記オゾン供給手段によるオゾン供給を実行し、該NOx吸蔵還元型触媒の温度が該空気供給によるNOx吸蔵促進効果が発現する温度に達した後に該オゾン供給を抑制または停止するオゾン供給制御手段と、
遅くとも前記オゾン供給が抑制または停止されるまでに前記空気供給手段による空気供給を開始する空気供給制御手段と、
を有することを特徴とする。
前記空気供給制御手段は、前記オゾン供給制御手段によるオゾン供給の実行中には空気供給を停止し、該オゾン供給制御手段によるオゾン供給が停止したら空気供給を開始することを特徴とする。
前記NOx吸蔵還元型触媒の下流に配置される排気ガスセンサと、
オープンループ制御により前記内燃機関の燃料噴射量を制御する第1噴射量制御手段と、
前記NOx吸蔵還元型触媒から流出する排気ガスが理論空燃比となるように前記排気ガスセンサの出力を燃料噴射量にフィードバックして、クローズドループ制御により燃料噴射量を制御する第2噴射量制御手段と、を有し、
前記空気供給制御手段は、前記NOx吸蔵還元型触媒の温度が排気ガスを浄化する活性温度以上となった後、前記空気供給手段による空気供給を停止し、
前記空気供給手段による空気供給の実行中に前記第1噴射量制御手段による燃料噴射量制御を実行し、該空気供給手段による空気供給が停止したら内燃機関の燃料噴射量制御を前記第1噴射量制御手段による制御から前記第2噴射量制御手段による制御へ切り替えることを特徴とする。
内燃機関の排気通路に配置され、NOx保持物質と触媒活性点とを含むNOx吸蔵還元型触媒と、
前記NOx吸蔵還元型触媒に流れ込む排気ガスと混合するようにNOx酸化ガスを供給するNOx酸化ガス供給手段と、
前記NOx吸蔵還元型触媒の下流に配置される排気ガスセンサと、
前記内燃機関の燃料噴射量をオープンループ制御する第1噴射量制御手段と、
前記NOx吸蔵還元型触媒から流出する排気ガスが理論空燃比となるように前記排気ガスセンサの出力を燃料噴射量にフィードバックして、クローズドループ制御により燃料噴射量を制御する第2噴射量制御手段と、を有し、
前記NOx酸化ガス供給手段は、前記NOx吸蔵還元型触媒の温度が排気ガスを浄化する活性温度以上となった後、前記NOx酸化ガスの供給を停止し、
前記NOx酸化ガス供給手段によるNOx酸化ガスの供給中に前記第1噴射量制御手段による燃料噴射量制御を実行し、該NOx酸化ガス供給手段によるNOx酸化ガスの供給が停止したら内燃機関の燃料噴射量制御を前記第1噴射量制御手段による制御から前記第2噴射量制御手段による制御へ切り替えることを特徴とする。
排気ガスに供給されるオゾンのモル量が、排気ガスに含まれる一酸化窒素(NO)のモル量よりも大きくなるようにオゾン供給量を調整するオゾン供給量調整手段を更に備えることを特徴とする。
前記オゾン供給量調整手段は、排気ガスに供給されるオゾンのモル量が、排気ガスに含まれる一酸化窒素(NO)のモル量の2倍量以上となるように前記オゾン供給手段を制御することを特徴とする。
[実施の形態1の構成]
図1は、本発明の実施の形態1の排気ガス浄化装置を説明するための図である。図1に示すように、実施の形態1の排気ガス浄化装置は、内燃機関10の排気通路12に、触媒装置20を有している。触媒装置20は、その内部にNOx吸蔵還元型触媒22を収納している。このような構成によれば、排気通路12を通ってきた排気ガスが触媒装置20に流入し、その後NOx吸蔵還元型触媒22に流れ込むことになる。
NOxの吸蔵、還元が円滑に行われるには、NOx吸蔵還元型触媒22に含まれる触媒(より厳密には活性点)の温度が、その活性機能を十分に発揮できる温度に達していることが求められる。しかしながら、内燃機関10の始動時(特に低温始動時)など、触媒が低温状態にある場合には、触媒の活性機能を活用することが困難である。そこで、実施の形態1の装置では、内燃機関10の始動時に、NOx酸化ガス供給装置30により排気ガスにオゾンを供給することとする。これにより、触媒が十分な活性状態にない場合であっても、排気ガスの浄化を効果的に行うことができる。
以下図2乃至4を用いて、本発明の実施の形態1に関して行った実験結果を説明する。本実験は、O3および空気の供給と触媒温度とが、NOx吸蔵に及ぼす影響を明らかにするために行った。
図2は、本実験に用いられた測定系を示す図である。本測定系は、内燃機関の排気ガスを模したモデルガスを発生するために、モデルガス発生器230および複数のガスボンベ232を備えている。モデルガス発生器230は、ガスボンベ232内のガスを混合させて、下記の組成の模擬ガスを作成することができる。
模擬ガス組成: C3H6 1000ppm、
CO 7000ppm、
NO 1500ppm、
O2 7000ppm
CO2 10%
H2O 3%
残部 N2
注入ガス組成: (1)O3 30000ppm、残部 O2
(2)O2のみ
そして、流量制御ユニット250により、注入ガスを所望の流量で供給することができる。
オゾン発生器246: 岩崎電気 OP100W
オゾン分析計248(上流側): 荏原実業 EG600
オゾン分析計264(下流側): 荏原実業 EG2001B
排ガス分析計260、262:
堀場製作所 MEXA9100D(HC、CO、NOx計測)
堀場製作所 VAI−510(CO2を計測)
上記のような測定系において、下記の条件で、前述した各種組成の模擬ガスと注入ガスとを組み合わせてNOx吸蔵還元型触媒試験体222に供給した。そして、下記の昇温速度で触媒温度が上昇するように電気炉を制御し、下流に流出するNOx濃度の時間推移を調べた。
温度:30℃〜500℃
昇温速度:10℃/min(一定)
模擬ガス流量:15L/min
注入ガス流量:3L/min
混合ガス組成(3種類):
(1)模擬ガスにオゾンと酸素の両方を供給
(2)模擬ガスに酸素のみ供給(空気供給を模擬)
(3)模擬ガスのみ(ストイキ浄化を模擬)
なお、300℃以上では、注入ガスは供給せず、模擬ガスのみを流通させた。
図4は、上記の実験を行った結果得られたNOx濃度の時間推移を示す図である。ガス組成(1)(太線)およびガス組成(2)(細線)の場合、注入ガス供給により全体のガス量が増加するので、ガス分析計で計測されるNOx濃度の値が低くなっている。また、図4の横軸の温度の目盛りは、昇温速度から概算した値である。
以下、図5を用いて、実施の形態1の装置が行う具体的処理を説明する。図5は、実施の形態1において実行されるルーチンのフローチャートであり、内燃機関10の始動時、低温状態(例えば、Cold Start時)において実行される。本実施の形態では、上述した実験結果で述べたT1(空気供給によるNOx吸蔵促進効果が発現する温度)T2(触媒の三元活性が発現する温度)を予め求めておき、ECU50に記憶しておくこととする。
(第1変形例)
実施の形態1では、触媒の温度が、上述した実験におけるT1、すなわち、空気供給によるNOx吸蔵促進効果が発現する最低温度に達したら、空気の供給を開始した。そして、触媒温度TがT1以上となったら、NOx酸化ガスの供給が、オゾン供給から空気供給へと直ちに切り替わる構成とした。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。必要に応じ、空気供給を開始する温度をT1よりも高めに設定し、オゾンを供給する温度領域を大きくしても(オゾン供給から空気供給へ切り替えるタイミングを遅らせても)よい。
実施の形態1では、NOx酸化ガス供給装置30内にオゾン発生器を設け、必要に応じて当該オゾン発生器をON状態とすることでオゾン供給を行った。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。例えば、オゾン供給装置と空気供給装置とを別々に備える構成にしてもよい。
実施の形態1では、触媒温度がT1以下ではオゾン供給のみ、T1以上では空気供給のみが行われるようにしている。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。触媒温度Tが空気供給によるNOx吸蔵促進効果が発現する温度未満の状況下ではオゾン供給を実行し、触媒温度Tが空気供給によるNOx吸蔵促進効果が発現する温度に達した後にオゾン供給を抑制または停止するとともに、遅くとも当該オゾン供給が抑制または停止されるまでに空気供給が開始されるように、NOx酸化ガス供給装置30を制御することとすればよい。
実施の形態1では、触媒とNOx保持材とが混合、一体化されてNOx吸蔵還元型触媒22を形成している。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。種々の公知のNOx吸蔵還元型触媒を、本発明に用いることができる。例えば、図6に示すように、オゾン供給装置30の下流にNOx保持材322、触媒324が、順次個別に備えられる構成であってもよい。
実施の形態1では、NOx酸化ガス供給装置30により排気ガスにオゾンを添加している。このオゾン添加は、より好ましくは、以下に述べるような態様で行っても良い。オゾン(O3)を排気ガスに添加すると、気相反応により排気ガス中のNOxが酸化されることが知られている。具体的には、NOxとオゾンとが反応し、下記に示す反応が生じる。
NO+O3→NO2+O2 [1]
NO2+O3→NO3+O2 [2]
NO2+NO3→N2O5 [3]
(NO2+NO3←N2O5)
尚、以下の説明では、[1]の反応式を「第1式」と、[2]の反応式を「第2式」と、[3]の反応式を「第3式」とも呼称する。なお、第3式は右方向への反応を示す矢印のみが記載されているが、括弧に示すような左方向への反応も生じうる。
mol(O3)/mol(NO) > 1 [4]
尚、以下の説明では、上記[4]の式を「第4式」とも呼称する。
さらには、更にオゾン供給量を増加し、混合ガス中の一酸化窒素に対するオゾンのモル比が2以上(mol(O3)/mol(NO)≧2)となるようにしてもよい。混合ガス中の一酸化窒素(NO)に対するオゾン(O3)のモル比が1よりも大きければ、上述した第1式によってNOがNO2へと酸化された後もオゾンが混合ガス中に未だ残存するため、第2式、第3式の反応が生じてNO3、N2O5が生成される。しかしながら、第1式の反応後に残存するオゾン量が微量な場合には、第2式、第3式の反応により生成されるNO3、N2O5の量も少なくなってしまう。
実施の形態1では、触媒装置20の外にNOx酸化ガス供給装置30を設け、ガス噴射口32を触媒装置20内に配置する構成で、オゾン供給を行った。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。公知となっている種々のオゾン発生装置およびオゾン発生方法を用いて、排気ガスへのオゾン添加を行うことができる。例えば、排気通路12内若しくは触媒装置20内に、プラズマ放電によって直接オゾンを生成するような構成としてもよい。
[実施の形態2の構成]
図7は、本発明の実施の形態2の排気ガス浄化装置を説明するための図である。図7の装置は、NOx吸蔵還元型触媒22の下流に空燃比センサ70を有する点で、実施の形態1に相違している。その他、実施の形態1と同一の構成については、同一の符号を付して、その説明を省略、簡略する。
実施の形態2の内燃機関10の始動時、上述したような排気ガスへのNOx酸化ガスの供給が実行されている間は、実施の形態1と同様、ストイキ条件の運転がなされるように内燃機関10の燃料噴射量がオープンループ制御されている。実施の形態2では、その後、内燃機関10が始動してから十分な時間が経過してNOx吸蔵還元型触媒22の温度も上昇し、触媒の活性機能が十分に発揮されうる状況となったら、NOx酸化ガスの供給を停止する。
以下、図8を用いて、実施の形態2の装置が行う具体的処理を説明する。図8は、実施の形態2において実行されるルーチンのフローチャートであり、内燃機関10の始動時、低温状態(例えば、Cold Start時)において実行される。なお、図8のルーチンのステップS100〜S140の処理は、実施の形態1と同様の処理であるため、その説明を省略する。そして、実施の形態2における上記ステップ実行中は、実施の形態1と同様、ストイキ条件の運転がなされるように内燃機関10の燃料噴射量がオープンループ制御されているものとする。
(第1変形例)
実施の形態2の具体的処理では、ステップS254において燃料噴射量の制御をオープンループ制御からクローズドループ制御(フィードバック制御)へと切り替えて、その後、ステップS300のルーチン停止条件の成立が認められたら、通常の運転状態に移行するようにした。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。通常の運転状態が燃料噴射量のフィードバック制御を含むような構成の場合には、実施の形態2とは異なり、オープンループ制御から、フィードバック制御を含む通常の運転状態へと直接移行することとしてもよい。
実施の形態2においても、実施の形態1の変形例同様、NOx保持材、触媒が順次個別に備えられる構成であってもよい。この場合には、空燃比センサ70を、触媒の下流に配置することとすればよい。また、実施の形態2においても、実施の形態1と同様、本発明におけるNOx吸蔵還元型触媒を形成する触媒、NOx保持物質およびそれらの担体は、本実施の形態で使用した材料に限られない。また、オゾン供給および空気供給の形態も、実施の形態1で述べたのと同様に、種々の公知の技術を利用することができる。
実施の形態1では、主に、「触媒温度に応じてオゾンおよび空気供給の切替を行う」という思想(具体的には、図5のルーチンのステップS100〜S140の処理に相当し、以下「第1の思想」とも呼称する)について説明している。そして、実施の形態2では、主に、「NOx放出反応時に燃料噴射量を補正する」という思想(具体的には、図8のルーチンのステップS254〜S290の処理に相当し、以下「第2の思想」とも呼称する)について説明している。
12 排気通路
20 触媒装置
22 NOx吸蔵還元型触媒
30 NOx酸化ガス供給装置
32 ガス噴射口
34 空気入口
50 ECU
60 温度センサ
70 空燃比センサ
322 NOx保持材
324 触媒
Claims (6)
- 内燃機関の排気通路に配置され、NOx保持物質と触媒活性点とを含むNOx吸蔵還元型触媒と、
前記NOx吸蔵還元型触媒に流れ込む排気ガスと混合するように空気を供給する空気供給手段と、
前記NOx吸蔵還元型触媒に流れ込む排気ガスと混合するようにオゾン(O3)を供給するオゾン供給手段と、
前記NOx吸蔵還元型触媒の温度が前記空気供給によるNOx吸蔵促進効果が発現する温度未満の状況下では前記オゾン供給手段によるオゾン供給を実行し、該NOx吸蔵還元型触媒の温度が該空気供給によるNOx吸蔵促進効果が発現する温度に達した後に該オゾン供給を抑制または停止するオゾン供給制御手段と、
遅くとも前記オゾン供給が抑制または停止されるまでに前記空気供給手段による空気供給を開始する空気供給制御手段と、
を有することを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。 - 前記空気供給制御手段は、前記オゾン供給制御手段によるオゾン供給の実行中には空気供給を停止し、該オゾン供給制御手段によるオゾン供給が停止したら空気供給を開始することを特徴とする請求項1記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
- 前記NOx吸蔵還元型触媒の下流に配置される排気ガスセンサと、
オープンループ制御により前記内燃機関の燃料噴射量を制御する第1噴射量制御手段と、
前記NOx吸蔵還元型触媒から流出する排気ガスが理論空燃比となるように前記排気ガスセンサの出力を燃料噴射量にフィードバックして、クローズドループ制御により燃料噴射量を制御する第2噴射量制御手段と、を有し、
前記空気供給制御手段は、前記NOx吸蔵還元型触媒の温度が排気ガスを浄化する活性温度以上となった後、前記空気供給手段による空気供給を停止し、
前記空気供給手段による空気供給の実行中に前記第1噴射量制御手段による燃料噴射量制御を実行し、該空気供給手段による空気供給が停止したら内燃機関の燃料噴射量制御を前記第1噴射量制御手段による制御から前記第2噴射量制御手段による制御へ切り替えることを特徴とする請求項1または2記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。 - 内燃機関の排気通路に配置され、NOx保持物質と触媒活性点とを含むNOx吸蔵還元型触媒と、
前記NOx吸蔵還元型触媒に流れ込む排気ガスと混合するようにNOx酸化ガスを供給するNOx酸化ガス供給手段と、
前記NOx吸蔵還元型触媒の下流に配置される排気ガスセンサと、
前記内燃機関の燃料噴射量をオープンループ制御する第1噴射量制御手段と、
前記NOx吸蔵還元型触媒から流出する排気ガスが理論空燃比となるように前記排気ガスセンサの出力を燃料噴射量にフィードバックして、クローズドループ制御により燃料噴射量を制御する第2噴射量制御手段と、を有し、
前記NOx酸化ガス供給手段は、前記NOx吸蔵還元型触媒の温度が排気ガスを浄化する活性温度以上となった後、前記NOx酸化ガスの供給を停止し、
前記NOx酸化ガス供給手段によるNOx酸化ガスの供給中に前記第1噴射量制御手段による燃料噴射量制御を実行し、該NOx酸化ガス供給手段によるNOx酸化ガスの供給が停止したら内燃機関の燃料噴射量制御を前記第1噴射量制御手段による制御から前記第2噴射量制御手段による制御へ切り替えることを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。 - 排気ガスに供給されるオゾンのモル量が、排気ガスに含まれる一酸化窒素(NO)のモル量よりも大きくなるようにオゾン供給量を調整するオゾン供給量調整手段を更に備えることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
- 前記オゾン供給量調整手段は、排気ガスに供給されるオゾンのモル量が、排気ガスに含まれる一酸化窒素(NO)のモル量の2倍量以上となるように前記オゾン供給手段を制御することを特徴とする請求項5記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
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