JP3565096B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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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し、特に、排気浄化手段を流れる排気ガスの流れ方向を必要に応じて切り替えることができる内燃機関の排気浄化装置に係るものである。
【0002】
【従来の技術】
内燃機関から排出される排気ガスを浄化するために、一般に、内燃機関の排気通路には排気浄化装置が設置される。この排気浄化装置に内燃機関の排気ガスを流していると、排気浄化装置における上流側から徐々に堆積物が付着する。この堆積物が何であるかは、排気ガスの組成により、あるいは、排気浄化装置の構成および排気浄化のメカニズムにより異なり、例えば酸化物、硫化物、硝酸塩、硫酸塩などがある。この堆積物は、排気浄化装置の浄化性能を低下させたり排気抵抗の増大を招く場合があり、所定のタイミングで除去する必要がある。
【0003】
例えば、リーン空燃比の燃焼を行う内燃機関から排出される排気ガスのNOxを浄化する排気浄化装置として、吸蔵還元型NOx触媒がある。この吸蔵還元型NOx触媒は、流入排気ガスの空燃比がリーンのときにNOxを吸収し、流入排気ガス中の酸素濃度が低下したときに吸収したNOxを放出し、N2に還元する触媒であり、排気通路に吸蔵還元型NOx触媒を配置して、リーン空燃比の排気ガスから窒素酸化物(NOx)を吸収させ、NOx吸収後に内燃機関に供給する燃料を増量等して前記吸蔵還元型NOx触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすることにより、前記吸蔵還元型NOx触媒から吸収したNOxを放出させるとともに、放出されたNOxを排気ガス中の未燃HC、CO等の還元成分によりN2に還元浄化する。
【0004】
ところで、一般に、内燃機関の燃料には硫黄分が含まれており、内燃機関で燃料を燃焼すると、燃料中の硫黄分が燃焼して硫黄酸化物(SOx)が発生する。前記吸蔵還元型NOx触媒は、NOxの吸収作用を行うのと同じメカニズムで排気ガス中のSOxの吸収を行うので、内燃機関の排気通路に吸蔵還元型NOx触媒を配置すると、吸蔵還元型NOx触媒にはNOxのみならずSOxも吸収される。
【0005】
ところが、吸蔵還元型NOx触媒に吸収されたSOxは時間経過とともに安定な硫酸塩を形成するため、吸蔵還元型NOx触媒からのNOxの放出、還元浄化(以下、NOx放出・還元処理という)を行う条件では、分解、放出されにくく吸蔵還元型NOx触媒内に蓄積され易い傾向がある。吸蔵還元型NOx触媒内のSOx蓄積量が増大すると、吸蔵還元型NOx触媒のNOx吸収容量が減少して排気ガス中のNOxの除去を十分に行うことができなくなりNOx浄化効率が低下する、いわゆるSOx被毒が生じる。そこで、吸蔵還元型NOx触媒のNOx浄化能を長期に亘って高く維持するためには、触媒に吸収されているSOxを適宜のタイミングで放出させる必要がある。
【0006】
吸蔵還元型NOx触媒に吸収されたSOxを放出させるには、流入排気ガスの空燃比をリッチにし、且つ、NOx放出・還元処理時よりも吸蔵還元型NOx触媒を高温にする必要があることが分かっている。
【0007】
ところで、吸蔵還元型NOx触媒内のSOxの吸収量の分布は、吸蔵還元型NOx触媒においては排気ガスの入口側に近いほど多くなっており、そのため、吸蔵還元型NOx触媒に吸収されたSOxを放出させる際に、リッチ空燃比の排気ガスをNOx吸収時の排気ガスの流れ方向と同じ方向に流したのでは、吸蔵還元型NOx触媒において前記入口側に吸収されていたSOxが放出されても、放出されたSOxが吸蔵還元型NOx触媒の中を排気ガスの出口側に移動するだけで吸蔵還元型NOx触媒に再吸収されてしまい、吸蔵還元型NOx触媒から効率よく排出することができないという問題がある。
【0008】
そこで、特開平7−259542号公報に開示されているように、吸蔵還元型NOx触媒に吸収されたSOxを放出させるときには、リッチ空燃比の排気ガスをNOx吸収時とは逆方向に吸蔵還元型NOx触媒に流す技術が提案されている。このように排気ガスの流れを逆にしてSOxの放出を行う逆流機能を備えていると、吸蔵還元型NOx触媒から放出されたSOxは、吸蔵還元型NOx触媒内での移動距離が少なく直ちに吸蔵還元型NOx触媒の外に排出されるようになるので、放出されたSOxが吸蔵還元型NOx触媒に再吸収されることを防止することができる。
【0009】
前記公報に開示されている逆流機能付き内燃機関の排気浄化装置の場合には、吸蔵還元型NOx触媒をバイパスさせるバイパス通路を設け、吸蔵還元型NOx触媒に連なる排気通路と前記バイパス通路との合流部分にそれぞれ流路切替弁を設け、さらに、吸蔵還元型NOx触媒とこれよりも内燃機関に近い側の前記流路切替弁との間を排気ポンプの吸い込み口に接続し、排気ポンプの吐出口をバイパス通路に接続し、吸蔵還元型NOx触媒からSOxを放出させるときには、内燃機関の排気の全量がバイパス通路に流れるように前記2つの流路切替弁の弁位置を切り替えるとともに、排気ポンプを運転することによって、通常のNOx吸収時とは逆方向に吸蔵還元型NOx触媒を流れる排気の流れを発生させている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
この従来の逆流機能付き内燃機関の排気浄化装置では、排気ポンプや複数の流路切替弁が必要であり、部品点数が多くなって、コストアップになった。また、部品点数が多くなると、それだけ保守点検に手間がかかることになる。
【0011】
また、上述した吸蔵還元型NOx触媒において逆流を伴うSOx放出処理は、SOx放出の際のSOxの移動距離を短くすることによってSOxの再吸収を回避することに着眼した処理方法ではあるが、その一方で、この処理方法を採用すると、排気ガスが吸蔵還元型NOx触媒に至るまでの距離が長くなるため、その長い経路を流通してくる間の排気ガスの温度低下が大きく、SOx放出時の温度条件の観点からすると必ずしもSOx放出に最良の方法と言えない場合もある。
【0012】
そこで、本出願人は、このような逆流機能付き内燃機関の排気浄化装置を簡単な構造とし、部品点数を少なくしてコストダウンを図れるようにした技術を既に提案した(特願平11−011025)。
【0013】
この技術は、内燃機関の排気通路に排気浄化手段を有し、この排気浄化手段よりも上流の排気通路に4つのポートを備えた流れ方向切替手段を設け、この流れ方向切替手段の第1ポートには内燃機関に接続された第1排気通路を接続し、第2ポートには大気に接続された第2排気通路を接続し、第3ポートには排気浄化手段の一方側に接続された第3排気通路を接続し、第4ポートには排気浄化手段の他方側に接続された第4排気通路を接続し、流れ方向切替手段は、第1ポートと第3ポートとを接続するとともに第2ポートと第4ポートとを接続して排気浄化手段に第1の方向に排気ガスを流す第1の位置と、第1ポートと第4ポートとを接続するとともに第2ポートと第3ポートとを接続して排気浄化手段に第1の方向と逆の第2の方向に排気ガスを流す第2の位置とに切り替え可能に構成したものである。
【0014】
この排気浄化装置では、温度ウインドウを持つ触媒の床温度制御を排気管の長さを利用して行うことができるように、排気ガスを流す第1の方向とその第1の方向とは逆の第2の方向との排気通路の長さを異ならせている。即ち、排気ガスを排気管に流すと放熱現象により排気ガス温度が低下し、排気通路の長さが長くなるほど温度降下は大きい。一方、排気浄化手段に用いるNOx触媒のNOx浄化率は触媒温度と相関があり、NOxを吸収する最適な温度ウインドウを有しており、このNOx吸収温度ウインドウから外れるとNOx吸収能力が大幅に低下する。したがって、流れ方向切替手段によって排気ガスの流れ方向を切り替えることにより、NOxの吸収及び放出制御やSOxの放出制御等を効率的に行うことができる。
【0015】
しかしながら、この排気浄化装置においては、排気ガスの流れ方向を切り替えるために流れ方向切替手段の弁体を作動させると、排気ガスの流れが第1の方向から第2の方向へ、あるいは第2の方向から第1の方向へ切り替わる途中で、一時的に排気浄化手段をバイパスする流れが生じ、浄化されない排気ガスが車外に排出される問題が生じていた。
【0016】
よって、本発明が解決しようとする課題の一つは、排気ガスの流れ方向切替手段の作動中に、排気浄化手段をバイパスする排気ガスの流れが生じたとしてもこれを浄化して排出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。
また、本発明が解決しようとする課題の他の一つは、排気ガスの流れ方向切替手段の切替制御において、排気浄化手段のSOx被毒が生じないように排気ガスの流れを制御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。
また、本発明が解決しようとする課題のさらに他の一つは、流れ方向切替手段を浄化率が低い触媒活性温度範囲外で切り替えるようにすることで、排気浄化手段をバイパスする排気ガスの流れができるだけ生じないようにし、全体として排気浄化性能を向上させ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。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。
本発明の第1の手段は、内燃機関の排気通路に排気浄化手段を有し、この排気浄化手段よりも上流の排気通路に4つのポートを備えた流れ方向切替手段が設けられ、該流れ方向切替手段の第1ポートには内燃機関に接続された第1排気通路が接続され、第2ポートには大気に接続された第2排気通路が接続され、第3ポートには前記排気浄化手段の一方側に接続された第3排気通路が接続され、第4ポートには前記排気浄化手段の他方側に接続された第4排気通路が接続されており、前記流れ方向切替手段は、前記第1ポートと前記第3ポートとを接続するとともに前記第2ポートと前記第4ポートとを接続して前記排気浄化手段に第1の方向に排気ガスを流す第1の位置と、前記第1ポートと前記第4ポートとを接続するとともに前記第2ポートと前記第3ポートとを接続して前記排気浄化手段に第1の方向と逆の第2の方向に排気ガスを流す第2の位置と、前記第1ポートと前記第2ポートとを接続して前記排気浄化手段をバイパスして排気ガスを流す第3の位置とに切り替え可能な排気浄化装置であり、前記流れ方向切替手段が前記第1の位置と第2の位置をとることで内燃機関から排気浄化手段までの距離が異なる排気通路を有し、前記排気浄化手段の触媒温度により前記流れ方向切替手段が作動するものにおいて、前記排気通路に三元触媒が設けられ、前記第1の位置から前記第2の位置へ前記流れ方向切替手段が作動するときには内燃機関の排気空燃比がストイキに制御されることを特徴とする。
【0018】
この内燃機関の排気浄化装置では、流れ方向切替手段を切り替えて第1の位置あるいは第2の位置のいずれか一方を選択することによって、排気ガスを排気浄化手段に順方向に流したり、逆方向に流したりすることができる。流れ方向切替手段の作動時に、排気浄化手段をバイパスする第3の位置に切り替えられたときには、内燃機関の排気空燃比がストイキに制御されることで三元触媒が機能し、排気ガスが浄化されて排出される。したがって、排気ガスの流れ方向切替手段の作動中に、排気浄化手段をバイパスする排気ガスの流れが生じたとしてもこれを浄化して排出することができる。三元触媒については、排気浄化手段の上流側あるいは下流側のいずれの排気通路にも設けることができる。
【0019】
本発明の第2の手段では、前記三元触媒は前記内燃機関の排気空燃比がリーンでSOxを吸収するSOx吸収機能を有し、前記第1の位置から前記第2の位置へ前記流れ方向切替手段が作動するときには内燃機関の排気空燃比をストイキに制御し、前記第3の位置に前記流れ方向切替手段を作動させた後に第2の位置に切り替えることを特徴とする。
【0020】
このように、三元触媒にSOx吸収機能を持たせたものにおいては、内燃機関の排気空燃比がストイキ時に三元触媒よりSOxが放出されるため、流れ方向切替手段の作動を排気バイパス位置である第3の位置で一時的に停止させ、SOx放出が完了してから、流れ方向切替手段を第2の位置に切り替えるように制御される。これにより、排気浄化手段のSOx被毒を効果的に防止できる。
【0021】
本発明の第三の手段では、内燃機関の排気通路に排気浄化手段を有し、この排気浄化手段よりも上流の排気通路に4つのポートを備えた流れ方向切替手段が設けられ、該流れ方向切替手段の第1ポートには内燃機関に接続された第1排気通路が接続され、第2ポートには大気に接続された第2排気通路が接続され、第3ポートには前記排気浄化手段の一方側に接続された第3排気通路が接続され、第4ポートには前記排気浄化手段の他方側に接続された第4排気通路が接続されており、前記流れ方向切替手段は、前記第1ポートと前記第3ポートとを接続するとともに前記第2ポートと前記第4ポートとを接続して前記排気浄化手段に第1の方向に排気ガスを流す第1の位置と、前記第1ポートと前記第4ポートとを接続するとともに前記第2ポートと前記第3ポートとを接続して前記排気浄化手段に第1の方向と逆の第2の方向に排気ガスを流す第2の位置と、前記第1ポートと前記第2ポートとを接続して前記排気浄化手段をバイパスして排気ガスを流す第3の位置とに切り替え可能な排気浄化装置であり、前記流れ方向切替手段の第1の位置と第2の位置をとることで内燃機関から排気浄化手段までの距離が異なる排気通路を有し、前記排気浄化手段の触媒温度により前記流れ方向切替手段が作動するものにおいて、排気浄化手段の触媒温度が排気浄化率の高い温度ウインドウ内にあるときには、前記切替弁の作動を禁止することを特徴とする。
【0022】
このように、排気ガスの流れ方向切替手段の切り替え制御に工夫を凝らすことにより、排気浄化手段をバイパスする排気ガスの流れができるだけ生じないようにし、これにより必要最低限の排気浄化手段で排気ガスを効率的に浄化できる。排気浄化手段が例えばNOx触媒である場合、触媒活性温度内であれば、排気ガスの流れ方向切替手段は作動させず、その切替手段を第1の位置又は第2の位置の何れかに保持した状態とする。そして、触媒温度が触媒活性温度(温度ウインドウ)以上あるいは以下になったときに初めて流れ方向切替手段の切り替え制御を行う。これにより、排気浄化手段をバイパスする排気ガスの流れが存在する問題を、流れ方向切替手段の切り替え制御のみの簡便な方法で対処することができる。即ち、流れ方向切替手段をそもそも浄化率が低い触媒活性温度範囲外で切り替えるようにしているため、全体として排気浄化性能が向上する。
【0023】
【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の実施の形態について、図面を参照して説明する。
〔第1の実施の形態〕
図1は、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置を、リーン空燃比で燃焼可能なガソリンエンジン(いわゆるリーンバーンガソリンエンジン)に適用した場合の実施の形態における概略構成を示す図である。
【0024】
この図において、エンジン1は直列4気筒であり、吸気管2及び吸気マニホルド3を介して各気筒に吸気が供給される。吸気管2には、図示しないアクセルペダルと連動して吸気管2内の吸気通路を開閉するスロットル弁4が設けられ、このスロットル弁4には、スロットル弁4の開度に対応した出力信号をエンジンコントロール用電子制御ユニット(ECU)100に出力するスロットルポジションセンサ5が取り付けられている。
【0025】
吸気管2においてスロットル弁4よりも上流側には、吸気管2内を流れる吸入空気量(吸入空気質量)Qに対応した出力信号をECU100に出力するエアフロメータ6が取り付けられている。
【0026】
エンジン1の各気筒に連なる各吸気通路には燃料噴射弁7から燃料(ガソリン)が噴射される。燃料噴射弁7の開弁時期及び開弁期間は、エンジン1の運転状態に応じてECU100によって制御される。
【0027】
エンジン1の各気筒から排出される排気ガスは、排気マニホールド8及び排気管(第1排気通路)9を介して排気される。排気管9の途中には三元触媒40が設けられている。この三元触媒40は、エンジン1の排気空燃比がストイキのときに、排気ガス中のNOxやSOx、HC、CO等を浄化する機能を有するものである。
【0028】
排気管9は、4つのポートを備えた排気切替弁(流れ方向切替手段)20の第1ポートに接続されている。排気切替弁20の第2ポートは排気ガスを大気に排出する排気管(第2排気通路)10に接続され、排気切替弁20の第3ポートは排気管(第3排気通路)11を介して触媒コンバータ(排気浄化手段)30の入口30aに接続され、排気切替弁20の第4ポートは排気管(第4排気通路)12を介して触媒コンバータ(排気浄化手段)30の出口30bに接続されている。触媒コンバータ30には吸蔵還元型NOx触媒(以下、NOx触媒と略す)31が収容されている。NOx触媒31については後で詳述する。
【0029】
排気切替弁20は、その弁体を図1に示す順流位置と図2に示す逆流位置に切り替えることによって、触媒コンバータ30を流れる排気ガスの流れ方向を変えることができるバルブである。前記弁体が順流位置に位置しているとき、排気切替弁20は、排気管9と排気管11とを接続するとともに排気管10と排気管12とを接続し、この時、排気ガスは、三元触媒40→排気管9→排気管11→触媒コンバータ30→排気管12→排気管10の順に流れて、大気に放出される。このように触媒コンバータ30の入口30aから出口30bに向かって流れる排気ガスの流れを、以下の説明においては「順流」と称す。
【0030】
また、排気切替弁20の弁体が図2に示す逆流位置に位置しているとき、排気切替弁20は、排気管9と排気管12とを接続するとともに排気管10と排気管11とを接続し、この時、排気ガスは、三元触媒40→排気管9→排気管12→触媒コンバータ30→排気管11→排気管10の順に流れて、大気に放出される。このように触媒コンバータ30の出口30bから入口30aに向かって流れる排気ガスの流れを、以下の説明においては「逆流」と称す。
【0031】
また、排気切替弁20の弁体が図3に示す中立位置に位置しているとき、排気切替弁20は、排気管9と排気管10とを接続し、この時、排気ガスは、三元触媒40→排気管9→排気管10の順に流れて、大気に放出される。このように触媒コンバータ30を流れずにバイパスする排気ガスのながれを、以下の説明では「ショートパス」と称す。
【0032】
この排気切替弁20はアクチュエータ21に駆動されて弁***置の切り替えが行われるようになっており、アクチュエータ21はECU100により制御される。この実施の形態では、アクチュエータ21とECU100は制御手段を構成する。排気切替弁20の弁***置の切り替え制御については後で詳述する。
【0033】
排気管11において触媒コンバータ30の入口30aの近傍には、排気管11内を流れる排気ガスの温度に対応した出力信号をECU100に出力する排気温センサ13が取り付けられている。
【0034】
ECU100はデジタルコンピュータからなり、双方向バスによって相互に接続されたROM(リードオンメモリ)、RAM(ランダムアクセスメモリ)、CPU(セントラルプロセッサユニット)、入力ポート、出力ポートを具備し、エンジン1の空燃比制御等の基本制御を行うほか、この実施の形態では、触媒コンバータ30のSOx放出処理制御等を行っている。
【0035】
これら制御のために、ECU100の入力ポートには、前記エアフロメータ6からの入力信号、排気温センサ13からの入力信号が入力されるほか、回転数センサ14からの入力信号が入力される。回転数センサ14はエンジン1の回転数に応じた出力信号をECU100に出力し、この出力信号からECU100はエンジン回転数Nを演算する。また、ECU100はエアフロメータ6の出力信号から吸入空気量Qを演算し、エンジン負荷Q/N(吸入空気量Q/エンジン回転数N)を演算する。そして、ECU100は、エンジン回転数Nとエンジン負荷Q/Nからエンジン1の運転状態を判定し、その運転状態に応じて燃料噴射弁から噴射する燃料量を制御し、リーン空燃比とストイキまたはリッチ空燃比に切り替える空燃比制御を行う。この空燃比制御の一例を挙げれば、暖機運転時および高負荷運転域ではストイキまたはリッチ空燃比とし、低中負荷運転域ではリーン空燃比とする制御方法がある。
【0036】
触媒コンバータ30に収容されているNOx触媒31、即ち吸蔵還元型NOx触媒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のような貴金属とが担持されている。
【0037】
このNOx触媒31は、流入排気ガスの空燃比(以下、排気空燃比と称す)がリーンのときはNOxを吸収し、流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したNOxを放出し、N2 に還元する。尚、排気空燃比とは、ここではNOx触媒31の上流側の排気通路やエンジン燃焼室、吸気通路等にそれぞれ供給された空気量の合計と燃料(炭化水素)の合計の比を意味するものとする。したがって、NOx触媒31上流の排気通路内に燃料、還元剤あるいは空気が供給されない場合には、排気空燃比はエンジン燃焼室内に供給される混合気の空燃比に一致することになる。
【0038】
この実施の形態では、リーン空燃比での燃焼が可能ないわゆるリーンバーンガソリンエンジンを内燃機関として使用しており、エンジン1の運転状態に応じて混合気の空燃比を制御している。それゆえ、エンジン1がリーン空燃比で運転されている時には排気空燃比はリーンになり、酸素濃度は高くなる。一方、エンジン1がストイキまたはリッチ空燃比で運転されている時には排気空燃比はストイキまたはリッチになり、排気ガス中の酸素濃度は大幅に低下するとともに、エンジン1から排出される未燃HC、CO等の成分が増大する。
【0039】
NOx触媒31のNOx吸放出作用のメカニズムについては明らかでない部分もあるが、図4に示すようなメカニズムで行われると考えられている。このメカニズムについて、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説明するが、他の貴金属,アルカリ金属,アルカリ土類,希土類を用いても同様のメカニズムとなる。
【0040】
まず、流入排気ガスがかなりリーンになると流入排気ガス中の酸素濃度が大巾に増大するため、図4(A)に示すように、酸素O2 がO2 −又はO2−の形で白金Ptの表面に付着する。次に、排気ガスに含まれるNOは、白金Ptの表面上でO2 −又はO2−と反応し、NO2 となる(2NO+O2 →2NO2 )。
【0041】
その後、生成されたNO2は、NOx触媒31のNOx吸収能力が飽和しない限り、白金Pt上で酸化されながらNOx触媒31内に吸収されて酸化バリウムBaOと結合し、図4(A)に示すように硝酸イオンNO3 −の形でNOx触媒31内に拡散する。このようにしてNOxがNOx触媒31内に吸収される。
【0042】
これに対し、流入排気ガス中の酸素濃度が低下した場合は、NO2の生成量が低下し、前記反応とは逆の反応(NO3 − →NO2)によって、NOx触媒31内の硝酸イオンNO3 −は、NO2またはNOの形でNOx触媒31から放出される。
【0043】
一方、流入排気ガス中にHC,CO等の還元成分が存在すると、これらの成分は白金Pt上の酸素O2 −又はO2−と反応して酸化され、排気ガス中の酸素を消費して排気ガス中の酸素濃度を低下させる。また、排気ガス中の酸素濃度低下によりNOx触媒31から放出されたNO2 またはNOは、図4(B)に示すように、HC,COと反応して還元される。このようにして白金Pt上のNO2 またはNOが存在しなくなると、NOx触媒31から次から次へとNO2またはNOが放出される。
【0044】
即ち、流入排気ガス中のHC,COは、まず白金Pt上の酸素O2 −又はO2−とただちに反応して酸化せしめられ、次いで白金Pt上の酸素O2 −又はO2−が消費されてもまだHC,COが残っていれば、このHC,COによってNOx触媒31から放出されたNOxおよびエンジンから排出されたNOxがN2に還元せしめられる。
【0045】
このように、排気空燃比がリーンになるとNOxがNOx触媒31に吸収され、排気空燃比をストイキあるいはリッチにするとNOxがNOx触媒31から短時間のうちに放出され、N2に還元される。したがって、大気中へのNOxの排出を阻止することができる。
【0046】
次に、NOx触媒31のSOx被毒のメカニズムについて説明する。排気ガス中に硫黄酸化物(SOx)が含まれていると、NOx触媒31は上述のNOxの吸収と同じメカニズムで排気ガス中のSOxを吸収する。即ち、排気空燃比がリーンのときには、酸素O2がO2 −又はO2−の形でNOx触媒31の白金Ptの表面に付着しており、流入排気ガス中のSOx(例えばSO2)は白金Ptの表面上で酸化されてSO3となる。
【0047】
その後、生成されたSO2は、白金Ptの表面で更に酸化されながらNOx触媒31内に吸収されて酸化バリウムBaOと結合し、硫酸イオンSO4 2−の形でNOx触媒31内に拡散し硫酸塩BaSO4を形成する。BaSO4は結晶が粗大化し易く、比較的安定し易いため、一旦生成されると分解放出されにくい。このため、時間の経過とともにNOx触媒31中のBaSO4の生成量が増大するとNOx触媒31の吸収に関与できるBaOの量が減少してNOxの吸収能力が低下してしまう。これが即ちSOx被毒である。したがって、NOx触媒31のNOx吸収能力を高く維持するためには、適宜のタイミングでNOx触媒31に吸収されたSOxを放出させる必要がある。
【0048】
NOx触媒31からSOxを放出させるには、NOxを放出させる場合と同様に排気ガスの酸素濃度を低下させればよいことが分かっており、また、NOx触媒31の温度が高いほど放出し易いことが分かっている。
【0049】
本出願人の研究により、NOx触媒31に吸収されたSOxを放出させるには、流入排気空燃比をストイキまたはリッチにし、且つ、NOx触媒31からNOxを放出させる通常のNOx放出・還元処理時よりもNOx触媒31の温度を高くする必要があることがわかった。
【0050】
また、触媒コンバータ30におけるSOxの吸収状態は、触媒コンバータ30の入口30aに近く位置しているNOx触媒31の方が、入口30aから遠くに位置しているNOx触媒31よりもSOx吸収量が多くなるため、NOx触媒31からSOxを放出させる際には、排気空燃比がストイキまたはリッチで且つ高温の排気ガスを触媒コンバータ30の出口30b側から入口30a側に向けて流すと、SOxを短時間で放出することができる。
【0051】
触媒コンバータ30の排気通路への配置位置については、排気ガスの流れが順流のときのNOx触媒床温度を確保するため、触媒コンバータ30の入口30aが排気切替弁20の近くに位置する配置としている。即ち、排気切替弁20の弁体を順流位置に位置させた状態を示す図1と、排気切替弁20の弁体を逆流位置に位置させた状態を示す図2とからもわかるように、排気ガスが触媒コンバータ30に流入するまでの流路長さは、排気切替弁20の弁体を順流位置にしたときの方が、弁体を逆流位置にしたときよりも短い。そのため、排気ガスを排気管に流すと放熱現象により排気ガス温度が低下し、流路長さが長くなるほど温度降下は大きい。したがって、排気切替弁20の弁体を順流位置に位置させたときよりも、弁体を逆流位置に位置させたときの方が触媒コンバータ30に流入するまでの排気ガスの温度降下が大きい。
【0052】
一方、図5に示すように、NOx触媒31のNOx浄化率は触媒温度と相関があり、NOxを吸収するのに最適な温度ウインドウ(以下NOx吸収ウインドウという)を有しており、このNOx吸収ウインドウから外れるとNOx吸収能力が大幅に低下する。また、NOx触媒31からNOxを放出・還元させるときには、NOx触媒31の温度をそれほど高くしなくてもNOxを放出させることができるものの、NOx触媒31からSOxを放出させるときには、前述したようにNOx触媒31の温度を高温にした方がSOxを効率的に放出することができる。
【0053】
他方、排気切替弁20の弁体を作動させると、弁体作動中に排気ガスが図3に示すようにショートパスして触媒コンバータ30をバイパスするために、排気空燃比がリーンであるとその排気ガスが三元触媒によって浄化されない。
【0054】
そこで、本実施の形態では、排気ガスの流れ方向を順流あるいは逆流とする際に必要な排気切替弁20の切替操作に基づく弁体作動中に、排気ガスがショートパスする弁***置(第3の位置)では、排気空燃比をストイキに制御することとした。この弁体の作動を伴う排気切替弁20の切換操作については、例えば、NOx,SOxの吸収時には触媒コンバータ30における排気ガスの流れを順流にし、NOx,SOxの放出時には触媒コンバータ30における排気ガスの流れを逆流にするとき、あるいはNOx触媒31のNOx浄化率が触媒温度と相関する点を考慮し、触媒温度が温度ウインドーから外れないように排気ガスの流れ方向を順流又は逆流に切り替えるとき、などを例示することができる。
【0055】
次に、本実施の形態における排気浄化装置の作動について、NOxあるいはSOx放出時に排気ガスを逆流させる制御を例にとり説明する。前述したように、エンジン1はリーンバーンガソリンエンジンであり、エンジン1の運転状態に応じて空燃比がECU100により制御され、エンジン1がリーン空燃比で運転されている時には排気空燃比はリーンになって、酸素濃度は高くなり、エンジン1がストイキまたはリッチ空燃比で運転されている時には排気空燃比はストイキまたはリッチになり、排気ガス中の酸素濃度は大幅に低下するとともに、エンジン1から排出される未燃HC、CO等の成分が増大する。
【0056】
そこで、エンジン1がリーン空燃比で運転されているときには、排気切替弁20の弁体が図1に示す順流位置に保持されるように、ECU100によってアクチュエータ21の作動を制御する。これにより、エンジン1の排気ガスは、三元触媒40→排気管9→排気管11→触媒コンバータ30→排気管12→排気管10の順に流れて、大気に放出されるようになり、触媒コンバータ30では入口30aから出口30bに向かって流れる順流となる。この時、排気ガス中のNOx及びSOxが触媒コンバータ30のNOx触媒31に吸収される。またこの時、排気空燃比がリーンであるため三元触媒40はほとんど機能しない。
【0057】
そして、エンジン1がストイキ又はリッチ空燃比で運転されているときには、排気切替弁20の弁体が図2に示す逆流位置に保持されるように、ECU100によってアクチュエータ21の作動を制御する。これにより、エンジン1の排気ガスは、三元触媒40→排気管9→排気管12→触媒コンバータ30→排気管11→排気管10の順に流れて、大気に放出されるようになり、触媒コンバータ30では出口30bから入口30aに向かって流れる逆流となる。また、エンジン1をストイキまたはリッチ空燃比で運転している時には、NOx触媒31からSOxが放出され易い排気ガス温度となるように、ECU100によってエンジン1の運転制御がなされるようにしておく。
【0058】
これにより、触媒コンバータ30内をストイキまたはリッチ空燃比の高温の排気ガスが、NOx,SOx吸収時とは逆の方向に通過するようになり、NOx触媒31からNOxが放出され、さらに排気ガス中の未燃HC,CO等によりN2に還元浄化される。また、排気ガスが触媒コンバータ30を逆流することによって、NOx触媒31に吸収されているSOxを短時間のうちにNOx触媒31から放出させることができる。
【0059】
また、エンジン1の運転条件によりリーン空燃比運転が長時間続いた時には、エンジン1を強制的にストイキまたはリッチ空燃比で運転されるように制御して上述のようにNOx,SOxの放出処理を行い、触媒コンバータ30がNOxやSOxで飽和しないようにする。このようなエンジン1の空燃比制御方法を以下の説明ではリーン・リッチスパイク制御と称す。尚、リーン・リッチスパイク制御について具体的に数値を挙げて説明すると、エンジン1の「リーン空燃比運転」が数十秒(例えば40〜60秒)続くと、「ストイキまたはリッチ空燃比運転」が数秒(例えば2〜3秒)続き、この「リーン空燃比運転」と「ストイキまたはリッチ空燃比運転」が交互に実行されるといった具合である。
【0060】
このように排気切替弁20の弁体が順流位置から逆流位置にあるいは逆流位置から順流位置に切り替わる途中では、図3に示すように排気ガスが排気管9から排気管10へとショートパスして触媒コンバータ30をバイパスする。このとき、ショートパスする排気ガスがリーンであると、三元触媒40は機能せず、排気ガスは浄化されない。したがって、排気切替弁20の弁体作動中においては、エンジン1の運転制御により、排気空燃比を強制的にストイキに制御して三元触媒40を機能させ、ショートパスする排気ガスを三元触媒40により浄化してから大気に放出させる。
【0061】
図6は、このようにエンジン1の運転制御により、排気空燃比を強制的にストイキに制御するときにECU100が実行する制御手順を示すフローチャートである。
まず、ステップS1では、ECU100はバルブ作動時期か否かを判定する。この判定については、どのような条件を満たしたときに排気ガスの流れ方向を切り替えるか否か、排気浄化の全体システムや排気浄化手段の特性によって決定されるが、例えばECU100がエンジン1の運転時間を積算し、その積算値が所定量に達した場合にSOx放出処理必要と判定したり、ECU100がNOx触媒31に吸収されたSOx量を積算し、積算値が所定量に達した時にSOx放出必要と判定するなどを例示することができる。また、リーン空燃比で燃焼可能なリーンバーンガソリンエンジンの場合には、エンジンの運転状態によってリーン空燃比による燃焼とリッチ空燃比による燃焼に切り替えられるので、このエンジンの運転状態応じて排気切換弁20を切替制御する場合なども例示することができる。
【0062】
ステップS1において、バルブ作動時期でないことを判定したらリターンしてスタートへ戻る。バルブ作動時期であることを判定した場合には、ステップS2においてエンジン1の排気空燃比を強制的にストイキに制御する。エンジン1の排気空燃比をストイキに制御したら、次にステップS3において、アクチュエータ21の作動制御により排気切替弁20の弁体(バルブ)を順流位置から逆流位置へ切り替える。
【0063】
バルブの切り替え制御を完了したら、ステップS4に移行する。ステップS4では、ECU100はエンジン1の運転状態に応じた空燃比に、あるいは強制的にリーン・リッチスパイク運転等に制御する。ステップS4へ移行後はリターンしてスタートへ戻る。
【0064】
なお、バルブ作動中において、エンジン1の排気空燃比を強制的にストイキに制御することは、NOx触媒31のNOx浄化率が触媒温度と相関する点を考慮し、触媒温度が温度ウインドーから外れないように排気ガスの流れ方向を順流又は逆流に切り替えるときにおいても同様である。
【0065】
この実施の形態では、排気ガスが順流に流れる方向が第1の方向となり、逆流に流れる方向が第2の方向となる。また、排気管9、排気管11、排気管12、排気管10、排気切替弁20、アクチュエータ21、ECU100等は排気ガスの逆流手段を構成している。また、SOx除去に必要な排気ガスの空燃比(リーン又はリッチ)と排気ガス温度(高温)をエンジン1の運転制御によって得ているので、この実施の形態ではエンジン1の運転制御を行うための各センサーを含むECU100が制御手段を構成している。
【0066】
また、この実施の形態では、三元触媒40を触媒コンバータ30の上流側に設けた例を示したが、三元触媒40を触媒コンバータ30の下流側に設けてもよい。三元触媒40を触媒コンバータ30の下流側に設ける例としては、排気管10の途中に設ける例を挙げることができる。
【0067】
〔実施の形態2〕
次に、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第2の実施の形態について、図7のフロー図を参照して説明する。
【0068】
この第2の実施の形態では、第1の実施の形態で示した三元触媒40に、Sトラップ材の機能を持たせた場合における制御例を示したものである。この場合の三元触媒40は、流入排気ガスの空燃比がリーンのときにSOxを吸収し、酸素濃度の低いストイキ又はリッチ空燃比のときに吸収したSOxを放出する。
【0069】
このように三元触媒40にSトラップ機能を持たせると、図1に示すように排気切替弁20の弁体を順流位置にしたとき(即ち、NOx吸収時)には、三元触媒40が触媒コンバータ30よりも上流に位置することになるので、排気ガス中のSOxは三元触媒40に吸着され、触媒コンバータ30へのSOxの流入を阻止することができ、NOx触媒31のSOx被毒を阻止することができる。しかし、エンジン1の排気空燃比をストイキに制御すると、三元触媒40からSOxが放出されるため、NOx触媒31のSOx被毒の問題が生じる。
【0070】
そこで、この実施の形態では、ECU100は次のように排気切替弁20の弁***置の切り替え制御を行う。
まず、ステップS11において、ECU100はバルブ作動時期か否かを判定する。バルブ作動時期でないことを判定したらリターンしてスタートへ戻る。バルブ作動時期であることを判定した場合には、ステップS12に進み、エンジン1の排気空燃比を強制的にストイキに制御するとともに、アクチュエータ21の作動制御により排気切替弁20の弁体(バルブ)を順流位置から逆流位置へ切り替える途中で、バルブをバイパス位置(第3の位置)に位置させる。
【0071】
排気空燃比がストイキに制御されると、三元触媒40からSOxが放出されるが、バルブがバイパス位置にあるため、SOxを含む排気ガスはNOx触媒31をバイパスして大気に放出される。これによりNOx触媒31のSOx被毒が防止される。
【0072】
ステップS12の実行により、バルブをバイパス位置に位置させた状態でステップS13へ移行する。このステップS13では、三元触媒40のSOx放出が完了したか否かを判定し、SOx放出未完了と判定した場合はステップS12へ戻る。SOx放出完了と判定した場合はステップS14へ進み、目的とするバルブ切替位置(逆流位置)へ切り替えてバルブの切替制御を完了する。
【0073】
ステップS14においてバルブの切り替え制御を完了するとステップS15へ移行する。ステップS15では、ECU100はエンジン1をその運転状態に応じた空燃比に、あるいは強制的にリーン・リッチスパイク運転等に制御する。ステップS15移行後はリターンしてスタートへ戻る。
【0074】
なお、以上の制御フローは、バルブを逆流位置から順流位置へ切り替える場合においても同様に実行される。また、このようにエンジン1の排気空燃比を強制的にストイキに制御するとき、バルブの作動を一旦排気バイパス位置で停止させることは、NOx触媒31のNOx浄化率が触媒温度と相関する点を考慮し、触媒温度が温度ウインドーから外れないように排気ガスの投げれ方向を順流又は逆流に切り替えるときにおいても同様に実行される。
【0075】
尚、上述した実施の形態では、NOx触媒31からのNOx,SOxの放出処理を同時に行っているが、エンジンの排気ガス、特にガソリンエンジンの排気ガスに含まれるSOx量は極めて僅かであるため、NOxの放出処理と同一の頻度でSOxの放出処理を行う必要はない。そこで、NOxの放出処理を行う場合には、ストイキまたはリッチ空燃比の運転域であっても排気ガス温度が比較的に低いエンジン1の運転状態の時には、排気ガスを触媒コンバータ30にNOx吸収時と同じ順流で流してNOx触媒31からNOxを放出・還元させるようにし、一方、ストイキまたはリッチ空燃比の運転域であって且つ排気ガス温度が上昇して高温になるエンジン1の運転状態(加速時や高負荷運転時など)のとき、即ち排気ガスの状態がSOx放出に有利なストイキまたはリッチ空燃比且つ高温になった時にのみ、排気切替弁20の弁体を逆流位置に切り替えて、触媒コンバータ30を流れる排気ガスの流れを逆流にし、SOxの放出処理を行うように制御してもよい。
【0076】
また、ECU100によってNOx触媒31のSOx放出処理が必要か否かを判定し、SOx放出処理の必要なしと判定されたときには排気切替弁20の弁体を順流位置に保持して触媒コンバータ30を流れる排気ガスの流れを順流にし、必要があると判定されたときに排気切替弁20の弁体を逆流位置に切り替え、触媒コンバータ30を流れる排気ガスの流れを逆流にし、且つ、ECU100が、SOxの放出に最適な目標空燃比や目標触媒温度を算出し、さらに還元剤添加装置を備えた場合には目標還元剤量を算出し、これら目標値となるようにエンジン1や還元剤添加装置等を制御して、SOxの放出処理を行うようにしてもよい。
【0077】
〔実施の形態3〕
次に、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第3の実施の形態について、図8〜図11を参照して説明する。
【0078】
図8は、第3の実施の形態における内燃機関の排気浄化装置の概略構成を示す図である。同図に示す例では、排気通路に三元触媒が設けられていない点を除けば、先の第1及び第2の実施形態と基本的に同じである。
【0079】
即ち、エンジン1は直列4気筒のリーンバーンガソリンエンジンであり、吸気管2及び吸気マニホールド3を介して各気筒に吸気が供給され、各気筒に連なる各吸気通路に燃料噴射弁7から燃料が噴射され、各気筒から排出される排気ガスは排気マニホールド8及び排気管9を介して排気され、吸気管2にはスロットルポジションセンサ5を備えたスロットル弁4とエアフロメータ6が設置され、排気管11には排気温センサ13が設置され、エンジン1には回転数センサ14が設置され、スロットルポジションセンサ5、エアフロメータ6、排気温センサ13、回転数センサ14の各出力信号がECU100に出力され、ECU100からの出力信号に基づいて燃料噴射弁7が作動制御される構成である。
【0080】
また、排気管9は、4つのポートを備えた排気切替弁(流れ方向切替手段)20の第1ポートに接続されている。排気切替弁20の第2ポートは排気ガスを大気に排出する排気管(第2排気通路)10に接続され、排気切替弁20の第3ポートは排気管(第3排気通路)11を介して触媒コンバータ(排気浄化手段)30の入口30aに接続され、排気切替弁20の第4ポートは排気管(第4排気通路)12を介して触媒コンバータ(排気浄化手段)30の出口30bに接続されている。触媒コンバータ30には吸蔵還元型NOx触媒31が収容されている。
【0081】
排気切替弁20は、その弁体を図8に示す順流位置(第1の位置)と図9に示す逆流位置(第2の位置)に切り替えることによって、触媒コンバータ30を流れる排気ガスの流れ方向を変えることができるバルブである。前記弁体が順流位置に位置しているとき、排気切替弁20は、排気管9と排気管11とを接続するとともに排気管10と排気管12とを接続し、この時、排気ガスは、排気管9→排気管11→触媒コンバータ30→排気管12→排気管10の順に流れて、大気に放出される。
【0082】
また、排気切替弁20の弁体が図9に示す逆流位置に位置しているとき、排気切替弁20は、排気管9と排気管12とを接続するとともに排気管10と排気管11とを接続し、この時、排気ガスは、排気管9→排気管12→触媒コンバータ30→排気管11→排気管10の順に流れて、大気に放出される。
【0083】
また、排気切替弁20の弁体が中立位置(図3参照)に位置しているとき、排気切替弁20は、排気管9と排気管10とを接続し、この時、排気ガスは、排気管9→排気管10の順に流れて、大気に放出される。
【0084】
触媒コンバータ30の排気通路への配置位置についても、排気ガスの流れが順流のときのNOx触媒床温度を確保するため、触媒コンバータ30の入口30aが排気切替弁20の近くに位置する配置としている。即ち、排気ガスが触媒コンバータ30に流入するまでの流路長さは、排気切替弁20の弁体を順流位置にしたときの方が、弁体を逆流位置にしたときよりも短い。そのため、排気ガスを排気管に流すと放熱現象により排気ガス温度が低下し、流路長さが長くなるほど温度降下は大きい。したがって、排気切替弁20の弁体を順流位置に位置させたときよりも、弁体を逆流位置に位置させたときの方が触媒コンバータ30に流入するまでの排気ガスの温度降下が大きい。
【0085】
一方、図5に示すように、NOx触媒31のNOx浄化率は触媒温度と相関があり、NOxを吸収するのに最適な温度ウインドウを有しており、このNOx吸収温度ウインドウから外れるとNOx吸収能力が大幅に低下する。また、NOx触媒31からNOxを放出・還元させるときには、NOx触媒31の温度をそれほど高くしなくてもNOxを放出させることができる。
【0086】
また、NOx触媒31の排気ガス浄化温度ウインドウは、図10に示すように250℃〜550℃程度であるが、高い浄化率が得られるのは400℃前後である。通常、このNOx触媒の床温度を制御するのに、触媒の温度が400℃付近になるように制御するようにしていたが、排気切替弁20の弁体を作動させると、弁体作動中に排気ガスがショートパスして触媒コンバータ30を一時的にバイパスするために、排気ガスが浄化されないで車外に排出される問題が生じる。
【0087】
即ち、先の第1及び第2の実施の形態では、排気切替弁20を積極的に切り替える一方、排気ガスのバイパス時にエンジンの排気空燃比をストイキに制御する考え方を採用しているが、排気ガスがバイパスする問題を可能な限り少なくするためには、排気切替弁20の切替制御をできるだけ行わないようにすることも有効である。
【0088】
そこで、この実施の形態では、NOx触媒31の温度が触媒活性温度内であれば、排気切替弁20の弁体を作動させず、触媒活性温度以上、あるいは触媒活性温度以下になったときに切替制御を行うようにした。この触媒活性温度については、触媒の種類によっても左右されるが、概ね250℃〜550℃の範囲である。この温度範囲は、最高の活性が得られる400℃付近におけるNOx吸蔵能力(単位時間に吸収できるNOx量)の半分以下の能力とするのが好ましい。
【0089】
図11は、このようにNOx触媒31の温度が触媒活性温度内であれば、排気切替弁20の弁体を作動させず、触媒活性温度以上、あるいは触媒活性温度以下になったときにECU100が排気切替弁20の弁体作動を実行する制御手順を示すフローチャートである。
【0090】
まず、ステップS21において、ECU100はNOx触媒31の触媒床温度が550℃以上か、又は250℃以下かの判定を行う。ここで、触媒床温度が550℃以上であることを判定した場合にはステップS22に移行し、250℃以下であることを判定した場合には排気切替弁20の弁***置を現状維持とし、リターンしてスタートへ戻る。
【0091】
ステップS22では、触媒床温度が550℃以上か否かを判定し、550℃以上の場合はステップS23へ移行し、550℃以下の場合はステップS25へ移行する。ステップS23では、排気切替弁20の弁体が順流位置(第1の位置)にあるか否かを判定し、順流位置にあるときはステップS24へ移行し、排気切替弁20の弁体を逆流位置(第2の位置)へ切り替えた後リターンしてスタートへ戻る。排気ガスが逆流するときの方が排気通路の長さが長く温度降下が大きいため、触媒床温度を低下させることができる。ステップS23において、排気切替弁20の弁体が逆流位置にあると判定した場合は、リターンしてスタートへ戻る。
【0092】
一方、触媒床温度が550℃以下であるときに移行するステップS25では、排気切替弁20の弁体が順流位置にあるか否かを判定する。順流位置にあるときは現状維持とし、リターンしてスタートへ戻る。このステップS25において、排気切替弁20の弁体が逆流位置にあることを判定した場合には、ステップS26へ移行し、排気切替弁20の弁体を順流位置へ切り替える制御を実行した後、スタートへ戻る。
【0093】
このように、第3の実施の形態によれば、NOx触媒31の触媒活性温度内であれば、排気ガスの流れ方向を切り替える排気切替弁20の弁体は作動させず、その排気切替弁20の弁体を順流位置又は逆流位置の何れかに保持した状態とする。そして、触媒温度が触媒活性温度以上あるいは以下になったときに初めて流れ方向切替手段の切り替え制御を行う。これにより、排気浄化手段をバイパスする排気ガスの流れが存在する問題を、排気切替弁20の切り替え制御のみの簡便な方法で対処することができる。即ち、排気切替弁20をそもそも浄化率が低い触媒活性温度範囲外で切り替えるようにしているため、全体として排気浄化性能を向上させることができる。
【0094】
【発明の効果】
本発明の第1の手段に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、流れ方向切替手段の作動時に、排気浄化手段をバイパスする位置に流れ方向切替手段が排切り替えられたときには、内燃機関の排気空燃比をストイキに制御することで、三元触媒を機能させ、排気ガスを浄化してから排出させることができる。したがって、排気ガスの流れ方向切替手段の作動中に、排気浄化手段をバイパスする排気ガスの流れが生じたとしてもこれを浄化して排出することができる。
【0095】
本発明の第2の手段に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、三元触媒にSOx吸収機能を持たせたものにおいては、内燃機関の排気空燃比がストイキ時に三元触媒よりSOxが放出されるため、流れ方向切替手段の作動を排気バイパス位置で一時的に停止させ、SOx放出が完了してから、流れ方向切替手段を切り替えるようにすることで、排気浄化手段のSOx被毒を効果的に防止できる。
【0096】
本発明の第3の手段に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、排気浄化手段の触媒が触媒活性温度内であれば、排気ガスの流れ方向切替手段は作動させず、その切替手段を順流位置又は逆流位置の何れかに保持した状態とする。そして、触媒温度が触媒活性温度以上あるいは以下になったときに初めて流れ方向切替手段の切り替え制御を行うことで、排気浄化手段をバイパスする排気ガスの流れが存在する問題を、流れ方向切替手段の切り替え制御のみの簡便な方法で対処することができる。即ち、流れ方向切替手段をそもそも浄化率が低い触媒活性温度範囲外で切り替えるようにすることで、全体として排気浄化性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第1の実施の形態における概略構成図であり、排気切替弁を順流位置に位置させたときを示す図である。
【図2】第1の実施の形態の排気浄化装置において、排気切替弁を逆流位置に位置させたときの要部を示す図である。
【図3】第1の実施の形態の排気浄化装置において、排気切替弁を中立位置に位置させたときの要部を示す図である。
【図4】吸蔵還元型NOx触媒のNOx吸放出・還元作用を説明する図である。
【図5】吸蔵還元型NOx触媒のNOx浄化率の温度特性を示す図である。
【図6】第1の実施の形態の排気浄化装置における制御手順を示すフローチャートである。
【図7】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第2の実施の形態における制御手順を示すフローチャートである。
【図8】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第3の実施の形態における概略構成図であり、排気切替弁を順流位置に位置させたときを示す図である。
【図9】第2の実施の形態の排気浄化装置において、排気切替弁を逆流位置に位置させたときの要部を示す図である。
【図10】吸蔵還元型NOx触媒のNOx浄化率の温度特性に基づく触媒活性温度範囲を示す図である。
【図11】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第3の実施の形態における制御手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
1 リーンバーンガソリンエンジン(内燃機関)
2 吸気管(吸気通路)
6 エアフロメータ
7 燃料噴射弁
9 排気管
10 排気管
11 排気管
12 排気管
13 排気温センサ
14 回転数センサ
20 排気切替弁(流れ方向切替手段)
21 アクチュエータ(制御手段)
30 触媒コンバータ
31 NOx触媒(SOx吸収剤)
30a 入口
30b 出口
40 三元触媒
100 ECU(制御手段)
Claims (3)
- 内燃機関の排気通路に排気浄化手段を有し、この排気浄化手段よりも上流の排気通路に4つのポートを備えた流れ方向切替手段が設けられ、該流れ方向切替手段の第1ポートには内燃機関に接続された第1排気通路が接続され、第2ポートには大気に接続された第2排気通路が接続され、第3ポートには前記排気浄化手段の一方側に接続された第3排気通路が接続され、第4ポートには前記排気浄化手段の他方側に接続された第4排気通路が接続されており、前記流れ方向切替手段は、前記第1ポートと前記第3ポートとを接続するとともに前記第2ポートと前記第4ポートとを接続して前記排気浄化手段に第1の方向に排気ガスを流す第1の位置と、前記第1ポートと前記第4ポートとを接続するとともに前記第2ポートと前記第3ポートとを接続して前記排気浄化手段に第1の方向と逆の第2の方向に排気ガスを流す第2の位置と、前記第1ポートと前記第2ポートとを接続して前記排気浄化手段をバイパスして排気ガスを流す第3の位置とに切り替え可能な排気浄化装置であり、前記流れ方向切替手段が前記第1の位置と第2の位置をとることで内燃機関から排気浄化手段までの距離が異なる排気通路を有し、前記排気浄化手段の触媒温度により前記流れ方向切替手段が作動するものにおいて、前記排気通路に三元触媒が設けられ、前記第1の位置から前記第2の位置へ前記流れ方向切替手段が作動するときには内燃機関の排気空燃比がストイキに制御されることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
- 前記三元触媒は前記内燃機関の排気空燃比がリーンでSOxを吸収するSOx吸収機能を有し、前記第1の位置から前記第2の位置へ前記流れ方向切替手段が作動するときには内燃機関の排気空燃比をストイキに制御し、前記第3の位置に前記流れ方向切り替え手段を作動させた後に第2の位置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。
- 内燃機関の排気通路に排気浄化手段を有し、この排気浄化手段よりも上流の排気通路に4つのポートを備えた流れ方向切替手段が設けられ、該流れ方向切替手段の第1ポートには内燃機関に接続された第1排気通路が接続され、第2ポートには大気に接続された第2排気通路が接続され、第3ポートには前記排気浄化手段の一方側に接続された第3排気通路が接続され、第4ポートには前記排気浄化手段の他方側に接続された第4排気通路が接続されており、前記流れ方向切替手段は、前記第1ポートと前記第3ポートとを接続するとともに前記第2ポートと前記第4ポートとを接続して前記排気浄化手段に第1の方向に排気ガスを流す第1の位置と、前記第1ポートと前記第4ポートとを接続するとともに前記第2ポートと前記第3ポートとを接続して前記排気浄化手段に第1の方向と逆の第2の方向に排気ガスを流す第2の位置と、前記第1ポートと前記第2ポートとを接続して前記排気浄化手段をバイパスして排気ガスを流す第3の位置とに切り替え可能な排気浄化装置であり、前記流れ方向切替手段の第1の位置と第2の位置をとることで内燃機関から排気浄化手段までの距離が異なる排気通路を有し、前記排気浄化手段の触媒温度により前記流れ方向切替手段が作動するものにおいて、排気浄化手段が排気浄化率の高い温度ウインドウ内にあるときには、前記流れ方向切り替え手段の作動を禁止することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
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