JP4075641B2

JP4075641B2 - Exhaust gas purification system for internal combustion engine

Info

Publication number: JP4075641B2
Application number: JP2003042064A
Authority: JP
Inventors: 大治長岡; 正志我部
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2003-02-20
Filing date: 2003-02-20
Publication date: 2008-04-16
Anticipated expiration: 2023-02-20
Also published as: JP2004251188A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を還元して浄化するＮＯｘ吸蔵還元型触媒を備えた内燃機関の排気ガス浄化システムに関し、より詳細には、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の硫黄被毒による劣化状態を回復する時のＮＯｘの大気中への排出を防止する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンや一部のガソリンエンジン等の内燃機関や様々な燃焼装置の排気ガス中からＮＯｘを還元除去するためのＮＯｘ触媒について種々の研究や提案がなされている。
【０００３】
その一つに、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を内燃機関の排気通路に配置した排気浄化システムがある。この排気浄化システムでは、流入する排気ガスの空燃比がリーンである時にＮＯｘをＮＯｘ吸蔵還元型触媒に吸収させ、ＮＯｘ吸収能力が飽和に近くなると、排気ガスの空燃比を理論空燃比やリッチにして、流入する排気ガスの酸素濃度を低下させることにより吸収したＮＯｘを放出させて、この放出されたＮＯｘを併設した貴金属触媒により還元させる再生操作を行っている。
【０００４】
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒では、触媒担体上に白金（Ｐｔ）等の貴金属触媒とバリウム（Ｂａ）等のアルカリ土類金属等で形成されるＮＯｘ吸蔵物質（ＮＯｘ吸収材）を担持しており、高酸素濃度雰囲気下では、排気ガス中のＮＯは貴金属触媒の触媒作用により酸化されてＮＯ₂となり、ＮＯ₃ ^-の形で触媒内に拡散しＮＯｘ吸蔵物質で硝酸塩の形で吸収される。
【０００５】
そして、空燃比がリッチになり酸素濃度が低下するとＮＯ₃ ^-がＮＯ₂の形でＮＯｘ吸蔵物質から放出され、排気ガス中に含まれている未燃ＨＣやＣＯやＨ₂等の還元剤により貴金属触媒の触媒作用を受けて、ＮＯ₂はＮ₂に還元される。この還元作用により、大気中にＮＯｘが放出されるのを防止できる。
【０００６】
しかし、このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、ディーゼルエンジンの燃料に含まれている硫黄分（サルファ）がＮＯｘ吸蔵物質に蓄積し硫酸塩として安定化することにより、ＮＯｘ吸蔵量が減少するという硫黄被毒の問題がある。
【０００７】
この硫黄被毒による触媒劣化が進展すると、排気ガスの空燃比がリーン状態で酸素濃度が高い雰囲気であっても、ＮＯｘを吸収する能力が低下しているためＮＯｘの浄化率が低下する。また、すぐにＮＯｘ吸収能力が限界に近くまで低下するため、リッチ燃焼による再生処理を頻繁に行う必要が生じるので、燃費の悪化が生じる。
【０００８】
そのため、リーン状態からリッチ状態に切り替えて、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒（リーンＮＯｘ触媒）が高酸素濃度雰囲気下で吸収したＮＯｘを、低酸素濃度雰囲気下で放出させて、ＮＯｘ吸蔵物質（ＮＯｘ吸収剤）のＮＯｘ吸収能力を回復する再生処理の他に、この硫黄被毒による劣化の進捗状態を監視し、劣化がある程度進捗した段階で、硫黄分（イオウ）を除去する硫黄パージによる触媒劣化回復処理（触媒復活処理）を行う必要がある（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。
【０００９】
この硫黄パージ（サルファパージ）制御は、触媒を高温かつ無酸素雰囲気にした上で一酸化炭素（ＣＯ）を供給し、吸蔵材上に硫酸バリウム（Ｂａ₂ＳＯ₄）として吸蔵されている硫黄分（Ｓ）を二酸化硫黄（ＳＯ₂）にして放出させ、ＮＯｘ吸蔵能力を回復させている。
【００１０】
【特許文献１】
特開平９−３２６１９号公報（第３頁）
【特許文献２】
特開平１０−２７４０３１号公報（第３頁）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この硫黄パージ制御の初期に、触媒からＮＯｘの吐き出しが発生してＮＯｘ浄化率を低下させるという問題がある。
【００１２】
つまり、硫黄パージ制御の初期において、ＮＯｘ吸蔵物質からＳＯ₂と一緒にＮＯ₂も放出されるが、それに対してＮＯ₂の還元剤であるＣＯは、ＮＯｘ吸蔵物質上で硫酸バリウムから炭酸バリウムへの入れ替え反応に使用されてしまうため、ＮＯ₂還元用としての還元剤が不足してＮＯ₂を還元しきれずに、ＮＯ₂が触媒の下流側にそのまま排出されてしまう。この硫黄パージ初期時のＮＯｘ吐き出しの例を図９の前半部分Ｘに示す。この前半部分Ｘのポスト噴射量を増加し、触媒出口酸素濃度が低下したＸａ部分がこのＮＯｘの吐き出しに相当する部分である。
【００１３】
この硫黄パージ初期時のＮＯｘ吐き出しへの対策として、単に、この時に還元剤であるＣＯを増加したのでは、ＮＯｘ吸蔵物質から放出されるＮＯ₂の放出速度も同時に上がってしまうため、また、放出されたＮＯ₂量を確定できないため、還元剤の適正な供給を行えず、還元剤過剰又は還元剤過少の状態となり、排気ガスのエミッションを悪化させるおそれが生じ、この問題を解決できない。
【００１４】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、排気ガス中のＮＯｘの浄化のためにＮＯｘ吸蔵還元型触媒を用いる排気ガス浄化システムにおいて、硫黄パージを行う時に発生するＮＯｘの一時的な吐き出しを回避できる内燃機関の排気ガス浄化システムを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的を達成するための内燃機関の排気ガス浄化システムは、内燃機関の排気通路に設けられたＮＯｘ吸蔵還元型触媒と、該ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の下流側に設けられた三元触媒と、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の出口又は前記三元触媒の出口のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ濃度検出手段と、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒と前記三元触媒に還元剤を供給する還元剤供給手段と、排気ガスを高温かつリッチに制御する硫黄パージ制御手段とを具備した排気ガス浄化システムにおいて、前記三元触媒に還元剤吸着機能を付加すると共に、前記硫黄パージ制御手段が硫黄パージと共にＮＯｘの放出及び還元が行われる前期硫黄パージ制御手段とＮＯｘの放出及び還元の後の硫黄パージを行う後期硫黄パージ制御手段を備え、前記前期硫黄パージ制御手段が、前期硫黄パージ制御の第１段階で、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒と前記三元触媒に還元剤を増量供給する還元剤増量手段と、前記前期硫黄パージ制御の第２段階で、前記ＮＯｘ濃度検出手段で検出したＮＯｘ濃度に応じて、還元剤の供給量を調整するＮＯｘ濃度追従制御手段を備えて構成される。
【００１６】
この構成によれば、硫黄パージを開始し、内燃機関の燃料噴射条件の変更や吸気絞り等により、排気ガスを高温かつリッチ条件に制御する硫黄パージ制御において、前期硫黄パージ制御では、第１段階の約１秒程度の短時間の間において、ポスト噴射する燃料量を増加したりして排気ガス中のＣＯ、ＨＣ等の還元剤を増量して、ＮＯｘ吸蔵物質からＳＯ₂の放出と共に、急激に放出されるＮＯ₂をこの還元剤で還元する。この時、還元剤が不足しないように増量しているので、ＮＯｘ吸蔵物質から放出されたＮＯｘが還元しきれずに触媒下流側に吐き出されるのを防止できる。
【００１７】
そして、余った還元剤をＮＯｘ吸蔵還元型触媒の下流側の三元触媒に付与した還元剤吸着機能により吸蔵する。これにより、還元剤の大気中への流出を防止できる。
【００１８】
また、前期硫黄パージ制御の第２段階の５秒から１０秒程度の間において、ＮＯｘ濃度検出手段で検出したＮＯｘ濃度に応じて、還元剤の供給量を調整しながらＮＯｘを還元する。
【００１９】
この前期硫黄パージは、硫黄パージに伴うＮＯｘの放出及び還元を主としたものであり、このＮＯｘの還元の際に発生する酸素を触媒出口で検出し、この触媒出口酸素濃度の低下で、ＮＯｘ吸蔵物質からのＮＯｘの吐き出しの終了を検知し、終了する。
【００２０】
次の後期硫黄パージ制御は、ＮＯｘの放出及び還元の後の硫黄パージを主としたものであり、空気過剰率λが１．０近傍になるように制御して、排気ガスの状態を三元触媒によるＮＯｘ浄化に適した状態にし、硫黄パージに必要な時間の間続行した後、硫黄パージを終了する。
【００２１】
この硫黄パージの終了は、例えば、硫黄吸蔵量を燃料中の硫黄分量と燃料流量とから、また、硫黄脱離量を温度の関数となる時間当たり脱離量と硫黄パージ時間とからそれぞれ算出し、この硫黄吸蔵量と硫黄脱離量との差がゼロになったら終了する。
【００２２】
これにより、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を用いる排気ガス浄化システムにおいて、硫黄パージの初期において一時的に吐き出されるＮＯｘの大気中への流出（スリップ）を防止できる。
【００２３】
なお、ここでいう排気ガスをリッチ条件するとは、必ずしもシリンダボア内でリッチ燃焼する必要はなく、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に流入する排気ガス中における空気量と燃料量との比が理論空燃比に近いか理論空燃比より燃料量が多いリッチの状態の運転になればよい。
【００２４】
そして、上記の内燃機関の排気ガスシステムにおいて、前記前期硫黄パージ制御に供給される還元剤の供給を燃焼噴射のポスト噴射によって供給すると共に、該前期硫黄パージ制御における前記第１段階のポスト噴射量を、前記第２段階のポスト噴射量の２倍〜３倍とし、また、前記前期硫黄パージ制御に供給される還元剤の供給を燃焼噴射のポスト噴射によって供給すると共に、該前期硫黄パージ制御における前記第１段階のポスト噴射時期を、４５°ＡＴＤＣ〜９０°ＡＴＤＣとし、前記第２段階のポスト噴射時期を３０°ＡＴＤＣ〜４５°ＡＴＤＣとし、更には、前記前期硫黄パージ制御における前記第１段階の期間を、前記第２段階の期間の１／５倍〜１／１０倍とすることにより、より少ない還元剤の供給量で、より効果的にＮＯｘ浄化の効果を得ることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システムについて、図面を参照しながら説明する。
【００２６】
図１に示すように、この排気ガス浄化システム１は、エンジン１０の排気通路３０に上流側からＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１と、ＣＯやＨＣ等の還元剤を吸着する機能を有する三元触媒３２を備えて構成される。
【００２７】
この排気ガス浄化システム１では、エンジン１０の吸気通路２０に上流側からエアクリーナー２１、ＭＡＦ（マスエアフロー）センサー２２、吸気絞り弁（インテークスロットル弁）２３が設けられている。
【００２８】
また、排気通路３０には、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１と三元触媒３２の他に、排気温度センサ３３、触媒入口排気濃度センサ３４、触媒出口排気濃度センサ３５、触媒入口温度センサ３６、触媒出口温度センサ３７が設けられる。この排気濃度センサ３４，３５は、空気過剰率λ（又は酸素濃度）とＮＯｘ濃度を測定するセンサである。
【００２９】
また、ＥＧＲ通路４０が設けられ、このＥＧＲ通路４０には、ＥＧＲクーラー４１とＥＧＲ弁４２が配設されている。
【００３０】
そして、エンジン１０の燃料噴射を行うコモンレール噴射システム５０及びエンジン全体を制御するＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）と呼ばれる電子制御装置（電子制御ボックス）６０が設けられる。
【００３１】
この排気ガス浄化システム１においては、空気Ａはエアクリーナー２１及びＭＡＦセンサー２２を通過して、電子制御装置５０で制御される吸気絞り弁２３により、吸気の流量を調整され、エンジン１０の吸気マニホールド２０ａからシリンダ内に供給される。
【００３２】
また、排気ガスＧは、エンジン１０の排気マニホールド３０ａを出て排気通路３０のＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１と三元触媒３２を順に通過して浄化された排気ガスＧｃとなり、消音器（図示しない）を通過しテールパイプ（図示しない）から排出される。
【００３３】
そして、排気ガスＧの一部であるＥＧＲガスＧｅは、ＥＧＲ通路４０を通ってＥＧＲクーラ４１で冷却された後、ＥＧＲバルブ４２でＯＮ／ＯＦＦと流量調整が行われ、吸気マニホールド２０ａに入り再循環する。
【００３４】
そして、三元触媒３２の出口の触媒出口排気濃度センサ３５で、ＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ濃度検出手段を構成する。このＮＯｘ濃度検出手段は、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１の出口にＮＯｘ濃度センサ（図示しない）設けて、このＮＯｘ濃度センサで構成することもできる。
【００３５】
また、還元剤供給は、図１の構成では、シリンダ内への燃料噴射制御におけるポスト噴射によって行われ、ポスト噴射の噴射量Ｑｐとポスト噴射時期Ｔｐの調整により、排気ガス中に供給される還元剤の供給量を調節する。即ち、還元剤供給手段は、この燃料噴射制御手段の一部として構成される。
【００３６】
なお、図示していないが、このシリンダ内噴射制御の代りに、還元剤供給用に噴射ノズルを排気通路３０に設けてこの噴射ノズルから燃料等の還元剤を噴射し、この噴射量の調整により排気ガス中に供給される還元剤の供給量を調節するように構成してもよい。
【００３７】
また、硫黄パージは、シリンダ内への燃料噴射制御による燃料噴射量や噴射時期の調整とＥＧＲ調整と吸気絞り調整等によって、排気ガスの状態を、高温かつリッチ状態にして行う。即ち、硫黄パージ制御手段は、この燃料噴射制御手段とＥＧＲ制御と吸気絞り制御を統合して制御するものとして構成される。
【００３８】
次に、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１と三元触媒３２について説明する。
【００３９】
図２及び図３と図４に示すように、このＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１は、γアルミナ等でモノリスハニカムを形成し、このモノリスハニカムのセルの担持体３１ａの表面に触媒金属３１ｂ、ＮＯｘ吸蔵物質３１ｃを担持させて形成される。
【００４０】
この触媒金属３１ｂは、活性開始温度より高い温度域で酸化活性を持つ白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）等で形成することができる。また、ＮＯｘ吸蔵物質３１ｃは、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃｓ）等のアルカリ金属、バリウム（Ｂａ），カルシウム（Ｃａ）等のアルカリ土類金属、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）等の希土類等でのいずれか一つまたは組合せで形成することができ、ガス中の酸素濃度が高い時にはＮＯｘを吸蔵し、ガス中の酸素濃度が低い時にはＮＯｘを放出する。
【００４１】
図３及び図４に、パラジウム（Ｐｄ）の触媒金属３１ｂとバリウム（Ｂａ）のＮＯｘ吸蔵物質３１ｃから形成されたＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１における排気ガス中のＮＯｘ浄化のメカニズムを示す。
【００４２】
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１では、図３に示すように、排気ガスがリーン状態（希薄燃焼）の高酸素濃度雰囲気下では、排気ガス中のＮＯはパラジウム（Ｐｄ）の触媒作用により酸化されてＮＯ₂となり、ＮＯ₃ ^-の形で触媒内に拡散しＮＯｘ吸蔵物質３１ｃであるバリウム（Ｂａ）の硝酸塩（Ｂａ（ＮＯ₃)₂)の形で吸収される。つまり、炭酸バリウム（ＢａＣＯ₃)から硝酸バリウム（Ｂａ（ＮＯ₃)₂)に変化することで、選択的にＮＯ₂を吸蔵する。
【００４３】
そして、図４に示すように排気ガスがリッチ状態になり酸素濃度が低下するとＮＯ₃ ^-がＮＯ₂の形でＮＯｘ吸蔵物質３１ｃから放出される。つまり、硝酸バリウム（Ｂａ（ＮＯ₃)₂)から炭酸バリウム（ＢａＣＯ₃)に変化することで、ＮＯ₂を放出する。この放出されたＮＯ₂は、排気ガス中に含まれている未燃ＨＣやＣＯやＨ₂等の還元剤によりパラジウム（Ｐｄ）の触媒作用を受けて、Ｎ₂に還元される。この還元作用により、大気中にＮＯｘが放出されるのを阻止することができる。
【００４４】
そして、図２に示すように、還元剤吸収機能を有する三元触媒３２は、γアルミナ等でモノリスハニカムを形成し、このモノリスハニカムのセルの担持体３２ａの表面に白金（Ｐｔ）やロジウム（Ｒｈ）等の触媒金属３２ｂの他に、ＨＣやＣＯを低温で吸蔵し、高温で放出するゼオライト等で形成される還元剤吸蔵物質３２ｃ及びセリヤ（ＣｅＯ₂）等で形成される酸素吸蔵物質３２ｄを備えて構成される。
【００４５】
この還元剤吸蔵物質３２ｃはＨＣを吸着して、高温で放出し、触媒金属３２ｂで酸化し、ＣＯ₂，Ｈ₂Ｏとする。また、酸素吸蔵物質３２ｄはλ＝１近辺でＯ₂を出し入れし，三元領域を広げるのに役立つ。
【００４６】
そして、この排気ガス浄化システム１における再生制御方法は、図５に示すような各手段からなる制御手段によって行われ、この排気ガス浄化システムの制御手段Ｃ１は、通常制御手段Ｃ１０、硫黄パージ開始判定手段Ｃ２０、再生制御開始判定手段Ｃ３０、硫黄パージ制御手段Ｃ４０、及び、再生制御手段Ｃ５０等を有して構成される。
【００４７】
この通常制御手段Ｃ１０は、通常のリーン（希薄）燃焼運転を行うための制御手段であり、硫黄パージ開始判定手段Ｃ２０は、硫黄パージ運転を行うか否かを判定する手段であり、硫黄被毒が限界に達した場合に、硫黄パージ制御を開始すると判定する。また、再生制御開始判定手段Ｃ３０は、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１のＮＯｘ吸収能力が飽和に達し再生制御開始の状態になっているか否かを判定する手段である。そして、硫黄パージ制御手段Ｃ４０は、硫黄パージのための制御を行う手段で、再生制御手段Ｃ５０は、ＮＯｘ吸収能力の回復を行ってＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１の再生をする手段である。
【００４８】
この硫黄パージ制御手段Ｃ４０は、硫黄被毒されたＮＯｘ吸蔵物質３１ｃから硫黄をパージする手段であり、ＥＧＲ制御や吸気絞り制御等を行って排気温度を上昇させてこの排気ガス昇温により触媒温度が硫黄パージ温度以上に昇温させると共に、排気ガスの空燃比を理論空燃比若しくはこの理論空燃比よりも少し低い値に制御し、硫黄パージに最適な温度及び低酸素濃度状態にして、触媒温度の低下を防止しながら、効率良く、硫黄パージを行う。
【００４９】
そして、本発明においては、この硫黄パージ制御手段Ｃ４０は、硫黄パージと共にＮＯｘの放出及び還元が行われる前期硫黄パージ制御手段Ｃ４１とＮＯｘの放出及び還元の後の硫黄パージを行う後期硫黄パージ制御手段Ｃ４２とから構成される。
【００５０】
更に、前期硫黄パージ制御手段Ｃ４１は、還元剤増量制御手段Ｃ４１ＡとＮＯｘ濃度追従制御手段Ｃ４１Ｂを有して構成され、前期硫黄パージ制御の実行初期の第１段階に、還元剤増量制御手段Ｃ４１Ａにより、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１と三元触媒３２に供給する還元剤を増量供給する還元剤増量パージ制御を行い、前期硫黄パージ制御の第２段階では、ＮＯｘ濃度追従制御手段Ｃ４１Ｂにより、ＮＯｘ濃度検出手段である触媒出口排気濃度センサ３５で検出したＮＯｘ濃度に応じて排気ガス中への還元剤の供給量を調整するＮＯｘ濃度追従パージ制御を行うように構成される。
【００５１】
また、後期硫黄パージ制御では、後期硫黄パージ制御手段Ｃ４２により、触媒出口排気濃度センサ３５から検出した空気過剰率λext が、目標のλｔext （通常は１．０）になるようにフィードバック制御して、排気ガスの状態を三元触媒によるＮＯｘ浄化に適した状態にしながら、硫黄パージを行う。
【００５２】
そして、この排気ガス浄化システム１の制御方法は、図６に例示するような運転制御フローに従って行われる。
【００５３】
この図６の運転制御フローは、エンジン１０の運転中にエンジンの他の制御フローと並行して実行されるものとして示すものであり、エンジンのキーがＯＦＦされエンジンの運転が停止されると、実行途中で割り込みが生じ、この運転制御フローの実行が中断され終了される。このエンジンのキーＯＦＦによる運転制御フローの中断及び運転制御の終了の部分を点線で図示している。
【００５４】
この制御フローの概要を説明すると、ステップＳ１０で通常制御手段Ｃ１０により通常のリーン燃焼（希薄燃焼）運転を行い、ステップＳ２０で硫黄パージ開始判定手段Ｃ２０によりＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１の硫黄パージが必要か否かを判定し、必要との判定時には、ステップＳ４０で硫黄パージ制御手段Ｃ４０により硫黄パージ制御を行って触媒の硫黄被毒による劣化を回復し、ステップＳ１０に戻る。
【００５５】
また、ステップＳ２０で硫黄パージが不必要と判定された場合には、ステップＳ３０で再生制御開始判定手段Ｃ３０によりＮＯｘ吸蔵還元型触媒３０を再生する再生制御が必要か否かを判定し、必要との判定時には、ステップＳ５０で再生制御手段Ｃ５０により再生制御を行ってＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１を再生し、その後ステップＳ１０に戻る。このステップＳ３０で再生制御が不必要と判定された場合には、ステップＳ１０に戻る。
【００５６】
この再生制御は、リッチ燃焼により触媒の再生を行うものであり、空気過剰率λが触媒入口で、０．８〜０．９５の酸素濃度がゼロに近い排気ガスを発生させて、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１からＮＯｘを放出させると共に、放出されたＮＯｘを触媒金属３１ｂと三元触媒３２で還元浄化して、ＮＯｘ吸収能力を回復し、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１を再生する。なお、この再生制御では、排気ガス温度が低いので、硫黄パージは行われない。
【００５７】
そして、エンジンキーがＯＦＦされるまでこの制御フローのステップＳ１０〜Ｓ５０が繰り返し実行され、エンジンキーＯＦＦ等の終了指令の割り込みにより、ステップＳ６０の制御フロー終了処理で、今回のエンジン運転でＮＯｘ吸蔵還元型触媒３０に累積しているＮＯｘ量及び硫黄量やリーン運転継続時間等をメモリーに書込む等の終了処理をした後、この制御フローが停止（ストップ）され終了（エンド）する。
【００５８】
そして、本発明は、このステップＳ４０の硫黄パージ制御手段Ｃ４０により行う、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３０の硫黄被毒による劣化を回復するための硫黄パージ制御に特徴がある。
【００５９】
この硫黄パージ制御手段Ｃ４０では、ＥＧＲ制御や吸気絞り制御等を行って空気過剰率λを段階的に０．８〜０．９５の範囲から０．９５〜１．０の範囲へと移行させ、硫黄パージに最適な温度及び低酸素濃度状態にして、触媒温度の低下を防止しながら、効率良く、硫黄パージを行う。なお、ＮＯｘ吸収能力を回復するための再生制御における排気ガスの空気過剰率λは、通常は触媒入口で０．８〜０．９５程度であり、硫黄パージ制御では、再生用のリッチ制御よりも、酸素濃度が高くなるように制御される。
【００６０】
本発明の硫黄パージ制御は、図７及び図８に示すように、ステップＳ４１〜ステップＳ４３の前期硫黄パージ制御とステップＳ４４〜ステップＳ４５の後期硫黄パージ制御とステップＳ４６の硫黄パージ制御終了制御とからなる。
【００６１】
そして、前期硫黄パージ制御においては、ステップＳ４１の第１段階で、還元剤増量制御手段Ｃ４１Ａにより、排気ガス中へのＣＯやＨＣの還元剤の添加を目的としたポスト噴射を行って還元剤を供給する。このポスト噴射では、図８に示すように、ステップＳ４２の第２段階でＮＯｘ濃度追従制御手段Ｃ４１Ｂが行うポスト噴射よりも、ポスト噴射量Ｑｐ１を多くし、また、場合によってはポスト噴射時期Ｔｐ１も遅らせて，還元剤の供給量を増量して、所定の時間ｄＴ１（例えば、１秒間程度）の間行う。
【００６２】
また、同時に、排気ガスを高温かつリッチ状態にするために、触媒入口排気濃度センサ３４から検出した空気過剰率λent をモニターし、目標のλｔent(０．８〜０．９５程度) になるように空気過剰率λent をフィードバック制御する。この時、吸気量を計測するＭＡＦ（マスエアフロー）センサ２２の出力をモニターしながら、ＥＧＲ量や吸気絞り（ＩＴＨ）量もフィードバック制御もする。
【００６３】
このステップＳ４１で生成されたＣＯやＨＣは、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１で発生するＮＯ₂のための還元剤として使用されるが、使用されずに残った還元剤は、三元触媒３２の還元剤吸着物質３２ｃで吸着する。この吸着により還元剤の大気中への排出を防止する。
【００６４】
そして、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１で還元し切れなかったＮＯｘが三元触媒３２に流入してきた時に、この吸着されている還元剤を使用して三元機能によりＮＯｘを浄化する。つまり、過剰な還元剤を還元剤吸着物質３２ｃにより三元触媒３２に溜め、この溜めた還元剤を三元触媒３２におけるＮＯｘ浄化に使用することでＮＯｘの大気中への放出を防止する。
【００６５】
そして、この前期硫黄パージの第１段階における還元剤供給を所定の時間行って、この第１段階の制御を終了した後は、図７及び図８に示すように、前期硫黄パージの第２段階のステップＳ４２でＮＯｘ濃度追従制御手段Ｃ４１ＢによるＮＯｘ濃度追従制御を行う。
【００６６】
このＮＯｘ濃度追従制御は、ＮＯｘ濃度（ＮＯｘの吐き出し量）をモニターし、このＮＯｘ濃度に応じて、ポスト噴射量Ｑｐやポスト噴射時期Ｔｐをフィードバック制御する。つまり、硫黄パージ中にＮＯｘ濃度が高くなり、ＮＯｘの吐き出しが確認された場合は、還元剤の量が不足しているので、ポスト噴射量Ｑｐ２を増加したり、ポスト噴射時期Ｔｐ２を更に遅延したりして、排気ガス中の還元剤の量を増やし、三元触媒３２の三元反応によりＮＯｘを浄化する。
【００６７】
また、同時に、触媒入口排気濃度センサ３４から検出した空気過剰率λent をモニターし、目標のλｔent ( ０．９５〜１．０程度) になるように空気過剰率λent をフィードバック制御する。この時、第１段階と同様に、吸気量を計測するＭＡＦ（マスエアフロー）センサ２２の出力をモニターしながら、ＥＧＲ量や吸気絞り（ＩＴＨ）量もフィードバック制御もする。
【００６８】
そして、例えばＮＯｘ濃度によって決められたポスト噴射量と、空気過剰率λent によって決められたポスト噴射量の大きい方の値をとって制御する。
【００６９】
なお、前期硫黄パージ制御の第１段階及び第２段階のポスト噴射の実施の形態については予めベンチ試験で、触媒出口排気濃度センサ３５で検出したＮＯｘ濃度（吐き出し量）に応じた最適ポスト噴射量Ｑｐ１、Ｑｐ２と最適ポスト噴射時期Ｔｐ１、Ｔｐ２を確認しておき、それに基づいてポスト噴射制御を行う。
【００７０】
そして、図８に示す第１段階のポスト噴射量Ｑｐ１を、第２段階のポスト噴射量Ｑｐ２の２倍〜５倍とし、また、第１段階のポスト噴射時期Ｔｐ１を、４５°ＡＴＤＣ〜９０°ＡＴＤＣとし、第２段階のポスト噴射時期Ｔｐ２を３０°ＡＴＤＣ〜４５°ＡＴＤＣとし、更には、前期硫黄パージ制御の第１段階の期間ｄＴ１を、第２段階の期間ｄＴ２の１／５倍〜１／１０倍とすることにより、より少ない還元剤の供給量で、より効果的にＮＯｘを浄化できる。
【００７１】
このステップＳ４２の第２段階の制御を継続するか否かを、ステップＳ４３で、触媒入口の空気過剰率λext と触媒出口の空気過剰率λent の差が所定の値Δλth以下になる（（λext −λent ）＜Δλth）か否かで判定し、所定の値Δλth以下になった時に、前期硫黄パージ制御を終了し、ステップＳ４４の後期硫黄パージ制御に入る。
【００７２】
つまり、前期硫黄パージ制御の終了時期については、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１から放出されたＮＯｘが還元される時に酸素が発生し、ＮＯｘの吐き出しが終了しＮＯｘの還元反応も終了すると酸素の発生も終了するので、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１の前後の空気過剰率λ（あるいは酸素濃度）をモニターし、前後の差が少なくなったことでＮＯｘの吐き出し終了を検知し、初期硫黄パージ制御を終了する。
【００７３】
また、次のステップＳ４４以降の後期硫黄パージ制御では、触媒出口排気濃度センサ３５から検出した空気過剰率λext をモニターし、目標のλｔext （通常は１．０）になるように空気過剰率λext をフィードバック制御して、空気過剰率λｔext が略１．０のストイキ条件にして、三元浄化を行うと同時に、硫黄パージを行う。この時、吸気量を計測するＭＡＦ（マスエアフロー）センサ２２の出力をモニターしながら、ＥＧＲ量や吸気絞り（ＩＴＨ）量もフィードバック制御もする。なお、この時のポスト噴射は、ポスト噴射量Ｑｐ３及びポスト噴射時期Ｔｐ３で行われる。
【００７４】
そして、ステップＳ４４の後期硫黄パージ制御は、蓄積された硫黄量ＳＯｘS と温度の関数となる硫黄脱離量ＳＯｘR との差がゼロになるように設定された所定の目標時間の間行う。なお、硫黄脱離量ＳＯｘR が温度の関数となるため、後期硫黄パージ制御中の排気温度や触媒温度を計測し、この温度に基づいて所定の目標時間を温度補正することにより、より正確に硫黄パージできる。
【００７５】
上記の構成の排気ガス浄化システム１の制御方法によれば、硫黄パージが必要になった時に、上流側のＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１で消費される以上の還元剤を供給することにより、豊富な還元剤で硫黄パージ初期に一時的に大量に放出されるＮＯｘを還元浄化し、過剰な還元剤を下流側の還元剤吸収機能を有する三元触媒で吸蔵しながら、還元しきれなかったＮＯｘを下流側の三元触媒で浄化して、ＮＯｘの大気中への放出を防止することができる。
【００７６】
この排気ガス浄化システム１による排気ガスの浄化の実施例を図９に示す。この図９の前半（Ｘ領域）は、従来の硫黄パージ制御の比較例を示し、ポスト噴射量を増加しリッチ運転をしているＸａ領域で触媒出口ＮＯｘ濃度が著しく増加していることが分かる。一方、後半（Ｙ領域）は、本発明の実施例であり、第１段階の還元剤増量制御（Ａ）を含むポスト噴射量の増加領域Ｙａにおいて、触媒出口ＮＯｘ濃度の増加が見られなくなっており、本発明のＮＯｘ浄化効果が分かる。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る排気ガス浄化システムによれば、硫黄パージの初期段階である前期硫黄パージ制御の第１段階において、還元剤増量制御を行うことにより、上流側のＮＯｘ吸蔵還元型触媒で消費される以上の還元剤を供給し、豊富な還元剤で硫黄パージ初期の一時的に大量に放出されるＮＯｘを還元浄化すると共に、消費しきれなかった還元剤を下流側の還元剤吸収機能を有する三元触媒に吸蔵することにより還元剤の大気中への放出を回避し、更に、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒で還元しきれなかったＮＯｘを下流側の三元触媒で浄化して、ＮＯｘの大気中への放出を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システムの構成を示す図である。
【図２】図１の排気ガス浄化システムのＮＯｘ吸蔵還元型触媒と還元剤吸収機能を有する三元触媒の構成と浄化のメカニズムを模式的に示す図である。
【図３】ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のリーン燃焼状態（ＮＯｘ吸蔵）における浄化のメカニズムを模式的に示す図である。
【図４】ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のリッチ燃焼状態（触媒再生）における浄化のメカニズムを模式的に示す図である。
【図５】本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システムの制御手段の構成を示す図である。
【図６】本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化方法を示す運転制御フローのフローチャート図である。
【図７】図６の硫黄パージ制御のより詳細なフローチャート図である。
【図８】硫黄パージ制御のポスト噴射量とポスト噴射時期等の時系列を示す図である。
【図９】本発明の実施例と従来技術の比較例における排気ガス中のＮＯｘ濃度等の時系列を示す図である。
【符号の説明】
１排気ガス浄化システム
１０内燃機関（エンジン）
３０排気通路
３１ＮＯｘ吸蔵還元型触媒
３２三元触媒
３５触媒出口排気濃度センサ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust gas purification system for an internal combustion engine including a NOx storage reduction catalyst that reduces and purifies NOx (nitrogen oxides) in exhaust gas of the internal combustion engine, and more specifically, relates to an NOx storage reduction catalyst. The present invention relates to a technique for preventing NOx from being discharged into the atmosphere when recovering a deterioration state caused by sulfur poisoning.
[0002]
[Prior art]
Various studies and proposals have been made on NOx catalysts for reducing and removing NOx from internal combustion engines such as diesel engines and some gasoline engines and exhaust gases from various combustion devices.
[0003]
One of them is an exhaust purification system in which a NOx storage reduction type catalyst is disposed in an exhaust passage of an internal combustion engine. In this exhaust purification system, when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is lean, NOx is absorbed by the NOx storage reduction catalyst, and when the NOx absorption capacity becomes close to saturation, the air-fuel ratio of the exhaust gas is made the stoichiometric air-fuel ratio or rich. Thus, a regeneration operation is performed in which the absorbed NOx is released by lowering the oxygen concentration of the inflowing exhaust gas, and the released NOx is reduced by a noble metal catalyst provided therewith.
[0004]
In this NOx occlusion reduction type catalyst, a NOx occlusion material (NOx absorbent) formed by a noble metal catalyst such as platinum (Pt) and an alkaline earth metal such as barium (Ba) is supported on a catalyst carrier, In an atmosphere with a high oxygen concentration, NO in the exhaust gas is oxidized by the catalytic action of the noble metal catalyst.₂And NO_Three ^-And is absorbed in the form of nitrate by the NOx storage material.
[0005]
When the air-fuel ratio becomes rich and the oxygen concentration decreases, NO_Three ^-Is NO₂Unburned HC, CO, and H released from NOx storage materials and contained in exhaust gas₂Noble metal catalyst catalyzed by a reducing agent such as NO₂Is N₂Reduced to This reduction action can prevent NOx from being released into the atmosphere.
[0006]
However, this NOx occlusion reduction catalyst is a sulfur poisoning in which the sulfur content (sulfur) contained in the fuel of the diesel engine accumulates in the NOx occlusion material and stabilizes as sulfate, thereby reducing the NOx occlusion amount. There is a problem.
[0007]
When the catalyst deterioration due to this sulfur poisoning progresses, even if the air-fuel ratio of the exhaust gas is lean and the atmosphere has a high oxygen concentration, the NOx purification rate decreases because the ability to absorb NOx is reduced. In addition, since the NOx absorption capacity is quickly reduced to the limit, it is necessary to frequently perform regeneration processing by rich combustion, resulting in deterioration of fuel consumption.
[0008]
Therefore, switching from the lean state to the rich state, NOx absorbed by the NOx storage reduction catalyst (lean NOx catalyst) in the high oxygen concentration atmosphere is released in the low oxygen concentration atmosphere, and the NOx storage material (NOx absorbent) In addition to the regeneration process that recovers the NOx absorption capacity of the catalyst), the progress of deterioration due to sulfur poisoning is monitored, and when the deterioration has progressed to some extent, the catalyst deterioration recovery process is performed by sulfur purge that removes sulfur (sulfur). (Catalyst restoration process) must be performed (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).
[0009]
In this sulfur purge (sulfur purge) control, carbon monoxide (CO) is supplied after the catalyst is brought to a high temperature and oxygen-free atmosphere, and barium sulfate (Ba) is formed on the occlusion material.₂SO_Four) Is stored as sulfur dioxide (SO).₂) To release NOx storage capacity.
[0010]
[Patent Document 1]
JP 9-32619 A (page 3)
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-274031 (page 3)
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, there is a problem that in the early stage of this sulfur purge control, NOx is discharged from the catalyst and the NOx purification rate is lowered.
[0012]
In other words, at the initial stage of the sulfur purge control, the SOx storage material starts to perform SO₂NO with₂Is also released, but NO against it₂CO, which is a reducing agent, is used for the reaction of replacing barium sulfate with barium carbonate on the NOx storage material.₂NO due to lack of reducing agent for reduction₂NO can not be reduced, NO₂Will be discharged directly to the downstream side of the catalyst. An example of NOx discharge at the initial stage of the sulfur purge is shown in the first half portion X of FIG. The Xa portion where the post-injection amount of the first half portion X is increased and the catalyst outlet oxygen concentration is reduced is the portion corresponding to the NOx discharge.
[0013]
As a countermeasure against the NOx discharge at the initial stage of the sulfur purge, simply increasing CO as the reducing agent at this time will result in NO released from the NOx occlusion material.₂The release rate of NO increases at the same time.₂Since the amount cannot be determined, it is impossible to properly supply the reducing agent, the reducing agent becomes excessive or the reducing agent becomes insufficient, and the exhaust gas emission may be deteriorated, and this problem cannot be solved.
[0014]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and its object is to perform sulfur purge in an exhaust gas purification system that uses a NOx occlusion reduction type catalyst to purify NOx in exhaust gas. An object of the present invention is to provide an exhaust gas purification system for an internal combustion engine that can avoid the temporary discharge of generated NOx.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
An exhaust gas purification system for an internal combustion engine for achieving the above object includes a NOx storage reduction catalyst provided in an exhaust passage of the internal combustion engine, and a ternary provided downstream of the NOx storage reduction catalyst. A catalyst, NOx concentration detecting means for detecting the NOx concentration at the outlet of the NOx occlusion reduction catalyst or the outlet of the three way catalyst, and a reducing agent supply for supplying a reducing agent to the NOx occlusion reduction type catalyst and the three way catalyst And a sulfur purge control means for controlling the exhaust gas at a high temperature and richly, a reductant adsorbing function is added to the three-way catalyst, and the sulfur purge control means is connected to the NOx together with the sulfur purge. A first-stage sulfur purge control means for performing release and reduction of sulfur and a second-stage sulfur purge control means for performing sulfur purge after release and reduction of NOx. The control means includes a reducing agent increasing means for supplying an increasing amount of reducing agent to the NOx occlusion reduction type catalyst and the three-way catalyst in the first stage of the first stage sulfur purge control, and the second stage of the first stage sulfur purge control. A NOx concentration follow-up control unit that adjusts the supply amount of the reducing agent according to the NOx concentration detected by the NOx concentration detection unit is provided.
[0016]
According to this configuration, in the sulfur purge control in which the sulfur purge is started and the exhaust gas is controlled to a high temperature and rich condition by changing the fuel injection condition of the internal combustion engine, the intake throttle, or the like, In a short time of about 1 second, the amount of fuel to be post-injected is increased to increase the amount of reducing agent such as CO and HC in the exhaust gas, so that the NOx occlusion material can be₂NO released rapidly with the release of NO₂Is reduced with this reducing agent. At this time, since the amount of the reducing agent is increased so as not to be insufficient, it is possible to prevent NOx released from the NOx storage material from being exhausted to the downstream side of the catalyst without being completely reduced.
[0017]
The surplus reducing agent is stored by the reducing agent adsorption function applied to the three-way catalyst on the downstream side of the NOx storage reduction catalyst. Thereby, the outflow of the reducing agent to the atmosphere can be prevented.
[0018]
Further, during the period from about 5 seconds to about 10 seconds in the second stage of the first sulfur purge control, NOx is reduced while adjusting the supply amount of the reducing agent according to the NOx concentration detected by the NOx concentration detecting means.
[0019]
This early-stage sulfur purge is mainly for the release and reduction of NOx accompanying the sulfur purge. Oxygen generated during the reduction of this NOx is detected at the catalyst outlet. The end of NOx discharge from the occlusion material is detected and the process ends.
[0020]
The next late-stage sulfur purge control is mainly sulfur purge after NOx release and reduction, and the exhaust gas state is controlled in three ways by controlling the excess air ratio λ to be close to 1.0. After making the catalyst suitable for NOx purification and continuing for the time required for the sulfur purge, the sulfur purge is terminated.
[0021]
The end of the sulfur purge is calculated, for example, by calculating the sulfur storage amount from the sulfur content in the fuel and the fuel flow rate, and calculating the sulfur desorption amount from the desorption amount per hour and the sulfur purge time as a function of temperature. When the difference between the sulfur occlusion amount and the sulfur desorption amount becomes zero, the process is terminated.
[0022]
Thereby, in the exhaust gas purification system using the NOx occlusion reduction type catalyst, it is possible to prevent the outflow (slip) of NOx that is temporarily discharged at the early stage of the sulfur purge to the atmosphere.
[0023]
The exhaust gas rich condition here does not necessarily require rich combustion in the cylinder bore, and the ratio of the amount of air and the amount of fuel in the exhaust gas flowing into the NOx storage reduction catalyst is close to the stoichiometric air-fuel ratio. Alternatively, the operation may be performed in a rich state where the fuel amount is larger than the theoretical air-fuel ratio.
[0024]
In the exhaust gas system of the internal combustion engine, the supply of the reducing agent supplied to the early sulfur purge control is supplied by the post injection of combustion injection, and the first stage post injection amount in the early sulfur purge control Is set to 2 to 3 times the post-injection amount in the second stage, and the supply of the reducing agent supplied to the previous sulfur purge control is supplied by the post injection of combustion injection. The first stage post-injection timing is set to 45 ° ATDC to 90 ° ATDC, the second stage post-injection timing is set to 30 ° ATDC to 45 ° ATDC, and further, the first stage in the first-stage sulfur purge control is performed. By making the period of 1/5 times to 1/10 times the period of the second stage, it is possible to more effectively reduce NOx with a smaller amount of reducing agent supplied. It is possible to obtain the effect of reduction.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an exhaust gas purification system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0026]
As shown in FIG. 1, the exhaust gas purification system 1 includes a NOx occlusion reduction type catalyst 31 and a three-way catalyst 32 having a function of adsorbing a reducing agent such as CO or HC from the upstream side to the exhaust passage 30 of the engine 10. It is configured with.
[0027]
In the exhaust gas purification system 1, an air cleaner 21, a MAF (mass air flow) sensor 22, and an intake throttle valve (intake throttle valve) 23 are provided in the intake passage 20 of the engine 10 from the upstream side.
[0028]
In addition to the NOx storage reduction catalyst 31 and the three-way catalyst 32, the exhaust passage 30 includes an exhaust temperature sensor 33, a catalyst inlet exhaust concentration sensor 34, a catalyst outlet exhaust concentration sensor 35, a catalyst inlet temperature sensor 36, a catalyst outlet. A temperature sensor 37 is provided. The exhaust concentration sensors 34 and 35 are sensors that measure the excess air ratio λ (or oxygen concentration) and NOx concentration.
[0029]
Further, an EGR passage 40 is provided, and an EGR cooler 41 and an EGR valve 42 are disposed in the EGR passage 40.
[0030]
A common rail injection system 50 that performs fuel injection of the engine 10 and an electronic control device (electronic control box) 60 called an ECU (engine control unit) that controls the entire engine are provided.
[0031]
In the exhaust gas purification system 1, the air A passes through the air cleaner 21 and the MAF sensor 22, and the intake air flow rate is adjusted by the intake throttle valve 23 controlled by the electronic control unit 50, so that the intake manifold of the engine 10 is adjusted. 20a is supplied into the cylinder.
[0032]
Further, the exhaust gas G becomes exhaust gas Gc that has been exhausted from the exhaust manifold 30a of the engine 10 and sequentially passes through the NOx occlusion reduction type catalyst 31 and the three-way catalyst 32 in the exhaust passage 30 and becomes a silencer (not shown). And is discharged from a tail pipe (not shown).
[0033]
Then, the EGR gas Ge which is a part of the exhaust gas G is cooled by the EGR cooler 41 through the EGR passage 40, and then the ON / OFF and flow rate adjustment are performed by the EGR valve 42, and the EGR gas Ge enters the intake manifold 20a again. Circulate.
[0034]
The catalyst outlet exhaust concentration sensor 35 at the outlet of the three-way catalyst 32 constitutes NOx concentration detection means for detecting the NOx concentration. This NOx concentration detection means can also be configured by providing a NOx concentration sensor (not shown) at the outlet of the NOx occlusion reduction type catalyst 31, and this NOx concentration sensor.
[0035]
In the configuration of FIG. 1, the reducing agent is supplied by post injection in the fuel injection control into the cylinder, and the reduction agent supplied into the exhaust gas by adjusting the injection amount Qp of the post injection and the post injection timing Tp. Adjust the supply amount of the agent. That is, the reducing agent supply means is configured as a part of this fuel injection control means.
[0036]
Although not shown, instead of this in-cylinder injection control, an injection nozzle is provided in the exhaust passage 30 for supplying the reducing agent, and a reducing agent such as fuel is injected from the injection nozzle, and this injection amount is adjusted. You may comprise so that the supply amount of the reducing agent supplied in exhaust gas may be adjusted.
[0037]
Further, the sulfur purge is performed by adjusting the fuel injection amount and the injection timing by the fuel injection control into the cylinder, adjusting the EGR, adjusting the intake air throttle, and the like so that the exhaust gas is in a high temperature and rich state. That is, the sulfur purge control means is configured to control the fuel injection control means, the EGR control, and the intake throttle control in an integrated manner.
[0038]
Next, the NOx storage reduction catalyst 31 and the three-way catalyst 32 will be described.
[0039]
As shown in FIGS. 2, 3 and 4, the NOx occlusion reduction type catalyst 31 forms a monolith honeycomb with γ-alumina or the like, and the catalyst metal 31 b and NOx occlusion are formed on the surface of the carrier 31 a of the cell of the monolith honeycomb. It is formed by supporting the substance 31c.
[0040]
The catalytic metal 31b can be formed of platinum (Pt), palladium (Pd), or the like having oxidation activity in a temperature range higher than the activation start temperature. Further, the NOx storage material 31c includes alkali metals such as potassium (K), sodium (Na), lithium (Li) and cesium (Cs), alkaline earth metals such as barium (Ba) and calcium (Ca), lanthanum ( La), rare earth such as yttrium (Y), etc. can be formed by any one or a combination, and store NOx when the oxygen concentration in the gas is high, and release NOx when the oxygen concentration in the gas is low To do.
[0041]
FIGS. 3 and 4 show the mechanism of NOx purification in the exhaust gas in the NOx occlusion reduction catalyst 31 formed from the catalyst metal 31b of palladium (Pd) and the NOx occlusion material 31c of barium (Ba).
[0042]
In the NOx occlusion reduction type catalyst 31, as shown in FIG. 3, when the exhaust gas is lean (lean combustion) in a high oxygen concentration atmosphere, NO in the exhaust gas is oxidized by the catalytic action of palladium (Pd). NO₂And NO_Three ^-In the form of NOx occlusion material 31c, barium (Ba) nitrate (Ba (NO_Three)₂) Is absorbed. That is, barium carbonate (BaCO_Three) To barium nitrate (Ba (NO_Three)₂), Selectively NO₂Occlude.
[0043]
Then, as shown in FIG. 4, when the exhaust gas becomes rich and the oxygen concentration decreases, NO_Three ^-Is NO₂Is released from the NOx storage material 31c. That is, barium nitrate (Ba (NO_Three)₂) To barium carbonate (BaCO)_Three) To change to NO₂Release. This released NO₂Is unburned HC, CO or H contained in the exhaust gas₂Catalytic action of palladium (Pd) by a reducing agent such as N₂Reduced to This reduction action can prevent NOx from being released into the atmosphere.
[0044]
As shown in FIG. 2, the three-way catalyst 32 having a reducing agent absorption function forms a monolith honeycomb with γ alumina or the like, and platinum (Pt) or rhodium (rhodium) is formed on the surface of the carrier 32a of the cell of the monolith honeycomb. In addition to the catalyst metal 32b such as Rh), the reducing agent storage material 32c and ceria (CeO) formed of zeolite or the like that stores HC and CO at low temperatures and releases them at high temperatures.₂) And the like, and is configured to include an oxygen storage material 32d.
[0045]
This reducing agent storage material 32c adsorbs HC, releases it at a high temperature, oxidizes with the catalytic metal 32b, and CO.₂, H₂O. Further, the oxygen storage material 32d is O in the vicinity of λ = 1.₂It helps to expand and remove the ternary area.
[0046]
And the regeneration control method in this exhaust gas purification system 1 is performed by the control means which consists of each means as shown in FIG. 5, and the control means C1 of this exhaust gas purification system is a normal control means C10, sulfur purge start determination. Means C20, regeneration control start determination means C30, sulfur purge control means C40, regeneration control means C50, and the like are configured.
[0047]
The normal control means C10 is a control means for performing a normal lean combustion operation, and the sulfur purge start determination means C20 is a means for determining whether or not to perform a sulfur purge operation. Is determined to start the sulfur purge control. The regeneration control start determining means C30 is a means for determining whether or not the NOx absorption reduction capacity of the NOx occlusion reduction type catalyst 31 has reached saturation and the regeneration control has been started. The sulfur purge control means C40 is a means for performing control for sulfur purge, and the regeneration control means C50 is a means for regenerating the NOx storage reduction catalyst 31 by recovering the NOx absorption capacity.
[0048]
The sulfur purge control means C40 is a means for purging sulfur from the sulfur-poisoned NOx storage material 31c. The exhaust gas temperature is raised by performing EGR control, intake throttle control, etc., and the catalyst temperature is increased by raising the exhaust gas temperature. The exhaust gas air-fuel ratio is controlled to the stoichiometric air-fuel ratio or a value slightly lower than the stoichiometric air-fuel ratio to obtain a temperature optimum for sulfur purging and a low oxygen concentration state, and the catalyst temperature. The sulfur purge is performed efficiently while preventing the decrease in the temperature.
[0049]
In the present invention, the sulfur purge control means C40 includes an early-stage sulfur purge control means C41 in which NOx is released and reduced together with the sulfur purge, and a later-stage sulfur purge control means in which sulfur purge is performed after the release and reduction of NOx. C42.
[0050]
Further, the first-term sulfur purge control means C41 includes a reducing agent increase control means C41A and a NOx concentration follow-up control means C41B, and the reducing agent increase control means C41A performs the first stage in the initial execution of the first-term sulfur purge control. The reducing agent increasing purge control for increasing the amount of reducing agent supplied to the NOx occlusion reduction type catalyst 31 and the three-way catalyst 32 is performed. In the second stage of the sulfur purge control in the previous period, the NOx concentration tracking control means C41B detects the NOx concentration. The apparatus is configured to perform NOx concentration tracking purge control that adjusts the supply amount of the reducing agent into the exhaust gas according to the NOx concentration detected by the catalyst outlet exhaust concentration sensor 35 as a means.
[0051]
In the late sulfur purge control, the late sulfur purge control means C42 performs feedback control so that the excess air ratio λext detected from the catalyst outlet exhaust concentration sensor 35 becomes the target λext (usually 1.0). Sulfur purge is performed while the exhaust gas is in a state suitable for NOx purification using a three-way catalyst.
[0052]
And the control method of this exhaust-gas purification system 1 is performed according to the operation control flow which is illustrated in FIG.
[0053]
The operation control flow of FIG. 6 is shown as being executed in parallel with the other control flow of the engine during operation of the engine 10, and when the engine key is turned OFF and the engine operation is stopped, An interruption occurs during the execution, and the execution of this operation control flow is interrupted and terminated. The portions of the operation control flow interruption and operation control end by the engine key OFF are shown by dotted lines.
[0054]
The outline of this control flow will be described. In step S10, the normal leaning (lean combustion) operation is performed by the normal control means C10, and the sulfur purge of the NOx occlusion reduction type catalyst 31 is required by the sulfur purge start determining means C20 in step S20. In step S40, sulfur purge control is performed by the sulfur purge control means C40 to recover deterioration due to sulfur poisoning of the catalyst, and the process returns to step S10.
[0055]
If it is determined in step S20 that the sulfur purge is unnecessary, it is determined in step S30 whether regeneration control for regenerating the NOx storage reduction catalyst 30 is required by the regeneration control start determination means C30. In step S50, regeneration control is performed by the regeneration control means C50 to regenerate the NOx storage reduction catalyst 31, and then the process returns to step S10. If it is determined in step S30 that regeneration control is unnecessary, the process returns to step S10.
[0056]
In this regeneration control, the catalyst is regenerated by rich combustion. Exhaust gas with an excess air ratio λ at the catalyst inlet and an oxygen concentration of 0.8 to 0.95 close to zero is generated, and NOx occlusion reduction is performed. The NOx is released from the type catalyst 31, and the released NOx is reduced and purified by the catalyst metal 31b and the three-way catalyst 32 to recover the NOx absorption capability, and the NOx occlusion reduction type catalyst 31 is regenerated. In this regeneration control, since the exhaust gas temperature is low, sulfur purge is not performed.
[0057]
Then, steps S10 to S50 of this control flow are repeatedly executed until the engine key is turned off. By interruption of an end command such as engine key OFF, NOx occlusion reduction is performed in the current engine operation in the control flow end process of step S60. After the end process such as writing the NOx amount and sulfur amount accumulated in the mold catalyst 30 and the lean operation continuation time into the memory, this control flow is stopped (stopped) and ended (end).
[0058]
The present invention is characterized by sulfur purge control for recovering deterioration due to sulfur poisoning of the NOx storage reduction catalyst 30 performed by the sulfur purge control means C40 in step S40.
[0059]
In this sulfur purge control means C40, EGR control, intake throttle control, etc. are performed to shift the excess air ratio λ stepwise from a range of 0.8 to 0.95 to a range of 0.95 to 1.0, The sulfur purge is efficiently performed while preventing the catalyst temperature from decreasing by setting the temperature and the low oxygen concentration state optimal for the sulfur purge. The excess air ratio λ of the exhaust gas in the regeneration control for recovering the NOx absorption capacity is usually about 0.8 to 0.95 at the catalyst inlet, and the sulfur purge control is more than the rich control for regeneration. The oxygen concentration is controlled to be high.
[0060]
As shown in FIG. 7 and FIG. 8, the sulfur purge control of the present invention includes the early-stage sulfur purge control in steps S41 to S43 and the steps S44 to S45.LateIt consists of sulfur purge control and sulfur purge control end control in step S46.
[0061]
In the first-stage sulfur purge control, in the first stage of step S41, the reducing agent increasing control means C41A performs post injection for the purpose of adding a reducing agent such as CO or HC into the exhaust gas, thereby reducing the reducing agent. Supply. In this post injection, as shown in FIG. 8, the post injection amount Qp1 is made larger than the post injection performed by the NOx concentration follow-up control means C41B in the second stage of step S42. This is delayed for a predetermined time dT1 (for example, about 1 second) by increasing the supply amount of the reducing agent.
[0062]
At the same time, in order to bring the exhaust gas to a high temperature and rich state, the excess air ratio λent detected from the catalyst inlet exhaust concentration sensor 34 is monitored so that the target λtent (approximately 0.8 to 0.95) is obtained. The excess air ratio λent is feedback controlled. At this time, while monitoring the output of the MAF (mass air flow) sensor 22 that measures the intake air amount, the EGR amount, the intake throttle (ITH) amount, and the feedback control are also performed.
[0063]
The CO and HC generated in this step S41 are NO generated in the NOx storage reduction catalyst 31.₂The reducing agent remaining unused without being used is adsorbed by the reducing agent adsorbing material 32c of the three-way catalyst 32. This adsorption prevents discharge of the reducing agent into the atmosphere.
[0064]
When NOx that cannot be completely reduced by the NOx occlusion reduction catalyst 31 flows into the three-way catalyst 32, the adsorbed reducing agent is used to purify NOx by a three-way function. In other words, excess reducing agent is stored in the three-way catalyst 32 by the reducing agent adsorbing material 32c, and this stored reducing agent is used for NOx purification in the three-way catalyst 32, thereby preventing NOx from being released into the atmosphere.
[0065]
Then, after supplying the reducing agent in the first stage of the first stage sulfur purge for a predetermined time and ending the control of the first stage, as shown in FIGS. 7 and 8, the second stage of the first stage sulfur purge is performed. In step S42, NOx concentration tracking control by the NOx concentration tracking control means C41B is performed.
[0066]
In this NOx concentration follow-up control, the NOx concentration (NOx discharge amount) is monitored, and the post injection amount Qp and the post injection timing Tp are feedback controlled in accordance with the NOx concentration. That is, when the NOx concentration increases during the sulfur purge and NOx discharge is confirmed, the amount of reducing agent is insufficient, so the post injection amount Qp2 is increased or the post injection timing Tp2 is further delayed. Thus, the amount of the reducing agent in the exhaust gas is increased, and NOx is purified by the three-way reaction of the three-way catalyst 32.
[0067]
At the same time, the excess air ratio λent detected from the catalyst inlet exhaust concentration sensor 34 is monitored, and the excess air ratio λent is feedback-controlled so as to be the target λtent (approximately 0.95 to 1.0). At this time, as in the first stage, the EGR amount and the intake throttle (ITH) amount are also feedback controlled while monitoring the output of the MAF (mass air flow) sensor 22 that measures the intake amount.
[0068]
Then, for example, the post-injection amount determined by the NOx concentration and the larger value of the post-injection amount determined by the excess air ratio λent are controlled.
[0069]
In the first and second post-injection embodiments of the first-stage sulfur purge control, the optimum post-injection amount corresponding to the NOx concentration (discharge amount) detected by the catalyst outlet exhaust concentration sensor 35 in a bench test in advance. Qp1 and Qp2 and optimum post injection timings Tp1 and Tp2 are confirmed, and post injection control is performed based on these.
[0070]
Then, the first-stage post injection amount Qp1 shown in FIG. 8 is set to 2 to 5 times the second-stage post injection amount Qp2, and the first-stage post injection amount Tp1 is set to 45 ° ATDC to 90 °. The second stage post-injection timing Tp2 is set to 30 ° ATDC to 45 ° ATDC, and the first stage period dT1 of the first-stage sulfur purge control is set to 1/5 times to the second stage period dT2. By setting it to / 10 times, NOx can be purified more effectively with a smaller supply amount of the reducing agent.
[0071]
In step S43, the difference between the excess air ratio λext at the catalyst inlet and the excess air ratio λent at the catalyst outlet becomes equal to or smaller than a predetermined value Δλth (step (43). It is determined whether or not λent) <Δλth). When the predetermined value Δλth is reached, the first-term sulfur purge control is terminated and the second-term sulfur purge control is entered at step S44.
[0072]
That is, regarding the end timing of the first sulfur purge control, oxygen is generated when NOx released from the NOx storage reduction catalyst 31 is reduced, and when NOx discharge ends and the NOx reduction reaction ends, oxygen is also generated. Therefore, the excess air ratio λ (or oxygen concentration) before and after the NOx storage reduction catalyst 31 is monitored, and when the difference between before and after is reduced, the end of NOx discharge is detected and the initial sulfur purge control is terminated. .
[0073]
Further, in the later stage sulfur purge control after the next step S44, the excess air ratio λext detected from the catalyst outlet exhaust concentration sensor 35 is monitored, and the excess air ratio λext is set so as to be the target λext (usually 1.0). By performing feedback control, the exhaust air ratio λtext is set to a stoichiometric condition of approximately 1.0, and three-way purification is performed, and at the same time, sulfur purge is performed. At this time, while monitoring the output of the MAF (mass air flow) sensor 22 that measures the intake air amount, the EGR amount, the intake throttle (ITH) amount, and the feedback control are also performed. Note that the post injection at this time is performed at the post injection amount Qp3 and the post injection timing Tp3.
[0074]
Then, the late sulfur purge control in step S44 is performed for a predetermined target time set so that the difference between the accumulated sulfur amount SOxS and the sulfur desorption amount SOxR as a function of temperature becomes zero. Since the sulfur desorption amount SOxR is a function of the temperature, the exhaust gas temperature and the catalyst temperature during the late sulfur purge control are measured, and the predetermined target time is corrected based on this temperature, so that the sulfur can be corrected more accurately. Can be purged.
[0075]
According to the control method of the exhaust gas purification system 1 having the above-described configuration, when sulfur purge is required, abundant reducing agents are supplied by supplying more reducing agent than is consumed by the upstream NOx occlusion reduction type catalyst 31. NOx released in large quantities temporarily at the beginning of the sulfur purge is reduced and purified with a reducing agent, and excess reducing agent is occluded by a three-way catalyst having a reducing agent absorption function on the downstream side, while NOx that could not be reduced Purification by the downstream three-way catalyst can prevent NOx from being released into the atmosphere.
[0076]
An embodiment of exhaust gas purification by the exhaust gas purification system 1 is shown in FIG. The first half (X region) of FIG. 9 shows a comparative example of the conventional sulfur purge control, and it can be seen that the NOx concentration at the catalyst outlet is remarkably increased in the Xa region where the post injection amount is increased and the rich operation is performed. . On the other hand, the latter half (Y region) is an embodiment of the present invention, and in the post injection amount increase region Ya including the first-stage reducing agent increase control (A), the increase in the catalyst outlet NOx concentration is not observed. Thus, the NOx purification effect of the present invention can be understood.
[0077]
【The invention's effect】
As described above, according to the exhaust gas purification system of the present invention, the upstream side NOx occlusion reduction is performed by performing the reducing agent increase control in the first stage of the first stage sulfur purge control that is the initial stage of sulfur purge. Supplying more reducing agent than can be consumed by the catalyst, reducing and purifying NOx released temporarily in large quantities at the beginning of the sulfur purge with abundant reducing agent, and reducing reducing agent that could not be consumed downstream The release of the reducing agent into the atmosphere is occluded by occlusion in the three-way catalyst having the agent absorption function, and NOx that could not be reduced by the NOx occlusion reduction type catalyst is purified by the downstream three-way catalyst. , NOx can be prevented from being released into the atmosphere.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an exhaust gas purification system according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram schematically showing a configuration of a NOx occlusion reduction type catalyst and a three-way catalyst having a reducing agent absorption function and a purification mechanism of the exhaust gas purification system of FIG. 1; FIG.
FIG. 3 is a diagram schematically showing a purification mechanism in a lean combustion state (NOx occlusion) of a NOx occlusion reduction type catalyst.
FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a purification mechanism in a rich combustion state (catalyst regeneration) of a NOx storage reduction catalyst.
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of control means of the exhaust gas purification system according to the embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a flowchart of an operation control flow showing the exhaust gas purification method of the embodiment according to the present invention.
FIG. 7 is a more detailed flowchart of the sulfur purge control of FIG.
FIG. 8 is a diagram showing a time series of post injection amount and post injection timing of sulfur purge control.
FIG. 9 is a diagram showing a time series of NOx concentration and the like in exhaust gas in an example of the present invention and a comparative example of the prior art.
[Explanation of symbols]
1 Exhaust gas purification system
10 Internal combustion engine
30 Exhaust passage
31 NOx storage reduction catalyst
32 Three-way catalyst
35 Exhaust concentration sensor at catalyst outlet

Claims

内燃機関の排気通路に設けられたＮＯｘ吸蔵還元型触媒と、該ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の下流側に設けられた三元触媒と、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の出口又は前記三元触媒の出口のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ濃度検出手段と、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒と前記三元触媒に還元剤を供給する還元剤供給手段と、排気ガスを高温かつリッチに制御する硫黄パージ制御手段とを具備した排気ガス浄化システムにおいて、前記三元触媒に還元剤吸着機能を付加すると共に、前記硫黄パージ制御手段が硫黄パージと共にＮＯｘの放出及び還元が行われる前期硫黄パージ制御手段とＮＯｘの放出及び還元の後の硫黄パージを行う後期硫黄パージ制御手段を備え、前記前期硫黄パージ制御手段が、前期硫黄パージ制御の第１段階で、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒と前記三元触媒に還元剤を増量供給する還元剤増量手段と、前記前期硫黄パージ制御の第２段階で、前記ＮＯｘ濃度検出手段で検出したＮＯｘ濃度に応じて、還元剤の供給量を調整するＮＯｘ濃度追従制御手段を備えて構成されることを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化システム。A NOx occlusion reduction type catalyst provided in the exhaust passage of the internal combustion engine, a three way catalyst provided downstream of the NOx occlusion reduction type catalyst, an outlet of the NOx occlusion reduction type catalyst or an outlet of the three way catalyst NOx concentration detection means for detecting NOx concentration, reducing agent supply means for supplying a reducing agent to the NOx occlusion reduction type catalyst and the three-way catalyst, and sulfur purge control means for controlling exhaust gas at high temperature and richness In the exhaust gas purification system, a reducing agent adsorption function is added to the three-way catalyst, and the sulfur purge control means performs release and reduction of NOx together with sulfur purge. A late sulfur purge control means for performing a subsequent sulfur purge, wherein the early sulfur purge control means is the NOx occlusion reduction type in the first stage of the early sulfur purge control; A reducing agent increasing means for supplying an increasing amount of reducing agent to the medium and the three-way catalyst, and a supply amount of the reducing agent according to the NOx concentration detected by the NOx concentration detecting means in the second stage of the previous sulfur purge control. An exhaust gas purification system for an internal combustion engine, comprising an NOx concentration follow-up control means for adjusting.

前記前期硫黄パージ制御に供給される還元剤の供給を燃焼噴射のポスト噴射によって供給すると共に、該前期硫黄パージ制御における前記第１段階のポスト噴射量を、前記第２段階のポスト噴射量の２倍〜３倍とした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システム。The supply of the reducing agent supplied to the first-stage sulfur purge control is supplied by combustion injection post-injection, and the first-stage post-injection quantity in the first-stage sulfur purge control is set to 2 of the second-stage post-injection quantity. 2. The exhaust gas purification system for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the exhaust gas purification system is set to be double to triple.

前記前期硫黄パージ制御に供給される還元剤の供給を燃焼噴射のポスト噴射によって供給すると共に、該前期硫黄パージ制御における前記第１段階のポスト噴射時期を、４５°ＡＴＤＣ〜９０°ＡＴＤＣとし、前記第２段階のポスト噴射時期を３０°ＡＴＤＣ〜４５°ＡＴＤＣとしたことを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の排気ガス浄化システム。The supply of the reducing agent supplied to the early sulfur purge control is supplied by post injection of combustion injection, and the first stage post injection timing in the early sulfur purge control is set to 45 ° ATDC to 90 ° ATDC, The exhaust gas purification system for an internal combustion engine according to claim 1 or 2, wherein the second stage post-injection timing is 30 ° ATDC to 45 ° ATDC.

前記前期硫黄パージ制御における前記第１段階の期間を、前記第２段階の期間の１／５倍〜１／１０倍としたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の内燃機関の排気ガス浄化システム。4. The method according to claim 1, wherein the period of the first stage in the early-stage sulfur purge control is set to 1/5 to 1/10 times the period of the second stage. An exhaust gas purification system for an internal combustion engine.