JP4178797B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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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浄化装置に関し、好適には、ディーゼルエンジンの排気通路中の触媒のＳＯｘ被毒を抑制する排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
希薄燃焼可能な車両用の内燃機関より排出される排気ガスからＮＯｘを浄化する技術として、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を用いた排気浄化装置がある。
【０００３】
この吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に配置される。そして、リーン空燃比（即ち、酸素過剰雰囲気下）の排気ガスが流れたときには、排気ガス中のＮＯｘは触媒に吸蔵される。そして、ストイキ（理論空燃比）あるいはリッチ空燃比（即ち、酸素希薄雰囲気下）の排気ガスが流れたときに、触媒に吸蔵されていたＮＯｘはＮＯ2として放出される。そしてさらに、排気ガス中のＨＣやＣＯなどの還元成分によってＮ2に還元される。現在このようなＮＯｘを浄化する技術が開発されている。
【０００４】
ところで、内燃機関の燃料には、一般的に硫黄分が含まれているため、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ＳＯ2やＳＯ3などの硫黄酸化物（ＳＯｘ）が発生する。吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、ＮＯｘの吸蔵作用と同じメカニズムで排気ガス中のＳＯｘが吸蔵される。そのため、内燃機関の排気通路にＮＯｘ触媒を配置した場合、このＮＯｘ触媒にはＮＯｘのみならずＳＯｘも吸蔵される。
【０００５】
そして、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＳＯｘは、時間経過とともに安定な硫酸塩を形成する。そのため、ＮＯｘ触媒からＮＯｘの放出、還元を行う場合と同じ条件においては、分解あるいは放出されにくく、ＮＯｘ触媒内に蓄積され易い傾向がある。その結果、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒内のＳＯｘ蓄積量が増大すると、触媒のＮＯｘ吸蔵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。これが所謂Ｓ被毒である。
【０００６】
したがって、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の排気浄化能力を長期に亘って高く維持するためには、触媒に吸蔵されるＳＯｘを分解して触媒から放出させ、Ｓ被毒から回復させる必要がある。
【０００７】
そこで、特開平6-272541号公報等には、Ｓ被毒を回復するため、ＮＯｘ触媒を通常の再生操作時より高い温度（例えば６００度Ｃ以上）に昇温し、かつ排気ガスの空燃比をリッチにしてＳ被毒回復処理を定期的に行う技術が開示されている。
【０００８】
上記公報に開示された処理技術では、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比がリーンのときにＮＯｘ を吸蔵し、排気ガスの酸素濃度が低下したときに吸蔵したＮＯｘ を放出するようなＮＯｘ触媒を、内燃機関の排気通路に配置する。そして排気中のＮＯｘ を吸蔵させ、その後ＮＯｘ触媒に流入する排気空燃比をリッチにして、ＮＯｘ触媒から吸蔵したＮＯｘ を放出させる。
【０００９】
さらに、ＮＯｘ触媒と、排気中の微粒子を捕集するパティキュレートフィルタとを相互に熱伝達可能な位置に配置する。そして、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をリッチにして、ＮＯｘ の放出と還元浄化を行う。その後、パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを燃焼させ、このパティキュレート燃焼操作終了後に再度ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をリッチにして、ＮＯｘ触媒のＳ被毒を回復する。
【００１０】
しかしながら、排気触媒のＳ被毒の原因は、燃料中の硫黄分以外にも考えられる。その主なものとして、エンジンオイル（潤滑油）に起因するブローバイガスがある。
【００１１】
ブローバイガスは、燃焼室内の燃焼ガスが、燃焼の圧力によりピストンリングとシリンダ壁の隙間より漏れ、クランクケースに流れ込むものである。そのため、ブローバイガスは、クランクケース内の汚濁、オイルの劣化を防ぐため浄化する必要がある。
【００１２】
そこで、ブローバイガス浄化装置としては、特開平10-103039号公報に開示されているように、ブローバイガス中のオイル分をフィルタで捕集し、光触媒の分解作用により水と二酸化酸素に分解することにより、オイル分を浄化し、大気へ排出する技術が開発されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ブローバイガスは、クランクケース内の潤滑油中の硫黄分などを含んでいる。そのため、ブローバイガスは吸気系に循環されたのち燃焼室を経て排気通路へと流入し、排気触媒をＳ被毒する。排気触媒のＳ被毒を回復させる処理としては、従来のような排気通路の硫黄分の浄化のみが問題となるわけではなく、ブローバイガス中の硫黄分の浄化もまた問題となる。
【００１４】
本発明は、このような従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、ブローバイガス中の硫黄分をトラップすることにより、排気通路中の触媒のＳ被毒を抑制する内燃機関の排気浄化装置を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。本発明に係る内燃機関としては、ディーゼルエンジンやガソリンエンジン等を例示することができる。
【００１６】
その内燃機関のブローバイガスをクランクケースから吸気系に再循環させるブローバイガス通路に、ブローバイガス中の硫黄分をトラップするＳＯｘトラップ剤を備え、ブローバイガス中のＳＯｘを予め除去して、吸気系に再循環させることで、排気触媒のＳ被毒を抑制できる。
【００１７】
このＳＯｘトラップ剤は、例えばアルミナやチタンあるいはジルコニア等の金属酸化物がコーティングされた焼結メタルからなる担体上に、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、のような遷移金属や、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、リチウム（Ｌｉ）、バリウム（Ｂａ）のようなアルカリまたはアルカリ土類金属等から選ばれた少なくとも１つとを担持して構成される。更に、担体上には、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の金属を担持することにより、ＳＯｘは、硫酸イオンの形でトラップされやすくなる。
【００１８】
排気触媒としては、酸化能を有する触媒として、酸化触媒やＮＯｘ触媒を例示することができ、ＮＯｘ触媒として、選択還元型ＮＯｘ触媒や吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を例示することができる。選択還元型ＮＯｘ触媒には、ゼオライトにＣｕ等の遷移金属をイオン交換して担持した触媒、ゼオライトまたはアルミナに貴金属を担持した触媒、等が含まれる。吸蔵還元型ＮＯｘ触媒とは、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構成された触媒である。この吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときはＮＯｘを吸蔵（吸収・吸着）し、流入する排気ガスの酸素濃度が低下すると吸蔵したＮＯｘを放出する。
【００１９】
上記ＳＯｘトラップ剤のＳ被毒回復処理（トラップしたＳＯｘを放出する）を行うために、ＳＯｘトラップ剤を加熱する加熱手段を備えた構成とすることもできる。この加熱手段としては、焼結メタルからなるフィルタ担体の一部あるいは全体を、通電すると発熱する電気発熱体で構成してもよいし、触媒の担持されていない焼結メタル部に電気発熱体を埋め込んで一体化した構成にしてもよい。
【００２０】
また、ＳＯｘトラップ剤にトラップしたＳＯｘを所定時期に放出することで、排気系のＮＯｘ触媒の再被毒を抑制することができる。
【００２１】
所定時期とは、放出した硫黄分が排気通路に流入して、排気系のＮＯｘ触媒を再被毒しない時期である。つまり、排気ガスの空燃比が理論空燃比又はその近傍であるストイキ、あるいは理論空燃比より過濃であるリッチなときである。
【００２２】
さらに、Ｓ被毒回復処理が完了した直後においては、ＳＯｘトラップ剤の温度が極めて高いため、吸蔵性能が低くなる。そこで、ＳＯｘトラップ剤のＳ被毒回復処理が完了した後は、ＳＯｘトラップ剤を吸蔵性能の高い温度まで素早く冷却するために、冷却手段を備えた構造とすることもできる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を参照にして説明する。尚、以下に記載する実施の形態は、本発明に係る排気浄化装置を内燃機関として車両用ディーゼルエンジン１に適用した態様である。
【００２４】
図１に示すように、ディーゼルエンジン１は、吸気通路２、ブローバイガス通路３、排気通路４、ピストン・クランク機構５、弁機構６を有しており、ピストン５により空気を断熱圧縮し、その中に重油又は軽油の燃料を噴射することで点火、燃焼させるものである。
【００２５】
このエンジンの燃焼過程において、ピストンリングとシリンダブロック７の隙間より漏れたガスがブローバイガス９である。このブローバイガス９は、ブローバイガス通路３を通って、クランクケース８から吸気系（吸気通路２）へ再循環させられる。このブローバイガス通路３には、硫黄分をトラップ（吸収・吸着）することができるＳトラップ１１が設置される。
【００２６】
このＳトラップ１１は、図２に示すように、本発明でいうＳＯｘトラップ剤１５を有し、ＳＯx トラップ剤１５は、焼結メタル１４からなるフィルタの表面上に、塩基性物質（ゼオライト、ジロコニア、Ｌｉ、Ｎａのアルカリ金属など）を担持させることにより、ブローバイガス９中の硫黄分をトラップする。
【００２７】
ところで、ＳＯｘトラップ剤１５の硫黄分トラップ能力には限界があり、所定量の硫黄分をトラップすると飽和し、それ以上トラップすることができなくなり硫黄分をそのまま通過させてしまう。そこで、ＳＯｘトラップ剤１５の硫黄分トラップ能力が飽和する前に、所定のタイミングで硫黄分を放出するため、ＳＯｘトラップ剤１５を昇温する必要がある。
【００２８】
そのため、Ｓトラップ１１の焼結メタル担体１４はヒータ機能を備えており、電流を流すと発熱し、ＳＯｘトラップ剤１５を加熱する。つまり、このＳトラップ１１は加熱手段が一体化されていてもよい。Ｓトラップ１１の焼結メタル担体１４はヒータリレー２２に電気的に接続されており、このヒータリレー２２は電子制御ユニット（ＥＣＵ２１）からの指令信号によってＯＮ／ＯＦＦ制御され、これにより焼結メタル１４からなるヒータがＯＮ／ＯＦＦ制御される。
【００２９】
また、ＳＯｘトラップ剤１５の触媒床温度を測定するため、入ガス温センサ２３および出ガス温センサ２４をブローバイガス通路３に取り付ける。この入ガス温センサ２３と出ガス温センサ２４は、Ｓトラップ１１の入口近傍と出口近傍に配置される。そして、Ｓトラップ１１に流入する排気ガスの温度、あるいはＳトラップ１１から流出する排気ガスの温度に対応した出力信号をＥＣＵ２１に出力する。これら入ガス温センサ２３と出ガス温センサ２４の出力信号に基づいて、ＥＣＵ２１はＳＯｘトラップ剤１５の触媒床温度を演算する。
【００３０】
あるいは、Ｓトラップ１１の入口近傍に、入ガス温センサ２３のみを取り付けてもよい。そして、Ｓトラップ１１に流入するブローバイガス９の温度に対応した出力信号をＥＣＵ２１に出力する。これは、この入ガス温センサ２３で検出されるブローバイガス温度は、ＳＯｘトラップ剤１５の触媒床温度にほぼ等しく、ＳＯｘトラップ剤１５の触媒床温度の代用とすることもできるからである。
【００３１】
Ｓ被毒回復処理が完了した直後においては、ＳＯｘトラップ剤１５の触媒床温度が極めて高いため、トラップ性能が低くなる。そこで、Ｓ被毒回復処理制御が終了した後、つまり、Ｓトラップ１１の通電をOFFにした後、ＳＯｘトラップ剤１５の触媒床温度をトラップ性能の高い温度まで素早く冷却する冷却手段を備える。冷却手段は、空冷式であってもよいし、水冷式であってもよい。
【００３２】
本実施形態において、排気触媒１２は、ディーゼルエンジン１の排気ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）、ＮＯｘ、ＳＯｘ、ＨＣ、ＣＯを一つの触媒で同時に低減することができるＤＰＮＲ触媒１２とする。ＤＰＮＲ触媒１２は、多孔質セラミック構造体からなるパティキュレートフィルタに吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を担持したものである。
【００３３】
還元剤供給装置１３は、パティキュレートフィルタの上流側の排気通路４に還元剤を供給して、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をリッチにする。
【００３４】
本実施形態ではディーゼルエンジン１に適用しているため、還元剤としてディーゼルエンジン１の燃料が使用される。また、この還元剤供給装置１３は、機関燃料系統から供給された燃料を排気通路４内に霧状に噴射するノズルを備える。
【００３５】
パティキュレートフィルタと還元剤供給装置１３との間の排気通路４には、排気温センサ２５が配置される。この排気温センサ２５からの検出信号は、電子制御ユニット（ＥＣＵ２１）に入力される。このＥＣＵ２１は、ＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＲＯＭ（リードオンリーメモリ）、入出力ポートを双方向バスで接続した公知の形式のディジタルコンピュータからなる。そして、燃料噴射量制御等のエンジンの基本制御を実行するほかに、Ｓトラップ１１の回復処理、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の再生、パティキュレートの燃焼、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＳ被毒回復処理等の制御も実行する。
【００３６】
また図示しないが、排気通路４を開閉する排気絞り弁、およびこの絞り弁を開閉駆動するアクチュエータが、排気通路４に配置される。この吸気絞り弁は、通常時は全開とされており、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の再生を行う際に閉弁され、内燃機関の吸入空気量を絞りＤＰＮＲ触媒１２に流入する排気流量を低減する。これにより、排気中の酸素を消費するので、ＤＰＮＲ触媒１２雰囲気の酸素濃度を低下させるために必要な還元剤の量は低減される。アクチュエータは吸気絞り弁を駆動するソレノイド、あるいは負圧アクチュエータ等の適宜な形式のものであればよい。
【００３７】
本実施形態では、ディーゼルエンジン１を適用しているため、通常時の排気の空燃比はリーンであり、ＤＰＮＲ触媒１２は排気中のＮＯｘ を吸蔵する。また、還元剤が、還元剤供給装置１３からパティキュレートフィルタの上流側の排気通路４に供給されて、流入排気の空燃比がリッチになると、ＤＰＮＲ触媒１２は吸蔵したＮＯｘ を放出する。
【００３８】
ここで、ＮＯｘ吸放出作用について、図３を参照して説明する。この吸放出作用の詳細なメカニズムについては明らかでない部分もあるが、以下に示されるようなメカニズムで行われていると考えられる。本実施形態では、白金ＰｔおよびバリウムＢａを担持させた場合を例にとって説明するが、その他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類、希土類を用いても同様なメカニズムとなる。
【００３９】
ＤＰＮＲ触媒１２に流入する排気ガスが、かなりリーンになると排気ガス中の酸素濃度が大幅に増大する。そして、図３（Ａ）に示されるように、これら酸素Ｏ2 はO2ーまたはO2ーの形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方では、排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面上でO2ーまたはO2ーと反応し、ＮＯ2 となる（２ＮＯ＋Ｏ2 →２ＮＯ2 ）。次いで生成されたＮＯ2 の一部は、白金Ｐｔ上で更に酸化されつつＤＰＮＲ触媒１２内に吸蔵されて、酸化バリウムＢａＯと結合する。そして、図３（Ａ）に示されるように、硝酸イオンＮＯ3ーの形でＤＰＮＲ触媒１２内に拡散する。このようにして、ＮＯｘ がＤＰＮＲ触媒１２内に吸蔵される。
【００４０】
ＤＰＮＲ触媒１２に流入する排気ガス中の酸素濃度が高い限り、白金Ｐｔの表面でＮＯ2 が生成される。そして、ＤＰＮＲ触媒１２のＮＯｘ 吸蔵能力が飽和しない限り、ＮＯ2 はＤＰＮＲ触媒１２内に吸蔵されて、硝酸イオンＮＯ3ーが生成される。
【００４１】
これに対して、ＤＰＮＲ触媒１２に流入する排気ガス中の酸素濃度が低下してＮＯ2 の生成量が低下した場合、反応が逆方向（ＮＯ3ー→ＮＯ2 ）に進む。こうして、ＤＰＮＲ触媒１２内の硝酸イオンＮＯ3ーがＮＯ2 の形でＤＰＮＲ触媒１２から放出される。すなわち、ＤＰＮＲ触媒１２に流入する排気ガス中の酸素濃度が低下すると、ＤＰＮＲ触媒１２からＮＯｘ が放出されることになる。流入する排気ガスのリーンの度合いが低くなれば、排気ガス中の酸素濃度は低下する。従って、ＤＰＮＲ触媒１２に流入する排気ガスのリーンの度合いを低くすれば、ＤＰＮＲ触媒１２からＮＯｘ が放出されることになる。
【００４２】
一方、このときＤＰＮＲ触媒１２に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすると、ＨＣ，ＣＯは白金Ｐｔ上の酸素O2ーまたはO2ーと反応して酸化される。また、排気ガスの空燃比をリッチにすると、排気ガス中の酸素濃度が極度に低下するために、ＤＰＮＲ触媒１２からＮＯ2 が放出される。このＮＯ2 は、図３（Ｂ）に示されるように、未燃焼のＨＣ，ＣＯと反応して還元浄化される。このようにして、白金Ｐｔの表面上にＮＯ2 が存在しなくなると、ＤＰＮＲ触媒１２から次々とＮＯ2 が放出される。従って、ＤＰＮＲ触媒１２に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすると、短時間でＮＯｘがＤＰＮＲ触媒１２から放出されて、還元浄化される。
【００４３】
尚、ここでいうＤＰＮＲ触媒１２に流入する排気ガスの空燃比とは、ＤＰＮＲ触媒１２上流側の排気通路４と燃焼室または吸気通路２に、供給された空気と燃料との比率をいう。従って、排気通路４に空気や還元剤が供給されていないときには、排気空燃比は運転空燃比（燃焼室内の燃焼空燃比）に等しくなる。また、本発明に使用される還元剤としては、排気中で炭化水素や一酸化炭素等の還元成分を発生するものであれば良い。つまり、水素、一酸化炭素等の気体、プロパン、プロピレン、ブタン等の液体又は気体の炭化水素、ガソリン、軽油、灯油等の液体燃料等が使用できる。本実施形態では、貯蔵、補給等の際の煩雑さを避けるため前述のようにディーゼルエンジン１の燃料である軽油を還元剤として使用する。
【００４４】
次に、ＤＰＮＲ触媒１２のＳ被毒のメカニズムについて説明する。ＤＰＮＲ触媒１２に流入する排気ガス中にＳＯｘ 成分が含まれている場合、ＤＰＮＲ触媒１２は上述のＮＯｘ の吸蔵と同じメカニズムで排気中のＳＯｘ を吸蔵する。すなわち、ＤＰＮＲ触媒１２に流入する排気の空燃比がリーンのとき、排気中のＳＯｘ （例えばＳＯ2 ）は白金Ｐｔ上で酸化されてＳＯ3ー、ＳＯ4ーとなる。そして、酸化バリウムＢａＯと結合して、ＢａＳＯ4 を生成する。ＢａＳＯ4 は比較的安定であり、また、結晶が粗大化しやすいため、一旦生成されると分解、放出されにくい。このため、ＤＰＮＲ触媒１２中のＢａＳＯ4 の生成量が増大すると、ＮＯｘ の吸蔵に関与できるＢａＯの量が減少してしまうので、ＮＯｘ の吸蔵能力が低下する。このＳ被毒を回復するためには、ＤＰＮＲ触媒１２中に生成されたＢａＳＯ4 を高温で分解するとともに、これにより生成されたＳＯ3ー、ＳＯ4ーの硫酸イオンをリッチ雰囲気下で還元し、気体状のＳＯ2 に転換して、ＤＰＮＲ触媒１２から放出させる必要がある。
【００４５】
従って、ＳＯｘ 被毒を回復するためには、ＤＰＮＲ触媒１２を高温かつリッチ雰囲気の状態にすることが必要である。
【００４６】
ここで、排気触媒のＳ被毒回復処理について説明する。Ｓ被毒回復処理は、排気触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすることができれば、その構成は特に限定されるものではない。本実施形態では、排気触媒１２としてＤＰＮＲ触媒１２を利用しているので、排気通路４中に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を担持したパティキュレートフィルタを配置し、パティキュレートフィルタに捕集された粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）の燃焼後、絞り弁が閉弁され、還元供給装置からパティキュレートフィルタに還元剤が供給される。そして、粒子状物質燃焼時に発生する熱により、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は高温になっているため、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は高温且つリッチ雰囲気下におかれる。このようにして、Ｓ被毒を速やかに回復する。
【００４７】
尚、パティキュレートフィルタは、多孔質セラミックで形成される。パティキュレートフィルタ内には、上流側に栓が施された第１通路と下流側に栓が施された第２通路とが交互に配置され、ハニカム状をなしている。排気ガスが上流側から下流側に向かって流れると、排気ガスは第２通路から多孔質セラミックの流路壁面を通過して第１通路に流入し、下流側に流れる。このとき、排気ガス中の粒子状物質は多孔質セラミックによって捕集されるため、粒子状物質の大気への放出は防止される。
【００４８】
次に図４および図５を参照にして、本実施形態の制御システムについて説明する。図４はＳトラップのＳ被毒回復処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンはＥＣＵ２１により一定時間毎の割込みによって実行される。
【００４９】
まず、ステップ１１０で排気触媒１２である吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＳ被毒回復処理制御を開始するか否かを判断する。吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＳ被毒回復処理制御の開始条件は、例えば、減速時であり、ＮＯｘ触媒が活性化温度以上であり、かつ前回再生を実行してから所定時間以上経過していること等である。
【００５０】
吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＳ被毒回復処理制御を開始すべきでないと判断した場合、メインプログラムに戻る。
【００５１】
一方、ステップ１１０において、排気触媒１２である吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＳ被毒回復処理制御を開始すると判断した場合、ステップ１２０に進み、ＳトラップのＳ被毒回復処理制御を開始する。吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＳ被毒回復処理時に、ＳトラップのＳ被毒回復処理を実行することにより、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＳ再被毒が抑制される。
【００５２】
次にステップ１３０において、エンジン出ガスから放出される硫黄分がＮＯｘ触媒に吸蔵されない条件が成立しているか否かを判断する。このステップでは、Ｓ被毒を回復するために必要な条件、つまり吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が高温かつリッチ雰囲気の状態であるか否かを判断する。本実施形態では、この条件をＮＯｘ触媒の床温が６００℃以上であり、且つ吸入排気ガスの空燃比が１４．５以下とする。
【００５３】
この条件を満した場合、つまり、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が高温かつリッチ雰囲気の状態であると判断した場合、ステップ１４０に進む。そして、ブローバイガス通路３に配置されたＳトラップ１１に通電を行い、Ｓトラップ１１中のＳＯｘトラップ剤１５を加熱する。そして、ＳＯｘトラップ剤１５の温度を６００℃から６５０℃になるように、電力を制御する。
【００５４】
一方、上記条件が満たされなかった場合、つまり、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が高温かつリッチ雰囲気の状態ではないと判断した場合、メインプログラムに戻る。
【００５５】
次にステップ１５０に進み、Ｓトラップ１１の被毒回復処理制御を終了するか否かを判断する。
【００５６】
この条件を満した場合、ステップ１６０に進み、Ｓトラップ１１の通電をＯＦＦにして、ＳＯｘトラップ剤１５の加熱を終了する。そして、メインプログラムに戻る。
【００５７】
一方、この条件が満たされなかった場合、ステップ１７０に進む。そして、Ｓトラップ１１に通電を行い、ＳＯｘトラップ剤１５を加熱した時間が所定時間以上であるか否かを判断する。つまり、ＳＯｘトラップ剤１５に吸蔵された硫黄分が、ＳＯｘトラップ剤１５から放出されたか否かを判断する。
【００５８】
この条件を満たした場合、ステップ１６０に進み、Ｓトラップ１１の通電をＯＦＦにして、ＳＯｘトラップ剤１５の加熱を終了する。そして、メインプログラムに戻る。
【００５９】
一方、この条件が満たされなかった場合、ステップ１３０に戻り、エンジン出ガスから放出される硫黄分がＮＯｘ触媒に吸蔵されない条件が成立しているか否かを再度判断する。そして、上記ステップを繰り返す。
【００６０】
次に図５を参照にしながら、本実施形態の冷却手段の制御について説明する。図５は冷却手段の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【００６１】
まず、ステップ２１０で、ＳトラップのＳ被毒回復処理制御が終了したか否かを判断する。
【００６２】
ＳトラップのＳ被毒回復処理が終了した直後は、ＳＯｘトラップ剤１５の触媒床温度が高く、トラップ性能が低い。そこで、ＳトラップのＳ被毒回復処理制御が終了した後、ＳＯｘトラップ剤１５の触媒床温度をトラップ性能の高い温度まで素早く冷却する。
【００６３】
まず、ステップ２１０において、ＳトラップのＳ被毒回復処理制御が終了したか否かが判断される。この条件は、Ｓトラップ１１の通電がＯＦＦになったこととしてもよい。その場合、ＳトラップのＳ被毒回復回復処理の制御ルーチンが終了した後、本ルーチンを実行する。
【００６４】
ＳトラップのＳ被毒回復処理制御は終了していないと判定した場合、メインプログラムに戻る。
【００６５】
一方、ステップ２１０において、ＳトラップのＳ被毒回復処理制御が終了したと判断した場合、ステップ２２０に進み、Ｓトラップ１１の冷却手段の制御を開始する。
【００６６】
次にステップ２３０に進み、Ｓトラップ１１の冷却手段の制御を終了するか否かを判断する。
【００６７】
この条件を満した場合、ステップ２４０に進み、Ｓトラップ１１の冷却手段の制御を終了して、Ｓトラップ１１の冷却を終了する。そして、メインプログラムに戻る。
【００６８】
一方、この条件を満たさなかった場合、ステップ２５０に進む。そして、ＳＯｘトラップ剤１５を冷却した時間が所定時間以上であるか否かを判断する。つまり、ＳＯｘトラップ剤１５の触媒床温度がトラップ性能の高い温度まで下がったか否かを判定する。
【００６９】
この条件を満たした場合、ステップ２４０に進み、Ｓトラップ１１の冷却手段の制御を終了して、Ｓトラップ１１（ＳＯｘトラップ剤１５）の冷却を終了する。そして、メインプログラムに戻る。
【００７０】
一方、この条件を満たさなかった場合、ステップ２３０に戻り、Ｓトラップ１１の冷却手段の制御を終了するか否かを再度判断する。そして、上記ステップを繰り返す。
【００７１】
なお、本実施形態によれば、ＳＯｘトラップ剤は、ブローバイガス中の硫黄分を捕捉するため、排気触媒に堆積するアッシュを低減できる。さらに、ＳＯｘトラップ剤は、ブローバイガス中の硫黄分のみでなく、リン分も捕集できるため、リン被着による触媒の酸化活性の低下を抑制する。
【００７２】
【発明の効果】
以上詳述したことから明らかなように、本発明に係る排気浄化装置を備えた内燃機関は、ＳＯｘトラップ剤によってブローバイガス中の硫黄分をトラップする。その結果、排気通路中の触媒のＳ被毒を抑制することができ、Ｓ被毒回復処理を行う頻度を大幅に減少できるという優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の示す内燃機関の概略構造図。
【図２】Ｓトラップの拡大図。
【図３】吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸放出作用のメカニズムを示す図。
【図４】ＳトラップのＳ被毒回復処理の制御ルーチンを示すフローチャート。
【図５】Ｓトラップの冷却手段の制御ルーチンを示すフローチャート。
【符号の説明】
１…車両用ディーゼルエンジン
２…吸気通路
３…ブローバイガス通路
４…排気通路
５…ピストン・クランク機構
６…弁機構
７…シリンダブロック
８…クランクケース
９…ブローバイガス
１１…Ｓトラップ
１２…ＤＰＮＲ触媒
１３…還元剤供給装置
１４…焼結メタル
１５…ＳＯｘトラップ剤
２１…ＥＣＵ
２２…ヒータリレー
２３…入ガス温センサ
２４…出ガス温センサ
２５…排気温センサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気ガス浄化装置に関し、好適には、ディーゼルエンジンの排気通路中の触媒のＳＯｘ被毒を抑制する排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
希薄燃焼可能な車両用の内燃機関より排出される排気ガスからＮＯｘを浄化する技術として、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を用いた排気浄化装置がある。
【０００３】
この吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に配置される。そして、リーン空燃比（即ち、酸素過剰雰囲気下）の排気ガスが流れたときには、排気ガス中のＮＯｘは触媒に吸蔵される。そして、ストイキ（理論空燃比）あるいはリッチ空燃比（即ち、酸素希薄雰囲気下）の排気ガスが流れたときに、触媒に吸蔵されていたＮＯｘはＮＯ2として放出される。そしてさらに、排気ガス中のＨＣやＣＯなどの還元成分によってＮ2に還元される。現在このようなＮＯｘを浄化する技術が開発されている。
【０００４】
ところで、内燃機関の燃料には、一般的に硫黄分が含まれているため、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ＳＯ2やＳＯ3などの硫黄酸化物（ＳＯｘ）が発生する。吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、ＮＯｘの吸蔵作用と同じメカニズムで排気ガス中のＳＯｘが吸蔵される。そのため、内燃機関の排気通路にＮＯｘ触媒を配置した場合、このＮＯｘ触媒にはＮＯｘのみならずＳＯｘも吸蔵される。
【０００５】
そして、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＳＯｘは、時間経過とともに安定な硫酸塩を形成する。そのため、ＮＯｘ触媒からＮＯｘの放出、還元を行う場合と同じ条件においては、分解あるいは放出されにくく、ＮＯｘ触媒内に蓄積され易い傾向がある。その結果、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒内のＳＯｘ蓄積量が増大すると、触媒のＮＯｘ吸蔵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。これが所謂Ｓ被毒である。
【０００６】
したがって、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の排気浄化能力を長期に亘って高く維持するためには、触媒に吸蔵されるＳＯｘを分解して触媒から放出させ、Ｓ被毒から回復させる必要がある。
【０００７】
そこで、特開平6-272541号公報等には、Ｓ被毒を回復するため、ＮＯｘ触媒を通常の再生操作時より高い温度（例えば６００度Ｃ以上）に昇温し、かつ排気ガスの空燃比をリッチにしてＳ被毒回復処理を定期的に行う技術が開示されている。
【０００８】
上記公報に開示された処理技術では、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比がリーンのときにＮＯｘ を吸蔵し、排気ガスの酸素濃度が低下したときに吸蔵したＮＯｘ を放出するようなＮＯｘ触媒を、内燃機関の排気通路に配置する。そして排気中のＮＯｘ を吸蔵させ、その後ＮＯｘ触媒に流入する排気空燃比をリッチにして、ＮＯｘ触媒から吸蔵したＮＯｘ を放出させる。
【０００９】
さらに、ＮＯｘ触媒と、排気中の微粒子を捕集するパティキュレートフィルタとを相互に熱伝達可能な位置に配置する。そして、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をリッチにして、ＮＯｘ の放出と還元浄化を行う。その後、パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを燃焼させ、このパティキュレート燃焼操作終了後に再度ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をリッチにして、ＮＯｘ触媒のＳ被毒を回復する。
【００１０】
しかしながら、排気触媒のＳ被毒の原因は、燃料中の硫黄分以外にも考えられる。その主なものとして、エンジンオイル（潤滑油）に起因するブローバイガスがある。
【００１１】
ブローバイガスは、燃焼室内の燃焼ガスが、燃焼の圧力によりピストンリングとシリンダ壁の隙間より漏れ、クランクケースに流れ込むものである。そのため、ブローバイガスは、クランクケース内の汚濁、オイルの劣化を防ぐため浄化する必要がある。
【００１２】
そこで、ブローバイガス浄化装置としては、特開平10-103039号公報に開示されているように、ブローバイガス中のオイル分をフィルタで捕集し、光触媒の分解作用により水と二酸化酸素に分解することにより、オイル分を浄化し、大気へ排出する技術が開発されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ブローバイガスは、クランクケース内の潤滑油中の硫黄分などを含んでいる。そのため、ブローバイガスは吸気系に循環されたのち燃焼室を経て排気通路へと流入し、排気触媒をＳ被毒する。排気触媒のＳ被毒を回復させる処理としては、従来のような排気通路の硫黄分の浄化のみが問題となるわけではなく、ブローバイガス中の硫黄分の浄化もまた問題となる。
【００１４】
本発明は、このような従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、ブローバイガス中の硫黄分をトラップすることにより、排気通路中の触媒のＳ被毒を抑制する内燃機関の排気浄化装置を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。本発明に係る内燃機関としては、ディーゼルエンジンやガソリンエンジン等を例示することができる。
【００１６】
その内燃機関のブローバイガスをクランクケースから吸気系に再循環させるブローバイガス通路に、ブローバイガス中の硫黄分をトラップするＳＯｘトラップ剤を備え、ブローバイガス中のＳＯｘを予め除去して、吸気系に再循環させることで、排気触媒のＳ被毒を抑制できる。
【００１７】
このＳＯｘトラップ剤は、例えばアルミナやチタンあるいはジルコニア等の金属酸化物がコーティングされた焼結メタルからなる担体上に、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、のような遷移金属や、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、リチウム（Ｌｉ）、バリウム（Ｂａ）のようなアルカリまたはアルカリ土類金属等から選ばれた少なくとも１つとを担持して構成される。更に、担体上には、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の金属を担持することにより、ＳＯｘは、硫酸イオンの形でトラップされやすくなる。
【００１８】
排気触媒としては、酸化能を有する触媒として、酸化触媒やＮＯｘ触媒を例示することができ、ＮＯｘ触媒として、選択還元型ＮＯｘ触媒や吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を例示することができる。選択還元型ＮＯｘ触媒には、ゼオライトにＣｕ等の遷移金属をイオン交換して担持した触媒、ゼオライトまたはアルミナに貴金属を担持した触媒、等が含まれる。吸蔵還元型ＮＯｘ触媒とは、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構成された触媒である。この吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときはＮＯｘを吸蔵（吸収・吸着）し、流入する排気ガスの酸素濃度が低下すると吸蔵したＮＯｘを放出する。
【００１９】
上記ＳＯｘトラップ剤のＳ被毒回復処理（トラップしたＳＯｘを放出する）を行うために、ＳＯｘトラップ剤を加熱する加熱手段を備えた構成とすることもできる。この加熱手段としては、焼結メタルからなるフィルタ担体の一部あるいは全体を、通電すると発熱する電気発熱体で構成してもよいし、触媒の担持されていない焼結メタル部に電気発熱体を埋め込んで一体化した構成にしてもよい。
【００２０】
また、ＳＯｘトラップ剤にトラップしたＳＯｘを所定時期に放出することで、排気系のＮＯｘ触媒の再被毒を抑制することができる。
【００２１】
所定時期とは、放出した硫黄分が排気通路に流入して、排気系のＮＯｘ触媒を再被毒しない時期である。つまり、排気ガスの空燃比が理論空燃比又はその近傍であるストイキ、あるいは理論空燃比より過濃であるリッチなときである。
【００２２】
さらに、Ｓ被毒回復処理が完了した直後においては、ＳＯｘトラップ剤の温度が極めて高いため、吸蔵性能が低くなる。そこで、ＳＯｘトラップ剤のＳ被毒回復処理が完了した後は、ＳＯｘトラップ剤を吸蔵性能の高い温度まで素早く冷却するために、冷却手段を備えた構造とすることもできる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を参照にして説明する。尚、以下に記載する実施の形態は、本発明に係る排気浄化装置を内燃機関として車両用ディーゼルエンジン１に適用した態様である。
【００２４】
図１に示すように、ディーゼルエンジン１は、吸気通路２、ブローバイガス通路３、排気通路４、ピストン・クランク機構５、弁機構６を有しており、ピストン５により空気を断熱圧縮し、その中に重油又は軽油の燃料を噴射することで点火、燃焼させるものである。
【００２５】
このエンジンの燃焼過程において、ピストンリングとシリンダブロック７の隙間より漏れたガスがブローバイガス９である。このブローバイガス９は、ブローバイガス通路３を通って、クランクケース８から吸気系（吸気通路２）へ再循環させられる。このブローバイガス通路３には、硫黄分をトラップ（吸収・吸着）することができるＳトラップ１１が設置される。
【００２６】
このＳトラップ１１は、図２に示すように、本発明でいうＳＯｘトラップ剤１５を有し、ＳＯx トラップ剤１５は、焼結メタル１４からなるフィルタの表面上に、塩基性物質（ゼオライト、ジロコニア、Ｌｉ、Ｎａのアルカリ金属など）を担持させることにより、ブローバイガス９中の硫黄分をトラップする。
【００２７】
ところで、ＳＯｘトラップ剤１５の硫黄分トラップ能力には限界があり、所定量の硫黄分をトラップすると飽和し、それ以上トラップすることができなくなり硫黄分をそのまま通過させてしまう。そこで、ＳＯｘトラップ剤１５の硫黄分トラップ能力が飽和する前に、所定のタイミングで硫黄分を放出するため、ＳＯｘトラップ剤１５を昇温する必要がある。
【００２８】
そのため、Ｓトラップ１１の焼結メタル担体１４はヒータ機能を備えており、電流を流すと発熱し、ＳＯｘトラップ剤１５を加熱する。つまり、このＳトラップ１１は加熱手段が一体化されていてもよい。Ｓトラップ１１の焼結メタル担体１４はヒータリレー２２に電気的に接続されており、このヒータリレー２２は電子制御ユニット（ＥＣＵ２１）からの指令信号によってＯＮ／ＯＦＦ制御され、これにより焼結メタル１４からなるヒータがＯＮ／ＯＦＦ制御される。
【００２９】
また、ＳＯｘトラップ剤１５の触媒床温度を測定するため、入ガス温センサ２３および出ガス温センサ２４をブローバイガス通路３に取り付ける。この入ガス温センサ２３と出ガス温センサ２４は、Ｓトラップ１１の入口近傍と出口近傍に配置される。そして、Ｓトラップ１１に流入する排気ガスの温度、あるいはＳトラップ１１から流出する排気ガスの温度に対応した出力信号をＥＣＵ２１に出力する。これら入ガス温センサ２３と出ガス温センサ２４の出力信号に基づいて、ＥＣＵ２１はＳＯｘトラップ剤１５の触媒床温度を演算する。
【００３０】
あるいは、Ｓトラップ１１の入口近傍に、入ガス温センサ２３のみを取り付けてもよい。そして、Ｓトラップ１１に流入するブローバイガス９の温度に対応した出力信号をＥＣＵ２１に出力する。これは、この入ガス温センサ２３で検出されるブローバイガス温度は、ＳＯｘトラップ剤１５の触媒床温度にほぼ等しく、ＳＯｘトラップ剤１５の触媒床温度の代用とすることもできるからである。
【００３１】
Ｓ被毒回復処理が完了した直後においては、ＳＯｘトラップ剤１５の触媒床温度が極めて高いため、トラップ性能が低くなる。そこで、Ｓ被毒回復処理制御が終了した後、つまり、Ｓトラップ１１の通電をOFFにした後、ＳＯｘトラップ剤１５の触媒床温度をトラップ性能の高い温度まで素早く冷却する冷却手段を備える。冷却手段は、空冷式であってもよいし、水冷式であってもよい。
【００３２】
本実施形態において、排気触媒１２は、ディーゼルエンジン１の排気ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）、ＮＯｘ、ＳＯｘ、ＨＣ、ＣＯを一つの触媒で同時に低減することができるＤＰＮＲ触媒１２とする。ＤＰＮＲ触媒１２は、多孔質セラミック構造体からなるパティキュレートフィルタに吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を担持したものである。
【００３３】
還元剤供給装置１３は、パティキュレートフィルタの上流側の排気通路４に還元剤を供給して、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をリッチにする。
【００３４】
本実施形態ではディーゼルエンジン１に適用しているため、還元剤としてディーゼルエンジン１の燃料が使用される。また、この還元剤供給装置１３は、機関燃料系統から供給された燃料を排気通路４内に霧状に噴射するノズルを備える。
【００３５】
パティキュレートフィルタと還元剤供給装置１３との間の排気通路４には、排気温センサ２５が配置される。この排気温センサ２５からの検出信号は、電子制御ユニット（ＥＣＵ２１）に入力される。このＥＣＵ２１は、ＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＲＯＭ（リードオンリーメモリ）、入出力ポートを双方向バスで接続した公知の形式のディジタルコンピュータからなる。そして、燃料噴射量制御等のエンジンの基本制御を実行するほかに、Ｓトラップ１１の回復処理、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の再生、パティキュレートの燃焼、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＳ被毒回復処理等の制御も実行する。
【００３６】
また図示しないが、排気通路４を開閉する排気絞り弁、およびこの絞り弁を開閉駆動するアクチュエータが、排気通路４に配置される。この吸気絞り弁は、通常時は全開とされており、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の再生を行う際に閉弁され、内燃機関の吸入空気量を絞りＤＰＮＲ触媒１２に流入する排気流量を低減する。これにより、排気中の酸素を消費するので、ＤＰＮＲ触媒１２雰囲気の酸素濃度を低下させるために必要な還元剤の量は低減される。アクチュエータは吸気絞り弁を駆動するソレノイド、あるいは負圧アクチュエータ等の適宜な形式のものであればよい。
【００３７】
本実施形態では、ディーゼルエンジン１を適用しているため、通常時の排気の空燃比はリーンであり、ＤＰＮＲ触媒１２は排気中のＮＯｘ を吸蔵する。また、還元剤が、還元剤供給装置１３からパティキュレートフィルタの上流側の排気通路４に供給されて、流入排気の空燃比がリッチになると、ＤＰＮＲ触媒１２は吸蔵したＮＯｘ を放出する。
【００３８】
ここで、ＮＯｘ吸放出作用について、図３を参照して説明する。この吸放出作用の詳細なメカニズムについては明らかでない部分もあるが、以下に示されるようなメカニズムで行われていると考えられる。本実施形態では、白金ＰｔおよびバリウムＢａを担持させた場合を例にとって説明するが、その他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類、希土類を用いても同様なメカニズムとなる。
【００３９】
ＤＰＮＲ触媒１２に流入する排気ガスが、かなりリーンになると排気ガス中の酸素濃度が大幅に増大する。そして、図３（Ａ）に示されるように、これら酸素Ｏ2 はO2ーまたはO2ーの形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方では、排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面上でO2ーまたはO2ーと反応し、ＮＯ2 となる（２ＮＯ＋Ｏ2 →２ＮＯ2 ）。次いで生成されたＮＯ2 の一部は、白金Ｐｔ上で更に酸化されつつＤＰＮＲ触媒１２内に吸蔵されて、酸化バリウムＢａＯと結合する。そして、図３（Ａ）に示されるように、硝酸イオンＮＯ3ーの形でＤＰＮＲ触媒１２内に拡散する。このようにして、ＮＯｘ がＤＰＮＲ触媒１２内に吸蔵される。
【００４０】
ＤＰＮＲ触媒１２に流入する排気ガス中の酸素濃度が高い限り、白金Ｐｔの表面でＮＯ2 が生成される。そして、ＤＰＮＲ触媒１２のＮＯｘ 吸蔵能力が飽和しない限り、ＮＯ2 はＤＰＮＲ触媒１２内に吸蔵されて、硝酸イオンＮＯ3ーが生成される。
【００４１】
これに対して、ＤＰＮＲ触媒１２に流入する排気ガス中の酸素濃度が低下してＮＯ2 の生成量が低下した場合、反応が逆方向（ＮＯ3ー→ＮＯ2 ）に進む。こうして、ＤＰＮＲ触媒１２内の硝酸イオンＮＯ3ーがＮＯ2 の形でＤＰＮＲ触媒１２から放出される。すなわち、ＤＰＮＲ触媒１２に流入する排気ガス中の酸素濃度が低下すると、ＤＰＮＲ触媒１２からＮＯｘ が放出されることになる。流入する排気ガスのリーンの度合いが低くなれば、排気ガス中の酸素濃度は低下する。従って、ＤＰＮＲ触媒１２に流入する排気ガスのリーンの度合いを低くすれば、ＤＰＮＲ触媒１２からＮＯｘ が放出されることになる。
【００４２】
一方、このときＤＰＮＲ触媒１２に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすると、ＨＣ，ＣＯは白金Ｐｔ上の酸素O2ーまたはO2ーと反応して酸化される。また、排気ガスの空燃比をリッチにすると、排気ガス中の酸素濃度が極度に低下するために、ＤＰＮＲ触媒１２からＮＯ2 が放出される。このＮＯ2 は、図３（Ｂ）に示されるように、未燃焼のＨＣ，ＣＯと反応して還元浄化される。このようにして、白金Ｐｔの表面上にＮＯ2 が存在しなくなると、ＤＰＮＲ触媒１２から次々とＮＯ2 が放出される。従って、ＤＰＮＲ触媒１２に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすると、短時間でＮＯｘがＤＰＮＲ触媒１２から放出されて、還元浄化される。
【００４３】
尚、ここでいうＤＰＮＲ触媒１２に流入する排気ガスの空燃比とは、ＤＰＮＲ触媒１２上流側の排気通路４と燃焼室または吸気通路２に、供給された空気と燃料との比率をいう。従って、排気通路４に空気や還元剤が供給されていないときには、排気空燃比は運転空燃比（燃焼室内の燃焼空燃比）に等しくなる。また、本発明に使用される還元剤としては、排気中で炭化水素や一酸化炭素等の還元成分を発生するものであれば良い。つまり、水素、一酸化炭素等の気体、プロパン、プロピレン、ブタン等の液体又は気体の炭化水素、ガソリン、軽油、灯油等の液体燃料等が使用できる。本実施形態では、貯蔵、補給等の際の煩雑さを避けるため前述のようにディーゼルエンジン１の燃料である軽油を還元剤として使用する。
【００４４】
次に、ＤＰＮＲ触媒１２のＳ被毒のメカニズムについて説明する。ＤＰＮＲ触媒１２に流入する排気ガス中にＳＯｘ 成分が含まれている場合、ＤＰＮＲ触媒１２は上述のＮＯｘ の吸蔵と同じメカニズムで排気中のＳＯｘ を吸蔵する。すなわち、ＤＰＮＲ触媒１２に流入する排気の空燃比がリーンのとき、排気中のＳＯｘ （例えばＳＯ2 ）は白金Ｐｔ上で酸化されてＳＯ3ー、ＳＯ4ーとなる。そして、酸化バリウムＢａＯと結合して、ＢａＳＯ4 を生成する。ＢａＳＯ4 は比較的安定であり、また、結晶が粗大化しやすいため、一旦生成されると分解、放出されにくい。このため、ＤＰＮＲ触媒１２中のＢａＳＯ4 の生成量が増大すると、ＮＯｘ の吸蔵に関与できるＢａＯの量が減少してしまうので、ＮＯｘ の吸蔵能力が低下する。このＳ被毒を回復するためには、ＤＰＮＲ触媒１２中に生成されたＢａＳＯ4 を高温で分解するとともに、これにより生成されたＳＯ3ー、ＳＯ4ーの硫酸イオンをリッチ雰囲気下で還元し、気体状のＳＯ2 に転換して、ＤＰＮＲ触媒１２から放出させる必要がある。
【００４５】
従って、ＳＯｘ 被毒を回復するためには、ＤＰＮＲ触媒１２を高温かつリッチ雰囲気の状態にすることが必要である。
【００４６】
ここで、排気触媒のＳ被毒回復処理について説明する。Ｓ被毒回復処理は、排気触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすることができれば、その構成は特に限定されるものではない。本実施形態では、排気触媒１２としてＤＰＮＲ触媒１２を利用しているので、排気通路４中に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を担持したパティキュレートフィルタを配置し、パティキュレートフィルタに捕集された粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）の燃焼後、絞り弁が閉弁され、還元供給装置からパティキュレートフィルタに還元剤が供給される。そして、粒子状物質燃焼時に発生する熱により、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は高温になっているため、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は高温且つリッチ雰囲気下におかれる。このようにして、Ｓ被毒を速やかに回復する。
【００４７】
尚、パティキュレートフィルタは、多孔質セラミックで形成される。パティキュレートフィルタ内には、上流側に栓が施された第１通路と下流側に栓が施された第２通路とが交互に配置され、ハニカム状をなしている。排気ガスが上流側から下流側に向かって流れると、排気ガスは第２通路から多孔質セラミックの流路壁面を通過して第１通路に流入し、下流側に流れる。このとき、排気ガス中の粒子状物質は多孔質セラミックによって捕集されるため、粒子状物質の大気への放出は防止される。
【００４８】
次に図４および図５を参照にして、本実施形態の制御システムについて説明する。図４はＳトラップのＳ被毒回復処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンはＥＣＵ２１により一定時間毎の割込みによって実行される。
【００４９】
まず、ステップ１１０で排気触媒１２である吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＳ被毒回復処理制御を開始するか否かを判断する。吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＳ被毒回復処理制御の開始条件は、例えば、減速時であり、ＮＯｘ触媒が活性化温度以上であり、かつ前回再生を実行してから所定時間以上経過していること等である。
【００５０】
吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＳ被毒回復処理制御を開始すべきでないと判断した場合、メインプログラムに戻る。
【００５１】
一方、ステップ１１０において、排気触媒１２である吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＳ被毒回復処理制御を開始すると判断した場合、ステップ１２０に進み、ＳトラップのＳ被毒回復処理制御を開始する。吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＳ被毒回復処理時に、ＳトラップのＳ被毒回復処理を実行することにより、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＳ再被毒が抑制される。
【００５２】
次にステップ１３０において、エンジン出ガスから放出される硫黄分がＮＯｘ触媒に吸蔵されない条件が成立しているか否かを判断する。このステップでは、Ｓ被毒を回復するために必要な条件、つまり吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が高温かつリッチ雰囲気の状態であるか否かを判断する。本実施形態では、この条件をＮＯｘ触媒の床温が６００℃以上であり、且つ吸入排気ガスの空燃比が１４．５以下とする。
【００５３】
この条件を満した場合、つまり、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が高温かつリッチ雰囲気の状態であると判断した場合、ステップ１４０に進む。そして、ブローバイガス通路３に配置されたＳトラップ１１に通電を行い、Ｓトラップ１１中のＳＯｘトラップ剤１５を加熱する。そして、ＳＯｘトラップ剤１５の温度を６００℃から６５０℃になるように、電力を制御する。
【００５４】
一方、上記条件が満たされなかった場合、つまり、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が高温かつリッチ雰囲気の状態ではないと判断した場合、メインプログラムに戻る。
【００５５】
次にステップ１５０に進み、Ｓトラップ１１の被毒回復処理制御を終了するか否かを判断する。
【００５６】
この条件を満した場合、ステップ１６０に進み、Ｓトラップ１１の通電をＯＦＦにして、ＳＯｘトラップ剤１５の加熱を終了する。そして、メインプログラムに戻る。
【００５７】
一方、この条件が満たされなかった場合、ステップ１７０に進む。そして、Ｓトラップ１１に通電を行い、ＳＯｘトラップ剤１５を加熱した時間が所定時間以上であるか否かを判断する。つまり、ＳＯｘトラップ剤１５に吸蔵された硫黄分が、ＳＯｘトラップ剤１５から放出されたか否かを判断する。
【００５８】
この条件を満たした場合、ステップ１６０に進み、Ｓトラップ１１の通電をＯＦＦにして、ＳＯｘトラップ剤１５の加熱を終了する。そして、メインプログラムに戻る。
【００５９】
一方、この条件が満たされなかった場合、ステップ１３０に戻り、エンジン出ガスから放出される硫黄分がＮＯｘ触媒に吸蔵されない条件が成立しているか否かを再度判断する。そして、上記ステップを繰り返す。
【００６０】
次に図５を参照にしながら、本実施形態の冷却手段の制御について説明する。図５は冷却手段の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【００６１】
まず、ステップ２１０で、ＳトラップのＳ被毒回復処理制御が終了したか否かを判断する。
【００６２】
ＳトラップのＳ被毒回復処理が終了した直後は、ＳＯｘトラップ剤１５の触媒床温度が高く、トラップ性能が低い。そこで、ＳトラップのＳ被毒回復処理制御が終了した後、ＳＯｘトラップ剤１５の触媒床温度をトラップ性能の高い温度まで素早く冷却する。
【００６３】
まず、ステップ２１０において、ＳトラップのＳ被毒回復処理制御が終了したか否かが判断される。この条件は、Ｓトラップ１１の通電がＯＦＦになったこととしてもよい。その場合、ＳトラップのＳ被毒回復回復処理の制御ルーチンが終了した後、本ルーチンを実行する。
【００６４】
ＳトラップのＳ被毒回復処理制御は終了していないと判定した場合、メインプログラムに戻る。
【００６５】
一方、ステップ２１０において、ＳトラップのＳ被毒回復処理制御が終了したと判断した場合、ステップ２２０に進み、Ｓトラップ１１の冷却手段の制御を開始する。
【００６６】
次にステップ２３０に進み、Ｓトラップ１１の冷却手段の制御を終了するか否かを判断する。
【００６７】
この条件を満した場合、ステップ２４０に進み、Ｓトラップ１１の冷却手段の制御を終了して、Ｓトラップ１１の冷却を終了する。そして、メインプログラムに戻る。
【００６８】
一方、この条件を満たさなかった場合、ステップ２５０に進む。そして、ＳＯｘトラップ剤１５を冷却した時間が所定時間以上であるか否かを判断する。つまり、ＳＯｘトラップ剤１５の触媒床温度がトラップ性能の高い温度まで下がったか否かを判定する。
【００６９】
この条件を満たした場合、ステップ２４０に進み、Ｓトラップ１１の冷却手段の制御を終了して、Ｓトラップ１１（ＳＯｘトラップ剤１５）の冷却を終了する。そして、メインプログラムに戻る。
【００７０】
一方、この条件を満たさなかった場合、ステップ２３０に戻り、Ｓトラップ１１の冷却手段の制御を終了するか否かを再度判断する。そして、上記ステップを繰り返す。
【００７１】
なお、本実施形態によれば、ＳＯｘトラップ剤は、ブローバイガス中の硫黄分を捕捉するため、排気触媒に堆積するアッシュを低減できる。さらに、ＳＯｘトラップ剤は、ブローバイガス中の硫黄分のみでなく、リン分も捕集できるため、リン被着による触媒の酸化活性の低下を抑制する。
【００７２】
【発明の効果】
以上詳述したことから明らかなように、本発明に係る排気浄化装置を備えた内燃機関は、ＳＯｘトラップ剤によってブローバイガス中の硫黄分をトラップする。その結果、排気通路中の触媒のＳ被毒を抑制することができ、Ｓ被毒回復処理を行う頻度を大幅に減少できるという優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の示す内燃機関の概略構造図。
【図２】Ｓトラップの拡大図。
【図３】吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸放出作用のメカニズムを示す図。
【図４】ＳトラップのＳ被毒回復処理の制御ルーチンを示すフローチャート。
【図５】Ｓトラップの冷却手段の制御ルーチンを示すフローチャート。
【符号の説明】
１…車両用ディーゼルエンジン
２…吸気通路
３…ブローバイガス通路
４…排気通路
５…ピストン・クランク機構
６…弁機構
７…シリンダブロック
８…クランクケース
９…ブローバイガス
１１…Ｓトラップ
１２…ＤＰＮＲ触媒
１３…還元剤供給装置
１４…焼結メタル
１５…ＳＯｘトラップ剤
２１…ＥＣＵ
２２…ヒータリレー
２３…入ガス温センサ
２４…出ガス温センサ
２５…排気温センサ
Claims (4)
- 内燃機関のブローバイガスをクランクケースから吸気系に再循環させるブローバイガス通路と、排気通路中に排気触媒とを有する内燃機関において、前記ブローバイガス中の硫黄成分をトラップするＳＯｘトラップ剤を前記ブローバイガス通路中に備え、前記内燃機関はディーゼルエンジンであると共に、前記排気触媒はＮＯｘ触媒であることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
- 前記ＳＯｘトラップ剤を加熱する加熱手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記加熱手段は、排気ガスの空燃比が理論空燃比又はその近傍であるストイキあるいは理論空燃比より過濃であるリッチのとき、前記ＳＯｘトラップ剤を加熱することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記ＳＯｘトラップ剤を冷却する冷却手段を備えることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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