WO2009125865A1 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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WO2009125865A1
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西岡寛真
浅沼孝充
吉田耕平
中田有香
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トヨタ自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an exhaust emission control device for an internal combustion engine.
  • An internal combustion engine in which the engine is disposed in the engine exhaust passage is known.
  • N_ ⁇ x generated when burning fuel under a lean air-fuel ratio is performed is occluded in the NO x storage catalyst.
  • the NO x storage capacity of the NO x storage catalyst approaches saturation, the air-fuel ratio of the exhaust gas is temporarily switched, so that from the N0 x storage catalyst! ⁇ ;; is released and reduced.
  • the exhaust gas contains S_ ⁇ x.
  • the S_ ⁇ x is occlusion in N_ ⁇ x storage catalyst with NO x.
  • this SO x is only the air-fuel ratio of the exhaust gas simply re pitch N_ ⁇ x is not released from the storage catalyst, thus N_ ⁇ x amount of S_ ⁇ x which is stored in storage catalyst gradually increases Go. As a result, the amount of N0 x that can be stored gradually decreases.
  • N_ ⁇ x storing catalyst S_ ⁇ x is an internal combustion engine arranged to the SO x trap catalyst to the NO x storage catalyst in the engine exhaust passage upstream of to prevent the fed is known (see Patent Document 1) .
  • this internal combustion engine is included in the exhaust gas S_ ⁇ x is trapped in the SO x trap catalyst, SO x from flowing is prevented in N_ ⁇ x storage catalyst and thus.
  • S ⁇ by insertion of x storage capacity of N_ ⁇ x as possible out to prevent the decrease.
  • the exhaust gas flowing into the S ⁇ trap catalyst is always kept lean so that S ⁇ ⁇ is not released from the S ⁇ ⁇ trap catalyst, and from the ⁇ ⁇ ⁇ storage catalyst, to when releasing the chi in the exhaust gas flowing into the S Omicron chi trap downstream in a by Nyu_ ⁇ chi Nyu_ ⁇ chi storage catalyst from the arrangement fuel supply valve upstream of the fuel is supplied in the storage catalyst of the catalyst
  • the air-fuel ratio is set to be rich.
  • Patent Document 1 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2 0 0 5 — 1 3 3 6 1 0 Summary of Invention
  • New Omicron chi released from New Omicron chi storage catalyst is reduced by the reducing components such as HC and CO contained in the exhaust gas.
  • CO has a strong reducing power against even N_ ⁇ x when the temperature of the NO x storage catalyst is low HC temperature of the NO x storage catalyst does not increase to some extent
  • N0 x does not exert strong reducing power.
  • the exhaust when to supply the fuel from the fuel supply valve located upstream of N_ ⁇ x storage catalyst when the N ⁇ x storage catalyst 1 ⁇ 0! (Should be released as described above Gas most of the reducing component contained in becomes HC.
  • N ⁇ x storage catalyst! ⁇ As a method for the air-fuel ratio of the exhaust gas re-pitch which inflows into N_ ⁇ x storage catalyst in order to release the, even after the fuel injection completion to the combustion chamber for Generating an engine output combustion
  • the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the N_ ⁇ x storage catalyst by making the air-fuel ratio of the combustion gas in the combustion chamber to re pitch is to re pitch.
  • the auxiliary fuel is burned in a state of low oxygen, so that a large amount of C0 having a strong reducing power is generated.
  • N_ ⁇ x temperature storage catalyst low without having N_ ⁇ x NO x released from the storage catalyst is satisfactorily reduced, thus to N_ ⁇ x even when the temperature of the storage catalyst is low high N_ ⁇ x A purification rate can be obtained.
  • An object of the present invention the exhaust purification action of an internal combustion engine so as to lower the air-fuel ratio of no combustion gases causing the release of S_ ⁇ x from S_ ⁇ x trap catalyst based on the found the S_ ⁇ x emission area Is to provide.
  • S_ ⁇ x trap catalyst for trapping S_ ⁇ x contained in the exhaust gas into the engine exhaust passage, so x trap catalyst downstream internal combustion engine where the exhaust gas purifying catalyst disposed in an exhaust passage of In the combustion chamber for generating the engine output, and includes auxiliary fuel injection means for injecting auxiliary fuel into the combustion chamber at a time when combustion is possible, and when the auxiliary fuel is injected S_ ⁇ x trap and catalytic minimum allowable air-fuel ratio captured by that S_ ⁇ x is never released into the obtained beforehand a air-fuel ratio of the combustion gas in the combustion chamber to lower the purification of the exhaust gas purifying catalyst If the air-fuel ratio of the combustion gas does not fall to the minimum allowable air-fuel ratio even when the required amount of auxiliary fuel is injected, this required amount of auxiliary fuel is injected and required for the purification process of the exhaust purification catalyst.
  • Fig. 1 is an overall view of a compression ignition internal combustion engine.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the surface portion of the catalyst carrier of the NO x storage catalyst.
  • Fig. 3 is a cross-sectional view of the surface portion of the catalyst carrier of the Sx trap catalyst.
  • Figs. 4A, 4B and 4C are diagrams for explaining the injection timing of auxiliary fuel.
  • 5A and 5B are diagrams for explaining the minimum critical air-fuel ratio of combustion gas.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the minimum limit air-fuel ratio and the minimum allowable air-fuel ratio of the combustion gas.
  • FIG. 7 is a diagram showing auxiliary fuel A and fuel D supplied from the fuel supply valve.
  • 8A and 8B are diagrams for explaining the minimum critical air-fuel ratio and the minimum allowable air-fuel ratio of the combustion gas.
  • 9A, 9B, and 9C are diagrams for explaining the minimum allowable air-fuel ratio of the combustion gas.
  • FIG. 10 is a flowchart for performing the exhaust purification process.
  • Figure 11 shows a map of the storage NO x amount NOXA.
  • Figure 1 shows an overall view of a compression ignition type internal combustion engine.
  • 1 is an engine body
  • 2 is a combustion chamber of each cylinder
  • 3 is an electronically controlled fuel injection valve for injecting fuel into each combustion chamber
  • 4 is an intake manifold
  • 5 is an exhaust manifold.
  • the intake manifold 4 is connected via an intake duct 6 to the outlet of a compressor 7a of an exhaust outlet bot- tom 7, and the inlet of the compressor 7a is an air flow mechanism for detecting the amount of intake air. It is connected to the air cleaner 9 via 8.
  • a throttle valve 10 driven by a step motor is arranged in the intake duct 6, and the intake duct 6 is arranged around the intake duct 6.
  • a cooling device 11 for cooling the intake air flowing inside is arranged. In the embodiment shown in FIG. 1, the engine cooling water is guided into the cooling device 11 and the intake air is cooled by the engine cooling water.
  • the exhaust manifold 5 is connected to the inlet of the exhaust outlet 7 b of the exhaust outlet charger 7, and the outlet of the exhaust turbine 7 b is connected to the inlet of the S0 x trap catalyst 13 through the exhaust pipe 12. Is done. Further, the outlet of the S0 x wrap catalyst 13 is connected to the exhaust purification catalyst 15 via the exhaust pipe 14.
  • the exhaust purification catalyst 15 is composed of a NOX storage catalyst.
  • a fuel supply valve 16 is disposed in the exhaust pipe 14 that is downstream of the S0 x trap catalyst 1 3 and upstream of the N0 x storage catalyst 1 5.
  • the exhaust purification catalyst 15 for example, a particulate filter carrying a NO x storage catalyst can be used.
  • the exhaust manifold 5 and the intake manifold 4 are connected to each other via an exhaust gas recirculation (hereinafter referred to as EGR) passage 17, and an electronically controlled EGR control valve 18 is provided in the EGR passage 17. Be placed.
  • a cooling device 19 for cooling the EGR gas flowing in the EGR passage 17 is disposed around the EGR passage 17.
  • the engine cooling water is led into the cooling device 19 and the EGR gas is cooled by the engine cooling water.
  • each fuel injection valve 3 is connected to a common rail 21 through a fuel supply pipe 20. Fuel is supplied into the common rail 21 from an electronically controlled fuel pump 22 whose discharge amount is variable, and the fuel supplied into the common rail 22 is supplied to a fuel injection valve via each fuel supply pipe 20. Supplied to 3.
  • the electronic control unit 30 consists of a digital computer and is connected to each other via a bidirectional bus 3 1 RM (read only memory) 3 2, RAM (random access memory) 3 3, CPU (microphone) 3), input port 3 5 and output port 3 6.
  • S_ ⁇ x The trap catalyst 1 3 attached temperature sensor 2 3 for detecting the temperature of S_ ⁇ x trap catalyst 1 3, AD converter 3 the output signal of the temperature sensor 2 3 and the air flow meter 8 corresponding Input to input port 3 5 via 7.
  • a load sensor 41 that generates an output voltage proportional to the depression amount L of the accelerator pedal 40 is connected to the accelerator pedal 40, and the output voltage of the load sensor 41 is passed through the corresponding AD converter 37. Input to input port 3 5.
  • crank angle sensor 42 that generates an output pulse every time the crankshaft rotates, for example, 15 ° is connected to the input port 35.
  • the output port 3 6 is connected to the fuel injection valve 3, the throttle valve 10 through the corresponding drive circuit 3 8, the step motor for driving, the fuel supply valve 16, the EGR control valve 18 and the fuel pump 2. Connected to 2.
  • N_ ⁇ x storage catalyst 1 5 shown in First Figure 1 the NO in the x storage catalyst 1 5 on the substrate is supported a catalyst carrier comprised of for example alumina, 2 the catalyst carrier The cross section of the surface part of 45 is shown schematically.
  • a catalyst carrier comprised of for example alumina
  • the catalyst carrier The cross section of the surface part of 45 is shown schematically.
  • noble metal catalysts 4 6 are dispersed, even on the surface of the catalyst responsible body 4 5 N_ ⁇ x absorbent 4 7 layers Is formed.
  • the present invention is platinum P t is found using a noble metal catalyst 4 6 in the embodiment according to, N_ ⁇ x as a component constituting the absorbent 4 7 eg force Liu beam 1 :, sodium N a, as cesium C s
  • N_ ⁇ x a component constituting the absorbent 4 7 eg force Liu beam 1 :, sodium N a, as cesium C s
  • At least one selected from various alkaline metals, alkaline earth such as barium Ba and calcium Ca, and rare earth such as lanthanum La and yttrium Y is used.
  • the oxygen concentration in the exhaust gas is NO 2 at high as platinum P t 4 6 surface is generated, N_ ⁇ x absorbent 4 7 N_ ⁇ x absorption capacity unless the saturation N_ ⁇ 2 the NO x absorbent 4 7 is absorbed within and nitrate ions N_ ⁇ 3 - are produced.
  • N_ ⁇ x storage catalyst 1 5 before absorption capacity of N_ ⁇ x absorbent 4 7 is saturated Exhaust air-fuel ratio of the gas to temporarily re Tutsi and has it from by connexion N_ ⁇ x absorption adsorbents 4 7 so as to release N_ ⁇ x that.
  • the exhaust gas S_ ⁇ x that is, it contains S_ ⁇ 2
  • the S_ ⁇ 2 This S_ ⁇ 2 flows into N_ ⁇ X storage catalyst 1 5 is oxidized in the platinum P t 4 6 S ⁇ 3
  • This S_ ⁇ 3 is absorbed in the NO x absorbent 4 7, diffuses into N_ ⁇ x absorbent 4 in 7 in the form of sulfate ions S_ ⁇ 4, stable Sulfated B a S0 4 is produced.
  • N_ ⁇ x absorbent 4 7 basicity this sulfate B a S 0 4 in order to have a hard to break down.
  • Stable, air-fuel ratio simply sulfate B only was re pitch of exhaust gas a S_ ⁇ 4 remains as undecomposed. Therefore NO x in absorbent 4 in 7 time will be increased sulfate B a S_ ⁇ 4 as has elapsed, thus N_ ⁇ x absorbent 4 7 as to time has elapsed can absorb NO x The amount will decrease.
  • the S_ ⁇ x trap catalyst 1 3 has a plurality of exhaust gas flow holes for example, a monolith catalysts of honeycomb structure, Ru extends straight in the axial direction of the SO x trap catalyst 1 3.
  • a catalyst carrier made of alumina for example, is supported on the inner peripheral wall surface of each exhaust gas flow hole.
  • a cross section of the surface portion of the catalyst carrier 50 is shown schematically.
  • a coating layer 51 is formed on the surface of the catalyst carrier 50, and a metal catalyst or noble metal catalyst 52 is dispersed and supported on the surface of the coating layer 51. Has been.
  • a noble metal catalyst such as platinum is used as the catalyst 52.
  • components constituting the coating layer 51 include alkali metals such as potassium, sodium Na, and cesium Cs. At least one selected from alkaline earths such as barium Ba and calcium Ca, and rare earths such as lanthanum La and yttrium Y is used. That is, the coating layer 5 1 of the S0 x trap catalyst 13 has a strong basicity.
  • S_ ⁇ x i.e. S 0 2 contained in the exhaust gas is oxidized platinum P t 5 2 As shown in Figure 3, then caught capturing the coating layer 5 1. That is, S_ ⁇ 2 diffuses into the coating layer 5 1 in the form of sulfate ions SO 4, and forms a sulfate.
  • coating layer 5 1 as described above is exhibits a strong basicity, therefore some S_ ⁇ 2 contained in the exhaust gas as shown in FIG. 3 is directly trapped in the coat layer 5 1 .
  • the shading in the coating layer 51 indicates the concentration of captured SO x .
  • S_ ⁇ x concentration in the coat layer 5 1 As can be seen from FIG. 3 is highest near the surface of the coating layer 5 1, slave connection will summer gradually lowered to go back portion. SO near the surface of coat layer 5 1 When the x concentration increases, the basicity of the surface of the coat layer 51 becomes weaker, and the capture ability of S0 x becomes weaker. In such a state, if the temperature of the S ⁇ x trap catalyst 13 is raised while the air-fuel ratio of the exhaust gas is lean, the S ⁇ x wrap rate is recovered.
  • S_ ⁇ x air-fuel ratio temperature under S_ ⁇ x trap catalyst 1 3 lean is present intensively near the surface of situ upon raised coat layer 5 1 of the exhaust gas is coated layer 5 1 It diffuses toward the back of the coat layer 5 1 so that the SO x concentration in the film becomes uniform. That is, the nitrate produced in the coat layer 51 changes from an unstable state concentrated near the surface of the coat layer 51 to a stable state uniformly dispersed throughout the coat layer 51. To do.
  • FIG. 4A shows the fuel injection timing from the fuel injection valve 3 into the combustion chamber 2.
  • the engine output is generated several times before the compression top dead center TDC in order to generate engine output. Soot injection P 1, P 2 is performed, and main injection M is performed in the vicinity of compression top dead center TD C.
  • a combustion chamber for generating engine output as shown by A in FIG.
  • auxiliary fuel is injected into the combustion chamber 2 at a time when combustion is possible.
  • the injection timing of this auxiliary fuel A is set within the range of 90 degrees after compression top dead center TDC and hardly contributes to the generation of engine output.
  • Fig. 4B shows the relationship between the temperature ⁇ ⁇ and the ⁇ ⁇ purification rate of N ⁇ x storage catalyst 15, and Figure 4 C shows the exhaust gas flowing into ⁇ ⁇ storage catalyst 15 at low temperatures.
  • Fig. 4A Fuel injection into 2 After the completion of P 1, P 2, M, auxiliary fuel is injected into the combustion chamber 2 at a time when combustion is possible.
  • the injection timing of this auxiliary fuel A is set within the range of 90 degrees after compression top dead center TDC and hardly contributes to the generation of engine output.
  • Fig. 4B shows the relationship between the temperature ⁇ ⁇ and
  • FIG. 4B A in Fig. 4C, and Q out A in Fig. 4A shows the case where auxiliary fuel is injected at the time indicated by A in Fig. 4A.
  • B in Fig. 4B and Q out B in Fig. 4C Shows the case where auxiliary fuel is injected at the time indicated by B in Fig. 4A, that is, in the latter half of the expansion stroke or during the exhaust stroke.
  • auxiliary fuel is injected at the time indicated by B in Fig. 4A. Including not less than our Keru the NO x purification rate at low temperatures in the case of injection at a time indicated by A in comparison with the case was. Accordingly, in the present invention, as shown by A in FIG. 4A, auxiliary fuel is injected into the combustion chamber 2 at the time when combustion is possible after completion of fuel injection into the combustion chamber 2 in order to generate engine output. I have to.
  • FIGS. 5A and 5B the horizontal axis TS indicates the temperature of the SO x trap catalyst 1 3. Further, FIG. 5 A shows a case where SO x trapped amount that is caught catching on the SO x trap catalyst 1 3 is in nearly saturated state, FIG. 5 B is trapped in S_ ⁇ x trap catalyst 1 3 S ⁇ x Indicates the case where the amount of capture is small.
  • the broken line B in Figs. 5A and 5B indicates the minimum critical air-fuel ratio when auxiliary fuel is injected at the time indicated by B in Fig. 4A
  • the chain line C indicates the S0 x trap catalyst 1 3 upstream. It shows the minimum critical air-fuel ratio when fuel is injected into the exhaust passage.
  • the broken line B or chain line C are included a relatively large HC molecules in the exhaust gas, locally very This relatively large HC molecules attached to the surface of the S_ ⁇ x trap catalyst 1 3 Since it becomes a ricochet, SO x is released from the SO x trap catalyst 13. That is, as can be seen from FIGS. 5A and 5B, the SO x trap catalyst 1 3 releases SO Y when it is indicated by the broken line B and the chain line C as compared with the case indicated by the solid line A, even when lean. It becomes.
  • the solid line A in FIG. 5A indicates the minimum critical air-fuel ratio when the SO x trap amount in the SO x trap catalyst 13 is almost saturated, and this minimum critical air-fuel ratio A Is also shown in Figure 6.
  • a fuel ratio AZF combustion gases is shown in Figure 6 when lowered to the air-fuel ratio predetermined Li pitch air-fuel ratio AZF combustion gas never SO x trapped amount of the SO in regardless x trap catalyst 1 3 from SO x in the catalyst 1 3 is released.
  • a minimum allowable air-fuel ratio with the minimum critical air-fuel ratio A as an upper limit or an air-fuel ratio slightly higher than the minimum critical air-fuel ratio A as an upper limit is determined in advance, and the air-fuel ratio A / F of the combustion gas is determined. Is not reduced below this minimum allowable air-fuel ratio.
  • FIG. 6 An example of this minimum allowable air-fuel ratio is indicated by a broken line M in FIG.
  • the air-fuel ratio AF of the combustion gas is prohibited from being less than or equal to the minimum allowable air-fuel ratio M indicated by hatching in FIG.
  • the minimum allowable air-fuel ratio M indicated by hatching in FIG.
  • FIG. 6 Specifically so that not to 1 5.5 or less when the above air-fuel ratio AZ F temperature TS is 3 5 0 S_ ⁇ x trap catalyst 1 3 of the combustion gas .
  • the temperature TS of SO x trap catalyst 1 3 is 3 5
  • the air-fuel ratio AZF of the combustion gas is latched.
  • the temperature TS of the SO x trap catalyst 13 is 3 5 0 or more
  • the air-fuel ratio AZF of the combustion gas is lowered so as not to become less than the minimum allowable air-fuel ratio M as indicated by the arrow X 2 .
  • the fuel D that is insufficient for the auxiliary fuel A to switch the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the N0 x storage catalyst 15 to the fuel injection valve 1 Injected from 6.
  • the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the N0 x storage catalyst 15 to release NO x from the N0 x storage catalyst 15 is shown. If the fuel gas air-fuel ratio AZF does not decrease to the minimum allowable air-fuel ratio M even when the required amount of auxiliary fuel A is injected, the required amount of auxiliary fuel A is injected to produce the combustion gas.
  • the air-fuel ratio AZF of the engine is turned and N0 x storage catalyst 15 to 0 ) is released to N0 x storage catalyst 15 as shown by arrow X 2 in FIG. 6 and FIG. 7 B.
  • the injection amount of auxiliary fuel A is reduced when the air-fuel ratio AZF of the combustion gas falls below the minimum allowable air-fuel ratio M. It is controlled so that the air-fuel ratio AZF of the combustion gas does not decrease below the minimum allowable air-fuel ratio M by reducing the above-mentioned required amount.
  • the reduced amount of fuel is injected from the fuel supply valve 16.
  • the air-fuel ratio of the combustion gas in the combustion chamber 2 that is lowered when the auxiliary fuel A is injected is captured by the S0 trap catalyst 13.
  • S ⁇ x is not released
  • the minimum allowable air-fuel ratio M is determined in advance, and the air-fuel ratio AZF of the combustion gas is injected even if the amount of auxiliary fuel necessary for the purification treatment of the exhaust purification catalyst 15 is injected.
  • the air-fuel ratio AZF of the combustion gas is When the air fuel ratio falls below the minimum allowable air-fuel ratio M, the injection amount of the auxiliary fuel A is controlled to be less than the required amount so that the air-fuel ratio AZ F of the combustion gas does not fall below the minimum allowable air-fuel ratio M.
  • the reduced amount of fuel is supplied into the exhaust passage between the Sx trap catalyst 13 and the exhaust purification catalyst 15.
  • FIGs 8A and 8B show the case where the upper limit of the minimum critical air-fuel ratio A is the minimum allowable air-fuel ratio M. Note that FIG 8 A is SO S_ ⁇ x trapped amount being caught capturing the x trap catalyst 1 3 shows a case small, S_ ⁇ x Figure 8 B is trapped in the S ⁇ x trap catalyst 1 3 It shows the case where the trapped amount is almost saturated.
  • Figure 8 A, 8 is the minimum allowable air-fuel ratio M as seen from B is a function of S_ ⁇ x trap catalyst 1 3 S_ ⁇ x trapped amount and the SO x trap catalyst 1 3 temperature TS, the minimum allowable air-fuel ratio M increases from Li pitch air as S_ ⁇ x trapped amount of the SO x trap catalyst 1 3 is increased to a lean air-fuel ratio. Further, the minimum allowable air-fuel ratio M approaches the low temperature side as the SO x trap amount of the S0 x trap catalyst 1 3 increases.
  • S0 x trap catalyst 1 3 S0 x trapping amount increases with time.
  • the first time Figure 8 A in the present invention as seen from 8 B should be released N_ ⁇ x from N_ ⁇ x storage catalyst 1 5 a combustion gas regardless of the temperature TS of S_ ⁇ x trap catalysts 1 3
  • the air / fuel ratio AZF of the combustion gas is turned on, but when time passes, the air / fuel ratio AZF of the combustion gas is turned on only in a part of the temperature range of the Sx trap catalyst 13.
  • FIG 8 A, 8 SO x trap catalyst 1 3 as in the embodiment shown in B is shown when S_ ⁇ x trapped amount of the SO x trap catalyst 1 3 increases as described above in FIG 8 B by the arrow X 2
  • the combustion gas air-fuel ratio AZF is lowered to the minimum allowable air-fuel ratio M. That is, when the amount of auxiliary fuel required to switch the air-fuel ratio of exhaust gas flowing into N0 x storage catalyst 15 is injected, the air-fuel ratio A / F of the combustion gas is the minimum allowable air-fuel ratio M. When it decreases to below, the injection amount of the auxiliary fuel A is decreased until the air-fuel ratio AZF of the combustion gas reaches the minimum allowable air-fuel ratio M.
  • NO x stored in the NO x storage catalyst 15 is released when the oxygen concentration in the exhaust gas decreases. That is, it is necessary to to to satisfactorily release the N_ ⁇ x from the NO x storage catalyst 1 5 consumes the fuel supplied to the entire oxygen contained in the exhaust gas. Contains this case, in the exhaust gas by combustion of fuel as possible when releasing the NO x from N_ ⁇ x storage catalyst 1 5 because it consumes the most overall oxygen contained in the exhaust gas when the combustion of fuel It is preferable to consume oxygen. So far as possible the air-fuel ratio AZF combustion gases by combustion of the auxiliary fuel so that indicated by the arrow X 2 in FIG. 8 in this example, used to lower the words to the minimum allowable air-fuel ratio M.
  • Fig. 9 A shows the typical SO x trapping amount of S ⁇ x trapped by S ⁇ x trap catalyst 1 3, ⁇ S 5 (S, ⁇ S 2 ⁇ S 3 ⁇ S 4 ⁇ It shows the change in the minimum allowable air-fuel ratio M with respect to S 5), as a function of the minimum allowable air-fuel ratio M is S_ ⁇ x trap catalyst 1 3 S_ ⁇ x trapped amount S and the SO x trap catalyst 1 3 temperature TS It is pre-stored in R0M 3 2 in the form of a map shown in Fig. 9B.
  • the amount of S0 x trapped S will be explained.
  • Sulfur is contained in the fuel at a certain ratio, so the amount of S0 x contained in the exhaust gas, that is, the SO x trap catalyst 13 is captured.
  • the SO x amount is proportional to the fuel injection amount.
  • the fuel injection amount is a function of the required torque and the engine speed. Therefore, the SO x amount captured by the S0 x trap catalyst 13 is also a function of the required torque and the engine speed. Maps as shown in FIG.
  • FIG. 10 shows the exhaust purification processing routine. This routine is a fixed time It is executed by every interrupt.
  • N_ ⁇ x amount NO XA which, first, at step 6 0 reference is stored per unit time N_ ⁇ x storage catalyst 1 5 is calculated to Figure 1 0.
  • This NO x amount NOXA is stored in advance in ROM 3 2 as a function of required torque TQ and engine speed N in the form of a map shown in FIG.
  • this NOXA is added to the NO x amount ⁇ ⁇ ⁇ stored in the NO x storage catalyst 15.
  • the SO x amount S0 XA captured per unit time is calculated from the map shown in FIG. 9C.
  • Step 6 4 This S_ ⁇ XA is added to the SO x trapped amount S trapped in the S ⁇ x trap catalyst 1 3 occlusion N_ ⁇ x amount sigma vo chi exceeds the allowable value MAX Taka whether it is discriminated, sigma N_ ⁇ X> when a MAX is re switching temporarily from lean air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the N_ ⁇ x storage catalyst 1 5
  • Step 6 5 rich Processing is performed.
  • the minimum allowable air-fuel ratio M is calculated from the map shown in FIG. 9 B Step 6 5, then the target Li pitch air to fuel ratio AFR prearranged constant because for Step 6 6 N_ ⁇ x release It is determined whether or not it is greater than the minimum allowable air-fuel ratio M.
  • the target rich air-fuel ratio A F R is larger than the minimum allowable air-fuel ratio M, that is, even if the combustion gas air-fuel ratio AZF is set as the target rich air-fuel ratio A F, S
  • step 6 O x trap catalyst 1 3 If S ⁇ x is not released from step 3, step 6
  • step 7 the amount of auxiliary fuel A required to make the air / fuel ratio AZF of the combustion gas the target rich air / fuel ratio A FR is calculated.
  • step 68 the process of injecting the auxiliary fuel A from the fuel injection valve 3 is performed.
  • step 73 ⁇ N O X is cleared.
  • step 66 the target rich air-fuel ratio AFR is the highest.
  • the S ⁇ x trap catalyst 1 3 releases S ⁇ x from Step 6. Proceeding to step 9, the amount of auxiliary fuel A required to make the air fuel ratio AZF of the combustion gas the minimum allowable air fuel ratio M is calculated.
  • step 70 a process for injecting auxiliary fuel A from the fuel injection valve 3 is performed.
  • step 71 the supply amount of fuel B from the fuel supply valve 16 required to set the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the N0 x storage catalyst 15 to the target rich air-fuel ratio AFR is calculated.
  • step 72 a process for supplying fuel B from the fuel supply valve 16 is performed. Then go to step 7 3.

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Abstract

内燃機関において、ＮＯX吸蔵触媒（１５）上流の機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＳＯXを捕獲するＳＯXトラップ触媒（１３）を配置する。ＮＯX吸蔵触媒（１５）からＮＯXを放出すべきときには機関出力を発生させるための燃焼室（２）内への燃料噴射完了後であって燃焼可能な時期に燃焼室（２）内に補助燃料を噴射し、このとき燃焼室（２）内の燃焼ガスの空燃比Ａ／ＦがＳＯXトラップ触媒（１３）に捕獲されているＳＯXが放出されることのない最小許容空燃比Ｍ以下とならないように補助燃料が噴射される。

Description

明 細 書 発明の名称 内燃機関の排気浄化装置 技術分野
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。 背景技術
流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含ま れる NOxを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリ ツチになると吸蔵した NOxを放出する N〇x吸蔵触媒を機関排気通 路内に配置した内燃機関が公知である。 この内燃機関ではリーン空 燃比のもとで燃焼が行われているときに発生する N〇xが NOx吸蔵 触媒に吸蔵される。 一方、 NOx吸蔵触媒の NOx吸蔵能力が飽和に 近づく と排気ガスの空燃比が一時的にリ ッチにされ、 それによつて N〇x吸蔵触媒から！^ ；；が放出され還元される。
ところで燃料内には硫黄が含まれており、 従って排気ガス中には S〇xが含まれている。 この S〇xは NOxと共に N〇x吸蔵触媒に吸 蔵される。 ところがこの S Oxは排気ガスの空燃比を単にリ ッチに しただけでは N〇x吸蔵触媒から放出されず、 従って N〇x吸蔵触媒 に吸蔵されている S〇xの量が次第に増大していく。 その結果吸蔵 しうる N〇x量が次第に減少してしまう。
そこで N〇x吸蔵触媒に S〇xが送り込まれるのを阻止するために NOx吸蔵触媒上流の機関排気通路内に S Ox トラップ触媒を配置し た内燃機関が公知である （特許文献 1参照） 。 この内燃機関では排 気ガス中に含まれる S〇xが S Ox トラップ触媒に捕獲され、 斯く し て N〇x吸蔵触媒に S Oxが流入するのが阻止される。 その結果、 S 〇xの吸蔵により N〇xの吸蔵能力が低下するのを阻止することがで きる。
ところでこの S〇 χ トラップ触媒では S Ο χ トラップ触媒の温度が 上昇したときに S〇χ トラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比が リ ッチにされると S〇 χ トラップ触媒から S Ο χが放出されてしまう 。 また、 この S〇χ トラップ触媒では S Οχ トラップ触媒の表面近傍 に捕獲されている S Ο χの濃度が高くなつた場合には S〇 χ トラップ 触媒の温度が高くない場合でも S〇χ トラップ触媒に流入する排気 ガスの空燃比がリ ッチにされると S Οχ トラップ触媒から S〇χが放 出されてしまう。
従って上述の内燃機関では S Οχ トラップ触媒から S οχが放出さ れることがないように S〇χ トラップ触媒に流入する排気ガスは常 時リーンに維持され、 Ν Οχ吸蔵触媒から Ν〇χを放出すべきときに は S Οχ トラップ触媒の下流であって Ν〇χ吸蔵触媒の上流に配置さ れた燃料供給弁から燃料を供給して Ν〇χ吸蔵触媒に流入する排気 ガスの空燃比をリ ッチにするようにしている。 先行技術文献
特許文献
特許文献 1 特開 2 0 0 5 — 1 3 3 6 1 0号公報 発明の概要
発明が解決しょう とする課題
ところで Ν Οχ吸蔵触媒から放出された Ν Οχは排気ガス中に含ま れる H Cや C Oのような還元成分によって還元される。 この場合、 C Oは NOx吸蔵触媒の温度が低いときでも N〇xに対して強い還元 力を有するが H Cは N Ox吸蔵触媒の温度が或る程度高くならない と N〇xに対して強い還元力を発揮しない。 一方、 上述のように N 〇x吸蔵触媒から 1^ 0 !(を放出すべきときに N〇x吸蔵触媒の上流に 配置された燃料供給弁から燃料を供給するようにした場合には排気 ガス中に含まれる還元成分の大部分は H Cとなる。 従ってこの場合 には N O x吸蔵触媒から放出された N〇xは N O x吸蔵触媒の温度が 或る程度以上高くならないと十分に還元されず、 斯く して N O x吸 蔵触媒の温度が或る程度以上高くならないと高い N〇x浄化率が得 られないことになる。
一方、 N〇x吸蔵触媒から！^ ；；を放出すべく N〇x吸蔵触媒に流 入する排気ガスの空燃比をリ ッチにする方法として、 機関出力を発 生させるための燃焼室内への燃料噴射完了後であって燃焼可能な時 期に燃焼室内に補助燃料を噴射する方法がある。 この方法では燃焼 室内における燃焼ガスの空燃比をリ ッチにすることによって N〇x 吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がリ ッチにされる。 この場合 、 補助燃料は酸素の少ない状態で燃焼せしめられるので還元力の強 い C〇が多量に生成される。 その結果、 N〇x吸蔵触媒の温度が低 くても N〇x吸蔵触媒から放出された N O xが良好に還元され、 斯く して N〇x吸蔵触媒の温度が低くても高い N〇x浄化率が得られるこ とになる。
ところでこのように燃焼室内に補助燃料を噴射することによって 燃焼室内における燃焼ガスの空燃比をリ ッチにすると S〇x トラッ プ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリ ッチになる。 ところがこの ように燃焼ガスの空燃比をリ ッチにすることによって N O x吸蔵触 媒に流入する排気ガスの空燃比をリ ッチにするようにした場合、 N 〇x吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリ ッチにしたとしても S O j [ トラップ触媒から S O xが放出することのない広い領域が存在 することが判明したのである。 本発明の目的は、 判明した s〇x放出領域に基づいて s〇x トラッ プ触媒からの s〇xの放出を招く ことなく燃焼ガスの空燃比を低下 させるようにした内燃機関の排気浄化作用を提供することにある。 課題を解決するための手段
本発明によれば、 機関排気通路内に排気ガス中に含まれる s〇x を捕獲する s〇x トラップ触媒を配置し、 s o x トラップ触媒下流の 排気通路内に排気浄化触媒を配置した内燃機関において、 機関出力 を発生させるための燃焼室内への燃料噴射完了後であって燃焼可能 な時期に燃焼室内に補助燃料を噴射する補助燃料噴射手段を具備し ており、 補助燃料が噴射されたときに低下する燃焼室内の燃焼ガス の空燃比であって s〇x トラップ触媒に捕獲されている s〇xが放出 されることのない最小許容空燃比が予め求められており、 排気浄化 触媒の浄化処理のために必要な量の補助燃料を噴射しても燃焼ガス の空燃比が最小許容空燃比まで低下しないときにはこの必要な量の 補助燃料を噴射し、 排気浄化触媒の浄化処理のために必要な量の補 助燃料を噴射すると燃焼ガスの空燃比が最小許容空燃比以下まで低 下するときには補助燃料の噴射量を上述の必要な量より も減少させ て燃焼ガスの空燃比が最小許容空燃比以下まで低下しないようにし た内燃機関の排気浄化装置が提供される。 発明の効果
s〇x トラップ触媒からの s o xの放出を阻止することができる。 図面の簡単な説明
図 1 は圧縮着火式内燃機関の全体図である。
図 2は N O x吸蔵触媒の触媒担体の表面部分の断面図である。 図 3は S〇x トラップ触媒の触媒担体の表面部分の断面図である 図 4 A， 4 B , 4 Cは補助燃料の噴射時期を説明するための図で ある。
図 5 A , 5 Bは燃焼ガスの最小限界空燃比を説明するための図で ある。
図 6は燃焼ガスの最小限界空燃比および最小許容空燃比を説明す るための図である。
図 7は補助燃料 Aおよび燃料供給弁からの供給燃料 D等を示す図 である。
図 8 A , 8 Bは燃焼ガスの最小限界空燃比および最小許容空燃比 を説明するための図である。
図 9 A , 9 B , 9 Cは燃焼ガスの最小許容空燃比を説明するため の図である。
図 1 0は排気浄化処理を行うためのフローチャートである。
図 1 1 は吸蔵 N〇x量 N O X Aのマップを示す図である。 発明を実施するための形態
図 1 に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。
図 1 を参照すると、 1 は機関本体、 2は各気筒の燃焼室、 3は各 燃焼室 2内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、 4 は吸気マニホルド、 5は排気マニホルドを夫々示す。 吸気マ二ホル ド 4は吸気ダク ト 6を介して排気夕一ボチヤ一ジャ 7のコンプレツ サ 7 aの出口に連結され、 コンプレッサ 7 aの入口は吸入空気量を 検出するためのエアフローメ一夕 8 を介してエアクリーナ 9に連結 される。 吸気ダク ト 6内にはステップモータにより駆動されるスロ ッ トル弁 1 0が配置され、 更に吸気ダク ト 6周りには吸気ダク ト 6 内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置 1 1が配置される。 図 1 に示される実施例では機関冷却水が冷却装置 1 1内に導かれ、 機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
一方、 排気マニホルド 5は排気夕一ポチャージャ 7の排気夕ービ ン 7 bの入口に連結され、 排気タービン 7 bの出口は排出管 1 2を 介して S〇xトラップ触媒 1 3の入口に連結される。 また、 S〇x ラップ触媒 1 3の出口は排気管 1 4を介して排気浄化触媒 1 5に連 結される。 図 1 に示される実施例ではこの排気浄化触媒 1 5は N O X吸蔵触媒からなる。 図 1 に示されるように S〇x トラップ触媒 1 3 の下流であって N〇x吸蔵触媒 1 5上流の排気管 1 4内には燃料供 給弁 1 6が配置される。 なお、 この排気浄化触媒 1 5 としては例え ば NOx吸蔵触媒を担持したパティキュレー トフィル夕を用いるこ ともできる。
排気マ二ホルド 5 と吸気マ二ホルド 4とは排気ガス再循環 （以下 、 E G Rと称す） 通路 1 7を介して互いに連結され、 E G R通路 1 7内には電子制御式 E G R制御弁 1 8が配置される。 また、 E G R 通路 1 7周りには E G R通路 1 7内を流れる E G Rガスを冷却する ための冷却装置 1 9が配置される。 図 1 に示される実施例では機関 冷却水が冷却装置 1 9内に導かれ、 機関冷却水によって E G Rガス が冷却される。 一方、 各燃料噴射弁 3は燃料供給管 2 0を介してコ モンレール 2 1 に連結される。 このコモンレール 2 1 内へは電子制 御式の吐出量可変な燃料ポンプ 2 2から燃料が供給され、 コモンレ —ル 2 2内に供給された燃料は各燃料供給管 2 0 を介して燃料噴射 弁 3 に供給される。
電子制御ュニッ ト 3 0はデジタルコンピュータからなり、 双方向 性バス 3 1 によって互いに接続された R〇 M (リードオンリメモリ ) 3 2、 R AM (ランダムアクセスメモリ） 3 3、 C P U (マイク 口プロセッサ） 3 4、 入力ポート 3 5および出力ポ一卜 3 6 を具備 する。 S〇x トラップ触媒 1 3には S〇x トラップ触媒 1 3の温度を 検出するための温度センサ 2 3が取付けられ、 この温度センサ 2 3 およびエアフローメータ 8の出力信号は対応する A D変換器 3 7 を 介して入力ポート 3 5に入力される。 また、 アクセルペダル 4 0に はアクセルペダル 4 0の踏込み量 Lに比例した出力電圧を発生する 負荷センサ 4 1が接続され、 負荷センサ 4 1の出力電圧は対応する A D変換器 3 7 を介して入力ポート 3 5に入力される。 更に入力ポ ート 3 5にはクランクシャフ トが例えば 1 5 ° 回転する毎に出力パ ルスを発生するクランク角センサ 4 2が接続される。 一方、 出力ポ ート 3 6は対応する駆動回路 3 8を介して燃料噴射弁 3、 スロッ ト ル弁 1 0駆動用ステップモー夕、 燃料供給弁 1 6 、 E G R制御弁 1 8および燃料ポンプ 2 2に接続される。
まず初めに図 1 に示される N〇x吸蔵触媒 1 5について説明する と、 この N O x吸蔵触媒 1 5の基体上には例えばアルミナからなる 触媒担体が担持されており、 図 2はこの触媒担体 4 5の表面部分の 断面を図解的に示している。 図 2に示されるように触媒担体 4 5の 表面上には貴金属触媒 4 6が分散して担持されており、 更に触媒担 体 4 5の表面上には N〇x吸収剤 4 7の層が形成されている。
本発明による実施例では貴金属触媒 4 6 として白金 P tが用いら れており、 N〇x吸収剤 4 7を構成する成分としては例えば力リウ ム1：、 ナトリウム N a、 セシウム C sのようなアルカリ金属、 バリ ゥム B a、 カルシウム C aのようなアルカリ土類、 ランタン L a 、 イツ トリウム Yのような希土類から選ばれた少なく とも一つが用い られている。
機関吸気通路、 燃焼室 2および N〇x吸蔵触媒 1 5上流の排気通 路内に供給された空気および燃料 （炭化水素） の比を排気ガスの空 燃比と称すると、 NOx吸収剤 4 7は排気ガスの空燃比がリーンの ときには ΝΟχを吸収し、 排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収 した Ν〇χを放出する Ν〇χの吸放出作用を行う。
即ち、 Ν〇χ吸収剤 4 7 を構成する成分としてバリ ウム B aを用 いた場合を例にとって説明すると、 排気ガスの空燃比がリーンのと き、 即ち排気ガス中の酸素濃度が高いときには排気ガス中に含まれ る NOは図 2に示されるように白金 P t 4 6上において酸化されて N〇2となり、 次いで N〇x吸収剤 4 7内に吸収されて炭酸バリ ウム B a C〇3と結合しながら硝酸イオン NO 3 の形で NOx吸収剤 4 7 内に拡散する。 このようにして NOxが NOx吸収剤 4 7内に吸収さ れる。 排気ガス中の酸素濃度が高い限り 白金 P t 4 6の表面で NO 2が生成され、 N〇x吸収剤 4 7の N〇x吸収能力が飽和しない限り N〇2が NOx吸収剤 4 7内に吸収されて硝酸イオン N〇3 -が生成さ れる。
これに対し、 N〇x吸蔵触媒 1 5に流入する排気ガスの空燃比が リ ッチ或いは理論空燃比にされると排気ガス中の酸素濃度が低下す るために反応が逆方向 （N〇3—→N02) に進み、 斯く して N〇x吸 収剤 4 7内の硝酸イオン N03 が N02の形で N〇x吸収剤 4 7から 放出される。 次いで放出された N〇xは排気ガス中に含まれる未燃 H C , C Oによって還元される。
このように排気ガスの空燃比がリーンであるとき、 即ち リーン空 燃比のもとで燃焼が行われているときには排気ガス中の N〇xが N Ox吸収剤 4 7内に吸収される。 しかしながらリーン空燃比のもと での燃焼が継続して行われるとその間に N〇 x吸収剤 4 7の N O x吸 収能力が飽和してしまい、 斯く して NOx吸収剤 4 7 により N〇xを 吸収できなくなってしまう。 そこで本発明による実施例では N〇 x 吸収剤 4 7の吸収能力が飽和する前に N〇x吸蔵触媒 1 5に流入す る排気ガスの空燃比を一時的にリ ツチにし、 それによつて N〇x吸 収剤 4 7から N〇xを放出させるようにしている。
ところで排気ガス中には S〇x、 即ち S〇2が含まれており、 この S〇2がN〇X吸蔵触媒 1 5に流入するとこの S〇2は白金 P t 4 6 において酸化されて S〇3となる。 次いでこの S〇3は NOx吸収剤 4 7内に吸収されて炭酸バリウム B a C〇3と結合しながら、 硫酸 イオン S〇4 の形で N〇x吸収剤 4 7内に拡散し、 安定した硫酸塩 B a S〇 4を生成する。 しかしながら N〇 x吸収剤 4 7が強い塩基性 を有するためにこの硫酸塩 B a S 04は安定していて分解しづらく 、 排気ガスの空燃比を単にリ ッチにしただけでは硫酸塩 B a S〇4 は分解されずにそのまま残る。 従って NO x吸収剤 4 7内には時間 が経過するにつれて硫酸塩 B a S〇4が増大することになり、 斯く して時間が経過するにつれて N〇x吸収剤 4 7が吸収しうる NOx量 が低下することになる。
ところでこの場合、 N〇x吸蔵触媒 1 5の温度を 6 0 0で以上の S Ox放出温度まで上昇させた状態で NOx吸蔵触媒 1 5に流入する 排気ガスの空燃比をリ ッチにすると N〇x吸収剤 4 7から S Oxが放 出される。 ただし、 この場合 N〇x吸収剤 4 7からは少しずつしか S Oxが放出されない。 従って NOx吸収剤 4 7から全ての吸収 S O xを放出させるには長時間に亘つて空燃比をリ ッチにしなければな らず、 斯く して多量の燃料或いは還元剤が必要になるという問題が ある。 また、 NOx吸収剤 4 7から放出された S〇xは大気中に排出 されることになり、 このことも好ましいことではない。
そこで本発明では N Ox吸蔵触媒 1 5の上流に S〇x トラップ触媒 1 3 を配置してこの S Ox トラップ触媒 1 3により排気ガス中に含 まれる S〇xを捕獲し、 それによつて NOx吸蔵触媒 1 5に S〇xが 流入しないようにしている。 次にこの S〇x トラップ触媒 1 3につ いて説明する。
この S〇 xトラップ触媒 1 3は例えばハニカム構造のモノ リス触 媒からなり、 S O x トラップ触媒 1 3の軸線方向にまっすぐに延び る多数の排気ガス流通孔を有する。 このように S Ox トラップ触媒 1 3 をハニカム構造のモノ リス触媒から形成した場合には、 各排気 ガス流通孔の内周壁面上に例えばアルミナからなる触媒担体が担持 されており、 図 3はこの触媒担体 5 0の表面部分の断面を図解的に 示している。 図 3に示されるように触媒担体 5 0の表面上にはコー ト層 5 1が形成されており、 このコート層 5 1の表面上には金属触 媒又は貴金属触媒 5 2が分散して担持されている。
図 3に示される実施例では触媒 5 2 として白金のような貴金属触 媒が用いられており、 コート層 5 1 を構成する成分としては例えば カリウム 、 ナトリウム N a、 セシウム C sのようなアルカリ金属 、 バリウム B a、 カルシウム C aのようなアルカリ土類、 ランタン L a , イッ トリウム Yのような希土類から選ばれた少なく とも一つ が用いられている。 即ち、 S〇x トラップ触媒 1 3のコート層 5 1 は強塩基性を呈している。
さて、 排気ガス中に含まれる S〇x、 即ち S 02は図 3 に示される ように白金 P t 5 2において酸化され、 次いでコート層 5 1内に捕 獲される。 即ち、 S〇2は硫酸イオン S O 4 の形でコート層 5 1内 に拡散し、 硫酸塩を形成する。 なお、 上述したようにコート層 5 1 は強塩基性を呈しており、 従って図 3 に示されるように排気ガス中 に含まれる S〇2の一部は直接コート層 5 1 内に捕獲される。
図 3においてコート層 5 1内における濃淡は捕獲された S Oxの 濃度を示している。 図 3からわかるようにコート層 5 1内における S〇x濃度はコート層 5 1 の表面近傍が最も高く、 奥部に行くに従 つて次第に低くなつていく。 コート層 5 1 の表面近傍における S O x濃度が高くなるとコート層 5 1の表面の塩基性が弱まり、 S〇xの 捕獲能力が弱まる。 このような状態のときに排気ガスの空燃比がリ ーンのもとで S〇x トラップ触媒 1 3の温度が上昇せしめられると S〇 x 卜ラップ率が回復する。
即ち、 排気ガスの空燃比がリーンのもとで S〇 x トラップ触媒 1 3の温度が上昇せしめられるとコート層 5 1内の表面近傍に集中的 に存在する S〇xはコート層 5 1内における S Ox濃度が均一となる ようにコート層 5 1 の奥部に向けて拡散していく。 即ち、 コート層 5 1内に生成されている硝酸塩はコート層 5 1 の表面近傍に集中し ている不安定な状態からコート層 5 1内の全体に亘つて均一に分散 した安定した状態に変化する。 コート層 5 1内の表面近傍に存在す る S〇xがコート層 5 1の奥部に向けて拡散するとコート層 5 1 の 表面近傍の S〇x濃度が低下し、 斯く して S Ox トラップ触媒 1 3の S〇x トラップ率が回復することになる。
次に図 4 A, 4 B , 4 Cを参照しつつ NOx吸蔵触媒 1 5から N 〇xを放出すべきときに噴射される補助燃料の噴射時期と NOx浄化 率との関係について説明する。 図 4 Aは燃料噴射弁 3から燃焼室 2 内への燃料噴射時期を示しており、 図 4 Aに示される例では機関出 力を発生するために圧縮上死点 T D C前に複数回のパイロッ 卜噴射 P 1 , P 2が行われ、 圧縮上死点 TD C付近で主噴射 Mが行われる 一方、 本発明においては図 4 Aにおいて Aで示されるように機関 出力を発生させるための燃焼室 2内への燃料噴射 P 1 , P 2 , Mの 完了後であって燃焼可能な時期に燃焼室 2内に補助燃料が噴射され る。 図 4 Aからわかるようにこの補助燃料 Aの噴射時期は圧縮上死 点 T D C後 9 0度の範囲内であって機関出力の発生にほとんど寄与 しない時期に設定されている。 一方、 図 4 Bは N〇x吸蔵触媒 1 5の温度 Τ Νと Ν〇χ浄化率との 関係を示しており、 図 4 Cは低温時における ΝΟχ吸蔵触媒 1 5に 流入する排気ガス中の Ν〇χ濃度 Q i nと N〇x吸蔵触媒 1 5から流 出する排気ガス中の N〇x濃度 Q o u t A, Q o u t Bを示してい る。 図 4 Bにおいて A, 図 4 Cにおいて Q o u t Aは図 4 Aにおい て Aで示される時期に補助燃料が噴射された場合を示しており、 図 4 Bにおいて B、 図 4 Cにおいて Q o u t Bは図 4 Aにおいて Bで 示される時期に、 即ち膨張行程の後半か又は排気行程中に補助燃料 が噴射された場合を示している。
図 4 Aにおいて主噴射 Mが行われると燃焼室 2内の大部分の酸素 が消費される。 従って補助燃料 Aが噴射されるとこの補助燃料 Aは 酸素が不十分な状態で燃焼せしめられ、 斯く して多量の C Oが発生 することになる。 この C Oは N〇x吸蔵触媒 1 5から放出される N 〇xに対する還元力が強く、 従って NOxは放出されるや否や C Oに よってただちに還元されるので N〇x吸蔵触媒 1 5からは次から次 へと NOxが放出されることになる。 その結果図 4 Cに示されるよ うに低温時での NOx濃度 Q o u t Aは低くなり、 斯く して図 4 B において Aで示されるように低温時でも高い N O x浄化率が得られ る。
一方、 図 4 Aにおいて Bで示される時期に補助燃料が噴射される とこの補助燃料 Bは小さな分子に分解されるがほとんど燃焼はしな い。 従ってこのときには小さな分子量の H Cは増大するが C Oはあ まり増大しない。 この場合、 H Cは C Oに比べて還元力が弱く、 従 つてこの場合には図 4 Cに示されるように低温時における N〇x濃 度 Q o u t Bが高くなるために図 4 Bにおいて Bで示されるように 低温時における N〇x浄化率が低下する。
このように補助燃料を図 4 Aにおいて Bで示される時期に噴射し た場合に比べて Aで示される時期に噴射した場合の方が低温時にお ける N Ox浄化率が高くなる。 従って本発明では図 4 Aにおいて A で示されるように機関出力を発生させるために燃焼室 2内への燃料 噴射完了後であって燃焼可能な時期に燃焼室 2内に補助燃料を噴射 するようにしている。
さて、 補助燃料 Aを噴射すると燃焼室 2における燃焼ガスの空燃 比 AZFが低下し、 このとき空燃比 AZFが或る限度まで低下する と S Oxトラップ触媒 1 3から S Oxが放出される。 図 5 A, 5 Bに おいて実線 Aは補助燃料 Aを噴射したときに S〇x トラップ触媒 1 3から S〇xが放出することのない最小限界空燃比を示しており、 補助燃料 Aを噴射したときに燃焼ガスの空燃比がこの最小限界空燃 比 A以下になると S Ox トラップ触媒 1 3から S〇xが放出される。
なお、 図 5 A, 5 Bにおいて横軸 T Sは S Ox トラップ触媒 1 3 の温度を示している。 また、 図 5 Aは S Oxトラップ触媒 1 3に捕 獲されている S Ox捕獲量がほぼ飽和状態にある場合を示しており 、 図 5 Bは S〇x トラップ触媒 1 3に捕獲されている S〇x捕獲量が 少ない場合を示している。
一方、 図 5 A, 5 Bにおいて破線 Bは図 4 Aにおいて Bで示され る時期に補助燃料を噴射したときの最小限界空燃比を示しており、 鎖線 Cは S〇x トラップ触媒 1 3上流の排気通路内に燃料を噴射し たときの最小限界空燃比を示している。 破線 Bや鎖線 Cで示される 場合には排気ガス中に比較的大きな H C分子が含まれており、 この 比較的大きな H C分子が S〇x トラップ触媒 1 3の表面に付着する と局所的に極めてリ ッチとなるために S O x トラップ触媒 1 3から S〇xが放出されてしまう。 即ち、 図 5 A, 5 Bからわかるように 破線 Bや鎖線 Cで示される場合には実線 Aで示される場合に比べて かなり リーンでも S O x トラップ触媒 1 3から S O Yが放出されるこ とになる。
このように図 4 Aにおいて Aで示される時期に補助燃料を噴射す ると図 5 A， 5 Bに示されるように最小限界空燃比が低くなり、 図 5 Aに示される場合には S〇x トラップ触媒 1 3の温度 T Sが比較 的低いときに、 図 5 Bに示される場合には S〇x トラップ触媒 1 3 の広い温度範囲に亘つて S Ox トラップ触媒 1 3から S Oxを放出さ せることなく燃焼ガスの空燃比 AZFをリ ッチにすることができる 。 その結果、 低温時であっても良好な N〇x浄化率を得られること になる。
さて、 前述したように図 5 Aにおいて実線 Aは S Ox トラップ触 媒 1 3への S Ox捕獲量がほぼ飽和状態にあるときの最小限界空燃 比を示しており、 この最小限界空燃比 Aが図 6にも示されている。 燃焼ガスの空燃比 AZFを予め定められたリ ッチ空燃比まで低下さ せたときに燃焼ガスの空燃比 AZFが図 6に示される最小限界空燃 比 A以下にならなければ S〇x トラップ触媒 1 3への S Ox捕獲量の 大小にかかわらずに S Ox トラップ触媒 1 3から S Oxが放出される ことはない。 そこで本発明ではこの最小限界空燃比 Aを上限とする 、 或いはこの最小限界空燃比 Aよりも若干高い空燃比を上限とする 最小許容空燃比を予め定めておき、 燃焼ガスの空燃比 A/Fをこの 最小許容空燃比以下まで低下させないようにしている。
この最小許容空燃比の一例が図 6 において破線 Mで示されている 。 図 6に示される例では燃焼ガスの空燃比 A Fが図 6 においてハ ツチングで示される最小許容空燃比 M以下になることが禁止される 。 具体的に言うと図 6に示される例では燃焼ガスの空燃比 AZ Fは S〇x トラップ触媒 1 3の温度 T Sが 3 5 0で以上のときに 1 5. 5以下にならないようにしている。
図 6からわかるように S Ox トラップ触媒 1 3の温度 T Sが 3 5 0で以下であるときには矢印 X,で示されるように燃焼ガスの空燃 比 AZ Fがリ ッチにされても S〇x トラップ触媒 1 3から S〇xが放 出されることはない。 従ってこのときには図 7 Aに示されるように 補助燃料 Aを噴射することによって燃焼ガスの空燃比 AZFがリ ツ チにされる。 これに対し、 S O x トラップ触媒 1 3の温度 T Sが 3 5 0 以上であるときには矢印 X 2で示されるように燃焼ガスの空 燃比 AZFは最小許容空燃比 M以下にならないように低下せしめら れる。 このときには図 7 Bに示されるように N〇x吸蔵触媒 1 5に 流入する排気ガスの空燃比をリ ッチにするのに補助燃料 Aでは不足 している分の燃料 Dが燃料噴射弁 1 6から噴射される。
即ち、 本発明では図 6の矢印 X,および図 7 Aに示されるように N〇x吸蔵触媒 1 5から N Oxを放出すべく N〇x吸蔵触媒 1 5に流 入する排気ガスの空燃比をリ ッチにするのに必要な量の補助燃料 A を噴射しても燃料ガスの空燃比 AZFが最小許容空燃比 Mまで低下 しないときにはこの必要な量の補助燃料 Aを噴射して燃焼ガスの空 燃比 AZFがリ ッチにされ、 図 6の矢印 X2および図 7 Bに示され るように N〇x吸蔵触媒 1 5から 0)(を放出すべく N〇x吸蔵触媒 1 5に流入する排気ガスの空燃比をリ ッチにするのに必要な量の補 助燃料を噴射すると燃焼ガスの空燃比 AZFが最小許容空燃比 M以 下まで低下するときには補助燃料 Aの噴射量を上述の必要な量より も減少させて燃焼ガスの空燃比 AZFが最小許容空燃比 M以下まで 低下しないように制御される。
更に本発明ではこのように補助燃料 Aの噴射量が必要な量より も 減少せしめられたときには減少分の燃料が燃料供給弁 1 6から噴射 される。
なお、 補助燃料 Aを噴射すると排気温が上昇する。 従って例えば 排気浄化触媒 1 5を昇温させるために補助燃料 Aを噴射する場合に も本発明を適用することができる。
従ってこのような場'合も含めると本発明では、 補助燃料 Aが噴射 されたときに低下する燃焼室 2内の燃焼ガスの空燃比であって S〇 X トラップ触媒 1 3に捕獲されている S〇xが放出されることのない 最小許容空燃比 Mが予め求められており、 排気浄化触媒 1 5の浄化 処理のために必要な量の補助燃料を噴射しても燃焼ガスの空燃比 A Z Fが最小許容空燃比 Mまで低下しないときにはこの必要な量の補 助燃料 Aが噴射され、 排気浄化触媒 1 5の浄化処理のために必要な 量の補助燃料を噴射すると燃焼ガスの空燃比 AZFが最小許容空燃 比 M以下まで低下するときには補助燃料 Aの噴射量を上述必要な量 より も減少させて燃焼ガスの空燃比 AZ Fが最小許容空燃比 M以下 まで低下しないように制御される。
なお、 このように補助燃料の噴射量が必要な量より も減少せしめ られたときには減少分の燃料が S〇x トラップ触媒 1 3 と排気浄化 触媒 1 5間の排気通路内に供給される。
図 8 A， 8 Bは最小限界空燃比 Aの上限を最小許容空燃比 Mとし た場合を示している。 なお、 図 8 Aは S Ox トラップ触媒 1 3に捕 獲されている S〇x捕獲量が少ない場合を示しており、 図 8 Bは S 〇x トラップ触媒 1 3に捕獲されている S〇x捕獲量がほぼ飽和状態 にある場合を示している。
図 8 A， 8 Bからわかるように最小許容空燃比 Mは S〇x トラッ プ触媒 1 3の S〇x捕獲量および S Ox トラップ触媒 1 3の温度 T S の関数となり、 この最小許容空燃比 Mは S O x トラップ触媒 1 3の S〇x捕獲量が増大するにつれてリ ッチ空燃比から リーン空燃比へ と大きくなる。 また、 最小許容空燃比 Mは S〇x トラップ触媒 1 3 の S Ox捕獲量が増大するにつれて低温側に寄って行く。
図 8 A, 8 Bに示される実施例では S〇x トラップ触媒 1 3の S 〇 x捕獲量が少ない場合には図 8 Aにおいて矢印 Xで示されるよう に N〇x吸蔵触媒 1 5から N〇xを放出すべきときには常に燃焼ガス の空燃比 AZFがリ ッチにされる。 また、 S Ox トラップ触媒 1 3 の S Ox捕獲量が多くなると図 8 Bにおいて矢印 X,で示されるよう に S Oxトラップ触媒 1 3の温度 T Sが低いときには N〇x吸蔵触媒 1 5から N〇xを放出すべきときに燃焼ガスの空燃比 AZFがリ ツ チにされ、 図 8 Bにおいて矢印 X2で示されるように S〇xトラップ 触媒 1 3の温度 T Sが高いときには燃焼ガスの空燃比 AZFが最小 許容空燃比 Mまで低下せしめられる。 このように燃焼ガスの空燃比 AZFの低下が最小許容空燃比 Mで制限されたときには NOx吸蔵 触媒 1 5に流入する排気ガスの空燃比をリ ツチにするのに必要な燃 料が燃料供給弁 1 6から噴射される。
S〇x トラップ触媒 1 3の S〇x捕獲量は時間が経過するにつれて 増大する。 従って図 8 A， 8 Bからわかるように本発明では N〇x 吸蔵触媒 1 5から N〇xを放出すべきときに最初は S〇xトラップ触 媒 1 3の温度 T Sにかかわらずに燃焼ガスの空燃比 A Z Fがリ ッチ にされるが時間が経過すると S〇x トラップ触媒 1 3の一部の温度 領域のみで燃焼ガスの空燃比 AZFがリ ツチにされる。
図 8 A， 8 Bに示される実施例では前述したように S Ox トラッ プ触媒 1 3の S〇x捕獲量が多くなると図 8 Bにおいて矢印 X2で示 される如く S O xトラップ触媒 1 3の温度 T Sが高いときには燃焼 ガスの空燃比 AZFが最小許容空燃比 Mまで低下せしめられる。 即 ち、 N〇x吸蔵触媒 1 5に流入する排気ガスの空燃比をリ ッチにす るのに必要な量の補助燃料を噴射すると燃焼ガスの空燃比 A/Fが 最小許容空燃比 M以下まで低下するときには補助燃料 Aの噴射量は 燃焼ガスの空燃比 AZFが最小許容空燃比 Mとなるまで減少せしめ られる。 前述したように N〇x吸蔵触媒 1 5に吸蔵されている NOxは排気 ガス中の酸素濃度が低下すると放出される。 即ち、 NOx吸蔵触媒 1 5から N〇xを良好に放出させるには排気ガス中に含まれる酸素 全体を供給した燃料により消費してしまうことが必要となる。 この 場合、 燃料を燃焼させた場合に最も排気ガス中に含まれる酸素全体 を消費できるので N〇x吸蔵触媒 1 5から NOxを放出させるときに はできる限り燃料の燃焼により排気ガス中に含まれる酸素を消費す ることが好ましい。 そこでこの実施例では図 8の矢印 X2で示され るように補助燃料の燃焼によって燃焼ガスの空燃比 AZFが可能な 限り、 即ち最小許容空燃比 Mまで減少せしめられる。
図 9 Aは実験により求められた、 S〇x トラップ触媒 1 3に捕獲 された S〇xの代表的な S Ox捕獲量 S ,〜 S 5 ( S , < S 2< S 3< S 4 < S 5) に対する最小許容空燃比 Mの変化を示しており、 この最小 許容空燃比 Mは S〇xトラップ触媒 1 3の S〇x捕獲量 Sおよび S O x トラップ触媒 1 3の温度 T Sの関数として図 9 Bに示されるマツ プのような形で予め R〇 M 3 2内に記憶されている。
ここで S〇x捕獲量 Sについて説明すると、 燃料中には或る割合 で硫黄が含まれており、 従って排気ガス中に含まれる S〇x量、 即 ち S Ox トラップ触媒 1 3に捕獲される S Ox量は燃料噴射量に比例 する。 燃料噴射量は要求トルクおよび機関回転数の関数であり、 従 つて S〇x トラップ触媒 1 3に捕獲される S Ox量も要求トルクおよ び機関回転数の関数となる。 本発明による実施例では S Oxトラッ プ触媒 1 3 に単位時間当り捕獲される S Ox量 S〇 X Aが要求トル ク T Qおよび機関回転数 Nの関数として図 9 Cに示されるようなマ ップの形で予め R OM 3 2内に記憶されており、 この S〇x量 S O XAを積算することによって S〇x捕獲量 Sが算出される。
図 1 0に排気浄化処理ルーチンを示す。 このルーチンは一定時間 毎の割込みによつて実行される。
図 1 0 を参照するとまず初めにステップ 6 0において N〇 x吸蔵 触媒 1 5に単位時間当り吸蔵される N〇x量 NO XAが算出される 。 この N〇x量 NOXAは要求トルク T Qおよび機関回転数 Nの関 数として図 1 1 に示すマップの形で予め R OM 3 2内に記憶されて いる。 次いでステップ 6 1ではこの N O X Aが N O x吸蔵触媒 1 5 に吸蔵されている NOx量 Σ ΝΟ Χに加算される。 次いでステップ 6 2では図 9 Cに示すマップから単位時間当り捕獲される S Ox量 S〇 X Aが算出される。 次いでステップ 6 3ではこの S〇 X Aが S 〇x トラップ触媒 1 3に捕獲されている S Ox捕獲量 Sに加算される 次いでステップ 6 4では吸蔵 N〇x量 Σ ΝΟ Χが許容値 MAXを 越えたか否かが判別され、 ∑ N〇 X〉 M A Xとなったときにはステ ップ 6 5に進んで N〇x吸蔵触媒 1 5に流入する排気ガスの空燃比 を一時的にリーンからリッチに切換えるリ ッチ処理が行われる。 即 ち、 ステップ 6 5では図 9 Bに示されるマップから最小許容空燃比 Mが算出され、 次いでステップ 6 6では N〇x放出のために予め定 められている目標リ ッチ空燃比 A F Rが最小許容空燃比 Mよりも大 きいか否かが判別される。
目標リ ッチ空燃比 A F Rが最小許容空燃比 Mよりも大きいとさ、 即ち燃焼ガスの空燃比 AZFを目標リ ッチ空燃比 A F としても S
Ox トラップ触媒 1 3から S〇xが放出されないときにはステップ 6
7 に進んで燃焼ガスの空燃比 AZFを目標リ ッチ空燃比 A F Rとす るのに必要な補助燃料 Aの量が.算出される。 次いでステツプ 6 8で は燃料噴射弁 3から補助燃料 Aを噴射する処理が行われる 次いで ステップ 7 3では∑ N O Xがクリアされる。
これに対し、 ステップ 6 6において目標リ ッチ空燃比 A F Rが最 小許容空燃比 Mより も小さいと判断されたとき、 即ち燃焼ガスの空 燃比 A / Fを目標リ ッチ空燃比 A F Rすると S〇x トラップ触媒 1 3から S〇 xが放出されるときにはステップ 6 9 に進んで燃焼ガス の空燃比 A Z Fを最小許容空燃比 Mとするのに必要な補助燃料 Aの 量が算出される。 次いでステップ 7 0では燃料噴射弁 3から補助燃 料 Aを噴射する処理が行われる。
次いでステップ 7 1 では N〇x吸蔵触媒 1 5 に流入する排気ガス の空燃比を目標リ ッチ空燃比 A F Rとするのに必要な燃料供給弁 1 6からの燃料 Bの供給量が算出される。 次いでステップ 7 2では燃 料供給弁 1 6から燃料 Bを供給する処理が行われる。 次いでステツ プ 7 3 に進む。 符号の説明
4…吸気マ二ホルド
5…排気マ二ホルド
7 …排気夕一ポチャージャ
1 3… S〇x トラップ触媒
1 5…排気浄化触媒
1 6…燃料供給弁

Claims

請求項 1 . 機関排気通路内に排気ガス中に含まれる s〇xを捕獲 する s o x トラップ触媒を配置し、 s〇x トラップ触媒下流の排気通 路内に排気浄化触媒を配置した内燃機関において、 機関出力を発生 させるための燃焼室内への燃料噴射完了後であって燃焼可能な時期 請
に燃焼室内に補助燃料を噴射する補助燃料噴射手段を具備しており 、 該補助燃料が噴射されたときに低下する燃焼室内の燃焼ガスの空 燃比であって該 s〇x トラップ触媒のに捕獲されている s o xが放出さ れることのない最小許容空燃比が予め範求められており、 排気浄化触 媒の浄化処理のために必要な量の該補助燃料を噴射しても該燃焼ガ 囲
スの空燃比が該最小許容空燃比まで低下しないときには該必要な量 の該補助燃料を噴射し、 排気浄化触媒の浄化処理のために必要な量 の該補助燃料を噴射すると該燃焼ガスの空燃比が該最小許容空燃比 以下まで低下するときには該補助燃料の噴射量を該必要な量より も 減少させて該燃焼ガスの空燃比が該最小許容空燃比以下まで低下し ないようにした内燃機関の排気浄化装置。
請求項 2 . 上記補助燃料の噴射時期は圧縮上死点後 9 0度の範囲 内であって機関出力の発生にほとんど寄与しない時期である請求項 1 に記載の内燃機関の排気浄化装置。
請求項 3 . 該補助燃料の噴射量が上記必要な量より も減少せしめ られたときには減少分の燃料を S〇x トラップ触媒と排気浄化触媒 間の排気通路内に供給するようにした請求項 1 に記載の内燃機関の 排気浄化装置。
請求項 4 . 上記 S O x トラップ触媒は、 S O x トラップ触媒に流入 する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれる S 〇xを捕獲し、 排気ガスの空燃比がリーンのもとで S〇x トラップ触 煤の温度が上昇すると捕獲した S〇xが次第に N〇x トラップ触媒の 内部に拡散していく性質を有する請求項 1 に記載の内燃機関の排気 浄化装置。
請求項 5 . 上記最小許容空燃比は S〇x トラップ触媒の S〇x捕獲 量および S〇x トラップ触媒の温度の関数として予め記憶されてい る請求項 1 に記載の内燃機関の排気浄化装置。
請求項 6 . 上記最小許容空燃比は S O x トラップ触媒の S〇x捕獲 量が増大するにつれてリ ッチ空燃比から リーン空燃比へと大きくな る請求項 5 に記載の内燃機関の排気浄化装置。
請求項 7 . 上記排気浄化触媒は、 流入する排気ガスの空燃比がリ —ンのときには排気ガス中に含まれる N〇xを吸蔵し流入する排気 ガスの空燃比が理論空燃比又はリ ッチになると吸蔵した N O xを放 出する N O x吸蔵触媒からなり、 N〇x吸蔵触媒から N O xを放出す ベく N O x吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリ ッチにするの に必要な量の上記補助燃料を噴射しても上記燃焼ガスの空燃比が上 記最小許容空燃比まで低下しないときには該必要な量の該補助燃料 を噴射して該燃焼ガスの空燃比をリ ッチにし、 N〇x吸蔵触媒から N O xを放出すべく N〇x吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリ ツチにするのに必要な量の該補助燃料を噴射すると該燃焼ガスの空 燃比が該最小許容空燃比以下まで低下するときには該補助燃料の噴 射量を該必要な量より も減少させて該燃焼ガスの空燃比が該最小許 容空燃比以下まで低下しないようにした請求項 1 に記載の内燃機関 の排気浄化装置。
請求項 8 . 上記 S〇x トラップ触媒と上記 N〇x吸蔵触媒間の機関 排気通路内に燃料供給弁を配置し、 上記補助燃料の噴射量が上記必 要な量より も減少せしめられたときには減少分の燃料を該燃料供給 弁から供給するようにした請求項 7 に記載の内燃機関の排気浄化装 置。
請求項 9 . 上記必要な量の補助燃料を噴射すると上記燃焼ガスの 空燃比が上記最小許容空燃比以下まで低下するときには該補助燃料 の噴射量を該燃焼ガスの空燃比が該最小許容空燃比となるまで減少 させるようにした請求項 7 に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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