WO2010146718A1 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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吉田耕平
西岡寛真
今井大地
梅本寿丈
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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 purification device for an internal combustion engine.
  • a NO X catalyst device for purifying NO X in exhaust gas is disposed.
  • Such NO X catalyst device when the exhaust gas is lean, that is, when a high concentration of oxygen in the exhaust gases, have been proposed NO X catalyst device to satisfactorily retain the NO X in the exhaust gas Yes.
  • the air-fuel ratio of the exhaust gas is set to the stoichiometric air-fuel ratio or the rich air-fuel ratio as a regeneration process, that is, if the oxygen concentration in the exhaust gas is reduced, the retained NO X is released, The NO X thus released can be reduced and purified to N 2 by the reducing substance in the exhaust gas.
  • N 2 O dinitrogen monoxide or nitrous oxide
  • N 2 O nitrogen monoxide or nitrous oxide
  • the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine described above has a rich combustion air-fuel ratio rather than supplying fuel to the exhaust passage, assuming that if the oxygen concentration in the exhaust gas during the regeneration process is high, the amount of N 2 O produced increases. in advance to reduce the oxygen concentration in the exhaust gas during regeneration process that flows into the NO X catalyst device as an air-fuel ratio.
  • the combustion air-fuel ratio is made rich, the oxygen concentration in the exhaust gas can be reduced, and the reducing substance contained in the exhaust gas becomes CO and low-boiling reformed HC, so that NO X is reduced well. Can be purified.
  • the combustion air-fuel ratio is set to a rich air-fuel ratio during the regeneration process in this way, the amount of N 2 O produced during the regeneration process can be reduced overall due to a decrease in the oxygen concentration in the exhaust gas. A large amount of N 2 O may be generated, and the outflow amount of N 2 O accompanying the regeneration process cannot be sufficiently reduced.
  • an object of the present invention when a high concentration of oxygen in the exhaust gas satisfactorily hold the NO X in the exhaust gas, as the reproduction process, if lower the oxygen concentration in the exhaust gas, the held NO X
  • the combustion air-fuel ratio is set to a rich air-fuel ratio. This is to sufficiently reduce the outflow amount of N 2 O flowing out from the NO X catalyst device along with the regeneration process.
  • the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to claim 1 of the present invention can maintain NO x in the exhaust gas when the oxygen concentration in the exhaust gas is high, and can reduce the oxygen concentration in the exhaust gas as a regeneration process.
  • the regeneration processing is carried out by changing the set rich air-fuel ratio of the combustion air-fuel ratio from the lean air-fuel ratio, the setting of the air-fuel ratio is the lean air-fuel ratio of the exhaust gas in the NO X catalyst device in order to start the reproduction process first setting period between until rich air-fuel ratio, and, contact after the air-fuel ratio of the exhaust gas in the NO X catalyst device becomes the stoichiometric air-fuel ratio in order to end the reproduction process N 2 O reducing agent is supplied to the NO X catalyst device in at least one of the second set periods.
  • the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine wherein the combustion air-fuel ratio is set to start the regeneration process during the first set period. It is set to start when a first set time elapses from when the lean air-fuel ratio is changed to the set rich air-fuel ratio.
  • An internal combustion engine exhaust gas purification apparatus is the internal combustion engine exhaust gas purification apparatus according to the first aspect, wherein the combustion air-fuel ratio is set during the second set period in order to end the regeneration process. It is set to start when a second set time elapses from when the set rich air-fuel ratio is changed to the lean air-fuel ratio.
  • the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to claim 4 according to the present invention is the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3, wherein the N 2 O reducing agent is used during regeneration processing. It is characterized by being a fuel having a boiling point higher than that of the low-boiling reformed HC contained in the exhaust gas.
  • the N 2 O reducing agent is supplied into the cylinder in an expansion stroke or an exhaust stroke. and wherein said being supplied to the NO X catalyst device together with the exhaust gas after.
  • the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to claim 6 according to the present invention is the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to claim 4, wherein the N 2 O reducing agent is an exhaust passage on the upstream side of the NO X catalyst apparatus. characterized in that it is supplied to the NO X catalyst device together with the exhaust gas after being supplied to.
  • the exhaust purification device of an internal combustion engine having a NO X catalyst device which is capable of reduce and purify NO X in which is disengaged to N 2 by reducing substances in the exhaust gas in the reproduction process is carried out by changing the set rich air-fuel ratio of the combustion air-fuel ratio from the lean air-fuel ratio, setting the air-fuel ratio is a lean air-fuel ratio of the exhaust gas in the NO X catalyst device in order to start the playback processing rich During the first setting period until the air-fuel ratio is reached, the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the NO X catalyst device becomes near the stoichiometric air-fuel ratio, and the separated NO X is not sufficiently reduced to generate N 2 O
  • the exhaust purification device of an internal combustion engine having a NO X catalyst device which is capable of reduce and purify NO X in which is disengaged to N 2 by reducing substances in the exhaust gas in the reproduction process is carried out by changing the set rich air-fuel ratio of the combustion air-fuel ratio from the lean air-fuel ratio
  • N 2 O can be reduced to N 2, NO, or the like, and the amount of N 2 O flowing out from the NO X catalyst device along with the regeneration process can be sufficiently reduced.
  • the combustion air-fuel ratio is set in order to start the regeneration process. It is set to start when the first set time elapses from when the lean air-fuel ratio is changed to the set rich air-fuel ratio, and N 2 is sent to the NO X catalyst device in the first set period in consideration of the first set time.
  • An O reducing agent can be supplied.
  • the combustion air-fuel ratio is set to end the regeneration process. It is set to start when the second set time has elapsed from when the set rich air-fuel ratio is changed to the lean air-fuel ratio, and N 2 is sent to the NO X catalyst device in the second set period in consideration of the second set time.
  • An O reducing agent can be supplied.
  • the N 2 O reducing agent is used during the regeneration process.
  • the N 2 O reducing agent is supplied into the cylinder in the expansion stroke or the exhaust stroke.
  • the NO x catalyst device is supplied together with the exhaust gas, and the low boiling point reforming HC contained in the exhaust gas during the regeneration process in which the combustion air-fuel ratio is changed from the lean air-fuel ratio to the set rich air-fuel ratio without being modified as can be supplied to the NO X catalyst device as a fuel having a high boiling point.
  • the N 2 O reducing agent is an exhaust passage on the upstream side of the NO X catalyst device.
  • the NO X catalyst device is adapted to be supplied to the low boiling points contained in the exhaust gas during regeneration process to set a rich air-fuel ratio combustion air-fuel ratio from a lean air-fuel ratio with the exhaust gas after being supplied to the without being modified as reforming HC, it can be fed to the NO X catalyst device as a fuel having a high boiling point.
  • 1 is a schematic view showing an embodiment of an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention.
  • 6 is a time chart showing an air-fuel ratio A change in a NO X catalyst device and a N 2 O generation amount M change in a regeneration process. Is a graph showing the N 2 O reduction rate for each reducing substances.
  • FIG. 1 is a schematic view showing an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention.
  • reference numeral 1 denotes an internal combustion engine.
  • the internal combustion engine 1 is a diesel engine, but may be a direct injection spark ignition internal combustion engine that performs lean combustion.
  • 2 is a pair of intake ports that communicate with a cylinder via a pair of intake valves 3
  • 4 is a pair of exhaust ports that communicates with a cylinder via a pair of exhaust valves 5.
  • 6 is a piston
  • 7 is a combustion chamber formed on the top surface of the piston 6
  • 8 is a fuel injection valve for injecting fuel into the combustion chamber 7.
  • Reference numeral 9 denotes an exhaust manifold connected to the exhaust port 4 of each cylinder
  • reference numeral 10 denotes a single exhaust passage on the downstream side of the exhaust manifold 9.
  • the exhaust gas of an internal combustion engine 1 to carry out the lean combustion such as a diesel engine or a direct injection spark ignition internal combustion engine, in order to contain a relatively large amount of NO X, in the exhaust passage 10, the NO X NO X catalyst device 11 for purifying are disposed.
  • a fuel supply device 12 for supplying fuel is disposed immediately upstream of the NO X catalyst device 11 in the exhaust passage 10.
  • 13 is an air-fuel ratio sensor for detecting an air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the NO X catalyst device 11.
  • the NO X catalyst device 11 carries a NO X holding agent and a noble metal catalyst such as platinum Pt.
  • the NO X retention agent is at least one selected from an alkali metal such as potassium K, sodium Na, lithium Li and cesium Cs, an alkaline earth such as barium Ba and calcium Ca, and a rare earth such as lanthanum La and yttrium Y.
  • an alkali metal such as potassium K, sodium Na, lithium Li and cesium Cs
  • an alkaline earth such as barium Ba and calcium Ca
  • a rare earth such as lanthanum La and yttrium Y.
  • NO X cannot be held indefinitely, and as a regeneration process, the air-fuel ratio of the exhaust gas is reduced before the NO X hold amount reaches the NO X holdable amount and can no longer hold NO X.
  • the rich air-fuel ratio is set, that is, the oxygen concentration in the exhaust gas is lowered.
  • the retained NO X is desorbed, that is, the absorbed NO X is released, and the adsorbed NO 2 is desorbed, and the desorbed NO X is reduced and purified to N 2 by the reducing substance in the exhaust gas.
  • the amount of fuel injected by the fuel injection valve 8 in the compression stroke is increased, or additional fuel is injected by the fuel injection valve 8 during the combustion in the initial stage of the expansion stroke, and the combustion air-fuel ratio is increased.
  • the combustion air-fuel ratio is set from the set rich air-fuel ratio to the lean of normal operation in order to end the regeneration processing. It will return to the air-fuel ratio.
  • the lean air-fuel ratio before and after the regeneration process may not necessarily be the same depending on the operation state.
  • the increase fuel injection in the compression stroke may be continuous injection or a plurality of split injections such as two or three splits. But it ’s okay.
  • N 2 O dinitrogen monoxide or nitrous oxide
  • Figure 2 is a time chart illustrating the air-fuel ratio A change in the NO X catalyst device 11 at the time of reproduction processing, the N 2 O production amount M varies.
  • time t1 is the start time of regeneration processing control in which the combustion air-fuel ratio is switched from the lean air-fuel ratio AL (eg, 22) to the set rich air-fuel ratio AR (eg, 12).
  • combustion air-fuel ratio is a rich air-fuel ratio AR, the air-fuel ratio A in the NO X catalyst device 11, the exhaust gas of a lean air-fuel ratio AL satisfying the exhaust passage 10 upstream of the exhaust manifold 9 and NO X catalyst device 11 The gas does not immediately become the rich air-fuel ratio AR, but gradually changes from the lean air-fuel ratio AL to the rich side, and reaches the set rich air-fuel ratio AR at time t4.
  • the first set period starts at time t2.
  • the first set time the more shortened volume of the upstream-side exhaust passage 10 of the exhaust manifold 9 and NO X catalyst device 11 is small, becomes shorter as the difference between the lean air-fuel ratio AL and the theoretical air-fuel ratio AS is small, also, The larger the difference between the theoretical air-fuel ratio AS and the set rich air-fuel ratio AR, the shorter.
  • Time t5 is the end time of the regeneration process control in which the combustion air-fuel ratio is switched from the set rich air-fuel ratio AR to the lean air-fuel ratio AL.
  • combustion air-fuel ratio is a lean air-fuel ratio AL, air-fuel ratio A in the NO X catalyst device 11, the setting the rich air-fuel ratio AR satisfying exhaust manifold 9 and the upstream side of the exhaust passage 10 of the NO X catalyst device 11
  • the exhaust gas does not immediately become the lean air-fuel ratio AL, but gradually changes from the rich air-fuel ratio AR to the lean side, and becomes the lean air-fuel ratio AL at time t8.
  • ammonia NH 3 is produced by the reduction of the NO X, most of the NH 3 thus produced, the NO X catalyst device 11 and the like are adsorbed on the carrier of the NO X catalyst device 11 Stay without.
  • the NO X catalyst device 11 In the subsequent air-fuel ratio of the exhaust gas in the NO X catalyst device to end the reproduction process becomes the stoichiometric air-fuel ratio AS (hereinafter t6), for example by oxygen in the exhaust gas, the NO X catalyst device 11 Most of the ammonia is oxidized, and at this time, N 2 O is easily generated (2NH 3 + 2O 2 ⁇ N 2 O + 3H 2 O).
  • the second set time period from time t6 in after the air-fuel ratio of the exhaust gas in the NO X catalyst device to end the reproduction process becomes the stoichiometric air-fuel ratio AS until the time t7, N 2 O is produced easy.
  • N 2 O reduction to the NO X catalyst device 11 is performed in at least one of the first set period (from time t2 to time t3) and the second set period (from time t6 to time t7), preferably both.
  • An agent is supplied to reduce the produced N 2 O to N 2 or NO.
  • FIG. 3 is a graph showing the N 2 O reduction rate for each reducing substance.
  • the high-boiling HC such as CO and example C 3 H low-boiling HC from e.g. C 10 H 22, such as 6, liable to remain in the NO X catalyst device 11, from the NO X N 2 O which is difficult to reduce can be reduced well.
  • the NO X reduction rate is the opposite of the N 2 O reduction rate, and CO and low-boiling HC yield higher reduction rates than high-boiling HC.
  • a fuel having a boiling point higher than that of the low boiling reforming HC contained in the exhaust gas of the rich air-fuel ratio combustion at the time of regeneration is used as the N 2 O reducing agent.
  • the reduction of NO X, CO is used and a low boiling points reforming HC contained in the exhaust gas of the rich air-fuel ratio combustion.
  • Fuel as N 2 O reducing agent for example, to be supplied to the NO X catalyst device 11 together with the exhaust gas after being injected into the cylinder in the expansion stroke (late expansion stroke) or exhaust stroke by the fuel injection valve 8 ing.
  • the NO X catalyst device 11 without being modified in a low-boiling HC in the cylinder such as during the combustion, it is supplied to the NO X catalyst device 11 as a fuel of high boiling point.
  • the amount of N 2 O reducing agent determined based on the amount of N 2 O generated is divided into all cylinders, and the allocated amount is injected into each cylinder. As necessary, the allocated portion in each cylinder is injected divided into a plurality of cycles.
  • the injection starting time of the fuel injection valve 8 is the time t1 And time t2.
  • the fuel as the N 2 O reducing agent is injected separately from the fuel injection amount for setting the combustion air-fuel ratio to the set rich air-fuel ratio AR.
  • the injection start time is the time t5 of the fuel injection valve 8 and the time It is set between t6.
  • the fuel as the N 2 O reducing agent is injected separately from the fuel injection amount for setting the combustion air-fuel ratio to the lean air-fuel ratio AL.
  • the fuel of the N 2 O reducing agent to be supplied to the NO X catalyst device 11 together with the exhaust gas after being supplied to the exhaust passage by a fuel supply device 12 disposed immediately upstream of the NO X catalyst device 11 obviously. Thereby, without being reformed to low boiling HC, supplied to the NO X catalyst device 11 as a fuel of high boiling point.
  • the amount of the N 2 O reducing agent determined based on the amount of generated N 2 O is supplied continuously or intermittently by the fuel supply device 12.
  • the supply start timing of the fuel supply device 12 is time t1 And time t2.
  • the fuel as the N 2 O reducing agent is supplied separately from the fuel injection amount for setting the combustion air-fuel ratio to the set rich air-fuel ratio AR.
  • the supply start time the time t5 of the fuel supply device 12 and the time It is set between t6.
  • the fuel as the N 2 O reducing agent is supplied separately from the fuel injection amount for setting the combustion air-fuel ratio to the lean air-fuel ratio AL.
  • the fuel injection valve 8 or the fuel supply device 12 is controlled by the electronic control device.
  • the electronic control unit, whether it is regeneration timing of the NO X catalyst device 11 is judged.
  • the NO X holding amount of the NO X catalyst device 11 reaches the vicinity of the NO X holding amount, with thoroughly NO X in the exhaust gas Since it can no longer be held, it can be determined that it is the reproduction time.
  • downstream NO X concentration sensor detects the concentration of NO X in the exhaust gas flowing into the NO X catalyst device 11 by the upstream NO X concentration sensor, exhaust gas per unit time determined from NO X concentration Assuming that the set ratio of the NO X amount contained in the NO X catalyst device 11 is held per unit time, the current NO X hold amount is estimated by integrating the hold amount per unit time, and this is the set amount It may be determined that the playback time is reached.
  • the upstream NO X concentration sensor even without providing, in advance set the amount of NO X contained in the exhaust gas per unit time for each engine operating state, NO X catalyst that setting percentage per unit time Assuming that it is held in the device 11, the holding amount per unit time may be integrated to estimate the current NO X holding amount, and when this reaches the set amount, it may be determined as the regeneration time.
  • the air-fuel ratio sensor 13 can monitor the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the NO X catalyst device 11.

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Abstract

　排気ガス中の酸素濃度が高い時には排気ガス中のＮＯXを良好に保持し、再生処理として、排気ガス中 の酸素濃度を低下させれば、保持したＮＯXを離脱し、こうして離脱させたＮＯXを排気ガス中の還元物 質によりＮ2へ還元浄化することができるＮＯX触媒装置を具備する内燃機関の排気浄化装置において、 再生処理は燃焼空燃比をリーン空燃比ＡＬから設定リッチ空燃比ＡＲへ変化させることにより実施され 、再生処理を開始するためにＮＯX触媒装置内の排気ガスの空燃比がリーン空燃比から設定リッチ空燃比 となるまでの間における第一設定期間（ｔ２－ｔ３）、及び、再生処理を終了するためにＮＯX触媒装置 内の排気ガスの空燃比が理論空燃比ＡＳとなった以降における第二設定期間（ｔ６－ｔ７）の少なくと も一方において、ＮＯX触媒装置へＮ2Ｏ還元剤を供給する。

Description

内燃機関の排気浄化装置
　本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
　ディーゼルエンジンのような希薄燃焼を実施する内燃機関の排気系には、排気ガス中のＮＯＸを浄化するためのＮＯＸ触媒装置が配置されている。このようなＮＯＸ触媒装置として、排気ガスがリーン空燃比である時、すなわち、排気ガス中の酸素濃度が高い時に、排気ガス中のＮＯＸを良好に保持するＮＯＸ触媒装置が提案されている。このＮＯＸ触媒装置は、再生処理として、排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比とすれば、すなわち、排気ガス中の酸素濃度を低下させれば、保持したＮＯＸを離脱し、こうして離脱させたＮＯＸを排気ガス中の還元物質によりＮ２へ還元浄化することができる。
　しかしながら、このようなＮＯＸ触媒装置の再生処理においてＮ２Ｏ（一酸化二窒素又は亜酸化窒素）が生成されることがあり、Ｎ２Ｏも大気中へ放出することは好ましくない。それにより、再生処理時においてＮＯＸ触媒装置からのＮ２Ｏの流出量を減少させることを意図した内燃機関の排気浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−２１１６７６
　前述の内燃機関の排気浄化装置は、再生処理時の排気ガス中の酸素濃度が高いと、Ｎ２Ｏの生成量が増加するとして、排気通路へ燃料を供給するのではなく燃焼空燃比をリッチ空燃比としてＮＯＸ触媒装置へ流入する再生処理時の排気ガスの酸素濃度を予め低下させている。燃焼空燃比をリッチ空燃比とすると、排気ガス中の酸素濃度を低下させることができるだけでなく、排気ガス中に含まれる還元物質はＣＯ及び低沸点化改質ＨＣとなり、ＮＯＸを良好に還元浄化させることができる。
　しかしながら、こうして再生処理時に燃焼空燃比をリッチ空燃比とすると、排気ガス中の酸素濃度の低下により再生処理中のＮ２Ｏの生成量を全体的には減少させることができるが、一時的にＮ２Ｏが多量に生成されることがあり、再生処理に伴うＮ２Ｏの流出量を十分に減少させることができない。
　従って、本発明の目的は、排気ガス中の酸素濃度が高い時には排気ガス中のＮＯＸを良好に保持し、再生処理として、排気ガス中の酸素濃度を低下させれば、保持したＮＯＸを離脱し、こうして離脱させたＮＯＸを排気ガス中の還元物質によりＮ２へ還元浄化することができるＮＯＸ触媒装置を具備する内燃機関の排気浄化装置において、燃焼空燃比をリッチ空燃比とする再生処理に伴ってＮＯＸ触媒装置から流出するＮ２Ｏの流出量を十分に減少させることである。
　本発明による請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置は、排気ガス中の酸素濃度が高い時には排気ガス中のＮＯＸを保持し、再生処理として、排気ガス中の酸素濃度を低下させれば、保持したＮＯＸを離脱し、こうして離脱させたＮＯＸを排気ガス中の還元物質によりＮ２へ還元浄化することができるＮＯＸ触媒装置を具備する内燃機関の排気浄化装置において、前記再生処理は燃焼空燃比をリーン空燃比から設定リッチ空燃比へ変化させることにより実施され、前記再生処理を開始するために前記ＮＯＸ触媒装置内の排気ガスの空燃比が前記リーン空燃比から前記設定リッチ空燃比となるまでの間における第一設定期間、及び、前記再生処理を終了するために前記ＮＯＸ触媒装置内の排気ガスの空燃比が理論空燃比となった以降における第二設定期間の少なくとも一方において、前記ＮＯＸ触媒装置へＮ２Ｏ還元剤を供給することを特徴とする。
　本発明による請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記第一設定期間は、前記再生処理を開始するために燃焼空燃比を前記リーン空燃比から前記設定リッチ空燃比へ変化させた時から第一設定時間経過した時に開始するように設定されていることを特徴とする。
　本発明による請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記第二設定期間は、前記再生処理を終了するために燃焼空燃比を前記設定リッチ空燃比からリーン空燃比へ変化させた時から第二設定時間経過した時に開始するように設定されていることを特徴とする。
　本発明による請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記Ｎ２Ｏ還元剤は、再生処理時の排気ガス中に含まれる低沸点化改質ＨＣより高沸点の燃料であることを特徴とする。
　本発明による請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記Ｎ２Ｏ還元剤は、膨張行程又は排気行程において気筒内へ供給された後に排気ガスと共に前記ＮＯＸ触媒装置へ供給されることを特徴とする。
　本発明による請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記Ｎ２Ｏ還元剤は、前記ＮＯＸ触媒装置の上流側の排気通路に供給された後に排気ガスと共に前記ＮＯＸ触媒装置へ供給されることを特徴とする。
　本発明による請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、排気ガス中の酸素濃度が高い時には排気ガス中のＮＯＸを良好に保持し、再生処理として、排気ガス中の酸素濃度を低下させれば、保持したＮＯＸを離脱し、こうして離脱させたＮＯＸを排気ガス中の還元物質によりＮ２へ還元浄化することができるＮＯＸ触媒装置を具備する内燃機関の排気浄化装置において、再生処理は燃焼空燃比をリーン空燃比から設定リッチ空燃比へ変化させることにより実施され、再生処理を開始するためにＮＯＸ触媒装置内の排気ガスの空燃比がリーン空燃比から設定リッチ空燃比となるまでの間における第一設定期間はＮＯＸ触媒装置へ流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍となって離脱ＮＯＸは十分に還元されずにＮ２Ｏが生成され易く、また、再生処理を終了するためにＮＯＸ触媒装置内の排気ガスの空燃比が理論空燃比となった以降における第二設定期間は再生処理中のＮＯＸの還元により生成されたアンモニアＮＨ３が酸化されてＮ２Ｏが生成され易いために、第一設定期間及び第二設定期間の少なくとも一方において、ＮＯＸ触媒装置へＮ２Ｏ還元剤を供給することをより、生成されたＮ２ＯをＮ２又はＮＯ等に還元することができ、再生処理に伴ってＮＯＸ触媒装置から流出するＮ２Ｏの流出量を十分に低減することができる。
　本発明による請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、第一設定期間は、再生処理を開始するために燃焼空燃比をリーン空燃比から設定リッチ空燃比へ変化させた時から第一設定時間経過した時に開始するように設定されており、第一設定時間を考慮して第一設定期間においてＮＯＸ触媒装置へＮ２Ｏ還元剤を供給することができる。
　本発明による請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、第二設定期間は、再生処理を終了するために燃焼空燃比を設定リッチ空燃比からリーン空燃比へ変化させた時から第二設定時間経過した時に開始するように設定されており、第二設定時間を考慮して第二設定期間においてＮＯＸ触媒装置へＮ２Ｏ還元剤を供給することができる。
　本発明による請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置において、Ｎ２Ｏ還元剤は、再生処理時の排気ガス中に含まれる低沸点化改質ＨＣより高沸点の燃料であり、このような高沸点燃料は、低沸点改質ＨＣよりＮＯＸ触媒装置内に残留し易く、ＮＯＸより還元させ難いＮ２Ｏを良好に還元することができる。
　本発明による請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置において、Ｎ２Ｏ還元剤は、膨張行程又は排気行程において気筒内へ供給された後に排気ガスと共にＮＯＸ触媒装置へ供給されるようになっており、燃焼空燃比をリーン空燃比から設定リッチ空燃比とする再生処理時の排気ガス中に含まれる低沸点化改質ＨＣのように改質されることなく、高沸点の燃料としてＮＯＸ触媒装置へ供給することができる。
　本発明による請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置において、Ｎ２Ｏ還元剤は、ＮＯＸ触媒装置の上流側の排気通路に供給された後に排気ガスと共に前記ＮＯＸ触媒装置へ供給されるようになっており、燃焼空燃比をリーン空燃比から設定リッチ空燃比とする再生処理時の排気ガス中に含まれる低沸点化改質ＨＣのように改質されることなく、高沸点の燃料としてＮＯＸ触媒装置へ供給することができる。
本発明による内燃機関の排気浄化装置の実施形態を示す概略図である。 再生処理時のＮＯＸ触媒装置内の空燃比Ａ変化と、Ｎ２Ｏ生成量Ｍ変化とを示すタイムチャートである。 還元物質毎のＮ２Ｏ還元率を示すグラフである。
　図１は本発明による内燃機関の排気浄化装置を示す概略図である。同図において、１は内燃機関である。内燃機関１は、ディーゼルエンジンであるが、希薄燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関でも良い。内燃機関１において、２は一対の吸気弁３を介して気筒内へ通じる一対の吸気ポートであり、４は一対の排気弁５を介して気筒内へ通じる一対の排気ポートである。６はピストンであり、７はピストン６の頂面に形成された燃焼室である、８は燃焼室７内へ燃料を噴射する燃料噴射弁である。９は各気筒の排気ポート４に接続された排気マニホルドであり、１０は排気マニホルド９の下流側の単一の排気通路である。
　ディーゼルエンジン又は筒内噴射式火花点火内燃機関のような希薄燃焼を実施する内燃機関１の排気ガス中には、比較的多くのＮＯＸが含まれるために、排気通路１０には、ＮＯＸを浄化するためのＮＯＸ触媒装置１１が配置されている。排気通路１０のＮＯＸ触媒装置１１の直上流側には、燃料を供給するための燃料供給装置１２が配置されている。１３はＮＯＸ触媒装置１１へ流入する排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサである。
　ＮＯＸ触媒装置１１には、ＮＯＸ保持剤と白金Ｐｔのような貴金属触媒とが担持されている。ＮＯＸ保持剤は、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である。
　ＮＯＸ触媒装置１１は、排気ガスがリーン空燃比である時、すなわち、排気ガス中の酸素濃度が高い時に、排気ガス中のＮＯＸを良好に保持し、すなわち、硝酸塩として良好に吸収したり、ＮＯ２として良好に吸着したりする。しかしながら、無制限にＮＯＸを保持することはできず、ＮＯＸ保持量がＮＯＸ保持可能量に達してさらにＮＯＸを保持することができなくなる前に、再生処理として、排気ガスの空燃比をリッチ空燃比とし、すなわち、排気ガス中の酸素濃度を低下させる。それにより、保持ＮＯＸは離脱され、すなわち、吸収ＮＯＸは放出され、また、吸着ＮＯ２は脱離され、これら離脱ＮＯＸは排気ガス中の還元物質によりＮ２へ還元浄化される。
　再生処理を開始するためには、圧縮行程において燃料噴射弁８により噴射される燃料を増量して、又は、膨張行程初期の燃焼中において燃料噴射弁８により追加燃料を噴射して、燃焼空燃比を通常運転のリーン空燃比から設定リッチ空燃比へ切り換えることによって、ＮＯＸ触媒装置１１へ設定リッチ空燃比の排気ガスを流入させる。予め定められた再生処理時間が経過してほぼ全ての保持ＮＯＸをＮＯＸ触媒装置１１から離脱させた時には、再生処理を終了するために、燃焼空燃比を設定リッチ空燃比から通常運転のリーン空燃比へ戻すこととなる。もちろん、再生処理の実施前後のリーン空燃比は運転状態によって必ずしも同じにならないことがある。再生処理において、圧縮行程の増量燃料噴射は連続噴射でも二又は三分割のような複数の分割噴射でも良く、また、膨張行程初期の追加燃料は圧縮行程末期の燃料噴射に連続しても不連続でも良い。
　このような再生処理に伴って、ＮＯＸ触媒装置１１においてＮ２Ｏ（一酸化二窒素又は亜酸化窒素）が生成されることがある。Ｎ２Ｏの大気放出は好ましくないために、ＮＯＸ触媒装置１１からのＮ２Ｏの流出量を低減することが必要である。
　図２は、再生処理時のＮＯＸ触媒装置１１内の空燃比Ａ変化と、Ｎ２Ｏ生成量Ｍ変化とを示すタイムチャートである。図２において、時刻ｔ１は、燃焼空燃比をリーン空燃比ＡＬ（例えば２２）から設定リッチ空燃比ＡＲ（例えば１２）へ切り換えた再生処理制御の開始時刻である。燃焼空燃比がリッチ空燃比ＡＲとされても、ＮＯＸ触媒装置１１内の空燃比Ａは、排気マニホルド９及びＮＯＸ触媒装置１１の上流側の排気通路１０内を満たすリーン空燃比ＡＬの排気ガスによって、直ぐにはリッチ空燃比ＡＲとはならず、リーン空燃比ＡＬからリッチ側へ徐々に変化し、時刻ｔ４において設定リッチ空燃比ＡＲとなる。
　こうして、再生処理を開始するためにＮＯＸ触媒装置１１内の排気ガスの空燃比がリーン空燃比ＡＬから設定リッチ空燃比ＡＲとなるまでの間（時刻ｔ１からｔ４）における時刻ｔ２から時刻ｔ３までの第一設定期間はＮＯＸ触媒装置１１へ流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比ＡＳ（例えば１４．７）近傍（例えば１８から１４）となって離脱ＮＯＸ及び排気ガス中のＮＯＸは十分に還元されずにＮ２Ｏが生成され易い（ＮＯ＋Ｎ→Ｎ２Ｏ）。このように、燃焼空燃比をリーン空燃比ＡＬから設定リッチ空燃比ＡＲへ切り換えた再生処理制御開始時刻ｔ１から第一設定時間経過した時に時刻ｔ２となって第一設定期間が開始される。第一設定時間は、排気マニホルド９及びＮＯＸ触媒装置１１の上流側の排気通路１０の容積が小さいほど短くなり、リーン空燃比ＡＬと理論空燃比ＡＳとの差が小さいほど短くなり、また、理論空燃比ＡＳと設定リッチ空燃比ＡＲとの差が大きいほど短くなる。
　また、時刻ｔ５は、燃焼空燃比を設定リッチ空燃比ＡＲからリーン空燃比ＡＬへ切り換えた再生処理制御の終了時刻である。燃焼空燃比がリーン空燃比ＡＬとされても、ＮＯＸ触媒装置１１内の空燃比Ａは、排気マニホルド９及びＮＯＸ触媒装置１１の上流側の排気通路１０内を満たす設定リッチ空燃比ＡＲの排気ガスによって、直ぐにはリーン空燃比ＡＬとはならず、リッチ空燃比ＡＲからリーン側へ徐々に変化し、時刻ｔ８においてリーン空燃比ＡＬとなる。
　ところで、再生処理中において、ＮＯＸの還元によりアンモニアＮＨ３が生成され、こうして生成されたＮＨ３の殆どは、ＮＯＸ触媒装置１１の担体に吸着される等してＮＯＸ触媒装置１１から流出することなく留まる。
　それにより、再生処理を終了するためにＮＯＸ触媒装置内の排気ガスの空燃比が理論空燃比ＡＳとなった以降（ｔ６以降）において、例えば排気ガス中の酸素により、ＮＯＸ触媒装置１１内のアンモニアは、ほぼ全て酸化され、この際にＮ２Ｏが生成され易い（２ＮＨ３＋２Ｏ２→Ｎ２Ｏ＋３Ｈ２Ｏ）。このように、再生処理を終了するためにＮＯＸ触媒装置内の排気ガスの空燃比が理論空燃比ＡＳとなった以降における時刻ｔ６から時刻ｔ７までの第二設定期間はＮ２Ｏが生成され易い。ここで、再生処理中に生成されたアンモニア量が多い場合には、第二設定期間の終了時刻ｔ７はＮＯＸ触媒装置内の排気ガスの空燃比がリーン空燃比ＡＬとなる時刻ｔ８より後になることもある。このように、燃焼空燃比を設定リッチ空燃比ＡＲからリーン空燃比ＡＬへ切り換えた再生処理制御終了時刻ｔ５から第二設定時間経過した時に時刻ｔ６となって第二設定期間が開始される。第二設定時間は、排気マニホルド９及びＮＯＸ触媒装置１１の上流側の排気通路１０の容積が小さいほど短くなり、理論空燃比ＡＳと設定リッチ空燃比ＡＲとの差が小さいほど短くなり、また、リーン空燃比ＡＬと理論空燃比ＡＳとの差が大きいほど短くなる。
　本実施形態においては、第一設定期間（時刻ｔ２から時刻ｔ３まで）及び第二設定期間（時刻ｔ６から時刻ｔ７まで）の少なくとも一方、好ましくは両方において、ＮＯＸ触媒装置１１へＮ２Ｏ還元剤を供給して、生成されたＮ２ＯをＮ２又はＮＯ等に還元するようにしている。それにより、再生処理に伴ってＮＯＸ触媒装置１１から流出するＮ２Ｏの流出量を十分に低減することができる。Ｎ２Ｏ還元剤の量は、第一設定期間及び第二設定期間においてそれぞれ生成されるＮ２Ｏ量が多いほど多くすることが好ましい。
　図３は、還元物質毎のＮ２Ｏ還元率を示すグラフである。図３に示すように、ＣＯや例えばＣ３Ｈ６のような低沸点ＨＣより例えばＣ１０Ｈ２２のような高沸点ＨＣの方が、ＮＯＸ触媒装置１１内に残留し易く、ＮＯＸより還元させ難いＮ２Ｏを良好に還元することができる。ＮＯＸ還元率は、Ｎ２Ｏ還元率とは逆の結果となり、ＣＯや低沸点ＨＣの方が高沸点ＨＣより高い還元率をもたらす。
　それにより、本実施形態では、Ｎ２Ｏ還元剤として、再生処理時のリッチ空燃比燃焼の排気ガス中に含まれる低沸点化改質ＨＣより高沸点の燃料を使用する。一方、ＮＯＸの還元には、リッチ空燃比燃焼の排気ガス中に含まれるＣＯ及び低沸点化改質ＨＣを使用する。
　Ｎ２Ｏ還元剤としての燃料は、例えば、燃料噴射弁８により膨張行程（膨張行程後半）又は排気行程において気筒内へ噴射された後に排気ガスと共にＮＯＸ触媒装置１１へ供給されるようになっている。こうして、燃焼時のように気筒内で低沸点ＨＣに改質されることなく、高沸点の燃料としてＮＯＸ触媒装置１１へ供給される。生成されるＮ２Ｏ量に基づき定められたＮ２Ｏ還元剤の量は全気筒に分割され、各気筒において割り当て分が噴射される。必要に応じて、各気筒において割り当て分は複数のサイクルに分割して噴射される。
　この場合において、第一設定期間（ｔ２からｔ３まで）においてＮ２Ｏ還元剤としての燃料が排気ガスと共にＮＯＸ触媒装置１１へ供給されるように、燃料噴射弁８の噴射開始時刻が時刻ｔ１と時刻ｔ２との間に設定される。このＮ２Ｏ還元剤としての燃料は、燃焼空燃比を設定リッチ空燃比ＡＲとするための燃料噴射量とは別に噴射される。
　また、第二設定期間（ｔ６からｔ７まで）においてＮ２Ｏ還元剤としての燃料が排気ガスと共にＮＯＸ触媒装置１１へ供給されるように、燃料噴射弁８の噴射開始時刻が時刻ｔ５と時刻ｔ６との間に設定される。このＮ２Ｏ還元剤としての燃料は、燃焼空燃比をリーン空燃比ＡＬとするための燃料噴射量とは別に噴射される。
　また、Ｎ２Ｏ還元剤としての燃料は、ＮＯＸ触媒装置１１の直上流側に配置された燃料供給装置１２により排気通路に供給された後に排気ガスと共にＮＯＸ触媒装置１１へ供給されるようにしても良い。それにより、低沸点ＨＣに改質されることなく、高沸点の燃料としてＮＯＸ触媒装置１１へ供給される。生成されるＮ２Ｏ量に基づき定められたＮ２Ｏ還元剤の量は燃料供給装置１２により連続的又は間欠的に供給される。
　この場合において、第一設定期間（ｔ２からｔ３まで）においてＮ２Ｏ還元剤としての燃料が排気ガスと共にＮＯＸ触媒装置１１へ供給されるように、燃料供給装置１２の供給開始時期が時刻ｔ１と時刻ｔ２との間に設定される。このＮ２Ｏ還元剤としての燃料は、燃焼空燃比を設定リッチ空燃比ＡＲとするための燃料噴射量とは別に供給される。
　また、第二設定期間（ｔ６からｔ７まで）においてＮ２Ｏ還元剤としての燃料が排気ガスと共にＮＯＸ触媒装置１１へ供給されるように、燃料供給装置１２の供給開始時刻が時刻ｔ５と時刻ｔ６との間に設定される。このＮ２Ｏ還元剤としての燃料は、燃焼空燃比をリーン空燃比ＡＬとするための燃料噴射量とは別に供給される。
　このように、燃料噴射弁８又は燃料供給装置１２は、電子制御装置により制御される。電子制御装置において、ＮＯＸ触媒装置１１の再生時期であるか否かが判断される。例えば、ＮＯＸ触媒装置１１の直上流側に上流側ＮＯＸ濃度センサを設けると共にＮＯＸ触媒装置１１の直下流側に下流側ＮＯＸ濃度センサを設けて、ＮＯＸ触媒装置１１へ流入する排気ガス中のＮＯＸ濃度とＮＯＸ触媒装置１１から流出する排気ガス中のＮＯＸ濃度とを検出し、ＮＯＸ触媒装置１１へ流入する排気ガス中のＮＯＸ濃度とＮＯＸ触媒装置１１から流出する排気ガス中のＮＯＸ濃度との差が設定値を下回る時に、ＮＯＸ触媒装置１１のＮＯＸ保持量は、ＮＯＸ保持可能量近傍に到達して、排気ガス中のＮＯＸを十分に保持することができなくなったとして、再生時期と判断することができる。
　また、下流側ＮＯＸ濃度センサを設けることなく、上流側ＮＯＸ濃度センサによりＮＯＸ触媒装置１１へ流入する排気ガス中のＮＯＸ濃度を検出し、ＮＯＸ濃度から定まる単位時間当たりの排気ガス中に含まれるＮＯＸ量の設定割合が単位時間当たりにＮＯＸ触媒装置１１へ保持されるとして、単位時間当たりの保持量を積算して現在のＮＯＸ保持量を推定し、これが設定量に達した時に再生時期と判断するようにしても良い。また、上流側ＮＯＸ濃度センサも設けることなく、機関運転状態毎の単位時間当たりの排気ガス中に含まれるＮＯＸ量を予め設定しておいて、その設定割合が単位時間当たりにＮＯＸ触媒装置１１へ保持されるとして、単位時間当たりの保持量を積算して現在のＮＯＸ保持量を推定し、これが設定量に達した時に再生時期と判断するようにしても良い。
　空燃比センサ１３によりＮＯＸ触媒装置１１へ流入する排気ガスの空燃比を監視することができる。
　１　　内燃機関
　１１　　ＮＯＸ触媒装置
　１２　　燃料供給装置

Claims (6)

  1. 　排気ガス中の酸素濃度が高い時には排気ガス中のＮＯＸを保持し、再生処理として、排気ガス中の酸素濃度を低下させれば、保持したＮＯＸを離脱し、こうして離脱させたＮＯＸを排気ガス中の還元物質によりＮ２へ還元浄化することができるＮＯＸ触媒装置を具備する内燃機関の排気浄化装置において、前記再生処理は燃焼空燃比をリーン空燃比から設定リッチ空燃比へ変化させることにより実施され、前記再生処理を開始するために前記ＮＯＸ触媒装置内の排気ガスの空燃比が前記リーン空燃比から前記設定リッチ空燃比となるまでの間における第一設定期間、及び、前記再生処理を終了するために前記ＮＯＸ触媒装置内の排気ガスの空燃比が理論空燃比となった以降における第二設定期間の少なくとも一方において、前記ＮＯＸ触媒装置へＮ２Ｏ還元剤を供給することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 　前記第一設定期間は、燃焼空燃比を前記リーン空燃比から前記設定リッチ空燃比へ変化させた時から第一設定時間経過した時に開始するように設定されてい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。
  3. 　前記第二設定期間は、燃焼空燃比を前記設定リッチ空燃比からリーン空燃比へ変化させた時から第二設定時間経過した時に開始するように設定されてい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。
  4. 　前記Ｎ２Ｏ還元剤は、再生処理時の排気ガス中に含まれる低沸点化改質ＨＣより高沸点の燃料であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  5. 　前記Ｎ２Ｏ還元剤は、膨張行程又は排気行程において気筒内へ供給された後に排気ガスと共に前記ＮＯＸ触媒装置へ供給されることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  6. 　前記Ｎ２Ｏ還元剤は、前記ＮＯＸ触媒装置の上流側の排気通路に供給された後に排気ガスと共に前記ＮＯＸ触媒装置へ供給されることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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