JP2000234512A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

内燃機関の排気浄化装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 空燃比のリッチ化によるSOxの放出処理を
最適な時期に実行し、燃費の悪化を防止する。 【解決手段】 内燃機関1から排出される単位時間当た
りのSOx量SOxexを運転状態から求め(ステップ
5)、SOx吸収剤4に残存しているSOx吸収量SO
Xと、SOx吸収剤入口排気温度TexSと、空燃比
と、をパラメータとして、SOx吸収剤4のSOx吸収
率Sa1を算出する(ステップ6)。SOx吸収剤4に
残存しているSOx吸収量SOXは、SOx吸収率Sa
1を用いて逐次求める(ステップ7)。排出量SOXe
xと吸収率Sa1を用いて、下流のNOx吸収剤3に流
入する排気中のSOx濃度Sniを求め(ステップ
8)、これが許容濃度を超えたら、リッチ化によるSO
x放出を開始する(ステップ11)。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、内燃機関の排気
浄化装置に関し、特に、リーン燃焼に伴って多く排出さ
れる窒素酸化物(NOx)を、NOx吸収剤を用いて除
去するようにした排気浄化装置の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、燃費の向上、二酸化炭素の排出量
の削減といった観点から、理論空燃比よりも高い空燃比
でも運転し得るいわゆるリーンバーンエンジンが注目さ
れているが、この種の内燃機関では、リーン運転時にお
けるNOxの処理が大きな課題となる。このリーン運転
中のNOxの処理方法の一つとして、流入する排気の空
燃比がリーンであるときにNOxを吸収し、流入する排
気の空燃比がリッチとなるとNOxを放出する特性を有
するNOx吸収剤を用いた排気浄化装置が知られてい
る。
【0003】一方、内燃機関に用いられる燃料や潤滑油
の中に、イオウ成分が含まれていることから、燃焼後に
排出される排気ガス中には、イオウの酸化物であるいわ
ゆるSOx成分が含まれている。このSOxは、NOx
と同様にNOx吸収剤に吸収されるが、このNOx吸収
剤に吸収されたSOxは、NOxの吸収を阻害する。つ
まり、SOxがNOx吸収剤に吸収されるに従って、N
Ox吸収剤のNOx吸収能力が低下してしまう。
【0004】そこで、このようなSOx成分によるNO
x吸収能力の低下を回避するために、内燃機関の排気通
路において、NOx吸収剤の上流側に、SOxを吸収し
得るSOx吸収剤を配置し、NOx吸収剤に流入する排
気ガスから予めSOxを除去するようにした排気浄化装
置が、特開平6−229231号公報等で提案されてい
る。そして、上記公報のものでは、SOx吸収剤のSO
x吸収量が増えてくるとSOx吸収剤を通過してNOx
吸収剤に流入するSOx量が増加するので、SOx吸収
量を逐次推定し、このSOx吸収量が所定量に達したと
きに、空燃比をリッチ化して、SOx吸収剤からSOx
を放出させるように構成されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記のようにSOx吸
収剤からSOxを放出させるには、一般に空燃比のリッ
チ化が行われるが、この空燃比のリッチ化は、燃費の悪
化を伴うので、その頻度は極力少ないことが望ましい。
換言すれば、下流側に配置されるNOx吸収剤のNOx
吸収性能に実際に悪影響を与える段階の直前に、空燃比
のリッチ化によるSOx放出処理が実行されることが望
ましい。
【0006】上記公報に記載の方法では、SOx吸収剤
におけるSOx吸収量のみでSOx放出処理のタイミン
グを判断しており、NOx吸収剤の入口側でのSOx濃
度が低くNOx吸収剤へのSOx付着が問題とならない
ような場合でも、必要以上に空燃比のリッチ化が実行さ
れる可能性があり、燃費が悪化し易い。
【0007】
【課題を解決するための手段】この発明は、内燃機関の
排気通路に、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よ
りもリーンなときにNOxを吸収するNOx吸収剤を備
えるとともに、このNOx吸収剤の上流側に、排気中の
SOx成分を吸収するSOx吸収剤が設けられてなる内
燃機関の排気浄化装置において、機関運転中に上記NO
x吸収剤の入口側のSOx濃度を推定するSOx濃度推
定手段と、このSOx濃度が所定レベルとなったときに
上記SOx吸収剤からSOxを強制的に放出させるSO
x放出手段と、を備えていることを特徴としている。
【0008】この発明では、SOx吸収剤に吸収されて
いるSOx量そのものではなく、このSOx吸収剤を通
過したSOxによるNOx吸収剤入口側のSOx濃度に
基づいて、SOx吸収剤からのSOxの強制的な放出が
行われる。
【0009】上記SOx放出手段は、例えば請求項3の
ように、内燃機関の空燃比を一時的にリッチとする空燃
比制御手段からなる。
【0010】請求項1の発明をさらに具体化した請求項
2の発明では、上記SOx濃度推定手段は、SOx吸収
剤に残存しているSOx吸収量を推定するSOx吸収量
推定手段と、このSOx吸収量をパラメータの一つとし
てSOx吸収剤のSOx吸収率を求めるSOx吸収率推
定手段と、を含み、上記SOx吸収率を用いてSOx濃
度を推定することを特徴としている。
【0011】上記SOx吸収率推定手段は、例えば請求
項5のように、SOx吸収剤に残存しているSOx吸収
量と、SOx吸収剤の入口側の排気温度と、空燃比と、
をパラメータとしてSOx吸収率を求めるようになって
いる。
【0012】すなわち、SOx吸収剤に残存しているS
Ox吸収量は、例えば運転履歴等に基づいて推定される
が、この残存するSOx吸収量が仮に同一であっても、
温度条件やSOx吸収剤に流入する排気の空燃比等によ
って、SOxの吸収率は異なる。このSOx吸収剤にお
けるSOx吸収率が低ければ、下流側へ流れるSOxの
濃度は相対的に高くなり、逆に、SOx吸収率が高けれ
ば、下流側へ流れるSOxの濃度は相対的に低くなる。
このように、NOx吸収剤の入口側でのSOx濃度に基
づいて空燃比のリッチ化等によるSOx放出処理を実行
するようにすれば、本当に必要な場合にのみSOx放出
処理が行われることになる。
【0013】請求項2の発明をさらに具体化した請求項
4の発明では、上記SOx放出手段は、内燃機関の空燃
比を一時的にリッチとする空燃比制御手段からなり、上
記SOx吸収量推定手段は、空燃比を一時的にリッチと
したときの排気温度、リッチ度合いおよびリッチ化の期
間からSOx放出量を推定して、残存するSOx吸収量
を修正することを特徴としている。
【0014】
【発明の効果】この発明に係る内燃機関の排気浄化装置
によれば、NOx吸収剤の上流側にSOx吸収剤を配置
することでSOxによるNOx吸収性能の低下を回避す
ることができ、しかも、空燃比のリッチ化等によるSO
x吸収剤からのSOx放出処理を、単にSOx吸収量で
はなくNOx吸収剤入口側でのSOx濃度に基づいて実
行することにより、不必要なSOx放出処理を防止でき
る。つまり、SOx放出処理を、実際に必要な時期に最
小限の頻度で行うことができ、リッチ化に伴う燃費の悪
化等を防止できる。
【0015】また請求項4の発明によれば、SOx放出
処理の際のSOx放出量を推定して残存するSOx吸収
量を修正するので、その後のSOx吸収量の推定の精度
を高く保つことができる。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、この発明の好ましい実施の
形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【0017】図1は、この発明に係る内燃機関の排気浄
化装置の構成を示すもので、火花点火式ガソリン機関か
らなる内燃機関1の排気通路2に、NOx吸収作用を有
する触媒からなるNOx吸収剤3が介装されている。こ
のNOx吸収剤3は、流入する排気の空燃比がリーンの
条件では排気中のNOxを吸収し、かつリッチの条件で
は排気中の還元成分によって吸収していたNOxを放出
すると同時に還元浄化する特性を有している。また、こ
のNOx吸収剤3の上流側には、排気中のSOxを吸収
し得るSOx吸収剤4が介装されている。
【0018】上記NOx吸収剤3としては、例えば、ハ
ニカム状のモノリス担体に、[(Ln1−α A α)1
−β B O δ]で示される複合酸化物と、白金、パラ
ジウム、ロジウムから選ばれた少なくとも一種を含む層
をコーティングしたものを用いることができる。ここ
で、αは、0≦α≦1、βは、0<β<1、δは、各元
素の原子価を満足する酸素量、であり、また、Lnは、
La,Ce,Nd,Smから選ばれた少なくとも一種の
元素、Aは、Mg,Ca,Sr,Ba,Na,K,Cs
から選ばれた少なくとも一種の元素、Bは、鉄,コバル
ト,ニッケル,マンガンから選ばれた少なくとも一種の
元素、をそれぞれ示している。
【0019】また上記SOx吸収剤4としては、例え
ば、ハニカム状のモノリス担体に、アルカリ金属、アル
カリ土類金属、希土類、遷移金属から選ばれる少なくと
も一種と、白金、パラジウム、ロジウムから選ばれた少
なくとも一種とを含む層をコーティングしたものを用い
ることができる。
【0020】上記SOx吸収剤4の入口部には、SOx
吸収剤入口排気温度TexSを検出する第1排気温度セ
ンサ5が、NOx吸収剤3の入口部には、NOx吸収剤
入口排気温度TexNを検出する第2排気温度センサ6
が、それぞれ配置されている。これらが検出した排気温
度信号は、エンジンコントロールユニット7に入力され
ている。また上記エンジンコントロールユニット7に
は、図示せぬエアフロメータにより検出される吸入空気
量信号や、クランク角センサにより検出される機関回転
数信号等も入力される。エンジンコントロールユニット
7は、これらの検出信号に基づき、図示せぬ燃料噴射弁
による燃料噴射量つまり空燃比の制御や、噴射時期、点
火時期等の制御を行っている。
【0021】図2は、上記エンジンコントロールユニッ
ト7において実行されるSOxの放出処理の流れを示す
フローチャートである。このルーチンは、一定時間毎に
繰り返し実行されるものであって、まずステップ1で、
機関回転数や負荷等の機関運転状態を読み込む。次に、
ステップ2で、第1排気温度センサ5により検出される
SOx吸収剤入口排気温度TexSを読み込む。なお、
この例では、SOx吸収剤4の入口部に第1温度センサ
5を設けているが、SOx吸収剤4自体の温度を検出す
るように温度センサを設けてもよく、また温度センサを
用いずに、内燃機関1の運転履歴から温度を推定するよ
うにしてもよい。ステップ3では、第2排気温度センサ
6により検出されるNOx吸収剤入口排気温度TexN
を読み込む。なお、この例では、NOx吸収剤3の入口
部に第2温度センサ6を設けているが、やはりNOx吸
収剤3自体に温度センサを設けてもよく、また温度セン
サを用いずに、内燃機関1の運転履歴から温度を推定す
るようにしてもよい。
【0022】次に、ステップ4では、内燃機関1が現在
リーン空燃比で運転されているか否かを判定する。リー
ン運転であれば、SOx吸収剤4に排気中のSOxが吸
収され、リッチ空燃比であれば、逆にSOx吸収剤4か
らSOxが放出される。通常はリーン空燃比でもって運
転がなされ、従って、ステップ4からステップ5以降へ
進む。
【0023】ステップ5では、機関運転状態と空燃比と
に基づいて、内燃機関1から排気通路2へ排出される所
定時間(例えばこのルーチンの実行間隔時間)当たりの
SOx量SOXexを算出する。なお、燃料に含まれる
イオウの割合はほぼ一定なので、所定時間当たりの燃料
供給量が多くなるほどSOx排出量SOXexは大きな
値となる。
【0024】次にステップ6に進み、SOx吸収剤4の
SOx吸収率Sa1を算出する。これは、SOx吸収剤
4に残存しているSOx吸収量SOXと、SOx吸収剤
入口排気温度TexSと、空燃比と、をパラメータとし
て求められ、かつ0〜1の値として与えられる。各パラ
メータに対する特性としては、次のようになる。すなわ
ち、SOx吸収量SOXが少ないほどSOx吸収率Sa
1は大となり、SOx吸収量SOXが0のときに最大と
なる。SOx吸収剤入口排気温度TexSが所定温度の
ときにSOx吸収率Sa1が最大となり、これよりも低
くなるに従ってSOx吸収率Sa1は小さくなる。SO
x吸収剤4の活性温度以下では、0である。また所定温
度よりも高くなるに従って同様にSOx吸収率Sa1は
小さくなり、SOx吸収剤4のSOx放出温度以上で
は、0である。また、空燃比については、リーンの度合
いが小さくなるほどSOx吸収率Sa1は小さくなり、
理論空燃比よりリッチ側では、0である。
【0025】次に、ステップ7に進み、現在、SOx吸
収剤4に残存しているSOx吸収量SOXを、SOX=
SOXz+SOXex*Sa1として求める。ここで、
SOXzは前回値であり、また「SOXex*Sa1」
は、前回の演算から今回の演算までの間に新しくSOx
吸収剤4に吸収されたSOx量に相当する。
【0026】ステップ8では、下流のNOx吸収剤3に
流入する排気中のSOx濃度Sniを、Sni=SOX
ex*K1*(1−Sa1)として求める。ここで、
「SOXex*(1−Sa1)」は、内燃機関1から排
出されたSOxの中で、SOx吸収剤4を通過してNO
x吸収剤3に流入するSOx量に相当する。K1は、S
Ox量を濃度に変換するための定数である。
【0027】またステップ9では、NOx吸収剤入口排
気温度TexNに基づいて、NOx吸収剤3に流入する
排気の許容SOx濃度を求める。上記NOx吸収剤入口
排気温度TexNが高いほど、許容SOx濃度が高くな
る。
【0028】次に、ステップ10では、ステップ8で推
定されたSOx濃度Sniがステップ9の許容SOx濃
度を超えているか否かを判定する。許容SOx濃度を超
えていれば、SOx吸収剤4におけるSOxの放出制御
を行う必要があるので、ステップ11へ進んで、SOx
放出フラグFsoxを1とする。許容SOx濃度以下で
あれば、そのままステップ16へ進む。
【0029】ステップ16では、そのときのSOx吸収
量SOXを、記憶する。なお、次回のルーチンで前回値
SOXzとして用いられる。
【0030】上記SOx放出フラグFsoxが1である
と、図示せぬ空燃比制御ルーチンによって、空燃比がリ
ッチに補正される。これにより、SOx吸収剤4からS
Oxが放出される。
【0031】SOx放出フラグFsoxが1となって空
燃比がリッチとなると、ステップ4からステップ12へ
進む。ステップ12では、このリッチ化によるSOx吸
収剤4からのSOx放出率Sr1を算出する。これは、
SOx吸収剤4に残存しているSOx吸収量SOXと、
SOx吸収剤入口排気温度TexSと、空燃比と、をパ
ラメータとして求められ、かつ0〜1の値として与えら
れる。各パラメータに対する特性としては、次のように
なる。すなわち、SOx吸収量SOXが少ないほどSO
x放出率Sr1は小となり、SOx吸収量SOXが0の
ときに0となる。SOx吸収剤入口排気温度TexSが
低いほどSOx放出率Sr1は小さくなり、SOx吸収
剤4のSOx放出温度以下では、0である。また、空燃
比については、リッチの度合いが小さくなるほどSOx
放出率Sr1は小さくなり、理論空燃比よりリーン側で
は、0である。
【0032】次に、ステップ13に進み、現在、SOx
吸収剤4に残存しているSOx吸収量SOXを、SOX
=SOXz−SOXz*Sr1として求める。ここで、
SOXzは前回値であり、また「SOXz*Sr1」
は、前回の演算から今回の演算までの間にSOx吸収剤
4から放出されたSOx量に相当する。つまり、放出に
伴って、SOx吸収量SOXは徐々に減少していく。
【0033】そして、ステップ14では、上記のSOx
吸収量SOXが、所定値SOXmin以下となったか判
定する。この所定値SOXminは、0近傍の比較的小
さい値に設定される。ステップ14で所定値SOXmi
nより大きければ、ステップ16でSOx吸収量SOX
の値を記憶し、上述したルーチンを繰り返す。また所定
値SOXmin以下となれば、ステップ15でSOx放
出フラグFsoxを0とし、リッチ化を終了する。な
お、ステップ16で記憶されたSOx吸収量SOXの値
は、内燃機関1の停止後も保持され、次回の運転時に該
SOx吸収量SOXの推定が継続される。
【0034】このように、上記実施例では、SOx吸収
剤4を通過したSOxによる下流のNOx吸収剤3に流
入する排気中のSOx濃度Sniに基づいてSOxの強
制的な放出処理が実行される。従って、SOx吸収量S
OXは多いものの実際のSOx濃度Sniは低いような
状況で不必要にリッチ化が行われることがなく、燃費の
悪化を最小限とすることができる。また、一旦SOx濃
度Sniが許容SOx濃度を超えたら、SOx吸収量S
OXがほぼ0となるまで放出処理が継続されるので、頻
繁にSOx放出処理が繰り返されることがない。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に係る排気浄化装置の構成を示す構成
説明図。
【図2】この排気浄化装置におけるSOx放出処理の流
れを示すフローチャート。
【符号の説明】
1…内燃機関 3…NOx吸収剤 4…SOx吸収剤 5…第1排気温度センサ 6…第2排気温度センサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 雅紀 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 Fターム(参考) 3G091 AA01 AA13 AA17 AB04 AB05 AB06 AB08 AB09 BA11 BA13 BA14 CB02 CB03 CB05 DB13 DB15 EA01 EA02 EA05 EA17 EA33 EA34 FB07 FB10 FB12 GA06 GB01W GB03W GB04W GB05W GB06W GB07W GB10W HA08 HA36 HA37

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 内燃機関の排気通路に、流入する排気ガ
    スの空燃比が理論空燃比よりもリーンなときにNOxを
    吸収するNOx吸収剤を備えるとともに、このNOx吸
    収剤の上流側に、排気中のSOx成分を吸収するSOx
    吸収剤が設けられてなる内燃機関の排気浄化装置におい
    て、機関運転中に上記NOx吸収剤の入口側のSOx濃
    度を推定するSOx濃度推定手段と、このSOx濃度が
    所定レベルとなったときに上記SOx吸収剤からSOx
    を強制的に放出させるSOx放出手段と、を備えている
    ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 【請求項2】 上記SOx濃度推定手段は、SOx吸収
    剤に残存しているSOx吸収量を推定するSOx吸収量
    推定手段と、このSOx吸収量をパラメータの一つとし
    てSOx吸収剤のSOx吸収率を求めるSOx吸収率推
    定手段と、を含み、上記SOx吸収率を用いてSOx濃
    度を推定することを特徴とする請求項1記載の内燃機関
    の排気浄化装置。
  3. 【請求項3】 上記SOx放出手段は、内燃機関の空燃
    比を一時的にリッチとする空燃比制御手段からなること
    を特徴とする請求項1または2に記載の内燃機関の排気
    浄化装置。
  4. 【請求項4】 上記SOx放出手段は、内燃機関の空燃
    比を一時的にリッチとする空燃比制御手段からなり、上
    記SOx吸収量推定手段は、空燃比を一時的にリッチと
    したときの排気温度、リッチ度合いおよびリッチ化の期
    間からSOx放出量を推定して、残存するSOx吸収量
    を修正することを特徴とする請求項2記載の内燃機関の
    排気浄化装置。
  5. 【請求項5】 上記SOx吸収率推定手段は、SOx吸
    収剤に残存しているSOx吸収量と、SOx吸収剤の入
    口側の排気温度と、空燃比と、をパラメータとしてSO
    x吸収率を求めることを特徴とする請求項2記載の内燃
    機関の排気浄化装置。
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