JP2004036456A - Exhaust emission control device for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、リーン空燃比のもとで継続して燃焼が行われる内燃機関の排気通路内に、流入する排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタを配置し、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のNOXを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているNOXを還元して蓄えているNOXの量が減少するNOX触媒をこのパティキュレートフィルタ上に担持させると共に、パティキュレートフィルタ下流の排気通路内に酸化能を有する補助触媒を配置した内燃機関が知られている。この補助触媒はNOX触媒から流出したHC,COを酸化し、従って大気中に多量のHC,COが排出されるのが阻止される。
【0003】
ところで、このような内燃機関では、パティキュレートフィルタ上に堆積した微粒子を酸化除去するために、パティキュレートフィルタ内に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しながらパティキュレートフィルタの温度が一時的に高められる。一方、詳しくは後述するが、NOX触媒内にはSOXが硫酸塩を形成することなく蓄えられており、このSOXはNOX触媒内に流入する排気ガスの空燃比がリーンであってもNOX触媒の温度が高くなるとNOX触媒から排出される。従って、パティキュレートフィルタ上の堆積微粒子を酸化除去する毎にNOX触媒からSOXが例えばSO2の形で排出されることになる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このようにパティキュレートフィルタ上の堆積微粒子が酸化除去されているときには補助触媒の温度も高くなっており、しかも補助触媒内に流入する排気ガスの空燃比がリーンであるので即ち補助触媒内に流入する排気ガス中の還元剤量が少ないので、このときNOX触媒から排出されたSO2が補助触媒でサルフェートSO3に酸化され、次いでSO3の形で大気中に排出されるという問題点がある。
【0005】
そこで本発明の目的は、大気中に排出されるサルフェートの量を低減することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために1番目の発明によれば、リーン空燃比のもとで継続して燃焼が行われる内燃機関の排気通路内に流入する排気ガス中のSOXを一時的に蓄えるSOX蓄積剤を配置すると共に、該SOX蓄積剤下流の排気通路内に酸化能を有する補助触媒を配置し、SOX蓄積剤に付着しているSOXがSOX蓄積剤から排出されるのに先立って、補助触媒に付着しているSOXを補助触媒から除去するようにしている。
【0007】
また、2番目の発明によれば1番目の発明において、前記補助触媒に還元剤を供給するための還元剤供給手段を具備し、補助触媒に付着しているSOXを補助触媒から除去するために、補助触媒内に流入する排気ガスの空燃比がリッチになるように還元剤供給手段から補助触媒に還元剤を供給するようにしている。
【0008】
また、3番目の発明によれば1番目の発明において、前記SOX蓄積剤が流入する排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタ上に担持されている。
【0009】
また、4番目の発明によれば1番目の発明において、前記パティキュレートフィルタ上に堆積している微粒子を酸化するためにパティキュレートフィルタ内に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しながらパティキュレートフィルタの温度が上昇されるのに先立って、前記補助触媒に付着しているSOXを補助触媒から除去するようにしている。
【0010】
また、5番目の発明によれば1番目又は3番目の発明において、前記SOX蓄積剤を、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のNOXを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているNOXを還元して蓄えているNOXの量が減少するNOX触媒から形成している。
【0011】
また、6番目の発明によれば1番目の発明において、前記NOX触媒内に硫酸塩の形で蓄えられているSOXがNOX触媒から排出されるのに先立って、前記補助触媒に付着しているSOXを補助触媒から除去するようにしている。
【0012】
また、7番目の発明によれば1番目の発明において、前記補助触媒が流入する排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタ上に担持されている。
【0013】
なお、本明細書では排気通路の或る位置よりも上流の排気通路、燃焼室、及び吸気通路内に供給された空気と炭化水素HC及び一酸化炭素COのような還元剤との比をその位置における排気ガスの空燃比と称している。
【0014】
【発明の実施の形態】
図1は本発明を圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。なお、本発明は火花点火式内燃機関にも適用することもできる。
【0015】
図1を参照すると、1は機関本体、2はシリンダブロック、3はシリンダヘッド、4はピストン、5は燃焼室、6は電気制御式燃料噴射弁、7は吸気弁、8は吸気ポート、9は排気弁、10は排気ポートを夫々示す。吸気ポート8は対応する吸気枝管11を介してサージタンク12に連結され、サージタンク12は吸気ダクト13を介して排気ターボチャージャ14のコンプレッサ15に連結される。吸気ダクト13内にはステップモータ16により駆動されるスロットル弁17が配置され、更に吸気ダクト13周りには吸気ダクト13内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置18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18内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
【0016】
一方、排気ポート10は排気マニホルド19及び排気管20を介して排気ターボチャージャ14の排気タービン21に連結され、排気タービン21の出口は排気管20aを介して触媒コンバータ22に接続される。
【0017】
図1と共に図2を参照すると、触媒コンバータ22はステップモータ60により駆動される切替弁61を具備し、この切替弁61の流入ポート62に排気管20aの出口が接続される。また、流入ポート62に対向する切替弁61の流出ポート63には触媒コンバータ22の排気ガス排出管64が接続される。切替弁61は更に、流入ポート62及び流出ポート63を結ぶ直線の両側において互いに対向する一対の流入流出ポート65,66を有しており、これら流入流出ポート65,66には触媒コンバータ22の環状排気管67の両端がそれぞれ接続される。なお、排気ガス排出管64の出口には排気管23が接続される。
【0018】
環状排気管67は排気ガス排出管64を貫通して延びており、環状排気管67の排気ガス排出管64内に位置する部分にはフィルタ収容室68が形成される。このフィルタ収容室68内には排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタ69が収容される。なお、図2において69a及び69bはパティキュレートフィルタ69の一端面及び他端面をそれぞれ示している。
【0019】
パティキュレートフィルタ69の一端面69aを含む触媒コンバータ22の部分縦断面図を示す図2(A)、及び触媒コンバータ22の部分横断面図を示す図2(B)に示されるようにパティキュレートフィルタ69はハニカム構造をなしており、互いに平行をなして延びる複数個の排気ガス通路70,71を具備する。これら排気ガス通路は一端が開放されかつ他端がシール材72により閉塞されている排気ガス通路70と、他端が開放されかつ一端がシール材73により閉塞されている排気ガス通路71とにより構成される。なお、図2(A)においてハッチングを付した部分はシール材73を示している。これら排気ガス通路70,71は例えばコージェライトのような多孔質材から形成される薄肉の隔壁74を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス通路70,71は各排気ガス通路70が4つの排気ガス通路71によって包囲され、各排気ガス通路71が4つの排気ガス通路70によって包囲されるように配置される。
【0020】
パティキュレートフィルタ69上には後述するようにNOX触媒81が担持されている。一方、切替弁61の流出ポート63と環状排気管67が貫通している部分との間の排気ガス排出管64内には触媒収容室75が形成されており、この触媒収容室75内にはハニカム構造の基材に担持された酸化能を有する補助触媒76が収容される。
【0021】
また、切替弁61の流入流出ポート65とパティキュレートフィルタ69間の環状排気管67にはパティキュレートフィルタ69に還元剤を供給するための電気制御式還元剤供給弁77が取り付けられる。還元剤供給弁77には電気制御式の還元剤ポンプ78から還元剤が供給される。本発明による実施例では還元剤として内燃機関の燃料即ち軽油が用いられている。なお、本発明による実施例では流入流出ポート66とパティキュレートフィルタ69間の環状排気管67に還元剤供給弁が配置されていない。
【0022】
更に図1を参照すると、排気マニホルド19とサージタンク12とは排気ガス再循環(以下、EGRと称す)通路24を介して互いに連結され、EGR通路24内には電気制御式EGR制御弁25が配置される。また、EGR通路24周りにはEGR通路24内を流れるEGRガスを冷却するための冷却装置26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26内に導かれ、機関冷却水によってEGRガスが冷却される。
【0023】
一方、各燃料噴射弁6は燃料供給管6aを介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール27に連結される。このコモンレール27内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ28から燃料が供給され、コモンレール27内に供給された燃料は各燃料供給管6aを介して燃料噴射弁6に供給される。コモンレール27にはコモンレール27内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ29が取付けられ、燃料圧センサ29の出力信号に基づいてコモンレール27内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ28の吐出量が制御される。
【0024】
電子制御ユニット40はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス41によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)42、RAM(ランダムアクセスメモリ)43、CPU(マイクロプロセッサ)44、入力ポート45及び出力ポート46を具備する。燃料圧センサ29の出力信号は対応するAD変換器47を介して入力ポート45に入力される。補助触媒下流76下流の排気ガス排出管64には補助触媒76から流出した排気ガスの温度を検出するための温度センサ48が取り付けられ、温度センサ48の出力電圧は対応するAD変換器47を介して入力ポート45に入力される。この排気ガスの温度は補助触媒76の温度を表している。排気管20aには排気管20a内の圧力、即ち機関背圧を検出するための圧力センサ49が取り付けられ、圧力センサ49の出力電圧は対応するAD変換器47を介して入力ポート45に入力される。また、アクセルペダル50にはアクセルペダル50の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ51が接続され、負荷センサ51の出力電圧は対応するAD変換器47を介して入力ポート45に入力される。更に入力ポート45にはクランクシャフトが例えば30°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ52が接続される。
【0025】
一方、出力ポート46は対応する駆動回路53を介して燃料噴射弁6、スロットル弁駆動用ステップモータ16、EGR制御弁25、燃料ポンプ28、切替弁駆動用ステップモータ60、還元剤供給弁77、及び還元剤剤ポンプ78にそれぞれ接続される。
【0026】
切替弁61は通常、図3(B)において実線で示される位置と破線で示される位置とのうちいずれか一方に位置せしめられる。切替弁61が図3(B)において実線で示される位置に位置せしめられると、流入ポート62が切替弁61によって流出ポート63及び流入流出ポート66との連通が遮断されながら流入流出ポート65に連通され、流出ポート63が切替弁61によって流入流出ポート66に連通される。その結果、図3(B)において実線の矢印で示されるように排気管20a内を流通する全ての排気ガスが流入ポート62及び流入流出ポート65を順次介して環状排気管67内に流入し、次いでパティキュレートフィルタ69を通過した後に流入流出ポート66及び流出ポート63を順次介して排気ガス排出管64内に流出する。
【0027】
これに対し、切替弁61が図3(B)において破線で示される位置に位置せしめられると、流入ポート62が切替弁61によって流出ポート63及び流入流出ポート65との連通が遮断されながら流入流出ポート66に連通され、流出ポート63が切替弁61によって流入流出ポート65に連通される。その結果、図3(B)において破線の矢印で示されるように排気管20a内を流通する全ての排気ガスが流入ポート62及び流入流出ポート66を順次介して環状排気管67内に流入し、次いでパティキュレートフィルタ69を通過した後に流入流出ポート65及び流出ポート63を順次介して排気ガス排出管64内に流出する。
【0028】
このように切替弁61の位置を切り替えることによって環状排気管67内における排気ガスの流れが反転する。言い換えると、排気ガスがNOX触媒81内にその一端面を介し流入しNOX触媒81からその他端面を介し流出するように排気ガスを案内するか、又はNOX触媒81内にその他端面を介し流入しNOX触媒81からその一端面を介し流出するように排気ガスを案内するかを切り替え可能になっている。以下では、図3(B)において実線で示される排気ガスの流れを順流と称し、破線で示される排気ガスの流れを逆流と称することにする。また、図3(B)において実線で示される切替弁61の位置を順流位置と称し、破線で示される切替弁61の位置を逆流位置と称する。
【0029】
流出ポート66を介し排気ガス排出管64内に流出した排気ガスは図3(A)及び(B)に示されるように、次いで触媒76を通過し、環状排気管67の外周面に沿いつつ進行した後に排気管23内に流出する。
【0030】
パティキュレートフィルタ69における排気ガスの流れを説明すると、順流時には排気ガスは一端面69aを介しパティキュレートフィルタ69内に流入し、他端面69bを介しパティキュレートフィルタ69から流出する。このとき、排気ガスは一端面69a内に開口している排気ガス通路70内に流入し、次いで周囲の隔壁74内を通って隣接する排気ガス通路71内に流出する。一方、逆流時には排気ガスは他端面69bを介しパティキュレートフィルタ69内に流入し、一端面69aを介しパティキュレートフィルタ69から流出する。このとき、排気ガスは他端面69b内に開口している排気ガス通路71内に流入し、次いで周囲の隔壁74内を通って隣接する排気ガス通路70内に流出する。
【0031】
パティキュレートフィルタ69の隔壁74上即ち例えば隔壁74の両側面及び細孔内壁面上には、図4に示されるようにNOX触媒81がそれぞれ担持されている。このNOX触媒81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、パラジウムPd、ロジウムRh、イリジウムIrのような貴金属とが担持されている。
【0032】
NOX触媒は流入する排気ガスの平均空燃比がリーンのときにはNOXを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているNOXを還元して蓄えているNOXの量を減少させる蓄積還元作用を行う。
【0033】
NOX触媒の蓄積還元作用の詳細なメカニズムについては完全には明らかにされていない。しかしながら、現在考えられているメカニズムを、担体上に白金Pt及びバリウムBaを担持させた場合を例にとって簡単に説明すると次のようになる。
【0034】
即ち、NOX触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもかなりリーンになると流入する排気ガス中の酸素濃度が大巾に増大し、酸素O2がO2 −又はO2−の形で白金Ptの表面に付着する。一方、流入する排気ガス中のNOは白金Ptの表面に付着し白金Ptの表面上でO2 −又はO2−と反応し、NO2となる(NO+O2→NO2+O*、ここでO*は活性酸素)。次いで生成されたNO2の一部は白金Pt上でさらに酸化されつつNOX触媒内に吸収されて酸化バリウムBaOと結合しながら、硝酸イオンNO3 −の形でNOX触媒内に拡散する。このようにしてNOXがNOX触媒内に蓄えられる。
【0035】
これに対し、NOX触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ又は理論空燃比になると、排気ガス中の酸素濃度が低下してNO2の生成量が低下し、反応が逆方向(NO3 −→NO+2O*)に進み、斯くしてNOX触媒内の硝酸イオンNO3 −がNOの形でNOX触媒から放出される。この放出されたNOXは排気ガス中に還元剤即ちHC,COが含まれているとこれらHC,COと反応して還元せしめられる。このようにして白金Ptの表面上にNOXが存在しなくなるとNOX触媒から次から次へとNOXが放出されて還元され、NOX触媒内に蓄えられているNOXの量が次第に減少する。
【0036】
なお、硝酸塩を形成することなくNOXを蓄え、NOXを放出することなくNOXを還元することも可能である。また、活性酸素O*に着目すれば、NOX触媒はNOXの蓄積及び放出に伴って活性酸素O*を生成する活性酸素生成触媒と見ることもできる。
【0037】
一方、補助触媒76は本発明による実施例では、アルカリ金属、アルカリ土類、及び希土類を含むことなく貴金属例えば白金Ptを含む貴金属触媒から形成される。しかしながら、補助触媒76を上述したNOX触媒から形成してもよい。
【0038】
ここで、パティキュレートフィルタ69は環状排気管67のほぼ中央部に配置されており、即ち切替弁61の流入ポート62からパティキュレートフィルタ69までの距離と、パティキュレートフィルタ69から流出ポート63までの距離とが切替弁61が順流位置にあるときと逆流位置にあるときとでほとんど変わらない。このことはパティキュレートフィルタ69の状態例えば温度が切替弁61が順流位置にあるときと逆流位置にあるときとでほとんど変わらないことを意味しており、従って切替弁61の位置に応じた特別な制御を必要としない。
【0039】
本発明による実施例では、機関低負荷運転が行われる毎に切替弁61が順流位置から逆流位置に又はその逆に切り替えられる。このようにすると、後の説明からわかるように、パティキュレートフィルタ69及びNOX触媒81を迂回する微粒子及びNOXの量を低減することができる。
【0040】
上述したように順流時であろうと逆流時であろうと排気ガスはパティキュレートフィルタ69を通過する。また、図1に示される内燃機関はリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われており、従ってパティキュレートフィルタ69内に流入する排気ガスの空燃比はリーンに維持されている。その結果、排気ガス中のNOXはパティキュレートフィルタ69上のNOX触媒81内に蓄えられる。
【0041】
時間の経過と共にNOX触媒81内の蓄積NOX量は次第に増大する。そこで本発明による実施例では、例えばNOX触媒81内の蓄積NOX量が許容量を越えたときにはNOX触媒81内に蓄えられているNOXを還元しNOX触媒81内の蓄積NOX量を減少させるために還元剤供給弁77からNOX触媒81に還元剤即ち還元剤を一時的に供給するようにしている。この場合、NOX触媒81内に流入する排気ガスの空燃比が一時的にリッチに切り替えられる。
【0042】
一方、排気ガス中に含まれる主に炭素の固体からなる微粒子はパティキュレートフィルタ69上に捕集される。即ち、概略的に説明すると、順流時には排気ガス通路70側の隔壁74の側面上及び細孔内に微粒子が捕集され、逆流時には排気ガス通路71側の隔壁74の側面上及び細孔内に微粒子が捕集される。図1に示される内燃機関はリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われており、また、NOX触媒81は酸化能を有しているので、パティキュレートフィルタ69の温度が微粒子を酸化しうる温度、例えば250℃以上に維持されていれば、パティキュレートフィルタ69上で微粒子が酸化せしめられ除去される。
【0043】
この場合、上述したNOX触媒81のNOXの蓄積還元メカニズムによれば、NOX触媒81内にNOXが蓄えられるときにもNOXが放出されるときにも活性酸素が生成される。この活性酸素は酸素O2よりも活性が高く、従ってパティキュレートフィルタ69上に堆積している微粒子を速やかに酸化する。即ち、パティキュレートフィルタ69上にNOX触媒81を担持させると、パティキュレートフィルタ69内に流入する排気ガスの空燃比がリーンであろうとリッチであろうとパティキュレートフィルタ69上に堆積している微粒子が酸化される。このようにして微粒子が連続的に酸化される。
【0044】
ところが、パティキュレートフィルタ69の温度が微粒子を酸化しうる温度に維持されなくなるか又は単位時間当たりにパティキュレートフィルタ69内に流入する微粒子の量がかなり多くなると、パティキュレートフィルタ69上に堆積する微粒子の量が次第に増大し、パティキュレートフィルタ69の圧損が増大する。
【0045】
そこで本発明による実施例では、例えばパティキュレートフィルタ69上の堆積微粒子量が許容最大量を越えたときには、パティキュレートフィルタ69に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつパティキュレートフィルタ69の温度を微粒子酸化要求温度TNP例えば600℃以上まで上昇し次いで微粒子酸化要求温度TNP以上に維持する微粒子酸化制御が行われる。この微粒子酸化制御が行われるとパティキュレートフィルタ69上に堆積した微粒子が着火燃焼せしめられ除去される。なお、図1に示される実施例では、切替弁61が順流位置又は逆流位置に保持されているときに圧力センサ49により検出される機関背圧が許容値を越えたときにパティキュレートフィルタ69上の堆積微粒子量が許容最大量を越えたと判断される。
【0046】
具体的に説明すると、図1に示される実施例では、切替弁61を順流位置に保持しながら、パティキュレートフィルタ69に流入する排気ガスの空燃比がリーンに維持されつつパティキュレートフィルタ69の温度が微粒子酸化要求温度TNP以上まで上昇され次いで微粒子酸化要求温度TNP以上に維持されるように、還元剤供給弁77から還元剤が供給される。この還元剤はパティキュレートフィルタ69上で酸化され、その結果パティキュレートフィルタ69の温度TNが微粒子酸化要求温度TNP以上に上昇され、維持される。
【0047】
ところで、排気ガス中にはイオウ分がSOXの形で含まれており、NOX触媒81内にはNOXばかりでなくSOXも蓄えられる。このSOXのNOX触媒81内への蓄積メカニズムはNOXの蓄積メカニズムと同じであると考えられる。即ち、担体上に白金Pt及びバリウムBaを担持させた場合を例にとって簡単に説明すると、NOX触媒81に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには上述したように酸素O2がO2 −又はO2−の形で白金Ptの表面に付着しており、流入する排気ガス中のSO2は白金Ptの表面に付着し白金Ptの表面上でO2 −又はO2−と反応し、SO3となる。次いで生成されたSO3は白金Pt上でさらに酸化されつつNOX触媒81内に吸収されて酸化バリウムBaOと結合しながら、硫酸イオンSO4 −の形でNOX触媒81内に拡散する。この硫酸イオンSO4 −は次いでバリウムイオンBa+と結合して硫酸塩BaSO4を生成する。
【0048】
この硫酸塩BaSO4は分解しにくく、NOX触媒81内に流入する排気ガスの空燃比をただ単にリッチにしてもNOX触媒81内の硫酸塩BaSO4の量は減少しない。このため、時間が経過するにつれてNOX触媒81内の硫酸塩BaSO4の量が増大し、その結果NOX触媒81が蓄えうるNOXの量が減少することになる。
【0049】
ところが、NOX触媒81の温度を550℃以上に維持しつつNOX触媒81に流入する排気ガスの平均空燃比を理論空燃比又はリッチにすると、NOX触媒81内の硫酸塩BaSO4が分解してSO3の形でNOX触媒81から放出される。この放出されたSO3は排気ガス中に還元剤即ちHC,COが含まれているとこれらHC,COと反応してSO2に還元せしめられる。このようにしてNOX触媒81内に硫酸塩BaSO4の形で蓄えられているSOXの量が次第に減少し、このときNOX触媒81からSOXがSO3の形で流出することがない。
【0050】
そこで本発明による実施例では、例えばNOX触媒81内の蓄積SOX量が許容量を越えたときには、NOX触媒81内の蓄積SOX量を減少させるために、NOX触媒81に流入する排気ガスの平均空燃比を理論空燃比又はリッチに維持しつつSOX量減少要求温度TNS例えば550℃以上に維持する蓄積SOX量減少制御が行われる。
【0051】
具体的に説明すると、図1に示される実施例では、切替弁61を図5に示されるような弱順流位置に保持しながら、NOX触媒81内に流入する排気ガスの平均空燃比がわずかばかりリッチに維持されつつNOX触媒81の温度がSOX量減少要求温度TNS以上に維持されるように、還元剤供給弁77から還元剤を供給するようにしてもよい。切替弁61が弱順流位置に保持されると、図5に矢印で示されるように排気管20a内を流通した排気ガスのうちわずかばかりの排気ガスが流入流出ポート65を介し環状排気管67内に流入し、次いでNOX触媒81内を順流方向に流通し、残りの大部分の排気ガスが流入ポート62から流出ポート63を介し直接的に排気ガス排出管64内に流出し即ちNOX触媒81を迂回して補助触媒76内に流入する。なお、本発明による実施例では、燃料噴射弁6から供給された燃料及び還元剤供給弁77から供給された還元剤(燃料)の積算値が求められ、この積算値が予め定められたしきい値を越えたときにNOX触媒81内の蓄積SOX量が許容量を越えたと判断される。
【0052】
ところが、蓄積SOX量減少制御が行われるときにパティキュレートフィルタ69上に微粒子が堆積していると、この堆積微粒子の温度が高くされつつ堆積微粒子に比較的多量の還元剤が供給されることになる。その結果、堆積微粒子がいわゆる異常燃焼を起こし、パティキュレートフィルタ69が溶損する恐れがある。
【0053】
そこで本発明による実施例のSOX制御では、NOX触媒81内の蓄積SOX量が許容量を越えたときにはまず微粒子酸化制御を行い、次いで蓄積SOX量減少制御を行うようにしている。即ち、蓄積SOX量減少制御が行われる前にパティキュレートフィルタ69上の堆積微粒子が除去される。
【0054】
次に、図6を参照しながら本発明による実施例を説明する。図6においてQRは還元剤供給弁77から供給される還元剤の量、AFAは補助触媒76内に流入する排気ガスの平均空燃比、AFNはNOX触媒81内ないしパティキュレートフィルタ69内に流入する排気ガスの平均空燃比、TAは補助触媒76の温度、TNはNOX触媒81ないしパティキュレートフィルタ69の温度、TinはNOX触媒81内ないしパティキュレートフィルタ69内に流入する排気ガスの温度をそれぞれ表している。
【0055】
図6において矢印Xで示されるようにNOX触媒81内の蓄積SOX量QSが許容量QSUを越えるとまず、補助触媒76に付着しているSOXを除去するためのSOX除去制御が行われる。即ち、切替弁61が例えば順流位置から逆流位置に切り替えられて保持され、矢印Rで示されるように還元剤供給弁77から還元剤が間欠的に供給される。その結果、還元剤がパティキュレートフィルタ69及びNOX触媒81に到ることなく、補助触媒76内に流入する。このとき還元剤供給弁77から供給される還元剤の量QRは補助触媒76内に流入する排気ガスの平均空燃比AFAをわずかばかりリッチにするのに必要なQRRとされる。なお、この場合にはNOX触媒81内に流入する排気ガスの平均空燃比AFNはリーンに維持されている。また、還元剤が補助触媒76内で酸化されるので補助触媒76の温度TAが若干上昇する。
【0056】
次いで、図6において矢印XXで示されるように補助触媒76内の付着SOX量が例えばほぼゼロになるとSOX除去制御が完了され、直ちに微粒子酸化制御が開始される。即ち、切替弁61が逆流位置から順流位置に切り替えられて保持され、矢印Rで示されるように還元剤供給弁77から還元剤が間欠的に供給される。このとき還元剤供給弁77から供給される還元剤の量QRは切替弁61が順流位置にあるときにパティキュレートフィルタ69の温度TNを上述した微粒子酸化要求温度TNP以上に維持するのに必要なQRPとされる。その結果、パティキュレートフィルタ69の温度TNが上昇し、微粒子酸化要求温度TNP以上に維持される。この場合、補助触媒76の温度TAはパティキュレートフィルタ69の温度TNとほぼ同じになっている。また、補助触媒76内に流入する排気ガスの平均空燃比AFAがリーンに戻され、NOX触媒81内に流入する排気ガスの平均空燃比AFNが若干小さくなる。
【0057】
次いで、図6において矢印Yで示されるようにパティキュレートフィルタ69上の堆積微粒子量が例えばほぼゼロになると微粒子酸化制御が完了され、直ちにSOX除去制御が再び行われる。即ち、上述したように、切替弁61が順流位置から逆流位置に切り替えられて保持され、QR=QRRのもとでの還元剤供給作用が行われ、このとき補助触媒76内に流入する排気ガスの平均空燃比AFAがわずかばかりリッチにされる。
【0058】
次いで、図6において矢印YYで示されるように補助触媒76内の付着SOX量が例えばほぼゼロになるとSOX除去制御が完了され、直ちに蓄積SOX量減少制御が開始される。即ち、切替弁61を弱順流位置に保持しながら、矢印Rで示されるように還元剤供給弁77から還元剤が間欠的に供給される。このとき還元剤供給弁77から供給される還元剤の量QRはNOX触媒81内に流入する排気ガスの平均空燃比AFNをわずかばかりリッチに維持しつつNOX触媒81の温度TNをSOX量減少要求温度TNS以上に維持するのに必要なQRSとされる。この場合、比較的多量の排気ガスがNOX触媒81を迂回しており、従って補助触媒76内に流入する排気ガスの平均空燃比AFAはリーンに維持されている。また、NOX触媒81を迂回する排気ガスの温度は低いので、蓄積SOX量減少制御が行われると補助触媒76の温度TAが低下する。
【0059】
次いで、図6において矢印Zで示されるようにNOX触媒81内の蓄積SOX量が例えばほぼゼロになると蓄積SOX量減少制御が完了される。この場合、切替弁61が例えば順流位置に切り替えられ、還元剤供給弁77からの還元剤供給作用が停止される。
【0060】
このように本発明による実施例では、微粒子酸化制御が行われるのに先立ってSOX除去制御が行われ、蓄積SOX量減少制御が行われるのに先立ってSOX除去制御が行われる。このようにすると、補助触媒76から排出されるサルフェートSO3の量を低減することができる。これは次の理由による。
【0061】
即ち、本願発明者らによれば、NOX触媒81内に流入する排気ガスの平均空燃比AFNがリーンに維持されていてもNOX触媒81の温度TNが高くなると、NOX触媒81から流出する排気ガス中のSOX濃度がNOX触媒81内に流入する排気ガス中のSOX濃度よりも一時的に高くなることが確認されている。このことは、NOX触媒81の温度が高くなるとNOX触媒81内に蓄えられているSOXが排出され、このSOXは硫酸塩BaSO4を形成することなく蓄えられているということを意味している。
【0062】
このようなSOXがどのような形でNOX触媒81内に蓄えられるのかは必ずしも明らかではないが、次のようにして蓄えられると考えられている。即ち、上述したようにNOX触媒81内に流入する排気ガス中のSO2はまず例えば白金Pt表面上に付着した後に硫酸塩BaSO4の形で蓄えられる。ところが硫酸塩BaSO4の形で蓄えられているSOXの量が多くなると、白金Pt表面上に付着しているSO2が硫酸塩BaSO4になりにくくなり、SO2のまま白金Pt表面上に付着し続ける。このようにしてSOXが硫酸塩BaSO4を形成することなく蓄えられる。
【0063】
そうすると、NOX触媒81内には硫酸塩BaSO4の形で蓄えられるSOXもあれば、硫酸塩BaSO4を形成することなく蓄えられるSOXもあるということになる。従って、一般的に言うと、NOX触媒81は流入する排気ガス中のSOXを硫酸塩の形か又は硫酸塩を形成しない形かのいずれかで蓄えるSOX蓄積剤として作用することになる。
【0064】
微粒子酸化制御が開始されてNOX触媒81の温度TNが高くなると、硫酸塩BaSO4を形成することなく蓄えられているSOXがNOX触媒81から一気に放出され、このSOXは次いで補助触媒76内に流入する。
【0065】
一方、補助触媒76内に流入したSOXは補助触媒76の例えば白金表面上に一旦付着し、白金表面から離脱して補助触媒76から排出され、このときSOXが補助触媒76に付着している時間は補助触媒76に付着しているSOXの量が多くなると短くなると考えられている。また、SOXが補助触媒76の白金表面上に付着しているとき又は白金表面から離脱するときに補助触媒76内に流入する排気ガス中の還元剤量が少なく又は補助触媒76内に流入する排気ガスの平均空燃比AFAがリーンであると、SOXがサルフェートSO3の形で補助触媒76から排出される恐れがある。
【0066】
微粒子酸化制御が開始される前の補助触媒76内には、先の蓄積SOX量減少制御中にNOX触媒81から排出されたSOXや、通常運転時にNOX触媒81を通過したSOXが流入しており、このため微粒子酸化制御を開始すべきときの補助触媒76には多量のSOXが付着している。
【0067】
従って、この状態で微粒子酸化制御が行われて補助触媒76内に多量のSOXが流入すると、このSOXは直ちに補助触媒76から排出され、このとき上述したように補助触媒76内に流入する還元剤量が少なく又は補助触媒76内に流入する排気ガスの平均空燃比AFAがリーンになっているので、多量のサルフェートSO3が補助触媒76から排出される恐れがある。
【0068】
一方、補助触媒76内に流入する還元剤の量を増大させ又は補助触媒76内に流入する排気ガスの平均空燃比AFAをリッチにすると、補助触媒76に付着しているSOXが補助触媒76から除去され、このときSOXがSO2の形で補助触媒76から排出される。
【0069】
そこで本発明による実施例では、図6に示されるように微粒子酸化制御を行うのに先立って、補助触媒76に付着しているSOXを除去するSOX除去制御を行うようにしている。具体的には、上述したように補助触媒76内に流入する排気ガスの平均空燃比AFAがわずかばかりリッチになるように還元剤が供給される。その結果、補助触媒76の付着SOX量が例えばほぼゼロまで減少し、このとき補助触媒76からサルフェートSO3が排出されない。
【0070】
SOX除去制御が完了すると引き続いて微粒子酸化制御が開始され、このとき補助触媒76内に流入した多量のSOXは補助触媒76に付着し、補助触媒76から少しずつ排出される。従って、補助触媒76から多量のサルフェートSO3が排出されるのを阻止することができる。
【0071】
同様に、蓄積SOX量減少制御を開始すべきときにも補助触媒76に多量のSOXが付着しており、蓄積SOX量減少制御が行われるとNOX触媒81内に硫酸塩BaSO4の形で蓄えられていたSOXがNOX触媒81から一気に排出され、次いで補助触媒76内に流入する。また、このとき補助触媒76内に流入する排気ガスの平均空燃比AFAはリーンになっている。
【0072】
そこで本発明による実施例では、図6に示されるように微粒子酸化制御が完了した後、蓄積SOX量減少制御を行うのに先立ってSOX除去制御を行うようにしている。従って、この場合にも補助触媒76から多量のサルフェートSO3が排出されるのを阻止することができる。
【0073】
本発明による実施例では、上述したようにパティキュレートフィルタ69上の堆積微粒子量が許容最大量を越えたときにも微粒子酸化制御が行われる。この場合にも、微粒子酸化制御が行われるのに先立ってSOX除去制御が行われる。
【0074】
図7は本発明による実施例のSOX制御ルーチンを示している。このルーチンは予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行される。図7を参照すると、まずステップ200ではNOX触媒81内の蓄積SOX量QSが許容量QSUを越えたか否かが判別される。QS≦QSUのときには処理サイクルを終了し、QS>QSUのときには次いでステップ201に進み、図9を参照して後述するSOX除去制御ルーチンが実行される。続くステップ202では図10を参照して後述する微粒子酸化制御ルーチンが実行される。続くステップ203では図9を参照して後述するSOX除去制御ルーチンが再度実行される。続くステップ204では図11を参照して後述する蓄積SOX量減少制御ルーチンが実行される。
【0075】
図8は本発明による実施例の微粒子制御ルーチンを示している。このルーチンは予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行される。図8を参照すると、まずステップ210ではパティキュレートフィルタ69上の堆積微粒子量QPMが許容量QPMUを越えたか否かが判別される。QPM≦QPMUのときには処理サイクルを終了し、QPM>QPMUのときには次いでステップ211に進み、図9を参照して後述するSOX除去制御ルーチンが実行される。続くステップ212では図10を参照して後述する微粒子酸化制御ルーチンが実行される。
【0076】
図9は上述したSOX除去制御ルーチンを示している。図9を参照すると、まずステップ220では切替弁61が逆流位置に切り替えられ又は保持される。続くステップ221では還元剤供給量QRが上述したQRRに設定される。続くステップ222では還元剤供給弁77から還元剤供給量QRだけ還元剤が供給される。続くステップ223ではSOX除去制御を完了すべきか否かが判別される。本発明による実施例では、SOX除去制御が開始されてから、補助触媒76に付着しているSOXの量をほぼゼロにするのに必要な時間だけ経過したときにSOX除去制御を完了すべきであると判断される。この必要な時間は予め実験により求めておくことができる。SOX除去制御を完了すべきであると判断されるまでステップ222に戻って還元剤が繰り返し供給され、SOX除去制御を完了すべきであると判断されると処理サイクルを終了する。
【0077】
図10は上述した微粒子酸化制御ルーチンを示している。図10を参照すると、まずステップ230では切替弁61が順流位置に切り替えられ又は保持される。続くステップ231では還元剤供給量QRが上述したQRPに設定される。続くステップ232では還元剤供給弁77から還元剤供給量QRだけ還元剤が供給される。続くステップ233では微粒子酸化制御を完了すべきか否かが判別される。本発明による実施例では、パティキュレートフィルタ69上の堆積微粒子量がほぼゼロになったときに微粒子酸化制御を完了すべきであると判断される。微粒子酸化制御を完了すべきであると判断されるまでステップ232に戻って還元剤が繰り返し供給され、微粒子酸化制御を完了すべきであると判断されると処理サイクルを終了する。
【0078】
図11は上述した蓄積SOX量減少制御ルーチンを示している。図11を参照すると、まずステップ240では切替弁61が弱順流位置に切り替えられる。続くステップ241では還元剤供給量QRが上述したQRSに設定される。続くステップ242では還元剤供給弁77から還元剤供給量QRだけ還元剤が供給される。続くステップ243では蓄積SOX量減少制御を完了すべきか否かが判別される。本発明による実施例では、NOX触媒81内の蓄積SOX量がほぼゼロになったときに蓄積SOX量減少制御を完了すべきであると判断される。蓄積SOX量減少制御を完了すべきであると判断されるまでステップ242に戻って還元剤が繰り返し供給され、蓄積SOX量減少制御を完了すべきであると判断されると処理サイクルを終了する。
【0079】
次に、本発明による別の実施例のSOX除去制御を説明する。
【0080】
上述したSOX除去制御では、補助触媒76内に流入する排気ガスの平均空燃比AFAをリッチにするために、還元剤供給弁77から還元剤を供給するようにしている。
【0081】
しかしながら、この目的のために、排気管20a内を流通する排気ガスの平均空燃比をリッチとなるようにしてもよく、即ち排気マニホルド19内又は排気管20,21内に還元剤を供給してもよいし、或いは内燃機関から排出される排気ガスの平均空燃比をリッチにしてもよい。ここで、内燃機関から排出される排気ガスの平均空燃比をリッチにするためには、燃焼室5内に供給される混合気の空燃比をリッチにする方法もあれば、燃焼行程又は排気行程に燃料噴射弁6から追加の燃料を噴射する方法もある。
【0082】
本発明による別の実施例では、この追加の燃料を噴射する方法により補助触媒76内に流入する排気ガスの平均空燃比AFAがわずかばかりリッチになるようにしている。次に、図12を参照して本発明による別の実施例を詳しく説明する。図12において、QPは燃焼行程又は排気行程に燃料噴射弁6から噴射される追加の燃料量、AFEは内燃機関から排出される排気ガスの平気空燃比をそれぞれ示している。
【0083】
図12において矢印Xで示されるようにNOX触媒81内の蓄積SOX量QSが許容量QSUを越えると、又は矢印Yで示されるように微粒子酸化制御が完了するとSOX除去制御が行われる。即ち、切替弁61が例えば順流位置からバイパス位置に切り替えられて保持され、矢印Pで示されるように燃料噴射弁6から燃焼行程又は排気行程に追加の燃料が噴射される。切替弁61がバイパス位置に保持されると、図13に示されるように排気管20a内を流通した全ての排気ガスが流入ポート62から流出ポート63を介し直接的に排気ガス排出管64内に流出し即ちNOX触媒81及びパティキュレートフィルタ69を迂回し、排気ガスがNOX触媒81内及びパティキュレートフィルタ69内を流通しない。このように、切替弁61がバイパス位置に保持されているときには、切替弁61の流入ポート62から流出ポート63までの排気ガス流路はパティキュレートフィルタ69を迂回するバイパス通路として作用することになる。その結果、内燃機関から排出された排気ガス中に含まれる多量の還元剤がNOX触媒81を迂回し、従って補助触媒76内に流入する前にNOX触媒81内で酸化され消費されるのが阻止される。
【0084】
このとき追加の燃料量QPは補助触媒76内に流入する排気ガスの平均空燃比AFAをわずかばかりリッチにするのに必要なQRR’とされる。なお、この場合には補助触媒76内に流入する排気ガスの平均空燃比AFAは内燃機関から排出される排気ガスの平均空燃比AFEに一致している。
【0085】
図14は上述した本発明による別の実施例のSOX除去制御ルーチンを示している。なお、この実施例においても図7に示されるSOX制御ルーチン及び図8に示される微粒子制御ルーチンが実行され、これらルーチンのステップ201,203,211において図14のSOX除去制御ルーチンが実行される。図14を参照すると、まずステップ250では切替弁61がバイパス位置に切り替えられる。続くステップ251では追加の燃料噴射量QPが上述したQRR’に設定される。続くステップ252では燃焼行程又は排気行程に燃料噴射弁6からQPだけ追加の燃料が噴射される。続くステップ253ではSOX除去制御を完了すべきか否かが判別される。SOX除去制御を完了すべきであると判断されるまでステップ252に戻って追加の燃料が繰り返し噴射され、SOX除去制御を完了すべきであると判断されると処理サイクルを終了する。
【0086】
これまで述べてきた本発明による実施例は例えば図15に示される内燃機関にも適用することができる。
【0087】
図15に示される内燃機関では、排気管20aの出口にケーシング168が接続され、このケーシング167は排気管20cを介してケーシング175に接続され、ケーシング175は排気管23に接続される。これらケーシング168,175内にはNOX触媒81を担持したパティキュレートフィルタ69、及び補助触媒76がそれぞれ収容される。
【0088】
排気管20aからバイパス管185が分岐されており、このバイパス管185の流出端は排気管20cに開口している。また、バイパス管185の流入端が開口している排気管20aの部分には、図示しない電子制御ユニットによって制御される切替弁161が配置される。更に、バイパス管185の流入端とパティキュレートフィルタ69間の排気管20aに還元剤供給弁77が配置される。
【0089】
切替弁161は通常、図16に実線で示される通常位置に保持される。切替弁161がこの通常位置に保持されると、バイパス管185が遮断され、排気管20a内に流入したほぼ全ての排気ガスがパティキュレートフィルタ69内に導かれる。従って、切替弁161の通常位置は図1の内燃機関における切替弁61の順流位置又は逆流位置に相当する。
【0090】
この内燃機関でも、微粒子酸化制御が行われるのに先立ってSOX除去制御が行われ、蓄積SOX量減少制御が行われるのに先立ってSOX除去制御が行われる。微粒子酸化制御を行うべきときには、切替弁161を通常位置に保持しながら還元剤供給弁77から還元剤が供給される。また、蓄積SOX量減少制御を行うべきときには、切替弁161を図16に一点鎖線で示される弱流位置に保持しながら還元剤供給弁77から還元剤が供給される。切替弁161が弱流位置に保持されると、排気管20a内に流入した排気ガスのわずかな一部がパティキュレートフィルタ69内に導かれ残りの排気ガスがバイパス管185内に導かれる。従って、切替弁161の弱流位置は図1の内燃機関における切替弁61の弱順流位置に相当する。
【0091】
SOX除去制御を行うべきときには切替弁161を図16に破線で示されるバイパス位置に保持しながら、内燃機関から排出される排気ガスの平均空燃比がリッチにされる。切替弁161がバイパス位置に保持されると、バイパス管185が開放され、排気管20a内に流入したほぼ全ての排気ガスがパティキュレートフィルタ69を迂回する。従って、切替弁161のバイパス位置は図1の内燃機関における切替弁61のバイパス位置に相当する。
【0092】
図17に示されるように、ケーシング168内にNOX触媒81を収容し、ケーシング175内に補助触媒76を担持したパティキュレートフィルタ69が収容することもできる。
【0093】
従って、一般的に言うと、排気通路内にNOX触媒を配置すると共にNOX触媒下流の排気通路内に補助触媒を配置し、NOX触媒上流の排気通路から分岐してNOX触媒と補助触媒間の排気通路に到るバイパス通路を設け、バイパス通路内を流通する排気ガスの量を制御することによりNOX触媒内を流通する排気ガスの量を制御するための切替弁を設け、バイパス通路の分岐部分とNOX触媒間の排気通路内に還元剤を供給するための還元剤供給弁を配置しているということになる。
【0094】
その上で、図1に示される内燃機関では、排気ガスがNOX触媒内にその一端面を介し流入しNOX触媒からその他端面を介し流出するように排気ガスを案内するか、又はNOX触媒内にその他端面を介し流入しNOX触媒からその一端面を介し流出するように排気ガスを案内するかを切り替えているということになる。
【0095】
【発明の効果】
大気中に排出されるサルフェートの量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】内燃機関の全体図である。
【図2】触媒コンバータの構造を示す図である。
【図3】切替弁が順流位置又は逆流位置にあるときの排気ガスの流れを説明するための図である。
【図4】パティキュレートフィルタの隔壁の部分拡大断面図である。
【図5】切替弁が弱順流位置にあるときの排気ガスの流れを説明するための図である。
【図6】本発明による実施例を説明するためのタイムチャートである。
【図7】本発明による実施例のSOX制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図8】本発明による実施例の微粒子酸化制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図9】本発明による実施例のSOX除去制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図10】本発明による実施例の微粒子酸化制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図11】本発明による実施例の蓄積SOX量減少制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図12】本発明による別の実施例を説明するためのタイムチャートである。
【図13】切替弁がバイパス位置にあるときの排気ガスの流れを説明するための図である。
【図14】本発明による別の実施例のSOX除去制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図15】別の実施例を示す図である。
【図16】図15に示される実施例の切替弁の位置を説明するための図である。
【図17】別の実施例を示す図である。
【符号の説明】
1…機関本体
20a…排気管
22…触媒コンバータ
61…切替弁
64…排気ガス排出管
67…環状排気管
69…パティキュレートフィルタ
76…補助触媒
77…還元剤供給弁
81…NOX触媒[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust gas purification device for an internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a particulate filter for trapping fine particles in an inflowing exhaust gas is disposed in an exhaust passage of an internal combustion engine in which combustion is continuously performed under a lean air-fuel ratio, and the NO in exhaust gas flowing in when the air-fuel ratio is leanXNO when the reducing agent is contained in the exhaust gas when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas decreasesXNO stored and reducedXNO decreases the amount ofXThere is known an internal combustion engine in which a catalyst is supported on the particulate filter and an auxiliary catalyst having oxidizing ability is disposed in an exhaust passage downstream of the particulate filter. This auxiliary catalyst is NOXThe HC and CO flowing out of the catalyst are oxidized, so that a large amount of HC and CO is prevented from being discharged into the atmosphere.
[0003]
By the way, in such an internal combustion engine, in order to oxidize and remove fine particles deposited on the particulate filter, the temperature of the particulate filter is temporarily increased while maintaining the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the particulate filter lean. To be increased. On the other hand, as will be described in detail later, NOXSO in the catalystXAre stored without the formation of sulfate and this SOXIs NOXNO even if the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the catalyst is leanXNO when catalyst temperature risesXExhausted from the catalyst. Therefore, every time the particulates deposited on the particulate filter are oxidized and removed, NOXCatalyst to SOXIs SO2Will be discharged in the form of
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the particulate matter deposited on the particulate filter is thus oxidized and removed, the temperature of the auxiliary catalyst is also high, and the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the auxiliary catalyst is lean. Since the amount of reducing agent in the exhaust gas flowing into theXSO discharged from the catalyst2Is an auxiliary catalyst with sulfate SO3And then SO3There is a problem that it is discharged into the atmosphere in the form of
[0005]
Accordingly, an object of the present invention is to provide an exhaust gas purification device for an internal combustion engine that can reduce the amount of sulfate discharged into the atmosphere.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system in which SOx in exhaust gas flowing into an exhaust passage of an internal combustion engine in which combustion is continuously performed under a lean air-fuel ratio.XSO that temporarily storesXA storage agent is arranged and the SOXAn auxiliary catalyst having oxidizing ability is arranged in the exhaust passage downstream of the storage agent,XSO adhering to the storage agentXIs SOXPrior to being discharged from the storage agent, the SO adhering to the auxiliary catalystXIs removed from the auxiliary catalyst.
[0007]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, there is provided a reducing agent supply means for supplying a reducing agent to the auxiliary catalyst, and the SOx adhering to the auxiliary catalyst is provided.XIs removed from the auxiliary catalyst, the reducing agent is supplied from the reducing agent supply means to the auxiliary catalyst so that the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the auxiliary catalyst becomes rich.
[0008]
According to a third aspect, in the first aspect, the SOXThe storage agent is carried on a particulate filter for collecting fine particles in the exhaust gas flowing into the storage device.
[0009]
Further, according to a fourth aspect, in the first aspect, the particulate matter is maintained while maintaining the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the particulate filter lean so as to oxidize the fine particles deposited on the particulate filter. Prior to raising the temperature of the curated filter, SO2 adhering to the auxiliary catalystXIs removed from the auxiliary catalyst.
[0010]
According to a fifth aspect, in the first or third aspect, the SOXNO in the inflowing exhaust gas when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is leanXNO when the reducing agent is contained in the exhaust gas when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas decreasesXNO stored and reducedXNO decreases the amount ofXFormed from catalyst.
[0011]
Further, according to a sixth aspect, in the first aspect, the NOXSO stored in the form of sulfate in the catalystXIs NOXPrior to being discharged from the catalyst, the SO adhering to the auxiliary catalystXIs removed from the auxiliary catalyst.
[0012]
According to a seventh aspect, in the first aspect, the auxiliary catalyst is carried on a particulate filter for collecting fine particles in exhaust gas flowing into the auxiliary catalyst.
[0013]
In the present specification, the ratio of air supplied to the exhaust passage, the combustion chamber, and the intake passage upstream of a certain position in the exhaust passage to a reducing agent such as hydrocarbon HC and carbon monoxide CO is referred to as the ratio. It is called the air-fuel ratio of the exhaust gas at the position.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 shows a case where the present invention is applied to a compression ignition type internal combustion engine. The present invention can also be applied to a spark ignition type internal combustion engine.
[0015]
Referring to FIG. 1, 1 is an engine body, 2 is a cylinder block, 3 is a cylinder head, 4 is a piston, 5 is a combustion chamber, 6 is an electrically controlled fuel injection valve, 7 is an intake valve, 8 is an intake port, 9 Denotes an exhaust valve, and 10 denotes an exhaust port. The intake port 8 is connected to a
[0016]
On the other hand, the
[0017]
Referring to FIG. 2 together with FIG. 1, the
[0018]
The
[0019]
As shown in FIG. 2A showing a partial vertical cross-sectional view of the
[0020]
The NO on the
[0021]
An electrically controlled reducing
[0022]
Still referring to FIG. 1, the
[0023]
On the other hand, each fuel injection valve 6 is connected to a fuel reservoir, a so-called
[0024]
The
[0025]
On the other hand, the
[0026]
The switching
[0027]
On the other hand, when the switching
[0028]
By switching the position of the switching
[0029]
The exhaust gas that has flowed into the exhaust
[0030]
Explaining the flow of the exhaust gas in the
[0031]
On the
[0032]
NOXThe catalyst is NO when the average air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is lean.XNO when the reducing agent is contained in the exhaust gas when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas decreasesXNO stored and reducedXPerforms an accumulation reducing action to reduce the amount of
[0033]
NOXThe detailed mechanism of the accumulation and reduction of the catalyst has not been fully elucidated. However, the mechanism currently considered is briefly described below, taking the case where platinum Pt and barium Ba are carried on a carrier as an example.
[0034]
That is, NOXWhen the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the catalyst becomes considerably leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, the oxygen concentration in the exhaust gas flowing into the catalyst greatly increases, and the oxygen O2Is O2 −Or O2-On the surface of platinum Pt. On the other hand, NO in the inflowing exhaust gas adheres to the surface of platinum Pt, and O on the surface of platinum Pt.2 −Or O2-Reacts with NO2(NO + O2→ NO2+ O*, Where O*Is active oxygen). NO generated next2Is partially oxidized on platinum Pt while NOXWhile being absorbed in the catalyst and binding to barium oxide BaO, nitrate ions NO3 −NO in the form ofXDiffusion into the catalyst. NO in this wayXIs NOXStored in the catalyst.
[0035]
In contrast, NOXWhen the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the catalyst becomes rich or stoichiometric, the oxygen concentration in the exhaust gas decreases and NO2Is reduced and the reaction proceeds in the opposite direction (NO3 −→ NO + 2O*) And thus NOXNitrate ion NO in catalyst3 −Is NO in the form of NOXReleased from the catalyst. This released NOXIf the exhaust gas contains a reducing agent, that is, HC or CO, it reacts with these HC and CO to be reduced. Thus, NO on the surface of platinum PtXNO when no longer existsXNO from catalyst to catalystXIs released and reduced, and NOXNO stored in the catalystXGradually decreases.
[0036]
It should be noted that NO is formed without forming nitrate.XAnd store NOXNO without releasingXIt is also possible to reduce Also, active oxygen O*Focusing on, NOXThe catalyst is NOXOf active oxygen O along with the accumulation and release of oxygen*It can also be regarded as an active oxygen generation catalyst that generates OH.
[0037]
On the other hand, in the embodiment according to the present invention, the
[0038]
Here, the
[0039]
In the embodiment according to the present invention, the switching
[0040]
As described above, the exhaust gas passes through the
[0041]
NO over timeXNO stored in
[0042]
On the other hand, fine particles mainly composed of solid carbon contained in the exhaust gas are collected on the
[0043]
In this case, the above-mentioned NOXNO of
[0044]
However, when the temperature of the
[0045]
Therefore, in the embodiment according to the present invention, for example, when the amount of deposited particulates on the
[0046]
More specifically, in the embodiment shown in FIG. 1, while maintaining the switching
[0047]
By the way, the sulfur content in the exhaust gas is SOXIn the form of NOXNO in the
[0048]
This sulfate BaSO4Is difficult to decompose, NOXEven if the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the
[0049]
However, NOXNO while maintaining the temperature of the
[0050]
Therefore, in the embodiment according to the present invention, for example, NOXSO stored in
[0051]
More specifically, in the embodiment shown in FIG. 1, while the switching
[0052]
However, the accumulated SOXIf fine particles are deposited on the
[0053]
Therefore, the SO of the embodiment according to the present inventionXIn control, NOXSO stored in
[0054]
Next, an embodiment according to the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 6, QR is the amount of the reducing agent supplied from the reducing
[0055]
As shown by arrow X in FIG.XSO stored in
[0056]
Next, as shown by an arrow XX in FIG.XWhen the amount becomes almost zero, for example, SOXThe removal control is completed, and the particulate oxidation control is immediately started. That is, the switching
[0057]
Next, as shown by an arrow Y in FIG. 6, when the amount of the deposited particulate on the
[0058]
Next, as shown by an arrow YY in FIG.XWhen the amount becomes almost zero, for example, SOXThe removal control is completed and the stored SOXThe quantity reduction control is started. That is, the reducing agent is intermittently supplied from the reducing
[0059]
Next, as shown by arrow Z in FIG.XSO stored in
[0060]
As described above, in the embodiment according to the present invention, the SO control is performed before the particulate oxidation control is performed.XRemoval control is performed and the accumulated SOXBefore the amount decrease control is performed, SOXRemoval control is performed. By doing so, the sulfate SO discharged from the
[0061]
That is, according to the present inventors, NOXEven if the average air-fuel ratio AFN of the exhaust gas flowing into the
[0062]
Such SOXIs NO in any formXWhether it is stored in the
[0063]
Then, NOXIn the
[0064]
Start of particulate oxidation control and NOXWhen the temperature TN of the
[0065]
On the other hand, the SO flowing into the
[0066]
Before the start of the particulate oxidation control, the
[0067]
Therefore, in this state, the particulate oxidation control is performed and a large amount of SOXFlows in, this SOXIs immediately discharged from the
[0068]
On the other hand, if the amount of the reducing agent flowing into the
[0069]
Therefore, in the embodiment according to the present invention, as shown in FIG.XSO to removeXRemoval control is performed. Specifically, as described above, the reducing agent is supplied such that the average air-fuel ratio AFA of the exhaust gas flowing into the
[0070]
SOXWhen the removal control is completed, the particulate oxidation control is subsequently started. At this time, a large amount of SO flowing into the
[0071]
Similarly, the accumulated SOXEven when the amount reduction control should be started, a large amount of SOXIs attached and the accumulated SOXNO if amount reduction control is performedXSulfate BaSO in
[0072]
Therefore, in the embodiment according to the present invention, as shown in FIG.XPrior to performing the quantity reduction control, SOXRemoval control is performed. Therefore, also in this case, a large amount of sulfate SO3Is prevented from being discharged.
[0073]
In the embodiment according to the present invention, as described above, the particulate oxidation control is also performed when the amount of particulates deposited on the
[0074]
FIG. 7 shows an SO according to an embodiment of the present invention.X4 shows a control routine. This routine is executed by interruption every predetermined set time. Referring to FIG. 7, first, in
[0075]
FIG. 8 shows a particle control routine according to the embodiment of the present invention. This routine is executed by interruption every predetermined set time. Referring to FIG. 8, first, at
[0076]
FIG. 9 shows the above-described SO.X9 shows a removal control routine. Referring to FIG. 9, first, at
[0077]
FIG. 10 shows the above-described particulate oxidation control routine. Referring to FIG. 10, first, at
[0078]
FIG. 11 shows the above-described accumulated SO.X9 shows a quantity reduction control routine. Referring to FIG. 11, first, at
[0079]
Next, the SO of another embodiment according to the present invention is described.XThe removal control will be described.
[0080]
SO mentioned aboveXIn the removal control, the reducing agent is supplied from the reducing
[0081]
However, for this purpose, the average air-fuel ratio of the exhaust gas flowing through the
[0082]
In another embodiment according to the present invention, the method of injecting the additional fuel causes the average air-fuel ratio AFA of the exhaust gas flowing into the
[0083]
As indicated by arrow X in FIG.XSO stored in
[0084]
At this time, the additional fuel amount QP is QRR 'necessary for slightly increasing the average air-fuel ratio AFA of the exhaust gas flowing into the
[0085]
FIG. 14 shows another embodiment of the SO according to the present invention.X9 shows a removal control routine. In this embodiment, the SO shown in FIG.XThe control routine and the particle control routine shown in FIG. 8 are executed, and in
[0086]
The embodiment according to the present invention described so far can be applied to, for example, an internal combustion engine shown in FIG.
[0087]
In the internal combustion engine shown in FIG. 15, a
[0088]
A
[0089]
The switching
[0090]
Also in this internal combustion engine, SOx is controlled before particulate oxidation control is performed.XRemoval control is performed and the accumulated SOXBefore the amount decrease control is performed, SOXRemoval control is performed. When the particulate oxidation control is to be performed, the reducing agent is supplied from the reducing
[0091]
SOXWhen the removal control is to be performed, the average air-fuel ratio of the exhaust gas discharged from the internal combustion engine is made rich while holding the switching
[0092]
As shown in FIG.XThe
[0093]
Therefore, generally speaking, NOXNO with catalystXAn auxiliary catalyst is arranged in the exhaust passage downstream of the catalyst, and NOXNO from the exhaust passage upstream of the catalystXBy providing a bypass passage to the exhaust passage between the catalyst and the auxiliary catalyst and controlling the amount of exhaust gas flowing in the bypass passage, NOXA switching valve for controlling the amount of exhaust gas flowing through the catalyst is provided.XThis means that a reducing agent supply valve for supplying the reducing agent is disposed in the exhaust passage between the catalysts.
[0094]
In addition, in the internal combustion engine shown in FIG.XNO flows into the catalyst through one endXGuide the exhaust gas out of the catalyst through the other end face or NOXNO flowing into the catalyst through the other end faceXThat is, it is switched whether the exhaust gas is guided so as to flow out of the catalyst through one end surface thereof.
[0095]
【The invention's effect】
The amount of sulfate discharged into the atmosphere can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall view of an internal combustion engine.
FIG. 2 is a diagram showing a structure of a catalytic converter.
FIG. 3 is a diagram for explaining a flow of exhaust gas when a switching valve is at a forward flow position or a reverse flow position.
FIG. 4 is a partially enlarged sectional view of a partition wall of the particulate filter.
FIG. 5 is a diagram for explaining the flow of exhaust gas when the switching valve is at a weak forward flow position.
FIG. 6 is a time chart for explaining an embodiment according to the present invention.
FIG. 7 shows an SO according to an embodiment of the present invention.X5 is a flowchart illustrating a control routine.
FIG. 8 is a flowchart showing a particulate oxidation control routine according to the embodiment of the present invention.
FIG. 9 shows an SO according to an embodiment of the present invention.XIt is a flowchart which shows a removal control routine.
FIG. 10 is a flowchart illustrating a particulate oxidation control routine according to an embodiment of the present invention.
FIG. 11 shows a storage SO of an embodiment according to the present invention;XIt is a flowchart which shows a quantity reduction control routine.
FIG. 12 is a time chart for explaining another embodiment according to the present invention.
FIG. 13 is a diagram for explaining the flow of exhaust gas when the switching valve is at a bypass position.
FIG. 14 shows an SO according to another embodiment of the present invention.XIt is a flowchart which shows a removal control routine.
FIG. 15 is a view showing another embodiment.
FIG. 16 is a diagram for explaining the position of the switching valve of the embodiment shown in FIG.
FIG. 17 is a diagram showing another embodiment.
[Explanation of symbols]
1. Engine body
20a ... exhaust pipe
22 ... catalytic converter
61 ... Switching valve
64 ... exhaust gas exhaust pipe
67 ... Annular exhaust pipe
69 ... Particulate filter
76 ... Auxiliary catalyst
77… Reducing agent supply valve
81 ... NOXcatalyst
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