JP2004251188A - 内燃機関の排気ガス浄化システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】NOx吸蔵還元型触媒31と三元触媒32を備えた内燃機関の排気ガス浄化システムにおいて、三元触媒32に還元剤吸着機能を付加すると共に、NOx吸蔵還元型触媒31の硫黄パージに際して、硫黄パージと共にNOxの放出及び還元が行われる前期硫黄パージ制御の第1段階で、NOx吸蔵還元型触媒31と三元触媒32に供給する還元剤を増量供給し、次の第2段階では、NOx濃度検出手段35で検出したNOx濃度に応じて、還元剤の供給量を調整するように構成する。
【選択図】 図7
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気ガス中のNOx(窒素酸化物)を還元して浄化するNOx吸蔵還元型触媒を備えた内燃機関の排気ガス浄化システムに関し、より詳細には、NOx吸蔵還元型触媒の硫黄被毒による劣化状態を回復する時のNOxの大気中への排出を防止する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンや一部のガソリンエンジン等の内燃機関や様々な燃焼装置の排気ガス中からNOxを還元除去するためのNOx触媒について種々の研究や提案がなされている。
【0003】
その一つに、NOx吸蔵還元型触媒を内燃機関の排気通路に配置した排気浄化システムがある。この排気浄化システムでは、流入する排気ガスの空燃比がリーンである時にNOxをNOx吸蔵還元型触媒に吸収させ、NOx吸収能力が飽和に近くなると、排気ガスの空燃比を理論空燃比やリッチにして、流入する排気ガスの酸素濃度を低下させることにより吸収したNOxを放出させて、この放出されたNOxを併設した貴金属触媒により還元させる再生操作を行っている。
【0004】
このNOx吸蔵還元型触媒では、触媒担体上に白金(Pt)等の貴金属触媒とバリウム(Ba)等のアルカリ土類金属等で形成されるNOx吸蔵物質(NOx吸収材)を担持しており、高酸素濃度雰囲気下では、排気ガス中のNOは貴金属触媒の触媒作用により酸化されてNO2 となり、NO3 − の形で触媒内に拡散しNOx吸蔵物質で硝酸塩の形で吸収される。
【0005】
そして、空燃比がリッチになり酸素濃度が低下するとNO3 − がNO2 の形でNOx吸蔵物質から放出され、排気ガス中に含まれている未燃HCやCOやH2 等の還元剤により貴金属触媒の触媒作用を受けて、NO2 はN2 に還元される。この還元作用により、大気中にNOxが放出されるのを防止できる。
【0006】
しかし、このNOx吸蔵還元型触媒は、ディーゼルエンジンの燃料に含まれている硫黄分(サルファ)がNOx吸蔵物質に蓄積し硫酸塩として安定化することにより、NOx吸蔵量が減少するという硫黄被毒の問題がある。
【0007】
この硫黄被毒による触媒劣化が進展すると、排気ガスの空燃比がリーン状態で酸素濃度が高い雰囲気であっても、NOxを吸収する能力が低下しているためNOxの浄化率が低下する。また、すぐにNOx吸収能力が限界に近くまで低下するため、リッチ燃焼による再生処理を頻繁に行う必要が生じるので、燃費の悪化が生じる。
【0008】
そのため、リーン状態からリッチ状態に切り替えて、NOx吸蔵還元型触媒(リーンNOx触媒)が高酸素濃度雰囲気下で吸収したNOxを、低酸素濃度雰囲気下で放出させて、NOx吸蔵物質(NOx吸収剤)のNOx吸収能力を回復する再生処理の他に、この硫黄被毒による劣化の進捗状態を監視し、劣化がある程度進捗した段階で、硫黄分(イオウ)を除去する硫黄パージによる触媒劣化回復処理(触媒復活処理)を行う必要がある(例えば、特許文献1及び特許文献2参照。)。
【0009】
この硫黄パージ(サルファパージ)制御は、触媒を高温かつ無酸素雰囲気にした上で一酸化炭素(CO)を供給し、吸蔵材上に硫酸バリウム(Ba2 SO4 )として吸蔵されている硫黄分(S)を二酸化硫黄(SO2 )にして放出させ、NOx吸蔵能力を回復させている。
【0010】
【特許文献1】
特開平9−32619号公報 (第3頁)
【特許文献2】
特開平10−274031号公報 (第3頁)
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この硫黄パージ制御の初期に、触媒からNOxの吐き出しが発生してNOx浄化率を低下させるという問題がある。
【0012】
つまり、硫黄パージ制御の初期において、NOx吸蔵物質からSO2 と一緒にNO2 も放出されるが、それに対してNO2 の還元剤であるCOは、NOx吸蔵物質上で硫酸バリウムから炭酸バリウムへの入れ替え反応に使用されてしまうため、NO2 還元用としての還元剤が不足してNO2 を還元しきれずに、NO2 が触媒の下流側にそのまま排出されてしまう。この硫黄パージ初期時のNOx吐き出しの例を図9の前半部分Xに示す。この前半部分Xのポスト噴射量を増加し、触媒出口酸素濃度が低下したXa部分がこのNOxの吐き出しに相当する部分である。
【0013】
この硫黄パージ初期時のNOx吐き出しへの対策として、単に、この時に還元剤であるCOを増加したのでは、NOx吸蔵物質から放出されるNO2 の放出速度も同時に上がってしまうため、また、放出されたNO2 量を確定できないため、還元剤の適正な供給を行えず、還元剤過剰又は還元剤過少の状態となり、排気ガスのエミッションを悪化させるおそれが生じ、この問題を解決できない。
【0014】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、排気ガス中のNOxの浄化のためにNOx吸蔵還元型触媒を用いる排気ガス浄化システムにおいて、硫黄パージを行う時に発生するNOxの一時的な吐き出しを回避できる内燃機関の排気ガス浄化システムを提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的を達成するための内燃機関の排気ガス浄化システムは、内燃機関の排気通路に設けられたNOx吸蔵還元型触媒と、該NOx吸蔵還元型触媒の下流側に設けられた三元触媒と、前記NOx吸蔵還元型触媒の出口又は前記三元触媒の出口のNOx濃度を検出するNOx濃度検出手段と、前記NOx吸蔵還元型触媒と前記三元触媒に還元剤を供給する還元剤供給手段と、排気ガスを高温かつリッチに制御する硫黄パージ制御手段とを具備した排気ガス浄化システムにおいて、前記三元触媒に還元剤吸着機能を付加すると共に、前記硫黄パージ制御手段が硫黄パージと共にNOxの放出及び還元が行われる前期硫黄パージ制御手段とNOxの放出及び還元の後の硫黄パージを行う後期硫黄パージ制御手段を備え、前記前期硫黄パージ制御手段が、前期硫黄パージ制御の第1段階で、前記NOx吸蔵還元型触媒と前記三元触媒に還元剤を増量供給する還元剤増量手段と、前記前期硫黄パージ制御の第2段階で、前記NOx濃度検出手段で検出したNOx濃度に応じて、還元剤の供給量を調整するNOx濃度追従制御手段を備えて構成される。
【0016】
この構成によれば、硫黄パージを開始し、内燃機関の燃料噴射条件の変更や吸気絞り等により、排気ガスを高温かつリッチ条件に制御する硫黄パージ制御において、前期硫黄パージ制御では、第1段階の約1秒程度の短時間の間において、ポスト噴射する燃料量を増加したりして排気ガス中のCO、HC等の還元剤を増量して、NOx吸蔵物質からSO2 の放出と共に、急激に放出されるNO2 をこの還元剤で還元する。この時、還元剤が不足しないように増量しているので、NOx吸蔵物質から放出されたNOxが還元しきれずに触媒下流側に吐き出されるのを防止できる。
【0017】
そして、余った還元剤をNOx吸蔵還元型触媒の下流側の三元触媒に付与した還元剤吸着機能により吸蔵する。これにより、還元剤の大気中への流出を防止できる。
【0018】
また、前期硫黄パージ制御の第2段階の5秒から10秒程度の間において、NOx濃度検出手段で検出したNOx濃度に応じて、還元剤の供給量を調整しながらNOxを還元する。
【0019】
この前期硫黄パージは、硫黄パージに伴うNOxの放出及び還元を主としたものであり、このNOxの還元の際に発生する酸素を触媒出口で検出し、この触媒出口酸素濃度の低下で、NOx吸蔵物質からのNOxの吐き出しの終了を検知し、終了する。
【0020】
次の後期硫黄パージ制御は、NOxの放出及び還元の後の硫黄パージを主としたものであり、空気過剰率λが1.0近傍になるように制御して、排気ガスの状態を三元触媒によるNOx浄化に適した状態にし、硫黄パージに必要な時間の間続行した後、硫黄パージを終了する。
【0021】
この硫黄パージの終了は、例えば、硫黄吸蔵量を燃料中の硫黄分量と燃料流量とから、また、硫黄脱離量を温度の関数となる時間当たり脱離量と硫黄パージ時間とからそれぞれ算出し、この硫黄吸蔵量と硫黄脱離量との差がゼロになったら終了する。
【0022】
これにより、NOx吸蔵還元型触媒を用いる排気ガス浄化システムにおいて、硫黄パージの初期において一時的に吐き出されるNOxの大気中への流出(スリップ)を防止できる。
【0023】
なお、ここでいう排気ガスをリッチ条件するとは、必ずしもシリンダボア内でリッチ燃焼する必要はなく、NOx吸蔵還元型触媒に流入する排気ガス中における空気量と燃料量との比が理論空燃比に近いか理論空燃比より燃料量が多いリッチの状態の運転になればよい。
【0024】
そして、上記の内燃機関の排気ガスシステムにおいて、前記前期硫黄パージ制御に供給される還元剤の供給を燃焼噴射のポスト噴射によって供給すると共に、該前期硫黄パージ制御における前記第1段階のポスト噴射量を、前記第2段階のポスト噴射量の2倍〜3倍とし、また、前記前期硫黄パージ制御に供給される還元剤の供給を燃焼噴射のポスト噴射によって供給すると共に、該前期硫黄パージ制御における前記第1段階のポスト噴射時期を、45°ATDC〜90°ATDCとし、前記第2段階のポスト噴射時期を30°ATDC〜45°ATDCとし、更には、前記前期硫黄パージ制御における前記第1段階の期間を、前記第2段階の期間の1/5倍〜1/10倍とすることにより、より少ない還元剤の供給量で、より効果的にNOx浄化の効果を得ることができる。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システムについて、図面を参照しながら説明する。
【0026】
図1に示すように、この排気ガス浄化システム1は、エンジン10の排気通路30に上流側からNOx吸蔵還元型触媒31と、COやHC等の還元剤を吸着する機能を有する三元触媒32を備えて構成される。
【0027】
この排気ガス浄化システム1では、エンジン10の吸気通路20に上流側からエアクリーナー21、MAF(マスエアフロー)センサー22、吸気絞り弁(インテークスロットル弁)23が設けられている。
【0028】
また、排気通路30には、NOx吸蔵還元型触媒31と三元触媒32の他に、排気温度センサ33、触媒入口排気濃度センサ34、触媒出口排気濃度センサ35、触媒入口温度センサ36、触媒出口温度センサ37が設けられる。この排気濃度センサ34,35は、空気過剰率λ(又は酸素濃度)とNOx濃度を測定するセンサである。
【0029】
また、EGR通路40が設けられ、このEGR通路40には、EGRクーラー41とEGR弁42が配設されている。
【0030】
そして、エンジン10の燃料噴射を行うコモンレール噴射システム50及びエンジン全体を制御するECU(エンジンコントロールユニット)と呼ばれる電子制御装置(電子制御ボックス)60が設けられる。
【0031】
この排気ガス浄化システム1においては、空気Aはエアクリーナー21及びMAFセンサー22を通過して、電子制御装置50で制御される吸気絞り弁23により、吸気の流量を調整され、エンジン10の吸気マニホールド20aからシリンダ内に供給される。
【0032】
また、排気ガスGは、エンジン10の排気マニホールド30aを出て排気通路30のNOx吸蔵還元型触媒31と三元触媒32を順に通過して浄化された排気ガスGcとなり、消音器(図示しない)を通過しテールパイプ(図示しない)から排出される。
【0033】
そして、排気ガスGの一部であるEGRガスGeは、EGR通路40を通ってEGRクーラ41で冷却された後、EGRバルブ42でON/OFFと流量調整が行われ、吸気マニホールド20aに入り再循環する。
【0034】
そして、三元触媒32の出口の触媒出口排気濃度センサ35で、NOx濃度を検出するNOx濃度検出手段を構成する。このNOx濃度検出手段は、NOx吸蔵還元型触媒31の出口にNOx濃度センサ(図示しない)設けて、このNOx濃度センサで構成することもできる。
【0035】
また、還元剤供給は、図1の構成では、シリンダ内への燃料噴射制御におけるポスト噴射によって行われ、ポスト噴射の噴射量Qpとポスト噴射時期Tpの調整により、排気ガス中に供給される還元剤の供給量を調節する。即ち、還元剤供給手段は、この燃料噴射制御手段の一部として構成される。
【0036】
なお、図示していないが、このシリンダ内噴射制御の代りに、還元剤供給用に噴射ノズルを排気通路30に設けてこの噴射ノズルから燃料等の還元剤を噴射し、この噴射量の調整により排気ガス中に供給される還元剤の供給量を調節するように構成してもよい。
【0037】
また、硫黄パージは、シリンダ内への燃料噴射制御による燃料噴射量や噴射時期の調整とEGR調整と吸気絞り調整等によって、排気ガスの状態を、高温かつリッチ状態にして行う。即ち、硫黄パージ制御手段は、この燃料噴射制御手段とEGR制御と吸気絞り制御を統合して制御するものとして構成される。
【0038】
次に、NOx吸蔵還元型触媒31と三元触媒32について説明する。
【0039】
図2及び図3と図4に示すように、このNOx吸蔵還元型触媒31は、γアルミナ等でモノリスハニカムを形成し、このモノリスハニカムのセルの担持体31aの表面に触媒金属31b、NOx吸蔵物質31cを担持させて形成される。
【0040】
この触媒金属31bは、活性開始温度より高い温度域で酸化活性を持つ白金(Pt)やパラジウム(Pd)等で形成することができる。また、NOx吸蔵物質31cは、カリウム(K)、ナトリウム(Na)、リチウム(Li)、セシウム(Cs)等のアルカリ金属、バリウム(Ba),カルシウム(Ca)等のアルカリ土類金属、ランタン(La)、イットリウム(Y)等の希土類等でのいずれか一つまたは組合せで形成することができ、ガス中の酸素濃度が高い時にはNOxを吸蔵し、ガス中の酸素濃度が低い時にはNOxを放出する。
【0041】
図3及び図4に、パラジウム(Pd)の触媒金属31bとバリウム(Ba)のNOx吸蔵物質31cから形成されたNOx吸蔵還元型触媒31における排気ガス中のNOx浄化のメカニズムを示す。
【0042】
このNOx吸蔵還元型触媒31では、図3に示すように、排気ガスがリーン状態(希薄燃焼)の高酸素濃度雰囲気下では、排気ガス中のNOはパラジウム(Pd)の触媒作用により酸化されてNO2 となり、NO3 − の形で触媒内に拡散しNOx吸蔵物質31cであるバリウム(Ba)の硝酸塩(Ba(NO3)2)の形で吸収される。つまり、炭酸バリウム(BaCO3)から硝酸バリウム(Ba(NO3)2)に変化することで、選択的にNO2 を吸蔵する。
【0043】
そして、図4に示すように排気ガスがリッチ状態になり酸素濃度が低下するとNO3 − がNO2 の形でNOx吸蔵物質31cから放出される。つまり、硝酸バリウム(Ba(NO3)2)から炭酸バリウム(BaCO3)に変化することで、NO2 を放出する。この放出されたNO2 は、排気ガス中に含まれている未燃HCやCOやH2 等の還元剤によりパラジウム(Pd)の触媒作用を受けて、N2 に還元される。この還元作用により、大気中にNOxが放出されるのを阻止することができる。
【0044】
そして、図2に示すように、還元剤吸収機能を有する三元触媒32は、γアルミナ等でモノリスハニカムを形成し、このモノリスハニカムのセルの担持体32aの表面に白金(Pt)やロジウム(Rh)等の触媒金属32bの他に、HCやCOを低温で吸蔵し、高温で放出するゼオライト等で形成される還元剤吸蔵物質32c及びセリヤ(CeO2 )等で形成される酸素吸蔵物質32dを備えて構成される。
【0045】
この還元剤吸蔵物質32cはHCを吸着して、高温で放出し、触媒金属32bで酸化し、CO2 ,H2 Oとする。また、酸素吸蔵物質32dはλ=1近辺でO2 を出し入れし,三元領域を広げるのに役立つ。
【0046】
そして、この排気ガス浄化システム1における再生制御方法は、図5に示すような各手段からなる制御手段によって行われ、この排気ガス浄化システムの制御手段C1は、通常制御手段C10、硫黄パージ開始判定手段C20、再生制御開始判定手段C30、硫黄パージ制御手段C40、及び、再生制御手段C50等を有して構成される。
【0047】
この通常制御手段C10は、通常のリーン(希薄)燃焼運転を行うための制御手段であり、硫黄パージ開始判定手段C20は、硫黄パージ運転を行うか否かを判定する手段であり、硫黄被毒が限界に達した場合に、硫黄パージ制御を開始すると判定する。また、再生制御開始判定手段C30は、NOx吸蔵還元型触媒31のNOx吸収能力が飽和に達し再生制御開始の状態になっているか否かを判定する手段である。そして、硫黄パージ制御手段C40は、硫黄パージのための制御を行う手段で、再生制御手段C50は、NOx吸収能力の回復を行ってNOx吸蔵還元型触媒31の再生をする手段である。
【0048】
この硫黄パージ制御手段C40は、硫黄被毒されたNOx吸蔵物質31cから硫黄をパージする手段であり、EGR制御や吸気絞り制御等を行って排気温度を上昇させてこの排気ガス昇温により触媒温度が硫黄パージ温度以上に昇温させると共に、排気ガスの空燃比を理論空燃比若しくはこの理論空燃比よりも少し低い値に制御し、硫黄パージに最適な温度及び低酸素濃度状態にして、触媒温度の低下を防止しながら、効率良く、硫黄パージを行う。
【0049】
そして、本発明においては、この硫黄パージ制御手段C40は、硫黄パージと共にNOxの放出及び還元が行われる前期硫黄パージ制御手段C41とNOxの放出及び還元の後の硫黄パージを行う後期硫黄パージ制御手段C42とから構成される。
【0050】
更に、前期硫黄パージ制御手段C41は、還元剤増量制御手段C41AとNOx濃度追従制御手段C41Bを有して構成され、前期硫黄パージ制御の実行初期の第1段階に、還元剤増量制御手段C41Aにより、NOx吸蔵還元型触媒31と三元触媒32に供給する還元剤を増量供給する還元剤増量パージ制御を行い、前期硫黄パージ制御の第2段階では、NOx濃度追従制御手段C41Bにより、NOx濃度検出手段である触媒出口排気濃度センサ35で検出したNOx濃度に応じて排気ガス中への還元剤の供給量を調整するNOx濃度追従パージ制御を行うように構成される。
【0051】
また、後期硫黄パージ制御では、後期硫黄パージ制御手段C42により、触媒出口排気濃度センサ35から検出した空気過剰率λext が、目標のλtext (通常は1.0)になるようにフィードバック制御して、排気ガスの状態を三元触媒によるNOx浄化に適した状態にしながら、硫黄パージを行う。
【0052】
そして、この排気ガス浄化システム1の制御方法は、図6に例示するような運転制御フローに従って行われる。
【0053】
この図6の運転制御フローは、エンジン10の運転中にエンジンの他の制御フローと並行して実行されるものとして示すものであり、エンジンのキーがOFFされエンジンの運転が停止されると、実行途中で割り込みが生じ、この運転制御フローの実行が中断され終了される。このエンジンのキーOFFによる運転制御フローの中断及び運転制御の終了の部分を点線で図示している。
【0054】
この制御フローの概要を説明すると、ステップS10で通常制御手段C10により通常のリーン燃焼(希薄燃焼)運転を行い、ステップS20で硫黄パージ開始判定手段C20によりNOx吸蔵還元型触媒31の硫黄パージが必要か否かを判定し、必要との判定時には、ステップS40で硫黄パージ制御手段C40により硫黄パージ制御を行って触媒の硫黄被毒による劣化を回復し、ステップS10に戻る。
【0055】
また、ステップS20で硫黄パージが不必要と判定された場合には、ステップS30で再生制御開始判定手段C30によりNOx吸蔵還元型触媒30を再生する再生制御が必要か否かを判定し、必要との判定時には、ステップS50で再生制御手段C50により再生制御を行ってNOx吸蔵還元型触媒31を再生し、その後ステップS10に戻る。このステップS30で再生制御が不必要と判定された場合には、ステップS10に戻る。
【0056】
この再生制御は、リッチ燃焼により触媒の再生を行うものであり、空気過剰率λが触媒入口で、0.8〜0.95の酸素濃度がゼロに近い排気ガスを発生させて、NOx吸蔵還元型触媒31からNOxを放出させると共に、放出されたNOxを触媒金属31bと三元触媒32で還元浄化して、NOx吸収能力を回復し、NOx吸蔵還元型触媒31を再生する。なお、この再生制御では、排気ガス温度が低いので、硫黄パージは行われない。
【0057】
そして、エンジンキーがOFFされるまでこの制御フローのステップS10〜S50が繰り返し実行され、エンジンキーOFF等の終了指令の割り込みにより、ステップS60の制御フロー終了処理で、今回のエンジン運転でNOx吸蔵還元型触媒30に累積しているNOx量及び硫黄量やリーン運転継続時間等をメモリーに書込む等の終了処理をした後、この制御フローが停止(ストップ)され終了(エンド)する。
【0058】
そして、本発明は、このステップS40の硫黄パージ制御手段C40により行う、NOx吸蔵還元型触媒30の硫黄被毒による劣化を回復するための硫黄パージ制御に特徴がある。
【0059】
この硫黄パージ制御手段C40では、EGR制御や吸気絞り制御等を行って空気過剰率λを段階的に0.8〜0.95の範囲から0.95〜1.0の範囲へと移行させ、硫黄パージに最適な温度及び低酸素濃度状態にして、触媒温度の低下を防止しながら、効率良く、硫黄パージを行う。なお、NOx吸収能力を回復するための再生制御における排気ガスの空気過剰率λは、通常は触媒入口で0.8〜0.95程度であり、硫黄パージ制御では、再生用のリッチ制御よりも、酸素濃度が高くなるように制御される。
【0060】
本発明の硫黄パージ制御は、図7及び図8に示すように、ステップS41〜ステップS43の前期硫黄パージ制御とステップS44〜ステップS45の前期硫黄パージ制御とステップS46の硫黄パージ制御終了制御とからなる。
【0061】
そして、前期硫黄パージ制御においては、ステップS41の第1段階で、還元剤増量制御手段C41Aにより、排気ガス中へのCOやHCの還元剤の添加を目的としたポスト噴射を行って還元剤を供給する。このポスト噴射では、図8に示すように、ステップS42の第2段階でNOx濃度追従制御手段C41Bが行うポスト噴射よりも、ポスト噴射量Qp1を多くし、また、場合によってはポスト噴射時期Tp1も遅らせて,還元剤の供給量を増量して、所定の時間dT1(例えば、1秒間程度)の間行う。
【0062】
また、同時に、排気ガスを高温かつリッチ状態にするために、触媒入口排気濃度センサ34から検出した空気過剰率λent をモニターし、目標のλtent(0.8〜0.95程度) になるように空気過剰率λent をフィードバック制御する。この時、吸気量を計測するMAF(マスエアフロー)センサ22の出力をモニターしながら、EGR量や吸気絞り(ITH)量もフィードバック制御もする。
【0063】
このステップS41で生成されたCOやHCは、NOx吸蔵還元型触媒31で発生するNO2 のための還元剤として使用されるが、使用されずに残った還元剤は、三元触媒32の還元剤吸着物質32cで吸着する。この吸着により還元剤の大気中への排出を防止する。
【0064】
そして、NOx吸蔵還元型触媒31で還元し切れなかったNOxが三元触媒32に流入してきた時に、この吸着されている還元剤を使用して三元機能によりNOxを浄化する。つまり、過剰な還元剤を還元剤吸着物質32cにより三元触媒32に溜め、この溜めた還元剤を三元触媒32におけるNOx浄化に使用することでNOxの大気中への放出を防止する。
【0065】
そして、この前期硫黄パージの第1段階における還元剤供給を所定の時間行って、この第1段階の制御を終了した後は、図7及び図8に示すように、前期硫黄パージの第2段階のステップS42でNOx濃度追従制御手段C41BによるNOx濃度追従制御を行う。
【0066】
このNOx濃度追従制御は、NOx濃度(NOxの吐き出し量)をモニターし、このNOx濃度に応じて、ポスト噴射量Qpやポスト噴射時期Tpをフィードバック制御する。つまり、硫黄パージ中にNOx濃度が高くなり、NOxの吐き出しが確認された場合は、還元剤の量が不足しているので、ポスト噴射量Qp2を増加したり、ポスト噴射時期Tp2を更に遅延したりして、排気ガス中の還元剤の量を増やし、三元触媒32の三元反応によりNOxを浄化する。
【0067】
また、同時に、触媒入口排気濃度センサ34から検出した空気過剰率λent をモニターし、目標のλtent ( 0.95〜1.0程度) になるように空気過剰率λent をフィードバック制御する。この時、第1段階と同様に、吸気量を計測するMAF(マスエアフロー)センサ22の出力をモニターしながら、EGR量や吸気絞り(ITH)量もフィードバック制御もする。
【0068】
そして、例えばNOx濃度によって決められたポスト噴射量と、空気過剰率λent によって決められたポスト噴射量の大きい方の値をとって制御する。
【0069】
なお、前期硫黄パージ制御の第1段階及び第2段階のポスト噴射の実施の形態については予めベンチ試験で、触媒出口排気濃度センサ35で検出したNOx濃度(吐き出し量)に応じた最適ポスト噴射量Qp1、Qp2と最適ポスト噴射時期Tp1、Tp2を確認しておき、それに基づいてポスト噴射制御を行う。
【0070】
そして、図8に示す第1段階のポスト噴射量Qp1を、第2段階のポスト噴射量Qp2の2倍〜5倍とし、また、第1段階のポスト噴射時期Tp1を、45°ATDC〜90°ATDCとし、第2段階のポスト噴射時期Tp2を30°ATDC〜45°ATDCとし、更には、前期硫黄パージ制御の第1段階の期間dT1を、第2段階の期間dT2の1/5倍〜1/10倍とすることにより、より少ない還元剤の供給量で、より効果的にNOxを浄化できる。
【0071】
このステップS42の第2段階の制御を継続するか否かを、ステップS43で、触媒入口の空気過剰率λext と触媒出口の空気過剰率λent の差が所定の値Δλth以下になる((λext −λent )<Δλth)か否かで判定し、所定の値Δλth以下になった時に、前期硫黄パージ制御を終了し、ステップS44の後期硫黄パージ制御に入る。
【0072】
つまり、前期硫黄パージ制御の終了時期については、NOx吸蔵還元型触媒31から放出されたNOxが還元される時に酸素が発生し、NOxの吐き出しが終了しNOxの還元反応も終了すると酸素の発生も終了するので、NOx吸蔵還元型触媒31の前後の空気過剰率λ(あるいは酸素濃度)をモニターし、前後の差が少なくなったことでNOxの吐き出し終了を検知し、初期硫黄パージ制御を終了する。
【0073】
また、次のステップS44以降の後期硫黄パージ制御では、触媒出口排気濃度センサ35から検出した空気過剰率λext をモニターし、目標のλtext (通常は1.0)になるように空気過剰率λext をフィードバック制御して、空気過剰率λtext が略1.0のストイキ条件にして、三元浄化を行うと同時に、硫黄パージを行う。この時、吸気量を計測するMAF(マスエアフロー)センサ22の出力をモニターしながら、EGR量や吸気絞り(ITH)量もフィードバック制御もする。なお、この時のポスト噴射は、ポスト噴射量Qp3及びポスト噴射時期Tp3で行われる。
【0074】
そして、ステップS44の後期硫黄パージ制御は、蓄積された硫黄量SOxS と温度の関数となる硫黄脱離量SOxR との差がゼロになるように設定された所定の目標時間の間行う。なお、硫黄脱離量SOxR が温度の関数となるため、後期硫黄パージ制御中の排気温度や触媒温度を計測し、この温度に基づいて所定の目標時間を温度補正することにより、より正確に硫黄パージできる。
【0075】
上記の構成の排気ガス浄化システム1の制御方法によれば、硫黄パージが必要になった時に、上流側のNOx吸蔵還元型触媒31で消費される以上の還元剤を供給することにより、豊富な還元剤で硫黄パージ初期に一時的に大量に放出されるNOxを還元浄化し、過剰な還元剤を下流側の還元剤吸収機能を有する三元触媒で吸蔵しながら、還元しきれなかったNOxを下流側の三元触媒で浄化して、NOxの大気中への放出を防止することができる。
【0076】
この排気ガス浄化システム1による排気ガスの浄化の実施例を図9に示す。この図9の前半(X領域)は、従来の硫黄パージ制御の比較例を示し、ポスト噴射量を増加しリッチ運転をしているXa領域で触媒出口NOx濃度が著しく増加していることが分かる。一方、後半(Y領域)は、本発明の実施例であり、第1段階の還元剤増量制御(A)を含むポスト噴射量の増加領域Yaにおいて、触媒出口NOx濃度の増加が見られなくなっており、本発明のNOx浄化効果が分かる。
【0077】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る排気ガス浄化システムによれば、硫黄パージの初期段階である前期硫黄パージ制御の第1段階において、還元剤増量制御を行うことにより、上流側のNOx吸蔵還元型触媒で消費される以上の還元剤を供給し、豊富な還元剤で硫黄パージ初期の一時的に大量に放出されるNOxを還元浄化すると共に、消費しきれなかった還元剤を下流側の還元剤吸収機能を有する三元触媒に吸蔵することにより還元剤の大気中への放出を回避し、更に、NOx吸蔵還元型触媒で還元しきれなかったNOxを下流側の三元触媒で浄化して、NOxの大気中への放出を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システムの構成を示す図である。
【図2】図1の排気ガス浄化システムのNOx吸蔵還元型触媒と還元剤吸収機能を有する三元触媒の構成と浄化のメカニズムを模式的に示す図である。
【図3】NOx吸蔵還元型触媒のリーン燃焼状態(NOx吸蔵)における浄化のメカニズムを模式的に示す図である。
【図4】NOx吸蔵還元型触媒のリッチ燃焼状態(触媒再生)における浄化のメカニズムを模式的に示す図である。
【図5】本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システムの制御手段の構成を示す図である。
【図6】本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化方法を示す運転制御フローのフローチャート図である。
【図7】図6の硫黄パージ制御のより詳細なフローチャート図である。
【図8】硫黄パージ制御のポスト噴射量とポスト噴射時期等の時系列を示す図である。
【図9】本発明の実施例と従来技術の比較例における排気ガス中のNOx濃度等の時系列を示す図である。
【符号の説明】
1 排気ガス浄化システム
10 内燃機関(エンジン)
30 排気通路
31 NOx吸蔵還元型触媒
32 三元触媒
35 触媒出口排気濃度センサ
Claims (4)
- 内燃機関の排気通路に設けられたNOx吸蔵還元型触媒と、該NOx吸蔵還元型触媒の下流側に設けられた三元触媒と、前記NOx吸蔵還元型触媒の出口又は前記三元触媒の出口のNOx濃度を検出するNOx濃度検出手段と、前記NOx吸蔵還元型触媒と前記三元触媒に還元剤を供給する還元剤供給手段と、排気ガスを高温かつリッチに制御する硫黄パージ制御手段とを具備した排気ガス浄化システムにおいて、前記三元触媒に還元剤吸着機能を付加すると共に、前記硫黄パージ制御手段が硫黄パージと共にNOxの放出及び還元が行われる前期硫黄パージ制御手段とNOxの放出及び還元の後の硫黄パージを行う後期硫黄パージ制御手段を備え、前記前期硫黄パージ制御手段が、前期硫黄パージ制御の第1段階で、前記NOx吸蔵還元型触媒と前記三元触媒に還元剤を増量供給する還元剤増量手段と、前記前期硫黄パージ制御の第2段階で、前記NOx濃度検出手段で検出したNOx濃度に応じて、還元剤の供給量を調整するNOx濃度追従制御手段を備えて構成されることを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化システム。
- 前記前期硫黄パージ制御に供給される還元剤の供給を燃焼噴射のポスト噴射によって供給すると共に、該前期硫黄パージ制御における前記第1段階のポスト噴射量を、前記第2段階のポスト噴射量の2倍〜3倍としたことを特徴とする請求項1記載の内燃機関の排気ガス浄化システム。
- 前記前期硫黄パージ制御に供給される還元剤の供給を燃焼噴射のポスト噴射によって供給すると共に、該前期硫黄パージ制御における前記第1段階のポスト噴射時期を、45°ATDC〜90°ATDCとし、前記第2段階のポスト噴射時期を30°ATDC〜45°ATDCとしたことを特徴とする請求項1又は2記載の内燃機関の排気ガス浄化システム。
- 前記前期硫黄パージ制御における前記第1段階の期間を、前記第2段階の期間の1/5倍〜1/10倍としたことを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の内燃機関の排気ガス浄化システム。
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