JP2004285832A

JP2004285832A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2004285832A
Application number: JP2003075348A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Onodera; 仁小野寺; Hiroaki Kaneko; 浩昭金子
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-03-19
Filing date: 2003-03-19
Publication date: 2004-10-14
Anticipated expiration: 2023-03-19
Also published as: JP4273797B2

Abstract

【課題】ディーゼル機関１において、冷間時のＨＣとＮＯｘとを低減する。
【解決手段】排気通路１２に、三元触媒３とＨＣトラップ触媒４とＮＯｘトラップ触媒５とが順に配置されており、第１，第２，第３温度センサ７，８，９と空燃比センサ１０とを備えている。冷間始動後、まず排気空燃比がリッチとなるリッチ運転を行い、ＮＯｘの低減と触媒の早期活性化を図る。このときのＨＣは、ＨＣトラップ触媒４にトラップされる。ＨＣトラップ触媒４からＨＣが脱離し、かつこれを浄化できる触媒温度となったら、リッチ運転を終了する。ＮＯｘトラップ触媒５がＮＯｘをトラップできる温度に達していなければ、ストイキ運転とし、ＮＯｘをトラップできる温度に達したら、リーン運転とし、ＨＣの脱離浄化を促進する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、三元触媒とＨＣトラップ触媒とＮＯｘ触媒とを組み合わせて用いた内燃機関の排気浄化装置、特に、ディーゼル機関のような基本的に希薄燃焼を行う機関に好適な排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
希薄燃焼を行う内燃機関において、排気空燃比がリーンのときに排気ガス中に含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）をトラップし、トラップしたＮＯｘを、排気空燃比をリッチに切り換えることにより放出浄化するＮＯｘトラップ触媒を用いた排気浄化装置が公知である。そのＮＯｘ処理機能は年々進歩し、その処理性能も進歩にあわせ非常に高いものとなってきている。処理性能の向上において、特に低温における性能向上は非常に大きく進歩しており、特許文献１に開示されているように、排気ガス温度が２００℃という低温でも、希薄燃焼の内燃機関から排出されるＮＯｘの処理を可能としている。
【０００３】
さらに機関冷間時の排気有害成分を低減すると、全体的な排気の清浄化により貢献できるようになる。例えば火花点火を行う内燃機関においては、冷間始動時に問題となるＨＣ（炭化水素）の浄化として、すでにＨＣトラップ触媒システムを用いた自動車が実用化されている。
【０００４】
冷間始動時に排出される排気ガス成分の浄化には、上記のようにＨＣトラップ触媒のような後処理装置での対策に合わせて、排気通路に流入する排気空燃比を理論空燃比（所謂ストイキ）近傍に制御する必要があり、ガソリン機関においては、その制御による空燃比制御精度は非常に高いものとなっている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−２９８８３２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ディーゼル機関においても、有害な排気ガス成分の大気中への放出を防止するには、ガソリン機関同様に冷間始動時の排気ガス成分の浄化が必要となる。しかし、ディーゼル機関においては、冷間始動時における排気空燃比はリーンであり、ディーゼル機関の特徴である優れた燃焼効率とリーン空燃比とにより、排気通路内に流入する熱エネルギーはガソリン機関に比べて非常に少ないので、冷間始動後における触媒機能の早期活性化を困難なものとしている。
【０００７】
また、ディーゼル機関においては、上記のように冷間始動時における排気空燃比がリーンであることから、冷間始動時に排出されるＮＯｘは、ＮＯｘトラップ触媒が活性に至る温度に達するまでの間、大気中に排出されてしまう。
【０００８】
また、冷間始動時に排気空燃比を理論空燃比に保つように制御したとしても、従来配置されている酸化触媒ではＮＯｘの還元機能に乏しく、ＮＯｘトラップ触媒が活性温度に達するまでの昇温時間を短縮するだけの効果しか得られない。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、ディーゼル機関や基本的に希薄燃焼を行う筒内直接噴射式ガソリン機関のように、希薄燃焼を行う内燃機関の排気通路に、三元触媒と、機関冷間時のＨＣをトラップし、かつ温度上昇時にトラップしたＨＣを処理する機能を有するＨＣトラップ触媒と、流入する排気ガスの排気空燃比がリーンのときに、排気ガス中のＮＯｘをトラップし、かつトラップしたＮＯｘを、排気空燃比がリッチのときに脱離浄化する機能を有するＮＯｘトラップ触媒と、を組み合せて配置してあり、上記三元触媒が、最上流位置に配置されている。そして、このような構成において、特に、機関冷間時のＮＯｘ濃度と酸素濃度とを制御して、各触媒を早期に活性化し、冷間時におけるＮＯｘの排出を低減するようになっている。
【００１０】
【発明の効果】
この発明によれば、機関の冷間始動後の排気ガス温度が低く、かつ触媒活性が十分でないときに、排気通路に流入するＮＯｘ濃度を極力低くし、加えて酸素濃度を制御することにより、未浄化のまま排出されるＮＯｘを極力少なくでき、かつ触媒、特に最上流に配置した三元触媒を早期に活性化することができる。
【００１１】
【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。
【００１２】
図１は、この発明に係る排気浄化装置の一実施例を示す構成説明図であって、１はディーゼル機関、２はこのディーゼル機関１の運転を制御する制御装置を示している。ディーゼル機関１の吸気系は図示していないが、その吸気系には、各気筒に流入する空気量を制御する手段、例えば吸気絞弁を具備しているとともに、その流量を検知する手段、例えば熱線式エアフロメータを具備している（いずれも図示せず）。
【００１３】
ディーゼル機関１の排気通路１２には、その上流側から順に、三元触媒３、ＨＣトラップ触媒４、ＮＯｘトラップ触媒５、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）６、が配置されている。上記ＨＣトラップ触媒４は、ディーゼル機関１から冷間時に排出されるＨＣのうち分子径の大きいＨＣをトラップする機能を有し、さらに、トラップしたＨＣを所定の触媒温度以上において脱離浄化する機能を有している。上記ＮＯｘトラップ触媒５は、所定の温度範囲において、ディーゼル機関１から排出される排気ガスの排気空燃比がリーンのときに排気ガス中のＮＯｘをトラップし、かつリッチのときには、トラップしていたＮＯｘを放出して浄化する機能を有する。上記ディーゼルパティキュレートフィルタ６は、カーボン等の排気微粒子を捕集除去するものである。この例では、三元触媒３とＨＣトラップ触媒４とが同じケーシング１３内に収容されており、ＮＯｘトラップ触媒５およびディーゼルパティキュレートフィルタ６は、それぞれ別個のケーシング１４，１５を備えている。
【００１４】
排気通路１２の三元触媒３よりも上流側の位置に、排気通路１２に流入する排気ガスの排気空燃比を検知する空燃比センサ１０が配置されている。制御装置２は、この空燃比センサ１０によって検出される実際の排気空燃比と、前述したエアフロメータにより検出されるディーゼル機関１に流入する空気量と、に基づいて、所望の空燃比となるように燃料噴射量および噴射時期を決定し、図示せぬ燃料噴射駆動回路を制御して、燃料噴射弁１６から所望の燃料量を噴射するようになっている。
【００１５】
また、排気通路１２のケーシング１３入口部には、ＨＣトラップ触媒４の入口側での排気温度つまりＨＣトラップ入口温度Ｔ_ＩＮを測定する第１温度センサ７が設けられ、かつＨＣトラップ触媒４の内部には、ＨＣトラップ触媒内部温度Ｔ_ＨＣを測定する第２温度センサ８が設けられている。同様に、ＮＯｘトラップ触媒５の内部には、ＮＯｘトラップ触媒内部温度Ｔ_ＮＯＸを測定する第３温度センサ９が設けられている。なお、この実施例では、上記第１温度センサ７は三元触媒３の上流側に位置するので、その検出温度によって、同時に、三元触媒３の入口温度が検知される。また、三元触媒３はＨＣトラップ触媒４と同じケーシング１３内にあるので、第２温度センサ８の検出温度が、同時に三元触媒３の内部温度を示すものとして用いられる。勿論、三元触媒３の内部温度を直接測定する温度センサやＨＣトラップ触媒４直前の排気ガス温度を測定する温度センサを別途設けることも可能である。これらの温度センサ７，８，９の検出信号は、制御装置２に入力される。制御装置２は、これらの検出温度に基づいて、冷間始動後に、ＨＣトラップ触媒４が活性域に達しているか否か、ＮＯｘトラップ触媒５が排気ガス中のＮＯｘをトラップできる温度に達しているか否か、を判定し、後述するように、ディーゼル機関１から排出される排気ガスの排気空燃比を制御して、冷間時に排出されるＨＣ、ＮＯｘを低減する。
【００１６】
図２は、上記実施例における冷間時の排気空燃比の制御の流れを示すフローチャートであり、以下、これに基づいて、上記実施例の排気浄化装置の冷間時の作用を説明する。
【００１７】
ディーゼル機関１の始動後、まずステップ１０１において、ＨＣトラップ触媒４の内部温度Ｔ_ＨＣがあらかじめ定めた所定の温度Ｔ_０より低いか否かを判別する。ＨＣトラップ触媒内部温度Ｔ_ＨＣが所定温度Ｔ_０に満たないときは、ＨＣトラップ触媒４は活性状態にないと判定し、ステップ１０２へ移行して、触媒システムの昇温途中であることを示す触媒昇温フラグをＯＮにする。一方、暖機再始動等でＨＣトラップ触媒内部温度Ｔ_ＨＣが所定温度Ｔ_０以上であるときは、ＨＣトラップ触媒４は活性温度に達していると判定して、そのまま処理を終了する。
【００１８】
ステップ１０２で触媒昇温フラグをＯＮとした後、ステップ１０３に移行して、排気空燃比をリッチとしたリッチ運転を開始する。これは、吸入空気量の制限や燃料噴射量の増量あるいはポスト噴射などによって実現される。このように冷間始動後に排気通路１２内に流入する排気ガスの排気空燃比をリッチにすることにより、排気通路１２に流入する排気ガスのＮＯｘ濃度を低下させることができ、かつ流入する還元剤濃度が高くなるため、還元剤の酸化反応により三元触媒３の昇温を早めることができる。この三元触媒３の早期活性化により排気空燃比がリッチ側でのＮＯｘ還元機能を有効に利用し、冷間時におけるＮＯｘが低減できる。また、排気空燃比をリッチにすることで、リッチ期間のＨＣ排出量は増加するが、排気通路１２にＨＣトラップ触媒４が配置されており、冷間時に排出される未浄化のＨＣはＨＣトラップ触媒４によってトラップされるので、冷間時における大気中へのＨＣ排出は防止できる。
【００１９】
次にステップ１０４へ進み、ここで、ＨＣトラップ触媒４の内部温度Ｔ_ＨＣがあらかじめ定めた所定の温度Ｔ_ｒ以上であるか否か判別する。この所定温度Ｔ_ｒは、ＨＣトラップ触媒４が、トラップしたＨＣを脱離する温度である。ＨＣトラップ触媒内部温度Ｔ_ＨＣが所定温度Ｔ_ｒより低い場合は、トラップしたＨＣをまだ脱離浄化できる温度にないと判定してリッチ運転を継続する。また所定温度Ｔ_ｒ以上であれば、ステップ１０５へ進んで、さらにＨＣトラップ触媒内部温度Ｔ_ＨＣがＨＣトラップ触媒入口温度Ｔ_ｉｎ以上であるか否かを判別する。ＨＣトラップ触媒内部温度Ｔ_ＨＣがＨＣトラップ触媒入口温度Ｔ_ｉｎよりも低ければ、トラップしたＨＣをまだ脱離浄化できる温度にないと判定して、やはりリッチ運転を継続する。ＨＣトラップ触媒内部温度Ｔ_ＨＣがＨＣトラップ触媒入口温度Ｔ_ｉｎ以上であれば、三元触媒３およびＨＣトラップ触媒４において十分な触媒作用が得られていて、トラップしたＨＣの脱離浄化が可能であると判定し、ステップ１０６以降へ進んで、ディーゼル機関１から排出される排気ガスの排気空燃比をリーンないし理論空燃比に切り換え、トラップしたＨＣの脱離浄化を促進させる。
【００２０】
ステップ１０６では、ＨＣトラップ触媒４の後流に位置するＮＯｘトラップ触媒５の内部温度Ｔ_ＮＯｘがあらかじめ定めた所定温度Ｔ_２以上であるか否かを判定する。この所定温度Ｔ_２は、ＮＯｘ触媒トラップ触媒５がＮＯｘをトラップし得る最低温度である。このステップ１０６へ進んだ時点で、まだＮＯｘトラップ触媒内部温度Ｔ_ＮＯｘが所定温度Ｔ_２に達していない場合には、ＮＯｘトラップ触媒５がＮＯｘをトラップできる状態にないと判断し、ステップ１０９で排気空燃比を理論空燃比としたストイキ運転を実施する。これにより、ＮＯｘトラップ触媒５がＮＯｘをトラップできない段階でのＮＯｘの排出が抑制される。
【００２１】
ステップ１０６でＮＯｘトラップ触媒内部温度Ｔ_ＮＯｘが所定温度Ｔ_２以上であれば、ＮＯｘトラップ触媒５はＮＯｘをトラップできると判定し、ステップ１０７へ進んで、排気空燃比をリーンとするリーン運転に切り換える。そして、触媒システムの昇温が完了したことを示すために、ステップ１０８で、触媒昇温フラグをＯＦＦとし、一連の処理を終了する。
【００２２】
以上の処理によって、冷間時におけるＨＣおよびＮＯｘを低減することが可能となる。
【００２３】
このように、本発明によれば、三元触媒入口温度と内部温度とを検知する手段を具備しており、触媒入口温度に対して三元触媒の活性開始によって起こる内部温度の急激な変化を検知して、三元触媒の活性状態を知ることができ、三元触媒が活性した時点から、排気空燃比を理論空燃比またはリーンに切り換えることで、排気ガス中のＮＯｘとともにＨＣ、ＣＯも浄化することができる。
【００２４】
また、ＨＣトラップ触媒入口温度または内部温度の少なくとも一方を検知する手段を具備しており、ＨＣトラップ触媒のＨＣ脱離開始温度に到達したかを判定でき、その判定に応じて、流入する排気ガスの排気空燃比をリッチから理論空燃比またはリーンに切り換えて、脱離するＨＣの酸化反応を促進し、後段に配置される触媒を早期に活性化させるための熱エネルギーを供給することができる。
【００２５】
さらに、ＨＣトラップ触媒入口温度または内部温度の少なくとも一方を検知する手段と、ＮＯｘトラップ触媒入口温度または内部温度の少なくとも一方を検知する手段と、を具備しており、冷間時の排気空燃比をリッチからリーンに切り換える際の判定を、ＨＣトラップ触媒の活性状態に加えて、ＮＯｘトラップ触媒がＮＯｘをトラップできる状態にあるか否かを考慮して行うことで、さらに冷間時のＮＯｘの排出を低減することが可能となる。
【００２６】
次に、本発明の異なる実施例を図３に示す。この実施例においては、各触媒の配置等の基本的な構成は図１の実施例と同様であるが、前述した第１，第２温度センサ７，８は具備しておらず、温度センサとしては、ＮＯｘトラップ触媒５の内部温度Ｔ_ＮＯＸを測定する温度センサ９のみを備えている。また、空燃比センサとして、図１の実施例と同じく、排気通路１２の三元触媒３よりも上流側の位置に、排気通路１２に流入する排気ガスの排気空燃比を検知する第１空燃比センサ１０を備えているが、この実施例では、さらに、ＨＣトラップ触媒４を通過した排気ガスの排気空燃比を検知するために、ＨＣトラップ触媒４出口側つまりＨＣトラップ触媒４とＮＯｘトラップ触媒５との間に、第２空燃比センサ１１が配置されている。
【００２７】
この実施例においては、冷間始動後の排気空燃比は、ＨＣトラップ触媒４がＨＣを脱離するときに生じるＨＣトラップ触媒４出口側の空燃比変化と、ＮＯｘトラップ触媒５の内部温度Ｔ_ＮＯＸと、に基づいて制御される。
【００２８】
図４は、上記実施例における冷間時の排気空燃比の制御の流れを示すフローチャートであり、以下、これに基づいて、上記実施例の排気浄化装置の冷間時の作用を説明する。
【００２９】
ディーゼル機関１の始動後、まずステップ２０１において、上流側の第１空燃比センサ１０の出力値λ_ｉｎと、下流側の第２空燃比センサ１１の出力値λ_ｏｕｔと、が等しいか否かを判別する。λ_ｉｎとλ_ｏｕｔとが等しい場合には、三元触媒３およびＨＣトラップ触媒４はいずれも活性状態にないと判定し、ステップ２０２へ移行して、触媒システムの昇温途中であることを示す触媒昇温フラグをＯＮにする。λ_ｉｎ＞λ_ｏｕｔであるときは、ＨＣトラップ触媒４が活性温度に達していると判定して、そのまま処理を終了する。
【００３０】
ステップ２０２で触媒昇温フラグをＯＮとした後、ステップ２０３に移行して、排気空燃比をリッチとしたリッチ運転を開始する。これにより、前述したように、ＮＯｘを低減しつつ三元触媒３の早期活性化が図れる。また、冷間時のＨＣは、ＨＣトラップ触媒４によってトラップされる。
【００３１】
そしてステップ２０４において、第１，第２空燃比センサ１０，１１の出力値λ_ｉｎ，λ_ｏｕｔを比較し、λ_ｉｎ＞λ_ｏｕｔであるか否かを判別する。なお、このλの値が大きい方が、相対的にリーンであることを示す。λ_ｉｎ＞λ_ｏｕｔとなるまでは、そのままリッチ運転を継続する。λ_ｉｎ＞λ_ｏｕｔとなったときに、ＨＣトラップ触媒４がトラップしたＨＣを脱離し始めたと判定し、ステップ２０５へ進む。
【００３２】
ステップ２０５においては、ＨＣトラップ触媒４の後流に位置するＮＯｘトラップ触媒５の内部温度Ｔ_ＮＯｘがあらかじめ定めた所定温度Ｔ_２以上であるか否かを判定する。所定温度Ｔ_２は、前述したように、ＮＯｘ触媒トラップ触媒５がＮＯｘをトラップする最低温度である。このステップ２０５へ進んだ時点で、まだＮＯｘトラップ触媒内部温度Ｔ_ＮＯｘが所定温度Ｔ_２に達していない場合には、ＮＯｘトラップ触媒５がＮＯｘをトラップできる状態にないと判断し、ステップ２０６で排気空燃比を理論空燃比としたストイキ運転を実施する。これにより、ＮＯｘトラップ触媒５がＮＯｘをトラップできない段階でのＮＯｘの排出が抑制される。
【００３３】
ステップ２０５でＮＯｘトラップ触媒内部温度Ｔ_ＮＯｘが所定温度Ｔ_２以上であれば、ＮＯｘトラップ触媒５はＮＯｘをトラップできると判定し、ステップ２０７へ進んで、排気空燃比をリーンとするリーン運転に切り換える。そして、触媒システムの昇温が完了したことを示すために、ステップ２０８で、触媒昇温フラグをＯＦＦとし、一連の処理を終了する。
【００３４】
以上の処理によって、冷間時におけるＨＣおよびＮＯｘを低減することが可能となる。
【００３５】
このように、上記実施例では、ＨＣトラップ触媒４出口側の第２空燃比センサ１１によって検出される空燃比の変化によって、ＨＣトラップ触媒４からのＨＣの脱離開始が検知され、排気通路１２に流入する排気ガスの排気空燃比を適切なタイミングでリッチから理論空燃比またはリーンに切り換えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る排気浄化装置の一実施例を示す構成説明図。
【図２】この実施例の冷間時の制御を示すフローチャート。
【図３】この発明に係る排気浄化装置の異なる実施例を示す構成説明図。
【図４】この実施例の冷間時の制御を示すフローチャート。
【符号の説明】
１…ディーゼル機関
２…制御装置
３…三元触媒
４…ＨＣトラップ触媒
５…ＮＯｘトラップ触媒
６…ディーゼルパティキュレートフィルタ
７…第１温度センサ
８…第２温度センサ
９…第３温度センサ（温度センサ）
１０…空燃比センサ（第１空燃比センサ）
１１…第２空燃比センサ

Claims

希薄燃焼を行う内燃機関の排気通路に、
三元触媒と、
機関冷間時のＨＣ（炭化水素）をトラップし、かつ温度上昇時にトラップしたＨＣを処理する機能を有するＨＣトラップ触媒と、
流入する排気ガスの排気空燃比がリーンのときに、排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）をトラップし、かつトラップしたＮＯｘを、排気空燃比がリッチのときに脱離浄化する機能を有するＮＯｘトラップ触媒と、
を組み合せて配置し、かつ上記三元触媒を最上流位置とした内燃機関の排気浄化装置において、
機関冷間時のＮＯｘ濃度と酸素濃度とを制御して、各触媒を早期に活性化し、冷間時におけるＮＯｘの排出を低減することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
冷間始動後に、排気通路に流入する排気ガスの排気空燃比をリッチとして排気通路に流入するＮＯｘ濃度を低下させ、かつ三元触媒の昇温を早め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。
三元触媒の入口温度と内部温度とを検知する手段を具備し、冷間時に、両温度によって判別される三元触媒の活性状態に応じて、流入する排気ガスの排気空燃比をリッチから理論空燃比またはリーンに切り換え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。
ＨＣトラップ触媒の入口温度または内部温度の少なくとも一方を検知する手段を具備し、冷間時に、この温度によって判別されるＨＣトラップ触媒の活性状態に応じて、流入する排気ガスの排気空燃比をリッチから理論空燃比またはリーンに切り換え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。
ＨＣトラップ触媒の入口温度または内部温度の少なくとも一方を検知する手段と、
ＮＯｘトラップ触媒の入口温度または内部温度の少なくとも一方を検知する手段と、を具備し、
冷間時に、これらの温度によって判別されるＨＣトラップ触媒およびＮＯｘトラップ触媒の活性状態に応じて、流入する排気ガスの排気空燃比をリッチから理論空燃比またはリーンに切り換え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。
ＨＣトラップ触媒の出口側の排気空燃比を検知する手段を具備し、冷間時に、この排気空燃比の変化によって判別されるＨＣトラップ触媒の活性状態に応じて、流入する排気ガスの排気空燃比をリッチから理論空燃比またはリーンに切り換え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。
ディーゼル機関に用いられることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。