JP2005248869A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ２次空気の供給によって硫黄臭を抑制するにあたり、十分な空気量を確保する。
【解決手段】 ２次空気を供給する電動エアポンプ２１を、排気通路における最下流の触媒装置である吸蔵型ＮＯｘ触媒１４に対して下流側の排気管１５に接続する。排ガスのリッチ雰囲気に伴って吸蔵型ＮＯｘ触媒１４から放出された硫黄成分が、２次空気中の酸素によって酸化ないし燃焼し（２Ｈ_２Ｓ+３Ｏ_２→２ＳＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ）、これによって硫黄臭が抑制される。２次空気の供給に対する触媒装置の流通抵抗に起因した排気圧の影響を抑制でき、十分な空気量を確保できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の排気を浄化する排気浄化装置に関し、特に燃料中に含まれる硫黄成分に起因した触媒装置からの硫黄臭を抑制するものに関する。

触媒装置を備えた排気浄化装置では、燃料中に含まれる硫黄成分が触媒装置に蓄積する場合がある。これは、燃料中の硫黄成分Ｓと吸気中の酸素Ｏ_２とが燃焼によって結合して硫黄酸化物ＳＯ_Ｘとなり、これが硫酸塩Ｘ−ＳＯ_４（たとえばＡｌ_２（ＳＯ_４）_３、Ｃｅ_２（ＳＯ_４）_３）として、触媒上に蓄積されるものとされている。

蓄積した硫黄成分は、排ガス中の空燃比が理論空燃比よりリッチ側の領域で、還元作用により硫化水素Ｈ_２Ｓとなり（ＳＯ_２＋４Ｈ_２→Ｈ_２Ｓ＋３Ｈ_２Ｏ）、テールパイプから排出される。この硫化水素Ｈ_２Ｓは、一般的に温泉硫黄臭として知られている異臭を放つものであるため、これを抑制する手段が要請されている。

このような硫黄臭を抑制するために、複数直列に設けられた触媒装置の最上流側から２次空気を導入する構成が考えられるが、最下流の触媒装置について空燃比をリーンにするためには、最上流の触媒装置の上流側は混合気をきわめて希薄にしなければならず、触媒装置の浄化性能を発揮できず排ガス浄化性能を損ないかねず、適切な空燃比設定が困難である。

このため、例えば特許文献１は、吸蔵した硫黄成分を空燃比リッチの際に放出する吸蔵型ＮＯｘ触媒の下流に、酸素貯留機能をもつ三元触媒を設けた構造において、吸蔵型ＮＯｘ触媒と三元触媒との間に、エアポンプからの２次空気供給経路を接続した装置を開示している。この装置では、２次空気による酸素が三元触媒に貯留されるので、吸蔵型ＮＯｘ触媒から放出された硫黄成分を、三元触媒に貯留された酸素によって酸化させることができ（２Ｈ_２Ｓ+３Ｏ_２→２ＳＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ）、これによって硫黄臭を抑制することが意図されている。

特開２０００−１１０５５２号公報

しかし、この構成では、２次空気供給経路を三元触媒の前段に接続しているので、三元触媒の流通抵抗によって圧力の高まった排ガス中に２次空気を送出する必要があり、特に高負荷時には、排気のリーン化に必要な空気量の確保が困難となりうる。

そこで本発明の目的は、２次空気の供給によって硫黄臭を抑制するにあたり、十分な空気量を確保できるような手段を提供することにある。

第１の本発明は、排ガス中の硫黄成分を吸蔵・放出可能な硫黄吸蔵触媒装置を備えた内燃機関における排気浄化装置であって、前記硫黄吸蔵触媒装置を含む１または２以上の触媒装置のうち排気通路における最下流の触媒装置に対して下流側の排気管に接続され、当該排気管に２次空気を供給する２次空気供給手段を備えたことを特徴とする排気浄化装置である。

第１の本発明では、２次空気を供給する２次空気供給手段が、排気通路における最下流の触媒装置に対して下流側の排気管に接続されているので、２次空気の供給に対する触媒装置の流通抵抗に起因した排気圧の影響を抑制でき、十分な空気量を確保できる。

第２の本発明は、請求項１に記載の排気浄化装置において、排ガスの空燃比を検出する空燃比検出手段であって前記最下流の触媒装置に対し下流側に設けられた空燃比検出手段と、前記空燃比検出手段の検出値に基づいて前記２次空気供給手段を動作させる制御手段と、を更に備えたことを特徴とする排気浄化装置である。

第２の本発明では、最下流の触媒装置に対し下流側に設けられた空燃比検出手段の検出値に基づいて２次空気供給手段を動作させるので、２次空気供給手段を正確に制御できる。

第３の本発明は、請求項１に記載の排気浄化装置において、排ガスの空燃比を検出する空燃比検出手段であって前記最下流の触媒装置に対し上流側に設けられた空燃比検出手段と、前記内燃機関の運転状態を示す所定の物理量に応じて補正量を算出する補正量算出手段と、前記空燃比検出手段の検出値と前記補正量算出手段の算出した補正量とに基づいて前記２次空気供給手段を動作させる制御手段と、を更に備えたことを特徴とする排気浄化装置である。

第３の本発明では、最下流の触媒装置の上流側に設けられた空燃比検出手段の検出値と、内燃機関の運転状態に基づいて算出された補正量とに基づいて、制御手段が２次空気供給手段を動作させるので、吸蔵触媒装置の下流側に新たな空燃比検出手段を設けることなく、２次空気供給手段を正確に制御できる。

本発明の好適な実施形態につき、以下に説明する。図１において、本発明の第１実施形態に係る排気浄化装置１におけるエンジンは、吸気ポート内燃料噴射式の４気筒ガソリン内燃機関であって、シリンダブロック１０の内部にシリンダ２が形成され、その中にピストン３が摺動可能に挿入されている。

各シリンダ２には吸気ポートおよび排気ポートが形成され、また吸気弁および排気弁がセットされている。吸気ポートには燃料噴射弁４が設けられ、吸気ポートからその上流側の吸気マニホルド５を含む吸気通路の一部には、スロットルアクチュエータによって制御されるスロットル弁（吸気絞り弁）６が設けられている。

排気マニホルド１１には、三元触媒１２および吸蔵型ＮＯｘ触媒１４が、排気管１３を介してこの順に接続されている。吸蔵型ＮＯｘ触媒１４の下流側に接続された排気管１５は、不図示の消音器を経由して外気に連通している。

三元触媒１２は、例えばセラミックハニカム構造体の表面に形成されたアルミナなどの被覆層に白金、ロジウム、パラジウム等の貴金属微粒子が担持された通常の三元触媒装置である。

吸蔵型ＮＯｘ触媒１４は、酸化雰囲気においてＮＯｘをいったん吸蔵させ、主としてＣＯの存在する還元雰囲気中においてＮＯｘをＮ２（窒素）等に還元させる機能を持つものである。詳しくは、吸蔵型ＮＯｘ触媒１４は、貴金属として白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）等を有した触媒装置として構成されており、吸蔵材としてはバリウム（Ｂａ）等のアルカリ金属、アルカリ土類金属が採用されている。また吸蔵型ＮＯｘ触媒１４は、いわゆるＯＳＣ能（Oxygen Storage Capacity；酸素吸蔵放出能）をも有している。そして吸蔵型ＮＯｘ触媒１４は、排ガスが理想空燃比よりリーン側の領域にある場合に、排ガス中の硫黄成分を硫黄酸化物ＳＯｘないし硫酸塩Ｘ−ＳＯ_４（たとえばＡｌ_２（ＳＯ_４）_３、Ｃｅ_２（ＳＯ_４）_３）として吸蔵（蓄積）し、また排ガスが理想空燃比よりリッチ側の領域で、硫化水素Ｈ_２Ｓとして放出する、という硫黄吸蔵放出能を有する。

本実施形態の排気浄化装置１は、２次空気供給用の電動エアポンプ２１を備えている。電動エアポンプ２１の出力側に接続された２次空気管２２には、三方弁２３が備えられており、三方弁２３の出力側には、この三方弁２３を分岐点として触媒上流用空気管２４および触媒下流用空気管２５が接続されている。三方弁２３は不図示のソレノイドの動作により、電動エアポンプ２１からの２次空気を、触媒上流用空気管２４および触媒下流用空気管２５に対して個別に、かつ任意のタイミングで供給できるように構成されている。なお、電動エアポンプ２１の吸気側は外気に開放していてもよいし、吸気マニホルド５の上流側に設けられたエアクリーナから清浄空気を導入可能とされていてもよい。

触媒上流用空気管２４は、排気マニホルド１１における気筒ごとの各分岐管に分岐して接続されており、その中途にはチェック弁（逆止弁）２６を備えている。そして触媒下流用空気管２５は、吸蔵型ＮＯｘ触媒１４の下流側に接続された排気管１５に接続されており、その途中にはチェック弁２７を備えている。

三元触媒１２の上流側には、メインＯ_２センサ３８が設けられている。吸蔵型ＮＯｘ触媒１４の下流側である排気管１５には、サブＯ_２センサ４０が設けられている。これらＯ_２センサ３８，４０は、例えば試験管状のジルコニア素子の表面に白金層を形成してなる周知の構成であり、排ガス中の酸素濃度に応じた電圧を出力する。

装置全体を制御するための電子制御ユニット（以下ＥＣＵという）３０は周知のワンチップマイクロプロセッサとして構成されており、その詳細は図示しないが、各種演算処理を行うＣＰＵ、制御プログラムや各制御変数の初期値などを格納したＲＯＭ、制御プログラムやデータを一時的に保持するＲＡＭ、入出力ポート、Ａ／ＤおよびＤ／Ａ変換器ならびに記憶装置等を含んで構成されている。

ＥＣＵ３０の入出力ポートには、上述した燃料噴射弁４や、電動エアポンプ２１、三方弁２３のほか、点火プラグ３２などがＤ／Ａ変換器や高電圧回路などを介して接続されており、それぞれＥＣＵ３０の制御信号に従って制御される。また、ＥＣＵ３０の入出力ポートには更に、スロットル弁６の開度を検出するスロットルセンサ３４、クランク軸の一部に対向して設けられたクランク角センサ３６、メインＯ_２センサ３８、サブＯ_２センサ４０等がそれぞれＡ／Ｄ変換器を介して接続されており、ＥＣＵ３０ではこれらのセンサ類から入力される各出力信号に基づく所定の演算により、各検出値が算出される。

以上のとおり構成された本実施形態の動作について、以下に説明する。本実施形態では、図２のフロー図に示される下流側２次空気量制御に係る処理とは別途に、ＥＣＵ３０により、メインＯ_２センサ３８の検出値が所定の目標空燃比（例えば理想空燃比よりわずかにリーン側の値）に対応する値と一致するように、上流側空気供給管２４の目標空気噴射量および目標空気噴射時間を設定し、これに従って三方弁２３に対する制御出力を行う上流側２次空気量制御が繰り返し実行される。この上流側２次空気量制御における目標空燃比は、硫黄成分の排出量の抑制を考慮せずに、三元触媒１２および吸蔵型ＮＯｘ触媒１４によるエミッション浄化性能が最適になるように予め設定されるが、実際の排ガスの成分はこの上流側２次空気量制御の遅れまたは不足に起因して、目標空燃比からリッチ側などに外れる場合も随時生じる。

そして、図２のフロー図に示される下流側２次空気量制御に係る処理は、ＥＣＵ３０において、クランク角に応じた所定タイミングの割り込み処理により繰り返し実行される。

まず、サブＯ_２センサ４０およびクランク角センサ３６等の検出値が読み込まれる（Ｓ１０）。次に、その検出値が、理想空燃比に対応する所定の基準電圧値と比較され、これによって空燃比が理想空燃比よりリッチ（酸素不足）であるかが判定される（Ｓ２０）。ここで空燃比が理想空燃比よりリーン（酸素過多）である場合には否定されて、本ルーチンを抜ける。

そして、空燃比が理想空燃比よりリッチ（酸素不足）である場合には、ＥＣＵ３０によって、現在の空燃比およびエンジン回転数等に基づいた２次空気噴射量および空気噴射時間の算出、および算出された２次空気噴射量および空気噴射時間を目標値とした電動エアポンプ２１および三方弁２３に対する制御出力が行われ、これら電動エアポンプ２１および三方弁２３の動作によって、触媒下流側空気管２５から排気管１５に向けて、２次空気が噴射される（Ｓ３０）。

その結果、排ガスのリッチ雰囲気に伴って吸蔵型ＮＯｘ触媒１４から放出された硫黄成分が、２次空気中の酸素によって酸化ないし燃焼し（２Ｈ_２Ｓ+３Ｏ_２→２ＳＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ）、これによって硫黄臭が抑制される。

以上のとおり、本実施形態では、２次空気を供給する電動エアポンプ２１が、排気通路における最下流の触媒装置である吸蔵型ＮＯｘ触媒１４に対して下流側の排気管１５に接続されているので、２次空気の供給に対する触媒装置の流通抵抗に起因した排気圧の影響を抑制でき、十分な空気量を確保できる。

また、本実施形態における吸蔵型ＮＯｘ触媒１４が上述のとおりＯＳＣ能を有し、仮にその入口側で空燃比ないし酸素濃度を検出したとしてもその出口側での空燃比は異なる値になってしまうところ、本実施形態では、最下流の触媒装置である吸蔵型ＮＯｘ触媒１４に対し下流側に設けられたサブＯ_２センサ４０の検出値に基づいて電動エアポンプ２１を動作させるので、電動エアポンプ２１を正確に制御して２次空気を適切なタイミングで供給できる。

また、本実施形態では、上流側２次空気量制御とは別途に下流側２次空気量制御を実行するので、上流側２次空気量制御における目標空燃比を、硫黄成分の排出量の抑制を考慮せずに、三元触媒１２および吸蔵型ＮＯｘ触媒１４によるエミッション浄化性能が最適になるように設定でき、これによって本実施形態では、エミッション浄化性能と硫黄成分排出量の抑制とを両立することができる。

次に、第２実施形態について説明する。上述した第１実施形態では、サブＯ_２センサ４０が最下流の触媒装置の下流側に設けられていたのに対し、以下に説明する第２実施形態の排気浄化装置１０１は、図３に示すとおり、サブＯ_２センサ１４０を最下流の触媒装置である硫黄吸蔵触媒装置（吸蔵型ＮＯｘ触媒１４）の上流側に設けたものである。なお、第２実施形態の残余の機械的構成は上記第１実施形態と同様であるため、同一符号を付してその詳細の説明は省略する。

第２実施形態では、サブＯ_２センサ１４０を吸蔵型ＮＯｘ触媒１４の上流側に設けているが、ＯＳＣ能を有する吸蔵型ＮＯｘ触媒１４では、触媒装置の入口側で酸素濃度を検出したとしてもその出口側での酸素濃度は異なる値になってしまうことになり、検出した酸素濃度ないし空燃比を制御にそのまま用いることはできない。そこで第２実施形態では、検出した酸素濃度に基づいて求められる２次空気噴射時期および噴射時間を、エンジンの運転状態を示す各種のパラメータに基づいて補正するようにしたものである。具体的には、図４に示すように、エンジン１０１の運転状態を示す各種のパラメータと補正係数とを対応関係を定めた補正係数マップを予め作成しておき、ＥＣＵ１３０の記憶装置に記憶させておく。

図４に例示される補正係数マップは、いずれも２次元配列形式のデータファイルであって、それぞれ、触媒の種類に応じたＯＳＣ能、触媒容量、ストイキ（理想空燃比）からのΔＡ／Ｆ（偏差）、吸気側のエアフローメータによって検出されている空気量、および排ガス温度に対応した補正係数を定めたものであり、これらのパラメータの値が大きいほど補正係数が小さくなるように設定されている。そして動作の際には、これらのパラメータの現在値によって補正係数マップが参照され、各現在値に対応した補正係数が読み出される。

第２実施形態の動作について、図５に従って説明する。第２実施形態においても、図５に示される下流側２次空気量制御に係る処理とは別途に、ＥＣＵ１３０により、上記第１実施形態におけるものと同様の上流側２次空気量制御が実行される。

図５のフロー図に示される下流側２次空気量制御に係る処理は、ＥＣＵ１３０において、クランク角に応じた所定タイミングの割り込み処理により繰り返し実行される。

まず、サブＯ_２センサ１４０の検出値が読み込まれる（Ｓ１１０）。次に、その検出値が、理想空燃比に対応する所定の基準電圧値と比較され、これによって空燃比が理想空燃比よりリッチ（酸素不足）であるかが判定される（Ｓ１２０）。ここで空燃比が理想空燃比よりリーン（酸素過多）である場合には否定されて、本ルーチンを抜ける。以上の処理は、上記第１実施形態におけるステップＳ１０およびＳ２０の処理と同様である。

そして、空燃比が理想空燃比よりリッチ（酸素不足）である場合には、ＥＣＵ３０によって、現在の空燃比およびエンジン回転数等に基づいた基本２次空気噴射量および基本空気噴射時間の算出、図４に例示される補正係数マップに従った各補正係数の算出、および、基本２次空気噴射量および基本空気噴射時間に対する各補正係数の乗算が行われる（Ｓ１２５）。この乗算によって、２次空気噴射量および噴射時間の目標値が補正される。

最後に、補正された２次空気噴射量および噴射時間を目標値として、電動エアポンプ２１および三方弁２３に対する制御出力が行われ、これら電動エアポンプ２１および三方弁２３の動作によって、触媒下流側空気管２５から排気管１５に向けて、２次空気が噴射される（Ｓ１３０）。

その結果、排ガスのリッチ雰囲気に伴って吸蔵型ＮＯｘ触媒１４から放出された硫黄成分が、２次空気中の酸素によって酸化ないし燃焼し（２Ｈ_２Ｓ+３Ｏ_２→２ＳＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ）、これによって硫黄臭が抑制される。

以上のとおり、本実施形態では、サブＯ_２センサ１０４の検出値と、エンジンの運転状態に基づいて算出された補正量（補正係数）とに基づいて、ＥＣＵ１３０が２次空気供給手段を動作させるので、吸蔵触媒装置の下流側に新たな空燃比検出手段を設けることなく、２次空気供給手段を正確に制御することができる。

なお、上記各実施形態では、三元触媒１２と吸蔵型ＮＯｘ触媒１４とを接続してなる排気浄化装置１，１０１を例として説明したが、本発明における触媒装置の構成は、排ガス中の硫黄成分を吸蔵・放出可能な吸蔵触媒装置を１つ以上含んで入ればこの組合せである必要はなく、単独であってもよい。

本発明の第１実施形態に係る排気浄化装置を示す概略構成図である。 第１実施形態における下流側２次空気量制御を示すフロー図である。 本発明の第２実施形態に係る排気浄化装置を示す概略構成図である。 第２実施形態における補正係数マップの例を示すグラフである。 第２実施形態における下流側２次空気量制御を示すフロー図である。

符号の説明

１，１０１ 排気浄化装置
１２ 三元触媒
１４ 吸蔵型ＮＯｘ触媒
３０，１３０ ＥＣＵ
３８ メインＯ_２センサ
４０，１４０ サブＯ_２センサ

Claims (3)

1. 排ガス中の硫黄成分を吸蔵・放出可能な硫黄吸蔵触媒装置を備えた内燃機関における排気浄化装置であって、
   前記硫黄吸蔵触媒装置を含む１または２以上の触媒装置のうち排気通路における最下流の触媒装置に対して下流側の排気管に接続され、当該排気管に２次空気を供給する２次空気供給手段を備えたことを特徴とする排気浄化装置。
2. 請求項１に記載の排気浄化装置において、
   排ガスの空燃比を検出する空燃比検出手段であって前記最下流の触媒装置に対し下流側に設けられた空燃比検出手段と、
   前記空燃比検出手段の検出値に基づいて前記２次空気供給手段を動作させる制御手段と、を更に備えたことを特徴とする排気浄化装置。
3. 請求項１に記載の排気浄化装置において、
   排ガスの空燃比を検出する空燃比検出手段であって前記最下流の触媒装置に対し上流側に設けられた空燃比検出手段と、
   前記内燃機関の運転状態を示す所定の物理量に応じて補正量を算出する補正量算出手段と、
   前記空燃比検出手段の検出値と前記補正量算出手段の算出した補正量とに基づいて前記２次空気供給手段を動作させる制御手段と、を更に備えたことを特徴とする排気浄化装置。

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