JP2006029249A - ＮＯｘトラップ触媒の硫黄被毒解除装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アンモニアを排気通路中に堆積付着させることなく、ＮＯｘトラップ触媒の硫黄被毒を解除可能な硫黄被毒解除装置を提供する。
【解決手段】内燃機関１の排気通路３に設けられ、排ガス中に含まれる窒素酸化物(ＮＯｘを捕捉及び浄化するＮＯｘトラップ触媒８と、ＮＯｘトラップ触媒８の硫黄被毒を解除する必要があるか否かを判定する被毒解除判定手段（５１）と、硫黄被毒解除の必要があるときにはＮＯｘトラップ触媒に対して空気を供給するエアインジェクタ１２と、ＮＯｘトラップ触媒８へ空気を供給中にそのＮＯｘトラップ触媒に対して還元剤を供給する還元剤供給手段１６とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排ガスを浄化するＮＯｘトラップ触媒が硫黄被毒したときに、硫黄被毒を解除する制御装置に関するものである。

自動車等の内燃機関から排出される排ガスには、一酸化炭素（ＣＯ），炭化水素（ＨＣ：Hydrocarbon），窒素酸化物(ＮＯｘ）等の大気汚染物質が含有されてしまうので、これらを浄化することが重要である。従来は、これらの三成分を同時に浄化可能な三元触媒が広く使用されている。ところが、この三元触媒は、その特性上、理論空燃比（燃料を理論的に完全燃焼できる最小の空気と燃料の質量比。ガソリンの場合Ａ(空気の質量）／Ｆ(燃料の質量)＝約１４.７；以下本明細書では理論空燃比をＡ／Ｆ＝１４.７ で代表させるが燃料種によりこの数値は変わる。）近傍のいわゆるウィンドウと称される狭い範囲で燃焼して生成した排ガスにしか効果的に作用しない。

そこで従来は、空燃比は自動車の運転状況に応じて変動するものの変動範囲は原則として理論空燃比近傍に調節していた。しかし、理論空燃比より希薄（リーン）な空燃比でエンジンを運転できると燃費を向上させることができることから、リーンバーン燃焼技術の開発が進められ、近年は理論空燃比以上の空燃比で燃焼を行わせるリーンバーン車や筒内直噴エンジン搭載車が開発されている。ところが前述のように三元触媒でリーンバーン排ガス（以下リーン排ガス）の浄化を行わせるとＨＣ，ＣＯの酸化浄化は行えるもののＮＯｘを効果的に還元浄化することはできない。

そこで排ガス中のＮＯｘをトラップ可能なＮＯｘ捕捉材と、空燃比がリッチな排ガスが流入したときにトラップしているＮＯｘを脱離して浄化（還元）する三元触媒とが組み合わされて形成されたＮＯｘトラップ触媒を三元触媒の下流に配置する排ガス浄化装置が提案されている。

ところで、燃焼排ガス中には硫黄酸化物（ＳＯｘ）が含まれており、このＳＯｘは前述のＮＯｘ捕捉材と結合しやすく、しかも通常ＮＯｘより結合力が強い。したがって、ＳＯｘがＮＯｘ捕捉材に捕捉されるとＮＯｘ捕捉能力が低下する、いわゆる硫黄被毒現象が生じてしまう。このような硫黄被毒を解除する手法として、アンモニア等を利用する方法が知られている（特許文献１参照）。
特開平２−２７７５２２号公報

しかし、硫黄被毒したＮＯｘトラップ触媒に単にアンモニア等を散布しては、アンモニアが排気通路中に堆積付着して固化してしまう可能性があった。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、アンモニアを排気通路中に堆積付着させることなく、ＮＯｘトラップ触媒の硫黄被毒を解除可能な硫黄被毒解除装置を提供することを目的としている。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、内燃機関（１）の排気通路（３）に設けられ、排ガス中に含まれる窒素酸化物(ＮＯｘ）を捕捉及び浄化するＮＯｘトラップ触媒（８）と、前記ＮＯｘトラップ触媒（８）の硫黄被毒を解除する必要があるか否かを判定する被毒解除判定手段（ステップＳ１０）と、硫黄被毒解除の必要があるときには前記ＮＯｘトラップ触媒に対して空気を供給する空気供給手段（１２）と、前記ＮＯｘトラップ触媒（８）へ空気を供給中にそのＮＯｘトラップ触媒に対して還元剤を供給する還元剤供給手段（１６）とを有することを特徴とする。

本発明によれば、硫黄被毒解除の必要があるときには、まずＮＯｘトラップ触媒に対して空気を供給し、続いて空気供給中にそのＮＯｘトラップ触媒に対して還元剤を供給するようにした。したがって還元剤は、必ず空気で吹き飛ばされることとなるので、排気通路内に留まって堆積することがない。また空気の供給によって、触媒は還元剤による硫黄被毒解除可能な温度へと速やかに上昇し、効率よく被毒解除を行うことができる。

以下では図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１は本発明による内燃機関の空燃比制御装置を示す概略構成図である。

エアクリーナ９を経て吸気通路２に吸入された空気は、燃料噴射弁５から噴射された燃料と混合されてエンジン本体１に吸入され、点火プラグ６で着火されて燃焼し、排気通路３へ排出される。なお吸気量はスロットル弁４で調整され、実際に吸入された吸気量はエアフローメータ５４で計測される。

排気通路３には、三元触媒７と、ＮＯｘトラップ触媒８とが配置されている。

三元触媒７は、白金（Ｐｔ），ロジウム（Ｒｈ）等を活性の主成分とし、炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）の酸化と酸化窒素（ＮＯｘ）の還元を同時に行って浄化する触媒である。三元触媒はその特性から、ウィンドウと称される理論空燃比近傍で燃焼させて生成した排ガスを効果的に浄化可能である。

ＮＯｘトラップ触媒８は、三元触媒７の下流に配置されている。三元触媒７は、上述の通り、理論空燃比近傍で燃焼させた場合に排ガスを効率的に浄化可能であるが、その範囲を外れると浄化性能が低下する。例えば、燃費向上のために空燃比を希薄化するリーンバーンエンジンや筒内直噴エンジンでは、排ガスは理論空燃比よりもリーンで生成されるので、三元触媒７で浄化しきれないＮＯｘが流出してしまう。そこで、三元触媒７の下流に、ＮＯｘトラップ触媒８を配置する。このＮＯｘトラップ触媒８は、排ガス中のＮＯｘをトラップ可能なＮＯｘ捕捉材と、空燃比がリッチな排ガスが流入したときにトラップしているＮＯｘを脱離して浄化（還元）する三元触媒とが組み合わされて形成されている。

三元触媒７の下流であって、ＮＯｘトラップ触媒８の近傍上流には、分岐通路１１が設けられている。

分岐通路１１の先端にはエアインジェクタ１２が設けられている。エアインジェクタ１２は、エアポンプ１３から圧送された空気の流量を調整して噴射する。

また分岐通路１１の途中には、尿素供給通路１４が形成されている。尿素供給通路１４は尿素タンクバルブ１６を介して尿素タンク１５に連通する。

尿素タンクバルブ１６が開くと、尿素タンク１５に貯留されている還元剤としての尿素水が尿素供給通路１４、分岐通路１１を介して排気通路３からＮＯｘトラップ触媒８に供給される。

排気通路３の途中であって、分岐通路１１の開口部１１ａと同周部分に、排気通路３の流路断面積を減少させる絞部３ａが形成されている。

エンジンコントローラ５１は、燃料噴射弁５からの燃料噴射量及び燃料噴射時期、点火プラグ６による火花点火の時期を、運転条件に応じて制御する。すなわちエンジンコントローラ５１はクランク角センサ（ポジションセンサ５２と位相センサ５３からなる）からの信号、エアフローメータ５４からの吸入空気流量の信号を、車速センサ５５の車速信号などとともに入力し、これら信号に基づいて燃料噴射弁５からの燃料噴射量及び噴射時期を制御し、また点火プラグ６による火花点火の時期を制御する。

ところでこのＮＯｘトラップ触媒８は、ＮＯｘをトラップときに、同時に硫黄分をもトラップしてしまう。すると、ＮＯｘトラップ性能が低下してしまう。そこで、本願は所定の条件が成立したら、ＮＯｘトラップ触媒に尿素を噴霧して硫黄被毒解除制御を行う。ただし、硫黄被毒したＮＯｘトラップ触媒に単にアンモニア等を散布しては、アンモニアが排気通路中に堆積付着して固化してしまう。そこで、以下の制御によって硫黄被毒解除制御を行う。

以下ではこの具体的な制御について図２〜図５のフローチャート及び図６のタイムチャートを参照して説明する。なお本制御は、イグニッションキーがＯＮのときに、微少時間ごと（例えば１０ミリ秒ごと又は１クランク回転ごと）に繰り返し実行する。

ステップＳ１では、燃料噴射パルス幅Ｔｐ、エンジン回転速度Ｎｅ、車速Ｖｓｐ、点火時期Ａｄｖをそれぞれ読み込む。燃料噴射パルス幅Ｔｐ及び点火時期Ａｄｖはコントローラ５１の制御信号に基づいて検出する。エンジン回転速度Ｎｅはクランク角センサ（ポジションセンサ５２と位相センサ５３からなる）からの信号に基づいて検出する。車速Ｖｓｐは車速センサ５５から検出する。なおエンジン回転速度Ｎｅ、変速比等に基づいて算出（間接的に検出）してもよい。

ステップＳ２では、尿素タンクバルブ１６が開状態であるか否かを判定する。またステップＳ３では、被毒解除要求フラグがＯＮであるか否かを判定する。図６のタイムチャートの時刻ｔ１０〜ｔ１１では、尿素タンクバルブ１６は閉状態であり、被毒解除要求フラグはＯＦＦであり、ステップＳ１０へ進む。

ステップＳ１０では、被毒量算出制御を行う。具体的には図３を参照して説明する。

ステップＳ１１では、燃料噴射パルス幅Ｔｐ、エンジン回転速度Ｎｅに基づいて被毒量カウンタを算出する。燃料噴射パルス幅Ｔｐが多いほど、またエンジン回転速度Ｎｅが高いほど、被毒量が大きくなり、カウンタ増量が大きくなる。

ステップＳ１２では、被毒量カウンタが閾値Ａ以上であるか否かを判定する。なおこの閾値Ａとは、ＮＯｘトラップ触媒８の被毒量が大きく、被毒解除が必要であるか否かを判定するための閾値であり、予め求めておく。被毒量カウンタが閾値Ａ以上になるまでは、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ１０→Ｓ１１→Ｓ１２を繰り返し、被毒量カウンタが閾値Ａ以上になったら、ステップＳ１３へ進む。このときのタイミングが図６の時刻ｔ１１である。

ステップＳ１３では、被毒解除要求フラグをＯＮにし、エアインジェクタ１２を開いて二次空気の供給を開始する。このようにエアインジェクタ１２を開いて二次空気の供給するとＮＯｘトラップ触媒８の温度が上昇する（図６（Ｃ）の時刻ｔ１１以降）。

再び図２に戻る。被毒解除要求フラグがＯＮになっているので、次サイクルでは、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３からステップＳ２０へ進む。ステップＳ２０では、尿素供給開始判定を行う。具体的には図４を参照して説明する。

ステップＳ２１では、ＮＯｘトラップ触媒８の温度を算出して間接的に検出する。すなわち燃料噴射量、空燃比、点火時期に基づいて排ガス温を算出し、その排ガス温に基づいてＮＯｘトラップ触媒８の温度を間接的に検出する。なおＮＯｘトラップ触媒８に温度センサを設け、そのセンサ出力に基づいて温度を直接的に検出してもよい。

ステップＳ２２では、ＮＯｘトラップ触媒８の温度が閾値Ｂ以上であるか否かを判定する。なおこの閾値Ｂとは、ＮＯｘトラップ触媒８が被毒解除可能となったか否かを判定するための閾値であり、予め求めておく。ＮＯｘトラップ触媒８の温度が閾値Ｂ以上になるまでは、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ２０→Ｓ２１→Ｓ２２を繰り返し、閾値Ｂ以上になったら、ステップＳ２３へ進む。このときのタイミングが図６の時刻ｔ１２である。

ステップＳ２３では、尿素タンクバルブ１６を開いて尿素をＮＯｘトラップ触媒８に供給する。

再び図２に戻る。尿素タンクバルブ１６が開いているので、次サイクルでは、ステップＳ１→Ｓ２からステップＳ３０へ進む。ステップＳ３０では、被毒解除制御終了判定を行う。具体的には図５を参照して説明する。

ステップＳ３１では、被毒量カウンタを減算する。

ステップＳ３２では、被毒量カウンタが閾値Ｃ以下であるか否かを判定する。なおこの閾値Ｃとは、ＮＯｘトラップ触媒８が被毒解除されたか否かを判定するための閾値であり、予め求めておく。被毒量カウンタが閾値Ｃ以下になるまでは、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３０→Ｓ３１→Ｓ３２を繰り返し、閾値Ｃ以下になったら、ステップＳ３３へ進む。このときのタイミングが図６の時刻ｔ１３である。

ステップＳ３３では、被毒解除要求フラグをＯＦＦとし、エアインジェクタ１２を閉じ、尿素タンクバルブ１６を閉じる。

本実施形態によれば、ＮＯｘトラップ触媒８の被毒量が増えたときに、まずエアインジェクタ１２を開いてＮＯｘトラップ触媒８に二次空気を供給し、ＮＯｘトラップ触媒８の温度が被毒解除可能温度に上昇したら尿素を供給するようにした。このようにしたので、尿素タンク１５から尿素タンクバルブ１６、尿素供給通路１４、分岐通路１１を介して排気通路３からＮＯｘトラップ触媒８に供給される尿素水は、必ずエアインジェクタ１２から送られる空気で吹き飛ばされることとなるので、通路内に留まって堆積することがない。

またＮＯｘトラップ触媒８に空気を送ってＮＯｘトラップ触媒８の温度を上昇させる。このとき、空気は常にエアインジェクタ１２からＮＯｘトラップ触媒８方向へと空気が流れている。したがって、ＮＯｘトラップ触媒８の温度が上昇しても、エアインジェクタ１２はＮＯｘトラップ触媒８の熱の影響を受けにくい。

さらに排気通路３にはその途中に絞部３ａが形成されているので、尿素水の攪拌が促進され、ＮＯｘトラップ触媒８の全域に渡って硫黄被毒を解除できるのである。

（第２実施形態）
上記第１実施形態では、ＮＯｘトラップ触媒８に基づいて制御していたが、この第２実施形態では、ＮＯｘトラップ触媒８の温度については推定又は検出することなく制御を行う。なおシステム構成自体は、上記第１実施形態と同一であるので説明を省略する。

具体的な制御については図７〜図１０のフローチャート及び図１１のタイムチャートを参照して説明する。なお本制御は、イグニッションキーがＯＮのときに、微少時間ごと（例えば１０ミリ秒ごと又は１クランク回転ごと）に繰り返し実行する。

ステップＳ１０１では、燃料噴射パルス幅Ｔｐ、エンジン回転速度Ｎｅ、車速Ｖｓｐ、点火時期Ａｄｖをそれぞれ読み込む。

ステップＳ１０２では、尿素タンクバルブ１６が開状態であるか否かを判定する。またステップＳ１０３では、被毒解除要求フラグがＯＮであるか否かを判定する。図１１のタイムチャートの時刻ｔ２０〜ｔ２１では、尿素タンクバルブ１６は閉状態であり、被毒解除要求フラグはＯＦＦであり、ステップＳ１１０へ進む。

ステップＳ１１０では、被毒量算出制御を行う。具体的には図８を参照して説明する。

ステップＳ１１１では、燃料噴射パルス幅Ｔｐ、エンジン回転速度Ｎｅに基づいて被毒量カウンタを算出する。

ステップＳ１１２では、被毒量カウンタが閾値Ｄ以上であるか否かを判定する。なおこの閾値Ｄとは、ＮＯｘトラップ触媒８の被毒解除の前準備としてＮＯｘトラップ触媒８を昇温させる必要があるか否かを判定するための閾値であって、上述した閾値Ａより小さい値であり、予め求めておく。

被毒量カウンタが閾値Ｄ以上になるまでは、ステップＳ１０１→Ｓ１０２→Ｓ１０３→Ｓ１１０→Ｓ１１１→Ｓ１１２を繰り返し、被毒量カウンタが閾値Ｄ以上になったら、ステップＳ１１３へ進む。このときのタイミングが図１１の時刻ｔ２１である。

ステップＳ１１３では、被毒解除要求フラグをＯＮにし、エアインジェクタ１２を開いて二次空気の供給を開始する。

再び図７に戻る。被毒解除要求フラグがＯＮになっているので、次サイクルでは、ステップＳ１０１→Ｓ１０２→Ｓ１０３からステップＳ１２０へ進む。ステップＳ１２０では、尿素供給開始判定を行う。具体的には図９を参照して説明する。

ステップＳ１２１では、燃料噴射パルス幅Ｔｐ、エンジン回転速度Ｎｅに基づいて被毒量カウンタを算出する。

ステップＳ１２２では、被毒量カウンタが閾値Ｅ以上であり、かつ車速が閾値Ｆ以上であるか否かを判定する。なおこの閾値Ｅとは、ＮＯｘトラップ触媒８の被毒解除制御をする必要があるか否かを判定するための閾値であり、予め求めておく。また閾値Ｆとは、ＮＯｘトラップ触媒８が被毒解除可能な温度に達する車速であるか否かを判定するための閾値であり、予め求めておく。すなわちエンジンは負荷が高いほど排ガス温度が高温になり、ＮＯｘトラップ触媒８も高温になる。通常の平坦路を走行するのであれば、エンジン負荷は車速に比例する。そこで本件発明では、車速が速いほど負荷が大きく排ガス温が高温であってＮＯｘトラップ触媒８が高温であるとしているのである。被毒量カウンタが閾値Ｅ以上、かつ車速が閾値Ｆ以上になるまでは、ステップＳ１０１→Ｓ１０２→Ｓ１０３→Ｓ１２０→Ｓ１２１→Ｓ１２２を繰り返し、被毒量カウンタが閾値Ｅ以上、かつ車速が閾値Ｆ以上になったら、ステップＳ１２３へ進む。このときのタイミングが図１１の時刻ｔ２２である。

ステップＳ１２３では、尿素タンクバルブ１６を開いて尿素をＮＯｘトラップ触媒８に供給する。

再び図２に戻る。尿素タンクバルブ１６が開いているので、次サイクルでは、ステップＳ１０１→Ｓ１０２からステップＳ１３０へ進む。ステップＳ１３０では、被毒解除制御終了判定を行う。具体的には図１０を参照して説明する。

ステップＳ１３１では、被毒量カウンタを減算する。

ステップＳ１３２では、被毒量カウンタが閾値Ｃ以下であるか否かを判定する。なおこの閾値Ｃは、第１実施形態のものと同一でよい。被毒量カウンタが閾値Ｃ以下になるまでは、ステップＳ１０１→Ｓ１０２→Ｓ１３０→Ｓ１３１→Ｓ１３２を繰り返し、閾値Ｃ以下になったら、ステップＳ１３３へ進む。このときのタイミングが図１１の時刻ｔ３３である。

ステップＳ１３３では、被毒解除要求フラグをＯＦＦとし、エアインジェクタ１２を閉じ、尿素タンクバルブ１６を閉じる。

本実施形態によれば、上記第１実施形態の効果に加えて、ＮＯｘトラップ触媒８の温度を用いることなく制御を行うことができるので、簡素なシステムで実施可能であり、コストを安価に抑えることができる。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。

例えば、上記各実施形態では、エアインジェクタ１２を閉じるのと同時に尿素タンクバルブ１６を閉じているが、最初に尿素タンクバルブ１６を閉じてからエアインジェクタ１２を閉じるようにすれば、エアインジェクタ１２の供給空気によって確実に尿素を吹き飛ばすことが可能である。

また上記実施形態では、還元剤として尿素を例示しているが、それに限らず、アンモニア等であってもよい。

本発明による内燃機関の空燃比制御装置を示す概略構成図である。 第１実施形態のメインルーチンを示すフローチャートである。 第１実施形態の被毒解除制御開始判定ルーチンを示すフローチャートである。 第１実施形態の尿素供給開始判定ルーチンを示すフローチャートである。 第１実施形態の被毒解除制御終了判定ルーチンを示すフローチャートである。 第１実施形態のタイムチャートである。 第２実施形態のメインルーチンを示すフローチャートである。 第２実施形態の被毒解除制御開始判定ルーチンを示すフローチャートである。 第２実施形態の尿素供給開始判定ルーチンを示すフローチャートである。 第２実施形態の被毒解除制御終了判定ルーチンを示すフローチャートである。 第２実施形態のタイムチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
３ 排気通路
３ａ 絞部
８ ＮＯｘトラップ触媒
１１ 分岐通路
１１ａ 開口部
１２ エアインジェクタ（空気供給手段）
１３ エアポンプ
１４ 尿素供給通路
１５ 尿素タンク
１６ 尿素タンクバルブ（還元剤供給手段）
ステップＳ１０ 被毒解除判定手段
ステップＳ１１，Ｓ１１１ 触媒被毒検出手段
ステップＳ２１ 触媒温度検出手段

Claims (8)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、排ガス中に含まれる窒素酸化物(ＮＯｘ）を捕捉及び浄化するＮＯｘトラップ触媒と、
   前記ＮＯｘトラップ触媒の硫黄被毒を解除する必要があるか否かを判定する被毒解除判定手段と、
   硫黄被毒解除の必要があるときには前記ＮＯｘトラップ触媒に対して空気を供給する空気供給手段と、
   前記ＮＯｘトラップ触媒へ空気を供給中にそのＮＯｘトラップ触媒に対して還元剤を供給する還元剤供給手段と、
   を有するＮＯｘトラップ触媒の硫黄被毒解除装置。
2. 前記ＮＯｘトラップ触媒の温度を検出する触媒温度検出手段を有し、
   前記還元剤供給手段は、前記ＮＯｘトラップ触媒の温度が所定値を超えたら還元剤を供給する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のＮＯｘトラップ触媒の硫黄被毒解除装置。
3. 前記ＮＯｘトラップ触媒の被毒量を検出する触媒被毒検出手段を有し、
   前記還元剤供給手段は、前記ＮＯｘトラップ触媒の被毒量が所定量を超え、かつ車速が所定値を超えたら還元剤を供給する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のＮＯｘトラップ触媒の硫黄被毒解除装置。
4. 前記空気供給手段は、前記還元剤供給手段が還元剤供給を停止してから空気供給を停止する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のＮＯｘトラップ触媒の硫黄被毒解除装置。
5. 前記ＮＯｘトラップ触媒の上流側に形成され、前記排気通路から分岐する空気通路を備え、
   前記空気供給手段は、前記空気通路に空気を供給する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のＮＯｘトラップ触媒の硫黄被毒解除装置。
6. 前記還元剤供給手段は、前記空気供給手段よりも下流側の前記空気通路に還元剤を供給する、
   ことを特徴とする請求項５に記載のＮＯｘトラップ触媒の硫黄被毒解除装置。
7. 前記排気通路であって、前記空気通路の前記排気通路に対する開口部と同周部分に形成され、排気通路の内側にへこんで、排気通路の流路断面積を減少させる絞部を有する、
   ことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のＮＯｘトラップ触媒の硫黄被毒解除装置。
8. 前記還元剤は、尿素又はアンモニアである
   ことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載のＮＯｘトラップ触媒の硫黄被毒解除装置。

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