JP2007255309A

JP2007255309A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2007255309A
Application number: JP2006080745A
Authority: JP
Inventors: Minehiro Murata; 峰啓村田; Yoshihisa Takeda; 好央武田; Satoshi Hiranuma; 智平沼
Original assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Current assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Priority date: 2006-03-23
Filing date: 2006-03-23
Publication date: 2007-10-04

Abstract

【課題】Ｓパージ時の前段触媒でのＨＣの急激な燃焼による過昇温を抑制し、もって過昇温に起因するＮＯx吸蔵触媒のダメージを未然に防止できると共に、ＮＯxパージ時には前段触媒でのＨＣ吸着に起因するＮＯx吸蔵触媒への到達ＨＣの減少や遅れを防止し、これにより良好なＮＯx浄化率を実現できる内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】ＮＯx吸蔵触媒４２の上流側に前段触媒４１を配置し、前段触媒４１の触媒種からＨＣトラップ機能を奏するＨＣトラップ剤、例えばゼオライトなどを排除する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＮＯx吸蔵触媒の上流側に前段触媒を配置した内燃機関の排気浄化装置に関し、特に前段触媒の過昇温及びＮＯx吸蔵触媒のＮＯx浄化率低下を抑制するようにした排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジンやリーンバーンエンジンなどの酸素過剰雰囲気で燃焼を行う内燃機関では、その特性上、従来型の三元触媒では排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を十分に浄化できないことから、酸素過剰雰囲気でもＮＯxを浄化可能なＮＯx吸蔵触媒が備えられている。当該ＮＯx吸蔵触媒は、酸素過剰雰囲気で排ガス中のＮＯｘを硝酸塩Ｘ−ＮＯ₃として吸蔵し、この吸蔵したＮＯｘをＨＣ（炭化水素）やＣＯ（一酸化炭素）が多量に存在する還元雰囲気でＮ₂（窒素）に還元させる特性を有した触媒として構成されている。

この種のＮＯx吸蔵触媒では、通常の運転時にＮＯｘを吸蔵して大気中への排出を防止すると共に、ＮＯx吸蔵触媒が吸蔵限界に至る以前に排気通路に還元剤としてＨＣやＣＯ（以下、代表してＨＣと表現する）を供給するリッチスパイクを定期的に行い、これによりＮＯx吸蔵触媒上に吸蔵されているＮＯxを放出還元している（ＮＯxパージ）。また、ＮＯx吸蔵触媒では燃料に含まれる硫黄成分と酸素との反応生成物であるＳＯx（硫黄酸化物）がＮＯxの代わりに吸蔵される硫黄被毒を生じることから、推定したＳＯx吸蔵量が所定値に達したときに、ＮＯx吸蔵触媒を昇温すると共に排気中に還元剤としてＨＣを供給してＳＯxを放出還元している（Ｓパージ）。

効率的にＳＯx除去すべく上記ＳパージでのＨＣ供給は間欠的に行われ、それに伴ってＮＯx吸蔵触媒の温度は周期的に変動するが、酸素濃度が高いＮＯx吸蔵触媒の前部（上流側）で過昇温が発生し易いことからＨＣ供給量を抑制せざるを得なかった。そこで、ＮＯx吸蔵触媒の上流側に貴金属添加量が少なく反応の緩やかな酸化触媒を前段触媒として配置する対策が行われており、供給されたＨＣを前段触媒上で酸化反応させることによりＮＯx吸蔵触媒での温度振幅の縮小を図っている（例えば、特許文献１参照）。

公知のように一般的な前段触媒にはＨＣの燃焼継続性を向上させるべくＨＣトラップ剤が添加されているが、上記特許文献１の技術では、排ガス中に含まれるＨ_２（水素）及びＮＨ_３（アンモニア）もＮＯx吸蔵触媒でＮＯxの放出還元作用を奏することに着目し、これらのＨ_２（水素）やＮＨ_３の前段触媒での浄化を抑制すべく、前段触媒に添加するトラップ剤としてＨＣやＣＯを選択的に浄化可能な触媒種を選択している。
特開２００１−１２３８２７号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術のように前段触媒にＨＣトラップ剤を添加した場合には、Ｓパージ及びＮＯxパージの際に以下に述べる不具合が生じる。
図５はＳパージの実行状況を示すタイムチャートであり、Ｓパージを開始すべく周期的なリッチ信号に対応して排ガスの目標空気過剰率λが１．０未満に設定され、この目標空気過剰率λに応じて排気通路にＨＣが供給されてＮＯx吸蔵触媒上でＳＯxの放出還元が行われる。上記のようにＨＣトラップ剤の添加により前段触媒が高いＨＣトラップ機能を有している場合、例えば前段触媒が低温（例えばライトオフ温度未満）の状態でＳパージが開始されたときに大量のＨＣ量が前段触媒に吸着され、その後の加速により前段触媒が温度上昇すると吸着されているＨＣが急激に燃焼してしまう。この現象は図中に示すように前段触媒の過昇温を引き起こし、結果として下流側のＮＯx吸蔵触媒にダメージを与えてしまうことになる。

また、図６はＮＯxパージの実行状況を示すタイムチャートであり、リッチスパイク時のリッチ信号に応じて排気通路にＨＣが供給され、供給されたＨＣが前段触媒を経てＮＯx吸蔵触媒に到達する。このとき、一部のＨＣが前段触媒に吸着されるため、図に示すように前段触媒の入口のＨＣ量（即ち、排気通路への供給ＨＣ量）に対してＮＯx吸蔵触媒の入口のＨＣ量（即ち、ＮＯx吸蔵触媒への到達ＨＣ量）は大幅に減少し、且つＨＣ供給タイミングにも大きな遅れを生じる。この現象はリッチスパイクの緩和を引き起こしてＮＯx放出還元に必要な１．０未満の空気過剰率λが得られ難くなり、結果としてＮＯx吸蔵触媒のＮＯx浄化率を低下させてしまうことになる。

本発明の目的は、Ｓパージ時の前段触媒でのＨＣの急激な燃焼による過昇温を抑制し、もって過昇温に起因するＮＯx吸蔵触媒のダメージを未然に防止できると共に、ＮＯxパージ時には前段触媒でのＨＣ吸着に起因するＮＯx吸蔵触媒への到達ＨＣの減少や遅れを防止し、これにより良好なＮＯx浄化率を実現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。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、内燃機関の排気通路に設けられたＮＯx吸蔵触媒と、排気通路のＮＯx吸蔵触媒の上流側に配設された前段触媒と、排気通路の前段触媒の上流側に還元剤を供給する還元剤供給手段と、ＮＯx吸蔵触媒に吸蔵されたＮＯxの放出還元を要するとき、またはＮＯx吸蔵触媒にＮＯxの代わりに吸蔵されたＳＯxを放出還元するときに、還元剤供給手段を制御して排気通路に還元剤を供給する還元剤供給制御手段とを備え、前段触媒の触媒種からＨＣトラップ機能を奏するＨＣトラップ剤を排除したものである。

従って、前段触媒の触媒種からＨＣトラップ剤が排除されることで前段触媒はＨＣトラップ機能を全く或いはほとんど奏さなくなる。このため、ＮＯxの放出還元時には還元剤供給手段から排気通路に供給された還元剤（ＨＣ）が前段触媒に吸着される現象がなくなり、供給されたＨＣは減少や遅れを生じることなくＮＯx吸蔵触媒に到達し、ＮＯx放出還元に必要な１．０以上の空気過剰率が達成される。また、ＳＯxの放出還元時には還元剤供給手段から排気通路に供給された還元剤（ＨＣ）が前段触媒に大量に吸着される現象がなくなり、必然的にＨＣの急激な燃焼による前段触媒の過昇温が抑制される。

以上説明したように請求項１の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、ＳＯxの放出還元時の前段触媒でのＨＣの急激な燃焼による過昇温を抑制し、もって過昇温に起因するＮＯx吸蔵触媒のダメージを未然に防止できると共に、ＮＯxの放出還元時には前段触媒でのＨＣ吸着に起因するＮＯx吸蔵触媒への到達ＨＣの減少や遅れを防止し、これにより良好なＮＯx浄化率を実現することができる。

以下、本発明をディーゼルエンジン用の排気浄化装置に具体化した一実施形態を説明する。
図１は本実施形態のディーゼルエンジン用の排気浄化装置を示す全体構成図である。この図において、参照符号１は、エンジンたとえばコモンレール式ディーゼルエンジンを示し、参照符号１０は、エンジン制御装置及び排気浄化装置の制御系の主要部をなす電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）を示す。

詳細な図示を省略するが、コモンレール式ディーゼルエンジン１は、例えば、ニードル弁ならびにニードル弁の先端側及び基端側に設けられた燃料室及び制御室を有する燃料インジェクタを気筒毎に備えており、燃料室及び制御室は燃料通路を介して蓄圧室に接続され、制御室は燃料戻し通路を介して燃料タンクに接続されている。そして、ＥＣＵ１０の制御下で、燃料インジェクタに設けられた電磁弁が開くと、蓄圧室内から供給された高圧燃料が燃料インジェクタを通じてエンジン１の燃焼室に噴射され、電磁弁が閉じると燃料噴射が終了するものとなっており、このように電磁弁の開弁時期を制御することで燃料噴射時期を調節することができる。

エンジン１は、吸気マニホールド１１に接続された吸気管１２と、排気マニホールド１３に接続された排気管１４（排気管）とを有している。
吸気管１２の途中には、過給機２０のコンプレッサ２１とインタークーラ３１と吸気スロットル弁３２が配されている。吸気スロットル弁３２の開度は、吸気スロットル弁駆動部３３を介してＥＣＵ１０により調節可能である。

一方、排気管１４の途中には、過給機２０のタービン２２、軽油添加インジェクタ５０（還元剤供給手段）、後処理装置４０、及び図示しないマフラが設けられている。
過給機２０のコンプレッサ２１とタービン２２は同期回転可能に連結され、エンジン１から排出される排気ガスの流れにより発生したタービン２２の回転力によりコンプレッサ２１を回転させ、コンプレッサ２１により加圧された吸気をエンジン１に供給するようになっている。また、コンプレッサ２１により加圧されて高温になった空気はインタークーラ３１で冷却され、これにより吸入空気の密度を高めて充填効率を向上させて、エンジン出力を増大するようにしている。そして、過給機２０にはウエイストゲートを介してタービン２２をバイパスするバイパス通路が設けられ、過度の過給圧となった時にウエイストゲート２３を開いて過給圧を調節すると共に、ウエイストゲート２３を強制的に開閉することによりタービン２２を通過する排ガス量を増減させ、タービン２２の回転を変化させることにより吸気管１２に供給される吸気の圧力を増減できる。尚、ウエイストゲート２３は、ウエイストゲート駆動部２４を介してＥＣＵ１０により開閉される。

図１中、参照符号３６は、排気マニホールド１３から吸気管１２に延びるＥＧＲ通路を示し、このＥＧＲ通路３６を介して排ガスの一部を再還流ガスとしてエンジン１に供給するようになっている。ＥＧＲ通路３６の途中には、再還流ガスを冷却してエンジン１へのガス充填密度を高めるＥＧＲクーラ３７と、再還流ガスのエンジン１への供給及び供給遮断のためのＥＧＲ弁３８が設けられている。ＥＧＲ弁駆動部３９を介してＥＣＵ１０によりＥＧＲ弁３８の開閉あるいはその開度が調節される。

後処理装置４０は、これに流入した排ガスに含まれるＮＯｘ及びＰＭを低減するものである。本実施形態の後処理装置４０は、排ガス中のＮＯxを浄化するＮＯｘ吸蔵触媒４２と、ＮＯx吸蔵触媒の下流側に配され排ガス中のＰＭを浄化するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）４３と、ＮＯx吸蔵触媒４２の上流側に配された前段触媒４１とを有している。

軽油添加インジェクタ５０は、排気管１４中に軽油（ＨＣ）を噴射するもので、軽油添加インジェクタ駆動部５１を介してＥＣＵ１０により開閉制御される。軽油添加インジェクタ５０からの軽油の噴射量は、例えばエンジン回転数と燃料噴射量とに基づいて決定される。
ＥＣＵ１０は、負荷センサ及びエンジン回転数センサ（共に図示略）により検出されたエンジン負荷とエンジン回転数とに基づいて判別したエンジン１の運転領域に応じて各気筒の燃料インジェクタ（図示略）の電磁弁をオンオフして燃料噴射時期及び燃料噴射量を制御するものになっている。

図１中、参照符号６０は触媒出口排気温度センサであり、ＮＯｘ吸蔵触媒４２とＤＰＦ４３との間に挿入された温度検出端を有し、ＮＯｘ吸蔵触媒４２の出口側における排気温度（触媒温度と相関する）を検出するようになっている。
上記構成のディーゼルエンジン１は、リーン空燃比で運転され、このリーン空燃比運転中、エンジン１から排出される排ガス中に含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）がＮＯｘ吸蔵触媒４２に吸蔵される。そして、ＮＯｘ吸蔵量が一定以上まで増大すると、公知のようにエンジン１のリッチスパイク運転によりＮＯx吸蔵触媒４２上に還元剤が供給され、吸蔵されていたＮＯｘを放出還元する（ＮＯxパージ）。また、燃料中に含まれる硫黄分によりＮＯｘ吸蔵触媒４２が硫黄被毒されるとＮＯｘ吸蔵触媒４２の排ガス浄化作用が低下するので、ＮＯｘ吸蔵触媒４２の昇温制御及び還元剤の供給により吸蔵されていたＳＯxを放出還元する（Ｓパージ）。

また、リーン空燃比運転中、排ガス中に含まれるＰＭがＤＰＦ４３により捕集される。そして、ＰＭ捕集量が一定以上まで増大するとＤＰＦ４３の目詰まりによる排圧上昇によってエンジン運転性能が低下するおそれがあるので、公知のようにＤＰＦ４３の昇温制御により捕集されていたＰＭを燃焼除去する（強制再生）。
本実施形態では、ＮＯｘ吸蔵触媒４２に対するＮＯxパージ及びＳパージとＤＰＦ４３に対する強制再生とにあたり、軽油添加インジェクタ５０から排気管１４中に供給される軽油（ＨＣ）を利用しており、軽油の燃焼によりＮＯｘ吸蔵触媒４２の昇温や、ＮＯｘ吸蔵触媒４２の昇温によるＤＰＦ４３の昇温作用を得たり、軽油を還元剤として用いてＮＯxやＳＯxの放出還元作用を得たりしている（還元剤供給制御手段）。

ＮＯx吸蔵触媒４２を昇温するＳパージ時において、前段触媒４１は軽油添加インジェクタ５０から周期的に供給される還元剤を緩やかに反応させて、ＮＯx吸蔵触媒４２の温度変動（特に前部の温度変動）を縮小する役割を果たすが、［発明が解決しようとする課題］でも述べたように、Ｓパージ時において前段触媒４１は大量に吸着したＨＣを急激に燃焼させて過昇温する弊害、及びＮＯxパージ時においてリッチスパイクのＨＣを吸着してＮＯx浄化率を低下させる弊害を引き起こす。このような不具合に対して、本実施形態では以下に述べる対策を講じている。

本実施形態では、前段触媒４１に十分な酸化機能を付与する一方、一般的な酸化触媒と比較してＨＣトラップ機能を完全になくすか、或いは大幅に低減させている。具体的には、前段触媒４１の触媒種として、例えば白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の貴金属が主成分として選択される共に、ＨＣトラップ機能を奏する所謂ＨＣトラップ剤の成分、例えばゼオライトを触媒種から排除している。結果として前段触媒４１は、活性下限温度であるライトオフ温度以上の領域では、一般的な酸化触媒と同じく供給されたＨＣを酸化反応させる作用を発揮する一方、ライトオフ温度未満の領域では、軽油添加インジェクタ５０から供給されたＨＣをほとんど吸着することなく流通させる。

以上の前段触媒４１の特性設定は、以下の知見に基づくものである。
まず、Ｓパージにおける前段触媒４１の過昇温、及びＮＯxパージにおけるＮＯx浄化性能の低下の要因は、前段触媒４１がＨＣトラップ機能を発揮することにある。一方、前段触媒４１の本来の役割であるＳパージ時におけるＮＯx吸蔵触媒４２の温度変動の縮小作用は、供給されたＨＣを前段触媒４１上で緩やかに反応させることで得られるため、必ずしもＨＣトラップ機能は必要としない。また、ＮＯxパージ時のリッチスパイクでは前段触媒４１での燃焼でＮＯx吸蔵触媒４２に供給されるＨＣ量が若干減少するものの、その分を見込んで軽油添加インジェクタ５０による還元剤の供給量を増加補正すれば容易に対応でき、ＮＯxパージに関しても何ら問題は発生しない。

以上の知見の下に本実施形態では前段触媒４１の触媒種からＨＣトラップ剤を排除しているのである。図２はＳパージの実行状況を示すタイムチャートであり、Ｓパージの開始に伴い周期的なリッチ信号に対応して排ガスの目標空気過剰率λが１．０未満に設定され、この目標空気過剰率λに応じて軽油添加インジェクタ５０から間欠的に所定量の軽油（ＨＣ）が排気管１４中に供給される。供給されたＨＣは前段触媒４１で酸化反応して下流側のＮＯx吸蔵触媒４２を昇温させると共に、前段触媒４１を通過したＨＣが還元剤として作用してＮＯx吸蔵触媒４２からＳＯxを放出還元する。

図２では前段触媒４１が低温（例えばライトオフ温度未満）の状態でＳパージが開始された場合を示しているが、供給されたＨＣが前段触媒４１にほとんど吸着されないことから、その後の車両加速などにより前段触媒４１が温度上昇してもＨＣの急激な燃焼は一切発生しない。よって前段触媒４１は過昇温することなく、ＨＣの供給に応じた周期的な温度変動を生じながら次第に温度を上昇させるだけであり、前段触媒４１の過昇温に起因するＮＯx吸蔵触媒４２のダメージを未然に防止して安定した温度制御を実現することができる。

また、図３はＮＯxパージの実行状況を示すタイムチャートであり、リッチ信号に応じて軽油添加インジェクタ５０から所定量の軽油（ＨＣ）が排気管１４中に供給され、供給されたＨＣが前段触媒４１を経てＮＯx吸蔵触媒４２に到達する。このとき、ほとんどのＨＣは前段触媒４１に吸着されることなくＮＯx吸蔵触媒４２に到達するため、図に示すように前段触媒４１の入口のＨＣ量（即ち、軽油添加インジェクタ５０からの供給ＨＣ量）に対してＮＯx吸蔵触媒４２の入口のＨＣ量（即ち、ＮＯx吸蔵触媒４２への到達ＨＣ量）はほとんど減少せず、且つＨＣ供給タイミングの遅れもほとんどない。結果としてリッチスパイクが緩和される事態を防止して、ＮＯx吸蔵触媒４２の出口の空気過剰率λ（ＮＯx吸蔵触媒４２上での空気過剰率λと相関する）を確実に１．０未満に制御でき、もって良好なＮＯx浄化率を実現することができる。

図４はＮＯx浄化率の向上を検証すべく本実施形態のＨＣトラップ剤を排除した前段触媒４１と従来例のＨＣトラップ剤を含む前段触媒とを比較した試験結果を示しており、当該試験は、エンジン回転速度を最高許容回転速度の６０％、エンジン負荷を全負荷の６０％とした運転条件で行った。図から明らかなように、本実施形態では従来例に対して約２倍のＮＯx浄化率が達成されており、この試験結果からも上記前段触媒４１の作用効果が裏付けられる。

一方、上記のようにＨＣトラップ剤を排除しても前段触媒４１は正常な酸化機能を有することから、Ｓパージ時においては間欠的に供給されたＨＣを前段触媒４１上で緩やかに酸化反応させることでＮＯx吸蔵触媒４２での温度変動の振幅を縮小できる。よって、従来の前段触媒を使用した場合と同様にＳパージ時におけるＮＯx吸蔵触媒４２の熱劣化によるダメージを未然に防止することができる。

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態ではディーゼルエンジン用の排気浄化装置に具体化したが、リーン空燃比で運転を行うリーンバーンエンジンや筒内噴射型エンジンでＮＯx吸蔵触媒４２の上流側に前段触媒４１を配置したものであれば適用可能であり、上記実施形態に倣って前段触媒４１の触媒種を設定すれば同様の作用効果を得ることができる。

また、上記実施形態では、排気中に軽油を噴射する軽油添加インジェクタ５０により還元剤供給手段を構成したが、これに代えてエンジン１の排気行程や膨張行程でポスト噴射を実行して未燃燃料を前段触媒４１に供給してもよいし、ガソリンエンジンであれば空燃比のリッチ化により排ガスのＨＣ濃度やＣＯ濃度を上昇させるようにしてもよい。
また、上記実施形態では、酸化触媒を前段触媒４１として適用したが、これに代えて三元触媒を適用してもよい。

実施形態のディーゼルエンジン用の排気浄化装置を示す全体構成図である。実施形態によるＳパージの実行状況を示すタイムチャートである。実施形態によるＮＯxパージの実行状況を示すタイムチャートである。実施形態と従来例とのＮＯx浄化率を比較した試験結果を示す図である。従来例によるＳパージの実行状況を示すタイムチャートである。従来例によるＮＯxパージの実行状況を示すタイムチャートである。

符号の説明

１エンジン（内燃機関）
１０ＥＣＵ（還元剤供給制御手段）
１４排気管（排気通路）
４１前段触媒
４２ＮＯx吸蔵触媒
５０軽油添加インジェクタ（還元剤供給手段）

Claims

内燃機関の排気通路に設けられたＮＯx吸蔵触媒と、
上記排気通路のＮＯx吸蔵触媒の上流側に配設された前段触媒と、
上記排気通路の上記前段触媒の上流側に還元剤を供給する還元剤供給手段と、
上記ＮＯx吸蔵触媒に吸蔵されたＮＯxの放出還元を要するとき、または上記ＮＯx吸蔵触媒に上記ＮＯxの代わりに吸蔵されたＳＯxを放出還元するときに、上記還元剤供給手段を制御して上記排気通路に還元剤を供給する還元剤供給制御手段と
を備え、
上記前段触媒の触媒種からＨＣトラップ機能を奏するＨＣトラップ剤を排除したことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。