JP2007255310A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸蔵型ＮＯx触媒のＮＯxパージ時においてＨＣスリップを確実に抑制可能な排気浄化装置を提供する。
【解決手段】吸蔵型ＮＯx触媒(42)及び酸化触媒(41,43,44)の複数の触媒からなる排気浄化触媒において、吸蔵型ＮＯx触媒及び酸化触媒の排気上流側に設けた還元剤供給手段(50)により還元剤（軽油）を供給して吸蔵型ＮＯx触媒のＮＯxパージを行うに際し、各三次元マップより、各触媒のＳＶ値と温度（Ｔcat1〜Ｔcat4）とに基づいて各触媒において消費される単位時間当たりの還元剤の最大消費量（Qkmax1〜Qkmax4）を求め、これらの和に基づいて還元剤の量を設定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、排気浄化装置に係り、特に、吸蔵型ＮＯx触媒のＮＯxパージ技術に関する。

内燃機関（エンジン）の排気通路には一般に排気浄化触媒が介装されており、当該排気浄化触媒により排気中の有害物質（ＣＯ、ＨＣ、ＮＯx等）が酸化或いは還元されて除去される。
特に、エンジンがディーゼルエンジンのようにＮＯxを排出し易いエンジンの場合には、排気浄化触媒として、酸化雰囲気（リーン空燃比下）においてＮＯxを吸蔵する一方、還元雰囲気（リッチ空燃比下）において当該吸蔵したＮＯxを放出し還元除去（ＮＯxパージ）してＮＯxを浄化可能な吸蔵型ＮＯx触媒が広く採用されている。

ところで、このような吸蔵型ＮＯx触媒では、ＮＯxパージを行う際、比較的エネルギ効率がよい等の理由から、吸蔵型ＮＯx触媒の排気上流側に還元剤（ＨＣ成分、例えば燃料である軽油等）を供給することで吸蔵型ＮＯx触媒を還元雰囲気にするようにしている。具体的には、吸蔵型ＮＯx触媒以外の酸化触媒等において残留酸素により酸化される量とＮＯxを放出還元する量とを加えた十分な量の還元剤を供給するようにしている。

しかしながら、ＮＯxパージでは還元剤をスパイク的に供給するため、エンジンの運転条件によっては還元剤が残留酸素との酸化反応やＮＯxの還元反応に間に合わず、還元剤の一部が所謂ＨＣスリップとして大気中に排出されるという問題がある。
そこで、吸蔵型ＮＯx触媒の排気下流側に後段酸化触媒を設け、ＨＣスリップによるＨＣを当該後段酸化触媒で酸化除去することが考えられている。

一方で、例えば排気通路に直列に複数の脱硝触媒を設け、脱硝触媒毎にそれぞれ少量の還元剤を添加するようにして多量の還元剤を用いないように図った構成の装置が開発されている（特許文献１参照）。
特開２００４−２６８０２１号公報

しかしながら、上述の如く吸蔵型ＮＯx触媒の排気下流側に後段酸化触媒を設けるようにすると、排気浄化触媒全体が大きくなって配設スペースを確保し難いという問題や、エンジンから遠いために触媒温度を確保できず結局のところＨＣを十分に浄化しきれないという問題がある。さらに、このような構成では、後処理的にＨＣを浄化しており、還元剤の無駄な供給を許容していると言わざるを得ない。

また、上記特許文献に開示される装置の場合には、無駄な還元剤の添加をある程度防止可能である一方、装置脱硝触媒の数だけ還元剤添加装置が必要になるという問題があることは勿論、吸蔵型ＮＯx触媒に適用して還元剤をスパイク的に供給した場合には、依然として上記問題が起こり得るという問題がある。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、吸蔵型ＮＯx触媒のＮＯxパージ時においてＨＣスリップを確実に抑制可能な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の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられ、酸化雰囲気にあるときＮＯxを吸蔵する一方、還元雰囲気にあるとき該吸蔵したＮＯxを放出し還元除去する吸蔵型ＮＯx触媒と、該吸蔵型ＮＯx触媒の排気上流側及び排気下流側の少なくともいずれか一方に設けられた酸化触媒と、前記吸蔵型ＮＯx触媒及び前記酸化触媒の排気上流側に設けられ、前記吸蔵型ＮＯx触媒を還元雰囲気にすべく還元剤を供給する還元剤供給手段と、前記吸蔵型ＮＯx触媒及び前記酸化触媒の各触媒の温度をそれぞれ検出する触媒温度検出手段と、前記排気通路内における排気体積流量を検出する排気体積流量検出手段と、該排気体積流量検出手段により検出された排気体積流量と前記各触媒の容量とに基づき触媒毎にそれぞれＳＶ値を求め、該各ＳＶ値と前記触媒温度検出手段により検出される前記各触媒の温度とに基づき前記各触媒において消費される単位時間当たりの還元剤の最大消費量を求める還元剤最大消費量演算手段と、該還元剤最大消費量演算手段により求めた前記各触媒における単位時間当たりの還元剤の最大消費量の和に基づき前記還元剤供給手段により供給する還元剤の量を設定する還元剤量設定手段とを備えたことを特徴とする。

請求項１の排気浄化装置によれば、吸蔵型ＮＯx触媒及び酸化触媒の複数の触媒からなる排気浄化触媒において、吸蔵型ＮＯx触媒及び酸化触媒の排気上流側に設けた還元剤供給手段により還元剤を供給して吸蔵型ＮＯx触媒のＮＯxパージを行うに際し、各触媒のＳＶ値と温度とに基づいて各触媒において消費される単位時間当たりの還元剤の最大消費量を求め、これらの和に基づいて還元剤の量を設定するようにしたので、各触媒において消費される還元剤の量を適切に求めて還元剤を過不足なく供給するようにでき、ＮＯxパージを良好に行いつつ、排気浄化触媒全体を大型化することもなく還元剤の大気中への排出（ＨＣスリップ）を内燃機関の運転状態に拘わらず確実に防止することができる。

以下、図面を参照して、本発明に係る排気浄化装置の一実施形態を説明する。
図１は本発明に係る排気浄化装置を含む内燃機関全体のシステム構成図であり、図１において、符号１は、例えばコモンレール式ディーゼルエンジンを示し、符号１０は、エンジン制御装置の主要部をなす電子コントロールユニット（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（以下、単にエンジンという）１は、ニードル弁ならびにこのニードル弁の先端側および基端側に設けられた燃料室および制御室を有した燃料インジェクタを気筒毎に備え、燃料室およ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閉弁時期を制御することで燃料噴射開始・終了時期（燃料噴射量）が調節される。

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（排気通路）１４とを有している。吸気管１２にはエアフローセンサ１６が設けられている。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（還元剤供給手段）５０、後処理装置４０および図示しないマフラが設けられている。また、排気管１４には排気体積流量を検出する排ガスフローセンサ（排気体積流量検出手段）１５が配設されている。なお、排気体積流量の検出には上記エアフローセンサ１６からの吸気流量と筒内燃料噴射量指示値から求めた演算値を用いても良い。

図１中、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がＥＧＲガスとしてエンジン１に供給される。ＥＧＲ通路３６の途中には、ＥＧＲ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ＥＧＲガスのエンジン１への供給および供給遮断のためのＥＧＲ弁３８とが設けられている。

後処理装置４０は、排ガス中のＨＣ、ＣＯ等を酸化除去する前段酸化触媒４１と、酸化雰囲気（リーン空燃比）で排ガス中のＮＯxを吸蔵するとともに還元雰囲気（リッチ空燃比）で吸蔵させたＮＯxを放出し還元除去（ＮＯxパージ）するＮＯｘ吸蔵触媒（吸蔵型ＮＯx触媒）４２と、パティキュレートマター（ＰＭ）を捕集して燃焼除去するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）４３と、余剰のＨＣ、ＣＯを酸化除去する後段酸化触媒４４とを備えて構成されている。なお、ＤＰＦ４３は酸化触媒機能をも併せ有している（触媒担持ＤＰＦ）。そして、後処理装置４０の排気上流側には軽油添加インジェクタ５０が設けられている。

軽油添加インジェクタ５０は、ＮＯｘ吸蔵触媒４２のＮＯxパージ時にはＮＯｘ吸蔵触媒４２に対し還元雰囲気の生成及びＮＯxの還元剤として、或いはＤＰＦ４３に捕集されたＰＭを燃焼除去するＤＰＦ４３の強制再生時には前段のＮＯx吸蔵触媒４２を昇温させるとともにＤＰＦ４３を昇温させるため、排ガス中に軽油（ＨＣ成分）を噴射するものであり、ＥＣＵ１０により駆動制御される。

図１中、符号６０〜６５は温度センサ（触媒温度検出手段）であり、温度センサ６０は前段酸化触媒４１の直上流の排気温度を検出し、温度センサ６１は前段酸化触媒４１とＮＯｘ吸蔵触媒４２との間の排気温度を検出し、温度センサ６２はＮＯｘ吸蔵触媒４２とＤＰＦ４３との間の排気温度を検出し、温度センサ６３はＤＰＦ４３の直下流の排気温度を検出し、温度センサ６４、６５はそれぞれ後段酸化触媒４４の直上流と直下流の排気温度を検出するよう配設されている。これら温度センサ６０〜６５はＥＣＵ１０に接続されている。

これにより、温度センサ６０、６１からの排気温度情報の平均値を求めることで前段酸化触媒４１の温度を検出可能であり、温度センサ６１、６２からの排気温度情報の平均値を求めることでＮＯｘ吸蔵触媒４２の温度を検出可能であり、温度センサ６２、６３からの排気温度情報の平均値を求めることでＤＰＦ４３の温度を検出可能であり、温度センサ６４、６５からの排気温度情報の平均値を求めることで後段酸化触媒４４の温度を検出可能である。なお、可能であれば、温度センサ６０〜６５からの排気温度情報の平均値を求めることなく、前段酸化触媒４１、ＮＯｘ吸蔵触媒４２、ＤＰＦ４３及び後段酸化触媒４４の温度を直接検出するようにしてもよい。

さらに、ＥＣＵ１０には負荷センサ６６、クランク角センサ６７などの各種センサ類が接続されている。負荷センサ６６は、図示しないアクセルペダルの踏込量すなわちアクセル開度をエンジン負荷として検出し、クランク角センサ６７は、クランク角を検出することでエンジン１のクランクシャフト（図示せず）の回転をエンジン回転速度Ｎeとして検出するものである。

これより、ＥＣＵ１０は、負荷センサ６６により検出されたエンジン負荷とクランク角センサ６７により検出されたエンジン回転速度Ｎeとに基づいてエンジン１の運転領域を判別し、エンジン運転領域に応じてエンジン１の各燃料インジェクタの電磁弁をオンオフして燃料噴射タイミングおよび燃料噴射量を制御可能である。
また、ＥＣＵ１０は、軽油（ＨＣ成分）を供給してＮＯｘ吸蔵触媒４２のＮＯxパージやＤＰＦ４３の強制再生を行うべく、例えば予め設定された所定周期で軽油添加インジェクタ５０の電磁弁を制御可能に構成されている。

ところで、ＮＯｘ吸蔵触媒４２のＮＯxパージを行うべく軽油添加インジェクタ５０の電磁弁を制御する場合、比較的多くの軽油をスパイク的に供給するため、排気流量が大きいような場合には軽油が残留酸素との酸化反応やＮＯxの還元反応に間に合わず、軽油の量が多いと、上述したようにＨＣ成分の一部が所謂ＨＣスリップとして大気中に排出され兼ねず、好ましいことではない。

そこで、本発明に係る排気浄化装置では、そのようなＨＣスリップを確実に防止するように図っている。
以下、上記のように構成された本発明に係る排気浄化装置の作用及び効果について説明する。
先ず、ＥＣＵ１０は、ＮＯｘ吸蔵触媒４２のＮＯxパージの開始指令が発せられると、温度センサ６０〜６５からの排気温度情報に基づく前段酸化触媒４１、ＮＯｘ吸蔵触媒４２、ＤＰＦ４３及び後段酸化触媒４４の現在の温度（Ｔcat1〜Ｔcat4）（触媒温度）を読み込む。

さらに、排ガスフローセンサ１５からの検出情報またはエアフローセンサ１６からの検出情報及び筒内燃料噴射量指示値に基づき、現在の排気体積流量を読み込む。
そして、排気体積流量が読み込まれたら、前段酸化触媒４１、ＮＯｘ吸蔵触媒４２、ＤＰＦ４３及び後段酸化触媒４４の各容量と当該排気体積流量とに基づき、各触媒のＳＶ値（Space Velocity）を演算する。具体的には、排気体積流量を各触媒容量で除してＳＶ値を求める（ＳＶ値＝排気体積流量／触媒容量）。なお、各触媒容量は予め設定或いは計測された固有値である。

一方、ＥＣＵ１０には、図２に示すように、触媒毎に触媒温度（Ｔcat1〜Ｔcat4）とＳＶ値と単位時間当たりの軽油の最大消費量（Qkmax1〜Qkmax4）との関係が予め実験等によって設定され、それぞれ三次元マップとして記憶されている。つまり、各触媒で消費される軽油の量はエンジン１の運転状態に関わるパラメータのうち特に触媒温度とＳＶ値との相関が大きいことが確認されており、故に、触媒温度（Ｔcat1〜Ｔcat4）とＳＶ値と単位時間当たりの軽油の最大消費量（Qkmax1〜Qkmax4）との三次元マップを触媒毎に設け、各触媒の単位時間当たりの軽油の最大消費量（Qkmax1〜Qkmax4）を容易にして適切に把握可能としている。

これより、各触媒の触媒温度（Ｔcat1〜Ｔcat4）とＳＶ値とが読み込まれると、各三次元マップより、前段酸化触媒４１の温度Ｔcat1とＳＶ値とから前段酸化触媒４１にて酸化反応に寄与する単位時間当たりの軽油の最大消費量（Qkmax1）が読み出され、ＮＯｘ吸蔵触媒４２の温度Ｔcat2とＳＶ値とからＮＯｘ吸蔵触媒４２にて還元反応に寄与する単位時間当たりの軽油の最大消費量（Qkmax2）が読み出され、ＤＰＦ４３の温度Ｔcat3とＳＶ値とからＤＰＦ４３の酸化触媒にて酸化反応に寄与する単位時間当たりの軽油の最大消費量（Qkmax3）が読み出され、後段酸化触媒４４の温度Ｔcat4とＳＶ値とから後段酸化触媒４４にて酸化反応に寄与する単位時間当たりの軽油の最大消費量（Qkmax4）が読み出される（還元剤最大消費量演算手段）。

このように各触媒の単位時間当たりの軽油の最大消費量（Qkmax1〜Qkmax4）を求められたら、これらの和に基づき全触媒の単位時間当たりの軽油の最大消費量Qkmax（＝Qkmax1＋Qkmax2＋Qkmax3＋Qkmax4）を求める（還元剤量設定手段）。
そして、前段酸化触媒４１、ＮＯｘ吸蔵触媒４２、ＤＰＦ４３及び後段酸化触媒４４の全触媒において現在消費され得る軽油の最大消費量Qkmaxが求められたら、当該Qkmaxに相当する量以下の量の軽油を噴射すべく軽油添加インジェクタ５０の電磁弁を制御する。

これにより、前段酸化触媒４１、ＮＯｘ吸蔵触媒４２、ＤＰＦ４３及び後段酸化触媒４４の全触媒において現在消費される量Qkmaxに相当する量以下の量の軽油だけが軽油添加インジェクタ５０から噴射されることとなり、ＮＯxパージを良好に実施しながら、軽油の過剰供給を回避して所謂ＨＣスリップを防止でき、ＨＣ成分の大気中への排出をエンジン１の運転状態に拘わらず確実に抑制することができる。

なお、ここでは前段酸化触媒４１、ＮＯｘ吸蔵触媒４２、ＤＰＦ４３及び後段酸化触媒４４の４つの触媒を設けた場合を例に説明したが、触媒の数量は４つに限定されるものではなく、少なくともＮＯｘ吸蔵触媒を含んでいれば幾つであってもよく、触媒の配列順序についても拘るものではない。
例えば、ここでは前段酸化触媒４１、ＮＯｘ吸蔵触媒４２及びＤＰＦ４３とともに後段酸化触媒４４を設けるようにしているが、後段酸化触媒４４が余剰のＨＣ、ＣＯを酸化除去するものであることを考えると、後段酸化触媒４４については設けないようにしてもよい。この場合には、前段酸化触媒４１、ＮＯｘ吸蔵触媒４２及びＤＰＦ４３において現在消費される量Qkmax（＝Qkmax1＋Qkmax2＋Qkmax3）に相当する量以下の軽油だけを噴射するようにすればよい。

また、ここでは前段酸化触媒４１、ＮＯｘ吸蔵触媒４２、ＤＰＦ４３及び後段酸化触媒４４において現在消費される量Qkmax（＝Qkmax1＋Qkmax2＋Qkmax3＋Qkmax4）に相当する量以下の量の軽油を全て噴射するようにしているが、後段酸化触媒４４を設けたまま、当該後段酸化触媒４４における軽油の最大消費量（Qkmax4）に相当する量の軽油については噴射しないようにしてもよい。つまり、前段酸化触媒４１、ＮＯｘ吸蔵触媒４２及びＤＰＦ４３において現在消費される量Qkmax（＝Qkmax1＋Qkmax2＋Qkmax3）に相当する量の軽油だけを噴射するようにしてもよい。このようにすれば、フェイルセーフとして後段酸化触媒４４を使用できることになり、ＮＯxパージを良好に実施しつつ所謂ＨＣスリップを確実に防止することができ、ＨＣ成分の大気中への排出をより一層確実に抑制することができる。

本発明に係る排気浄化装置を含む内燃機関全体のシステム構成図である。 触媒温度（Ｔcat1〜Ｔcat4）とＳＶ値に基づく単位時間当たりの軽油の最大消費量（Qkmax1〜Qkmax4）の三次元マップを触媒毎に示す図である。

符号の説明

１ エンジン（ディーゼルエンジン）
１０ 電子コントロールユニット（ＥＣＵ）
１５ 排ガスフローセンサ（排気体積流量検出手段）
１６ エアフローセンサ
４０ 後処理装置
４１ 前段酸化触媒
４２ ＮＯｘ吸蔵触媒
４３ ＤＰＦ（触媒担持ＤＰＦ）
４４ 後段酸化触媒
５０ 軽油添加インジェクタ（還元剤供給手段）
６０〜６５ 温度センサ（触媒温度検出手段）

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、酸化雰囲気にあるときＮＯxを吸蔵する一方、還元雰囲気にあるとき該吸蔵したＮＯxを放出し還元除去する吸蔵型ＮＯx触媒と、
   該吸蔵型ＮＯx触媒の排気上流側及び排気下流側の少なくともいずれか一方に設けられた酸化触媒と、
   前記吸蔵型ＮＯx触媒及び前記酸化触媒の排気上流側に設けられ、前記吸蔵型ＮＯx触媒を還元雰囲気にすべく還元剤を供給する還元剤供給手段と、
   前記吸蔵型ＮＯx触媒及び前記酸化触媒の各触媒の温度をそれぞれ検出する触媒温度検出手段と、
   前記排気通路内における排気体積流量を検出する排気体積流量検出手段と、
   該排気体積流量検出手段により検出された排気体積流量と前記各触媒の容量とに基づき触媒毎にそれぞれＳＶ値を求め、該各ＳＶ値と前記触媒温度検出手段により検出される前記各触媒の温度とに基づき前記各触媒において消費される単位時間当たりの還元剤の最大消費量を求める還元剤最大消費量演算手段と、
   該還元剤最大消費量演算手段により求めた前記各触媒における単位時間当たりの還元剤の最大消費量の和に基づき前記還元剤供給手段により供給する還元剤の量を設定する還元剤量設定手段と、
   を備えたことを特徴とする排気浄化装置。

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