JP2009019520A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の排気浄化装置において、ＳＯｘ被毒回復制御を実行することに起因する、触媒劣化を抑制すると共に還元剤の消費を抑制する技術を提供する。
【解決手段】ＳＯｘ被毒回復制御の実行の際、ＮＯｘ触媒の触媒劣化度合いが小さい時は、ＮＯｘ触媒を５８０℃のＳＯｘ放出可能な比較的低温な温度に昇温すると共にＮＯｘ触媒の周囲雰囲気を排気空燃比Ａ／Ｆ＝１３．０の高還元雰囲気とし、ＮＯｘ触媒の触媒劣化度合いが大きくなる程、ＮＯｘ触媒をより高温（最低の５８０℃から徐々に最高で７００℃まで）へ昇温すると共にＮＯｘ触媒の周囲雰囲気をより低還元雰囲気（排気空燃比Ａ／Ｆ＝１３．０の最高還元雰囲気から徐々に排気空燃比Ａ／Ｆ＝１４．５の最低還元雰囲気）とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、単にＮＯｘ触媒という）の性能の回復を図る際に、ＮＯｘ触媒に永久的に吸蔵される永久被毒ＳＯｘ量が多い程、ＮＯｘ触媒をより昇温させる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、ＮＯｘトラップを伴わない触媒について、当該触媒からＳＯｘを放出させるＳＯｘ被毒回復制御を実行する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００５−２９１０３９号公報 特表２００３−５０９６１４号公報

ところで、ＮＯｘ触媒について実行されるＳＯｘ被毒回復制御では、ＮＯｘ触媒の周囲雰囲気を高還元雰囲気にすることにより発生するＨＣの白煙やＨ_２Ｓの臭いを抑制するため、例えば、排気空燃比Ａ／Ｆ＝１４．４のスライトリッチの低還元雰囲気にしていた。このような低還元雰囲気でＮＯｘ触媒からＳＯｘを放出させるためには、ＮＯｘ触媒を例えば６５０℃の高温に昇温させなければならなかった。

しかし、ＮＯｘ触媒を例えば６５０℃の高温に昇温させることは、ＮＯｘ触媒の劣化を促進させてしまう。また、ＮＯｘ触媒を例えば６５０℃の高温に昇温するためには、還元剤を大量に消費してしまう。還元剤が燃料である場合には、燃費を悪化させてしまう。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、内燃機関の排気浄化装置において、ＳＯｘ被毒回復制御を実行することに起因する、触媒劣化を抑制すると共に還元剤の消費を抑制する技術を提供することにある。

本発明にあっては、以下の構成を採用する。すなわち、
排気通路に設けられた吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、
前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒にＳＯｘが規定値以上吸蔵された場合に、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒よりも上流から還元剤を供給し、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を昇温すると共に前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の周囲雰囲気を還元雰囲気とすることで、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＳＯｘを放出させるＳＯｘ被毒回復制御を実行するＳＯｘ被毒回復制御実行手段と、
を備え、
前記ＳＯｘ被毒回復制御実行手段は、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の触媒劣化度合いが小さい時は、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒をＳＯｘ放出可能な比較的低温な温度に昇温すると共に前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の周囲雰囲気を高還元雰囲気とし、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の触媒劣化度合いが大きくなる程、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒をより高温へ昇温すると共に前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の周囲雰囲気をより低還元雰囲気とすることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。

本発明では、ＮＯｘ触媒中の貴金属の活性が高いＮＯｘ触媒の触媒劣化度合いが小さい時は、ＮＯｘ触媒を高温へ昇温することで触媒劣化が促進されてしまうことを抑制するた
め、ＮＯｘ触媒をＳＯｘ放出可能な比較的低温な温度に昇温してＳＯｘ被毒回復制御を実行する。この際、ＮＯｘ触媒が比較的低温な温度であると、ＮＯｘ触媒の周囲雰囲気を高還元雰囲気にしないとＮＯｘ触媒に吸蔵されたＳＯｘを放出させることができない。そこで、ＮＯｘ触媒の触媒劣化度合いが小さい時は、ＮＯｘ触媒の周囲雰囲気を高還元雰囲気とする。

つまり、ＳＯｘ被毒回復制御実行手段は、ＮＯｘ触媒の触媒劣化度合いが小さい時は、ＮＯｘ触媒をＳＯｘ放出可能な比較的低温な温度に昇温すると共にＮＯｘ触媒の周囲雰囲気を高還元雰囲気とする。

これによると、ＮＯｘ触媒の触媒劣化度合いが小さい時は、ＳＯｘ被毒回復制御を実行する際にＮＯｘ触媒をＳＯｘ放出可能な比較的低温な温度に昇温し、ＮＯｘ触媒を比較的高温な温度へ昇温することで触媒劣化が促進されてしまうことを抑制できる。

また、ＮＯｘ触媒の触媒劣化度合いが小さい時にＳＯｘ被毒回復制御を実行する際にＮＯｘ触媒の周囲雰囲気を高還元雰囲気とすることは、ＮＯｘ触媒を比較的高温な温度へ昇温させることよりも、ＮＯｘ触媒へ供給する還元剤の消費量が少なくてすむ。よって、ＳＯｘ被毒回復制御における還元剤の消費を抑制できる。還元剤が燃料である場合には、燃費を向上できる。

しかし、ＮＯｘ触媒の触媒劣化度合いが大きくなっていくと、ＮＯｘ触媒中の貴金属の活性が低くなっていき、ＳＯｘ被毒回復制御においてＳＯｘを放出させるためにはＮＯｘ触媒をより高温に昇温する必要がある。また、ＳＯｘ被毒回復制御を実行する際にＮＯｘ触媒がより高温な温度になっていくと、ＮＯｘ触媒の周囲雰囲気はより低還元雰囲気であってもＮＯｘ触媒に吸蔵されたＳＯｘを放出させることができる。

そこで、ＳＯｘ被毒回復制御実行手段は、ＮＯｘ触媒の触媒劣化度合いが大きくなる程、ＮＯｘ触媒をより高温へ昇温すると共にＮＯｘ触媒の周囲雰囲気をより低還元雰囲気とする。

これによると、ＮＯｘ触媒の触媒劣化度合いが大きくなるのに従って、ＮＯｘ触媒をより高温へ昇温するので、ＳＯｘ被毒回復制御を実行することに起因するＮＯｘ触媒の触媒劣化を抑制できる効果を小さくなりつつもできるだけ得ることができる。

また、ＮＯｘ触媒の触媒劣化度合いが大きくなるのに従って、ＮＯｘ触媒の周囲雰囲気をより低還元雰囲気とするので、ＳＯｘ被毒回復制御を実行することに起因する還元剤の消費を抑制できる効果を小さくなりつつもできるだけ得ることができる。

本発明によると、内燃機関の排気浄化装置において、ＳＯｘ被毒回復制御を実行することに起因する、触媒劣化を抑制することができると共に還元剤の消費を抑制することができる。

以下に本発明の具体的な実施例を説明する。

＜実施例１＞
図１は、本実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関及びその排気系の概略構成を示す図である。

図１に示す内燃機関１は、ピストンと共に燃焼室を形成する気筒を４つ有する水冷式の４ストロークサイクル・ディーゼルエンジンである。内燃機関１は、車両に搭載されている。

内燃機関１には、排気通路２が接続されている。排気通路２の途中には、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、単にＮＯｘ触媒という）３が内部に設置された触媒コンバータ４が配置されている。

ＮＯｘ触媒３は、内燃機関１が通常の運転状態にある時のように排気空燃比が高い時には、排気中のＮＯｘを吸蔵し、排気空燃比が低くなり且つ排気中に還元成分が存在する時（還元雰囲気の時）には、吸蔵されたＮＯｘを放出する触媒である。

触媒コンバータ４よりも上流の排気通路２には、燃料添加弁５が配置されている。燃料添加弁５は、排気中に還元剤たる燃料を添加することができる。

触媒コンバータ４の直上流の排気通路２には、排気空燃比センサ６が配置されている。排気空燃比センサ６は、触媒コンバータ４の入口部の直上流を流通する排気空燃比を検出する。

また、触媒コンバータ４の直下流の排気通路２には、排気温度センサ７が配置されている。排気温度センサ７は、触媒コンバータ４の出口部の直下流を流通する排気温度を検出する。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ８が併設されている。このＥＣＵ８は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。

ＥＣＵ８には、排気空燃比センサ６及び排気温度センサ７が電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がＥＣＵ８に入力されるようになっている。ＥＣＵ８は、排気空燃比センサ６の検出値からＮＯｘ触媒の周囲雰囲気の排気空燃比Ａ／Ｆを推定する。また、ＥＣＵ８は、排気温度センサ７の検出値からＮＯｘ触媒３の温度を推定する。

一方、ＥＣＵ８には、燃料添加弁５や内燃機関１内の燃料噴射弁などが電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ８によりこれらの機器が制御される。

ＥＣＵ８は、内燃機関１の運転状態を基に、触媒コンバータ４のＮＯｘ触媒３に吸蔵されたＳＯｘの吸蔵量を演算して、このＳＯｘの吸蔵量が規定値以上に吸蔵された場合には、ＳＯｘ被毒回復制御を実行する。ここで、規定値とは、ＮＯｘ触媒３のＮＯｘ吸蔵能力が低下し、エミッションが過剰に悪化するおそれがあると判断できるＳＯｘ吸蔵量である。

ＳＯｘ被毒回復制御は、燃料添加弁５から排気中に燃料を間欠的に添加することによって、ＮＯｘ触媒３の周囲雰囲気をリッチ空燃比且つ還元剤である燃料が存在する還元雰囲気とすると共にＮＯｘ触媒３の温度をＳＯｘ放出可能な温度にまで上昇させ、ＮＯｘ触媒３に吸蔵されたＳＯｘを放出させるものである。

なお、本実施例では、燃料添加弁５から燃料を排気中に添加することで、ＮＯｘ触媒３に還元剤たる燃料を供給するようにしているが、これに限られず、内燃機関１の膨張行程及び／又は排気行程中に主噴射とは別に内燃機関１の気筒内に配置された燃料噴射弁から気筒内へ燃料を噴射する、いわゆるポスト噴射を実行して、ＮＯｘ触媒３に還元剤たる燃
料を供給するようにしてもよい。

ところで、ＮＯｘ触媒３について実行されるＳＯｘ被毒回復制御では、従来、ＮＯｘ触媒３の周囲雰囲気を高還元雰囲気にすることにより発生するＨＣの白煙やＨ_２Ｓの臭いを抑制するため、例えば、排気空燃比Ａ／Ｆ＝１４．４のスライトリッチの低還元雰囲気にしていた。このような低還元雰囲気でＮＯｘ触媒３からＳＯｘを放出させるためには、ＮＯｘ触媒３を例えば６５０℃の高温に昇温させなければならなかった。

しかし、ＮＯｘ触媒３を例えば６５０℃の高温に昇温させることは、ＮＯｘ触媒３の劣化を促進させてしまう。また、ＮＯｘ触媒３を例えば６５０℃の高温に昇温するためには、還元剤たる燃料を大量に消費してしまう。還元剤が燃料である本実施例のような場合には、燃費を悪化させてしまう。

そこで、本実施例では、ＮＯｘ触媒３中の貴金属の活性が高いＮＯｘ触媒３の触媒劣化度合いが小さい時は、ＮＯｘ触媒３を高温へ昇温することで触媒劣化が促進されてしまうことを抑制するため、ＮＯｘ触媒３を例えば５８０℃のＳＯｘ放出可能な比較的低温な温度に昇温してＳＯｘ被毒回復制御を実行する。この際、ＮＯｘ触媒３が例えば５８０℃の比較的低温な温度であると、ＮＯｘ触媒３の周囲雰囲気を例えば排気空燃比Ａ／Ｆ＝１３．０の高還元雰囲気にしないとＮＯｘ触媒３に吸蔵されたＳＯｘを放出させることができない。そこで、ＮＯｘ触媒３の触媒劣化度合いが小さい時は、ＮＯｘ触媒３の周囲雰囲気を例えば排気空燃比Ａ／Ｆ＝１３．０の高還元雰囲気とする。

つまり、ＳＯｘ被毒回復制御を実行する場合に、ＮＯｘ触媒３の触媒劣化度合いが小さい時は、図２に示すように、ＮＯｘ触媒３を例えば５８０℃のＳＯｘ放出可能な比較的低温な温度に昇温すると共にＮＯｘ触媒３の周囲雰囲気を例えば排気空燃比Ａ／Ｆ＝１３．０の高還元雰囲気とする。

これによると、ＮＯｘ触媒３の触媒劣化度合いが小さい時は、ＳＯｘ被毒回復制御を実行する際にＮＯｘ触媒３を例えば５８０℃のＳＯｘ放出可能な比較的低温な温度に昇温し、ＮＯｘ触媒３を例えば６５０℃の比較的高温な温度へ昇温することで触媒劣化が促進されてしまうことを抑制できる。

また、ＮＯｘ触媒３の触媒劣化度合いが小さい時にＳＯｘ被毒回復制御を実行する際にＮＯｘ触媒３の周囲雰囲気を例えば排気空燃比Ａ／Ｆ＝１３．０の高還元雰囲気とすることは、ＮＯｘ触媒３を例えば６５０℃の比較的高温な温度へ昇温させることよりも、ＮＯｘ触媒３へ供給する燃料の消費量が少なくてすむ。よって、ＳＯｘ被毒回復制御における燃料の消費を抑制できる。したがって、燃費を向上できる。

しかし、ＮＯｘ触媒３の触媒劣化度合いが大きくなっていくと、ＮＯｘ触媒３中の貴金属の活性が低くなっていき、ＳＯｘ被毒回復制御においてＳＯｘを放出させるためにはＮＯｘ触媒３を例えば５８０℃より高温に昇温する必要がある。また、ＳＯｘ被毒回復制御を実行する際にＮＯｘ触媒３がより高温な温度になっていくと、ＮＯｘ触媒３の周囲雰囲気はより低還元雰囲気であってもＮＯｘ触媒３に吸蔵されたＳＯｘを放出させることができる。

そこで、ＳＯｘ被毒回復制御を実行する場合に、ＮＯｘ触媒３の触媒劣化度合いが大きくなる程、図２に示すように、ＮＯｘ触媒３をより高温、例えば最低の５８０℃から徐々に最高で７００℃まで昇温すると共にＮＯｘ触媒３の周囲雰囲気をより低還元雰囲気、例えば排気空燃比Ａ／Ｆ＝１３．０の最高還元雰囲気から徐々に排気空燃比Ａ／Ｆ＝１４．５の最低還元雰囲気とする。

これによると、ＮＯｘ触媒３の触媒劣化度合いが大きくなるのに従って、ＮＯｘ触媒３をより高温、例えば最低の５８０℃から徐々に最高で７００℃まで昇温する。よって、ＳＯｘ被毒回復制御を実行してＮＯｘ触媒３が比較的高温な温度になることに起因するＮＯｘ触媒３の触媒劣化を抑制できる効果を、ＮＯｘ触媒３がより高温になるに従い小さくなりつつもできるだけ得ることができる。

また、ＮＯｘ触媒３の触媒劣化度合いが大きくなるのに従って、ＮＯｘ触媒３の周囲雰囲気をより低還元雰囲気、例えば排気空燃比Ａ／Ｆ＝１３．０の最高還元雰囲気から徐々に排気空燃比Ａ／Ｆ＝１４．５の最低還元雰囲気とする。よって、ＳＯｘ被毒回復制御を実行して燃料をＮＯｘ触媒３に供給することに起因する燃料の消費を抑制できる効果を、小さくなりつつもできるだけ得ることができる。

次に、本実施例によるＳＯｘ被毒回復制御ルーチンについて説明する。図３は、本実施例によるＳＯｘ被毒回復制御ルーチンを示したフローチャートである。本ルーチンは、所定の時間毎に繰り返し実行される。また、本ルーチン実行するＥＣＵ８が、本発明のＳＯｘ被毒回復制御実行手段に相当する。

ステップＳ１０１では、ＥＣＵ８は、ＳＯｘ被毒回復制御を実行する条件が成立したか否かを判別する。

ＳＯｘ被毒回復制御を実行する条件は、ＮＯｘ触媒３に吸蔵されたＳＯｘ吸蔵量が規定値以上となった場合に、条件が成立したと判別される。

ステップＳ１０１において、ＳＯｘ被毒回復制御を実行する条件が成立しない場合には、本ルーチンを一旦終了する。また、ＳＯｘ被毒回復制御を実行する条件が成立する場合には、ステップＳ１０２へ移行する。

ステップＳ１０２では、ＥＣＵ８は、触媒劣化判定を行う。触媒劣化判定は、ＥＣＵ８が積算している熱履歴積算時間を図４のマップに当てはめることで、ａｇ１〜ａｇ５の触媒劣化判定値に振り分けるものである。この触媒劣化判定値が、ＮＯｘ触媒３の触媒劣化度合いを示している。また、熱履歴積算時間は、例えばＳＯｘ被毒回復制御を実行してＮＯｘ触媒が例えば５８０℃以上の高温になった時間などを積算したものである。

具体的には、熱履歴積算時間が１０時間までであると、触媒劣化判定値をａｇ１に振り分ける。熱履歴積算時間が１０時間〜２０時間であると、触媒劣化判定値をａｇ２に振り分ける。熱履歴積算時間が２０時間〜５０時間であると、触媒劣化判定値をａｇ３に振り分ける。熱履歴積算時間が５０時間〜１００時間であると、触媒劣化判定値をａｇ４に振り分ける。熱履歴積算時間が１００時間を超えると、触媒劣化判定値をａｇ５に振り分ける。

ステップＳ１０２に引き続くステップＳ１０３では、ＥＣＵ８は、ＳＯｘ被毒回復制御を実行する際の、ＮＯｘ触媒３の周囲雰囲気の排気空燃比Ａ／Ｆ及びＮＯｘ触媒３の温度を設定する。ＮＯｘ触媒３の周囲雰囲気の排気空燃比Ａ／Ｆ及びＮＯｘ触媒３の温度は、ステップＳ１０２で求められた触媒劣化判定値を図５のマップに当てはめることで設定される。

具体的には、触媒劣化判定値がａｇ１であると、排気空燃比Ａ／Ｆ＝１３．０、ＮＯｘ触媒３の温度は５８０℃に設定される。触媒劣化判定値がａｇ２であると、排気空燃比Ａ／Ｆ＝１３．８、ＮＯｘ触媒３の温度は６００℃に設定される。触媒劣化判定値がａｇ３
であると、排気空燃比Ａ／Ｆ＝１４．０、ＮＯｘ触媒３の温度は６２０℃に設定される。触媒劣化判定値がａｇ４であると、排気空燃比Ａ／Ｆ＝１４．２、ＮＯｘ触媒３の温度は６５０℃に設定される。触媒劣化判定値がａｇ５であると、排気空燃比Ａ／Ｆ＝１４．５、ＮＯｘ触媒３の温度は７００℃に設定される。

ステップＳ１０３に引き続くステップＳ１０４では、ＥＣＵ８は、ＳＯｘ被毒回復制御を実行する。このＳＯｘ被毒回復制御の際、ＮＯｘ触媒３の周囲雰囲気の排気空燃比Ａ／Ｆ及びＮＯｘ触媒３の温度は、ステップＳ１０３で設定された設定値を用いて制御される。つまり、排気空燃比センサ６及び排気温度センサ７の検出値からＮＯｘ触媒３の周囲雰囲気の排気空燃比Ａ／Ｆ及びＮＯｘ触媒３の温度を推定して、ステップＳ１０３で設定された設定値に実際に到達させるよう制御する。

そして、ＳＯｘ被毒回復制御が実行された後に、ＮＯｘ触媒３からＳＯｘがほとんど放出されなくなったと判断できた場合には、ＳＯｘ被毒回復制御を終了し、本ルーチンを一旦終了する。

以上の本ルーチンによれば、ＳＯｘ被毒回復制御の際に、ＮＯｘ触媒３の周囲雰囲気の排気空燃比Ａ／Ｆ及びＮＯｘ触媒３の温度を、触媒劣化判定値に応じて変更する。これによって、ＮＯｘ触媒３を高温な温度へ昇温することで触媒劣化が促進されてしまうことを抑制できる。またこれと共に、ＮＯｘ触媒３の周囲雰囲気を高還元雰囲気として、ＮＯｘ触媒３を高温な温度へ昇温させることよりも、ＮＯｘ触媒３へ供給する燃料の消費を抑制し、燃費を向上できる。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えてもよい。

実施例１に係る内燃機関及びその排気系の概略構成を示す図である。 実施例１に係るＳＯｘ被毒回復制御時のＮＯｘ触媒の周囲雰囲気の排気空燃比Ａ／Ｆ及びＮＯｘ触媒の温度の設定値変化を示す図である。 実施例１に係るＳＯｘ被毒回復制御ルーチンを示すフローチャートである。 実施例１に係る触媒劣化判定値及び熱履歴積算時間のマップを示す図である。 実施例１に係るＳＯｘ被毒回復制御時のＮＯｘ触媒の周囲雰囲気の排気空燃比Ａ／Ｆ及びＮＯｘ触媒の温度並びに触媒劣化判定値のマップを示す図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 排気通路
３ ＮＯｘ触媒
４ 触媒コンバータ
５ 燃料添加弁
６ 排気空燃比センサ
７ 排気温度センサ
８ ＥＣＵ

Claims (1)

1. 排気通路に設けられた吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、
   前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒にＳＯｘが規定値以上吸蔵された場合に、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒よりも上流から還元剤を供給し、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を昇温すると共に前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の周囲雰囲気を還元雰囲気とすることで、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＳＯｘを放出させるＳＯｘ被毒回復制御を実行するＳＯｘ被毒回復制御実行手段と、
   を備え、
   前記ＳＯｘ被毒回復制御実行手段は、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の触媒劣化度合いが小さい時は、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒をＳＯｘ放出可能な比較的低温な温度に昇温すると共に前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の周囲雰囲気を高還元雰囲気とし、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の触媒劣化度合いが大きくなる程、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒をより高温へ昇温すると共に前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の周囲雰囲気をより低還元雰囲気とすることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。

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