JP2009030550A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ＮＯX吸蔵還元触媒装置の下流側にはパティキュレートフィルタが配置され、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の上流側にはＳトラップ装置が配置された内燃機関の排気浄化装置において、Ｓトラップ装置の上流側の排気系又は気筒内へ供給された追加燃料の一部をＮＯX吸蔵還元触媒装置において燃焼させてパティキュレートフィルタへ流入する排気ガス温度を高めてパティキュレートフィルタの良好な再生処理を実現する際に、Ｓトラップ装置からのＳＯXの放出を防止する。
【解決手段】第一燃料供給手段７から供給される追加燃料はＳトラップ装置４からＳＯXが放出されない量とされ、第一燃料供給手段により供給された追加燃料の再生処理にとっての不足分を補うためにＮＯX吸蔵還元触媒装置５とパティキュレートフィルタ６との間の排気系には第二燃料供給手段８が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
ディーゼルエンジンのような希薄燃焼を実施する内燃機関の排気系には、ＮＯX吸蔵還元触媒装置が配置されている。ＮＯX吸蔵還元触媒装置は、排気ガスがリーン空燃比である時、すなわち、排気ガス中の酸素濃度が高い時に、排気ガス中のＮＯXを良好に吸蔵する。一方、再生処理として、排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比とすれば、すなわち、排気ガス中の酸素濃度を低下させれば、吸蔵したＮＯXを放出し、こうして放出させたＮＯXを、排気ガス中の還元物質により還元浄化する。
ところで、内燃機関の排気ガス中にはパティキュレートも含まれている。このようなパティキュレートを捕集して、その大気放出を抑制することが望まれており、そのためのパティキュレートフィルタを、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の下流側に配置することが提案されている。
パティキュレートフィルタは、捕集パティキュレートが大きな排気抵抗となる以前に捕集パティキュレートを焼失させる再生処理が必要である。この再生処理として、排気ガス中に追加燃料を供給して、追加燃料をＮＯX吸蔵還元触媒装置において燃焼させて排気ガス温度を高めて、比較的高温の排気ガスと追加燃料の残りとをパティキュレートフィルタへ流入させ、比較的高温の排気ガスにより昇温されたパティキュレートフィルタにおいて追加燃料の残りを燃焼させ、パティキュレートフィルタをさらに昇温とすることにより、捕集パティキュレートを焼失させることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−２９１８２５
ところで、ＮＯX吸蔵還元触媒装置は、ＮＯXと同様なメカニズムによって排気ガス中のＳＯXも吸蔵してしまう。ＳＯXは安定な硫酸塩として吸蔵されるために放出させ難く、吸蔵量は増加する一方であり、遂には、ＮＯXを十分に吸蔵することができなくなる。ＳＯXを放出させるには、ＮＯX吸蔵還元触媒装置を７００°Ｃのような高温としなければならず、ＮＯX吸蔵還元触媒装置を熱劣化させる。
このようなＮＯX吸蔵還元触媒装置の熱劣化を防止するには、ＮＯX吸蔵還元触媒装置にＳＯXを吸蔵させないようにすれば良く、そのために、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の上流側にＮＯX吸蔵還元触媒装置と同様にＳＯXを吸蔵するＳトラップ装置を配置することが考えられる。
このような構成において、パティキュレートフィルタの再生処理に際して、Ｓトラップ装置の上流側に追加燃料を供給すると、Ｓトラップ装置からＳＯXが放出され、この放出ＳＯXがＮＯX吸蔵還元触媒装置に吸蔵されてしまうことがある。
従って、本発明の目的は、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の下流側にはパティキュレートフィルタが配置され、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の上流側にはＳトラップ装置が配置された内燃機関の排気浄化装置において、Ｓトラップ装置の上流側の排気系又は気筒内へ供給された追加燃料の一部をＮＯX吸蔵還元触媒装置において燃焼させてパティキュレートフィルタへ流入する排気ガス温度を高めてパティキュレートフィルタの良好な再生処理を実現する際に、Ｓトラップ装置からのＳＯXの放出を防止することである。
本発明による請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置は、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の下流側にはパティキュレートフィルタが配置され、前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置の上流側にＳトラップ装置が配置された内燃機関の排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタの再生処理のための追加燃料を前記Ｓトラップ装置の上流側の排気系又は気筒内へ供給するための第一燃料供給手段が設けられ、前記第一燃料供給手段から供給される前記追加燃料は前記Ｓトラップ装置からＳＯXが放出されない量とされ、前記第一燃料供給手段により供給された前記追加燃料の前記再生処理にとっての不足分を補うために前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置と前記パティキュレートフィルタとの間の排気系には第二燃料供給手段が設けられていることを特徴とする。
本発明による請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、機関減速時には、前記第二燃料供給手段による追加燃料の供給を停止することを特徴とする。
本発明による請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記Ｓトラップ装置は、ＳＯXを放出させることが意図されておらず、必要に応じて交換されることを特徴とする。
本発明による請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、第一燃料供給手段によってパティキュレートフィルタの再生処理のための追加燃料はＳトラップ装置の上流側の排気系又は気筒内へ供給される。第一燃料供給手段から供給される追加燃料はＳトラップ装置からＳＯXが放出されない量として、Ｓトラップ装置からのＳＯX放出を防止する。こうして第一燃料供給手段から供給される追加燃料の一部はＮＯX吸蔵還元触媒装置において燃焼してパティキュレートフィルタへ流入する排気ガス温度を高めるために、パティキュレートフィルタにおいて追加燃料を燃焼させることができ、パティキュレートフィルタを昇温させる。しかしながら、第一燃料供給手段により供給された追加燃料では、パティキュレートフィルタの昇温が十分でなく、再生処理には不足するために、ＮＯX吸蔵還元触媒装置とパティキュレートフィルタとの間の排気系に設けられた第二燃料供給手段によって追加燃料の不足分を補うことができ、パティキュレートフィルタを所望温度まで昇温させて良好な再生処理を実現することができる。
本発明による請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、機関減速時は、排気ガス温度が低くＳトラップ装置の温度も低いために、第一燃料供給装置による追加燃料により排気ガスの空燃比をある程度のリッチとしてもＳトラップ装置からＳＯXが放出されることはなく、また、排気ガス量も少ないために、比較的少量の追加燃料によって排気ガスの空燃比を所望リッチ空燃比とすることができる。こうして、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の再生処理を容易に実施することができる。この再生処理によって排気ガス温度は高められ、追加燃料の残りと共にパティキュレートフィルタへ流入し、追加燃料の残りを燃焼させてパティキュレートフィルタを昇温させ、パティキュレートフィルタの再生処理も実施される。このような機関減速時は、排気ガス量が少なく流出熱量も少なくなるために、第二燃料供給手段により追加燃料が供給されると、パティキュレートフィルタにおいて過剰昇温により溶損が発生することがあり、第二燃料供給手段による追加燃料の供給は停止される。
本発明による請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、Ｓトラップ装置はＳＯXを放出させることが意図されておらず、必要に応じて交換されるものであるために、本排気浄化装置においてＳトラップ装置から放出させたＳＯXがＮＯX吸蔵還元触媒装置へ吸蔵されないようにする複雑な排気系構造は必要ない。
図１は本発明による内燃機関の排気浄化装置の実施形態を示す概略図である。同図において、１はディーゼルエンジン等の希薄燃焼を実施する機関本体であり、２は排気マニホルドである。３は排気マニホルド２下流側の排気通路である。排気通路３には、Ｓトラップ装置４と、Ｓトラップ装置４の下流側のＮＯX吸蔵還元触媒装置５と、ＮＯX吸蔵還元触媒装置５の下流側のパティキュレートフィルタ６とが配置されている。
このような配置によって、排気ガス中のＳＯXは、上流側に位置するＳトラップ装置４により吸蔵され、殆どＮＯX吸蔵還元触媒装置５により吸蔵されることはなく、ＮＯX吸蔵還元触媒装置５を熱劣化させてＳＯXを放出させる必要はない。Ｓトラップ装置４は、ＳＯXを多量に吸蔵した時には新品（新品でなくてもＳＯXを吸蔵可能であれば良い）と交換される。
また、排気ガス中のパティキュレートは、パティキュレートフィルタ６により捕集される。パティキュレートフィルタ６には、貴金属触媒が担持されており、捕集パティキュレートが大きな排気抵抗となって機関出力を大幅に低下させる以前に、貴金属触媒により排気ガス中の燃料を燃焼させて、パティキュレートフィルタ６をパティキュレートの燃焼温度へ昇温させ、捕集パティキュレートを焼失させる再生処理が必要である。
パティキュレートフィルタ６は、車両床下のように機関本体から遠くに位置しており、単に追加燃料が供給されても比較的低温度の貴金属触媒によっては追加燃料を良好に燃焼させることはできない。それにより、排気マニホルド２の下流側でＳトラップ装置４の上流側の排気通路３に第一燃料供給装置７を配置し、第一燃料供給装置７により供給される追加燃料の一部をＮＯX吸蔵還元触媒装置５において燃焼させ、排気ガス温度を高めて排気ガスと共に追加燃料の残りをパティキュレートフィルタ６へ流入させ、パティキュレートフィルタ６において追加燃料の残りを良好に燃焼させ、パティキュレートフィルタ６を再生温度に昇温させることが必要である。
本実施形態において、パティキュレートフィルタ６の再生処理は図２に示すフローチャートに従って実施される。先ず、ステップ１０１において、パティキュレートフィルタ６の再生処理の要求があるか否かが判断される。再生処理の要求は、例えば、車両の設定走行距離毎又は設定走行時間毎のような定期的なものとすれば良い。また、機関運転状態毎のパティキュレート排出量を積算し、これが設定値となった時に再生処理を要求するようにしても良い。
ステップ１０１の判断が否定される時にはそのまま終了するが、肯定される時には、ステップ１０２において、機関減速時であるか否かが判断される。機関減速時でない時にはステップ１０３において、Ｓトラップ装置４へ流入させる排気ガスの空燃比ＡＦが決定される。図３は、Ｓトラップ装置４の温度Ｔに対してＳＯXを放出する排気ガスの空燃比ＡＦを示すマップである。Ｓトラップ装置４の温度が高いほど、よりリーンな（大きい）空燃比でもＳＯXが放出されてしまう。それにより、図３に基づき、Ｓトラップ装置４の現在の推定温度に対してＳＯXが放出されない最小空燃比ＡＦ（リッチ側空燃比）が決定される。
次いで、ステップ１０４において、最小空燃比ＡＦを実現するのに必要な第一燃料供給装置７における単位時間当たりの追加燃料量Ａ１が決定される。また、排気ガスの空燃比が最小空燃比ＡＦとされても、Ｓトラップ装置４に吸蔵されているＳＯX量が多いほど、また、最小空燃比ＡＦが小さいほど、短い時間でＳＯXが放出されてしまう。それにより、ステップ１０５においては、図４に基づき、Ｓトラップ４に吸蔵されているＳＯX量Ｉに対してＳＯXが放出されない燃料供給の最長時間ｔが決定される。図４に示すマップは、空燃比ＡＦ毎に設定されている。
こうして、第一燃料供給装置７は、単位時間当たりの追加燃料量Ａ１を最長時間ｔだけ供給するが、この際には、Ｓトラップ装置４からＳＯXが放出されることはない。ＮＯX吸蔵還元触媒装置５とパティキュレートフィルタ６との間の排気通路には、空燃比センサ９が配置されており、最小空燃比ＡＦが実現されているかを確認することができる。また、空燃比センサ９によって、最小空燃比ＡＦが実現されるように第一燃料供給装置７から供給される燃料量をフィードバック制御することも可能である。
また、ＮＯX吸蔵還元触媒装置５とパティキュレートフィルタ６との間の排気通路には、上流側排気温度センサ１０も配置されており、パティキュレートフィルタ６へ流入する排気ガス温度Ｔｇ１を検出することができる。次いで、ステップ１０６では、パティキュレートフィルタ６の再生温度Ｔｆ（パティキュレートの燃焼温度）と流入排気ガス温度Ｔｇ１との差ΔＴｆが算出される。
上流側排気温度センサ１０により検出される排気ガス温度Ｔｇ１は、Ｓトラップ装置４からＳＯXが放出されないように第一燃料供給装置７から供給される追加燃料量Ａ１が比較的少なくされるために、パティキュレートフィルタ６の再生温度Ｔｆに到達することはなく、追加燃料の不足分を供給するために、ＮＯX吸蔵還元触媒装置５とパティキュレートフィルタ６との間の排気通路には、第二燃料供給装置８が配置されている。
上流側排気温度センサ１０により検出される排気ガス温度Ｔｇ１は、第一燃料供給装置７により供給された追加燃料量Ａ１の一部がＮＯX吸蔵還元触媒装置５において燃焼して排気ガス温度を昇温させた結果であり、それにより、逆に、追加燃料量Ａ１のうちでＮＯX吸蔵還元触媒装置５において燃焼せずにパティキュレートフィルタ６へ流入する残りを推定することができる。
ステップ１０７では、この残りに加えて第二燃料供給装置８により供給される単位時間当たりの追加燃料量Ａ２が決定され、追加燃料Ａ１の残りと追加燃料量Ａ２とがパティキュレートフィルタ６において燃焼してパティキュレートフィルタ６を再生温度Ｔｆへ昇温させるようになっている。
ここで、現在の単位時間当たりの排気ガス量が考慮され、この排気ガス量が多いほどパティキュレートフィルタ６から熱を奪い易いために、パティキュレートフィルタ６を再生温度Ｔｆに維持するには、単位時間当たりの追加燃料量Ａ２を多くしなければならない。パティキュレートフィルタ６の下流側には下流側排気温度センサ１１が配置されており、パティキュレートフィルタ６から流出する排気ガス温度Ｔｇ２が再生温度Ｔｆとなっているかを確認することができる。また、パティキュレートフィルタ６から流出する排気ガス温度Ｔｇ２が再生温度Ｔｆとなるように、第二燃料供給装置８により供給される追加燃料量Ａ２をフィードバック制御することも可能である。
ところで、機関減速時には、排気ガス温度が低くなるために、Ｓトラップ装置４の温度も低くなり、排気ガスの空燃比を、ある程度のリッチ空燃比としてもＳトラップ装置４からＳＯXが放出されることはない。また、排気ガス量が少なく、少量の追加燃料量によって容易に排気ガスの空燃比を所望リッチ空燃比とすることができる。
ＮＯX吸蔵還元触媒装置５は、無制限にＮＯXを吸蔵することはできず、ＮＯXを吸蔵することができなくなる（飽和状態）前に、ＮＯXを放出させて還元浄化する再生処理が必要となる。この再生処理は、ＮＯX吸蔵還元触媒装置５へリッチ空燃比の排気ガスを流入させ、本実施形態においては、機関減速時に、ＮＯX吸蔵還元触媒装置５の再生処理も同時に実施するようになっている。
すなわち、機関減速時であってステップ１０２の判断が肯定される時には、ステップ１０８において、図３のマップに基づき、Ｓトラップ装置４の現在の推定温度に対してＳＯXが放出されない最小空燃比ＡＦ（リッチ側空燃比）が決定される。
次いで、ステップ１０９において、最小空燃比ＡＦを実現するのに必要な第一燃料供給装置７における単位時間当たりの追加燃料量Ａ１が決定される。また、ステップ１１０においては、図４に基づき、Ｓトラップ４に吸蔵されているＳＯX量Ｉに対してＳＯXが放出されない追加燃料供給の最長時間ｔが決定される。
こうして、第一燃料供給装置７は、単位時間当たりの追加燃料量Ａ１を最長時間ｔだけ供給するが、この際には、Ｓトラップ装置４からＳＯXが放出されることはない。このＮＯX吸蔵還元触媒装置５の再生処理中の高温度の排気ガスと追加燃料の残りとがパティキュレートフィルタ６へ流入し、パティキュレートフィルタ６を十分に昇温させる。
現在の単位時間当たりの排気ガス量は機関減速時であるために非常に少なく、パティキュレートフィルタ６から熱を殆ど奪わない。それにより、ＮＯX吸蔵還元触媒装置５の再生処理中の排気ガスによってパティキュレートフィルタ６の再生処理も実施することができる。もし、第二燃料供給装置８によって追加燃料が供給されると、パティキュレートフィルタ６は過剰昇温により溶損することがあり、機関減速時には、パティキュレートフィルタ６の再生処理において、第二燃料供給装置８からの追加燃料の供給は停止される。
ところで、第一燃料供給装置７は、気筒内へ燃料を噴射する燃料噴射弁として膨張行程又は排気行程において追加燃料噴射を実施するようにしても良い。また、本実施形態において、パティキュレートフィルタ６の再生処理時にはＳトラップ装置４からＳＯXを放出させないようにしており、それにより、例えば、追加燃料の供給時間が短くて、又は、機関減速時のＮＯX吸蔵還元触媒装置の再生処理に合わせただけでは、パティキュレートフィルタの再生処理が完了しないこともあるが、少なくとも一部の捕集パティキュレートの焼失は確実に実施され、パティキュレートフィルタ６を再生時期から外すことができる。
本発明による内燃機関の排気浄化装置の概略図である。 パティキュレートフィルタの再生処理のためのフローチャートである。 図２のフローチャートにおいて排気ガス空燃比を決定するためのマップである。 図２のフローチャートにおいて追加燃料の供給時間を決定するためのマップである。
符号の説明
１ 機関本体
３ 排気通路
４ Ｓトラップ装置
５ ＮＯX吸蔵還元触媒装置
７ 第一燃料供給装置
８ 第二燃料供給装置

Claims (3)

  1. ＮＯX吸蔵還元触媒装置の下流側にはパティキュレートフィルタが配置され、前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置の上流側にＳトラップ装置が配置された内燃機関の排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタの再生処理のための追加燃料を前記Ｓトラップ装置の上流側の排気系又は気筒内へ供給するための第一燃料供給手段が設けられ、前記第一燃料供給手段から供給される前記追加燃料は前記Ｓトラップ装置からＳＯXが放出されない量とされ、前記第一燃料供給手段により供給された前記追加燃料の前記再生処理にとっての不足分を補うために前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置と前記パティキュレートフィルタとの間の排気系には第二燃料供給手段が設けられていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 機関減速時には、前記第二燃料供給手段による追加燃料の供給を停止することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 前記Ｓトラップ装置は、ＳＯXを放出させることが意図されておらず、必要に応じて交換されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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