JP2009114879A

JP2009114879A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2009114879A
Application number: JP2007286083A
Authority: JP
Inventors: Kohei Yoshida; 耕平吉田; Hiromasa Nishioka; 寛真西岡; Kotaro Hayashi; 孝太郎林; Takamitsu Asanuma; 孝充浅沼; Shinya Hirota; 信也広田; Hiroshi Otsuki; 寛大月
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-11-02
Filing date: 2007-11-02
Publication date: 2009-05-28
Also published as: WO2009056958A1

Abstract

【課題】排気浄化触媒の熱劣化を抑制しつつ硫黄被毒を解消することができ、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＮＯｘを放出させ且つ還元する際に生成されるアンモニアを利用した選択還元触媒によるＮＯｘ浄化の向上を図ることが可能な排気浄化装置を提供すること。
【解決手段】本発明の排気浄化装置は、排気ガス中に含まれるＳＯｘを捕獲しうるＳＯｘトラップ触媒がＮＯｘ吸蔵還元触媒上流の排気通路内に配設され、アンモニアによりＮＯｘを選択的に還元可能な選択還元触媒がＮＯｘ吸蔵還元触媒下流の排気通路内に配設され、ＳＯｘトラップ触媒によりＮＯｘ吸蔵還元触媒へのＳＯｘの吸蔵を抑制し、機関運転を一時的にリッチ空燃比することでＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＮＯｘを放出させ且つ還元する際に生成されるアンモニアを利用して選択還元触媒によりＮＯｘを還元する第二の排気浄化作用を行うようにしたことを特徴とする。
【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。

従来より、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を吸蔵し、流入する排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸蔵しているＮＯｘを放出して還元するＮＯｘ吸蔵還元触媒を内燃機関の排気通路内に配設し、機関運転をリーン空燃比のもとで行いながら、このとき内燃機関から排出されるＮＯｘをＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵すると共に、機関運転を一時的にリッチ空燃比のもとで行ってＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＮＯｘを放出させ且つ還元するようにした内燃機関が知られている。

また、内燃機関の幅広い運転領域にわたって高いＮＯｘ浄化率で排気ガス中のＮＯｘを浄化すべく、アンモニア（ＮＨ₃）によりＮＯｘを還元する選択還元触媒と上記のようなＮＯｘ吸蔵還元触媒とを内燃機関の排気通路に配設する内燃機関の排気浄化装置が知られている。

たとえば、特許文献１においては、希薄燃焼式内燃機関において機関高負荷高回転運転時にＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＮＯｘを放出させ且つ還元するためにリッチ空燃比のもとで機関運転を行うと多量のスモークが発生してしまうという問題を解決すべく、二次的に供給された尿素が存在する酸化雰囲気においてＮＯｘを選択的に還元可能な選択還元触媒と、選択還元触媒に尿素を二次的に供給可能な尿素供給手段とを内燃機関の排気通路内に配設し、機関高負荷高回転運転時には機関運転をリーン空燃比のもとで行いながら尿素供給手段から選択還元触媒に尿素を供給して発生するアンモニアにより選択還元触媒においてＮＯｘを還元するようにした内燃機関の排気浄化装置が開示されている。

特開２０００−２６５８２８号公報

ところで、内燃機関の燃料には硫黄（Ｓ）成分が含まれている場合があり、この場合には排気ガス中にＳＯｘ（硫黄酸化物）が含まれることとなる。排気ガス中にＳＯｘが存在するとＮＯｘ吸蔵還元触媒はＮＯｘの吸蔵作用を行うのと同様に排気ガス中のＳＯｘの吸蔵を行う。

ところが、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＳＯｘは比較的安定であり、一般にＮＯｘ吸蔵還元触媒に蓄積されやすい傾向がある。ＮＯｘ吸蔵還元触媒のＳＯｘ蓄積量が増大すると、ＮＯｘ吸蔵還元触媒のＮＯｘ吸蔵容量が減少して排気ガス中のＮＯｘの除去を十分に行うことができなくなるため、ＮＯｘの浄化効率が低下するいわゆる硫黄被毒（Ｓ被毒）の問題が生じる。特に、燃料として比較的硫黄成分を多く含む軽油を使用するディーゼルエンジンにおいてはこの硫黄被毒の問題が生じやすい。ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＳＯｘは、離脱させることが可能であることが知られているが、ＳＯｘは比較的安定した形でＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されるため、通常のＮＯｘの還元浄化制御が行われる温度（例えば２５０℃程度）ではＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＳＯｘを放出等させることは困難である。

そして、このような硫黄被毒がＮＯｘ吸蔵還元触媒に発生すると、ＮＯｘ吸蔵量が低下し、機関運転を一時的にリッチ空燃比することでＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＮＯｘを放出させ且つ還元する際に生成されるアンモニアの生成量が低下する。このようなＮＯｘ吸蔵還元触媒の硫黄被毒によるアンモニア生成量の低下は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒とアンモニアによりＮＯｘを還元可能な選択還元触媒とを排気通路に備える内燃機関の排気浄化装置においては、機関運転を一時的にリッチ空燃比することでＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＮＯｘを放出させ且つ還元する際に生成されるアンモニアを有効に利用して選択還元触媒によりＮＯｘを還元浄化することができなくなるという問題をもたらす。

このような硫黄被毒を解消するための一つの手段として、流入する排気ガスの温度を昇温してＮＯｘ吸蔵還元触媒を通常のＮＯｘ還元浄化制御時より高い温度、すなわち硫黄分放出温度（例えば６００℃以上）に昇温し、且つ流入する排気ガスの空燃比をほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比にする硫黄被毒再生制御を定期的に行うことが知られている。

しかしながら、このような硫黄被毒再生制御においては、触媒温度を高温にすべく排気ガスが昇温されるために、例えばパラジウムのような耐熱性の低い貴金属を含む排気浄化触媒が内燃機関の排気通路に配設された場合には、排気浄化触媒の熱劣化が問題となる。

本発明は上記課題に鑑み、ＮＯｘ吸蔵還元触媒とアンモニアによりＮＯｘを選択的に還元可能な選択還元触媒とを排気通路に備える内燃機関の排気浄化装置において、排気浄化触媒の熱劣化を抑制しつつＮＯｘ吸蔵還元触媒の硫黄被毒を解消することができ、機関運転を一時的にリッチ空燃比することでＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＮＯｘを放出させ且つ還元する際に生成されるアンモニアを有効に利用した選択還元触媒によるＮＯｘ浄化の向上を図ることが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明によれば、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中のＮＯｘを吸蔵し、流入する排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸蔵しているＮＯｘを放出して還元するＮＯｘ吸蔵還元触媒を機関排気通路内に配設し、機関運転をリーン空燃比のもとで行いながらこのとき内燃機関から排出されるＮＯｘを前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵するとともに、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチして前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＮＯｘを放出させ且つ還元する第一の排気浄化作用を行うようにした内燃機関の排気浄化装置において、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒上流の前記機関排気通路内に配設され、流入する排気ガス中に含まれるＳＯｘを捕獲しうるＳＯｘトラップ触媒と、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒下流の前記機関排気通路内に配設され、アンモニアによりＮＯｘを選択的に還元可能な選択還元触媒とを具備し、前記ＳＯｘトラップ触媒により前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒へのＳＯｘの吸蔵を抑制し、機関運転を一時的にリッチ空燃比することで前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＮＯｘを放出させ且つ還元する際に生成されるアンモニアを利用して前記選択還元触媒によりＮＯｘを還元する第二の排気浄化作用を行うようにしたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
が提供される。

すなわち、請求項１の発明では、流入する排気ガス中に含まれるＳＯｘを捕獲しうるＳＯｘトラップ触媒がＮＯｘ吸蔵還元触媒の上流の機関排気通路内に配設され、アンモニアによりＮＯｘを選択的に還元可能な選択還元触媒がＮＯｘ吸蔵還元触媒の下流の機関排気通路内に配設され、ＳＯｘトラップ触媒によりＮＯｘ吸蔵還元触媒へのＳＯｘの吸蔵を抑制し、機関運転を一時的にリッチ空燃比することでＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＮＯｘを放出させ且つ還元する際に生成されるアンモニアを利用して選択還元触媒によりＮＯｘを還元する第二の排気浄化作用を行うようにしている。

このような請求項１に係る発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、ＳＯｘトラップ触媒をＮＯｘ吸蔵還元触媒の上流の機関排気通路内に配設することにより、排気ガス中のＳＯｘをＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する前に捕獲することができ、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の硫黄被毒を抑制することが可能となる。これにより、機関運転を一時的にリッチ空燃比することでＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＮＯｘを放出させ且つ還元する際に生成されるアンモニアの硫黄被毒による生成量の低下を抑制することができ、該アンモニアを有効に利用した選択還元触媒によるＮＯｘの還元浄化を可能とし、選択還元触媒に尿素などを供給することなく、更なるＮＯｘ浄化の向上を図ることが可能となる。また、流入する排気ガスの温度を高温（例えば６００℃以上）に昇温するＮＯｘ吸蔵還元触媒の硫黄被毒再生制御の実行頻度を顕著に低減することができ、例えばパラジウムのような耐熱性の低い貴金属を含む排気浄化触媒が内燃機関の排気通路に配設された場合においても、該排気浄化触媒の熱劣化を抑制することが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、前記ＳＯｘトラップ触媒は、該ＳＯｘトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＳＯｘを捕獲し、排気ガスの空燃比がリーンのもとで該ＳＯｘトラップ触媒の温度が上昇すると捕獲したＳＯｘが次第に該ＳＯｘトラップ触媒の内部に拡散していく性質を有すると共に、該ＳＯｘトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチになると該ＳＯｘトラップ触媒の温度がＳＯｘ放出温度以上であれば捕獲したＳＯｘを放出する性質を有し、機関運転中該ＳＯｘトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにさせることなくリーンに維持し続ける空燃比制御手段と、排気ガス中に含まれるＳＯｘのうちで該ＳＯｘトラップ触媒に捕獲されるＳＯｘの割合を示すＳＯｘトラップ率を推定する推定手段とを具備し、ＳＯｘトラップ率が予め定められた率よりも低下したときには排気ガスの空燃比がリーンのもとで該ＳＯｘトラップ触媒の温度を上昇させ、それによってＳＯｘトラップ率を回復させるようにした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が提供される。

各請求項に記載の発明によれば、ＮＯｘ吸蔵還元触媒とアンモニアによりＮＯｘを選択的に還元可能な選択還元触媒とを排気通路に備える内燃機関の排気浄化装置において、排気浄化触媒の熱劣化を抑制しつつ硫黄被毒を解消することができ、機関運転を一時的にリッチ空燃比することでＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＮＯｘを放出させ且つ還元する際に生成されるアンモニアを有効に利用した選択還元触媒によるＮＯｘ浄化の向上を図ることが可能となる共通の効果を奏する。

以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドを夫々示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結され、コンプレッサ７ａの入口はエアクリーナ８に連結される。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁９が配置され、更に吸気ダクト周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１０が配置される。図１に示される実施形態では機関冷却水が冷却装置１０内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。

一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結され、排気タービン７ｂの出口はＳＯｘトラップ触媒１１の入口に連結される。また、ＳＯｘトラップ触媒１１の出口は排気管１３を介してＮＯｘ吸蔵還元触媒１２に連結され、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１２の出口は排気管２４を介して、アンモニアによりＮＯｘを選択的に還元可能な選択還元触媒２５に連結される。排気管１３には該排気管１３内を流れる排気ガス中に例えば炭化水素からなる還元剤を供給するための還元剤供給弁１４が取付けられる。

排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路１５を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１５内には電子制御式ＥＧＲ制御弁１６が配置される。また、ＥＧＲ通路周りにはＥＧＲ通路１５内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置１７が配置される。図１に示される実施形態では機関冷却水が冷却装置１７内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管１８を介してコモンレール１９に連結される。このコモンレール１９内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２０から燃料が供給され、コモンレール１９内に供給された燃料は各燃料供給管１８を介して燃料噴射弁３に供給される。

電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。ＳＯｘトラップ触媒１１にはＳＯｘトラップ触媒１１の温度を検出するための温度センサ２１が取付けられ、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１２には該ＮＯｘ吸蔵還元触媒１２の温度を検出するための温度センサ２２が取付けられる。これら温度センサ２１，２２の出力信号は夫々対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１２には該ＮＯｘ吸蔵還元触媒１２の前後差圧を検出するための差圧センサ２３が取付けられており、この差圧センサ２３の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。

アクセルペダル４０には該アクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、該負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁９の駆動用ステップモータ、還元剤供給弁１４、ＥＧＲ制御弁１６および燃料ポンプ２０に接続される。

まず初めに図１に示されるＮＯｘ吸蔵還元触媒１２について説明すると、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１２は三次元網目構造のモノリス担体或いはペレット状担体上に担持されているか、又はハニカム構造をなすパティキュレートフィルタ上に担持されている。このようにＮＯｘ吸蔵還元触媒１２は種々の担体上に担持させることができるが、以下ＮＯｘ吸蔵還元触媒１２をパティキュレートフィルタ上に担持した場合について説明する。

図２（Ａ）および（Ｂ）はＮＯｘ吸蔵還元触媒１２を担持したパティキュレートフィルタ１２ａの構造を示している。なお、図２（Ａ）はパティキュレートフィルタ１２ａの正面図を示しており、図２（Ｂ）はパティキュレートフィルタ１２ａの側面断面図を示している。図２（Ａ）および（Ｂ）に示されるようにパティキュレートフィルタ１２ａはハニカム構造をなしており、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路６０，６１を具備する。これら排気流通路は下流端が栓６２により閉塞された排気ガス流入通路６０と、上流端が栓６３により閉塞された排気ガス流出通路６１とにより構成される。なお、図２（Ａ）においてハッチングを付した部分は栓６３を示している。従って排気ガス流入通路６０および排気ガス流出通路６１は薄肉の隔壁６４を介して交互に配置される。言い換えると排気ガス流入通路６０および排気ガス流出通路６１は各排気ガス流入通路６０が４つの排気ガス流出通路６１によって包囲され、各排気ガス流出通路６１が４つの排気ガス流入通路６０によって包囲されるように配置される。

パティキュレートフィルタ１２ａは例えばコージライトのような多孔質材料から形成されており、従って排気ガス流入通路６０内に流入した排気ガスは図２（Ｂ）において矢印で示されるように周囲の隔壁６４内を通って隣接する排気ガス流出通路６１内に流出する。このようにＮＯｘ吸蔵還元触媒１２をパティキュレートフィルタ１２ａ上に担持させた場合には、各排気ガス流入通路６０および各排気ガス流出通路６１の周壁面、即ち各隔壁６４の両側表面上および隔壁６４内の細孔内壁面上には例えばアルミナからなる触媒担体が担持されており、図３はこの触媒担体４５の表面部分の断面を図解的に示している。図３に示されるように触媒担体４５の表面上には貴金属触媒４６が分散して担持されており、更に触媒担体４５の表面上にはＮＯｘ吸収剤４７の層が形成されている。

本発明による実施形態では貴金属触媒４６として白金Ｐｔが用いられており、ＮＯｘ吸収剤４７を構成する成分としては例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つが用いられている。

機関吸気通路、燃焼室２およびＮＯｘ吸蔵還元触媒１２の上流の排気通路内に供給された空気および燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比と称すると、ＮＯｘ吸収剤４７は排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯｘを吸収し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘの吸放出作用を行う。

即ち、ＮＯｘ吸収剤４７を構成する成分としてバリウムＢａを用いた場合を例にとって説明すると、排気ガスの空燃比がリーンのとき、即ち排気ガス中の酸素濃度が高いときには排気ガス中に含まれるＮＯは図３に示されるように白金Ｐｔ４６上において酸化されてＮＯ₂となり、次いでＮＯｘ吸収剤４７内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら硝酸イオンＮＯ₃ ^-の形でＮＯｘ吸収剤４７内に拡散する。このようにしてＮＯｘがＮＯｘ吸収剤４７内に吸収される。排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔ４６の表面でＮＯ₂が生成され、ＮＯｘ吸収剤４７のＮＯｘ吸収能力が飽和しない限りＮＯ₂がＮＯｘ吸収剤４７内に吸収されて硝酸イオンＮＯ₃ ^-が生成される。

これに対し、還元剤供給弁１４から還元剤を供給することによって排気ガスの空燃比をリッチ或いは理論空燃比にすると排気ガス中の酸化濃度が低下するために反応が逆方向（ＮＯ₃ ^-→ＮＯ₂）に進み、斯くしてＮＯｘ吸収剤４７内の硝酸イオンＮＯ₃ ^-がＮＯ₂の形でＮＯｘ吸収剤４７から放出される。次いで放出されたＮＯｘは排気ガス中に含まれる未燃ＨＣ，ＣＯによって還元浄化される。この際にアンモニアが生成される。

このように排気ガスの空燃比がリーンであるとき、即ちリーン空燃比のもとで燃焼が行われているときには排気ガス中のＮＯｘがＮＯｘ吸収剤４７内に吸収される。しかしながらリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われるとその間にＮＯｘ吸収剤４７のＮＯｘ吸収能力が飽和してしまい、斯くしてＮＯｘ吸収剤４７によりＮＯｘを吸収することができなくなってしまう。

そこで本発明による実施形態では、ＮＯｘ吸収剤４７の吸収能力が飽和する前に還元剤供給弁１４から還元剤を供給することによって排気ガスの空燃比を一時的にリッチにし、それによってＮＯｘ吸収剤４７からＮＯｘを放出させるようにしている。

また、本発明による実施形態では、アンモニアにより排気ガス中のＮＯｘを選択的に還元浄化しうる選択還元触媒２５をＮＯｘ吸蔵還元触媒１２の下流の排気通路内に配設することにより、機関運転を一時的にリッチ空燃比することでＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＮＯｘを放出させ且つ還元する際に生成されるアンモニアを有効に利用して、該選択還元触媒２５によりＮＯｘを還元浄化することを可能とし、ＮＯｘ浄化の向上を図ること可能とするとともに、アンモニアの大気への放出を抑制することも可能とする。尚、このような選択還元触媒としては、例えばゼオライト系触媒などが例示できる。

ところで排気ガス中にはＳＯｘ、即ちＳＯ₂が含まれており、このＳＯ₂がＮＯｘ吸蔵還元触媒１２に流入するとこのＳＯ₂は白金Ｐｔ４６において酸化されてＳＯ₃となる。次いでこのＳＯ₃はＮＯｘ吸収剤４７内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら、硫酸イオンＳＯ₄ ^2-の形でＮＯ_X吸収剤４７内に拡散し、安定した硫酸塩ＢａＳＯ₄を生成する。しかしながらＮＯｘ吸収剤４７が強い塩基性を有するためにこの硫酸塩ＢａＳＯ₄は安定していて分解しづらく、排気ガスの空燃比を単にリッチにしただけでは硫酸塩ＢａＳＯ₄は分解されずにそのまま残る。従ってＮＯｘ吸収剤４７内には時間が経過するにつれて硫酸塩ＢａＳＯ₄が増大することになり、斯くして時間が経過するにつれてＮＯｘ吸収剤４７が吸収しうるＮＯ_X量が低下して排気ガス中のＮＯｘの除去を十分に行うことができなくなるため、ＮＯｘの浄化効率が低下するいわゆる硫黄被毒（Ｓ被毒）の問題が生じることになる。

このような硫黄被毒がＮＯｘ吸蔵還元触媒１２に発生すると、ＮＯｘ吸蔵量が低下し、機関運転を一時的にリッチ空燃比することでＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＮＯｘを放出させ且つ還元する際に生成されるアンモニアの生成量が低下する。このようなＮＯｘ吸蔵還元触媒１２の硫黄被毒によるアンモニア生成量の低下は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１２とアンモニアによりＮＯｘを選択的に還元浄化可能な選択還元触媒２５とを排気通路に備える内燃機関の排気浄化装置においては、機関運転を一時的にリッチ空燃比することでＮＯｘ吸蔵還元触媒１２に吸蔵されているＮＯｘを放出させ且つ還元する際に生成されるアンモニアを有効に利用して選択還元触媒２５によりＮＯｘを還元浄化することができなくなるという問題をもたらす。

しかしながら、このような硫黄被毒再生制御においては、排気ガスを昇温し触媒温度を高温にするために、例えばパラジウムのような耐熱性の低い貴金属を含む排気浄化触媒が内燃機関の排気通路に配設された場合には、排気浄化触媒の熱劣化が問題となる。

また、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１２の温度を約６００℃以上のＳＯｘ放出温度まで上昇させた状態でＮＯｘ吸蔵還元触媒１２に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするとＮＯｘ吸収剤４７からＳＯｘが放出されるが、この場合ＮＯｘ吸収剤４７からは少しずつしかＳＯｘが放出されない。従ってＮＯｘ吸収剤４７から全ての吸収ＳＯｘを放出させるには長時間に亘って空燃比をリッチにしなければならず、斯くして多量の燃料或いは還元剤が必要になるという問題もある。

そこで本発明ではＮＯｘ吸蔵還元触媒１２の硫黄被毒を解消するために、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１２の上流にＳＯｘトラップ触媒１１を配置して該ＳＯｘトラップ触媒１１により排気ガス中に含まれるＳＯｘを捕獲し、それによってＮＯｘ吸蔵還元触媒１２にＳＯｘが流入しないようにしている。次にこのＳＯｘトラップ触媒１１について説明する。

このＳＯｘトラップ触媒１１は例えばハニカム構造のモノリス触媒からなり、ＳＯｘトラップ触媒１１の軸線方向にまっすぐに延びる多数の排気ガス流通孔を有する。このようにＳＯ_Xトラップ触媒１１をハニカム構造のモノリス触媒から形成した場合には、各排気ガス流通孔の内周壁面上に例えばアルミナからなる触媒担体が担持されており、図４はこの触媒担体５０の表面部分の断面を図解的に示している。図４に示されるように触媒担体５０の表面上にはコート層５１が形成されており、このコート層５１の表面上には貴金属触媒５２が分散して担持されている。

本発明による実施形態では貴金属触媒５２として白金が用いられており、コート層５１を構成する成分としては例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つが用いられている。即ち、ＳＯｘトラップ触媒１１のコート層５１は強塩基性を呈している。

さて、排気ガス中に含まれるＳＯｘ、即ちＳＯ₂は図４に示されるように白金Ｐｔ５２において酸化され、次いでコート層５１内に捕獲される。即ち、ＳＯ₂は硫酸イオンＳＯ₄ ^2-の形でコート層５１内に拡散し、硫酸塩を形成する。なお、上述したようにコート層５１は強塩基性を呈しており、従って図４に示されるように排気ガス中に含まれるＳＯ₂の一部は直接コート層５１内に捕獲される。

図４においてコート層５１内における濃淡は捕獲されたＳＯｘの濃度を示している。図４からわかるようにコート層５１内におけるＳＯｘ濃度はコート層５１の表面近傍が最も高く、奥部に行くに従って次第に低くなっていく。コート層５１の表面近傍におけるＳＯｘ濃度が高くなるとコート層５１の表面の塩基性が弱まり、ＳＯｘの捕獲能力が弱まる。ここで排気ガス中に含まれるＳＯｘのうちでＳＯｘトラップ触媒１１に捕獲されるＳＯｘの割合をＳＯｘトラップ率と称すると、コート層５１の表面の塩基性が弱まればそれに伴なってＳＯ_Xトラップ率が低下することになる。

図５にＳＯｘトラップ率の時間的変化を示す。図５に示されるようにＳＯｘトラップ率は初めは１００パーセントに近いが時間が経過するとＳＯｘトラップ率は急速に低下する。そこで本発明では図６に示されるようにＳＯｘトラップ率が予め定められた率よりも低下したときには排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯｘトラップ触媒１１の温度を上昇させる昇温制御を行い、それによってＳＯｘトラップ率を回復させるようにしている。

即ち、排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯｘトラップ触媒１１の温度を上昇させるとコート層５１内の表面近傍に集中的に存在するＳＯｘはコート層５１内におけるＳＯｘ濃度が均一となるようにコート層５１の奥部に向けて拡散していく。即ち、コート層５１内に生成されている硝酸塩はコート層５１の表面近傍に集中している不安定な状態からコート層５１内の全体に亘って均一に分散した安定した状態に変化する。コート層５１内の表面近傍に存在するＳＯｘがコート層５１の奥部に向けて拡散するとコート層５１の表面近傍のＳＯｘ濃度が低下し、斯くしてＳＯｘトラップ触媒１１の昇温制御が完了すると図６に示されるようにＳＯｘトラップ率が回復する。

ＳＯｘトラップ触媒１１の昇温制御を行ったときにＳＯｘトラップ触媒１１の温度をほぼ４５０℃程度にすればコート層５１の表面近傍に存在するＳＯｘをコート層５１内に拡散させることができ、ＳＯｘトラップ触媒１１の温度を６００℃程度まで上昇させるとコート層５１内のＳＯｘ濃度をかなり均一化することができる。従ってＳＯｘトラップ触媒１１の昇温制御時には排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯｘトラップ触媒１１の温度を６００℃程度まで昇温させることが好ましい。

尚、このようにＳＯｘトラップ触媒１１を昇温したときに排気ガスの空燃比をリッチにするとＳＯｘトラップ触媒１１からＳＯｘが放出されてしまう。従ってＳＯｘトラップ触媒１１を昇温したときには排気ガスの空燃比をリッチにしてはならない。また、コート層５１の表面近傍のＳＯｘ濃度が高くなるとＳＯｘトラップ触媒１１を昇温しなくても排気ガスの空燃比をリッチにするとＳＯｘトラップ触媒１１からＳＯｘが放出されてしまう。従って本発明ではＳＯｘトラップ触媒１１の温度がＳＯｘ放出温度以上であるときにはＳＯｘトラップ触媒１１に流入する排気ガスの空燃比をリッチにしないようにしている。

本実施形態では基本的には車両を購入してから廃車するまでＳＯｘトラップ触媒１１を交換することなくそのまま使用することを考えている。近年では特に燃料内に含まれるイオウの量が減少せしめられており、従ってＳＯｘトラップ触媒１１の容量を或る程度大きくすればＳＯｘトラップ触媒１１を交換することなく廃車するまでそのまま使用することができる。例えば車両の耐用走行距離を５０万kmとするとＳＯｘトラップ触媒１１の容量は、走行距離が２５万km程度まで昇温制御することなく高いＳＯｘトラップ率でもってＳＯｘを捕獲し続けることのできる容量とされる。この場合、最初の昇温制御は走行距離が２５万km程度で行われる。

ＳＯｘトラップ触媒１１の温度を上昇させる方法については、例えば、燃料噴射時期を圧縮上死点まで遅角させることにより排気ガスの温度を昇温し、ＳＯｘトラップ触媒１１の温度を昇温させることなどが考えられる。尚、いずれの方法により昇温した場合でもＳＯｘトラップ触媒１１に流入する排気ガスの空燃比はリッチにされることなくリーンに維持される。

このようなＳＯｘトラップ触媒１１がＮＯｘ吸蔵還元触媒１２の上流の排気通路内に配設された排気浄化装置によれば、流入する排気ガスの温度を硫黄分放出温度（例えば６００℃以上）に昇温し且つ流入する排気ガスの空燃比をほぼ理論空燃比またはリッチ空燃比にする硫黄被毒再生制御を殆ど実行することなく、また、ＳＯｘトラップ率を回復させるために排気ガスの温度を昇温させＳＯｘトラップ触媒を昇温させる制御も殆ど実行することなく、長期間にわたりＮＯｘ吸蔵還元触媒の硫黄被毒を抑制することが可能となる。

これにより、機関運転を一時的にリッチ空燃比することでＮＯｘ吸蔵還元触媒１２に吸蔵されているＮＯｘを放出させ且つ還元する際に生成されるアンモニアの硫黄被毒による生成量の低下を抑制することができ、該アンモニアを有効に利用した選択還元触媒２５によるＮＯｘの還元浄化を可能とし、選択還元触媒２５に尿素などを供給することなく、更なるＮＯｘ浄化の向上を図ることが可能となる。また、アンモニアの大気への放出を抑制することも可能となる。更に、流入する排気ガスの温度を高温（例えば６００℃以上）に昇温することが必要となるＮＯｘ吸蔵還元触媒２５の硫黄被毒再生制御の実行頻度を顕著に低減することができ、例えばパラジウムのような耐熱性の低い貴金属を含む排気浄化触媒が内燃機関の排気通路に配設された場合においても、該排気浄化触媒の熱劣化を抑制することが可能となる。尚、本実施形態におけるＳＯｘトラップ触媒は、ＳＯｘトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＳＯｘを捕獲し、排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯｘトラップ触媒の温度が上昇すると捕獲したＳＯｘが次第にＳＯｘトラップ触媒の内部に拡散していく性質を有すると共に、該ＳＯｘトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチになるとＳＯｘトラップ触媒の温度がＳＯｘ放出温度以上であれば捕獲したＳＯｘを放出する性質を有するものであるが、本発明に適用可能なＳＯｘトラップ触媒は、これに限定されることはなく、流入する排気ガス中に含まれるＳＯｘを捕獲しうるものであればよい。

次に、ＳＯｘトラップ触媒１１におけるＳＯｘ安定化処理の一実施形態について説明する。この実施形態では、機関運転中ＳＯｘトラップ触媒１１に流入する排気ガスの空燃比をリッチにさせることなくリーンに維持し続ける空燃比制御手段と、排気ガス中に含まれるＳＯｘのうちで該ＳＯｘトラップ触媒に捕獲されるＳＯｘの割合を示すＳＯｘトラップ率を推定する推定手段とを具備し、ＳＯｘトラップ率が予め定められた率よりも低下したと判断されたときに、ＳＯｘトラップ率を回復するために排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯｘトラップ触媒１１の温度を上昇させる昇温制御を行うようにしている。

具体的には、ＳＯｘトラップ率を推定する推定手段は、要求トルクおよび機関回転数に基づいて、燃料に含まれていてＳＯｘトラップ触媒１１に単位時間当り捕獲されるＳＯｘ量ＳＯＸＡと、潤滑油内に含まれていてＳＯｘトラップ触媒１１に単位時間当り捕獲されるＳＯｘ量ＳＯＸＢとを算出し、ＳＯｘ量ＳＯＸＡおよびＳＯｘ量ＳＯＸＢの和を積算することによってＳＯｘトラップ触媒１１に捕獲されているＳＯｘ量ΣＳＯＸ１を算出し、ＳＯｘトラップ触媒１１に捕獲されたＳＯｘ量を推定し、ＳＯｘトラップ触媒１１に捕獲されたＳＯｘ量が予め定められた量を越えたときにＳＯｘトラップ率が予め定められた率よりも低下したと判断する。そして、ＳＯｘトラップ率が予め定められた率よりも低下したと判断されると、機関運転中ＳＯｘトラップ触媒１１に流入する排気ガスの空燃比をリッチにさせることなくリーンに維持し続ける空燃比制御手段により排気ガスの空燃比がリーンに維持された状態で、ＳＯｘトラップ率を回復するためにＳＯｘトラップ触媒１１の温度を上昇させる昇温制御を行うようにしている。

図７は、ＳＯｘ安定化処理の一実施形態を実行するためのルーチンを示している。図７を参照するとまず初めにステップ１００において、燃料中に含まれていてＳＯｘトラップ触媒１１に単位時間当り捕獲されるＳＯｘ量ＳＯＸＡと、潤滑油内に含まれていてＳＯｘトラップ触媒１１に単位時間当り捕獲されるＳＯｘ量ＳＯＸＢとが読み込まれる。次いでステップ１０１ではこれらＳＯＸＡおよびＳＯＸＢの和がＳＯｘ量ΣＳＯＸ１に加算される。次いでステップ１０２ではＳＯｘ量ΣＳＯＸ１が予め定められた量ＳＯに達したか否かが判別される。ＳＯｘ量ΣＳＯＸ１が予め定められた量ＳＯに達したときにはステップ１０３に進んで昇温制御が行われる。

次にＮＯｘ吸蔵還元触媒１２に対する処理について説明する。本発明による実施形態ではＮＯｘ吸蔵還元触媒１２に単位時間当り吸蔵されるＮＯｘ量を要求トルクおよび機関回転数に基づいて算出する。本発明による実施形態では吸蔵されたＮＯｘ量が許容値に達する毎にＮＯｘ吸蔵還元触媒１２に流入する排気ガスの空燃比が一時的にリッチにされ、それによってＮＯｘ吸蔵還元触媒１２からＮＯｘが放出される。

なお、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１２に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするときにＳＯｘトラップ触媒１１に流入する排気ガスの空燃比はリーンに維持しておかなければならない。従って本発明による実施形態ではＳＯｘトラップ触媒１１とＮＯｘ吸蔵還元触媒１２との間の排気通路内に還元剤供給装置、例えば図１に示されるように還元剤供給弁１４が配置されており、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１２からＮＯｘを放出すべきときにはこの還元剤供給弁１４から排気通路内に還元剤を供給することによりＮＯｘ吸蔵還元触媒１２に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチにするようにしている。

一方、排気ガス中に含まれる粒子状物質はＮＯｘ吸蔵還元触媒１２を担持しているパティキュレートフィルタ１２ａ上に捕集され、順次酸化される。しかしながら捕集される粒子状物質の量が酸化される粒子状物質の量よりも多くなると粒子状物質がパティキュレートフィルタ１２ａ上に次第に堆積し、この場合粒子状物質の堆積量が増大すると機関出力の低下を招いてしまう。従って粒子状物質の堆積量が増大したときには堆積した粒子状物質を除去しなければならない。この場合、空気過剰のもとでパティキュレートフィルタ１２ａの温度を６００℃程度まで上昇させると堆積した粒子状物質が酸化され除去される。

そこで本発明による実施形態ではパティキュレートフィルタ１２ａ上に堆積した粒子状物質の量が許容量を越えたときには排気ガスの空燃比がリーンのもとでパティキュレートフィルタ１２ａの温度を上昇させ、それによって堆積した粒子状物質を酸化除去するようにしている。パティキュレートフィルタ１２ａを昇温させるときには排気ガスの空燃比をリーンに維持しうる範囲内で還元剤供給弁１４から還元剤が供給され、この還元剤の酸化反応熱でパティキュレートフィルタ１２ａの温度Ｔが上昇せしめられる。

一方、ＳＯｘトラップ触媒１１によるＳＯｘトラップ率が１００パーセントのときにはＮＯｘ吸蔵還元触媒１２にＳＯｘが全く流入せず、従ってこの場合にはＮＯｘ吸蔵還元触媒１２にＳＯｘが吸蔵される危険性は全くない。これに対しＳＯｘトラップ率が１００パーセントでない場合にはたとえＳＯｘトラップ率が１００パーセント近くであってもＳＯｘがＮＯｘ吸蔵還元触媒１２に吸蔵される。ただしこの場合、単位時間当りＮＯｘ吸蔵還元触媒１２に吸蔵されるＳＯｘ量は極めて少ない。とは言え、長時間経過すれば多量のＳＯｘがＮＯｘ吸蔵還元触媒１２に吸蔵され、多量のＳＯｘが吸蔵されれば吸蔵されたＳＯｘを放出させる必要がある。

前述したようにＮＯｘ吸蔵還元触媒１２からＳＯｘを放出させるにはＮＯｘ吸蔵還元触媒１２の温度をＳＯｘ放出温度まで上昇させかつＮＯｘ吸蔵還元触媒１２に流入する排気ガスの空燃比をリッチにする必要がある。そこで本発明による実施形態ではＮＯｘ吸蔵還元触媒１２に吸蔵されているＳＯｘ量が許容値に達したときにはＮＯｘ吸蔵還元触媒１２の温度がＳＯｘ放出温度で上昇せしめられ、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１２に流入する排気ガスの空燃比がリッチとされる。なお、単位時間当りＮＯｘ吸蔵還元触媒１２に吸蔵されるＳＯｘ量は要求トルクおよび機関回転数に基づいて算出され、このＳＯｘ量を積算することにより吸蔵ＳＯｘ量が算出される。

ＮＯｘ吸蔵触媒１２からＳＯｘを放出させるときにＳＯｘトラップ触媒１１に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするとＳＯｘトラップ触媒１１に捕獲されているＳＯｘがＳＯｘトラップ触媒１１から放出され、放出されたＳＯｘがＮＯｘ吸蔵還元触媒１２に吸蔵されてしまう。従ってＮＯｘ吸蔵還元触媒１２からＳＯｘを放出させるときにＳＯｘトラップ触媒１１に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすることはできない。そこで本発明による実施形態ではＮＯｘ吸蔵還元触媒１２からＳＯｘを放出すべきときにはまず初めにＳＯｘトラップ触媒１１およびＮＯｘ吸蔵還元触媒１２に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつ還元剤供給弁１４から還元剤を供給してＮＯｘ吸蔵還元触媒１２の温度ＴをＳＯｘ放出温度まで上昇させ、次いでＳＯｘトラップ触媒１１に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつ還元剤供給弁１４からの還元剤の供給量を増大してＮＯｘ吸蔵還元触媒１２に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするようにしている。

本発明の内燃機関の排気浄化装置の一実施形態を示す図である。パティキュレートフィルタの構造を示す図である。ＮＯｘ吸蔵還元触媒の触媒担体の表面部分の断面図である。ＳＯｘトラップ触媒の触媒担体の表面部分の断面図である。ＳＯｘトラップ率を示す図である。昇温制御を説明するための図である。ＳＯｘ安定化処理の一実施形態を実行するためのフローチャートである。

符号の説明

１機関本体
４吸気マニホルド
５排気マニホルド
１１ＳＯｘトラップ触媒
１２ＮＯｘ吸蔵還元触媒
２５選択還元触媒

Claims

流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中のＮＯｘを吸蔵し、流入する排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸蔵しているＮＯｘを放出して還元するＮＯｘ吸蔵還元触媒を機関排気通路内に配設し、機関運転をリーン空燃比のもとで行いながらこのとき内燃機関から排出されるＮＯｘを前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵するとともに、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチして前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＮＯｘを放出させ且つ還元する第一の排気浄化作用を行うようにした内燃機関の排気浄化装置において、
前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒上流の前記機関排気通路内に配設され、流入する排気ガス中に含まれるＳＯｘを捕獲しうるＳＯｘトラップ触媒と、
前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒下流の前記機関排気通路内に配設され、アンモニアによりＮＯｘを選択的に還元可能な選択還元触媒とを具備し、
前記ＳＯｘトラップ触媒により前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒へのＳＯｘの吸蔵を抑制し、機関運転を一時的にリッチ空燃比することで前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＮＯｘを放出させ且つ還元する際に生成されるアンモニアを利用して前記選択還元触媒によりＮＯｘを還元する第二の排気浄化作用を行うようにした、
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記ＳＯｘトラップ触媒は、該ＳＯｘトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＳＯｘを捕獲し、排気ガスの空燃比がリーンのもとで該ＳＯｘトラップ触媒の温度が上昇すると捕獲したＳＯｘが次第に該ＳＯｘトラップ触媒の内部に拡散していく性質を有すると共に、該ＳＯｘトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチになると該ＳＯｘトラップ触媒の温度がＳＯｘ放出温度以上であれば捕獲したＳＯｘを放出する性質を有し、機関運転中該ＳＯｘトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにさせることなくリーンに維持し続ける空燃比制御手段と、排気ガス中に含まれるＳＯｘのうちで該ＳＯｘトラップ触媒に捕獲されるＳＯｘの割合を示すＳＯｘトラップ率を推定する推定手段とを具備し、ＳＯｘトラップ率が予め定められた率よりも低下したときには排気ガスの空燃比がリーンのもとで該ＳＯｘトラップ触媒の温度を上昇させ、それによってＳＯｘトラップ率を回復させるようにした、
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。