JP2009293401A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Hiroshi Otsuki
寛 大月
Takamitsu Asanuma
孝充 浅沼
Hiromasa Nishioka
寛真 西岡
Yuka Nakata
有香 中田
Shinya Hirota
信也 広田
Kohei Yoshida
耕平 吉田
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Abstract

【課題】SOxトラップ触媒を交換すべきか否かを正確に判断する。
【解決手段】NOx吸蔵還元触媒27,30を排気通路内に配置し、SOxトラップ触媒27をNOx吸蔵還元触媒27上流の排気通路内に交換可能に配置する。SOxトラップ触媒26のSOx捕獲量が上限SOx量を越えたか否かを繰り返し判断し、SOx捕獲量が上限SOx量を越えたと判断するごとにSOxトラップ触媒が交換されるようになっている。NOx吸蔵還元触媒27の基準吸蔵容量に対する実際の吸蔵容量の減少量を求め、減少量が許容量よりも大きいときにSOx捕獲量が上限SOx量を越えたと判断する。基準吸蔵容量はSOxトラップ触媒が交換されるごとに減少更新される。
【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。
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NOxを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したNOxを放出するNOx吸蔵触媒を機関排気通路内に配置した内燃機関が公知である。この内燃機関ではリーン空燃比のもとで燃焼が行われているときに発生するNOxがNOx吸蔵触媒に吸蔵される。一方、NOx吸蔵触媒に吸蔵されているNOx量が上限NOx量よりも多くなると排気ガス中に還元剤を供給することによって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吸蔵触媒からNOxが放出され還元される。
ところで燃料および潤滑油内にはイオウが含まれており、したがって排気ガス中にはSOxが含まれている。このSOxはNOxと共にNOx吸蔵触媒に吸蔵される。ところがこのSOxは排気ガスの空燃比を単にリッチにしただけではNOx吸蔵触媒から放出されず、したがってNOx吸蔵触媒に吸蔵されているSOxの量が次第に増大していく。その結果、NOx吸蔵触媒が吸蔵しうるNOx量すなわち吸蔵容量が次第に減少してしまう。
そこでNOx吸蔵触媒にSOxが送り込まれるのを阻止するためにNOx吸蔵触媒上流の機関排気通路内にSOxトラップ触媒を配置した内燃機関が公知である。この内燃機関では排気ガス中に含まれるSOxがSOxトラップ触媒により捕獲され、斯くしてNOx吸蔵触媒にSOxが流入するのが阻止される。その結果、SOxの吸蔵によりNOx吸蔵触媒の吸蔵容量が減少するのを阻止することができる。
ところが、SOxトラップ触媒に捕獲されているSOx量が次第に多くなり、したがってSOxトラップ触媒を通過するSOx量が次第に多くなる。その結果SOxがNOx吸蔵触媒に吸蔵されてしまうことになる。
そこで、SOxトラップ触媒を排気通路内に交換可能に配置し、SOxトラップ触媒のSOx捕獲量を繰り返し推定し、SOx捕獲量が上限SOx量を越えたか否かを繰り返し判断し、SOx捕獲量が上限SOx量を越えたと判断するごとにSOxトラップ触媒が交換される内燃機関が公知である(特許文献1参照)。この内燃機関ではSOxトラップ触媒のSOx捕獲量が上限SOx量を越えるごとにSOxトラップ触媒が交換されるのでSOxがSOxトラップ触媒を通過するのを抑制することができ、したがってSOxがNOx吸蔵触媒に吸蔵されるのを抑制することができる。
特開2004−68731号公報
この場合、SOxトラップ触媒のSOx捕獲量が上限SOx量を越えたか否かは例えば次のようにして判断することができる。すなわち、上述したように、SOxトラップ触媒のSOx捕獲量が多くなるとSOxトラップ触媒を通過してNOx吸蔵触媒に吸蔵されるSOx量が次第に増大し、斯くしてNOx吸蔵触媒の吸蔵容量が次第に減少する。ここで、NOx吸蔵触媒が新品のときのNOx吸蔵触媒の吸蔵容量を初期吸蔵容量と称すると、NOx吸蔵触媒の実際の吸蔵容量を検出し、初期吸蔵容量に対する実際の吸蔵容量の偏差を算出すれば、この偏差はNOx吸蔵触媒のSOx吸蔵量を表しており、このSOx吸蔵量はSOxトラップ触媒のSOx捕獲量を表している。そこで、この偏差が許容値を越えたときにSOx捕獲量が上限SOx量を越えたと判断することができる。
しかしながら、この判断手法では、SOxトラップ触媒のSOx捕獲量がひとたび上限SOx量を越えると、もはや正確な判断ができなくなる。これは次の理由による。すなわち、SOxトラップ触媒が交換されても、NOx吸蔵触媒内にはSOxが貯蔵されたままであり、NOx吸蔵触媒の実際の吸蔵容量は減少したままであるので、前記偏差は許容値を越えたままである。その結果、SOxトラップ触媒が交換された直後であっても、SOxトラップ触媒のSOx捕獲量が上限SOx量を越えていると誤判断されてしまう。したがって、SOxトラップ触媒を交換すべきか否かを正確に判断することができないおそれがある。
本発明によれば、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるNOxを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したNOxを放出するNOx吸蔵触媒を機関排気通路内に配置し、排気ガス中に含まれるSOxを捕獲しうるSOxトラップ触媒を該NOx吸蔵触媒上流の機関排気通路内に交換可能に配置し、SOxトラップ触媒のSOx捕獲量が上限SOx量を越えたか否かを繰り返し判断し、該SOx捕獲量が上限SOx量を越えたと判断するごとにSOxトラップ触媒が交換されるようになっている内燃機関の排気浄化装置において、前記NOx吸蔵触媒の基準吸蔵容量に対する実際の吸蔵容量の減少量を求め、該減少量が許容量よりも大きいときに前記SOx捕獲量が前記上限SOx量を越えたと判断するようにし、該基準吸蔵容量は前記SOxトラップ触媒が交換されるごとに減少更新される。
また、本発明によれば、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるNOxを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したNOxを放出するNOx吸蔵触媒を機関排気通路内に配置し、排気ガス中に含まれるSOxを捕獲しうるSOxトラップ触媒を該NOx吸蔵触媒上流の機関排気通路内に交換可能に配置し、SOxトラップ触媒のSOx捕獲量が上限SOx量を越えたか否かを繰り返し判断し、該SOx捕獲量が上限SOx量を越えたと判断するごとにSOxトラップ触媒が交換されるようになっている内燃機関の排気浄化装置において、前記NOx吸蔵触媒の基準吸蔵容量に対する実際の吸蔵容量の減少量を求め、該減少量が許容量よりも大きいときに前記SOx捕獲量が前記上限SOx量を越えたと判断するようにし、前記SOxトラップ触媒が交換されるごとに前記NOx吸蔵触媒から吸蔵されているSOxを放出させるようにしている。
SOxトラップ触媒を交換すべきか否かを正確に判断することができる。
図1は本発明を圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。なお、本発明はガソリン機関にも適用することができる。
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内にそれぞれ燃料を噴射するための電磁制御式燃料噴射弁、4は吸気マニホルド、5は排気マニホルドをそれぞれ示す。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7cの出口に連結され、コンプレッサ7cの入口は吸気導入管8を介してエアフローメータ9及びエアクリーナ10に順次連結される。吸気ダクト6内には電気制御式スロットル弁11が配置され、更に吸気ダクト6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12が配置される。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7tの入口に連結され、排気タービン7tの出口は排気後処理装置20に連結される。
各燃料噴射弁3は燃料供給管13を介してコモンレール14に連結され、このコモンレール14は電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ15を介して燃料タンク16に連結される。燃料タンク16内の燃料は燃料ポンプ15によってコモンレール14内に供給され、コモンレール14内に供給された燃料は各燃料供給管13を介して燃料噴射弁3に供給される。なお、コモンレール14にはコモンレール14内の燃料圧を検出する燃料圧センサ(図示しない)が取り付けられており、燃料圧センサからの信号に基づきコモンレール14内の燃料圧が目標圧に一致するように燃料ポンプ15の燃料吐出量が制御される。
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という。)通路17を介して互いに連結され、EGR通路17内には電気制御式EGR制御弁18が配置される。また、EGR通路17周りにはEGR通路17内を流れるEGRガスを冷却するための冷却装置19が配置される。
排気後処理装置20は排気タービン7tの出口に連結された排気管21を具備し、この排気管21はケーシング22に連結される。ケーシング22内には三元触媒23が収容される。ケーシング22は排気管24を介してケーシング25に連結される。ケーシング25内の上流側にはSOxトラップ触媒26が収容され、下流側にはNOx吸蔵還元触媒27が収容される。ケーシング25は排気管28を介してケーシング29に連結される。ケーシング29の上流側にはNOx吸蔵還元触媒30が収容され、下流側にはパティキュレートフィルタ31が収容される。本発明による実施例では、ケーシング22,25は機関本体1に隣接配置され、ケーシング29は車両床下に配置される。また、三元触媒23及び上流側のNOx吸蔵還元触媒27は比較的小容量にされ、SOxトラップ触媒26及び下流側のNOx吸蔵還元触媒30は比較的大容量にされる。
ここで、SOxトラップ触媒26は交換可能であり、例えばカートリッジの形で着脱自在にケーシング25内に収容される。これに対し、三元触媒23、NOx吸蔵還元触媒27,30、及びパティキュレートフィルタ31はケーシング22,25,29内に交換不能に収容される。
排気管21,28にはそれぞれ対応する排気管21,28内に燃料(炭化水素)を添加するための燃料添加弁32,33がそれぞれ取り付けられる。なお、燃料添加弁32をSOxトラップ触媒26下流でかつNOx吸蔵還元触媒27上流の排気通路内に配置してもよい。また、排気管28には、ケーシング25から流出する排気ガス中のNOxの量ないし濃度を検出するためのNOxセンサ34と、ケーシング25から流出する排気ガスの温度を検出する温度センサ35とが取り付けられる。この排気ガスの温度はSOxトラップ触媒26ないしNOx吸蔵還元触媒27の温度TNを表している。
電子制御ユニット40はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス41によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)42、RAM(ランダムアクセスメモリ)43、CPU(マイクロプロセッサ)44、入力ポート45及び出力ポート46を具備する。エアフローメータ9、NOxセンサ34、温度センサ35の出力電圧はそれぞれ対応するAD変換器47を介して入力ポート45に入力される。また、アクセルペダル49にはアクセルペダル49の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ50が接続され、負荷センサ50の出力電圧は対応するAD変換器47を介して入力ポート45に入力される。さらに、クランクシャフトが例えば30度回転するごとに出力パルスを発生するクランク角センサ51と、SOxトラップ触媒26が交換されたときに出力パルスを発生する交換センサ52とが入力ポート45に接続される。CPU44ではクランク角センサ51からの出力パルスに基づいて機関回転数が算出される。一方、出力ポート46は対応する駆動回路48を介して燃料噴射弁3、スロットル弁11の駆動装置、燃料ポンプ15、EGR制御弁18、及び燃料添加弁32,33に接続される。さらに、SOxトラップ触媒26を交換すべきことを知らせるための警報装置53も出力ポート46に接続される。
パティキュレートフィルタ31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を具備する。これら排気流通路は下流端が栓により閉塞された排気ガス流入通路と、上流端が栓により閉塞された排気ガス流出通路とにより構成される。したがって排気ガス流入通路及び排気ガス流出通路は薄肉の隔壁を介して交互に配置される。言い換えると、排気ガス流入通路及び排気ガス流出通路は各排気ガス流入通路が4つの排気ガス流出通路によって包囲され、各排気ガス流出通路が4つの排気ガス流入通路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31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、したがって排気ガス流入通路内に流入した排気ガスは周囲の隔壁内を通って隣接する排気ガス流出通路内に流出する。
排気ガス中に含まれる粒子状物質はパティキュレートフィルタ31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31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。
そこで本発明による実施例では、パティキュレートフィルタ31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、排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつパティキュレートフィルタ31の温度を例えば600℃程度まで上昇させる昇温制御を行い、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31上に堆積した粒子状物質の量が許容量を越えたか否かは例えばパティキュレートフィルタ31の前後差圧に基づいて判断することができる。また、昇温制御は例えば燃料添加弁33から燃料を添加しこの添加燃料をNOx吸蔵還元触媒30又はパティキュレートフィルタ31内で酸化することにより行うことができる。
NOx吸蔵還元触媒27,30はハニカム構造をなしており、薄肉の隔壁により互いに分離された複数個の排気ガス流通路を具備する。各隔壁の両側表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2(A)及び2(B)はこの触媒担体55の表面部分の断面を図解的に示している。図2(A)及び2(B)に示されるように触媒担体55の表面上には貴金属触媒56が分散して担持されており、更に触媒担体55の表面上にはNOx吸収剤57の層が形成されている。
本発明による実施例では、貴金属触媒56として白金Pt、パラジウムPd、オスミウムOs、金Au、ロジウムRh、イリジウムIr、ルテニウムRuから選ばれた少なくとも一つが用いられ、NOx吸収剤57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る。
吸気通路、燃焼室5及び、排気通路内の或る位置よりも上流の排気通路内に供給された空気及び燃料(炭化水素)の比をその位置における排気ガスの空燃比と称すると、NOx吸収剤57は流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにはNOxを吸収し、流入する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。
すなわち、貴金属触媒56として白金Ptを用いNOx吸収剤57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、すなわ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2(A)に示されるように白金Pt56上において酸化されてNOとなり、次いでNOx吸収剤57内に吸収されて炭酸バリウムBaCOと結合しながら硝酸イオンNO の形でNOx吸収剤57内に拡散する。このようにしてNOxがNOx吸収剤57内に吸収される。排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Pt56の表面でNOが生成され、NOx吸収剤57のNOx吸収能力が飽和しない限りNOがNOx吸収剤57内に吸収されて硝酸イオンNO が生成される。
これに対し、排気ガスの空燃比がリッチにされ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(NO →NO)に進み、斯くして図2(B)に示されるようにNOx吸収剤57内の硝酸イオンNO がNOの形でNOx吸収剤57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HC,COによって還元される。
本発明による実施例では、酸素過剰のもとでの燃焼が継続して行われる。したがって、NOx吸蔵還元触媒27,30内に流入する排気ガスの空燃比はリーンに維持され、このとき排気ガス中のNOxがNOx吸蔵還元触媒27,30内に吸蔵される。しかしながら、機関運転が継続されるとNOx吸蔵還元触媒27,30内に吸蔵されているNOx量が多くなり、ついにはNOx吸蔵還元触媒27,30によりNOxを吸蔵できなくなってしまう。そこで本発明による実施例ではNOx吸蔵還元触媒27,30がNOxにより飽和する前に排気ガスの空燃比を一時的にリッチし、それによってNOx吸蔵還元触媒27,30からNOxを放出させ、排気ガス中のHC,COによりN等に還元するようにしている。
すなわち、本発明による実施例では、NOx吸蔵還元触媒27,30に単位時間当り吸蔵されるNOx量が例えば機関負荷率KL及び機関回転数Neといった機関運転状態の関数としてマップの形で予めROM42内に記憶されており、このNOx量を積算することによってNOx吸蔵還元触媒27,30に吸蔵されているNOx量がそれぞれ算出される。その上で、NOx吸蔵還元触媒27のNOx吸蔵量が上限NOx量を越えるごとに燃料添加弁32から燃料(炭化水素)が添加され、NOx吸蔵還元触媒27への流入排気ガスの空燃比が一時的にリッチに切り換えられる。また、NOx吸蔵還元触媒30のNOx吸蔵量が上限NOx量を越えるごとに燃料添加弁33から燃料(炭化水素)が添加され、NOx吸蔵還元触媒30への流入排気ガスの空燃比が一時的にリッチに切り換えられる。その結果、NOx吸蔵還元触媒27,30からNOxが放出され還元される。なお、機関負荷率KLは全負荷に対する機関負荷の割合をいう。
ところが、排気ガス中にはSOxすなわちSOが含まれており、このSOがNOx吸蔵還元触媒27,30に流入するとこのSOは白金Pt56において酸化されてSOとなる。次いでこのSOはNOx吸収剤57内に吸収されて炭酸バリウムBaCOと結合しながら硫酸イオンSO 2−の形でNOx吸収剤57内に拡散し、安定した硫酸塩BaSOを生成する。しかしながら、この硫酸塩BaSO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BaSOは分解されずにそのまま残る。したがってNOx吸収剤57内には時間が経過するにつれて硫酸塩BaSO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吸蔵還元触媒27,30の吸蔵容量が低下することになる。
そこで本発明による実施例では、NOx吸蔵還元触媒27,30の上流にSOxトラップ触媒26を配置してこのSOxトラップ触媒26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27,30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26について説明する。
このSOxトラップ触媒26は例えばハニカム構造をなしており、薄肉の隔壁により互いに分離された複数個の排気ガス流通路を具備する。各隔壁の両側表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60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60の表面上にはコート層61が形成されており、このコート層61の表面上には貴金属触媒62が分散して担持されている。
本発明による実施例では、貴金属触媒62として白金が用いられており、コート層61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。すなわち、SOxトラップ触媒26のコート層61は強塩基性を呈している。
排気ガス中に含まれるSOxすなわちSOは図3に示されるように白金Pt62において酸化され、次いでコート層61内に捕獲される。すなわち、SOは硫酸イオンSO 2−の形でコート層61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61は強塩基性を呈しており、したがって図3に示されるように排気ガス中に含まれるSOの一部は直接コート層61内に捕獲される。このようにして、SOxトラップ触媒26内にSOxが捕獲され、NOx吸蔵還元触媒27,30内にSOxが吸蔵されるのが阻止される。
しかしながら、機関運転が継続されるとSOxトラップ触媒26に捕獲されているSOx量が多くなり、ついにはSOxトラップ触媒26によりSOxを捕獲できなくなってしまう。
そこで本発明による実施例では、SOxトラップ触媒26のSOx捕獲量が上限SOx量を越えたか否かを判断し、SOx捕獲量が上限SOx量を越えたと判断されたときには警報装置53を作動させるようにしている。警報装置53が作動されると、SOxトラップ触媒26を交換すべきことがユーザに知らされる。ユーザは例えば車両整備者にSOxトラップ触媒26の交換を依頼し、斯くしてSOxトラップ触媒26が交換される。
この場合、SOxトラップ触媒26は新品のSOxトラップ触媒に交換される。あるいは、ケーシング25から取り外したSOxトラップ触媒26に、SOxを放出させるSOx放出処理を車両外で施し、次いでこのSOxトラップ触媒26をケーシング25に戻すようにしてもよい。いずれにしても、本発明による実施例では車両上でSOx放出処理は行われない。
SOxトラップ触媒26が交換されると、交換されたSOxトラップ触媒26のSOx捕獲量が上限SOx量を越えたか否かが再度判断され、SOx捕獲量が上限SOx量を越えたと判断されると、SOxトラップ触媒26が再度交換される。すなわち、SOxトラップ触媒26のSOx捕獲量が上限SOx量を越えたか否かが繰り返し判断され、SOx捕獲量が上限SOx量を越えたと判断されるごとにSOxトラップ触媒が交換されるようになっている。
本発明による実施例では、SOxトラップ触媒26のSOx捕獲量が上限SOx量を越えたか否かが次のようにして判断される。すなわち、SOxトラップ触媒26のSOx捕獲量が多くなるにつれて、SOxトラップ触媒26から流出するSOx量が多くなり、SOxトラップ触媒26に近いほうのNOx吸蔵還元触媒27に吸蔵されるSOx量が多くなり、斯くしてNOx吸蔵還元触媒27の吸蔵容量が小さくなる。したがって、NOx吸蔵還元触媒27のあらかじめ定められた基準吸蔵容量に対する実際の吸蔵容量の減少量はSOxトラップ触媒26のSOx捕獲量を表している。
そこで本発明による実施例では、NOx吸蔵還元触媒27の基準吸蔵容量RCPを算出し、NOx吸蔵還元触媒27の実際の吸蔵容量ACPを検出し、基準吸蔵容量RCPに対する実際の吸蔵容量ACPの偏差dCP(=RCP−ACP)を算出し、この偏差dCPが許容値TLRよりも大きいときにSOx捕獲量が上限SOx量を越えたと判断するようにしている。
さて、本発明による実施例では、SOxトラップ触媒が交換されるごとに基準吸蔵容量RCPが減少更新される。このことを図4を参照しながら説明する。
図4は本発明による実施例におけるNOx吸蔵還元触媒27の実際の吸蔵容量ACP、基準吸蔵容量RCP、及び偏差dCPの経時変化を示している。図4において、X0は排気後処理装置20が新品の時点、すなわちSOxトラップ触媒26及びNOx吸蔵還元触媒27が新品でかつSOxトラップ触媒26の交換が行われていない時点を示している。このときの基準吸蔵容量RCPはRCP0に設定されており、このRCP0はNOx吸蔵還元触媒27が新品のときのNOx吸蔵還元触媒27の吸蔵容量である初期吸蔵容量ICPに設定されている。
機関運転が開始されてもしばらくの間は実際の吸蔵容量ACPはゼロに維持される。機関運転が継続されると実際の吸蔵容量ACPが次第に減少し、偏差dCP(=RCP0−ACP)が次第に増大する。次いで、X1で示されるように偏差dCPが許容値TLRを越えると、SOxトラップ触媒26が交換される。SOxトラップ触媒26が交換されると、基準吸蔵容量RCPがRCP1に設定ないし更新される。
SOxトラップ触媒26が交換される時点すなわち新たなSOxトラップ触媒26がケーシング25内に取り付けられる時点において、NOx吸蔵還元触媒27の実際の吸蔵容量ACPは初期吸蔵容量ICPからK1だけ減少している。そこで、本発明による実施例では、基準吸蔵容量RCP1を、初期吸蔵容量ICPから減少幅K1だけ差し引いたもの(ICP−K1)に設定している。このようにすると、基準吸蔵容量RCPが更新された後の偏差dCP(=RCP1−ACP)は新たなSOxトラップ触媒26のSOx吸蔵量を正確に表すことになり、したがってSOxトラップ触媒26を交換すべきか否かを正確に判断することができる。なお、このように基準吸蔵容量RCPがRCP0からRCP1に更新されると、図4に示されるように偏差dCPがゼロに戻される。
次いで、X2に示されるように偏差dCP(=RCP1−ACP)が再び許容値TLRを越えると、SOxトラップ触媒26が再び交換され、基準吸蔵容量RCPがRCP2に更新される。このときNOx吸蔵還元触媒27の実際の吸蔵容量ACPは初期吸蔵容量ICPからK2だけ減少しているので、初期吸蔵容量ICPからこの減少幅K2だけ差し引いたもの(ICP−K2)が新たな基準吸蔵容量RCP2に設定される。
次いで、X3に示されるように偏差dCP(=RCP2−ACP)が許容値TLRを越えると、SOxトラップ触媒26が交換され、基準吸蔵容量RCPが更新される。このようにしてSOxトラップ触媒26の交換が繰り返される。
ここで、図4からわかるようにK2>K1であるので、RCP0(=ICP)>RCP1>RCP2となる。すなわち、本発明による実施例では、基準吸蔵容量RCPはSOxトラップ触媒26が交換されるごとに減少更新される。より具体的には、基準吸蔵容量RCPはSOxトラップ触媒26が交換されるごとに、NOx吸蔵還元触媒27の初期吸蔵容量ICPに対するその時点における実際の吸蔵容量ACPの減少幅Kに応じて減少更新される。
なお、図4は触媒温度TNが一定でありしたがってNOx吸蔵還元触媒27の初期吸蔵容量ICPが一定の場合を示している。実際には、NOx吸蔵還元触媒27の初期吸蔵容量ICPは図5に示されるように触媒温度TNに依存して変動する。すなわち、流入排気ガスの空燃比がリーンのときのNOx吸蔵還元触媒27の初期吸蔵容量ICPを示す図5からわかるように、初期吸蔵容量ICPは触媒温度TNが低いときには触媒温度TNが高くなるにつれて大きくなり、触媒温度TNが高いときには触媒温度TNが高くなるにつれて小さくなる。この初期吸蔵容量ICPは触媒温度TNの関数としてROM42にあらかじめ記憶されている。本発明による実施例では、偏差dCPを算出すべきときに温度センサ35により検出された触媒温度TNからNOx吸蔵還元触媒27の初期吸蔵容量ICPが算出され、算出された初期吸蔵容量ICPから減少幅Kを差し引くことによって基準吸蔵容量RCPが算出される。
NOx吸蔵還元触媒27の実際の吸蔵容量ACPを求めるには種々の方法が考えられる。本発明による実施例ではNOxセンサ34により検出されるNOx量に基づいて実際の吸蔵容量ACPが算出される。すなわち、まずNOx吸蔵還元触媒27から吸蔵されているほぼすべてのNOxが放出され、次いでNOxセンサ34により検出されるNOx量が閾値よりも多くなるまでNOx吸蔵還元触媒27内にNOxが吸蔵され、このときNOx吸蔵還元触媒27内に吸蔵されたNOx量が実際の吸蔵容量ACPとして求められる。
ここで、図5に示されるように、触媒温度TNがNOx放出温度TNRよりも高くなると初期吸蔵容量ICPはほぼゼロとなり、すなわち排気ガスの空燃比がリーンであってもNOx吸蔵還元触媒27内に吸蔵されているほぼすべてのNOxが放出される。そこで本発明による実施例では、NOx吸蔵還元触媒27から吸蔵されているほぼすべてのNOxを放出させるために、触媒温度TNがNOx放出温度TNRよりも高くなるようにNOx吸蔵還元触媒27を昇温するようにしている。この場合、例えば燃料添加弁32から燃料を添加しこの添加燃料を三元触媒23、SOxトラップ触媒26、又はNOx吸蔵還元触媒27で酸化することによりNOx吸蔵還元触媒27を昇温することができる。
なお、本発明による実施例では、パティキュレートフィルタ31の昇温制御が行われているときに、NOx放出のためのNOx吸蔵還元触媒27の昇温処理が行われる。あるいは、パティキュレートフィルタ31の昇温制御が行われる直前に行うようにしてもよい。このようにすると、パティキュレートフィルタ31を昇温するために必要な燃料量を低減することができる。
偏差dCPが許容値TLRを越え警報装置53が作動されてから長時間にわたってSOxトラップ触媒26が交換されないといった特別の場合は別として、偏差dCPが許容値TLRを越えたときの偏差dCPは減少幅Kの増分を表している。そこで本発明による実施例では、SOxトラップ触媒26が交換されるごとに、偏差dCPが許容値TLRを越えたときの偏差dCPだけ減少幅Kを増大させ、それによって減少幅Kを更新するようにしている。
図6は本発明による実施例のSOxトラップ触媒の交換制御を実行するためのルーチンを示している。このルーチンはあらかじめ定められた設定時間ごとの割り込みによって実行される。
図6を参照すると、まずステップ100ではパティキュレートフィルタ31の昇温制御が行われているか否かが判別される。パティキュレートフィルタ31の昇温制御が行われているときには次いでステップ101に進み、NOx吸蔵還元触媒27の実際の吸蔵容量ACPが算出される。続くステップ102では、基準吸蔵容量RCPの算出ルーチンが実行される。基準吸蔵容量RCPの算出ルーチンは図7に示されている。
図7を参照すると、ステップ120では触媒温度TNに基づいて初期吸蔵容量ICPが算出される。続くステップ121では初期吸蔵容量ICPから減少幅Kを差し引くことによって基準吸蔵容量RCPが算出される(RCP=ICP−K)。
再び図6を参照すると、続くステップ103では、基準吸蔵容量RCPに対する実際の吸蔵容量ACPの偏差dCPが算出される(dCP=RCP−ACP)。続くステップ104では偏差dCPが許容値TLRよりも大きいか否かが判別される。dCP>TLRのときには次いでステップ105に進み、警報装置53が作動される。
これに対し、ステップ100においてパティキュレートフィルタ31の昇温制御が行われていないとき、又はステップ104においてdCP≦TLRのときには処理サイクルを終了する。すなわち、この場合には警報装置53は作動されない。
図8は本発明による実施例の減少幅Kの算出ルーチンを示している。このルーチンはあらかじめ定められた設定時間ごとの割り込みによって実行される。
図8を参照すると、まずステップ140では、警報装置53が作動されたか否かが判別される。警報装置53が作動されたときすなわち偏差dCPが許容値TLRを越えたときにはステップ141に進み、このときの偏差dCPが減少幅Kの増分dKとして記憶される。次いでステップ142に進む。これに対し、警報装置53が停止されているときにはステップ142にジャンプする。ステップ142では、交換センサ52からの出力に基づいてSOxトラップ触媒26が交換されたか否かが判別される。SOxトラップ触媒26が交換されていないときには処理サイクルを終了する。SOxトラップ触媒26が交換されたときには次いでステップ143に進み、減少幅Kが増分dKだけ増大される(K=K+dK)。続くステップ144では警報装置53が停止される。
次に、本発明による別の実施例を説明する。
上述した本発明による実施例では、SOxトラップ触媒26が交換されるごとに基準吸蔵容量RCPが減少されて初期吸蔵容量ICPと異なるようにされる。これは、SOxトラップ触媒26が交換されてもNOx吸蔵還元触媒27内にSOxが吸蔵されたままであることに起因している。
そうすると、SOxトラップ触媒26が交換されるごとにNOx吸蔵還元触媒27から吸蔵されているSOxを放出させれば、基準吸蔵容量RCPを初期吸蔵容量ICPに維持することが可能になる。
一方、NOx吸蔵還元触媒27を約600℃以上のSOx放出温度まで昇温させた状態で流入排気ガスの空燃比をリッチ又は理論空燃比にすると、NOx吸蔵還元触媒27からSOxを放出させることができる。
そこで本発明による別の実施例では、SOxトラップ触媒26が交換されるごとに、NOx吸蔵還元触媒27をSOx放出温度まで昇温させて維持しつつ排気ガスの空燃比をリッチに切り換えるSOx放出制御を行うようにしている。その結果、SOxトラップ触媒26が交換されるごとに、NOx吸蔵還元触媒27内のSOx吸蔵量がゼロに戻され、NOx吸蔵還元触媒27の実際の吸蔵容量ACPが初期吸蔵容量ICPに戻される。なお、SOx放出制御を行うべきときには例えば燃料添加弁32から燃料が添加される。
その上で、基準吸蔵容量RCPが初期吸蔵容量ICPに設定され維持される。
すなわち、図9にX1で示されるように偏差dCP(=RCP−ACP)が許容値TLRを越えSOxトラップ触媒26が交換されると、NOx吸蔵還元触媒27のSOx放出制御が行われる。その結果、NOx吸蔵還元触媒27の実際の吸蔵容量ACPが初期吸蔵容量ICPないし基準吸蔵容量RCPに戻され、偏差dCPがゼロに戻される。
次いで、図9にX2で示されるように偏差dCP(=RCP−ACP)が再び許容値TLRを越えると、SOxトラップ触媒26が再び交換され、このときNOx吸蔵還元触媒27のSOx放出制御が再び行われて偏差dCPがゼロに戻される。このようにしてSOxトラップ触媒26の交換が繰り返される。
なお、NOx吸蔵還元触媒27のSOx放出制御が行われると、SOxトラップ触媒26の温度も高くなり流入排気ガスの空燃比がリッチになる。ところが、SOxトラップ触媒26の温度が高い状態で流入排気ガスの空燃比がリッチになると、SOxトラップ触媒26から捕獲されたSOxが放出されるおそれがある。しかしながら、NOx吸蔵還元触媒27のSOx放出制御が行われるときにはSOxトラップ触媒26は新品であるので、このときSOxトラップ触媒26からSOxが放出されるおそれはない。
本発明による別の実施例でも、図6に示されるSOxトラップ触媒の交換制御ルーチンが実行される。ただし、本発明による別の実施例におけるステップ102では図10に示される基準吸蔵容量RCPの算出ルーチンが実行される。
図10を参照すると、ステップ220では触媒温度TNに基づいて初期吸蔵容量ICPが算出される。続くステップ221では初期吸蔵容量ICPが基準吸蔵容量RCPに設定される(RCP=ICP)。
一方、図11は本発明による別の実施例のSOx放出制御を実行するためのルーチンを示している。このルーチンはあらかじめ定められた設定時間ごとの割り込みによって実行される。
図11を参照すると、まずステップ240では、交換センサ52からの出力に基づいてSOxトラップ触媒26が交換されたか否かが判別される。SOxトラップ触媒26が交換されていないときには処理サイクルを終了する。SOxトラップ触媒26が交換されたときには次いでステップ241に進み、SOx放出制御が行われ、NOx吸蔵還元触媒27からSOxが放出される。続くステップ242では警報装置53が停止される。
これまで述べてきた本発明による各実施例では、SOxトラップ触媒26を交換すべきか否かがNOx吸蔵還元触媒27の吸蔵容量に基づいて判断される。しかしながら、SOxトラップ触媒26下流の排気通路内に複数のNOx吸蔵還元触媒を直列配置してもよく、この場合にはSOxトラップ触媒26に最も近いNOx吸蔵還元触媒の吸蔵容量に基づいてSOxトラップ触媒26を交換すべきか否かが判断される。具体的には、SOxトラップ触媒26に最も近いNOx吸蔵還元触媒の基準吸蔵容量に対する実際の吸蔵容量の減少量が求められ、この減少量に基づいてSOxトラップ触媒26を交換すべきか否かが判断される。
あるいは、NOx吸蔵還元触媒27を省略し、SOxトラップ触媒26下流の排気通路内に単一のNOx吸蔵還元触媒30が配置されるようにしてもよい。この場合には、図12に示されるようにNOxセンサ34及び温度センサ35がNOx吸蔵還元触媒30下流の例えばケーシング29内に配置される。また、NOx吸蔵還元触媒30の基準吸蔵容量に対する実際の吸蔵容量の減少量が求められ、この減少量に基づいてSOxトラップ触媒26を交換すべきか否かが判断される。
また、三元触媒23及びパティキュレートフィルタ31をそれぞれ省略することもできる。あるいは、NOx吸蔵還元触媒30をパティキュレートフィルタ31上に形成することもできる。
さらに、SOxトラップ触媒26として、アルミナからなる担体上に鉄Fe,マンガンMn,ニッケルNi,スズSnのような遷移金属及びリチウムLiから選ばれた少なくとも一つを担持した触媒を用いることもできる。
内燃機関の全体図である。 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。 本発明による実施例を説明するためのタイムチャートである。 NOx吸蔵還元触媒の初期吸蔵容量ICPを示す線図である。 本発明による実施例の交換制御ルーチンを実行するためのフローチャートである。 本発明による実施例の基準吸蔵容量RCPの算出ルーチンを実行するためのフローチャートである。 本発明による実施例の減少幅Kの算出ルーチンを実行するためのフローチャートである。 本発明による別の実施例を説明するためのタイムチャートである。 本発明による別の実施例の基準吸蔵容量RCPの算出ルーチンを実行するためのフローチャートである。 SOx放出制御を実行するためのフローチャートである。 さらに別の実施例を示す内燃機関の全体図である。
符号の説明
1 機関本体
20 排気後処理装置
26 SOxトラップ触媒
27,30 NOx吸蔵還元触媒
34 NOxセンサ

Claims (6)

  1. 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NOxを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したNOxを放出するNOx吸蔵触媒を機関排気通路内に配置し、排気ガス中に含まれるSOxを捕獲しうるSOxトラップ触媒を該NOx吸蔵触媒上流の機関排気通路内に交換可能に配置し、SOxトラップ触媒のSOx捕獲量が上限SOx量を越えたか否かを繰り返し判断し、該SOx捕獲量が上限SOx量を越えたと判断するごとにSOxトラップ触媒が交換されるようになっている内燃機関の排気浄化装置において、前記NOx吸蔵触媒の基準吸蔵容量に対する実際の吸蔵容量の減少量を求め、該減少量が許容量よりも大きいときに前記SOx捕獲量が前記上限SOx量を越えたと判断するようにし、該基準吸蔵容量は前記SOxトラップ触媒が交換されるごとに減少更新される内燃機関の排気浄化装置。
  2. 前記基準吸蔵容量は、前記SOxトラップ触媒が交換されるごとに、前記NOx吸蔵触媒の初期吸蔵容量に対するその時点における実際の吸蔵容量の減少幅に応じて更新される請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 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NOxを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したNOxを放出するNOx吸蔵触媒を機関排気通路内に配置し、排気ガス中に含まれるSOxを捕獲しうるSOxトラップ触媒を該NOx吸蔵触媒上流の機関排気通路内に交換可能に配置し、SOxトラップ触媒のSOx捕獲量が上限SOx量を越えたか否かを繰り返し判断し、該SOx捕獲量が上限SOx量を越えたと判断するごとにSOxトラップ触媒が交換されるようになっている内燃機関の排気浄化装置において、前記NOx吸蔵触媒の基準吸蔵容量に対する実際の吸蔵容量の減少量を求め、該減少量が許容量よりも大きいときに前記SOx捕獲量が前記上限SOx量を越えたと判断するようにし、前記SOxトラップ触媒が交換されるごとに前記NOx吸蔵触媒から吸蔵されているSOxを放出させるようにした内燃機関の排気浄化装置。
  4. 前記基準吸蔵容量は前記NOx吸蔵触媒の初期吸蔵容量に設定され維持される請求項3に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  5. 前記NOx吸蔵触媒から流出する排気ガス中のNOx量を検出するためのNOxセンサを前記NOx吸蔵触媒下流の排気通路内に配置し、前記NOx吸蔵触媒の実際の吸蔵容量は該NOxセンサによって検出される該NOx量に基づいて求められる請求項1から4までのいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  6. 前記NOx吸蔵触媒が前記SOxトラップ触媒下流の排気通路内に直列配置された複数のNOx吸蔵触媒から構成されており、これらNOx吸蔵触媒のうち前記SOxトラップ触媒に最も近いNOx吸蔵触媒の基準吸蔵容量に対する実際の吸蔵容量の減少量が求められる請求項1から5までのいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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