JP2010025015A - Exhaust gas purifier for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関の排気ガス浄化装置に関する。 The present invention relates to an exhaust gas purification device for an internal combustion engine.
特開2007−154755号公報には、酸化能を有する前段触媒と、その下流側に配置されたNOx触媒とを備えた内燃機関の排気浄化システムが開示されている。このシステムでは、前段触媒の床温を実測した結果に基づいて、前段触媒が活性しているか否かを判別し、その判別結果に基づいて還元剤の供給を制御することとしている。また、このシステムでは、前段触媒が活性していないと判別された場合には、前段触媒を昇温させて活性させるための触媒活性処理を行うようにしている。この触媒活性処理は、低温燃焼運転、ポスト噴射、排気燃料添加のうちから選択される。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-154755 discloses an exhaust gas purification system for an internal combustion engine that includes a pre-stage catalyst having an oxidizing ability and a NOx catalyst arranged downstream thereof. In this system, based on the result of actually measuring the bed temperature of the front catalyst, it is determined whether or not the front catalyst is active, and the supply of the reducing agent is controlled based on the determination result. In this system, when it is determined that the pre-stage catalyst is not active, a catalyst activation process is performed to activate the pre-stage catalyst by raising the temperature. This catalyst activation treatment is selected from low temperature combustion operation, post injection, and exhaust fuel addition.
上記従来の技術では、前段触媒の失活を判定しているが、NOx触媒にも失活は生じ得る。また、触媒が失活するメカニズムとしては、単に触媒床温が低いことばかりではなく、HC被毒を伴う場合もある。HC被毒とは、未燃燃料成分であるHCが液化して触媒の活性点(貴金属)に付着(吸着)することにより、排気ガスが活性点と接触できなくなる結果、浄化反応が妨げられる現象である。HC被毒によって触媒が失活している場合には、活性点に付着したHCを除去しないと、触媒の活性を回復することができない。 In the above conventional technology, the deactivation of the pre-stage catalyst is determined, but deactivation can also occur in the NOx catalyst. In addition, the catalyst is deactivated not only because the catalyst bed temperature is low, but also accompanied by HC poisoning. HC poisoning is a phenomenon in which the purification reaction is hindered as a result of exhaust gas not being able to come into contact with the active sites by liquefying HC, which is an unburned fuel component, and adhering (adsorbing) to the active sites (noble metals) of the catalyst. It is. When the catalyst is deactivated due to HC poisoning, the activity of the catalyst cannot be recovered unless HC attached to the active sites is removed.
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、HC被毒による触媒の失活を確実に抑制することができるとともに、燃費に及ぼす影響が少ない内燃機関の排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and can effectively suppress the deactivation of the catalyst due to the HC poisoning, and has little influence on the fuel consumption. The purpose is to provide.
第1の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気ガス浄化装置であって、
内燃機関の排気通路に配置された排気浄化用の触媒と、
前記触媒の失活判定を行う失活判定手段と、
前記失活判定手段により前記触媒が失活していると判定された場合に、前記触媒の活性を回復させるための活性酸素を前記触媒に供給する活性酸素供給手段と、
を備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a first invention is an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine,
An exhaust purification catalyst disposed in the exhaust passage of the internal combustion engine;
Deactivation determination means for determining deactivation of the catalyst;
Active oxygen supply means for supplying active oxygen for recovering the activity of the catalyst to the catalyst when the deactivation determination means determines that the catalyst is deactivated;
It is characterized by providing.
また、第2の発明は、第1の発明において、
前記触媒から流出する排気ガス中の所定成分の濃度を検出する検出手段を備え、
前記失活判定手段は、前記検出手段の検出結果に基づいて失活判定を行うことを特徴とする。
The second invention is the first invention, wherein
A detecting means for detecting a concentration of a predetermined component in the exhaust gas flowing out from the catalyst;
The deactivation determination unit performs deactivation determination based on a detection result of the detection unit.
また、第3の発明は、第2の発明において、
前記検出手段は、NOx濃度を検出するNOxセンサであることを特徴とする。
The third invention is the second invention, wherein
The detection means is a NOx sensor that detects a NOx concentration.
また、第4の発明は、第2の発明において、
前記検出手段は、酸素濃度を検出する酸素センサであることを特徴とする。
Moreover, 4th invention is 2nd invention.
The detection means is an oxygen sensor that detects an oxygen concentration.
また、第5の発明は、第1乃至第4の発明の何れかにおいて、
前記触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比より大きくするリーン運転と、前記触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比以下とするリッチ運転とを切り換える切換手段を備え、
前記失活判定手段は、前記リッチ運転の実行中に失活判定を行うことを特徴とする。
According to a fifth invention, in any one of the first to fourth inventions,
Switching means for switching between a lean operation in which the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the catalyst is larger than the stoichiometric air-fuel ratio and a rich operation in which the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the catalyst is less than the stoichiometric air-fuel ratio;
The deactivation determination unit performs deactivation determination during execution of the rich operation.
また、第6の発明は、第1乃至第5の発明の何れかにおいて、
前記触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比より大きくするリーン運転と、前記触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比以下とするリッチ運転とを切り換える切換手段を備え、
前記活性酸素供給手段は、前記リーン運転の実行中に前記触媒に活性酸素を供給することを特徴とする。
According to a sixth invention, in any one of the first to fifth inventions,
Switching means for switching between a lean operation in which the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the catalyst is larger than the stoichiometric air-fuel ratio and a rich operation in which the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the catalyst is less than the stoichiometric air-fuel ratio;
The active oxygen supply means supplies active oxygen to the catalyst during execution of the lean operation.
また、第7の発明は、第6の発明において、
前記活性酸素供給手段は、前記リーン運転の期間の後半において前記触媒に活性酸素を供給することを特徴とする。
The seventh invention is the sixth invention, wherein
The active oxygen supply means supplies active oxygen to the catalyst in the second half of the lean operation period.
第1の発明によれば、触媒の失活判定を行い、触媒が失活していると判定された場合に、触媒の活性を回復させるための活性酸素を触媒に供給することができる。活性酸素の供給により、触媒のHC被毒を迅速且つ確実に解消させることができ、触媒の活性を回復させることができる。このため、内燃機関の始動直後や低負荷運転時など、触媒がHC被毒し易い状況においても、大気中への有害成分の排出を確実に抑制することができる。また、第1の発明によれば、触媒の失活を判定した上で活性酸素を供給するので、活性酸素を無駄なく有効に利用することができ、使用量を節減することができる。このため、活性酸素生成のための消費電力を節減でき、燃費への悪影響を最小限に抑えることができる。 According to the first aspect of the present invention, it is possible to determine the deactivation of the catalyst, and when it is determined that the catalyst is deactivated, active oxygen for recovering the activity of the catalyst can be supplied to the catalyst. By supplying active oxygen, HC poisoning of the catalyst can be quickly and reliably eliminated, and the activity of the catalyst can be recovered. For this reason, even in situations where the catalyst is easily poisoned by HC, such as immediately after the start of the internal combustion engine or during low-load operation, emission of harmful components to the atmosphere can be reliably suppressed. Further, according to the first invention, since active oxygen is supplied after determining the deactivation of the catalyst, the active oxygen can be used effectively without waste, and the amount of use can be reduced. Therefore, power consumption for generating active oxygen can be reduced, and adverse effects on fuel consumption can be minimized.
第2の発明によれば、触媒から流出する排気ガス中の所定成分の濃度を検出し、その検出結果に基づいて失活判定を行うことができる。これにより、触媒の失活判定を更に高精度に行うことができる。 According to the second invention, it is possible to detect the concentration of the predetermined component in the exhaust gas flowing out from the catalyst, and perform the deactivation determination based on the detection result. Thereby, the deactivation determination of the catalyst can be performed with higher accuracy.
第3の発明によれば、触媒から流出する排気ガス中のNOx濃度を検出するNOxセンサの値に基づいて、失活判定を行うことができる。これにより、触媒の失活判定を更に高精度に行うことができる。 According to the third aspect, the deactivation determination can be performed based on the value of the NOx sensor that detects the NOx concentration in the exhaust gas flowing out from the catalyst. Thereby, the deactivation determination of the catalyst can be performed with higher accuracy.
第4の発明によれば、触媒から流出する排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサの値に基づいて、失活判定を行うことができる。これにより、触媒の失活判定を更に高精度に行うことができる。 According to the fourth invention, the deactivation determination can be performed based on the value of the oxygen sensor that detects the oxygen concentration in the exhaust gas flowing out from the catalyst. Thereby, the deactivation determination of the catalyst can be performed with higher accuracy.
第5の発明によれば、リッチ運転の実行中に失活判定を行うことができる。触媒の失活が排気ガス成分に及ぼす影響は、リーン運転時と比べ、リッチ運転時の方がより大きく現れる。このため、リッチ運転の実行中に失活判定を行うことにより、判定精度を更に向上することができる。 According to the fifth aspect, the deactivation determination can be performed during execution of the rich operation. The influence of the catalyst deactivation on the exhaust gas component appears more greatly in the rich operation than in the lean operation. For this reason, the determination accuracy can be further improved by performing the deactivation determination during execution of the rich operation.
第6の発明によれば、触媒の活性を回復させるための活性酸素を供給する場合、その供給をリーン運転の実行中に行うことができる。リッチ運転時に活性酸素を供給したとすると、触媒内の還元雰囲気が酸化方向に戻され、浄化反応が阻害されるおそれがある。第6の発明によれば、リーン運転時に活性酸素を供給することにより、浄化反応への悪影響を確実に防止することができる。 According to the sixth aspect of the invention, when supplying active oxygen for recovering the activity of the catalyst, the supply can be performed during the execution of the lean operation. If active oxygen is supplied during the rich operation, the reducing atmosphere in the catalyst is returned to the oxidation direction, and the purification reaction may be hindered. According to the sixth aspect, by supplying active oxygen during the lean operation, it is possible to reliably prevent adverse effects on the purification reaction.
第7の発明によれば、触媒の活性を回復させるための活性酸素を供給する場合、その供給をリーン運転の期間の後半に行うことができる。これにより、触媒に吸着したHCが除去された直後にリッチ運転が行われる。このため、触媒のHC吸着量が極めて少なく、本来の触媒活性が十分に発現される状態で、有害成分の浄化処理を行うことができ、特に優れた浄化効率が得られる。 According to the seventh aspect, when supplying active oxygen for recovering the activity of the catalyst, the supply can be performed in the latter half of the lean operation period. Thus, the rich operation is performed immediately after the HC adsorbed on the catalyst is removed. For this reason, the HC adsorption amount of the catalyst is extremely small, and the harmful component can be purified in a state where the original catalytic activity is sufficiently expressed, and particularly excellent purification efficiency can be obtained.
実施の形態1.
[システム構成の説明]
図1は、本発明の実施の形態1のシステム構成を説明するための図である。図1に示すように、本実施形態のシステムは、車両等の動力源として使用される圧縮着火式の内燃機関(ディーゼルエンジン)10を備えている。図1に示す内燃機関10は直列4気筒型であるが、本発明では内燃機関の気筒数および気筒配置は特に限定されるものではない。なお、図1においては、便宜上、内燃機関10の大きさに対して排気通路の大きさが実際よりも大きく描かれている。
[Description of system configuration]
FIG. 1 is a diagram for explaining a system configuration according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the system of the present embodiment includes a compression ignition type internal combustion engine (diesel engine) 10 used as a power source for a vehicle or the like. Although the internal combustion engine 10 shown in FIG. 1 is an in-line four-cylinder type, the number of cylinders and the cylinder arrangement of the internal combustion engine are not particularly limited in the present invention. In FIG. 1, for convenience, the size of the exhaust passage is drawn larger than the actual size with respect to the size of the internal combustion engine 10.
本実施形態の内燃機関10は、ターボチャージャ19を備えている。ターボチャージャ19のコンプレッサにより圧縮された吸入空気は、吸気マニホールド11を介して各気筒に流入する。各気筒には、それぞれ、筒内に直接に燃料を噴射する燃料インジェクタ14が設けられている。各燃料インジェクタ14には、コモンレール18に蓄えられた高圧の燃料が供給される。図示しない燃料タンク内の燃料は、サプライポンプ17により加圧され、コモンレール18に供給される。各気筒から排出される排気ガスは、排気マニホールド12で合流し、ターボチャージャ19のタービンに流入する。タービンを通過した排気ガスは、排気通路15に流れる。
The internal combustion engine 10 of this embodiment includes a
排気通路15には、吸蔵還元型(NOx Storage Reduction)のNOx触媒21が設置されている。このNOx触媒21については、後述する。NOx触媒21の上流側には、オゾン供給ノズル22が設置されている。オゾン供給ノズル22には、複数のオゾン供給口23が設けられている。オゾン供給ノズル22は、オゾン供給通路24を介して、オゾン発生器25に接続されている。図示の構成では、オゾン供給ノズル22は、NOx触媒21を収容するケーシング26の内部であって、NOx触媒21の前方側(上流側)に配置されている。
A NOx storage reduction
オゾン発生器25としては、高電圧を印加可能な放電管内に、原料となる乾燥した空気または酸素を流しつつオゾンを発生させる形態や、他の任意の形式のものを用いることができる。ここで原料となる乾燥した空気または酸素は、排気通路15外から取り込まれる気体、例えば外気に含まれる気体である。
As the
上記のような構成によれば、オゾン発生器25によってオゾン(O3)を生成させ、このオゾンをオゾン供給ノズル22のオゾン供給口23から噴射することができる。これにより、NOx触媒21の上流側において、排気ガスにオゾンを添加することができる。
According to the above configuration, ozone (O 3 ) can be generated by the
NOx触媒21の下流側の排気通路15には、NOx触媒21から流出した排気ガス中のNOx濃度を検出するNOxセンサ29が設置されている。また、本実施形態のシステムは、ECU(Electronic Control Unit)50を更に備えている。ECU50には、前述した燃料インジェクタ14、オゾン発生器25、NOxセンサ29のほか、クランク角センサ46、エアフローメータ47、アクセルポジションセンサ48等の、内燃機関10を制御するための各種のセンサおよびアクチュエータが電気的に接続されている。
A
本実施形態の内燃機関10の気筒内では、通常、理論空燃比よりリーンな空燃比で燃焼が行われる。従って、内燃機関10の排気ガス中には、通常、酸素が多く残存している。周知のように、排気ガス中に酸素が多く残存している場合には、三元反応によってNOxを浄化することができない。そこで、本実施形態では、排気ガスに含まれるNOxをNOx触媒21に吸収させることにより、大気中へのNOxの排出を抑制するようにしている。
In the cylinder of the internal combustion engine 10 of this embodiment, combustion is usually performed at an air-fuel ratio that is leaner than the stoichiometric air-fuel ratio. Therefore, a large amount of oxygen usually remains in the exhaust gas of the internal combustion engine 10. As is well known, when a large amount of oxygen remains in the exhaust gas, NOx cannot be purified by a three-way reaction. Therefore, in the present embodiment, NOx contained in the exhaust gas is absorbed by the
図2は、NOx触媒21にNOxが吸収される様子を示す図である。図2に示すように、NOx触媒21は、例えば、アルミナ(Al2O3)の表面に、白金Pt等の貴金属と、NOxを吸蔵可能な吸蔵材(本実施形態では、バリウムBa)とが担持された触媒成分を有している。吸蔵材としては、バリウムBaのほか、例えば、カリウムK、ナトリウムNa,リチウムLi、セシウムCsのようなアルカリ金属、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のような希土類などを用いることもできる。なお、本明細書において、「吸蔵」という用語には、「保持」、「吸着」、「吸収」等に類似するすべての概念が含まれるものとする。
FIG. 2 is a diagram illustrating a state in which NOx is absorbed by the
NOx触媒21の吸蔵材は、例えばBa(NO3)2のような硝酸塩を形成することにより、NOxを吸収する。吸蔵材は、NOxのうち、NO2,NO3あるいはN2O5を良好に吸収することができる。一方、排気ガス中に元々含まれるNOxの多くは、NO(一酸化窒素)である。NOは、そのままでは、吸蔵材に吸収させることができない。そこで、NOx触媒21では、Pt等の貴金属触媒により、排気ガス中のNOと酸素O2とを反応させてNO2に転換させ、このNO2を吸蔵材に吸収させるようにしている(図2参照)。
The storage material of the
NOx触媒21に吸蔵可能なNOxの量には限界がある。このため、本システムでは、NOx触媒21に流入する排気ガスの空燃比を一時的に理論空燃比以下とする制御を間欠的(定期的)に実行する。NOx触媒21に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比以下になると、吸蔵材からNOxが脱離し、その脱離したNOxと余剰燃料(還元剤)とが貴金属触媒を介して反応することにより、NOxがN2へと還元浄化される。
There is a limit to the amount of NOx that can be stored in the
本明細書では、上記の制御、すなわち、NOx触媒21に流入する排気ガスの空燃比を一時的に理論空燃比以下(理論空燃比に等しい場合も含む)とする運転制御を「リッチ運転」と称する。そして、NOx触媒21に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比より大きくする運転制御(すなわち通常の運転制御)を「リーン運転」と称する。
In the present specification, the above-described control, that is, the operation control for temporarily setting the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the
本実施形態において、リッチ運転を行う方法は、特に限定されないが、例えば次の何れかの方法を採用することができる。
(1)膨張行程または排気行程において燃料インジェクタ14から燃料を追加的に噴射する方法(ポスト噴射)。
(2)排気通路15に設けた排気燃料添加インジェクタ(図示せず)から排気ガス中に燃料を添加する方法(排気系燃料添加)。
(3)大量EGR(Exhaust Gas Recirculation)を行うことにより、筒内の空燃比を大幅にリッチ化させ、煤が生成しないような低温で燃焼させる方法(低温リッチ燃焼)。
In the present embodiment, the method for performing the rich operation is not particularly limited. For example, any of the following methods can be employed.
(1) A method of additionally injecting fuel from the
(2) A method of adding fuel to exhaust gas from an exhaust fuel addition injector (not shown) provided in the exhaust passage 15 (exhaust system fuel addition).
(3) A method in which the air-fuel ratio in the cylinder is greatly enriched by performing mass EGR (Exhaust Gas Recirculation), and combustion is performed at a low temperature so as not to generate soot (low temperature rich combustion).
ところで、リーン運転からリッチ運転に切り換えるべきタイミングは、例えば次のようにして判断することができる。ECU50には、内燃機関10の運転状態(エンジン回転数、負荷等)と、内燃機関10から排出されるNOxの量との関係を予め調べて作成されたマップが記憶されている。ECU50は、そのマップに基づいて算出されるNOx排出量を逐次積算することにより、NOx触媒21へのNOx流入量の積算値を算出する。その積算値が所定の閾値に到達した場合に、リッチ運転によるNOx還元を実行する必要があると判断される。なお、リッチ運転を行うタイミングの判断方法は上記に限定されるものではない。例えば、本実施形態では、NOxセンサ29で検出されるNOx濃度が所定濃度を超えた場合に、リッチ運転を実行する必要があると判断してもよい。
By the way, the timing for switching from lean operation to rich operation can be determined, for example, as follows. The
前述したように、リーン運転においてNOx触媒21にNOxを吸収させる場合と、リッチ運転においてNOx触媒21のNOxを還元させる場合との何れの場合においても、NOx触媒21中の貴金属触媒(以下「活性点」と呼ぶ場合もある)の触媒活性が必要となる。しかしながら、内燃機関10の始動直後や低負荷運転時など、排気温度が低い場合には、NOx触媒21に流入したHCが液化し易くなり、その液化したHCが活性点に吸着(付着)してしまう場合がある。この現象は、一般に「HC被毒」と呼ばれる。HC被毒が生ずると、活性点と排気ガスとの接触が阻害されるので、本来の触媒活性が得られなくなる。本来の触媒活性が得られないことを本明細書では「失活」と称する。NOx触媒21が失活すると、リーン運転時のNOx吸収や、リッチ運転時のNOx還元を効率良く行うことができず、大気中への有害成分排出量が増加してしまう。
As described above, in both cases where the
そこで、本実施形態では、NOx触媒21がHC被毒によって失活していると判定された場合には、NOx触媒21内にオゾンを供給することにより、HC被毒を解消させ、触媒活性を回復させることとした。図3は、NOx触媒21のHC被毒をオゾン添加によって回復させる場合のメカニズムを示す図である。オゾンは強い酸化力を有している。このため、NOx触媒21に供給されたオゾンは、活性点に吸着したHCと容易に反応し、そのHCを迅速且つ確実に酸化させることができる。すなわち、図3に示すように、NOx触媒21にオゾンを供給することにより、活性点に吸着したHCがオゾンによって速やかに酸化され、COやCO2あるいはH2Oとなって除去される。これにより、NOx触媒21のHC被毒が解消し、触媒活性を回復させることができる。
Therefore, in this embodiment, when it is determined that the
本発明者らは、上述したようなオゾン添加によるHC被毒回復の効果を確認するため、次のような試験を行った。
(HC被毒試験)
触媒サンプルとしては、Pt/γアルミナからなるペレット2グラムを使用した。まず、この触媒サンプルをHC被毒させるため、HCを含むモデルガスを触媒サンプルに流した。この際のガス条件は、次の通りである。
ガス総流量 : 毎分15L
ガス組成 : C3H6 1000ppm、N2 バランス
温度 : 100℃
The present inventors performed the following test in order to confirm the effect of HC poisoning recovery by adding ozone as described above.
(HC poisoning test)
As a catalyst sample, 2 grams of pellets made of Pt / γ alumina were used. First, in order to poison this catalyst sample with HC, a model gas containing HC was flowed to the catalyst sample. The gas conditions at this time are as follows.
Total gas flow: 15L / min
Gas composition: C 3 H 6 1000 ppm, N 2 balance Temperature: 100 ° C.
図4は、上記のHC被毒試験において、触媒サンプルの上流の入りガスのHC濃度と、触媒サンプルの下流の出ガスのHC濃度とを比較した図である。この図に示すように、出ガスは、入りガスと比べてHC濃度が低下している。この低下した分のHCは、触媒サンプルに吸着したことになる。このようなHC被毒試験により、触媒サンプルをHC被毒状態にした。 FIG. 4 is a diagram comparing the HC concentration of the inlet gas upstream of the catalyst sample and the HC concentration of the outlet gas downstream of the catalyst sample in the HC poisoning test. As shown in this figure, the HC concentration of the exit gas is lower than that of the entrance gas. This reduced amount of HC is adsorbed on the catalyst sample. By such an HC poisoning test, the catalyst sample was brought into an HC poisoning state.
(HC浄化性能評価試験)
次に、上記の処理によってHC被毒状態となった触媒サンプルに、HCを含むモデルガスを流し、HC浄化性能を評価した。この際のガス条件は、次の通りである。
ガス総流量 : 毎分15L
ガス組成 : C3H6 1000ppm、O2 8%、N2 バランス
温度条件: 100℃〜500℃(昇温速度毎分50℃)
(HC purification performance evaluation test)
Next, a model gas containing HC was passed through the catalyst sample that became HC poisoned by the above treatment, and the HC purification performance was evaluated. The gas conditions at this time are as follows.
Total gas flow: 15L / min
Gas composition: C 3 H 6 1000 ppm, O 2 8%, N 2 balance Temperature conditions: 100 ° C. to 500 ° C. (
上記のHC浄化性能評価試験は、2回行い、そのうちの1回は、評価開始から1分間、オゾンを1000ppmの割合で添加した。図5および図6は、その試験結果を示す図である。図5は、ガス温度と、触媒サンプル下流のHC濃度との関係を示しており、図6は、HC浄化率が50%となるときのガス温度を示している。これらの図に示すように、オゾン添加ありの場合には、オゾン添加なしの場合と比べ、低温時であっても優れたHC浄化性能が得られた。このような試験結果から、HC被毒している触媒にオゾンを供給することにより、HC被毒を確実に解消させ、本来の触媒活性を回復させることができることが明らかとなった。 The HC purification performance evaluation test was performed twice, and once, ozone was added at a rate of 1000 ppm for 1 minute from the start of the evaluation. 5 and 6 are diagrams showing the test results. FIG. 5 shows the relationship between the gas temperature and the HC concentration downstream of the catalyst sample, and FIG. 6 shows the gas temperature when the HC purification rate is 50%. As shown in these figures, in the case where ozone was added, excellent HC purification performance was obtained even at a low temperature compared to the case where ozone was not added. From such a test result, it became clear that HC poisoning can be surely eliminated and the original catalytic activity can be restored by supplying ozone to the catalyst poisoned by HC.
ところで、オゾン発生器25においてオゾンを生成させるためには、電力が必要となる。本実施形態のシステムでは、内燃機関10で発電機(図示せず)を駆動することによってバッテリー(図示せず)を充電し、そのバッテリーからオゾン発生器25へ電力が供給される。よって、オゾン発生器25での電力消費量が多くなると、内燃機関10の燃費に悪影響を及ぼす。このため、内燃機関10の燃費を改善する観点からは、オゾンを無駄なく有効に利用することが望ましい。オゾンを無駄なく有効に利用するためには、オゾンの供給が必要であるかどうか、すなわちNOx触媒21がHC被毒によって失活しているかどうかを精度良く判定することが重要となる。このような点に鑑みて、本実施形態では、NOx触媒21の下流のNOx濃度を検出するNOxセンサ29の値に基づいて、NOx触媒21が失活しているかどうかを判定することとした。
By the way, in order to generate ozone in the
図7は、内燃機関10がリーン運転とリッチ運転とを繰り返すときのNOxセンサ29の値の変化を示すグラフである。NOxセンサ29の値は、NOx触媒21の下流側のNOx濃度を表している。図7中、破線の波形は、NOx触媒21がHC被毒によって失活している場合を示し、実線の波形は、NOx触媒21が正常である場合を示す。
FIG. 7 is a graph showing a change in the value of the
リーン運転の実行中は、NOx触媒21に吸蔵されているNOxの量が次第に増加していき、限界に近づいていく。これに伴い、NOx触媒21をすり抜けるNOxの量が次第に増加していく。このため、図7に示すように、リーン運転の実行中は、NOx触媒21の下流側のNOx濃度が次第に増加していく。
During the execution of the lean operation, the amount of NOx stored in the
前述したように、内燃機関10から排出されるNOをNOx触媒21に吸収させるためには、NOx触媒21中の貴金属触媒の活性により、NOをO2と反応させ、NO2に転換することが必要である。NOx触媒21がHC被毒により失活している場合には、NOを十分にNO2に転換することができない。このため、図7に示すように、NOx触媒21が失活している場合には、正常時と比べ、NOx触媒21をすり抜けるNOxが多くなる。
As described above, in order for NO emitted from the internal combustion engine 10 to be absorbed by the
リーン運転からリッチ運転に切り換わり、NOx触媒21に還元剤が流入すると、NOx触媒21からNOxが離脱し、還元剤とNOxとが貴金属触媒を介して反応することにより、NOxが浄化される。このため、図7に示すように、貴金属触媒が活性している場合には、リッチ運転に切り換わった後、NOx触媒21の下流側のNOx濃度は急激に低下する。
When the lean operation is switched to the rich operation and the reducing agent flows into the
しかしながら、NOx触媒21がHC被毒により失活している場合には、NOx触媒21に還元剤が流入しても、NOxが還元剤と十分に反応できない。このため、図7に示すように、NOx触媒21が失活している場合には、リッチ運転時のNOx触媒21下流のNOx濃度が正常時と比べて大幅に高くなる。
However, when the
そこで、本実施形態では、リッチ運転時のNOxセンサ29の値に基づいて、NOx触媒21の失活を判定することとした。NOx触媒21が正常であるときと失活しているときとで、NOxセンサ29の値には差がある。図7に示すように、その差は、リーン運転時よりもリッチ運転時の方が大きい。したがって、リーン運転時に失活判定を行うよりも、リッチ運転時に失活判定を行う方が、判定精度をより高くすることができる。
Therefore, in this embodiment, the deactivation of the
NOx触媒21が失活していると判定された場合には、HC被毒を解消させて本来の活性を回復させるべく、NOx触媒21にオゾンを供給する。このオゾン供給は、リッチ運転時に行うよりも、リーン運転時に行うことが好ましい。リッチ運転時にオゾンを供給すると、NOx触媒21内の還元剤がオゾンによって消費されるので、NOx還元効率の低下を招くからである。
If it is determined that the
また、オゾンの供給は、リーン運転期間の中でも、リーン運転期間の後半に行うことがより好ましく、リーン運転期間の終盤に行うことが最も好ましい。そのようにすれば、オゾンの供給によって活性点に吸着したHCが除去された直後にリッチ運転が行われるので、活性点のHC吸着量が極めて少ない状態でNOx還元を行うことができる。このため、本来の媒活性をより確実に発現させることができ、特に優れたNOx還元効率が得られる。 In addition, ozone supply is more preferably performed in the latter half of the lean operation period, and most preferably in the final stage of the lean operation period. By doing so, since the rich operation is performed immediately after the HC adsorbed on the active sites is removed by the supply of ozone, NOx reduction can be performed in a state where the amount of HC adsorbed on the active sites is very small. Therefore, the original medium activity can be expressed more reliably, and particularly excellent NOx reduction efficiency can be obtained.
そこで、本実施形態では、HC被毒を回復させるためにNOx触媒21にオゾンを供給する際には、リーン運転期間の終盤にその供給を行うこととした。すなわち、本実施形態では、リッチ運転時にNOx触媒21の失活判定を実行し(図7中の矢印Aのタイミング)、NOx触媒21が失活していると判定された場合には、次のリーン運転期間の終盤(図7中の矢印Bのタイミング)においてオゾンを供給することとした。
Therefore, in this embodiment, when ozone is supplied to the
[実施の形態1における具体的処理]
図8は、上記の機能を実現するために本実施形態においてECU50が実行するルーチンのフローチャートである。図8に示すルーチンによれば、まず、リッチ運転の実行中であるかどうかが判別される(ステップ100)。本実施形態では、前述したように、リッチ運転の実行中にNOx触媒21の失活判定を行うこととしている。このため、上記ステップ100で、リッチ運転の実行中でない場合、つまりリーン運転の実行中である場合には、リッチ運転に切り換わるのを待機する。
[Specific Processing in Embodiment 1]
FIG. 8 is a flowchart of a routine executed by the
上記ステップ100で、リッチ運転の実行中であると判別された場合には、NOx触媒21の失活判定が行われる(ステップ102)。このステップ102では、まず、NOxセンサ29の値Nが読み込まれる。ECU50には、判定値N0が予め記憶されている。判定値N0は、NOx触媒21が正常である(失活していない)と判断できる上限のNOxセンサ29の値である。ステップ102では、その判定値N0と、読み込まれたセンサ値Nとが比較される。その結果、N≦N0である場合には、NOx触媒21は失活していないと判断できる。この場合には、NOx触媒21にオゾンを供給する必要はないので、オゾン供給口23からのオゾン添加が禁止される(ステップ104)。
If it is determined in
一方、上記ステップ102で、N>N0である場合には、NOx触媒21が失活していると判断できる。この場合には、NOx触媒21のHC被毒を解消させるためにオゾンを供給する必要がある。本実施形態では、前述したように、リーン運転期間の終盤にオゾンを供給する。そこで、この場合には、リーン運転に切り換わるのを待ち、更にそのリーン運転期間の終盤が到来したかどうかが判別される(ステップ106)。前述したように、本実施形態では、NOx触媒21へのNOx流入量の積算値を算出し、その積算値が所定の閾値に到達した場合に、リッチ運転を実行する。よって、ステップ106では、NOx流入量の積算値が上記閾値に近づいてきたかどうかを判別することにより、リーン運転期間の終盤の到来を判定することができる。
On the other hand, if N> N 0 in
上記ステップ106で、リーン運転期間の終盤が到来したと判定された場合には、NOx触媒21へのオゾン供給が実行される(ステップ108)。すなわち、オゾン供給口23からオゾンが添加されるように、オゾン発生器25を作動させる処理が実行される。
If it is determined in
以上説明した図8に示すルーチンの処理によれば、NOx触媒21がHC被毒により失活することを確実に抑制することができる。このため、排気ガス中の有害成分がNOx触媒21をすり抜けて大気中に排出されることを確実に抑制することができる。また、NOx触媒21の失活を精度良く判定することができ、必要と認められる場合にオゾンを供給することができる。このため、オゾンを無駄なく有効に活用することができるので、オゾン生成に消費される電力を低減でき、燃費への悪影響を最小限に抑えることができる。
According to the routine processing shown in FIG. 8 described above, it is possible to reliably suppress the
なお、本実施形態では、内燃機関10が圧縮着火式であるものとして説明したが、本発明は、火花点火式の内燃機関にも適用可能である。また、本実施形態では、NOx触媒21を対象として失活判定および活性回復処理を行う場合について説明したが、本発明で対象とする触媒はこれに限定されるものではなく、酸化触媒、三元触媒などであってもよい。また、本実施形態では、リッチ運転の実行中に失活判定を行うようにしているが、本発明では、リーン運転の実行中に失活判定を行うようにしてもよい。また、本実施形態では、オゾン発生器25により生成されたオゾンをそのまま排気ガスに添加するように構成されているが、本発明では、オゾンを予め生成、貯留しておき、その貯留されたオゾンを必要時に排気ガスに添加するようにしてもよい。また、本実施形態では、オゾン発生器25が排気ガス流路外にあるが、本発明では、この構成に限定されず、オゾン発生器が排気ガス流路内にある構成としてもよい。すなわち、排気ガス流路内において高電圧を印加することにより放電し、オゾン等を発生させるようにしてもよい。また、本実施形態では、活性酸素としてオゾンを排気ガス中に供給しているが、本発明では、オゾンに代えて、他の種類の活性酸素(例えば、O-,O2-,O2 -,O3 -,On -等で表される酸素マイナスイオン)を排気ガスに供給するようにしてもよい。
In the present embodiment, the internal combustion engine 10 is described as being of the compression ignition type, but the present invention can also be applied to a spark ignition type internal combustion engine. In the present embodiment, the case where the deactivation determination and the activity recovery process are performed on the
上述した実施の形態1においては、NOx触媒21が前記第1の発明における「触媒」に、NOxが前記第2の発明における「所定成分」に、NOxセンサ29が前記第2の発明における「検出手段」に、それぞれ相当している。また、ECU50が、上記ステップ102の処理を実行することにより前記第1および第5の発明における「失活判定手段」が、上記ステップ108の処理を実行することにより前記第1、第6および第7の発明における「活性酸素供給手段」が、リーン運転とリッチ運転(ポスト噴射、排気燃料添加または低温リッチ燃焼等)とを切り換えることにより前記第5または第6の発明における「切換手段」が、それぞれ実現されている。
In the first embodiment described above, the
実施の形態2.
次に、図9を参照して、本発明の実施の形態2について説明するが、上述した実施の形態1との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 9. The description will focus on the differences from the first embodiment described above, and the same matters will be simplified or described. Omitted.
本実施形態では、前述した実施の形態1のNOxセンサ29に代えて、排気ガス中の酸素濃度を検出可能な酸素センサが設けられているものとする。この点以外のハードウェア構成は実施の形態1と同様である。そこで、ハードウェア構成についての図示は省略し、図1中の符号29が本実施形態では酸素センサであるものとする。
In this embodiment, it is assumed that an oxygen sensor capable of detecting the oxygen concentration in the exhaust gas is provided in place of the
本実施形態は、NOx触媒21の失活を判定する方法が異なること以外は、前述した実施の形態1と同様である。本実施形態では、リッチ運転時の酸素センサ29の値に基づいて、NOx触媒21が失活しているかどうかを判定する。
The present embodiment is the same as the first embodiment described above except that the method for determining the deactivation of the
図9は、内燃機関10がリーン運転とリッチ運転とを繰り返すときの酸素センサ29の値の変化を示すグラフである。酸素センサ29の値は、NOx触媒21の下流側の酸素濃度を表している。図9中、破線のグラフは、NOx触媒21がHC被毒によって失活している場合を示し、実線のグラフは、NOx触媒21が正常である場合を示す。
FIG. 9 is a graph showing a change in the value of the
リーン運転の実行中は、理論空燃比よりリーンな排気ガスがNOx触媒21に流入する。よって、NOx触媒21から流出する排気ガスには、酸素が多く残存している。このため、図9に示すように、リーン運転の実行中は、酸素センサ29の値は高い値に維持される。
During execution of the lean operation, exhaust gas leaner than the stoichiometric air-fuel ratio flows into the
一方、リッチ運転の実行中は、理論空燃比よりリッチな排気ガス、すなわち還元剤(余剰燃料)を含んだ排気ガスがNOx触媒21に流入する。このため、排気ガス中に残存する酸素は、NOx触媒21の貴金属触媒を介して還元剤と反応することにより、ほぼ全部が消費される。よって、NOx触媒21が正常である場合(HC被毒していない場合)には、図9に示すように、リッチ運転に切り換わると、酸素センサ29の値は大幅に低下する。これに対し、HC被毒によってNOx触媒21の貴金属触媒が失活している場合には、酸素が還元剤と十分に反応しなくなり、NOx触媒21の下流に酸素が流出する。このため、図9に示すように、酸素センサ29の値は、正常時と比べて大きな値を示す。
On the other hand, during execution of the rich operation, exhaust gas richer than the stoichiometric air-fuel ratio, that is, exhaust gas containing a reducing agent (surplus fuel) flows into the
そこで、本実施形態では、リッチ運転時の酸素センサ29の値に基づいて、NOx触媒21の失活を判定することとした。本実施形態の具体的な処理は、実施の形態1とほぼ同様である。すなわち、本実施形態において、ECU50には、判定値O0が予め記憶されている。この判定値O0は、NOx触媒21が正常である(失活していない)と判断できる上限の酸素センサ29の値である。そして、本実施形態では、前述した図8に示すルーチンのステップ102に相当する箇所において、酸素センサ29の値Oが読み込まれ、読み込まれたセンサ値Oと判定値O0とが比較される。その結果、O≦O0である場合には、NOx触媒21は失活していないと判定され、O>O0である場合には、NOx触媒21は失活していると判定される。
Therefore, in this embodiment, the deactivation of the
本実施形態の具体的な処理は、上記の点以外は実施の形態1と同様であるので、これ以上の説明は省略する。上述した実施の形態2においては、酸素(O2)が前記第2の発明における「所定成分」に、酸素センサ29が前記第2の発明における「検出手段」に、それぞれ相当している。なお、本実施形態では、酸素センサ29に代えて、空燃比センサを用いることもできる。
Since the specific processing of this embodiment is the same as that of
10 内燃機関
11 吸気マニホールド
12 排気マニホールド
14 燃料インジェクタ
15 排気通路
17 サプライポンプ
18 コモンレール
19 ターボチャージャ
21 NOx触媒
22 オゾン供給ノズル
23 オゾン供給口
24 オゾン供給通路
25 オゾン発生器
26 ケーシング
28 温度センサ
29 NOxセンサ(酸素センサ)
50 ECU
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10
50 ECU
Claims (7)
前記触媒の失活判定を行う失活判定手段と、
前記失活判定手段により前記触媒が失活していると判定された場合に、前記触媒の活性を回復させるための活性酸素を前記触媒に供給する活性酸素供給手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。 An exhaust purification catalyst disposed in the exhaust passage of the internal combustion engine;
Deactivation determination means for determining deactivation of the catalyst;
Active oxygen supply means for supplying active oxygen for recovering the activity of the catalyst to the catalyst when the deactivation determination means determines that the catalyst is deactivated;
An exhaust gas purifying device for an internal combustion engine, comprising:
前記失活判定手段は、前記検出手段の検出結果に基づいて失活判定を行うことを特徴とする請求項1記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。 A detecting means for detecting a concentration of a predetermined component in the exhaust gas flowing out from the catalyst;
2. The exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the deactivation determination unit performs deactivation determination based on a detection result of the detection unit.
前記失活判定手段は、前記リッチ運転の実行中に失活判定を行うことを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。 Switching means for switching between a lean operation in which the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the catalyst is larger than the stoichiometric air-fuel ratio and a rich operation in which the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the catalyst is less than the stoichiometric air-fuel ratio;
The exhaust gas purification device for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 4, wherein the deactivation determination means performs deactivation determination during execution of the rich operation.
前記活性酸素供給手段は、前記リーン運転の実行中に前記触媒に活性酸素を供給することを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。 Switching means for switching between a lean operation in which the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the catalyst is larger than the stoichiometric air-fuel ratio and a rich operation in which the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the catalyst is less than the stoichiometric air-fuel ratio;
6. The exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the active oxygen supply means supplies active oxygen to the catalyst during execution of the lean operation.
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