JP3376954B2 - 内燃機関の排気浄化装置及びそのSOx被毒判定方法 - Google Patents
内燃機関の排気浄化装置及びそのSOx被毒判定方法Info
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Description
装置に係り、特に、排気浄化のために必要な吸蔵還元型
NOx触媒のSOx被毒判定に関する。
連して、特許第2605580号が知られている。
内に配置するとともに、SOx吸収材をNOx吸収材の上
流側排気通路に配置し、SOx吸収材とNOx吸収材との
間の排気通路からNOx吸収材をバイパスするバイパス
通路を分岐し、バイパス通路の分岐部にNOx吸収材と
バイパス通路のいずれか一方に排気ガスを流入させる切
換弁を配置し、NOx吸収材からNOxを放出すべきとき
は、排気ガスがNOx吸収材に流入する位置に切換弁を
保持するとともにSOx吸収材に流入する排気ガス中の
酸素濃度を低下させ、SOx吸収材からSOxを放出すべ
きときには排気ガスがバイパス通路に流入する位置に切
り換えるとともに、SOx吸収材に流入する排気ガスの
空燃比をリッチにする。
x吸収材のSOx被毒判定のためには、SOx被毒判定に
至るまでの走行時間、走行距離、あるいは燃料噴射量な
どからSOx被毒量を推定し、推定したSOx被毒量が所
定量を超えた時点でSOx被毒したものと見なすように
している。
装置においてNOx吸収材のSOx被毒を判定するために
用いた場合、必ずしも正確なSOx被毒判定を行えない
おそれがある。
x吸収材の再生の際にリッチな排気ガスを排出するが、
その際、切換弁でバイパス通路を選択してNOx吸収材
に排気ガスが流入するのを回避している。
Ox吸収材へと流れ、次第にNOx吸収材がSOx被毒す
ることがある。また、NOx吸収材の再生のために一時
的に排気ガスの空燃比をリッチにするリッチ・スパイク
処理を行うことがあるが、その際、リッチな排気ガスが
SOx吸収材を通過するときSOxを伴ってNOx吸収材
に流入することとなり、この結果NOx吸収材がSOx被
毒することがある。
材)を備えた排気浄化装置においては、従来の方法でS
Ox被毒を推定したのでは、その判定に正確性がなくな
る。
で、内燃機関の排気浄化装置において、NOx吸収材に
おけるSOx被毒判定をより正確に行うことを課題とす
る。
決するため、以下の手段を採った。本発明では、希薄燃
焼可能な内燃機関の排気通路に設けられた吸蔵還元型N
Ox触媒と、吸蔵還元型NOx触媒の上流側でかつ内燃機
関の近傍に設けられたSトラップ材と、吸蔵還元型NO
x触媒を迂回して、その上流側の排気ガスを前記吸蔵還
元型NOx触媒の下流側へと案内するバイパス通路と、
バイパス通路と吸蔵還元型NOx触媒への排気管路を切
り換える切換手段と、を備え、前記切換手段は、Sトラ
ップ材のSOx被毒再生処理時に前記バイパス通路を選
択するようにした内燃機関の排気浄化装置において、以
下の手段を採用した。
流側に設けられ、吸蔵還元型NOx触媒を経由した排気
ガスの空燃比を検出する空燃比センサと、吸蔵還元型N
Ox触媒にリッチな排気ガスが導入されたときの前記空
燃比センサの出力がリーンからリッチに推移する時間
(以下、出ガスリーン時間ということがある)を計測す
る出ガスリーン時間計測手段と、この出ガスリーン時間
計測手段により計測した吸蔵還元型NOx触媒の出ガス
リーン時間が所定の時間より短いときに前記吸蔵還元型
NOx触媒がSOx被毒していると判定するSOx被毒判
定手段と、を備えた。
を導入すると、吸蔵還元型NOx触媒に吸蔵されたNOx
が放出されて還元されるため、酸素が放出され、吸蔵還
元型NOx触媒の出ガスはリーンとなる。
合、出ガスの空燃比がリーンからリッチに推移する出ガ
スリーン時間は、吸蔵還元型NOx触媒に導入されるリ
ッチな入りガスの入力時間に理論上一致する。あるい
は、吸蔵還元型NOx触媒のNOx吸蔵容量に応じて放出
されるNOx量の還元時間に一致する。
化していない時にリッチな入りガスを入力したときの出
ガスリーン時間は、最大値を示すこととなる。そして、
この時間を基準して、出ガスリーン時間が短くなること
は、吸蔵還元型NOx触媒の吸蔵還元能力が劣化してい
ることを意味する。
ーン時間を出ガスリーン時間計測手段で計測し、この出
ガスリーン時間が所定の時間(必ずしも先の最大値であ
る必要はない)より短くなったとき、SOx被毒判定手
段は吸蔵還元型NOx触媒がSOx被毒したと判定する。
特にSトラップの後流に吸蔵還元型NOX触媒をバイパ
スさせるバイパス通路を設けた構成では、高温ガスをバ
イパスさせることによって触媒の熱劣化を防止すること
ができるため、判定された劣化は、熱劣化ではなく、S
Ox被毒による劣化と判断して差し支えないといえる。
還元能力自体を出ガスリーン時間という形で評価するの
で、単に走行状態や燃料噴射量から経験則的に推定する
場合に比較してより正確なSOx被毒判定を行うことが
できる。
定は、内燃機関の運転中に適宜繰り返し行われるが、前
回のSOx被毒したとの判定から今回のSOx被毒してい
るとの判定までのサイクルが所定のサイクルより小さい
時に、前記Sトラップ材もしくは切換え手段の異常であ
ると判定する異常判定手段を備えることが好適である。
SOx被毒しているとの判定までのサイクルとは、前回
のSOx被毒したとの判定時から今回のSOx被毒してい
るとの判定時までの時間的なサイクルの他、前回のSO
x被毒したとの判定時から今回のSOx被毒しているとの
判定時までの走行距離のサイクル等、両者間の間隔を示
す何らかのパラメータである。
Ox被毒する確率が高くなるということを意味する。す
なわち、Sトラップ材の機能低下、切換弁の異常等であ
ると推定できるのである。
吸収する排気浄化材であり、酸化触媒、三元触媒、NO
x触媒を利用できる。また、吸蔵還元型NOx触媒は、例
えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウム
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、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と、白金Ptの
ような貴金属とが担持されている。機関吸気通路及びN
Ox触媒上流で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NOx触媒への流入排気ガスの空燃
比と称するとき、このNOx触媒は、流入排気ガスの空
燃比がリーンのときはNOxを吸収し、流入排気ガス中
の酸素濃度が低下すると吸収したNOxを放出する。
路、切換弁を備えた排気浄化装置のSOx被毒判定を対
象にしたが、これに限らず、Sトラップ材やバイパス通
路、切換弁を備えていない排気浄化装置のSOx被毒判
定にも利用することが可能である。先に述べたように、
本発明は吸蔵還元型NOx触媒の吸蔵還元能力自体を出
ガスリーン時間という形で評価するので、より正確なS
Ox被毒判定を行うことができるからである。
に設けられた吸蔵還元型NOx触媒の下流側に設けら
れ、吸蔵還元型NOx触媒を経由した排気ガスの空燃比
を検出する空燃比センサと、吸蔵還元型NOx触媒にリ
ッチな排気ガスが導入されたときの前記空燃比センサの
出力がリーンからリッチに推移する時間を計測する出ガ
スリーン時間計測手段と、この出ガスリーン時間計測手
段により計測した吸蔵還元型NOx触媒の出ガス・リー
ン時間が所定の時間より短いときに前記吸蔵還元型NO
x触媒がSOx被毒していると判定するSOx被毒判定手
段と、を備えた内燃機関の排気浄化装置として構成する
ことができる。
の排気通路に設けられた吸蔵還元型NOx触媒を経由し
た排気ガスの空燃比を検出し、前記NOx触媒にリッチ
な排気ガスが導入されたときの前記空燃比センサの出力
がリーンからリッチに推移する時間を計測し、出ガスリ
ーン時間が所定の時間より短いときに前記吸蔵還元型N
Ox触媒がSOx被毒していると判定することを特徴とす
る吸蔵還元型NOx触媒のSOx被毒判定方法を提供す
る。
参照しつつ説明する。図1に示した例は、希薄燃焼式の
内燃機関であり、ピストン1を有するシリンダ2のヘッ
ドに燃料噴射弁3、吸気バルブ4、排気バルブ5を備え
ている。そして、排気ポートから排気ガスを排出する排
気管6に、Sトラップ材としての三元触媒7と吸蔵還元
型NOx触媒8を配置してある。また、吸蔵還元型NOx
触媒8の上流側排気管6から分岐して、吸蔵還元型NO
x触媒8を迂回して排気ガスを吸蔵還元型NOx触媒8の
下流側へと案内するバイパス通路6aが設けられてい
る。
のバイパス通路6aへの分岐点には、吸蔵還元型NOx
触媒8への排気流路と、バイパス通路6aを介して吸蔵
還元型NOx触媒8の下流側へと排気ガスを案内する排
気流路とを選択する切換手段としての切換弁25が設け
られている。
を吸気管9へと戻すEGR管10が設けられている。ま
た、11は電子制御スロットル、12は燃料ポンプ、1
3はエンジン制御用コンピュータからなる制御装置(E
CUと呼ぶ)である。また、14、15は空燃比センサ
としての酸素センサであり、排気ガスの空燃比を測定す
る空燃比センサとして機能する。酸素センサ15は吸蔵
還元型NOx触媒8からの出ガスの空燃比を測定するた
め、バイパス通路6aと排気管6との合流点よりも上流
に配置される。16はクランク角センサでありエンジン
回転数を検出する。また、図示しないが吸気管内を流れ
る吸気量を検出するエアフローメータが設けられてい
る。
に示したように内燃機関の近傍である排気マニホールド
に設けられ、機関始動時等に発生するSOxを捕捉す
る。SOx吸収材としての三元触媒7は、アルミナから
なる担体上に銅Cu、鉄Fe、マンガンMn、ニッケル
Niのような遷移金属、ナトリウムNa、チタンTiお
よびリチウムLiから選ばれた少なくとも一つを担持し
た吸収材である。
空燃比がリーンのとき、排気ガス中に含まれるSO2が
触媒の表面で酸化されつつ硫酸イオンSO4 2-の形で触
媒内に吸収されやすくなる。この場合、触媒の担体上に
白金Ptを担持させておくとSO2がSO3 2-の形で白金
Pt上に付着しやすくなり、斯くしてSO2は硫酸イオ
ンSO4 2-の形で触媒内に吸収されやすくなる。
れたSOxはNOx触媒に吸収されたNOxに比較すると
安定しているので分解しずらく、NOx放出温度よりも
高い所定の温度以上の高温にならないと十分に分解しな
い。そこで、その所定温度以上で排気ガスの空燃比をス
トイキあるいはリッチにして触媒からSOxの放出を行
う。
であり、第1と第4の気筒#1,#4が組となり、第2
と第3の気筒#2、#3が組となって、交互に駆動す
る。排気管はデュアル式であり、第1と第4の気筒#
1,#4に接続したマニホールドが第1の排気管に接続
し、第2と第3の気筒#2、#3に接続したマニホール
ドが第2の排気管に接続している。そして、第1と第4
の気筒#1,#4に接続したマニホールドと第1の排気
管との間に第1のSトラップ材7が介装され、第2と第
3の気筒#2、#3に接続したマニホールドと第2の排
気管との間に第2のSトラップ材7が介装されている。
えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウム
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、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と、白金Ptの
ような貴金属とが担持されている。機関吸気通路および
吸蔵還元型NOx触媒8上流での排気通路内に供給され
た空気および燃料(炭化水素)の比を吸蔵還元型NOx
触媒8への流入排気ガスの空燃比と称するとき、この吸
蔵還元型NOx触媒8は、流入排気ガスの空燃比がリー
ンのときはNOxを吸収し、流入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。
通路内に燃料(炭化水素)あるいは空気が供給されない
場合、流入排気ガスの空燃比は燃焼室内に供給される混
合気の空燃比に一致し、従って、この場合には、吸蔵還
元型NOx触媒8は燃焼室内に供給される混合気の空燃
比がリーンのときには、NOxを吸収し、燃焼室内に供
給される混合気中の酸素濃度が低下すると吸収したNO
xを放出・還元する。
元は、図3に示したようなメカニズムで行われると考え
られている。このメカニズムは、担体上に白金Ptおよ
びバリウムBaを担持させた場合であるが、他の貴金
属,アルカリ金属,アルカリ土類,希土類を用いても同
様のメカニズムとなる。
気ガス中の酸素濃度が大巾に増大するため、図3(A)
に示すように酸素O2 がO2 -またはO2-の形で白金Pt
の表面に付着する。次に、排気ガスに含まれるNOは、
白金Ptの表面上でO2 -またはO2-と反応し、NO2と
なる(2NO+O2 →2NO2)。
NOx触媒8のNOx吸収能力が飽和しない限り、白金P
t上で酸化されながら触媒内に吸収されて酸化バリウム
BaOと結合し、図3(A)に示されるように硝酸イオ
ンNO3 -の形で吸蔵還元型NOx触媒8内に拡散する。
このようにしてNOxが吸蔵還元型NOx触媒8内に吸収
される。
した場合は、NO2の生成量が低下し、前記反応とは逆
の反応によって、吸蔵還元型NOx触媒8内の硝酸イオ
ンNO3 -は、NO2またはNOの形で吸蔵還元型NOx触
媒8から放出される。
が低下すると、吸蔵還元型NOx触媒8から放出される
ことになる。図4に示されたように、流入排気ガスのリ
ーン度合いが低くなれば、流入排気ガス中の酸素濃度が
低下し、従って、流入排気ガスのリーン度合いを低くす
れば、たとえ流入排気ガスの空燃比がリーンであっても
吸蔵還元型NOx触媒8からNOxが放出されることとな
る。
気がストイキあるいはリッチにされて、排気ガスの空燃
比がストイキあるいはリッチになると、図4に示すよう
に多量の未燃HC,COがエンジンから排出される。こ
れら未燃HC,COは、白金Pt上の酸素O2 -またはO
2-とすぐに反応して酸化される。
るいはリッチになると、排気ガス中の酸素濃度は極度に
低下するため、吸蔵還元型NOx触媒8は、NO2または
NOを放出する。このNO2またはNOは、図3(B)
に示すように、未燃HC、COと反応して還元される。
このようにして白金Pt上のNO2またはNOが存在し
なくなると、触媒から次から次へとNO2またはNOが
放出される。従って、流入排気ガスの空燃比をリッチに
すると短時間の内に吸蔵還元型NOx触媒8からNOxが
放出される。白金Pt上のO2 -またはO2-を消費しても
未燃HC,COが残っていれば、吸蔵還元型NOx触媒
8から放出されたNOxも、エンジンから排出されたN
Oxも、この未燃HC,COによって還元される。
すれば短時間の内に吸蔵還元型NOx触媒8に吸収され
ているNOxが放出され、しかも、この放出されたNOx
が還元されるために大気中にNOxが排出されるのを阻
止することができる。
の機能を有しているので、流入排気ガスの空燃比を理論
空燃比にしても吸蔵還元型NOx触媒8から放出された
NOxが還元される。しかし、流入排気ガスの空燃比を
理論空燃比にした場合、吸蔵還元型NOx触媒8からは
NOxが徐々にしか放出されないため、吸蔵還元型NOx
触媒8に吸収されている全NOxを放出するには長い時
間を要する。
低くすればたとえ流入排気ガスの空燃比がリーンであっ
たとしても、吸蔵還元型NOx触媒8からNOxが放出さ
れる。従って、吸蔵還元型NOx触媒8からNOxを放出
させるには、流入排気ガス中の酸素濃度を低下させれば
よいこととなる。
媒8aの上流側に触媒入ガス温度センサ17が設けられ
るとともに、吸蔵還元型NOx触媒8の下流側に触媒出
ガス温度センサ18が設けられ、これらもまたそれぞれ
コンピュータからなる制御装置(ECU)13に電気的
に接続されている。
4,15、クランク角センサ16等からの情報により、
各触媒の状態ひいては内燃機関の運転状態が検出され
る。そして、これらセンサ等から入力されるデータから
内燃機関の運転状態を判定する運転状態判定手段21が
前記制御装置(ECU)13のコンピュータ上に実現さ
れている。さらに、触媒入ガス温度センサ17と触媒出
ガス温度センサ18とで検出した触媒温度状況によって
触媒の温度状態を検出する。
な排気ガスが導入されたときの前記酸素センサ15の出
力がリーンからリッチに推移する時間を計測する出ガス
リーン時間計測手段22が制御装置13上に実現されて
いる。
しているか否かの判定を行うSOx被毒判定手段23
や、排気ガスの空燃比をストイキあるいはリッチ状態と
することで吸蔵還元型NOx触媒8のSOx被毒を再生す
るSOx被毒再生制御手段24もまた制御装置(EC
U)13上に実現されている。さらに、制御装置(EC
U)上には、燃料噴射弁等を制御して、内燃機関の燃焼
状態を制御する燃焼制御手段30が実現されている。
センサ14で検出した吸蔵還元型NOx触媒8への入り
ガスの空燃比がストイキあるいはリッチになった後、酸
素センサ15で検出した吸蔵還元型NOx触媒8の出ガ
スの空燃比が、リーンからリッチに推移する時間を計測
する。これを出ガスリーン時間というが、前記SOx被
毒判定手段23はこの時間が所定の時間より短いときに
前記吸蔵還元型NOx触媒がSOx被毒していると判定す
る。出ガスリーン時間が短くなることは、NOx触媒の
還元能力が劣化したからである。
り行われた前回のSOx被毒したとの判定から今回のS
Ox被毒したとの判定までのサイクル(時間もしくは走
行距離)が所定より小さい時に、前記Sトラップ材7も
しくは切換手段としての切換弁25の異常であると判定
する異常判定手段31もまた制御装置13上に実現され
ている。以下、本排気浄化装置による排気浄化制御例を
説明する。
出される排気ガスは、Sトラップ材である三元触媒7を
通過した後、吸蔵還元型NOx触媒8を通過し、図示し
ないマフラーを経由して大気に排出される。
燃機関に近い三元触媒7に捕捉される。従って、この三
元触媒7で捕捉する限りSOxは下流側にある吸蔵還元
型NOx触媒8にはSOxは流入しない。
処理をする必要があるが、三元触媒7がSOx被毒した
か否かは、運転状態判定手段21により判定される走行
状態、燃料噴射量などから経験的に推定される。
き、SOx被毒再生制御手段24が排気ガスの空燃比を
ストイキあるいはリッチにして三元触媒7を昇温し、S
Oxを放出せしめる。
出されたSOxがそのまま下流側の吸蔵還元型NOx触媒
8に捕捉されたのでは、Sトラップ材として三元触媒7
を吸蔵還元型NOx触媒8の上流に設けた意味がない。
そこで、三元触媒7のSOx被毒再生処理時には切換弁
25がバイパス通路6aを選択することで、吸蔵還元型
NOx触媒8を迂回してSOxを含む排気ガスを排出す
る。
先に説明した原理で排気ガス中のNOxを吸蔵・還元作
用を行う。なお、NOxの放出還元のために、排気ガス
の空燃比をストイキあるいはリッチに制御するいわゆる
リッチスパイク制御が周期的に行われる。
理>SOxは先に説明したように、Sトラップ材7で捕
捉され、さらに、Sトラップ材7から放出されるときは
切換弁25が開いてバイパス通路6aから排出されるの
で、吸蔵還元型NOx触媒8はSOx被毒しないこととな
るが、これはあくまでも原則であり、なお、SOxが吸
蔵還元型NOx触媒8に付着する可能性はある。
Oxを放出還元するため、リッチスパイク制御を行うと
き、リッチな排気ガスがSトラップ材である三元触媒7
をも通過するので、その際、三元触媒7がSOxの一部
を放出する。従って、その限りにおいてSOxが吸蔵還
元型NOx触媒8に流入する。
毒再生処理を行う場合、切換弁25がバイパス通路6a
を選択するが、切換弁25からのもれで吸蔵還元型NO
x触媒にSOxを含む排気ガスが流入するおそれもある。
もSOx被毒判定を行い、SOx被毒していればSOx被
毒再生処理を行う必要がある。吸蔵還元型NOx触媒8
からNOxを放出・還元するため、リッチな空燃比の排
気ガスを導入するとき、あわせてSOx被毒判定を行
う。
時間計測手段22では、酸素センサ14で検出した吸蔵
還元型NOx触媒8への入りガスの空燃比がストイキあ
るいはリッチになった(ステップ10)後、酸素センサ
15で検出した吸蔵還元型NOx触媒8の出ガスの空燃
比が、リーンからリッチに推移する時間を計測する。こ
れを出ガスリーン時間というが、前記SOx被毒判定手
段23はこの時間が所定の時間(閾値)より短いか否か
を判定し(ステップ11)、短い場合に前記吸蔵還元型
NOx触媒8がSOx被毒していると判定する(ステップ
12)。SOx被毒していると判定された場合は、次い
で、SOx被毒再生制御が行われる(ステップ13)。
一方、出ガスリーン時間が閾値より短くない場合、前記
吸蔵還元型NOx触媒8はSOx被毒していないと判定さ
れ図5の処理が終了する。
毎に行われる。ステップ13での吸蔵還元型NOx触媒
8のSOx被毒再生処理は、SOx被毒再生制御手段24
により排気ガスの空燃比をストイキあるいはリッチにし
て吸蔵還元型NOx触媒8の温度を高温にし、SOxを焼
失せしめる。
した内燃機関は、直列の4気筒であり、第1と第4の気
筒#1,#4が組となり、第2と第3の気筒#2、#3
が組となって、交互に駆動し、第1と第4の気筒#1,
#4に接続したマニホールドに第1のSトラップ材が設
けられ、第2と第3の気筒#2、#3に接続したマニホ
ールドに第2のSトラップ材が設けられていることは先
に説明した通りである。
生制御手段24は、前記内燃機関の各気筒の内、第1と
第4の気筒#1,#4につきストイキあるいはリッチ制
御するときは、第2と第3の気筒#2、#3についてリ
ーン制御し、第2と第3の気筒#2,#3につきストイ
キあるいはリッチ制御するときは、第1と第4の気筒#
1、#4についてリーン制御するようにしてもよい。
合、ストイキ・リッチ燃焼運転の気筒から排出される残
存酸素を含む空気と、リーン燃焼運転の気筒から排出さ
れる未燃炭化水素を含む燃料とが略同時に吸蔵還元型N
Ox触媒8に供給され、この未燃炭化水素を含む燃料が
残存酸素存在の下に触媒の余熱により燃焼する。この燃
焼により発生する熱で触媒が加熱され、付着したSOx
等の浄化能力低下物質が燃焼除去される。
いで、SOx被毒再生のための触媒の昇温制御例を説明
する。この例は、筒内噴射型内燃機関での制御例であ
り、筒内噴射型内燃機関では、図6に示したように、例
えば、層状燃焼(成層燃焼)時の空燃比が25〜50、
弱成層燃焼時の空燃比が20〜30、均質リーン燃焼時
の空燃比が15〜23、均質燃焼時の空燃比が12〜1
5と設定される。
機関運転用の主たる燃料噴射とは別に、追加燃料の副噴
射を行うことで、未燃焼燃料をNOx触媒に供給制御す
る副噴射燃料制御手段と、このときの主噴射を均質リー
ンに制御する手段と、を備えている そして、SOx被毒判定手段23により前記吸蔵還元型
NOx触媒8がSOx被毒されていると判定されたとき、
副噴射燃料制御手段は、機関運転用の主たる燃料噴射と
は別に、追加燃料の副噴射を機関の膨張行程もしくは排
気行程で行い、未燃焼燃料を吸蔵還元型NOx触媒に供
給制御する。このとき、主噴射を均質リーンに制御し、
主噴射と副噴射を行ったときの排気ガスのトータルの空
燃比をストイキまたはリッチに制御する。
に、機関の運転状態を示す各種パラーメータが入力され
る。すなわち、エンジン回転数や触媒入りガス温度、触
媒出ガス温度等が入力されている。
ークプラグ近傍にのみ可燃混合気を形成し、シリンダー
内全体では超希薄な空燃比(例えば50:1)の成層燃
焼を実現する。成層燃焼を実現するため、圧縮行程で燃
料噴射弁から直接筒内へと噴射し、スパークプラグ周り
に混合気を形成する。
運転時には、吸気行程で燃料を噴射し、均質な混合気を
生成し、高出力を実現する。成層燃焼と均質燃焼と間に
は、弱成層燃焼、均質リーン燃焼の領域を実現し、成層
燃焼と均質燃焼との間のトルクのつながりをスムーズに
する。弱成層燃焼は吸気行程と圧縮行程の2回に分けて
燃料を噴射し、空燃比20〜30の弱成層燃焼状態を生
成する。均質リーンは、圧縮行程において、均質燃焼時
より少ない量の燃料を噴射して空燃比を15から23と
する。
元型NOx触媒8に吸収され、前記した原理により放出
・還元される。空燃比をリッチ側にして触媒を活性化す
るため、副噴射による追加燃料の噴射を行う。この追加
燃料の噴射により、触媒を活性化して吸収していたNO
xを放出・還元する。
るが、ディーゼルエンジンの場合は、燃焼室での燃焼が
ストイキよりもはるかにリーン域で行われるので、通常
の機関運転状態では吸蔵還元型NOx触媒8に流入する
排気ガスの空燃比は非常にリーンであり、NOxの吸収
は行われるものの、NOxの放出が行われることは殆ど
ない。従って、このような追加燃料の噴射はディーゼル
エンジンにおいても重要な技術である。
元型NOx触媒8がSOxにより被毒されていると判定し
たとき、吸蔵還元型NOx触媒の温度を上げて、空燃比
をストイキあるいはリッチにすることでSOx被毒再生
処理を行う。
燃焼形態で空燃比をリッチ側にすると、点火プラグ周り
の燃料が濃くなりすぎてスモークが発生し十分な燃焼が
できなくなる。そこで、成層燃焼のまま空燃比をストイ
キあるいはリッチにするには主噴射はそのままにして副
噴射による追加燃料を増やすことで対処しなければなら
ない。すると、副噴射での燃料量が多くなりすぎで、触
媒温度が高くなりすぎる。
て、副噴射をすることで、トータルの空燃比をストイキ
またはリッチにすることで、触媒温度を600℃以上と
し、SOx被毒した吸蔵還元型NOx触媒8を再生する。
る。まず、機関の運転状態を読み込み(ステップ10
1)、得られた情報から吸蔵還元型NOx触媒がSOx被
毒しているか否かの判定を行う(ステップ102)、S
Ox被毒していなければ、そのままルーチンを終了し、
SOx被毒していれば、今度は吸蔵還元型NOx触媒が所
定の再生温度(600℃)に達しているか否かを判定す
る(ステップ103)。所定の再生温度にすでに達して
いる場合、空燃比をストイキあるいはリッチにしてSO
x被毒の再生制御を行う(ステップ104)。ここでの
ストイキあるいはリッチ化は主噴射のみで均質燃焼状態
にして行う。
噴射での燃料噴射状態を成層燃焼状態(空燃比30)か
ら、均質リーン状態(空燃比18)にし、また、副噴射
を同時に行い、トータルの空燃比をストイキ(14.
5)にする。これにより、触媒温度が600℃に達し、
吸蔵還元型NOx触媒に吸着していたSOxを燃やし、除
去する。
係、及び、それらによるトータル空燃比、触媒温度の上
昇を図8に示す。このように、主噴射による空燃比を均
質リーンである18にして副噴射で追加燃料を補い、ト
ータル空燃比を14.5のストイキにすることで、触媒
温度を触媒再生温度である600℃に制御することがで
きる。
ってもよい。
御例を説明する。この例では、触媒温度が所定の再生温
度になるまで、主噴射と副噴射のトータルの空燃比を均
質リーンにして、触媒を600℃以上に昇温する。そし
て、触媒温度が所定の再生温度になった後に、主噴射と
副噴射のトータルの空燃比をストイキまたはリッチにす
ることで、SOx被毒した吸蔵還元型NOx触媒を再生す
る。
る。まず、機関の運転状態を読み込み(ステップ20
1)、得られた情報から吸蔵還元型NOx触媒がSOx被
毒しているか否かの判定を行う(ステップ202)、S
Ox被毒していなければ、そのままルーチンを終了し、
SOx被毒していれば、今度は吸蔵還元型NOx触媒が所
定の再生温度(600℃)に達しているか否かを判定す
る(ステップ203)。
の燃料噴射状態を成層燃焼状態(空燃比30)から、均
質リーン状態(空燃比18)にし、また、副噴射を同時
に行い、トータルの空燃比を均質リーン(空燃比16)
として、触媒温度を昇温する(ステップ204)。
ら、ステップ203で肯定判定されるので、主噴射を均
質リーン(空燃比18)とするさらに副噴射量を増や
し、トータルでの空燃比をストイキあるいはリッチにし
てSOx被毒の再生制御を行う(ステップ205)。こ
の経緯を図10に示す。
℃に達する前に、副噴射を少量行い、600℃に達した
時点でさらに副噴射の量を多くしている点である。この
ように、予め昇温してから、ストイキあるいはリッチに
制御するので、SOx被毒したNOx触媒の再生処理がよ
りスムーズに行われる。
したようにSトラップ材7を設けるとともに、Sトラッ
プ材7のSOx被毒再生制御時に切換弁25でバイパス
通路6aを選択するようにした装置では、リッチスパイ
ク処理や切換弁25の漏れに起因してNOx触媒のSOx
被毒が進行するため、その劣化サイクルは長く、SOx
被毒再生制御の頻度は非常に少ない。
換弁25の異常によりSトラップ材7から放出されるS
Oxをバイパスできない場合、NOx触媒のSOx被毒は
著しく進行し、SOx被毒判定手段23によるSOx被毒
したとの判定サイクルが短くなる。そこでこれを利用し
て、Sトラップ材7の異常や切換弁25の異常を検出す
ることができる。
制御が行われる毎に、前記SOx被毒判定手段23によ
り、吸蔵還元型NOx触媒8がSOx被毒しているか否か
が判定されるが、SOx被毒していると判定された場
合、その時点(時間、あるいは走行距離)を記憶してお
き、次回にSOx被毒していると判定された時、前回に
SOx被毒していると判定された時点から今回SOx被毒
していると判定された時までのサイクル(時間もしくは
走行距離)を演算する。
率は、機関の運転状況が変化するにせよ、平均的にみれ
ば、一定の率に保たれるはずである。従って、前回にS
Ox被毒していると判定された時点から今回SOx被毒し
ていると判定された時までのサイクル(時間もしくは走
行距離)を測定したとき、何らかの異常がない限り、そ
のサイクルは所定のサイクルより小さくならないとみら
れる。
x被毒していると判定された時点から今回SOx被毒して
いると判定された時までのサイクル(時間もしくは走行
距離)が所定のサイクルより小さい時に、前記Sトラッ
プ材もしくは切換弁25の異常であると判定する。
て、SOx被毒する率が増えるということは、Sトラッ
プ材7がSOxを吸収しえなくなり、SOxが吸蔵還元型
NOx触媒に流入してしまう場合か、Sトラップ材7の
SOx被毒再生処理時に、切換弁25が作動せず、Sト
ラップ材7から放出されたSOxがバイパス通路6aへ
と流れずに吸蔵還元型NOx触媒に流入してしまう場合
を意味する。
示しSトラップ材7や切換弁25の交換及び修理を促
す。従って、異常発見後は速やかにエミッション対策を
施すことができ、その意味で十分なエミッション保証を
与えることができる。
ないにも拘わらず、異常検出される場合、他の要因とし
て高SOx含有燃料を使用していることが推測され、そ
の意味において、異常判定手段31は高SOx含有燃料
判定手段として使用することができる。
劣化したとの判断することもできる。このようなSトラ
ップ材、切換弁25の異常診断は図5におけるステップ
12とステップ13との間において実行することができ
る。これを、図11のフローチャートに示す。図11に
示したように、ステップ12でSOx被毒していると判
定したとき、前回にSOx被毒していると判定された時
点から今回SOx被毒していると判定された時までのサ
イクル(時間もしくは走行距離)を演算し、その値が所
定の閾値より大きいか否かを判定する(ステップ12
1)。前記サイクルが閾値より大きい場合はそのままS
Ox被毒再生制御を行う(ステップ13)。一方、前記
サイクルが閾値よりが小さい場合、「Sトラップ材7も
しくは切換弁25の異常」、あるいは、「触媒8の熱劣
化」または「高SOx含有燃料を使用している」である
と判定する(ステップ122)。
機関の希薄燃焼制御を中止し、NOx等を排出しないス
トイキ燃焼(均質燃焼)を行い(ステップ123)、エ
ミッション保証をする。
ことができる。まず、あらかじめ運転状態(エンジン回
転数、車速、燃焼形態など)からSOx被毒量を推定
し、この推定したSOx被毒量からSOx被毒サイクルを
予想し、これを閾値とする。
により、吸蔵還元型NOx触媒からの出ガスの空燃比が
リーンからリッチに推移する時間を計測し、計測した出
ガスリーン時間が所定の時間より短いときに前記吸蔵還
元型NOx触媒がSOx被毒しているとSOx被毒判定手
段により判定するようにしたので、吸蔵還元型NOx触
媒の吸蔵還元能力自体が出ガスリーン時間という形で評
価でき、単に走行状態や燃料噴射量から経験則的に推定
する場合に比較してより正確なSOx被毒判定を行うこ
とができる。
路に設けられた吸蔵還元型NOx触媒と、吸蔵還元型N
Ox触媒の上流側でかつ内燃機関の近傍に設けられたS
トラップ材と、吸蔵還元型NOx触媒を迂回して、その
上流側の排気ガスを前記吸蔵還元型NOx触媒の下流側
へと案内するバイパス通路6aと、バイパス通路6aと
吸蔵還元型NOx触媒への排気管路を切り換える切換手
段と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記
SOx被毒判定手段によるSOx被毒判定において、前回
のSOx被毒したとの判定から今回のSOx被毒している
との判定までのサイクルが所定のサイクルより小さい時
に、前記Sトラップ材もしくは切換手段の異常を異常判
定手段で検出することができる。
判定した場合、燃焼制御手段は希薄燃焼制御を中止し、
均質燃焼制御とするので、異常を補修するまでの間のエ
ミッションの悪化を防止できる。
形態の概略構成図である。
部分を示した概略構成図である。
明するための図である。
COおよび酸素の濃度を概略的に示す線図である。
ト図である。
ラフ図である。
示したフローチャート図である。
媒温度との関係を示す図である。
示したフローチャート図である。
触媒温度との関係を示す図である。
行う場合の例を示したフローチャート図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に設
けられた吸蔵還元型NOx触媒と、吸蔵還元型NOx触媒
の上流側でかつ内燃機関の近傍に設けられたSトラップ
材と、吸蔵還元型NOx触媒を迂回して、その上流側の
排気ガスを前記吸蔵還元型NOx触媒の下流側へと案内
するバイパス通路と、バイパス通路と吸蔵還元型NOx
触媒への排気管路を切り換える切換手段とを備え、前記切換手段は、Sトラップ材のSOx被毒再生処理時
に前記バイパス通路を選択するようにした 内燃機関の排
気浄化装置において、 前記吸蔵還元型NOx触媒の下流側に設けられ、吸蔵還
元型NOx触媒を経由した排気ガスの空燃比を検出する
空燃比センサと、吸蔵還元型NOx触媒にリッチな排気
ガスが導入されたときの前記空燃比センサの出力がリー
ンからリッチに推移する時間を計測する出ガスリーン時
間計測手段と、この出ガスリーン時間計測手段により計
測した吸蔵還元型NOx触媒の出ガスリーン時間が所定
の時間より短いときに前記吸蔵還元型NOx触媒がSOx
被毒していると判定するSOx被毒判定手段と、を備え
た希薄燃焼式内燃機関の排気浄化装置。 - 【請求項2】 前記SOx被毒判定手段により行われた前
回のSOx被毒したとの判定から今回のSOx被毒したと
の判定までのサイクルが所定のサイクルより小さい時
に、前記Sトラップ材もしくは切換手段の異常であると
判定する異常判定手段を備えたことを特徴とする請求項
1記載の希薄燃焼式内燃機関の排気浄化装置。 - 【請求項3】 前記異常判定手段により異常であると判
定した場合、希薄燃焼制御を中止し、均質燃焼制御とす
る燃焼制御手段を備えたことを特徴とする請求項2記載
の希薄燃焼式内燃機関の排気浄化装置。
Priority Applications (1)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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JP3376954B2 true JP3376954B2 (ja) | 2003-02-17 |
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ID=14898123
Family Applications (1)
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JP12494699A Expired - Lifetime JP3376954B2 (ja) | 1999-04-30 | 1999-04-30 | 内燃機関の排気浄化装置及びそのSOx被毒判定方法 |
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JP2022049723A (ja) * | 2019-02-08 | 2022-03-30 | 株式会社デンソー | 制御装置 |
-
1999
- 1999-04-30 JP JP12494699A patent/JP3376954B2/ja not_active Expired - Lifetime
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