JP3633365B2 - 排気ガス浄化装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気ガス浄化装置の改良に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種の排気ガス浄化装置として、例えば特開平7−119444号に開示されたものがある。
【0003】
これについて説明すると、エンジンの排気管にNOx触媒が設けられ、このNOx触媒より排ガス上流側の排気管に炭化水素系液体をNOx触媒に向けて噴射可能な噴射ノズルが設けられる。液体は炭化水素系液体供給手段により噴射ノズルに供給される。NOx触媒より排ガス下流側の排気管にディーゼルパーティキュレートフィルタ(以下、DPFという。)が設けられ、NOx触媒での還元反応による発熱を利用してDPF入口における排ガス温度を上昇させ、DPFに補集されていた排気微粒子を燃焼させている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の排気ガス浄化装置にあっては、燃料中の硫黄分が十分に低く(100ppm以下)ないと、NOx触媒での反応熱によってDPFに堆積した排気微粒子を燃焼させることはできない。これは、NOx触媒に硫黄が堆積すると、反応が効率良く行われず、反応熱が低下するためである。
【0005】
さらに、硫黄濃度の低い燃料を用いても、長期間のうちに触媒に硫黄が堆積して触媒の活性が低下する。このため、DPFに堆積した排気微粒子を燃焼することができなくなり、最悪の場合、DPFが破損するという問題が生じる。また、触媒入口から炭化水素を供給することで触媒の再生を行おうとしても、触媒入口部分の温度はほとんど上昇しないことから、図3に示されるように硫黄が多く堆積する触媒入口はほとんど再生されないという問題が考えられる。
【0006】
本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、触媒に堆積した硫黄分を検知、除去することで触媒の活性や窒素酸化物の吸収性能が高い状態に維持し、その反応熱により下流のパーティキュレートフィルタに堆積した排気微粒子を効率よく除去し、またパーティキュレートフィルタの破損を防止することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
第1の発明は、内燃機関の排気管に設置され、排気ガス中のNOをNO2に酸化する機能を有するが、硫黄の堆積によってNOからNO2への転換率が低下する触媒と、この触媒の下流に設けられたパーティキュレートフィルタとを備え、前記触媒で生成されたNO2を前記パティキュレートフィルタに堆積していた排気微粒子で還元する排気ガス浄化装置において、内燃機関の排圧を検出する排圧センサと、この排圧センサで検出された排圧に基づいて前記触媒に堆積した硫黄を除去するかどうかを判定する堆積硫黄除去判定手段と、前記堆積硫黄除去判定手段により硫黄を除去することが判定されたときに、前記触媒の入口排温を所定温度以上に上昇させることで前記触媒に堆積した硫黄を除去する堆積硫黄除去手段とを備えた。
【0008】
第2の発明は、第1の発明において、前記堆積硫黄除去判定手段は、所定の運転状態における排圧が所定値よりも高いときに硫黄の除去を判定するものとした。
【0011】
第3の発明は、第1または2の発明において、堆積硫黄除去手段は、燃料を排気行程で噴射して触媒入口の排温を上昇させることものとした。
【0012】
第4の発明は、第3の発明において、堆積硫黄除去手段は、触媒入口の排温を450℃以上に高めるものとした。
【0013】
第5の発明は、第1から4のいずれか一つの発明において、前記堆積硫黄除去判定手段は、内燃機関の運転履歴と前記排圧とに基づいて前記触媒に堆積した硫黄を除去するか否かを判定するものとした。
【0014】
第6の発明は、第5の発明において、排圧が、内燃機関のオイル消費量に基づいて補正されることとした。
第7の発明は、前記触媒の硫黄被毒が除去された状態で前記排圧センサの検出値が目標値を超えている場合に、前記触媒の入口排温を前記所定温度より高い温度に上昇させて前記パティキュレートフィルタに堆積している排気微粒子を燃焼除去するものとした。
【0015】
【発明の作用および効果】
第1の発明によれば、触媒に対する硫黄の堆積を判断し、堆積量が所定値を越えたときなど、堆積硫黄除去手段により、例えば排温を上昇させて硫黄に硫黄被毒した触媒を再生させる。このため、触媒は常に酸化活性や窒化物の吸収性能が高い状態を維持することができる。したがって、触媒の下流のパーティキュレートフイルタに排気微粒子が堆積しても、この触媒の反応熱により燃焼除去することができる。
【0016】
第2の発明では、触媒に対する硫黄の堆積量を簡単かつ精度よくに推定することができる。
【0019】
第3、4の発明では、燃料の後噴射により排温を上昇し、触媒入口の排温を450℃以上に高めるので、硫黄に被毒した触媒を確実に再生することができる。
【0020】
第6の発明では、堆積硫黄量検出手段は、内燃機関の運転履歴と排圧とから硫黄の堆積量を検知し、また排圧が内燃機関のオイル消費量に基づいて補正されるので、触媒に堆積した硫黄量を精度よく検出できる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【0022】
図1に示す第1の実施形態を示す。
【0023】
エンジン本体1は燃焼室に燃料を噴射するコモンレール式噴射装置2を備え、このコモンレール式燃料噴射装置2は所定の値に制御された高圧の燃料を蓄えるコモンレール2aと、このコモンレール2aからの燃料を噴射する燃料噴射弁2bとから構成される。
【0024】
エンジン本体1の排気マニホールド3に繋がる排気管4には、排気を浄化する酸化触媒5が設けられている。酸化触媒5は貴金属系(Pt、Pd、Rh等)の触媒を使用しており、DPF6はコーディライトの目封じトラップやセラミック繊維を中空円筒状に成形したものが相応しい。また、酸化触媒5の下流側にはパーティキュレートを捕獲するDPF6が介装される。
【0025】
前記コモンレール式燃料噴射装置2を制御するためのコントローラ9が設けられ、コントローラ9には図示しないエンジン回転数センサ、アクセル開度センサからの信号に基づき燃料噴射量、噴射時期を制御する。また、コントローラ9には酸化触媒5の上流側の排圧センサ7と、酸化触媒5の入口の排温を測定する温度センサ8からの信号が入力し、運転履歴とこれら排圧、排温に基づいて酸化触媒5に堆積された硫黄量を推定し、これが所定値に達したときに燃料を排気行程で噴射させ、排温を上昇させ、硫黄を燃焼除去するようになっている。
【0026】
コントローラ9で実行される本発明の制御内容について図2に示すフローチャートに基づいて詳しく説明する。
【0027】
まずステップ1では、図示されないクランク角センサやアクセル開度センサ等の運転状態を検出する。ステップ2で触媒入口での排温が250〜500℃で所定時間以上連続して運転された後の所定の運転状態、たとえばアイドリングにあるとき、酸化触媒5の上流に介装された排圧センサ7による排圧を目標値と比較し、触媒が硫黄に被毒されているか判定する。排圧は運転状態により変化するので、正確を期すため、アイドリングなど一定の運転条件での排圧を目標値と比較する。
【0028】
なお、判定に当たってはDPF6に堆積される、加熱によっても除去できないオイルアッシュ(Ca、Mgが主成分)による圧力損失とエンジン1の運転履歴(例えばエンジン回転数の積算、エンジンオイルの消費量や車両の走行距離)との関係(例えば図6に示されるような関係)に基づき、硫黄被毒判定の排圧を補正することで、より正確に硫黄被毒を判定できる。
【0029】
もし酸化触媒5に堆積した硫黄が所定値以上であると判定されたときは、ステップ3で硫黄被毒した酸化触媒5を加熱・再生する。
【0030】
硫黄被毒した酸化触媒5を再生するためには、触媒入口の排温を450℃以上に加熱する必要があるが、本発明では、堆積硫黄除去手段として、コモンレール式噴射装置2を用いて、エンジン本体1の排気行程(主噴射終了後50〜90°CA)に燃料を噴射させ、この後噴射によって排温を上昇させる。このため運転性を悪化させることなく、触媒を一気に再生することができる。また、排気絞り、吸気絞り、噴射時期遅角やコモンレール式以外の噴射装置による後噴射でも同様の効果が得られる。
【0031】
また、ステップ4では、DPF6の排気微粒子強制除去の必要性を判定し、ステップ5で、強制除去する。
【0032】
酸化触媒5の硫黄が除去され、または硫黄の堆積が無いことが判定された後において、触媒入口での排温が250℃以下の運転条件を所定時間以上持続した後に、排圧センサの検出値が目標値を越えている場合には、DPF6に排気微粒子が堆積しているものと判断し、排気微粒子が自己燃焼する温度、すなわち酸化触媒5の入口での排温を500℃以上に上昇させて、DPF6を強制的に再生する必要があると判定する。
【0033】
この場合には、ステップ5に進み、燃料の後噴射などにより排温を上昇させ、DPFに堆積した排気微粒子を燃焼除去し、排圧上昇による運転性の悪化と燃費の悪化、あるいはDPF6に過堆積した排気微粒子が燃焼することによるDPF6の溶損を未然に防止する。
【0034】
次に作用について説明する。
【0035】
エンジン本体1が中回転中負荷以上の排温の比較的高い運転領域にあるとき、酸化触媒5に流入する排気ガス中のNOが酸化反応によってNO2に変化する。その反応の酸化熱によってDPF6に堆積した排気微粒子が燃焼する。またDPF6に堆積した排気微粒子を還元剤としてDPF6に流入したNO2の一部はN2に還元される。
【0036】
しかしながら酸化触媒5の酸化活性は酸化触媒5に堆積した硫黄によって、図4に示すようにNOからNO2への転化率が著しく低下する。すなわちNOからNO2への酸化反応が起きにくくなり、この場合には、反応熱によりDPF6に堆積した排気微粒子を燃焼できず、排気微粒子の堆積を助長することになる。排気微粒子が堆積すると排圧が上昇し、運転性が悪化したり、DPF6に過堆積した排気微粒子が一気に燃焼し、DPF6を溶損させるといった恐れがある。
【0037】
そこで、本発明では、図5にも示すように酸化触媒5に堆積した硫黄が高温で加熱することで除去できることを利用し、所定の運転条件下での排圧が所定値を越えたときには、酸化触媒5に所定量以上の硫黄を被毒しているものと判断した場合には、排気行程に燃料を噴射し、強制的に排気ガスの温度を上昇させ、酸化触媒5を高温に加熱して、堆積した硫黄を除去している。
【0038】
このようにして酸化触媒5が再生すると、酸化触媒5の反応が活発になり、その反応熱により下流側排気温度を高め、DPF6に堆積している排気微粒子を燃焼除去することが可能となる。
【0039】
なお、酸化触媒5が適正に機能しているにもかかわらず、DPF6の排気微粒子が燃焼除去できないようなときは、強制的に排温を上昇させるので、フェールセーフにより排気微粒子の確実な除去がなされる。
【0040】
図8には第2の実施形態が示されている。
【0041】
第2の実施形態の特徴は、第1の実施形態に対して、酸化触媒5の上流に、さらに希土類(例えばLa、Ba、Ce等)を貴金属系の触媒に混入したNOx触媒10を備えたことである。
【0042】
第2の実施形態の制御内容を図9に示すフローチャートを用いて説明する。
【0043】
ステップ11は、ステップ1同様に運転状態検出手段を用いて、エンジン本体1の運転状態を検出する。
【0044】
ステップ12では、NOx触媒9へ還元剤を供給するかどうかを判定する。NOx触媒入口の排温が吸収したNOxを放出する温度(例えば350℃以上)でかつNOxを還元可能な温度(例えば500℃以下)の場合には還元剤を供給することにより、NOxの放出と還元を実行するのである。
【0045】
この判定が行われると、ステップ13で燃料を後噴射(例えば排気行程の150°ATDC〜210°ATDC)し、還元剤となるHCを供給する。
【0046】
ステップ14以降の制御内容については、第1の実施形態のステップ2以降と同様である。
【0047】
このような構成としたので、NOx触媒入口での排温が300℃以下であれば、NOx触媒10はNOxを触媒に吸収し、排温が350℃以上になるとNOxを放出する。NOxが放出される際に、燃料の後噴射で還元剤を供給することで、放出したNOxを還元浄化することができる。
【0048】
またDPF6に堆積した排気微粒子は、NOx触媒10で吸収・浄化されなかったNOまたは触媒より放出されたNOの酸化による反応熱で燃焼されるが、NOx触媒10のNOx吸収作用は、酸化触媒5と同様に硫黄によって大きく影響される。
【0049】
NOx触媒10に硫黄が堆積されると、図7に示されるように吸収されるNOx量が減少し、低い排温の時に排出されるNOxを浄化することが困難になる。つまりNOx触媒10に堆積する硫黄が所定値を越え、排圧が上昇して目標値を超えるようなときは、第1の実施形態同様に排温を上昇させ、NOx触媒10に堆積した硫黄を除去することで、その再生を図るのである。
【0050】
なお、この場合、酸化触媒5が同じように硫黄で被毒した状態になれば、やはり排圧が上昇するので、その加熱再生を同様にして行うことになる。
【0051】
なお、本発明の実施形態では、触媒とDPF6を別体としたが、DPF6に直接貴金属を坦持したものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態を示す構成図。
【図2】第1の実施形態を説明するフローチャート。
【図3】触媒の位置による硫黄堆積量の相違を示す図。
【図4】硫黄被毒とNO酸化活性の関係を示す図。
【図5】触媒再生による硫黄堆積量の変化を示す図。
【図6】オイルアッシュ堆積によるDPF圧力損失の変化を示す図。
【図7】硫黄堆積量とNOx吸収量の関係を示す図。
【図8】第2の実施形態を示す構成図。
【図9】第2の実施形態を説明するフローチャート。
【符号の説明】
1 エンジン本体
2 コモンレール式噴射装置
3 排気マニフォールド
4 排気管
5 酸化触媒
6 DPF
7 排圧センサ
8 温度センサ
9 コントローラ
10 NOx触媒
Claims (7)
- 内燃機関の排気管に設置され、排気ガス中のNOをNO2に酸化する機能を有するが、硫黄の堆積によってNOからNO2への転換率が低下する触媒と、
この触媒の下流に設けられたパーティキュレートフィルタと
を備え、前記触媒で生成されたNO2を前記パティキュレートフィルタに堆積していた排気微粒子で還元する排気ガス浄化装置において、
内燃機関の排圧を検出する排圧センサと、
この排圧センサで検出された排圧に基づいて前記触媒に堆積した硫黄を除去するかどうかを判定する堆積硫黄除去判定手段と、
前記堆積硫黄除去判定手段により硫黄を除去することが判定されたときに、前記触媒の入口排温を所定温度以上に上昇させることで前記触媒に堆積した硫黄を除去する堆積硫黄除去手段と
を備えたことを特徴とする排気ガス浄化装置。 - 前記堆積硫黄除去判定手段は、所定の運転状態における排圧が所定値よりも高いときに硫黄の除去を判定する
ことを特徴とする請求項1に記載の排気ガス浄化装置。 - 前記堆積硫黄除去手段は、燃料を排気行程で噴射して触媒入口の排温を上昇させる
ことを特徴とする請求項1または2に記載の排気ガス浄化装置。 - 前記堆積硫黄除去手段は、触媒入口の排温を450℃以上に高める
ことを特徴とする請求項3に記載の排気ガス浄化装置。 - 前記堆積硫黄除去判定手段は、内燃機関の運転履歴と前記排圧とに基づいて前記触媒に堆積した硫黄を除去するか否かを判定する
ことを特徴とする請求項1から4のいずれか一つに記載の排気ガス浄化装置。 - 前記排圧が、内燃機関のオイル消費量に基づいて補正される
ことを特徴とする請求項5に記載の排気ガス浄化装置。 - 前記触媒の硫黄被毒が除去された状態で前記排圧センサの検出値が目標値を超えている場合に、前記触媒の入口排温を前記所定温度より高い温度に上昇させて前記パティキュレートフィルタに堆積している排気微粒子を燃焼除去する
ことを特徴とする請求項1から6のいずれか一つに記載の排気ガス浄化装置。
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