JP3687478B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - 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浄化装置に関し、詳しくは、リーン燃焼機関で排気中のNOxを浄化する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、HC,COの酸化とNOxの還元とを同時に行なわせる三元触媒で排気を浄化する排気浄化装置が知られている。前記三元触媒は排気空燃比が理論空燃比であれば、HC,COの酸化とNOxの還元とをバランス良く行なわせることができるが、リーン状態ではNOxの還元効率が悪くなるため、所謂リーン燃焼機関では、排気中のNOxを充分に浄化することができない。
【0003】
そこで、燃焼混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンに設定するリーン燃焼機関において、排気空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときに、排気中のNOxをトラップする一方、排気空燃比が理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチであるときに、トラップしていたNOxを還元浄化するNOx触媒を、三元触媒下流側の排気通路に備え、リーン燃焼の継続によって前記NOx触媒におけるNOxトラップ量が許容量を超えると、NOx触媒に流入する排気空燃比を一時的に理論空燃比又はリッチにして、NOx触媒にトラップしていたNOxを還元浄化して、NOxのトラップが可能な状態に再生させる排気浄化装置が知られている(特開平06−264729号公報,特開平11−062563号公報等参照)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記NOx触媒では、排気中のHC,CO,H2を還元剤として用いてNOxを還元浄化するが、NOx触媒におけるNOxの還元浄化効率は一般的に低いため、NOxを還元浄化するのに、理論上必要とされる量の数倍の還元剤が必要となる。従って、空燃比のリッチ化で必要な量の還元剤を確保しようとすると、燃費の悪化やHC排出量の増大を招くという問題があった。
【0005】
ここで、上記還元剤の中で、H2の還元力が最も強いため、NOx触媒に流入する排気中のH2濃度を増大させることができれば、NOxの還元効率を高めることができる。
【0006】
機関から排出される排気中のH2濃度は、おおよそ空燃比と水性ガス反応(数1)で決定される。
【0007】
【数1】
【0008】
上記水性ガス反応は平衡反応であり、CO,H2O濃度や温度によって生成されるH2が変化し、温度が低いほど、また、CO,H2O濃度が高いほど生成されるH2量が増加する(図6,図7参照)。
【0009】
しかし、排気通路の上流側に三元触媒を配置し、該三元触媒の下流側にNOx触媒を配置する構成において、水性ガス反応でH2を生成する場所となる三元触媒は、上流側の排気温度の高い場所に取り付けられることになるため、温度条件としては、水性ガス反応で生成されるH2量が低くなる条件となり、また、排気中のCO,H2O濃度は燃料組成や空燃比で略決定され、CO濃度を高めるため空燃比のリッチ化度合いを高めると、逆に、H2O濃度が低下することになってしまい(図8参照)、排気中のH2濃度を高めて、NOxの還元効率を向上させることが困難であった。
【0010】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、三元触媒における水性ガス反応で生成されるH2量を増加させることで、NOx触媒に流入する排気中のH2濃度を増大させ、NOxの還元効率を高めることができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
そのため、請求項1記載の発明は、三元触媒の下流側の排気通路にNOx触媒を備える内燃機関の排気浄化装置において、NOx触媒にトラップしていたNOxを還元浄化するときに、三元触媒の温度を低下させる構成とした。
【0012】
かかる構成によると、比較的排気温度の高い上流側に配置される三元触媒の温度を強制的に低下させることで、三元触媒における水性ガス反応で生成されるH2量を多くする。
【0015】
請求項2記載の発明は、三元触媒の下流側の排気通路にNOx触媒を備える内燃機関の排気浄化装置において、NOx触媒にトラップしていたNOxを還元浄化するときに、三元触媒に流入する排気中の水分濃度を高めると共に、三元触媒の温度を低下させる構成とした。
【0016】
かかる構成によると、三元触媒に流入する排気中の水分濃度が高くなることで、水性ガス反応で生成されるH2量が増加すると共に、三元触媒の温度を低下させることによっても、水性ガス反応で生成されるH2量の増加が図られる。
【0017】
請求項3記載の発明は、三元触媒の温度が上限温度以下にまで低下したことを条件に、燃焼混合気の空燃比を理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチに切換えると共に、三元触媒に流入する排気中の水分濃度を高める構成とした。
【0018】
かかる構成によると、予め三元触媒の温度を上限温度以下に低下させておき、温度条件としてH2量が多くなる条件になってから、空燃比をリッチシフトさせ、かつ、三元触媒に流入する排気中の水分濃度を高め、より多くのH2が水性ガス反応で生成されるようにする。
請求項4記載の発明は、機関の吸気通路,筒内,三元触媒の上流側の排気通路のいずれかに水を噴射する水噴射装置を備え、この水噴射装置による水の噴射によって三元触媒に流入する排気中の水分濃度を高める構成とした。
かかる構成によると、吸気通路,筒内,三元触媒上流側の排気通路のいずれかで水を噴射することで、燃焼空気,混合気,排気のいずれかに対して水が混入され、三元触媒に流入する排気中の水分濃度を高められる。
【0019】
請求項5記載の発明は、燃焼燃料に含まれる水素量を増大変化させることで、三元触媒に流入する排気中の水分濃度を高める構成とした。
かかる構成によると、燃焼燃料に含まれる水素量を、NO x を還元浄化するときに増大変化させることで、排気中の水分濃度を高める。
請求項6記載の発明は、NOx触媒にトラップしていたNOxを還元浄化するときに、三元触媒の温度が所定の活性温度を超えていれば、触媒温度を低下させる手段を作動させ、前記所定の活性温度以下になると触媒温度を低下させる手段の動作を停止させる構成とした。
【0020】
かかる構成によると、三元触媒の温度が活性温度を上回るときには、触媒温度を低下させる手段を作動させ、触媒温度が下がるようにし、活性温度以下になると触媒温度を低下させる手段の作動を停止させ、活性温度付近に制御する。
【0021】
請求項7記載の発明は、吸気通路,筒内,三元触媒上流側の排気通路のいずれかに水噴射装置を備え、この水噴射装置による水の噴射によって三元触媒の温度を低下させる構成とした。
【0022】
かかる構成によると、吸気通路,筒内,三元触媒上流側の排気通路のいずれかで水を噴射することで、燃焼空気,混合気,排気のいずれかに対して水が混入され、三元触媒入口における排気温度が低下する。
【0025】
尚、請求項4,7記載の発明において、筒内に水を噴射させる構成とするときに、全気筒について同時に水噴射を行なわせる必要はなく、一部気筒についてのみ水を噴射させたり、水噴射を行なう気筒を順番に切り換える構成としても良い。
【0026】
請求項8記載の発明は、機関の排気通路に配置された三元触媒と、該三元触媒の下流側の排気通路に介装され、流入する排気空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときにNO x をトラップする一方、流入する排気空燃比が理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチであるときに、トラップしていたNO x を脱離・還元浄化するNO x 触媒を備える内燃機関の排気浄化装置において、前記NO x 触媒にトラップしていたNO x を還元浄化するときに、燃焼燃料に含まれる水素量を増大変化させることで、前記三元触媒に流入する排気中の水分濃度を高める構成とした。かかる構成によると、燃焼燃料に含まれる水素量を、NOxを還元浄化するときに増大変化させることで排気中の水分濃度を高め、これにより三元触媒に流入する排気中の水分濃度を高くして、水性ガス反応で生成されるH 2 量を増加させる。
【0027】
尚、請求項5,8記載の発明において、燃焼燃料に含まれる水素量の増大変化は、全気筒又は一部気筒で行わせれば良く、更に、水素量の増大変化させる気筒を順番に切り換えても良い。請求項9記載の発明では、含有する水素量が相互に異なる燃料を予め個別に貯留し、これら燃料の使用割合を切り換えることで、燃焼燃料における炭素量に対する水素量の比を変化させる構成とした。
【0028】
かかる構成によると、含有する水素量が相互に異なる燃料のいずれか一方を選択的に機関に供給することで、又は、含有する水素量が相互に異なる燃料の混合割合を変化させることで、又は、含有する水素量が相互に異なる燃料を個別に噴射させるときの噴射量の割合を変化させることで、燃焼燃料に含まれる水素量を変化させる。
【0029】
請求項10記載の発明では、燃料を改質することで含有する水素量がより大きな燃料を製造する燃料改質装置を備え、該燃料改質装置で改質された燃料を使用することで、燃焼燃料に含まれる水素量を増大変化させる構成とした。
【0030】
かかる構成によると、通常に使用される燃料を燃料改質装置に供給して、含有する水素量がより大きな燃料(水素燃料を含む)を製造し、これを通常使用燃料と共に、又は、通常使用燃料に代えて、NOxを還元浄化するときに使用することで、三元触媒に流入する排気中の水分濃度を高める。
【0031】
請求項11記載の発明では、水の電気分解装置を備え、該電気分解装置で取り出された水素を使用することで、燃焼燃料に含まれる水素量を増大変化させる構成とした。
【0032】
かかる構成によると、水を電気分解することで水素を得て、この水素を通常使用燃料と共に、又は、通常使用燃料に代えて使用することで、燃焼燃料に含まれる水素量を増大変化させる。
【0033】
請求項12記載の発明では、三元触媒が、白金族の貴金属と共にセリウムCeを担持する構成とした。
かかる構成によると、三元触媒において、白金族の貴金属(白金Pt,パラジウムPd、ロジウムRhなど)と共に、水性ガス反応を促す助触媒としてセリウムCeが担持され、三元触媒の温度低下及び/又は流入排気の水分濃度が同じ条件であっても、水性ガス反応を促進させて生成されるH2量を増加させる。
【0034】
請求項13記載の発明は、三元触媒と、この三元触媒の下流側に介装されるNOx触媒と、三元触媒の温度を検出する触媒温度センサと、三元触媒の温度を低下させる触媒温度低下手段と、三元触媒に流入する排気中の水分濃度を高める水分濃度増加手段と、NOx触媒におけるNOxのトラップ量を、機関の運転条件に基づいて演算する手段と、NOxのトラップ量が基準量を超えたときに、NOxの脱離・還元処理要求を出力する手段と、前記脱離・還元処理要求が出力されているときに、三元触媒の温度が所定の活性温度を超えていれば触媒温度低下手段を作動させ、所定の活性温度以下であれば触媒温度低下手段の作動を停止させる手段と、NOxの脱離・還元処理要求が出力されていてかつ三元触媒の温度が前記所定の活性温度よりも高い上限温度以下であるときに、所定期間だけ燃焼混合気の空燃比をリッチシフトさせる手段と、燃焼混合気の空燃比をリッチシフトさせる所定期間において、水分濃度増加手段により三元触媒に流入する排気中の水分濃度を高める手段と、燃焼混合気の空燃比をリッチシフトさせる所定期間が経過した時点で、NOxの脱離・還元処理要求をキャンセルする手段と、を含んで構成される。
【0035】
かかる構成によると、NOx触媒にトラップされるNOx量が基準量を超えると、空燃比をリッチシフトさせて、NOxの脱離・還元処理(NOx触媒の再生)を行なうが、上流側の三元触媒の温度を上限温度以下に低下させ、該上限温度以下になってから空燃比をリッチシフトすると共に、三元触媒に流入する排気中の水分濃度を高める。
【0036】
【発明の効果】
請求項1記載の発明によると、NOx触媒上流の三元触媒の温度を低下させることで、三元触媒における水性ガス反応で生成されるH2量が増加し、NOx触媒でH2を還元剤として使用してNOxを効率良く浄化することができるという効果がある。
【0038】
請求項2記載の発明によると、NOx触媒上流の三元触媒の温度を低下させ、かつ、三元触媒に流入する排気中の水分濃度を増加させることで、三元触媒における水性ガス反応で生成されるH2量が増加し、NOx触媒でH2を還元剤として使用してNOxを効率良く浄化させることができるという効果がある。
【0039】
請求項3記載の発明によると、水性ガス反応によるH2生成が促進される温度条件のときに、三元触媒に流入する排気中の水分濃度を増加させることで、水分濃度の増加によるH2生成量の増大効果を、最大限に発揮させることができるという効果がある。
請求項4記載の発明によると、水の噴射によって排気中の水分濃度を高くし、三元触媒における水性ガス反応で生成されるH 2 量を多くすることができ、NO x 触媒に流入するH 2 濃度を高めてNO x の還元浄化効率を高めることができるという効果がある。
請求項5,8記載の発明によると、燃焼燃料に含まれる水素量を多くすることで、排気中の水分濃度が高くなり、これによって、三元触媒における水性ガス反応で生成されるH 2 量が多くなり、NO x 触媒に流入するH 2 濃度を高めてNO x の還元浄化効率を高めることができるという効果がある。
【0040】
請求項6記載の発明によると、三元触媒の温度を、水性ガス反応によるH2生成が促進される温度に低下させつつ、三元触媒の温度が活性温度を下回ってしまうことを回避できるという効果がある。
【0041】
請求項7記載の発明によると、水の噴射によって排気温度を低くし、以って、三元触媒の温度を、水性ガス反応によるH2生成が促進される温度に低下させることができ、NOx触媒に流入するH2濃度を高めてNOxの還元浄化効率を高めることができるという効果がある。
【0044】
請求項9記載の発明によると、含有する水素量が異なる燃料を選択的に用いることで、NOxを還元浄化する時の排気中の水分濃度を容易に高くでき、NOx触媒に流入するH2濃度を高めてNOxの還元浄化効率を高めることができるという効果がある。
【0045】
請求項10記載の発明によると、燃料の改質によって通常使用燃料から水素を多く含む燃料を製造するので、通常使用燃料のみを外部から補給させつつ、NOxを還元浄化する時に燃焼燃料の水素量を高めて、排気中の水分濃度を通常よりも高くすることができるという効果がある。
【0046】
請求項11記載の発明によると、水の電気分解で水素を得て燃料として使用するので、簡便な処理で燃焼燃料の水素量を確実に高め、排気中の水分濃度を通常よりも高くすることができるという効果がある。
【0047】
請求項12記載の発明によると、三元触媒に担持させたセリウムCeによって水性ガス反応を促進され、水性ガス反応で生成されるH2量をより効率良く増大させることができるという効果がある。
【0048】
請求項13記載の発明によると、NOx触媒にトラップされたNOx量が基準量を超え、空燃比のリッチシフトによりNOxの脱離・還元処理を行なうときに、上流側の三元触媒における水性ガス反応で生成されるH2量が、三元触媒温度の低下と、三元触媒に流入する排気の水分濃度が高められることによって多くなり、三元触媒で生成されたH2をNO x 触媒で還元剤として使用してNOxを効率良く浄化させることができるという効果がある。
【0049】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図1は実施の形態における車両用内燃機関のシステム構成図である。
【0050】
この図1に示す内燃機関1には、エアクリーナ2,吸気ダクト3,電制式スロットルチャンバー4,吸気コレクタ5,吸気マニホールド6を介して空気が吸引される。
【0051】
また、燃焼室7内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁8が各気筒毎に設けられており、筒内に吸引された空気と前記燃料噴射弁8から噴射された燃料とが混合して燃焼混合気が形成される。燃焼室7内に形成された混合気は、点火プラグ9による火花点火で着火燃焼する。
【0052】
ここで、機関の運転条件に応じて目標空燃比及び燃焼方式が切換えられるようになっており、理論空燃比(ストイキ)よりもリーンな空燃比で燃焼させるときには、圧縮行程中の噴射によって成層燃焼を行わせ、理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチな空燃比で燃焼させるときには、吸気行程中の噴射によって均質燃焼を行わせる構成となっている。
【0053】
但し、理論空燃比よりもリーンな空燃比で燃焼させる機関であれば良く、吸気ポート部に燃料を噴射させる機関であっても良い。
機関1からの燃焼排気は、排気マニホールド10,三元触媒11,排気ダクト12,NOx触媒13を介して排出される。
【0054】
前記三元触媒11は、例えばアルミナをコーティングしたハニカム担体に、白金Pt,パラジウムPd,ロジウムRh等の白金族貴金属のうちの少なくとも1成分を担持したものであり、助触媒として少なくとも水性ガス反応を促進する作用があるセリウムCeを担持させてある。
【0055】
また、前記NOx触媒13は、例えばアルミナをコーティングしたハニカム担体に、白金Pt,パラジウムPd,ロジウムRh等の白金族貴金属を担持した触媒をベースに、バリウムBaで代表されるアルカリ土類、セシウムCsで代表されるアルカリ金属から選ばれた少なくとも1つの成分を担持して構成されるものである。
【0056】
このNOx触媒13は、流入する排気空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときに排気中のNOxをトラップする一方、流入する排気空燃比が理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチであるときに、トラップしていたNOxを脱離し、排気中の還元剤(HC,CO,H2等)により還元浄化する特性を有する。
【0057】
前記燃料噴射弁8に供給する燃料を貯留する燃料タンクとして第1燃料タンク14と第2燃料タンク15との2つが備えられており、第1燃料タンク14には、通常使用するガソリン燃料が入れられ、第2燃料タンク15には前記通常使用するガソリン燃料よりも水素を多く含む燃料(炭素量に対する水素量比(モル比)が高い燃料)が入れられるようになっている。
【0058】
尚、前記第1燃料タンク14及び第2燃料タンク15に貯留される燃料は、それぞれ外部から補給される構成としても良いが、図1に示すように、通常使用燃料を、水素をより多く含む燃料に改質する燃料改質装置16を備えるようにし、該燃料改質装置16で改質された燃料を、前記第2燃料タンク15に貯留させる構成とすることができる。
【0059】
ここで、第1燃料タンク14からの燃料を導出する燃料配管14aと、第2燃料タンク15からの燃料を導出する燃料配管15aとが合流する部分に、切換え弁17が設けられ、該切換え弁17によって第1燃料タンク14と第2燃料タンク15とのいずれか一方の燃料が選択されて、燃料配管18を介して燃料噴射弁8に供給されるようになっている。
【0060】
また、水タンク20a内の水を、前記三元触媒11上流の排気通路内に噴射する水噴射装置20が設けられている。
前記電制式スロットルチャンバー4,燃料噴射弁8,点火プラグ9,切換え弁17,水噴射装置20を制御するマイクロコンピュータを内蔵するコントロールユニット30には、各種センサからの検出信号が入力される。
【0061】
前記各種センサとしては、機関1の吸入空気流量を計測するエアフローメータ31,クランク角を検出するクランク角センサ32,前記三元触媒11の温度を検出する触媒温度センサ34等が設けられ、この他、アクセルペダル33からのアクセル開度信号等が入力される。
【0062】
前記NOx触媒13は、前述のようにリーン燃焼中に排気中のNOxをトラップするが、リーン運転が継続してNOxトラップ量が飽和量を超えるようになると、排気中のNOxをトラップすることができなくなって、NOxの排出量が多くなってしまう。
【0063】
そこで、リーン燃焼中に、NOx触媒13におけるNOxトラップ量を推定し、該推定したNOxトラップ量が飽和量よりも少ない基準量を超えたときに、一時的に空燃比を理論空燃比以上にリッチシフトさせて、NOx触媒13にトラップされているNOxの脱離・還元処理を行なわせることで、NOx触媒13におけるNOxトラップ能力を再生するようになっており、以下にこのNOx触媒13の再生処理の様子を説明する。
【0064】
図2のフローチャートに示すルーチンは、リーン燃焼中に所定時間(例えば1秒)毎に実行されるようになっており、ステップS1では、NOx脱離要求フラグFDSが0であるか否かを判別する。NOx触媒13に所定以上のNOxがトラップされ、NOx触媒13からNOxを脱離させて還元処理する要求があるときに、前記NOx脱離要求フラグFDSに1がセットされるようになっている。
【0065】
前記NOx脱離要求フラグFDSが0であるときには、ステップS2へ進み、機関回転速度Ne及び機関負荷Lを検出する。
次のステップS3では、予め本ルーチンの実行周期(1秒)当たりのNOx排出量NOGを、機関回転速度Ne及び機関負荷Lに応じて記憶したマップを参照し、そのときの機関回転速度Ne及び機関負荷Lに対応するNOx排出量NOGを検索する。
【0066】
ステップS4では、前回までの累積NOxトラップ量SIGNOに、今回ステップS3で求めたNOx排出量NOGを加算して、現時点までの累積NOxトラップ量SIGNOを求める。
【0067】
上記ステップS2〜4の演算機能が、トラップ量演算手段に相当する。
ステップS5では、前記累積NOxトラップ量SIGNOと基準量SLSNOとを比較し、前記累積NOxトラップ量SIGNOが基準量SLSNOよりも多いときには、ステップS6へ進んで前記NOx脱離要求フラグFDSに1をセットする。
【0068】
上記のNOx脱離要求フラグFDSに1をセットする処理が、NOxの脱離・還元処理要求の出力に相当するので、ステップS5,6の機能が、処理要求出力手段に相当する。
【0069】
尚、前記基準量SLSNOは、NOx触媒13の飽和NOxトラップ量に基づいて予め設定される値であり、例えば、飽和NOxトラップ量の1/2程度を基準量SLSNOとする。
【0070】
前記NOx脱離要求フラグFDSに1がセットされると、NOxの脱離・還元処理(再生処理)が実行されるので、係る再生処理後に新たにNOx触媒13にトラップされたNOx量が求められるように、ステップS1でフラグFDS=1であると判別されると、ステップS7へ進んで、前記累積NOxトラップ量SIGNOをゼロリセットする。
【0071】
図3のフローチャートに示すルーチンは、所定時間(例えば10msec)毎に実行されるようになっており、ステップS11では、前記NOx脱離要求フラグFDSに1がセットされているか否かを判別する。
【0072】
フラグFDSに1がセットされている場合には、ステップS12へ進み、触媒温度センサ34で検出される三元触媒11の温度Tcatが、所定の活性温度Tkを超えているか否かを判別する。
【0073】
そして、三元触媒11の温度Tcatが所定の活性温度Tkを超えている場合には、ステップS13へ進み、前記水噴射装置20によって三元触媒11の上流側に水を噴射させることで、気化熱により三元触媒11の温度Tcatを低下させるようにする。即ち、前記水噴射装置20は、三元触媒11の温度Tcatを低下させるための触媒温度低下手段に相当する。
【0074】
尚、前記水噴射装置20が三元触媒11上流の排気通路に水を噴射する構成としたが、水を噴射させる部位を筒内又は吸気通路としても、排温の低下によって三元触媒11の温度低下を図ることができる。筒内に水を噴射させる構成の場合、全気筒に水を噴射させる構成であっても良いし、一部気筒のみに水を噴射させる構成であっても良いし、更には、水噴射を行なわせる気筒を順番に切り換える構成としても良い。また、水は連続して噴射させる構成であっても良い、間歇的に噴射させる構成であっても良い。
【0075】
一方、ステップS12で三元触媒11の温度Tcatが所定の活性温度Tk以下であると判別されたときには、ステップS14へ進み、前記水噴射装置20による水の噴射(触媒温度低下手段の作動)を停止させる。
【0076】
従って、前記NOx脱離要求フラグFDSに1がセットされた時点で、三元触媒11の温度Tcatが所定の活性温度Tkよりも高かったときには、温度Tcatが所定の活性温度Tk以下になるまで継続的に水噴射が行なわれ、所定の活性温度Tk以下になるとそれ以上の温度低下を回避するために、水噴射(触媒温度低下装置の作動)を停止させることになり(図5参照)、上記ステップS12〜14の機能が温度制御手段に相当する。
【0077】
三元触媒11の温度が低いと、図6に示すように、三元触媒11における水性ガス反応で生成されるH2濃度が高くなり、このH2を下流側のNOx触媒13に対して還元剤として供給することで、効率の良いNOxの還元処理を行なわせることができる。そこで、水を噴射させることで三元触媒11の温度を低下させるが、活性温度Tk以下になることを避ける必要があるため、温度Tcatが所定の活性温度Tk以下になると水の噴射(触媒温度低下装置の動作)を停止させるものである。
【0078】
上記のように、水の噴射は三元触媒11の温度Tcatを低下させることを目的とするものであるから、水噴射装置20に代えて公知の種々の冷却装置を触媒温度低下手段として用いることができる。例えば水噴射装置20では、三元触媒11の内部から熱を奪うが、三元触媒11の外部から熱を奪う構成であっても良く、また、水冷式・空冷式のいずれも適用することが可能で、更に、ペルチェ素子を用いた冷却装置などを用いることもできる。
【0079】
また、水の噴射量を、三元触媒11の温度Tcatが高いときほど多くし、活性温度Tk付近で少なくするようにして、早期の温度低下と、活性温度Tk付近での温度安定を図るようにしても良い。
【0080】
ステップS15では、触媒温度センサ34で検出される三元触媒11の温度Tcatが、NOxの還元処理において最低限必要とされる温度条件としての上限温度Ty(>活性温度Tk)以下であるか否かを判別する(図5参照)。
【0081】
ここで、三元触媒11の温度Tcatが上限温度Tyを超えていると判断されるときには、三元触媒11における水性ガス反応で生成されるH2濃度が要求よりも低く、効率の良いNOxの還元処理が行なえないと判断し、ステップS12以降のNOx還元処理を実行することなく本ルーチンを終了させる。
【0082】
従って、NOx脱離要求フラグFDSに1がセットされた時点での温度Tcatが、上限温度Tyを超えているときには、水の噴射による冷却で上限温度Ty以下に温度が下がるまで、NOx還元処理の実行が先送りされることになる(図5参照)。
【0083】
三元触媒11の温度Tcatが水の噴射による冷却によって上限温度Ty以下になると、ステップS16へ進み、NOx還元処理実行フラグFRSに1をセットする。
【0084】
そして、次のステップS17では、燃焼混合気の空燃比を一時的にリーンからリッチに強制シフトさせるリッチスパイク(リッチシフト手段)の実行処理を行なう。
【0085】
また、ステップS18では、燃料タンク14内の通常使用燃料が燃料噴射弁8に供給される状態から、燃料タンク15内の水素を多く含む燃料が燃料噴射弁8に供給される状態に切り換わるように、切換え弁17を制御し、リッチスパイク期間において空燃比をリッチシフトさせると共に、水素量が多い燃料を使用させる。
【0086】
燃料タンク15内の燃料は、燃料タンク14内の通常に使用される燃料よりも水素を多く含む(炭素量に対する水素量比(モル比)が高い)から、燃焼排気に含まれる水分量が、通常使用燃料(燃料タンク14内の燃料)を燃焼させたときよりも多くなり、その結果、三元触媒11に流入する排気の水分濃度が高くなる。従って、燃料タンク14内の燃料から燃料タンク15内の燃料へ切り換えて機関1に供給する切換え弁17の機能が水分濃度増加手段に相当し、ステップS18で切換え弁17を切換え制御する機能が、水分濃度制御手段に相当する。
【0087】
図7に示すように、三元触媒11の水性ガス反応で生成されるH2濃度は、三元触媒11に流入する排気の水分濃度が高いときほど高くなるので、燃料タンク15内の燃料を使用することで、多くのH2を下流側のNOx触媒13に対して還元剤として供給することができ、効率の良いNOxの還元処理を行なわせることができるものである。
【0088】
即ち、上記実施の形態では、三元触媒11の温度を低下させることで、水性ガス反応で生成されるH2濃度を高くし、かつ、水素を多く含む燃料を用いることで三元触媒11に流入する排気の水分濃度が高くして、三元触媒11における水性ガス反応で生成されるH2濃度を高くする。従って、リッチ化度合いを高めることなく、十分な還元能力を確保でき、効率の良いNOxの還元処理を、燃費悪化やHC排出量を増やすことなく実現できるものである。
【0089】
還元剤としてのCO,HCは、空燃比のリッチ化によって増加させることができるが、逆に水分量は減少するため(図8参照)、還元力が最も強いH2濃度が低く、効率的な還元処理が行なえず、燃費悪化やHC排出量を増やすことになってしまう。
【0090】
しかし、上記のように、燃焼燃料に含まれる水素量を増やすことで、排気の水分濃度を高める構成とすれば、還元力が最も強いH2濃度を増やすことができ、大きくリッチ化させることなく、充分な還元能力を発揮させることができるので、燃費悪化やHC排出量を増やすことなく、NOxの還元処理を効率良く行なえるものである。
【0091】
また、排気の水分濃度が高まることで水蒸気改質反応(数2)が促進され、水蒸気改質反応によって生成されるH2も増加する。
【0092】
【数2】
【0093】
更に、上記水分濃度の増大と共に、三元触媒11の温度を低下させることで、水分からH2を生成する水性ガス反応が促進されて、よりH2濃度を増やすことができ、更に、三元触媒11に担持させたセリウムCeが水性ガス反応を促進させて、水分からH2を効率良く生成できる。
【0094】
ここで、前記ステップS17におけるリッチスパイク処理の詳細を、図4のフローチャートに従って説明する。
図4のフローチャートは、基準クランク角Ref毎(4気筒で180°CA毎)に実行されるようになっており、ステップS171では、NOx還元処理実行フラグFRSに1がセットされているか否かを判別し、フラグFRS=1であれば、ステップS172へ進み、リッチスパイク処理の最初であるか否かを判別する。
【0095】
最初であれば、ステップS173へ進み、目標当量比TFBYAにリッチスパイクの初期値RSK(>1.0)をセットする。尚、当量比は、空気過剰率の逆数であるから、当量比=1が理論空燃比(ストイキ)、当量比>1.0がリッチ空燃比、当量比<1.0がリーン空燃比を示す。
【0096】
一方、最初でない場合には、ステップS174へ進み、前回までの目標当量比TFBYAから所定値IRSだけ減算し、ステップS174の処理を繰り返すことで、徐々に理論空燃比(目標当量比TFBYA=1.0)に近づけるようにする。
【0097】
ステップS175では、目標当量比TFBYAが1.0よりも小さい値にまで減算されたか否かを判別し、目標当量比TFBYA>1.0である間は、ステップS173又はステップS174で設定される目標当量比TFBYAに従って空燃比を制御させるようにする。
【0098】
そして、目標当量比TFBYA<1.0になると、ステップS176へ進み、前記NOx還元処理実行フラグFRS、及び、NOx脱離要求フラグFDSをゼロリセットして、目標当量比TFBYAを本来のリーン空燃比に戻すようにする。また、前記NOx脱離要求フラグFDSがゼロリセットされると、図3のフローチャートにおいて、ステップS11からステップS19,20へ進み、水噴射(触媒温度低下手段)が停止されると共に、使用燃料が通常使用燃料(燃料タンク14内の燃料)に戻される。
【0099】
従って、目標当量比TFBYAに初期値RSKをセットしてから基準クランク角Ref毎に所定値IRSだけ減算していって、目標当量比TFBYAが1.0になるまでの期間が、リッチシフト期間となり、ステップS171〜174の機能がリッチシフト手段に相当する。また、前記フラグFRS及びフラグFDSをゼロリセットするステップS176が処理要求キャンセル手段に相当する。
【0100】
尚、燃料タンク14内の燃料から燃料タンク15内の燃料へとオン・オフ的に切り換える構成ではなく、燃料タンク14内の燃料と燃料タンク15内の燃料との混合割合を変化させる構成とし、リッチスパイクが実行される間において燃料タンク15内の燃料の割合を増加させる構成としても良い。
【0101】
また、燃料タンク14内の燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃料タンク15内の燃料を噴射する燃料噴射弁とを個別に備えるようにし、燃料を噴射させる噴射弁の切り換えによって、燃焼燃料における水素量を変化させる構成としても良い。
【0102】
更に、上記のように各タンク毎に専用の噴射弁を備える構成において、要求燃料量を、2つの燃料噴射弁で分担して噴射させるようにし、分担率の変化によって燃焼燃料における水素量を変化させる構成とすることもできる。
【0103】
ところで、上記実施の形態のように、三元触媒11の温度を低下させるために上流に水を噴射させる構成の場合、噴射された水は温度低下に寄与すると共に、三元触媒11に流入する排気の水分濃度を高くする役目も果たし、水噴射装置20は触媒温度低下手段であると共に水分濃度増加手段であると見なすことができ、燃料の切り換えを行なわずに、水噴射装置20による水噴射のみを行なわせる構成としても、触媒温度低下手段及び水分濃度増加手段が備えられることになる。
【0104】
しかし、水噴射は前述のように三元触媒11の温度が活性温度Tkを下回ると停止されることになるため、水噴射の停止後は、水噴射による水分濃度の増大効果が得られなくなる。
【0105】
水噴射による水分濃度の増大効果をリッチスパイク中に継続的に得る方法としては、上限温度Tyにまで低下した後に、噴射させる水の量を減らして温度低下の勾配を緩くし、還元処理中に水噴射を継続しても活性温度Tkを下回ることがないようにしたり、三元触媒11の温度が活性温度Tkにまで低下した後も、三元触媒11の温度に影響を与えない程度の量(又は間隔)で水を噴射し続けるようにしたり、また、リッチスパイクの開始温度である上限温度Tyを高めに設定して、リッチスパイク中に活性温度Tkにまで低下しないようにする方法などがある。
【0106】
また、上記燃料の切り換え(又は使用割合の変化)によって排気中の水分濃度を変化させる構成に代えて、アルコールやガソリンの改質によって水素を取り出す改質装置を備えるようにし、該改質装置で生成した水素や改質途中の水素にCO等が混ざった燃料を、リッチスパイク時に通常使用燃料と共に又は通常使用燃料に代えて使用することで、リッチスパイク中の燃焼燃料に含まれる水素量を増やして、排気に含まれる水分量を増大させる構成とすることもでき、この場合、アルコールやガソリンから水素を取り出す改質装置が水分濃度増加手段に相当することになる。
【0107】
また、水を電気分解して水素を取り出す電気分解装置を備えるようにし、この電気分解で得られた水素を、リッチスパイク時に通常使用燃料と共に又は通常使用燃料に代えて使用することで、排気に含まれる水分量を増大させる構成とすることもでき、この場合、水素を電気分解する電気分解装置が水分濃度増加手段に相当することになる。
【0108】
尚、燃焼燃料の水素量の増大変化は、全気筒について行なわせても良いし、また、一部気筒に限定して行なわせても良いし、更には、水素量を増大させる気筒を順番に切り換える構成としても良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態における内燃機関のシステム構成図。
【図2】実施の形態におけるNOxトラップ量の推定演算を示すフローチャート。
【図3】実施の形態における触媒再生時の制御を示すフローチャート。
【図4】実施の形態におけるリッチスパイク処理を示すフローチャート。
【図5】実施の形態における触媒再生時の制御特性を示すタイムチャート。
【図6】三元触媒の温度と水性ガス反応で生成されるH2濃度との相関を示す線図。
【図7】三元触媒に流入する排気の水分濃度と水性ガス反応で生成されるH2濃度との相関を示す線図。
【図8】空燃比と水分濃度、CO濃度との相関を示す線図。
【符号の説明】
1…内燃機関
8…燃料噴射弁
11…三元触媒
13…NOx触媒
14…第1燃料タンク
15…第2燃料タンク
16…燃料改質装置
17…切換え弁
20…水噴射装置
30…コントロールユニット
34…触媒温度センサ
Claims (13)
- 機関の排気通路に配置された三元触媒と、該三元触媒の下流側の排気通路に介装され、流入する排気空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときにNOxをトラップする一方、流入する排気空燃比が理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチであるときに、トラップしていたNOxを脱離・還元浄化するNOx触媒を備える内燃機関の排気浄化装置において、前記NOx触媒にトラップしていたNOxを還元浄化するときに、前記三元触媒の温度を低下させることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
- 機関の排気通路に配置された三元触媒と、該三元触媒の下流側の排気通路に介装され、流入する排気空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときにNOxをトラップする一方、流入する排気空燃比が理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチであるときに、トラップしていたNOxを脱離・還元浄化するNOx触媒を備える内燃機関の排気浄化装置において、前記NOx触媒にトラップしていたNOxを還元浄化するときに、前記三元触媒に流入する排気中の水分濃度を高めると共に、前記三元触媒の温度を低下させることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
- 前記三元触媒の温度が上限温度以下であることを条件に、燃焼混合気の空燃比を理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチに切換えると共に、前記三元触媒に流入する排気中の水分濃度を高めることを特徴とする請求項2記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記機関の吸気通路,筒内,前記三元触媒の上流側の排気通路のいずれかに水を噴射する水噴射装置を備え、該水噴射装置による水の噴射によって前記三元触媒に流入する排気中の水分濃度を高めることを特徴とする請求項2又は3記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 燃焼燃料に含まれる水素量を増大変化させることで、前記三元触媒に流入する排気中の水分濃度を高めることを特徴とする請求項2又は3記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記三元触媒の温度が所定の活性温度を超えるときに、触媒温度を低下させる手段を作動させ、前記所定の活性温度以下であるときに触媒温度を低下させる手段の動作を停止させることを特徴とする1〜5のいずれか1つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記機関の吸気通路,筒内,前記三元触媒の上流側の排気通路のいずれかに水を噴射する水噴射装置を備え、該水噴射装置による水の噴射によって前記三元触媒の温度を低下させることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 機関の排気通路に配置された三元触媒と、該三元触媒の下流側の排気通路に介装され、流入する排気空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときにNO x をトラップする一方、流入する排気空燃比が理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチであるときに、トラップしていたNO x を脱離・還元浄化するNO x 触媒を備える内燃機関の排気浄化装置において、前記NO x 触媒にトラップしていたNO x を還元浄化するときに、燃焼燃料に含まれる水素量を増大変化させることで、前記三元触媒に流入する排気中の水分濃度を高めることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
- 含有する水素量が相互に異なる燃料を予め個別に貯留し、これら燃料の使用割合を切り換えることで、燃焼燃料における炭素量に対する水素量の比を変化させることを特徴とする請求項5又は8記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 燃料を改質することで含有する水素量がより大きな燃料を製造する燃料改質装置を備え、該燃料改質装置で改質された燃料を使用することで、燃焼燃料に含まれる水素量を増大変化させることを特徴とする請求項5又は8記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 水の電気分解装置を備え、該電気分解装置で取り出された水素を使用することで、燃焼燃料に含まれる水素量を増大変化させることを特徴とする請求項5又は8記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記三元触媒が、白金族の貴金属と共にセリウムCeを担持することを特徴とする請求項1〜11のいずれか1つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 機関の排気通路に配置された三元触媒と、該三元触媒の下流側の排気通路に介装され、流入する排気空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときにNOxをトラップする一方、流入する排気空燃比が理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチであるときに、トラップしていたNOxを脱離・還元浄化するNOx触媒と、前記三元触媒の温度を検出する触媒温度センサと、前記三元触媒の温度を低下させる触媒温度低下手段と、前記三元触媒に流入する排気中の水分濃度を高める水分濃度増加手段と、前記NOx触媒におけるNOxのトラップ量を、機関の運転条件に基づいて演算するトラップ量演算手段と、該トラップ量演算手段で演算されたNOxのトラップ量が基準量を超えたときに、NOxの脱離・還元処理要求を出力する処理要求出力手段と、前記NOxの脱離・還元処理要求が出力されているときに、前記触媒温度センサで検出される前記三元触媒の温度が所定の活性温度を超えていれば、前記触媒温度低下手段を作動させ、前記所定の活性温度以下であれば、前記触媒温度低下手段の作動を停止させる温度制御手段と、前記NOxの脱離・還元処理要求が出力されていてかつ前記触媒温度センサで検出される前記三元触媒の温度が前記所定の活性温度よりも高い上限温度以下であるときに、所定期間だけ燃焼混合気の空燃比をリッチシフトさせるリッチシフト手段と、前記リッチシフト手段により燃焼混合気の空燃比をリッチシフトさせる前記所定期間において、前記水分濃度増加手段により前記三元触媒に流入する排気中の水分濃度を高める水分濃度制御手段と、前記リッチシフト手段により燃焼混合気の空燃比をリッチシフトさせる前記所定期間が経過した時点で、前記NOxの脱離・還元処理要求をキャンセルする処理要求キャンセル手段と、を含んで構成されたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
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