JP3744220B2

JP3744220B2 - エンジンの排気ガス浄化装置

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Publication number: JP3744220B2
Application number: JP23705898A
Authority: JP
Inventors: 智明齊藤; 貴弘黒川; 保幸寺沢; 浩村上
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1998-08-24
Filing date: 1998-08-24
Publication date: 2006-02-08
Anticipated expiration: 2018-08-24
Also published as: JP2000064831A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの排気ガス浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、エンジンにおいては、燃料の燃焼によって生じる排気ガス（燃焼ガス）中に、ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）等の大気汚染物質が含まれている。このため、排気ガスを大気中に排出する排気通路には、排気ガス中の大気汚染物質を浄化するために、排気ガス浄化触媒を用いた触媒コンバータが設けられが、かかる排気ガス浄化触媒としては、従来より、ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを一括して浄化することができる三元触媒が広く用いられている。この三元触媒は、ＨＣ及びＣＯを酸化して無害なＨ₂Ｏ（水）又はＣＯ₂（二酸化炭素）に変化させるとともに、ＨＣの一部を還元剤として利用してＮＯｘを還元して無害なＮ₂（窒素）に変化させる。ここで、ＮＯｘを三元触媒で有効に浄化するには、還元反応を促進するために、排気ガス中のＯ₂（酸素）濃度を比較的低くする必要がある。
【０００３】
ところで、近年、燃費性能が高いことから、小型自動車用エンジンとしてディーゼルエンジンが普及しつつあるが、ディーゼルエンジンの場合は、通常、Ｏ₂過剰雰囲気下で燃料の燃焼が行われるので、排気ガス中のＯ₂濃度が比較的高くなる（例えば、１０％以上）。また、自動車用ガソリンエンジンにおいても、近年、燃費性能を高めるために、低負荷時には混合気の空燃比を理論空燃比よりもかなりリーン（例えば、空燃比Ａ／Ｆが２２以上）に設定する（リーンバーンを行う）ようにしたリーンバーンエンジンが広く用いられているが、かかるリーンバーンエンジンにおいてリーンバーンが行われる場合も、排気ガス中のＯ₂濃度が比較的高くなる（例えば、４％以上）。このため、ディーゼルエンジンあるいはリーンバーンエンジンにおいて、排気ガス浄化触媒として三元触媒を用いたのでは、ＮＯｘを十分には浄化することができないといった問題がある。
【０００４】
そこで、近年、ディーゼルエンジンあるいはリーンバーンエンジンにおいて、ＨＣ及びＣＯを浄化する触媒コンバータに加えて、とくにＮＯｘの浄化性能に優れた触媒コンバータを設けた排気ガス浄化装置が提案されている。例えば、本願出願人は、特願平１０−８４８２０号明細書中で、とくに酸素過剰雰囲気でＮＯｘを浄化するための触媒コンバータとして、排気ガス中のＮＯ（一酸化窒素）をまずＡｇ系触媒（銀系触媒）で酸化してＮＯ₂（二酸化窒素）に変化させ、さらにこのＮＯ₂ないしはもともと排気ガス中に存在するＮＯ₂をＰｔ系触媒（白金系触媒）で還元してＮ₂に変化させるといった２段階処理構造の触媒コンバータを提案している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般に、エンジンの燃料とくにディーゼルエンジンの燃料である軽油には硫黄分が含まれることがあり、このような場合には該硫黄分が酸化されてＳＯ₂（二酸化硫黄）あるいはＳＯ₃（三酸化硫黄）となり、これらは排気ガス中に含まれることになる。他方、ＮＯｘを浄化するための触媒コンバータに用いられる前記のＡｇ系触媒は、ＳＯ₂ないしはＳＯ₃等の硫黄化合物（硫黄成分）によって被毒されて触媒活性が低下するといった問題がある。すなわち、排気ガス中に硫黄化合物が含まれていると、触媒中のＡｇが硫黄化合物と化合してＡｇ₂ＳＯ₄となるが、Ａｇ₂ＳＯ₄はＮＯをＮＯ₂に酸化する触媒活性が極めて低いからである。
【０００６】
したがって、Ａｇ系触媒を用いてＮＯをＮＯ₂に酸化し、ＮＯ₂をＰｔ系触媒でＮ₂に還元するようにした触媒コンバータは、硫黄分を含む燃料が用いられる可能性が高い場合、例えばディーゼルエンジンには用いるのが困難であるといった問題がある。
本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであって、燃料中に硫黄分が含まれ排気ガス浄化触媒がＳＯ₂ないしはＳＯ₃等の硫黄化合物によって被毒された場合でも、該触媒被毒を解消することができ、ＮＯｘを有効に浄化することができるエンジンの排気ガス浄化装置を提供することを解決すべき課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた本発明にかかるエンジンの排気ガス浄化装置は、（ａ）排気ガス中の所定の大気汚染物質（例えば、ＮＯｘ）を酸化又は還元する排気ガス浄化触媒を用いた触媒コンバータが排気通路に設けられているエンジンの排気ガス浄化装置において、（ｂ）上記エンジンがディーゼルエンジンであって、触媒コンバータをバイパスするバイパス排気通路と該バイパス排気通路を開閉する開閉弁とが設けられ、排気還流率が低いときには開閉弁が開かれてバイパス排気通路を通して排気ガスが流れるようになっているとともに、触媒コンバータに、所定運転時に排気ガス中の硫黄成分（硫黄化合物）と解離するよりも結合（化合）する傾向が大きい一方、所定運転時以外で該排気ガス浄化触媒の温度が高くかつ排気ガス中のＯ_２濃度が低いときに排気ガス中にＣＯが供給されると硫黄成分と結合するよりも解離する傾向が大きい触媒金属が含まれていて、（ｃ）排気ガスの一部を吸気通路に還流する排気還流経路（ＥＧＲ通路）と、（ｄ）該排気還流経路に配置され、排気還流率（ＥＧＲ率）に関する値を変えることができる排気還流率可変手段と、（ｅ）触媒金属の硫黄成分との結合状態を判定する判定手段と、（ｆ）該判定手段により触媒金属が硫黄成分と結合していると判定されるときには、排気還流率可変手段に排気還流率に関する値を増加させ、排気ガス温度を上昇させるとともに排気ガス中のＯ_２濃度を低下させる排気還流率制御手段とが設けられ、（ｇ）上記排気還流率制御手段が、上記排気還流率可変手段に、上記排気還流率に関する値の増加を所定期間だけ実行させ、かつ、上記所定期間内において上記排気還流率可変手段に、排気還流率に関する値が高い状態と排気還流率に関する値が低い状態とを交互に繰り返させるようになっていることを特徴とするものである。
【０００８】
ここで、触媒金属としては、例えば、Ａｇ、Ｃｏ（コバルト）、アルカリ金属、アルカリ土類金属及び希土類金属のうちの１つ又は複数を含むものがあげられる。なお、大気汚染物質がＮＯｘである場合は、触媒金属としてはＡｇがとくに有効である。
【０００９】
この排気ガス浄化装置においては、まず、触媒金属が硫黄成分と結合していると判定されるとき（例えば、燃料消費量あるいは走行距離が一定値に達したとき）、すなわち触媒金属が硫黄成分による被毒を受けて触媒活性が低下していると判定されるときには、排気還流率制御手段によってＥＧＲ率に関する値が高められ、排気ガス温度が上昇し、これに伴って排気ガス浄化触媒の温度が上昇する。また、排気ガス中のＯ_２濃度が低下する。さらに、ＥＧＲ率に関する値が高められる結果、燃料燃焼用エアに対する燃料の比率が高くなり、Ｏ_２が不足気味となってＣＯが生成される。したがって、排気ガス浄化触媒の温度が高くかつ排気ガスのＯ_２濃度が低いときに排気ガス中にＣＯが供給されることになり、触媒金属と結合している硫黄成分が解離される。このため、触媒金属の硫黄成分による被毒が解消され、該触媒金属ないしは排気ガス浄化触媒の触媒活性が回復する。よって、燃料に硫黄分が含まれる場合でも、大気汚染物質（例えば、ＮＯｘ）を有効に浄化することができる。なお、この排気ガス浄化触媒の触媒活性の回復は、ＥＧＲ率に関する値を高めるだけの簡単な操作で行うことができ、燃料消費量を増加させるなどといった不具合を招かないので、極めて低コストで実施することができる。
【００１０】
さらに、上記エンジンがディーゼルエンジンであって、排気還流率制御手段が、排気還流率可変手段に、ＥＧＲ率に関する値の増加を所定期間だけ実行させるようになっているとともに、上記所定期間内において、ＥＧＲ率に関する値が高い状態とＥＧＲ率に関する値が低い状態とを交互に繰り返させるようになっている。一般に、長期間にわたってＥＧＲ率に関する値が高い状態が継続されると、燃焼効率が悪化して燃費性能が低下するとともに、ＥＧＲガスが吸気経路に導入されることにより吸気経路の温度が上昇し、これに伴ってパティキュレートの発生量が増大するが、この排気ガス浄化装置では、かかる不具合の発生が防止される。
【００１１】
また、排気還流率制御手段が、排気還流率可変手段に、ＥＧＲ率に関する値の増加を所定回転域で実行させるようになっているのが好ましい。すなわち、例えば、上記回転域を、スモーク（すす）が発生しにくくかつ排気ガス温度が上昇する領域に設定することにより、スモークを発生させることなく排気ガス温度を急速に上昇させることができ、排気ガス浄化触媒の触媒活性を迅速に回復させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を具体的に説明する。まず、図１を参照しつつ、本発明にかかる排気ガス浄化システム（排気ガス浄化装置）を備えたディーゼルエンジンの全体構成を説明する。なお、本発明は、種々の形態のエンジンに対して適用されることができ、ディーゼルエンジンに限定されるものでないのはもちろんである。
図１に示すように、ディーゼルエンジン１（以下では、これを単に「エンジン１」という）のエンジン本体部２においては、それぞれサージタンク３から独立吸気通路４を通して燃料燃焼用のエアが供給される４つの気筒５が直列に配置されている。そして、各気筒５には、それぞれ、高圧の燃料を収容しているコモンレール６から供給される燃料を気筒内に噴射するインジェクタ７（燃料噴射弁）が設けられている。
【００１３】
コモンレール６は、燃料通路８を介して燃料圧送ポンプ９に接続されている。そして、燃料圧送ポンプ９は、燃料タンク（図示せず）に接続され、燃料タンク内の燃料を吸い込んでこれを燃料通路８に高圧で吐出するようになっている。ここで、燃料通路８には調圧バルブ１０が介設され、この調圧バルブ１０は、コモンレール６に送る燃料の圧力を調節することにより、インジェクタ７の噴射圧力を調節するようになっている。なお、コモンレール６内の燃料の圧力は燃料圧センサ１１によって検出され、この燃料圧センサ１１によって検出される燃料圧が設定値に維持されるよう、調圧バルブ１０がＥＣＵ３６（エンジンコントロールユニット）によって制御される。かくして、燃料圧送ポンプ９から燃料通路８に吐出された燃料は、コモンレール６を経て各インジェクタ７に供給され、所定の噴射圧で気筒内に噴射される。
【００１４】
インジェクタ７から気筒５内に噴射された燃料は、該気筒５内の高温のエアと接触して着火・燃焼する。そして、燃料の燃焼によって生じた排気ガス（燃焼ガス）は、排気マニホールド１２と、該排気マニホールド１２に接続された排気通路１３（排気管）とを通して大気中に排出される。この排気通路１３には、排出ガス流れ方向にみて、上流側から順に、排気ターボ過給機のタービン１４と、第１〜第３触媒コンバータ１５〜１７とが介設されている。ここで、第１触媒コンバータ１５内には、主として排気ガス中のＮＯをＮＯ₂に酸化するための、Ａｇがγアルミナに担持されてなるＡｇ系触媒（排気ガス浄化触媒）が充填されている。第２触媒コンバータ１６内には、主として排気ガス中のＮＯ₂をＮ₂に還元するための、白金がＭＦＩ（例えばＺＳＭ−５等）のゼオライトにイオン交換担持されてなるＰｔ系触媒（排気ガス浄化触媒）が充填されている。また、第３触媒コンバータ１７には、主としてＨＣ、ＣＯをＨ₂Ｏ又はＣＯ₂に酸化して浄化する普通の酸化触媒（排気ガス浄化触媒）が充填されている。
【００１５】
なお、このエンジン１の排気系統には、第１触媒コンバータ１５をバイパスして排気ガスを流すことができる第１バイパス排気通路５０及び該第１バイパス排気通路５０を開閉する第１開閉弁５１と、第２触媒コンバータ１６をバイパスして排気ガスを流すことができる第２バイパス排気通路５２及び該第２バイパス排気通路５２を開閉する第２開閉弁５３とが設けられている。
【００１６】
さらに、このエンジン１には、タービン１４より上流側の排気通路１３内の排気ガスの一部を、サージタンク３にエアを供給する共通吸気通路１８に還流させるためのＥＧＲ通路１９が設けられ、このＥＧＲ通路１９に、ＥＧＲ流量（ＥＧＲ率）を制御するためのＥＧＲ弁２０が介設されている。このＥＧＲ弁２０は、後で説明するように、ＥＣＵ３６によって制御されるようになっている。ＥＧＲ通路１９とＥＧＲ弁２０とからなる組立体は、特許請求の範囲に記載された「排気還流率可変手段」に相当する。なお、ＥＧＲは、サージタンク３に還流させるようにしてもよい。
【００１７】
次に、エンジン１の具体的な構造を説明する。
図２及び図３に示すように、各気筒５においては、シリンダブロック２１に形成されたシリンダボア２２内にピストン２３がシリンダボア軸線方向（上下方向）に往復移動できるようにして嵌入されている。そして、シリンダブロック２１の上側に配置されたシリンダヘッド２４の下面と、シリンダボア２２の内周面と、ピストン２３の上面とによって燃焼室２５が画成されている。
【００１８】
シリンダヘッド２４には、それぞれ燃焼室２５に連通する、２つの吸気ポート２６と、２つの排気ポート２７とが設けられている。そして、両吸気ポート２６の上流端は独立吸気通路４に接続されている。また、両排気ポート２７の下流端は排気マニホールド１２に接続されている。ここで、各吸気ポート２６の燃焼室２５への開口部２６ａは、それぞれ吸気弁２８によって所定のタイミングで開閉されるようになっている。他方、各排気ポート２７の燃焼室２５への開口部２７ａは、それぞれ排気弁２９によって所定のタイミングで開閉されるようになっている。なお、吸気弁２８の弁軸２８ａと、排気弁２９の弁軸２９ａとは、それぞれ、シリンダヘッド２４を貫通して上方に突出している。また、吸気弁２８の傘部２８ｂは、吸気ポート２６の開口部２６ａに嵌合されたバルブシート３０に密着・離反するようになっており、他方排気弁２９の傘部２９ｂは、排気ポート２７の開口部２７ａに嵌合されたバルブシート３０に密着・離反するようになっている。
【００１９】
さらに、シリンダヘッド２４には、燃焼室２５の天井面の中央位置に開口するインジェクタ挿入孔が３１が設けられている。そして、このインジェクタ挿入孔３１にインジェクタ７が、その先端の燃料噴射部７ａが燃焼室２５内に露出するようにして嵌入されている。なお、インジェクタ７は、取付ボルト３２を、フランジ部７ｂの上側に配置された固定板３３を貫通してシリンダヘッド２４に螺入することにより固定されている。
【００２０】
前記のとおり、各気筒５には、それぞれ２つの吸気ポート２６が設けられているが、その一方にはスワール弁３５が設けられている。このスワール弁３５の開度は、ＥＣＵ３６によって制御されるようになっている。ここで、スワール弁３５の開度が小さくなればなるほど、該スワール弁３５が設けられた吸気ポート２６から燃焼室２５に流入するエアの流速が大きくなり、燃焼室２５内に強いスワール（渦流）が形成されて、燃料とエアの混合性すなわち燃料の燃焼性が高められる。なお、上述のＥＧＲは、吸気弁と排気弁との開弁期間がオーバーラップする時間を調整する可変バルブタイミング機構を用いて排気還流量を調整してもよい。
【００２１】
以下、エンジン１の制御機構を説明する。
再び、図１に示すように、エンジン１の各種制御を行うために、コンピュータからなるＥＣＵ３６が設けられている。このＥＣＵ３６には、前記の燃料圧センサ１１によって検出されるコモンレール６内の燃料の圧力のほか、クランク角センサ３７によって検出されるクランク角、水温センサ３８によって検出されるエンジン水温、吸気温センサ３９によって検出される吸気温、第１排気温センサ４０によって検出される排気マニホールド１２内の排気ガス温度、第２排気温センサ４１によって検出される第１触媒コンバータ１５の直上流の排気ガス温度、第３排気温センサ４２によって検出される第１触媒コンバータ１５の直下流の排気ガス温度、エンジン負荷センサ４３によって検出されるエンジン負荷、アクセル開度センサ４４によって検出されるアクセル開度、吸入空気量センサ４５（エアフローセンサ）によって検出される吸入空気量等が制御情報として入力されるようになっている。
なお、ＥＣＵ３６は、特許請求の範囲に記載された「排気還流率制御手段」を含む、エンジン１の総合的な制御装置である。
【００２２】
かくして、ＥＣＵ３６は、これらの制御情報に基づいて、エンジン１の各種制御を行うようになっているが、一般的なエンジン制御の制御手法はよく知られており、またかかる一般的なエンジン制御は本発明の要旨とするところでもないのでその説明を省略し、以下では本発明の要旨にかかる、排気ガス浄化触媒の硫黄成分ないしは硫黄化合物による被毒を解消するための制御（以下、これを「硫黄被毒解消制御」という）についてのみ説明する。
【００２３】
まず、この硫黄被毒解消制御の対象であるエンジン１の排気ガス浄化システムの基本構造を説明する。
このエンジン１の排気ガスにはＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘ等が含まれるが、該エンジン１はディーゼルエンジンであることから排気ガス中のＯ₂濃度が比較的高く、したがって普通の三元触媒を用いたのではＮＯｘの還元（浄化）が困難な状況下にある。そこで、このエンジン１の排気ガス浄化システムでは、第１触媒コンバータ１５内のＡｇ系触媒と、第２触媒コンバータ１６内のＰｔ系触媒とにより、ＮＯｘを２段階で処理し、無害なＮ₂に変化させるようにしている。
【００２４】
具体的には、第１触媒コンバータ１５には、Ａｇ（触媒金属）がγアルミナ（γ−Ａｌ₂Ｏ₃）に担持されてなるＡｇ系触媒が充填されている。燃焼室２５から排出される排気ガス中に含まれるＮＯｘの大半（おおむね、９０％以上）はＮＯであり残りはほとんどＮＯ₂であるが、このＡｇ系触媒は、排気ガス中のＮＯをほぼ完全にＮＯ₂に酸化する機能を備えている。他方、第２触媒コンバータ１６には、Ｐｔ（触媒金属）がＭＦＩ等のゼオライトにイオン交換担持されてなるＰｔ系触媒が充填されている。このＰｔ系触媒は、排気ガス中のＮＯ₂をほぼ完全にＮ₂に還元する機能を備えている。かくして、第１触媒コンバータ１５と第２触媒コンバータ１６とによって、ＮＯｘ（ＮＯ及びＮＯ₂）がＮ₂に変化させられる。
【００２５】
ところで、前記のとおり、第１触媒コンバータ１５内のＡｇ系触媒は、排気ガス中にＳＯ₂あるいはＳＯ₃等の硫黄化合物が存在するとこれらによって被毒され、ＮＯをＮＯ₂に酸化する触媒活性が失われる。これは、およそ次の式１〜３で示す化学反応により、触媒金属であるＡｇがＡｇ₂ＳＯ₄に変化させられ、Ａｇ₂ＳＯ₄がＮＯをＮＯ₂に酸化する機能を有しないことに起因する。
【数１】
ＳＯ₂＋（１／２）Ｏ₂ → ＳＯ₃…………………………………式１
【数２】
２Ａｇ＋（１／２）Ｏ₂ → Ａｇ₂Ｏ……………………………式２
【数３】
Ａｇ₂Ｏ＋ＳＯ₃ → Ａｇ₂ＳＯ₄…………………………………式３
【００２６】
なお、一般的に、Ａｇ系触媒の硫黄化合物による被毒の検出手法としては、およそ次のようなものがある。したがって、このエンジン１の排気ガス浄化システムでは、これらを用いて被毒を検出してもよい。
（１）ＮＯｘセンサで排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出し、ＮＯｘ浄化率の低下からＡｇ系触媒の被毒を検出する。例えば、第２触媒コンバータ１６の下流のＮＯｘ濃度Ｂ（ＮＯｘ処理後）と第１触媒コンバータ１５の上流のＮＯｘ濃度Ａ（ＮＯｘ処理前）の比（Ｂ／Ａ）が所定値以上のときに（ＮＯｘがあまり浄化されていない）、Ａｇ系触媒が被毒を受けているものと判定する。
（２）第１触媒コンバータ１５の上流と下流との間の排気ガス温度差に基づいてＡｇ系触媒の被毒を検出する。例えば、第１触媒コンバータ１５の上流の排気ガス温度が設定値Ｃ以上であり、下流の排気ガス温度が設定値Ｄ（Ｄ＜Ｃ）以下であるときに、Ａｇ系触媒が被毒を受けているものと判定する。
【００２７】
（３）冷機時におけるＡｇ系触媒の表面の色に基づいて該Ａｇ系触媒の被毒を検出する。例えば、Ａｇ系触媒の表面が黄色味を帯びたときに、該Ａｇ系触媒が被毒を受けているものと判定する。
（４）Ａｇ系触媒の電気抵抗の変化から該Ａｇ系触媒の被毒を検出する。
（５）ＮＯｘの浄化においてはＨＣが消費されることに鑑み、第１触媒コンバータ１５の上流のＨＣ濃度と第２触媒コンバータ１６の下流のＨＣ濃度とに基づいてＡｇ系触媒の被毒を検出する。例えば、第２触媒コンバータ１６の下流のＨＣ濃度Ｆ（ＮＯｘ処理後）と第１触媒コンバータ１５の上流のＨＣ濃度Ｅ（ＮＯｘ処理前）の比（Ｆ／Ｅ）が所定値以上のときに（ＨＣがあまり消費されていない）、Ａｇ系触媒が被毒を受けているものと判定する。
【００２８】
そして、このＡｇ系触媒は、該Ａｇ系触媒の温度（以下、これを単に「触媒温度」という）が比較的低い通常の運転時には、排気ガス中の硫黄化合物と結合する（被毒される）一方、触媒温度が高くかつ排気ガス中のＯ₂濃度が低いときに排気ガス中にＣＯが供給されると硫黄成分との結合が解離される（被毒が解消される）といった特徴をもつ。そこで、このエンジン１の排気ガス浄化システムでは、基本的には、Ａｇ系触媒が硫黄化合物によって被毒を受けていると推測（予測）されるとき、あるいは被毒が検出されたときには、ＥＧＲ率を増加させることにより、排気ガス温度ひいては触媒温度を上昇させるとともに、排気ガス中のＯ₂濃度を低下させてＣＯを発生させ、Ａｇ系触媒から硫黄成分を解離させて該被毒を解消するようにしている。
【００２９】
この場合、次の式４に示す化学反応により、Ａｇ系触媒から硫黄成分が解離される。なお、Ａｇ₂ＣＯ₃は、Ａｇ₂ＳＯ₄とは異なり、ＮＯをＮＯ₂に酸化する触媒機能を有する。
【数４】
Ａｇ₂ＳＯ₄＋ＣＯ → Ａｇ₂ＣＯ₃＋ＳＯ₂………………………式４
この式４の化学反応は、おおむね４００°Ｃ以上の温度範囲で起こりやすい。したがって、Ａｇ系触媒から硫黄成分を解離させる際には、触媒温度を４００°Ｃ以上にするのが好ましい。
【００３０】
そして、このようにしてＡｇ系触媒の被毒を解消する際には、ＥＧＲ率の増加は所定の期間（以下、これを「ＥＧＲ率増加期間」という）だけ実行され、かつこのＥＧＲ率増加期間内においては、ＥＧＲ率が高い状態とＥＧＲ率が低い状態とが交互に繰り返されるようになっている。一般に、長期間にわたってＥＧＲ率が高い状態が継続されると、燃費性能が低下するとともにパティキュレートの発生量が増大するので、このようにしてかかる不具合の発生を防止するようにしている。
【００３１】
なお、ＥＧＲ率増加期間内において、ＥＧＲ率が低い状態にあるときには、第１開閉弁５１を開いて第１バイパス排気通路５０を通して排気ガスを流すことにより、第１触媒コンバータ１５内のＡｇ系触媒にＯ₂濃度が高い排気ガスが導入されるのを防止するのが好ましい。このようにすれば、Ａｇ系触媒からの硫黄成分の解離が促進される。さらに、第２触媒コンバータ１６内のＰｔ系触媒は耐熱性が比較的低いので、排気ガス温度が非常に高いとき（例えば、６００°Ｃ以上）には、第２開閉弁５３を開いて第２バイパス排気通路５２を通して排気ガスを流すことにより、第２触媒コンバータ１６内のＰｔ系触媒が高温化するのを防止するのが好ましい。
【００３２】
また、Ａｇ系触媒の被毒を解消するためのＥＧＲ率の増加は、スモーク（すす）が発生しにくくかつ排気ガス温度が上昇するエンジン回転数領域に設定される。これにより、スモークを発生させることなく排気ガス温度ひいては触媒温度を急速に上昇させることができ、Ａｇ系触媒の触媒活性を迅速に回復させることができる。
【００３３】
なお、Ａｇ系触媒のＳＯ₂ないしはＳＯ₃等の硫黄化合物による被毒はこのようにして解消されるが、エンジン１の運転状態は、触媒温度がＡｇ系触媒の被毒が生じにくい２５０〜３００°Ｃの範囲内に維持されるように制御されるのがより好ましい。
【００３４】
以下、図４及び図５に示すフローチャートを参照しつつ、ＥＣＵ３６による硫黄被毒解消制御の具体的な制御方法を説明する。なお、図４に示す制御ルーチンは、ＥＧＲ率の増加による硫黄被毒解消を行うのに適した状態かどうかを判定するための状態判定ルーチンであり、図５に示す制御ルーチンは、実際にＥＧＲ率を制御するためのＥＧＲ制御ルーチンである。
【００３５】
図４に示すように、この状態判定ルーチンにおいては、まずステップＳ１で、エンジン１が始動したか否かが比較・判定され、始動していなければ（ＮＯ）、このステップＳ１が繰り返し実行される。すなわち、エンジン１が始動されるまで待機する。他方、ステップＳ１でエンジン１が始動したと判定された場合は（ＹＥＳ）、ステップＳ２で各種センサの検出値が制御データとしてＥＣＵ３６に入力される。
【００３６】
次に、ステップＳ３で、エンジン１の運転状態（主としてアクセル開度）に応じて燃料噴射量Ｔ_pが設定される。この後、ステップＳ４で燃料噴射タイミング（圧縮行程末期の所定のクランク角）であるか否かが比較・判定され、燃料噴射タイミングでなければ（ＮＯ）、このステップＳ４が繰り返し実行される。つまり、燃料噴射タイミングになるまで待機する。そして、ステップＳ４で燃料噴射タイミングになったと判定されたときには（ＹＥＳ）、ステップＳ５で燃料噴射量Ｔ_pに対応する時間だけインジェクタ７が開弁され（噴射弁駆動）、燃料噴射が行われる。
【００３７】
続いて、ステップＳ６で、次の式５により、今回の燃料噴射量積算値ΣⁱＴ_Pが演算される。
【数５】
ΣⁱＴ_P＝Σ^i-1Ｔ_P＋Ｔ_P………………………………………………式５
ただし、
ΣⁱＴ_P：今回の燃料噴射量積算値
Σ^i-1Ｔ_P：前回の燃料噴射量積算値
Ｔ_P：今回の燃料噴射量
【００３８】
次に、ステップＳ７で今回の燃料噴射量積算値ΣⁱＴ_Pが設定値Ａ以上であるか否かが判定される。この状態判定ルーチンでは、エンジン１の始動後において燃料噴射量積算値が設定値Ａ以上になるまでは、エンジン１の運転状態が十分には安定していないので、ＥＧＲ率の増加による硫黄被毒解消を行うのに適した状態かどうかの判定を行わないようにしている。かくして、ステップＳ７で今回の燃料噴射量積算値ΣⁱＴ_Pが設定値Ａ未満であると判定された場合は（ＮＯ）、かかる状態判定を行う必要がないので、ステップＳ１４にスキップして前回の燃料噴射量積算値Σ^i-1Ｔ_Pを更新した上で、すなわち今回の燃料噴射量積算値ΣⁱＴ_Pを前回の燃料噴射量積算値Σ^i-1Ｔ_Pとした上で、ステップＳ１に復帰（リターン）する。
【００３９】
他方、ステップＳ７で、今回の燃料噴射量積算値ΣⁱＴ_Pが設定値Ａ以上であると判定された場合は（ＹＥＳ）、ステップＳ８で、エンジン１の運転状態が、触媒温度が高くなる所定の運転域に入っているか否かが比較・判定される。この運転域は、例えば図６中の領域Ｒ₁で示すような、エンジン回転数Ｎｅが設定値Ｎｅ₁以上でかつＮｅ₂以下であり、燃料噴射量Ｔ_Pが設定値Ｔ_P1以上でかつＴ_P2以下である運転域である。なお、図６において曲線Ｇ₁より高噴射量側の領域Ｒ₂はスモーク発生量が増大する領域である。つまり、領域Ｒ₁は、スモーク発生量が少ない回転域（Ｎｅ₁≦Ｎｅ≦Ｎｅ₂）において、スモーク発生量が増大しない範囲内の燃料噴射量Ｔ_Pが多い運転域である。
【００４０】
ステップＳ８で、触媒温度が高くなる運転域であると判定された場合は（ＹＥＳ）、ステップＳ９で第１カウンタＴ₁が１だけインクリメントされる。この第１カウンタＴ₁は、触媒温度が高くなる運転域に入っている状態の継続時間をカウントするためのカウンタである。この硫黄被毒解消制御では、上記継続時間に対応する第１カウンタＴ₁のカウント値が設定値Ｔ₁₀以上となったときに、ＥＧＲ率の増加によるＡｇ系触媒の被毒の解消の実行を許可するようにしている。
【００４１】
次に、ステップＳ１１で、第１カウンタＴ₁のカウント値が設定値Ｔ₁₀以上であるか否かが比較・判定され、カウント値がＴ₁₀以上であれば（ＹＥＳ）、ステップＳ１２でＥＧＲ率増加フラグＦに１がセットされる。このＥＧＲ率増加フラグＦは、１がセットされたときにＡｇ系触媒の被毒解消のためのＥＧＲ率の増加が許可され、０がセットされたときに該ＥＧＲ率の増加が禁止されるフラグである。この後、ステップＳ１３で今回の燃料噴射量積算値ΣⁱＴ_Pがリセットされ（０がセットされる）、続いてステップＳ１４で前回の燃料噴射量積算値Σ^i-1Ｔ_Pがリセットされ（０がセットされる）、ステップＳ１に復帰（リターン）する。
【００４２】
他方、前記のステップＳ１１で第１カウンタＴ₁のカウント値がＴ₁₀未満であると判定された場合は（ＮＯ）、Ａｇ系触媒の被毒解消のためのＥＧＲ率の増加を許可すべき状態ではないので、ステップＳ１２〜Ｓ１３をスキップし、ステップＳ１４で前回の燃料噴射量積算値Σ^i-1Ｔ_Pを更新した上でステップＳ１に復帰（リターン）する。
また、前記のステップＳ８で、エンジン１の運転状態が、触媒温度が高くなる運転域に入っていないと判定された場合は（ＮＯ）、触媒温度が高くなる状態が中断されたので、ステップＳ１０で、第１カウンタＴ₁がリセットされ（０がセットされる）、この後ステップＳ１４で前回の燃料噴射量積算値Σ^i-1Ｔ_Pを更新した上でステップＳ１に復帰（リターン）する。
【００４３】
以下、ＥＧＲ制御ルーチンを説明する。なお、このＥＧＲ制御ルーチンは一定時間ごとに実行される（スタートする）。
図５に示すように、このＥＧＲ制御ルーチンでは、まずステップＳ２１で各種制御データが入力され、続いてステップＳ２２で基本ＥＧＲ率ＥＧＲ_BASEが設定される。なお、基本ＥＧＲ率ＥＧＲ_BASEとは、エンジン１の通常の運転時（Ａｇ系触媒の被毒解消を行っていない）におけるＥＧＲ率である。
【００４４】
次に、ステップＳ２３で、エンジン１の運転状態が、ＥＧＲ禁止領域に入っているか否かが比較・判定され、ＥＧＲ禁止領域に入っていれば（ＹＥＳ）、ＥＧＲを実行するための以下の全ステップをスキップして、すなわちＥＧＲを実行せずにステップＳ２１に復帰（リターン）する。
【００４５】
他方、ステップＳ２３で、エンジン１の運転状態が、ＥＧＲ禁止領域に入っていないと判定された場合は（ＮＯ）、ステップＳ２４でＥＧＲ率増加フラグＦが１であるか否か、すなわちＡｇ系触媒の被毒解消のためのＥＧＲ率の増加が許可されているか否かが比較・判定される。ここで、Ｆ≠１（Ｆ＝０）であれば（ＮＯ）、ステップＳ２７でＥＧＲ率増分ＥＧＲ_Cに０がセットされる。なお、ＥＧＲ率増分ＥＧＲ_Cとは、Ａｇ系触媒の被毒を解消すべくＥＧＲを増量するためのＥＧＲ率の増加分であって、最終的なＥＧＲ率である全ＥＧＲ率ＥＧＲ_Tは、前記の基本ＥＧＲ率ＥＧＲ_BASEとこのＥＧＲ率増分ＥＧＲ_Cとを加算したものである。この後、ステップＳ３７で、次の式６により、全ＥＧＲ率ＥＧＲ_Tが演算され、続いてステップＳ３８で、ＥＧＲ弁２０が駆動され、全ＥＧＲ率ＥＧＲ_Tでもって排気通路１３内の排気ガスの一部がＥＧＲとして共通吸気通路１８に還流させられる。
【数６】
ＥＧＲ_T＝ＥＧＲ_BASE＋ＥＧＲ_C……………………………………式６
ただし、
ＥＧＲ_T：全ＥＧＲ率
ＥＧＲ_BASE：基本ＥＧＲ率
ＥＧＲ_C：ＥＧＲ率増分
【００４６】
前記のステップＳ２４で、Ｆ＝１であると判定された場合は（ＹＥＳ）、Ａｇ系触媒の被毒解消のためのＥＧＲ率の増加が実行される。
この場合、例えば図７に示すように、時刻ｔ₀でＦ＝１となってＥＧＲ率の増加が開始されたとすると、該ＥＧＲ率の増加は所定のＥＧＲ率増加期間だけ実施され、時刻ｔ₃で終了する。そして、このＥＧＲ率増加期間内においては、グラフＧ₂で示すように、燃費性能を高めるとともにパティキュレートの発生を防止するために、ＥＧＲ率が高い状態とＥＧＲ率が低い状態とが交互に繰り返される。図７中においては、例えば時刻ｔ₀から時刻ｔ₁まではＥＧＲ率が高い状態にあり、時刻ｔ₁から時刻ｔ₂まではＥＧＲ率が低い状態にある。
ここで、グラフＧ₃で示すように、ＥＧＲ率の変化を緩やかにしてもよい（テーリングさせ）。このようにすれば、ＥＧＲ率の変化によるトルクショックの発生が防止される。
【００４７】
具体的には、ステップＳ２５で第２カウンタＴ₂が１だけインクリメントされ、続いてステップＳ２６で第３カウンタＴ₃が１だけインクリメントされる。ここで、第２カウンタＴ₂は、ＥＧＲ率が高い状態とＥＧＲ率が低い状態とを切り換えるためのカウンタである。そして、第２カウンタＴ₂がリセットされた（０がセットされた）ときにＥＧＲ率が高められ（例えば、図７中の時刻ｔ₀）、そのカウント値が設定値Ｔ_2Aに達したときにＥＧＲ率が低下させられ（例えば、図７中の時刻ｔ₁）、そのカウント値が設定値Ｔ_2Bに達したときにＥＧＲ率が再び高められ（例えば、図７中の時刻ｔ₂）、この後同様の動作が繰り返される。また、第３カウンタＴ₃は、かかるＥＧＲ率の増加（増減の繰り返し）を実行すべきＥＧＲ率増加期間が終了したか否かをカウントするためのカウンタであり、そのカウント値が設定値Ｔ₃₀に達したときにＥＧＲ率増加期間が終了する（図７中の時刻ｔ₃）。
【００４８】
次に、ステップＳ２８で、第２カウンタＴ₂のカウント値がＴ_2A以上であるか否かが比較・判定され、カウント値がＴ_2A未満であれば（ＮＯ）、ＥＧＲ率を高めるべき状態が継続中であるので、ステップＳ３０でＥＧＲ率増分ＥＧＲ_Cに設定値Ａがセットされる。ここで、ＥＧＲ率増分ＥＧＲ_Cが大きければ大きいほど排気ガス温度ひいては触媒温度が上昇するともに、ＣＯ生成量は増加するが、ＥＧＲ率があまり大きくなるとスモークの発生が増大する。そこで、このＥＧＲ率増分ＥＧＲ_Cは、スモークが増大しない範囲内においてできるだけ大きい値に設定するのが好ましい。この後、ステップＳ３３が実行されることになる
【００４９】
他方、ステップＳ２８で、第２カウンタＴ₂のカウント値がＴ_2A以上であると判定された場合は（ＹＥＳ）、ＥＧＲ率を低下させるべき状態にあるので、ステップＳ２９でＥＧＲ率増分ＥＧＲ_Cに０がセットされる。続いて、ステップＳ３１で第２カウンタＴ₂のカウント値が設定値Ｔ_2B以上であるか否かが比較・判定され、カウント値がＴ_2B未満であれば（ＮＯ）、まだＥＧＲ率を低下させるべき状態が継続中であるので、ＥＧＲ率増分ＥＧＲ_Cを０にセットしたままステップＳ３３以下の各ステップを実行する。他方、第２カウンタＴ₂のカウント値がＴ_2B以上であれば（ＹＥＳ）、ＥＧＲ率を低下させるべき状態は終了し、ＥＧＲ率を再び高めるべき状態となっているので、ステップＳ３２で第２カウンタＴ₂をリセットし（０をセットする）、ステップＳ３３以下の各ステップを実行する。
【００５０】
かくして、ステップＳ３３では、第３カウンタＴ₃のカウント値がＴ₃₀以上であるか否かが比較・判定され、カウント値がＴ₃₀未満であれば（ＮＯ）、Ａｇ系触媒の被毒解消のためのＥＧＲ率の増加をまだ続行すべき状態にあるので、ステップＳ３７で、前記の式６により、全ＥＧＲ率ＥＧＲ_Tが演算され、続いてステップＳ３８で、ＥＧＲ弁２０が駆動され、全ＥＧＲ率ＥＧＲ_Tでもって排気通路１３内の排気ガスの一部がＥＧＲとして共通吸気通路１８に還流させられる。この場合、ＥＧＲ_Cの値（０かＡか）に応じて、ＥＧＲ率が図７に中のグラフＧ₂に示すようなパターンで増減される。
【００５１】
他方、ステップＳ３３で、第３カウンタＴ₃のカウント値がＴ₃₀以上であると判定された場合は（ＹＥＳ）、Ａｇ系触媒の被毒解消のためのＥＧＲ率の増加を実行すべきＥＧＲ率増加期間が終了しているので、ステップＳ３４でＥＧＲ_Cに０がセットされ、ステップＳ３５でＥＧＲ率増加フラグＦに０がセットされ、続いてステップＳ３６で第３カウンタＴ₃がリセットされる（０がセットされる）。この後、ステップＳ３７で前記の式６により、全ＥＧＲ率ＥＧＲ_Tが演算され、続いてステップＳ３８で、ＥＧＲ弁２０が駆動され、全ＥＧＲ率ＥＧＲ_Tでもって排気通路１３内の排気ガスの一部がＥＧＲとして共通吸気通路１８に還流させられる。
【００５２】
以上、この硫黄被毒解消制御によれば、燃料に硫黄分が含まれ、第１触媒コンバータ１５内のＡｇ系触媒がＳＯ₂あるいはＳＯ₃等の硫黄化合物により被毒された場合でも、適宜該被毒が解消されるので、ＮＯｘを有効に浄化することができる。なお、この硫黄被毒解消制御は、実質的にＥＧＲ率を高めるだけの簡単な操作で行うことができ、燃料消費量を増加させるなどといった不具合を招かないので、極めて低コストで実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる排気ガス浄化装置を備えたディーゼルエンジンのシステム構成図である。
【図２】図１に示すディーゼルエンジンのインジェクタまわりの立面断面図である。
【図３】図２に示すディーゼルエンジンののＡ−Ａ線断面図である。
【図４】硫黄被毒解消制御の制御方法を示すフローチャートである。
【図５】硫黄被毒解消制御の制御方法を示すフローチャートである。
【図６】触媒温度が高くなる運転域を示す図である。
【図７】硫黄被毒解消制御におけるＥＧＲ率の時間に対する変化特性を示す図である。
【符号の説明】
１…エンジン（ディーゼルエンジン）、２…エンジン本体部、３…サージタンク、４…独立吸気通路、５…気筒、６…コモンレール、７…インジェクタ、７ａ…燃料噴射部、７ｂ…フランジ部、８…燃料通路、９…燃料圧送ポンプ、１０…調圧バルブ、１１…燃料圧センサ、１２…排気マニホールド、１３…排気通路、１４…タービン、１５…第１触媒コンバータ、１６…第２触媒コンバータ、１７…第３触媒コンバータ、１８…共通吸気通路、１９…ＥＧＲ通路、２０…ＥＧＲ弁、２１…シリンダブロック、２２…シリンダボア、２３…ピストン、２４…シリンダヘッド、２５…燃焼室、２６…吸気ポート、２６ａ…開口部、２７…排気ポート、２７ａ…開口部、２８…吸気弁、２８ａ…弁軸、２８ｂ…傘部、２９…排気弁、２９ａ…弁軸、２９ｂ…傘部、３０…バルブシート、３１…インジェクタ挿入孔、３２…取付ボルト、３３…固定板、３５…スワール弁、３６…ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）、３７…クランク角センサ、３８…水温センサ、３９…吸気温センサ、４０…第１排気温センサ、４１…第２排気温センサ、４２…第３排気温センサ、４３…エンジン負荷センサ、４４…アクセル開度センサ、４５…吸入空気量センサ、５０…第１バイパス排気通路、５１…第１開閉弁、５２…第２バイパス排気通路、５３…第２開閉弁。

Claims

排気ガス中の所定の大気汚染物質を酸化又は還元する排気ガス浄化触媒を用いた触媒コンバータが排気通路に設けられているエンジンの排気ガス浄化装置において、
上記エンジンがディーゼルエンジンであって、触媒コンバータをバイパスするバイパス排気通路と該バイパス排気通路を開閉する開閉弁とが設けられ、排気還流率が低いときには開閉弁が開かれてバイパス排気通路を通して排気ガスが流れるようになっているとともに、
上記触媒コンバータに、所定運転時に排気ガス中の硫黄成分と解離するよりも結合する傾向が大きい一方、上記所定運転時以外で該排気ガス浄化触媒の温度が高くかつ排気ガス中の酸素濃度が低いときに排気ガス中に一酸化炭素が供給されると硫黄成分と結合するよりも解離する傾向が大きい触媒金属が含まれていて、
排気ガスの一部を吸気通路に還流する排気還流経路と、
該排気還流経路に配置され、排気還流率に関する値を変えることができる排気還流率可変手段と、
上記触媒金属の硫黄成分との結合状態を判定する判定手段と、
該判定手段により上記触媒金属が硫黄成分と結合していると判定されるときには、上記排気還流率可変手段に排気還流率に関する値を増加させ、排気ガス温度を上昇させるとともに排気ガス中の酸素濃度を低下させる排気還流率制御手段とが設けられ、
上記排気還流率制御手段が、上記排気還流率可変手段に、上記排気還流率に関する値の増加を所定期間だけ実行させ、かつ、上記所定期間内においては上記排気還流率可変手段に、排気還流率に関する値が高い状態と排気還流率に関する値が低い状態とを交互に繰り返させるようになっていることを特徴とするエンジンの排気ガス浄化装置。
上記排気還流率制御手段が、上記排気還流率可変手段に、上記排気還流率に関する値の増加を所定回転域で実行させるようになっていることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
上記触媒金属が、銀、コバルト、アルカリ金属、アルカリ土類金属及び希土類金属のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
上記大気汚染物質が窒素酸化物であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のエンジンの排気ガス浄化装置。