JP3858763B2 - 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する。
【0002】
【従来の技術】
近年、自動車等に搭載される内燃機関、特に酸素過剰状態の混合気(所謂、リーン空燃比の混合気)を燃焼可能とするディーゼル機関やリーンバーン・ガソリン機関では、該内燃機関の排気中に含まれる窒素酸化物(NOx)を浄化する技術が望まれている。
【0003】
このような要求に対し、内燃機関の排気系にNOx吸蔵剤を配置する技術が提案されている。このNOx吸蔵剤の一つとして、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中の窒素酸化物(NOx)を吸蔵(吸収、吸着)し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときは吸蔵していた窒素酸化物(NOx)を還元する吸蔵還元型NOx触媒が知られている。
【0004】
吸蔵還元型NOx触媒が内燃機関の排気系に配置されると、内燃機関が希薄燃焼運転されて排気の空燃比が高くなるときは排気中の窒素酸化物(NOx)が吸蔵還元型NOx触媒に吸蔵され、吸蔵還元型NOx触媒に流入する排気の空燃比が低くなったときは吸蔵還元型NOx触媒に吸蔵されていた窒素酸化物(NOx)が還元される。
【0005】
ところで、吸蔵還元型NOx触媒には燃料に含まれる硫黄分が燃焼して生成される硫黄酸化物(SOx)もNOxと同じメカニズムで吸蔵される。このように吸蔵されたSOxはNOxよりも放出されにくく、吸蔵還元型NOx触媒内に蓄積される。これをSOx被毒といい、NOx浄化率が低下するため、適宜の時期にSOx被毒から回復させる被毒回復処理を施す必要がある。この被毒回復処理は、吸蔵還元型NOx触媒を高温(例えば600乃至650℃程度)にしつつ燃料添加により酸素濃度を低下させた排気を吸蔵還元型NOx触媒に流通させて行われている。
【0006】
このようにして、NOxの還元及びSOx被毒の回復をリッチ雰囲気にて行うと、吸蔵還元型NOx触媒下流に還元剤や硫化水素(H2S)が流出することがある。
【0007】
ここで、特開2000−110552号公報に記載された発明では、下流に酸化触媒を設け、更に該酸化触媒に空気を供給して酸素過剰の雰囲気を形成し、還元剤や硫化水素を酸化させることを可能としている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記公報によれば、酸化触媒へ空気を供給するためにエアポンプを備えているため、コスト高となり、また設置スペースが必要となっていた。
【0009】
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の排気浄化装置において、NOx触媒への還元剤供給時に流出する還元剤及び硫化水素を除去することができる技術を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために本発明の内燃機関の排気浄化装置は、以下の手段を採用した。即ち、内燃機関の排気系に設けられ還元剤の存在下でNOxを還元するNOx触媒と、前記NOx触媒へ還元剤を供給する還元剤供給手段と、前記NOx触媒の下流に設けられ酸化機能を有する触媒と、過給機と、前記NOx触媒から前記酸化機能を有する触媒までの排気系と前記過給機から内燃機関までの吸気系とを連通する二次空気導入管と、前記二次空気導入管の流通面積を可変とし該二次空気導入管を流通する空気の量を調整する二次空気量調整弁と、前記NOx触媒から前記酸化機能を有する触媒までの排気系と前記過給機から内燃機関までの吸気系との圧力差を検出する差圧検出手段と、前記過給機から内燃機関までの吸気系の圧力が前記NOx触媒から前記酸化機能を有する触媒までの排気系の圧力よりも高いと前記差圧検出手段により検出されたときに限り前記NOx触媒へ還元剤を供給して硫黄被毒を回復させる硫黄被毒回復手段と、内燃機関の排気系と吸気系とを連通し内燃機関から排出された排気の一部を内燃機関の吸気系へ還流させるEGR通路と、前記EGR通路内を流通するEGRガスの流量を調整するEGR弁と、を備え、前記二次空気導入管により二次空気の供給が行われている場合には、前記EGR弁を閉じ側へ制御することを特徴とする。
【0011】
本発明の最大の特徴は、内燃機関の排気浄化装置において、酸化機能を有する触媒へ過給空気を供給可能な場合に限り硫黄被毒回復を行うことにより、NOx触媒から流出する還元剤や硫化水素を下流の酸化触媒で酸化可能とすることにある。
【0012】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、NOx触媒に還元剤が供給されると、NOx触媒に流入する排気の空燃比がリッチ空燃比となり、硫黄酸化物(SOx)が放出される。しかし、このときに炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)等の還元剤の一部が下流へ流出することがある。また、SOx被毒回復時には、NOx触媒から放出されたSOxが硫化水素になり易い。このようにしてNOx触媒から流出した炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)、硫化水素を下流の酸化触媒により酸化させる。ここで、酸化機能を有する触媒は、酸素過剰の雰囲気において酸化機能が有効に働くが、SOx被毒回復時には、還元剤の供給により酸素濃度が低下して、酸化触媒の酸化能力も低下してしまう。このような状態であっても、二次空気導入管から酸化機能を有する触媒の上流へ空気を供給することにより、該酸化触媒の酸化能力を向上させることができる。ここで、吸気系は過給機により該過給機下流の空気の圧力が上昇されているため、二次空気導入管を吸気系から排気系へ向かって空気が流通する。これにより、酸化触媒の酸化能力を向上させることが可能となる。また、過給機による過給圧が十分でない場合には、SOx被毒回復等を行わないようにすることにより還元剤及び硫化水素等の大気中への放出を抑止することが可能となる。
【0013】
尚、前記過給機から内燃機関までの吸気系に吸気絞り弁が配設されている場合には、前記二次空気導入管は、NOx触媒から酸化機能を有する触媒までの排気系と過給機から吸気絞り弁までの吸気系とを連通することが望ましい。
【0014】
本発明においては、内燃機関の排気系と吸気系とを連通し内燃機関から排出された排気の一部を内燃機関の吸気系へ還流させるEGR通路と、前記EGR通路内を流通するEGRガスの流量を調整するEGR弁と、を更に備え、前記二次空気導入管により二次空気の供給が行われている場合には、前記EGR弁を閉じ側へ制御することができる。
【0015】
このように、EGR弁が閉じ側へ制御されると、EGRガス量が減少して排気の温度が上昇するため、排気のエネルギにより過給を行う過給機では、過給圧を上昇させることができ、酸化機能を有する触媒へ多くの空気を供給することが可能となる。
【0016】
本発明においては、前記過給機は、吸気の過給圧を所望の圧力とすべくタービンホイールに吹き付けられる排気の流速をノズルベーンの開閉により可変とする可変容量型ターボチャージャであって、前記二次空気導入管により二次空気の供給が行われている場合には、前記ノズルベーンを閉じ側へ制御することができる。
【0017】
このように、ノズルベーンが閉じ側へ制御されると、過給圧が上昇し、酸化機能を有する触媒への空気の供給量を増加させることが可能となる。
【0018】
本発明においては、前記酸化機能を有する触媒を流通する排気の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段を更に備え、
前記硫黄被毒回復手段は、酸化機能を有する触媒を流通する排気の酸素濃度が酸化機能を有する触媒を活性させる濃度となる範囲内で、前記二次空気量調整弁を閉じ側へ制御することができる。
【0019】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、酸化機能を有する触媒へ必要最低限の空気を供給することができるため、過給圧が早期に低下することを抑制し、長期に亘り酸化機能を有する触媒へ空気を供給することが可能となる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。ここでは、本発明に係る内燃機関を車両駆動用のディーゼル機関に適用した場合を例に挙げて説明する。
【0021】
図1は、本実施の形態に係るエンジンとその吸排気系の概略構成を示す図である。
【0022】
図1に示すエンジン1は、4つの気筒2を有する水冷式の4サイクル・ディーゼル機関である。
【0023】
エンジン1は、各気筒2の燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁3を備えている。各燃料噴射弁3は、燃料を所定圧まで蓄圧する蓄圧室(コモンレール)4と接続されている。
【0024】
前記コモンレール4は、燃料供給管5を介して燃料ポンプ6と連通している。この燃料ポンプ6は、エンジン1の出力軸(クランクシャフト)の回転トルクを駆動源として作動するポンプであり、該燃料ポンプ6の入力軸に取り付けられたポンププーリ6aがエンジン1の出力軸(クランクシャフト)に取り付けられたクランクプーリ1aとベルト7を介して連結されている。
【0025】
このように構成された燃料噴射系では、クランクシャフトの回転トルクが燃料ポンプ6の入力軸へ伝達されると、燃料ポンプ6は、クランクシャフトから該燃料ポンプ6の入力軸へ伝達された回転トルクに応じた圧力で燃料を吐出する。
【0026】
前記燃料ポンプ6から吐出された燃料は、燃料供給管5を介してコモンレール4へ供給され、コモンレール4にて所定圧まで蓄圧されて各気筒2の燃料噴射弁3へ分配される。そして、燃料噴射弁3に駆動電流が印加されると、燃料噴射弁3が開弁し、その結果、燃料噴射弁3から気筒2内へ燃料が噴射される。
【0027】
また、エンジン1には、吸気枝管8が接続されており、吸気枝管8の各枝管は、各気筒2の燃焼室と吸気ポート(図示省略)を介して連通している。
【0028】
前記吸気枝管8は、吸気管9に接続され、該吸気管9の途中には、排気の熱エネルギを駆動源として作動する遠心過給機(ターボチャージャ)15のコンプレッサハウジング15aが設けられている。
【0029】
前記吸気管9における吸気枝管8の直上流に位置する部位には、該吸気管9内を流通する吸気の流量を調節する吸気絞り弁10が設けられている。この吸気絞り弁10には、ステップモータ等で構成されて該吸気絞り弁10を開閉駆動する吸気絞り用アクチュエータ11が取り付けられている。
【0030】
このように構成された吸気系では、吸気は吸気管9を介してコンプレッサハウジング15aに流入する。
【0031】
コンプレッサハウジング15aに流入した吸気は、該コンプレッサハウジング15aに内装されたコンプレッサホイールの回転によって圧縮された後、吸気枝管8に流入する。吸気枝管8に流入した吸気は、各枝管を介して各気筒2の燃焼室へ分配され、各気筒2の燃料噴射弁3から噴射された燃料を着火源として燃焼される。
【0032】
一方、エンジン1には、排気枝管12が接続され、排気枝管12の各枝管が排気ポート1bを介して各気筒2の燃焼室と連通している。
【0033】
前記排気枝管12は、前記遠心過給機15のタービンハウジング15bと接続されている。前記タービンハウジング15bは、排気管13と接続され、この排気管13は、下流にてマフラー(図示省略)に接続されている。
【0034】
前記排気管13の途中には、吸蔵還元型NOx触媒を担持したパティキュレートフィルタ(以下、単にフィルタという。)14が設けられている。フィルタ14は吸蔵還元型NOx触媒を担持し、排気中の粒子状物質(以下、PMという。)を捕集するとともに、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のNOxを吸蔵(吸収、吸着)し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときは吸蔵していたNOxを還元する機能を有する。このフィルタ14の上流には、酸化機能を有する第1酸化触媒16が設けられている。また、フィルタ14と第1酸化触媒16との間には、流通する排気の温度に対応した電気信号を出力する第1排気温度センサ17が取り付けられている。更に、フィルタ14の下流には、酸化機能を有する第2酸化触媒18が設けられている。フィルタ14と第2酸化触媒18との間には、流通する排気の温度に対応した電気信号を出力する第2排気温度センサ19及び流通する排気の空燃比に対応した電気信号を出力する第1空燃比センサ20が取り付けられている。また、第2酸化触媒18の下流には、流通する排気の空燃比に対応した電気信号を出力する第2空燃比センサ21が取り付けられている。
【0035】
このように構成された排気系では、エンジン1の各気筒2で燃焼された混合気(既燃ガス)が排気ポート1bを介して排気枝管12へ排出され、次いで排気枝管12からフィルタ14上流の第1酸化触媒16へ流入する。この第1酸化触媒16では、還元剤の一部が酸化して排気の温度を上昇させることができ、後述するSOx被毒回復時に吸蔵還元型NOx触媒を昇温させることができる。また、還元剤によるフィルタ14の目詰まりを抑制することができる。第1酸化触媒16を通過した排気はフィルタ14へ流入し、該フィルタ14で排気中のPMが捕集され、またNOxが吸蔵される。フィルタ14から流出した排気は、下流の第2酸化触媒18へ流入する。該第2酸化触媒18では、炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)等を酸化させることができる。
【0036】
排気枝管12と吸気枝管8とは、排気枝管12内を流通する排気の一部を吸気枝管8へ再循環させるEGR通路(以下、EGR通路とする。)22を介して連通されている。このEGR通路22の途中には、電磁弁などで構成され、印加電力の大きさに応じて前記EGR通路22内を流通する排気(以下、EGRガスとする。)の流量を変更する流量調整弁(以下、EGR弁とする。)23が設けられている。
【0037】
このように構成されたEGR機構では、EGR弁23が開弁されると、EGR通路22が導通状態となり、排気枝管12内を流通する排気の一部が前記EGR通路22へ流入し、吸気枝管8へ導かれる。吸気枝管8へ還流されたEGRガスは、吸気枝管8の上流から流れてきた新気と混ざり合いつつ各気筒2の燃焼室へ導かれる。
【0038】
ここで、EGRガスには、水(H2O)や二酸化炭素(CO2)などのように、自らが燃焼することがなく、且つ、熱容量が高い不活性ガス成分が含まれているため、EGRガスが混合気中に含有されると、混合気の燃焼温度が低められ、以て窒素酸化物(NOx)の発生量が抑制される。
【0039】
一方、ターボチャージャ15と吸気絞り弁10との間の吸気管9には、二次空気導入管24の一端が接続されている。一方、フィルタ14と第2酸化触媒18との間の排気管13には、二次空気導入管24の他端が接続されている。この二次空気導入管24を介して吸気系と排気系とが連通されている。この二次空気導入管24の途中には、電磁弁などで構成され、印加電力の大きさに応じて前記二次空気導入管24内を流通する空気の流量を変更する二次空気量調整弁25が設けられている。
【0040】
このように構成された二次空気導入機構では、二次空気量調整弁25が開弁されると、二次空気導入管24が導通状態となる。排気系よりも吸気系の圧力が高い場合には、吸気管9内を流通する空気の一部が前記二次空気導入管24へ流入し、排気管13へ導入される。排気管13へ導入された空気は、排気管13の上流から流れてきた排気と混ざり合いつつ第2酸化触媒18へ流入する。
【0041】
また、ターボチャージャ15と吸気絞り弁10との間の吸気管9には、吸気を導入する吸気導入管26aの一端が接続され、フィルタ14と第2酸化触媒18との間の排気管13には、排気導入管26bの一端が接続される。吸気導入管26aの他端及び排気導入管26bの他端は差圧センサ26に接続されている。差圧センサ26は、吸気導入管26aから導入された吸気と、排気導入管26bから導入された排気との圧力差に対応した電気信号を出力する。
【0042】
尚、本実施の形態では、フィルタ14より上流の排気枝管12を流通する排気中に還元剤たる燃料(軽油)を添加する還元剤供給機構を備え、この還元剤供給機構から排気中へ燃料を添加することにより、フィルタ14に流入する排気の酸素濃度を低下させるとともに還元剤の濃度を高めるようにした。
【0043】
還元剤供給機構は、図1に示されるように、その噴孔が排気枝管12内に臨むように取り付けられ、後述するECU27からの信号により開弁して燃料を噴射する還元剤噴射弁28と、前述した燃料ポンプ6から吐出された燃料を前記還元剤噴射弁28へ導く還元剤供給路29と、を備えている。
【0044】
このような還元剤供給機構では、燃料ポンプ6から吐出された高圧の燃料が還元剤供給路29を介して還元剤噴射弁28へ印加される。そして、ECU27からの信号により該還元剤噴射弁28が開弁して排気枝管12内へ還元剤としての燃料が噴射される。還元剤噴射弁28から排気枝管12内へ噴射された燃料は、該排気枝管12の上流から流れてきた排気の酸素濃度を低下させる。
【0045】
その後、ECU27からの信号により還元剤噴射弁28が閉弁し、排気枝管12内への燃料の添加が停止される。
【0046】
このようにして、フィルタ14に燃料が供給された結果、フィルタ14に流入する排気は、比較的に短い周期で酸素濃度が変化することになる。これにより、フィルタ14に吸蔵されていた窒素酸化物(NOx)は還元される。
【0047】
以上述べたように構成されたエンジン1には、該エンジン1を制御するための電子制御ユニット(ECU:Electronic Control Unit)27が併設されている。このECU27は、エンジン1の運転条件や運転者の要求に応じてエンジン1の運転状態を制御するユニットである。
【0048】
ECU27には、各種センサが電気配線を介して接続され、上記した各種センサの出力信号がECU27に入力されるようになっている。一方、ECU27には、燃料噴射弁3、吸気絞り用アクチュエータ11、EGR弁23、二次空気量調整弁25、還元剤噴射弁28等が電気配線を介して接続され、これらを制御することが可能になっている。また、前記ECU27は、各種アプリケーションプログラム及び各種制御マップを記憶している。
【0049】
ところで、吸蔵還元型NOx触媒には燃料に含まれる硫黄分が燃焼して生成される硫黄酸化物(SOx)もNOxと同じメカニズムで吸蔵される。このように吸蔵されたSOxはNOxよりも放出されにくく、吸蔵還元型NOx触媒内に蓄積される。これをSOx被毒といい、NOx浄化率が低下するため、適宜の時期にSOx被毒から回復させる被毒回復処理を施す必要がある。この被毒回復処理は、吸蔵還元型NOx触媒を高温(例えば600乃至650℃程度)にしつつ燃料添加により酸素濃度を低下させた排気を吸蔵還元型NOx触媒に流通させて行われている。ここで、第1排気温度センサ17は、SOx被毒回復時にフィルタ14温度が所定温度(例えば600乃至650度)となっているか否か判定するために用いることができる。また、第2排気温度センサ19は、SOx被毒回復時にフィルタ14が過度に温度上昇したことを検出するために用いることができる。
【0050】
図2は、SOx被毒回復時にフィルタから放出されるSOxの濃度及びフィルタ内の空燃比の時間推移を示したタイムチャート図である。
【0051】
SOx被毒回復時には、ECU27は、フィルタ14に流入する排気中の酸素濃度を比較的に短い周期でスパイク的に低くする、燃料添加制御(所謂リッチスパイク制御)を実行する。
【0052】
燃料添加制御では、ECU27は、還元剤噴射弁28からスパイク的に還元剤たる燃料を噴射させるべく当該還元剤噴射弁28を制御することにより、フィルタ14に流入する排気の空燃比を一時的に所定の目標リッチ空燃比とする。
【0053】
具体的には、ECU27は、記憶されている機関回転数、機関負荷(アクセル開度)、エアフローメータ(図示省略)の出力信号値(吸入空気量)、第1空燃比センサ20の出力信号、燃料噴射量等を読み出す。
【0054】
ECU27は、前記した機関回転数と機関負荷と吸入空気量と燃料噴射量とをパラメータとして燃料添加量制御マップへアクセスし、排気の空燃比を予め設定された目標空燃比とする上で必要となる燃料の添加量(目標添加量)を算出する。
【0055】
続いて、ECU27は、前記目標添加量をパラメータとして還元剤噴射弁制御マップへアクセスし、還元剤噴射弁28から目標添加量の燃料を噴射させる上で必要となる還元剤噴射弁28の開弁時間(目標開弁時間)を算出する。
【0056】
還元剤噴射弁28の目標開弁時間が算出されると、ECU27は、還元剤噴射弁28を開弁させる。
【0057】
ECU27は、還元剤噴射弁28を開弁させた時点から前記目標開弁時間が経過すると、還元剤噴射弁28を閉弁させる。
【0058】
このように還元剤噴射弁28が目標開弁時間だけ開弁されると、目標添加量の燃料が還元剤噴射弁28から排気枝管12内へ噴射されることになる。そして、還元剤噴射弁28から噴射された燃料は、排気枝管12の上流から流れてきた排気と混ざり合って目標空燃比の混合気を形成して第1酸化触媒16及びフィルタ14に流入する。
【0059】
第1酸化触媒では、燃料が酸化され、そのときに熱が発生する。この熱により排気の温度が上昇し下流のフィルタ14の温度が上昇される。これにより、フィルタ14の温度は、SOx被毒回復に必要となる温度まで上昇する。
【0060】
一方、フィルタ14に流入する排気の空燃比は、比較的に短い周期で酸素濃度が変化することになる。フィルタ14では、温度の上昇とともに吸蔵還元型NOx触媒からSOxが放出され、以て、フィルタ14に担持された吸蔵還元型NOx触媒のSOx被毒を回復することが可能となる。
【0061】
尚、本実施の形態では、1回のリッチスパイクを複数回の燃料により形成させて、空燃比が過剰なリッチとならないようにしても良い。ここで、1回に多量の燃料を噴射させると空燃比が過リッチとなり、フィルタ14で燃料が反応しきれずに下流へ流出する虞がある。そこで、本実施の形態では、1回当たりの燃料噴射量を減量し且つ複数回噴射させることにより、過リッチを抑制しつつリッチ雰囲気を形成させるようにした。
【0062】
ここで、図3は、図2中のAで示した箇所に対応する還元剤噴射弁28の開閉信号を示した図である。還元剤噴射弁28は、信号がOFFのときに閉弁し、ONとなったときに開弁する。
【0063】
1回のリッチスパイクは、例えば17回の燃料噴射により形成されている。燃料噴射弁14の1回当たりの開弁時間は例えば60msで、その後例えば150msの間閉弁される。これを、17回繰り返すことにより、全体として1回のリッチスパイクが形成されている。このように、1回のリッチスパイクを複数回の燃料噴射により形成させると、空燃比が過剰にリッチとなることを抑制することができる。従って、フィルタ14で反応せずに下流へ流出する燃料を低減することが可能となる。また、リッチスパイクは、例えば7.5sのリッチ休止期間毎に形成されている。このリッチ休止期間により、フィルタ14の過熱を抑止することができ、フィルタ14の熱劣化を抑制することが可能となる。
【0064】
ところで、吸蔵還元型NOx触媒のSOx被毒を回復させるために、燃料が供給されると、前述のように吸蔵還元型NOx触媒からSOxが放出されるが、この放出されたSOxはリッチ雰囲気では硫化水素(H2S)になり易い。また、炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)等の還元成分が吸蔵還元型NOx触媒を通過して下流へ流出することがある。
【0065】
これに対し、下流に酸化触媒を設けて、炭化水素(HC)等を酸化させることも考えられるが、SOx被毒回復時では還元雰囲気となるため酸化触媒の酸化能力が著しく低下してしまう。
【0066】
ここで、従来の内燃機関の排気浄化装置では、吸蔵還元型NOx触媒の下流に酸化触媒を設け、該酸化触媒へ二次空気を供給していた。これにより、SOx被毒回復時においても酸化触媒の酸化能力を高めることができた。しかし、二次空気を供給するためにエアポンプが必要であったためコスト高となっていた。
【0067】
そこで、本実施の形態では、第2酸化触媒18の上流にターボチャージャ15で昇圧された過給空気を導入し、該第2酸化触媒18に流入する排気を酸化雰囲気にして、該第2酸化触媒18の酸化能力を高めるようにした。これにより、第2酸化触媒18にて一酸化炭素(CO)及び炭化水素(HC)並びに硫化水素(H2S)等を酸化させることが可能となる。
【0068】
ここで、SOx被毒回復は、吸気絞り弁10を閉じ側へ制御して、吸入空気量を減量させつつ空燃比を例えば20以下にして行われることが多い。このように、吸入空気量を減量させることにより、少量の燃料の添加で空燃比を低下させることができ、燃費を向上させることが可能となる。そして、SOx被毒回復時に吸入空気量が減少される運転状態では、過給機による過給は不要である。従って、機関の運転状態やSOx被毒回復にはほとんど影響を及ぼさずに吸気管内の圧縮された空気を二次空気として酸化触媒へ供給することができる。
【0069】
また、ターボチャージャ15により圧縮された空気を酸化触媒へ供給するため、空気を供給するためのポンプを設ける必要がない。
【0070】
尚、本実施の形態では、ターボチャージャ15から吸気絞り弁10までの間の吸気管9内の圧力と、フィルタ14から第2酸化触媒18までの間の排気管13内の圧力と、の差圧を検出し、排気管13内の圧力よりも吸気管9内の圧力が高い場合に限り二次空気量調整弁25を開弁させてSOx被毒回復を行う。
【0071】
ここで、図4は、SOx被毒回復時に各触媒から排出される排気の空燃比、炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)及び硫化水素(H2S)の量を示した図である。
【0072】
フィルタ14では、SOx被毒の回復のためにリッチ空燃比が必要となる。また、このときに、還元剤がフィルタ14を通過して、下流へ炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)が排出される。さらに、少量ではあるが、吸蔵還元型NOx触媒からSOxが放出され、リッチ雰囲気のため硫化水素(H2S)となって下流へ流出する。
【0073】
第2酸化触媒18では、二次空気の導入により最小空燃比が上昇し弱リーンとなる。このように、第2酸化触媒18では排気の空燃比は理論空燃比以上となるため炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)及び硫化水素(H2S)を酸化させることが可能となる。
【0074】
以上により、上流から吸蔵還元型NOx触媒を担持したフィルタ14、第2酸化触媒18の順に配置し、第2酸化触媒18上流から二次空気を導入することにより、SOx被毒回復時に吸蔵還元型NOx触媒から流出する炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)及び硫化水素(H2S)の酸化を行うことが可能となる。
【0075】
尚、本実施の形態では、SOx被毒回復制御時には、差圧センサ26及び第2空燃比センサ21の出力信号に基づいて、二次空気量調整弁25の開度をフィードバック制御するようにしても良い。ここで、SOx被毒回復は、軽負荷時に実施され、吸気絞り弁10は閉じ側へ制御されている。従って、排気の流量が減少するため、過給圧が上昇しにくくなる。このような状態で、二次空気量調整弁25を全開に開弁させると、吸気管9内の圧力が早期に低下するため、第2酸化触媒18へ長期間二次空気を供給することが困難となる。そこで、第2空燃比センサ21の出力信号から得られる空燃比がストイキよりも大きくなる範囲内で二次空気量調整弁25を閉じ側へ制御する。このような状態では、酸化雰囲気を維持できるため、第2酸化触媒18において炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)及び硫化水素(H2S)を酸化することが可能である。しかも、必要最低限の空気を供給するため、過給圧が早期に低下することを抑制でき、従って、長期に亘り二次空気を供給することが可能となる。
【0076】
また、本実施の形態では、吸気管9内の圧力と排気管13内の圧力との差圧が所定値以下となった場合に、二次空気量調整弁25を閉じ側へ制御しても良い。このようにして、過給圧の低下を抑制しつつ、二次空気を継続して供給することが可能となる。ここで、所定値とは、第2酸化触媒へ二次空気を供するために最低限必要となる差圧であって、予め実験等により求めておく。
【0077】
尚、本実施の形態では、第2酸化触媒18にセリア(Ce)等を含有させて酸素貯蔵能力を持たせても良い。第2酸化触媒18が酸素貯蔵能力を備えることにより弱リッチ空燃比又は理論空燃比の排気が第2酸化触媒18に流入すると、貯蔵されていた酸素が放出され、酸化雰囲気を容易に形成することが可能となる。このように、酸素貯蔵能力を備えることにより、酸化雰囲気を容易に形成することが可能ではあるが、酸素貯蔵量には限りがあるために、SOxの被毒量が多い場合には酸素量が不足してしまう。このような場合であっても、本実施の形態による二次空気の供給を併用することにより、長期間酸化雰囲気を形成することが可能となる。
【0078】
本実施の形態では、SOx被毒回復時にEGR弁23を閉じ側へ制御しても良い。このように、EGR弁23が閉じ側へ制御されると、機関に吸入される新気量が増加するため排気の温度が上昇する。これにより、排気のエネルギが上昇するため、ターボチャージャ15の過給圧を上昇させることができ、第2酸化触媒18へより多くの空気を供給することが可能となる。ここで、EGR弁23は全閉としても良い。
【0079】
また、本実施の形態では、ターボチャージャ15を吸気の過給圧を所望の圧力とすべくタービンホイール(図示省略)に吹き付けられる排気の流速をノズルベーン(図示省略)の開閉により可変とする可変容量型ターボチャージャとし、SOx被毒回復時には、該ターボチャージャのノズルベーンを閉じ側へ制御しても良い。
【0080】
可変容量型ターボチャージャは、ノズルベーンの回動方向と回動量とを調整することにより、ノズルベーン間の流路の向き、及びノズルベーン間の間隙を変更することが可能である。即ち、ノズルベーンの回動方向と回動量とを制御することにより、タービンホイールに吹き付けられる排気の方向と流速が調節されることになる。
【0081】
例えば、エンジン1からの排気の量が少ない場合は、ノズルベーンを閉じることにより、タービンホイールに吹き付けられる排気の流速が高まると共に、排気とタービンインペラ(図示省略)との衝突角度がより垂直に近づくため、少ない排気量でもタービンホイールの回転速度及び回転力を高めることが可能となる。
【0082】
一方、エンジン1からの排気の量が十分に多い場合は、ノズルベーンを開くことにより、タービンホイールに吹き付けられる排気の流速の過剰な上昇が制御され、タービンホイールの回転速度及び回転力の過剰な上昇を抑制することが可能となる。
【0083】
従って、本実施の形態では、SOx被毒回復時にノズルベーンを閉じ側へ制御することにより、過給圧を上昇させることができ、第2酸化触媒18へより多くの空気を供給することが可能となる。
【0084】
尚、本実施の形態では、還元剤を供給する方法として前記したように排気中への燃料添加を採用したが、その他に、再循環するEGRガス量を増大させて煤の発生量が増加して最大となった後に、更にEGRガス量を増大させる低温燃焼(特許第3116876号)、機関出力のための燃料を噴射させる主噴射の後の膨張行程若しくは排気行程中に再度燃料を噴射させる副噴射等の方法を採用しても良い。
【0085】
また、本実施の形態では、最下流の第2酸化触媒18は、例えば三元触媒のような酸化機能を有する他の触媒であっても良い。また、フィルタ14は、単に、吸蔵還元型NOx触媒であっても良い。更に、最上流の第1酸化触媒16は必ずしも必要ではない。
【0086】
本実施の形態では、SOx被毒回復時の二次空気の供給について説明したが、同様にして、吸蔵還元型NOx触媒に吸蔵されたNOxの還元時に二次空気を供給する場合に適用しても良い。即ち、二次空気の供給が可能である場合に限りリッチスパイク制御を行い、NOxの還元を行っても良い。
【0087】
以上述べたように、本実施の形態による内燃機関の排気浄化装置によれば、昇圧された吸気を酸化触媒へ供給することにより、SOx被毒回復時に流出する一酸化炭素(CO)及び炭化水素(HC)、更には硫化水素(H2S)等を酸化することができる。
【0088】
【発明の効果】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、上流からNOx触媒、酸化触媒の順に配設し、過給機で昇圧された空気を酸化触媒にのみ供給することができ、この空気の供給が可能な場合に限りSOx被毒回復を実施することができる。これにより、SOx被毒回復時に酸化触媒にて、一酸化炭素(CO)、炭化水素(HC)を酸化させ浄化することができ、更には硫化水素(H2S)等を酸化させてにおい成分を除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本実施の形態に係るエンジンとその吸排気系の概略構成を示す図である。
【図2】 SOx被毒回復時にフィルタから放出されるSOxの濃度及びフィルタ内の空燃比の時間推移を示したタイムチャート図である。
【図3】 図2中のAで示した箇所に対応する還元剤噴射弁の開閉信号を示した図である。
【図4】 SOx被毒回復時に各触媒から排出される排気の空燃比、炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)及び硫化水素(H2S)の量を示した図である。
【符号の説明】
1・・・・エンジン
1a・・・クランクプーリ
1b・・・排気ポート
2・・・・気筒
3・・・・燃料噴射弁
4・・・・コモンレール
5・・・・燃料供給管
6a・・・ポンププーリ
6・・・・燃料ポンプ
7・・・・ベルト
8・・・・吸気枝管
9・・・・吸気管
10・・・吸気絞り弁
11・・・吸気絞り用アクチュエータ
12・・・排気枝管
13・・・排気管
14・・・パティキュレートフィルタ
15・・・ターボチャージャ
15a・・コンプレッサハウジング
15b・・タービンハウジング
16・・・第1酸化触媒
17・・・第1排気温度センサ
18・・・第2酸化触媒
19・・・第2排気温度センサ
20・・・第1空燃比センサ
21・・・第2空燃比センサ
22・・・EGR通路
23・・・EGR弁
24・・・二次空気導入管
25・・・二次空気量調整弁
26・・・差圧センサ
26a・・吸気導入管
26b・・排気導入管
27・・・ECU
28・・・還元剤噴射弁
29・・・還元剤供給路
Claims (3)
- 内燃機関の排気系に設けられ還元剤の存在下でNOxを還元するNOx触媒と、
前記NOx触媒へ還元剤を供給する還元剤供給手段と、
前記NOx触媒の下流に設けられ酸化機能を有する触媒と、
過給機と、
前記NOx触媒から前記酸化機能を有する触媒までの排気系と前記過給機から内燃機関までの吸気系とを連通する二次空気導入管と、
前記二次空気導入管の流通面積を可変とし該二次空気導入管を流通する空気の量を調整する二次空気量調整弁と、
前記NOx触媒から前記酸化機能を有する触媒までの排気系と前記過給機から内燃機関までの吸気系との圧力差を検出する差圧検出手段と、
前記過給機から内燃機関までの吸気系の圧力が前記NOx触媒から前記酸化機能を有する触媒までの排気系の圧力よりも高いと前記差圧検出手段により検出されたときに限り前記NOx触媒へ還元剤を供給して硫黄被毒を回復させる硫黄被毒回復手段と、
内燃機関の排気系と吸気系とを連通し内燃機関から排出された排気の一部を内燃機関の吸気系へ還流させるEGR通路と、前記EGR通路内を流通するEGRガスの流量を調整するEGR弁と、
を備え、
前記二次空気導入管により二次空気の供給が行われている場合には、前記EGR弁を閉じ側へ制御することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 前記過給機は、吸気の過給圧を所望の圧力とすべくタービンホイールに吹き付けられる排気の流速をノズルベーンの開閉により可変とする可変容量型ターボチャージャであって、前記二次空気導入管により二次空気の供給が行われている場合には、前記ノズルベーンを閉じ側へ制御することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記酸化機能を有する触媒を流通する排気の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段を更に備え、前記硫黄被毒回復手段は、酸化機能を有する触媒を流通する排気の酸素濃度が酸化機能を有する触媒を活性させる濃度となる範囲内で、前記二次空気量調整弁を閉じ側へ制御することを特徴とする請求項1または2に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2002155366A JP3858763B2 (ja) | 2002-05-29 | 2002-05-29 | 内燃機関の排気浄化装置 |
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