JP3896923B2 - Exhaust purification device and exhaust purification method for internal combustion engine - Google Patents
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Description
【0001】
【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及び排気浄化方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃焼室内で燃焼せしめられる混合気の空燃比がリーンに維持される内燃機関の排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のNOXを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているNOXを還元して蓄えているNOXの量が減少するNOX触媒を配置し、NOX触媒内に蓄えられているイオウの量を減少させるために、NOX触媒に水素H2を供給するようにした内燃機関が公知である(特許第2780596号公報参照)。イオウはNOX触媒内に硫酸塩の形で蓄えられるところ、NOX触媒内に水素H2を供給すれば炭化水素HCや一酸化炭素COを供給するよりも容易に硫酸塩が分解する。そこでこの内燃機関では、NOX触媒に水素H2を供給するようにし、NOX触媒内に蓄えられているイオウの量が速やかに減少されるようにしている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の内燃機関では例えば水の電気分解を行う水素生成装置を必須とし、従って構成が複雑になるばかりかコストも増大する。
【0004】
そこで本発明の目的は、簡単な構成でもって、NOX触媒内に蓄えられているイオウの量を速やかに減少させることができる内燃機関の排気浄化装置及び排気浄化方法を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために1番目の発明によれば、燃焼室内で燃焼せしめられる混合気の空燃比がリーンに維持される内燃機関の排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のNOXを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているNOXを還元して蓄えているNOXの量が減少するNOX触媒を配置し、流入する排気ガスの空燃比がリッチのときに流入する排気ガス中の炭化水素から水素を生成する水素生成触媒をNOX触媒上流の排気通路内に配置し、NOX触媒内に蓄えられているイオウの量を減少させるべきときには、水素生成触媒内に流入する排気ガスの空燃比が一時的にリッチに切り替えられるように、水素生成触媒上流の排気通路内に炭化水素を供給するようにし、水素生成触媒とNO X 触媒間の排気通路内に炭化水素供給ノズルを配置し、NO X 触媒内に蓄えられているNO X を還元しかつNO X 触媒内に蓄えられているNO X の量を減少させるべきときには、NO X 触媒内に流入する排気ガスの空燃比が一時的にリッチに切り替えられるように、該炭化水素供給ノズルから水素生成触媒とNO X 触媒間の排気通路内に炭化水素を供給するようにしている。
【0006】
また、2番目の発明によれば1番目の発明において、水素生成触媒上流の排気通路内に炭化水素供給ノズルを配置し、該炭化水素供給ノズルから水素生成触媒上流の排気通路内に炭化水素を供給するようにしている。
【0008】
また、3番目の発明によれば1番目の発明において、前記NOX触媒が、流入する排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタ上に担持されている。
【0009】
また、前記課題を解決するために4番目の発明によれば、燃焼室内で燃焼せしめられる混合気の空燃比がリーンに維持される内燃機関の排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のNOXを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているNOXを還元して蓄えているNOXの量が減少するNOX触媒が配置されており、流入する炭化水素から水素を生成する水素生成触媒を用意し、NOX触媒内に蓄えられているイオウの量を減少させるべきときには、排気ガス中に炭化水素を供給すると共に、該炭化水素を含む排気ガスを水素生成触媒に接触させた後にNOX触媒内に流入せしめ、NOX触媒内に蓄えられているNOXを還元しかつNOX触媒内に蓄えられているNOXの量を減少させるべきときには、排気ガス中に炭化水素を供給すると共に、該炭化水素を含む排気ガスを水素生成触媒に接触させることなくNOX触媒内に流入せしめる、各段階を備えている。
【0010】
また、前記課題を解決するために5番目の発明によれば、燃焼室内で燃焼せしめられる混合気の空燃比がリーンに維持される内燃機関の排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のNOXを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているNOXを還元して蓄えているNOXの量が減少するNOX触媒を配置し、流入する排気ガスの空燃比がリッチのときに流入する排気ガス中の炭化水素から水素を生成する水素生成触媒をNOX触媒上流の排気通路内に配置し、水素生成触媒内に流入する排気ガスの空燃比がリッチになるように水素生成触媒上流の排気通路内に炭化水素を供給するための上流側炭化水素供給ノズルと、NOX触媒内に流入する排気ガスの空燃比がリッチになるように水素生成触媒とNOX触媒間の排気通路内に炭化水素を供給するための下流側炭化水素供給ノズルとを具備し、NOX触媒内に蓄えられているイオウの量を減少させるために上流側炭化水素供給ノズル又は下流側炭化水素供給ノズルから炭化水素を供給すると共に、NOX触媒内に蓄えられているイオウの量を減少させるために炭化水素を供給する炭化水素供給ノズルをこれら上流側炭化水素供給ノズルと下流側炭化水素供給ノズルとの間で選択的に切り替えるようにしている。
【0011】
また、6番目の発明によれば5番目の発明において、NOX触媒内に蓄えられているイオウの量を減少させるために炭化水素を供給する炭化水素供給ノズルをNOX触媒の温度に応じて選択的に切り替えるようにしている。
【0012】
また、7番目の発明によれば6番目の発明において、NOX触媒の温度が、NOX触媒から単位時間当たりに排出される硫化水素の量が許容最大量になる上限温度よりも低いときにはNOX触媒内に蓄えられているイオウの量を減少させるために上流側炭化水素供給ノズルから炭化水素を供給し、NOX触媒の温度が前記上限温度よりも高いときにはNOX触媒内に蓄えられているイオウの量を減少させるために下流側炭化水素供給ノズルから炭化水素を供給するようにしている。
【0013】
なお、本明細書では排気通路の或る位置よりも上流の排気通路、燃焼室、及び吸気通路内に供給された空気と、水素H2、炭化水素HC及び一酸化炭素COのような還元剤との比をその位置における排気ガスの空燃比と称している。
【0014】
【発明の実施の形態】
図1は本発明を圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。なお、本発明は火花点火式内燃機関にも適用することもできる。
【0015】
図1を参照すると、1は機関本体、2はシリンダブロック、3はシリンダヘッド、4はピストン、5は燃焼室、6は電気制御式燃料噴射弁、7は吸気弁、8は吸気ポート、9は排気弁、10は排気ポートを夫々示す。吸気ポート8は対応する吸気枝管11を介してサージタンク12に連結され、サージタンク12は吸気ダクト13を介して排気ターボチャージャ14のコンプレッサ15に連結される。吸気ダクト13内にはステップモータ16により駆動されるスロットル弁17が配置され、更に吸気ダクト13周りには吸気ダクト13内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置18が配置される。
【0016】
一方、排気ポート10は排気マニホルド19及び排気管20を介して排気ターボチャージャ14の排気タービン21に連結され、排気タービン21の出口は排気管20aを介してケーシング22aに接続され、ケーシング22aは排気管20bを介してケーシング23aに接続される。ケーシング22a内には後述する水素生成触媒22が収容され、ケーシング23a内には排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタ23bが収容される。このパティキュレートフィルタ23b上には後述するNOX触媒23が担持されている。更に、ケーシング23aには排気管20cが接続される。
【0017】
更に図1を参照すると、排気マニホルド19とサージタンク12とは排気ガス再循環(以下、EGRと称す)通路24を介して互いに連結され、EGR通路24内には電気制御式EGR制御弁25が配置される。また、EGR通路24周りにはEGR通路24内を流れるEGRガスを冷却するための冷却装置26が配置される。
【0018】
一方、各燃料噴射弁6は燃料供給管6aを介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール27に連結される。このコモンレール27内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ28から燃料が供給され、コモンレール27内に供給された燃料は各燃料供給管6aを介して燃料噴射弁6に供給される。コモンレール27にはコモンレール27内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ29が取付けられ、燃料圧センサ29の出力信号に基づいてコモンレール27内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ28の吐出量が制御される。
【0019】
更に、排気管20aには排気管20a内に炭化水素HCを供給するための上流側HC供給ノズル30uが取り付けられ、排気管20bには排気管20b内にHCを供給するための下流側HC供給ノズル30dが取り付けられる。本発明による実施例において、排気管20a,20b内に供給されるHCは燃料から形成されており、これらHC供給ノズル30u,30dは三方弁31を介して電気制御式の燃料ポンプ32に接続される。この三方弁31は燃料ポンプ32から吐出された燃料を、上流側HC供給ノズル30uと下流側HC供給ノズル30dとのうちいずれか一方に選択的に供給する。
【0020】
電子制御ユニット40はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス41によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)42、RAM(ランダムアクセスメモリ)43、CPU(マイクロプロセッサ)44、入力ポート45及び出力ポート46を具備する。燃料圧センサ29の出力信号は対応するAD変換器47を介して入力ポート45に入力される。NOX触媒23下流の排気管20cにはNOX触媒23から流出した排気ガスの温度を検出するための温度センサ48が取り付けられ、温度センサ48の出力電圧は対応するAD変換器47を介して入力ポート45に入力される。この排気ガスの温度はNOX触媒23の温度を表している。また、アクセルペダル50にはアクセルペダル50の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ51が接続され、負荷センサ51の出力電圧は対応するAD変換器47を介して入力ポート45に入力される。更に入力ポート45にはクランクシャフトが例えば30°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ52が接続される。
【0021】
一方、出力ポート46は対応する駆動回路53を介して燃料噴射弁6、ステップモータ16、EGR制御弁25、燃料ポンプ28,32、及び三方弁31にそれぞれ接続される。
【0022】
水素生成触媒22は例えば酸性質担体又はゼオライト担体上に担持された白金Ptのような貴金属を具備する。この水素生成触媒22は流入する排気ガスの空燃比がリッチのときに流入する排気ガス中のHCから水素H2を生成し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリーンであると、ほとんどH2を生成しない。
【0023】
具体的には、図2に示されるように、水素生成触媒22で単位時間当たり生成されるH2の量、即ち生成H2量は流入する排気ガスの空燃比がリッチになればなるほど、多くなる。水素生成触媒22内でどのようにしてH2が生成されるかは必ずしも明らかにされていないけれども、主として水蒸気改質(HC+H2O→CO2+H2)によるものと考えられている。
【0024】
一方、パティキュレートフィルタ23bの隔壁上即ち例えば隔壁の両側面及び細孔内壁面上には、NOX触媒23がそれぞれ担持されている。このNOX触媒23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、パラジウムPd、ロジウムRh、イリジウムIrのような貴金属とが担持されている。
【0025】
NOX触媒は流入する排気ガスの平均空燃比がリーンのときにはNOXを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているNOXを還元して蓄えているNOXの量を減少させる蓄積還元作用を行う。
【0026】
NOX触媒の蓄積還元作用の詳細なメカニズムについては完全には明らかにされていない。しかしながら、現在考えられているメカニズムを、担体上に白金Pt及びバリウムBaを担持させた場合を例にとって簡単に説明すると次のようになる。
【0027】
即ち、NOX触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもかなりリーンになると流入する排気ガス中の酸素濃度が大巾に増大し、酸素O2がO2 −又はO2−の形で白金Ptの表面に付着する。一方、流入する排気ガス中のNOは白金Ptの表面に付着し白金Ptの表面上でO2 −又はO2−と反応し、NO2となる(NO+O2→NO2+O*、ここでO*は活性酸素)。次いで生成されたNO2の一部は白金Pt上でさらに酸化されつつNOX触媒内に吸収されて酸化バリウムBaOと結合しながら、硝酸イオンNO3 −の形でNOX触媒内に拡散する。このようにしてNOXがNOX触媒内に蓄えられる。
【0028】
これに対し、NOX触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ又は理論空燃比になると、排気ガス中の酸素濃度が低下してNO2の生成量が低下し、反応が逆方向(NO3 −→NO+2O*)に進み、斯くしてNOX触媒内の硝酸イオンNO3 −がNOの形でNOX触媒から放出される。この放出されたNOXは排気ガス中に還元剤即ちHC,COが含まれているとこれらHC,COと反応して還元せしめられる。このようにして白金Ptの表面上にNOXが存在しなくなるとNOX触媒から次から次へとNOXが放出されて還元され、NOX触媒内に蓄えられているNOXの量が次第に減少する。
【0029】
なお、硝酸塩を形成することなくNOXを蓄え、NOXを放出することなくNOXを還元することも可能である。また、活性酸素O*に着目すれば、NOX触媒はNOXの蓄積及び放出に伴って活性酸素O*を生成する活性酸素生成触媒と見ることもできる。
【0030】
図1に示される内燃機関はリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われており、従って水素生成触媒22内及びNOX触媒23内を流通する排気ガスの空燃比はリーンに維持されている。その結果、排気ガス中のNOXはNOX触媒23内に蓄えられる。
【0031】
時間の経過と共にNOX触媒23内の蓄積NOX量は次第に増大する。そこで本発明による実施例では、例えばNOX触媒23内の蓄積NOX量QNが許容量QNUを越えたときにはNOX触媒23内に蓄えられているNOXを還元しNOX触媒23内の蓄積NOX量を減少させるために、NOX触媒23内に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチに切り替える蓄積NOX量減少制御を行うようにしている。
【0032】
ところで、排気ガス中にはイオウ分がSOXの形で含まれており、NOX触媒23内にはNOXばかりでなくSOXも蓄えられる。このSOXのNOX触媒23内への蓄積メカニズムはNOXの蓄積メカニズムと同じであると考えられる。即ち、担体上に白金Pt及びバリウムBaを担持させた場合を例にとって簡単に説明すると、NOX触媒23に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには上述したように酸素O2がO2 −又はO2−の形で白金Ptの表面に付着しており、流入する排気ガス中のSO2は白金Ptの表面に付着し白金Ptの表面上でO2 −又はO2−と反応し、SO3となる。次いで生成されたSO3は白金Pt上でさらに酸化されつつNOX触媒23内に吸収されて酸化バリウムBaOと結合しながら、硫酸イオンSO4 −の形でNOX触媒23内に拡散する。この硫酸イオンSO4 −は次いでバリウムイオンBa+と結合して硫酸塩BaSO4を生成する。
【0033】
この硫酸塩BaSO4は分解しにくく、NOX触媒23内に流入する排気ガスの空燃比をただ単にリッチにしてもNOX触媒23内の硫酸塩BaSO4の量は減少しない。このため、時間が経過するにつれてNOX触媒23内の硫酸塩BaSO4の量が増大し、その結果NOX触媒23が蓄えうるNOXの量が減少することになる。
【0034】
ところで、排気ガス中にはイオウ分がSOXの形で含まれており、NOX触媒23内にはNOXばかりでなくSOXも蓄えられる。このSOXのNOX触媒23内への蓄積メカニズムはNOXの蓄積メカニズムと同じであると考えられる。即ち、担体上に白金Pt及びバリウムBaを担持させた場合を例にとって簡単に説明すると、NOX触媒23に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには上述したように酸素O2がO2 −又はO2−の形で白金Ptの表面に付着しており、流入する排気ガス中のSO2は白金Ptの表面に付着し白金Ptの表面上でO2 −又はO2−と反応し、SO3となる。次いで生成されたSO3は白金Pt上でさらに酸化されつつNOX触媒23内に吸収されて酸化バリウムBaOと結合しながら、硫酸イオンSO4 −の形でNOX触媒23内に拡散する。この硫酸イオンSO4 −は次いでバリウムイオンBa+と結合して硫酸塩BaSO4を生成する。
【0035】
この硫酸塩BaSO4は分解しにくく、NOX触媒23内に流入する排気ガスの空燃比をただ単にリッチにしてもNOX触媒23内の硫酸塩BaSO4の量は減少しない。このため、時間が経過するにつれてNOX触媒23内の硫酸塩BaSO4の量が増大し、その結果NOX触媒23が蓄えうるNOXの量が減少することになる。
【0036】
ところが、NOX触媒23の温度を例えば550℃以上に維持しつつNOX触媒23に流入する排気ガスの平均空燃比を理論空燃比又はリッチにすると、NOX触媒23内の硫酸塩BaSO4が分解する。即ち、NOX触媒23内に流入する排気ガス平均空燃比が理論空燃比又はリッチにされたときに、排気ガス中に比較的多量のH2が含まれている場合には、主としてH2が硫酸塩BaSO4の還元剤として作用する。この場合、硫酸塩BaSO4はH2によって硫化水素H2Sに分解され、主としてH2Sの形でNOX触媒23から排出される。これに対し、排気ガス中にH2がほとんど含まれておらずHC,COが含まれている場合には、硫酸塩BaSO4はこれらHC,COによってSO3に分解され、この分解されたSO3は排気ガス中のHC,COと反応してSO2に還元せしめられ、SO2の形でNOX触媒23から排出される。
【0037】
いずれにしても、NOX触媒23内に硫酸塩BaSO4の形で蓄えられているSOXの量が次第に減少する。
【0038】
そこで本発明による実施例では、例えばNOX触媒23内の蓄積SOX量が許容量を越えたときには、NOX触媒23内の蓄積SOX量を減少させるために、NOX触媒23の温度を要求温度TS例えば550℃以上に維持する昇温制御を行いつつ、NOX触媒23に流入する排気ガスの平均空燃比を理論空燃比又はリッチに維持する蓄積SOX量減少制御を行うようにしている。
【0039】
なお、上述した昇温制御を実行するために、例えば内燃機関から排出される排気ガスの温度を上昇させてNOX触媒23の温度を上昇させることができる。或いは、例えばNOX触媒23の上流端に電気ヒータを配置して電気ヒータによりNOX触媒23又はNOX触媒23に流入する排気ガスを加熱することもできるし、NOX触媒23上流の排気通路内に燃料を二次的に噴射してこの燃料を燃焼させることによりNOX触媒23を加熱することもできる。
【0040】
図3はNOX触媒23内に流入する排気ガスの平均空燃比が一定のリッチになるように、NOX触媒23内に流入する排気ガス中に様々な還元剤を供給した場合の、NOX触媒23の蓄積SOX量の単位時間当たりの減少分、即ち減少SOX量を示す実験結果である。図3において、TEXはNOX触媒23内に流入する排気ガスの温度を表している。
【0041】
図3からわかるように、排気ガス中にH2を供給すると、一酸化炭素COやプロパンC3H6を用いた場合よりも、減少SOX量がかなり多くなり、しかも蓄積SOX量が減少し始める温度TEXが低くなる。
【0042】
従って、NOX触媒23内に流入する排気ガス中にH2が含まれていると、蓄積SOX量減少制御を比較的低い温度において、速やかに完了できるということになる。
【0043】
さて、本発明による実施例では、蓄積NOX量減少制御を行うべきときには、下流側HC供給ノズル30dから、NOX触媒23内に流入する排気ガスの空燃比がリッチになるように、HCが供給される。この場合、図4(A)に示されるように水素生成触媒22内を流通する排気ガスの平均空燃比はリーンに維持されながら、NOX触媒23内に流入する排気ガスの平均空燃比がリッチに切り替えられる。従って、NOX触媒23内に比較的多量のHCが流入し、このHCによりNOX触媒23内のNOXが還元され、斯くしてNOX触媒23内の蓄積NOX量が減少せしめられる。
【0044】
一方、蓄積SOX量減少制御を行うべきときには、上流側HC供給ノズル30uから、水素生成触媒22内に流入する排気ガスの平均空燃比がリッチになるように、HCが供給される。その結果、図4(B)に示されるように水素生成触媒22内に多量のHCが流入し、このHCの一部からH2が生成される。このH2と残りのHCとは次いでNOX触媒23内に流入する。このとき、NOX触媒23内に流入する排気ガスの平均空燃比はリッチに維持されており、従ってこれらH2及びHC、主としてH2により硫酸塩BaSO4が分解され、斯くしてNOX触媒23内の蓄積SOX量が減少せしめられる。
【0045】
このように蓄積SOX量減少制御を行うべきときに上流側HC供給ノズル30uからHCを供給するようにすると、NOX触媒23内に流入する排気ガス中にH2が含まれることになる。流入する排気ガス中にH2が含まれていると、図3を参照して説明したように硫酸塩が比較的容易に分解され、従って蓄積SOX量減少制御を速やかに完了することができる。また、昇温制御における要求温度を低くすることもできる。なお、図4に示されるHC量及びH2量はそれぞれの増減の傾向を表すに過ぎない。
【0046】
ところが、上流側HC供給ノズル30uからHCを供給すると、このHCの一部が水素生成触媒22内で流入する排気ガス中の酸素O2と反応するので、この分だけHCを有効に利用することができない。一方、NOX触媒23内に蓄えられているNOXはHCでもって比較的容易に還元される。
【0047】
そこで本発明による実施例では、蓄積NOX量減少制御を行うべきときには下流側HC供給ノズル30dからHCを供給するようにしている。図4に示される例では、蓄積SOX量減少制御において水素生成触媒22内に流入する排気ガスのリッチ度合いの方が、蓄積NOX量減少制御においてNOX触媒23内に流入する排気ガスのリッチ度合いよりも大きくなっている。
【0048】
従って、一般的に言うと、蓄積SOX量減少制御を行うべきときには、排気ガス中にHCを供給すると共に、HCを含む排気ガスを水素生成触媒22に接触させた後にNOX触媒23内に流入せしめ、蓄積NOX量減少制御を行うべきときには、排気ガス中にHCを供給すると共に、HCを含む排気ガスを水素生成触媒22に接触させることなくNOX触媒23内に流入せしめているということになる。
【0049】
一方、上流側HC供給ノズル30uからHCを供給すると、主としてH2が還元剤として作用し、下流側HC供給ノズル30dからHCを供給するとHCが還元剤として作用する。そうすると、本発明による実施例のようにHCを供給するのに用いられるHC供給ノズル30u,30dを切り替えるということは、NOX触媒23に供給される還元剤の種類を切り替えているという見方もできる。
【0050】
図5は上述したHC供給制御を実行するためのルーチンを示している。このルーチンは予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行される。
【0051】
図5を参照すると、まずステップ100ではNOX触媒23の蓄積SOX量減少制御を行うべきか否かが判別される。本発明による実施例では、NOX触媒23内の蓄積SOX量が許容量を越えてから、蓄積SOX量が下限値例えばほぼゼロになるまで、蓄積SOX量減少制御を行うべきと判断される。蓄積SOX量減少制御を行うべきでないときには次いでステップ101に進み、NOX触媒23の蓄積NOX量減少制御を行うべきか否かが判別される。本発明による実施例では、NOX触媒23内の蓄積NOX量が許容量を越えてから、蓄積NOX量が下限値例えばほぼゼロになるまで、蓄積NOX量減少制御を行うべきと判断される。蓄積NOX量減少制御を行うべきでないときには処理サイクルを終了し、NOX触媒23の蓄積NOX量減少制御を行うべきときには次いでステップ102に進み、下流側HC供給ノズル30dからHCが供給される。一方、蓄積SOX量減少制御を行うべきときにはステップ100からステップ103に進み、上流側HC供給ノズル30uからHCが供給される。
【0052】
次に、本発明による別の実施例を説明する。この別の実施例でも、蓄積SOX量減少制御を行うべきときには上流側HC供給ノズル30uからHCが供給される。
【0053】
しかしながら、蓄積SOX量減少制御が開始されてから一定時間の間は下流側HC供給ノズル30dからHCが供給され、NOX触媒23の温度Tが高いときにも下流側HC供給ノズル30dからHCが供給される。これは次の理由による。
【0054】
上述したように、上流側HC供給ノズル30uからHCを供給しながら蓄積SOX量減少制御を行うと、NOX触媒23からイオウがH2Sの形で排出されると考えられている。図6及び図7は、上流側HC供給ノズル30uからHCを供給しながら蓄積SOX量減少制御を行ったときに、NOX触媒23から単位時間当たり排出されるH2Sの量、即ち排出H2S量を示している。図6はNOX触媒23内に流入する排気ガスの平均空燃比をリッチに切り替えてからの排出H2S量の経時変化を示しており、図7はNOX触媒23の温度Tの変化に対する排出H2S量の変化を示している。なお、図6の矢印XはNOX触媒23内に流入する排気ガスの平均空燃比がリッチに切り替えられた時期を示している。
【0055】
図6に示されるように、NOX触媒23内に流入する排気ガスの平均空燃比がリッチに切り替えられると、即ち蓄積SOX量減少制御が開始されると、排出H2S量は急激に増大してピークに達し、次いで時間の経過と共に減少していく。この場合、概略的に言うと、排気ガスの平均空燃比がリッチに切り替えられてから時間tSの間は排出H2S量が許容最大量ULよりも多くなる。
【0056】
また、図7に示されるように、NOX触媒23の温度Tが高くなるにつれて排出H2S量が多くなり、NOX触媒温度Tが上限温度TUを越えると排出H2S量が許容最大量ULよりも多くなる。
【0057】
一方、下流側HC供給ノズル30dからHCを供給したときには、NOX触媒23内のSOXはSO2の形でNOX触媒23から排出され、H2Sの形ではほとんど排出されない。
【0058】
そこで、蓄積SOX量減少制御が開始されてから時間tSだけ経過するまでの間、及びNOX触媒23の温度Tが上限温度TUよりも高いときには、下流側HC供給ノズル30dからHCを供給するようにしている。
【0059】
従って、一般的に言うと、蓄積SOX量減少制御を行うためにHCを供給するHC供給ノズルを、NOX触媒23の温度T又は蓄積SOX量減少制御が開始されてからの経過時間に応じて、上流側HC供給ノズル30uと下流側HC供給ノズル30dとの間で選択的に切り替えているということになる。
【0060】
その上で、NOX触媒23の温度Tが、排出H2S量が許容最大量ULになる上限温度TUよりも低いときには蓄積SOX量減少制御を行うために上流側HC供給ノズル30uからHCを供給し、NOX触媒23の温度Tが上限温度TUよりも高いときには蓄積SOX量減少制御を行うために下流側HC供給ノズル30dからHCを供給するようにしているということになる。
【0061】
或いは、蓄積SOX量減少制御が開始されてからの経過時間が、排出H2S量が許容最大量ULを越える時間tSよりも短いときには蓄積SOX量減少制御を行うために下流側HC供給ノズル30dからHCを供給し、蓄積SOX量減少制御が開始されてから時間tSだけ経過したときには蓄積SOX量減少制御を行うために上流側HC供給ノズル30uからHCを供給するようにしているということになる。
【0062】
図8は上述した別の実施例によるHC供給制御を実行するためのルーチンを示している。このルーチンは予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行される。
【0063】
図8を参照すると、まずステップ120ではNOX触媒23の蓄積SOX量減少制御を行うべきか否かが判別される。蓄積SOX量減少制御を行うべきでないときには次いでステップ121に進み、NOX触媒23の蓄積NOX量減少制御を行うべきか否かが判別される。蓄積NOX量減少制御を行うべきでないときには処理サイクルを終了し、蓄積NOX量減少制御を行うべきときには次いでステップ122に進み、蓄積NOX量減少制御を行うために下流側HC供給ノズル30dからHCが供給される。
【0064】
一方、蓄積SOX量減少制御を行うべきときにはステップ120からステップ123に進み、NOX触媒23の蓄積SOX量減少制御が開始されてから時間tSだけ経過したか否かが判別される。時間tSだけ経過していないときには次いでステップ122に進み、蓄積SOX量減少制御を行うために下流側HC供給ノズル30dからHCが供給される。時間tSだけ経過したときには次いでステップ124に進み、NOX触媒23の温度Tが上限温度TU以下であるか否かが判別される。T≦TUのときには次いでステップ125に進み、蓄積SOX量減少制御を行うために上流側HC供給ノズル30uからHCが供給される。これに対し、T>TUのときには次いでステップ122に進み、蓄積SOX量減少制御を行うために下流側HC供給ノズル30dからHCが供給される。
【0065】
これまで述べてきた本発明による各実施例では、蓄積SOX量減少制御を行うべきときに、上流側HC供給ノズル30uのみからHCを供給するようにしている。しかしながら、蓄積SOX量減少制御を行うべきときに、上流側HC供給ノズル30uと下流側HC供給ノズル30dとの両方からHCを供給することもできる。
【0066】
また、これまで述べてきた本発明による各実施例では、水素生成触媒22内に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするために上流側HC供給ノズル30uからHCを供給するようにしている。しかしながら、燃焼室5から排出される排気ガスの空燃比をリッチにすることにより、水素生成触媒22内に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするようにしてもよい。この場合、燃焼室5内で燃焼せしめられる混合気の空燃比をリッチにすることもできるし、又は膨張行程又は排気行程に燃料噴射弁6から二次的に燃料を噴射することもできる。
【0067】
【発明の効果】
簡単な構成でもって、NOX触媒内に蓄えられているイオウの量を速やかに減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】内燃機関の全体図である。
【図2】水素生成触媒の生成H2量を示す線図である。
【図3】NOX触媒の減少SOX量を示す線図である。
【図4】本発明による実施例を説明するための線図である。
【図5】本発明の実施例によるHC供給制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図6】NOX触媒の排出H2S量を示す線図である。
【図7】NOX触媒の排出H2S量を示す線図である。
【図8】本発明の別の実施例によるHC供給制御ルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
1…機関本体
20a…排気管
22…水素生成触媒
23…NOX触媒
30u,30d…HC供給ノズル[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust gas purification apparatus and an exhaust gas purification method for an internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
NO in the exhaust gas flowing in when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the exhaust passage of the internal combustion engine in which the air-fuel ratio of the air-fuel mixture combusted in the combustion chamber is kept lean is leanXNO when storing the reducing agent in the exhaust gas when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing in decreasesXNO is being reduced and storedXNO decreases in quantityXPlace catalyst and NOXTo reduce the amount of sulfur stored in the catalyst, NOXHydrogen H as catalyst2There is known an internal combustion engine that supplies a gas (see Japanese Patent No. 2780596). Sulfur is NOXNO stored in the form of sulfate in the catalystXHydrogen H in the catalyst2Is more easily decomposed than hydrocarbon HC and carbon monoxide CO. Therefore, in this internal combustion engine, NOXHydrogen H as catalyst2To supply NOXThe amount of sulfur stored in the catalyst is quickly reduced.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the internal combustion engine described above requires, for example, a hydrogen generator that performs electrolysis of water, and thus the configuration is complicated and the cost is increased.
[0004]
Therefore, the object of the present invention is to provide a simple structure and NO.XAn object of the present invention is to provide an exhaust purification device and an exhaust purification method for an internal combustion engine that can quickly reduce the amount of sulfur stored in a catalyst.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, according to the first invention, the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the exhaust passage of the internal combustion engine in which the air-fuel ratio of the air-fuel mixture combusted in the combustion chamber is kept lean is lean. NO in exhaust gas sometimes flowing inXNO when storing the reducing agent in the exhaust gas when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing in decreasesXNO is being reduced and storedXNO decreases in quantityXNO is a hydrogen generation catalyst that generates hydrogen from hydrocarbons in the exhaust gas that flows in when the catalyst is arranged and the air-fuel ratio of the exhaust gas that flows in is richXNO in the exhaust passage upstream of the catalystXWhen the amount of sulfur stored in the catalyst is to be reduced, hydrocarbons in the exhaust passage upstream of the hydrogen generation catalyst are arranged so that the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the hydrogen generation catalyst is temporarily switched to rich. To supply, Hydrogen generation catalyst and NO X A hydrocarbon feed nozzle is placed in the exhaust passage between the catalysts and NO. X NO stored in the catalyst X NO and NO X NO stored in the catalyst X NO should be reduced when NO X From the hydrocarbon supply nozzle, the hydrogen generation catalyst and the NO are supplied so that the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the catalyst is temporarily switched to rich. X Supply hydrocarbons in the exhaust passage between the catalysts.ing.
[0006]
According to the second invention, in the first invention, a hydrocarbon supply nozzle is disposed in the exhaust passage upstream of the hydrogen generation catalyst, and hydrocarbons are introduced from the hydrocarbon supply nozzle into the exhaust passage upstream of the hydrogen generation catalyst. I am trying to supply.
[0008]
Also,3According to the second invention, in the first invention, the NOXA catalyst is supported on a particulate filter for collecting fine particles in the inflowing exhaust gas.
[0009]
In order to solve the above problems4According to the second aspect of the invention, in the exhaust gas passage of the internal combustion engine in which the air-fuel ratio of the air-fuel mixture combusted in the combustion chamber is maintained lean, the exhaust gas flowing in when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing in is lean. NOXNO when storing the reducing agent in the exhaust gas when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing in decreasesXNO is being reduced and storedXNO decreases in quantityXA catalyst is arranged, and a hydrogen generation catalyst for generating hydrogen from inflowing hydrocarbons is prepared, and NOXWhen the amount of sulfur stored in the catalyst is to be reduced, hydrocarbons are supplied into the exhaust gas, and the exhaust gas containing the hydrocarbons is brought into contact with the hydrogen generating catalyst, and then NO.XLet it flow into the catalyst, NOXNO stored in the catalystXNO and NOXNO stored in the catalystXWhen reducing the amount of NO, the hydrocarbons are supplied into the exhaust gas, and the exhaust gas containing the hydrocarbons is brought into contact with the hydrogen generation catalyst without contacting theXEach stage is introduced into the catalyst.
[0010]
In order to solve the above problems5According to the second invention, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture combusted in the combustion chamber is maintained in the exhaust passage of the internal combustion engine, and the exhaust gas flowing in when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing in is lean. NOXNO when storing the reducing agent in the exhaust gas when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing in decreasesXNO is being reduced and storedXNO decreases in quantityXNO is a hydrogen generation catalyst that generates hydrogen from hydrocarbons in the exhaust gas that flows in when the catalyst is arranged and the air-fuel ratio of the exhaust gas that flows in is richXAn upstream hydrocarbon supply nozzle disposed in the exhaust passage upstream of the catalyst and for supplying hydrocarbons into the exhaust passage upstream of the hydrogen generation catalyst so that the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the hydrogen generation catalyst becomes rich And NOXHydrogen generating catalyst and NO so that the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the catalyst becomes richXA downstream side hydrocarbon supply nozzle for supplying hydrocarbons into the exhaust passage between the catalysts, and NOXIn order to reduce the amount of sulfur stored in the catalyst, the hydrocarbon is supplied from the upstream hydrocarbon supply nozzle or the downstream hydrocarbon supply nozzle, and NO.XIn order to reduce the amount of sulfur stored in the catalyst, the hydrocarbon feed nozzle for feeding hydrocarbons is selectively switched between the upstream hydrocarbon feed nozzle and the downstream hydrocarbon feed nozzle. Yes.
[0011]
Also,6According to the second invention5In the second invention, NOXNo hydrocarbon feed nozzle to feed hydrocarbons to reduce the amount of sulfur stored in the catalystXSwitching is selectively performed according to the temperature of the catalyst.
[0012]
Also,7According to the second invention6In the second invention, NOXThe catalyst temperature is NOXNO when the amount of hydrogen sulfide discharged from the catalyst per unit time is lower than the upper limit temperature at which the allowable maximum amount is reachedXIn order to reduce the amount of sulfur stored in the catalyst, the hydrocarbon is supplied from the upstream hydrocarbon supply nozzle, and NOXNO when the temperature of the catalyst is higher than the upper limit temperatureXIn order to reduce the amount of sulfur stored in the catalyst, hydrocarbons are supplied from the downstream hydrocarbon supply nozzle.
[0013]
In this specification, the air supplied into the exhaust passage, the combustion chamber, and the intake passage upstream from a certain position of the exhaust passage, and the hydrogen H2The ratio of reducing agent such as hydrocarbon HC and carbon monoxide CO is called the air-fuel ratio of the exhaust gas at that position.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a case where the present invention is applied to a compression ignition type internal combustion engine. The present invention can also be applied to a spark ignition type internal combustion engine.
[0015]
Referring to FIG. 1, 1 is an engine body, 2 is a cylinder block, 3 is a cylinder head, 4 is a piston, 5 is a combustion chamber, 6 is an electrically controlled fuel injection valve, 7 is an intake valve, 8 is an intake port, 9 Is an exhaust valve, and 10 is an exhaust port. The intake port 8 is connected to a surge tank 12 via a corresponding intake branch pipe 11, and the surge tank 12 is connected to a
[0016]
On the other hand, the exhaust port 10 is connected to the
[0017]
Still referring to FIG. 1, the
[0018]
On the other hand, each
[0019]
Further, an upstream
[0020]
The
[0021]
On the other hand, the
[0022]
The
[0023]
Specifically, as shown in FIG. 2, H produced per unit time by the hydrogen production catalyst 22.2The amount of H2The amount increases as the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas becomes richer. How in the
[0024]
On the other hand, NO on the partition walls of the
[0025]
NOXThe catalyst is NO when the average air-fuel ratio of the exhaust gas flowing in is lean.XNO when storing the reducing agent in the exhaust gas when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing in decreasesXNO is being reduced and storedXAccumulation and reduction action to reduce the amount of.
[0026]
NOXThe detailed mechanism of the accumulation and reduction action of the catalyst has not been fully clarified. However, the mechanism currently considered can be briefly described as follows, taking as an example the case where platinum Pt and barium Ba are supported on a carrier.
[0027]
That is, NOXWhen the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the catalyst becomes considerably leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, the oxygen concentration in the inflowing exhaust gas greatly increases and oxygen O2Is O2 −Or O2-It adheres to the surface of platinum Pt. On the other hand, NO in the inflowing exhaust gas adheres to the surface of platinum Pt, and O on the surface of platinum Pt.2 −Or O2-Reacts with NO2(NO + O2→ NO2+ O*Where O*Is active oxygen). Then the generated NO2Part of the NO is being oxidized further on platinum PtXNitrate ion NO while being absorbed in the catalyst and combined with barium oxide BaO3 −NO in the form ofXIt diffuses into the catalyst. In this way NOXIs NOXStored in the catalyst.
[0028]
In contrast, NOXWhen the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the catalyst becomes rich or stoichiometric, the oxygen concentration in the exhaust gas decreases and NO2Production amount decreases and the reaction proceeds in the reverse direction (NO3 −→ NO + 2O*) And thus NOXNitrate ion NO in the catalyst3 −NO in the form of NOXReleased from the catalyst. This released NOXIf the exhaust gas contains a reducing agent, that is, HC or CO, it can be reduced by reacting with the HC and CO. In this way, NO on the surface of platinum Pt.XNO when no longer existsXNO from catalyst to nextXIs released and reduced, NOXNO stored in the catalystXThe amount of is gradually reduced.
[0029]
NO without forming nitrateXStore NOXNO without releasingXIt is also possible to reduce In addition, active oxygen O*If you pay attention to, NOXThe catalyst is NOXWith the accumulation and release of oxygen*It can also be regarded as an active oxygen generating catalyst that generates
[0030]
The internal combustion engine shown in FIG. 1 is continuously combusted under a lean air-fuel ratio.XThe air-fuel ratio of the exhaust gas flowing through the
[0031]
NO over timeXNO accumulated in
[0032]
By the way, sulfur content is SO.XIs included in the form of NOXNO in the
[0033]
This sulfate BaSO4Is difficult to decompose, NOXEven if the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the
[0034]
By the way, sulfur content is SO.XIs included in the form of NOXNO in the
[0035]
This sulfate BaSO4Is difficult to decompose, NOXEven if the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the
[0036]
However, NOXWhile maintaining the temperature of the
[0037]
In any case, NOXIn the
[0038]
Therefore, in the embodiment according to the present invention, for example, NO.XAccumulated SO in
[0039]
In order to execute the above-described temperature increase control, for example, the temperature of exhaust gas discharged from the internal combustion engine is increased to increase NO.XThe temperature of the
[0040]
3 is NOXNO so that the average air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the
[0041]
As can be seen from FIG. 3, H in the exhaust gas.2Carbon monoxide CO and propane C3H6Reduced SO than when usingXThe amount is quite large and the accumulated SOXThe temperature TEX at which the amount begins to decrease decreases.
[0042]
Therefore, NOXH in the exhaust gas flowing into the
[0043]
Now, in the embodiment according to the present invention, the accumulated NOXWhen the amount reduction control is to be performed, the downstream
[0044]
On the other hand, accumulated SOXWhen the amount reduction control is to be performed, HC is supplied from the upstream
[0045]
Accumulated SO in this wayXIf HC is supplied from the upstream
[0046]
However, when HC is supplied from the upstream
[0047]
Therefore, in the embodiment according to the present invention, the accumulated NOXWhen the amount reduction control is to be performed, HC is supplied from the downstream
[0048]
Therefore, generally speaking, the accumulated SOXWhen the amount reduction control is to be performed, HC is supplied into the exhaust gas, and the exhaust gas containing HC is brought into contact with the
[0049]
On the other hand, when HC is supplied from the upstream
[0050]
FIG. 5 shows a routine for executing the above-described HC supply control. This routine is executed by interruption every predetermined time.
[0051]
Referring to FIG. 5, first, in
[0052]
Next, another embodiment according to the present invention will be described. In this alternative embodiment, the accumulated SOXWhen the amount reduction control is to be performed, HC is supplied from the upstream
[0053]
However, accumulated SOXHC is supplied from the downstream
[0054]
As described above, the accumulated SO is supplied while supplying HC from the upstream HC supply nozzle 30u.XWhen volume reduction control is performed, NOXSulfur is H from
[0055]
As shown in FIG.XWhen the average air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the
[0056]
In addition, as shown in FIG.XAs the temperature T of the
[0057]
On the other hand, when HC is supplied from the downstream
[0058]
So, accumulated SOXFrom when the amount reduction control is started until the time tS has elapsed, and NOXWhen the temperature T of the
[0059]
Therefore, generally speaking, the accumulated SOXThe HC supply nozzle that supplies HC to perform volume reduction control is set to NO.XTemperature T or accumulated SO of
[0060]
On top of that, NOXThe temperature T of the
[0061]
Or accumulated SOXElapsed time from the start of volume reduction control is the discharge H2When the S amount is shorter than the time tS exceeding the allowable maximum amount UL, the accumulated SOXHC is supplied from the downstream
[0062]
FIG. 8 shows a routine for executing the HC supply control according to another embodiment described above. This routine is executed by interruption every predetermined time.
[0063]
Referring to FIG. 8, first in
[0064]
On the other hand, accumulated SOXWhen the amount reduction control is to be performed, the process proceeds from
[0065]
In each of the embodiments according to the present invention described so far, the accumulated SOXWhen the amount reduction control is to be performed, HC is supplied only from the upstream
[0066]
In each of the embodiments according to the present invention described so far, HC is supplied from the upstream
[0067]
【The invention's effect】
With simple configuration, NOXThe amount of sulfur stored in the catalyst can be quickly reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall view of an internal combustion engine.
[Fig. 2] Production H of hydrogen production catalyst2It is a diagram which shows quantity.
FIG. 3 NOXReduction of catalyst SOXIt is a diagram which shows quantity.
FIG. 4 is a diagram for explaining an embodiment according to the present invention.
FIG. 5 is a flowchart showing an HC supply control routine according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 NOXCatalyst discharge H2It is a diagram which shows S amount.
FIG. 7: NOXCatalyst discharge H2It is a diagram which shows S amount.
FIG. 8 is a flowchart showing an HC supply control routine according to another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... Engine body
20a ... exhaust pipe
22 ... Hydrogen production catalyst
23 ... NOXcatalyst
30u, 30d ... HC supply nozzle
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