JP4465799B2 - Exhaust gas purification device, exhaust gas purification method, and exhaust gas purification catalyst - Google Patents

Exhaust gas purification device, exhaust gas purification method, and exhaust gas purification catalyst Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジン等の排気通路に酸素過剰雰囲気でNOx(窒素酸化物)を吸収するNOx吸収材を配設して、空燃比がリーンな状態でも排気中のNOxを除去できるようにした排気ガス浄化装置および排気ガス浄化方法に関し、特に上記NOx吸収材の性能が低下したときに、その性能を復活させるようにした触媒の再生の技術分野に属する。
【0002】
【従来の技術】
エンジンの排気通路に、混合気の空燃比がリーンで排気ガス中の酸素濃度が高いときに排気ガス中のNOxを吸収し、酸素濃度が低下するとそのNOxを放出するNOx吸収材を設け、この放出されるNOxを還元浄化するようにしたものは一般に知られている。
【0003】
しかし、燃料やエンジンオイルに硫黄成分(S)が微量に含まれている場合、この硫黄成分が燃焼し排出されると、上記NOx吸収材は、排気ガス中のNOxよりもSOx(硫黄酸化物)を吸収し易く、しかも、一旦吸収すると排気ガス中の酸素濃度が低下してもそのSOxを殆ど放出しないので、時間の経過とともにSOxの吸収量が増大して、NOx吸収性能が徐々に低下する。
【0004】
このS被毒の問題に関し、特開平6−142458号公報には、NOx吸収材としてのBaにアルカリ金属、Fe、Ni、Co及びMgのうちの少なくとも1種を組み合わせると、Baの耐S被毒性の向上に有利であることが示唆されている。
【0005】
また、特開平10−118494号公報には、酸素過多雰囲気でもNOxを換言浄化するNOx浄化用触媒に関し、アルミナ担体に触媒金属としてPt及びRhを担持させるとともに、NOx親和性の高いKの他にCe、Sr、Mg等を担持させ、SOx存在下でも高いNOx浄化性能を得ることが記載されている。
【0006】
また、特開平10−274031号公報には、筒内直噴エンジンにおいて、その膨張行程で燃料を噴射することにより、排気ガス温度を上昇させてNOx吸収材に吸収されているSOxを脱離させることが記載されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、NOx吸収材が排気ガス中の硫黄成分を吸収してそのNOx吸収性能が低下したときに、硫黄成分を脱離させてその性能を復活させることにあり、特にNOx吸収材の構成を、所定の硫黄脱離手段を施したときに硫黄成分を脱離して再生し易いものにすることにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、図1に示すように、エンジン1の排気通路22に配設され、排気ガス中の酸素濃度が高い酸素過剰雰囲気で排気ガス中のNOx及び硫黄成分を吸収する一方、酸素濃度の低下によって上記吸収したNOxを放出するNOx吸収材25と、
上記NOx吸収材25への硫黄成分の吸収過剰状態を判定する硫黄過吸収判定手段aと、
上記硫黄過吸収判定手段aにより硫黄成分の吸収過剰状態が判定されたとき、上記NOx吸収材25の温度を高めるとともに、上記酸素濃度を低下させることによって、上記NOx吸収材25から硫黄成分を脱離させる硫黄脱離手段bとを備え、
上記硫黄脱離手段bは、燃料を上記エンジンの燃焼室へ吸気行程の始めから圧縮行程の終わりまでの間に少なくとも2回に分割して噴射するように燃料噴射弁を作動させる燃料噴射制御手段を備えてなり、
上記NOx吸収材25を構成する元素として、Sr、Mg及びLaのうちの少なくとも一種とBaとKとを具備し、且つ該NOx吸収材25が、セリア−ジルコニア複合酸化物又はセリアと、アルミナとに担持されていることを特徴とする。
【0009】
かかる構成により、NOx吸収材25に硫黄成分が過剰に吸収された後に、硫黄脱離手段bを働かせると、そのNOx吸収性能が硫黄成分を吸収する前の性能に近いところまで回復し易くなる。すなわち、そのNOx吸収材25は、回復(S被毒からの回復のこと。以下、同じ。)後のNOx吸収性能がBa単独でNOx吸収材を構成した場合に比べて高くなり、あるいは、高熱に晒されたときのNOx吸収性能の低下が少なくなる、つまり耐熱性が高くなる。この耐熱性の向上はNOx吸収材25の回復に有利に働く。この耐熱性向上とNOx吸収材25の回復との関係は次の通りである。
【0010】
すなわち、上記硫黄脱離手段bは、排気ガス中の酸素濃度を低下させるだけでなく、NOx吸収材25の温度を高めることによって該NOx吸収材25から硫黄成分を脱離させる。従って、NOx吸収材の耐熱性が低いものであれば、硫黄成分の脱離のために該NOx吸収材25の温度を高めることが難しくなり、本来の目的を達成することができない。これに対して、本発明の如く、NOx吸収材25の耐熱性が高くなれば、上記硫黄脱離手段bを有効に利用してそのNOx吸収性能を回復させることができる、ということになる。つまり、硫黄脱離処理時の熱によるNOx吸収材25の劣化を避けることができる。
【0011】
このように本発明によって、回復後のNOx吸収性能がBa単独でNOx吸収材を構成した場合に比べて高くなり、あるいは、耐熱性が高くなる理由は定かでないが、次のように考えられる。
【0012】
すなわち、Ba以外の他の元素(K、Sr、Mg又はLa)は、BaよりもS被毒を受け易く、そのために相対的にBaのS被毒が少なくなって、S被毒後のNOx吸収性能の低下が小さくなっていることがまず考えられる。これはBaの方が当該他の元素よりもNOx吸収性能が高い場合である。
【0013】
また、上記他の元素(K、Sr、Mg又はLa)は、BaよりもS被毒から回復し易く、そのために回復後のNOx吸収性能が高くなっていることが考えられる。すなわち、BaにSOxが化合した硫酸塩は安定であるが、上記他の元素の硫酸塩はBaの硫酸塩よりも不安定であって、酸素濃度が低い雰囲気で高温になると、SOxを脱離し易いと考えられる。あるいはBaと上記他の元素(K、Sr、Mg又はLa)とは複合酸化物を形成しうるが、硫黄被毒するときはBaと上記他の元素とが複合硫酸塩を形成し、それがあまり安定でないためにSOxを脱離して回復し易くなっていると考えられる。
【0014】
さらに、NOx吸収材25を構成する元素をBa単独として、その量を多くしてもS被毒前のNOx吸収性能及び回復後のNOx吸収性能はそれほど向上しないが、これはBa量がある量を越えて多くなってもその粒子径が大きくなるだけで比表面積は増大しないからであると考えられる。これに対して、Baと他の元素(K、Sr、Mg及びLaのうちの少なくとも一種)とを組み合わせた場合、それらの元素の性質の違いから各々が別個に存在し、比表面積ないしは反応サイトが増大するとともに、熱によるシンタリングを生じ難くなると考えられる。さらにNOx吸収材を構成する異なる元素間の相互作用により、硫黄が脱離し易くなる、と考えられる。
【0015】
また、上記NOx吸収材25を構成する元素として、Baの他にKを必須元素として含む。これにより、S被毒前のNOx吸収性能が高くなるとともに、S被毒を受けた時のNOx吸収性能の低下が小さくなり、また、回復後のNOx吸収性能も高くなる。BaとKとの重量比率は例えば、Ba:K=30:(1 〜30)が好ましい。
【0016】
Ba及び上記他の元素をハニカム形状等の担体に担持させる場合、担体1L当たりのBa担持量は10〜50g程度、さらには20〜40gが好ましく、上記他の元素については、その担持量をBa担持量と同程度かそれよりも少なくすることが好ましい。
【0017】
上記酸素濃度が高い酸素過剰の排気ガスとしては、例えばエンジンを空燃比A/F>16のリーン混合気(特にA/F=18〜50)で運転したときの排気ガス(酸素濃度4〜20%程度)がこれに相当する
【0018】
上記NOx吸収材25を構成する元素として、上記Ba、K及びMgを採用しこれらを、上記セリア−ジルコニア複合酸化物又はセリアと、アルミナとをサポート材としてハニカム形状等の担体に担持させる場合、担体1L当たりのBa担持量は10〜50gとすること、K担持量は1g以上とすること(上限は例えば15gとすること)、Mg担持量は3〜17gとすることが好ましい。また、Mg担持量は5〜15gとすること、さらには8〜12gとすることがより好ましい。これにより、耐熱性が得られるとともに、S被毒からの回復性も良くなる。BaとKとMgとの重量比率は例えば、Ba:K:Mg=30:(1〜30):(1〜30)が好ましい。
【0019】
上記NOx吸収材25を構成する元素として、上記Ba、K及びSrを採用しこれらを、上記セリア−ジルコニア複合酸化物又はセリアと、アルミナとをサポート材としてハニカム形状等の担体に担持させる場合、担体1L当たりのBa担持量及びK担持量は上記Ba−K−Mgの系と同様にして、Sr担持量を10〜20gとすることが好ましい。また、Sr担持量は13〜17gとすることがより好ましい。これにより、耐熱性が得られるとともに、S被毒からの回復性も良くなる。BaとKとSrとの重量比率は例えば、Ba:K:Sr=30:(1〜30):(1〜30)が好ましい。
【0020】
上記NOx吸収材25を構成する元素としては、Ba及びKの他にSrを含むことが好ましい。これにより、NOx吸収材25の耐熱性が高くなり、硫黄脱離処理時に熱劣化することを避けるうえで有利になる。
【0021】
上記NOx吸収材25を構成する元素としては、上記Ba、K及びSrの他にMg及びLaのうちの少なくとも一種を含むことが好ましい。これにより、NOx吸収材25の耐熱性が高くなり、硫黄脱離処理時に熱劣化することを避けるうえでさらに有利になる。
【0022】
上記NOx吸収材25を構成する元素としては、Ba及びKの他にMgを含むことが好ましい。これにより、NOx吸収材25の耐熱性が高くなり、硫黄脱離処理時に熱劣化することを避けるうえで有利になる。
【0023】
上記NOx吸収材25を構成する元素としては、上記Ba、K及びMgの他にLaを含むことが好ましい。これにより、NOx吸収材25の耐熱性が高くなり、硫黄脱離処理時に熱劣化することを避けるうえでさらに有利になる。
【0024】
上記硫黄脱離手段bによる上記NOx吸収材25の昇温は、排気ガス温度を高まることによって実現され、例えば排気ガス温度が500〜1100℃(好ましくは600〜1100℃)となるようにすれば、NOx吸収材25からの硫黄の脱離に有利になる。また、上記硫黄脱離手段bによる排気ガス中の酸素濃度の低下は、エンジンの空燃比を制御することによって実現することができ、例えばλ(酸素過剰率)が1付近となるように若しくは1以下となるようにすれば、排気ガス中の酸素濃度が0.5%以下になり、NOx吸収材25からの硫黄成分の脱離に有利になる。
【0025】
また、上述の分割噴射によって、排気ガス中のCO濃度を高めるようにしたから、NOx吸収材25からの硫黄成分の脱離にさらに有利になる。
【0026】
すなわち、NOx吸収材25がBaである場合、SOxはバリウム粒子の表面に硫酸塩の形態で吸着されており、この硫酸バリウムがCOの供給により次の反応が進行して、炭酸バリウムと二酸化硫黄とが生成すると考えられる。
【0027】
BaSO4+CO → BaCO3+SO2↑ (係数省略)
また、CO濃度が高くなると、このCOと排気中の水分との間でいわゆる水性ガスシフト反応が進み、これにより、触媒の反応サイトで水素が生成される。
【0028】
CO+H2O → H2+CO2
そして、この水素によりNOx吸収材25に吸着されている硫黄が硫化水素の形で脱離されるので、硫黄成分の脱離に有利になり、しかもこの水性ガスシフト反応は比較的低温でも進行するので、NOx吸収材25の温度を過度に高くしなくてもよい。
【0029】
また、上記NOx吸収材25への硫黄成分の吸収過剰状態を判定する硫黄過吸収判定手段aとしては、例えば、当該自動車の走行距離とその間に消費した燃料の総量とに基いて、さらにはその間のNOx吸収材25の温度状態を加味して、該NOx吸収材25のSOx吸収量を推定し、該推定量が所定値を越えたことをもって、硫黄成分の吸収過剰状態と判定するようにしたものを採用することができる。
【0030】
この出願の他の発明は、エンジンから排出されるNOx及び硫黄成分を含む排気ガスを浄化する排気ガス浄化方法であって、
上記排気ガスをその酸素濃度が高い酸素過剰状態にあるときに、Sr、Mg及びLaのうちの少なくとも一種とBaとKとを具備し且つセリア−ジルコニア複合酸化物又はセリアと、アルミナとに担持されているNOx吸収材に接触させることによって、該NOx吸収材に上記NOx及び硫黄成分を吸収させ、
上記NOx吸収材の硫黄成分吸収状態が所定の過剰吸収状態になったときに、燃料を上記エンジンの燃焼室へ吸気行程の始めから圧縮行程の終わりまでの間に少なくとも2回に分割して噴射するように燃料噴射弁を作動させて該NOx吸収材の温度を高めるとともに、上記排気ガス中の酸素濃度を低下させることによって、該NOx吸収材から上記硫黄成分を脱離させることを特徴とする。
【0031】
すなわち、このような方法によれば、上述の説明から明らかなように、NOx吸収材25のNOx吸収性能がS被毒によって低下したときに、その硫黄成分をNOx吸収材25から脱離させてNOx吸収性能を高いレベルまで回復させることが容易になり、NOxの浄化に有利になる。
【0032】
この出願のさらに他の発明は、エンジンの排気通路に配設され、排気ガス中の酸素濃度が高い酸素過剰雰囲気で排気ガス中のNOx及び硫黄成分を吸収する一方、酸素濃度の低下によって上記吸収したNOxを放出するNOx吸収材を備えている排気ガス浄化用触媒であって、
上記NOx吸収材を構成する元素が、Ba、K、MgSr及びLaを含み、これらがセリア−ジルコニア複合酸化物又はセリアと、アルミナとに担持されていることを特徴とする。
【0033】
すなわち、このような排気ガス浄化用触媒であれば、耐熱性が得られるとともに、S被毒からの回復性を高める上でも有利になる。この場合、Ba、K、Mg及びSrの一部はBa(x)-K(y)-Mg(z)-Sr(m)系の複合酸化物を形成していると考えられる。ここに、x、y、z及びmは構成原子数の比を表し、x+y+z+m=1とすると、x=0.3〜0.9、y=0.01〜0.5、z=0.01〜0.5、m=0.01〜0.7である。
【0034】
【発明の効果】
以上のように、この出願の排気ガス浄化装置に関する発明によれば、NOx吸収材が、Sr、Mg及びLaのうちの少なくとも一種とBaとKとを具備し、且つセリア−ジルコニア複合酸化物又はセリアと、アルミナとに担持され、該NOx吸収材への硫黄成分の吸収過剰状態を判定する手段と、該硫黄成分の吸収過剰状態が判定されたとき、NOx吸収材の温度を高めるとともに、排気ガス中の酸素濃度を低下させる硫黄脱離手段bとを備え、該硫黄脱離手段bは、燃料をエンジンの燃焼室へ吸気行程の始めから圧縮行程の終わりまでの間に少なくとも2回に分割して噴射するように燃料噴射弁を作動させる燃料噴射制御手段を備えてなるから、S被毒前のNOx吸収材のNOx吸収性能が高くなるとともに、S被毒を受けた時のNOx吸収性能の低下が小さくなり、また、NOx吸収材のS被毒からの回復に有利になり、NOx浄化性能の向上を図ることができる。
【0035】
また、この出願の排気ガス浄化方法に関する発明によれば、酸素過剰の排気ガスを、Sr、Mg及びLaのうちの少なくとも一種とBaとKとを具備し且つセリア−ジルコニア複合酸化物又はセリアと、アルミナとに担持されているNOx吸収材に接触させることによって、該NOx吸収材に上記NOx及び硫黄成分を吸収させ、該NOx吸収材が硫黄成分を過剰に吸収した状態になったときに、燃料を上記エンジンの燃焼室へ吸気行程の始めから圧縮行程の終わりまでの間に少なくとも2回に分割して噴射するように燃料噴射弁を作動させて、該NOx吸収材の温度を高めるとともに、上記排気ガス中の酸素濃度を低下させるようにしたから、S被毒前のNOx吸収材のNOx吸収性能が高くなるとともに、S被毒を受けた時のNOx吸収性能の低下が小さくなり、また、NOx吸収材をS被毒から回復させて、NOx吸収性能を高いレベルで維持することができ、NOxの浄化に有利になる。
【0036】
また、この出願の排気ガス浄化用触媒に関する発明によれば、NOx吸収材を構成する元素が、Ba、K、MgSr及びLaを含み、これらがセリア−ジルコニア複合酸化物又はセリアと、アルミナとに担持されているから、耐熱性が得られるとともに、S被毒前のNOx吸収材のNOx吸収性能が高くなり、S被毒を受けた時のNOx吸収性能の低下が小さくなり、S被毒からの回復性を高める上でも有利になる。
【0037】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【0038】
(エンジン全体構成)
図2は本発明の実施形態に係る排気ガス浄化装置Aを搭載したエンジンの全体構成を示す。同図において、1は例えば自動車に搭載された多気筒エンジンであり、各気筒2に嵌挿されたピストン3により該気筒2内に燃焼室4が区画形成されている。この燃焼室4の上壁における気筒軸心上の位置には、点火回路5に接続された点火プラグ6が燃焼室4に臨むように取り付けられている。また、上記燃焼室4の周縁部には、この燃焼室4に燃料を直接噴射するインジェクタ(燃料噴射弁)7が取り付けられている。
【0039】
上記インジェクタ7には、図示しないが、高圧燃料ポンプ、プレッシャレギュレータ等を有する燃料供給回路が接続されている。この燃料供給回路は、燃料タンクからの燃料を適正な圧力に調整しながら、インジェクタ7に供給するためのものであり、燃料圧力を検出する燃圧センサ8を備えている。そして、インジェクタ7により燃料が気筒2の圧縮行程後期に噴射されると、その燃料噴霧はピストン3の頂面に凹設したキャビティ(図示せず)にトラップされて、上記点火プラグ6近傍に比較的濃い混合気の層が形成される。一方、インジェクタ7により燃料が気筒2の吸気行程で噴射されると、その燃料噴霧は燃焼室4に拡散して吸気(空気)と混合されて、燃焼室4に均一な混合気が形成される。
【0040】
上記燃焼室4は、吸気弁9で開閉される吸気ポート(図示省略)を介して吸気通路10に連通されている。この吸気通路10は、エンジン1の燃焼室4に対しエアクリーナ11で濾過した吸気を供給するものであり、上流側から下流側に向かって順に、吸入空気量を検出するホットワイヤ式エアフローセンサ12と、吸気通路10を絞る電気式スロットル弁13と、サージタンク14とがそれぞれ配設されている。上記電気式スロットル弁13は、図外のアクセルペダルに対し機械的には連結されておらず、モータ15により駆動されて開閉するようになっている。さらに、上記スロットル弁13の開度を検出するスロットル開度センサ16と、サージタンク14内の吸気圧を検出する吸気圧センサ17とがそれぞれ設けられている。
【0041】
上記サージタンク14よりも下流側の吸気通路10は、気筒2毎に分岐する独立通路とされていて、その各独立通路の下流端部がさらに2つに分岐してそれぞれ吸気ポートに連通しており、その分岐路のうちの一方にスワール制御弁18が設けられている。このスワール制御弁18はアクチュエータ19により駆動されて開閉するものであり、スワール制御弁18が閉弁すると、吸気は他方の分岐路のみから燃焼室4に供給されて、その燃焼室4に強い吸気スワールが生成される一方、スワール制御弁18が開くに連れて、吸気スワールは弱められるようになっている。また、そのスワール制御弁18の開度を検出するスワール制御弁開度センサ20が設けられている。
【0042】
図2において22は燃焼室4から燃焼ガスを排出する排気通路で、この排気通路22の上流端は気筒2毎に分岐して、図示しない排気ポートにより排気弁23を介して燃焼室4に連通されている。この排気通路22には上流側から下流側に向かって順に、排気ガス中の酸素濃度を検出するOセンサ24と、排気ガスを浄化する触媒25とがそれぞれ配設されている。上記Oセンサ24の出力(起電力)は、図3に示すように、排気ガス中の酸素濃度が略理論空燃比に対応する濃度(約0.5%)になっているときに基準値E1になるが、それよりも濃い場合(リッチ側)には急増する一方、それよりも薄い場合(リーン側)には急減するようになっている。つまり、Oセンサ24は、その出力が理論空燃比を境にステップ状に反転するいわゆるラムダOセンサからなるものである。
【0043】
また、上記触媒25は、排気ガス中の酸素濃度が高い酸素過剰雰囲気でNOxを吸収する一方、酸素濃度の低下によって吸収したNOxを放出しかつ還元浄化するNOx吸収還元タイプのものである。このリーンNOx触媒25は、図4に示すように、コージェライト製のハニカム構造の担体25aを有し、その担体25aに形成された各貫通孔の壁面に内側触媒層25bと、その上の外側触媒層25cとが形成されている。
【0044】
さらに、上記Oセンサ24よりも上流側の排気通路22には、EGR通路26の上流端が接続され、その下流端は上記スロットル弁13とサージタンク14との間の吸気通路10に接続されていて、排気ガスの一部を吸気系に還流させるようになっている。このEGR通路26の下流端寄りにはその通路開度を調節する電気式のEGR弁27が配設されており、EGR通路26による排気の還流量(以下EGR量という)を調節するようになっている。このEGR通路26及びEGR弁27により、排気還流手段が構成されている。また、そのEGR弁27のリフト量を検出するリフトセンサ28が設けられている。
【0045】
上記点火プラグ6の点火回路5、インジェクタ7、電気式スロットル弁13の駆動モータ15、スワール制御弁18のアクチュエータ19、電気式EGR弁27等はコントロールユニット40(以下、ECUという)によって作動制御されるようになっている。一方、このECU40には、上記エアフローセンサ12、スロットル開度センサ16、吸気圧センサ17、スワール制御弁開度センサ20、Oセンサ24及びEGR弁27のリフトセンサ28の各出力信号が入力されており、加えて、エンジン1の冷却水温度(エンジン水温)を検出する水温センサ30、吸気温度を検出する吸気温センサ31、大気圧を検出する大気圧センサ32、エンジン回転数を検出する回転数センサ33、及びアクセルペダルの開度(アクセル操作量)を検出するアクセル開度センサ34の各出力信号が入力されている。
【0046】
(エンジン制御の概要)
この実施形態に係るエンジン1は、その運転状態に応じてインジェクタ7による燃料噴射の形態(燃料噴射時期及び空燃比等)が切替えられて、異なる燃焼状態で運転されるようになっている。すなわち、エンジン1の温間時には、例えば図5に示すように、低負荷低回転側の所定領域が成層燃焼領域とされ、図6に示すように、インジェクタ7により圧縮行程後期に燃料を一括して噴射させて、点火プラグ6の近傍に混合気が偏在する成層状態で燃焼させる燃焼モードになる。この成層燃焼モードでは、エンジン1のポンプ損失を低減するためにスロットル弁13の開度を大きくしており、このことで、燃焼室4の平均空燃比は大幅にリーンな状態(例えばA/F=30くらい)になる。
【0047】
一方、それ以外の運転領域は均一燃焼領域とされており、低負荷側のλ=1分割領域では、インジェクタ7により燃料を吸気行程と圧縮行程とでそれぞれ1回ずつ合計2回に分割して噴射させるとともに、燃焼室4における混合気の空燃比が略理論空燃比(A/F=14.7)になるように、燃料噴射量やスロットル開度等を制御する(以下、λ=1分割モードという)。また、均一燃焼領域における高負荷ないし高回転側のエンリッチ領域では、インジェクタ7により燃料を吸気行程前期に一括して噴射させるとともに、空燃比は理論空燃比よりもリッチな状態(例えばA/F=13〜14)にさせる(以下、エンリッチモードという)。
【0048】
また、上記図5の制御マップに斜線を入れて示す領域では、EGR弁27を開弁させて、EGR通路26により排気ガスの一部を吸気通路10に還流させるようにしている。尚、図示しないが、エンジン冷間時には燃焼安定性の向上のためにエンジン1の全ての運転領域を均一燃焼領域としている。
【0049】
より詳しくは、上記ECU40はエンジン出力に関係する各種制御パラメータとして、例えば、インジェクタ7による燃料噴射量及び噴射時期、スロットル弁13により調整される吸入空気量、スワール制御弁18により調整される吸気スワール強さ、EGR弁27により調整されるEGR量等をエンジン1の運転状態に応じて決定するようになっている。
【0050】
すなわち、まず、アクセル開度accel及びエンジン回転数neに基づいて、エンジン1の目標トルクtrqが演算される。この目標トルクtrqは予めベンチテスト等により、要求される出力性能が得られるようにアクセル開度accel及びエンジン回転数neとの対応関係が求められ、この対応関係がマップとしてECU40のメモリに記憶されていて、このマップから、実際のアクセル開度accel及びエンジン回転数neに対応する値が読み込まれる。上記アクセル開度accel及びエンジン回転数neと目標トルクtrqとの対応関係は、例えば、図7(a)に示すようになり、目標トルクtrqはアクセル開度accelが大きくなるに連れて増加し、かつエンジン回転数neが高いほど大きくなる。
【0051】
続いて、上記のように求めた目標トルクtrqとエンジン回転数neとに基づいて、運転モードが設定される。すなわち、例えばエンジン温間時には、図5に示すように、目標トルクtrqが所定の低負荷側しきい値trq*よりも低く且つエンジン回転数neが低いときには成層燃焼モードとされる一方、それ以外の運転状態では均一燃焼モードとされ、さらにこの場合は、目標トルクtrq及びエンジン回転数neに応じてλ=1分割モードかエンリッチモードかが選択される。
【0052】
続いて、上記運転モード別に目標空燃比afwが設定される。すなわち、成層燃焼モードやエンリッチモードでは目標トルクtrqとエンジン回転数neとに応じて、予め作成されているマップから目標空燃比afwを求め、また、λ=1分割モードでは目標空燃比afwを理論空燃比とする。そして、この目標空燃比afw、エンジン回転数ne及び上記目標トルクtrqに基づいて目標充填効率ceが演算され、さらに、この目標充填効率ceとエンジン回転数neとに応じて、予め作成されているマップ(図7(b)参照)からスロットル開度tvoが求められる。尚、エンジン回転数とスロットル開度との対応関係はEGRの有無によって異なり、スロットル開度tvoはEGRがある場合にはない場合よりも大きめにされる。
【0053】
また、エアフローセンサ12からの出力信号に基づいて、エンジン1の実充填効率ceが演算され、この実充填効率ceと上記目標空燃比afwとに基づいて、基本的な燃料噴射量qbaseが演算される。
【0054】
qbase = KGKF×ce/afw (但し、KGKFは換算用の係数)
これとともに、運転モード別に吸気行程噴射と圧縮行程噴射との燃料の分割比が設定され、成層燃焼モードでは吸気行程噴射割合が0%となる一方、エンリッチモードでは吸気行程噴射割合が100%となり、また、λ=1分割モードでは目標空燃比afw及びエンジン回転数neに応じて分割比が設定される。
【0055】
さらに、燃料噴射時期が上記運転モード別に設定され、図示しないが、成層燃焼モードでは目標トルクtrqとエンジン回転数neとに応じて予め作成されているマップから圧縮行程噴射用の噴射時期Inj_TTが求められる一方、均一燃焼モードではエンジン回転数neに応じて予め設定されているテーブルから吸気行程噴射用の噴射時期Inj_TLが求められる。また、分割噴射の場合には圧縮行程噴射用の噴射時期Inj_TTとして成層燃焼モードにおけるデータが流用されるとともに、目標空燃比afw及びエンジン回転数neに応じて予め作成されているマップから吸気行程噴射用の噴射時期Inj_TLが求められる。
【0056】
その他、エンジン1の点火時期も運転モード別に設定されており、成層燃焼モードでは、主に目標トルクtrqとエンジン回転数neとに基づいて基本点火時期が求められる一方、λ=1分割モードやエンリッチモードでは、基本点火時期は充填効率ceとエンジン回転数neとに基づいて求められ、この基本点火時期がエンジン水温等に基づいて補正される。さらに、上記スワール制御弁18も運転モード別に制御されるようになっており、成層燃焼モードでは、スワール制御弁18の開度は目標トルクtrqが大きいほど、またエンジン回転数neが高いほど大きくされる一方、λ=1分割モードやエンリッチモードでは、スワール制御弁18の開度は目標トルクtrqが大きいほど、またエンジン回転数neが高いほど小さくされる。尚、詳しくは後述するが、EGR量もエンジン1の運転状態に応じて、運転モード別に制御されるようになっている。
【0057】
(触媒の構成及びその再生)
この実施形態では、上述の如く、エンジン1を低負荷域で成層燃焼状態として、燃費の大幅な改善を図るとともに、その成層燃焼状態のように空燃比が極めてリーンな状態でも排気ガス中のNOxを低減できるように、いわゆる吸収還元タイプのリーンNOx触媒25を採用しており、この触媒25の浄化性能を安定して発揮させるために、触媒25におけるNOxの吸収量がある程度多くなれば、そのNOxを放出させて還元浄化するようにしている。また、排気ガスに含まれる僅かなSOxが徐々にNOx吸収材に吸収され、触媒25におけるSOx吸収量が時間の経過とともに徐々に増大して、NOx浄化性能が妨げられるようになれば、そのSOxを触媒25から強制的に脱離させるようにしている。
【0058】
上記リーンNOx触媒25の内側触媒層25bは、触媒金属とNOx吸収材とを多孔質のサポート材に担持させてなるものである。触媒金属としてはPtが採用され、NOx吸収材としては、K、Sr、Mg及びLaのうちの少なくとも一種とBaとが採用され、サポート材としてはアルミナ及びセリア−ジルコニア複合酸化物が採用されている。
【0059】
外側触媒層25cは、同じく触媒金属とNOx吸収材とを多孔質のサポート材に担持させてなるものであるが、触媒金属としてはPtとRhとを有し、NOx吸収材としては、K、Sr、Mg及びLaのうちの少なくとも一種とBaとを有し、サポート材としてはゼオライトが採用されている。
【0060】
尚、上記内側触媒層25bのサポート材としてゼオライトを用いてもよく、その場合には上記外側触媒層25cのサポート材として、アルミナ又はセリアを用いてもよい。さらに、上記触媒25として、図示しないが、担体の壁表面にアルミナやセリアがサポート層を形成し、このサポート材に、触媒金属とNOx吸収材とを担持した1層コートタイプのものを用いてもよい。
【0061】
上記NOxやSOxの脱離による触媒25の再生は、上記NOx吸収材への硫黄成分の吸収過剰状態が判定されたときに行なわれる。それは、燃焼室4の空燃比を略理論空燃比近傍に制御する一方、インジェクタ7による燃料の噴射を2分割することにより、排気ガスの温度を高めてNOx吸収材の温度を上昇させるとともに、該排気ガス中のCO濃度を大幅に高めることでなされる。また、そのときには、上記空燃比をリッチ側とリーン側とに交互に切り替わるように変化せることにより、排気ガス中のCO濃度やHC濃度を周期的に変動させるようにしている。
【0062】
−触媒再生のための燃料噴射制御等−
次に、上記の触媒25の再生のための制御手順を含む燃料噴射制御の具体的な処理手順を、図8〜図11に示すフローチャート図に沿って説明する。
【0063】
まず、図8に示すように、スタート後のステップSA1において、エアフローセンサ12、Oセンサ24,水温センサ30、回転数センサ33、アクセル開度センサ34等の各種センサ信号を受け入れるとともに、ECU40のメモリから各種データを入力する。続いて、ステップSA2において、上述の如く充填効率ceや目標空燃比afw等に基づいて基本燃料噴射量qbaseを演算して設定する。
【0064】
続いて、ステップSA3〜SA9の各ステップにおいて、吸気行程噴射及び圧縮行程噴射のそれぞれの噴射パルス幅τL,τTと、それぞれの噴射時期Inj_TL,Inj_TTとを運転モード別に求める。すなわち、ステップSA3ではλ=1分割モードかどうか判定し、YESならばステップSA4に進んで、上記基本燃料噴射量qbaseを分割比に応じて吸気行程と圧縮行程とに分け、その各噴射量に対応する噴射パルス幅τをインジェクタ7の流量特性に基づいて、それぞれ吸気行程噴射パルス幅τL=τL1、及び圧縮行程噴射パルス幅τT=τT2として設定する。続いて、ステップSA5において、吸気行程噴射及び圧縮行程噴射のそれぞれの噴射時期を設定する(Inj_TL=Inj_TL1、Inj_TT=Inj_TT1)。
【0065】
また、上記ステップSA3でλ=1分割モードではないNOと判定されたときは、ステップSA6に進んで成層燃焼モードかどうかを判定し、YESならばステップSA7に進んで、吸気行程噴射パルス幅τL=0とするとともに、圧縮行程噴射パルス幅τTを上記基本燃料噴射量qbaseに対応する値τT1とする。続いて、ステップSA8では、圧縮行程噴射の噴射時期を設定する(Inj_TT=Inj_TT2)。一方、上記ステップSA6で成層燃焼モードではないNOと判定されたときは、ステップSA9に進んでフューエルカット制御を行なうかどうか判定し、YESならばリターンする一方、NOならばステップSA10に進んで、吸気行程噴射パルス幅τLを上記基本燃料噴射量qbaseに対応する値τL1とするとともに、圧縮行程噴射パルス幅τT=0とし、続くステップSA11で、吸気行程噴射の噴射時期を設定する(Inj_TL=Inj_TL3)。
【0066】
図8のステップSA5,SA8,SA11に続いて、図9に示すステップSB1では、触媒25におけるNOx吸収量を推定する。この推定は例えば、最後にNOxの放出を促す制御(NOx放出制御)を行なってからの走行距離とその間に消費した燃料の総量とに基づいて行ない、その推定結果に基づいて、続くステップSB2において、NOx吸収量が予め設定した所定値以上になったかどうか、即ち、NOxの吸収過剰状態か否か判定する。この判定がYESであればステップSB3に進み、NOx放出制御を行なう期間であることを示すフラグF1をオンにする(F1=1)。尚、上記ステップSB2において、エンジン1の加速運転時にはNOx吸収量に拘わらずYESと判定して、後述のNOx放出制御を行なうようにしてもよい。
【0067】
続いて、ステップSB4では、初期値0の第1タイマ値T1をインクリメントし、続くステップSB5において、この第1タイマ値T1が予め設定したしきい値T10以上になったか否か判定する。この判定がYESであれば、NOx放出制御を行なう期間は終了したと判定してステップSB11,SB12に進み、フラグF1をクリアして(F1=0)、第1タイマをリセットする(T1=0)。一方、ステップSB5の判定がNOであればステップSB6に進み、このステップSB6〜SB9の各ステップにおいて、Oセンサ24からの信号に基づくフィードバック制御演算を行なう。
【0068】
すなわち、上記ステップSB6では、Oセンサ24からの出力Eを理論空燃比に対応する基準値E1と比較する。出力Eが基準値E1よりも大きいYESであればステップSB7に進み、フィードバック補正値τCL,τCTを各々の前回値からそれぞれ定数α、βを減算して今回値とする演算を行なう。一方、上記出力Eが基準値E1以下のNOであればステップSB8に進み、フィードバック補正値τCL,τCTの前回値に定数α、βを加算して、今回値を求める。
【0069】
続いて、ステップSB9では、燃焼室4の空燃比が理論空燃比になるように実充填効率ceに応じて求めた噴射パルス幅τL4,τT4と、上記ステップSB7,SB8で求めたフィードバック補正値τCL,τCTとに基づいて、NOx放出制御時の吸気行程及び圧縮行程噴射パルス幅τL,τTをそれぞれ演算するとともに、それらの噴射時期を改めて設定する。
【0070】
τL = τL4+τCL、 Inj_TL = Inj_TL4
τT = τT4+τCT、 Inj_TT = Inj_TT4
つまり、Oセンサ24からの出力Eが基準値E1よりも大きい間は、空燃比は理論空燃比よりもリッチなので、制御のサイクル毎に吸気及び圧縮行程での燃料噴射量を一定量α,βずつ徐々に減少させて、空燃比をリーン側に変化させる。一方、上記出力Eが基準値E1よりも小さくなれば、今度は空燃比がリーンになったので、燃料噴射量を徐々に増大させて、空燃比をリッチ側に変化させるようにしている。尚、上記ステップSB7〜SB9では、吸気行程及び圧縮行程噴射量を両方共にフィードバック補正するようにしているが、吸気行程噴射量だけをフィードバック補正するようにしてもよい。吸気行程での燃料噴射量を変更しても、燃焼状態や排気ガスへの悪影響は少ないからである。
【0071】
また、上記ステップSB2で、NOと判定されたときはステップSB10に進んでフラグF1の状態を判別して、フラグがオンであれば(F1=1)、NOx放出制御を行なう期間であると判定して上記ステップSB4に進む一方、フラグがオフであれば(F1=0)、NOx放出制御を行なう期間でないと判定して上記ステップSB11,SB12に進む。
【0072】
図9のステップSB9,SB12に続いて、図10に示すステップSC1では、今度は、触媒25のS被毒の度合い、即ちSOx吸収量を推定する。この推定も上記ステップSB1におけるNOx吸収量の推定と同様に、最後にSOxの脱離を促す制御(SOx脱離制御)を行なってからの走行距離とその間に消費した燃料の総量とに基づいて、その間の触媒の温度状態を加味して行なう。その推定結果に基づいて、続くステップSC2において、SOx吸収量が予め設定した所定値以上になったかどうか、即ち、SOxの吸収過剰状態か否か判定する。ここで、排気ガス中の硫黄成分は僅かなので、通常、SOx吸収過剰状態になるまでの走行距離は、NOx吸収過剰状態になるまでの走行距離よりもはるかに長い。
【0073】
上記ステップSC2における判定がYESであればステップSC3に進み、SOx脱離制御を行なう期間であることを示すフラグF2をオンにする(F2=1)。そして、ステップSC4では排気温度thg、即ち触媒25の温度状態を推定する。この推定は、主に推定時の実充填効率ceとエンジン回転数neとに基づいて、且つこれに推定前の所定時間内における成層燃焼モードでの運転時間や、分割噴射を行なった時間を加味して行なうが、排気温度thgは、充填効率やエンジン回転数が高いほど高くなるとともに、分割噴射によっても高くなる傾向がある。一方、成層燃焼モードでは排気温度thgがかなり低くなるので、成層燃焼モードでの運転時間が長いほど触媒25の温度状態は低くなる。
【0074】
続いて、ステップSC5では、排気温度thgが設定温度thg0(例えば450℃)以上か否か判別し、この判別がNOならば図11のステップSD1に進む一方、判別がYESならばステップSC6に進んで、SOx脱離制御を実行する。このように排気温度がある程度高いときにのみSOx脱離制御を行なうようにするのは、触媒25の温度状態がある程度以上に高くならないと、SOxの脱離性が良好にならないためである。
【0075】
ステップSC6では、初期値0の第2タイマ値T2をインクリメントし、ステップSC7において、この第2タイマ値T2が予め設定したしきい値T20以上になったか否か判別する。この判定がNOである間はステップSC8〜SC11に進み、Oセンサ24からの信号に基づくフィードバック制御演算を行なう。このフィードバック制御演算の具体的な手順は図9のステップSB6〜SB9と同じなので説明は省略する。そして、上記しきい値T20に対応する時間が経過して、触媒25からSOxが十分に脱離すれば、上記ステップSC7の判定がYESになってステップSC12に進み、フラグF2をクリアして(F2=0)、図11のステップSD1に進む。
【0076】
一方、上記ステップSC2でNOと判定されると、ステップSC13に進んでフラグF2の状態を判別し、それがオンであれば(F2=1)、SOx脱離制御を行なう期間であるとして上記ステップSC4に進む一方、オフであれば(F2=0)、SOx脱離制御を行なう期間でないとしてステップSC14,SC15に進み、フラグF2をクリアするとともに(F2=0)、第2タイマをリセットして(T2=0)、図11のステップSD1に進む。
【0077】
上記ステップSC5,SC12,SC15に続いて、図11のステップSD1では、まず吸気行程噴射パルス幅τLが零であるか否か判別して、それがYESあれば(τL=0)ステップSD4に進む一方、NOであれば(τL≠0)ステップSD2に進んで、吸気行程噴射時期Inj_TLのタイミングになったか否か判別する。そして、噴射タイミングになるまで待機して、噴射タイミングになれば(ステップSD2でYES)、ステップSD3に進んでインジェクタ7により吸気行程噴射を実行する。続いて、ステップSD4〜SD6の各ステップにおいて、上記と同様に圧縮行程噴射を実行し、しかる後にリターンする。
【0078】
よって、上記図10に示すフローのステップSC1,SC2は、触媒25におけるSOxの吸収量が所定以上多いSOx吸収過剰状態であることを判定する硫黄過吸収判定手段40aを構成している。また、ステップSC8〜SC11は、上記硫黄過吸収判定手段40aによりSOx吸収過剰状態が判定されたときに上記触媒25のNOx吸収材からSOxを脱離させる硫黄脱離手段40bを構成している。
【0079】
すなわち、上記硫黄脱離手段40bは、排気温度thgが設定温度thg0以上のときに、空燃比を理論空燃比付近に制御して排気ガス中の酸素濃度を低下させるとともに、理論空燃比よりもリッチ側とリーン側とに交互に変化するように周期的に変動させる一方、インジェクタ7により燃料を気筒の吸気行程及び圧縮行程でそれぞれ1回ずつ2分割して噴射させることで、触媒25を高温状態に保持し、かつ排気ガス中のCO濃度を大幅に増大させるとともに、燃料噴射量を増量補正することによってもCO濃度を増大させる、というものになっている。
【0080】
(EGR制御)
次に、EGR制御の処理手順を図12に示すフローチャート図に沿って具体的に説明すると、スタート後のステップSE1において、エアフローセンサ12、回転数センサ33等の各種センサ信号を受け入れるとともに、ECU40のメモリから各種データを入力する。続くステップSE2において、実充填効率ce及びエンジン回転数neに基づいて目標EGR率を演算し、この目標EGR率になるようなEGR量を基本EGR量EGRbとして設定する。尚、上記目標EGR率は、予めベンチテスト等により充填効率ce及びエンジン回転数neとの対応関係が求められ、この対応関係がマップとしてECU40のメモリに記憶されている。
【0081】
続いて、ステップSE3では、第1フラグF1の値に基づいて、NOx放出制御を行なう期間かどうか判定し、この判定がYESであればステップSE5に進む一方、判定がNOであればステップSE4に進んで、今度は第2フラグF2の値に基づいて、SOx脱離制御を行なう期間かどうか判定する。この判定がYESであればステップSE5に進んで、EGR量を増減補正する補正値EGRcの値を所定値γ(γ<0)とする一方、判定がNOであればステップSE6に進み、補正値EGRcの値を零にする(EGRc=0)。そして、ステップSE5又はステップSE6に続いて、ステップSE7では、上記基本EGR量EGRbと補正値EGRcとを加算して最終的なEGR量EGRtを演算し、続くステップSE8において、EGR弁27に制御信号を出力して、上記最終的なEGR量EGRtに対応する開度になるように駆動し、しかる後にリターンする。
【0082】
つまり、上述の如く、NOx放出制御又はSOx脱離制御の少なくとも一方を行ない、インジェクタ7による燃料噴射量をフィードバック制御することにより、燃焼室4の空燃比を理論空燃比近傍に維持する間は、EGR量がやや少なくなるように、EGR弁27の開度を補正している。
【0083】
−作用効果−
次に、上記実施形態の作用効果を説明する。
【0084】
このエンジン1は、例えば図13に示すように、加速運転状態では燃料噴射量が増量されて、λ=1分割モードかエンリッチモードで運転され、このときには触媒25に吸収されているNOxが放出されて還元浄化される。また、定常運転状態が続くと、最後にNOxを放出してからの走行距離とその間の燃料消費量とに基づいて、触媒25のNOx吸収過剰状態が判定されて(フラグF1=1)、図9のフローに示すようなNOx放出制御が行なわれる。
【0085】
一方、例えば、自動車の走行距離が数千kmに及んだときには、エンジン1の運転中に触媒25にSOxが徐々に蓄積されることによりNOxの吸収性能が低下する虞れがある。その場合、図10のフローに示すように、エンジン1の運転中に硫黄過吸収判定手段によりSOxの吸収過剰状態が判定されて、フラグF2がオンになると(図13参照)、このときに触媒25が高温状態(例えば450℃以上)になっていれば、SOx放出制御が行なわれる。
【0086】
このNOx放出及びSOx放出は、いずれも燃料の2分割噴射と空燃比の理論空燃比近傍でのフィードバック制御とによって実行され、排気ガス中の酸素濃度が低下するとともに、排気ガス中のCO濃度やHC濃度が大幅に増大し且つ周期的に変動し、さらには排気温度が上昇することで、触媒25からのNOx及びSOxの脱離が促進される。
【0087】
すなわち、インジェクタ7により燃料が2分割して噴射されることで、まず、各気筒2の吸気行程で噴射された一部の燃料が燃焼室4に均一に拡散して希薄な混合気を形成する一方、圧縮行程で噴射された残りの燃料が点火プラグ6の近傍に過濃混合気を形成する。そして、この過濃混合気部分では着火直後の初期燃焼速度は速いものの、酸素が不足しているので、局所的な不完全燃焼によりCOが生成しやすい状態になる。一方、その周囲の希薄混合気部分における燃焼は緩慢になり、燃料の一部が燃焼しきらないうちに排出されることで、後燃えにより排気温度が上昇するとともに、COはますます生成しやすくなる。さらに、燃料噴射の分割によりインジェクタ7の開弁回数が増えると、開弁初期に噴射される粒の粗い燃料液滴の割合が増えるので、このことによっても、COが生成しやすくなる。
【0088】
また、インジェクタ7による燃料噴射量が増量されて、燃焼室4の空燃比が略理論空燃比になるように制御されることで、排気ガス中のCOやHCといった還元剤成分の濃度が高まるとともに、上記の燃料噴射量がOセンサ24からの信号に基づいてフィードバック補正されることで、空燃比がリッチ側とリーン側とに交互に変化するように周期的に変動するので、排気ガス中のCO、HC等の濃度は周期的に変動する。このことで、触媒25に吸着されているNOxやSOxへのCO、HC等の働きかけが強まり、触媒25からのNOxやSOxの放出が促進されることになる。
【0089】
この結果、触媒25からSOxを十分に脱離させるのに要する時間、即ちそのためだけに空燃比を略理論空燃比に制御する時間が短縮されるので、燃費の悪化を最小限度に抑えながら、触媒25を十分に再生してNOx除去性能を安定確保することができる。
【0090】
NOxの放出について
具体的には、触媒25において、NOxはNOx吸収材(Ba粒子等)の表面に硝酸塩の形態で吸着されており、この硝酸塩の硝酸根がCOの供給により置換されて、炭酸塩と二酸化窒素とが生成すると考えられる。例えばBa粒子の場合は次の通りである。
【0091】
Ba(NO+CO → BaCO+NO↑ (係数省略)
そして、触媒金属上で二酸化窒素がHCやCO等と反応して還元浄化される。
【0092】
NO +HC+CO → N+HO+CO (係数省略)
つまり、触媒25からNOxが放出されて還元浄化されるので、触媒25は再び排気ガス中のNOxを十分に吸収できる状態になる(触媒の再生)。
【0093】
ここで、上記触媒25では、外側触媒層25cのゼオライトにより排気ガス中のCOやHCが吸着保持されるために、上記のように放出されるNOxを確実に還元浄化することができるとともに、触媒25からのNOxの放出量が少なくなっても、COやHCが大気中に排出されない。従って、触媒25に吸収されているNOxの殆どを放出させる、つまりは、触媒25を十分に再生させることができる。
【0094】
また、上記外側触媒層25cにはPt及びRhが担持されているので、比較的低い温度状態(例えば200〜250℃)でも、NOを有効に還元分解することができる。このことは、この実施形態のようにエンジン1を成層燃焼状態で運転するものには特に有利になる。そのような成層燃焼では空燃比が極めてリーンになって排気温度がかなり低くなるからである。
【0095】
SOxの放出について
次に、上記触媒25のS被毒からの回復、つまり再生について説明すると、触媒25において、SOxはNOxと同様にNOx吸収材(Ba粒子等)の表面に硫酸塩の形態で吸着されており、この硫酸塩の硫酸根がCOの供給により置換されて、炭酸塩と二酸化硫黄とが生成すると考えられる。例えば、Ba粒子の場合は次の通りである。
【0096】
BaSO+CO → BaCO+SO↑ (係数省略)
また、CO濃度が高くなると、このCOと排気ガス中の水分HOとの間でいわゆる水性ガスシフト反応が進み、これにより、触媒の反応サイトで水素が生成される。
【0097】
CO+HO → H+CO
そして、この水素の働きによりSOxが硫化水素の形態で脱離されるので、このことによっても、触媒25からの硫黄成分の脱離が促進される。この水性ガスシフト反応は比較的低温でも進行するものなので、触媒25の温度状態をあまり高くしなくても、SOxの脱離を促進することができる。
【0098】
さらに、上記触媒25の外側触媒層25cにはゼオライトが担持されており、このゼオライトにより排気ガス中のHCが部分酸化されてHCOやCOに変わるので、内側触媒層25bのNOx吸収材表面に吸着されているSOxに作用するCOの濃度はさらに増大する。
【0099】
また、Ba以外の他の元素(K、Sr、Mg又はLa)がBaよりもS被毒を受け易いものであれば、そのために相対的にBaのS被毒が少なくなって、S被毒後のNOx吸収性能の低下が小さくなる。上記他の元素(K、Sr、Mg又はLa)がBaよりもS被毒から回復し易いものであれば、回復後のNOx吸収性能が高くなる。さらに、上記他の元素(K、Sr、Mg又はLa)の存在が当該NOx吸収材の比表面積ないしは反応サイトの増大に結びつくとき、当該NOx吸収材のNOx吸収性能が高くなる。また、そのような他の元素がBaの熱によるシンタリングを妨げるものとして働くとき、当該NOx吸収材の上記硫黄脱離処理による熱劣化が避けられる。
【0100】
(具体例)
−例1−
Pt−Rh/MFI触媒粉の形成
ジニトロジアミン白金の水溶液と硝酸ロジウムの水溶液とを、Pt担持量(担持量は後述するハニカム担体に担持させたときの担体1L当たりの乾燥重量のこと。以下、同じ。)が0.5g/Lとなり、Rh担持量が0.006g/Lとなるように秤量して混合し、これをMFI型ゼオライト(SiO/Al =80)と合わせて、スプレードライ法による噴霧乾固を行ない、さらに乾燥及び焼成を施すことによって触媒粉を形成した。該触媒粉におけるPt及びRhを合わせた量は約2.5wt%である。乾燥は150℃の温度で1時間行ない、焼成は540℃の温度で2時間行なった。なお、この乾燥条件及び焼成条件は以下の説明における「乾燥」及び「焼成」も同じである。
【0101】
混合溶液(含浸用)の調製
ジニトロジアミン白金硝酸塩の水溶液と酢酸バリウムの水溶液とを、Pt担持量が6.0g/Lとなり、Ba担持量が30g/Lとなるように秤量し混合してなる混合溶液を調製した。
【0102】
内側コート層の形成
γーアルミナとCeO−ZrO複合酸化物とアルミナバインダとを、γ−アルミナ担持量が150g/Lとなり、その複合酸化物担持量が150g/Lとなり、そのバインダ担持量が30g/Lとなるように秤量して混合し、これにイオン交換水を添加することによってスラリーを調製した。このスラリーにコージェライト製ハニカム担体(容量25mL、担体1L当りの重量420g/L)を浸漬して引き上げ、余分なスラリーを吹き飛ばす、という方法によって、該スラリーを担体にウォッシュコートした。次いでこれに乾燥及び焼成を施すことによって内側コート層を形成した。
【0103】
外側コート層の形成
上記Pt−Rh/MFI触媒粉とアルミナバインダとを、該触媒粉担持量が20g/Lとなり、該バインダ担持量が4g/Lとなるように秤量して混合し、これにイオン交換水を添加することによってスラリーを調製し、このスラリーを上記内側コート層が形成されている担体にウォッシュコートし、これに乾燥及び焼成を施すことによって外側コート層を形成した。
【0104】
含浸工程
上記混合溶液を上記担体の内外のコート層に含浸させ、これに乾燥及び焼成を施した。
【0105】
従って、当該触媒の場合、Ptは外側コート層のPt−Rh/MFI触媒粉によって0.5g/L担持され、上記混合溶液によって6.0g/L担持されているから、Pt総担持量は6.5g/Lとなる。
【0106】
得られた触媒の不純物量は1%未満である。この点は以下に述べる他の例の触媒も同じである。
【0107】
−例2−
上記混合溶液として、ジニトロジアミン白金硝酸塩の水溶液と酢酸バリウムの水溶液とを、Pt担持量が6.0g/Lとなり、Ba担持量が50g/Lとなるように秤量し混合してなるものを用いる他は例1と同じ条件・方法によって触媒を調製した。本例の場合も、Ptは外側コート層のPt−Rh/MFI触媒粉によって0.5g/L担持され、上記混合溶液によって6.0g/L担持されているから、Pt総担持量は6.5g/Lとなる。
【0108】
−例3−
上記混合溶液として、ジニトロジアミン白金硝酸塩、酢酸バリウム、酢酸ストロンチウム及び酢酸ランタンの各水溶液を、Pt担持量が6.0g/L、Ba担持量が30g/L、Sr担持量が10g/L、La担持量が10g/Lとなるように秤量し混合してなるものを用いる他は例1と同じ条件・方法によって触媒を調製した。本例の場合も、Ptは外側コート層のPt−Rh/MFI触媒粉によって0.5g/L担持され、上記混合溶液によって6.0g/L担持されているから、Pt総担持量は6.5g/Lとなる。
【0109】
−例4−
上記混合溶液として、ジニトロジアミン白金硝酸塩、酢酸バリウム、酢酸マグネシウム及び酢酸ランタンの各水溶液を、Pt担持量が6.0g/L、Ba担持量が30g/L、Mg担持量が10g/L、La担持量が10g/Lとなるように秤量し混合してなるものを用いる他は例1と同じ条件・方法によって触媒を調製した。本例の場合も、Ptは外側コート層のPt−Rh/MFI触媒粉によって0.5g/L担持され、上記混合溶液によって6.0g/L担持されているから、Pt総担持量は6.5g/Lとなる。
【0110】
−例5−
上記混合溶液として、ジニトロジアミン白金硝酸塩、酢酸バリウム、酢酸カリウム及び酢酸ストロンチウムの各水溶液を、Pt担持量が6.0g/L、Ba担持量が30g/L、K担持量が10g/L、Sr担持量が10g/Lとなるように秤量し混合してなるものを用いる他は例1と同じ条件・方法によって触媒を調製した。本例の場合も、Ptは外側コート層のPt−Rh/MFI触媒粉によって0.5g/L担持され、上記混合溶液によって6.0g/L担持されているから、Pt総担持量は6.5g/Lとなる。
【0111】
−例6−
上記混合溶液として、ジニトロジアミン白金硝酸塩、酢酸バリウム、酢酸ストロンチウム及び酢酸マグネシウムの各水溶液を、Pt担持量が6.0g/L、Ba担持量が30g/L、Sr担持量が10g/L、Mg担持量が10g/Lとなるように秤量し混合してなるものを用いる他は例1と同じ条件・方法によって触媒を調製した。本例の場合も、Ptは外側コート層のPt−Rh/MFI触媒粉によって0.5g/L担持され、上記混合溶液によって6.0g/L担持されているから、Pt総担持量は6.5g/Lとなる。
【0112】
−例7−
上記混合溶液として、ジニトロジアミン白金硝酸塩、酢酸バリウム、酢酸カリウムの各水溶液を、Pt担持量が6.0g/L、Ba担持量が30g/L、K担持量が10g/Lとなるように秤量し混合してなるものを用いる他は例1と同じ条件・方法によって触媒を調製した。本例の場合も、Ptは外側コート層のPt−Rh/MFI触媒粉によって0.5g/L担持され、上記混合溶液によって6.0g/L担持されているから、Pt総担持量は6.5g/Lとなる。
【0113】
−例8−
上記混合溶液として、ジニトロジアミン白金硝酸塩、酢酸バリウム、酢酸カリウム及び酢酸マグネシウムの各水溶液を、Pt担持量が6.0g/L、Ba担持量が30g/L、K担持量が10g/L、Mg担持量が10g/Lとなるように秤量し混合してなるものを用いる他は例1と同じ条件・方法によって触媒を調製した。本例の場合も、Ptは外側コート層のPt−Rh/MFI触媒粉によって0.5g/L担持され、上記混合溶液によって6.0g/L担持されているから、Pt総担持量は6.5g/Lとなる。
【0114】
−例9−
上記混合溶液として、ジニトロジアミン白金硝酸塩、酢酸バリウム、酢酸カリウム及び酢酸ランタンの各水溶液を、Pt担持量が6.0g/L、Ba担持量が30g/L、K担持量が10g/L、La担持量が10g/Lとなるように秤量し混合してなるものを用いる他は例1と同じ条件・方法によって触媒を調製した。本例の場合も、Ptは外側コート層のPt−Rh/MFI触媒粉によって0.5g/L担持され、上記混合溶液によって6.0g/L担持されているから、Pt総担持量は6.5g/Lとなる。
【0115】
−例10−
上記混合溶液として、ジニトロジアミン白金硝酸塩、酢酸バリウム、酢酸カリウム、酢酸ストロンチウム、酢酸マグネシウム及び酢酸ランタンの各水溶液を、Pt担持量が6.0g/L、Ba担持量が30g/L、K担持量が10g/L、Sr担持量が10g/L、Mg担持量が10g/L、La担持量が10g/Lとなるように秤量し混合してなるものを用いる他は例1と同じ条件・方法によって触媒を調製した。本例の場合も、Ptは外側コート層のPt−Rh/MFI触媒粉によって0.5g/L担持され、上記混合溶液によって6.0g/L担持されているから、Pt総担持量は6.5g/Lとなる。
【0116】
−例11−
上記混合溶液として、ジニトロジアミン白金硝酸塩、酢酸ロジウム、酢酸バリウム、酢酸カリウム、酢酸ストロンチウム及び酢酸マグネシウムの各水溶液を、Pt担持量が6.5g/L、Rh担持量が0.1g/L、Ba担持量が30g/L、K担持量が6g/L、Sr担持量が10g/L、Mg担持量が10g/Lとなるように秤量し混合してなるものを用いる他は例1と同じ条件・方法によって触媒を調製した。
【0117】
本例の場合、当該触媒には、Ptは外側コート層のPt−Rh/MFI触媒粉によって0.5g/L担持され、上記混合溶液によって6.5g/L担持されているから、Pt総担持量は3.5g/Lとなり、RhについてもPt−Rh/MFI触媒粉によって0.006g/L担持され、上記混合溶液によって0.1g/L担持されているから、Rh総担持量は0.106g/Lとなる。
【0118】
−各触媒の評価テスト−
NOx浄化率の測定方法
NOx浄化率の測定方法は次の通りである。すなわち、各触媒を固定床流通式反応評価装置に取り付け、表1にガス組成Aで示す空燃比リーンの模擬排気ガスを触媒にNOx浄化率が安定するまで流す。次に模擬排気ガスを表1にガス組成Bで示す空燃比リッチのものに切り換えて3分間流すことにより、先にNOx吸収材に吸収されたNOxを脱離させる。しかる後に模擬排気ガスを上記ガス組成Aのものに切り換え、この切換時点から130秒間のNOx浄化率(リーンNOx浄化率)を測定する。
【0119】
このNOx浄化率の測定温度(触媒入口ガス温度)は350℃又は450℃である。空間速度SVは例11を除いて他の例はいずれの温度の場合も55000h−1である。例11では空間速度を25000h−1とした。また、NOx浄化率の測定は、触媒に劣化処理を施していないフレッシュのもの、触媒にSO処理(S被毒劣化処理)を施した後のもの、SO処理後に再生処理を行なった後のもの、並びに熱劣化処理を行なった後のものについて行なった。SO処理、再生処理及び熱劣化処理の条件は次の通りである。
【0120】
SO処理
SO処理は、固定床流通式反応評価装置に取り付けた触媒に対して、表1にガス組成Cで示す模擬排気ガスを60分間流す、というものである。触媒入口ガス温度は350℃であり、空間速度は55000h−1である。
【0121】
再生処理
再生処理は、固定床流通式反応評価装置に取り付けた触媒に対して、表2に示す3種類の模擬排気ガスを適宜切り換えて10分間流す、というものである。この場合、ガス組成は、(1)A/F=14.7→(2)A/F=13.8→(3)A/F=14.7→(4)A/F=15.6(→(1)A/F=14.7)、という順で変化するようにし、その周期を1秒とした。また、触媒入口ガス温度は600℃であり、空間速度は120000h−1である。
【0122】
熱劣化処理
熱劣化処理は、触媒を大気雰囲気下で900℃に加熱した状態を24間保持するというものである。
【0123】
【表1】

Figure 0004465799
【0124】
【表2】
Figure 0004465799
【0125】
フレッシュ時のNOx浄化率、SO処理後のNOx浄化率、並びにSO処理後に再生処理を行なった後のNOx浄化率の測定結果(但し、触媒入口ガス温度はいずれも350℃である。)は図14に示されている。同図によれば、フレッシュ時のNOx浄化率については各触媒間で大差はない。しかし、SO処理後のNOx浄化率は、NOx吸収材がBa単独の例1,2よりも、Baに他の元素(K、Sr、Mg及びLaのうちの少なくとも一種)を併用した例3〜11の方が高くなる傾向を示し、特にKを含有するものではその傾向が顕著である。一方、再生処理後のNOx浄化率についても、Kを含有するものは例5を除いて高くなる傾向を示し、Kの他にMgやLaを併用したものではその傾向が顕著である。
【0126】
触媒入口ガス温度を350℃にした場合のフレッシュ時及び熱処理(熱劣化処理)後のNOx浄化率は図15に示されている。同図によれば、例3〜6の触媒(上記耐S被毒性(上記再生処理後のNOx浄化特性)についてはそれほど効果が認められなかったもの)の熱処理後のNOx浄化率が高くなる傾向を示し、特に例5においてその傾向が顕著である。この傾向は、図16に示す触媒入口ガス温度を450℃にした場合のフレッシュ時及び熱処理(熱劣化処理)後のNOx浄化をみても同様である。このように、例3〜6は、耐S被毒性については顕著な効果が認められないものの、耐熱性については優れた効果を示しており、再生処理が比較的高温で行なわれることを考慮すれば、再生処理によってNOx吸収性能を維持するうえで有利になる、ということができる。
【0127】
また、図16によれば、例5,8,9の各触媒は、Baの他にKを含有し、さらにSr、Mg及びLaのいずれか一を含有するものであるが、フレッシュ時の450℃でのNOx浄化率がかなり高くなっている。これは、高速走行のように排気ガス温度が高くなる場合でも、NOxの排出をそれほど増やすことなく、空燃比リーンで走行することができることを意味する。
【0128】
<Ba−K−Sr系NOx吸収材について>
上記混合溶液として、ジニトロジアミン白金硝酸塩、酢酸ロジウム、酢酸バリウム、酢酸カリウム及び酢酸ストロンチウムの各水溶液を、Pt担持量が3.0g/L、Rh担持量が0.1g/L、Ba担持量が30g/L、K担持量が6g/Lとなり、Sr担持量が0g/L、5g/L、10g/L、15g/L、20g/L及び30g/Lの各量となるように秤量し混合してなる各溶液を用いる他は例1と同じ条件・方法によって各触媒を調製した。
【0129】
本例の場合、各触媒には、Ptは外側コート層のPt−Rh/MFI触媒粉によって0.5g/L担持され、上記混合溶液によって3.0g/L担持されているから、Pt総担持量は3.5g/Lとなり、RhについてもPt−Rh/MFI触媒粉によって0.006g/L担持され、上記混合溶液によって0.1g/L担持されているから、Rh総担持量は0.106g/Lとなる。
【0130】
また、比較のために、上記混合溶液として、ジニトロジアミン白金硝酸塩、酢酸ロジウム及び酢酸バリウムの各水溶液を、Pt担持量が3.0g/L、Rh担持量が0.1g/L、Ba担持量が30g/Lとなるように秤量し混合してなるもの(K担持量零,Sr担持量零)を用いる他は例1と同じ条件・方法によって比較触媒を調製した。この比較触媒もPt総担持量は3.5g/Lとなり、Rh総担持量は0.106g/Lとなる。
【0131】
上記Sr担持量が異なる各触媒及び比較触媒について、先に説明した評価テストによりフレッシュ時、SO処理後及び再生後の各NOx浄化率を測定した。Sr担持量が異なる各触媒の結果を図17に示す。同図によれば、Srを担持させると、Sr担持量が零の場合よりも再生後のNOx浄化率が高くなること、但し、Sr担持量が20g/L以上になると、かえって再生後のNOx浄化率が低くなること、Sr担持量としては、5g/L以上20g/L未満が良いこと、あるいは10g/L以上20g/L未満が良いこと、15g/Lが最も良いこと、従って、13g/L〜17g/Lであれば、再生後のNOx浄化率を高い値に維持する上で有利になることがわかる。
【0132】
また、比較触媒ではフレッシュ時のNOx浄化率が72%、SO処理後のNOx浄化率が41%、再生後のNOx浄化率が63%であった。従って、Baの他にK及びSrを担持させた場合、Sr担持量20g/Lまではフレッシュ時、SO処理後及び再生後の各NOx浄化率がいずれもBaのみの比較触媒よりも高くなることがわかる。
【0133】
図18は上記Sr担持量が異なる各触媒及び比較触媒について、先に説明した熱劣化処理を施した後のNOx浄化率を測定した結果を示す。同図の1点鎖線のラインは比較触媒のNOx浄化率を示す。但し、空間速度は25000h−1とした。同図によれば、Sr担持量が30g/L以上になると、触媒の耐熱性が比較触媒よりも低くなっているが、それよりも少ない担持量であれば、触媒の耐熱性が向上し、上述の再生に有利であることがわかる。
【0134】
<Ba−K−Mg系NOx吸収材について>
上記混合溶液として、ジニトロジアミン白金硝酸塩、酢酸ロジウム、酢酸バリウム、酢酸カリウム及び酢酸マグネシウムの各水溶液を、Pt担持量が3.0g/L、Rh担持量が0.1g/L、Ba担持量が30g/L、K担持量が6g/Lとなり、Mg担持量が0g/L、5g/L、10g/L、15g/L及び20g/Lの各量となるように秤量し混合してなる各溶液を用いる他は例1と同じ条件・方法によって各触媒を調製した。本例の場合もPt総担持量は3.5g/Lとなり、Rh総担持量は0.106g/Lとなる。
【0135】
上記Mg担持量が異なる各触媒について、先に説明した評価テストによりフレッシュ時、SO処理後及び再生後の各NOx浄化率を測定した。その結果を図19に示す。同図によれば、Mgを担持させると、Mg担持量が零の場合よりも再生後のNOx浄化率が高くなること、Mg担持量が10g/Lのときに再生後のNOx浄化率が最も高くなること、Mg担持量が3g/L〜17g/L、あるいは5g/L〜15g/Lであれば、再生後のNOx浄化率を高い値に維持する上で有利になることがわかる。
【0136】
また、比較触媒(Ba−K−Sr系NOx吸収材の項で説明した比較触媒)ではフレッシュ時のNOx浄化率が72%、SO処理後のNOx浄化率が41%、再生後のNOx浄化率が63%であるから、Baの他にK及びMgを担持させた場合、フレッシュ時、SO処理後及び再生後の各NOx浄化率がいずれもBaのみの比較触媒よりも高くなることがわかる。
【0137】
図20は上記Mg担持量が異なる各触媒及び比較触媒について、先に説明した熱劣化処理を施した後のNOx浄化率を測定した結果を示す。同図の1点鎖線のラインは比較触媒のNOx浄化率を示す。但し、空間速度は25000h−1とした。同図によれば、Mg担持量が20g/Lまでは触媒の耐熱性が向上し、上述の再生に有利であることがわかる。
【0138】
<Ba−K−Sr−Mg系NOx吸収材について>
上記混合溶液として、ジニトロジアミン白金硝酸塩、酢酸ロジウム、酢酸バリウム、酢酸カリウム、酢酸ストロンチウム及び酢酸マグネシウムの各水溶液を、Pt担持量が3.0g/L、Rh担持量が0.1g/L、Ba担持量が30g/L、K担持量が6g/L、Mg担持量が5g/Lであり、Sr担持量が異なる各溶液を用いる他は例1と同じ条件・方法によって各触媒を調製した。また、Mg担持量を10g/Lとして同様にSr担持量が異なる各触媒を調製し、さらにMg担持量を15g/Lとして同様にSr担持量が異なる各触媒を調製した。これらの各触媒の場合もPt総担持量は3.5g/Lとなり、Rh総担持量は0.106g/Lとなる。
【0139】
上記Mg担持量及びSr担持量が異なる各触媒について、先に説明した評価テストによりフレッシュ時、SO処理後及び再生後の各NOx浄化率を測定した。Mg担持量5g/Lのときの結果を図21に、Mg担持量10g/Lのときの結果を図22に、Mg担持量15g/Lのときの結果を図23に示す。
【0140】
図21によれば、Mg担持量5g/Lのときは、Sr担持量が15g/Lのときに回復後のNOx浄化率が最も高くなり、且つSO被毒からのNOx浄化率の回復率も高い。図22によれば、Mg担持量10g/Lのときは、Sr担持量10g/Lのときに回復後のNOx浄化率が最も高くなり、且つSO被毒からのNOx浄化率の回復率も高い。また、Sr担持量が5g/LのときもSO被毒からのNOx浄化率の回復率が高い。図23によれば、Mg担持量15g/Lのときは、Sr担持量が5g/L〜15g/LのいずれでもSO被毒からのNOx浄化率の回復率が高い。
【0141】
以上から、Ba及びKの他にSrとMgとを併用すると、Sr担持量が少ない場合でもSO被毒からのNOx浄化率の回復率が高くなることがわかる。
【0142】
また、比較触媒(Ba−K−Sr系NOx吸収材の項で説明した比較触媒)ではフレッシュ時のNOx浄化率が72%、SO処理後のNOx浄化率が41%、再生後のNOx浄化率が63%であるから、Baの他にK、Sr及びMgを担持させた場合、フレッシュ時、SO処理後及び再生後の各NOx浄化率がいずれもBaのみの比較触媒よりも高くなることがわかる。
【0143】
図24は上記Mg担持量及びSr担持量が異なる各触媒及び比較触媒について、先に説明した熱劣化処理を施した後のNOx浄化率を測定した結果を示す。同図の1点鎖線のラインは比較触媒のNOx浄化率を示す。但し、空間速度は25000h−1とした。同図によれば、Ba及びKの他にSrとMgとを併用した場合も触媒の耐熱性が向上し、上述の再生に有利であることがわかる。但し、Sr担持量又はMg担持量が過剰になると、耐熱性の向上には不利になるということができる。
【0144】
−その他−
上記実施形態では硫黄脱離手段を空燃比制御と分割噴射制御とによって構成したが、触媒を加熱するヒータを設け、硫黄過吸収状態が判定されたときに、空燃比をλ=1近傍に変更するとともに、そのヒータを作動させて触媒を加熱するようにしてもよい。
【0145】
また、上記実施形態のように触媒を内側触媒層と外側触媒層との二層構造とする場合、内側触媒層には上記CeO−ZrO複合酸化物に代えて微粉CeOを用いるようにしてもよい。その場合、微粉CeOの粒径は100nm以下であることが好ましい。
【0146】
また、本発明は自動車エンジンの排気ガスに限らず、定置式の産業用エンジンに適用することができ、その場合も上記実施形態のように構成することにより、所期の効果を得ることができる。この場合、産業用エンジンとは、例えば排ガスの熱を熱交換してビル等の空調に利用するものである。このとき、熱交換器を触媒よりも上流側に配置するときには、上記実施形態のように触媒温度を上昇させる際、熱交換水量を少なくするなどして熱交換効率を低減させることで、昇温が阻害されることを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の構成を示す説明図。
【図2】 本発明の実施形態に係る排気浄化装置の概略構成図。
【図3】 空燃比の変化に対するOセンサの出力特性を示す図。
【図4】 触媒の概略構成を示す断面図。
【図5】 エンジンの成層燃焼モード、λ=1分割モード及びエンリチモードの各運転領域を設定したマップの一例を示す図。
【図6】 エンジンの各運転領域における燃料噴射時期を示すタイムチャート図。
【図7】 エンジン回転数及びアクセル開度に対応するエンジンの目標トルクを設定したマップ(a)と、エンジン回転数及び目標トルクに対応するスロットル弁の開度を設定したマップ(b)とをそれぞれ例示する説明図。
【図8】 基本的な燃料噴射量及び燃料噴射時期の設定手順を示すフローチャート図。
【図9】 NOx放出制御の処理手順を示すフローチャート図。
【図10】 SOx脱離制御の処理手順を示すフローチャート図。
【図11】 吸気行程噴射及び圧縮行程噴射の実行手順を示すフローチャート図。
【図12】 EGR制御の処理手順を示すフローチャート図。
【図13】 エンジン運転中にNOx放出制御やSOx脱離制御が行なわれるときの空燃比の変化を示すタイムチャート図。
【図14】 触媒の各具体例について、そのフレッシュ時、S被毒後及び再生後のNOx浄化率を示すグラフ図。
【図15】 触媒の各具体例について、触媒入口ガス温度を350℃としたときのフレッシュ時と熱劣化処理後のNOx浄化率を示すグラフ図。
【図16】 触媒の各具体例について、触媒入口ガス温度を450℃としたときのフレッシュ時と熱劣化処理後のNOx浄化率を示すグラフ図。
【図17】 Ba−K−Sr系NOx吸収材を有する触媒に関し、そのフレッシュ時、S被毒後及び再生後の各NOx浄化率にSr担持量が与える影響を示すグラフ図。
【図18】 Ba−K−Sr系NOx吸収材を有する触媒に関し、その耐熱性にSr担持量が与える影響を示すグラフ図。
【図19】 Ba−K−Mg系NOx吸収材を有する触媒に関し、そのフレッシュ時、S被毒後及び再生後の各NOx浄化率にMg担持量が与える影響を示すグラフ図。
【図20】 Ba−K−Mg系NOx吸収材を有する触媒に関し、その耐熱性にMg担持量が与える影響を示すグラフ図。
【図21】 Ba−K−Sr−Mg系NOx吸収材を有する触媒に関し、Mg担持量5g/Lのときの、フレッシュ時、S被毒後及び再生後の各NOx浄化率にSr担持量が与える影響を示すグラフ図。
【図22】 Ba−K−Sr−Mg系NOx吸収材を有する触媒に関し、Mg担持量10g/Lのときの、フレッシュ時、S被毒後及び再生後の各NOx浄化率にSr担持量が与える影響を示すグラフ図。
【図23】 Ba−K−Sr−Mg系NOx吸収材を有する触媒に関し、Mg担持量1g/Lのときの、フレッシュ時、S被毒後及び再生後の各NOx浄化率にSr担持量が与える影響を示すグラフ図。
【図24】 Ba−K−Sr−Mg系NOx吸収材を有する触媒の耐熱性に、Mg担持量及びSr担持量が与える影響を示すグラフ図。
【符号の説明】
A エンジンの排気浄化装置
1 エンジン
2 気筒
4 燃焼室
7 インジェクタ(燃料噴射弁)
24 Oセンサ(酸素濃度検出手段)
25 触媒(NOx吸収材)
26 EGR通路(排気還流手段)
27 EGR弁(排気還流手段)
40 コントロールユニット(ECU)
40a 硫黄過吸収判定手段
40b 硫黄脱離手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  According to the present invention, an NOx absorbent that absorbs NOx (nitrogen oxide) in an oxygen-excess atmosphere is provided in an exhaust passage of an engine or the like so that NOx in the exhaust can be removed even when the air-fuel ratio is lean. The present invention relates to a gas purification device and an exhaust gas purification method, and particularly to a technical field of catalyst regeneration that restores the performance of the NOx absorbent when the performance of the NOx absorbent is lowered.
[0002]
[Prior art]
  A NOx absorbent that absorbs NOx in the exhaust gas when the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is lean and the oxygen concentration in the exhaust gas is high and releases the NOx when the oxygen concentration decreases is provided in the exhaust passage of the engine. A device that reduces and purifies released NOx is generally known.
[0003]
  However, if the fuel or engine oil contains a small amount of sulfur component (S), when this sulfur component is burned and discharged, the NOx absorbent is more SOx (sulfur oxide) than NOx in the exhaust gas. ), And once absorbed, the SOx is hardly released even if the oxygen concentration in the exhaust gas decreases, so the amount of SOx absorbed increases over time, and the NOx absorption performance gradually decreases. To do.
[0004]
  Regarding this problem of S poisoning, Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-142458 discloses that when Ba as an NOx absorbent is combined with at least one of alkali metals, Fe, Ni, Co, and Mg, the S resistance of Ba. It has been suggested to be advantageous for improving toxicity.
[0005]
  Japanese Patent Laid-Open No. 10-118494 also relates to a NOx purification catalyst that purifies NOx even in an oxygen-rich atmosphere. In addition to supporting Pt and Rh as catalyst metals on an alumina carrier, in addition to K having high NOx affinity, It is described that Ce, Sr, Mg, etc. are supported and high NOx purification performance is obtained even in the presence of SOx.
[0006]
  Japanese Patent Laid-Open No. 10-274031 discloses that in a direct injection engine, by injecting fuel during its expansion stroke, the exhaust gas temperature is raised to desorb SOx absorbed in the NOx absorbent. It is described.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
  The object of the present invention is to desorb the sulfur component and restore its performance when the NOx absorbent absorbs the sulfur component in the exhaust gas and the NOx absorption performance is reduced, and particularly the NOx absorbent. Is to make the sulfur component easy to desorb and regenerate when given sulfur desorbing means is applied.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
  The invention of this application is shown in FIG.1'sA NOx absorbent 25 that is disposed in the exhaust passage 22 and that absorbs NOx and sulfur components in the exhaust gas in an oxygen-excess atmosphere with a high oxygen concentration in the exhaust gas, while releasing the absorbed NOx as the oxygen concentration decreases; ,
  Sulfur excess absorption determining means a for determining the excessive absorption state of the sulfur component into the NOx absorbent 25, and
  When the excessive sulfur absorption state is determined by the excessive sulfur absorption determination means a, the sulfur component is removed from the NOx absorbent 25 by increasing the temperature of the NOx absorbent 25 and decreasing the oxygen concentration. A sulfur desorption means b to be released,
The sulfur desorbing means b is a fuel injection control means for operating a fuel injection valve so as to divide and inject fuel into the engine combustion chamber at least twice from the beginning of the intake stroke to the end of the compression stroke. With
  As an element constituting the NOx absorbent 25, SrBa and at least one of Mg and LaK andEquipped withThe NOx absorbent 25 is supported on ceria-zirconia composite oxide or ceria and alumina.It is characterized by that.
[0009]
  With this configuration, when the sulfur desorption means b is activated after the sulfur component is excessively absorbed by the NOx absorbent 25, the NOx absorption performance is easily recovered to a level close to that before the sulfur component is absorbed. That is, the NOx absorbent 25 has a higher NOx absorption performance after recovery (recovery from S poisoning; the same applies hereinafter) as compared to the case where the NOx absorbent is constituted by Ba alone, or high heat. The decrease in NOx absorption performance when exposed to water is reduced, that is, the heat resistance is increased. This improvement in heat resistance favors the recovery of the NOx absorbent 25. The relationship between this heat resistance improvement and the recovery of the NOx absorbent 25 is as follows.
[0010]
  That is, the sulfur desorption means b not only lowers the oxygen concentration in the exhaust gas, but also desorbs sulfur components from the NOx absorbent 25 by increasing the temperature of the NOx absorbent 25. Therefore, if the heat resistance of the NOx absorbent is low, it is difficult to increase the temperature of the NOx absorbent 25 due to the desorption of sulfur components, and the original purpose cannot be achieved. On the other hand, if the heat resistance of the NOx absorbent 25 is increased as in the present invention, the NOx absorption performance can be recovered by effectively utilizing the sulfur desorption means b. That is, it is possible to avoid the deterioration of the NOx absorbent 25 due to heat during the sulfur desorption process.
[0011]
  Thus, according to the present invention, the reason why the NOx absorption performance after recovery is higher than that in the case where the NOx absorbent is constituted by Ba alone or the heat resistance is increased is not clear, but is considered as follows.
[0012]
  That is, other elements other than Ba (K, Sr, Mg, or La) are more susceptible to S poisoning than Ba, so that the Ba is less susceptible to S poisoning and NOx after S poisoning. First, it is conceivable that the decrease in absorption performance is small. This is the case when Ba has higher NOx absorption performance than the other elements.
[0013]
  In addition, the other elements (K, Sr, Mg, or La) are more likely to recover from S poisoning than Ba, and therefore it is considered that the NOx absorption performance after recovery is higher. That is, sulfates in which SOx is combined with Ba are stable, but sulfates of the other elements described above are more unstable than Ba sulfates, and SOx is desorbed at high temperatures in a low oxygen concentration atmosphere. It is considered easy. Alternatively, Ba and the other elements (K, Sr, Mg, or La) can form a composite oxide, but when sulfur poisoning, Ba and the other elementselementIt is considered that these form complex sulfates and are not so stable that they are easily recovered by desorbing SOx.
[0014]
  Furthermore, even if the element constituting the NOx absorbent 25 is Ba alone, and the amount thereof is increased, the NOx absorption performance before S poisoning and the NOx absorption performance after recovery are not improved so much, but this is the amount of Ba amount. This is considered to be because the specific surface area does not increase even if the particle diameter increases beyond the range only by increasing the particle diameter. On the other hand, when Ba and other elements (at least one of K, Sr, Mg, and La) are combined, each exists separately due to the difference in properties of these elements, and the specific surface area or reaction site It is considered that the sintering due to heat hardly occurs. Furthermore, it is considered that sulfur is easily desorbed by the interaction between different elements constituting the NOx absorbent.
[0015]
  Further, as an element constituting the NOx absorbent 25, K is included as an essential element in addition to Ba. As a result, the NOx absorption performance before S poisoning is enhanced, the decrease in the NOx absorption performance when subjected to S poisoning is reduced, and the NOx absorption performance after recovery is also enhanced. The weight ratio of Ba and K is preferably, for example, Ba: K = 30: (1-30).
[0016]
  When Ba and other elements are supported on a honeycomb-shaped carrier, the amount of Ba supported per liter of the carrier is preferably about 10 to 50 g, more preferably 20 to 40 g. For the other elements, the amount supported is Ba. It is preferable that the amount is equal to or less than the loading amount.
[0017]
  The oxygen-excess exhaust gas having a high oxygen concentration is, for example, an exhaust gas (oxygen concentration of 4 to 20) when the engine is operated with a lean air-fuel ratio of A / F> 16 (particularly A / F = 18 to 50). %) Is equivalent to this.
[0018]
the aboveAs the elements constituting the NOx absorbent 25, the above Ba, K and Mg are adopted and these are used.Using the above ceria-zirconia composite oxide or ceria and alumina as a support materialWhen supported on a carrier having a honeycomb shape or the like, the amount of Ba supported per liter of carrier is 10 to 50 g, the amount of K supported is 1 g or more (the upper limit is 15 g, for example), and the amount of Mg supported is 3 to 3 g. 17 g is preferable. Moreover, it is more preferable that the amount of Mg supported is 5 to 15 g, more preferably 8 to 12 g. Thereby, heat resistance is obtained and recovery from S poisoning is also improved. The weight ratio of Ba, K, and Mg is preferably, for example, Ba: K: Mg = 30: (1-30) :( 1-30).
[0019]
  As the elements constituting the NOx absorbent 25, the above Ba, K and Sr are adopted and these are used.Using the above ceria-zirconia composite oxide or ceria and alumina as a support materialWhen supported on a carrier having a honeycomb shape or the like, it is preferable that the supported amount of Ba and the amount of supported K per 1 L of the carrier is 10 to 20 g in the same manner as the Ba—K—Mg system. The Sr loading is more preferably 13 to 17 g. Thereby, heat resistance is obtained and recovery from S poisoning is also improved. The weight ratio of Ba, K, and Sr is preferably, for example, Ba: K: Sr = 30: (1-30) :( 1-30).
[0020]
  As an element constituting the NOx absorbent 25, BaAnd KIn addition to Sr, it is preferable to contain Sr. This increases the heat resistance of the NOx absorbent 25, which is advantageous in avoiding thermal degradation during the sulfur desorption process.
[0021]
  As an element constituting the NOx absorbent 25, the Ba, KIn addition to Sr, it is preferable to contain at least one of Mg and La. Thereby, the heat resistance of the NOx absorbent 25 is increased, which is further advantageous in avoiding thermal degradation during the sulfur desorption process.
[0022]
  As an element constituting the NOx absorbent 25, BaAnd KIn addition to Mg, it is preferable to contain Mg. This increases the heat resistance of the NOx absorbent 25, which is advantageous in avoiding thermal degradation during the sulfur desorption process.
[0023]
  As an element constituting the NOx absorbent 25, the Ba, KIt is preferable that La is contained in addition to Mg. Thereby, the heat resistance of the NOx absorbent 25 is increased, which is further advantageous in avoiding thermal degradation during the sulfur desorption process.
[0024]
  The temperature rise of the NOx absorbent 25 by the sulfur desorption means b is the exhaust gas temperature.RiseRealized byIsFor example, if the exhaust gas temperature is set to 500 to 1100 ° C. (preferably 600 to 1100 ° C.), it is advantageous for desorption of sulfur from the NOx absorbent 25.. AlsoThe reduction of the oxygen concentration in the exhaust gas by the sulfur desorbing means b can be realized by controlling the air-fuel ratio of the engine, for example, so that λ (oxygen excess rate) is around 1 or 1 or less. As a result, the oxygen concentration in the exhaust gas becomes 0.5% or less, which is advantageous for desorption of the sulfur component from the NOx absorbent 25.
[0025]
  Also, the aboveSplit injectionByIncrease CO concentration in exhaust gasBecause I didThis is further advantageous for desorption of the sulfur component from the NOx absorbent 25.
[0026]
  That is, when the NOx absorbent 25 is Ba, SOx is adsorbed on the surface of the barium particles in the form of sulfate, and this barium sulfate proceeds with the following reaction by the supply of CO, so that barium carbonate and sulfur dioxide. Are considered to generate.
[0027]
      BaSOFour+ CO → BaCOThree+ SO2↑ (Coefficient omitted)
  Further, when the CO concentration increases, a so-called water gas shift reaction proceeds between the CO and moisture in the exhaust gas, thereby generating hydrogen at the reaction site of the catalyst.
[0028]
      CO + H2O → H2+ CO2
And, since the sulfur adsorbed on the NOx absorbent 25 is desorbed by this hydrogen in the form of hydrogen sulfide, it becomes advantageous for desorption of the sulfur component, and this water gas shift reaction proceeds even at a relatively low temperature. The temperature of the NOx absorbent 25too muchIt doesn't have to be high.
[0029]
  Further, as the sulfur excessive absorption determining means a for determining the excessive absorption state of the sulfur component to the NOx absorbent 25, for example, based on the travel distance of the vehicle and the total amount of fuel consumed during that time, In consideration of the temperature state of the NOx absorbent 25, the SOx absorption amount of the NOx absorbent 25 is estimated, and when the estimated amount exceeds a predetermined value, it is determined that the sulfur component is excessively absorbed. Things can be adopted.
[0030]
  Other inventions in this application are:Exhausted from the engineAn exhaust gas purification method for purifying exhaust gas containing NOx and sulfur components,
  When the exhaust gas is in an oxygen-excess state with a high oxygen concentration, SrBa and at least one of Mg and LaK andEquipped withAnd supported by ceria-zirconia composite oxide or ceria and alumina.By contacting the NOx absorbent, the NOx absorbent absorbs the NOx and sulfur components,
  When the sulfur component absorption state of the NOx absorbent becomes a predetermined excessive absorption state,Operate the fuel injection valve so that fuel is injected into the engine combustion chamber at least twice in the period from the beginning of the intake stroke to the end of the compression stroke.The sulfur component is desorbed from the NOx absorbent by increasing the temperature of the NOx absorbent and reducing the oxygen concentration in the exhaust gas.
[0031]
  That is, according to such a method, as apparent from the above description, when the NOx absorption performance of the NOx absorbent 25 is reduced by S poisoning, the sulfur component is desorbed from the NOx absorbent 25. It becomes easy to recover the NOx absorption performance to a high level, which is advantageous for NOx purification.
[0032]
  Still another invention of this application is:EngineA NOx absorbent that is disposed in the exhaust passage and absorbs NOx and sulfur components in the exhaust gas in an oxygen-excess atmosphere with a high oxygen concentration in the exhaust gas, while releasing the absorbed NOx as the oxygen concentration decreases. An exhaust gas purifying catalyst,
  Elements constituting the NOx absorbent are Ba, K, Mg,SrAnd La, and these are supported on ceria-zirconia composite oxide or ceria and alumina.It is characterized by that.
[0033]
  In other words, such an exhaust gas purifying catalyst can provide heat resistance and is advantageous in improving recovery from S poisoning. In this case, it is considered that a part of Ba, K, Mg, and Sr forms a Ba (x) -K (y) -Mg (z) -Sr (m) based composite oxide. Here, x, y, z, and m represent the ratio of the number of constituent atoms. When x + y + z + m = 1, x = 0.3 to 0.9, y = 0.01 to 0.5, z = 0.01. -0.5, m = 0.01-0.7.
[0034]
【The invention's effect】
  As described above, according to the invention relating to the exhaust gas purification apparatus of this application, the NOx absorbent material is, SrBa and at least one of Mg and LaK andEquipped withAnd supported by ceria-zirconia composite oxide or ceria and alumina.The means for determining the excessive absorption state of the sulfur component in the NOx absorbent material, and when the excessive absorption state of the sulfur component is determined, the temperature of the NOx absorbent material is increased and the oxygen concentration in the exhaust gas is decreased. And sulfur desorption means bThe sulfur desorption means b is a fuel injection control means for operating the fuel injection valve so as to divide and inject fuel into the combustion chamber of the engine at least twice during the period from the beginning of the intake stroke to the end of the compression stroke. WithBecauseThe NOx absorption performance of the NOx absorbent before S poisoning is increased, and the decrease in NOx absorption performance when subjected to S poisoning is reduced,This is advantageous for recovery from NO poisoning of the NOx absorbent, and the NOx purification performance can be improved.
[0035]
  According to the invention relating to the exhaust gas purification method of this application,SrBa and at least one of Mg and LaK andEquipped withAnd supported by ceria-zirconia composite oxide or ceria and alumina.By contacting the NOx absorbent with the NOx absorbent, the NOx absorbent absorbs the NOx and the sulfur component, and when the NOx absorbent has absorbed the sulfur component excessively,Actuating the fuel injection valve to inject fuel into the engine combustion chamber at least two times between the beginning of the intake stroke and the end of the compression stroke;While increasing the temperature of the NOx absorbent and reducing the oxygen concentration in the exhaust gas,The NOx absorption performance of the NOx absorbent before S poisoning is increased, and the decrease in NOx absorption performance when subjected to S poisoning is reduced,The NOx absorbent can be recovered from S poisoning and the NOx absorption performance can be maintained at a high level, which is advantageous for NOx purification.
[0036]
  Further, according to the invention relating to the exhaust gas purifying catalyst of this application, the elements constituting the NOx absorbent are Ba, K, Mg,SrAnd La, which are supported on ceria-zirconia composite oxide or ceria and aluminaHeat resistance,The NOx absorption performance of the NOx absorbent before S poisoning is increased, the decrease in NOx absorption performance when receiving S poisoning is reduced,This is also advantageous in improving the recovery from S poisoning.
[0037]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0038]
  (Entire engine configuration)
  FIG. 2 shows the overall configuration of an engine equipped with an exhaust gas purifying apparatus A according to an embodiment of the present invention. In the figure, reference numeral 1 denotes a multi-cylinder engine mounted on an automobile, for example, and a combustion chamber 4 is defined in the cylinder 2 by a piston 3 fitted into each cylinder 2. A spark plug 6 connected to the ignition circuit 5 is attached to a position on the cylinder axial center on the upper wall of the combustion chamber 4 so as to face the combustion chamber 4. An injector (fuel injection valve) 7 that directly injects fuel into the combustion chamber 4 is attached to the peripheral edge of the combustion chamber 4.
[0039]
  Although not shown, the injector 7 is connected to a fuel supply circuit having a high pressure fuel pump, a pressure regulator, and the like. This fuel supply circuit is for supplying the fuel from the fuel tank to the injector 7 while adjusting the fuel to an appropriate pressure, and includes a fuel pressure sensor 8 for detecting the fuel pressure. When the fuel is injected by the injector 7 in the latter half of the compression stroke of the cylinder 2, the fuel spray is trapped in a cavity (not shown) recessed in the top surface of the piston 3 and compared with the vicinity of the spark plug 6. A thick mixture layer is formed. On the other hand, when the fuel is injected by the injector 7 in the intake stroke of the cylinder 2, the fuel spray is diffused into the combustion chamber 4 and mixed with the intake air (air), so that a uniform mixture is formed in the combustion chamber 4. .
[0040]
  The combustion chamber 4 communicates with an intake passage 10 via an intake port (not shown) that is opened and closed by an intake valve 9. The intake passage 10 supplies the intake air filtered by the air cleaner 11 to the combustion chamber 4 of the engine 1, and includes a hot wire type air flow sensor 12 that detects the intake air amount in order from the upstream side to the downstream side. An electric throttle valve 13 for restricting the intake passage 10 and a surge tank 14 are provided. The electric throttle valve 13 is not mechanically connected to an accelerator pedal (not shown), and is driven by a motor 15 to open and close. Further, a throttle opening sensor 16 for detecting the opening of the throttle valve 13 and an intake pressure sensor 17 for detecting the intake pressure in the surge tank 14 are provided.
[0041]
  The intake passage 10 on the downstream side of the surge tank 14 is an independent passage branched for each cylinder 2, and the downstream end portion of each independent passage further branches into two and communicates with the intake port. A swirl control valve 18 is provided on one of the branch paths. The swirl control valve 18 is driven by an actuator 19 to open and close. When the swirl control valve 18 is closed, intake air is supplied to the combustion chamber 4 only from the other branch path, and strong intake air is supplied to the combustion chamber 4. While the swirl is generated, the intake swirl is weakened as the swirl control valve 18 opens. Further, a swirl control valve opening sensor 20 that detects the opening of the swirl control valve 18 is provided.
[0042]
  In FIG. 2, reference numeral 22 denotes an exhaust passage for discharging combustion gas from the combustion chamber 4. The upstream end of the exhaust passage 22 branches for each cylinder 2 and communicates with the combustion chamber 4 via an exhaust valve 23 by an exhaust port (not shown). Has been. The exhaust passage 22 detects oxygen concentration in the exhaust gas in order from the upstream side to the downstream side.2A sensor 24 and a catalyst 25 for purifying exhaust gas are provided. O above2As shown in FIG. 3, the output (electromotive force) of the sensor 24 becomes the reference value E1 when the oxygen concentration in the exhaust gas is a concentration (about 0.5%) substantially corresponding to the theoretical air-fuel ratio. However, when it is darker (rich side), it increases rapidly, while when it is thinner (lean side), it decreases rapidly. In other words, O2The sensor 24 is a so-called lambda O whose output reverses stepwise from the theoretical air-fuel ratio.2It consists of sensors.
[0043]
  The catalyst 25 is of the NOx absorption reduction type that absorbs NOx in an oxygen-excess atmosphere with a high oxygen concentration in the exhaust gas, and releases and reduces and purifies NOx absorbed by the decrease in oxygen concentration. As shown in FIG. 4, this lean NOx catalyst 25 has a cordierite-made honeycomb structure carrier 25a, and has an inner catalyst layer 25b on the wall surface of each through hole formed in the carrier 25a, and an outer layer on the inner catalyst layer 25b. A catalyst layer 25c is formed.
[0044]
  Furthermore, O2An upstream end of the EGR passage 26 is connected to the exhaust passage 22 upstream of the sensor 24, and the downstream end thereof is connected to the intake passage 10 between the throttle valve 13 and the surge tank 14. A part of is returned to the intake system. An electric EGR valve 27 for adjusting the opening degree of the EGR passage 26 is disposed near the downstream end of the EGR passage 26 so as to adjust an exhaust gas recirculation amount (hereinafter referred to as an EGR amount) through the EGR passage 26. ing. The EGR passage 26 and the EGR valve 27 constitute exhaust recirculation means. Further, a lift sensor 28 for detecting the lift amount of the EGR valve 27 is provided.
[0045]
  The ignition circuit 5 of the spark plug 6, the injector 7, the drive motor 15 of the electric throttle valve 13, the actuator 19 of the swirl control valve 18, the electric EGR valve 27 and the like are controlled by a control unit 40 (hereinafter referred to as ECU). It has become so. On the other hand, the ECU 40 includes an air flow sensor 12, a throttle opening sensor 16, an intake pressure sensor 17, a swirl control valve opening sensor 20, an O2The output signals of the sensor 24 and the lift sensor 28 of the EGR valve 27 are inputted, and in addition, a water temperature sensor 30 for detecting the coolant temperature (engine water temperature) of the engine 1, an intake air temperature sensor 31 for detecting the intake air temperature, Output signals of an atmospheric pressure sensor 32 that detects atmospheric pressure, a rotation speed sensor 33 that detects engine rotation speed, and an accelerator opening sensor 34 that detects the opening of the accelerator pedal (accelerator operation amount) are input.
[0046]
  (Outline of engine control)
  The engine 1 according to this embodiment is operated in different combustion states by switching the fuel injection mode (fuel injection timing, air-fuel ratio, etc.) by the injector 7 according to the operating state. That is, when the engine 1 is warm, for example, as shown in FIG. 5, a predetermined region on the low load and low rotation side is a stratified combustion region, and as shown in FIG. And a combustion mode in which combustion is performed in a stratified state where the air-fuel mixture is unevenly distributed in the vicinity of the spark plug 6. In this stratified combustion mode, the opening degree of the throttle valve 13 is increased in order to reduce the pump loss of the engine 1, whereby the average air-fuel ratio of the combustion chamber 4 is in a significantly lean state (for example, A / F). = About 30).
[0047]
  On the other hand, the other operation region is a uniform combustion region, and in the low load side λ = 1 division region, the fuel is divided into two times by the injector 7 in the intake stroke and the compression stroke, respectively. The fuel injection amount and the throttle opening are controlled so that the air-fuel ratio of the air-fuel mixture in the combustion chamber 4 becomes substantially the stoichiometric air-fuel ratio (A / F = 14.7) (hereinafter referred to as λ = 1 division). Mode). Further, in the high load or high rotation rich region in the uniform combustion region, the fuel is injected collectively by the injector 7 in the first half of the intake stroke, and the air-fuel ratio is richer than the stoichiometric air-fuel ratio (for example, A / F = 13-14) (hereinafter referred to as an enrichment mode).
[0048]
  In the region indicated by hatching in the control map of FIG. 5, the EGR valve 27 is opened so that a part of the exhaust gas is recirculated to the intake passage 10 through the EGR passage 26. Although not shown in the drawings, the entire operation region of the engine 1 is a uniform combustion region in order to improve combustion stability when the engine is cold.
[0049]
  More specifically, the ECU 40 includes, as various control parameters related to the engine output, for example, the fuel injection amount and injection timing by the injector 7, the intake air amount adjusted by the throttle valve 13, and the intake swirl adjusted by the swirl control valve 18. The strength, the EGR amount adjusted by the EGR valve 27, and the like are determined according to the operating state of the engine 1.
[0050]
  That is, first, the target torque trq of the engine 1 is calculated based on the accelerator opening degree accel and the engine speed ne. This target torque trq is obtained in advance by a bench test or the like so as to obtain a correspondence relationship between the accelerator opening degree accel and the engine speed ne so that the required output performance can be obtained, and this correspondence relationship is stored in the memory of the ECU 40 as a map. Thus, values corresponding to the actual accelerator opening degree accel and the engine speed ne are read from this map. The correspondence relationship between the accelerator opening degree accel and the engine speed ne and the target torque trq is, for example, as shown in FIG. 7A. The target torque trq increases as the accelerator opening degree accel increases. And the higher the engine speed ne, the larger.
[0051]
  Subsequently, the operation mode is set based on the target torque trq and the engine speed ne obtained as described above. That is, for example, when the engine is warm, as shown in FIG. 5, when the target torque trq is lower than a predetermined low load side threshold value trq * and the engine speed ne is low, the stratified combustion mode is set. In this operating state, the uniform combustion mode is set, and in this case, λ = 1 split mode or enrichment mode is selected according to the target torque trq and the engine speed ne.
[0052]
  Subsequently, the target air-fuel ratio afw is set for each operation mode. That is, in the stratified combustion mode and the enrich mode, the target air-fuel ratio afw is obtained from a map prepared in advance according to the target torque trq and the engine speed ne, and in the λ = 1 split mode, the target air-fuel ratio afw is theoretically calculated. Let the air-fuel ratio. A target charging efficiency ce is calculated based on the target air-fuel ratio afw, the engine speed ne, and the target torque trq, and is created in advance according to the target charging efficiency ce and the engine speed ne. The throttle opening tvo is obtained from the map (see FIG. 7B). The correspondence relationship between the engine speed and the throttle opening varies depending on the presence or absence of EGR, and the throttle opening tvo is made larger than when there is no EGR.
[0053]
  An actual charging efficiency ce of the engine 1 is calculated based on an output signal from the air flow sensor 12, and a basic fuel injection amount qbase is calculated based on the actual charging efficiency ce and the target air-fuel ratio afw. The
[0054]
      qbase = KGKF x ce / afw (where KGKF is a conversion factor)
At the same time, the fuel split ratio between the intake stroke injection and the compression stroke injection is set for each operation mode. In the stratified combustion mode, the intake stroke injection ratio becomes 0%, while in the enrich mode, the intake stroke injection ratio becomes 100%. In the λ = 1 split mode, the split ratio is set according to the target air-fuel ratio afw and the engine speed ne.
[0055]
  Further, the fuel injection timing is set for each of the above operation modes, and although not shown, in the stratified combustion mode, the injection timing Inj_TT for compression stroke injection is obtained from a map prepared in advance according to the target torque trq and the engine speed ne. On the other hand, in the uniform combustion mode, the injection timing Inj_TL for intake stroke injection is obtained from a table set in advance according to the engine speed ne. In the case of split injection, the data in the stratified combustion mode is diverted as the injection timing Inj_TT for compression stroke injection, and intake stroke injection is performed from a map prepared in advance according to the target air-fuel ratio afw and the engine speed ne. Injection timing Inj_TL is obtained.
[0056]
  In addition, the ignition timing of the engine 1 is also set for each operation mode. In the stratified combustion mode, the basic ignition timing is obtained mainly on the basis of the target torque trq and the engine speed ne, while the λ = 1 split mode and the enrichment mode. In the mode, the basic ignition timing is obtained based on the charging efficiency ce and the engine speed ne, and the basic ignition timing is corrected based on the engine water temperature or the like. Further, the swirl control valve 18 is also controlled for each operation mode. In the stratified combustion mode, the opening of the swirl control valve 18 is increased as the target torque trq is increased and the engine speed ne is increased. On the other hand, in the λ = 1 split mode and the enrich mode, the opening degree of the swirl control valve 18 is decreased as the target torque trq is increased and the engine speed ne is increased. Although described in detail later, the EGR amount is also controlled for each operation mode according to the operating state of the engine 1.
[0057]
  (Composition of catalyst and its regeneration)
  In this embodiment, as described above, the engine 1 is placed in the stratified combustion state in the low load region to greatly improve fuel efficiency, and NOx in the exhaust gas even when the air-fuel ratio is extremely lean as in the stratified combustion state. So as to reduce the amount of NOx absorbed in the catalyst 25 to a certain extent in order to stably exhibit the purification performance of the catalyst 25. NOx is released to reduce and purify. Further, if a small amount of SOx contained in the exhaust gas is gradually absorbed by the NOx absorbent and the amount of SOx absorbed in the catalyst 25 gradually increases with time, and the NOx purification performance is hindered, the SOx Is forcibly desorbed from the catalyst 25.
[0058]
  The inner catalyst layer 25b of the lean NOx catalyst 25 is formed by supporting a catalyst metal and a NOx absorbent on a porous support material. Pt is adopted as the catalyst metal, at least one of K, Sr, Mg and La and Ba are adopted as the NOx absorbent, and alumina and ceria-zirconia composite oxide are adopted as the support material. Yes.
[0059]
  The outer catalyst layer 25c is also formed by supporting a catalyst metal and a NOx absorbent on a porous support material, and has Pt and Rh as the catalyst metal, and K, It has at least one of Sr, Mg and La and Ba, and zeolite is adopted as the support material.
[0060]
  Note that zeolite may be used as the support material for the inner catalyst layer 25b, and in that case, alumina or ceria may be used as the support material for the outer catalyst layer 25c. Further, as the catalyst 25, although not shown, a support layer is formed of alumina or ceria on the wall surface of the carrier, and this support material is a one-layer coat type in which a catalyst metal and a NOx absorbent are supported. Also good.
[0061]
  The regeneration of the catalyst 25 by the desorption of NOx and SOx is performed when it is determined that the sulfur component is excessively absorbed in the NOx absorbent. While controlling the air-fuel ratio of the combustion chamber 4 to substantially the stoichiometric air-fuel ratio, the fuel injection by the injector 7 is divided into two, thereby raising the temperature of the exhaust gas and raising the temperature of the NOx absorbent. This is done by greatly increasing the CO concentration in the exhaust gas. At that time, the CO concentration and the HC concentration in the exhaust gas are periodically changed by changing the air-fuel ratio so as to alternately switch between the rich side and the lean side.
[0062]
  -Fuel injection control for catalyst regeneration-
  Next, a specific processing procedure of the fuel injection control including the control procedure for regenerating the catalyst 25 will be described with reference to flowcharts shown in FIGS.
[0063]
  First, as shown in FIG. 8, in step SA1 after the start, the air flow sensor 12, O2While receiving various sensor signals such as the sensor 24, the water temperature sensor 30, the rotation speed sensor 33, the accelerator opening degree sensor 34, etc., various data are input from the memory of the ECU 40. Subsequently, in step SA2, the basic fuel injection amount qbase is calculated and set based on the charging efficiency ce, the target air-fuel ratio afw and the like as described above.
[0064]
  Subsequently, in steps SA3 to SA9, the injection pulse widths τL and τT of the intake stroke injection and the compression stroke injection and the injection timings Inj_TL and Inj_TT are obtained for each operation mode. That is, in step SA3, it is determined whether or not λ = 1 split mode. If YES, the process proceeds to step SA4, and the basic fuel injection amount qbase is divided into an intake stroke and a compression stroke according to the split ratio. The corresponding injection pulse widths τ are set as the intake stroke injection pulse width τL = τL1 and the compression stroke injection pulse width τT = τT2, respectively, based on the flow rate characteristics of the injector 7. Subsequently, in step SA5, the injection timings of the intake stroke injection and the compression stroke injection are set (Inj_TL = Inj_TL1, Inj_TT = Inj_TT1).
[0065]
  If it is determined in step SA3 that NO is not the λ = 1 split mode, the process proceeds to step SA6 to determine whether or not it is the stratified combustion mode. If YES, the process proceeds to step SA7 and the intake stroke injection pulse width τL. And the compression stroke injection pulse width τT is set to a value τT1 corresponding to the basic fuel injection amount qbase. Subsequently, in step SA8, the injection timing of the compression stroke injection is set (Inj_TT = Inj_TT2). On the other hand, if it is determined in step SA6 that NO is not the stratified combustion mode, the process proceeds to step SA9 to determine whether or not to perform fuel cut control. If YES, the process returns. If NO, the process proceeds to step SA10. The intake stroke injection pulse width τL is set to a value τL1 corresponding to the basic fuel injection amount qbase, the compression stroke injection pulse width τT = 0, and in step SA11, the injection timing of the intake stroke injection is set (Inj_TL = Inj_TL3). ).
[0066]
  Subsequent to steps SA5, SA8, and SA11 in FIG. 8, in step SB1 shown in FIG. 9, the NOx absorption amount in the catalyst 25 is estimated. This estimation is performed, for example, based on the distance traveled since the last NOx release control (NOx release control) and the total amount of fuel consumed during that time, and in the subsequent step SB2 based on the estimation result. Then, it is determined whether or not the NOx absorption amount is equal to or greater than a predetermined value set in advance, that is, whether or not the NOx absorption is excessive. If this judgment is YES, it will progress to Step SB3 and will turn on flag F1 which shows that it is a period which performs NOx discharge control (F1 = 1). In step SB2, when the engine 1 is accelerating, the determination may be YES regardless of the amount of NOx absorbed, and NOx release control described later may be performed.
[0067]
  Subsequently, in step SB4, the first timer value T1 having an initial value 0 is incremented, and in the subsequent step SB5, it is determined whether or not the first timer value T1 is equal to or greater than a preset threshold value T10. If this determination is YES, it is determined that the period for performing NOx release control has ended, the process proceeds to steps SB11 and SB12, the flag F1 is cleared (F1 = 0), and the first timer is reset (T1 = 0). ). On the other hand, if the determination in step SB5 is NO, the process proceeds to step SB6. In each of steps SB6 to SB9, O2A feedback control calculation based on a signal from the sensor 24 is performed.
[0068]
  That is, in step SB6, O2The output E from the sensor 24 is compared with a reference value E1 corresponding to the theoretical air fuel ratio. If the output E is greater than the reference value E1, the process proceeds to step SB7 where the feedback correction values τCL and τCT are subtracted from the previous values by the constants α and β, respectively, to obtain the current value. On the other hand, if the output E is NO equal to or less than the reference value E1, the process proceeds to step SB8, and constants α and β are added to the previous values of the feedback correction values τCL and τCT to obtain the current value.
[0069]
  Subsequently, at step SB9, the injection pulse widths τL4, τT4 obtained according to the actual charging efficiency ce so that the air-fuel ratio of the combustion chamber 4 becomes the stoichiometric air-fuel ratio, and the feedback correction value τCL obtained at steps SB7, SB8. , ΤCT, the intake stroke and the compression stroke injection pulse widths τL, τT at the time of NOx release control are calculated, and the injection timings are set again.
[0070]
      τL = τL4 + τCL, Inj_TL = Inj_TL4
      τT = τT4 + τCT, Inj_TT = Inj_TT4
  In other words, O2While the output E from the sensor 24 is larger than the reference value E1, the air-fuel ratio is richer than the stoichiometric air-fuel ratio. Therefore, the fuel injection amount in the intake and compression strokes is gradually increased by a fixed amount α and β every control cycle. Decrease and change the air-fuel ratio to the lean side. On the other hand, if the output E becomes smaller than the reference value E1, the air-fuel ratio becomes lean this time, so the fuel injection amount is gradually increased to change the air-fuel ratio to the rich side. In steps SB7 to SB9, both the intake stroke and the compression stroke injection amount are feedback-corrected, but only the intake stroke injection amount may be feedback-corrected. This is because even if the fuel injection amount in the intake stroke is changed, there is little adverse effect on the combustion state and the exhaust gas.
[0071]
  If NO is determined in step SB2, the process proceeds to step SB10 to determine the state of the flag F1. If the flag is ON (F1 = 1), it is determined that it is a period for performing NOx release control. On the other hand, if the flag is off (F1 = 0), it is determined that it is not a period for performing NOx release control, and the process proceeds to steps SB11 and SB12.
[0072]
  Subsequent to steps SB9 and SB12 in FIG. 9, in step SC1 shown in FIG. 10, the degree of S poisoning of the catalyst 25, that is, the SOx absorption amount is estimated. Similar to the estimation of the NOx absorption amount in the above step SB1, this estimation is also based on the distance traveled since the last control for urging SOx desorption (SOx desorption control) and the total amount of fuel consumed during that time. , Taking into account the temperature state of the catalyst in the meantime. Based on the estimation result, in the subsequent step SC2, it is determined whether or not the SOx absorption amount is equal to or greater than a predetermined value set in advance, that is, whether or not the SOx absorption is excessive. Here, since the sulfur component in the exhaust gas is small, the travel distance until the SOx absorption excessive state is reached is usually much longer than the travel distance until the NOx absorption excessive state is reached.
[0073]
  If the determination in step SC2 is YES, the process proceeds to step SC3, and a flag F2 indicating that it is a period for performing SOx desorption control is turned on (F2 = 1). In step SC4, the exhaust temperature thg, that is, the temperature state of the catalyst 25 is estimated. This estimation is mainly based on the actual charging efficiency ce and engine speed ne at the time of estimation, and taking into account the operation time in the stratified combustion mode and the time of split injection within a predetermined time before the estimation. However, the exhaust temperature thg tends to increase as the charging efficiency and the engine speed increase, and also to increase due to split injection. On the other hand, in the stratified combustion mode, the exhaust gas temperature thg becomes considerably low. Therefore, the longer the operation time in the stratified combustion mode, the lower the temperature state of the catalyst 25.
[0074]
  Subsequently, in step SC5, it is determined whether the exhaust temperature thg is equal to or higher than a set temperature thg0 (for example, 450 ° C.). If this determination is NO, the process proceeds to step SD1 in FIG. Then, the SOx desorption control is executed. The reason why the SOx desorption control is performed only when the exhaust gas temperature is high to some extent is that the SOx desorption property is not improved unless the temperature state of the catalyst 25 is higher than a certain level.
[0075]
  In step SC6, the second timer value T2 having an initial value of 0 is incremented. In step SC7, it is determined whether or not the second timer value T2 has become equal to or greater than a preset threshold value T20. While this determination is NO, the process proceeds to steps SC8 to SC11.2A feedback control calculation based on a signal from the sensor 24 is performed. The specific procedure of this feedback control calculation is the same as steps SB6 to SB9 in FIG. If the time corresponding to the threshold value T20 elapses and SOx is sufficiently desorbed from the catalyst 25, the determination in step SC7 is YES and the process proceeds to step SC12, where the flag F2 is cleared ( F2 = 0), the process proceeds to step SD1 in FIG.
[0076]
  On the other hand, if it is determined NO in step SC2, the process proceeds to step SC13 to determine the state of flag F2, and if it is on (F2 = 1), it is determined that it is a period for performing SOx desorption control. While the process proceeds to SC4, if it is off (F2 = 0), it is determined that it is not the period for performing the SOx desorption control, the process proceeds to steps SC14 and SC15, the flag F2 is cleared (F2 = 0), and the second timer is reset. (T2 = 0), the process proceeds to step SD1 in FIG.
[0077]
  Subsequent to steps SC5, SC12, and SC15, in step SD1 in FIG. 11, it is first determined whether or not the intake stroke injection pulse width τL is zero. If YES (τL = 0), the process proceeds to step SD4. On the other hand, if NO (τL ≠ 0), the routine proceeds to step SD2, where it is determined whether or not the intake stroke injection timing Inj_TL has come. And it waits until it becomes an injection timing, and if it becomes an injection timing (it is YES at step SD2), it will progress to step SD3 and will perform intake stroke injection by the injector 7. FIG. Subsequently, in each of steps SD4 to SD6, the compression stroke injection is executed in the same manner as described above, and then the process returns.
[0078]
  Therefore, steps SC1 and SC2 in the flow shown in FIG. 10 constitute the sulfur excess absorption determining means 40a for determining that the SOx absorption amount in the catalyst 25 is a SOx absorption excessive state that is greater than a predetermined value. Steps SC8 to SC11 constitute a sulfur desorption means 40b for desorbing SOx from the NOx absorbent of the catalyst 25 when the SOx absorption excessive state is determined by the sulfur excessive absorption determination means 40a.
[0079]
  That is, when the exhaust gas temperature thg is equal to or higher than the set temperature thg0, the sulfur desorbing means 40b controls the air-fuel ratio to be close to the stoichiometric air-fuel ratio to reduce the oxygen concentration in the exhaust gas and is richer than the stoichiometric air-fuel ratio. While the fuel is periodically changed so as to alternately change between the intake side and the lean side, the fuel is injected into the injector 25 by being divided into two parts each in the intake stroke and the compression stroke of the cylinder by the injector 7 so that the catalyst 25 is in a high temperature state. The CO concentration in the exhaust gas is greatly increased, and the CO concentration is also increased by correcting the fuel injection amount to be increased.
[0080]
  (EGR control)
  Next, the processing procedure of the EGR control will be described in detail with reference to the flowchart shown in FIG. 12. In step SE1 after the start, various sensor signals such as the air flow sensor 12 and the rotation speed sensor 33 are accepted, and the ECU 40 Input various data from memory. In the subsequent step SE2, a target EGR rate is calculated based on the actual charging efficiency ce and the engine speed ne, and an EGR amount that achieves this target EGR rate is set as a basic EGR amount EGRb. The target EGR rate has a correspondence relationship with the charging efficiency ce and the engine speed ne obtained in advance by a bench test or the like, and this correspondence relationship is stored in the memory of the ECU 40 as a map.
[0081]
  Subsequently, in step SE3, based on the value of the first flag F1, it is determined whether or not it is a period for performing NOx release control. If this determination is YES, the process proceeds to step SE5. If the determination is NO, the process proceeds to step SE4. Next, based on the value of the second flag F2, it is determined whether it is a period for performing the SOx desorption control. If this determination is YES, the process proceeds to step SE5, and the correction value EGRc for increasing / decreasing the EGR amount is set to a predetermined value γ (γ <0), while if the determination is NO, the process proceeds to step SE6 and the correction value is corrected. The value of EGRc is set to zero (EGRc = 0). Then, following step SE5 or step SE6, in step SE7, the basic EGR amount EGRb and the correction value EGRc are added to calculate the final EGR amount EGRt, and in step SE8, the control signal is sent to the EGR valve 27. Is output to drive to an opening corresponding to the final EGR amount EGRt, and then return.
[0082]
  That is, as described above, at least one of NOx release control or SOx desorption control is performed, and the fuel injection amount by the injector 7 is feedback controlled to maintain the air-fuel ratio of the combustion chamber 4 near the stoichiometric air-fuel ratio. The opening degree of the EGR valve 27 is corrected so that the EGR amount is slightly reduced.
[0083]
  -Effect-
  Next, the function and effect of the embodiment will be described.
[0084]
  For example, as shown in FIG. 13, the engine 1 is operated in the acceleration operation state with the fuel injection amount increased and operated in the λ = 1 split mode or the enrich mode. At this time, NOx absorbed in the catalyst 25 is released. Reduced and purified. Further, when the steady operation state continues, the NOx absorption excessive state of the catalyst 25 is determined based on the travel distance since the last release of NOx and the fuel consumption during that time (flag F1 = 1). NOx release control as shown in the flow of 9 is performed.
[0085]
  On the other hand, for example, when the travel distance of the automobile reaches several thousand km, there is a possibility that the NOx absorption performance may be lowered due to the gradual accumulation of SOx in the catalyst 25 during the operation of the engine 1. In that case, as shown in the flow of FIG. 10, when the excessive absorption state of SOx is determined by the sulfur excessive absorption determination means during the operation of the engine 1 and the flag F2 is turned on (see FIG. 13), the catalyst is If 25 is in a high temperature state (for example, 450 ° C. or higher), SOx release control is performed.
[0086]
  This NOx release and SOx release are both performed by fuel split injection and feedback control in the vicinity of the stoichiometric air-fuel ratio of the air-fuel ratio. As the oxygen concentration in the exhaust gas decreases, the CO concentration in the exhaust gas and The desorption of NOx and SOx from the catalyst 25 is promoted by the HC concentration greatly increasing and periodically changing, and further, the exhaust gas temperature rises.
[0087]
  That is, the fuel is divided into two parts and injected by the injector 7 so that a part of the fuel injected in the intake stroke of each cylinder 2 is uniformly diffused into the combustion chamber 4 to form a lean air-fuel mixture. On the other hand, the remaining fuel injected in the compression stroke forms a rich mixture in the vicinity of the spark plug 6. Then, although the initial combustion rate immediately after ignition is high in this rich mixture portion, since oxygen is insufficient, CO is likely to be generated by local incomplete combustion. On the other hand, the combustion in the portion of the lean air-fuel mixture becomes slow, and part of the fuel is discharged before it burns, so that the exhaust temperature rises due to afterburning and CO is more likely to be generated. Become. Furthermore, if the number of times the injector 7 is opened due to the division of fuel injection increases, the proportion of coarse fuel droplets injected at the initial stage of opening the valve increases, and this also facilitates the generation of CO.
[0088]
  Further, the fuel injection amount by the injector 7 is increased, and the air-fuel ratio of the combustion chamber 4 is controlled to be approximately the stoichiometric air-fuel ratio, so that the concentration of reducing agent components such as CO and HC in the exhaust gas increases. The fuel injection amount is O2By performing feedback correction based on the signal from the sensor 24, the air-fuel ratio periodically fluctuates so as to alternately change between the rich side and the lean side. Therefore, the concentrations of CO, HC, etc. in the exhaust gas are cyclic. Fluctuates. As a result, the action of CO, HC, etc. on the NOx and SOx adsorbed on the catalyst 25 is strengthened, and the release of NOx and SOx from the catalyst 25 is promoted.
[0089]
  As a result, the time required for sufficiently desorbing SOx from the catalyst 25, that is, the time required to control the air-fuel ratio to a substantially stoichiometric air-fuel ratio only for that purpose is shortened. 25 can be sufficiently regenerated to ensure stable NOx removal performance.
[0090]
  About NOx release
  Specifically, in the catalyst 25, NOx is adsorbed in the form of nitrate on the surface of the NOx absorbent (Ba particles or the like), and the nitrate radicals of this nitrate are replaced by the supply of CO, so that carbonate and nitrogen dioxide. Are considered to generate. For example, the case of Ba particles is as follows.
[0091]
      Ba (NO3)2+ CO → BaCO3+ NO2↑ (Coefficient omitted)
Then, nitrogen dioxide reacts with HC, CO and the like on the catalyst metal to be reduced and purified.
[0092]
      NO2 + HC + CO → N2+ H2O + CO2     (Coefficient omitted)
  That is, since NOx is released from the catalyst 25 and reduced and purified, the catalyst 25 again becomes able to sufficiently absorb NOx in the exhaust gas (regeneration of the catalyst).
[0093]
  Here, in the catalyst 25, since CO and HC in the exhaust gas are adsorbed and held by the zeolite in the outer catalyst layer 25c, the NOx released as described above can be reliably reduced and purified. Even if the amount of NOx released from 25 decreases, CO and HC are not discharged into the atmosphere. Therefore, most of the NOx absorbed by the catalyst 25 is released, that is, the catalyst 25 can be sufficiently regenerated.
[0094]
  In addition, since Pt and Rh are supported on the outer catalyst layer 25c, even in a relatively low temperature state (for example, 200 to 250 ° C.), NO2Can be effectively reduced and decomposed. This is particularly advantageous when the engine 1 is operated in a stratified combustion state as in this embodiment. This is because in such stratified combustion, the air-fuel ratio becomes extremely lean and the exhaust temperature becomes considerably low.
[0095]
  Release of SOx
  Next, recovery from S poisoning of the catalyst 25, that is, regeneration, will be described. In the catalyst 25, SOx is adsorbed on the surface of the NOx absorbent (Ba particles, etc.) in the form of sulfate in the same manner as NOx. It is considered that the sulfate group of this sulfate is replaced by the supply of CO to produce carbonate and sulfur dioxide. For example, in the case of Ba particles, it is as follows.
[0096]
      BaSO4+ CO → BaCO3+ SO2↑ (Coefficient omitted)
  Further, when the CO concentration increases, the CO and the moisture H in the exhaust gas.2A so-called water gas shift reaction proceeds with O, whereby hydrogen is generated at the reaction site of the catalyst.
[0097]
      CO + H2O → H2+ CO2
Since SOx is desorbed in the form of hydrogen sulfide by the action of hydrogen, the desorption of the sulfur component from the catalyst 25 is also promoted by this. Since the water gas shift reaction proceeds even at a relatively low temperature, the SOx desorption can be promoted even if the temperature of the catalyst 25 is not so high.
[0098]
  Further, zeolite is supported on the outer catalyst layer 25c of the catalyst 25, and the HC in the exhaust gas is partially oxidized by the zeolite and converted to HCO or CO. Therefore, the zeolite is adsorbed on the NOx absorbent surface of the inner catalyst layer 25b. The concentration of CO acting on the SOx being added further increases.
[0099]
  In addition, if other elements (K, Sr, Mg, or La) other than Ba are more susceptible to S poisoning than Ba, therefore, Ba is less susceptible to S poisoning, and S poisoning. The subsequent decrease in NOx absorption performance is reduced. If the other elements (K, Sr, Mg or La) are more easily recovered from S poisoning than Ba, the NOx absorption performance after recovery is enhanced. Furthermore, when the presence of the other elements (K, Sr, Mg, or La) leads to an increase in the specific surface area or reaction site of the NOx absorbent, the NOx absorbent performance of the NOx absorbent is enhanced. In addition, when such other elements act as an obstacle to sintering due to the heat of Ba, thermal degradation due to the sulfur desorption treatment of the NOx absorbent is avoided.
[0100]
  (Concrete example)
  -Example 1-
  Formation of Pt-Rh / MFI catalyst powder
  An aqueous solution of dinitrodiamine platinum and an aqueous solution of rhodium nitrate have a Pt carrying amount (the carrying amount is a dry weight per 1 L of carrier when it is carried on a honeycomb carrier described later. The same applies hereinafter). And weighed and mixed so that the Rh loading was 0.006 g / L, and this was mixed with MFI-type zeolite (SiO 22/ Al2O3 = 80), the catalyst powder was formed by performing spray-drying by a spray-drying method, and further drying and baking. The total amount of Pt and Rh in the catalyst powder is about 2.5 wt%. Drying was performed at a temperature of 150 ° C. for 1 hour, and firing was performed at a temperature of 540 ° C. for 2 hours. The drying conditions and firing conditions are the same for “drying” and “firing” in the following description.
[0101]
  Preparation of mixed solution (for impregnation)
  A mixed solution was prepared by weighing and mixing an aqueous solution of dinitrodiamine platinum nitrate and an aqueous solution of barium acetate so that the Pt loading was 6.0 g / L and the Ba loading was 30 g / L.
[0102]
  Formation of inner coat layer
  γ-alumina and CeO2-ZrO2The composite oxide and the alumina binder are weighed and mixed so that the γ-alumina support amount is 150 g / L, the composite oxide support amount is 150 g / L, and the binder support amount is 30 g / L. A slurry was prepared by adding ion exchange water thereto. A cordierite honeycomb carrier (capacity 25 mL, weight 420 g / L per carrier L) was dipped in this slurry, pulled up, and excess slurry was blown away, and the slurry was wash coated on the carrier. Next, this was dried and baked to form an inner coat layer.
[0103]
  Formation of outer coat layer
  The Pt-Rh / MFI catalyst powder and alumina binder are weighed and mixed so that the catalyst powder loading is 20 g / L and the binder loading is 4 g / L, and ion exchange water is added thereto. Thus, a slurry was prepared, and the slurry was wash-coated on the carrier on which the inner coat layer was formed, and dried and fired to form an outer coat layer.
[0104]
  Impregnation process
  The mixed solution was impregnated into the inner and outer coat layers of the carrier, and dried and fired.
[0105]
  Therefore, in the case of the catalyst, Pt is supported at 0.5 g / L by the Pt-Rh / MFI catalyst powder of the outer coat layer and is supported at 6.0 g / L by the mixed solution. Therefore, the total supported amount of Pt is 6 .5 g / L.
[0106]
  The resulting catalyst has an impurity content of less than 1%. This also applies to the other examples of catalysts described below.
[0107]
  -Example 2-
  As the above mixed solution, a solution obtained by weighing and mixing an aqueous solution of dinitrodiamine platinum nitrate and an aqueous solution of barium acetate so that the supported amount of Pt is 6.0 g / L and the supported amount of Ba is 50 g / L is used. Other than that, a catalyst was prepared by the same conditions and method as in Example 1. Also in this example, Pt is supported at 0.5 g / L by the Pt-Rh / MFI catalyst powder of the outer coat layer and is supported at 6.0 g / L by the mixed solution, so that the total supported amount of Pt is 6. 5 g / L.
[0108]
  -Example 3-
  As the above mixed solution, aqueous solutions of dinitrodiamine platinum nitrate, barium acetate, strontium acetate and lanthanum acetate, Pt loading amount 6.0 g / L, Ba loading amount 30 g / L, Sr loading amount 10 g / L, La A catalyst was prepared by the same conditions and method as in Example 1 except that a supported amount was 10 g / L and mixed. Also in this example, Pt is supported at 0.5 g / L by the Pt-Rh / MFI catalyst powder of the outer coat layer and is supported at 6.0 g / L by the mixed solution, so that the total supported amount of Pt is 6. 5 g / L.
[0109]
  -Example 4-
  As the above mixed solution, aqueous solutions of dinitrodiamine platinum nitrate, barium acetate, magnesium acetate and lanthanum acetate, Pt loading amount 6.0 g / L, Ba loading amount 30 g / L, Mg loading amount 10 g / L, La A catalyst was prepared by the same conditions and method as in Example 1 except that a supported amount was 10 g / L and mixed. Also in this example, Pt is supported at 0.5 g / L by the Pt-Rh / MFI catalyst powder of the outer coat layer and is supported at 6.0 g / L by the mixed solution, so that the total supported amount of Pt is 6. 5 g / L.
[0110]
  -Example 5-
  As the above mixed solution, aqueous solutions of dinitrodiamine platinum nitrate, barium acetate, potassium acetate, and strontium acetate were used. The supported amount of Pt was 6.0 g / L, the supported amount of Ba was 30 g / L, the supported amount of K was 10 g / L, Sr. A catalyst was prepared by the same conditions and method as in Example 1 except that a supported amount was 10 g / L and mixed. Also in this example, Pt is supported at 0.5 g / L by the Pt-Rh / MFI catalyst powder of the outer coat layer and is supported at 6.0 g / L by the mixed solution, so that the total supported amount of Pt is 6. 5 g / L.
[0111]
  -Example 6
  As the above mixed solution, an aqueous solution of dinitrodiamine platinum nitrate, barium acetate, strontium acetate and magnesium acetate, Pt loading amount 6.0 g / L, Ba loading amount 30 g / L, Sr loading amount 10 g / L, Mg A catalyst was prepared by the same conditions and method as in Example 1 except that a supported amount was 10 g / L and mixed. Also in this example, Pt is supported at 0.5 g / L by the Pt-Rh / MFI catalyst powder of the outer coat layer and is supported at 6.0 g / L by the mixed solution, so that the total supported amount of Pt is 6. 5 g / L.
[0112]
  -Example 7-
  As the above mixed solution, each aqueous solution of dinitrodiamine platinum nitrate, barium acetate, and potassium acetate was weighed so that the Pt loading was 6.0 g / L, the Ba loading was 30 g / L, and the K loading was 10 g / L. A catalyst was prepared by the same conditions and method as in Example 1 except that a mixture was used. Also in this example, Pt is supported at 0.5 g / L by the Pt-Rh / MFI catalyst powder of the outer coat layer and is supported at 6.0 g / L by the mixed solution, so that the total supported amount of Pt is 6. 5 g / L.
[0113]
  -Example 8-
  As the above mixed solution, aqueous solutions of dinitrodiamine platinum nitrate, barium acetate, potassium acetate, and magnesium acetate, Pt loading amount 6.0 g / L, Ba loading amount 30 g / L, K loading amount 10 g / L, Mg A catalyst was prepared by the same conditions and method as in Example 1 except that a supported amount was 10 g / L and mixed. Also in this example, Pt is supported at 0.5 g / L by the Pt-Rh / MFI catalyst powder of the outer coat layer and is supported at 6.0 g / L by the mixed solution, so the total supported amount of Pt is 6. 5 g / L.
[0114]
  -Example 9-
  As the above mixed solution, aqueous solutions of dinitrodiamine platinum nitrate, barium acetate, potassium acetate and lanthanum acetate, Pt loading amount 6.0 g / L, Ba loading amount 30 g / L, K loading amount 10 g / L, La A catalyst was prepared by the same conditions and method as in Example 1 except that a supported amount was 10 g / L and mixed. Also in this example, Pt is supported at 0.5 g / L by the Pt-Rh / MFI catalyst powder of the outer coat layer and is supported at 6.0 g / L by the mixed solution, so that the total supported amount of Pt is 6. 5 g / L.
[0115]
  -Example 10-
  As the above mixed solution, each aqueous solution of dinitrodiamine platinum nitrate, barium acetate, potassium acetate, strontium acetate, magnesium acetate and lanthanum acetate has a Pt carrying amount of 6.0 g / L, a Ba carrying amount of 30 g / L, and a K carrying amount. The same conditions and method as in Example 1 except that a mixture of 10 g / L, Sr loading of 10 g / L, Mg loading of 10 g / L, and La loading of 10 g / L is used. The catalyst was prepared by Also in this example, Pt is supported at 0.5 g / L by the Pt-Rh / MFI catalyst powder of the outer coat layer and is supported at 6.0 g / L by the mixed solution, so that the total supported amount of Pt is 6. 5 g / L.
[0116]
  -Example 11-
  As the above mixed solution, aqueous solutions of dinitrodiamine platinum nitrate, rhodium acetate, barium acetate, potassium acetate, strontium acetate and magnesium acetate were used, the Pt loading was 6.5 g / L, the Rh loading was 0.1 g / L, Ba The same conditions as in Example 1 except that the amount supported is 30 g / L, the amount of K is 6 g / L, the amount of Sr is 10 g / L, and the amount of Mg is 10 g / L. A catalyst was prepared by the method.
[0117]
  In this example, Pt is supported on the catalyst by 0.5 g / L of Pt-Rh / MFI catalyst powder of the outer coat layer and 6.5 g / L of the mixed solution. The amount is 3.5 g / L, and Rh is also supported by 0.006 g / L by the Pt-Rh / MFI catalyst powder and 0.1 g / L by the above mixed solution. 106 g / L.
[0118]
  -Evaluation test of each catalyst-
  Measuring method of NOx purification rate
  The measuring method of the NOx purification rate is as follows. That is, each catalyst is attached to a fixed bed flow-type reaction evaluation apparatus, and simulated exhaust gas of lean air-fuel ratio shown in Table 1 with a gas composition A is passed through the catalyst until the NOx purification rate is stabilized. Next, the simulated exhaust gas is switched to the air-fuel ratio rich gas gas composition B shown in Table 1 and allowed to flow for 3 minutes to desorb the NOx previously absorbed by the NOx absorbent. Thereafter, the simulated exhaust gas is switched to the gas composition A, and the NOx purification rate (lean NOx purification rate) for 130 seconds is measured from this switching point.
[0119]
  The measurement temperature of the NOx purification rate (catalyst inlet gas temperature) is 350 ° C. or 450 ° C. The space velocity SV is 55000h at any temperature except for Example 11.-1It is. In Example 11, the space velocity is 25000h.-1It was. In addition, the NOx purification rate can be measured with a fresh catalyst that has not been subjected to deterioration treatment, or with a SO2After processing (S poisoning deterioration processing), SO2This was performed after the regeneration treatment after the treatment and after the heat deterioration treatment. SO2The conditions for the treatment, the regeneration treatment and the heat deterioration treatment are as follows.
[0120]
  SO2processing
  SO2In the treatment, a simulated exhaust gas having a gas composition C shown in Table 1 is allowed to flow for 60 minutes with respect to the catalyst attached to the fixed bed flow reaction evaluation apparatus. The catalyst inlet gas temperature is 350 ° C., and the space velocity is 55000h.-1It is.
[0121]
  Playback processing
  In the regeneration process, the three types of simulated exhaust gases shown in Table 2 are appropriately switched over and flow for 10 minutes with respect to the catalyst attached to the fixed bed flow reaction evaluation apparatus. In this case, the gas composition is (1) A / F = 14.7 → (2) A / F = 13.8 → (3) A / F = 14.7 → (4) A / F = 15.6 (→ (1) A / F = 14.7), and the period was set to 1 second. The catalyst inlet gas temperature is 600 ° C., and the space velocity is 120,000 h.-1It is.
[0122]
  Thermal degradation treatment
  In the thermal deterioration treatment, the state in which the catalyst is heated to 900 ° C. in an air atmosphere is maintained for 24 hours.
[0123]
[Table 1]
Figure 0004465799
[0124]
[Table 2]
Figure 0004465799
[0125]
  NOx purification rate when fresh, SO2NOx purification rate after treatment and SO2FIG. 14 shows the measurement results of the NOx purification rate after the regeneration treatment after the treatment (however, the catalyst inlet gas temperature is 350 ° C.). According to the figure, there is no significant difference between the catalysts in the NOx purification rate during fresh. But SO2The NOx purification rate after treatment is higher in Examples 3 to 11 in which other elements (at least one of K, Sr, Mg and La) are used in combination with Ba than in Examples 1 and 2 where the NOx absorbent is Ba alone. Tends to be high, particularly in the case of containing K. On the other hand, as for the NOx purification rate after the regeneration treatment, those containing K show a tendency to be high except for Example 5, and the tendency is remarkable in the case of using Mg or La in addition to K.
[0126]
  FIG. 15 shows the NOx purification rate during freshness and after heat treatment (thermal deterioration treatment) when the catalyst inlet gas temperature is 350 ° C. According to the figure, the NOx purification rate after heat treatment of the catalysts of Examples 3 to 6 (the effect of which the above-mentioned S poisoning resistance (the NOx purification characteristics after the regeneration treatment was not so effective)) tends to increase. In particular, the tendency is remarkable in Example 5. This tendency is the same when NOx purification at the time of freshness and after heat treatment (thermal deterioration treatment) when the catalyst inlet gas temperature shown in FIG. As described above, Examples 3 to 6 show an excellent effect on the heat resistance, although a remarkable effect is not recognized on the S poison resistance, and it is considered that the regeneration process is performed at a relatively high temperature. Thus, it can be said that the regeneration process is advantageous in maintaining the NOx absorption performance.
[0127]
  Further, according to FIG. 16, each catalyst of Examples 5, 8, and 9 contains K in addition to Ba and further contains any one of Sr, Mg, and La. The NOx purification rate at ℃ is considerably high. This means that even when the exhaust gas temperature becomes high as in high-speed traveling, the vehicle can travel at a lean air-fuel ratio without significantly increasing NOx emissions.
[0128]
  <About Ba-K-Sr-based NOx absorbent>
  As the above mixed solution, aqueous solutions of dinitrodiamine platinum nitrate, rhodium acetate, barium acetate, potassium acetate and strontium acetate have a Pt carrying amount of 3.0 g / L, a Rh carrying amount of 0.1 g / L, and a Ba carrying amount. Weigh and mix to 30 g / L, K loading 6 g / L, Sr loading 0 g / L, 5 g / L, 10 g / L, 15 g / L, 20 g / L and 30 g / L. Each catalyst was prepared by the same conditions and method as in Example 1 except that each solution thus prepared was used.
[0129]
  In the case of this example, Pt is supported on each catalyst by 0.5 g / L by the Pt-Rh / MFI catalyst powder of the outer coat layer and by 3.0 g / L by the above mixed solution. The amount is 3.5 g / L, and Rh is also supported by 0.006 g / L by the Pt-Rh / MFI catalyst powder and 0.1 g / L by the above mixed solution. 106 g / L.
[0130]
  For comparison, as the above mixed solution, aqueous solutions of dinitrodiamine platinum nitrate, rhodium acetate and barium acetate were used. The supported amount of Pt was 3.0 g / L, the supported amount of Rh was 0.1 g / L, and the supported amount of Ba. A comparative catalyst was prepared by the same conditions and method as in Example 1 except that a mixture obtained by weighing and mixing so as to be 30 g / L (zero K loading, zero Sr loading). This comparative catalyst also has a total Pt loading of 3.5 g / L and a total Rh loading of 0.106 g / L.
[0131]
  For each of the catalysts and comparative catalysts having different Sr loadings, the freshness and SO2Each NOx purification rate after treatment and after regeneration was measured. FIG. 17 shows the results of the catalysts with different Sr loadings. According to the figure, when Sr is carried, the NOx purification rate after regeneration becomes higher than when the Sr carrying amount is zero. However, when the Sr carrying amount is 20 g / L or more, the NOx after regeneration is rather The purification rate is low, the Sr loading is preferably 5 g / L or more and less than 20 g / L, or 10 g / L or more and less than 20 g / L, 15 g / L is the best, and therefore 13 g / L. It can be seen that L to 17 g / L is advantageous in maintaining the NOx purification rate after regeneration at a high value.
[0132]
  Further, the comparative catalyst has a NOx purification rate of 72% when fresh and SO2The NOx purification rate after treatment was 41%, and the NOx purification rate after regeneration was 63%. Therefore, when K and Sr are supported in addition to Ba, the amount of Sr supported up to 20 g / L is up to 20 g / L when fresh.2It can be seen that each NOx purification rate after treatment and regeneration is higher than that of the comparative catalyst of Ba alone.
[0133]
  FIG. 18 shows the results of measuring the NOx purification rate after performing the above-described thermal deterioration treatment for each catalyst and comparative catalyst having different Sr loadings. The one-dot chain line in the figure shows the NOx purification rate of the comparative catalyst. However, space velocity is 25000h-1It was. According to the figure, when the amount of supported Sr is 30 g / L or more, the heat resistance of the catalyst is lower than that of the comparative catalyst, but if the amount is smaller than that, the heat resistance of the catalyst is improved. It turns out that it is advantageous to the reproduction | regeneration mentioned above.
[0134]
  <About Ba-K-Mg-based NOx absorbent>
  As the above mixed solution, aqueous solutions of dinitrodiamine platinum nitrate, rhodium acetate, barium acetate, potassium acetate, and magnesium acetate, Pt loading amount is 3.0 g / L, Rh loading amount is 0.1 g / L, Ba loading amount is 30 g / L, K loading is 6 g / L, Mg loading is 0 g / L, 5 g / L, 10 g / L, 15 g / L, and 20 g / L. Each catalyst was prepared by the same conditions and method as in Example 1 except that the solution was used. Also in this example, the total supported amount of Pt is 3.5 g / L, and the total supported amount of Rh is 0.106 g / L.
[0135]
  For each of the catalysts having different Mg loadings, the SO2Each NOx purification rate after treatment and after regeneration was measured. The result is shown in FIG. According to the figure, when Mg is loaded, the NOx purification rate after regeneration becomes higher than when the Mg loading amount is zero, and the NOx purification rate after regeneration is the highest when the Mg loading amount is 10 g / L. It can be seen that an increase in the Mg loading is 3 g / L to 17 g / L, or 5 g / L to 15 g / L, which is advantageous in maintaining the NOx purification rate after regeneration at a high value.
[0136]
  Further, the comparative catalyst (the comparative catalyst described in the section of Ba—K—Sr-based NOx absorbent) has a NOx purification rate of 72% when fresh, SO2Since the NOx purification rate after treatment is 41% and the NOx purification rate after regeneration is 63%, when K and Mg are supported in addition to Ba, SO2It can be seen that each NOx purification rate after treatment and regeneration is higher than that of the comparative catalyst of Ba alone.
[0137]
  FIG. 20 shows the results of measuring the NOx purification rate after performing the above-described thermal deterioration treatment for each catalyst and comparative catalyst having different Mg loadings. The one-dot chain line in the figure shows the NOx purification rate of the comparative catalyst. However, space velocity is 25000h-1It was. According to the figure, it can be seen that the heat resistance of the catalyst is improved up to 20 g / L of Mg, which is advantageous for the regeneration described above.
[0138]
  <About Ba-K-Sr-Mg-based NOx absorbent>
  As the above mixed solution, aqueous solutions of dinitrodiamine platinum nitrate, rhodium acetate, barium acetate, potassium acetate, strontium acetate, and magnesium acetate, Pt loading amount is 3.0 g / L, Rh loading amount is 0.1 g / L, Ba Each catalyst was prepared by the same conditions and method as in Example 1 except that each of the supported amounts was 30 g / L, the K supported amount was 6 g / L, the Mg supported amount was 5 g / L, and the Sr supported amount was different. In addition, each catalyst having a different amount of Sr supported was prepared with an Mg supported amount of 10 g / L, and each catalyst having a different Sr supported amount similarly prepared with an Mg supported amount of 15 g / L. In the case of each of these catalysts, the total supported amount of Pt is 3.5 g / L, and the total supported amount of Rh is 0.106 g / L.
[0139]
  For each of the catalysts having different Mg loadings and Sr loadings, the evaluation test described above, when fresh, SO2Each NOx purification rate after treatment and after regeneration was measured. FIG. 21 shows the results when the Mg loading is 5 g / L, FIG. 22 shows the results when the Mg loading is 10 g / L, and FIG. 23 shows the results when the Mg loading is 15 g / L.
[0140]
  According to FIG. 21, when the Mg loading is 5 g / L, the NOx purification rate after recovery is the highest when the Sr loading is 15 g / L, and the SO2The recovery rate of NOx purification rate from poisoning is also high. According to FIG. 22, when the Mg loading is 10 g / L, the NOx purification rate after recovery becomes the highest when the Sr loading is 10 g / L, and the SO2The recovery rate of NOx purification rate from poisoning is also high. Also, when the Sr loading is 5 g / L, SO2The recovery rate of NOx purification rate from poisoning is high. According to FIG. 23, when the Mg loading is 15 g / L, the Sr loading is 5 g / L to 15 g / L, and the SO loading is 5 g / L.2The recovery rate of NOx purification rate from poisoning is high.
[0141]
  From the above, when Sr and Mg are used in combination with Ba and K, SO is supported even when the amount of supported Sr is small.2It turns out that the recovery rate of the NOx purification rate from poisoning becomes high.
[0142]
  Further, the comparative catalyst (the comparative catalyst described in the section of Ba—K—Sr-based NOx absorbent) has a NOx purification rate of 72% when fresh, SO2Since the NOx purification rate after the treatment is 41% and the NOx purification rate after the regeneration is 63%, when K, Sr and Mg are supported in addition to Ba,2It can be seen that each NOx purification rate after treatment and regeneration is higher than that of the comparative catalyst of Ba alone.
[0143]
  FIG. 24 shows the results of measuring the NOx purification rate after the thermal deterioration treatment described above was performed for the catalysts and comparative catalysts having different Mg loadings and Sr loadings. The one-dot chain line in the figure shows the NOx purification rate of the comparative catalyst. However, space velocity is 25000h-1It was. According to the figure, it can be seen that the heat resistance of the catalyst is improved when Sr and Mg are used in addition to Ba and K, which is advantageous for the regeneration described above. However, it can be said that an excessive amount of Sr or Mg is disadvantageous for improving heat resistance.
[0144]
  -Others-
  In the above embodiment, the sulfur desorbing means is configured by air-fuel ratio control and split injection control. However, a heater for heating the catalyst is provided, and the air-fuel ratio is changed to near λ = 1 when a sulfur excessive absorption state is determined. In addition, the catalyst may be heated by operating the heater.
[0145]
  Further, when the catalyst has a two-layer structure of the inner catalyst layer and the outer catalyst layer as in the above embodiment, the CeO is not included in the inner catalyst layer.2-ZrO2Fine powder CeO instead of complex oxide2May be used. In that case, fine powder CeO2The particle size of is preferably 100 nm or less.
[0146]
  Further, the present invention is not limited to the exhaust gas of an automobile engine, but can be applied to a stationary industrial engine. In this case, the desired effect can be obtained by configuring as in the above embodiment. . In this case, the industrial engine is used for air conditioning of buildings or the like by exchanging heat of exhaust gas, for example. At this time, when the heat exchanger is disposed upstream of the catalyst, when the catalyst temperature is increased as in the above embodiment, the heat exchange efficiency is reduced by reducing the amount of heat exchange water, etc. Can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a configuration of the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an exhaust purification device according to an embodiment of the present invention.
[Fig. 3] O in response to changes in air-fuel ratio2The figure which shows the output characteristic of a sensor.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a catalyst.
FIG. 5 is a diagram showing an example of a map in which operating regions of an engine stratified combustion mode, λ = 1 split mode, and enriched mode are set.
FIG. 6 is a time chart showing fuel injection timing in each operation region of the engine.
FIG. 7 is a map (a) in which target engine torque corresponding to engine speed and accelerator opening is set, and a map (b) in which throttle valve opening corresponding to engine speed and target torque is set. Explanatory drawing which illustrates each.
FIG. 8 is a flowchart showing a procedure for setting a basic fuel injection amount and fuel injection timing.
FIG. 9 is a flowchart showing a processing procedure for NOx release control.
FIG. 10 is a flowchart showing a processing procedure for SOx desorption control.
FIG. 11 is a flowchart showing an execution procedure of intake stroke injection and compression stroke injection.
FIG. 12 is a flowchart showing a processing procedure of EGR control.
FIG. 13 is a time chart showing changes in the air-fuel ratio when NOx release control and SOx desorption control are performed during engine operation.
FIG. 14 is a graph showing NOx purification rates after fresh, after S poisoning, and after regeneration for each specific example of the catalyst.
FIG. 15 is a graph showing the NOx purification rate at fresh time and after heat deterioration treatment when the catalyst inlet gas temperature is 350 ° C. for each specific example of the catalyst.
FIG. 16 is a graph showing the NOx purification rate at fresh time and after heat deterioration treatment when the catalyst inlet gas temperature is 450 ° C. for each specific example of the catalyst.
FIG. 17 is a graph showing the influence of the amount of Sr supported on the NOx purification rate after fresh, S poisoning and after regeneration for a catalyst having a Ba—K—Sr-based NOx absorbent.
FIG. 18 is a graph showing the influence of the amount of Sr supported on the heat resistance of a catalyst having a Ba—K—Sr-based NOx absorbent.
FIG. 19 is a graph showing the influence of Mg loading on the NOx purification rate after fresh, S poisoning and after regeneration for a catalyst having a Ba—K—Mg-based NOx absorbent.
FIG. 20 is a graph showing the influence of the amount of Mg supported on the heat resistance of a catalyst having a Ba—K—Mg-based NOx absorbent.
FIG. 21 relates to a catalyst having a Ba—K—Sr—Mg-based NOx absorbent, and the amount of Sr supported on each NOx purification rate after fresh, after S poisoning, and after regeneration when the amount of Mg supported is 5 g / L. The graph which shows the influence which gives.
FIG. 22 relates to a catalyst having a Ba—K—Sr—Mg-based NOx absorbent, and the amount of Sr supported on each NOx purification rate after fresh, after S poisoning, and after regeneration when the amount of Mg supported is 10 g / L. The graph which shows the influence which gives.
FIG. 23 relates to a catalyst having a Ba—K—Sr—Mg-based NOx absorbent, and the amount of Sr supported on each NOx purification rate during fresh, S poisoning and after regeneration when the Mg supported amount is 1 g / L. The graph which shows the influence which gives.
FIG. 24 is a graph showing the influence of the Mg loading and Sr loading on the heat resistance of a catalyst having a Ba—K—Sr—Mg-based NOx absorbent.
[Explanation of symbols]
  A Engine exhaust purification system
  1 engine
  2-cylinder
  4 Combustion chamber
  7 Injector (fuel injection valve)
  24 O2Sensor (oxygen concentration detection means)
  25 Catalyst (NOx absorbent)
  26 EGR passage (exhaust gas recirculation means)
  27 EGR valve (exhaust gas recirculation means)
  40 Control unit (ECU)
  40a Sulfur excess absorption judging means
  40b Sulfur desorption means

Claims (5)

エンジンの排気通路に配設され、排気ガス中の酸素濃度が高い酸素過剰雰囲気で排気ガス中のNOx及び硫黄成分を吸収する一方、酸素濃度の低下によって上記吸収したNOxを放出するNOx吸収材と、
上記NOx吸収材への硫黄成分の吸収過剰状態を判定する硫黄過吸収判定手段と、
上記硫黄過吸収判定手段により硫黄成分の吸収過剰状態が判定されたとき、上記NOx吸収材の温度を高めるとともに、上記酸素濃度を低下させることによって、上記NOx吸収材から硫黄成分を脱離させる硫黄脱離手段とを備えた排気ガス浄化装置であって、
上記硫黄脱離手段は、燃料を上記エンジンの燃焼室へ吸気行程の始めから圧縮行程の終わりまでの間に少なくとも2回に分割して噴射するように燃料噴射弁を作動させる燃料噴射制御手段を備えてなり、
上記NOx吸収材を構成する元素として、Sr、Mg及びLaのうちの少なくとも一種とBaとKとを具備し、且つ該NOx吸収材が、セリア−ジルコニア複合酸化物又はセリアと、アルミナとに担持されている排気ガス浄化装置。
An NOx absorbent that is disposed in the exhaust passage of the engine and absorbs NOx and sulfur components in the exhaust gas in an oxygen-excess atmosphere with a high oxygen concentration in the exhaust gas, while releasing the absorbed NOx by a decrease in the oxygen concentration; ,
Sulfur excess absorption determining means for determining an excessive absorption state of the sulfur component in the NOx absorbent,
Sulfur that desorbs sulfur components from the NOx absorbent by increasing the temperature of the NOx absorbent and lowering the oxygen concentration when the sulfur overabsorption state is determined by the sulfur excess absorption determining means. An exhaust gas purifying device comprising a desorption means,
The sulfur desorption means comprises a fuel injection control means for operating a fuel injection valve so as to divide and inject fuel into the engine combustion chamber at least twice during the period from the start of the intake stroke to the end of the compression stroke. Prepared
As an element constituting the NOx absorbent, at least one of Sr , Mg, and La and Ba and K are included , and the NOx absorbent is supported on ceria-zirconia composite oxide or ceria and alumina. exhaust gas purifying device being.
請求項1に記載されている排気ガス浄化装置において、
上記NOx吸収材を構成する元素がBaとKとMgとを含み、これらは上記セリア−ジルコニア複合酸化物又はセリアと、アルミナとをサポート材として担体に担持されていて、担体1L当たりのMg量が3〜17gである排気ガス浄化装置。
In the exhaust gas purification device according to claim 1,
The elements constituting the NOx absorbent include Ba, K, and Mg, which are supported on a support using the ceria-zirconia composite oxide or ceria and alumina as a support material, and the amount of Mg per liter of the support Is an exhaust gas purification device of 3 to 17 g.
請求項1に記載されている排気ガス浄化装置において、
上記NOx吸収材を構成する元素がBaとKとSrとを含み、これらは上記セリア−ジルコニア複合酸化物又はセリアと、アルミナとをサポート材として担体に担持されていて、担体1L当たりのSr量が13〜17gである排気ガス浄化装置。
In the exhaust gas purification device according to claim 1,
The elements constituting the NOx absorbent include Ba, K, and Sr, which are supported on the support using the ceria-zirconia composite oxide or ceria and alumina as a support material, and the amount of Sr per liter of the support Is an exhaust gas purifying apparatus.
エンジンから排出されるNOx及び硫黄成分を含む排気ガスを浄化する排気ガス浄化方法であって、
上記排気ガスをその酸素濃度が高い酸素過剰状態にあるときに、Sr、Mg及びLaのうちの少なくとも一種とBaとKとを具備し且つセリア−ジルコニア複合酸化物又はセリアと、アルミナとに担持されているNOx吸収材に接触させることによって、該NOx吸収材に上記NOx及び硫黄成分を吸収させ、
上記NOx吸収材の硫黄成分吸収状態が所定の過剰吸収状態になったときに、燃料を上記エンジンの燃焼室へ吸気行程の始めから圧縮行程の終わりまでの間に少なくとも2回に分割して噴射するように燃料噴射弁を作動させて該NOx吸収材の温度を高めるとともに、上記排気ガス中の酸素濃度を低下させることによって、該NOx吸収材から上記硫黄成分を脱離させる排気ガス浄化方法。
An exhaust gas purification method for purifying exhaust gas containing NOx and sulfur components discharged from an engine ,
When the exhaust gas is in an oxygen-excess state with a high oxygen concentration, it comprises at least one of Sr , Mg and La, Ba and K , and is supported on ceria-zirconia composite oxide or ceria and alumina. The NOx absorbent is made to absorb the NOx and sulfur components by contacting the NOx absorbent,
When the sulfur component absorption state of the NOx absorbent becomes a predetermined excessive absorption state, the fuel is injected into the combustion chamber of the engine at least twice from the beginning of the intake stroke to the end of the compression stroke. An exhaust gas purification method for operating the fuel injection valve to increase the temperature of the NOx absorbent and desorbing the sulfur component from the NOx absorbent by reducing the oxygen concentration in the exhaust gas.
エンジンの排気通路に配設され、排気ガス中の酸素濃度が高い酸素過剰雰囲気で排気ガス中のNOx及び硫黄成分を吸収する一方、酸素濃度の低下によって上記吸収したNOxを放出するNOx吸収材を備えている排気ガス浄化用触媒であって、
上記NOx吸収材を構成する元素が、Ba、K、MgSr及びLaを含み、これらがセリア−ジルコニア複合酸化物又はセリアと、アルミナとに担持されていることを特徴とする排気ガス浄化用触媒。
A NOx absorbent that is disposed in the exhaust passage of the engine and absorbs NOx and sulfur components in the exhaust gas in an oxygen-excess atmosphere with a high oxygen concentration in the exhaust gas, while releasing the absorbed NOx as the oxygen concentration decreases. An exhaust gas purifying catalyst provided,
The element constituting the NOx absorbent contains Ba, K, Mg 2 , Sr and La, and these are supported on ceria-zirconia composite oxide or ceria and alumina, for exhaust gas purification catalyst.
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