JP4556364B2 - Exhaust gas purification device for internal combustion engine - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中のNOX を吸収し、流入する排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収しているNOX を放出して還元するNOX 吸収剤をディーゼル機関の排気通路内に配置し、機関運転をリーン空燃比のもとで行いながらこのとき内燃機関から排出されるNOX をNOX 吸収剤に吸収すると共に、機関運転を一時的にリッチ空燃比のもとで行ってNOX 吸収剤に吸収されているNOX を放出させかつ還元するようにした内燃機関が知られている。
【0003】
ところが、ディーゼル機関において機関高負荷高回転運転時にリッチ空燃比のもとで機関運転を行うと多量のスモークが発生するので、このときNOX 吸収剤からNOX を放出させかつ還元することができない。
【0004】
そこで、二次的に供給された尿素が存在する酸化雰囲気においてNOX を選択的に還元可能な選択還元触媒と、選択還元触媒に尿素を二次的に供給可能な尿素供給手段とを機関排気通路内に配置し、機関高負荷高回転運転時には機関運転をリーン空燃比のもとで行いながら尿素供給手段から選択還元触媒に尿素を供給して選択還元触媒において尿素によりNOX を還元するようにした内燃機関の排気浄化装置が公知である(特開2000−265828号公報参照)。
【0005】
この排気浄化装置では、機関高負荷高回転運転時でない限り、NOX 吸収剤による排気浄化作用が行われることになる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、流入する排気ガスの空燃比がリーンであっても例えばNOX 吸収剤の温度がかなり高くなるとNOX 吸収剤はNOX を吸収しなくなり、従ってNOX 吸収剤による良好な排気浄化作用を確保できない。従って、機関高負荷高回転運転時でないときにNOX 吸収剤の温度がかなり高くなると、もはや排気ガスを良好に浄化できない恐れがあるという問題点がある。
【0007】
そこで本発明の目的は、機関運転状態に関わらず排気ガスを良好に浄化することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために1番目の発明によれば、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中のNOXを吸収し、流入する排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収しているNOXを放出して還元するNOX吸収剤を機関排気通路内に配置し、機関運転をリーン空燃比のもとで行いながらこのとき内燃機関から排出されるNOXをNOX吸収剤に吸収すると共に、NOX吸収剤に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチにしてNOX吸収剤に吸収されているNOXを放出させかつ還元する第1の排気浄化作用を行うようにした内燃機関の排気浄化装置において、二次的に供給された還元剤が存在する酸化雰囲気においてNOXを選択的に還元可能な選択還元触媒と、該選択還元触媒に還元剤を二次的に供給可能な還元剤供給手段とを機関排気通路内に配置し、単位時間当たりにNOX吸収剤に流入するNOXの量が予め定められた上限値よりも多いか否かを判断する手段を具備し、単位時間当たりにNOX吸収剤に流入するNOXの量が該上限値よりも多いときには機関運転をリーン空燃比のもとで行いながら還元剤供給手段から選択還元触媒に還元剤を供給して該選択還元触媒において該還元剤によりNOXを還元する第2の排気浄化作用を行うようにしている。即ち、単位時間当たりにNOX吸収剤に流入するNOXの量がかなり多くなると、NOXがNOX吸収剤に吸収されずにNOX吸収剤から流出する恐れがある。そこで2番目の発明では、単位時間当たりにNOX吸収剤に流入するNOXの量が上限値よりも多いときには選択還元触媒により排気ガスを浄化するようにし、それにより排気ガスを確実に浄化できるようにしている。
【0010】
また、上記課題を解決するために2番目の発明によれば、低温燃焼と通常燃焼とを切り換え可能な内燃機関の排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中のNOXを吸収し、流入する排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収しているNOXを放出して還元するNOX吸収剤を配置し、低温燃焼又は通常燃焼をリーン空燃比のもとで行いながらこのとき内燃機関から排出されるNOXをNOX吸収剤に吸収すると共に、低温燃焼を行うべきときにNOX吸収剤に吸収されているNOXの量が予め定められた上限値よりも多くなったときには低温燃焼を一時的にリッチ空燃比のもとで行ってNOX吸収剤内に吸収されているNOXを放出させかつ還元する第1の排気浄化作用を行うようにした内燃機関の排気浄化装置において、二次的に供給された還元剤が存在する酸化雰囲気においてNOXを選択的に還元可能な選択還元触媒と、該選択還元触媒に還元剤を二次的に供給可能な還元剤供給手段とを機関排気通路内に配置し、通常燃焼を行うべきときにNOX吸収剤に吸収されているNOXの量が前記上限値よりも多くなったときには通常燃焼をリーン空燃比のもとで行いながら還元剤供給手段から選択還元触媒に還元剤を供給して該選択還元触媒において該還元剤によりNOXを還元する第2の排気浄化作用を行うようにしている。即ち、リッチ空燃比のもとで通常燃焼を行うのは困難であるので、通常燃焼が行われているときにNOX吸収剤に吸収されているNOXの量が前記上限値よりも多くなると、もはやNOXを良好に還元できなくなる。そこで3番目の発明では、通常燃焼が行われているときにNOX吸収剤に吸収されているNOXの量が前記上限値よりも多くなったときには選択還元触媒により排気ガスを浄化するようにし、それにより排気ガスを確実に浄化できるようにしている。
【0011】
また、3番目の発明によれば1番目又は2番目の発明において、前記選択還元触媒を二次的に供給された尿素が存在する酸化雰囲気においてNOXを選択的に還元可能な選択還元触媒から形成し、前記還元剤供給手段を選択還元触媒に尿素を二次的に供給可能な尿素供給手段から形成している。
【0012】
【発明の実施の形態】
図1は本発明をディーゼル機関に適用した場合を示している。しかしながら、本発明を火花点火式内燃機関に適用することもできる。
【0013】
図1を参照すると、1は機関本体、2はシリンダブロック、3はシリンダヘッド、4はピストン、5は燃焼室、6は電気制御式燃料噴射弁、7は吸気弁、8は吸気ポート、9は排気弁、10は排気ポートを夫々示す。吸気ポート8は対応する吸気枝管11を介してサージタンク12に連結され、サージタンク12は吸気ダクト13を介して排気ターボチャージャ14のコンプレッサ15に連結される。吸気ダクト13内にはステップモータ16により駆動されるスロットル弁17が配置され、更に吸気ダクト13周りには吸気ダクト13内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置18が配置される。図1に示される実施例では機関冷却水が冷却装置18内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
【0014】
一方、排気ポート10は排気マニホルド19および排気管20を介して排気ターボチャージャ14の排気タービン21に連結され、排気タービン21の出口はNOX 吸収剤22を内蔵したケーシング23に連結される。このケーシング23は排気管24を介して選択還元触媒25を内蔵したケーシング26に連結される。排気管24には選択還元触媒25に尿素を供給するための尿素供給ノズル27が配置され、尿素供給ノズル27には尿素タンク28内の尿素水溶液が尿素ポンプ29によって供給される。なお、尿素ポンプ29は通常停止されており、従って選択還元触媒25への尿素の供給は通常停止されている。
【0015】
排気マニホルド19とサージタンク12とは排気ガス再循環(以下、EGRと称す)通路30を介して互いに連結され、EGR通路30内には電気制御式EGR制御弁31が配置される。また、EGR通路30周りにはEGR通路30内を流れるEGRガスを冷却するための冷却装置32が配置される。図1に示される実施例では機関冷却水が冷却装置32内に導かれ、機関冷却水によってEGRガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁6は燃料供給管6aを介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール33に連結される。このコモンレール33内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ34から燃料が供給され、コモンレール33内に供給された燃料は各燃料供給管6aを介して燃料噴射弁6に供給される。コモンレール33にはコモンレール33内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ35が取付けられ、燃料圧センサ35の出力信号に基づいてコモンレール33内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ34の吐出量が制御される。
【0016】
電子制御ユニット40はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス41によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)42、RAM(ランダムアクセスメモリ)43、CPU(マイクロプロセッサ)44、入力ポート45および出力ポート46を具備する。燃料圧センサ35の出力信号は対応するAD変換器47を介して入力ポート45に入力される。また、排気管24には排気管24内を流通する排気ガスの温度を検出するための温度センサ49が取付けられ、この温度センサ49の出力信号は対応するAD変換器47を介して入力ポート45に入力される。なお、排気管24内を流通する排気ガスの温度はNOX 吸収剤22の温度を表している。
【0017】
一方、アクセルペダル50にはアクセルペダル50の踏込み量Lに比例した出力電圧を発生する負荷センサ51が接続され、負荷センサ51の出力電圧は対応するAD変換器47を介して入力ポート45に入力される。更に入力ポート45にはクランクシャフトが例えば30°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ52が接続される。一方、出力ポート46は対応する駆動回路48を介して燃料噴射弁6、スロットル弁駆動用ステップモータ16、EGR制御弁31、尿素ポンプ29、および燃料ポンプ34に接続される。
【0018】
NOX 吸収剤22は例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムK、ナトリウムNa、リチウムLi、セシウムCsのようなアルカリ金属、バリウムBa、カルシウムCaのようなアルカリ土類、ランタンLa、イットリウムYのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Pt、パラジウムPd、ロジウムRh、イリジウムIrのような貴金属とが担持されている。なお、排気ガス中に含まれる固体炭素からなる微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタにNOX 吸収剤22を担持させることもできる。
【0019】
このNOX 吸収剤22は流入する排気ガスの平均空燃比がリーンのときにはNOX を吸収し、流入する排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したNOX を放出するNOX の吸放出作用を行う。なお、本明細書では排気通路の或る位置よりも上流の排気通路、燃焼室5、および吸気通路内に供給された空気と燃料及び尿素との比を排気ガスの空燃比と称している。
【0020】
NOX 吸収剤22の詳細な吸放出メカニズムについては完全には明らかにされていない。しかしながら、現在考えられている吸放出メカニズムを、担体上に白金Pt及びバリウムBaを担持させた場合を例にとって簡単に説明すると次のようになる。
【0021】
即ち、NOX 吸収剤に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもかなりリーンになると流入する排気ガス中の酸素濃度が大巾に増大し、酸素O2がO2 −又はO2−の形で白金Ptの表面に付着する。一方、流入する排気ガス中のNOは白金Ptの表面上でO2 −又はO2−と反応し、NO2となる(2NO+O2→2NO2)。次いで生成されたNO2の一部は白金Pt上でさらに酸化されつつ吸収剤内に吸収されて酸化バリウムBaOと結合しながら、硝酸イオンNO3 −の形で吸収剤内に拡散する。このようにしてNOX がNOX 吸収剤22内に吸収される。
【0022】
これに対し、NOX 吸収剤に流入する排気ガスの空燃比がリッチになると、排気ガス中の酸素濃度が低下してNO2の生成量が低下し、反応が逆方向(NO3 −→NO2)に進み、斯くして吸収剤内の硝酸イオンNO3 −がNO2の形で吸収剤から放出される。この放出されたNOX は排気ガス中のHC,COと反応して還元せしめられる。このようにして白金Ptの表面上にNO2が存在しなくなると吸収剤から次から次へとNO2が放出され、還元される。
【0023】
一方、選択還元触媒25は図1に示す実施例ではチタニアを担体とし、この担体上に酸化バナジウムを担持したバナジウム・チタニア触媒か、ゼオライトを担体とし、この担体上に銅を担持した銅ゼオライト触媒から形成されている。この選択還元触媒25は二次的に供給された尿素が存在する酸化雰囲気においてNOX を選択的に還元することができる。即ち、選択還元触媒25は酸化雰囲気であっても流入する排気ガス中に尿素が含まれているとこの尿素でもってNOX を還元することができる。
【0024】
図1に示される内燃機関では低温燃焼と従来の通常燃焼とが切り換え可能になっている。次にこの低温燃焼方法について図2から図4を参照しつつ簡単に説明する。
【0025】
図1に示される内燃機関ではEGR率(EGRガス量/(EGRガス量+吸入空気量))を増大していくとスモークの発生量が次第に増大してピークに達し、更にEGR率を高めていくと今度はスモークの発生量が急激に低下する。このことについてEGRガスの冷却度合を変えたときのEGR率とスモークとの関係を示す図2を参照しつつ説明する。なお、図2において曲線AはEGRガスを強力に冷却してEGRガス温をほぼ90℃に維持した場合を示しており、曲線Bは小型の冷却装置でEGRガスを冷却した場合を示しており、曲線CはEGRガスを強制的に冷却していない場合を示している。
【0026】
図2の曲線Aで示されるようにEGRガスを強力に冷却した場合にはEGR率が50パーセントよりも少し低いところでスモークの発生量がピークとなり、この場合にはEGR率をほぼ55パーセント以上にすればスモークがほとんど発生しなくなる。一方、図2の曲線Bで示されるようにEGRガスを少し冷却した場合にはEGR率が50パーセントよりも少し高いところでスモークの発生量がピークとなり、この場合にはEGR率をほぼ65パーセント以上にすればスモークがほとんど発生しなくなる。また、図2の曲線Cで示されるようにEGRガスを強制的に冷却していない場合にはEGR率が55パーセントの付近でスモークの発生量がピークとなり、この場合にはEGR率をほぼ70パーセント以上にすればスモークがほとんど発生しなくなる。
【0027】
このようにEGRガス率を55パーセント以上にするとスモークが発生しなくなるのは、EGRガスの吸熱作用によって燃焼時における燃料および周囲のガス温がさほど高くならず、即ち低温燃焼が行われ、その結果炭化水素が煤まで成長しないからである。
【0028】
この低温燃焼は、空燃比にかかわらずにスモークの発生を抑制しつつNOX の発生量を低減することができるという特徴を有する。即ち、空燃比がリッチにされると燃料が過剰となるが燃焼温度が低い温度に抑制されているために過剰な燃料は煤まで成長せず、斯くしてスモークが発生することがない。また、このときNOX も極めて少量しか発生しない。一方、平均空燃比がリーンのとき、或いは空燃比が理論空燃比のときでも燃焼温度が高くなれば少量の煤が生成されるが低温燃焼下では燃焼温度が低い温度に抑制されているためにスモークは全く発生せず、NOX も極めて少量しか発生しない。
【0029】
ところで機関の要求トルクTQが高くなると、即ち燃料噴射量が多くなると燃焼時における燃料および周囲のガス温が高くなるために低温燃焼を行うのが困難となる。即ち、低温燃焼を行いうるのは燃焼による発熱量が比較的少ない機関中低負荷運転時に限られる。図3(A)において領域Iは煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室5の不活性ガス量が多い第1の燃焼、即ち低温燃焼を行わせることのできる運転領域を示しており、領域IIは煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少ない第2の燃焼、即ち通常燃焼しか行わせることのできない運転領域を示している。
【0030】
そこで図1に示される内燃機関では、運転領域Iでは低温燃焼を行い、運転領域IIでは通常燃焼を行うようにしている。
【0031】
図3(B)は運転領域Iにおいて低温燃焼を行う場合の目標空燃比A/Fを示しており、図4は運転領域Iにおいて低温燃焼を行う場合の要求トルクTQに応じたスロットル弁17の開度、EGR制御弁31の開度、EGR率、空燃比、噴射開始時期θS、噴射完了時期θE、噴射量を示している。なお、図4には運転領域IIにおいて行われる通常の燃焼時におけるスロットル弁17の開度等も合わせて示している。
【0032】
即ち、運転領域Iでは低温燃焼がリーン空燃比のもとで行われ、このとき内燃機関から排出されるNOX はNOX 吸収剤22に吸収される。また、低温燃焼を行っているときにNOX 吸収剤に吸収されているNOX の量、即ち吸収NOX 量Qが予め定められた上限値QMよりも多くなったときには低温燃焼を継続しながら空燃比を一時的にリッチに切り換えてNOX 吸収剤22内に吸収されているNOX を放出させかつ還元するようにしている。このようにするとNOX 吸収剤22がNOX で飽和することがなくなる。なお、上述したように低温燃焼では空燃比をリッチにしてもスモークが発生しない。
【0033】
一方、運転領域IIでは通常燃焼がリーン空燃比のもとで行われ、このとき内燃機関から排出されるNOX もNOX 吸収剤22に吸収される。ところが通常燃焼では空燃比をリッチにするとスモークが発生するのでNOX 吸収剤22からNOX を放出させることができない。
【0034】
そこで本発明による実施例では、通常燃焼が行われているときにNOX 吸収剤22の吸収NOX 量Qが上限値QMよりも多くなったか否かを判断し、通常燃焼が行われているときにQ>QMとなったときには通常燃焼をリーン空燃比のもとで継続しながら尿素供給ノズル27から選択還元触媒25に尿素を供給し、選択還元触媒25において尿素によりNOX を還元するようにしている。
【0035】
この場合、吸収NOX 量Qが上限値QMを越えたとしてもNOX 吸収剤22が実際にNOX で飽和するまでは、内燃機関から排出されたNOX はNOX 吸収剤22に吸収され、NOX 吸収剤22が実際にNOX で飽和したときにNOX 吸収剤22から流出するNOX が選択還元触媒25において還元される。従って、運転領域IIにおいてNOX 吸収剤22がNOX で飽和したとしてもNOX が大気中に排出されるのを阻止することができる。
【0036】
次いで運転領域IIから運転領域Iに戻ると、リッチ空燃比のもとで低温燃焼が行われ、斯くしてNOX 吸収剤22から吸収されているNOX が放出されかつ還元される。
【0037】
ここで、吸収NOX 量Qが上限値QMよりも多くなったか否かを判断する方法として様々な方法がある。例えば、NOX 吸収剤22から流出した排気ガス中のNOX 濃度を検出するためのNOX 濃度センサを設け、検出されたNOX 濃度が予め定められた上限値を越えたときにQ>QMになったと判断することもできるし、或いは吸収NOX 量Qを求めてこの吸収NOX 量を上限値QMと比較することもできる。この吸収NOX 量Qを求めるために、例えばNOX 吸収剤22に流入する排気ガス中のNOX 濃度を検出するためのNOX 濃度センサを設けることもできる。
【0038】
図1に示される内燃機関では、単位時間当たり内燃機関から排出されるNOX の量ΔQを機関運転状態、例えば要求トルクTQ及び機関回転数Nの関数として図5に示されるマップの形で予め記憶しておき、リーン空燃比で機関運転が行われているときにこのΔQを積算することにより吸収NOX 量Qを算出するようにしている。
【0039】
ところで、NOX 吸収剤22にはNOX だけでなく燃料に含まれているイオウ分例えばSOXも吸収される。ところがこのSOXをNOX 吸収剤22から放出させるためには、空燃比をリッチに切り換えるだけでなく、NOX 吸収剤22の温度を例えば600℃程度まで上昇させる必要がある。従って、NOX 吸収剤22からSOXを放出させるとNOX 吸収剤22の温度が高くなる。或いは、NOX 吸収剤22をパティキュレートフィルタに担持させるようにした場合には、パティキュレートフィルタに堆積した微粒子を酸化除去するとNOX 吸収剤22の温度が高くなる。
【0040】
ところが、図6に示されるようにNOX 吸収剤22の温度Tがかなり高くなるとNOX 吸収剤22のNOX 吸収能力ACが次第に低下する。従って、NOX 吸収剤22の温度Tがかなり高くなると、内燃機関から排出されるNOX を吸収できなくなるばかりでなく、NOX 吸収剤22から吸収されているNOX も放出され、このときNOX 吸収剤22ではNOX が還元されない。このような現象は低温燃焼を行っているときでも、通常燃焼を行っているときでも起こりうる。
【0041】
そこで本発明による実施例では、NOX 吸収剤22の温度Tが予め定められた上限値TMよりも高いか否かを判断し、T>TMのときには機関運転をリーン空燃比のもとで継続しながら尿素供給ノズル27から選択還元触媒25に尿素を供給し、選択還元触媒25において尿素によりNOX を還元するようにしている。その結果、NOX 吸収剤22の温度Tがかなり高くなってもNOX が大気中に排出されるのを阻止することができる。
【0042】
一方、例えば機関高負荷運転時には単位時間当たりに内燃機関から排出されるNOX の量がかなり多くなり、従って単位時間当たりにNOX 吸収剤22に流入するNOX の量がかなり多くなる。ところが、このときNOX がNOX 吸収剤22に吸収されずにNOX 吸収剤22から流出する恐れがある。このような現象は低温燃焼を行っているときでも、通常燃焼を行っているときでも起こりうる。
【0043】
そこで本発明による実施例では、単位時間当たりにNOX 吸収剤22に流入するNOX の量が予め定められた上限値よりも多いか否かを判断し、単位時間当たりにNOX 吸収剤22に流入するNOX の量が上限値よりも多いときには機関運転をリーン空燃比のもとで継続しながら尿素供給ノズル27から選択還元触媒25に尿素を供給し、選択還元触媒25において尿素によりNOX を還元するようにしている。その結果、NOX 吸収剤22からNOX が流出したとしてもNOX が大気中に排出されるのを阻止することができる。
【0044】
単位時間当たりにNOX 吸収剤22に流入するNOX の量が上限値よりも多いか否かを判断する方法には様々な方法がある。例えば、上述した吸収NOX 量Qの場合と同様に、NOX 吸収剤22の上流又は下流にNOX 濃度センサを取り付けることができる。
【0045】
或いは、低温燃焼が行われているときには、単位時間当たり空燃比がリッチに切り換えられる回数が予め定められた上限値よりも多いときに単位時間当たりにNOX 吸収剤22に流入するNOX の量が上限値よりも多いと判断することもできる。即ち、単位時間当たりにNOX 吸収剤22に流入するNOX の量が多くなると、NOX 吸収剤22の吸収NOX 量Qが短時間のうちに上限値QMよりも多くなり、従ってNOX 吸収剤22からNOX を放出させるための空燃比の切り換え作用が頻繁に行われることになる。このため、単位時間当たりの空燃比の切り換え作用の回数は単位時間当たりにNOX 吸収剤22に流入するNOX の量を表していることになる。なお、このような観点からすると、単位時間当たりにNOX 吸収剤22に流入するNOX の量が多いときに選択還元触媒25においてNOX を還元することによって、空燃比の切り換え作用を頻繁に行う必要がなくなるということになる。従って、ドライバビリティが向上する。
【0046】
図1に示される内燃機関では、単位時間当たり内燃機関から排出されるNOX の量ΔQ(図5)を用いて単位時間当たりNOX 吸収剤22に流入するNOX の量が上限値ΔQMよりも多いか否かを判断するようにしている。
【0047】
図7は上述した機関運転制御及び尿素供給制御方法を実行するためのフローチャートである。このフローチャートは予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行される。
【0048】
図7を参照すると、まずステップ100では図5のマップを用いてNOX 吸収剤22の吸収NOX 量Qが算出される。続くステップ101では図3(A)のマップから現在の運転領域が領域IIであるか否かが判別される。現在の運転領域が領域Iであるときには次いでステップ102に進み、リーン空燃比のもとで低温燃焼が行われる。続くステップ103ではNOX 吸収剤22の吸収NOX 量Qが上限値QMよりも多いか否かが判別される。Q≦QMのときには処理サイクルを終了し、Q>QMのときにはステップ104に進み、NOX 吸収剤22の温度Tが上限値TM以下であるか否かが判別される。T>TMのときには次いでステップ112にジャンプし、T≦TMのときには次いでステップ105に進み、単位時間当たりにNOX 吸収剤22に流入するNOX の量ΔQが上限値ΔQM以下であるか否かが判別される。ΔQ>ΔQMのときにはテップ111にジャンプし、ΔQ≦ΔQのときには次いでステップ106に進み、リッチ空燃比のもとで低温燃焼が行われる。
【0049】
これに対し、ステップ101において現在の運転領域が領域IIであるときにはステップ107に進み、リーン空燃比のもとで通常燃焼が行われる。続くステップ108ではNOX 吸収剤22の吸収NOX 量Qが上限値QMよりも多いか否かが判別される。Q>QMのときにはステップ111に進み、Q≦QMのときにはステップ109に進み、T≦TMであるか否かが判別される。T≦TMのときには処理サイクルを終了し、T>TMのときには次いでステップ110に進み、ΔQ≦ΔQMであるか否かが判別される。ΔQ≦ΔQMのときには処理サイクルを終了し、ΔQ>ΔQMのときにはステップ111に進む。ステップ111では尿素供給ノズル27から尿素水溶液が選択還元触媒25に供給される。
【0050】
図8は本発明による別の実施例を示している。
【0051】
図8(A)に示す例では、NOX 吸収剤22をバイパスするバイパス管60と、選択還元触媒25に尿素を供給すべきときに開弁され、それ以外は閉弁されるバイパス制御弁61とが設けられる。バイパス制御弁61が開弁されると排気ガスがバイパス管60内に流入し、NOX 吸収剤22をバイパスする。
【0052】
図8(B)に示す例では、NOX 吸収剤22と選択還元触媒25とが並列に配置される。即ち、排気タービン21(図1)の出口に分岐管62が連結され、分岐管62の各枝管にNOX 吸収剤22及び選択還元触媒25が連結される。分岐管62内には、選択還元触媒25に尿素を供給すべきときに排気ガスを選択還元触媒25に導き、それ以外は排気ガスをNOX 吸収剤22に導くための切り換え弁63が配置されている。
【0053】
図8(C)に示す例では、NOX 吸収剤22上流の排気通路内に酸化触媒64が配置される。この酸化触媒64は例えば白金のような貴金属を担持しており、流入する排気ガス中のHC,COを酸化すると共に、NOをNO2に酸化してNOX 吸収剤22へのNOX の吸収を促進する。また、パティキュレートフィルタを設ける場合にはパティキュレートフィルタを酸化触媒64と一体的に設ければ微粒子の酸化除去を速やかに行うことが可能になる。
【0054】
これまで述べてきた実施例では、NOX 吸収剤22の下流に選択還元触媒25及び尿素供給ノズル27が配置されている。しかしながら、選択還元触媒25及び尿素供給ノズル27をNOX 吸収剤22の上流に配置することもできる。
【0055】
また、これまで述べてきた実施例では、低温燃焼が行われているときにNOX 吸収剤22に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするために、燃焼室5内における平均空燃比をリッチにしている。しかしながら、NOX 吸収剤22に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするために、例えば膨張行程後半又は排気行程中に燃焼室5内に追加の燃料を噴射することもできるし、NOX 吸収剤22上流の排気通路内に追加の燃料を噴射することもできる。これらの方法は低温燃焼を行うことができない内燃機関でも適用することができる。
【0056】
更に、これまで述べてきた実施例では、選択還元触媒25に供給される還元剤として尿素を用いている。しかしながら、他のアンモニア化合物、炭化水素、又は水素を用いることもできる。
【0057】
【発明の効果】
機関運転状態に関わらず排気ガスを良好に浄化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】内燃機関の全体図である。
【図2】スモークの発生量を示す図である。
【図3】機関の運転領域等を示す図である。
【図4】スロットル弁開度等の変化を示す図である。
【図5】単位時間当たりに内燃機関から排出されるNOX の量を示す線図である。
【図6】NOX 吸収剤のNOX 吸収能力を示す線図である。
【図7】機関運転制御及び尿素供給制御方法を実行するためのフローチャートである。
【図8】本発明による別の実施例を示す図である。
【符号の説明】
1…内燃機関
22…NOX 吸収剤
25…選択還元触媒
27…尿素供給ノズル[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust emission control device for an internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is lean, the NO in the exhaust gasX NO is absorbed when the oxygen concentration in the exhaust gas that flows in decreases.X NO is released and reducedX NO is discharged from the internal combustion engine at this time while the absorbent is placed in the exhaust passage of the diesel engine and the engine is operated under a lean air-fuel ratio.X NOX Absorb to the absorbent, and temporarily run the engine under a rich air-fuel ratio.X NO absorbed by the absorbentX There is known an internal combustion engine that releases and reduces gas.
[0003]
However, a large amount of smoke is generated when the engine is operated under a rich air-fuel ratio at the time of engine high load high speed operation in a diesel engine.X NO from absorbentX Cannot be released and reduced.
[0004]
Therefore, NO is present in an oxidizing atmosphere in which secondary supplied urea exists.X A selective reduction catalyst capable of selectively reducing the selective reduction catalyst and a urea supply means capable of secondary supply of urea to the selective reduction catalyst are disposed in the engine exhaust passage, and the engine operation is lean-empty during engine high-load high-speed operation. While performing under the fuel ratio, urea is supplied from the urea supply means to the selective reduction catalyst, and NO is added to the selective reduction catalyst by urea.X An exhaust gas purification device for an internal combustion engine that reduces the amount of gas is known (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-265828).
[0005]
In this exhaust emission control device, NO is obtained unless the engine is under high load and high speed operation.X The exhaust gas purification action by the absorbent is performed.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, even if the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is lean, for example, NOX NO when the absorbent temperature rises considerablyX Absorbent is NOX No longer absorbs so NOX A good exhaust gas purification action by the absorbent cannot be secured. Therefore, it is NO when the engine is not at high load and high speed.X If the temperature of the absorbent becomes too high, there is a problem that exhaust gas may no longer be purified well.
[0007]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine that can purify exhaust gas satisfactorily regardless of engine operating conditions.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
UpTo solve the problem1According to the second invention, when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is lean, the NO in the exhaust gasXNO is absorbed when the oxygen concentration in the exhaust gas that flows in decreases.XNO is released and reducedXNO is discharged from the internal combustion engine at this time while the absorbent is disposed in the engine exhaust passage and the engine is operated under a lean air-fuel ratio.XNOXAbsorb to the absorbent and NOXTemporarily enrich the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the absorbent to NOXNO absorbed by the absorbentXIn an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine that performs a first exhaust gas purification action that releases and reduces NO in an oxidizing atmosphere in which a reductant that is secondarily supplied existsXA selective reduction catalyst capable of selectively reducing the selective reduction catalyst and a reducing agent supply means capable of secondary supply of the reducing agent to the selective reduction catalyst are disposed in the engine exhaust passage, and NO per unit time.XNO flowing into the absorbentXMeans for determining whether or not the amount is greater than a predetermined upper limit, and NO per unit timeXNO flowing into the absorbentXWhen the amount of the catalyst is larger than the upper limit value, the reducing agent is supplied from the reducing agent supply means to the selective reduction catalyst while the engine is operated at a lean air-fuel ratio.XThe second exhaust gas purification action is performed to reduce the amount. That is, NO per unit timeXNO flowing into the absorbentXIf the amount ofXIs NOXNO absorbed by the absorbentXThere is a risk of spilling from the absorbent. Therefore, in the second invention, NO per unit timeXNO flowing into the absorbentXWhen the amount is larger than the upper limit value, the exhaust gas is purified by the selective reduction catalyst, so that the exhaust gas can be reliably purified.
[0010]
To solve the above problems2According to the second invention, when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the exhaust passage of the internal combustion engine capable of switching between low temperature combustion and normal combustion is lean, the NO in the exhaust gasXNO is absorbed when the oxygen concentration in the exhaust gas that flows in decreases.XNO is released and reducedXNO is discharged from the internal combustion engine at this time while arranging the absorbent and performing low-temperature combustion or normal combustion under a lean air-fuel ratioXNOXNO when absorbing into the absorbent and performing low temperature combustionXNO absorbed by the absorbentXWhen the amount of fuel exceeds a predetermined upper limit, low-temperature combustion is temporarily performed under a rich air-fuel ratio and NO.XNO absorbed in the absorbentXIn an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine configured to perform a first exhaust gas purification action that releases and reduces NO in an oxidizing atmosphere in which a reductant supplied secondarily existsXA selective reduction catalyst capable of selectively reducing the selective reduction catalyst and a reducing agent supply means capable of secondary supply of the reducing agent to the selective reduction catalyst are disposed in the engine exhaust passage and NO is to be used when normal combustion is to be performed.XNO absorbed by the absorbentXWhen the amount of the catalyst exceeds the upper limit, the reducing agent is supplied from the reducing agent supply means to the selective reduction catalyst while performing normal combustion at a lean air-fuel ratio, and the selective reduction catalyst uses the reducing agent to reduce NO.XThe second exhaust gas purification action is performed to reduce the amount. That is, since it is difficult to perform normal combustion under a rich air-fuel ratio, NO NOXNO absorbed by the absorbentXWhen the amount of the fuel exceeds the upper limit value, it is no longer NOXCannot be reduced satisfactorily. Therefore, in the third aspect of the invention, NO is emitted when normal combustion is performed.XNO absorbed by the absorbentXWhen the amount of gas exceeds the upper limit, the exhaust gas is purified by the selective reduction catalyst, so that the exhaust gas can be purified reliably.
[0011]
Also,31st according to the 2nd inventionOr 2Th departureClearlyIn the oxidizing atmosphere in which the selective reduction catalyst is present in the secondary supply of urea.XIs formed from a selective reduction catalyst capable of selectively reducing, and the reducing agent supply means is formed from urea supply means capable of secondary supply of urea to the selective reduction catalyst.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a case where the present invention is applied to a diesel engine. However, the present invention can also be applied to a spark ignition internal combustion engine.
[0013]
Referring to FIG. 1, 1 is an engine body, 2 is a cylinder block, 3 is a cylinder head, 4 is a piston, 5 is a combustion chamber, 6 is an electrically controlled fuel injection valve, 7 is an intake valve, 8 is an intake port, 9 Is an exhaust valve, and 10 is an exhaust port. The
[0014]
On the other hand, the
[0015]
The
[0016]
The
[0017]
On the other hand, a
[0018]
NOX The absorbent 22 has, for example, alumina as a carrier. On this carrier, for example, potassium K, sodium Na, lithium Li, alkali metal such as cesium Cs, alkaline earth such as barium Ba, calcium Ca, lanthanum La, yttrium Y, etc. At least one selected from such rare earths and a noble metal such as platinum Pt, palladium Pd, rhodium Rh, and iridium Ir are supported. It should be noted that NO is applied to the particulate filter for collecting fine particles made of solid carbon contained in the exhaust gas.X The absorbent 22 can also be carried.
[0019]
This NOX The absorbent 22 is NO when the average air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is lean.X NO and absorbed when the oxygen concentration in the inflowing exhaust gas decreasesX NO releaseX Performs absorption and release action. In this specification, the ratio of the air, fuel, and urea supplied to the exhaust passage upstream of a certain position of the exhaust passage, the
[0020]
NOX The detailed absorption and release mechanism of the absorbent 22 is not completely clarified. However, the absorption / release mechanism that is currently considered can be briefly described as an example in which platinum Pt and barium Ba are supported on a carrier.
[0021]
That is, NOX When the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the absorbent becomes considerably leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, the oxygen concentration in the inflowing exhaust gas greatly increases, and oxygen O2Is O2 −Or O2-It adheres to the surface of platinum Pt. On the other hand, NO in the inflowing exhaust gas is O on the surface of platinum Pt.2 −Or O2-Reacts with NO2(2NO + O2→ 2NO2). Then the generated NO2A part of the catalyst is further oxidized on platinum Pt while being absorbed in the absorbent and combined with the barium oxide BaO.3 −Diffuses into the absorbent in the form of In this way NOX Is NOX Absorbed in the absorbent 22.
[0022]
In contrast, NOX When the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the absorbent becomes rich, the oxygen concentration in the exhaust gas decreases and NO2Production amount decreases and the reaction proceeds in the reverse direction (NO3 −→ NO2) And thus nitrate ion NO in the absorbent3 −Is NO2Is released from the absorbent in the form of This released NOX Is reduced by reacting with HC and CO in the exhaust gas. In this way, NO on the surface of platinum Pt.2NO from the absorbent to the next when no longer exists2Is released and reduced.
[0023]
On the other hand, in the embodiment shown in FIG. 1, the
[0024]
The internal combustion engine shown in FIG. 1 can switch between low-temperature combustion and conventional normal combustion. Next, this low temperature combustion method will be briefly described with reference to FIGS.
[0025]
In the internal combustion engine shown in FIG. 1, as the EGR rate (EGR gas amount / (EGR gas amount + intake air amount)) increases, the amount of smoke generated gradually increases and reaches a peak, and the EGR rate is further increased. This time, the amount of smoke generated decreases rapidly. This will be described with reference to FIG. 2 showing the relationship between the EGR rate and smoke when the degree of cooling of the EGR gas is changed. In FIG. 2, curve A shows the case where EGR gas is strongly cooled and the EGR gas temperature is maintained at about 90 ° C., and curve B shows the case where EGR gas is cooled by a small cooling device. Curve C shows the case where the EGR gas is not forcibly cooled.
[0026]
As shown by curve A in FIG. 2, when the EGR gas is strongly cooled, the amount of smoke generated peaks when the EGR rate is slightly lower than 50%. In this case, the EGR rate is increased to about 55% or more. If this is done, smoke will hardly occur. On the other hand, as shown by the curve B in FIG. 2, when the EGR gas is slightly cooled, the amount of smoke generated peaks when the EGR rate is slightly higher than 50%. In this case, the EGR rate is approximately 65% or more. If it is made, smoke will hardly occur. Also, as shown by curve C in FIG. 2, when the EGR gas is not forcibly cooled, the amount of smoke generated reaches a peak when the EGR rate is around 55%. In this case, the EGR rate is approximately 70%. If it is more than a percentage, smoke is hardly generated.
[0027]
As described above, when the EGR gas ratio is 55% or more, smoke is not generated because the endothermic action of the EGR gas does not cause the temperature of the fuel and the surrounding gas to be so high, that is, low-temperature combustion is performed. This is because hydrocarbons do not grow to soot.
[0028]
This low-temperature combustion suppresses the generation of smoke regardless of the air-fuel ratio, while NO.X It has the characteristic that the generation amount of can be reduced. That is, when the air-fuel ratio is made rich, the fuel becomes excessive, but the combustion temperature is suppressed to a low temperature, so that the excessive fuel does not grow to the soot, and thus smoke does not occur. At this time, NOX However, only a very small amount is generated. On the other hand, even when the average air-fuel ratio is lean, or even when the air-fuel ratio is the stoichiometric air-fuel ratio, a small amount of soot is produced if the combustion temperature is high, but the combustion temperature is suppressed to a low temperature under low-temperature combustion. NO smoke at all, NOX However, only a very small amount is generated.
[0029]
By the way, when the required torque TQ of the engine is increased, that is, when the fuel injection amount is increased, the temperature of the fuel and the surrounding gas at the time of combustion is increased, so that it is difficult to perform low temperature combustion. That is, low-temperature combustion can be performed only when the engine is in a low load operation where the amount of heat generated by combustion is relatively small. In FIG. 3A, a region I is an operation region in which the first combustion in which the amount of inert gas in the
[0030]
Therefore, in the internal combustion engine shown in FIG. 1, low temperature combustion is performed in the operation region I, and normal combustion is performed in the operation region II.
[0031]
3B shows the target air-fuel ratio A / F when low temperature combustion is performed in the operation region I, and FIG. 4 shows the
[0032]
That is, in the operation region I, low-temperature combustion is performed under a lean air-fuel ratio, and at this time NO emitted from the internal combustion engineX Is NOX Absorbed by the absorbent 22. Also, when performing low temperature combustion, NOX NO absorbed by the absorbentX Amount of absorbed NOX When the amount Q exceeds a predetermined upper limit QM, the air-fuel ratio is temporarily switched to rich while continuing low temperature combustion, and NO.X NO absorbed in the absorbent 22X Is released and reduced. This way NOX
[0033]
On the other hand, in the operation region II, normal combustion is performed under a lean air-fuel ratio, and at this time NO emitted from the internal combustion engineX NOX Absorbed by the absorbent 22. However, in normal combustion, smoke is generated when the air-fuel ratio is made rich.X NO from absorbent 22X Can not be released.
[0034]
Therefore, in the embodiment according to the present invention, NO is emitted when normal combustion is performed.X Absorption NO of absorbent 22X It is determined whether or not the amount Q exceeds the upper limit value QM. When Q> QM when normal combustion is performed, the
[0035]
In this case, absorption NOX NO even if quantity Q exceeds upper limit QMX The absorbent 22 is actually NOX Until it is saturated with NOX Is NOX Absorbed by
[0036]
Next, when returning from the operation region II to the operation region I, low temperature combustion is performed under a rich air-fuel ratio, and thus NO.X NO absorbed from absorbent 22X Is released and reduced.
[0037]
Where absorption NOX There are various methods for determining whether or not the amount Q is larger than the upper limit value QM. For example, NOX NO in exhaust gas flowing out from absorbent 22X NO to detect concentrationX Concentration sensor is provided and detected NOX It can be determined that Q> QM when the concentration exceeds a predetermined upper limit value, or absorption NOX This amount of absorption NOX The amount can also be compared with the upper limit value QM. This absorption NOX In order to determine the quantity Q, for example NOX NO in the exhaust gas flowing into the absorbent 22X NO to detect concentrationX A density sensor can also be provided.
[0038]
In the internal combustion engine shown in FIG. 1, NO exhausted from the internal combustion engine per unit time.X Is stored in advance in the form of a map shown in FIG. 5 as a function of the engine operating state, for example, the required torque TQ and the engine speed N, and this ΔQ is obtained when the engine is operating at a lean air-fuel ratio. Absorbing NO by integratingX The quantity Q is calculated.
[0039]
By the way, NOX Absorbent 22 contains NOX In addition to sulfur, for example, SOX contained in the fuel is absorbed. However, this SOX is NOX In order to release from the absorbent 22, not only the air-fuel ratio is switched to rich, but also NO.X It is necessary to raise the temperature of the absorbent 22 to about 600 ° C., for example. Therefore, NOX NO is released when SOX is released from the absorbent 22X The temperature of the absorbent 22 is increased. Or NOX When the absorbent 22 is supported on the particulate filter, NO is removed if the particulates deposited on the particulate filter are removed by oxidation.X The temperature of the absorbent 22 is increased.
[0040]
However, as shown in FIG.X NO when the temperature T of the absorbent 22 becomes considerably highX NO of absorbent 22X Absorption capacity AC gradually decreases. Therefore, NOX When the temperature T of the absorbent 22 becomes considerably high, NO discharged from the internal combustion engineX Not only can not absorbX NO absorbed from absorbent 22X Is also released, at this time NOX NO in absorbent 22X Is not reduced. Such a phenomenon can occur during low temperature combustion and normal combustion.
[0041]
Therefore, in an embodiment according to the present invention, NOX It is determined whether or not the temperature T of the absorbent 22 is higher than a predetermined upper limit value TM. Urea is supplied to 25, and NO in the
[0042]
On the other hand, for example, during engine high-load operation, NO discharged from the internal combustion engine per unit timeX The amount of NO is significantly increased, so NO per unit timeX NO flowing into the absorbent 22X The amount of However, at this time NOX Is NOX NO absorbed by the absorbent 22X There is a risk of spilling from the absorbent 22. Such a phenomenon can occur during low temperature combustion and normal combustion.
[0043]
Therefore, in the embodiment according to the present invention, NO per unit time is obtained.X NO flowing into the absorbent 22X It is determined whether or not the amount is greater than a predetermined upper limit value, and NO per unit timeX NO flowing into the absorbent 22X Is greater than the upper limit value, urea is supplied from the
[0044]
NO per unit timeX NO flowing into the absorbent 22X There are various methods for determining whether or not the amount is greater than the upper limit value. For example, the absorption NO described aboveX As with quantity Q, NOX NO upstream or downstream of the absorbent 22X A concentration sensor can be attached.
[0045]
Alternatively, when low-temperature combustion is performed, NO per unit time when the number of times the air-fuel ratio is switched to rich per unit time is greater than a predetermined upper limit value.X NO flowing into the absorbent 22X It can also be determined that the amount of is greater than the upper limit. That is, NO per unit timeX NO flowing into the absorbent 22X When the amount of increases, NOX Absorption NO of absorbent 22X The quantity Q becomes greater than the upper limit QM in a short time, so NOX NO from absorbent 22X The air-fuel ratio switching action for releasing the fuel is frequently performed. For this reason, the number of air-fuel ratio switching operations per unit time is NO per unit time.X NO flowing into the absorbent 22X Represents the amount of. From this point of view, NO per unit timeX NO flowing into the absorbent 22X In the
[0046]
In the internal combustion engine shown in FIG. 1, NO exhausted from the internal combustion engine per unit time.X NO per unit time using the amount ΔQ (FIG. 5) ofX NO flowing into the absorbent 22X It is determined whether or not the amount is greater than the upper limit value ΔQM.
[0047]
FIG. 7 is a flowchart for executing the above-described engine operation control and urea supply control method. This flowchart is executed by interruption every predetermined time.
[0048]
Referring to FIG. 7, first, at
[0049]
In contrast, when the current operation region is region II in
[0050]
FIG. 8 shows another embodiment according to the present invention.
[0051]
In the example shown in FIG.X A
[0052]
In the example shown in FIG.X The absorbent 22 and the
[0053]
In the example shown in FIG.X An
[0054]
In the embodiments described so far, NOX A
[0055]
Also, in the embodiments described so far, when low temperature combustion is performed, NOX In order to make the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the absorbent 22 rich, the average air-fuel ratio in the
[0056]
Furthermore, in the embodiments described so far, urea is used as the reducing agent supplied to the
[0057]
【The invention's effect】
Exhaust gas can be purified well regardless of engine operating conditions.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall view of an internal combustion engine.
FIG. 2 is a diagram showing the amount of smoke generated.
FIG. 3 is a diagram showing an engine operating region and the like.
FIG. 4 is a diagram showing changes in throttle valve opening and the like.
FIG. 5 shows NO discharged from the internal combustion engine per unit time.X FIG.
FIG. 6 NOX Absorbent NOX It is a diagram which shows absorption capacity.
FIG. 7 is a flowchart for executing an engine operation control method and a urea supply control method.
FIG. 8 shows another embodiment according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... Internal combustion engine
22 ... NOX Absorbent
25 ... Selective reduction catalyst
27 ... Urea supply nozzle
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