JP4706404B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

リーン空燃比での燃焼を実施する内燃機関が公知であり、このような内燃機関の排気通路には、ＮＯ_Xを浄化するためのＮＯ_X触媒装置が配置されている。ＮＯ_X触媒装置は、酸素濃度の高いリーン空燃比の排気ガスからＮＯ_Xを良好に吸蔵するものであるが、無制限にＮＯ_Xを吸蔵することはできない。それにより、ＮＯ_X触媒装置のＮＯ_X吸蔵量が飽和する以前に、ＮＯ_X触媒装置へ流入する既燃ガス中の酸素濃度を低下させることにより吸蔵されたＮＯ_Xを放出させ、放出させたＮＯ_Xを既燃ガス中の未燃ＨＣ及びＣＯ等の還元物質により還元浄化させるＮＯ_X触媒装置の再生処理が必要となる。

再生処理においては、リーン空燃比の既燃ガス中に気筒内又は排気通路において追加燃料（ＨＣ）を混入させてＮＯ_X触媒装置へ供給することとなる。こうしてＮＯ_X触媒装置へ供給された追加燃料の一部は、ＮＯ_X触媒装置に担持された酸化触媒によって既燃ガス中の酸素を消費して燃焼（酸化）させられ、既燃ガス中の酸素濃度を低下させる。また、追加燃料の残りは、酸素濃度の低下によりＮＯ_X触媒装置から放出されたＮＯ_Xを還元浄化するのに使用される。

こうして、適当量の追加燃料がＮＯ_X触媒装置に供給されれば、ＮＯ_X触媒装置において既燃ガス中の酸素の多くを消費して酸素濃度を十分に低下させ、ＮＯ_X触媒装置から放出させたＮＯ_Xを良好に還元浄化することができると共に、ＮＯ_X触媒装置を単に通過するだけの燃料量を十分に低減することができる。

これに対して、適当量より多くの追加燃料がＮＯ_X触媒装置に供給されると、ＮＯ_X触媒装置において燃焼されず、また、放出されたＮＯ_Xの還元浄化にも使用されない燃料量、すなわち、ＮＯ_X触媒装置を単に通過するだけの燃料量を増加させることとなる。こうして、ＮＯ_X触媒装置を単に通過するだけの燃料量が増加すれば、燃料消費だけでなく排気エミッションも悪化させることとなる。

また、適当量より少ない追加燃料しかＮＯ_X触媒装置に供給されないと、追加燃料の殆どが燃焼させられて、放出されたＮＯ_Xが十分に還元浄化されることなく大気中へ放出されたり、又は、酸化能力に余力があるにも係わらずに酸素濃度を十分に低下させることができずに、ＮＯ_Xの放出が不十分となったりすることとなる。

ＮＯ_X触媒装置の現在の酸化能力は、ＮＯ_X触媒装置の温度に依存するとして、再生処理直前のＮＯ_X触媒装置の温度が低いほど追加燃料量を減少させることが提案されており、また、ＮＯ_X触媒装置の使用期間が長いほど劣化が進行しているとして、追加燃料量を減少させることも提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−３０２４６

前述の技術においては、再生処理に際して、ＮＯ_X触媒装置の温度及び使用期間に応じた所望の追加燃料量が供給されるように、燃料供給装置の作動時間が制御される。しかしながら、実際に所望の追加燃料量が供給されている保証はなく、現在のＮＯ_X触媒装置の酸化能力に対して適当量の追加燃料が供給されないことがある。

従って、本発明の目的は、ＮＯ_X触媒装置の再生処理に際してＮＯ_X触媒装置の現在の酸化能力に対して適当量の追加燃料が実際に供給されることを可能とする内燃機関の排気浄化装置を提供することである。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置は、ＮＯ_X触媒装置と、再生処理に際して前記ＮＯ_X触媒装置へ流入する既燃ガス中に追加燃料を供給する燃料供給手段と、再生処理中の前記ＮＯ_X触媒装置の温度上昇値を直接的又は間接的に測定する温度上昇測定手段とを具備し、前記燃料供給手段は、前記温度上昇測定手段により測定された以前の再生処理中の前記温度上昇値に基づき変化させる補正量によって今回の再生処理における基準追加燃料量を補正し、前記燃料供給手段は、以前の再生処理中における前記温度上昇値が設定温度範囲を上回る時には、前記補正量を減量すると共に、以前の再生処理中における前記温度上昇値が前記設定温度範囲を下回る時には、前記補正量を増量し、前記設定温度範囲は、以前の再生処理における前記ＮＯ _X 触媒装置の酸化能力に応じて設定されることを特徴とする。

本発明による請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記ＮＯ_X触媒装置の酸化能力は、前記ＮＯ_X触媒装置の劣化が考慮されることを特徴とする。

本発明による請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記ＮＯ_X触媒装置の酸化能力は、前記ＮＯ_X触媒装置のＳＯ_X吸蔵量が考慮されることを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、再生処理に際してＮＯ_X触媒装置へ流入する既燃ガス中に追加燃料を供給する燃料供給手段は、温度上昇測定手段により測定された以前の再生処理中の温度上昇値に基づき変化させる補正量によって今回の再生処理における基準追加燃料量を補正するようになっている。温度上昇値測定手段により測定された以前の再生処理中の温度上昇値は、以前の再生処理において燃料供給手段により適当量の追加燃料が実際に供給されているか否かを示す指標として使用することができるために、この温度上昇値に基づき変化させられる補正量により今回の再生処理における基準追加燃料量が補正されれば、この補正は良好なものとなり、今回の再生処理においてＮＯ_X触媒装置の現在の酸化能力に対して適当量の追加燃料を実際に供給することができる。

また、燃料供給手段は、以前の再生処理中における温度上昇値が設定温度範囲を上回る時には、適当量より多くの追加燃料が供給されたとして、補正量を減量すると共に、以前の再生処理中における温度上昇値が設定温度範囲を下回る時には、適当量より少ない追加燃料量しか供給されなかったとして、補正量を増量するようになっており、設定温度範囲は、以前の再生処理におけるＮＯ_X触媒装置の酸化能力に応じて設定されるようになっている。それにより、再生処理が繰り返される毎にＮＯ_X触媒装置の現在の酸化能力に対して正確な適当量の追加燃料を実際に供給することができる。

本発明による請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯ_X触媒装置の酸化能力は、ＮＯ_X触媒装置の劣化が考慮されており、それにより、再生処理が繰り返される毎にＮＯ_X触媒装置の現在の酸化能力に対してさらに正確な適当量の追加燃料を実際に供給することができる。

本発明による請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、ＳＯ_X吸蔵量が多くなるほどＮＯ_X触媒装置の酸化能力が高まるために、ＮＯ_X触媒装置の酸化能力は、ＮＯ_X触媒装置のＳＯ_X吸蔵量が考慮されており、それにより、再生処理が繰り返される毎にＮＯ_X触媒装置の現在の酸化能力に対してさらに正確に適当量の追加燃料を実際に供給することができる。

図１は本発明による内燃機関の排気浄化装置を示す概略図である。同図において、１０は排気通路に配置されたＮＯ_X触媒装置である。２０はＮＯ_X触媒装置１０の温度を直接的に測定するためにＮＯ_X触媒装置１０に取り付けられた温度センサである。ＮＯ_X触媒装置１０の温度を間接的に測定するために温度センサ２０をＮＯ_X触媒装置１０の直下流に配置して、ＮＯ_X触媒装置１０から流出した直後の既燃ガス温度を測定してＮＯ_X触媒装置１０の温度を推定するようにしても良い。また、ＮＯ_X触媒装置１０の排気上流側には、ＮＯ_X触媒装置１０へ流入する既燃ガスへ燃料を供給するための燃料供給装置３０が配置されている。本実施形態の内燃機関は、希薄燃焼を実施する内燃機関（例えばディーゼルエンジン）であり、排気ガス中には比較的多くのＮＯ_Xが含まれている。

ＮＯ_X触媒装置１０は、アルミナ等を使用して以下に説明するＮＯ_X吸蔵触媒と白金Ｐｔのような貴金属触媒とが担持されたモノリス担体又はペレット担体を有するものである。また、ＮＯ_X触媒装置１０は、排気ガスがコージライトのような多孔質材料から形成された隔壁を通過するようにしたパティキュレートフィルタの隔壁表面及び細孔内にＮＯ_X吸蔵触媒と貴金属触媒を担持させたものとしても良い。

ＮＯ_X吸蔵触媒は、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金属、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である。このＮＯ_X吸蔵触媒は、流入する既燃ガスの空燃比がリーンの時、すなわち、酸素濃度が高い時にはＮＯ_Xを吸蔵し、空燃比が理論空燃比又はリッチになると、すなわち、酸素濃度が低下すると、吸蔵したＮＯ_Xを放出するＮＯ_Xの吸放出作用を行う。このＮＯ_Xの吸放出に際して、活性酸素が放出され、この活性酸素は輝炎を発生させることなくパティキュレートを酸化除去することができるために、ＮＯ_X触媒装置１０をパティキュレートフィルタとすれば、捕集されたパティキュレートは自動的に酸化除去される。

ところで、ＮＯ_X触媒装置１０は、無制限にＮＯ_Xを吸蔵することはできず、ＮＯ_Xの放出作用を利用して、ＮＯ_X触媒装置１０のＮＯ_X吸蔵量が飽和する以前に、流入する既燃ガスの空燃比をリッチにして、吸蔵されたＮＯ_Xを放出させて還元浄化するＮＯ_X触媒装置１０の再生処理を実施することが必要となる。例えば、機関運転状態毎の単位時間当たりのＮＯ_X排出量を予めマップ化しておき、各機関運転状態においてＮＯ_X排出量を積算すれば、この積算値をＮＯ_X触媒装置１０のＮＯ_X吸蔵量とすることができる。このＮＯ_X吸蔵量が設定値に達した時にＮＯ_X触媒装置１０の再生時期と判断することができる。このように再生時期を判断することなく、設定車両走行時間毎又は設定車両走行距離毎に再生時期として再生処理を実施するようにしても良い。

再生処理においては、理論空燃比よりリーンな空燃比の既燃ガスに燃料供給装置３０により適当量の追加燃料を供給して、ＮＯ_X触媒装置１０へ流入する既燃ガスの空燃比を、例えば、所望リッチ空燃比（又は理論空燃比）とすることとなる。燃料供給装置３０が設けられていない場合には、気筒内へ燃料を噴射する燃料噴射弁により、膨張行程又は排気行程において気筒内のリーン空燃比の既燃ガスへ追加燃料を噴射して、ＮＯ_X触媒装置１０へ流入する既燃ガスの空燃比をリッチ空燃比としても良い。

こうして、適当量の追加燃料が混入されると共に比較的多量の酸素を含む既燃ガスがＮＯ_X触媒装置１０へ流入すると、追加燃料の一部は、ＮＯ_X触媒装置１０に担持された酸化触媒によって既燃ガス中の酸素を消費して燃焼（酸化）させられ、既燃ガス中の酸素濃度が低下する。それにより、ＮＯ_X触媒装置１０からＮＯ_Xが放出されると、放出されたＮＯ_Xは追加燃料の残りによって還元浄化され、燃焼せずにＮＯ_Xの還元浄化にも使用されないＮＯ_X触媒装置１０を単に通過する燃料は僅かな量となる。

これに対して、適当量より多くの追加燃料がＮＯ_X触媒装置に供給されると、より多くの燃料がＮＯ_X触媒装置において燃焼することとなるが、ＮＯ_X触媒装置を単に通過するだけの燃料量も増加し、燃料消費だけでなく排気エミッションも悪化させることとなる。

また、適当量より少ない追加燃料しかＮＯ_X触媒装置に供給されないと、追加燃料の殆どが燃焼させられて、放出されたＮＯ_Xが十分に還元浄化されることなく大気中へ放出されたり、又は、酸化能力に余力があるにも係わらずに酸素濃度を十分に低下させることができずに、ＮＯ_Xの放出が不十分となったりすることとなる。

こうして、再生処理における追加燃料の適当量は、既燃ガスの空燃比がリーンであるほど、吸気量（排気ガス量）が多いほど、また、ＮＯ_X触媒装置１０の酸化能力が高いほど、多くなるように設定されて、燃料供給装置２０の作動時間が制御される。しかしながら、燃料供給装置２０の燃料供給特性のばらつき及び経時変化等によって、適当量に対応する作動時間だけ燃料供給装置を制御しても、実際に適当量の追加燃料が供給されるとは限らない。それによって、適当量より多くの追加燃料が供給されたり、適当量より少ない追加燃料が供給されたりすれば、前述の問題が発生することとなる。本実施形態は、図２に示すフローチャートによって実際の追加燃料量を制御している。

先ず、ステップ１０１において、再生時期であるか否かが判断される。この判断が否定される時にはそのまま終了するが、この肯定される時にはステップ１０２において、基本追加燃料量Ｑａｄが決定される。基本追加燃料量Ｑａｄの決定に際しては、再生処理直前の既燃ガスの空燃比、すなわち、燃焼空燃比と、再生処理直前の吸気量と、温度センサ２０により検出される再生処理直前のＮＯ_X触媒装置１０の温度Ｔに対応するＮＯ_X触媒装置１０の酸化能力とが考慮される。また、燃焼空燃比、吸気量、及び酸化能力に基づき基本追加燃料量Ｑａｄを予めマップ化しておくこともできる。

次いで、ステップ１０３において、基本追加燃料量Ｑａｄに補正量ｋ・Ｑｃが加えられて実際の追加燃料量Ｑａｄｆが算出され、ステップ１０４において、算出された追加燃料量Ｑａｄｆに対応する作動時間だけ燃料供給装置３０を作動させて追加燃料が供給される。

ステップ１０５では、今回の再生処理における追加燃料の燃焼及びＮＯ_Xの還元浄化に伴うＮＯ_X触媒装置の目標温度上昇値ΔＴ’が決定される。この目標温度上昇値ΔＴ’は、基本追加燃料量Ｇａｄと、現在の活性化程度に対応するＮＯ_X触媒装置の温度Ｔとの関数として算出された値を、最終的に第一補正係数Ｋ１及び第二補正係数Ｋ２により補正して決定される。第一補正係数Ｋ１は、ＮＯ_X触媒装置１０の酸化能力の劣化に伴うものであり、図３に示すように、ＮＯ_X触媒装置１０が新品の時には１であり、使用期間ｔが長くなるほど徐々に小さくなる。

ＮＯ_X触媒装置１０には、前述したように、酸化触媒として貴金属触媒と、ＮＯ_X吸蔵触媒としてアルカリ金属等とを担持しているために、貴金属触媒の酸化活性は、アルカリ金属等の塩基活性により低下される。ところで、ＮＯ_X触媒装置１０は、ＮＯ_Xを硝酸塩として吸蔵するが、同様なメカニズムによって排気ガス中のＳＯ_Xも硫酸塩として吸蔵する。硫酸塩は安定な物質であり、再生処理によっても分解されずにＮＯ_X触媒装置１０に残留する。こうして、ＳＯ_Xの吸蔵量が増加するほど、ＮＯ_X吸蔵触媒１０の塩基活性が低下し、それにより、低下されていた貴金属触媒の酸化活性が高められることとなる。

第二補正係数Ｋ２は、ＳＯ_Xの吸蔵量に応じたＮＯ_X触媒装置１０の酸化能力の向上に伴うものであり、ＳＯ_Xの吸蔵量が０の時には１であり、ＳＯ_Xの吸蔵量が増加するほど徐々に大きくなる。排気ガス中のＳＯ_Xは、燃料に含まれる硫黄により生成されるものであり、ＳＯ_Xの吸蔵量は、積算燃料消費量により推定することができる。また、ＳＯ_Xの吸蔵量が増加すると、その分はＮＯ_Xを吸蔵することができなくなるために、所定量のＳＯ_Xが吸蔵された時には、ＮＯ_X触媒装置１０を約６００℃まで昇温してからＮＯ_X触媒装置１０へ流入する排気ガスの空燃比をリッチにする回復処理が実施され、この回復処理直後にはＳＯ_Xの吸蔵量は０となり、第二補正係数Ｋ２は１とされる。

こうして、今回の再生処理における目標温度上昇値ΔＴ’が決定されると、目標温度上昇値ΔＴ’より数℃低い下限値Ａと目標温度上昇値ΔＴ’より数℃高い上限値Ｂとが設定され、ステップ１０６において、温度センサ２０により検出される今回の再生処理における温度上昇値ΔＴ（再生処理中の最大値）が下限値Ａと上限値Ｂとの間の設定温度範囲内であるか否かが判断される。この判断が肯定される時には、ステップ１０３の補正量ｋ・Ｑｃは問題なく、そのまま終了する。一方、ステップ１０６の判断が否定される時には、ステップ１０７において、温度上昇値ΔＴが下限値Ａ以下であるか否かが判断される。

この判断が肯定される時には、今回の再生処理における温度上昇値ΔＴは、目標温度上昇値ΔＴ’より数℃を超えて低いこととなり、これは、意図するより少量の燃料しか燃焼していないことを意味し、結果として、実際に供給された追加燃料量Ｑａｄｆが適当量に対して少な過ぎることとなる。それにより、ステップ１０８において、前述の補正量ｋ・Ｑｃのうちの基本分ＱｃをΔＱｃだけ増量する。

一方、ステップ１０７の判断が否定される時には、今回の再生処理における温度上昇値ΔＴは、目標温度上昇値ΔＴ’より数℃を超えて高いこととなり、これは、意図するより多量の燃料が燃焼していることを意味し、この時には、実際に供給された追加燃料量Ｑａｄｆが適当量に対して多過ぎて、比較的多くの燃料がＮＯ_X触媒を単に通過していると考えられる。それにより、ステップ１０９において、前述の補正量ｋ・Ｑｃのうちの基本分ＱｃをΔＱｃだけ減量する。ここで、補正量の基本分Ｑｃとは特定基本追加燃料量Ｑａｄ’に対する補正値である。このように、再生処理が繰り返される毎に増減が実施されることで、補正量の基本分Ｑｃは、燃料供給装置２０の現在の燃料供給特性に適した値となる。

補正量ｋ・Ｑｃのうちの係数ｋは、今回の再生処理における基本追加燃料量Ｑａｄと前述の特定基本追加燃料量Ｑａｄ’との比であり、今回の基本追加燃料量Ｑａｄが特定基本追加燃料量Ｑａｄ’より多ければ、前回の再生処理のステップ１０８及び１０９において増減された補正量の基本分Ｑｃは、補正量ｋ・Ｑｃとして大きくされて基本追加燃料量Ｑａｄの補正に使用される。一方、今回の基本追加燃料量Ｑａｄが特定基本追加燃料量Ｑａｄ’より少なければ、前回の再生処理のステップ１０８及び１０９において増減された補正量の基本分Ｑｃは、補正量ｋ・Ｑｃとして小さくされて基本追加燃料量Ｑａｄの補正に使用される。このように、現在の燃料供給装置２０の燃料供給特性に適した補正量ｋ・Ｑｃによって基本追加燃料量Ｑａｄが補正されるために、再生処理において、適当量の追加燃料を実際にＮＯ_X触媒装置１０へ供給することができる。

本実施形態において、今回の再生処理における基準追加燃料量を補正するための補正量は、前回の再生処理中のＮＯ_X触媒装置の温度上昇値に基づき変化させるようにしているが、これは本発明を限定するものでなく、例えば、前々回又は前々前回のような以前の再生処理中のＮＯ_X触媒装置の温度上昇値に基づき変化させるようにしても良い。

本発明による内燃機関の排気浄化装置を示す概略図である。 再生処理に際して追加燃料量の補正を実施するためのフローチャートである。 第一補正係数の変化を示すグラフである。 第二補正係数の変化を示すグラフである。

符号の説明

１０ ＮＯ_X触媒装置
２０ 温度センサ
３０ 燃料供給装置

Claims (3)

1. ＮＯ_X触媒装置と、再生処理に際して前記ＮＯ_X触媒装置へ流入する既燃ガス中に追加燃料を供給する燃料供給手段と、再生処理中の前記ＮＯ_X触媒装置の温度上昇値を直接的又は間接的に測定する温度上昇測定手段とを具備し、前記燃料供給手段は、前記温度上昇測定手段により測定された以前の再生処理中の前記温度上昇値に基づき変化させる補正量によって今回の再生処理における基準追加燃料量を補正し、前記燃料供給手段は、以前の再生処理中における前記温度上昇値が設定温度範囲を上回る時には、前記補正量を減量すると共に、以前の再生処理中における前記温度上昇値が前記設定温度範囲を下回る時には、前記補正量を増量し、前記設定温度範囲は、以前の再生処理における前記ＮＯ _X 触媒装置の酸化能力に応じて設定されることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記ＮＯ _X 触媒装置の酸化能力は、前記ＮＯ _X 触媒装置の劣化が考慮されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記ＮＯ _X 触媒装置の酸化能力は、前記ＮＯ _X 触媒装置のＳＯ _X 吸蔵量が考慮されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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