JP4798085B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
ディーゼルエンジンのような希薄燃焼を実施する内燃機関の排気系には、ＮＯX吸蔵還元触媒装置が配置されている。ＮＯX吸蔵還元触媒装置は、排気ガスがリーン空燃比である時、すなわち、排気ガス中の酸素濃度が高い時に、排気ガス中のＮＯXを良好に吸蔵する。一方、再生処理として、排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比とすれば、すなわち、排気ガス中の酸素濃度を低下させれば、吸蔵したＮＯXを放出し、こうして放出させたＮＯXを、排気ガス中の還元物質により還元浄化する。
このようなＮＯX吸蔵還元触媒装置は、ＮＯXと同様なメカニズムによって排気ガス中のＳＯXも吸蔵してしまう。ＳＯXは安定な硫酸塩として吸蔵されるために放出させ難く、吸蔵量は増加する一方であり、遂には、ＮＯXを十分に吸蔵することができなくなる。ＳＯXを放出させるには、ＮＯX吸蔵還元触媒装置を７００°Ｃのような高温としなければならず、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の熱劣化は避けられない。
このようなＮＯX吸蔵還元触媒装置の熱劣化を防止するには、ＮＯX吸蔵還元触媒装置にＳＯXを吸蔵させないようにすれば良く、そのために、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の上流側にＳトラップ装置を配置することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
Ｓトラップ装置に吸蔵されたＳＯXを放出させる際に、この放出ＳＯXがＮＯX吸蔵還元触媒装置に吸蔵されないようにしなければならず、特許文献１では、排気ガスを逆流させる等の複雑な排気系構造を必要としている。それにより、十分にＳＯXを吸蔵したＳトラップ装置を新品と交換するようにすれば、排気ガスを逆流させる等の複雑な排気系構造は必要なくなる。
ところで、ディーゼルエンジンの排気系において、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の下流側には、パティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタが配置されており、このパティキュレートフィルタにおいては、捕集パティキュレートを焼失させるための加熱が必要となる。パティキュレートフィルタの良好な加熱を実現するためには、追加燃料及び酸素を含む比較的高温度の排気ガスをパティキュレートフィルタへ流入させ、パティキュレートフィルタに担持させた貴金属触媒を十分に活性化させることにより追加燃料を燃焼させ、パティキュレートフィルタをパティキュレート燃焼温度まで昇温させることが好ましい。
そのためには、Ｓトラップ装置の上流側の排気系又は気筒内へ追加燃料を供給して、追加燃料の一部をＳトラップ装置及びＮＯX吸蔵還元触媒装置において燃焼させてフィルタへ流入する排気ガスを昇温させることが好ましい。
しかしながら、Ｓトラップ装置での追加燃料の燃焼によって、これまで吸蔵したＳＯXが放出されたり、ＮＯX吸蔵還元触媒装置での追加燃料の燃焼によってＮＯX吸蔵還元触媒装置が熱劣化したりすることがある。
従って、本発明の目的は、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の上流側にＳトラップ装置を配置した内燃機関の排気浄化装置において、Ｓトラップ装置の上流側の排気系又は気筒内へ供給された追加燃料によりＮＯX吸蔵還元触媒装置の下流側に配置されたパティキュレートフィルタにおいて、Ｓトラップ装置からのＳＯXの放出及びＮＯX吸蔵還元触媒装置の熱劣化の少なくとも一方を防止して、捕集パティキュレートを除去する再生処理を実施可能とすることである。
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、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の上流側にＳトラップ装置を配置した内燃機関の排気浄化装置において、前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置の下流側にはパティキュレートフィルタが配置され、前記パティキュレートフィルタの再生処理のための追加燃料は、前記Ｓトラップ装置の上流側の排気系又は気筒内へ供給され、前記Ｓトラップ装置及び前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置をバイパスするバイパス通路が設けられ、前記Ｓトラップ装置の温度が第一設定温度より高い時には、前記追加燃料及び排気ガスは前記バイパス通路によって前記Ｓトラップ装置及び前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置をバイパスさせら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、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の上流側にＳトラップ装置を配置した内燃機関の排気浄化装置において、前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置の下流側にはパティキュレートフィルタが配置され、前記パティキュレートフィルタの再生処理のための追加燃料は、前記Ｓトラップ装置の上流側の排気系又は気筒内へ供給され、前記Ｓトラップ装置及び前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置をバイパスするバイパス通路が設けられ、前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置の温度が第二設定温度より高い時には、前記追加燃料及び排気ガスは前記バイパス通路によって前記Ｓトラップ装置及び前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置をバイパスさせら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、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の上流側にＳトラップ装置を配置した内燃機関の排気浄化装置において、前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置の下流側にはパティキュレートフィルタが配置され、前記パティキュレートフィルタの再生処理のための追加燃料は、前記Ｓトラップ装置の上流側の排気系又は気筒内へ供給され、前記Ｓトラップ装置及び前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置をバイパスするバイパス通路が設けられ、前記Ｓトラップ装置の温度が第一設定温度より高いか、又は、前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置の温度が第二設定温度より高い時には、前記追加燃料及び排気ガスは前記バイパス通路によって前記Ｓトラップ装置及び前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置をバイパスさせられることを特徴とする。
本発明による請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記Ｓトラップ装置はＳＯXを放出させることが意図されておらず、必要に応じて交換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、パティキュレートフィルタの再生処理のための追加燃料は、Ｓトラップ装置の上流側の排気系又は気筒内へ供給され、Ｓトラップ装置の温度が第一設定温度より高い時には、追加燃料及び排気ガスはバイパス通路によってＳトラップ装置及びＮＯX吸蔵還元触媒装置をバイパスさせられてパティキュレートフィルタへ流入するために、パティキュレートフィルタの再生処理時においてＳトラップ装置からＳＯXが放出されることは防止される。
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によれば、パティキュレートフィルタの再生処理のための追加燃料は、Ｓトラップ装置の上流側の排気系又は気筒内へ供給され、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の温度が第二設定温度より高い時には、追加燃料及び排気ガスはバイパス通路によってＳトラップ装置及びＮＯX吸蔵還元触媒装置をバイパスさせられてパティキュレートフィルタへ流入するために、パティキュレートフィルタの再生処理時においてＮＯX吸蔵還元触媒装置が過剰加熱により熱劣化することは防止される。
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によれば、パティキュレートフィルタの再生処理のための追加燃料は、Ｓトラップ装置の上流側の排気系又は気筒内へ供給され、Ｓトラップ装置の温度が第一設定温度より高いか、又は、ＮＯX吸蔵還元触媒装置の温度が第二設定温度より高い時には、追加燃料及び排気ガスはバイパス通路によってＳトラップ装置及びＮＯX吸蔵還元触媒装置をバイパスさせられてパティキュレートフィルタへ流入するために、パティキュレートフィルタの再生処理時において、Ｓトラップ装置からＳＯXが放出されることは防止され、また、ＮＯX吸蔵還元触媒装置が過剰加熱により熱劣化することも防止される。
本発明による請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置において、Ｓトラップ装置はＳＯXを放出させることが意図されておらず、必要に応じて交換されるものであるために、本排気浄化装置においてＳトラップ装置から放出させたＳＯXがＮＯX吸蔵還元触媒装置へ吸蔵されないようにする複雑な排気系構造は必要ない。
図１は本発明による内燃機関の排気浄化装置の実施形態を示す概略図である。同図において、１はディーゼルエンジン等の希薄燃焼を実施する機関本体であり、２は排気マニホルドである。３は排気マニホルド２下流側の排気通路である。排気通路３には、Ｓトラップ装置４と、Ｓトラップ装置４の下流側のＮＯX吸蔵還元触媒装置５と、ＮＯX吸蔵還元触媒装置５の下流側のパティキュレートフィルタ６とが配置されている。
このような配置によって、排気ガス中のＳＯXは、上流側に位置するＳトラップ装置４により吸蔵され、殆どＮＯX吸蔵還元触媒装置５により吸蔵されることはなく、ＮＯX吸蔵還元触媒装置５を熱劣化させてＳＯXを放出させる必要はない。Ｓトラップ装置４は、ＳＯXを多量に吸蔵した時には新品（新品でなくてもＳＯXを吸蔵可能であれば良い）と交換される。本実施形態において、排気通路３には、Ｓトラップ装置４及びＮＯX吸蔵還元触媒装置５をバイパスするバイパス通路７が制御弁７ａを介して接続されている。
また、排気ガス中のパティキュレートは、パティキュレートフィルタ６により捕集される。パティキュレートフィルタ６には、貴金属触媒が担持されており、捕集パティキュレートが大きな排気抵抗となって機関出力を大幅に低下させる以前に、貴金属触媒により排気ガス中の燃料を燃焼させて、パティキュレートフィルタ６をパティキュレートの燃焼温度へ昇温させ、捕集パティキュレートを焼失させる再生処理が必要である。
また、パティキュレートフィルタ６にＮＯX吸蔵還元触媒を担持させることにより、ＮＯXの吸蔵も可能となるだけでなく、ＮＯXの吸放出の際に活性酸素が放出され、この活性酸素が捕集パティキュレートを低温度で輝炎を発することなく酸化除去することができ、前述の再生処理の頻度を低下させることができる。
ところで、ＮＯX吸蔵還元触媒装置５は、無制限にＮＯXを吸蔵することはできず、ＮＯXを吸蔵することができなくなる（飽和状態）前に、ＮＯXを放出させて還元浄化する再生処理が必要となる。再生処理は、リーン空燃比の排気ガスへ追加燃料を供給することにより、ＮＯX吸蔵還元触媒装置５へリッチ空燃比の排気ガスを流入させる。本実施形態において、追加燃料を供給するための燃料供給装置８は、排気マニホルド２の下流側でＳトラップ装置４の上流側に配置されており、それにより、燃料供給装置８により供給される燃料中のＳもＳトラップ装置４により吸蔵することができる。燃料供給装置８は、パティキュレートフィルタ６の再生処理時にも追加燃料を供給する。
本実施形態において、パティキュレートフィルタ６の再生処理は図２に示すフローチャートに従って実施される。先ず、ステップ１０１において、パティキュレートフィルタ６の再生処理の要求があるか否かが判断される。再生処理の要求は、例えば、車両の設定走行距離毎又は設定走行時間毎のような定期的なものとすれば良い。また、機関運転状態毎のパティキュレート排出量を積算し、これが設定値となった時に再生処理を要求するようにしても良い。
ステップ１０１の判断が否定される時にはそのまま終了するが、肯定される時には、ステップ１０２において、Ｓトラップ装置４の推定又は測定される温度Ｔ１が第一設定温度Ｔ１’より高いか否かが判断される。この判断が否定される時にはステップ１０３において、ＮＯX吸蔵還元触媒装置５の推定又は測定される温度Ｔ２が第二設定温度Ｔ２’より高いか否かが判断される。この判断も否定される時には、ステップ１０４において、制御弁７ａは、排気通路３を開放してバイパス通路７を閉鎖し、燃料供給装置８により供給された追加燃料及び排気ガスは、バイパス通路７を通ることなく、Ｓトラップ装置４及びＮＯX吸蔵還元触媒装置５を通過して、パティキュレートフィルタ６へ流入する。
この時、追加燃料の一部は、Ｓトラップ装置４及びＮＯX吸蔵還元触媒装置５の貴金属触媒によって燃焼させられ排気ガス温度を高める。こうして昇温された排気ガスは、追加燃料の残りを含んでパティキュレートフィルタ６へ流入し、パティキュレートフィルタ６により担持された貴金属触媒を良好に暖機する。それにより、残りの追加燃料は貴金属触媒により良好に燃焼させられ、パティキュレートフィルタ６をパティキュレートの燃焼温度へ昇温して、パティキュレートを焼失させる再生処理が実施させられる。また、追加燃料がＳトラップ装置４を通過することにより、追加燃料中のＳはＳトラップ装置４により良好に吸蔵される。
一方、ステップ１０２の判断が肯定される時には、Ｓトラップ装置４の温度Ｔ１が高く燃料供給装置８により供給された追加燃料が、排気ガスと共にＳトラップ装置４へ流入すると、高温のＳトラップ装置からＳＯXが放出されてしまう。それにより、ステップ１０５において、制御弁７ａは、排気通路３を閉鎖してバイパス通路７を開放し、燃料供給装置８により供給された追加燃料及び排気ガスは、バイパス通路７を通過し、Ｓトラップ装置４及びＮＯX吸蔵還元触媒装置５を通ることなく、パティキュレートフィルタ６へ流入し、パティキュレートフィルタ６において再生処理が実施される。
この時には、追加燃料の一部は、Ｓトラップ装置４及びＮＯX吸蔵還元触媒装置５において燃焼せず、排気ガス温度を高めることはないが、現状の排気ガス温度はＳトラップ装置４を比較的高温度とするほど高いために、パティキュレートフィルタ６においても貴金属触媒を比較的良好に暖機させ、追加燃料を十分に燃焼させることができ、パティキュレートフィルタ６の再生処理が実施される。
また、Ｓトラップ装置４において、その温度が高いほど、排気ガスの空燃比が理論空燃比側であってもＳＯXが放出される。それにより、図３に示すように、パティキュレートフィルタ６の再生処理のために燃料供給装置８により供給された追加燃料により実現される排気ガスの空燃比Ａ／Ｆが小さいほど、ステップ１０２の判断の閾値である第一設定温度Ｔ１’を低く設定するようにしても良い。パティキュレートフィルタ６の再生処理に際しての排気ガスの空燃比は理論空燃比近傍とされ、リッチ空燃比とされることは少ない。それにより、閾値Ｔ１’は高い値とされることが多いために、バイパス通路７が使用される機会は少なく、燃料供給装置８により供給される追加燃料は、Ｓトラップ装置４を通過し、追加燃料に含まれるＳがＳトラップ装置４に吸蔵される機会が多くなる。
一方、ステップ１０３の判断が肯定される時には、ＮＯX吸蔵還元触媒装置５の温度Ｔ２が高く、燃料供給装置８により供給された追加燃料が、排気ガスと共にＮＯX吸蔵還元触媒装置５へ流入すると、追加燃料が燃焼してＮＯX吸蔵還元触媒装置５をさらに昇温させて熱劣化を発生させる。それにより、ステップ１０５において、制御弁７ａは、排気通路３を閉鎖してバイパス通路７を開放し、燃料供給装置８により供給された追加燃料及び排気ガスは、バイパス通路７を通過し、Ｓトラップ装置４及びＮＯX吸蔵還元触媒装置５を通ることなく、パティキュレートフィルタ６へ流入し、パティキュレートフィルタ６において再生処理が実施される。
この時には、追加燃料の一部は、Ｓトラップ装置４及びＮＯX吸蔵還元触媒装置５において燃焼せず、排気ガス温度を高めることはないが、現状の排気ガス温度はＮＯX吸蔵還元触媒装置５を比較的高温度とするほど高いために、パティキュレートフィルタ６においても貴金属触媒を比較的良好に暖機させ、追加燃料を十分に燃焼させることができ、パティキュレートフィルタ６の再生処理が実施される。
ところで、機関運転状態毎の排気ガス温度が高いほど、追加燃料の燃焼による加熱によってＮＯX吸蔵還元触媒装置５を確実に熱劣化させてしまう。それにより、図３に示すように、現在の燃料噴射量Ｑが多く、機関回転数Ｎが高いほど、排気ガス温度が高くなるために、ステップ１０３の判断の閾値である第二設定温度Ｔ２’を低く設定するようにしても良い。それにより、ＮＯX吸蔵還元触媒装置５の熱劣化を確実に防止することができる。
ところで、ＮＯX吸蔵還元触媒装置５の再生処理のための追加燃料は、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実施するようにしても良い。
１ 機関本体
３ 排気通路
４ Ｓトラップ装置
５ ＮＯX吸蔵還元触媒装置
７ バイパス通路
８ 燃料供給装置
３ 排気通路
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Claims (4)
- ＮＯX吸蔵還元触媒装置の上流側にＳトラップ装置を配置した内燃機関の排気浄化装置において、前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置の下流側にはパティキュレートフィルタが配置され、前記パティキュレートフィルタの再生処理のための追加燃料は、前記Ｓトラップ装置の上流側の排気系又は気筒内へ供給され、前記Ｓトラップ装置及び前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置をバイパスするバイパス通路が設けられ、前記Ｓトラップ装置の温度が第一設定温度より高い時には、前記追加燃料及び排気ガスは前記バイパス通路によって前記Ｓトラップ装置及び前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置をバイパスさせられることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
- ＮＯX吸蔵還元触媒装置の上流側にＳトラップ装置を配置した内燃機関の排気浄化装置において、前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置の下流側にはパティキュレートフィルタが配置され、前記パティキュレートフィルタの再生処理のための追加燃料は、前記Ｓトラップ装置の上流側の排気系又は気筒内へ供給され、前記Ｓトラップ装置及び前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置をバイパスするバイパス通路が設けられ、前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置の温度が第二設定温度より高い時には、前記追加燃料及び排気ガスは前記バイパス通路によって前記Ｓトラップ装置及び前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置をバイパスさせられることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
- ＮＯX吸蔵還元触媒装置の上流側にＳトラップ装置を配置した内燃機関の排気浄化装置において、前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置の下流側にはパティキュレートフィルタが配置され、前記パティキュレートフィルタの再生処理のための追加燃料は、前記Ｓトラップ装置の上流側の排気系又は気筒内へ供給され、前記Ｓトラップ装置及び前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置をバイパスするバイパス通路が設けられ、前記Ｓトラップ装置の温度が第一設定温度より高いか、又は、前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置の温度が第二設定温度より高い時には、前記追加燃料及び排気ガスは前記バイパス通路によって前記Ｓトラップ装置及び前記ＮＯX吸蔵還元触媒装置をバイパスさせられることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
- 前記Ｓトラップ装置はＳＯXを放出させることが意図されておらず、必要に応じて交換されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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