JP4798086B2

JP4798086B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP4798086B2
Application number: JP2007180306A
Authority: JP
Inventors: 寛真西岡; 信也広田; 孝太郎林; 孝充浅沼; 耕平吉田; 寛大月
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-07-09
Filing date: 2007-07-09
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2027-07-09
Also published as: JP2009013970A

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、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置が配置されている。ＮＯ_X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ＮＯ_X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ＮＯ_Xを放出し、こうして放出させたＮＯ_X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ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置は、ＮＯ_Xと同様なメカニズムによって排気ガス中のＳＯ_Xも吸蔵してしまう。ＳＯ_X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、ＮＯ_Xを十分に吸蔵することができなくなる。ＳＯ_Xを放出させるには、ＮＯ_X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、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の熱劣化は避けられない。

このようなＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の熱劣化を防止するには、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置にＳＯ_Xを吸蔵させないようにすれば良く、そのために、ＮＯ_X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）。

特開２００５−３６６５８特開２００６−１８８９８５

ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置は、無制限にＮＯ_Xを吸蔵することはできず、前述した再生処理を実施しなければならない。そのためには、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置へ流入する排気ガスの空燃比をリッチ空燃比とするのに機関排気系へ燃料を供給する燃料供給手段が必要となる。特許文献１では、燃料供給手段をＳトラップ装置の下流側に配置することが提案されているが、これでは、燃料供給手段により供給される燃料中のＳがＳＯ_XとしてＮＯ_X吸蔵還元触媒装置に吸蔵されてしまう。

従って、本発明の目的は、ＮＯ_X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ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の再生処理を実施することにより、追加燃料中のＳがＮＯ_X吸蔵還元触媒装置へ吸蔵され難くすることである。

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ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置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へ供給され、前記Ｓトラップ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低くて、前記追加燃料が前記Ｓトラップ装置へ付着し易い時には、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トラップ装置をバイパスさせられ、前記Ｓトラップ装置の温度が第二設定温度より高くて前記追加燃料が前記Ｓトラップ装置へ供給されると、前記Ｓトラップ装置からＳＯ_Xが容易に放出される時には、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、ＮＯ_X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ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置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気筒内へ供給され、前記Ｓトラップ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設定温度より高くて、前記追加燃料が前記Ｓトラップ装置へ供給されると、前記Ｓトラップ装置からＳＯ_Xが容易に放出される時には、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１に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の再生処理時において、追加燃料はＳトラップ装置の上流側の排気系へ供給され、追加燃料中のＳもＳトラップ装置により吸蔵することができる。しかしながら、Ｓトラップ装置の温度が第一設定温度より低くて、追加燃料がＳトラップ装置へ付着し易い時には、追加燃料及び排気ガスはバイパス通路によってＳトラップ装置をバイパスさせられ、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置へ確実に供給される。また、Ｓトラップ装置の温度が第二設定温度より高くて、追加燃料がＳトラップ装置へ供給されると、Ｓトラップ装置からＳＯ_Xが容易に放出される時には、この放出ＳＯ_XはＮＯ_X吸蔵還元触媒装置へ吸蔵されてしまうために、追加燃料及び排気ガスはバイパス通路によってＳトラップ装置をバイパスさせられる。

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、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の再生処理時において、追加燃料はＳトラップ装置の上流側の気筒内へ供給され、追加燃料中のＳもＳトラップ装置により吸蔵することができる。しかしながら、Ｓトラップ装置の温度が設定温度より高くて、追加燃料がＳトラップ装置へ供給されると、Ｓトラップ装置からＳＯ_Xが容易に放出される時には、この放出ＳＯ_XはＮＯ_X吸蔵還元触媒装置へ吸蔵されてしまうために、追加燃料及び排気ガスはバイパス通路によってＳトラップ装置をバイパスさせられる。

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ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置５と、ＮＯ_X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ＳＯ_X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ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置５により吸蔵されることはなく、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置５を熱劣化させてＳＯ_Xを放出させる必要はない。Ｓトラップ装置４は、ＳＯ_Xを多量に吸蔵した時には新品と交換される。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、貴金属触媒により排気ガス中の燃料を燃焼させることにより、捕集パティキュレートを焼失させることができる。また、パティキュレートフィルタ６にＮＯ_X吸蔵還元触媒を担持させることにより、ＮＯ_Xの吸蔵も可能となるだけでなく、ＮＯ_X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る。

ところで、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置５は、無制限にＮＯ_Xを吸蔵することはできず、ＮＯ_Xを吸蔵することができなくなる（飽和状態）前に、ＮＯ_X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、ＮＯ_X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。

本実施形態において、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、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ＮＯ_X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Ｔが第一設定温度Ｔ１以下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ステップ１０３において、Ｓトラップ装置４の温度Ｔが第二設定温度Ｔ２以上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、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を通過して、追加燃料中のＳはＳトラップ装置４により吸蔵され、その後、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置５へ流入し、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置５において再生処理が実施される。

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Ｔが低く、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、Ｓトラップ装置４内のハニカム構造に容易に付着して、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置４へ到達しない。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を通ることなく、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置５へ流入し、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置５において再生処理が実施される。

また、ステップ１０３の判断が肯定される時には、Ｓトラップ装置４の温度Ｔ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、Ｓトラップ装置内が高温でリッチ空燃比となるために、ＳＯ_X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を通ることなく、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置５へ流入し、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置５において再生処理が実施される。

ところで、燃料供給装置８から供給される追加燃料は、燃料供給装置８が位置する排気通路３の部分温度ＥＴが高いほど気化し易くなり、また、排気ガス量Ｑが多いほど気化し易くなるために、図３に示すように、ステップ１０２の判断の閾値である第一設定温度Ｔ１は、排気通路３の部分温度ＥＴが高いほど、排気ガス量Ｑが多いほど、低く設定するようにしても良い。それにより、バイパス通路７が使用される機会が減少し、燃料供給装置８により供給される追加燃料がＳトラップ装置４を通過して、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。

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ＳＯ_Xが放出される。それにより、図４に示すように、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がリッチであるほど、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、バイパス通路７が使用される機会が減少し、燃料供給装置８により供給される追加燃料がＳトラップ装置４を通過して、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。

ところで、ＮＯ_X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。この場合には、追加燃料は気筒内において十分に気化するために、Ｓトラップ装置４の温度Ｔが低くても追加燃料がＳトラップ装置４内に付着することはない。それにより、図２のフローチャートにおいて、ステップ１０２の判断は省略することができる。

本発明による内燃機関の排気浄化装置の概略図である。ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の再生処理のためのフローチャートである。図２のフローチャートのステップ１０２の閾値を変更するためのマップである。図２のフローチャートのステップ１０３の閾値を変更するためのマップである。

符号の説明

１機関本体
３排気通路
４Ｓトラップ装置
５ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置
７バイパス通路
８燃料供給装置

Claims

ＮＯ_X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ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置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へ供給され、前記Ｓトラップ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低くて、前記追加燃料が前記Ｓトラップ装置へ付着し易い時には、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トラップ装置をバイパスさせられ、前記Ｓトラップ装置の温度が第二設定温度より高くて前記追加燃料が前記Ｓトラップ装置へ供給されると、前記Ｓトラップ装置からＳＯ_Xが容易に放出される時には、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。
ＮＯ_X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ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置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気筒内へ供給され、前記Ｓトラップ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設定温度より高くて、前記追加燃料が前記Ｓトラップ装置へ供給されると、前記Ｓトラップ装置からＳＯ_Xが容易に放出される時には、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。