JP4935929B2 - 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やガソリンエンジンなどの内燃機関の排気ガスには、例えば、一酸化炭素(CO)、未燃燃料(HC)、窒素酸化物(NOX)または粒子状物質(PM:パティキュレート)などの成分が含まれている。内燃機関には、これらの成分を浄化するために排気浄化装置が取り付けられる。
窒素酸化物を除去する方法として、NOXを一時的に吸蔵して、NOXを放出するときに還元を行うNOX吸蔵還元触媒を機関排気通路に配置することが知られている。NOX吸蔵還元触媒は、排気ガスの空燃比がリーンの時にはNOXを吸蔵する。NOXの吸蔵量が許容量に達した時に、排気ガスの空燃比をリッチまたは理論空燃比にすることにより、吸蔵したNOXが放出される。放出されたNOXは、排気ガスに含まれる一酸化炭素等の還元剤によりN2に還元される。NOX吸蔵還元触媒は、NOXを吸蔵するためのNOX吸収剤を有する。NOX吸収剤には、アルカリ金属やアルカリ土類金属等が含まれているが、これらのアルカリ金属やアルカリ土類金属が飛散することが知られている。
特開2003−83052号公報には、アルカリ金属及びアルカリ土類金属からなる群から選択される少なくとも一つが吸蔵剤として添加された吸蔵触媒と、吸蔵触媒の下流側に配置され、アルカリトラップ機能を有する酸性物質が添加された三元触媒とを備える排気浄化装置が開示されている。この装置では、アルカリ金属等が飛散して三元触媒に流入し、三元触媒の性能が低下することを防止できると開示されている。
特開2007−247589号公報には、エンジンの排気通路に設けられ、排気中の有害成分を吸蔵又は放出する吸蔵材と、吸蔵材に含まれるカリウム等の飛散量を検出する飛散量検出手段と、飛散量検出手段で検出された飛散量に基づいて劣化状態を診断する診断手段とを備える触媒診断装置が開示されている。この触媒診断装置は、吸蔵能力の上限値を診断することができると開示されている。
特開2002−21538号公報には、NOX触媒にNOX吸蔵剤としてカリウムを添加し、そのNOX触媒の下流側に三元触媒を設けると共に、NOX触媒と三元触媒との間にリンを担持したアルカリ金属捕捉手段を設けた排気浄化用の触媒装置が開示されている。この触媒装置は、NOX触媒から蒸発および飛散するカリウムをアルカリ金属捕捉手段において、リンと反応させて捕捉することにより、下流側の三元触媒へのカリウムの到達を防止できることが開示されている。
窒素酸化物を除去する方法として、NOXを一時的に吸蔵して、NOXを放出するときに還元を行うNOX吸蔵還元触媒を機関排気通路に配置することが知られている。NOX吸蔵還元触媒は、排気ガスの空燃比がリーンの時にはNOXを吸蔵する。NOXの吸蔵量が許容量に達した時に、排気ガスの空燃比をリッチまたは理論空燃比にすることにより、吸蔵したNOXが放出される。放出されたNOXは、排気ガスに含まれる一酸化炭素等の還元剤によりN2に還元される。NOX吸蔵還元触媒は、NOXを吸蔵するためのNOX吸収剤を有する。NOX吸収剤には、アルカリ金属やアルカリ土類金属等が含まれているが、これらのアルカリ金属やアルカリ土類金属が飛散することが知られている。
特開2003−83052号公報には、アルカリ金属及びアルカリ土類金属からなる群から選択される少なくとも一つが吸蔵剤として添加された吸蔵触媒と、吸蔵触媒の下流側に配置され、アルカリトラップ機能を有する酸性物質が添加された三元触媒とを備える排気浄化装置が開示されている。この装置では、アルカリ金属等が飛散して三元触媒に流入し、三元触媒の性能が低下することを防止できると開示されている。
特開2007−247589号公報には、エンジンの排気通路に設けられ、排気中の有害成分を吸蔵又は放出する吸蔵材と、吸蔵材に含まれるカリウム等の飛散量を検出する飛散量検出手段と、飛散量検出手段で検出された飛散量に基づいて劣化状態を診断する診断手段とを備える触媒診断装置が開示されている。この触媒診断装置は、吸蔵能力の上限値を診断することができると開示されている。
特開2002−21538号公報には、NOX触媒にNOX吸蔵剤としてカリウムを添加し、そのNOX触媒の下流側に三元触媒を設けると共に、NOX触媒と三元触媒との間にリンを担持したアルカリ金属捕捉手段を設けた排気浄化用の触媒装置が開示されている。この触媒装置は、NOX触媒から蒸発および飛散するカリウムをアルカリ金属捕捉手段において、リンと反応させて捕捉することにより、下流側の三元触媒へのカリウムの到達を防止できることが開示されている。
NOX吸蔵還元触媒は、アルカリ金属等が含有されている吸収剤により、NOXを吸蔵することができる。一方で、触媒金属にNOXを保持させることができる。たとえば、排気ガス中に含まれるNOXを浄化するために、触媒金属を銀で形成すると、触媒金属にNOXを保持することができる。この排気処理装置では、流入するNOXを硝酸銀の形態で触媒金属に保持させることができる。
ところで、発明者らは、銀を含有する触媒金属を含む排気処理装置は、所定の温度以上の排気ガス中に配置すると、NOXの浄化能力が低下することを見出した。特に、所定の温度以上の排気ガス中に繰り返して配置すると、NOXの浄化能力が低下することを見出した。
たとえば、排気浄化装置がパティキュレートフィルタを備え、パティキュレートフィルタの再生を行なうときには、排気ガスの温度が高温になる。排気ガスが高温になることにより、機関排気通路に配置されている他の排気処置装置も高温になる。このような排気浄化装置に、銀を含有する触媒金属を含む排気処理装置が備えられていると、NOX浄化能力が低下する。
ところで、発明者らは、銀を含有する触媒金属を含む排気処理装置は、所定の温度以上の排気ガス中に配置すると、NOXの浄化能力が低下することを見出した。特に、所定の温度以上の排気ガス中に繰り返して配置すると、NOXの浄化能力が低下することを見出した。
たとえば、排気浄化装置がパティキュレートフィルタを備え、パティキュレートフィルタの再生を行なうときには、排気ガスの温度が高温になる。排気ガスが高温になることにより、機関排気通路に配置されている他の排気処置装置も高温になる。このような排気浄化装置に、銀を含有する触媒金属を含む排気処理装置が備えられていると、NOX浄化能力が低下する。
本発明は、銀を含有する触媒金属を含むNOX保持材を備え、NOXの浄化能力の低下を抑制する内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
本発明の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気通路に配置され、銀を含有する触媒金属を有し、流入する排気ガスの空燃比がリーンの時には排気ガス中に含まれるNOXを硝酸銀の形態で触媒金属に保持し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると保持したNOXを放出するNOX保持材を備える。NOX保持材は、温度が上昇すると硝酸銀の形態で触媒金属の飛散が生じる飛散温度を有する。NOX保持材の温度が飛散温度以上まで上昇する制御を行うべきときに、NOX保持材に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチにすることにより、NOX保持材に保持されたNOXを放出させる。
上記発明においては、NOX保持材の下流の機関排気通路に配置され、触媒金属およびNOXを保持するNOX吸収剤を含み、流入する排気ガスの空燃比がリーンの時には排気ガス中に含まれるNOXをNOX吸収剤に保持し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると保持したNOXを放出するNOX吸蔵還元触媒を備え、NOX吸蔵還元触媒にはNOXと共にSOXが保持され、NOX吸蔵還元触媒の温度をSOX放出可能な温度まで上昇させると共に、NOX吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチにすることによりSOXを放出させる硫黄被毒回復制御を行なうべきときに、NOX保持材に保持されたNOXを放出させることができる。
上記発明においては、機関排気通路に配置され、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタを備え、捕集した粒子状物質が燃焼する温度までパティキュレートフィルタの温度を上昇させる再生制御を行うべきときに、NOX保持材に保持されたNOXを放出させることができる。
上記発明においては、NOX保持材から触媒金属が飛散したときのNOX保持材に残存する触媒金属の量を推定し、残存する触媒金属の量が少ないほど、機関本体から機関排気通路に排出されるNOX量を減少させる制御を行うことが好ましい。
上記発明においては、NOX保持材のNOXの保持量が予め定められた保持量判定値を超えた場合に、NOX保持材に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにすることによりNOXを放出させるように制御されており、NOX保持材から触媒金属が飛散したときのNOX保持材に残存する触媒金属の量を推定し、残存する触媒金属の量が少ないほど、保持量判定値を小さくすることが好ましい。
上記発明においては、NOX保持材の下流の機関排気通路に配置され、還元剤を供給することによりNOXを選択的に還元するNOX選択還元触媒を備え、NOX保持材から触媒金属が飛散したときのNOX保持材に残存する触媒金属の量を推定し、残存する触媒金属の量が少ないほど、NOX選択還元触媒への還元剤の供給量を増加させることが好ましい。
上記発明においては、NOX保持材から触媒金属が飛散したときのNOX保持材に残存する触媒金属の量を推定し、残存する触媒金属の量に基づいてNOX保持材から流出するNOX量を推定することが好ましい。
本発明の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気通路に配置され、銀を含有する触媒金属を有し、流入する排気ガスの空燃比がリーンの時には排気ガス中に含まれるNOXを硝酸銀の形態で触媒金属に保持し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると保持したNOXを放出するNOX保持材を備える。NOX保持材は、温度が上昇すると硝酸銀の形態で触媒金属の飛散が生じる飛散温度を有する。NOX保持材の温度が飛散温度以上まで上昇する制御を行うべきときに、NOX保持材に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチにすることにより、NOX保持材に保持されたNOXを放出させる。
上記発明においては、NOX保持材の下流の機関排気通路に配置され、触媒金属およびNOXを保持するNOX吸収剤を含み、流入する排気ガスの空燃比がリーンの時には排気ガス中に含まれるNOXをNOX吸収剤に保持し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると保持したNOXを放出するNOX吸蔵還元触媒を備え、NOX吸蔵還元触媒にはNOXと共にSOXが保持され、NOX吸蔵還元触媒の温度をSOX放出可能な温度まで上昇させると共に、NOX吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチにすることによりSOXを放出させる硫黄被毒回復制御を行なうべきときに、NOX保持材に保持されたNOXを放出させることができる。
上記発明においては、機関排気通路に配置され、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタを備え、捕集した粒子状物質が燃焼する温度までパティキュレートフィルタの温度を上昇させる再生制御を行うべきときに、NOX保持材に保持されたNOXを放出させることができる。
上記発明においては、NOX保持材から触媒金属が飛散したときのNOX保持材に残存する触媒金属の量を推定し、残存する触媒金属の量が少ないほど、機関本体から機関排気通路に排出されるNOX量を減少させる制御を行うことが好ましい。
上記発明においては、NOX保持材のNOXの保持量が予め定められた保持量判定値を超えた場合に、NOX保持材に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにすることによりNOXを放出させるように制御されており、NOX保持材から触媒金属が飛散したときのNOX保持材に残存する触媒金属の量を推定し、残存する触媒金属の量が少ないほど、保持量判定値を小さくすることが好ましい。
上記発明においては、NOX保持材の下流の機関排気通路に配置され、還元剤を供給することによりNOXを選択的に還元するNOX選択還元触媒を備え、NOX保持材から触媒金属が飛散したときのNOX保持材に残存する触媒金属の量を推定し、残存する触媒金属の量が少ないほど、NOX選択還元触媒への還元剤の供給量を増加させることが好ましい。
上記発明においては、NOX保持材から触媒金属が飛散したときのNOX保持材に残存する触媒金属の量を推定し、残存する触媒金属の量に基づいてNOX保持材から流出するNOX量を推定することが好ましい。
本発明によれば、銀を含有する触媒金属を含むNOX保持材を備え、NOXの浄化能力の低下を抑制する内燃機関の排気浄化装置を提供することができる。
実施の形態1
図1から図10を参照して、実施の形態1における内燃機関の排気浄化装置について説明する。
図1に、本実施の形態における内燃機関の概略図を示す。本実施の形態においては、圧縮着火式のディーゼルエンジンを例に取り上げて説明する。本実施の形態における内燃機関は、車両のうち自動車に配置されている。
内燃機関は、機関本体1を備える。また、内燃機関は、排気浄化装置を備える。機関本体1は、各気筒としての燃焼室2と、それぞれの燃焼室2に燃料を噴射するための電子制御式の燃料噴射弁3と、吸気マニホールド4と、排気マニホールド5とを含む。
吸気マニホールド4は、吸気ダクト6を介して排気ターボチャージャ7のコンプレッサ7aの出口に連結されている。コンプレッサ7aの入口は、吸入空気量検出器8を介してエアクリーナ9に連結されている。吸気ダクト6内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁10が配置されている。更に、吸気ダクト6には、吸気ダクト6内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置11が配置されている。図1に示される実施例では、機関冷却水が冷却装置11に導かれている。機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
一方、排気マニホールド5は、排気ターボチャージャ7のタービン7bの入口に連結されている。排気タービン7bの出口は、機関本体1から排出される排気ガスを浄化する排気処理装置に連結されている。
本実施の形態における排気浄化装置は、パティキュレートフィルタ16を備える。パティキュレートフィルタ16は、排気ガスに含まれる粒子状物質を除去する排気処理装置である。パティキュレートフィルタ16は、排気管12を介してタービン7bの出口に連結されている。本実施の形態における排気浄化装置は、NOX保持材13を備える。NOX保持材13は、排気ガスに含まれるNOXを浄化するための排気処理装置である。本実施の形態におけるNOX保持材13は、パティキュレートフィルタ16よりも下流の機関排気通路内に配置されている。
排気マニホールド5と吸気マニホールド4との間には、排気ガス再循環(EGR)を行うためにEGR通路18が配置されている。EGR通路18には電子制御式のEGR制御弁19が配置されている。また、EGR通路18の周りにはEGR通路18内を流れるEGRガスを冷却するための冷却装置20が配置されている。図1に示される実施例では機関冷却水が冷却装置20内に導かれている。機関冷却水によってEGRガスが冷却される。
それぞれの燃料噴射弁3は、燃料供給管21を介してコモンレール22に連結されている。コモンレール22は、電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ23を介して燃料タンク24に連結されている。燃料タンク24に貯蔵される燃料は、燃料ポンプ23によってコモンレール22内に供給される。コモンレール22内に供給された燃料は、それぞれの燃料供給管21を介して燃料噴射弁3に供給される。
電子制御ユニット30は、デジタルコンピュータからなる。本実施の形態における電子制御ユニット30は、排気浄化装置の制御装置として機能する。電子制御ユニット30は、双方性バス31によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)32、RAM(ランダムアクセスメモリ)33、CPU(マイクロプロセッサ)34、入力ポート35および出力ポート36を含む。
ROM32は、読み込み専用の記憶装置である。ROM32には、制御を行なうための必要なマップ等の情報が予め記憶されている。CPU34は、任意の演算や判別を行なうことができる。RAM33は、読み書きが可能な記憶装置である。RAM33は、運転履歴などの情報を保存したり、演算結果を一時的に保存したりすることができる。
パティキュレートフィルタ16の下流には、パティキュレートフィルタ16の温度を検出するための温度検出装置として、温度センサ26が配置されている。NOX保持材13の下流には、NOX保持材13の温度を検出するための温度検出装置として、温度センサ27が配置されている。NOX保持材13の上流には、NOX保持材13に流入する排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ28が配置されている。パティキュレートフィルタ16には、パティキュレートフィルタ16の前後差圧を検出するための差圧センサ29が配置されている。これらの温度センサ26,27、空燃比センサ28、および差圧センサ29の出力信号は対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。
吸入空気量検出器8の出力信号は、対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。アクセルペダル40には、アクセルペダル40の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ41が接続されている。負荷センサ41の出力電圧は、対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。更に入力ポート35にはクランクシャフトが例えば15°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ42が接続されている。クランク角センサ42の出力により、機関本体の回転数を検出することができる。
一方、出力ポート36は、対応する駆動回路38を介して燃料噴射弁3、スロットル弁10の駆動用ステップモータ、EGR制御弁19および燃料ポンプ23に接続されている。
パティキュレートフィルタ16は、排気ガス中に含まれる炭素微粒子、サルフェート等のイオン系微粒子等の粒子状物質(パティキュレート)を除去するフィルタである。パティキュレートフィルタは、例えば、ハニカム構造を有し、ガスの流れ方向に延びる複数の流路を有する。複数の流路において、下流端が封止された流路と上流端が封止された流路とが交互に形成されている。流路の隔壁は、コージライトのような多孔質材料で形成されている。この隔壁を排気ガスが通過するときにパティキュレートが捕捉される。
図2に、NOX保持材の拡大概略断面図を示す。本実施の形態におけるNOX保持材13は、基体上に例えばアルミナ(Al2O3)からなる触媒担体48が形成されている。触媒担体48は、触媒金属49を担持できる任意の材料を採用することができる。たとえば、触媒担体48は、コージライトを含んでいても構わない。触媒担体48の表面上には触媒金属49が分散して担持されている。本実施の形態におけるNOX保持材13の触媒金属49は、銀を含有する。
本発明では、機関吸気通路、燃焼室、または機関排気通路に供給された排気ガスの空気および燃料(炭化水素)の比を排気ガスの空燃比(A/F)と称する。また、本発明においては、「保持」とは「吸着」および「吸蔵」を含む意味にて用いられている。
NOX保持材13は、排気ガスの空燃比がリーンのときに、排気ガス中に含まれるNOXを触媒金属49に吸着する。排気ガスに含まれるNOXは、硝酸銀の形態で触媒金属49に保持される。または、NOXは、酸素を介して触媒金属49に保持される。これに対して、排気ガスの空燃比がリッチのとき或いは理論空燃比のときには、触媒金属49に保持されているNOXが放出される。放出されたNOXは、排気ガスに含まれる未燃炭化水素や一酸化炭素等によってN2に還元される。
NOX保持材は、NOXを保持することができる最大量である保持可能量を有する。NOX保持量が保持可能量に達すると、NOXを保持できなくなる。すなわち、排気ガスに含まれるNOXを除去することができなくなる。本実施の形態においては、NOX保持材に保持されているNOX量が予め定められた保持量判定値を超えた場合には、NOX保持材からNOXを放出させるNOXパージ制御を行う。本実施の形態における保持量判定値は、NOX保持材のNOXの保持可能量よりも小さい値が採用されている。
図3に、本実施の形態における第1のNOXパージ制御のタイムチャートを示す。内燃機関は、時刻t1までは通常の運転を継続している。本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、NOX保持材に保持されているNOX量を検出する検出装置を備える。本実施の形態における検出装置は、電子制御ユニット30を含む。
図4に、本実施の形態における単位時間当たりに機関本体から排出されるNOX量のマップを示す。たとえば、機関回転数Nと燃焼室2に噴射する燃料の噴射量TAQとを関数にする単位時間あたりのNOXの排出量NOXAのマップを予め作成する。このマップを、たとえば、電子制御ユニット30のROM32に記憶させておく。本実施の形態においては、機関本体1から排出されるNOX量とNOX保持材13に流入するNOX量とは等しくなる。このマップにより、運転状態に応じて単位時間あたりにNOX保持材13に流入し、NOX保持材に保持されるNOX量を算出することができる。単位時間当たりに保持されるNOX量を積算することにより、任意の時刻におけるNOX保持量を算出することができる。
図3を参照して、時刻t1において、NOX保持材13に保持されているNOX量が、NOXパージ制御を行なうための保持量判定値を超えている。時刻t1からNOXパージ制御を行う。NOXパージ制御においては、NOX保持材に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにする。本実施の形態における排気浄化装置は、燃焼室において追加の補助噴射を行うことにより、NOX保持材に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比にする。
図5に、本実施の形態における内燃機関の通常運転時における燃料の噴射パターンを示す。噴射パターンAは、通常運転時における燃料の噴射パターンである。通常運転時においては、略圧縮上死点TDCで主噴射FMが行なわれる。クランク角が略0°において主噴射FMが行なわれる。また、主噴射FMの燃焼を安定化させるために、主噴射FMの前にパイロット噴射FPが行なわれる。パイロット噴射FPは、例えば、クランク角が圧縮上死点TDCの前の略10°から略40°の範囲において行なわれる。
通常運転時においては、噴射パターンBに示すように、パイロット噴射FPが行なわれずに主噴射FMのみが行なわれていても構わない。本実施の形態においては、パイロット噴射FPが行なわれる噴射パターンを例に取り上げて説明する。通常運転において噴射パターンAで運転されているときには、機関本体から排出される排気ガスの空燃比はリーンである。
図6に、機関本体から排出される排気ガスの空燃比を降下させるときの噴射パターンを示す。噴射パターンCでは、主噴射FMの後に、補助噴射としてのアフター噴射FAを行っている。アフター噴射FAは、主噴射の後の燃焼可能な時期に行なわれる。アフター噴射FAは、例えば圧縮上死点後のクランク角が略40°までの範囲で行なわれる。
アフター噴射を行うことにより、排気ガスの空燃比を下げることができる。本実施の形態においては、更に、燃焼室に流入する吸入空気量を減少させる制御を行っている。図1を参照して、スロットル弁10の開度を小さくすることにより、燃焼室2に流入する吸入空気量を減少させる。燃焼室2から流出する排気ガスの空燃比を更に下げることができる。このように、NOX保持材13に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにすることができる。
図3を参照して、時刻t1までの運転状態では、図5に示す噴射パターンAにより燃焼室2に燃料を噴射している。時刻t1から時刻t2までのNOXパージ制御の期間においては、図6に示す噴射パターンCにより燃焼室2に燃料を噴射している。NOXパージ制御を行うことにより、NOX保持材13からNOXを放出させると共に、一酸化炭素や未燃燃料等の還元剤によりNOXをN2に変換することができる。
NOXパージ制御を行なうことにより、時刻t2において、NOX保持材に保持されているNOX量が、ほぼ零になっている。時刻t2においてNOXパージ制御を終了し、通常の運転状態に移行している。本実施の形態においては、予め定められた時間の間、NOXパージ制御を行っている。または、NOXパージ制御においては、燃焼室における燃料の噴射量と機関回転数とを関数にしたNOXの放出量のマップ等を用いて、NOXの放出量を算出しても構わない。
図2を参照して、本実施の形態におけるNOX保持材は、触媒金属49として銀を含有する金属が採用されている。発明者らは、銀を含有する触媒金属49を含むNOX保持材は、NOX保持材が高温になることにより、NOX浄化性能が低下することを見いだした。すなわち、単位時間あたりに排気ガス中からNOXを除去する効率であるNOX浄化率が低下することを見出した。
さらに、発明者らは、NOX保持材13の温度が上昇すると、触媒担体48に担持されている触媒金属49が、硝酸銀の形態で飛散することを見いだした。発明者らは、硝酸銀が、沸点以上になると触媒担体48から離脱することを見出した。発明者らは、たとえば硝酸銀が略450℃以上になると、触媒担体48から離脱することを見出した。本発明においては、硝酸銀の飛散が生じる最低温度を飛散温度という。触媒金属49が硝酸銀の形態で飛散すると、NOX保持材に含まれる触媒金属の量が減少する。このために、例えば、NOX保持材に保持することができる保持可能量が減少する。また、NOXをN2に還元する時の還元能力が低下する。このように、NOX保持材のNOXの浄化率が低下する。
図1を参照して、本実施の形態における排気浄化装置は、パティキュレートフィルタ16を備える。内燃機関の運転を継続するとパティキュレートフィルタ16には、次第に粒子状物質が堆積する。パティキュレートフィルタに堆積する粒子状物質の量の判別は、差圧センサ29により検出される差圧により行うことができる。検出された差圧が許容値を越えたときに、パティキュレートフィルタに堆積した粒子状物質の量が許容量を越えたと判別することができる。粒子状物質の堆積量が許容量を越えたときには、堆積した粒子状物質を除去する再生制御を行なう。本実施の形態においては、パティキュレートフィルタの前後の差圧から粒子状物質の堆積量を算出しているが、この形態に限られず、任意の方法により堆積量を検出することができる。
パティキュレートフィルタの再生においては、パティキュレートフィルタの温度を粒子状物質が燃焼する温度以上に昇温する。本実施の形態においては、パティキュレートフィルタを目標温度以上に上昇させる。この状態で、排気ガスの空燃比をリーンにすることにより、堆積した粒子状物質を燃焼させる。堆積していた粒子状物質が除去される。
パティキュレートフィルタ16の再生制御においては、パティキュレートフィルタ16を、例えば600℃以上に昇温する。本実施の形態においては、機関本体から排出される排気ガスの温度を600℃以上に昇温する。このため、NOX保持材13の温度が、触媒金属が飛散する飛散温度以上になる。
本実施の形態においては、パティキュレートフィルタの再生制御を行なう前に、NOX保持材のNOXパージ制御を行なう。触媒金属に保持されているNOXを放出させる。NOXを放出させることにより、触媒金属が銀の形態に戻る。銀の形態では、飛散温度以上になっても触媒金属の飛散を回避できる。このため、NOXを放出させることにより触媒金属の飛散を抑制することができる。
図7に、本実施の形態における運転制御のタイムチャートを示す。図7は、パティキュレートフィルタの再生を行うときのタイムチャートである。時刻t1までは、通常の運転を行なっている。時刻t1において、パティキュレートフィルタにおける粒子状物質の堆積量が許容値に達している。時刻t1において、パティキュレートフィルタの再生要求が発信されている。
本実施の形態においては、パティキュレートフィルタの再生制御を行うべきときに、NOX保持材におけるNOXパージ制御を行う。図7に示す例では、時刻t1から時刻t2にまでの期間において、NOXパージ制御を行っている。燃焼室において主噴射およびアフター噴射を行うことにより、NOX保持材に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比にしている。NOXパージ制御を行なうことにより、時刻t2において、NOX保持材に保持されているNOX量を、ほぼ零にすることができる。すなわち、NO保持材に含まれる硝酸銀の量をほぼ零にすることができる。
時刻t2において、パティキュレートフィルタの再生制御を開始している。時刻t2において、吸入空気量を回復させている。機関本体から排出される排気ガスの空燃比は、リーンになる。本実施の形態においては、時刻t2以降においても、アフター噴射FAを継続することにより、パティキュレートフィルタの温度を上昇させている。
図6を参照して、アフター噴射FAを行なうことにより、後燃え期間が長くなるために、機関本体から排出される排気ガスの温度を上昇させることができる。さらに、噴射パターンCにおいては、主噴射FMの噴射時期が圧縮上死点TDCから遅れている。すなわち、主噴射FMの噴射時期を遅角させている。主噴射FMの噴射時期の遅角に伴って、パイロット噴射FPの噴射時期も遅角させている。主噴射FMの噴射時期を遅角させることにより、排気ガスの温度を上昇させることができる。パティキュレートフィルタの温度を上昇させるための昇温装置としては、この形態に限られず、パティキュレートフィルタの温度を上昇させることができる任意の装置を採用することができる。
図7を参照して、時刻t3において、パティキュレートフィルタの床温が、粒子状物質の燃焼温度まで到達している。その後に、パティキュレートフィルタの床温が、目標温度まで到達している。
パティキュレートフィルタ16の昇温とともに、NOX保持材13の温度も同時に上昇する。NOX保持材の温度は、飛散温度を超える。しかしながら、NOX保持材にはNOXが保持されておらず、すなわち、硝酸銀を含んでいないために、触媒金属が飛散することを回避することができる。
時刻t3から時刻t4まで、パティキュレートフィルタに堆積している粒子状物質を燃焼させることができる。時刻t4において、粒子状物質の堆積量が下限判定値に到達している。時刻t4において再生制御を終了している。パティキュレートフィルタの堆積量が、下限判定値に到達したことは、例えば、パティキュレートフィルタ16に配置されている差圧センサ29の出力により検出することができる。時刻t4以降においては、通常の運転を行っている。
本実施の形態においては、パティキュレートフィルタの再生制御を行うべきときに、NOX保持材のNOXパージ制御を行っている。NOX保持材の温度が飛散温度以上まで上昇する制御を行うべきときに、NOXパージ制御を行うことにより、NOX保持材に保持されたNOXを放出させている。この構成により、NOX保持材の温度が飛散温度以上になったときにNOX保持材の触媒金属が飛散してしまうことを抑制できる。NOX保持材のNOXの浄化能力の低下を抑制することができる。
ところで、本実施の形態におけるNOXパージ制御は、燃焼室においてアフター噴射FAを行なっている。このために、排気ガスの空燃比の低下とともに、排気ガスの温度が上昇する。NOXパージ制御を開始するときに、NOX保持材の温度が元々高い場合がある。このような場合にNOXパージ制御を行うと、NOX保持材の温度が飛散温度以上になる虞がある。
図8に、本実施の形態における第2のNOXパージ制御のフローチャートを示す。図8では、パティキュレートフィルタの再生要求があった場合について例示している。第2のNOXパージ制御においては、NOX保持材の温度が、所定の温度判定値以上になった場合に、NOXパージ制御を中断する。NOX保持材の温度が低下するまで待機する。
ステップ101においては、パティキュレートフィルタの再生要求があるか否かが判定される。ステップ101において、パティキュレートフィルタの再生要求がない場合には、この制御を終了する。パティキュレートフィルタの再生要求がある場合には、ステップ102に移行する。
ステップ102においては、NOX保持材に保持されているNOX量が零よりも大きいか否かが判定される。すなわち、NOX保持材にNOXが保持されているか否かが判定されている。ステップ102において、NOX保持材に保持されているNOX量が零の場合には、この制御を終了する。ステップ102において、NOX保持材に保持されているNOX量が零よりも大きい場合には、ステップ103に移行する。
ステップ103においては、NOXパージ制御を開始する。本実施の形態においては、燃焼室において、主噴射FMに加えてアフター噴射FAを行なう。排気ガスの温度が上昇するために、NOX保持材の温度が上昇する。
つぎに、ステップ104において、NOXパージ制御を行なっている期間中に、NOX保持材の床温が、予め定められた温度判定値以上か否かが判定される。ステップ104において、NOX保持材の温度が、NOXパージ制御を中断するための温度判定値以上の場合にはステップ105に移行する。すなわち、NOX保持材の温度が、硝酸銀の飛散温度に到達する虞ある場合には、ステップ105に移行する。この温度判定値は、所定の期間、NOXパージ制御を継続しても、NOX保持材の温度が硝酸銀の飛散温度に到達しないように、飛散温度よりも十分に低い温度が採用されている。
ステップ105においては、NOXパージ制御を中断する。本実施の形態においては、予め定められた時間の間、NOXパージ制御を中断する。ステップ105においては、この形態に限られず、下限側の温度判定値を予め定めておき、NOX保持材の温度が下限側の温度判定値以下になるまでNOXパージ制御を中断しても構わない。
つぎに、ステップ102に移行してこの制御を繰返す。また、ステップ104において、NOX保持材の床温が、温度判定値未満である場合にはステップ102に移行する。ステップ102において、再度、NOX保持材に保持されているNOX量が、零よりも大きいか否かが判別される。NOX保持材の保持されているNOX量が零になった場合には、この制御を終了する。
図9に、本実施の形態における第2のNOXパージ制御のタイムチャートを示す。時刻t1までは、通常の運転を行なっている。図9に示す例においては、NOX保持材の床温が、飛散温度に近い温度になっている。時刻t1において、NOXパージ制御を開始している。NOXパージ制御において、アフター噴射FAを行なうことにより、NOX保持材の温度が上昇する。時刻t2において、NOX保持材の床温がNOXパージ制御を中断するための温度判定値に到達している。このため、時刻t2において、NOXパージ制御を中断している。NOXパージ制御を中断することにより、NOX保持材の温度が下降する。図9に示す例においては、予め定められた時間の間、NOXパージ制御を中断している。
予め定められた時間の経過後、時刻t3において、NOXパージ制御を再開している。時刻t3においては、NOX保持材の床温は、温度判定値よりも低い温度になっている。NOXパージ制御を時刻t3から時刻t4まで行うことにより、NOX保持材に保持されているNOX量が、ほぼ零になっている。
第2のNOXパージ制御においては、NOX保持材の床温が、予め定められた温度判定値以上の温度になったときに、NOXパージ制御を中断している。この制御を採用することにより、NOXパージ制御の期間中にNOX保持材に硝酸銀が含まれる状態で、NOX保持材の温度が飛散温度以上になることを回避できる。このように、NOXパージ制御は、間欠的に行なっても構わない。
本実施の形態においては、主噴射に加えてアフター噴射を行うことにより、NOX保持材に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにしているが、この形態に限られず、排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにする任意の装置を採用することができる。
図10に、排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにするときの他の噴射パターンを示す。噴射パターンDは、主噴射FMの後にポスト噴射FPOを行なっている。ポスト噴射FPOは、燃焼室において燃料が燃焼しない噴射である。ポスト噴射FPOは、アフター噴射と同様に補助噴射である。ポスト噴射FPOは、例えば、圧縮上死点後のクランク角が略90°から略120°の範囲内において行われる。燃焼室において、ポスト噴射FPOを行うことによりNOX保持材に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにすることができる。
または、NOX保持材の上流の機関排気通路に未燃燃料を供給する燃料添加弁が配置されていても構わない。燃料添加弁からの燃料は、たとえば、機関本体と同じ燃料を採用することができる。燃料添加弁は、たとえば、電子制御ユニットにより制御することができる。燃料添加弁から未燃燃料を供給することにより、NOX保持材に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにすることができる。
本実施の形態でおける内燃機関の排気浄化装置は、NOX保持材の上流側にパティキュレートフィルタが配置されているが、この形態に限られず、NOX保持材の下流側にパティキュレートフィルタが配置されていても構わない。また、内燃機関の排気浄化装置は、NOX選択還元触媒、酸化触媒、NOX吸蔵還元触媒などの排気処理装置を備えていても構わない。また、NOX保持材としては、銀を含有する触媒金属を含み、NOXを処理する排気処理装置であれば構わない。
本実施の形態においては、NOX保持材の温度が飛散温度以上に上昇する制御として、パティキュレートフィルタの再生制御を例に取り上げて説明したが、NOX保持材の温度が飛散温度以上まで上昇する任意の制御を行うべきときに、NOXパージ制御を行ってNOX保持材から硝酸銀を排除し、NOXの浄化能力が低下することを抑制できる。
本実施の形態における内燃機関は、自動車に配置されているが、この形態に限られず、任意の内燃機関に本発明を適用することができる。
実施の形態2
図11から図13を参照して、実施の形態2における内燃機関の排気浄化装置について説明する。本実施の形態においては、NOX保持材の温度が飛散温度以上に上昇する制御として、NOX吸蔵還元触媒の硫黄被毒回復制御を例に取り上げて説明する。
図11は、本実施の形態における内燃機関の概略図である。本実施の形態における排気浄化装置は、NOX吸蔵還元触媒(NSR)17を備える。NOX吸蔵還元触媒17は、NOX保持材13の下流の機関排気通路に配置されている。NOX吸蔵還元触媒17の下流には、NOX吸蔵還元触媒17の温度を検出するための温度検出装置として、温度センサ25が配置されている。NOX吸蔵還元触媒17の上流には、NOX吸蔵還元触媒17に流入する排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ51が配置されている。NOX吸蔵還元触媒17の上流には、NOX吸蔵還元触媒17に流入するNOX量を検出するためのNOXセンサ53が配置されている。これらの温度センサ25、空燃比センサ51、およびNOXセンサ53の出力信号は対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される(図1参照)。
図12に、NOX吸蔵還元触媒の拡大概略断面図を示す。NOX吸蔵還元触媒は、基体上に例えばアルミナからなる触媒担体45が形成されている。触媒担体45の表面上には貴金属を含む触媒金属46が分散して担持されている。触媒担体45の表面上にはNOX吸収剤47の層が形成されている。本実施の形態における触媒金属46は、白金(Pt)を含む。NOX吸収剤47を構成する成分は、例えばカリウム(K)、ナトリウム(Na)、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、または、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が用いられている。本実施の形態におけるNOX吸収剤47は、バリウムを含む。
NOX吸蔵還元触媒は、排気ガスの空燃比がリーンのときには、排気ガス中に含まれるNOが触媒金属46上において酸化されてNO2になる。NO2は、硝酸イオンNO3 −の形でNOX吸収剤47内に吸蔵される。これに対して、排気ガスの空燃比がリッチのとき或いは理論空燃比のときには、NOX吸収剤47内の硝酸イオンNO3 −がNO2の形でNOX吸収剤47から放出される。放出されたNOXは、排気ガスに含まれる未燃炭化水素や一酸化炭素によってN2に還元される。
図11を参照して、本実施の形態における排気浄化装置は、NOX保持材13およびNOX吸蔵還元触媒17の両方において、NOXの浄化を行なう。排気ガスの温度が低い場合には、NOX保持材13において、NOXを保持することができる。例えば、機関本体を始動した直後には、NOX保持材13においてNOXを保持することにより、排気ガス中からNOXを除去することができる。また、排気ガスの温度が上昇すると、NOX吸蔵還元触媒17の触媒金属46が活性化し、NOXの吸蔵能力が向上する。このため、通常の運転時においては、NOX保持材13およびNOX吸蔵還元触媒17の両方において、NOXの保持を行なうことができる。
さらに、排気ガスの温度が高温になった場合には、主にNOX吸蔵還元触媒17のNOX吸収剤47において、NOXの吸蔵を行なうことができる。例えば、機関本体が、高回転で長時間運転した場合には、排気ガスの温度が上昇してNOX保持材13のNOX保持能力が低下する場合がある。このような場合においても、NOX吸蔵還元触媒17において、NOXを吸蔵することができる。
NOX保持材13において、NOX保持量が許容値を超えた場合には、NOXパージ制御を行なうことにより、NOXを放出すると共に還元することができる。
NOX吸蔵還元触媒17においては、NOX吸蔵還元触媒に吸蔵されているNOX量を算出する。NOX吸蔵還元触媒17に吸蔵されているNOX量が許容量を超えた場合には、NOX放出制御を行なう。NOX放出制御においては、NOX吸蔵還元触媒17に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにすることにより、NOX吸蔵還元触媒17からNOXを放出させるとともに、NOXをN2に還元することができる。
NOX吸蔵還元触媒17におけるNOX吸蔵量は、NOX吸蔵還元触媒17の上流側に配置されているNOXセンサ53の出力信号により推定することができる。NOXセンサ53の出力信号に基づいて、NOX吸蔵還元触媒17に流入するNOX量を推定することができる。単位時間当たりにNOX吸蔵還元触媒17に流入するNOX量を積算することにより、任意の時刻におけるNOX吸蔵還元触媒17のNOX吸蔵量を算出することができる。
NOX吸蔵還元触媒17に吸蔵されているNOX量の推定においては、この形態に限られず、任意の装置を採用することができる。例えば、マップ等を用いてNOX保持材から流出するNOX量を算出し、NOX吸蔵還元触媒に吸蔵されるNOX量を算出しても構わない。
このように、機関排気通路において、NOX保持材13を配置し、NOX保持材13の下流側にNOX吸蔵還元触媒17を配置することにより、排気ガスの温度が低温から高温までの広い範囲において、高い浄化率でNOXの浄化を行なうことができる。また、機関排気通路にNOX吸蔵還元触媒のみを配置した排気浄化装置と比較すると、NOX保持材においてNOXの浄化を行なうことができるため、NOX吸蔵還元触媒を小型にすることができる。NOX保持材には、銀などの触媒金属を用いることができるため、NOX吸蔵還元触媒に使用される白金などの貴重な金属の使用量を削減することができる。
本実施の形態においては、NOX保持材13が上流側に配置され、NOX吸蔵還元触媒17が下流側に配置されている。NOX保持材13は、NOX吸蔵還元触媒17の下流に配置されていても構わない。しかし、たとえば、排気ガスが高温の場合には、NOX保持材13からNOXが流出する場合がある。NOX保持材13をNOX吸蔵還元触媒17の上流に配置することにより、NOX保持材13から流出するNOXをNOX吸蔵還元触媒17にて浄化することができる。このために、NOX保持材13は、NOX吸蔵還元触媒17よりも上流側に配置されていることが好ましい。
ところで、排気ガス中にはSOX、即ちSO2が含まれている。SO2は、NOX吸蔵還元触媒17に流入すると、触媒金属46において酸化されてSO3となる。このSO3はNOX吸収剤47に吸収されて、たとえば硫酸塩BaSO4を生成する。硫酸塩BaSO4は安定していて分解しづらい。単に排気ガスの空燃比をリッチにしただけでは硫酸塩BaSO4は分解されずにそのまま残る。このため、NOX吸蔵還元触媒が吸蔵できるNOX量が低下することになる。このように、NOX吸蔵還元触媒には、硫黄被毒が生じる。
硫黄被毒を回復するためには、NOX吸蔵還元触媒の温度をSOX放出が可能な温度まで上昇させる。更にNOX吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチまたは理論空燃比にする硫黄被毒回復制御を行なう。硫黄被毒回復制御を行なうことにより、NOX吸蔵還元触媒からSOXを放出させることができる。
NOX吸蔵還元触媒に吸蔵されるSOX量は、たとえば、機関本体の回転数と燃料噴射量を関数にする単位時間あたりに機関本体から排出されるSOX量のマップから算出することができる。このマップは、たとえば電子制御ユニットに記憶させる。運転状態に応じて算出される単位時間当たりに吸蔵されるSOX量を積算することにより、任意の時刻においてNOX吸蔵還元触媒に吸蔵されているSOX量を推定することができる。本実施の形態においては、NOX吸蔵還元触媒に吸蔵されているSOX量が、許容値を超えた場合に硫黄被毒回復制御が行われる。
図6を参照して、本実施の形態の硫黄被毒回復制御においては、燃焼室において主噴射の後にアフター噴射を行うことにより、NOX吸蔵還元触媒の昇温を行う。また、主噴射FMの噴射時期を遅角させることにより、NOX吸蔵還元触媒の昇温を行っている。NOX吸蔵還元触媒の温度を上昇させるための昇温装置としては、この形態に限られず、NOX吸蔵還元触媒の温度を上昇させることができる任意の装置を採用することができる。
ところで、硫黄被毒回復制御を行なう場合には、排気ガスの温度が高温になる。排気ガスの温度は、例えば、650℃以上に昇温される。NOX保持材13の温度が飛散温度以上になる。このために、NOX保持材13において、NOXが保持されている場合には、触媒金属が硝酸銀の形態で飛散する。本実施の形態においては、硫黄被毒回復制御を行うべきときにNOXパージ制御を行う。すなわち、実施の形態1において、パティキュレートフィルタの再生制御の前にNOXパージ制御を行なったことと同様に、硫黄被毒回復制御の前にNOXパージ制御を行う。
図13に、本実施の形態におけるNOXパージ制御のフローチャートを示す。ステップ109において、硫黄被毒回復制御の要求があるか否かが判別される。すなわち、NOX吸蔵還元触媒に許容値より多いSOXが吸蔵されているか否かが判別される。ステップ109において、硫黄被毒回復制御の要求がなかった場合には、この制御を終了する。ステップ109において、硫黄被毒回復制御の要求があった場合には、ステップ102に移行する。ステップ102からステップ105においては、実施の形態1における第2のNOXパージ制御と同様のNOXパージ制御が行われる(図8参照)。
このように、硫黄被毒回復制御を行うべきときに、NOXパージ制御を行なうことにより、NOX保持材に硝酸銀の形態でNOXが保持されていることを排除することができる。硫黄被毒回復処理を行っているときに、NOX保持材の温度が飛散温度以上になった場合においても、触媒金属が飛散してしまうことを回避することができる。NOX保持材のNOXの浄化性能が低下することを抑制できる。
本実施の形態においては、実施の形態1における第2のNOXパージ制御と同様の制御を例に取り上げて説明したが、この形態に限られず、実施の形態1における第1のNOXパージ制御と同様の制御を行なうことができる。
その他の構成、作用および効果については、実施の形態1と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
実施の形態3
図14から図21を参照して、実施の形態3における内燃機関の排気浄化装置について説明する。本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、NOX保持材の触媒金属が飛散した場合に、触媒金属の飛散に対応した排気浄化装置の運転を行う。
内燃機関の運転においては、高温の排気ガスがNOX保持材に流入することを予測することが困難な場合がある。例えば、機関本体の回転数が非常に高く、燃焼室における燃料噴射量が多い運転状態が、長時間にわたって持続される場合には、NOX保持材に流入する排気ガスの温度が高温になる。また、NOX保持材と機関本体との距離が小さい場合には、NOX保持材に流入する排気ガスの温度が高くなる。このような場合に、NOX保持材が触媒金属の飛散温度を超えてしまう場合がある。NOX保持材にNOXが保持されている場合には、硝酸銀の形態で触媒金属が飛散する。
図14は、NOX保持材における触媒金属の飛散量とNOXの保持可能量との関係を示すグラフである。触媒金属の飛散量が多くなると、NOX保持材に含まれる触媒金属の量が少なくなる。このため、触媒金属の飛散量が増加するとともに、NOXの保持可能量が減少する。本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、NOX保持材から触媒金属が飛散した場合にNOX保持材に残存する触媒金属の量を推定する装置を備える。
図15に、本実施の形態におけるNOX保持材の触媒金属の量を推定するフローチャートを示す。この制御は、所定の期間ごとに繰り返し行うことができる。ステップ111においては、NOX保持材のNOX保持量が零よりも大きいか否かが判明される。NOX保持量が零の場合には、この制御を終了する。NOXの保持量が零よりも大きい場合には、ステップ112に移行する。
ステップ112においては、NOX保持材の温度が、触媒金属の飛散温度以上であるか否かが判別される。NOX保持材の温度が、飛散温度よりも小さい場合には、この制御を終了する。NOX保持材の温度が、飛散温度以上である場合には、ステップ113に移行する。
ステップ113においては、触媒金属の飛散量を推定する。本実施の形態においては、触媒金属の飛散量のマップを用いる。ステップ113においては、今回の触媒金属の飛散量が算出される。
図16に、硝酸銀の形態でNOX保持材から飛散する触媒金属の飛散量のマップを示す。触媒金属の飛散量は、飛散温度以上になるとNOX保持材の温度に関わらずに、ほぼ一定になる。NOX保持材が飛散温度以上になっている時間tsと、NOX保持材に保持されているNOX量ΣNOXとを関数にする単位時間当たりの触媒金属の飛散量AGSのマップを予め作成する。このマップを、例えば、電子制御ユニット30のROM32に記憶させる。NOX保持材が飛散温度以上になっている時間と、NOX保持材に保持されているNOX量とに基づいて、飛散する触媒金属の量を算出することができる。
図15を参照して、次に、ステップ114においては、今回の飛散量から触媒金属の残存量を算出する。前回の計算により算出されたNOX保持材に残存する触媒金属の量から、今回の触媒金属の飛散量を減算することにより、NOX保持材に残存する触媒金属の量を算出することができる。または、今回までの飛散量を積算して、初期のNOX保持材の触媒金属の量から飛散量の積算値を減算することにより、NOX保持材に残存する触媒金属の量を算出することができる。
本実施の形態における第1の運転制御を行うための内燃機関の排気浄化装置は、NOX保持材を備える(たとえば図1または図11参照)。本実施の形態における第1の運転制御においては、算出されたNOX保持材の触媒金属の量に応じて、NOXパージ制御を行なうための保持量判定値を算出する。すなわち、NOX保持材に残存する触媒金属の量が少ないほど、保持量判定値を小さくする。本実施の形態においては、NOX保持材の触媒金属の量を関数にする保持量判定値が、予め作成され、電子制御ユニット30のROM32に記憶されている。算出されたNOX保持材の触媒金属の量に応じた保持量判定値に更新される。運転制御においては、NOX保持材のNOX量が更新された保持量判定値を超えたときにNOXパージ制御が行われる。この制御を行なうことにより、NOX保持材がNOXで飽和して、NOX保持材からNOXが流出することを抑制できる。
次に、本実施の形態における第2の運転制御について説明する。第2の運転制御は、実施の形態2における排気浄化装置のための運転制御である。図11を参照して、第2の運転制御を行う排気処理装置は、NOX保持材13と、NOX保持材13の下流に配置されているNOX吸蔵還元触媒17とを備える。
図17に、本実施の形態における第2の運転制御のフローチャートを示す。第2の運転制御においても、任意の時刻におけるNOX保持材の触媒金属の量が算出されている。第2の運転制御は、所定の期間ごとに繰返して行うことができる。
ステップ121においては、NOX保持材の触媒金属の飛散量が零よりも大きいか否かが判別される。すなわち、触媒金属の飛散があるかないかが判別される。NOX保持材の触媒金属の飛散量が零である場合には、ステップ122に移行する。ステップ122においては、触媒金属の飛散量が零の時にNOX保持材から流出するNOX量のマップを、NOX保持材の温度に基づいて選定する。
ステップ121において、NOX保持材の触媒金属の飛散量が零よりも大きい場合には、ステップ123に移行する。ステップ123においては、NOX保持材の触媒金属の量を検出する。
次に、ステップ124においては、NOX保持材から流出するNOX量のマップを選択する。NOX保持材13から流出するNOX量は、NOX吸蔵還元触媒17に吸蔵されるNOX量に相当する。本実施の形態においては、NOX保持材13から流出するNOX量は、マップにより算出している。
図18に、NOX保持材から流出するNOX量のマップを示す。図18は、所定の温度、および所定の触媒金属の量のときのマップである。NOX保持材に流入する単位時間当たりのNOX量NOXAと、NOX保持材に保持されているNOX量ΣNOXとを関数にして、単位時間当たりにNOX保持材から流出するNOX量NOXBを算出することができる。単位時間当たりにNOX保持材に流入するNOX量NOXAは、例えば、機関回転数および燃料の噴射量を関数にするマップから算出することができる(図4参照)。
それぞれの温度および触媒金属の量に対応したNOX保持材から流出する複数のNOX量のマップを予め作成し、例えば、電子制御ユニット30のROM32に記憶させる。これらのマップは、NOX保持材の触媒金属の量が少なくなった場合には、NOX保持材から流出するNOX量が多くなるように形成されている。
図17を参照して、ステップ124においては、NOX保持材から流出するNOX量のマップを、NOX保持材の触媒金属の量および温度に基づいて選択する。選択したマップを用いることにより、NOX保持材13から流出する単位時間当りのNOX量NOXBを算出する。NOX保持材の触媒金属の量が少なくなった場合には、NOX保持材から流出するNOX量が多くなる。
ステップ125においては、選択されたマップを用いて、NOX吸蔵還元触媒のNOX吸蔵量を算出する。単位時間当たりに流入するNOX量NOXBを積算することにより、任意の時刻においてNOX吸蔵還元触媒に吸蔵されているNOX量を算出することができる。すなわち、前回の計算で算出されたNOX吸蔵量に今回の計算で算出されたNOX吸蔵還元触媒に流入するNOX量を加算することにより、NOX吸蔵量を算出することができる。
このように、本実施の形態の第2の運転制御においては、NOX保持材から触媒金属が飛散したときのNOX保持材に残存する触媒金属の量を算出する。残存する触媒金属の量に基づいて、NOX保持材から流出するNOX量を算出し、NOX吸蔵還元触媒に吸蔵されるNOX量を算出している。
図19に、本実施の形態における第2の運転制御のタイムチャートを示す。時刻t1において、NOX吸蔵還元触媒のNOX吸蔵量は、許容量としての予め定められた吸蔵量判定値に達している。通常運転を行っている期間中に、時刻t1から時刻t2までの期間および時刻t3から時刻t4までの期間にNOX放出制御を行なっている。また、時刻t5から時刻t6までの期間および時刻t7から時刻t8までの期間に、NOX放出制御を行なっている。
時刻t2から時刻t5までの期間のうち一部の期間において、所定の運転状態によりNOX保持材の触媒金属が飛散している。NOX保持材の触媒金属の量は、触媒金属の飛散に伴って減少する。時刻tXにおいて、NOX保持材の触媒金属の量が、NOX保持材から流出するNOX量のマップを変更するための判定値以下になっている。このために、時刻t4以降の通常運転においては、NOX保持材から流出するNOX量を算出するマップが変更されている。図17のステップ124において、新たに選定されたマップが用いられている。単位時間あたりに吸蔵されるNOX量の推定量が大きくなる。
このため、時刻t4以降の運転においては、NOX放出制御を行う間隔が短くなる。時刻t4から時刻t5までの時間は、時刻t2から時刻t3までの時間よりも短くなる。
このように触媒金属の飛散量に応じてマップを変更している。残存する触媒金属の量に基づいてNOX保持材から流出するNOX量を推定することにより、NOX保持材から流出するNOX量を、より正確に推定することができる。このため、本実施の形態においては、NOX吸蔵還元触媒に吸蔵されているNOX量をより正確に推定することができる。推定されたNOX量よりも多量のNOXがNOX吸蔵還元触媒に流入し、NOX吸蔵還元触媒が飽和してしまうことを抑制することができる。NOX吸蔵還元触媒からNOXが流出することを回避することができる。
図20に、本実施の形態における第3の運転制御を行う排気浄化装置の概略図を示す。第3の運転制御を行う排気浄化装置は、NOX選択還元触媒(SCR)14を備える。NOX選択還元触媒14は、還元剤を供給することによりNOXを選択的に還元することができる排気処理装置である。NOX選択還元触媒14は、NOX保持材13の下流の機関排気通路に配置されている。NOX選択還元触媒14の下流には、NOX選択還元触媒14の温度を検出するための温度検出装置として、温度センサ52が配置されている。温度センサ52の出力信号は対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される(図1参照)。
本実施の形態におけるNOX選択還元触媒14は、アンモニアを還元剤としてNOXを選択的に還元することができる。NOX選択還元触媒は、例えば、アンモニアを吸着し、鉄等の遷移金属を含有するゼオライトから構成することができる。または、アンモニアの吸着機能を有しないチタニア・バナジウム系の触媒から構成することができる。本実施の形態におけるNOX選択還元触媒14は、アンモニア吸着タイプのFeゼオライトから構成されている。
排気浄化装置は、NOX選択還元触媒14に還元剤を供給する還元剤供給装置を備える。本実施の形態においては、還元剤としてアンモニアを用いる。還元剤供給装置は、尿素供給弁55を含む。尿素供給弁55は、機関排気通路においてNOX選択還元触媒14の上流側に配置されている。尿素供給弁55は、機関排気通路内に尿素を噴射するように形成されている。本実施の形態における還元剤供給装置は、尿素を供給するように形成されているが、この形態に限られず、アンモニア水を供給するように形成されていても構わない。
尿素供給弁55は、対応する駆動回路38を介して、電子制御ユニット30の出力ポート36に接続されている。本実施の形態における尿素供給弁55は、電子制御ユニット30により制御されている(図1参照)。
尿素供給弁55から機関排気通路を流れる排気ガス中に尿素が供給されると、尿素が加水分解される。尿素が加水分解されることによりアンモニアと二酸化炭素が生成される。生成されたアンモニアがNOX選択還元触媒14に供給されることにより、NOX選択還元触媒14において、排気ガスに含まれるNOXが窒素に還元される。
この排気浄化装置は、通常運転時にNOX保持材13とNOX選択還元触媒14との両方でNOXの浄化を行うことができる。機関本体1の通常運転時においては、NOX保持材13においては、NOXの保持とNOXパージ制御とを繰り返し行なうことにより、NOXを浄化することができる。また、尿素供給弁55からNOX選択還元触媒14に還元剤を供給することにより、NOX選択還元触媒14においてNOXを浄化することができる。
排気ガスの温度が低温の場合には、NOX保持材13において、NOXを吸着することにより、排気ガスからNOXを除去することができる。排気ガスの温度が高温の場合には、NOX保持材13におけるNOXの浄化率は減少するが、NOX選択還元触媒14においてNOXを選択的に還元することにより、NOXの浄化を行うことができる。このように、低温から高温までの広い温度範囲において、NOXを浄化することができる。また、白金などの貴重な貴金属の使用量を削減して、NOXを浄化することができる。
本実施の形態においては、NOX保持材13が上流側に配置され、NOX選択還元触媒14が下流側に配置されている。NOX保持材13は、NOX選択還元触媒14の下流に配置されていても構わない。しかし、たとえば、排気ガスが高温の場合には、NOX保持材13からNOXが流出する場合がある。NOX保持材13をNOX選択還元触媒14の上流に配置することにより、NOX保持材13から流出するNOXをNOX選択還元触媒14にて浄化することができる。このために、NOX保持材13は、NOX選択還元触媒14よりも上流側に配置されていることが好ましい。
図21に、本実施の形態における第3の運転制御のフローチャートを示す。本実施の形態の第3の運転制御においては、NOX保持材における触媒金属の量が飛散により減少したときに、下流側のNOX選択還元触媒におけるNOXの浄化量を増加させる制御を行う。
ステップ131においては、NOX保持材の触媒金属の飛散量が零よりも大きいか否かが判別される。ステップ131において、NOX保持材の触媒金属の飛散量が零である場合には、ステップ132に移行する。ステップ132においては、尿素供給弁からの尿素の供給量として、予め定められた尿素の供給量を選定する。ステップ131において、NOX保持材の触媒金属の飛散量が、零よりも大きい場合には、ステップ133に移行する。ステップ133においては、NOX保持材13の触媒金属の量を検出する。
次に、ステップ134において、NOX保持材の触媒金属の量に基づいて、尿素供給弁55から供給する尿素の量を算出する。尿素供給弁から供給する尿素の量は、NOX保持材に流入する単位時間当たりのNOX量NOXAと、NOX保持材に保持されているNOX量とを関数にする単位時間当たりの尿素供給量のマップを用いることができる。それぞれの温度および触媒金属の量に対応した複数の尿素供給量のマップを予め作成し、例えば、電子制御ユニット30のROM32に記憶させる。これらのマップは、NOX保持材の触媒金属の量が少ないほど、尿素供給量が多くなるように形成されている。この尿素供給量のマップにより尿素供給弁から供給する尿素の量を算出することができる。尿素の供給量の算出においては、この形態に限られず、NOX保持材の触媒金属の量に基づいた任意の方法により算出することができる。
次に、ステップ135においては、ステップ132で選定された尿素供給量またはステップ134において算出された尿素供給量により、尿素供給弁から尿素を供給する。触媒金属の飛散量が増加すると、NOX保持材の触媒金属の量が減少する。触媒金属の量が減少すると、NOX保持材から流出するNOX量が増加する。このため、NOX選択還元触媒に流入するNOX量が増加する。NOX選択還元触媒へのNOXの流入量の増加に伴って、尿素供給弁からの尿素の供給量を増加させる。
本実施の形態においては、尿素を尿素供給弁から間欠的に噴射している。尿素の供給量を多くする場合には、尿素を噴射する間隔を短くすることができる。または、1回の噴射量を多くすることにより、尿素の供給量を多くすることができる。
このように、本実施の形態の第3の運転制御においては、NOX保持材から触媒金属が飛散したときのNOX保持材に残存する触媒金属の量を推定する。残存する触媒金属の量が少ないほど、NOX選択還元触媒の還元剤の供給量を増加させている。この構成を採用することにより、NOX保持材において触媒金属が飛散した場合に、下流側のNOX選択還元触媒でのNOXの浄化量を増加させることができ、NOX選択還元触媒からNOXが流出することを抑制することができる。
本実施の形態においては、マップを用いて触媒金属の飛散量を推定した後に、NOX保持材に残存する触媒金属の量を推定しているが、この形態に限られず、任意の方法により、NOX保持材に残存する触媒金属の量を推定することができる。たとえば、NOX保持材の上流側と下流側とにNOXセンサを配置する。NOX保持材に流入するNOX量およびNOX保持材から流出するNOX量に基づいて、NOX保持材におけるNOXの浄化率を推定し、このNOXの浄化率からNOX保持材に残存する触媒金属の量を推定しても構わない。
その他の構成、作用および効果については、実施の形態1または2と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
実施の形態4
図22から図28を参照して、実施の形態4における内燃機関の排気浄化装置について説明する。本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、NOX保持材を備える(たとえば図1参照)。NOX保持材は、銀を含有する触媒金属を含む。本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、NOX保持材の触媒金属が飛散した場合に、機関本体から排出されるNOX量を減少させる制御を行う。
図22に、本実施の形態における第1の運転制御のフローチャートを示す。図22に示す第1の運転制御は、所定期間ごとに繰り返して行なうことができる。本実施の形態の第1の運転制御においては、NOX保持材の触媒金属が飛散し、さらに、NOX保持材の温度が所定の温度以下の場合に、機関本体から排出されるNOX量を減少させる制御を行う。
ステップ141においては、NOX保持材の触媒金属の量が予め定められた残存量判定値以下か否かが判別される。ステップ141において、NOX保持材の触媒金属の量が予め定められた残存量判定値よりも大きい場合には、この制御を終了する。触媒金属の量が予め定められた残存量判定値以下の場合には、ステップ142に移行する。
ステップ142においては、NOX保持材の温度が、予め定められた温度判定値以下であるか否かが判別される。
図23に、NOX保持材の床温とNOX保持可能量との関係を説明するグラフを示す。触媒金属の飛散量が零の時のグラフが一点鎖線で示されている。また、所定量の触媒金属が飛散した後のグラフが実線で示されている。
触媒金属が飛散することにより、NOX保持材が保持できる最大量であるNOX保持可能量が低下することが分かる。NOX保持可能量の低下は、NOX保持材の床温が低い領域において大きいことが分かる。本実施の形態においては、温度判定値を予め設けている。この温度判定値は、たとえば、所定量の触媒金属が飛散した時のNOX保持可能量が所定の値よりも小さくなる点を選定することができる。
図22を参照して、ステップ142において、NOX保持材の床温が排出NOX減少制御を行うための温度判定値よりも大きい場合には、この制御を終了する。NOX保持材の床温が、温度判定値以下の場合には、ステップ143に移行する。ステップ143においては、機関本体から排出されるNOX量を減少させる排出NOX減少制御を行う。本実施の形態における排出NOX減少制御では、機関本体の再循環率(EGR率)を増加させる。
図24は、機関本体の再循環率と機関本体から排出されるNOX量との関係を示すグラフである。横軸が再循環率であり、縦軸が単位時間あたりに機関本体から排出されるNOX量である。再循環率は、燃焼室に流入する全てのガスの流量に対する再循環排気ガスの流量の比である(再循環率=(再循環排気ガス量)/(再循環排気ガス量+吸入空気量))。排気ガスの比率が増加すると再循環率が増加する。再循環率が大きくなると機関本体から排出されるNOX量は減少することが分かる。
図1を参照して、本実施の形態においては、EGR通路18に配置されているEGR制御弁19の開度を開くことにより、再循環排気ガス量を増加させている。機関本体1から排出されるNOX量が少なくするために、NOX保持材13のNOXの浄化性能が低下した場合においても、NOX保持材13からNOXが流出することを抑制することができる。
図25に、本実施の形態における第1の運転制御のタイムチャートを示す。図25は、機関本体を始動した直後のタイムチャートである。例えば、機関本体1を始動した直後では、NOX保持材の床温が低温である。機関本体の始動と共に、徐々にNOX保持材の温度が上昇する。時刻t1において、NOX保持材の床温が、温度判定値に到達している。
図25に示す例では、NOX保持材は、触媒金属の量が予め定められた残存量判定値以下になっている。第1の運転制御において、時刻t1までは排出NOX減少制御を行なっている。すなわち、機関本体1の再循環率を増加させている。時刻t1までは再循環率を増加させているために、機関本体から排出されるNOX量を抑制することができる。時刻t1において、NOX保持材の床温が温度判定値に到達しているために、通常の運転時の再循環率に戻している。
このように、NOX保持材に残存する触媒金属の量が少なくなるほど、機関本体から排出されるNOX量を減少させることができる。本実施の形態においては、NOX保持材の触媒金属の量が残存量判定値以下になったときに、予め定められた量だけ再循環率を増加させているが、この形態に限られず、NOX保持材の触媒金属の量に応じて、機関本体から排出するNOX量を調整しても構わない。たとえば、複数の残存量判定値を設定し、NOX保持材の触媒金属の量が少なくなると共に、徐々に機関本体から排出されるNOX量を減少させる制御を行っても構わない。
本実施の形態における第1の運転制御においては、NOX保持材の床温が温度判定値以下になった場合に、排出NOX減少制御を行っている。第1の運転制御は、この形態に限られず、たとえば、複数の温度判定値を設定し、NOX保持材の床温が低下するとともに、徐々に、機関本体から排出されるNOX量を減少させる制御を行っても構わない。
図26に、本実施の形態における第2の運転制御のフローチャートを示す。図26に示す第2の運転制御は、例えば所定期間ごとに繰り返して行なうことができる。第2の運転制御においては、NOX保持材の触媒金属が飛散し、さらに、車速を加速する要求があった場合に、機関本体から排出されるNOX量を減少させる排出NOX減少制御を行う。
ステップ146においては、NOX保持材の触媒金属の量が残存量判定値以下か否かを判定する。ステップ146において、NOX保持材の触媒金属の量が残存量判定値よりも大きい場合には、この制御を終了する。ステップ146において、NOX保持材の触媒金属の量が残存量判定値以下の場合には、ステップ147に移行する。
ステップ147においては、車両の加速要求があるか否かが判定される。本実施の形態においては、アクセルペダルの踏込み量が踏込み量判定値以上であるか否かが判別される。図1を参照して、アクセルペダル40の踏込み量は、負荷センサ41にて検出することができる。アクセルペダル40の踏込み量が、踏込み量判定値よりも小さい場合には、この制御を終了する。アクセルペダルの踏込み量が、踏込み判定量以上の場合には、ステップ148に移行する。
ステップ148においては、排出NOX減少制御を行う。排出NOX減少制御としては、本実施の形態における第1の運転制御と同様に、機関本体の再循環率を増加させる制御を行うことにより、機関本体から排出されるNOX量を減少させる。
図27は、NOX保持材に流入するNOX量と、NOX保持材のNOX浄化率との関係を示すグラフである。触媒金属の飛散量が零の時のグラフを一点鎖線で、所定量の触媒金属が飛散した後のグラフを実線で示している。NOX保持材に流入するNOX量が少ない場合には、ほぼ一定のNOX浄化率を示す。しかしながら、NOX保持材に流入するNOX量が多くなると、NOX保持材の浄化速度が不十分になってNOXの浄化率は低くなる。また、触媒金属が飛散することにより、NOX浄化率が低下することが分かる。
加速要求があった場合には、単位時間当たりに排出されるNOX量が増加する。たとえば、機関本体の回転数が増加して、単位時間当たりに機関本体から排出されるNOX量が増加する。本実施の形態においては、アクセルペダルの踏込み量が踏込み量判定値以上になった場合に、機関本体から排出されるNOX量を減少させる制御を行なっている。
図28に、本実施の形態における第2の運転制御のタイムチャートを示す。時刻t1までは、通常の運転を行なっている。時刻t1から時刻t2までの期間では、アクセルペダルの踏込み量が大きくなっている。時刻t1から時刻t2まで、車速が増加している。
時刻t1において、アクセルペダルの踏込み量が踏込み量判定値以上になっている。アクセルペダル40を踏み込むことにより、スロットル弁10の開度が大きくなり、吸入空気量が増加する。このため再循環率は低下する。本実施の形態においては、再循環率の低下量が小さくなるように制御を行う。すなわち、排出NOX減少制御を行わない場合よりも再循環率が大きくなるように、時刻t1から時刻t2までの期間において、再循環率を増加させている。この制御を行なうことにより、機関本体から排出されるNOX量を少なくすることができ、NOX保持材からNOXが流出することを抑制できる。
本実施の形態における第2の運転制御においては、アクセルペダルの踏込み量が踏込み量判定値以上になった場合に、排出NOX減少制御を行っている。第2の運転制御は、この形態に限られず、たとえば、複数の踏込み量判定値を設定し、アクセルペダルの踏込み量が大きくなるほど、徐々に機関本体から排出されるNOX量を減少させる制御を行っても構わない。
本実施の形態における排気浄化装置は、NOX保持材から触媒金属が飛散し、NOX保持材からNOXが流出する虞がある運転状態のときに、機関本体から排出するNOX量を減少させている。この構成により、NOX保持材からNOXが流出することを抑制することができる。また、内燃機関の排気浄化装置からNOXが流出することを抑制することができる。
本実施の形態における排出NOX減少制御においては、機関本体における再循環率を増加させる制御を行なっているが、この形態に限られず、機関本体から排出されるNOXを減少させる任意の制御を行うことができる。例えば、燃焼室において燃料の噴射時期を遅角させても構わない。たとえば、主噴射の噴射時期を遅角させることにより、燃料が燃焼したときの燃焼温度が下がり、生成されるNOX量を減少させることができる。
また、本実施の形態においては、触媒金属が飛散した場合に、特定のNOX保持材から流出するNOX量が大きくなる運転状態のときに、機関本体から排出されるNOX量を減少させる制御を行なっているが、この形態に限られず、触媒金属が飛散した場合に、常時、排出NOX減少制御を行なっても構わない。例えば、触媒金属の飛散量に応じて、徐々に、機関本体から排出されるNOX量を減少させる制御を行なっても構わない。
本実施の形態においては、実施の形態1における内燃機関の排気浄化装置を例に取り上げて説明したが、この形態に限られず、NOX保持材を備える任意の内燃機関の排気浄化装置に適用することができる。
その他の構成、作用および効果については、実施の形態1から3のいずれかと同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの図において、同一または相当する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、請求の範囲に含まれる変更が意図されている。
図1から図10を参照して、実施の形態1における内燃機関の排気浄化装置について説明する。
図1に、本実施の形態における内燃機関の概略図を示す。本実施の形態においては、圧縮着火式のディーゼルエンジンを例に取り上げて説明する。本実施の形態における内燃機関は、車両のうち自動車に配置されている。
内燃機関は、機関本体1を備える。また、内燃機関は、排気浄化装置を備える。機関本体1は、各気筒としての燃焼室2と、それぞれの燃焼室2に燃料を噴射するための電子制御式の燃料噴射弁3と、吸気マニホールド4と、排気マニホールド5とを含む。
吸気マニホールド4は、吸気ダクト6を介して排気ターボチャージャ7のコンプレッサ7aの出口に連結されている。コンプレッサ7aの入口は、吸入空気量検出器8を介してエアクリーナ9に連結されている。吸気ダクト6内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁10が配置されている。更に、吸気ダクト6には、吸気ダクト6内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置11が配置されている。図1に示される実施例では、機関冷却水が冷却装置11に導かれている。機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
一方、排気マニホールド5は、排気ターボチャージャ7のタービン7bの入口に連結されている。排気タービン7bの出口は、機関本体1から排出される排気ガスを浄化する排気処理装置に連結されている。
本実施の形態における排気浄化装置は、パティキュレートフィルタ16を備える。パティキュレートフィルタ16は、排気ガスに含まれる粒子状物質を除去する排気処理装置である。パティキュレートフィルタ16は、排気管12を介してタービン7bの出口に連結されている。本実施の形態における排気浄化装置は、NOX保持材13を備える。NOX保持材13は、排気ガスに含まれるNOXを浄化するための排気処理装置である。本実施の形態におけるNOX保持材13は、パティキュレートフィルタ16よりも下流の機関排気通路内に配置されている。
排気マニホールド5と吸気マニホールド4との間には、排気ガス再循環(EGR)を行うためにEGR通路18が配置されている。EGR通路18には電子制御式のEGR制御弁19が配置されている。また、EGR通路18の周りにはEGR通路18内を流れるEGRガスを冷却するための冷却装置20が配置されている。図1に示される実施例では機関冷却水が冷却装置20内に導かれている。機関冷却水によってEGRガスが冷却される。
それぞれの燃料噴射弁3は、燃料供給管21を介してコモンレール22に連結されている。コモンレール22は、電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ23を介して燃料タンク24に連結されている。燃料タンク24に貯蔵される燃料は、燃料ポンプ23によってコモンレール22内に供給される。コモンレール22内に供給された燃料は、それぞれの燃料供給管21を介して燃料噴射弁3に供給される。
電子制御ユニット30は、デジタルコンピュータからなる。本実施の形態における電子制御ユニット30は、排気浄化装置の制御装置として機能する。電子制御ユニット30は、双方性バス31によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)32、RAM(ランダムアクセスメモリ)33、CPU(マイクロプロセッサ)34、入力ポート35および出力ポート36を含む。
ROM32は、読み込み専用の記憶装置である。ROM32には、制御を行なうための必要なマップ等の情報が予め記憶されている。CPU34は、任意の演算や判別を行なうことができる。RAM33は、読み書きが可能な記憶装置である。RAM33は、運転履歴などの情報を保存したり、演算結果を一時的に保存したりすることができる。
パティキュレートフィルタ16の下流には、パティキュレートフィルタ16の温度を検出するための温度検出装置として、温度センサ26が配置されている。NOX保持材13の下流には、NOX保持材13の温度を検出するための温度検出装置として、温度センサ27が配置されている。NOX保持材13の上流には、NOX保持材13に流入する排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ28が配置されている。パティキュレートフィルタ16には、パティキュレートフィルタ16の前後差圧を検出するための差圧センサ29が配置されている。これらの温度センサ26,27、空燃比センサ28、および差圧センサ29の出力信号は対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。
吸入空気量検出器8の出力信号は、対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。アクセルペダル40には、アクセルペダル40の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ41が接続されている。負荷センサ41の出力電圧は、対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。更に入力ポート35にはクランクシャフトが例えば15°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ42が接続されている。クランク角センサ42の出力により、機関本体の回転数を検出することができる。
一方、出力ポート36は、対応する駆動回路38を介して燃料噴射弁3、スロットル弁10の駆動用ステップモータ、EGR制御弁19および燃料ポンプ23に接続されている。
パティキュレートフィルタ16は、排気ガス中に含まれる炭素微粒子、サルフェート等のイオン系微粒子等の粒子状物質(パティキュレート)を除去するフィルタである。パティキュレートフィルタは、例えば、ハニカム構造を有し、ガスの流れ方向に延びる複数の流路を有する。複数の流路において、下流端が封止された流路と上流端が封止された流路とが交互に形成されている。流路の隔壁は、コージライトのような多孔質材料で形成されている。この隔壁を排気ガスが通過するときにパティキュレートが捕捉される。
図2に、NOX保持材の拡大概略断面図を示す。本実施の形態におけるNOX保持材13は、基体上に例えばアルミナ(Al2O3)からなる触媒担体48が形成されている。触媒担体48は、触媒金属49を担持できる任意の材料を採用することができる。たとえば、触媒担体48は、コージライトを含んでいても構わない。触媒担体48の表面上には触媒金属49が分散して担持されている。本実施の形態におけるNOX保持材13の触媒金属49は、銀を含有する。
本発明では、機関吸気通路、燃焼室、または機関排気通路に供給された排気ガスの空気および燃料(炭化水素)の比を排気ガスの空燃比(A/F)と称する。また、本発明においては、「保持」とは「吸着」および「吸蔵」を含む意味にて用いられている。
NOX保持材13は、排気ガスの空燃比がリーンのときに、排気ガス中に含まれるNOXを触媒金属49に吸着する。排気ガスに含まれるNOXは、硝酸銀の形態で触媒金属49に保持される。または、NOXは、酸素を介して触媒金属49に保持される。これに対して、排気ガスの空燃比がリッチのとき或いは理論空燃比のときには、触媒金属49に保持されているNOXが放出される。放出されたNOXは、排気ガスに含まれる未燃炭化水素や一酸化炭素等によってN2に還元される。
NOX保持材は、NOXを保持することができる最大量である保持可能量を有する。NOX保持量が保持可能量に達すると、NOXを保持できなくなる。すなわち、排気ガスに含まれるNOXを除去することができなくなる。本実施の形態においては、NOX保持材に保持されているNOX量が予め定められた保持量判定値を超えた場合には、NOX保持材からNOXを放出させるNOXパージ制御を行う。本実施の形態における保持量判定値は、NOX保持材のNOXの保持可能量よりも小さい値が採用されている。
図3に、本実施の形態における第1のNOXパージ制御のタイムチャートを示す。内燃機関は、時刻t1までは通常の運転を継続している。本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、NOX保持材に保持されているNOX量を検出する検出装置を備える。本実施の形態における検出装置は、電子制御ユニット30を含む。
図4に、本実施の形態における単位時間当たりに機関本体から排出されるNOX量のマップを示す。たとえば、機関回転数Nと燃焼室2に噴射する燃料の噴射量TAQとを関数にする単位時間あたりのNOXの排出量NOXAのマップを予め作成する。このマップを、たとえば、電子制御ユニット30のROM32に記憶させておく。本実施の形態においては、機関本体1から排出されるNOX量とNOX保持材13に流入するNOX量とは等しくなる。このマップにより、運転状態に応じて単位時間あたりにNOX保持材13に流入し、NOX保持材に保持されるNOX量を算出することができる。単位時間当たりに保持されるNOX量を積算することにより、任意の時刻におけるNOX保持量を算出することができる。
図3を参照して、時刻t1において、NOX保持材13に保持されているNOX量が、NOXパージ制御を行なうための保持量判定値を超えている。時刻t1からNOXパージ制御を行う。NOXパージ制御においては、NOX保持材に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにする。本実施の形態における排気浄化装置は、燃焼室において追加の補助噴射を行うことにより、NOX保持材に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比にする。
図5に、本実施の形態における内燃機関の通常運転時における燃料の噴射パターンを示す。噴射パターンAは、通常運転時における燃料の噴射パターンである。通常運転時においては、略圧縮上死点TDCで主噴射FMが行なわれる。クランク角が略0°において主噴射FMが行なわれる。また、主噴射FMの燃焼を安定化させるために、主噴射FMの前にパイロット噴射FPが行なわれる。パイロット噴射FPは、例えば、クランク角が圧縮上死点TDCの前の略10°から略40°の範囲において行なわれる。
通常運転時においては、噴射パターンBに示すように、パイロット噴射FPが行なわれずに主噴射FMのみが行なわれていても構わない。本実施の形態においては、パイロット噴射FPが行なわれる噴射パターンを例に取り上げて説明する。通常運転において噴射パターンAで運転されているときには、機関本体から排出される排気ガスの空燃比はリーンである。
図6に、機関本体から排出される排気ガスの空燃比を降下させるときの噴射パターンを示す。噴射パターンCでは、主噴射FMの後に、補助噴射としてのアフター噴射FAを行っている。アフター噴射FAは、主噴射の後の燃焼可能な時期に行なわれる。アフター噴射FAは、例えば圧縮上死点後のクランク角が略40°までの範囲で行なわれる。
アフター噴射を行うことにより、排気ガスの空燃比を下げることができる。本実施の形態においては、更に、燃焼室に流入する吸入空気量を減少させる制御を行っている。図1を参照して、スロットル弁10の開度を小さくすることにより、燃焼室2に流入する吸入空気量を減少させる。燃焼室2から流出する排気ガスの空燃比を更に下げることができる。このように、NOX保持材13に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにすることができる。
図3を参照して、時刻t1までの運転状態では、図5に示す噴射パターンAにより燃焼室2に燃料を噴射している。時刻t1から時刻t2までのNOXパージ制御の期間においては、図6に示す噴射パターンCにより燃焼室2に燃料を噴射している。NOXパージ制御を行うことにより、NOX保持材13からNOXを放出させると共に、一酸化炭素や未燃燃料等の還元剤によりNOXをN2に変換することができる。
NOXパージ制御を行なうことにより、時刻t2において、NOX保持材に保持されているNOX量が、ほぼ零になっている。時刻t2においてNOXパージ制御を終了し、通常の運転状態に移行している。本実施の形態においては、予め定められた時間の間、NOXパージ制御を行っている。または、NOXパージ制御においては、燃焼室における燃料の噴射量と機関回転数とを関数にしたNOXの放出量のマップ等を用いて、NOXの放出量を算出しても構わない。
図2を参照して、本実施の形態におけるNOX保持材は、触媒金属49として銀を含有する金属が採用されている。発明者らは、銀を含有する触媒金属49を含むNOX保持材は、NOX保持材が高温になることにより、NOX浄化性能が低下することを見いだした。すなわち、単位時間あたりに排気ガス中からNOXを除去する効率であるNOX浄化率が低下することを見出した。
さらに、発明者らは、NOX保持材13の温度が上昇すると、触媒担体48に担持されている触媒金属49が、硝酸銀の形態で飛散することを見いだした。発明者らは、硝酸銀が、沸点以上になると触媒担体48から離脱することを見出した。発明者らは、たとえば硝酸銀が略450℃以上になると、触媒担体48から離脱することを見出した。本発明においては、硝酸銀の飛散が生じる最低温度を飛散温度という。触媒金属49が硝酸銀の形態で飛散すると、NOX保持材に含まれる触媒金属の量が減少する。このために、例えば、NOX保持材に保持することができる保持可能量が減少する。また、NOXをN2に還元する時の還元能力が低下する。このように、NOX保持材のNOXの浄化率が低下する。
図1を参照して、本実施の形態における排気浄化装置は、パティキュレートフィルタ16を備える。内燃機関の運転を継続するとパティキュレートフィルタ16には、次第に粒子状物質が堆積する。パティキュレートフィルタに堆積する粒子状物質の量の判別は、差圧センサ29により検出される差圧により行うことができる。検出された差圧が許容値を越えたときに、パティキュレートフィルタに堆積した粒子状物質の量が許容量を越えたと判別することができる。粒子状物質の堆積量が許容量を越えたときには、堆積した粒子状物質を除去する再生制御を行なう。本実施の形態においては、パティキュレートフィルタの前後の差圧から粒子状物質の堆積量を算出しているが、この形態に限られず、任意の方法により堆積量を検出することができる。
パティキュレートフィルタの再生においては、パティキュレートフィルタの温度を粒子状物質が燃焼する温度以上に昇温する。本実施の形態においては、パティキュレートフィルタを目標温度以上に上昇させる。この状態で、排気ガスの空燃比をリーンにすることにより、堆積した粒子状物質を燃焼させる。堆積していた粒子状物質が除去される。
パティキュレートフィルタ16の再生制御においては、パティキュレートフィルタ16を、例えば600℃以上に昇温する。本実施の形態においては、機関本体から排出される排気ガスの温度を600℃以上に昇温する。このため、NOX保持材13の温度が、触媒金属が飛散する飛散温度以上になる。
本実施の形態においては、パティキュレートフィルタの再生制御を行なう前に、NOX保持材のNOXパージ制御を行なう。触媒金属に保持されているNOXを放出させる。NOXを放出させることにより、触媒金属が銀の形態に戻る。銀の形態では、飛散温度以上になっても触媒金属の飛散を回避できる。このため、NOXを放出させることにより触媒金属の飛散を抑制することができる。
図7に、本実施の形態における運転制御のタイムチャートを示す。図7は、パティキュレートフィルタの再生を行うときのタイムチャートである。時刻t1までは、通常の運転を行なっている。時刻t1において、パティキュレートフィルタにおける粒子状物質の堆積量が許容値に達している。時刻t1において、パティキュレートフィルタの再生要求が発信されている。
本実施の形態においては、パティキュレートフィルタの再生制御を行うべきときに、NOX保持材におけるNOXパージ制御を行う。図7に示す例では、時刻t1から時刻t2にまでの期間において、NOXパージ制御を行っている。燃焼室において主噴射およびアフター噴射を行うことにより、NOX保持材に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比にしている。NOXパージ制御を行なうことにより、時刻t2において、NOX保持材に保持されているNOX量を、ほぼ零にすることができる。すなわち、NO保持材に含まれる硝酸銀の量をほぼ零にすることができる。
時刻t2において、パティキュレートフィルタの再生制御を開始している。時刻t2において、吸入空気量を回復させている。機関本体から排出される排気ガスの空燃比は、リーンになる。本実施の形態においては、時刻t2以降においても、アフター噴射FAを継続することにより、パティキュレートフィルタの温度を上昇させている。
図6を参照して、アフター噴射FAを行なうことにより、後燃え期間が長くなるために、機関本体から排出される排気ガスの温度を上昇させることができる。さらに、噴射パターンCにおいては、主噴射FMの噴射時期が圧縮上死点TDCから遅れている。すなわち、主噴射FMの噴射時期を遅角させている。主噴射FMの噴射時期の遅角に伴って、パイロット噴射FPの噴射時期も遅角させている。主噴射FMの噴射時期を遅角させることにより、排気ガスの温度を上昇させることができる。パティキュレートフィルタの温度を上昇させるための昇温装置としては、この形態に限られず、パティキュレートフィルタの温度を上昇させることができる任意の装置を採用することができる。
図7を参照して、時刻t3において、パティキュレートフィルタの床温が、粒子状物質の燃焼温度まで到達している。その後に、パティキュレートフィルタの床温が、目標温度まで到達している。
パティキュレートフィルタ16の昇温とともに、NOX保持材13の温度も同時に上昇する。NOX保持材の温度は、飛散温度を超える。しかしながら、NOX保持材にはNOXが保持されておらず、すなわち、硝酸銀を含んでいないために、触媒金属が飛散することを回避することができる。
時刻t3から時刻t4まで、パティキュレートフィルタに堆積している粒子状物質を燃焼させることができる。時刻t4において、粒子状物質の堆積量が下限判定値に到達している。時刻t4において再生制御を終了している。パティキュレートフィルタの堆積量が、下限判定値に到達したことは、例えば、パティキュレートフィルタ16に配置されている差圧センサ29の出力により検出することができる。時刻t4以降においては、通常の運転を行っている。
本実施の形態においては、パティキュレートフィルタの再生制御を行うべきときに、NOX保持材のNOXパージ制御を行っている。NOX保持材の温度が飛散温度以上まで上昇する制御を行うべきときに、NOXパージ制御を行うことにより、NOX保持材に保持されたNOXを放出させている。この構成により、NOX保持材の温度が飛散温度以上になったときにNOX保持材の触媒金属が飛散してしまうことを抑制できる。NOX保持材のNOXの浄化能力の低下を抑制することができる。
ところで、本実施の形態におけるNOXパージ制御は、燃焼室においてアフター噴射FAを行なっている。このために、排気ガスの空燃比の低下とともに、排気ガスの温度が上昇する。NOXパージ制御を開始するときに、NOX保持材の温度が元々高い場合がある。このような場合にNOXパージ制御を行うと、NOX保持材の温度が飛散温度以上になる虞がある。
図8に、本実施の形態における第2のNOXパージ制御のフローチャートを示す。図8では、パティキュレートフィルタの再生要求があった場合について例示している。第2のNOXパージ制御においては、NOX保持材の温度が、所定の温度判定値以上になった場合に、NOXパージ制御を中断する。NOX保持材の温度が低下するまで待機する。
ステップ101においては、パティキュレートフィルタの再生要求があるか否かが判定される。ステップ101において、パティキュレートフィルタの再生要求がない場合には、この制御を終了する。パティキュレートフィルタの再生要求がある場合には、ステップ102に移行する。
ステップ102においては、NOX保持材に保持されているNOX量が零よりも大きいか否かが判定される。すなわち、NOX保持材にNOXが保持されているか否かが判定されている。ステップ102において、NOX保持材に保持されているNOX量が零の場合には、この制御を終了する。ステップ102において、NOX保持材に保持されているNOX量が零よりも大きい場合には、ステップ103に移行する。
ステップ103においては、NOXパージ制御を開始する。本実施の形態においては、燃焼室において、主噴射FMに加えてアフター噴射FAを行なう。排気ガスの温度が上昇するために、NOX保持材の温度が上昇する。
つぎに、ステップ104において、NOXパージ制御を行なっている期間中に、NOX保持材の床温が、予め定められた温度判定値以上か否かが判定される。ステップ104において、NOX保持材の温度が、NOXパージ制御を中断するための温度判定値以上の場合にはステップ105に移行する。すなわち、NOX保持材の温度が、硝酸銀の飛散温度に到達する虞ある場合には、ステップ105に移行する。この温度判定値は、所定の期間、NOXパージ制御を継続しても、NOX保持材の温度が硝酸銀の飛散温度に到達しないように、飛散温度よりも十分に低い温度が採用されている。
ステップ105においては、NOXパージ制御を中断する。本実施の形態においては、予め定められた時間の間、NOXパージ制御を中断する。ステップ105においては、この形態に限られず、下限側の温度判定値を予め定めておき、NOX保持材の温度が下限側の温度判定値以下になるまでNOXパージ制御を中断しても構わない。
つぎに、ステップ102に移行してこの制御を繰返す。また、ステップ104において、NOX保持材の床温が、温度判定値未満である場合にはステップ102に移行する。ステップ102において、再度、NOX保持材に保持されているNOX量が、零よりも大きいか否かが判別される。NOX保持材の保持されているNOX量が零になった場合には、この制御を終了する。
図9に、本実施の形態における第2のNOXパージ制御のタイムチャートを示す。時刻t1までは、通常の運転を行なっている。図9に示す例においては、NOX保持材の床温が、飛散温度に近い温度になっている。時刻t1において、NOXパージ制御を開始している。NOXパージ制御において、アフター噴射FAを行なうことにより、NOX保持材の温度が上昇する。時刻t2において、NOX保持材の床温がNOXパージ制御を中断するための温度判定値に到達している。このため、時刻t2において、NOXパージ制御を中断している。NOXパージ制御を中断することにより、NOX保持材の温度が下降する。図9に示す例においては、予め定められた時間の間、NOXパージ制御を中断している。
予め定められた時間の経過後、時刻t3において、NOXパージ制御を再開している。時刻t3においては、NOX保持材の床温は、温度判定値よりも低い温度になっている。NOXパージ制御を時刻t3から時刻t4まで行うことにより、NOX保持材に保持されているNOX量が、ほぼ零になっている。
第2のNOXパージ制御においては、NOX保持材の床温が、予め定められた温度判定値以上の温度になったときに、NOXパージ制御を中断している。この制御を採用することにより、NOXパージ制御の期間中にNOX保持材に硝酸銀が含まれる状態で、NOX保持材の温度が飛散温度以上になることを回避できる。このように、NOXパージ制御は、間欠的に行なっても構わない。
本実施の形態においては、主噴射に加えてアフター噴射を行うことにより、NOX保持材に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにしているが、この形態に限られず、排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにする任意の装置を採用することができる。
図10に、排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにするときの他の噴射パターンを示す。噴射パターンDは、主噴射FMの後にポスト噴射FPOを行なっている。ポスト噴射FPOは、燃焼室において燃料が燃焼しない噴射である。ポスト噴射FPOは、アフター噴射と同様に補助噴射である。ポスト噴射FPOは、例えば、圧縮上死点後のクランク角が略90°から略120°の範囲内において行われる。燃焼室において、ポスト噴射FPOを行うことによりNOX保持材に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにすることができる。
または、NOX保持材の上流の機関排気通路に未燃燃料を供給する燃料添加弁が配置されていても構わない。燃料添加弁からの燃料は、たとえば、機関本体と同じ燃料を採用することができる。燃料添加弁は、たとえば、電子制御ユニットにより制御することができる。燃料添加弁から未燃燃料を供給することにより、NOX保持材に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにすることができる。
本実施の形態でおける内燃機関の排気浄化装置は、NOX保持材の上流側にパティキュレートフィルタが配置されているが、この形態に限られず、NOX保持材の下流側にパティキュレートフィルタが配置されていても構わない。また、内燃機関の排気浄化装置は、NOX選択還元触媒、酸化触媒、NOX吸蔵還元触媒などの排気処理装置を備えていても構わない。また、NOX保持材としては、銀を含有する触媒金属を含み、NOXを処理する排気処理装置であれば構わない。
本実施の形態においては、NOX保持材の温度が飛散温度以上に上昇する制御として、パティキュレートフィルタの再生制御を例に取り上げて説明したが、NOX保持材の温度が飛散温度以上まで上昇する任意の制御を行うべきときに、NOXパージ制御を行ってNOX保持材から硝酸銀を排除し、NOXの浄化能力が低下することを抑制できる。
本実施の形態における内燃機関は、自動車に配置されているが、この形態に限られず、任意の内燃機関に本発明を適用することができる。
実施の形態2
図11から図13を参照して、実施の形態2における内燃機関の排気浄化装置について説明する。本実施の形態においては、NOX保持材の温度が飛散温度以上に上昇する制御として、NOX吸蔵還元触媒の硫黄被毒回復制御を例に取り上げて説明する。
図11は、本実施の形態における内燃機関の概略図である。本実施の形態における排気浄化装置は、NOX吸蔵還元触媒(NSR)17を備える。NOX吸蔵還元触媒17は、NOX保持材13の下流の機関排気通路に配置されている。NOX吸蔵還元触媒17の下流には、NOX吸蔵還元触媒17の温度を検出するための温度検出装置として、温度センサ25が配置されている。NOX吸蔵還元触媒17の上流には、NOX吸蔵還元触媒17に流入する排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ51が配置されている。NOX吸蔵還元触媒17の上流には、NOX吸蔵還元触媒17に流入するNOX量を検出するためのNOXセンサ53が配置されている。これらの温度センサ25、空燃比センサ51、およびNOXセンサ53の出力信号は対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される(図1参照)。
図12に、NOX吸蔵還元触媒の拡大概略断面図を示す。NOX吸蔵還元触媒は、基体上に例えばアルミナからなる触媒担体45が形成されている。触媒担体45の表面上には貴金属を含む触媒金属46が分散して担持されている。触媒担体45の表面上にはNOX吸収剤47の層が形成されている。本実施の形態における触媒金属46は、白金(Pt)を含む。NOX吸収剤47を構成する成分は、例えばカリウム(K)、ナトリウム(Na)、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、または、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が用いられている。本実施の形態におけるNOX吸収剤47は、バリウムを含む。
NOX吸蔵還元触媒は、排気ガスの空燃比がリーンのときには、排気ガス中に含まれるNOが触媒金属46上において酸化されてNO2になる。NO2は、硝酸イオンNO3 −の形でNOX吸収剤47内に吸蔵される。これに対して、排気ガスの空燃比がリッチのとき或いは理論空燃比のときには、NOX吸収剤47内の硝酸イオンNO3 −がNO2の形でNOX吸収剤47から放出される。放出されたNOXは、排気ガスに含まれる未燃炭化水素や一酸化炭素によってN2に還元される。
図11を参照して、本実施の形態における排気浄化装置は、NOX保持材13およびNOX吸蔵還元触媒17の両方において、NOXの浄化を行なう。排気ガスの温度が低い場合には、NOX保持材13において、NOXを保持することができる。例えば、機関本体を始動した直後には、NOX保持材13においてNOXを保持することにより、排気ガス中からNOXを除去することができる。また、排気ガスの温度が上昇すると、NOX吸蔵還元触媒17の触媒金属46が活性化し、NOXの吸蔵能力が向上する。このため、通常の運転時においては、NOX保持材13およびNOX吸蔵還元触媒17の両方において、NOXの保持を行なうことができる。
さらに、排気ガスの温度が高温になった場合には、主にNOX吸蔵還元触媒17のNOX吸収剤47において、NOXの吸蔵を行なうことができる。例えば、機関本体が、高回転で長時間運転した場合には、排気ガスの温度が上昇してNOX保持材13のNOX保持能力が低下する場合がある。このような場合においても、NOX吸蔵還元触媒17において、NOXを吸蔵することができる。
NOX保持材13において、NOX保持量が許容値を超えた場合には、NOXパージ制御を行なうことにより、NOXを放出すると共に還元することができる。
NOX吸蔵還元触媒17においては、NOX吸蔵還元触媒に吸蔵されているNOX量を算出する。NOX吸蔵還元触媒17に吸蔵されているNOX量が許容量を超えた場合には、NOX放出制御を行なう。NOX放出制御においては、NOX吸蔵還元触媒17に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにすることにより、NOX吸蔵還元触媒17からNOXを放出させるとともに、NOXをN2に還元することができる。
NOX吸蔵還元触媒17におけるNOX吸蔵量は、NOX吸蔵還元触媒17の上流側に配置されているNOXセンサ53の出力信号により推定することができる。NOXセンサ53の出力信号に基づいて、NOX吸蔵還元触媒17に流入するNOX量を推定することができる。単位時間当たりにNOX吸蔵還元触媒17に流入するNOX量を積算することにより、任意の時刻におけるNOX吸蔵還元触媒17のNOX吸蔵量を算出することができる。
NOX吸蔵還元触媒17に吸蔵されているNOX量の推定においては、この形態に限られず、任意の装置を採用することができる。例えば、マップ等を用いてNOX保持材から流出するNOX量を算出し、NOX吸蔵還元触媒に吸蔵されるNOX量を算出しても構わない。
このように、機関排気通路において、NOX保持材13を配置し、NOX保持材13の下流側にNOX吸蔵還元触媒17を配置することにより、排気ガスの温度が低温から高温までの広い範囲において、高い浄化率でNOXの浄化を行なうことができる。また、機関排気通路にNOX吸蔵還元触媒のみを配置した排気浄化装置と比較すると、NOX保持材においてNOXの浄化を行なうことができるため、NOX吸蔵還元触媒を小型にすることができる。NOX保持材には、銀などの触媒金属を用いることができるため、NOX吸蔵還元触媒に使用される白金などの貴重な金属の使用量を削減することができる。
本実施の形態においては、NOX保持材13が上流側に配置され、NOX吸蔵還元触媒17が下流側に配置されている。NOX保持材13は、NOX吸蔵還元触媒17の下流に配置されていても構わない。しかし、たとえば、排気ガスが高温の場合には、NOX保持材13からNOXが流出する場合がある。NOX保持材13をNOX吸蔵還元触媒17の上流に配置することにより、NOX保持材13から流出するNOXをNOX吸蔵還元触媒17にて浄化することができる。このために、NOX保持材13は、NOX吸蔵還元触媒17よりも上流側に配置されていることが好ましい。
ところで、排気ガス中にはSOX、即ちSO2が含まれている。SO2は、NOX吸蔵還元触媒17に流入すると、触媒金属46において酸化されてSO3となる。このSO3はNOX吸収剤47に吸収されて、たとえば硫酸塩BaSO4を生成する。硫酸塩BaSO4は安定していて分解しづらい。単に排気ガスの空燃比をリッチにしただけでは硫酸塩BaSO4は分解されずにそのまま残る。このため、NOX吸蔵還元触媒が吸蔵できるNOX量が低下することになる。このように、NOX吸蔵還元触媒には、硫黄被毒が生じる。
硫黄被毒を回復するためには、NOX吸蔵還元触媒の温度をSOX放出が可能な温度まで上昇させる。更にNOX吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチまたは理論空燃比にする硫黄被毒回復制御を行なう。硫黄被毒回復制御を行なうことにより、NOX吸蔵還元触媒からSOXを放出させることができる。
NOX吸蔵還元触媒に吸蔵されるSOX量は、たとえば、機関本体の回転数と燃料噴射量を関数にする単位時間あたりに機関本体から排出されるSOX量のマップから算出することができる。このマップは、たとえば電子制御ユニットに記憶させる。運転状態に応じて算出される単位時間当たりに吸蔵されるSOX量を積算することにより、任意の時刻においてNOX吸蔵還元触媒に吸蔵されているSOX量を推定することができる。本実施の形態においては、NOX吸蔵還元触媒に吸蔵されているSOX量が、許容値を超えた場合に硫黄被毒回復制御が行われる。
図6を参照して、本実施の形態の硫黄被毒回復制御においては、燃焼室において主噴射の後にアフター噴射を行うことにより、NOX吸蔵還元触媒の昇温を行う。また、主噴射FMの噴射時期を遅角させることにより、NOX吸蔵還元触媒の昇温を行っている。NOX吸蔵還元触媒の温度を上昇させるための昇温装置としては、この形態に限られず、NOX吸蔵還元触媒の温度を上昇させることができる任意の装置を採用することができる。
ところで、硫黄被毒回復制御を行なう場合には、排気ガスの温度が高温になる。排気ガスの温度は、例えば、650℃以上に昇温される。NOX保持材13の温度が飛散温度以上になる。このために、NOX保持材13において、NOXが保持されている場合には、触媒金属が硝酸銀の形態で飛散する。本実施の形態においては、硫黄被毒回復制御を行うべきときにNOXパージ制御を行う。すなわち、実施の形態1において、パティキュレートフィルタの再生制御の前にNOXパージ制御を行なったことと同様に、硫黄被毒回復制御の前にNOXパージ制御を行う。
図13に、本実施の形態におけるNOXパージ制御のフローチャートを示す。ステップ109において、硫黄被毒回復制御の要求があるか否かが判別される。すなわち、NOX吸蔵還元触媒に許容値より多いSOXが吸蔵されているか否かが判別される。ステップ109において、硫黄被毒回復制御の要求がなかった場合には、この制御を終了する。ステップ109において、硫黄被毒回復制御の要求があった場合には、ステップ102に移行する。ステップ102からステップ105においては、実施の形態1における第2のNOXパージ制御と同様のNOXパージ制御が行われる(図8参照)。
このように、硫黄被毒回復制御を行うべきときに、NOXパージ制御を行なうことにより、NOX保持材に硝酸銀の形態でNOXが保持されていることを排除することができる。硫黄被毒回復処理を行っているときに、NOX保持材の温度が飛散温度以上になった場合においても、触媒金属が飛散してしまうことを回避することができる。NOX保持材のNOXの浄化性能が低下することを抑制できる。
本実施の形態においては、実施の形態1における第2のNOXパージ制御と同様の制御を例に取り上げて説明したが、この形態に限られず、実施の形態1における第1のNOXパージ制御と同様の制御を行なうことができる。
その他の構成、作用および効果については、実施の形態1と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
実施の形態3
図14から図21を参照して、実施の形態3における内燃機関の排気浄化装置について説明する。本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、NOX保持材の触媒金属が飛散した場合に、触媒金属の飛散に対応した排気浄化装置の運転を行う。
内燃機関の運転においては、高温の排気ガスがNOX保持材に流入することを予測することが困難な場合がある。例えば、機関本体の回転数が非常に高く、燃焼室における燃料噴射量が多い運転状態が、長時間にわたって持続される場合には、NOX保持材に流入する排気ガスの温度が高温になる。また、NOX保持材と機関本体との距離が小さい場合には、NOX保持材に流入する排気ガスの温度が高くなる。このような場合に、NOX保持材が触媒金属の飛散温度を超えてしまう場合がある。NOX保持材にNOXが保持されている場合には、硝酸銀の形態で触媒金属が飛散する。
図14は、NOX保持材における触媒金属の飛散量とNOXの保持可能量との関係を示すグラフである。触媒金属の飛散量が多くなると、NOX保持材に含まれる触媒金属の量が少なくなる。このため、触媒金属の飛散量が増加するとともに、NOXの保持可能量が減少する。本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、NOX保持材から触媒金属が飛散した場合にNOX保持材に残存する触媒金属の量を推定する装置を備える。
図15に、本実施の形態におけるNOX保持材の触媒金属の量を推定するフローチャートを示す。この制御は、所定の期間ごとに繰り返し行うことができる。ステップ111においては、NOX保持材のNOX保持量が零よりも大きいか否かが判明される。NOX保持量が零の場合には、この制御を終了する。NOXの保持量が零よりも大きい場合には、ステップ112に移行する。
ステップ112においては、NOX保持材の温度が、触媒金属の飛散温度以上であるか否かが判別される。NOX保持材の温度が、飛散温度よりも小さい場合には、この制御を終了する。NOX保持材の温度が、飛散温度以上である場合には、ステップ113に移行する。
ステップ113においては、触媒金属の飛散量を推定する。本実施の形態においては、触媒金属の飛散量のマップを用いる。ステップ113においては、今回の触媒金属の飛散量が算出される。
図16に、硝酸銀の形態でNOX保持材から飛散する触媒金属の飛散量のマップを示す。触媒金属の飛散量は、飛散温度以上になるとNOX保持材の温度に関わらずに、ほぼ一定になる。NOX保持材が飛散温度以上になっている時間tsと、NOX保持材に保持されているNOX量ΣNOXとを関数にする単位時間当たりの触媒金属の飛散量AGSのマップを予め作成する。このマップを、例えば、電子制御ユニット30のROM32に記憶させる。NOX保持材が飛散温度以上になっている時間と、NOX保持材に保持されているNOX量とに基づいて、飛散する触媒金属の量を算出することができる。
図15を参照して、次に、ステップ114においては、今回の飛散量から触媒金属の残存量を算出する。前回の計算により算出されたNOX保持材に残存する触媒金属の量から、今回の触媒金属の飛散量を減算することにより、NOX保持材に残存する触媒金属の量を算出することができる。または、今回までの飛散量を積算して、初期のNOX保持材の触媒金属の量から飛散量の積算値を減算することにより、NOX保持材に残存する触媒金属の量を算出することができる。
本実施の形態における第1の運転制御を行うための内燃機関の排気浄化装置は、NOX保持材を備える(たとえば図1または図11参照)。本実施の形態における第1の運転制御においては、算出されたNOX保持材の触媒金属の量に応じて、NOXパージ制御を行なうための保持量判定値を算出する。すなわち、NOX保持材に残存する触媒金属の量が少ないほど、保持量判定値を小さくする。本実施の形態においては、NOX保持材の触媒金属の量を関数にする保持量判定値が、予め作成され、電子制御ユニット30のROM32に記憶されている。算出されたNOX保持材の触媒金属の量に応じた保持量判定値に更新される。運転制御においては、NOX保持材のNOX量が更新された保持量判定値を超えたときにNOXパージ制御が行われる。この制御を行なうことにより、NOX保持材がNOXで飽和して、NOX保持材からNOXが流出することを抑制できる。
次に、本実施の形態における第2の運転制御について説明する。第2の運転制御は、実施の形態2における排気浄化装置のための運転制御である。図11を参照して、第2の運転制御を行う排気処理装置は、NOX保持材13と、NOX保持材13の下流に配置されているNOX吸蔵還元触媒17とを備える。
図17に、本実施の形態における第2の運転制御のフローチャートを示す。第2の運転制御においても、任意の時刻におけるNOX保持材の触媒金属の量が算出されている。第2の運転制御は、所定の期間ごとに繰返して行うことができる。
ステップ121においては、NOX保持材の触媒金属の飛散量が零よりも大きいか否かが判別される。すなわち、触媒金属の飛散があるかないかが判別される。NOX保持材の触媒金属の飛散量が零である場合には、ステップ122に移行する。ステップ122においては、触媒金属の飛散量が零の時にNOX保持材から流出するNOX量のマップを、NOX保持材の温度に基づいて選定する。
ステップ121において、NOX保持材の触媒金属の飛散量が零よりも大きい場合には、ステップ123に移行する。ステップ123においては、NOX保持材の触媒金属の量を検出する。
次に、ステップ124においては、NOX保持材から流出するNOX量のマップを選択する。NOX保持材13から流出するNOX量は、NOX吸蔵還元触媒17に吸蔵されるNOX量に相当する。本実施の形態においては、NOX保持材13から流出するNOX量は、マップにより算出している。
図18に、NOX保持材から流出するNOX量のマップを示す。図18は、所定の温度、および所定の触媒金属の量のときのマップである。NOX保持材に流入する単位時間当たりのNOX量NOXAと、NOX保持材に保持されているNOX量ΣNOXとを関数にして、単位時間当たりにNOX保持材から流出するNOX量NOXBを算出することができる。単位時間当たりにNOX保持材に流入するNOX量NOXAは、例えば、機関回転数および燃料の噴射量を関数にするマップから算出することができる(図4参照)。
それぞれの温度および触媒金属の量に対応したNOX保持材から流出する複数のNOX量のマップを予め作成し、例えば、電子制御ユニット30のROM32に記憶させる。これらのマップは、NOX保持材の触媒金属の量が少なくなった場合には、NOX保持材から流出するNOX量が多くなるように形成されている。
図17を参照して、ステップ124においては、NOX保持材から流出するNOX量のマップを、NOX保持材の触媒金属の量および温度に基づいて選択する。選択したマップを用いることにより、NOX保持材13から流出する単位時間当りのNOX量NOXBを算出する。NOX保持材の触媒金属の量が少なくなった場合には、NOX保持材から流出するNOX量が多くなる。
ステップ125においては、選択されたマップを用いて、NOX吸蔵還元触媒のNOX吸蔵量を算出する。単位時間当たりに流入するNOX量NOXBを積算することにより、任意の時刻においてNOX吸蔵還元触媒に吸蔵されているNOX量を算出することができる。すなわち、前回の計算で算出されたNOX吸蔵量に今回の計算で算出されたNOX吸蔵還元触媒に流入するNOX量を加算することにより、NOX吸蔵量を算出することができる。
このように、本実施の形態の第2の運転制御においては、NOX保持材から触媒金属が飛散したときのNOX保持材に残存する触媒金属の量を算出する。残存する触媒金属の量に基づいて、NOX保持材から流出するNOX量を算出し、NOX吸蔵還元触媒に吸蔵されるNOX量を算出している。
図19に、本実施の形態における第2の運転制御のタイムチャートを示す。時刻t1において、NOX吸蔵還元触媒のNOX吸蔵量は、許容量としての予め定められた吸蔵量判定値に達している。通常運転を行っている期間中に、時刻t1から時刻t2までの期間および時刻t3から時刻t4までの期間にNOX放出制御を行なっている。また、時刻t5から時刻t6までの期間および時刻t7から時刻t8までの期間に、NOX放出制御を行なっている。
時刻t2から時刻t5までの期間のうち一部の期間において、所定の運転状態によりNOX保持材の触媒金属が飛散している。NOX保持材の触媒金属の量は、触媒金属の飛散に伴って減少する。時刻tXにおいて、NOX保持材の触媒金属の量が、NOX保持材から流出するNOX量のマップを変更するための判定値以下になっている。このために、時刻t4以降の通常運転においては、NOX保持材から流出するNOX量を算出するマップが変更されている。図17のステップ124において、新たに選定されたマップが用いられている。単位時間あたりに吸蔵されるNOX量の推定量が大きくなる。
このため、時刻t4以降の運転においては、NOX放出制御を行う間隔が短くなる。時刻t4から時刻t5までの時間は、時刻t2から時刻t3までの時間よりも短くなる。
このように触媒金属の飛散量に応じてマップを変更している。残存する触媒金属の量に基づいてNOX保持材から流出するNOX量を推定することにより、NOX保持材から流出するNOX量を、より正確に推定することができる。このため、本実施の形態においては、NOX吸蔵還元触媒に吸蔵されているNOX量をより正確に推定することができる。推定されたNOX量よりも多量のNOXがNOX吸蔵還元触媒に流入し、NOX吸蔵還元触媒が飽和してしまうことを抑制することができる。NOX吸蔵還元触媒からNOXが流出することを回避することができる。
図20に、本実施の形態における第3の運転制御を行う排気浄化装置の概略図を示す。第3の運転制御を行う排気浄化装置は、NOX選択還元触媒(SCR)14を備える。NOX選択還元触媒14は、還元剤を供給することによりNOXを選択的に還元することができる排気処理装置である。NOX選択還元触媒14は、NOX保持材13の下流の機関排気通路に配置されている。NOX選択還元触媒14の下流には、NOX選択還元触媒14の温度を検出するための温度検出装置として、温度センサ52が配置されている。温度センサ52の出力信号は対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される(図1参照)。
本実施の形態におけるNOX選択還元触媒14は、アンモニアを還元剤としてNOXを選択的に還元することができる。NOX選択還元触媒は、例えば、アンモニアを吸着し、鉄等の遷移金属を含有するゼオライトから構成することができる。または、アンモニアの吸着機能を有しないチタニア・バナジウム系の触媒から構成することができる。本実施の形態におけるNOX選択還元触媒14は、アンモニア吸着タイプのFeゼオライトから構成されている。
排気浄化装置は、NOX選択還元触媒14に還元剤を供給する還元剤供給装置を備える。本実施の形態においては、還元剤としてアンモニアを用いる。還元剤供給装置は、尿素供給弁55を含む。尿素供給弁55は、機関排気通路においてNOX選択還元触媒14の上流側に配置されている。尿素供給弁55は、機関排気通路内に尿素を噴射するように形成されている。本実施の形態における還元剤供給装置は、尿素を供給するように形成されているが、この形態に限られず、アンモニア水を供給するように形成されていても構わない。
尿素供給弁55は、対応する駆動回路38を介して、電子制御ユニット30の出力ポート36に接続されている。本実施の形態における尿素供給弁55は、電子制御ユニット30により制御されている(図1参照)。
尿素供給弁55から機関排気通路を流れる排気ガス中に尿素が供給されると、尿素が加水分解される。尿素が加水分解されることによりアンモニアと二酸化炭素が生成される。生成されたアンモニアがNOX選択還元触媒14に供給されることにより、NOX選択還元触媒14において、排気ガスに含まれるNOXが窒素に還元される。
この排気浄化装置は、通常運転時にNOX保持材13とNOX選択還元触媒14との両方でNOXの浄化を行うことができる。機関本体1の通常運転時においては、NOX保持材13においては、NOXの保持とNOXパージ制御とを繰り返し行なうことにより、NOXを浄化することができる。また、尿素供給弁55からNOX選択還元触媒14に還元剤を供給することにより、NOX選択還元触媒14においてNOXを浄化することができる。
排気ガスの温度が低温の場合には、NOX保持材13において、NOXを吸着することにより、排気ガスからNOXを除去することができる。排気ガスの温度が高温の場合には、NOX保持材13におけるNOXの浄化率は減少するが、NOX選択還元触媒14においてNOXを選択的に還元することにより、NOXの浄化を行うことができる。このように、低温から高温までの広い温度範囲において、NOXを浄化することができる。また、白金などの貴重な貴金属の使用量を削減して、NOXを浄化することができる。
本実施の形態においては、NOX保持材13が上流側に配置され、NOX選択還元触媒14が下流側に配置されている。NOX保持材13は、NOX選択還元触媒14の下流に配置されていても構わない。しかし、たとえば、排気ガスが高温の場合には、NOX保持材13からNOXが流出する場合がある。NOX保持材13をNOX選択還元触媒14の上流に配置することにより、NOX保持材13から流出するNOXをNOX選択還元触媒14にて浄化することができる。このために、NOX保持材13は、NOX選択還元触媒14よりも上流側に配置されていることが好ましい。
図21に、本実施の形態における第3の運転制御のフローチャートを示す。本実施の形態の第3の運転制御においては、NOX保持材における触媒金属の量が飛散により減少したときに、下流側のNOX選択還元触媒におけるNOXの浄化量を増加させる制御を行う。
ステップ131においては、NOX保持材の触媒金属の飛散量が零よりも大きいか否かが判別される。ステップ131において、NOX保持材の触媒金属の飛散量が零である場合には、ステップ132に移行する。ステップ132においては、尿素供給弁からの尿素の供給量として、予め定められた尿素の供給量を選定する。ステップ131において、NOX保持材の触媒金属の飛散量が、零よりも大きい場合には、ステップ133に移行する。ステップ133においては、NOX保持材13の触媒金属の量を検出する。
次に、ステップ134において、NOX保持材の触媒金属の量に基づいて、尿素供給弁55から供給する尿素の量を算出する。尿素供給弁から供給する尿素の量は、NOX保持材に流入する単位時間当たりのNOX量NOXAと、NOX保持材に保持されているNOX量とを関数にする単位時間当たりの尿素供給量のマップを用いることができる。それぞれの温度および触媒金属の量に対応した複数の尿素供給量のマップを予め作成し、例えば、電子制御ユニット30のROM32に記憶させる。これらのマップは、NOX保持材の触媒金属の量が少ないほど、尿素供給量が多くなるように形成されている。この尿素供給量のマップにより尿素供給弁から供給する尿素の量を算出することができる。尿素の供給量の算出においては、この形態に限られず、NOX保持材の触媒金属の量に基づいた任意の方法により算出することができる。
次に、ステップ135においては、ステップ132で選定された尿素供給量またはステップ134において算出された尿素供給量により、尿素供給弁から尿素を供給する。触媒金属の飛散量が増加すると、NOX保持材の触媒金属の量が減少する。触媒金属の量が減少すると、NOX保持材から流出するNOX量が増加する。このため、NOX選択還元触媒に流入するNOX量が増加する。NOX選択還元触媒へのNOXの流入量の増加に伴って、尿素供給弁からの尿素の供給量を増加させる。
本実施の形態においては、尿素を尿素供給弁から間欠的に噴射している。尿素の供給量を多くする場合には、尿素を噴射する間隔を短くすることができる。または、1回の噴射量を多くすることにより、尿素の供給量を多くすることができる。
このように、本実施の形態の第3の運転制御においては、NOX保持材から触媒金属が飛散したときのNOX保持材に残存する触媒金属の量を推定する。残存する触媒金属の量が少ないほど、NOX選択還元触媒の還元剤の供給量を増加させている。この構成を採用することにより、NOX保持材において触媒金属が飛散した場合に、下流側のNOX選択還元触媒でのNOXの浄化量を増加させることができ、NOX選択還元触媒からNOXが流出することを抑制することができる。
本実施の形態においては、マップを用いて触媒金属の飛散量を推定した後に、NOX保持材に残存する触媒金属の量を推定しているが、この形態に限られず、任意の方法により、NOX保持材に残存する触媒金属の量を推定することができる。たとえば、NOX保持材の上流側と下流側とにNOXセンサを配置する。NOX保持材に流入するNOX量およびNOX保持材から流出するNOX量に基づいて、NOX保持材におけるNOXの浄化率を推定し、このNOXの浄化率からNOX保持材に残存する触媒金属の量を推定しても構わない。
その他の構成、作用および効果については、実施の形態1または2と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
実施の形態4
図22から図28を参照して、実施の形態4における内燃機関の排気浄化装置について説明する。本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、NOX保持材を備える(たとえば図1参照)。NOX保持材は、銀を含有する触媒金属を含む。本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、NOX保持材の触媒金属が飛散した場合に、機関本体から排出されるNOX量を減少させる制御を行う。
図22に、本実施の形態における第1の運転制御のフローチャートを示す。図22に示す第1の運転制御は、所定期間ごとに繰り返して行なうことができる。本実施の形態の第1の運転制御においては、NOX保持材の触媒金属が飛散し、さらに、NOX保持材の温度が所定の温度以下の場合に、機関本体から排出されるNOX量を減少させる制御を行う。
ステップ141においては、NOX保持材の触媒金属の量が予め定められた残存量判定値以下か否かが判別される。ステップ141において、NOX保持材の触媒金属の量が予め定められた残存量判定値よりも大きい場合には、この制御を終了する。触媒金属の量が予め定められた残存量判定値以下の場合には、ステップ142に移行する。
ステップ142においては、NOX保持材の温度が、予め定められた温度判定値以下であるか否かが判別される。
図23に、NOX保持材の床温とNOX保持可能量との関係を説明するグラフを示す。触媒金属の飛散量が零の時のグラフが一点鎖線で示されている。また、所定量の触媒金属が飛散した後のグラフが実線で示されている。
触媒金属が飛散することにより、NOX保持材が保持できる最大量であるNOX保持可能量が低下することが分かる。NOX保持可能量の低下は、NOX保持材の床温が低い領域において大きいことが分かる。本実施の形態においては、温度判定値を予め設けている。この温度判定値は、たとえば、所定量の触媒金属が飛散した時のNOX保持可能量が所定の値よりも小さくなる点を選定することができる。
図22を参照して、ステップ142において、NOX保持材の床温が排出NOX減少制御を行うための温度判定値よりも大きい場合には、この制御を終了する。NOX保持材の床温が、温度判定値以下の場合には、ステップ143に移行する。ステップ143においては、機関本体から排出されるNOX量を減少させる排出NOX減少制御を行う。本実施の形態における排出NOX減少制御では、機関本体の再循環率(EGR率)を増加させる。
図24は、機関本体の再循環率と機関本体から排出されるNOX量との関係を示すグラフである。横軸が再循環率であり、縦軸が単位時間あたりに機関本体から排出されるNOX量である。再循環率は、燃焼室に流入する全てのガスの流量に対する再循環排気ガスの流量の比である(再循環率=(再循環排気ガス量)/(再循環排気ガス量+吸入空気量))。排気ガスの比率が増加すると再循環率が増加する。再循環率が大きくなると機関本体から排出されるNOX量は減少することが分かる。
図1を参照して、本実施の形態においては、EGR通路18に配置されているEGR制御弁19の開度を開くことにより、再循環排気ガス量を増加させている。機関本体1から排出されるNOX量が少なくするために、NOX保持材13のNOXの浄化性能が低下した場合においても、NOX保持材13からNOXが流出することを抑制することができる。
図25に、本実施の形態における第1の運転制御のタイムチャートを示す。図25は、機関本体を始動した直後のタイムチャートである。例えば、機関本体1を始動した直後では、NOX保持材の床温が低温である。機関本体の始動と共に、徐々にNOX保持材の温度が上昇する。時刻t1において、NOX保持材の床温が、温度判定値に到達している。
図25に示す例では、NOX保持材は、触媒金属の量が予め定められた残存量判定値以下になっている。第1の運転制御において、時刻t1までは排出NOX減少制御を行なっている。すなわち、機関本体1の再循環率を増加させている。時刻t1までは再循環率を増加させているために、機関本体から排出されるNOX量を抑制することができる。時刻t1において、NOX保持材の床温が温度判定値に到達しているために、通常の運転時の再循環率に戻している。
このように、NOX保持材に残存する触媒金属の量が少なくなるほど、機関本体から排出されるNOX量を減少させることができる。本実施の形態においては、NOX保持材の触媒金属の量が残存量判定値以下になったときに、予め定められた量だけ再循環率を増加させているが、この形態に限られず、NOX保持材の触媒金属の量に応じて、機関本体から排出するNOX量を調整しても構わない。たとえば、複数の残存量判定値を設定し、NOX保持材の触媒金属の量が少なくなると共に、徐々に機関本体から排出されるNOX量を減少させる制御を行っても構わない。
本実施の形態における第1の運転制御においては、NOX保持材の床温が温度判定値以下になった場合に、排出NOX減少制御を行っている。第1の運転制御は、この形態に限られず、たとえば、複数の温度判定値を設定し、NOX保持材の床温が低下するとともに、徐々に、機関本体から排出されるNOX量を減少させる制御を行っても構わない。
図26に、本実施の形態における第2の運転制御のフローチャートを示す。図26に示す第2の運転制御は、例えば所定期間ごとに繰り返して行なうことができる。第2の運転制御においては、NOX保持材の触媒金属が飛散し、さらに、車速を加速する要求があった場合に、機関本体から排出されるNOX量を減少させる排出NOX減少制御を行う。
ステップ146においては、NOX保持材の触媒金属の量が残存量判定値以下か否かを判定する。ステップ146において、NOX保持材の触媒金属の量が残存量判定値よりも大きい場合には、この制御を終了する。ステップ146において、NOX保持材の触媒金属の量が残存量判定値以下の場合には、ステップ147に移行する。
ステップ147においては、車両の加速要求があるか否かが判定される。本実施の形態においては、アクセルペダルの踏込み量が踏込み量判定値以上であるか否かが判別される。図1を参照して、アクセルペダル40の踏込み量は、負荷センサ41にて検出することができる。アクセルペダル40の踏込み量が、踏込み量判定値よりも小さい場合には、この制御を終了する。アクセルペダルの踏込み量が、踏込み判定量以上の場合には、ステップ148に移行する。
ステップ148においては、排出NOX減少制御を行う。排出NOX減少制御としては、本実施の形態における第1の運転制御と同様に、機関本体の再循環率を増加させる制御を行うことにより、機関本体から排出されるNOX量を減少させる。
図27は、NOX保持材に流入するNOX量と、NOX保持材のNOX浄化率との関係を示すグラフである。触媒金属の飛散量が零の時のグラフを一点鎖線で、所定量の触媒金属が飛散した後のグラフを実線で示している。NOX保持材に流入するNOX量が少ない場合には、ほぼ一定のNOX浄化率を示す。しかしながら、NOX保持材に流入するNOX量が多くなると、NOX保持材の浄化速度が不十分になってNOXの浄化率は低くなる。また、触媒金属が飛散することにより、NOX浄化率が低下することが分かる。
加速要求があった場合には、単位時間当たりに排出されるNOX量が増加する。たとえば、機関本体の回転数が増加して、単位時間当たりに機関本体から排出されるNOX量が増加する。本実施の形態においては、アクセルペダルの踏込み量が踏込み量判定値以上になった場合に、機関本体から排出されるNOX量を減少させる制御を行なっている。
図28に、本実施の形態における第2の運転制御のタイムチャートを示す。時刻t1までは、通常の運転を行なっている。時刻t1から時刻t2までの期間では、アクセルペダルの踏込み量が大きくなっている。時刻t1から時刻t2まで、車速が増加している。
時刻t1において、アクセルペダルの踏込み量が踏込み量判定値以上になっている。アクセルペダル40を踏み込むことにより、スロットル弁10の開度が大きくなり、吸入空気量が増加する。このため再循環率は低下する。本実施の形態においては、再循環率の低下量が小さくなるように制御を行う。すなわち、排出NOX減少制御を行わない場合よりも再循環率が大きくなるように、時刻t1から時刻t2までの期間において、再循環率を増加させている。この制御を行なうことにより、機関本体から排出されるNOX量を少なくすることができ、NOX保持材からNOXが流出することを抑制できる。
本実施の形態における第2の運転制御においては、アクセルペダルの踏込み量が踏込み量判定値以上になった場合に、排出NOX減少制御を行っている。第2の運転制御は、この形態に限られず、たとえば、複数の踏込み量判定値を設定し、アクセルペダルの踏込み量が大きくなるほど、徐々に機関本体から排出されるNOX量を減少させる制御を行っても構わない。
本実施の形態における排気浄化装置は、NOX保持材から触媒金属が飛散し、NOX保持材からNOXが流出する虞がある運転状態のときに、機関本体から排出するNOX量を減少させている。この構成により、NOX保持材からNOXが流出することを抑制することができる。また、内燃機関の排気浄化装置からNOXが流出することを抑制することができる。
本実施の形態における排出NOX減少制御においては、機関本体における再循環率を増加させる制御を行なっているが、この形態に限られず、機関本体から排出されるNOXを減少させる任意の制御を行うことができる。例えば、燃焼室において燃料の噴射時期を遅角させても構わない。たとえば、主噴射の噴射時期を遅角させることにより、燃料が燃焼したときの燃焼温度が下がり、生成されるNOX量を減少させることができる。
また、本実施の形態においては、触媒金属が飛散した場合に、特定のNOX保持材から流出するNOX量が大きくなる運転状態のときに、機関本体から排出されるNOX量を減少させる制御を行なっているが、この形態に限られず、触媒金属が飛散した場合に、常時、排出NOX減少制御を行なっても構わない。例えば、触媒金属の飛散量に応じて、徐々に、機関本体から排出されるNOX量を減少させる制御を行なっても構わない。
本実施の形態においては、実施の形態1における内燃機関の排気浄化装置を例に取り上げて説明したが、この形態に限られず、NOX保持材を備える任意の内燃機関の排気浄化装置に適用することができる。
その他の構成、作用および効果については、実施の形態1から3のいずれかと同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの図において、同一または相当する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、請求の範囲に含まれる変更が意図されている。
1 機関本体
2 燃焼室
13 NOX保持材
14 NOX選択還元触媒
16 パティキュレートフィルタ
17 NOX吸蔵還元触媒
30 電子制御ユニット
48 触媒担体
49 触媒金属
2 燃焼室
13 NOX保持材
14 NOX選択還元触媒
16 パティキュレートフィルタ
17 NOX吸蔵還元触媒
30 電子制御ユニット
48 触媒担体
49 触媒金属
Claims (7)
- 機関排気通路に配置され、銀を含有する触媒金属を有し、流入する排気ガスの空燃比がリーンの時には排気ガス中に含まれるNOXを硝酸銀の形態で触媒金属に保持し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると保持したNOXを放出するNOX保持材を備え、
NOX保持材は、温度が上昇すると硝酸銀の形態で触媒金属の飛散が生じる飛散温度を有し、
NOX保持材の温度が飛散温度以上まで上昇する制御を行うべきときに、NOX保持材に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチにすることにより、NOX保持材に保持されたNOXを放出させることを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。 - NOX保持材の下流の機関排気通路に配置され、触媒金属およびNOXを保持するNOX吸収剤を含み、流入する排気ガスの空燃比がリーンの時には排気ガス中に含まれるNOXをNOX吸収剤に保持し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると保持したNOXを放出するNOX吸蔵還元触媒を備え、
NOX吸蔵還元触媒にはNOXと共にSOXが保持され、NOX吸蔵還元触媒の温度をSOX放出可能な温度まで上昇させると共に、NOX吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチにすることによりSOXを放出させる硫黄被毒回復制御を行なうべきときに、NOX保持材に保持されたNOXを放出させ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。 - 機関排気通路に配置され、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタを備え、
捕集した粒子状物質が燃焼する温度までパティキュレートフィルタの温度を上昇させる再生制御を行うべきときに、NOX保持材に保持されたNOXを放出させ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。 - NOX保持材から触媒金属が飛散したときのNOX保持材に残存する触媒金属の量を推定し、残存する触媒金属の量が少ないほど、機関本体から機関排気通路に排出されるNOX量を減少させる制御を行うことを特徴とする、請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- NOX保持材のNOXの保持量が予め定められた保持量判定値を超えた場合に、NOX保持材に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにすることによりNOXを放出させるように制御されており、
NOX保持材から触媒金属が飛散したときのNOX保持材に残存する触媒金属の量を推定し、残存する触媒金属の量が少ないほど、保持量判定値を小さくす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。 - NOX保持材の下流の機関排気通路に配置され、還元剤を供給することによりNOXを選択的に還元するNOX選択還元触媒を備え、
NOX保持材から触媒金属が飛散したときのNOX保持材に残存する触媒金属の量を推定し、残存する触媒金属の量が少ないほど、NOX選択還元触媒への還元剤の供給量を増加させ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。 - NOX保持材から触媒金属が飛散したときのNOX保持材に残存する触媒金属の量を推定し、残存する触媒金属の量に基づいてNOX保持材から流出するNOX量を推定す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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