JP5692393B2 - 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。
内燃機関の排気通路に吸蔵還元型NOx触媒(以下、NSR触媒ともいう。)を配置する技術が知られている。このNSR触媒は、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のNOxを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときは吸蔵していたNOxを還元する。
このNSR触媒には、燃料に含まれる硫黄成分が燃焼して生成される硫黄酸化物(SOx)もNOxと同様に吸蔵される。このように吸蔵されたSOxはNOxよりも放出されにくく、NSR触媒内に蓄積される。これを硫黄被毒という。この硫黄被毒によりNSR触媒でのNOx浄化率が低下するため、適宜の時期に硫黄被毒回復処理を施す必要がある。この硫黄被毒回復処理は、NSR触媒を高温にし、且つ酸素濃度を低下させた排気をNSR触媒に流通させて行われる。
このようにして、硫黄被毒の回復時において酸素濃度を低下させてリッチ空燃比となると、NSR触媒の下流にH2Sが流出して異臭が発生することがある。
ここで、硫黄被毒回復処理の際に目標空燃比をリッチ空燃比にしつつ、かつ所定の時期に短期間だけリーン空燃比にするリーンスパイクを実施することでH2Sの排出を抑制する技術が知られている(例えば、特許文献1参照。)。この技術では、硫黄成分の付着量の減少に伴ってリーンスパイクを実施する間隔を長くしている。
また、硫黄被毒回復処理時に二次空気を供給することで、H2Sを酸化させる技術が知られている(例えば、特許文献2参照。)。
また、減速フューエルカット中にスロットルを開いて触媒に空気を供給することで、触媒を酸化状態として、H2Sの発生を抑制する技術が知られている(例えば、特許文献3参照。)。
また、燃料カット運転の時間を長くすることで、H2Sの発生を抑制する技術が知られている(例えば、特許文献4参照。)。
また、フューエルカット制御を実行する際に排気浄化触媒が異臭を発生する状態にある場合には、排気浄化触媒に流入する空気流量がアイドル時よりも大きくなるように制御する技術が知られている(例えば、特許文献5参照。)。
ところで、硫黄被毒が発生するNSR触媒または三元触媒よりも下流側に、選択還元型NOx触媒(以下、SCR触媒ともいう。)を設けることができる。このSCR触媒は、還元剤によりNOxを選択還元する触媒である。そして、NSR触媒から流出するH2Sによって、SCR触媒に硫黄被毒が発生することがある。ここで、従来技術では、NSR触媒よりも下流側にSCR触媒を備えている場合の両触媒の硫黄被毒回復処理については言及されていない。このため、硫黄被毒回復が適切に行われない虞がある。このため、大気中へH2Sが放出されて異臭を放つ虞がある。また、NOx浄化率が低下する虞もある。
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、選択還元型NOx触媒よりも上流側に他の触媒を備えている場合に両触媒の硫黄被毒を適切に回復させることにある。
上記課題を達成するために本発明による内燃機関の排気浄化装置は、
内燃機関の排気通路に設けられてNH3を生成するNH3生成触媒と、
前記NH3生成触媒よりも下流の排気通路に設けられてNOxを選択還元する選択還元型NOx触媒と、
前記NH3生成触媒の硫黄被毒を回復させる上流側回復部と、
前記上流側回復部により前記NH3生成触媒の硫黄被毒が回復された後に、前記選択還元型NOx触媒の硫黄被毒を回復させる下流側回復部と、
を備える。
内燃機関の排気通路に設けられてNH3を生成するNH3生成触媒と、
前記NH3生成触媒よりも下流の排気通路に設けられてNOxを選択還元する選択還元型NOx触媒と、
前記NH3生成触媒の硫黄被毒を回復させる上流側回復部と、
前記上流側回復部により前記NH3生成触媒の硫黄被毒が回復された後に、前記選択還元型NOx触媒の硫黄被毒を回復させる下流側回復部と、
を備える。
NH3生成触媒は、例えば、H2やHCとNOとを反応させてNH3を生成する触媒である。また、NH3生成触媒は、排気中の硫黄成分により被毒する触媒である。ここで、上流側回復部がNH3生成触媒の硫黄被毒を回復するときに、条件によってはH2Sが発生する。このH2Sは、下流に備わる選択還元型NOx触媒に流入する。このH2Sは、選択還元型NOx触媒に吸着される。これにより、選択還元型NOx触媒においても、硫黄被毒が発生する。すなわち、H2Sの吸着量に応じてNH3を吸着可能な量が減少する。
そして、下流側回復部は、上流側回復部によりNH3生成触媒の硫黄被毒が回復された後に、選択還元型NOx触媒の硫黄被毒を回復させる。つまり、NH3生成触媒からH2Sが流出して、該H2Sが選択還元型NOx触媒に吸着されてから、該選択還元型NOx触媒の硫黄被毒が回復される。ここで、NH3生成触媒の硫黄被毒回復時には、NH3生成触媒の温度が上昇する。これにより、選択還元型NOx触媒の温度も上昇する。したがって、NH3生成触媒の硫黄被毒回復を行った後に、選択還元型NOx触媒の硫黄被毒回復を行うことにより、該選択還元型NOx触媒の温度が高い状態で硫黄被毒回復を行うことができる。これにより、選択還元型NOx触媒の硫黄被毒の回復を促進させることができる。
また、NH3触媒の硫黄被毒回復時に発生するH2Sを、選択還元型NOx触媒が吸着するため、該NH3触媒の硫黄被毒回復時においてH2Sによる異臭が発生することを抑制できる。そして、その後に、選択還元型NOx触媒を通過する排気の空燃比がリーン空燃比のときにH2SがSOxとなって排出されるため、異臭の発生が抑制される。さらに、NH3生成触媒の硫黄被毒を回復することで、NOxの吸蔵能が回復すると共にNH3の生成能が回復するため、選択還元型NOx触媒に還元剤としてNH3を供給することが可能となる。これにより、NOx浄化率を高めることができる。
なお、下流側回復部が選択還元型NOx触媒の硫黄被毒を回復させる時期は、上流側回復部によりNH3生成触媒の硫黄被毒が回復された直後としてもよい。また、この時期は、NH3生成触媒の硫黄被毒を回復した影響により、選択還元型NOx触媒の温度が、NH3生成触媒の硫黄被毒の回復を開始する前よりも高くなっているときとしてもよい。さらに、NH3生成触媒の硫黄被毒を回復した影響が、NH3生成触媒または選択還元型NOx触媒に残っているときとしてもよい。上流側回復部による硫黄被毒の回復と、下流側回復部による硫黄被毒の回復と、が連続して行われてもよく、また、ある程度の間隔を置いて行ってもよい。
また、本発明においては、前記下流側回復部は、前記上流側回復部が前記NH3生成触媒の硫黄被毒を回復したときに上昇した前記選択還元型NOx触媒の温度が、該NH3生成触媒の硫黄被毒を回復させた後に下降することを抑制してもよい。
例えば、下流側回復部は、NH3生成触媒の硫黄被毒の回復が完了したときのNH3生成触媒または選択還元型NOx触媒の温度をそのまま維持する。また、例えば、下流側回復部は、NH3生成触媒の硫黄被毒を回復させたときに上昇したNH3生成触媒または選択還元型NOx触媒の温度が、NH3生成触媒の硫黄被毒を回復させる前の温度まで下降するまでの時間を長くする。また、例えば、下流側回復部は、NH3生成触媒の硫黄被毒を回復させたときのNH3生成触媒または選択還元型NOx触媒の温度よりも、その後の温度を高くする。
ここで、選択還元型NOx触媒の温度が高いほど、選択還元型NOx触媒の硫黄被毒の回復を促進させることができる。また、NH3生成触媒の温度が高いほど、選択還元型NOx触媒の温度も高くなるため、選択還元型NOx触媒の硫黄被毒の回復を促進させることができる。したがって、NH3生成触媒の硫黄被毒を回復させた後に、NH3生成触媒または選択還元型NOx触媒の温度が下降することを抑制することで、選択還元型NOx触媒の硫黄被毒の回復を促進させることができる。また、このときに理論空燃比またはリーン空燃比とすることで、H2SがSOxへと変化するので、H2Sが大気中に放出されることを抑制できる。
また、本発明においては、前記下流側回復部は、前記上流側回復部により前記NH3生成触媒の硫黄被毒が回復された後の所定期間に前記選択還元型NOx触媒に流入する酸素量を、該所定期間以降に前記選択還元型NOx触媒に流入する酸素量よりも多くして硫黄被毒の回復を行うことができる。
この所定期間は、選択還元型NOx触媒にH2Sが吸着されている期間、または、選択還元型NOx触媒に吸着されているH2Sが許容範囲内になるまで減少するのに要する期間としてもよい。また、所定期間を、H2Sの排出量が許容範囲内となるまでに要する期間としてもよい。また、所定期間の始まりは、上流側回復部によりNH3生成触媒の硫黄被毒が回復された直後としてもよく、NH3生成触媒の硫黄被毒が回復されてから間隔を置いた時点としてもよい。ここで、選択還元型NOx触媒に流入する酸素量が多いほど、H2SがSOxへと変わり易くなる。このため、選択還元型NOx触媒に流入する酸素量を多くすることで、異臭の発生を抑制できる。また、選択還元型NOx触媒がNH3を早期に吸着することができる。
なお、上流側回復部による硫黄被毒の回復が完了してからの所定期間に選択還元型NOx触媒へ流入する酸素量の合計が、それに続く同じ期間に選択還元型NOx触媒へ流入する酸素量の合計よりも多くなるようにしてもよい。また、上流側回復部による硫黄被毒の回復が完了してからの所定期間に選択還元型NOx触媒へ流入する単位時間当たりの酸素量が、それ以降に選択還元型NOx触媒へ流入する単位時間当たりの酸素量よりも多くなるようにしてもよい。
また、本発明においては、前記下流側回復部は、前記所定期間では、該所定期間以降よりも、排気の空燃比を高くすることができる。
すなわち、排気の空燃比を高くすることにより、多くの酸素を選択還元型NOx触媒へ流入させることができる。
また、本発明においては、前記下流側回復部は、前記所定期間では、該所定期間以降よりも、前記内燃機関の吸入空気量を多くすることができる。
すなわち、吸入空気量を多くすることにより、空燃比は同じであっても、多くの酸素を選択還元型NOx触媒へ流入させることができる。
また、本発明においては、前記下流側回復部は、前記上流側回復部により前記NH3生成触媒の硫黄被毒が回復されてから、前記NH3生成触媒へ還元剤を最初に供給するまでの期間を、2回目以降の還元剤の供給間隔よりも長くすることができる。
たとえば、NH3生成触媒が吸蔵還元型NOx触媒の場合には、吸蔵されているNOxを還元するために還元剤が供給される。この還元剤は、NOxの吸蔵量が閾値以上となった場合に供給されるか、又は、規定の時間ごとに供給される。したがって、硫黄被毒回復が完了した後にNOxの吸蔵量が閾値以上となった場合、または、規定の時間が経過した場合には、還元剤が供給される。この還元剤の供給により空燃比が低下すると、選択還元型NOx触媒からH2Sが脱着し、しかもSOxへ変わらないまま排出され得る。
これに対し、下流側回復部は、NH3生成触媒へ還元剤を最初に供給するまでの期間を長くする。これにより、上流側回復部による硫黄被毒の回復が完了した後の所定期間に選択還元型NOx触媒に流入する酸素量を、該所定期間以降に前記選択還元型NOx触媒に流入する酸素量よりも多くすることができる。なお、所定期間内では、還元剤の供給を行わないようにしてもよい。
また、本発明においては、前記選択還元型NOx触媒が卑金属を含んで構成されていてもよい。
このような選択還元型NOx触媒では、H2Sを吸着し、その後のリーン空燃比のときにH2SをSOxへ変化させて排出することができる。卑金属は、例えば、CuまたはFe、Caとしてもよい。これにより、選択還元型NOx触媒よりも下流に排出される単位時間当たりのH2S量の最大値を小さくすることができるため、異臭の発生を抑制できる。
本発明によれば、選択還元型NOx触媒よりも上流側に他の触媒を備えている場合に両触媒の硫黄被毒を適切に回復させることができる。
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。
図1は、本実施例に係る内燃機関と、その吸気系及び排気系との概略構成を示す図である。図1に示す内燃機関1は、ガソリン機関であるが、ディーゼル機関であってもよい。内燃機関1は、たとえば車両に搭載される。
内燃機関1には、排気通路2が接続されている。この排気通路2の途中には、上流側から順に、三元触媒3、吸蔵還元型NOx触媒4(以下、NSR触媒4という。)、選択還元型NOx触媒5(以下、SCR触媒5という。)が備えられている。
三元触媒3は、触媒雰囲気が理論空燃比のときにNOx,HCおよびCOを最大効率で浄化する。また、三元触媒3は、酸素ストレージ能を有している。すなわち、流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときに過剰分の酸素を吸蔵し、流入する排気の空燃比がリッチ空燃比であるときに不足分の酸素を放出することにより、排気を浄化する。
このような酸素ストレージ能の作用により、三元触媒3がHC,COおよびNOxを理論空燃比以外であっても浄化することができる。すなわち、酸素ストレージ能の作用により、三元触媒3がHC,COおよびNOxを所定の割合以上で浄化可能な空燃比の幅(浄化ウィンドウとも称す)を拡げることが可能となる。
また、NSR触媒4は、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のNOxを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときは吸蔵していたNOxを還元する機能を有する。NSR触媒4に供給する還元剤には、内燃機関1から排出される未燃燃料であるHCまたはCOを利用することができる。
なお、三元触媒3またはNSR触媒4を排気が通過するときに、排気中のNOxがHCまたはH2と反応してアンモニア(NH3)が生成されることがある。すなわち、本実施例においては三元触媒3またはNSR触媒4が、本発明におけるNH3生成触媒に相当する。なお、本実施例においては、NH3生成触媒として三元触媒3またはNSR触媒4を使用しているが、これに代えて、NH3を生成可能で且つ排気中の硫黄成分により被毒するような他の排気浄化触媒を使用してもよい。
SCR触媒5は、還元剤を吸着しておき、NOxが通過するときに、吸着していた還元剤によりNOxを選択還元する機能を有する。SCR触媒5は、ゼオライトにCuまたはFeなどの卑金属を含んで構成される。SCR触媒5には、例えば、Cu/MFIまたはFe/MFIを使用することができる。SCR触媒5へ供給する還元剤には、三元触媒3またはNSR触媒4にて生成されるNH3を利用することができる。
また、三元触媒3よりも下流で且つNSR触媒よりも上流の排気通路2には、排気の温度を検出する第一温度センサ11と、排気の空燃比を検出する空燃比センサ12と、が取り付けられている。なお、第一温度センサ11により三元触媒3の温度、または、NSR触媒4の温度を検出することができる。また、空燃比センサ12により、内燃機関1の排気の空燃比、または、NSR触媒4に流入する排気の空燃比を検出することができる。
また、NSR触媒4よりも下流で且つSCR触媒5よりも上流の排気通路2には、排気の温度を検出する第二温度センサ13が取り付けられている。なお、第二温度センサ13によりNSR触媒4の温度、または、SCR触媒5の温度を検出することができる。
また、SCR触媒5よりも下流の排気通路2には、排気の温度を検出する第三温度センサ14が取り付けられている。なお、第三温度センサ14によりSCR触媒5の温度を検出することができる。
なお、上記センサは、全て取り付ける必要はなく、適宜選択して取り付けてもよい。
また、内燃機関1には、内燃機関1へ燃料を供給する噴射弁6が取り付けられている。
一方、内燃機関1には、吸気通路7が接続されている。吸気通路7の途中には、内燃機関1の吸入空気量を調整するスロットル8が設けられている。また、スロットル8よりも上流の吸気通路7には、内燃機関1の吸入空気量を検出するエアフローメータ15が取り付けられている。
以上述べたように構成された内燃機関1には、該内燃機関1を制御するための電子制御ユニットであるECU10が併設されている。このECU10は、内燃機関1の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関1を制御する。
また、ECU10には、上記センサの他、運転者がアクセルペダル16を踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し機関負荷を検知するアクセル開度センサ17、および機関回転数を検知するクランクポジションセンサ18が電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がECU10に入力される。
一方、ECU10には、噴射弁6及びスロットル8が電気配線を介して接続されており、該ECU10により噴射弁6の開閉時期及びスロットル8の開度が制御される。
例えばECU10は、アクセル開度センサ17により検出されるアクセル開度とクランクポジションセンサ18により検出される機関回転数とから要求吸入空気量を決定する。そして、要求吸入空気量を実現するように、スロットル8の開度が制御される。このときに変化する吸入空気量に応じた燃料噴射量を供給するように噴射弁6を制御する。このときに設定される空燃比は、例えば25であり、以下では通常の空燃比と称する。この通常の空燃比は、内燃機関1の運転状態に応じて設定される空燃比である。本実施例に係る内燃機関1は、リッチスパイク時及び硫黄被毒回復時以外にはリーンバーン運転がなされているため、通常の空燃比はリーン空燃比である。
また、ECU10は、NSR触媒4に吸蔵されているNOxの還元処理を実施する。NSR触媒4に吸蔵されているNOxの還元時には、噴射弁6から噴射する燃料の量またはスロットル8の開度を調整することにより、NSR触媒4に流入する排気の空燃比を所定のリッチ空燃比まで低下させる所謂リッチスパイクを実施する。
このリッチスパイクは、NSR触媒4に吸蔵されているNOx量が所定量となった場合に実施される。NSR触媒4に吸蔵されているNOx量は、たとえば、NSR触媒4に流入するNOx量と、NSR触媒4から流出するNOx量と、の差を積算することにより算出される。NSR触媒4に流入するNOx量と、NSR触媒4から流出するNOx量とは、センサを取り付けることにより検出できる。また、所定の時間または所定の走行距離ごとにリッチスパイクを実施してもよい。
また、NSR触媒4を硫黄被毒から回復させるために、ECU10は、NSR触媒4の硫黄被毒回復処理を実施する。この硫黄被毒回復処理は、NSR触媒4の温度を硫黄被毒回復に必要となる温度(例えば650℃以上)まで上昇させた後に、空燃比を所定のリッチ空燃比(例えば25)とすることにより実施される。なお、NSR触媒4の温度を上昇させているときには、リーン空燃比となるように、噴射弁6からの燃料噴射量またはスロットル8の開度を決定してもよい。
なお、硫黄被毒回復時の空燃比と、NOx還元時(リッチスパイク時)の空燃比とは、同じ値であってもよく、異なる値であってもよい。また、リッチスパイク時の空燃比を、理論空燃比以下で且つ14.3よりも高い値としてもよい。硫黄被毒回復時の空燃比、及びNOx還元時(リッチスパイク時)の空燃比は、三元触媒3の浄化ウィンドウ内の空燃比とする。そして、硫黄被毒回復処理は例えば10分間行われる。この時間は、硫黄被毒回復処理が完了するまでの時間として予め設定される。なお、NSR触媒4から硫黄成分を全て放出させる必要はない。
そして、硫黄被毒回復処理が完了した後には、通常の空燃比に戻される。通常とは、リッチスパイクまたは硫黄被毒回復が行われていないときをいう。また、通常の空燃比は、前記したように、内燃機関1の運転状態に応じて設定される空燃比であり、リッチスパイクまたは硫黄被毒回復が行われていないときの空燃比である。
すなわち、ECU10は、硫黄被毒回復またはNOx還元を行わないときには空燃比を25とし、硫黄被毒回復時またはNOx還元時に空燃比をリッチとする。
ところで、NSR触媒4よりも下流側にSCR触媒5を備えている場合には、NSR触媒4の硫黄被毒が発生したときであっても、SCR触媒5でNOxを還元できる。このため、排気浄化装置全体としてのNOx浄化率の低下が、SCR触媒5を備えていない場合よりも小さい。ここで、NSR触媒4に硫黄被毒が発生しても、該NSR触媒4にてNOxと還元剤とが反応して発生するNH3がSCR触媒5において還元剤として利用される。すなわち、NH3により、SCR触媒5にてNOxが浄化される。しかし、NSR触媒4に硫黄被毒が発生すると、NOxの吸蔵能が低下するだけでなく、NH3の生成能も低下することが判明した。したがって、NSR触媒4の硫黄被毒が発生すると、SCR触媒5におけるNOx浄化率も低下する虞がある。
ここで、NSR触媒4の硫黄被毒回復時には、内燃機関1が例えば14.3のリッチ空燃比で運転されるように、ECU10が噴射弁6またはスロットル8を制御する。このときに空燃比のばらつきが生じて、空燃比が例えば14以下になると、NSR触媒4から脱着した硫黄成分がH2Sへと変化する虞がある。このH2Sがそのまま大気中に放出されると異臭が発生するので、好ましくない。
これに対し本実施例では、NSR触媒4よりも下流にSCR触媒5を備えている。このSCR触媒5は、H2Sを吸着する。SCR触媒5が吸着したH2Sは、内燃機関1がリーン空燃比で運転されるときにSCR触媒5から脱着し、排気中の酸素によりSOxへと変化して大気中へ放出される。
ここで、図2は、H2S質量、およびSOxとH2Sとを合わせた質量の推移を示したタイムチャートである。Aで示される時点よりも前では、リーン空燃比であり、Aで示される時点よりも後では、空燃比が例えば12のリッチ空燃比である。Aで示される時点よりも後の空燃比は、硫黄被毒回復処理を実施しているときよりもリッチ側の空燃比であり、実験のために積極的にH2Sを発生させるための空燃比である。実線は、SCR触媒5から流出する単位時間当たりのH2S質量を示している。また、一点鎖線は、SCR触媒5に流入する単位時間当たりのH2S質量を示している。なお、一点鎖線は、NSR触媒4から流出する単位時間当たりのH2S質量としてもよいし、SCR触媒5を備えていない場合に排気通路2を通過する単位時間当たりのH2S質量としてもよい。また、二点鎖線は、NSR触媒4から単位時間当たりに流出するSOxとH2Sとを合わせた質量を示している。なお、ここでは、SCR触媒5にCu/MFIを使用している。
図2において、二点鎖線と一点鎖線との差は、SO2及びSO3の質量とすることができる。また、図2において、一点鎖線と実線との差は、SCR触媒5が吸着したH2Sの質量とすることができる。すなわち、排気がSCR触媒5を通過することにより、H2S質量が減少する。このH2Sの減少分は、SCR触媒5が吸着していると考えられる。このように、Cu/MFIのようなCuを含んで構成されるSCR触媒5を使用した場合には、NH3だけでなく、H2Sも吸着されることが判明した。
次に、図3は、SCR触媒5にFe/MFIを使用した場合の、H2S質量の推移を示したタイムチャートである。実線,一点鎖線及び二点鎖線の意味は、図2と同じである。
図3において、実線と一点鎖線とを比較すると、一点鎖線の最大値よりも実線の最大値のほうが小さいことが判る。すなわち、排気がSCR触媒5を通過すると、H2S質量の最大値が小さくなる。これは、SCR触媒5にH2Sが吸着されることを意味する。しかし、実線が最大値となった後では、一点鎖線よりも実線のほうが大きいことが判る。すなわち、H2S質量が最大値となった後では、SCR触媒5よりも下流のH2S質量のほうが、上流のH2S質量よりも大きくなっている。このように、一点鎖線よりも実線のほうが大きな場合には、SCR触媒5からH2Sが脱着していると考えられる。
すなわち、Fe/MFIのようなFeを含んで構成されるSCR触媒5を用いた場合には、SCR触媒5にH2Sが吸着されても、このH2Sは、その後に脱着すると考えられる。このため、SCR触媒5から流出するH2S質量の低減効果は小さい。ただし、SCR触媒5がH2Sを一旦吸着することにより、H2S質量の最大値を小さくすることができるため、異臭を抑える効果はある。
なお、SCR触媒5に吸着されているH2Sは、リーン空燃比にて内燃機関1を運転したときに、排気中の酸素によりSOxとなり、該SCR触媒5から流出する。これにより、異臭の発生を抑制できる。
ところで、NSR触媒4の硫黄被毒回復処理を実施する機会が多い場合には、H2Sが発生する可能性も高くなる。しかも、NSR触媒4の硫黄被毒回復処理を実施する度に、H2SがSCR触媒5に吸着されると、その分、SCR触媒5にNH3が吸着され難くなる。すなわち、SCR触媒5において、NH3を吸着する細孔に、NH3よりも先にH2Sを吸着してしまうと、NH3を吸着できなくなる。そして、SCR触媒5におけるH2Sの吸着量が多くなると、NOx還元のためのNH3が不足して、NOxの浄化率が低下する虞がある。
そこで本実施例では、NSR触媒4の硫黄被毒回復処理を実施した後に、SCR触媒5からH2Sを脱着させる。ここで、SCR触媒5へ多くの酸素を供給することで、SCR触媒5が吸着しているH2SをSOxとして排出させることができる。例えば、NSR触媒4の硫黄被毒回復処理の完了直後では、空燃比を26とし、SCR触媒5からH2Sが除去されるのに要する時間が経過した後に、空燃比を通常の25とする。すなわち、NSR触媒4の硫黄被毒回復処理の完了直後の空燃比を、通常の空燃比よりも高くする。また、例えば、NSR触媒4の硫黄被毒回復処理が完了してから1回目のリッチスパイクを行うまでの間の内燃機関1の吸入空気量を、1回目のリッチスパイクを行った後よりも増加することで、SCR触媒5を通過する排気のSVを増加させてもよい。これらにより、所定期間にSCR触媒5に流入する酸素の量が増加するため、H2SをSOxとして速やかに脱着させることができる。
また、NSR触媒4の硫黄被毒回復処理が完了してから、1回目のリッチスパイクを行うまでの間隔を、2回目以降のリッチスパイクの間隔よりも長くしてもよい。すなわち、1回目のリッチスパイクを行うまでの時間が長くなることにより、SCR触媒5へより多くの酸素を供給することができるため、H2SをSOxとして速やかに脱着させることができる。また、例えば、NSR触媒4の硫黄被毒回復処理が完了してから、H2Sが除去されるのに要する時間が経過するまでは、リッチスパイクを禁止してもよい。
ここで、図4は、NSR触媒4の硫黄被毒回復処理を実施しているときの空燃比及びNSR触媒4から流出するSOxの質量の推移を示したタイムチャートである。硫黄被毒回復処理は、およそ10分間行われる。このときの空燃比は、例えば14.3である。硫黄被毒回復処理が完了するときには、NSR触媒4から流出するSOxの質量は比較的小さくなっている。その後に、SCR触媒5からH2Sを除去する。
図5は、NSR触媒4の硫黄被毒回復処理から十分な時間が経過しているときの空燃比の推移を示したタイムチャートである。なお、この空燃比はセンサにより検出される値としてもよく、ECU10により設定される目標値としてもよい。図5及び後述の図6,7においては、時刻が0のときに、NSR触媒4の硫黄被毒回復処理が完了している。図5は、NSR触媒4の硫黄被毒回復処理から十分な時間が経過しているためにSCR触媒5にH2Sがほとんど吸着されていない状態のときの空燃比の推移を示している。すなわち、H2Sを脱着させるための制御を行っていないときの空燃比の推移である。図5において、リッチスパイクを行っていないときの空燃比は例えば25であり、このときの吸入空気量は例えば40g/sである。このときの空燃比は、前記通常の空燃比である。
図6は、NSR触媒4の硫黄被毒回復処理の完了直後の所定期間であってリッチスパイクを行っていないときに空燃比を26としたときの空燃比の推移を示したタイムチャートである。すなわち、NSR触媒4の硫黄被毒回復処理から十分な時間が経過しているときと比較して、空燃比が高くされる。空燃比を高くする期間は、SCR触媒5からH2Sを除去するまでに要する期間として予め実験等により求めることができる。なお、吸入空気量は、図5の場合と同じである。このように、所定期間に空燃比を高くすることで、SCR触媒5に、より多くの酸素が供給されることになるため、H2SをSOxとして脱着させることができる。
図7は、NSR触媒4の硫黄被毒回復処理の完了直後の所定期間であって、リッチスパイクを行っていないときに吸入空気量を45g/sとしたときの空燃比の推移を示したタイムチャートである。すなわち、NSR触媒4の硫黄被毒回復処理から十分な時間が経過しているときと比較して、吸入空気量が増加される。吸入空気量を増加する期間は、SCR触媒5からH2Sを除去するまでに要する期間として予め実験等により求めることができる。また、吸入空気量を増加する期間は、NSR触媒4の硫黄被毒回復処理が完了してから1回目のリッチスパイクが行われるまでの期間としてもよい。なお、空燃比は、図5と同じ25である。このように、所定期間に吸入空気量を増加することで、SCR触媒5に、より多くの酸素が供給されることになるため、H2SをSOxとして脱着させることができる。
このように、空燃比を高くしたり、または、吸入空気量を増加したりすることで、SCR触媒5に酸素をより多く供給することができる。これにより、H2Sを速やかにSOxとして脱着させることができる。また、NOxの還元に必要となるNH3をSCR触媒5が吸着することが可能となるため、NOxの浄化率を高めることができる。なお、空燃比は、噴射弁6から噴射する燃料の量またはスロットル8の開度を調整することにより変更することができる。また、吸入空気量は、スロットル8の開度を調整することにより変更することができる。なお、吸入空気量を増加させるときに空燃比を変更しない場合には、吸入空気量に応じて燃料噴射量が増加される。
次に、図8は、本実施例に係る空燃比制御のフローを示したフローチャートである。本ルーチンは、ECU10により所定の時間ごとに実行される。
ステップS101では、硫黄被毒回復処理を実施する時期であるか否か判定される。この硫黄被毒回復処理は、NSR触媒4の硫黄被毒を回復させるための処理である。本ステップでは、NSR触媒4に吸蔵されているSOxにより、NSR触媒4におけるNOxの浄化率が許容範囲未満となる虞があるか否か判定してもよい。ここで、NSR触媒4に吸蔵されているSOxの質量を検出することは困難な場合もある。このため、例えば、前回の硫黄被毒回復処理から内燃機関1の運転時間が規定時間以上となったときに硫黄被毒回復処理を実施する時期であると判定してもよい。また、内燃機関1が搭載されている車両の走行距離が規定距離に達する毎に硫黄被毒回復処理を実施する時期であると判定してもよい。また、例えば、NSR触媒4に吸蔵されているSOxの量を推定し、該SOxの量が閾値以上であるか否か判定してもよい。このSOxの量は、周知の技術により推定してもよい。
そして、ステップS101で肯定判定がなされた場合には、ステップS102へ進む。一方、ステップS101で否定判定がなされた場合には、NSR触媒4の硫黄被毒回復処理を実施する必要はないため、本ルーチンを終了させる。
ステップS102では、NSR触媒4に対して硫黄被毒回復処理が実施される。まず、NSR触媒4の温度を、硫黄被毒回復に必要な温度(例えば650℃)まで上昇させる。なお、NSR触媒4の温度を上昇させるときには、リーン空燃比としてもよい。その後、SOxを放出するのに適した所定のリッチ空燃比(例えば14.3)とする。なお、本実施例においてはステップS102を処理するECU10が、本発明における上流側回復部に相当する。
ステップS103では、NSR触媒4の硫黄被毒回復処理が完了したか否か判定される。例えば、NSR触媒4の硫黄被毒回復処理が開始されてからの経過時間が規定時間以上となると、NSR触媒4の硫黄被毒回復処理が完了したと判定される。ステップS103で肯定判定がなされた場合には、ステップS104へ進む。一方、ステップS103で否定判定がなされた場合には、ステップS102へ戻り、NSR触媒4の硫黄被毒回復処理が継続される。
ステップS104では、H2S除去処理が実施される。H2S除去処理は、SCR触媒5からH2Sを除去するための処理である。これは、SCR触媒5の硫黄被毒を回復するための処理ともいえる。本ステップでは、SCR触媒5が吸着しているH2Sを速やかに放出させるための処理が実施される。すなわち、空燃比を高くするか、または、吸入空気量を多くする。なお、NSR触媒4の硫黄被毒回復処理が完了してから1回目のリッチスパイクを行うまでの時間を延長してもよい。すなわち、1回目のリッチスパイクを行うまでに、より多くの酸素がSCR触媒5へ供給されればよい。ここで、SCR触媒4がH2Sを吸着している状態でリッチスパイクが行われると、H2SがSOxへ変化しないまま大気中に放出される虞があるため、これを抑制する。H2S除去処理は、ステップS102の硫黄被毒回復処理と連続して行ってもよく、間隔を置いて行ってもよい。なお、本実施例においてはステップS104を処理するECU10が、本発明における下流側回復部に相当する。
ステップS105では、H2S除去処理が完了したか否か判定される。例えば、H2S除去処理が開始されてからの経過時間が規定時間以上となると、H2S除去処理が完了したと判定される。この所定時間は、実験等により求めておく。ステップS105で肯定判定がなされた場合には、ステップS106へ進む。一方、ステップS105で否定判定がなされた場合には、ステップS104へ戻り、H2S除去処理が継続される。
ステップS106では、通常の制御が行われる。ここでいう通常の制御とは、通常の空燃比にて内燃機関1が運転され、NSR触媒4に吸蔵されているNOx量が閾値以上となるとリッチスパイクが行われることをいう。
以上説明したように本実施例によれば、NSR触媒4の硫黄被毒回復処理を実施した後すぐにSCR触媒5からH2Sを除去することができる。これにより、NOx浄化率の低下を抑制することができる。
また、硫黄被毒回復処理によりNSR触媒4におけるNH3の生成能が回復するので、SCR触媒5において還元剤が不足することを抑制できるため、NOx浄化率の低下を抑制できる。
また、SCR触媒5にH2Sを吸着させ、その後にSOxとして排出させることができる。このため、SCR触媒5よりも下流側に流出するH2Sの濃度を低減することができるので、異臭の発生を抑制できる。
ところで、Cu/MFIのようなCuを含んで構成されるSCR触媒5の場合には、CuとH2Sとが反応して硫酸銅となる。この硫酸銅は、水溶性であるため、排気中の水分によりSCR触媒5からCuが失われる虞がある。これに対し、H2Sを速やかに除去することにより、SCR触媒5からCuが失われることを抑制できるので、NOxの浄化率が低下することを抑制できる。
このように、本実施例によれば、NSR触媒4及びSCR触媒5の硫黄被毒を適切に回復させることができる。
本実施例では、NSR触媒4の硫黄被毒回復処理が完了した後に、NSR触媒4またはSCR触媒5の温度の下降を抑制する。ここで、NSR触媒4の硫黄被毒回復処理を行うときには、NSR触媒4の温度を上昇させている。すなわち、NSR触媒4の温度が、硫黄被毒回復処理を行う前よりも高くなる。そして、NSR触媒4の温度が高くなれば、その下流のSCR触媒5の温度も高くなる。これにより、SCR触媒5からのH2Sの脱着が促進される。その他の装置などは実施例1と同じため説明を省略する。
なお、本実施例では、NSR触媒4の硫黄被毒回復処理が完了したときのNSR触媒4またはSCR触媒5の温度をそのまま維持してもよい。また、NSR触媒4またはSCR触媒5の温度が下降する速度を遅くしてもよい。さらに、NSR触媒4またはSCR触媒5の温度を、NSR触媒4の硫黄被毒回復処理を行う前よりも高い温度で維持してもよい。また、NSR触媒4の硫黄被毒回復処理が完了したときよりも、NSR触媒4またはSCR触媒5の温度を高くしてもよい。また、NSR触媒4の硫黄被毒回復処理が完了してNSR触媒4またはSCR触媒5の温度が下降した後に、再度上昇させてもよい。
例えば、NSR触媒4またはSCR触媒5の温度を、該SCR触媒5からH2Sを脱着させる温度として十分な温度(例えば650℃)としてもよい。また、例えば、NSR触媒4の硫黄被毒回復処理を行わなかった場合にはNSR触媒4の温度が420℃となる運転状態において、それよりも高い450℃のまま維持してもよい。
なお、燃料噴射量を増量させたり、バルブタイミングまたはバルブリフト量を変更したりして、NSR触媒4またはSCR触媒5の温度の下降を抑制できる。さらに、電気ヒータを用いてNSR触媒4またはSCR触媒5を加熱してもよい。また、例えば、EGR装置を備えている場合には、EGRガスの供給を停止させることで、NSR触媒4またはSCR触媒5の温度の下降を抑制できる。また、空燃比を通常の空燃比よりも低くすること、または、点火時期を遅らせることにより、NSR触媒4またはSCR触媒5の温度の下降を抑制できる。
このようにして、SCR触媒5の温度の下降を抑制できる。ここで、SCR触媒5の温度が高いほど、該SCR触媒5からH2Sが脱着し易くなる。そして、理論空燃比またはリーン空燃比であれば、H2SがSOxへと変化するため、大気中へH2Sが排出されることを抑制できる。なお、実施例1で説明したようなSCR触媒5へより多くの酸素を供給する制御を併用すれば、より速やかにH2SをSOxとして排出させることができる。
なお、本実施例では排気浄化装置をガソリン機関に適用した例について説明しているが、ディーゼル機関に適用することもできる。なお、ディーゼル機関に適用した場合には、主噴射量の変更、主噴射時期の変更、アフター噴射の追加、アフター噴射時期の変更、ポスト噴射の追加、ポスト噴射時期の変更の少なくとも1つを実施することで、NSR触媒4またはSCR触媒5の温度の下降を抑制できる。また、ディーゼル機関の場合には、排気中に燃料を添加してもよく、バーナーや電気ヒータによりNSR触媒4またはSCR触媒5を加熱してもよい。
そして、本実施例では、実施例1の図8に示したフローのステップS104において、H2S除去処理として、NSR触媒4またはSCR触媒5の温度の下降を抑制する。このときに、実施例1で説明したステップS104の処理を併せて実施してもよい。なお、本実施例においてはステップS104を処理するECU10が、本発明における下流側回復部に相当する。
以上説明したように本実施例によれば、NSR触媒4の硫黄被毒回復時に上昇した温度が、その後に下降することを抑制して、SCR触媒5からH2Sを速やかに脱着させることができる。これにより、NOx浄化率の低下を抑制することができる。
また、硫黄被毒回復処理によりNSR触媒4におけるNH3の生成能が回復するので、SCR触媒5において還元剤が不足することを抑制できるため、NOx浄化率の低下を抑制できる。
また、SCR触媒5にH2Sを吸着させ、その後にSOxとして排出させることができる。このため、SCR触媒5よりも下流側に流出するH2Sの濃度を低減することができるので、異臭の発生を抑制できる。
さらに、SCR触媒5からCuが失われることを抑制できるので、NOxの浄化率が低下することを抑制できる。
このように、本実施例によれば、NSR触媒4及びSCR触媒5の硫黄被毒を適切に回復させることができる。
1 内燃機関
2 排気通路
3 三元触媒
4 吸蔵還元型NOx触媒(NSR触媒)
5 選択還元型NOx触媒(SCR触媒)
6 噴射弁
7 吸気通路
8 スロットル
10 ECU
11 第一温度センサ
12 空燃比センサ
13 第二温度センサ
14 第三温度センサ
15 エアフローメータ
16 アクセルペダル
17 アクセル開度センサ
18 クランクポジションセンサ
2 排気通路
3 三元触媒
4 吸蔵還元型NOx触媒(NSR触媒)
5 選択還元型NOx触媒(SCR触媒)
6 噴射弁
7 吸気通路
8 スロットル
10 ECU
11 第一温度センサ
12 空燃比センサ
13 第二温度センサ
14 第三温度センサ
15 エアフローメータ
16 アクセルペダル
17 アクセル開度センサ
18 クランクポジションセンサ
Claims (8)
- 内燃機関の排気通路に設けられてNH3を生成するNH3生成触媒と、
前記NH3生成触媒よりも下流の排気通路に設けられてNOxを選択還元する選択還元型NOx触媒と、
前記NH3生成触媒の硫黄被毒を回復させる上流側回復部と、
前記上流側回復部により前記NH3生成触媒の硫黄被毒が回復された後に、前記選択還元型NOx触媒の硫黄被毒を回復させる下流側回復部と、
を備え、
前記下流側回復部は、前記上流側回復部により前記NH 3 生成触媒の硫黄被毒が回復された後の所定期間に前記選択還元型NOx触媒に流入する酸素量を、該所定期間以降に前記選択還元型NOx触媒に流入する酸素量よりも多くして硫黄被毒の回復を行う内燃機関の排気浄化装置。 - 内燃機関の排気通路に設けられてNH 3 を生成するNH 3 生成触媒と、
前記NH 3 生成触媒よりも下流の排気通路に設けられてNOxを選択還元する選択還元型NOx触媒と、
前記内燃機関をリッチ空燃比で運転させることで前記NH 3 生成触媒の硫黄被毒を回復させる上流側回復部と、
前記上流側回復部により前記NH 3 生成触媒の硫黄被毒が回復された後に、前記内燃機関をリーン空燃比で運転させることで前記選択還元型NOx触媒の硫黄被毒を回復させる下流側回復部と、
を備える内燃機関の排気浄化装置。 - 前記下流側回復部は、前記上流側回復部により前記NH3生成触媒の硫黄被毒が回復された後の所定期間に前記選択還元型NOx触媒に流入する酸素量を、該所定期間以降に前記選択還元型NOx触媒に流入する酸素量よりも多くして硫黄被毒の回復を行う請求項2に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記下流側回復部は、前記上流側回復部が前記NH 3 生成触媒の硫黄被毒を回復したときに上昇した前記選択還元型NOx触媒の温度が、該NH 3 生成触媒の硫黄被毒を回復させた後に下降することを抑制する請求項1から3の何れか1項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記下流側回復部は、前記所定期間では、該所定期間以降よりも、排気の空燃比を高くする請求項1または3に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記下流側回復部は、前記所定期間では、該所定期間以降よりも、前記内燃機関の吸入空気量を多くする請求項1、3、5の何れか1項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記下流側回復部は、前記上流側回復部により前記NH3生成触媒の硫黄被毒が回復されてから、前記NH3生成触媒へ還元剤を最初に供給するまでの期間を、2回目以降の還元剤の供給間隔よりも長くする請求項1,3,5,6の何れか1項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記選択還元型NOx触媒が卑金属を含んで構成される請求項1から7の何れか1項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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