JPH1113456A - 内燃機関の触媒被毒再生装置 - Google Patents

内燃機関の触媒被毒再生装置

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JPH1113456A
JPH1113456A JP16452697A JP16452697A JPH1113456A JP H1113456 A JPH1113456 A JP H1113456A JP 16452697 A JP16452697 A JP 16452697A JP 16452697 A JP16452697 A JP 16452697A JP H1113456 A JPH1113456 A JP H1113456A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 NOX 吸収材の良好なNOX 吸収能力を確保
しつつNOX 吸収材に吸収されたイオウ分を十分に放出
させる。 【解決手段】 流入する排気の空燃比がリーンのときに
はNOX を吸収し、流入する排気中の酸素濃度が低下す
ると吸収したNOX を放出するNOX 吸収材18を機関
排気通路内に配置し、NOX 吸収材18上流の排気通路
内に酸化触媒15を配置する。酸化触媒15上流の排気
通路内に第1の還元剤噴射弁21を配置し、酸化触媒1
5とNOX 吸収材18間の排気通路内に第2の還元剤噴
射弁22を配置する。NOX 吸収材18から吸収されて
いるNOX を放出させるべきときには第2の還元剤噴射
弁22の還元剤供給作用を禁止すると共に第1の還元剤
噴射弁21の還元剤供給作用を行い、NOX 吸収材18
から吸収されているイオウ分を放出させるべきときには
第1の還元剤噴射弁21の還元剤供給作用を行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関の触媒被毒
再生装置に関する。
【0002】
【従来の技術】排気通路内の或る位置よりも上流の排気
通路内、燃焼室内、および吸気通路内に供給された全燃
料量に対する全空気量の比をその位置を流通する排気の
空燃比と称すると、従来より、リーン混合気を燃焼せし
めるようにした内燃機関において、流入する排気の空燃
比がリーンのときにNOX をNO2 の形で吸収し、流入
する排気中の酸素濃度が低くなると吸収しているNOX
を放出するNOX 吸収材を機関排気通路内に配置し、N
X 吸収材上流の排気通路内に還元剤を供給するための
還元剤噴射弁を具備し、この還元剤噴射弁から還元剤を
一時的に供給することによりNOX 吸収材内に流入する
排気の空燃比を一時的にリッチにしてNO X 吸収材から
吸収されているNOX を放出させると共に放出されたN
X を還元するようにした内燃機関が知られている。
【0003】ところで、排気中のNOX にはNO2 ばか
りでなく例えばNOも含まれており、このNOはNOX
吸収材においてNO2 に酸化された後に吸収される。と
ころが、例えばNOX 吸収材の温度が低いときにはNO
の酸化反応が生じにくくなるのでNOX を良好に吸収で
きなくなる。そこで、NOX 吸収材上流の機関排気通路
内に酸化触媒を配置した排気浄化装置が公知である(P
CT国際公開WO93/8383号参照)。
【0004】ところが燃料および機関の潤滑油内にはイ
オウ分が含まれているので排気中にはイオウ分が含まれ
ており、このイオウ分も例えばSO4 2- の形でNOX
共にNOX 吸収材に吸収される。しかしながらこのイオ
ウ分はNOX 吸収材への流入する排気の空燃比をただ単
にリッチにしてもNOX 吸収材から放出されず、したが
ってNOX 吸収材内のイオウ分の量は次第に増大するこ
とになる。ところがNOX 吸収材内のイオウ分の量が増
大するとNOX 吸収材が吸収しうるNOX の量が次第に
低下し、ついにはNOX 吸収材がNOX をほとんど吸収
できなくなる。
【0005】ところが、NOX 吸収材の温度が高いとき
にNOX 吸収材内に流入する排気中の酸素濃度を低くす
ると吸収されているイオウ分が例えばSO2 の形で放出
される。一方、NOX 吸収材に還元剤を供給するとこの
還元剤がNOX 吸収材において酸化され、この反応熱に
よりNOX 吸収材の温度が高められ、しかもNOX 吸収
材内に流入する排気中の酸素濃度が低くなる。したがっ
て、上述の排気浄化装置において還元剤を供給してNO
X 吸収材内に流入する排気の空燃比を一時的にリッチに
すればNOX 吸収材から吸収されているイオウ分を放出
できると考えられる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上述の排気
浄化装置では酸化触媒が還元剤噴射弁とNOX 吸収材間
の排気通路内に配置されており、すなわち還元剤噴射弁
から供給された還元剤は酸化触媒内を流通した後にNO
X 吸収材に到る。その結果、還元剤噴射弁から供給され
た還元剤のほとんどが酸化触媒において酸化されること
になり、すなわちNOX 吸収材において還元剤の酸化反
応がほとんど行われず、したがってNOX吸収材の温度
をイオウ分を放出させるために十分に高めることができ
ないのでNOX 吸収材から吸収されているイオウ分を良
好に放出させることができないという問題点がある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に1番目の発明によれば、流入する排気の空燃比がリー
ンのときにNOX を吸収し、流入する排気中の酸素濃度
が低くなると吸収しているNOX を放出するNOX 吸収
材を機関排気通路内に配置し、このNOX 吸収材上流の
排気通路内に酸化触媒を配置し、酸化触媒上流の排気通
路内に還元剤を供給するための第1の還元剤供給手段を
具備した内燃機関において、酸化触媒とNOX 吸収材間
の排気通路内に還元剤を供給するための第2の還元剤供
給手段を具備し、NOX 吸収材から吸収されているイオ
ウ分を放出させるべきときには第2の還元剤供給手段か
ら還元剤を一時的に供給するようにしている。すなわ
ち、1番目の発明ではNOX 吸収材から吸収されている
イオウ分を放出させるべきときに還元剤が酸化触媒内を
流通することなくNOX 吸収材に直接的に到るので還元
剤の酸化反応がNOX 吸収材において生ずることにな
り、NOX 吸収材の温度が確実に高められ、NOX 吸収
材からイオウ分が十分に放出される。
【0008】また、2番目の発明によれば1番目の発明
において、上記NOX 吸収材から吸収されているNOX
を放出させるべきときには上記第2の還元剤供給手段に
よる還元剤供給作用を禁止すると共に上記第1の還元剤
供給手段から還元剤を一時的に供給するようにしてい
る。上述したように第2の還元剤供給手段から還元剤を
供給するとNOX 吸収材の温度が高くなり、第2の還元
剤供給手段による還元剤供給作用を停止した後にもNO
X 吸収材は高温に維持される。ところがNOX 吸収材の
温度が高くなるとNOX 吸収能力が低下する。そこで2
番目の発明では、比較的頻繁に行われるNOX 放出作用
を行うべきときには第2の還元剤供給手段による還元剤
供給作用を禁止し、第1の還元剤供給手段による還元剤
供給作用を一時的に行うようにしている。
【0009】また、3番目の発明によれば1番目の発明
において、上記NOX 吸収材から吸収されているイオウ
分を放出させるべきときには上記第2の還元剤供給手段
による還元剤供給作用を開始するのに先立って上記第1
の還元剤供給手段から還元剤を一時的に供給するように
している。NOX 吸収材の温度が低いときには第2の還
元剤供給手段から還元剤を供給しても還元剤の酸化反応
が生じにくい場合がある。一方、第1の還元剤供給手段
から還元剤を供給するとNOX 吸収材内に流入する排気
の温度が高められ、その結果NOX 吸収材における還元
剤の酸化反応が生じやすくなる。そこで3番目の発明で
は、NOX 吸収材から吸収されているイオウ分を放出さ
せるべきときにはまず第1の還元剤供給手段による還元
剤供給作用を開始し、次いで第2の還元剤供給手段によ
る還元剤供給作用を開始するようにしている。
【0010】また、4番目の発明によれば1番目の発明
において、上記第2の還元剤供給手段が間欠的に還元剤
を供給するしている。すなわち、4番目の発明では第2
の還元剤供給手段から還元剤が連続的に供給するのが阻
止されるのでNOX 吸収材における酸化反応が連続的に
生ずるのが阻止され、したがってNOX 吸収材が過度に
高温になるのが阻止される。
【0011】
【発明の実施の形態】図1は本発明をディーゼル機関に
適用した場合を示している。しかしながら本発明を火花
点火式内燃機関に適用することもできる。図1を参照す
ると、1は機関本体、2はピストン、3は燃焼室、4は
燃焼室3内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁、5は吸気
弁、6は吸気ポート、7は排気弁、8は排気ポートをそ
れぞれ示す。吸気ポート6は対応する枝管9を介してサ
ージタンク10に連結され、サージタンク10は吸気ダ
クト11を介してエアクリーナ12に連結される。一
方、排気ポート8は排気マニホルド13および排気管1
4を介して酸化触媒15を内蔵したケーシング16に接
続され、ケーシング16は排気管17を介してNOX
収材18を内蔵したケーシング19に接続される。
【0012】排気管14内には排気管14内に還元剤を
供給するための第1の還元剤噴射弁21が配置され、排
気管17内には排気管17内に還元剤を供給するための
第2の還元剤噴射弁22が配置される。これら還元剤噴
射弁21,22は吐出側が燃料タンク23に接続された
ポンプ24,25に接続される。還元剤として例えばガ
ソリン、イソオクタン、ヘキサン、ヘプタン、軽油、灯
油のような炭化水素、或いは液体の状態で保存しうるブ
タン、プロパンのような炭化水素を用いることができ
る。しかしながら、図1のディーゼル機関では、燃料噴
射弁4から噴射される機関の燃料と同一の燃料すなわち
軽油を還元剤噴射弁21,22から噴射するようにして
いる。その結果、還元剤供給用の追加の還元剤タンクを
必要としない。なお、ポンプ24,25は電子制御ユニ
ット30からの出力信号に基づいて制御される。
【0013】電子制御ユニット30はディジタルコンピ
ュータからなり、双方向性バス31によって相互に接続
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、常時電力が供給されてい
るB−RAM(バックアップRAM)33a、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を具備する。NOX 吸収材18の流入端に
隣接する排気管17内にはこの位置を流通する排気の温
度に比例した出力電圧を発生する温度センサ37が取り
付けられ、アクセルペダル38にはアクセルペダル38
の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する踏み込み量
センサ39が取り付けられる。これら温度センサ37お
よび踏み込み量センサ39の出力電圧はそれぞれ対応す
るAD変換器40を介して入力ポート35に入力され
る。また、入力ポート35には車両速度に比例した周期
で出力パルスを発生する車速センサ41と、クランクシ
ャフトが例えば30度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とが接続される。CPU34で
はクランク角センサ42の出力パルスに基づいて機関回
転数が算出される。一方、出力ポート36は対応する駆
動回路43を介してそれぞれポンプ24,25に接続さ
れる。
【0014】酸化触媒15は例えばゼオライトを担体と
し、この担体上に白金Pt、パラジウムPd、セリアC
eO2 、ランタンコバルトペロブスカイトLaCoO3
からなるグループから選ばれた少なくとも一つが担持さ
れている。一方、NOX 吸収材18は例えばコージェラ
イトまたはアルミナを担体とし、この担体上に例えばカ
リウムK,ナトリウムNa,リチウムLi,セシウムC
sのようなアルカリ金属、バリウムBa,カルシウムC
aのようなアルカリ土類、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と、白金
Ptのような貴金属とが担持されている。このNOX
収材18は流入する排気の空燃比がリーンのときにはN
X を吸収し、流入する排気中の酸素濃度が低下すると
吸収したNOX を放出するNOX の吸放出作用を行う。
【0015】このNOX 吸収材18を機関排気通路内に
配置すればこのNOX 吸収材18は実際にNOX の吸放
出作用を行うがこの吸放出作用の詳細なメカニズムにつ
いては明らかでない部分もある。しかしながらこの吸放
出作用は図2に示すようなメカニズムで行われているも
のと考えられる。次にこのメカニズムについて担体上に
白金PtおよびバリウムBaを担持させた場合を例にと
って説明するが他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土
類、希土類を用いても同様なメカニズムとなる。
【0016】すなわち、流入する排気の空燃比がかなり
リーンになると流入する排気中の酸素濃度が大巾に増大
し、図2(A)に示されるようにこれら酸素O2 がO2
- またはO2-の形で白金Ptの表面に付着する。一方、
流入する排気中のNOは白金Ptの表面上でO2 - また
はO2-と反応し、NO2 となる(2NO+O2 →2NO
2 )。次いで生成されたNO2 の一部は白金Pt上でさ
らにに酸化されつつ吸収材内に吸収されて酸化バリウム
BaOと結合しながら、図2(A)に示されるように硝
酸イオンNO3 - の形で吸収材内に拡散する。このよう
にしてNOX がNOX 吸収材18内に吸収される。
【0017】流入する排気中の酸素濃度が高い限り白金
Ptの表面でNO2 が生成され、吸収材のNOX 吸収能
力が飽和しない限りNO2 が吸収材内に吸収されて硝酸
イオンNO3 - が生成される。これに対して流入する排
気中の酸素濃度が低下してNO2 の生成量が低下すると
反応が逆方向(NO3 - →NO2 )に進み、斯くして吸
収材内の硝酸イオンNO3 - がNO2 の形で吸収材から
放出される。すなわち、流入する排気中の酸素濃度が低
下するとNOX 吸収材18からNOX が放出されること
になる。流入する排気のリーンの度合が低くなれば流入
する排気中の酸素濃度が低下し、したがって流入する排
気のリーンの度合を低くすればNOX 吸収材18からN
X が放出されることになる。
【0018】一方、このとき流入する排気の空燃比をリ
ッチにすると、すなわち例えば流入する排気中に還元剤
としての燃料(HC)を供給するとこのHCおよび機関
から排出される未燃HC,COは白金Pt上の酸素O2
- またはO2-と反応して酸化せしめられる。また、流入
する排気の空燃比をリッチにすると流入する排気中の酸
素濃度が極度に低下するために吸収材からNO2 が放出
され、このNO2 は図2(B)に示されるようにHC,
COと反応して還元せしめられる。このようにして白金
Ptの表面上にNO2 が存在しなくなると吸収材から次
から次へとNO 2 が放出される。したがって流入する排
気の空燃比をリッチにすると短時間のうちにNOX 吸収
材18からNOX が放出されることになる。
【0019】このように流入する排気の空燃比がリーン
になるとNOX がNOX 吸収材18に吸収され、流入す
る排気の空燃比をリッチにするとNOX がNOX 吸収材
18から短時間のうちに放出される。したがって図1に
示すディーゼル機関ではNO X 吸収材18のNOX 吸収
量が一定量を越えたときに流入する排気の空燃比を一時
的にリッチにしてNOX 吸収材18からNOX を放出さ
せ、この放出されたNOX を還元するようにしている。
【0020】ところで、NOX 吸収材18から還元され
ることなく排出されるNOX 量を少なく維持するために
はNOX 吸収材18のNOX 吸収能力を高く維持する必
要がある。ところが、NOX 吸収材18の温度が低いと
NOX 吸収材18のNOX 吸収能力が低下することが確
認されている。図3は流入する排気の空燃比がリーンの
ときのNOX 吸収材18のNOX 吸収率Rと、NOX
収材18の温度を代表するNOX 吸収材18に流入する
排気の温度Tとの関係を示す実験結果を示している。図
3において破線でもって示されるように、NOX 吸収材
18の温度が低いとNOX 吸収材18のNOX 吸着能力
が低下する。上述したようにNOX 吸収材18ではNO
X はNO2 からNO3 -に酸化されて吸収される。とこ
ろがNOX 吸収材18の温度が低くなるとNOの酸化反
応(2NO+O2 →2NO2 )が不活発になり、このた
めNOX 吸収材18のNOX 吸収率Rが低下すると考え
られている。
【0021】そこで、図1のディーゼル機関ではNOX
吸収材18上流の排気通路内に酸化触媒15を設けてN
X 吸収材18の温度が低いときにもNOの酸化反応が
活発に生ずるようにし、それによりNOX 吸収材18の
良好なNOX 吸収作用を確保するようにしている。その
結果、図3において実線でもって示すようにNOX 吸収
率Rが高く維持される温度範囲を低温側に拡大すること
ができる。
【0022】なお、NOX 吸収材18の温度が高くなる
とNOX 吸収率Rが低下するのは次の理由によると考え
られている。すなわち、NOX 吸収材18では流入する
排気の空燃比がリーンであってもNOX の吸収作用と放
出作用とが行われており、NOX 吸収速度がNOX 放出
速度よりも高い分だけNOX 吸収材18内にNOX が吸
収される。ところがNOX 吸収材18の温度が高くなる
とNOX 放出速度が吸収速度よりも高くなり、斯くして
NOX 吸収率Rが低下する。
【0023】図1のディーゼル機関では通常、燃焼室3
で燃焼せしめられる混合気の空燃比は理論空燃比よりも
リーンに維持されており、したがってNOX 吸収材18
内に流入する排気の空燃比は通常リーンに維持されてい
る。そこで、NOX 吸収材18内に流入する排気の空燃
比を一時的にリッチにし、或いは還元剤をするために排
気管14内に燃料を噴射する第1の還元剤噴射弁21を
備えている。すなわち、NOX 吸収材18から吸収され
ているNOX を放出させるべきときには第1の還元剤噴
射弁21から燃料が供給される。この燃料はまず酸化触
媒15に到って酸化され、したがってNOX 吸収材18
に流入する排気中の酸素濃度が低下せしめられる、すな
わちNOX 吸収材18に流入する排気の空燃比がリッチ
にされる。また、このとき部分酸化されたHCが生成さ
れ、このHCは燃焼室3から排出された未燃HC、CO
と共にNOX 吸収材18から放出されたNOX を還元す
る。なお、NOX 吸収材18から吸収されているNOX
を放出させるべきときに第1の還元剤噴射弁21から燃
料を連続的に供給するようにしてもよいが、酸化触媒1
5の温度が過度に高くなるのを阻止するために図1のデ
ィーゼル機関では第1の還元剤噴射弁21から燃料を間
欠的に供給するようにしている。
【0024】このようにNOX 吸収材18上流の排気通
路内に酸化触媒15を設けることによってNOX の良好
な吸収作用を確保することができる。ところが流入する
排気中にはイオウ分が含まれており、NOX 吸収材18
にはNOX ばかりでなくイオウ分例えばSOX も吸収さ
れる。このNOX 吸収材18へのイオウ分の吸収メカニ
ズムはNOX の吸収メカニズムと同じであると考えられ
る。
【0025】すなわち、NOX の吸収メカニズムを説明
したときと同様に担体上に白金PtおよびバリウムBa
を担持させた場合を例にとって説明すると、前述したよ
うに流入する排気の空燃比がリーンのときには酸素O2
がO2 - またはO2-の形で白金Ptの表面に付着してお
り、流入する排気中のSOX 例えばSO2 は白金Ptの
表面でO2 - またはO2-と反応してSO3 となる。次い
で生成されたSO3 は白金Pt上で更に酸化されつつ吸
収材内に吸収されて酸化バリウムBaOと結合しなが
ら、硫酸イオンSO4 2- の形で吸収材内に拡散する。次
いでこの硫酸イオンSO4 2- はバリウムイオンBa2+
結合して硫酸塩BaSO4 を生成する。
【0026】しかしながらこの硫酸塩BaSO4 は分解
しずらく、流入する排気の空燃比を単にリッチにしても
硫酸塩BaSO4 は分解されずにそのまま残る。したが
ってNOX 吸収材18内には時間が経過するにつれて硫
酸塩BaSO4 が増大することになり、斯くして時間が
経過するにつれてNOX 吸収材18が吸収しうるNO X
量が低下することになる。
【0027】ところがNOX 吸収材18内で生成された
硫酸塩BaSO4 はNOX 吸収材18の温度が高いとき
に流入する排気の空燃比をリッチまたは理論空燃比にす
ると分解して硫酸イオンSO4 2- がSO3 の形で吸収材
から放出される。一方、NO X 吸収材18に還元剤を供
給するとこの還元剤がNOX 吸収材18において酸化
(燃焼)され、それによりNOX 吸収材18の温度を上
昇させることができ、同時にNOX 吸収材18に流入す
る排気の空燃比をリッチにすることができる。そこで図
1のディーゼル機関では、NOX 吸収材18に吸収され
ているイオウ分が予め定められた一定量を越えたときに
NOX 吸収材18に還元剤(HC)を一時的に供給して
NOX 吸収材18の温度をNOX 吸収材18からイオウ
分を放出させるために必要な温度よりも一時的に高く
し、かつNOX 吸収材18内に流入する排気の空燃比を
一時的にリッチにし、それによってNOX 吸収材18か
らイオウ分を放出させるようにしている。このとき放出
されたSO3 は流入する排気中のHC,未燃HC,CO
によってただちにSO2 に還元せしめられる。
【0028】なお、NOX 吸収材からイオウ分を放出さ
せるべきときにNOX 吸収材18に流入する排気の空燃
比をリッチにするか理論空燃比にするかは単位時間当り
にNOX 吸収材18から放出されるイオウ分の量に応じ
て定められる。ところが、NOX 吸収材18から吸収さ
れているイオウ分を放出させるべくNOX 吸収材18に
流入する排気の空燃比をリッチにするために、第1の還
元剤噴射弁21から還元剤を噴射してもNOX 吸収材1
8の温度を十分に高くすることができない。すなわち、
上述したように第1の還元剤噴射弁21から供給された
還元剤のほとんどはまず酸化触媒15に流入して酸化さ
れ、すなわちNOX 吸収材18では還元剤の酸化反応は
ほとんど生じない。したがって、第1の還元剤噴射弁2
1から還元剤を供給したとしてもNOX 吸収材18の温
度を十分に高めることができない。なお、この場合酸化
触媒15内を流通する排気の温度が高められ、したがっ
てNOX 吸収材18に流入する排気の温度が高められ
る。しかしながら、第1の還元剤噴射弁21から供給さ
れた還元剤がNOX 吸収材18の温度を高めるために間
接的に用いられることとなり、NOX 吸収材18の温度
を十分に高めるために多量の還元剤を必要とするので効
率的でない。
【0029】そこで、本発明による実施態様では酸化触
媒15とNOX 吸収材18間の排気管17内に第2のす
なわち追加の還元剤噴射弁22を設け、NOX 吸収材1
8からイオウ分を放出させるべきときにはこの第2の還
元剤噴射弁22から還元剤を供給するようにしている。
その結果、還元剤がNOX 吸収材18に直接的に供給さ
れるので還元剤の酸化反応がNOX 吸収材18において
生ずることとなり、したがってNOX 吸収材18の温度
を効率的に高めることができる。
【0030】ところで、このように第2の還元剤噴射弁
22を設けた場合、NOX 吸収材18からNOX を放出
させるべきときに第2の還元剤噴射弁22から還元剤を
供給するようにすれば第1の還元剤噴射弁21を設ける
必要がなくなると考えられる。ところが、第2の還元剤
噴射弁22からNOX 吸収材18に直接的に還元剤を供
給するとNOX 吸収材18において還元剤の酸化反応が
生ずるのでNOX 吸収材18の温度が高くなる。ところ
が、還元剤供給作用を停止してもNOX 吸収材18の温
度は直ちに低下せず、すなわち還元剤供給作用の停止後
しばらくの間は高温に維持される。ところが、図3を参
照して上述したようにNOX 吸収材18の温度が高いと
きにはNOX 吸収能力が低下しており、したがって還元
剤供給作用の停止直後はNOX を良好に吸収することが
できない。NOX 放出作用は比較的頻繁に行われるので
NOX 放出作用が行われる毎にNOX 吸収能力が低下す
るのは好ましくない。
【0031】一方、上述したように第1の還元剤噴射弁
21から還元剤を供給するとこの還元剤は酸化触媒15
において酸化され、したがってNOX 吸収材18の温度
が過度に高くなるのが阻止されている。そこで、NOX
吸収材18からNOX を放出させるべきときには第2の
還元剤噴射弁22からの還元剤供給作用を禁止し、第1
の還元剤噴射弁21から還元剤を供給するようにしてい
る。その結果、NOX吸収材18の温度が過度に高くな
るのが阻止され、NOX 吸収材18のNOX 吸収能力を
高く維持することができる。
【0032】すなわち、一般的にいうとNOX 吸収材1
8から吸収されているNOX を放出させるべきときには
第2の還元剤噴射弁22の還元剤供給作用を禁止すると
共に第1の還元剤噴射弁21の還元剤供給作用を行い、
NOX 吸収材18から吸収されているイオウ分を放出さ
せるべきときには第2の還元剤噴射弁22の還元剤供給
作用を行うようにしている。
【0033】なお、NOX 吸収材18から吸収されてい
るイオウ分を放出させるべきときに第2の還元剤噴射弁
22から燃料を連続的に供給するようにしてもよいが、
NO X 吸収材18の温度が過度に高くなるのを阻止する
ために図1のディーゼル機関では第2の還元剤噴射弁2
2から燃料を間欠的に供給するようにしている。すなわ
ち例えば5秒おきに2秒間だけ燃料が噴射される。
【0034】図4(A)は第2の還元剤噴射弁22から
還元剤を供給したときにNOX 吸収材18から放出され
る排気中のSO2 濃度C(SO2 )を示す実験結果であ
り、図4(B)は第1の還元剤噴射弁21から還元剤を
供給したときにNOX 吸収材18から放出される排気中
のSO2 濃度C(SO2 )を示す実験結果である。図4
(A)および図4(B)においてTI,TOはそれぞれ
NOX 吸収材18に流入する排気の温度およびNOX
収材18から流出する排気の温度を示しており、Q(H
C)は還元剤噴射弁21,22から噴射された還元剤量
を示している。また、時間零は還元剤噴射弁21,22
からの還元剤噴射作用が開始された時間を示している。
図4(A)および図4(B)からわかるように、第2の
還元剤噴射弁22から還元剤を供給するとNOX 吸収材
18から速やかにイオウ分を放出させることができる。
したがって、イオウ分放出作用のために必要な時間およ
び還元剤量を少なくすることができる。
【0035】このようなNOX 吸収材18のイオウ分放
出作用はNOX 吸収材18内に吸収されたイオウ分が一
定量を越えたときに行われるがNOX 吸収材18内に実
際に吸収されたイオウ分の量を検出するのは困難であ
り、したがってNOX 吸収材18に吸収されているイオ
ウ分の量は推定せざるを得ない。ところがNOX 吸収材
18に吸収されるイオウ分の量は車両走行距離に依存し
ており、したがって車両走行距離からNOX 吸収材18
に吸収されているイオウ分の量を推定できることにな
る。そこで、図1のディーゼル機関では積算走行距離が
予め定められた一定値を越えたときにNOX 吸収材18
内に吸収されたイオウ分が一定量を越えたと判断するよ
うにしている。
【0036】次に、図5を参照して図1のディーゼル機
関におけるイオウ分放出制御についてさらに詳細に説明
する。図5のルーチンは予め定められた設定時間毎の割
り込みによって実行される。図5を参照すると、まず初
めにステップ50においてNOX 吸収材18からイオウ
分を放出させるべきときにセットされ、このイオウ分放
出作用を停止すべきときにリセットされるイオウ分放出
フラグがセットされているか否かが判別される。イオウ
分放出フラグがリセットされているときには次いでステ
ップ51に進み、前回の処理サイクルから今回の処理サ
イクルまでの車両走行距離L0が車速センサ41の出力
パルスから算出される。続くステップ52では車両走行
距離L0が積算走行距離Lに加算される。続くステップ
53では積算走行距離Lが予め定められた一定値L1よ
りも大きいか否かが判別される。L≦L1のときにはN
X 吸収材18内に吸収されたイオウ分が未だ少ないと
判断して処理サイクルを終了する。これに対し、L>L
1のときには次いでステップ54に進み、排気温度T
が、第2の還元剤噴射弁22から供給された還元剤がN
X 吸収材18において良好に酸化される温度T1(例
えば300℃)よりも高いか否かが判別される。T≦T
1のときには処理サイクルを終了する。すなわち、T≦
T1のときには第2の還元剤噴射弁22から供給された
還元剤が酸化されることなくNOX 吸収材18から排出
されると判断して第2の還元剤噴射弁22の還元剤供給
作用を停止する。これに対し、T>T1のときには第2
の還元剤噴射弁22から供給された還元剤がNOX 吸収
材18において良好に酸化されると判断し、次いでステ
ップ55に進んでイオウ分放出フラグがセットされる。
すなわち、L>L1でありかつT>T1のときにイオウ
分放出作用が行われる。
【0037】イオウ分放出フラグがセットされたときに
ステップ50からステップ56に進み、イオウ分放出フ
ラグがセットされている時間を表すカウンタCが1だけ
インクリメントされる。続くステップ57ではカウンタ
Cが一定値C1よりも大きいか否かが判別される。C≦
C1のときには処理サイクルを終了する。これに対しC
>C1のときすなわちイオウ分放出作用が一定時間行わ
れたときには次いでステップ58に進み、イオウ分放出
フラグがリセットされる。続くステップ59では積算走
行距離LおよびカウンタCがクリアされる。次いで処理
サイクルを終了する。
【0038】次に、図6を参照して図1のディーゼル機
関におけるNOX 放出制御についてさらに詳細に説明す
る。図6のルーチンは予め定められた設定時間毎の割り
込みによって実行される。図6を参照すると、まず初め
にステップ60において図5のルーチンにおいてセット
またはリセットされるイオウ分放出フラグがセットされ
ているか否かが判別される。イオウ分放出フラグがリセ
ットされているときには次いでステップ61に進み、N
X 吸収材18からNOX を放出させるべきときにセッ
トされ、このNOX 放出作用を停止すべきときにリセッ
トされるNOX 放出フラグがセットされているか否かが
判別される。NOX 放出フラグがリセットされていると
き、すなわちイオウ分放出フラグもNOX 放出フラグも
リセットされているときには次いでステップ62に進
む。イオウ分放出フラグもNOX 放出フラグもリセット
されているときには後述するようにNOX 吸収材18内
に流入する排気の空燃比がリーンとされており、したが
ってこのときNOX 吸収材18ではNOX 吸収作用が行
われている。
【0039】NOX 吸収材18内に吸収されているNO
X 量すなわち吸収NOX 量Sを直接求めるのは困難であ
るので図1のディーゼル機関では機関運転状態に基づい
て吸収NOX 量Sを推定するようにしている。すなわ
ち、まずステップ62では単位時間当たりにNOX 吸収
材18内に流入するNOX 量すなわち流入NOX 量Fが
算出される。各曲線が同一流入NOX 量を示している図
7(A)に示されるように、流入NOX 量Fはアクセル
ペダル38の踏み込み量DEPが高くなるほど多くな
り、機関回転数Nが高くなるほど多くなる。そこで、図
1のディーゼル機関では流入NOX 量Fをアクセルペダ
ル38の踏み込み量DEPおよび機関回転数Nの関数と
して予め実験により求めておき、アクセルペダル38の
踏み込み量DEPおよび機関回転数Nに基づいて流入N
X 量Fを算出するようにしている。この流入NOX
Fは図7(B)に示されるマップの形で予めROM32
内に記憶されている。続くステップ63では次式に基づ
いて吸収NOX 量Sが算出される。
【0040】S=S+F・DLT ここでDLTは前回のルーチンから今回のルーチンまで
の時間であり、したがってF・DLTは前回のルーチン
から今回のルーチンまでにNOX 吸収材18内に吸収さ
れたNOX 量を示している。続くステップ64では吸収
NOX 量Sが予め定められた設定量S1よりも大きいか
否かが判別される。この設定量S1は例えばNOX 吸収
材18が吸収しうる最大NOX 量の30パーセント程度
である。S≦S1であれば処理サイクルを完了し、S>
S1であればステップ65に進んでNOX 放出フラグが
セットされる。続くステップ66ではNOX 放出フラグ
がセットされたときの吸収NOX 量Sが初期吸収量S0
とされる。
【0041】NOX 放出フラグがセットされたときには
ステップ61からステップ67に進む。NOX 放出フラ
グがセットされているときには後述するようにNOX
収材18内に流入する排気の空燃比がリッチとされてお
り、したがってこのときNO X 吸収材18ではNOX
出作用が行われる。ステップ67では単位時間当たり単
位初期吸収量当たりにNOX 吸収材18から放出される
NOX 量すなわち放出NOX 量Dが算出される。
【0042】図8はNOX 吸収材18内に流入する排気
の空燃比をリッチとしたときに単位時間当たり単位初期
吸収量当たりにNOX 吸収材18から放出されるNOX
量を示す実験結果である。図8(A)において実線はN
X 吸収材18の温度が高いときを示しており、破線は
NOX 吸収材18の温度が低いときを示しており、tは
NOX 吸収材18内に流入する排気の空燃比がリッチと
されてからの時間を示している。NOX 吸収材18の温
度が高くなるとNOX 吸収材18における硝酸塩の分解
速度が高くなり、したがって図8(A)に示されるよう
に排気温度Tが高くなると放出NOX 量Dが多くなる。
この放出NOX 量Dは排気温度Tと時間tとの関数とし
て図8(B)に示されるマップの形で予めROM32内
に記憶されている。続くステップ68では次式に基づい
て吸収NOX 量Sが算出される。
【0043】S=S−D・S0・DLT ここで、D・S0は単位時間当たりにNOX 吸収材18
から放出されるNOX量を示しており、D・S0・DL
Tは前回のルーチンから今回のルーチンまでにNOX
収材18から放出されたNOX 量を示している。続くス
テップ69では吸収NOX 量Sが零以下であるか否かが
判別される。S>0であれば処理サイクルを完了し、S
≦0であればステップ70に進んでNOX 放出フラグが
リセットされる。
【0044】一方、イオウ分放出フラグがセットされて
いるときにもステップ60からステップ67に進む。後
述するように、イオウ分放出フラグがセットされている
ときにもNOX 吸収材18内に流入する排気の空燃比が
リッチとされ、したがってNOX 吸収材18ではNOX
放出作用が行われている。次に、図9を参照して図1の
ディーゼル機関における還元剤供給制御についてさらに
詳細に説明する。図9のルーチンは予め定められた設定
時間毎の割り込みによって実行される。図9を参照する
と、まず初めにステップ80ではイオウ分放出フラグが
セットされているか否かが判別される。イオウ分放出フ
ラグがセットされていないときにはステップ81に進ん
でNOX 放出フラグがセットされているか否かが判別さ
れる。NOX 放出フラグがセットされていないとき、す
なわちイオウ分放出フラグもNOX 放出フラグもセット
されていないときには次いでステップ82に進んで第1
の還元剤噴射弁21の還元剤供給作用を停止し、次いで
ステップ83に進んで第2の還元剤噴射弁22の還元剤
供給作用を停止する。次いで処理サイクルを終了する。
したがって、NOX 吸収材18内に流入する排気の空燃
比がリーンとされる。
【0045】NOX 放出フラグがセットされたときには
ステップ81からステップ84に進んで第1の還元剤噴
射弁21から還元剤が間欠的に供給され、したがってN
X放出作用が行われる。なお、このとき第2の還元剤
噴射弁22の還元剤供給作用は停止されている。一方、
イオウ分放出フラグがセットされたときにはステップ8
0からステップ85に進んで第2の還元剤噴射弁22か
ら還元剤が間欠的に供給され、したがってイオウ分放出
作用が行われる。なお、このとき第1の還元剤噴射弁2
1の還元剤供給作用は停止されている。
【0046】ところでディーゼル機関1の排気中には煤
が含まれており、この煤は酸化触媒15およびNOX
収材18の表面上に堆積して酸化触媒15の酸化能力を
低下させ、或いはNOX 吸収材18のNOX 吸収能力を
低下させる。ところが、上述したようにNOX 吸収材1
8のNOX 放出作用を行うべく第1の還元剤噴射弁21
から還元剤が供給されるとこの還元剤が酸化触媒15に
おいて燃焼せしめられ、NOX 吸収材18のイオウ分放
出作用を行うべく第2の還元剤噴射弁22から還元剤が
供給されるとこの還元剤がNOX 吸収材18において燃
焼せしめられる。したがって、NOX 吸収材18のNO
X 放出作用が行われると酸化触媒15の表面上の煤も燃
焼、除去せしめられ、NOX 吸収材18のイオウ分放出
作用が行われるとNOX 吸収材18の表面上の煤も燃
焼、除去せしめられる。このため、図1のディーゼル機
関では酸化触媒15およびNOX 吸収材18の表面上に
堆積した煤を除去するために特別の装置を設ける必要が
ない。
【0047】図10に別の実施態様を示す。図10に示
す実施態様では吸気ダクト10内にアクチュエータ44
により駆動される吸気絞り弁45が配置される。このア
クチュエータ44は電子制御ユニット30の駆動回路4
3に接続されており、電子制御ユニット30からの出力
信号に基づいて制御される。一方、吸気絞り弁45は通
常全開に保持されている。
【0048】次に図11を参照して本実施態様を詳細に
説明する。本実施態様でもNOX 吸収材18から吸収さ
れているNOX を放出させるべきとき、すなわちNOX
放出フラグがセットされているときには第2の還元剤噴
射弁22の還元剤供給作用を禁止すると共に第1の還元
剤噴射弁21の還元剤供給作用が行われる。また、NO
X 吸収材18から吸収されているイオウ分を放出させる
べきとき、すなわちNOX 放出フラグがセットされてい
るときには第2の還元剤噴射弁22の還元剤供給作用が
行われる。
【0049】ところが、例えばNOX 吸収材18の温度
が低いときには還元剤の酸化反応(燃焼)が生じにく
く、したがってこのとき第2の還元剤噴射弁22から還
元剤を供給したとしてもNOX 吸収材18の温度を速や
かに上昇させることができない。ところが第1の還元剤
噴射弁21から供給された還元剤は比較的低温であって
も酸化触媒15において酸化され、このためNOX 吸収
材18内に流入する排気の温度が高くなる。そこで、図
10のディーゼル機関ではNOX 吸収材18から吸収さ
れているイオウ分を放出させるべきときには第2の還元
剤噴射弁22による還元剤供給作用を開始するのに先立
って第1の還元剤噴射弁21から還元剤を一時的に供給
するようにしている。
【0050】すなわち、図11に示されるようにイオウ
分放出フラグがセットされるとまず第1の還元剤噴射弁
21から還元剤が供給され、その結果NOX 吸収材18
の温度が還元剤の酸化反応が生ずる温度以上に維持され
る。次いで、一定時間(C2)が経過すると第2の還元
剤噴射弁22の還元剤供給作用が開始される。その結
果、第2の還元剤噴射弁22から供給された還元剤がN
X 吸収材18において確実に酸化されるようになり、
すなわち第2の還元剤噴射弁22から供給された還元剤
をイオウ分放出作用のために効率的に用いることができ
る。また、NOX吸収材18の温度が低いときにもイオ
ウ分放出作用を行うことができ、すなわち図5のルーチ
ンにおける温度T1を、図1の実施態様に比べて低く定
めることができる。
【0051】第1の還元剤噴射弁21の還元剤供給作用
はNOX 吸収材18の温度を還元剤の酸化のために必要
な温度まで上昇させるためのものであるのでイオウ分放
出フラグがセットされてから一定時間(C2)だけ経過
すると第1の還元剤噴射弁21の還元剤供給作用は停止
せしめられる。ところで、上述したようにディーゼル機
関1では燃焼室3で燃焼せしめられる混合気の空燃比は
リーンに維持されており、したがってNOX 吸収材18
内に流入する排気の空燃比は通常リーンに維持されてい
る。この場合、NOX 吸収材18内に流入する排気の空
燃比をリッチにするために必要な還元剤量はNOX 吸収
材18内に流入する酸素量すなわち吸入空気量に依存
し、したがって吸入空気量が少なくなれば必要還元剤量
を少なくすることができる。そこで、図10のディーゼ
ル機関では吸入空気量を低減可能な吸気絞り弁45を機
関吸気通路内に配置し、NOX 吸収材18内に流入する
排気の空燃比をリッチまたは理論空燃比にすべきとき、
すなわちNOX 吸収材18から吸収されているNOX
たはイオウ分を放出させるべきときに吸気絞り弁45を
一時的に閉弁するようにしている。
【0052】言い換えると、図11に示されるように吸
気絞り弁45の開度OPは通常全開を表すFLに維持さ
れ、NOX 放出フラグまたはイオウ分放出フラグがセッ
トされると小さな開度CLとされる。なお、機関吸気通
路内にEGRガスを供給する装置を備えた内燃機関では
必要還元剤量を低減するためにEGRガス量を増大する
ようにすることもできる。
【0053】図12は図10のディーゼル機関における
還元剤供給制御を実行するためのルーチンを示してお
り、このルーチンは予め定められた設定時間毎の割り込
みによって実行される。なお、本実施態様においても図
5および図6のルーチンが実行される。図12を参照す
ると、まず初めにステップ80ではイオウ分放出フラグ
がセットされているか否かが判別される。イオウ分放出
フラグがセットされていないときにはステップ81に進
んでNOX 放出フラグがセットされているか否かが判別
される。NOX 放出フラグがセットされていないとき、
すなわちイオウ分放出フラグもNOX 放出フラグもセッ
トされていないときには次いでステップ81aに進んで
吸気絞り弁45の開度OPが全開FLとされる。次いで
ステップ82に進んで第1の還元剤噴射弁21の還元剤
供給作用を停止し、次いでステップ83に進んで第2の
還元剤噴射弁22の還元剤供給作用を停止する。次いで
処理サイクルを終了する。したがって、NOX 吸収材1
8内に流入する排気の空燃比がリーンとされる。
【0054】NOX 放出フラグがセットされたときには
ステップ81からステップ81bに進んで吸気絞り弁4
5の開度OPが小開度CLとされる。次いでステップ8
4に進んで第1の還元剤噴射弁21から還元剤が間欠的
に供給され、したがってNO X 放出作用が行われる。な
お、このとき第2の還元剤噴射弁22の還元剤供給作用
は停止されている。
【0055】一方、イオウ分放出フラグがセットされた
ときにはステップ80からステップ80aに進んで吸気
絞り弁45の開度OPが小開度CLとされる。次いでス
テップ80bに進み、イオウ分放出フラグがセットされ
てからの時間を表すカウンタC(図5参照)が一定値C
2よりも大きいか否かが判別される。イオウ分放出フラ
グがセットされた後初めてステップ80bに進んだとき
にはC≦C2であるので次いでステップ84に進んで第
1の還元剤噴射弁21から還元剤が間欠的に供給され
る。一方、C>C2となったときにはステップ80cに
進んで第1の還元剤噴射弁21の還元剤供給作用が停止
され、次いでステップ85に進んで第2の還元剤噴射弁
22から還元剤が間欠的に供給される。
【0056】これまで述べてきた実施態様では、排気温
度Tを求めるために排気管17内に温度センサ37を設
けている。しかしながら、排気温度Tを機関運転状態、
例えばアクセルペダル38の踏み込み量DEPおよび機
関回転数Nに基づいて求めることもできる。また、これ
まで述べてきた実施態様では、酸化触媒15上流の排気
通路内に還元剤を供給するために排気管14内に第1の
還元剤噴射弁21を配置してこの第1の還元剤噴射弁2
1から燃料を噴射するようにしている。しかしながら、
燃料噴射弁4から機関膨張行程または排気行程に燃料を
2次的に噴射することによって酸化触媒15上流の排気
通路内に還元剤を供給するようにすることもできる。或
いは、火花点火式内燃機関では燃焼室3内で燃焼せしめ
られる混合気の空燃比をリッチにするようにすることも
できる。
【0057】
【発明の効果】NOX 吸収材の良好なNOX 吸収能力を
確保しつつNOX 吸収材に吸収されたイオウ分を十分に
放出させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】ディーゼル機関の全体図である。
【図2】NOX の吸放出作用を説明するための図であ
る。
【図3】NOX 吸収率と排気温度との関係を示す線図で
ある。
【図4】NOX 吸収材から排出される排気中のSO2
度の経時変化を示す実験結果である。
【図5】イオウ分放出制御を実行するためのフローチャ
ートである。
【図6】NOX 放出制御を実行するためのフローチャー
トである。
【図7】流入NOX 量Fを示す線図である。
【図8】放出NOX 量Dを示す線図である。
【図9】還元剤供給制御を実行するためのフローチャー
トである。
【図10】別の実施態様を示すディーゼル機関の全体図
である。
【図11】図10の実施態様を説明するためのタイムチ
ャートである。
【図12】図10の実施態様における還元剤供給制御を
実行するためのフローチャートである。
【符号の説明】
13…排気マニホルド 15…酸化触媒 18…NOX 吸収材 21…第1の還元剤噴射弁 22…第2の還元剤噴射弁
フロントページの続き (72)発明者 高橋 利光 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 流入する排気の空燃比がリーンのときに
    NOX を吸収し、流入する排気中の酸素濃度が低くなる
    と吸収しているNOX を放出するNOX 吸収材を機関排
    気通路内に配置し、該NOX 吸収材上流の排気通路内に
    酸化触媒を配置し、酸化触媒上流の排気通路内に還元剤
    を供給するための第1の還元剤供給手段を具備した内燃
    機関において、酸化触媒とNOX 吸収材間の排気通路内
    に還元剤を供給するための第2の還元剤供給手段を具備
    し、NOX 吸収材から吸収されているイオウ分を放出さ
    せるべきときには第2の還元剤供給手段から還元剤を一
    時的に供給するようにした触媒被毒再生装置。
  2. 【請求項2】 上記NOX 吸収材から吸収されているN
    X を放出させるべきときには上記第2の還元剤供給手
    段による還元剤供給作用を禁止すると共に上記第1の還
    元剤供給手段から還元剤を一時的に供給するようにした
    請求項1に記載の触媒被毒再生装置。
  3. 【請求項3】 上記NOX 吸収材から吸収されているイ
    オウ分を放出させるべきときには上記第2の還元剤供給
    手段による還元剤供給作用を開始するのに先立って上記
    第1の還元剤供給手段から還元剤を一時的に供給するよ
    うにした請求項1に記載の触媒被毒再生装置。
  4. 【請求項4】 上記第2の還元剤供給手段が間欠的に還
    元剤を供給する請求項1に記載の触媒被毒再生装置。
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