JPWO2010116535A1 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Abstract
Description
ところで燃料及び潤滑油内には硫黄が含まれており、従って排気ガス中には硫黄化合物(SOx、例えばSO2)が含まれている。このSOxはNOxと共にNOx吸蔵還元触媒に吸蔵される。ところがこのSOxは、排気ガスの空燃比を単にリッチにしただけではNOx吸蔵還元触媒から放出されず、従ってNOx吸蔵還元触媒に吸蔵されているSOxの量が次第に増大していく(以下、「硫黄被毒」という)。その結果としてNOx吸蔵還元触媒に吸蔵しうるNOx量が次第に減少してしまう。
NOx吸蔵還元触媒からSOxを放出させる(即ち、硫黄被毒回復を行う)ために、NOx吸蔵還元触媒の触媒温度をSOxが放出される温度、即ちSOx放出温度(例えば、600℃)にまで昇温させると共に、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空燃比にする硫黄被毒回復制御を行う必要がある。
そこで、NOx吸蔵還元触媒の触媒温度をSOx放出温度まで昇温させると共に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にする内燃機関の排気浄化装置が公知である(特許文献1参照)。
ところで、上記のように硫黄被毒回復処理を行っても硫黄被毒回復が適切になされない、即ち、吸蔵されたSOxがNOx吸蔵還元触媒から十分に放出されない場合がある。
その原因としては、NOx吸蔵還元触媒は排気通路内で所定の長さを有するため、一旦放出されたSOxがNOx吸蔵還元触媒の下流排気通路内に排出される前に、放出部分よりも下流のNOx吸蔵還元触媒部分に再び吸蔵されている(以下、「再吸蔵」という)ことが考えられる。また、昇温制御におけるフィードバック制御が正常に行われていない場合等においては、NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されたSOxの硫黄成分を分解するのに十分なエネルギの供給、即ちNOx吸蔵還元触媒の十分な昇温が、行われないということも考えられる。NOx吸蔵還元触媒の昇温が十分でない場合には、添加された還元剤がNOx吸蔵還元触媒をすり抜け、車外へ排出され、排気性状が悪化するという問題も生じる。
従って、これら原因を考慮せずに硫黄被毒回復処理を行うと、適切に硫黄被毒回復がなされないばかりか、効果の少ない昇温処理を行うこととなり、エネルギの浪費や排気性状の悪化につながる。
本発明の2番目の態様では、前記SOx放出速度算出手段が、NOx吸蔵還元触媒の触媒温度と、NOx吸蔵還元触媒24に吸蔵されたSOx量と、供給される還元剤量とのうち少なくとも1つに基づいてSOx放出速度を算出することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供される。
本発明の3番目の態様では、NOx吸蔵還元触媒から放出されたSOx量のうち該NOx吸蔵還元触媒に再吸蔵されるSOx量の割合である再吸蔵率を算出する再吸蔵率算出手段を更に具備し、前記硫黄被毒回復制御手段が、流入する排気ガスの空燃比をリッチにするリッチ処理をリーン時間だけ隔てて繰り返し実行すると共に、前記各リッチ処理中に前記再吸蔵率算出手段によって算出された再吸蔵率に基づいて前記リッチ処理の停止時期を設定することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供される。
本発明の4番目の態様では、前記硫黄被毒回復制御手段は、前記再吸蔵率算出手段によって算出された再吸蔵率が、予め定められた再吸蔵率よりも大きい場合には前記リッチ処理を継続し、前記再吸蔵率が前記予め定められた再吸蔵率よりも小さい場合には前記リッチ処理を停止することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供される。
本発明の5番目の態様では、前記再吸蔵率算出手段が、NOx吸蔵還元触媒の触媒温度に基づいて再吸蔵率を算出することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供される。
本発明の6番目の態様では、前記NOx吸蔵還元触媒の上流排気通路内に、流入する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酸素を蓄え流入する排気ガスの空燃比がリッチになると蓄えられている酸素を放出する酸素貯蔵触媒を配置すると共にNOx吸蔵還元触媒に吸蔵されたSOx量の分布を算出するSOx量分布算出手段を更に具備し、前記再吸蔵率算出手段が、前記各リッチ処理中に、排気ガス量と、酸素貯蔵触媒に蓄えられた酸素がゼロになってからの当該リッチ処理の実行時間と、SOx量分布算出手段によって算出されたSOx量分布とのうち少なくとも1つに基づいて再吸蔵率を算出することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供される。
以下、添付図面と本発明の好適な実施形態の記載から本発明を一層十分に理解できるであろう。
図1を参照すると、1は機関本体、2は各気筒の燃焼室、3は各燃焼室2内にそれぞれ燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、4は吸気マニホルド、5は排気マニホルドをそれぞれ示す。吸気マニホルド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、コンプレッサ7aの入口は吸入空気量を検出するためのエアフローメータ8を介してエアクリーナ9に連結される。なお、エアフローメータ8によって検出される吸入空気量は排気ガス量SVと等しい。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、更に吸気ダクト6周りには吸気ダクト6内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置11が配置される。図1に示される実施例では機関冷却水が冷却装置11内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。一方、排気マニホルド5は排気ターボチャージャ7の排気タービン7bの入口に連結され、排気タービン7bの出口は排気後処理装置20に連結される。
排気マニホルド5と吸気マニホルド4とは排気ガス再循環(以下、「EGR」という)通路12を介して互いに連結され、EGR通路12内には電子制御式EGR制御弁13が配置される。また、EGR通路12周りにはEGR通路12内を流れるEGRガスを冷却するための冷却装置14が配置される。図1に示される実施例では機関冷却水が冷却装置14内に導かれ、機関冷却水によってEGRガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁3は燃料供給管15を介してコモンレール16に連結される。このコモンレール16内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ17から燃料が供給され、コモンレール16内に供給された燃料は各燃料供給管15を介して燃料噴射弁3に供給される。
排気後処理装置20は、排気タービン7bの出口に連結された排気管21と、排気管21に連結された酸素貯蔵触媒22と、酸素貯蔵触媒22に連結された排気管23と、排気管23に連結されたNOx吸蔵還元触媒24と、NOx吸蔵還元触媒24に連結された排気管25とを有する。また、排気管23には酸素貯蔵触媒22から排出され且つNOx吸蔵還元触媒24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26が配置され、NOx吸蔵還元触媒24には、その触媒温度Tを検出するための温度センサ27が取り付けられる。
一方、図1に示されるように排気マニホルド5には燃料添加弁28が取り付けられる。この燃料添加弁28にはコモンレール16から還元剤としての燃料が添加され、燃料添加弁28から排気マニホルド55内に燃料が添加される。本発明による実施形態ではこの燃料は軽油からなる。なお、燃料添加弁28を排気管21に取り付けることもできる。また、還元剤として、燃料添加弁28からの燃料添加の代わりにCO(一酸化炭素)を含む排気ガスを生成し、リッチ空燃比の排気ガスを生成するようにしてもよい。COは、燃料よりも還元性が高く、燃焼室の混合気の空燃比をリッチにし高温で燃焼させることによって生成することができる。
電子制御ユニット30はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス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を具備する。エアフローメータ8、空燃比センサ26、及び温度センサ27の出力信号はそれぞれ対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。また、アクセルペダル39にはアクセルペダル39の踏込み量Lに比例した出力電圧を発生する負荷センサ40が接続され、負荷センサ40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41が接続される。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駆動用ステップモータ、EGR制御弁13、燃料ポンプ17及び燃料添加弁28に接続される。
酸素貯蔵触媒22は、流入する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酸素を蓄え流入する排気ガスの空燃比がリッチになると蓄えられている酸素を放出する機能を有する。本実施形態において、酸素貯蔵触媒22として三元触媒を使用する。しかしながら、NOx吸蔵還元触媒24がその機能を有していてもよい。
NOx吸蔵還元触媒24は例えばパティキュレートフィルタ24aに担持される。図2A及び図2Bはパティキュレートフィルタ24aの構造を示している。なお、図2Aはパティキュレートフィルタ24aの正面図を示しており、図2Bはパティキュレートフィルタ24aの側面断面図を示している。図2A及び図2Bに示されるようにパティキュレートフィルタ24aはハニカム構造をなしており、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路50、51を具備する。これら排気流通路は下流端が栓52により閉塞された排気ガス流入通路50と、上流端が栓53により閉塞された排気ガス流出通路51とにより構成される。なお、図2Aにおいてハッチングを付した部分は栓53を示している。したがって排気ガス流入通路50及び排気ガス流出通路51は薄肉の隔壁54を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス流入通路50及び排気ガス流出通路51は各排気ガス流入通路50が4つの排気ガス流出通路51によって包囲され、各排気ガス流出通路51が4つの排気ガス流入通路50によって包囲されるように配置される。
パティキュレートフィルタ24aは例えばコージェライトのような多孔質材料から形成されており、したがって排気ガス流入通路50内に流入した排気ガスは図2Bにおいて矢印で示されるように周囲の隔壁54内を通って隣接する排気ガス流出通路51内に流出する。
本発明による実施例では各排気ガス流入通路50及び各排気ガス流出通路51の周壁面、すなわち各隔壁54の両側表面上及び隔壁54内の細孔内壁面上に例えばアルミナからなる触媒担体が担持されており、図3A及び図3Bはこの触媒担体60の表面部分の断面を図解的に示している。図3A及び図3Bに示されるようにこの触媒担体60の表面上には例えば白金Ptからなる貴金属触媒61が分散して担持されており、触媒担体60の表面上には更にNOx吸収剤62の層が形成されている。
本発明による実施例では貴金属触媒61として白金Ptが用いられており、NOx吸収剤62を構成する成分としては例えばカリウム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、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。
機関吸気通路、燃焼室2及びNOx吸蔵還元触媒24上流の排気通路内に供給された空気及び燃料(炭化水素)の比を排気ガスの空燃比と称すると、NOx吸収剤62は排気ガスの空燃比がリーンのときにはNOxを吸収し、排気ガス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。
即ち、NOx吸収剤62を構成する成分としてバリウムBaを用いた場合を例にとって説明すると、排気ガスの空燃比がリーンのとき、即ち排気ガス中の酸素濃度が高いときには排気ガス中に含まれるNOは図3Aに示されるように白金Pt61上において酸化されてNO2となり、次いでNOx吸収剤62内に吸収されて酸化バリウムBaOと結合しながら硝酸イオンNO3 −の形でNOx吸収剤62内に拡散する。このようにしてNOxがNOx吸収剤62内に吸収される。排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Pt61の表面でNO2が生成され、NOx吸収剤62のNOx吸収能力が飽和しない限りNO2がNOx吸収剤62内に吸収されて硝酸イオンNO3 −が生成される。
これに対し、排気ガスの空燃比がリッチ或いは理論空燃比にされると排気ガス中の酸化濃度が低下するために反応が逆方向(NO3 −→NO2)に進み、図3Bに示されるようにNOx吸収剤62内の硝酸イオンNO3 −がNO2の形でNOx吸収剤62から放出される。次いで放出されたNOxは排気ガス中に含まれる未燃HC,COによって還元される。
このように排気ガスの空燃比がリーンであるとき、即ちリーン空燃比のもとで燃焼が行われているときには排気ガス中のNOxがNOx吸収剤62内に吸収される。しかしながらリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われるとその間にNOx吸収剤62のNOx吸収能力が飽和してしまい、NOx吸収剤62によってNOxを吸収できなくなってしまう。そこで本発明による実施形態ではNOx吸収剤62の吸収能力が飽和する前に燃料添加弁28から燃料を添加することによって排気ガスの空燃比を一時的にリッチにし、それによってNOx吸収剤62からNOxを放出させるようにしている。
ところで排気ガス中にはSOx(例えばSO2)が含まれており、このSO2がNOx吸蔵還元触媒24に流入するとこのSO2は白金Pt61において酸化されてSO3となる。次いでこのSO3はNOx吸収剤62内に吸収されて炭酸化バリウムBaCO3と結合しながら、硫酸イオンSO4 2−の形でNOx吸収剤62内に拡散し、安定した硫酸塩BaSO4を生成する。しかしながらNOx吸収剤62が強い塩基性を有するためにこの硫酸塩BaSO4は安定していて分解しづらく、排気ガスの空燃比を単に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。従ってNOx吸収剤62内には時間が経過するにつれて硫酸塩BaSO4が増大(即ち、硫黄被毒)することになり、時間が経過するにつれてNOx吸収剤62が吸収しうるNOx量が低下することになる。
そこでこの場合、吸蔵したSOxを放出すべきとき、即ち、硫黄被毒回復制御をすべきとき、NOx吸蔵還元触媒24の触媒温度Tを600℃以上のSOx放出温度まで上昇させた状態で燃料添加弁28から燃料を添加し、NOx吸蔵還元触媒24に流入する排気ガスの空燃比をリッチにする(以下、「リッチ処理」という)ことによって、NOx吸収剤62からSOxが放出され、NOx吸収剤62が吸収しうるNOx量が回復する。
ここで、硫黄被毒回復制御をすべきときとは、NOx吸蔵還元触媒24に吸蔵された推定SOx量ΣSが予め定められた値SOX0を超えたときをいう。燃料中には或る割合で硫黄が含まれており、従って排気ガス中に含まれるSOx量、即ちNOx吸蔵還元触媒24に吸蔵されるSOx量は燃料噴射量に比例する。燃料噴射量は要求トルクTQ及び機関回転数Nの関数であり、従ってNOx吸蔵還元触媒24に吸蔵されるSOx量も要求トルクTQ及び機関回転数Nの関数となる。本発明による実施形態ではNOx吸蔵還元触媒24に単位時間当り吸蔵されるSOx量SOXAが要求トルクTQ及び機関回転数Nの関数として図4に示されるようなマップの形で予めROM32内に記憶されている。単位時間当たりのSOx量SOXAを積算することによってNOx吸蔵還元触媒24に吸蔵された推定SOx量ΣSが算出される。
図5Aは、硫黄被毒回復制御実行中にリッチ処理を実行するタイミングを示す図である。硫黄被毒回復制御は、上述のように、NOx吸蔵還元触媒24の触媒温度TをSOx放出温度まで昇温させた状態でリッチ処理を行うものであるが、リッチ処理は、硫黄被毒回復制御の実行中に常に行われるものではない。本実施形態において、リッチ処理として燃料添加弁28からの燃料添加を硫黄被毒回復制御の実行中に常に行った場合、添加された燃料の酸化反応による反応熱によってNOx吸蔵還元触媒24が過昇温してしまい、劣化をするからである。
そこで、所定期間リッチ処理を実行することによって、排気ガスの空燃比をリッチにすると共にNOx吸蔵還元触媒24の触媒温度Tを昇温させ、所定期間リッチ処理を停止するリーン時間を隔てることによって、NOx吸蔵還元触媒24の過昇温を防止している。従って、硫黄被毒回復制御実行中は、図5Aに示されるように、リッチ処理の実行と停止とを繰り返すことによって、NOx吸蔵還元触媒24に吸蔵されたSOxを放出させるようにしている。
定常運転時における最適なリッチ処理の実行時間tR及び停止時間tLが、要求トルクTQ及び機関回転数Nの関数として図6に示されるようなマップの形で予めROM32内に記憶されている。
しかし、上述のように硫黄被毒回復制御を行っても、運転状態によっては、放出されたSOxがNOx吸蔵還元触媒24自体に再吸蔵してしまう場合や、リッチ処理中のNOx吸蔵還元触媒24の触媒温度TがSOx放出温度に達していない場合がある。それによって、SOxを放出させるという観点において効果の少ない昇温処理を行うこととなり、エネルギの浪費や排気性状の悪化という上述の問題がある。
そこで、本発明では、SOx放出速度Vt及び再吸蔵率Rに基づいて、エネルギ効率の良い硫黄被毒回復制御を行うようにしている。具体的には、硫黄被毒回復制御を行ってもそれによるデメリットの方が大きくなる場合にはそれを停止したり、図5Bに示されるように、リッチ処理の実行時間をΔtRだけ延長することによって、より効率的な硫黄被毒回復を行うようにしたりしている。
SOx放出速度Vtとは、硫黄被毒回復制御中に、NOx吸蔵還元触媒24に吸蔵されたSOxが単位時間当たりにNOx吸蔵還元触媒24から放出される量を示す反応速度をいう。
SOx放出速度Vtは、NOx吸蔵還元触媒24の触媒温度Tと、NOx吸蔵還元触媒24に吸蔵された推定SOx量ΣSと、供給された還元剤の量(即ち本実施形態では燃料添加弁28から添加された燃料量)とのうちの少なくとも1つに基づいて、アレニウスの式又はその他実験的に求められた関数式若しくはマップにより算出される。
また、再吸蔵率Rとは、NOx吸蔵還元触媒24から放出されたSOx量のうちNOx吸蔵還元触媒24に再吸蔵されるSOx量の割合をいう。
「再吸蔵」の考え方について図7を参照しながら詳しく説明する。図7は、排気ガス流れ方向におけるNOx吸蔵還元触媒24内に吸蔵されたSOx量の分布であるSOx量分布を示す図である。図7の横軸Xは、排気ガス流れ方向において、NOx吸蔵還元触媒24の上流端を起点ゼロとした下流方向への長さを示す。NOx吸蔵還元触媒24の排気ガス流れ方向の長さをL0(図2B参照)とすると、NOx吸蔵還元触媒24の下流端は座標L0となる。図7の縦軸はSOxの吸蔵量、即ち、NOx吸蔵還元触媒24の座標Xにおける断面内に吸蔵されたSOx量を示す。
仮に、NOx吸蔵還元触媒24にSOxが全く吸蔵されてない状態で、所定時間機関運転を行うと、SOx量分布は図7の上のSOx量分布のようになる。NOx吸蔵還元触媒24に流入したSOxはその上流側から吸蔵されていくため、上流側の触媒部分の方がより吸蔵量が多くなる。SOxが吸蔵した斜線で示す領域の面積Aは、NOx吸蔵還元触媒24全体でのSOxの吸蔵量を示す。この状態で硫黄被毒回復制御のリッチ処理を実行すると、吸蔵されたSOxが放出される。このとき、NOx吸蔵還元触媒24から一旦は放出されたSOxの一部が、下流排気通路内に排出されず、図7の下のSOx量分布に示されるように、リッチ処理の終了時にNOx吸蔵還元触媒24の下流部分に再び吸蔵される。この現象を再吸蔵といい、また、この場合の再吸蔵率Rは、再吸蔵されたSOx量、即ち図7の下のSOx量分布における斜線の領域の面積A’を用いて、再吸蔵率R=A’/Aとして算出される。
なお、SOx放出速度Vtは、再吸蔵率R=0と仮定した場合の放出速度を示す。
ここで、本発明において、NOx吸蔵還元触媒24から同時期に放出されたSOxは同じ距離だけ移動すると仮定する。従って、図7の上のように吸蔵したSOx量分布は、その分布傾向を保ったまま、距離Kだけ移動する。この移動距離Kのことを以下SOx移動距離Kという。
吸蔵されたSOxが、リッチ処理によって放出され、吸蔵されていた位置からSOx移動距離Kだけ移動した結果、座標L0を越えた場合には、そのSOxはNOx吸蔵還元触媒24に再吸蔵されることなく、下流排気通路内に排出される。それに対して、吸蔵されたSOxが、リッチ処理によって放出され、吸蔵されていた位置からSOx移動距離Kだけ移動した結果、座標L0を越えなかった場合には再吸蔵される。従って、再吸蔵率Rは、SOx移動距離Kが大きいほど低くなり、SOx移動距離KがNOx吸蔵還元触媒24の長さL0よりも大きい場合には再吸蔵率Rは0となる。
以上より、再吸蔵率Rは、SOx移動距離KとSOx量分布とに基づいて決定される。
図8は、NOx吸蔵還元触媒24の触媒温度Tと再吸蔵率Rとの関係を示す図である。図8から明らかなように、再吸蔵率Rは、触媒温度Tが高いほど低くなる傾向にあることが分かる。このことは、触媒温度Tが高いほどSOx移動距離Kが大きいことを示す。
図9は、リッチ処理中における、再吸蔵率R及びNOx吸蔵還元触媒24に流入する排気ガスの空燃比の関係を示す図である。図9を参照すると、時刻t0でリッチ処理が開始されると、燃料添加弁28から燃料が添加されることによって、排気ガスの空燃比が徐々にリッチ側に移行する。しかし、空燃比の推移が理論空燃比を越えた直後から、燃料添加弁28からの燃料添加にも関わらず十分リッチな空燃比とならない期間が存在する。その理由は、この期間では、酸素貯蔵触媒22が、流入する排気ガスの空燃比がリッチにされたことによって、蓄えていた酸素を放出している状態にあるからである。そしてこの期間では、再吸蔵率Rも高いことからNOx吸蔵還元触媒24から、実際に下流の排気通路内に排出されるSOxの放出量も非常に少ない。その後、酸素貯蔵触媒22に蓄えられていた酸素がすべて放出されゼロとなり、空燃比が十分なリッチへと移行する時刻t1から、再吸蔵率Rは減少し始める。それに伴い、実際に下流の排気通路内に排出されるSOxの放出量は増大する。酸素貯蔵触媒22に蓄えられていた酸素がすべて放出されゼロとなった時刻t1からのリッチ処理の実行時間を、以下、有効リッチ処理時間txという。
従って、再吸蔵率Rは、有効リッチ処理時間txに応じて低くなる傾向にあることが分かる。このことは、有効リッチ処理時間txが長いほどSOx移動距離Kが大きいことを示す。なお、酸素貯蔵触媒22に蓄えられていた酸素がすべて放出されゼロとなるタイミング(時刻t1)は、空燃比センサ26によって検出された図9に示されるような急激なリッチ化という空燃比の変化によって知ることができる。
なお、当然のことながら排気ガス量SVが大きいほどSOx移動距離Kも大きくなる。
以上より、SOx移動距離Kは、NOx吸蔵還元触媒24の触媒温度Tと、有効リッチ処理時間txと、排気ガス量SVとを用いた関数式により算出することができる。
従って、再吸蔵率Rは、現時点のSOx量分布と、これを上述のように算出したSOx移動距離Kだけ移動した後の予想されるSOx量分布とから、これらの面積比によって算出することが可能となる。しかしながら、図8に示されるようなNOx吸蔵還元触媒24の触媒温度Tと再吸蔵率Rとの関係から算出してもよい。その他の再吸蔵率Rを求める方法として、SOx量を検出するSOxセンサをNOx吸蔵還元触媒24の上流排気通路及び下流排気通路に配置し、SOxの流入と排出を測定することによって、その他実験的又は計算によって求められる関数式又はマップによって算出するようにしてもよい。
ところで、図5Aに示されるようなリッチ処理の実行と停止との繰り返しを考慮した場合、酸素貯蔵触媒22に蓄えられていた酸素がすべて放出されゼロとなっても、当該リッチ処理が停止され、空燃比がリーンとなるリーン時間の間には再び酸素貯蔵触媒22に酸素が蓄えられる。そうすると、リーン時間隔てた次のリッチ処理のときには、再び再吸蔵率が増加しており、蓄えられた酸素が放出されゼロとなってから再吸蔵率Rが減少しSOxの放出量が増大するというサイクルになる。従って、各リッチ処理の実行時間、即ち有効リッチ処理は、出来るだけ長い方が効率よく硫黄被毒回復を行うことができ、本発明はそのために以下のような硫黄被毒回復制御を行う。
なお、リッチ処理を開始した時刻t0から酸素貯蔵触媒22に蓄えられていた酸素がすべて放出されゼロとなった時刻t1までの間の時間というのは、各リッチ処理において略同じ時間である。
図10は、本発明の実施形態によるSOx量分布更新操作のフローチャートである。この操作は、電子制御ユニット(ECU)30によって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ルーチンとして行われる。
まず、ステップ100では、現在のSOx量分布を読み込み、ステップ101へと進む。次いで、ステップ101では、図4に示されるようなマップに基づいて、単位時間当たりのSOx量SOXAを算出し、ステップ102へと進む。次いで、ステップ102では、現在、リッチ処理中であるか否かが判定される。現在、リッチ処理中でない場合には、ステップ105へと進む。次いで、ステップ105では、ステップ100で読み込んだSOx量分布及びステップ101で算出した単位時間当たりのSOX量SOXAに基づいてSOx量分布を更新し、ルーチンを終了する。即ち、リッチ処理中でない場合には、吸蔵されたSOxの放出がないため、新たに吸蔵される分のSOxのみを考慮し、SOx量分布を更新する。
一方、ステップ102において、現在、リッチ処理中である場合には、ステップ103へと進む。次いで、ステップ103では、NOx吸蔵還元触媒24の触媒温度Tと、有効リッチ処理時間txと、排気ガス量SVとを読み込み、ステップ104へと進む。次いで、ステップ104では、ステップ103で読み込んだ、NOx吸蔵還元触媒24の触媒温度Tと、有効リッチ処理時間txと、排気ガス量SVとに基づいて、SOx移動距離Kを算出し、ステップ105へと進む。次いで、ステップ105では、ステップ100で読み込んだSOx量分布、ステップ101で算出した単位時間当たりのSOX量SOXA及びステップ104で算出したSOx移動距離Kに基づいてSOx量分布を更新し、ルーチンを終了する。即ち、リッチ処理中である場合には、新たに吸蔵される分のSOxのみならず、吸蔵されているSOxの放出による移動分も考慮して、SOx量分布を更新する。
図11は、上述のSOx放出速度Vt及び再吸蔵率Rに基づいて行う、本発明の実施形態による硫黄被毒回復制御を行うための硫黄被毒回復制御操作のフローチャートである。この操作は、電子制御ユニット(ECU)30によって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ルーチンとして行われる。
まず、ステップ200では、図4に示されるようなマップに基づいて、単位時間当たりのSOx量SOXAを積算することによってNOx吸蔵還元触媒24に吸蔵された推定SOx量ΣSを算出し、ステップ201へと進む。次いで、ステップ201では、NOx吸蔵還元触媒24に吸蔵された推定SOx量ΣSが予め定められた値SOX0を超えたか否か、即ち硫黄被毒回復制御をすべきか否かが判定される。推定SOx量ΣSが予め定められた値SOX0以下の場合には、まだ硫黄被毒回復を行う必要がないため、以下の処理を行わずにルーチンを終了する。
一方、ステップ201において、推定SOx量ΣSが予め定められた値SOX0を超えた場合には、ステップ202へと進む。次いで、ステップ202では、フラグFに1をセットすると共にカウンタCNTに0をセットし、ステップ203へと進む。これらフラグF及びカウンタCNTは後の処理で使用する。次いで、ステップ203では、図6に示されるようなマップに基づいて、リッチ処理の実行時間tR及び停止時間tLが算出され、ステップ204へと進む。次いで、ステップ204では、ステップ203で算出された実行時間tRのリッチ処理を実行し、リッチ処理を停止させることなくステップ205へと進む。
次いで、ステップ205では、リッチ処理を更に継続し延長するか又は停止するか判定するリッチ時間延長制御が実行される。
そこで、図12を参照しながらリッチ時間延長制御操作について説明する。図12は、本発明の実施形態によるリッチ時間延長制御操作のフローチャートであり、この操作は、硫黄被毒回復制御操作のステップ205において呼び出されるルーチンとして行われる。
まず、ステップ300では、SOx放出速度Vtの下限値である下限放出速度Vminを設定し、ステップ301へと進む。
下限放出速度Vminは、NOx吸蔵還元触媒24の劣化防止及び燃費悪化防止の観点から設定される。即ち、SOx放出速度Vtが下限放出速度Vminよりも低い場合には、NOx吸蔵還元触媒24に吸蔵されたSOxの放出に時間がかかり、硫黄被毒回復制御の実行時間が延びる。そうすると、NOx吸蔵還元触媒24がSOx放出温度以上の高温に長時間曝されることにより劣化すると共に、昇温処理に伴う燃費の悪化等の問題が顕著になる。従って、これらが許容される範囲内で排気ガス量SVに応じた下限放出速度Vminが設定される。
次いで、ステップ301では、SOx放出速度Vtを上述のようにアレニウスの式又はその他実験的に求められた関数式若しくはマップにより算出し、ステップ302へと進む。次いで、ステップ302では、ステップ301で算出されたSOx放出速度Vtが、ステップ202で設定した下限放出速度Vminより大きいか否かが判定される。SOx放出速度Vtが下限放出速度Vmin以下の場合には、上述のように、NOx吸蔵還元触媒24の劣化や燃費の悪化等の問題があるため、ステップ303へと進み、フラグFに0をセットし、ステップ307へと進み、リッチ処理を停止してルーチンを終了する。
一方、ステップ302において、SOx放出速度Vtが下限放出速度Vminよりも大きい場合には、ステップ304へと進む。次いで、ステップ304では、リッチ処理を継続し、ステップ305へと進む。次いで、ステップ305では、再吸蔵率Rの算出を行い、ステップ306へと進む。本実施形態では、再吸蔵率Rの算出は、図10に示されるSOx量分布更新操作によって得られた現時点のSOx量分布と、これがステップ104で算出されたSOx移動距離Kだけ移動した後の予想されるSOx量分布とから、これらの面積比によって算出する。
次いで、ステップ306では、再吸蔵率Rが予め定められた下限再吸蔵率Rminよりも小さいか否かが判定される。下限再吸蔵率Rminは、SOxの放出過剰を抑制する観点から設定される。即ち、再吸蔵率Rが小さいということは、NOx吸蔵還元触媒24に吸蔵されたSOxが再吸蔵されることなく大気中に排出される。一度の大量にSOxが排出されると、人間はそれを異臭と感知するため好ましくない。従って、SOxの放出が許容範囲内となるように下限再吸蔵率Rminを決定する。
具体的には、再吸蔵されることなく実際にNOx吸蔵還元触媒24から単位時間当たりに排出されるSOx量をSOx排出速度Vxとすると、SOx排出速度VxはSOx放出速度Vt及び再吸蔵率Rを用いて、Vx=Vt×(1−R)と表すことができる。即ち、SOx放出速度Vtが再吸蔵率R=0の時の放出速度であるのに対して、SOx排出速度Vxは、Vt×(1−R)の放出速度であるといえる。従って、異臭の観点から、SOxの放出が許容範囲内となるSOx排出速度Vxの限界値を限界SOx排出速度Vmaxとすると、下限再吸蔵率Rminは、Rmin=1−Vmax/Vtと表すことができる。
更に、限界SOx排出速度Vmaxは、排気ガス量SVに応じて放出されるSOx量及び予め予想されるSOxが転換するH2S量に基づいて設定される。即ち、排気ガス中のCOとH2Oとが反応することによって、CO2とH2とが生成され、このH2とSO2とが反応することによって、H2OとH2Sとが生成される。SOx及びH2Sが、異臭の原因であるため、大気中へ排出されるSOx量及びH2S量が所定値以下となるように、排気ガス量SVに応じて限界SOx排出速度Vmaxが設定される。即ち、排気ガス量SVが大きく、大気中へ排出されるSOx量及びH2S量がより多くなると予想されるときには、限界SOx排出速度Vmaxは、より低く設定される。
こうして求められた下限再吸蔵率Rminを用いて、ステップ306において、再吸蔵率Rが下限再吸蔵率Rmin以上である場合には、まだリッチ処理を継続しても異臭等の問題が生じないため、ステップ301へと進み、上記処理を繰り返す。一方、ステップ306において、再吸蔵率Rが下限再吸蔵率Rminよりも小さい場合には、大気中へ排出されるSOx量及びH2S量が多いと予想されるため、ステップ307へと進み、リッチ処理を停止し、ルーチンを終了する。
以上より、図11のステップ205のリッチ時間延長制御操作によれば、図11のステップ204で実行時間tRだけ行われたリッチ処理が、図5BのΔtRに示されるように更に継続し延長されるか、又は延長されることなく停止されることとなる。
その後、処理は図11の硫黄被毒回復制御操作にリターンされ、ステップ206へと進む。次いで、ステップ206では、ステップ203で算出された時間tLだけリッチ処理を停止させ、次いで、ステップ207へと進む。
次いで、ステップ207では、カウンタCNTがインクリメントされ、ステップ208へと進む。次いで、ステップ208では、カウンタCNTが所定値CNT0よりも大きいか否かが判定される。所定値CNT0は、NOx吸蔵還元触媒24の硫黄被毒回復に必要なリッチ処理の回数又は実行時間に基づいて決定される。カウンタCNTが所定値CNT0よりも大きい場合には、ステップ209へと進む。次いで、ステップ209では、フラグFに0をセットし、ステップ210へと進む。一方、カウンタCNTが所定値CNT0以下の場合には、ステップ210へと進む。
次いで、ステップ210では、フラグFが0か否かが判定される。フラグFが0でない場合、即ち、ステップ209又は図12に示されるリッチ時間延長制御操作のステップ303において、フラグFが0にセットされなかった場合は、硫黄被毒回復制御を継続させる必要があるため、ステップ203へと進み、上記処理を繰り返す。
一方、ステップ210において、フラグFが0である場合、即ち、ステップ209又は図12に示されるリッチ時間延長制御操作のステップ303において、フラグFが0にセットされた場合は、ルーチンを終了する。ステップ209において、フラグFが0にセットされた場合は、NOx吸蔵還元触媒24の硫黄被毒回復が完了したことを意味する。一方、図12に示されるリッチ時間延長制御操作のステップ303において、フラグFが0にセットされた場合は、上述のようにNOx吸蔵還元触媒24の劣化や燃費の悪化等の問題があるため、硫黄被毒回復が完了していない場合であっても強制的にルーチンを終了する。
以上より、本発明によれば、硫黄被毒回復制御自体を停止すること、又は、各リッチ処理の実行時間、即ち有効リッチ処理時間をNOx吸蔵還元触媒の熱劣化や燃費悪化の観点等から運転状態に応じて可能な限り延長することによって、エネルギ効率の良い硫黄被毒回復制御を行うことが可能となる。
なお、本発明について特定の実施形態に基づいて記述しているが、当業者であれば本発明の請求の範囲及び思想から逸脱することなく、様々な変更、修正等が可能である。
5...排気マニホルド
7...排気ターボチャージャ
22...酸素貯蔵触媒
24...NOx吸蔵還元触媒
先行技術文献
特許文献
特許文献1 特開2000−161045号公報
発明の概要
発明が解決しようとする課題
そこで本発明の目的は、エネルギ効率の良い硫黄被毒回復処理を行うようにした内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
課題を解決するための手段
本発明の1番目の態様では、機関排気通路内に、流入する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NOxを吸蔵し、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吸蔵したNOxを還元浄化するNOx吸蔵還元触媒を配置し、該NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されたSOxを放出させるべきときに、該NOx吸蔵還元触媒の触媒温度をSOx放出温度に昇温させると共に流入する排気ガスの空燃比をリッチにする硫黄被毒回復制御を行う硫黄被毒回復制御手段を具備する内燃機関の排気浄化装置において、NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されたSOxを放出する速度を算出するSOx放出速度算出手段を更に具備し、前記硫黄被毒回復制御手段が、硫黄被毒回復制御を実行すべきときに前記SOx放出速度算出手段によって算出されたSOx放出速度が下限放出速度よりも小さい場合には、硫黄被毒回復制御を停止し、NOx吸蔵還元触媒から放出されたSOx量のうち該NOx吸蔵還元触媒に再吸蔵されるSOx量の割合である再吸蔵率を算出する再吸蔵率算出手段を更に具備し、前記硫黄被毒回復制御手段が、流入する排気ガスの空燃比をリッチにするリッチ処理をリーン時間だけ隔てて繰り返し実行すると共に、前記各リッチ処理中に前記再吸蔵率算出手段によって算出された再吸蔵率に基づいて前記リッチ処理の停止時期を設定することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供される。
本発明の2番目の態様では、前記SOx放出速度算出手段が、NOx吸蔵還元触媒の触媒温度と、NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されたSOx量と、供給される還元剤量とのうち少なくとも1つに基
づいてSOx放出速度を算出することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供される。
本発明の4番目の態様では、前記硫黄被毒回復制御手段は、前記再吸蔵率算出手段によって算出された再吸蔵率が、予め定められた再吸蔵率よりも大きい場合には前記リッチ処理を継続し、前記再吸蔵率が前記予め定められた再吸蔵率よりも小さい場合には前記リッチ処理を停止することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供される。
本発明の5番目の態様では、前記再吸蔵率算出手段が、NOx吸蔵還元触媒の触媒温度に基づいて再吸蔵率を算出することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供される。
本発明の6番目の態様では、前記NOx吸蔵還元触媒の上流排気通路内に、流入する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酸素を蓄え流入する排気ガスの空燃比がリッチになると蓄えられている酸素を放出する酸素貯蔵触媒を配置すると共にNOx吸蔵還元触媒に吸蔵されたSOx量の分布を算出するSOx量分布算出手段を更に具備し、前記再吸蔵率算出手段が、前記各リッチ処理中に、排気ガス量と、酸素貯蔵触媒に蓄えられた酸素がゼロになってからの当該リッチ処理の実行時間と、SOx量分布算出手
Claims (6)
- 機関排気通路内に、流入する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NOxを吸蔵し、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吸蔵したNOxを還元浄化するNOx吸蔵還元触媒を配置し、該NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されたSOxを放出させるべきときに、該NOx吸蔵還元触媒の触媒温度をSOx放出温度に昇温させると共に流入する排気ガスの空燃比をリッチにする硫黄被毒回復制御を行う硫黄被毒回復制御手段を具備する内燃機関の排気浄化装置において、NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されたSOxを放出する速度を算出するSOx放出速度算出手段を更に具備し、前記硫黄被毒回復制御手段が、硫黄被毒回復制御を実行すべきときに前記SOx放出速度算出手段によって算出されたSOx放出速度が下限放出速度よりも小さい場合には、硫黄被毒回復制御を停止することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
- 前記SOx放出速度算出手段が、NOx吸蔵還元触媒の触媒温度と、NOx吸蔵還元触媒24に吸蔵されたSOx量と、供給される還元剤量とのうち少なくとも1つに基づいてSOx放出速度を算出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吸蔵還元触媒から放出されたSOx量のうち該NOx吸蔵還元触媒に再吸蔵されるSOx量の割合である再吸蔵率を算出する再吸蔵率算出手段を更に具備し、前記硫黄被毒回復制御手段が、流入する排気ガスの空燃比をリッチにするリッチ処理をリーン時間だけ隔てて繰り返し実行すると共に、前記各リッチ処理中に前記再吸蔵率算出手段によって算出された再吸蔵率に基づいて前記リッチ処理の停止時期を設定することを特徴とする請求項1又は2に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記硫黄被毒回復制御手段は、前記再吸蔵率算出手段によって算出された再吸蔵率が、予め定められた再吸蔵率よりも大きい場合には前記リッチ処理を継続し、前記再吸蔵率が前記予め定められた再吸蔵率よりも小さい場合には前記リッチ処理を停止することを特徴とする請求項3に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記再吸蔵率算出手段が、NOx吸蔵還元触媒の触媒温度に基づいて再吸蔵率を算出することを特徴とする請求項3又は4に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記NOx吸蔵還元触媒の上流排気通路内に、流入する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酸素を蓄え流入する排気ガスの空燃比がリッチになると蓄えられている酸素を放出する酸素貯蔵触媒を配置すると共にNOx吸蔵還元触媒に吸蔵されたSOx量の分布を算出するSOx量分布算出手段を更に具備し、前記再吸蔵率算出手段が、前記各リッチ処理中に、排気ガス量と、酸素貯蔵触媒に蓄えられた酸素がゼロになってからの当該リッチ処理の実行時間と、SOx量分布算出手段によって算出されたSOx量分布とのうち少なくとも1つに基づいて再吸蔵率を算出することを特徴とする請求項3又は4に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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