JPWO2010146718A1 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Abstract
Description
しかしながら、このようなNOX触媒装置の再生処理においてN2O(一酸化二窒素又は亜酸化窒素)が生成されることがあり、N2Oも大気中へ放出することは好ましくない。それにより、再生処理時においてNOX触媒装置からのN2Oの流出量を減少させることを意図した内燃機関の排気浄化装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、こうして再生処理時に燃焼空燃比をリッチ空燃比とすると、排気ガス中の酸素濃度の低下により再生処理中のN2Oの生成量を全体的には減少させることができるが、一時的にN2Oが多量に生成されることがあり、再生処理に伴うN2Oの流出量を十分に減少させることができない。
従って、本発明の目的は、排気ガス中の酸素濃度が高い時には排気ガス中のNOXを良好に保持し、再生処理として、排気ガス中の酸素濃度を低下させれば、保持したNOXを離脱し、こうして離脱させたNOXを排気ガス中の還元物質によりN2へ還元浄化することができるNOX触媒装置を具備する内燃機関の排気浄化装置において、燃焼空燃比をリッチ空燃比とする再生処理に伴ってNOX触媒装置から流出するN2Oの流出量を十分に減少させることである。
本発明による請求項2に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記第一設定期間は、前記再生処理を開始するために燃焼空燃比を前記リーン空燃比から前記設定リッチ空燃比へ変化させた時から第一設定時間経過した時に開始するように設定されていることを特徴とする。
本発明による請求項3に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記第二設定期間は、前記再生処理を終了するために燃焼空燃比を前記設定リッチ空燃比からリーン空燃比へ変化させた時から第二設定時間経過した時に開始するように設定されていることを特徴とする。
本発明による請求項4に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項1から3のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記N2O還元剤は、再生処理時の排気ガス中に含まれる低沸点化改質HCより高沸点の燃料であることを特徴とする。
本発明による請求項5に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項4に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記N2O還元剤は、膨張行程又は排気行程において気筒内へ供給された後に排気ガスと共に前記NOX触媒装置へ供給されることを特徴とする。
本発明による請求項6に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項4に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記N2O還元剤は、前記NOX触媒装置の上流側の排気通路に供給された後に排気ガスと共に前記NOX触媒装置へ供給されることを特徴とする。
本発明による請求項2に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置において、第一設定期間は、再生処理を開始するために燃焼空燃比をリーン空燃比から設定リッチ空燃比へ変化させた時から第一設定時間経過した時に開始するように設定されており、第一設定時間を考慮して第一設定期間においてNOX触媒装置へN2O還元剤を供給することができる。
本発明による請求項3に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置において、第二設定期間は、再生処理を終了するために燃焼空燃比を設定リッチ空燃比からリーン空燃比へ変化させた時から第二設定時間経過した時に開始するように設定されており、第二設定時間を考慮して第二設定期間においてNOX触媒装置へN2O還元剤を供給することができる。
本発明による請求項4に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項1から3のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置において、N2O還元剤は、再生処理時の排気ガス中に含まれる低沸点化改質HCより高沸点の燃料であり、このような高沸点燃料は、低沸点改質HCよりNOX触媒装置内に残留し易く、NOXより還元させ難いN2Oを良好に還元することができる。
本発明による請求項5に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項4に記載の内燃機関の排気浄化装置において、N2O還元剤は、膨張行程又は排気行程において気筒内へ供給された後に排気ガスと共にNOX触媒装置へ供給されるようになっており、燃焼空燃比をリーン空燃比から設定リッチ空燃比とする再生処理時の排気ガス中に含まれる低沸点化改質HCのように改質されることなく、高沸点の燃料としてNOX触媒装置へ供給することができる。
本発明による請求項6に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項4に記載の内燃機関の排気浄化装置において、N2O還元剤は、NOX触媒装置の上流側の排気通路に供給された後に排気ガスと共に前記NOX触媒装置へ供給されるようになっており、燃焼空燃比をリーン空燃比から設定リッチ空燃比とする再生処理時の排気ガス中に含まれる低沸点化改質HCのように改質されることなく、高沸点の燃料としてNOX触媒装置へ供給することができる。
ディーゼルエンジン又は筒内噴射式火花点火内燃機関のような希薄燃焼を実施する内燃機関1の排気ガス中には、比較的多くのNOXが含まれるために、排気通路10には、NOXを浄化するためのNOX触媒装置11が配置されている。排気通路10のNOX触媒装置11の直上流側には、燃料を供給するための燃料供給装置12が配置されている。13はNOX触媒装置11へ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である。
NOX触媒装置11には、NOX保持剤と白金Ptのような貴金属触媒とが担持されている。NOX保持剤は、カリウムK、ナトリウムNa、リチウムLi、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である。
NOX触媒装置11は、排気ガスがリーン空燃比である時、すなわち、排気ガス中の酸素濃度が高い時に、排気ガス中のNOXを良好に保持し、すなわち、硝酸塩として良好に吸収したり、NO2として良好に吸着したりする。しかしながら、無制限にNOXを保持することはできず、NOX保持量がNOX保持可能量に達してさらにNOXを保持することができなくなる前に、再生処理として、排気ガスの空燃比をリッチ空燃比とし、すなわち、排気ガス中の酸素濃度を低下させる。それにより、保持NOXは離脱され、すなわち、吸収NOXは放出され、また、吸着NO2は脱離され、これら離脱NOXは排気ガス中の還元物質によりN2へ還元浄化される。
再生処理を開始するためには、圧縮行程において燃料噴射弁8により噴射される燃料を増量して、又は、膨張行程初期の燃焼中において燃料噴射弁8により追加燃料を噴射して、燃焼空燃比を通常運転のリーン空燃比から設定リッチ空燃比へ切り換えることによって、NOX触媒装置11へ設定リッチ空燃比の排気ガスを流入させる。予め定められた再生処理時間が経過してほぼ全ての保持NOXをNOX触媒装置11から離脱させた時には、再生処理を終了するために、燃焼空燃比を設定リッチ空燃比から通常運転のリーン空燃比へ戻すこととなる。もちろん、再生処理の実施前後のリーン空燃比は運転状態によって必ずしも同じにならないことがある。再生処理において、圧縮行程の増量燃料噴射は連続噴射でも二又は三分割のような複数の分割噴射でも良く、また、膨張行程初期の追加燃料は圧縮行程末期の燃料噴射に連続しても不連続でも良い。
このような再生処理に伴って、NOX触媒装置11においてN2O(一酸化二窒素又は亜酸化窒素)が生成されることがある。N2Oの大気放出は好ましくないために、NOX触媒装置11からのN2Oの流出量を低減することが必要である。
図2は、再生処理時のNOX触媒装置11内の空燃比A変化と、N2O生成量M変化とを示すタイムチャートである。図2において、時刻t1は、燃焼空燃比をリーン空燃比AL(例えば22)から設定リッチ空燃比AR(例えば12)へ切り換えた再生処理制御の開始時刻である。燃焼空燃比がリッチ空燃比ARとされても、NOX触媒装置11内の空燃比Aは、排気マニホルド9及びNOX触媒装置11の上流側の排気通路10内を満たすリーン空燃比ALの排気ガスによって、直ぐにはリッチ空燃比ARとはならず、リーン空燃比ALからリッチ側へ徐々に変化し、時刻t4において設定リッチ空燃比ARとなる。
こうして、再生処理を開始するためにNOX触媒装置11内の排気ガスの空燃比がリーン空燃比ALから設定リッチ空燃比ARとなるまでの間(時刻t1からt4)における時刻t2から時刻t3までの第一設定期間はNOX触媒装置11へ流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比AS(例えば14.7)近傍(例えば18から14)となって離脱NOX及び排気ガス中のNOXは十分に還元されずにN2Oが生成され易い(NO+N→N2O)。このように、燃焼空燃比をリーン空燃比ALから設定リッチ空燃比ARへ切り換えた再生処理制御開始時刻t1から第一設定時間経過した時に時刻t2となって第一設定期間が開始される。第一設定時間は、排気マニホルド9及びNOX触媒装置11の上流側の排気通路10の容積が小さいほど短くなり、リーン空燃比ALと理論空燃比ASとの差が小さいほど短くなり、また、理論空燃比ASと設定リッチ空燃比ARとの差が大きいほど短くなる。
また、時刻t5は、燃焼空燃比を設定リッチ空燃比ARからリーン空燃比ALへ切り換えた再生処理制御の終了時刻である。燃焼空燃比がリーン空燃比ALとされても、NOX触媒装置11内の空燃比Aは、排気マニホルド9及びNOX触媒装置11の上流側の排気通路10内を満たす設定リッチ空燃比ARの排気ガスによって、直ぐにはリーン空燃比ALとはならず、リッチ空燃比ARからリーン側へ徐々に変化し、時刻t8においてリーン空燃比ALとなる。
ところで、再生処理中において、NOXの還元によりアンモニアNH3が生成され、こうして生成されたNH3の殆どは、NOX触媒装置11の担体に吸着される等してNOX触媒装置11から流出することなく留まる。
それにより、再生処理を終了するためにNOX触媒装置内の排気ガスの空燃比が理論空燃比ASとなった以降(t6以降)において、例えば排気ガス中の酸素により、NOX触媒装置11内のアンモニアは、ほぼ全て酸化され、この際にN2Oが生成され易い(2NH3+2O2→N2O+3H2O)。このように、再生処理を終了するためにNOX触媒装置内の排気ガスの空燃比が理論空燃比ASとなった以降における時刻t6から時刻t7までの第二設定期間はN2Oが生成され易い。ここで、再生処理中に生成されたアンモニア量が多い場合には、第二設定期間の終了時刻t7はNOX触媒装置内の排気ガスの空燃比がリーン空燃比ALとなる時刻t8より後になることもある。このように、燃焼空燃比を設定リッチ空燃比ARからリーン空燃比ALへ切り換えた再生処理制御終了時刻t5から第二設定時間経過した時に時刻t6となって第二設定期間が開始される。第二設定時間は、排気マニホルド9及びNOX触媒装置11の上流側の排気通路10の容積が小さいほど短くなり、理論空燃比ASと設定リッチ空燃比ARとの差が小さいほど短くなり、また、リーン空燃比ALと理論空燃比ASとの差が大きいほど短くなる。
本実施形態においては、第一設定期間(時刻t2から時刻t3まで)及び第二設定期間(時刻t6から時刻t7まで)の少なくとも一方、好ましくは両方において、NOX触媒装置11へN2O還元剤を供給して、生成されたN2OをN2又はNO等に還元するようにしている。それにより、再生処理に伴ってNOX触媒装置11から流出するN2Oの流出量を十分に低減することができる。N2O還元剤の量は、第一設定期間及び第二設定期間においてそれぞれ生成されるN2O量が多いほど多くすることが好ましい。
図3は、還元物質毎のN2O還元率を示すグラフである。図3に示すように、COや例えばC3H6のような低沸点HCより例えばC10H22のような高沸点HCの方が、NOX触媒装置11内に残留し易く、NOXより還元させ難いN2Oを良好に還元することができる。NOX還元率は、N2O還元率とは逆の結果となり、COや低沸点HCの方が高沸点HCより高い還元率をもたらす。
それにより、本実施形態では、N2O還元剤として、再生処理時のリッチ空燃比燃焼の排気ガス中に含まれる低沸点化改質HCより高沸点の燃料を使用する。一方、NOXの還元には、リッチ空燃比燃焼の排気ガス中に含まれるCO及び低沸点化改質HCを使用する。
N2O還元剤としての燃料は、例えば、燃料噴射弁8により膨張行程(膨張行程後半)又は排気行程において気筒内へ噴射された後に排気ガスと共にNOX触媒装置11へ供給されるようになっている。こうして、燃焼時のように気筒内で低沸点HCに改質されることなく、高沸点の燃料としてNOX触媒装置11へ供給される。生成されるN2O量に基づき定められたN2O還元剤の量は全気筒に分割され、各気筒において割り当て分が噴射される。必要に応じて、各気筒において割り当て分は複数のサイクルに分割して噴射される。
この場合において、第一設定期間(t2からt3まで)においてN2O還元剤としての燃料が排気ガスと共にNOX触媒装置11へ供給されるように、燃料噴射弁8の噴射開始時刻が時刻t1と時刻t2との間に設定される。このN2O還元剤としての燃料は、燃焼空燃比を設定リッチ空燃比ARとするための燃料噴射量とは別に噴射される。
また、第二設定期間(t6からt7まで)においてN2O還元剤としての燃料が排気ガスと共にNOX触媒装置11へ供給されるように、燃料噴射弁8の噴射開始時刻が時刻t5と時刻t6との間に設定される。このN2O還元剤としての燃料は、燃焼空燃比をリーン空燃比ALとするための燃料噴射量とは別に噴射される。
また、N2O還元剤としての燃料は、NOX触媒装置11の直上流側に配置された燃料供給装置12により排気通路に供給された後に排気ガスと共にNOX触媒装置11へ供給されるようにしても良い。それにより、低沸点HCに改質されることなく、高沸点の燃料としてNOX触媒装置11へ供給される。生成されるN2O量に基づき定められたN2O還元剤の量は燃料供給装置12により連続的又は間欠的に供給される。
この場合において、第一設定期間(t2からt3まで)においてN2O還元剤としての燃料が排気ガスと共にNOX触媒装置11へ供給されるように、燃料供給装置12の供給開始時期が時刻t1と時刻t2との間に設定される。このN2O還元剤としての燃料は、燃焼空燃比を設定リッチ空燃比ARとするための燃料噴射量とは別に供給される。
また、第二設定期間(t6からt7まで)においてN2O還元剤としての燃料が排気ガスと共にNOX触媒装置11へ供給されるように、燃料供給装置12の供給開始時刻が時刻t5と時刻t6との間に設定される。このN2O還元剤としての燃料は、燃焼空燃比をリーン空燃比ALとするための燃料噴射量とは別に供給される。
このように、燃料噴射弁8又は燃料供給装置12は、電子制御装置により制御される。電子制御装置において、NOX触媒装置11の再生時期であるか否かが判断される。例えば、NOX触媒装置11の直上流側に上流側NOX濃度センサを設けると共にNOX触媒装置11の直下流側に下流側NOX濃度センサを設けて、NOX触媒装置11へ流入する排気ガス中のNOX濃度とNOX触媒装置11から流出する排気ガス中のNOX濃度とを検出し、NOX触媒装置11へ流入する排気ガス中のNOX濃度とNOX触媒装置11から流出する排気ガス中のNOX濃度との差が設定値を下回る時に、NOX触媒装置11のNOX保持量は、NOX保持可能量近傍に到達して、排気ガス中のNOXを十分に保持することができなくなったとして、再生時期と判断することができる。
また、下流側NOX濃度センサを設けることなく、上流側NOX濃度センサによりNOX触媒装置11へ流入する排気ガス中のNOX濃度を検出し、NOX濃度から定まる単位時間当たりの排気ガス中に含まれるNOX量の設定割合が単位時間当たりにNOX触媒装置11へ保持されるとして、単位時間当たりの保持量を積算して現在のNOX保持量を推定し、これが設定量に達した時に再生時期と判断するようにしても良い。また、上流側NOX濃度センサも設けることなく、機関運転状態毎の単位時間当たりの排気ガス中に含まれるNOX量を予め設定しておいて、その設定割合が単位時間当たりにNOX触媒装置11へ保持されるとして、単位時間当たりの保持量を積算して現在のNOX保持量を推定し、これが設定量に達した時に再生時期と判断するようにしても良い。
空燃比センサ13によりNOX触媒装置11へ流入する排気ガスの空燃比を監視することができる。
11 NOX触媒装置
12 燃料供給装置
Claims (6)
- 排気ガス中の酸素濃度が高い時には排気ガス中のNOXを保持し、再生処理として、排気ガス中の酸素濃度を低下させれば、保持したNOXを離脱し、こうして離脱させたNOXを排気ガス中の還元物質によりN2へ還元浄化することができるNOX触媒装置を具備する内燃機関の排気浄化装置において、前記再生処理は燃焼空燃比をリーン空燃比から設定リッチ空燃比へ変化させることにより実施され、前記再生処理を開始するために前記NOX触媒装置内の排気ガスの空燃比が前記リーン空燃比から前記設定リッチ空燃比となるまでの間における第一設定期間、及び、前記再生処理を終了するために前記NOX触媒装置内の排気ガスの空燃比が理論空燃比となった以降における第二設定期間の少なくとも一方において、前記NOX触媒装置へN2O還元剤を供給することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
- 前記第一設定期間は、燃焼空燃比を前記リーン空燃比から前記設定リッチ空燃比へ変化させた時から第一設定時間経過した時に開始するように設定されてい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。
- 前記第二設定期間は、燃焼空燃比を前記設定リッチ空燃比からリーン空燃比へ変化させた時から第二設定時間経過した時に開始するように設定されてい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。
- 前記N2O還元剤は、再生処理時の排気ガス中に含まれる低沸点化改質HCより高沸点の燃料であることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記N2O還元剤は、膨張行程又は排気行程において気筒内へ供給された後に排気ガスと共に前記NOX触媒装置へ供給されることを特徴とする請求項4に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記N2O還元剤は、前記NOX触媒装置の上流側の排気通路に供給された後に排気ガスと共に前記NOX触媒装置へ供給されることを特徴とする請求項4に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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