WO2003083272A1

WO2003083272A1 - Systeme de decontamination de gaz d'echappement et procede de commande associe

Info

Publication number: WO2003083272A1
Application number: PCT/JP2003/003936
Authority: WO
Inventors: Taiji Uekusa; Teruo Nakada; Kazuhiro Enoki; Yutaka Uematsu; Tetsuya Fujita; Yousuke Tanaka; Jin Yokoyama; Hiromi Shibuya
Original assignee: Isuzu Motors Limited
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2003-10-09
Also published as: EP1491735A4; EP1491735A1; EP1491735B1; DE60314611D1; JP4093301B2; JP2003286832A; DE60314611T2; US20050153828A1

Description

曰月糸田 »

排気ガス浄化システム及びその制御方法

技術分野

本発明は、内燃機関の排気ガス中の NO Xを還元して浄化すると共に、排気ガスの粒子状物質を捕集して燃焼除去する排気ガス浄化システム及びその制御方法に関する。より詳細には、 NO Xの浄ィ匕用に直接還元型 NO X触媒を上流側に配置し、 P Mの浄化用に酸化触媒付き D P Fを下流側に配置した排気ガス浄化システム及びその制御方法に関する。

背景技術

ディーゼルエンジン等の自動車の内'燃機関の排気ガスから、粒子状物質（パティキュレートマテリアル：以下 PMとする）と N〇x (窒素酸化物）を浄化するための排気ガス浄化システムについて種々の研究や提案がなされており、 PMに対しては、ディーゼルパティキュレートフィルタ（DPF： Diesel Particulate Filter ：以下 DPFとする）と呼ばれるフィルタが開発され、また、 NOxについては、 NOx還元触媒や三元触媒等が開発されている。

この DPFには、 PMを捕集する DPFに白金（Pt)等の酸化触媒をフィル夕の表面に塗布した酸化触媒付き D P Fや、白金等の酸化触媒酵化セリウム（ Ce0₂ ) 等の PM酸化触媒をフィル夕の表面に塗布した PM酸化触媒付き DP F等の触媒付き D P Fがある。

この酸化触媒付き DP Fでは、 N〇₂ による PMの酸化が、〇₂ による酸化よりもエネルギー障壁が低く低温で行うことが可能な点を利用して、酸化触媒により排気ガス中の NOを酸ィ匕し、発生した N〇₂ で捕集された PMを酸ィ匕して C〇₂ とし、 PMを除去している。

また、 PM酸化触媒付き DP Fでは、酸化セリウム等の触媒を有し、低温酸化域（350 ° (〜 450°C程度）では、酸化触媒で NOを N〇₂ に酸化し、この N 〇₂ で PMを酸ィ匕し、中温酸化域（400°C〜 600 °C程度）では、 PM酸化触媒で排気ガス中の〇₂ を活性ィ匕させて PMを直接酸化し、 PMが排気ガス中の〇₂ で燃焼する温度以上の高温酸化域 (600°C程度以上）では排気ガス中の〇 ₂ により PMを酸化している。また、フィル夕に酸化触媒を塗布せずに、フィル夕の上流側に白金等の酸化触媒を配置し、上流側の酸化触媒で排気ガス中の NOを酸化し、発生した N0₂ で、下流側の DPFに捕集された PMを酸化して C0₂ とし、 PMを除去するものもめる。

これらの触媒付き D P Fや酸化触媒前置の D P Fでは、触媒や、 N〇 ₂ による PMの酸化を利用することによって、 PMを酸化できる温度を下げて、 FMを捕集しながら酸化除去している。

しかしながら、これらの触媒付き DPFや酸化触媒前置の DPFでも、まだ、排気ガスを 350 °C程度に昇温させる必要があるため、アイドルや低負荷のェンジン運転状態では、排気ガス温度が不足して触媒が活性化しないため、上記の反応が起こらず、 PMが酸化されずに DPFに堆積してしまう。そのため、噴射時期遅延や多段噴射等で排気ガス温度を上昇させたり、ボスト噴射や排気管内噴射によつて酸化触媒に燃料を供給して燃焼させて、 P Mを再燃焼温度以上に昇温させて燃焼させる等して、 DP Fの再生処理を行っている。この DP Fの再生に際しては、酸素濃度を比較的高くして酸化雰囲気で捕集されている PMを PM燃焼温度にする必要がある。

一方、 N〇x浄化用の触媒に関しては、その一つに特開 2000 - 27427 9号公報等で提案されている内燃機関の排気浄化装置に用ヽられている N〇 X吸蔵還元触媒がある。この NO X吸蔵還元触媒は、触媒担体上に白金等の貴金属触媒とバリゥム（B a)等のアル力リ土類等を担持して形成され、高酸素濃度雰囲気下では、排気ガス中の NOは貴金属触媒の触媒作用により酸化されて N〇₂ となり、硝酸ィオン N 0₃ ― の形で触媒内に拡散し硝酸塩の形で吸収される。

そして、空燃比がリッチになり酸素濃度が低下すると硝酸イオン（N0₃ 一 ) が N〇₂ の形で放出され、貴金属触媒の触媒作用により、排気ガス中に含まれている未燃炭化水素（HC)や C〇や H₂ 等の還元剤で N0₂ はに還元される。この還元作用により、大気中に N 0 Xが放出されるのを阻止することができる。そのため、特開 2000— 274279号公報の排気浄化装置では、流入する排気ガスの空燃比がリーンである時に N〇 Xを N〇 X吸蔵還元型触媒に吸収させると共に、 NO X吸収能力が飽和に近くなると、排気ガスの空燃比を理論空燃比ゃリツチにする再生処理を行って、流入する排気ガスの酸素濃度を低下させることにより吸収した NO Xを放出させて、この放出された NO Xを還元させ、 NO Xを净化している。

しかしながら、この再生処理時においては、放出される NO Xを貴金属触媒により還元する必要があるが、極めて大量の NO Xが短時間に放出されるので、適量の還元剤を供給しても、 N 0 Xの全量を確実に還元剤と貴金属触媒に接触させて、 N₂ に還元することは難しく、一部の NO Xが漏出してしまうので、 NOx の低減に限界が生じるという問題がある。

更に、ディ一ゼルェンジンの燃料に含まれている硫黄分によつて触媒機能が劣ィ匕してしまうので、長時間にわたって NO Xの浄化率を高く維持することが難しいという硫黄被毒の問題がある。

この硫黄被毒による劣化状態を回復するための硫黄パージには、触媒温度を 6 50°Cまで昇温することが必要であり、ディーゼルエンジンにおいては、この触媒温度を 6 50 °C以上にするためには、排気ガス温度を 600 °C以上に昇温させる必要がある。しかし、吸気絞りやリッチ燃焼等の排気ガス昇温制御を行ってもエンジンの制御だけで触媒温度を 650 °Cまで昇温させることは実際上は困難でめる。

一方、この NOx吸蔵還元触媒とは別に、フィンランド共和国への特許出願 N 〇. 1 999248 1や NO. 200006 1 7に記載されている NO xを直接還元する触媒（以下、直接還元型 NOx触媒という。）がある。

この直接還元型 N〇x触媒は、第 7図や第 8図に示すように、型ゼォライト等の担体 Tに触媒成分であるロジウム（Rh) やパラジウム（Pd)等の金属 M を担持させたもので、ディ一ゼルェンジン等の内燃機関の空燃比がリ一ン状態の排気ガスのように酸素濃度が高い雰囲気では、第 7図に示すように、 NOxと接触して、 NOxを N₂ に還元すると共にこの触媒成分自体が酸化して酸化ロジゥム等の酸化金属 M〇xとなる。この金属 Mが全部酸化してしまうと NOxの還元能力が無くなるので、ある程度酸化された時点で再生させる必要がある。

この再生は、空燃比が理論空燃比やリッチ状態の時のように、排気ガス中の酸素濃度を略ゼロ％に低い状態にして、第 8図に示すように、この酸化ロジウム等の酸化金属 M〇xを還元雰囲気で、未燃 H Cや C Oや水素 H ₂ 等の還元剤と接触させて還元して金属 Mに戻すことにより行なう。

なお、この直接還元型 N O X触媒においては、酸化金属 M O xを還元する反応は他の触媒に比較して低温（例えば 2 0 0 °C以上）でも迅速に行なわれ、しかも、硫黄被毒の問題が少ないという利点がある。

そして、更に、金属 Mの酸化作用を軽減し、 N〇x還元能力の保持に寄与するセリウム（C e ) を配合し、下層に三元触媒を設けて酸化還元反応、特にリッチ状態における N O Xの還元反応を促進するようにしている。また、 N〇xの浄化率を向上させるために担体に鉄（F e ) を加える等している。

しかしながら、硫黄被毒が N O X吸蔵還元触媒に比べて少ないとはいうものの、燃料中の硫黄分により徐々に硫黄被毒して劣化する。即ち、担体に加えた鉄に、排気ガス中の硫黄分が S 0₂ として吸収されるので、この鉄による N O Xの浄化性能の向上が阻害される一次的な硫黄被毒が生じたり、更に、還元剤を含まない一定の温度の酸化雰囲気中で鉄から排出された S〇₂ が S O ₃ に変化して、セリウムと化合するので、このセリウムによる N〇x還元能力の保持に対する寄与が減少したりする二次的な硫黄被毒が生じて、 N 0 Xの浄化率が低下する。

ただし、直接還元型 N O X触媒においては、この硫黄被毒に対する触媒劣化回復に必要な触媒温度（硫黄パージ温度）は 4 0 0 °C程度であり、 N〇x吸蔵還元型触媒の 6 5 0 °Cに比較して低く、通常の運転状態でも容易に達成することができる。

この硫黄被毒による劣化が直接還元型 N O X触媒で進展すると、排気ガスの空燃比がリ一ン状態で酸素濃度が高い雰囲気であつても、 N〇xを N ₂ に還元する能力が低下しているため N O Xの净化率が低下し、また、すぐに N O X還元能力が限界に近くまで低下するため、リツチ燃焼による再生処理を頻繁に行う必要が生じるので、燃費の悪化が生じる。

そのため、直接還元型 N O X触媒において、酸化金属 M O xを還元雰囲気で、還元剤と接触させて還元して金属 Mに戻す再生処理の他に、この硫黄被毒による劣化の進埗状態を監視し、劣化がある程度進渉した段階で、二次的な硫黄被毒を回避するために低酸素状態で、触媒の温度を 4 0 0 °C程度の硫黄パ一ジ温度以上にして硫黄分を除去する硫黄,、。一ジによる触媒劣化回復処理を行う必要があり、強制的にこの触媒劣化回復処理を行っている。

しかしながら、この硫黄パージにおいて、排気ガスを低酸素濃度にするリッチスパイク運転をすると、排気ガス中に未燃成分である H C、 C Oが多量に生成され、外部に排出されてしまうので、排気ガス浄化の面から好ましくないという問題がある。

発明の開示

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、上流側の直接還元型 N〇 X触媒における硫黄被毒に対する触媒劣化回復処理の際に、発生する H C、 C Oを利用して、下流側の D P Fに捕集されている P Mを燃焼除去できる排気ガス浄化システム及びその制御方法を提供することにある。

以上のような目的を達成するための N〇 X浄化システムは、排気ガス中の N 0 X を浄化するための直接還元型 N 0 X触媒と、排気ガス中の P Mを浄化するための触媒付き D P Fを、排気ガス通路に上流側から順に配置した排気ガス浄化システムにおいて、排気ガス中の酸素濃度をほぼゼロにすると共に排気ガス温度を昇温する、前記直接還元型 N O X触媒の硫黄被毒に対する触媒劣化回復処理中に、前記直接還元型 N 0 X触媒と前記触媒付き D P Fの間にエアを供給するエア供給システムを設けて構成される。

この「直接還元型 N O X触媒」とは、排気ガス中の酸素濃度が高い時に、触媒成分が N O X (窒素酸化物）を N ₂ (窒素）に還元すると共にこの触媒成分が酸化され、且つ、排気ガス中の酸素濃度が低下した時に、この触媒成分が還元される触媒のことをいい、この直接還元型 N O X触媒は、 8型ゼオライト等の担体に触媒成分であるロジウム（R h ) やパラジウム（P d )等の特別な金属を担持させて構成することができる。

そして、更に、この触媒成分の金属の酸化作用を軽減し、 N〇x還元能力の保持に寄与させるためにセリウム（C e ) を配合し、酸化還元反応、特にリッチ状態における放出された N O Xの還元反応を促進するために、下層に白金等を有する三元触媒を設けたり、また、 N〇xの浄化率を向上させるために担体に鉄（F e ) を加えたりして形成することができる。この触媒劣化回復処理は、直接還元型 N O X触媒の硫黄被毒に対して、二次的な硫黄被毒を回避するために、排気ガス中の酸素濃度をほぼゼロにすると共に、排気ガス温度を昇温して触媒温度を硫黄が排出される硫黄パージ温度（約 4 0 0 °C程度）以上に昇温する処理であり、吸気絞り等の吸気量制御や後噴射等の燃料噴射制御や E G R制御等によるリツチスパイク制御によって実施することができる。

また、上記の N O X浄化システムにおいて、前記エア供給システムは、ターボチャージャのコンプレッサによって過給される空気の一部を前記直接還元型 N〇 X触媒と前記触媒付き D P Fの間に供給するように構成する。この構成により、比較的簡単なシステムで空気を供給することができる。

そして、上記の N〇x浄化システムにおける前記触媒付き D P Fとしては、酸ィ匕触媒を有する様々な種類の D P Fを利用できるが、酸化触媒をゥオールフロー夕ィプの壁表面に塗布して形成した触媒付き D P Fや、酸化触媒と P M酸化触媒をウォールフロータイプの壁表面に塗布して形成した触媒付き D P Fを用いることができる。また、前記触媒付き D P Fの代わりに、上流側に酸化触媒を配置した D P Fを用いることもできる。

そして、上記の目的を達成するための N O X浄化システムの制御方法は、排気ガス中の N〇 Xを浄化するための直接還元型 N〇触媒と、排気ガス中の P Mを浄化するための触媒付き D P Fを、排気ガス通路に上流側から順に配置した排気ガス浄化システムにおいて、排気ガス中の酸素濃度をほぼゼロにすると共に排気ガス温度を昇温する、前 ΐ己直接還元型 N O X触媒の硫黄被毒に対する触媒劣化回復処理中に、前記直接還元型 N〇 X触媒と前記触媒付き D P Fの間にエアを供給することを特徴とする。

これらの構成によれば、直接還元型 N O X触媒では、触媒劣化回復処理の硫黄パージを行う際に、二次的な硫黄被毒を回避するために、リッチスパイク運転をして、排気ガスを低酸素状態にするので、未燃焼成分 H C、 C Oが多量に排出され、同時に、リッチスパイク運転により排気ガス温度が上昇し、直接還元型 N O X触媒の下流側では排気ガス温度が通常では 4 0 0 °C以上に上昇する。

この時直接還元型 N O X触媒の下流側にエア供給を行うと、下流側の触媒付き DPFの酸化角虫媒により、リッチスパイク運転で発生した HC、 COが酸化するので、この酸ィ匕により、 DPFに捕集されている PMが昇温し、 PMは供給されるエア中の 0₂ で燃焼して除去され、 DPFが再生される。

従って、この上流側の直接還元型 NOx触媒と下流側の触媒付き DPF (又は酸ィ匕触媒前置の DP F) を組み合わせてエア供給システムを設けた本発明の排気ガス浄化システムとその制御方法では、直接還元型 NO X触媒の触媒劣化回復処理の硫黄パージの際に、直接還元型 N〇x触媒と触媒付き DP F (又は酸化触媒前置の DPF) の間にエアを供給することで、直接還元型 NO X触媒の硫黄パージで発生する未燃 HC、 COの外部への排出を防止でき、しかも、同時に触媒付き DPFの PMを燃焼除去できる。

つまり、 N〇x浄ィ匕用の触媒として直接還元型 NOx触媒を選択し、また、 P M浄化用の D P Fとして、触媒付き D P Fや酸化触媒前置の D P Fを選択して、排気ガス通路の上流側から順に配置し、更に、直接還元型 NOx触媒の硫黄パージによる劣化回復処理時に、これらの間にエア供給を行うエア供給システムを設けることにより、エア供給により、硫黄パージのリッチスパイク運転で発生する未燃 HC， C〇を酸化して净化することができる。

また、同時に、この未燃 HC, COを酸化によって発生する熱で、触媒付き D P Fや酸化触媒前置の D P Fに捕集され堆積された P Mを P M再燃焼温度以上に昇温することができ、供給されたエア中の 0₂ で燃焼除去できる。

従って、 N〇x浄化用の直接還元型 NO X触媒の触媒劣化回復時に、 PM浄化用の D P Fの再生処理を行うことができるので、 D P Fの再生制御の回数を少なくすることができて、 D P F再生処理による燃料の消費量の増加を抑制することができる。

図面の簡単な説明

第 1図は、本発明の実施の形態の排気ガス浄化システムを備えたエンジンの構成を示す図である。

第 2図は、本発明の実施の形態の排気ガス浄化システム制御手段の構成を示す図である。

第 3図は、本発明の実施の形態の排気ガス浄化システム制御フローの一例を示すフローチャートである。

第 4図は、第 3図の肖虫媒再生制御フローの一例を示すフローチャートである。第 5図は、第 3図の触媒劣化回復制御フローの一例を示すフロ一チャートである。

第 6図は、第 3図の DPF再生制御フローの一例を示すフローチャートである。第 Ί図は、直接還元型 N 0 X触媒の高酸素濃度状態における反応を示す模式図である。

第 8図は、直接還元型 N 0 X触媒の低酸素濃度状態における反応を示す模式図である。

発明を実施するための最良の形態

以下、図面を用いて、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システム及びその制御方法について説明する。

最初に、排気ガス浄化システムについて説明する。第 1図に示すように、この排気ガス浄化システム 1 0は、エンジン本体 1の排気ガス通路 2に、上流側から順に直接還元型 NO X触媒 3 ·と触媒付き DP F 4を配置し、更に、この直接還元型 N〇x触媒 3と触媒付き DP F 4との間にエア供給口 5 aを有するエア供給システム 5を設けて構成される。

この直接還元型 N〇x触媒 3は、第 7図や第 8図に示すように、 iS型ゼォライト等の担体 Tにロジウム（Rh) やパラジウム（Pd) 等の特別な金属 Mを担持させて構成される。そして、更に、金属 Mの酸化作用を軽減し、 NO X還元能力の保持に寄与するセリウム（Ce) を配合し、下層に白金等を有する三元触媒を設けて酸化還元反応、特にリッチ状態における N 0 Xの還元反応を促進するようにし、また、 NO Xの浄化率を向上させるために担体に鉄（F e) を加えている _c そして、この直接還元型 NOx触媒 3は、第 7図に示すように、ディーゼルェンジン等の内燃機関の空燃比がリーンの排気ガスのように酸素濃度が高い雰囲気では、 NO Xと接触して、 N〇xを N₂ に還元すると共にこの金属 M自体が酸化して酸化ロジウム（Rh〇x)等の酸化金属 M〇xとなり、第 8図に示すように、空燃比が理論空燃比やリッチ状態の時のように排気ガス中の酸素濃度が略ゼロ⁰6 の低い還元雰囲気の場合には、酸化金属 MOxが、未燃 HCや C〇や H₂ 等の還元剤と接触して還元されて口ジゥム等の元の金属 Mに戻る性質を有するものである。

この触媒付き DPF 4は、多孔質のコ一ディライト、あるいは、炭化ゲイ素によって多数のガス通路（セル）が平行に形成され、この周囲を多孔質壁面で囲まれた多数の排気ガス通路の入口側と出口側を千鳥状に目封止して形成されるゥォ —ルフ口一タイプと呼ばれるハニカムフィルタや、セラミック繊維をステンレス多孔管に巻き付けて積層した繊維型フィル夕等で形成する。

そして、酸化触媒付きの DP Fの場合には、このフィルタの壁表面に白金 (P t)等の酸化触媒を塗布し、 PM酸化触媒付き DP Fの場合には、このフィルタの壁表面に白金等の酸化触媒と酸化セリゥム（C e 0₂ ) 等の PM酸化触媒を塗布して形成される。

これらの角虫媒付き DP F 4は、未燃 HC、 COを 1 90° (：〜 200°Cの酸化雰囲気で燃焼することができる。

また、エア供糸台システム 5は、触媒付き DP F 4の直前のエア供給口 5 aと、ターボ 6のコンプレッサー 6 aの後流側のエア吸入口 5 bを連結するエア供給配管 5 cと、このエア供給配管 5 cに設けられたエア供給弁 5 dとを有して構成される。

そして、エンジンの運転状態、主にトルク Qとエンジン回転数 Neを検出するトルクセンサや回転数センサ等からなる運転状況検出装置 2 1が設けられる。また、排気ガス通路 2の直接還元型 N〇 X触媒 3の上流側には空燃比 A f を検知するための空燃比センサ 22が、また、直接還元型 NO X触媒 3には触媒温度 Tea t を検知するための触媒温度センサ 23が、更に、下流側には NOx濃度 Cnox を検知する NO Xセンサ 24が設けられる。また、排気ガス温度を検知するための温度センサ 2 5、 26が、直接還元型 N〇 X触媒 3の上流側と、 D P F 4の下流側に設けられる。

そして、運転状況検出装置 2 1等から得られるエンジン 1のトルク（負荷） Q やエンジン回転数 N e等を入力とし、燃料噴射制御等のエンジン全般の制御を行うエンジンコント口一ルュニット（ECU) と呼ばれる制御装置 50を有して構成され、この制御装置 50に直接還元型 NOx触媒 3の触媒再生制御や触媒劣化回復制御や DPF再生制御等を行なう排気ガス浄ィ匕システム制御手段 2 0 0が設けられる。

なお、吸気通路 7には、エアクリーナー 3 1と、ターボチャージャ 6のコンプレッサ 6 と、インターク一ラ 3 2と、吸気スロットル弁 3 3が設けられ、更に EGR装置 4 0として、 EGR弁 4 2と EGRクーラ 4 3を有する EGR通路 4 1と冷却水用配管 44が設けられている。

第 2図に示すように、この排気ガス浄化システム制御手段 2 00は、触媒再生時期判定手段 2 1 1や触媒再生処理制御手段 2 1 2を含む触媒再生手段 2 1 0と、硫黄パージ時期判定手段 2 1や硫黄パージ処理制御手段 2 2 2を含む触媒劣化回復手段 2 2 0と、 D P F再生時期判定手段 2 3 1や D P F再生処理制御手段 2 3 2を含む DP F再生手段 2 30を有して構成される。

この触媒再生手段 2 1 0は、排気ガスの空燃比がリーン状態の酸素濃度が高い通常の運転状態で、 N〇xと接触して NOxを N₂ に還元して酸化金属 MO Xとなった直接還元型 NOx触媒 3を、排気ガスの空燃比がリツチ状態の酸素濃度が低い状態で再生する手段であり、触媒再生時期判定手段 2 1 1でこの触媒再生を行うタイミングを判定し、触媒再生時期であると判定した時に、触媒再生処理制御手段 2 1 2で、空燃比が理論空燃比やリッチ状態の酸素濃度が略ゼロ％の状態の排気ガスを発生し、酸化金属 MOxを還元雰囲気で未燃 HCや COや H₂ 等の還元剤と接触させて還元して金属 Mに戻す。

なお、この通常の運転状態とは、直接還元型 NO X触媒 3の再生処理用の運転や触媒劣化回復処理用の運転や触媒付き D P F 4の再生処理等を行っていない時の、エンジンに要求されるトルクや回転数で運転する運転のことをいい、この通常の運転状態では、排気ガス中の NOxは直接還元型 NOx触媒 3により、直接 N₂ に還元されて浄化され、排気ガス中の PMは触媒付き DPF 4による捕集及び燃焼除去により浄化される。

この触媒再生時期判定手段 2 1 1は、 NO Xを還元している時の直接還元型 N 〇x触媒 3の下流側の排気ガス中の NOx濃度 Cnoxや、酸素濃度が高い状態の経過時間や、 NOxを還元している時に直接還元型 NO X触媒 3によって還元される NO X量を推定演算した推定演算量等で、触媒再生時期であるか否かを判定する。

また、触媒再生処理制御手段 2 1 2は、排気ガス中の酸素濃度を低下させる手段、即ち、空燃比 A f が 1 4 . 7以下のリッチスパイク運転を行う手段であり、内燃機関の燃焼室に供給される燃料の噴射を制御する燃料噴射制御や、吸入空気量を制御する吸気量制御や、 E G R装置の E G Rガス量を制御する E G R制御等のいずれか一つまたはその組み合わせで行い、空燃比センサ 2 2の検出値 A f に基づいて、この検出値 A f が所定の設定範囲内に入るようにフィ一ドバック制御する。

なお、燃料噴射制御には、エンジンの燃焼室に噴射する燃料の主噴射の夕イミングを変更する主噴射タイミング制御や主噴射の後に後噴射（ポスト噴射）を行なう後噴射制御等があり、吸気量制御には、吸気スロットル弁 3 3の弁開度を制御する吸気スロットル弁制御や、ターボチャージャ 6のコンプレッサ 6 aからの吸気量を制御するタ一ポチャ一ジャ吸気量制御等がある。

そして、触媒劣化回復手段 2 2 0は、硫黄パージ時期判定手段 2 2 1、硫黄パージ処理制御手段 2 2 2を有して構成される。

この硫黄パ一ジ時期判定手段 2 2 1は、 δ L黄パージ制御を行うか、行わないかを判定する手段であり、燃料消費量と燃料中の硫黄濃度から、直接還元型 Ν〇χ 触媒 3に堆積される硫黄量 X 1を推定し、この推定した硫黄の堆積量 X 1を累積した累積値 X tが、硫黄パージ開始判定値 X 1より大きい場合に、硫黄パージ制御を開始するとの判定を行い、小さければ硫黄パージ制御を開始しないとの判定を行う。

そして、硫黄パージ処理制御手段 2 2 2は、硫黄の累積量 X tが限界 X 1に達し多時に、硫黄パージする必要があるとして、排気ガス中の酸素濃度を低くすると共に触媒温度 Teat を硫黄パージ温度 T r以上に昇温するリッチスパイク運転制御を行う手段であり、これにより、触媒温度 Teat を硫黄パージ温度 T r以上に昇温して、リッチ状態で二次的な硫黄被毒を防止しながら、硫黄パージを行つて、触媒の劣化回復を行うものである。なお、この硫黄パージ運転におけるリツチスパイク運転は、再生処理のリッチスパイク運転と同様に、燃料噴射制御や吸気量制御や E G R制御等のいずれか一つまたはその組み合わせで行うことができる。

そして、本発明においては、この硫黄パージ処理制御手段 222は、 DPF再生処理制御を含み、この DP F再生処理制御では、エア供給弁 5 dを開弁操作して、触媒付き DPF 4の上流側に、ターボチャージャ 6のコンプレッサ 6 a下流の過給空気の一部 A aを供給する。このエア供給により、硫黄パージ処理制御におけるリッチスパイク運転で発生する多量の未燃 HC、 COを、触媒付き DPF 4の酸化触媒で酸化し、更に、これらの HC、 COの酸化により発生した熱により、触媒付き DPF 4に捕集されている PMを昇温させて、エア供給によって供給される 0₂ で、燃焼除去する。

つまり、硫黄パージの時に、リツチスパイク運転により排気ガス温度を上昇させ、直接還元型 NO X触媒 3の触媒温度 Teat を硫黄パージ温度（約 400°C) 以上に上昇させる。このとき、エア供給を行うことにより、リッチスパイク運転により発生した未燃 HC、 COを、触媒付き DPF 4の酸化触媒の触媒作用により燃焼させることにより、触媒付き D P F 4に捕集された P Mに流入する排気ガス温度を更に高く、一般的には 500 °C程度にすることができるので、この PM を燃焼させて、触媒付き DP F 4の PMを除去して再生することができる。

また、 DPF再生手段 2 30は、 DPF再生時期判定手段 23 1で DPFの目詰まりが進渉して触媒付き DPF 4の再生処理が必要であると判定したら、 DP F再生処理制御手段 232で、再生処理制御を行って、触媒付き DPF 4に捕集された P Mを燃焼除去する手段である。

この DP F再生時期判定手段 23 1は、 DPF再生時期を判定する手段であり、ェンジンの運転条件から触媒付き D P F 4に堆積される PM量を推定して積算することで P M蓄積量を算出し、この P M蓄積量が予め設定した判定値を超えた時に、 DPF再生時期であると判定したり、あるいは、触媒付き DPF 4の前後の排気圧力の差や比が判定値を超えた時に、 D P F再生時期であると判定する。また、 DPF再生処理制御手段 23 2は、コモンレール等の電子制御式燃料噴射システムを利用して、噴射時期遅延や多段噴射等で排気ガス温度を上昇させたり、ボスト噴射や排気管内噴射によってフィル夕に塗布した酸化触媒に燃料を供給して燃焼させて、排気ガス温度を PMの再燃焼温度以上に昇温させる等して、触媒付き D P F 4の再生処理を行う。

この再生処理は、リーン燃焼状態やエア供給システム 5によるエア供給で、触媒付き D P F 4に流入する排気ガス中の酸素濃度が高い状態で行われる。

次に、上記の構成の排気ガス浄化システム 1 0を、排気ガス浄化システム制御手段 2 0 0により制御して、排気ガス中の N O X除去を行なう排気ガス浄化システム制御フローについて説明する。この制御フローは第 3図〜第 5図に例示するフローチヤ一ト等に基づいて行なわれる。

この第 3図に示す排気ガス浄化システム制御フローは、ステップ S 1 0 0の触媒再生制御とステップ S 2 0 0の触媒劣化回復制御とステップ S 3 0 0の D P F 再生制御からなり、ェンジン全般を制御する全体のフローの一部として構成されるものであり、メインのェンジン制御フローで呼ばれて、ェンジン制御フローと並行して実行され、エンジン運転の終了に伴って実行を中断し、メインのェンジン制御フローに戻って、このェンジン制御フローと共に終了するものとして示してある。

そして、第 3図に示すように、この排気ガス浄化システム制御フローがスタートすると、ステップ S 1 0 0の触媒再生制御とステップ S 2 0 0の触媒劣化回復制御とステップ S 3 0 0の D P F再生制御が並行して実行され、エンジンの運転終了等のこの制御フローを終了する場合が生じると、この各ステップの制御内で終了の割り込みが生じリターンして、このフローに戻り、更に、図示しないメインのエンジン制御フローにリターンし、このフローを終了する。

ステップ S 1 0 0の触媒再生制御は、第 4図の触媒再生制御フローに示すように、ステップ S 1 1 0で、直接還元型 N O X触媒 3により N O Xを浄化する通常運転制御を所定の時間（例えば、触媒再生制御を行うか否かを判定する時間間隔に相当する時間）の間行った後、ステップ S 1 0で直接還元型 N〇x触媒 3が再生開始時期であるか否かを判定し、再生開始時期であれば、ステップ S 1 3 0 の触媒再生処理制御を行ってから、また、再生開始時期でなければ、そのまま、ステップ S 1 1 0に戻り、この制御を繰り返す。そして、エンジンの運転終了等のこの制御フローを終了する場合が生じると、ステップ S 1 4 0の終了の割り込みが生じリターンして、第 3図の制御に戻る。そして、ステップ S 200の触媒劣化回復制御では、第 5図の触媒劣化回復制御フローに示すように、このフローがスタートすると、ステップ S 20 1で前回のェンジン運転で直接還元型 N〇 X触媒 3に累積した硫黄の累積量 X tをメモリ一かり §売み込、。

そして、ステップ S 20 2で、通常運転制御を所定の時間（例えば、触媒劣化回復制御を行うか否かを判定する時間間隔に相当する時間）の間行った後、このステップ S 20 2のエンジン運転による硫黄の堆積量 Xaを、燃料消費量及び燃料中の硫黄濃度から算出し、この堆積量 X aを累積量 Xtに加えて、新しい累積量 Xtとする（Xt=Xt +Xa) 。

次のステップ S 20 3では、 δ荒黄パージ開始時期であるか否かを、累積量 Xt が所定のパージ開始判定値 X 1より大きいか否かで判定し、大きくない場合には、硫黄パージ開始時期に入っていないとして、ステップ S 202に戻る。

ステップ S 2 03の判定で累積量 X tが所定のパージ開始判定値 X 1より大きい場合には、ステップ S 204の硫黄パージ運転制御を所定の時間の間行い、ステツプ S 20 5で、直接還元型 NO X触媒 3の入口側の排気ガス温度 Tglが所定の判定温度 T 1 (例えば、 400°C) より大きい場合にはステップ S 206でェァ供給を行ってから、また、小さい場合にはエア供給を行わずに、ステップ S 2 07に行く。なお、ステップ S 205の判定に排気ガス温度 Tglを用いたが，代りに、触媒温度 Teat を用いることもできる。

このステップ S 204の硫黄パージ運転制御は、リツチスパイク運転を行って、触媒温度 Teat を硫黄パージ温度以上にすると共に、排気ガス中の酸素濃度をゼ口に近くして、 S〇₃ の発生を防止して、セリウムの二次的な硫黄被毒を防止しながら、触媒劣化回復処理を行うものである

また、ステップ S 206のエア供給は、硫黄パージ運転制御のリツチスパイク運転によって発生する未燃 HC、 COを触媒付き DPF 4の酸化触媒の触媒作用によって酸化して浄ィ匕すると共に、この酸化によって生じる熱により触媒付き D PF 4捕集された PMを昇温し、この PMを供給されたエア Aa中の〇₂ で酸ィ匕し、触媒付き DPF 4を再生するものである。

次のステップ S 207では、硫黄パージで吐出される硫黄の吐出量 Xsを、排気ガス量と触媒温度 Teat (又は、排気ガス温度 Tgl) と予め入力した硫黄吐出量マップデ一夕とから算出し、この吐出量 X sを累積量 X tから減算して、ステップ S 2 0 4の硫黄パージ運転制御を行った後の累積量 X tを求め、ステップ S 2 0 8の判定でこの累積量 X tが所定の第 2判定値 X 2 (通常はゼロ）以下でない場合には、ステップ S 2 0 4に戻って、累積量 X tが第 2判定値 X 2以下になるまで硫黄パージ運転制御を継続し、ステップ S 2 0 8の判定で、この累積量 X tが第 2判定値 X 2以下になったら、硫黄パージが完了したと判定して、ステツプ S 2 0 9で硫黄パ一ジ運転を停止し、通常の運転に戻る。なお、この時累積量 X tがマイナスの時はゼロとする。

なお、この第 5図のフローでは、ステップ S 2 0 7とステップ S 2 0 8により累積量 X tが第 2判定値 X 2以下になった時を硫黄パージ運転の終了の時としているが、燃料消費量と燃料中の硫黄濃度から算出した硫黄の累積量 X tと、硫黄パージ運転開始時の排気ガス量と触媒温度 Teat (又は、排気ガス温度 Tgl) と予め入力された硫黄パージ運転時間マップデ一夕とから、硫黄パージ運転時間を算出して、この運転時間の間硫黄パージ運転制御を行うようにしてもよい。このステップ S 2 0 9を終えると、ステップ S 2 0 に戻り、このフローを繰り返す。そして、エンジンの運転終了等、この制御フローを終了する場合が生じると、ステップ S 2 1 0の終了の割り込みが生じ、ステップ S 2 1 1で、終了時の硫黄の累積量 X t、即ち、ステップ S 2 0 2やステップ S 2 0 7で算出された累積量 X tをメモリーへ書込んでから、第 3図の N O x浄化システム制御フローにリターンし、このフローを終了する。

ステップ S 3 0 0の D P F再生制御は、第 6図の D P F再生制御フローに示すように、ステップ S 3 1 0で、 P Mを捕集する通常運転制御を所定の時間（例えば、 D P F再生制御を行うか否かを判定する時間間隔に相当する時間）の間行つた後、ステップ S 3 2 0で触媒付き D P F 4が再生開始時期であるか否かを判定し、再生開始時期であれば、ステップ S 3 3 0の D P F再生処理制御を行ってから、また、再生開始時期でなければ、そのまま、ステップ S 3 1 0に戻り、この制御を繰り返す。そして、エンジンの運転終了等のこの制御フローを終了する場合が生じると、ステップ S 3 4 0の終了の割り込みが生じリターンして、第 3図の制御に戻る。

そして、第 4図の触媒再生制御、第 5図の触媒劣化回復制御、第 6図の D P F 再生制御が共に終了の割込みによりリターンして、第 3図の排気ガス浄化システム制御フローに戻ると、更に図示しないメインのエンジン制御フローに戻り、このェンジン制御フローの終了と共にこの N 0 X浄化システム制御フ口一も終了する。

なお、上記のフローには示していないが、触媒再生処理制御、触媒パージ運転制御、 D P F再生処理制御の何れかが重なる時は、予め設定された優先順序によつてどれか一つを優先して行うものとする。

これらの構成の排気ガス浄化システム 1 0とその制御方法によれば、 N O x浄化用の直接還元型 N〇 X触媒 3と P M浄化用の触媒付き D P F を排気ガス通路 2の上流側から順に配置し、これらの間にエア供給を行うエア供給システム 5を設けることにより、直接還元型 N 0 X触媒 3の硫黄パージによる劣化回復処理時に、エアを触媒付き D P F 4に供給して、硫黄パージのリッチスパイク運転で発生する未燃 H C， C〇を酸化して浄ィ匕すると共に、この酸ィ匕によって発生する熱で、触媒付き D P F 4に捕集され堆積された P Mを P M再燃焼温度以上に昇温し、燃焼除去できる。

なお、上記では、 D P Fとして触媒付き D P Fを例にして説明したが、触媒付き D P Fの代わりに、酸化触媒を D P Fの前に配置するタイプの D P Fに対しても、本発明を適用することができる。

この酸化触媒前置の D P Fの場合には、前置する酸化触媒は、コ一デイエライト、炭化ゲイ素、ステンレス等で形成されるハニカム構造に設けられた、上流側から下流側に貫通する多数のガス通路（セル）の壁面に、アルミナ、ゼォライト、シリカ等に白金等を担持させた貴金属触媒をコーティングして形成される。

そして、エアは、この酸化触媒の上流側に供給され、未燃 H C、 C Oはこの酸化触媒で酸化され、酸化によって発生した熱により排気ガスが昇温し、この昇温した排気ガスにより、下流側の D P Fが昇温し、この D P Fに捕集された P Mが供給されたエア中の 0₂ により酸ィ匕されるので、これにより D P Fが再生することになる。産業上の利用可能性

本発明は、上流側の直接還元型 N〇 X触媒における硫黄被毒に対する触媒劣化回復処理の際に、発生する HC、 COを利用して、下流側の DPFに捕集されている P Mを燃焼除去できる排気ガス浄化システム及びその制御方法を提供するものである。

従って、本発明は、 NO X触媒と DP Fを組み合わせた排気ガス浄化システムに利用することができ、これらの排気ガス净化システムを搭載した車両等からの排気ガスを効率よく浄化し、大気汚染を防止できる。

Claims

請求の範囲

1 . 排気ガス中の N〇xを浄ィ匕するための直接還元型 N〇x触媒と、排気ガス中の P Mを浄化するための触媒付き D P Fを、排気ガス通路に上流側から順に配置した排気ガス浄化システムにおいて、排気ガス中の酸素濃度をほぼゼロにすると共に排気ガス温度を昇温する、前記直接還元型 N 0 X触媒の硫黄被毒に対する触媒劣化回復処理中に、前記直接還元型 N〇 X触媒と前記触媒付き D P Fの間にエアを供給するエア供給システムを設けたことを特徴とする排気ガス浄化システム。

2 . 前記エア供^ i合システムは、ターボチヤ一ジャのコンプレッサによって過給される空気の一部を前記直接還元型 N 0 X触媒と前記触媒付き D P Fの間に供給することを特徴とする請求の範囲第 1項記載の排気ガス浄化システム。

3 . 前記触媒付き D P Fは、酸化触媒をウォールフロータイプの壁表面に塗布して形成されることを特徴とする請求の範囲第 1項又は第 2項に記載の排気ガス净化システム。

4 . 前記触媒付き D P Fは、酸化触媒と P M酸化触媒をウォールフロ一タイプの壁表面に塗布して形成されることを特徴とする請求の範囲第 1項又は第 2項に記載の排気ガス净化システム。

5 . 前記触媒付き D P Fの代わりに、上流側に酸化触媒を配置した D P Fを用いることを特徴とする請求の範囲第 1項又は第 1項に記載の排気ガス浄化システム。

6 . 排気ガス中の N O Xを浄化するための直接還元型 N O X触媒と、排気ガス中の P Mを浄化するための触媒付き D P Fを、排気ガス通路に上流側から順に配置した排気ガス浄化システムにおいて、排気ガス中の酸素濃度をほぼゼロにすると共に排気ガス温度を昇温する、前記直接還元型 N O X触媒の硫黄被毒に対する触媒劣化回復処理中に、前記直接還元型 N 0 X触媒と前記触媒付き D P Fの間にエアを供給することを特徴とする N O X浄化システムの制御方法。