WO2009019951A1 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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WO2009019951A1
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storage catalyst
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exhaust gas
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Takamitsu Asanuma
Shinya Hirota
Kohei Yoshida
Hiromasa Nishioka
Hiroshi Otsuki
Tomihisa Oda
Shunsuke Toshioka
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Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to an exhaust emission control device for an internal combustion engine.
  • ⁇ ⁇ selective reduction catalyst is placed in the engine exhaust passage, and ⁇ ⁇ contained in exhaust gas is occluded in the form of nitrate in the engine exhaust passage upstream of the ⁇ selective reduction catalyst, and occluded when the reducing agent is supplied.
  • place Nyu_ ⁇ chi occluding catalyst which releases ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ chosen by reduction catalyst by supplying urea to ammonia that occurs from the urea to selectively changed based on the Nyu_ ⁇ chi contained in the exhaust gas
  • Such internal combustion engines are known (see, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2005-029 25).
  • urea supply amount in consideration of the vo chi amount emitted from vo chi weight and vo chi storage catalyst that is occluded in Nyu_ ⁇ chi storage catalyst is determined. Eg reduced amount corresponding urea supply amount of released Nyu_ ⁇ chi amount is made to increase size when the vo chi vo from storage catalyst chi is released.
  • the above-mentioned internal combustion engine is based on the premise that all occluded ⁇ ⁇ is released as ⁇ ⁇ . Therefore, the urea supply amount is increased by the reduced amount of the released ⁇ ⁇ amount. There is a problem that becomes excessive. Such a problem arises as long as so as to release vo chi from New Omicron chi storage catalyst with a reducing agent. Disclosure of the invention
  • An object of the present invention to release vo chi without supplying a reducing agent, thereby to provide an exhaust purification system without an internal combustion engine be above-mentioned problems.
  • ⁇ ⁇ storage catalyst is arranged, ⁇ ⁇ storage catalyst depends on the temperature of NO x storage catalyst It has the property of releasing NO x which the N_ ⁇ x contained in the exhaust gas is or occluded to occlude and discharge amount of NO x from the occlusion amount of NO x and the NO x storage catalyst into N_ ⁇ x storage catalyst When the calculated amount of stored NO x exceeds a predetermined allowable value, the temperature of the NO x storage catalyst is raised and NO x is released from the NO x storage catalyst.
  • NO or N is released from the NO x storage catalyst. O 2 and not released in the form of ammonia NH 3 .
  • NO x is released in a short time, so that the amount of NO x released per unit time can be accurately determined.
  • the urea supply amount required for the reduction of N_ ⁇ x was it is possible to accurately calculate the urea supply amount required for the reduction of N_ ⁇ x with.
  • FIG. 1 is a general view of a compression ignition type internal combustion engine
  • Fig. 2 is a graph showing the maximum NO x storage catalyst N0 x storage amount NMAX, etc.
  • Fig. 3 is a map of N 0 x amount NOXA discharged from the engine, etc.
  • FIG. 4 is a diagram showing NO x desorption rate, etc.
  • FIG. 5 is a flowchart for performing urea supply control
  • FIG. 6 is an overall view showing another embodiment of a compression ignition type internal combustion engine.
  • 7 is a view showing still another embodiment of the compression ignition type internal combustion engine.
  • Figure 1 shows an overall view of a compression ignition type internal combustion engine.
  • 1 is an engine body
  • 2 is a combustion chamber of each cylinder
  • 3 is an electronically controlled fuel injection valve for injecting fuel into each combustion chamber
  • 4 is an intake manifold
  • 5 is an exhaust manifold.
  • the intake manifold 4 is connected to the outlet of the compressor 7 a of the exhaust turbocharger 7 via the intake duct 6, and the inlet of the compressor 7 a is connected to the air cleaner 9 via the intake air amount detector 8 Is done.
  • a throttle valve 10 driven by a step motor is arranged in the intake duct 6, and a cooling device 1 for cooling intake air flowing in the intake duct 6 around the intake duct 6. 1 is placed.
  • FIG. 10 driven by a step motor
  • the engine cooling water is guided into the cooling device 11 and the intake air is cooled by the engine cooling water.
  • the exhaust manifold 5 is connected to the inlet of the exhaust turbine 7 b of the exhaust turbocharger 7, and the outlet of the exhaust turbine 7 b is connected to the inlet of the NO x storage catalyst 12.
  • the outlet of the NO x storage catalyst 12 is connected to the NO x selective reduction catalyst 14 through an exhaust pipe 13.
  • This NO x selective reduction catalyst 14 is composed of a titania-vanadium-based catalyst that does not have the ability to adsorb ammonia or have the ability to adsorb ammonia, which is composed of ammonia adsorption type Fe Zerai soot that has a high NO x purification rate at low temperatures.
  • NO x selective reduction catalyst 1 4 Upstream exhaust pipe 1 3 A urea water supply valve 1 5 is arranged in the 3, and this urea water supply valve 15 is connected to the urea water tank 1 via the supply pipe 1 6 and the supply pump 1 7. Concatenated to 8. The urea water stored in the urea water tank 1 8 is injected by the supply pump 1 7 from the urea water supply valve 1 5 into the exhaust gas flowing through the exhaust pipe 1 3, and ammonia generated from urea ((NH 2 ) 2 C ⁇ + H 2 0 ⁇ 2 NH 3 + C 0 2 ), NO x contained in the exhaust gas is reduced in the N 0 x selective reduction catalyst 14.
  • the exhaust manifold 5 and the intake manifold 4 are connected to each other via an exhaust gas recirculation (hereinafter referred to as EGR) passage 19, and an electronically controlled EGR control valve 20 is provided in the EGR passage 19. Be placed. Further, a cooling device 21 for cooling the EGR gas flowing in the EGR passage 19 is disposed around the EGR passage 19. In the embodiment shown in FIG. 1, the engine cooling water is guided into the cooling device 21 and the EGR gas is cooled by the engine cooling water.
  • each fuel injection valve 3 is connected to a common rail 23 via a fuel supply pipe 22, and this common rail 23 is connected to a fuel tank 25 via an electronically controlled variable discharge pump 24. Is done.
  • the fuel stored in the fuel tank 25 is supplied to the common rail 23 by the fuel pump 24, and is supplied to the common rail 23.
  • the fuel is supplied to the fuel injection valve 3 through each fuel supply pipe 22.
  • the electronic control unit 30 consists of a digital computer and is connected to each other by a bidirectional bus 3 1 RM (read only memory) 3 2, RAM (random access memory) 3 3, CPU (microphone port) Processor) 3 4, Input port 3 5 and Output port 3 6 N ⁇ x storage catalyst 1 2 is equipped with temperature sensor 26 to detect the bed temperature of NO x storage catalyst 1 2, and the output signals of temperature sensor 26 and intake air amount detector 8 correspond respectively. Input to input port 3 5 via AD converter 3 7.
  • a load sensor 41 that generates an output voltage proportional to the amount of depression L of the accelerator pedal 40 is connected to the accelerator pedal 40, and the output voltage of the load sensor 41 is passed through a corresponding AD converter 37.
  • the crank angle sensor 42 that generates an output pulse every time the crankshaft rotates 15 ° is connected to the input port 35, for example.
  • the output port 3 6 is connected to the fuel injection valve 3 and the throttle valve 10 via the corresponding drive circuit 3 8. And connected to fuel pump 2.4.
  • NO x storage catalyst 1 2 may be a type of catalyst that absorbs N_ ⁇ x in the exhaust gas
  • NO x in the exhaust gas may be a type of catalyst which adsorbs.
  • platinum Pt is used as a noble metal catalyst
  • the constituent elements of the NO x absorbent are alkali metals such as potassium K, sodium Na, cesium C s, barium B a, calcium C a Rare earth such as lanthanum La, yttrium Y At least one selected from the above is used.
  • This the NO x storage catalyst 1 2 has the function air absorbs NO x when the lean, Ru air-fuel ratio of the exhaust gas to release the NO x absorbed and becomes the stoichiometric air-fuel ratio or Li Tutsi 'of exhaust gas .
  • the air-fuel ratio of the exhaust gas is lean, so that a part of NO x normally contained in the exhaust gas is absorbed by the N0 x storage catalyst 12.
  • N 0 x selective reduction catalyst 1 4 does not almost 2 0 0 ° not C above the activation, thus after the engine start, until the temperature of the NO x selective reduction catalyst 1 4 increases N_ ⁇ x selective reduction eclipse It is not possible to expect NO x purification by the medium 14.
  • the NO x storage catalyst 12 has the ability to absorb N 0 x in the exhaust gas even at a low temperature at which the N 0 x selective reduction catalyst 14 is not activated. Therefore N_ ⁇ in the exhaust gas when the the NO x storage catalyst 1 2 upstream of N_ ⁇ x selective reduction catalyst 1 4 As shown in FIG. 1 is disposed the NO x selective reduction catalyst 1 4 is not activated x is absorbed by the N o x storage catalyst 12, and thus NO x is suppressed from being released into the atmosphere.
  • the NO x storage catalyst 12 cannot absorb NO x .
  • the temperature of the NO x storage catalyst 1 2 is raised, the absorbed N0 x is released from the NO x storage catalyst 12 2, and at this time, the temperature of the N 0 x selective reduction catalyst 14 is also raised. Therefore allowed to warm to the NO x storage catalyst 1 2 from N_ ⁇ x storing catalyst 1 2 to release the NO x before N_ ⁇ x absorption ability of the NO x storage catalyst 1 2 is saturated in the present invention, is the release are to be purified in the NO x selective reduction catalysts 1 4 N_ ⁇ x was.
  • N is released from the N0 x storage catalyst 12.
  • a part of NO x is further reduced to ammonium. Since it released in the form of Nia in the present invention without able to release NO x by the air-fuel ratio of the exhaust gas re-pitch, releasing NO x by Rukoto allowed to warm to the NO x storage catalyst 1 2 I try to let them.
  • This the NO x storage catalyst 1 2 NO x N_ ⁇ x amount which the temperature may become ho throat adsorption low adsorption catalyst 1 2 is increased. Therefore, in this case as well, when the NO x selective reduction catalyst 14 is not activated, it is adsorbed by the NO 3 ⁇ 4N0 x storage catalyst 1 2 in the exhaust gas, and thus N0 x is released into the atmosphere. Will be suppressed. In addition, this N_ ⁇ x storage catalyst 1 2 even the NO x storage catalyst 1 NO x that has been adsorbed and 2 to raise the temperature of the is released from the NO x storage catalyst 1 2.
  • N_ ⁇ x storage catalyst 1 2 of the NO x adsorption capacity is allowed to warm to NO x occlusion catalyst 1 2 before saturation NO N o x is released from the x storage catalyst 1 2, and this released NO x is purified by the NO x selective reduction catalyst 14.
  • Figure 2 shows the maximum storage amount NMAX of the NO x which the NO x storage catalyst 1 2 can be absorbed or adsorbed.
  • the vertical axis in FIG. 2 shows the the NO x storage amount sigma vo chi into the NO x storage catalysts 1 2, the horizontal axis represents the bed temperature TC of N_ ⁇ x storage catalysts 1 2.
  • the maximum NO x storage amount NMAX increases as the bed temperature TC of N ⁇ x storage catalyst 1 2 decreases. Therefore, N ⁇ x storage catalyst 1 2 becomes the bed temperature of NO x storage catalyst 1 2 TC When it is low, for example, it can be seen that it has a function of absorbing or adsorbing a large amount of N0 x when the engine is started.
  • the allowable value NW N_ ⁇ x storage amount sigma vo chi is that this predetermined is allowed to warm to N ⁇ x storing catalyst 1 2 from the NO x storage catalyst 1 2 so as to release the N_ ⁇ x when exceeded.
  • N0 x storage amount NOX reaches point A
  • the temperature of N0 x storage catalyst 12 is raised.
  • the excess N0 x storage amount ⁇ relative to the maximum storage amount NMAX is released from the NO x storage catalyst 12 at this time.
  • N_ ⁇ x storing catalyst 1 2 occludes NO x at low temperatures say schematically, i.e. absorbed or adsorbed, has the property of releasing NO x at high temperature. That is, N_ ⁇ x storing catalyst 1 2 has a property of releasing N_ ⁇ x being or occluded occludes NO x contained in exhaust gas according to the temperature of N_ ⁇ x storage catalyst 1 2.
  • amount of urea required for reducing the NO x is reduced with decreasing the amount of NO x in the exhaust gas flowing out from the N_ ⁇ x storing catalyst 1 2, flows out from the NO x occlusion catalyst 1 second exhaust It increases as the amount of NO x in the gas increases.
  • the amount of N0 x emission from the engine is determined. Therefore, when the operating state of the engine is determined, the amount of urea supply necessary for reducing the emission N0 x from the engine is determined.
  • NO Calculating the discharge amount of NO x from the occlusion amount of NO x and the NO x storage catalyst 1 2 to Kura catalyst 1 2 only the reduction amount of the occluded N_ ⁇ x amount calculated to the urea supply amount determined from the engine operating state
  • the urea supply amount is decreased, and the urea supply amount is increased by the reduction amount of the released NO x amount calculated with respect to the urea supply amount determined from the engine operating state.
  • NO x exhausted from the engine as described above is determined depending on the operating state of the engine.
  • the NO x amount NO XA discharged from the engine per unit time is stored in advance in the ROM 3 2 as a function of the required torque TQ and the engine speed N in the form of a map shown in FIG. It has been.
  • N_ ⁇ x storage rate of occluded are N_ ⁇ x to occlusion catalyst 1 2 is occluded in N_ ⁇ x storage catalyst 1 2
  • N_ ⁇ x storage amount sigma NOX and NO of the discharged NO x from the engine It is a function of the space velocity of the exhaust gas flow in the x occlusion catalyst 1 in 2. That is, as indicated by K 1 in FIG. 3 (B), the storage rate decreases as the NO x storage amount ⁇ ⁇ ⁇ X stored in the NO x storage catalyst 12 increases, and in FIG. 3 (C) As indicated by K 2, the storage rate decreases as the space velocity of the exhaust gas flow in the NO x storage catalyst 12, that is, the intake air amount Ga increases.
  • occlusion rates K 1 and K 2 are stored in advance in R OM 3 2. Discharge amount of NO x NO XA on insertion rate K 1 and are inserted per unit time N_ ⁇ x storing catalyst 1 2 by K 2 the multiplication to the amount of NO x NO XA ⁇ K from Example In the engine according to the invention 1 ⁇ K 2 is calculated.
  • NO x storage amount ⁇ NX is not being released all at once, the exhaust gas in N_ ⁇ x storage amount ⁇ ⁇ ⁇ and the NO x storage catalyst 1 in 2 to the NO x storage catalyst 1 2 Space velocity, ie intake air It is gradually released at a rate according to the amount G a. That is, as shown in FIG. 4 (A), NO x desorption rate W at a certain intake air amount G a, that is, NO x iW released per unit time from NO x storage catalyst 12 is NO x storage amount. ⁇ It increases as NOX increases. That is, NO x storage amount
  • the actual N0 x desorption rate that is, the amount of N0 x actually desorbed per unit time from N0 x storage catalyst 12 is shown in the desorption speed W shown in Fig. 4 (A).
  • the value W ⁇ D is obtained by multiplying the desorption rate D shown in 5 (B).
  • the desorption rate W and desorption rate D are stored in the ROM 32 in advance.
  • O x storage amount ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ decreases along with the maximum NO x storage amount NMA X, and NO x is released little by little.
  • NMA X maximum NO x storage amount
  • NO x is released little by little.
  • NO x is released together, the amount of NO x released per unit time increases, and as a result, the supply amount of urea water required to reduce the released NO x can be accurately calculated. become.
  • FIG. 5 shows a routine for controlling the urea supply. This routine is executed by interruption at regular intervals.
  • step 50 the emission N0 x amount N 0 XA per unit time from the engine is calculated from the map shown in FIG. 3 (A).
  • step 51 the NO x storage catalyst 12 is heated. It is determined whether or not it is in the middle. If NO x storage catalyst 1 2 temperature rise control is not in progress, go to step 52 and check if NO x storage catalyst 1 2 stores NO x amount ⁇ N 0 X is less than the allowable value NW shown in Fig. 2 Is determined. If ⁇ ⁇ N NW, that is, if there is still room to store NO x , go to step 53.
  • step 53 the storage rate K1 is calculated from the relationship shown in FIG. 3 (B), and then in step 54, the storage rate K2 is calculated from the relationship shown in FIG. 3 (C). Then is the NO x storage amount sigma vo chi by adding the amount of NO x NO XA ⁇ K 1 ⁇ K 2 that are actually occluded in the medium 1 2 tactile Step 5 per in 5 unit time N_ ⁇ x occluded in the sigma vo X Calculated. Next, in Step 56, the amount of NO x NOxA actually stored per unit time is subtracted from the NO x amount NOXA per unit time by subtracting NO XA ⁇ K 1 ⁇ K 2 from the NO x storage catalyst 1 2 per unit time. The NO x amount NO XZ in the exhaust gas flowing out is calculated.
  • NO x storage catalyst 1 2 flowing out from the NO x in the exhaust gas i.e., amount of urea required for reducing N_ ⁇ x in the exhaust gas flowing into the NO x selective reduction catalyst 1 4 Calculated.
  • the urea water supply action from the urea water supply valve 15 is performed.
  • step 52 when it is judged at step 52 that ⁇ N0 X ⁇ NW, the routine proceeds to step 57, where the temperature increase control of the NO x storage catalyst 12 is performed.
  • This temperature increase control is performed, for example, by retarding the fuel injection timing and increasing the exhaust gas temperature under a lean air-fuel ratio.
  • step 58 the desorption rate W is calculated from the relationship shown in FIG. 4 (A), and then at step 59, the desorption rate D is calculated from the relationship shown in FIG. 4 (B).
  • step 60 N actually desorbs per unit time.
  • ⁇ NO x storage amount ⁇ N OX is calculated by subtracting x iW ⁇ D from ⁇ ⁇ ⁇ .
  • step 6 the exhaust gas flowing out per due connexion N_ ⁇ x storage catalyst 1 2 from the unit time by adding the NO x iW ⁇ D actually desorbed per unit time Step 6 1, discharge amount of NO x N_ ⁇ _XA NO x amount NO XZ is calculated.
  • step 64 the amount of urea necessary to reduce this 1 ⁇ ⁇ 1 ( is calculated.
  • N_ ⁇ x amount NO XA discharged from the invention by subtracting the N_ ⁇ x amount NO storage N_ ⁇ x amount NOXA ⁇ K 1 ⁇ K 2 from XA exhausted from the engine in the embodiment or institutional 1 ⁇ ⁇ ! (the amount of exhaust gas flowing out good when you added the release N_ ⁇ v amount W 'D from N 0 x storage catalyst 1 2
  • NOXZ is calculated, and the supplied urea amount is calculated from this NO x amount NOXZ
  • step 51 determines whether the temperature rise control is in progress. If it is determined in step 51 that the temperature rise control is in progress, the routine proceeds to step 62, where NO x storage catalyst 12 stores NO x amount ⁇ ⁇
  • Figure 6 shows another embodiment.
  • an NO x sensor 4 3 for detecting the NO x concentration in the exhaust gas flowing into the NO x selective reduction catalyst 1 4 is arranged in the exhaust pipe 1 3, and the NO x sensor 4 3
  • the supply amount of urea water is controlled based on the output signal.
  • NO x to be reduced is directly measured in the N0 x selective reduction catalyst 14, so the supply amount of urea water necessary to reduce NO x can be accurately calculated. .
  • Fig. 7 (A), (B) and (C) show the particulate filter for collecting the particulate contained in the exhaust gas in the engine exhaust passage.
  • the particulate filter 44 is placed downstream of the NO x storage catalyst 12 and in the embodiment shown in Fig. 7 (B), the particulate filter 44 is selected for NO x.
  • the particulate filter 4 4 is arranged upstream of the NO x storage catalyst 12.
  • N_ ⁇ x in accordance with the action of raising the temperature of the occluding catalyst 1 2 allowed to warm Pas Tikiyure one Bok fill evening 4 4, to burn particulates accumulated on by connexion Patikyu rate fill evening 4 4 In these examples I am doing so.

Abstract

内燃機関において、機関排気通路内にＮＯx選択還元触媒（１４）が配置され、ＮＯx選択還元触媒（１４）上流の機関排気通路内にＮＯx吸蔵触媒（１２）が配置される。ＮＯx吸蔵触媒（１２）の吸蔵ＮＯx量が予め定められている許容値を越えたときにはＮＯx吸蔵触媒（１２）を昇温させてＮＯx吸蔵触媒（１２）からＮＯxを放出させる。機関の運転状態から定まる尿素供給量に対し算出された吸蔵ＮＯx量の還元分だけ尿素供給量を減少させ、機関の運転状態から定まる尿素供給量に対し算出された放出ＮＯx量の還元分だけ尿素供給量を増大させる。

Description

明 細 書 内燃機関の排気浄化装置 技術分野
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。 背景技術
機関排気通路内に ΝΟχ選択還元触媒を配置し、 ΝΟχ選択還元触 媒上流の機関排気通路内に、 排気ガス中に含まれる ΝΟχを硝酸塩 の形で吸蔵し還元剤を供給すると吸蔵した ΝΟχを放出する Ν〇χ吸 蔵触媒を配置し、 ΝΟχ選択還元触媒に尿素を供給して尿素から発 生するアンモニアにより排気ガス中に含まれる Ν〇χを選択的に還 元するようにした内燃機関が公知である （例えば特開 2 0 0 5— 2 9 2 5号公報を参照） 。 この内燃機関では Ν〇χ吸蔵触媒に吸蔵さ れる ΝΟχ量および ΝΟχ吸蔵触媒から放出される ΝΟχ量を考慮し て尿素供給量が決定されている。 例えば ΝΟχ吸蔵触媒から ΝΟχが 放出されているときには放出 Ν〇χ量の還元分だけ尿素供給量が増 大せしめられる。
しかしながらこの内燃機関では Ν Ο χ吸蔵触媒から Ν 0 χを放出さ せるために還元剤、 即ち燃料を供給した場合、 一部の吸蔵 Ν〇χは NO又は Ν〇2の形で ΝΟχ吸蔵触媒から放出されるが一部の吸蔵 Ν Οχは NOよりも更に還元されてアンモニア ΝΗ3の形で放出される 。 この場合、 吸蔵 ΝΟχがどの程度 ΝΟχとなって放出されるか、 ど の程度アンモニア ΝΗ3となって放出されるかは明確ではない。 こ の場合、 アンモニア ΝΗ3となって放出される量が多いと放出され た Ν〇χがこのアンモニア ΝΗ3によって還元されるので尿素供給量 は増大させる必要がなくなる。
ところが上述の内燃機関では吸蔵 Ν〇χは全て ΝΟχとなって放出 されるとの前提に立っており、 従って放出された ΝΟχ量の還元分 だけ尿素供給量が増大せしめられるので尿素供給量が過剰になって しまうという問題がある。 このような問題は還元剤を用いて Ν Ο χ 吸蔵触媒から ΝΟχを放出させるようにしている限り生ずる。 発明の開示
本発明の目的は、 還元剤を供給することなく ΝΟχを放出させ、 それにより上述の如き問題が生ずることのない内燃機関の排気浄化 装置を提供することにある。
本発明によれば、 機関排気通路内に ΝΟχ選択還元触媒を配置し 、 Ν〇χ選択還元触媒に尿素を供給してこの尿素から発生するアン モニァにより排気ガス中に含まれる ΝΟχを選択的に還元するよう にした内燃機関の排気浄化装置において、 ΝΟχ選択還元触媒上流 の機関排気通路内に: Οχ吸蔵触媒を配置し、 ΝΟχ吸蔵触媒は NO x吸蔵触媒の温度に応じて排気ガス中に含まれる N〇xを吸蔵するか 或いは吸蔵されている N O xを放出する性質を有し、 N〇 x吸蔵触媒 への吸蔵 N Ox量および NOx吸蔵触媒からの放出 NOx量を算出し 、 算出された吸蔵 NOx量が予め定められている許容値を越えたと きには NOx吸蔵触媒を昇温させて NOx吸蔵触媒から NOxを放出 させ、 機関の運転状態から定まる尿素供給量に対し算出された吸蔵 N〇x量の還元分だけ尿素供給量を減少させ、 機関の運転状態から 定まる尿素供給量に対し算出された放出 N〇x量の還元分だけ尿素 供給量を増大させるようにした内燃機関の排気浄化装置が提供され る。
即ち、 本発明では NOx吸蔵触媒から放出されるのは NO又は N O 2であり、 アンモニア N H 3の形では放出されない。 また、 N O x 吸蔵触媒を強制的に昇温させると N O xが短時間のうちにまとまつ て放出され、 それにより単位時間当りの N O x放出量を正確に求め ることができるようになる。 斯く して N〇xの還元に必要な尿素供 給量を正確に算出することができる。 図面の簡単な説明
図 1 は圧縮着火式内燃機関の全体図、 図 2は N O x吸蔵触媒の最 大 N〇x吸蔵量 N M A X等を示す図、 図 3は機関から排出される N 〇x量 N O X Aのマツプ等を示す図、 図 4は N O xの脱離速度等を示 す図、 図 5は尿素の供給制御を行うためのフローチャート、 図 6は 圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す全体図、 図 7は圧縮着火式 内燃機関の更に別の実施例を示す図である。 発明を実施するための最良の形態
図 1 に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。
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内に夫々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夫々示す。 吸気マ二ホル ド 4は吸気ダク ト 6 を介して排気タ一ポチャージャ 7のコンプレツ サ 7 aの出口に連結され、 コンプレッサ 7 aの入口は吸入空気量検 出器 8 を介してエアクリーナ 9に連結される。 吸気ダク ト 6内には ステップモ一夕により駆動されるスロッ トル弁 1 0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 1 1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 1 1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 7 bの入口に連結され、 排気タービン 7 bの出口は NOx吸蔵触 媒 1 2の入口に連結される。 この NOx吸蔵触媒 1 2の出口は排気 管 1 3を介して NOx選択還元触媒 1 4に連結される。 この NOx選 択還元触媒 1 4は低温で高い NOx浄化率を有するアンモニア吸着 タイプの F eゼォライ 卜から構成されている力 或いはアンモニア の吸着機能がないチタニア · バナジウム系の触媒から構成されてい る。
NOx選択還元触媒 1 4上流の排気管 1 3内には尿素水供給弁 1 5が配置され、 この尿素水供給弁 1 5は供給管 1 6、 供給ポンプ 1 7 を介して尿素水タンク 1 8に連結される。 尿素水タンク 1 8内に 貯蔵されている尿素水は供給ポンプ 1 7 によって尿素水供給弁 1 5 から排気管 1 3内を流れる排気ガス中に噴射され、 尿素から発生し たアンモニア （ （NH2) 2 C〇 + H20→ 2 NH3 + C 02) によつ て排気ガス中に含まれる NOxが N〇x選択還元触媒 1 4において還 元される。
排気マ二ホルド 5 と吸気マ二ホルド 4 とは排気ガス再循環 （以下 、 E G Rと称す） 通路 1 9を介して互いに連結され、 E G R通路 1 9内には電子制御式 E G R制御弁 2 0が配置される。 また、 E G R 通路 1 9周りには E G R通路 1 9内を流れる E G Rガスを冷却する ための冷却装置 2 1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 2 1内に導かれ、 機関冷却水によって E G Rガス が冷却される。 一方、 各燃料噴射弁 3は燃料供給管 2 2を介してコ モンレール 2 3 に連結され、 このコモンレール 2 3は電子制御式の 吐出量可変な燃料ポンプ 2 4を介して燃料タンク 2 5に連結される 。 燃料タンク 2 5内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ 2 4によつ てコモンレール 2 3内に供給され、 コモンレール 2 3内に供給され た燃料は各燃料供給管 2 2を介して燃料噴射弁 3 に供給される。 電子制御ュニッ ト 3 0はデジタルコンピュー夕からなり、 双方向 性バス 3 1 によって互いに接続された R〇 M (リードオンリメモリ ) 3 2、 R AM (ランダムアクセスメモリ） 3 3、 C P U (マイク 口プロセッサ） 3 4、 入力ポート 3 5および出力ポート 3 6 を具備 する。 N〇x吸蔵触媒 1 2には NOx吸蔵触媒 1 2の床温を検出する ための温度センサ 2 6が取付けられ、 この温度センサ 2 6および吸 入空気量検出器 8の出力信号は夫々対応する AD変換器 3 7 を介し て入力ポート 3 5に入力される。
また、 アクセルペダル 4 0にはアクセルペダル 4 0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 4 1が接続され、 負荷セ ンサ 4 1の出力電圧は対応する A D変換器 3 7を介して入力ポート 3 5に入力される。 更に入力ポート 3 5にはクランクシャフ トが例 えば 1 5 ° 回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ 4 2が接続される。 一方、 出力ポート 3 6は対応する駆動回路 3 8 を 介して燃料噴射弁 3、 スロッ トル弁 1 0の駆動用ステップモ一夕、 尿素水供給弁 1 5、 供給ポンプ 1 7、 E G R制御弁 2 0および燃料 ポンプ 2.4に接続される。
N Ox吸蔵触媒 1 2は排気ガス中の N〇xを吸収するタイプの触媒 であってもよいし、 排気ガス中の NOxが吸着するタイプの触媒で あってもよい。 N Oxを吸収するタイプの N〇x吸蔵触媒 1 2では触 媒担体の表面上に貴金属触媒が分散して担持されており、 更に触媒 担体の表面上には N〇x吸収剤の層が形成されている。 この場合、 例えば貴金属触媒としては白金 P tが用いられており、 N Ox吸収 剤を構成する成分としてはカリウム K、 ナトリウム N a、 セシウム C s のようなアルカリ金属、 バリウム B a、 カルシウム C aのよう なアルカリ土類、 ランタン L a、 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。
この N Ox吸蔵触媒 1 2は排気ガスの空燃比がリーンのときには NOxを吸収し、 排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリ ツチになる と吸収した N Oxを放出す'る機能を有する。 圧縮着火式内燃機関で は排気ガスの空燃比がリーンであり、 従って通常排気ガス中に含ま れている NOxの一部が N〇x吸蔵触媒 1 2に吸収される。
ところで N 0 x選択還元触媒 1 4はほぼ 2 0 0 °C以上にならない と活性化せず、 従って機関始動後、 NOx選択還元触媒 1 4の温度 が上昇するまでは N〇x選択還元蝕媒 1 4による NOxの浄化作用は 期待できない。 ところが N Ox吸蔵触媒 1 2は N〇x選択還元触媒 1 4が活性化していない低い温度のときでも排気ガス中の N〇 xを吸 収する能力を有する。 従って図 1 に示されるように N〇x選択還元 触媒 1 4の上流に NOx吸蔵触媒 1 2が配置されていると N Ox選択 還元触媒 1 4が活性化していないときには排気ガス中の N〇xは N 〇x吸蔵触媒 1 2に吸収され、 斯く して NOxが大気中に放出される のが抑制されることになる。
一方、 NOx吸蔵触媒 1 2の NOx吸収能力が飽和してしまうと N Ox吸蔵触媒 1 2により NOxを吸収できなくなってしまう。 ところ がこの場合、 NOx吸蔵触媒 1 2 を昇温すると吸収されていた N〇x が N Ox吸蔵触媒 1 2から放出され、 このとき N〇x選択還元触媒 1 4 も昇温する。 そこで本発明では NOx吸蔵触媒 1 2の N〇x吸収能 力が飽和する前に N Ox吸蔵触媒 1 2を昇温させて N〇x吸蔵触媒 1 2から NOxを放出させ、 この放出された N〇xを NOx選択還元触 媒 1 4において浄化するようにしている。
なお、 NOx吸蔵触媒 1 2に流入する排気ガスの空燃比をリ ツチ にしても N〇x吸蔵触媒 1 2から Nの が放出される。 しかしながら この場合には前述したように NOxの一部が更に還元されてアンモ ニァの形で放出されるので本発明では排気ガスの空燃比をリ ッチに して NOxを放出させることはせず、 NOx吸蔵触媒 1 2を昇温させ ることによって NOxを放出させるようにしている。
一方、 NOx吸蔵触媒 1 2として NOxを吸着するタイプの触媒を 用いた場合でも同様である。 即ち、 NOxを吸着するタイプの N Ox 吸蔵触媒 1 2は多数の細孔を有するコ一ジライ ト或いはゼォライ 卜 からなる基体を有しており、 この基体上には例えばアルミナからな る触媒担体の層が形成されていてこの触媒担体上に例えば白金のよ うな貴金属触媒が担持されている。
この NOx吸蔵触媒 1 2は NO x吸蔵触媒 1 2の温度が低くなるほ ど吸着しうる N〇x量が増大する。 従ってこの場合にも NOx選択還 元触媒 1 4が活性化していないときには排気ガス中の NO ¾N〇x 吸蔵触媒 1 2 に吸着され、 斯く して N〇xが大気中に放出されるの が抑制されることになる。 更に、 この N〇x吸蔵触媒 1 2でも NOx 吸蔵触媒 1 2 を昇温すると吸着されていた NOxが NOx吸蔵触媒 1 2から放出される。
従って N Oxを吸着するタイプの NOx吸蔵触媒 1 2を用いた場合 でも、 N〇x吸蔵触媒 1 2の NOx吸着能力が飽和する前に NOx吸 蔵触媒 1 2 を昇温させて NOx吸蔵触媒 1 2から N〇xを放出させ、 この放出された N Oxを NOx選択還元触媒 1 4において浄化するよ うにしている。
図 2は N Ox吸蔵触媒 1 2が吸収又は吸着しうる NOxの最大吸蔵 量 NMAXを示している。 なお、 図 2において縦軸は N Ox吸蔵触 媒 1 2への NOx吸蔵量 Σ ΝΟ Χを示しており、 横軸は N〇x吸蔵触 媒 1 2の床温 T Cを示している。 図 2に示されるように最大 NO x 吸蔵量 NMAXは N〇x吸蔵触媒 1 2の床温 T Cが低くなるほど増 大し、 従って N〇x吸蔵触媒 1 2は NOx吸蔵触媒 1 2の床温 T Cが 低いとき、 例えば機関始動時に多量の N〇xを吸収又は吸着する機 能を有していることがわかる。
一方、 本発明では最大 NOx吸蔵量 NMAXよりもわずかばかり NOx吸蔵量の少ない許容値 NWが予め定められており、 N〇x吸蔵 量 Σ ΝΟ Χがこの予め定められている許容値 NWを越えたときに N 〇x吸蔵触媒 1 2 を昇温させて NOx吸蔵触媒 1 2から N〇xを放出 させるようにしている。
例えば図 2において N〇 x吸蔵量∑ N O Xが A点に達すると N〇 x 吸蔵触媒 1 2が昇温せしめられる。 このとき床温 T Cが B点で示さ れる温度まで上昇したとすると、 このときには最大吸蔵量 NMAX に対する超過 N〇x吸蔵量 Δ ΝΧが NOx吸蔵触媒 1 2から放出され ることになる。
さて、 N〇x吸蔵触媒 1 2は概略的に言うと低温時に NOxを吸蔵 し、 即ち吸収又は吸着し、 高温時に NOxを放出する性質を有する 。 即ち、 N〇x吸蔵触媒 1 2は N〇x吸蔵触媒 1 2の温度に応じて排 気ガス中に含まれる NOxを吸蔵するか或いは吸蔵されている N〇x を放出する性質を有する。 従って機関から一定量の NOxが排出さ れているとすると NOxが NOx吸蔵触媒 1 2に吸蔵されたときには N Ox吸蔵触媒 1 2から流出する排気ガス中の N〇x量は減少し、 N 〇)(が 〇1(吸蔵触媒 1 2から放出しているときには N〇x吸蔵触媒 1 2から流出する排気ガス中の N〇x量は増大する。
この場合、 NOxを還元するのに必要な尿素量は N〇x吸蔵触媒 1 2から流出する排気ガス中の N Ox量が減少すれば減少し、 N Ox吸 蔵触媒 1 2から流出する排気ガス中の NOx量が増大すれば増大す る。 一方、 機関の運転状態が定まると機関からの N〇x排出量が定 まり、 従って機関の運転状態が定まると機関からの排出 N〇xを還 元するのに必要な尿素供給量が定まる。 そこで本発明では NO 蔵触媒 1 2への吸蔵 NOx量および NOx吸蔵触媒 1 2からの放出 N Ox量を算出し、 機関の運転状態から定まる尿素供給量に対し算出 された吸蔵 N〇x量の還元分だけ尿素供給量を減少させ、 機関の運 転状態から定まる尿素供給量に対し算出された放出 NOx量の還元 分だけ尿素供給量を増大させるようにしている。
次に図 3から図 5 を参照しつつ本発明による尿素供給方法の一実 施例について説明する。
上述したように機関から排出される NOxは機関の運転状態に応 じて定まる。 本発明による実施例では機関から単位時間当り排出さ れる NOx量 NO XAが要求トルク T Qおよび機関回転数 Nの関数 として図 3 ( A) に示すマップの形で予め R OM 3 2内に記憶され ている。
一方、 機関から排出された NOxのうち N〇x吸蔵触媒 1 2に吸蔵 される N〇xの吸蔵率は N〇x吸蔵触媒 1 2に吸蔵されている N〇x 吸蔵量∑ N O Xと NOx吸蔵触媒 1 2内における排気ガス流の空間 速度との関数となる。 即ち、 図 3 (B) において K 1で示されるよ うに吸蔵率は N Ox吸蔵触媒 1 2に吸蔵されている NOx吸蔵量 Σ Ν 〇 Xが増大するほど減少し、 図 3 ( C ) において K 2で示されるよ うに吸蔵率は N O x吸蔵触媒 1 2内における排気ガス流の空間速度 、 即ち吸入空気量 G aが増大するほど減少する。 これら吸蔵率 K 1 , K 2は予め R OM 3 2内に記憶されている。 本発明による実施例 では機関からの排出 NOx量 NO XAに吸蔵率 K 1および K 2を乗 算することによって単位時間当り N〇x吸蔵触媒 1 2に吸蔵される N Ox量 N O XA · K 1 · K 2が算出される。
さて、 図 2における超過 NOx吸蔵量△ NXは一気に放出される のではなくて、 NOx吸蔵触媒 1 2への N〇x吸蔵量 Σ Ν ΟΧおよび NOx吸蔵触媒 1 2内における排気ガスの空間速度、 即ち吸入空気 量 G aに応じた速度でもって徐々に放出される。 即ち、 図 4 ( A) に示されるように或る吸入空気量 G aにおける N Oxの脱離速度 W 、 即ち N Ox吸蔵触媒 1 2から単位時間当り放出される N OxiWは N Ox吸蔵量∑ N O Xが増大するほど高くなる。 即ち、 N Ox吸蔵量
∑ N O Xが多いほど多量の N Oxが放出される。
一方 N Ox吸蔵触媒 1 2から脱離される N〇xの脱離率 Dは図 4
( B ) に示されるように吸入空気量 G aが増大するほど高くなる。 この場 □ 、 実際の N〇x脱離速度、 即ち N〇x吸蔵触媒 1 2から単位 時間当り実際に脱離される N〇x量は図 4 ( A) に示される脱離速 度 Wに図 5 ( B ) に示される脱離率 Dを乗算した値 W · Dとなる。 なお、 れら脱離速度 Wおよび脱離率 Dは予め R O M 3 2内に記憶 されている。
図 2における A点から床温 T Cがゆつく りと上昇するときには N
Ox吸蔵量 Σ Ν Ο Χは最大 N Ox吸蔵量 NMA Xに沿って減少し、 N O xが少しずつ放出される。 しかしながらこのように N 0 xの放出量 が少ないときにこの少量の N O xを還元するのに必要な尿素水を正 確に算出するのは実際問題として困難である。 そこで本発明では N 〇x吸蔵触媒 1 2 を強制的に昇温させて短時間のうちに N〇xがまと まって放出されるようにしている。 N〇xがまとまって放出される と単位時間当りの N Ox放出量が多くなり、 その結果放出された N Oxを還元するのに必要な尿素水の供給量を正確に算出することが できるようになる。
図 5は尿素の供給を制御するためのルーチンを示している。 なお 、 このル一チンは一定時間毎の割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 5 0において図 3 ( A) に 示すマップから機関からの単位時間当りの排出 N〇 x量 N 0 X Aが 算出される。 次いでステップ 5 1では N Ox吸蔵触媒 1 2の昇温制 御中であるか否かが判別される。 N〇x吸蔵触媒 1 2の昇温制御中 でないときにはステップ 5 2に進んで N O x吸蔵触媒 1 2への吸蔵 N O x量∑ N 0 Xが図 2に示される許容値 N Wよりも少ないか否か が判別される。 Σ ΝΟ Χく NWのとき、 即ちまだ NOxを吸蔵する 余地があるときにはステップ 5 3に進む。
ステップ 5 3では図 3 (B) に示す関係から吸蔵率 K 1が算出さ れ、 次いでステップ 5 4では図 3 (C) に示す関係から吸蔵率 K 2 が算出される。 次いでステップ 5 5では単位時間当り N〇x吸蔵触 媒 1 2に実際に吸蔵される NOx量 NO XA · K 1 · K 2を Σ ΝΟ Xに加算することによって NOx吸蔵量 Σ ΝΟ Χが算出される。 次 いでステップ 5 6では排出 N〇 x量 N O X Aから単位時間当り実際 に吸蔵される NOx量 NO XA · K 1 · K 2を減算することによつ て N Ox吸蔵触媒 1 2から単位時間当り流出する排気ガス中の NOx 量 NO X Zが算出される。
次いでステップ 6 4では NOx吸蔵触媒 1 2から流出する排気ガ ス中の NOx、 即ち NOx選択還元触媒 1 4に流入する排気ガス中の N〇xを還元するのに必要な尿素量が算出される。 本発明による実 施例ではこの尿素量は還元すべき NOxiに対して当量比 = 1 とな る量にされている。 次いでステップ 6 5では尿素水供給弁 1 5から の尿素水の供給作用が行われる。
一方、 ステップ 5 2 において∑ N〇 X≥NWであると判断された ときにはステツプ 5 7に進んで NOx吸蔵触媒 1 2の昇温制御が行 われる。 この昇温制御は例えば燃料噴射時期を遅角させ、 リーン空 燃比のもとで排気ガス温を上昇させることにより行われる。 次いで ステップ 5 8では図 4 (A) に示す関係から脱離速度 Wが算出され 、 次いでステップ 5 9では図 4 (B ) に示す関係から脱離率 Dが算 出される。 次いでステップ 6 0では単位時間当り実際に脱離する N 〇xiW · Dを Σ ΝΟ Χから減算することによって NOx吸蔵量∑ N OXが算出される。 次いでステップ 6 1では排出 NOx量 N〇X A に単位時間当り実際に脱離する N OxiW · Dを加算することによ つて N〇x吸蔵触媒 1 2から単位時間当り流出する排気ガス中の N Ox量 NO X Zが算出される。 次いでステップ 6 4ではこの 1^〇1(を 還元するのに必要な尿素量が算出される。
このように本発明による実施例では機関から排出される N〇x量 NO XAから吸蔵 N〇x量 NOXA · K 1 · K 2を減算し或いは機 関から排出される N〇x量 NO XAに放出 N〇v量 W ' Dを加算する とによ て N 0 x吸蔵触媒 1 2から流出する排気ガス中の 1^〇!(量
N O X Zが算出され、 この N Ox量 N O X Zから供給尿素量が算出 される
一方 ステップ 5 1 において昇温制御中であると判別されたとき にはステ Vプ 6 2に進んで NOx吸蔵触媒 1 2への吸蔵 N〇x量 Σ Ν
〇 が図 2 に される最大 NOx吸着量 NMAXよりも少なくなつ たか否かが判別される。 ∑ N〇 X≥ N M A Xのときにはステップ 5 7 に進んで昇温制御が続行される。 これに対し、 ∑ NO X<NMA Xになるとステップ 6 3 に進んで昇温制御が停止される。
図 6に別の実施例を示す。 この実施例では排気管 1 3内に NOx 選択還元触媒 1 4に流入する排気ガス中の NOx濃度を検出するた めの N〇xセンサ 4 3が配置され、 この NOxセンサ 4 3の出力信号 に基づいて尿素水の供給量が制御される。 この実施例では N〇x選 択還元触媒 1 4において還元すべき NOxを直接計測しているので . N Oxを還元するために必要な尿素水の供給量を正確に算出するこ とができる。
図 7 (A) , (B ) (C) は機関排気通路内に排気ガス中に含 まれるパティキユレ一トを捕集するためのパティキユレ一トフィル タ 4 4を配置した夫々別の実施例を示している。 図 7 ( A) に示さ れる実施例ではパティキユレ一卜フィルタ 4 4は NOx吸蔵触媒 1 2の下流に配置され、 図 7 (B) に示される実施例ではパティキュ レートフィル夕 44は NO x選択還元触媒 1 4の下流に配置され、 図 7 ( C ) に示される実施例ではパティキュレートフィルタ 4 4は NOx吸蔵触媒 1 2の上流に配置される。
これらの実施例では N〇x吸蔵触媒 1 2の昇温作用に合わせてパ ティキユレ一卜フィル夕 4 4を昇温させ、 それによつてパティキュ レートフィル夕 4 4上に堆積したパティキュレートを燃焼させるよ うにしている。

Claims

1. 機関排気通路内に NOx選択還元触媒を配置し、 該 NOx選択 還元触媒に尿素を供給して該尿素から発生するアンモニアにより排 気ガス中に含まれる NOxを選択的に還元するようにした内燃機関 の排気浄化装置において、 上記 NOx選択還元触媒上流の機関排気 請
通路内に NOx吸蔵触媒を配置し、 該 NOx吸蔵触媒は NOx吸蔵触 媒の温度に応じて排気ガス中に含まれる N Oxを吸蔵するか或いは 吸蔵されている NOxを放出する性質を有し、 N〇x吸蔵触媒への吸 蔵 NOx量および NOx吸蔵触媒からの放出 NOx量を算出し、 算出 された吸蔵 NOx量が予め定められている許囲容値を越えたときには N〇x吸蔵触媒を昇温させて N〇x吸蔵触媒から N〇xを放出させ、 機関の運転状態から定まる尿素供給量に対し算出された吸蔵 N〇x 量の還元分だけ尿素供給量を減少させ、 機関の運転状態から定まる 尿素供給量に対し算出された放出 NOx量の還元分だけ尿素供給量 を増大させるようにした内燃機関の排気浄化装置。
2. 機関から排出される NOx量から上記算出された吸蔵 N〇x量 を減算し或いは機関から排出される NOx量に上記算出された放出 N〇x量を加算することによって N〇x吸蔵触媒から流出する排気ガ ス中の N〇x量を算出し、 この N〇x量から供給尿素量を算出するよ うにした請求項 1 に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 上記 N O x吸蔵触媒は NOx吸蔵触媒の上流に還元剤を供給せ ずして N〇xを放出しうる請求項 1 に記載の内燃機関の排気浄化装 置。
4. N〇x吸蔵触媒、 NOx選択還元触媒に加えて更にパティキュ レートフィル夕を機関排気通路内に配置し、 NOx吸蔵触媒の昇温 作用に合わせてパティキュレートフィル夕を昇温させ、 それにより パティキユレ一トフィルタ上に堆積したパティキュレートを燃焼さ せるようにした請求項 1 に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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