JP2004218475A - 内燃機関の排気ガス浄化システム及び内燃機関の排気ガス浄化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＳＣＲ触媒の下流にＮＯｘ吸蔵還元触媒を配置してそれぞれの利点を利用することにより、それぞれの欠点を補うことができて、エンジンの広い運転領域にわたって、高いＮＯｘ浄化率で排気ガス中のＮＯｘを浄化できる内燃機関の排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法を提供する。
【解決手段】 内燃機関１の排気ガスを浄化する排気ガス浄化システム１０Ａ〜１０Ｄであって、内燃機関１の排気通路２に上流から順に選択的接触還元触媒３２とＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１を直列に設けると共に、前記選択的接触還元触媒３２の上流に還元剤添加装置４２を設けて構成する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するために、選択的接触還元触媒（ＳＣＲ触媒）とＮＯｘ吸蔵還元型触媒とを備えた内燃機関の排気ガス浄化システム及び内燃機関の排気ガス浄化方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンから排出されるＮＯｘと粒子状物質（ＰＭ：パティキュレート：以下ＰＭとする）の排出量は、ＣＯ（一酸化炭素）そしてＨＣ（炭化水素）等と共に年々規制が強化されてきており、規制の強化に伴いエンジンの改良のみでは規制値に対応できなくなっており、エンジンから排出されるこれらの物質を排気ガス処理システムを着装して低減する技術が採用されてきている。
【０００３】
そして、ＮＯｘに対しては多くのＮＯｘ浄化触媒が開発され、ＰＭに対してはディーゼルパティキュレートフィルタ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ ：以下ＤＰＦとする）と呼ばれるフィルタが開発されている。
【０００４】
このＮＯｘ触媒の一つにＮＯｘ吸蔵還元型触媒がある。このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、図８及び図９に示すように、アルミナ（Ａｌ_２ Ｏ_３ ）等の多孔質の触媒コート層３１ａに、ＮＯｘに対して酸化機能を持つ白金（Ｐｔ）等の触媒金属３１ｂと、ナトリウム（Ｎａ），カリウム（Ｋ），セシウム（Ｃｓ）等のアルカリ金属、カルシウム（Ｃａ），バリウム（Ｂａ）等のアルカリ土類金属、イットリウム（Ｙ），ランタン（Ｌａ）等の希土類等の中の一つ又は幾つかの組合せからなるＮＯｘ吸蔵機能を持つＮＯｘ吸蔵材３１ｃが担持され、排気ガス中のＯ_２ （酸素）濃度によってＮＯｘ吸蔵とＮＯｘ放出・浄化の二つの機能を発揮する。
【０００５】
まず、ディーゼルエンジンや希薄燃焼ガソリンエンジン等の通常の運転状態のように、排気ガス中のＯ_２ 濃度が高い排気ガス条件（リーン空燃比状態）では、図８に示すように、排出されるＮＯ（一酸化窒素）が触媒金属３１ｂの酸化機能により、排気ガス中に含まれるＯ_２ で酸化されてＮＯ_２ （二酸化窒素）となり、このＮＯ_２ は、ＮＯｘ吸蔵材３１ｃで塩化物のかたちで吸蔵されるので、排気ガスは浄化される。
【０００６】
しかし、このＮＯｘの吸蔵が継続すると、バリウム等のＮＯｘ吸蔵材３１ｃは、硝酸塩に変化し、次第に飽和してＮＯ_２ を吸蔵する機能を失ってしまう。そこで、エンジンの運転条件を変えて過濃燃焼を行って、低Ｏ_２ 濃度、高ＣＯ濃度で排気温度の高い排気ガス（リッチスパイクガス）を発生させて触媒に供給する。
【０００７】
この排気ガスのリッチ空燃比状態では、図９に示すように、ＮＯ_２ を吸蔵し硝酸塩に変化したＮＯｘ吸蔵材３１ｃは、吸蔵していたＮＯ_２ を放出し、元のバリウム等に戻る。この放出されたＮＯ_２ は、排気ガス中にＯ_２ が存在しないので、排気ガス中のＣＯ，ＨＣ，Ｈ_２ を還元剤として触媒金属３１ｂ上で還元され、Ｎ_２ 及びＨ_２ Ｏ，ＣＯ_２ に変換され浄化される（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
また、ＮＯｘ触媒の別の触媒として、選択的接触還元触媒（以下ＳＣＲ触媒）がある。このＳＣＲ触媒は、ＮＨ_３ （アンモニア）とＮＯｘとの選択接触ＮＯｘ還元の化学反応により、ＮＯｘを浄化するもので、このＳＣＲ触媒を使用する排気ガス浄化システムでは、図１１に示すように、２％程度の尿素水溶液を尿素タンク４１に貯蔵し、この尿素水溶液を還元剤噴射弁４２から排気管２内に添加し、排気ガス中の熱と燃焼生成蒸気から加水分解（（ＮＨ_２ ）_２ ＣＯ＋Ｈ_２ Ｏ→２ＮＨ_３ ＋ＣＯ_２ ）によりＮＨ_３ を生成し、ＳＣＲ触媒上で、選択接触ＮＯｘ還元の化学反応（６ＮＯ＋４ＮＨ_３ →５Ｎ_２ ＋６Ｈ_２ ，４ＮＯ＋４ＮＨ_３ ＋Ｏ_２ →４Ｎ_２ ＋６Ｈ_２ Ｏ）により、ＮＯｘを浄化している。この反応では、ＮＯの１モルに対して、ＮＨ_３ が略１モル必要となる。
【０００９】
【特許文献１】
特許第２６００４９２号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、図７に示すように、ＮＯｘの吸蔵機構の関係から比較的低温域においてＮＯｘ浄化性能が高く、比較的高温域においては、ＮＯｘ浄化性能が低くなるという問題がある。
【００１１】
一方、ＳＣＲ触媒は、図７に示すように、加水分解及び接触選択反応の関係から、特に、低温域においては、還元剤の尿素が加水分解してＮＨ_３ が生成し難いため、比較的高温域でＮＯｘ浄化性能が高いが、比較的低温域では、ＮＯｘ浄化性能が低くなるという問題がある。
【００１２】
また、ＳＣＲ触媒では、高い浄化性能を確保しようとすると、上記したように、ＮＯの１モルに対してＮＨ_３ が略１モル必要となるので、このＮＨ_３ の供給量の調整が難しく、反応活性の変動から未使用のＮＨ_３ が大気中に放出されるおそれがある。
【００１３】
この対策として最下流に酸化触媒を配設して未使用のＮＨ_３ の酸化浄化を行うことも考えられるが、ＮＨ_３ の酸化反応により、ＮＯが発生するので、ＮＯｘ浄化率が大きく低下してしまうという問題が生じる。
【００１４】
本発明は、上述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、ＳＣＲ触媒の下流にＮＯｘ吸蔵還元触媒を配置してそれぞれの利点を利用することにより、それぞれの欠点を補うことができて、エンジンの広い運転領域にわたって、高いＮＯｘ浄化率で排気ガス中のＮＯｘを浄化できる内燃機関の排気ガス浄化システム及び内燃機関の排気ガス浄化方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的を達成するための内燃機関の排気ガス浄化システム及び内燃機関の排気ガス浄化方法は、以下のように構成される。
【００１６】
１）本発明の内燃機関の排気ガス浄化システムは、内燃機関の排気ガスを浄化する排気ガス浄化システムであって、内燃機関の排気通路に上流から順に選択的接触還元触媒（ＳＣＲ触媒）とＮＯｘ吸蔵還元型触媒を直列に設けると共に、前記ＳＣＲ触媒の上流に還元剤添加装置を設けて構成する。
【００１７】
この構成によれば、高温で高いＮＯｘ浄化率を示すＳＣＲ触媒と、低温で高いＮＯｘ浄化率を示すＮＯｘ吸蔵還元型触媒を組み合わせているので、エンジンの広い運転領域にわたって、高いＮＯｘ浄化率で排気ガス中のＮＯｘを浄化できる。
【００１８】
また、ＳＣＲ触媒の下流にＮＯｘ吸蔵還元型触媒を配置しているので、ＳＣＲ触媒において、還元剤の供給が過剰となった場合には、ＮＯｘ還元に使用されずに下流に流出した還元剤を下流のＮＯｘ吸蔵還元型触媒で酸化でき、酸化で発生するＮＯを吸蔵できるので、余剰還元剤の大気中の放出を防止できる。また、還元剤の供給が不足した場合には、ＳＣＲ触媒で還元しきれなかったＮＯｘを下流のＮＯｘ吸蔵還元型触媒で浄化できる。
【００１９】
２）更に、上記の内燃機関の排気ガス浄化システムにおいて、前記還元剤添加装置の上流に、前段酸化触媒を有するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）又は触媒担持ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下触媒担持ＤＰＦ）を設けて構成する。
【００２０】
この前段酸化触媒を有するＤＰＦは、ＣＲＴ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ Ｔｒａｐ）型ＤＰＦと呼ばれる連続再生式ＤＰＦであり、この前段酸化触媒で、排気ガス中のＮＯをＮＯ_２ に酸化し、このＮＯ_２ はＯ_２ よりエネルギー障壁が小さいため、低い温度でＤＰＦに捕集された粒子状物質（パティキュレート・マター：以下ＰＭ）を酸化除去できる。
【００２１】
また、触媒担持ＤＰＦは、酸化触媒をＤＰＦに担持させた連続再生式ＤＰＦであり、ＮＯの酸化で発生したＮＯ_２ でＤＰＦに蓄積したＰＭを酸化させるものや、酸化触媒とＰＭ酸化触媒をＤＰＦに担持させて、ＤＰＦに蓄積したＰＭを低温からＯ_２ で直接触媒燃焼し連続再生するもの等がある。
【００２２】
これらの連続再生式ＤＰＦを還元剤添加装置、ＳＣＲ触媒、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒からなるＮＯｘ浄化装置の上流に配設することにより、ＮＯｘのみならず、ＰＭも浄化できるようになる。
【００２３】
３）あるいは、上記の内燃機関の排気ガス浄化システムにおいて、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の代りに、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒担持ＤＰＦを設けて構成する。
【００２４】
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒担持ＤＰＦは、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒と触媒担持ＤＰＦを一体化したもので、ＰＭとＮＯｘを同時に浄化することができるものである。つまり、図１０に示すように、希薄燃焼で排気ガスがリーン空燃比状態にある時には、触媒のＮＯｘ吸蔵材でＮＯｘを吸蔵し、このＮＯｘ吸蔵の際に発生する活性酸素（Ｏ^＊ ）及び排気ガス中のＯ_２ によってＰＭを酸化し、ＮＯｘ吸蔵能力の再生のための理論空燃比燃焼又は過濃空燃比燃焼で排気ガスがリッチ空燃比状態にある時には、ＮＯｘ吸蔵材からＮＯｘが放出され還元されると共に、排ガス中のＯ_２ が少ない状態であっても、ＮＯｘの還元の際に発生する活性酸素（Ｏ^＊ ）により、触媒内でＰＭを酸化する。
【００２５】
この構成によれば、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒と触媒担持ＤＰＦが一体化されているので、システムの小型化及び簡素化を図ることができる。
【００２６】
４）上記の内燃機関の排気ガス浄化システムにおいては、前記還元剤添加装置が供給する還元剤を、尿素水溶液、アンモニア水溶液、液体アンモニアのいずれかと一つとすることが好ましく、これにより、比較的容易にＮＨ_３ をＳＣＲ触媒へ供給できる。
【００２７】
５）上記の内燃機関の排気ガス浄化システムにおいて、前記還元剤添加装置が、前記ＳＣＲ触媒の入口側における排気ガス温度が所定の値以下の低温域では、還元剤を供給せず、前記排気ガス温度が前記所定の値より大きい高温域では、還元剤を供給するように構成する。
【００２８】
この構成により、排気ガス温度が所定の値（例えば、３００℃）以下の低温域では、低温域でＮＯｘ浄化率の高いＮＯｘ吸蔵還元型触媒が主に浄化能力を発揮し、高温域では、高温域でＮＯｘ浄化率の高いＳＣＲ触媒が主に浄化能力を発揮し、全温度域で効率よくＮＯｘ浄化を行うことができる。
【００２９】
６）本発明の内燃機関の排気ガス浄化方法は、上記の内燃機関の排気ガス浄化システムにおいて、前記還元剤添加装置が、前記ＳＣＲ触媒の入口側における排気ガス温度が所定の値以下の低温域では、還元剤を供給せずに、前記排気ガス温度が前記所定の値より大きい高温域では、還元剤を供給して、ＮＯｘを浄化する方法として構成される。
【００３０】
この方法により、排気ガス温度が所定の値（例えば、３００℃）以下の低温域では、低温域でＮＯｘ浄化率が低いＳＣＲ触媒を、低温域でＮＯｘ浄化率の高いＮＯｘ吸蔵還元型触媒で補って、高いＮＯｘ浄化率でＮＯｘを浄化することができ、高温域では、高温域でＮＯｘ浄化率の高いＳＣＲ触媒が主に浄化能力を発揮して、全温度域で効率よくＮＯｘ浄化を行うことができる。
【００３１】
従って、本発明の内燃機関の排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法によれば、ＮＯｘ吸蔵還元触媒とＳＣＲ触媒のそれぞれの利点を利用して、それぞれの欠点を補うことができ、排気ガスの全温度域にわたって、即ち、エンジンの広い運転領域にわたって、高いＮＯｘ浄化率でＮＯｘを浄化できる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法について、図面を参照しながら説明する。
【００３３】
〔第１の実施の形態〕
図１に、第１の実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化システム１０Ａの構成を示す。この内燃機関の排気ガス浄化システム１０Ａは、エンジン（内燃機関）１の排気通路２において、上流から順に、ＳＣＲ触媒（選択的接触還元触媒）３２，ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１を配置し、更に、ＳＣＲ触媒３２の上流に、尿素等の還元剤Ｄを供給する還元剤添加弁（還元剤添加装置）４２を設けた排気ガス浄化装置３Ａを有して構成される。
【００３４】
ＳＣＲ触媒３２は、コージェライト、ＳｉＣ、又はステンレスの構造材で形成された、多数の多角形セルを有するモノリス触媒で形成される。このセルの内壁には表面積を稼いでいる触媒コート層があり、その大きい表面に、触媒活性金属を担持して触媒機能を発生させている。
【００３５】
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１は、ＳＣＲ触媒３２と同様にモノリス触媒で形成され、図８及び図９に示すように、酸化アルミニウム、酸化チタン等の担持体に触媒コート層３１ａを設け、この触媒コート層３１ａに、白金等の酸化触媒３１ｂとバリウム等のＮＯｘ吸蔵材（ＮＯｘ吸蔵物質）３１ｃを担持させて構成される。
【００３６】
そして、図８に示すように、Ｏ_２ 濃度が高い排気ガスの状態（リーン空燃比状態）の時に、排気ガス中のＮＯｘを吸蔵することにより、排気ガス中のＮＯｘを浄化し、図９に示すように、Ｏ_２ 濃度が低いかゼロの排気ガス状態（リッチ空燃比状態）の時に、吸蔵したＮＯｘを放出すると共に放出されたＮＯｘを還元することにより、大気中へのＮＯｘの流出を防止する。
【００３７】
還元剤添加弁４２は、還元剤タンク４１に貯められたＮＨ_３ （アンモニア）を発生する還元剤Ｄを排気通路２内に噴霧できるように構成される。この還元剤Ｄとしては、尿素水溶液やアンモニア水溶液，液体アンモニア等を使用することができる。なお、尿素は、加水分解の反応（（ＮＨ_２ ）_２ ＣＯ＋Ｈ_２ Ｏ→２ＮＨ_３ ＋ＣＯ_２ ）によりＮＨ_３ を発生する。
【００３８】
そして、この還元剤添加弁４２により排気ガス中にＮＨ_３ を供給することにより、排気ガス中のＮＯとＮＨ_３ の反応（４ＮＨ_３ ＋４ＮＯ＋Ｏ_２ →４Ｎ_２ ＋６Ｈ_２ Ｏ）と、ＮＯ_２ とＮＨ_３ の反応（４ＮＨ_３ ＋２ＮＯ_２ ＋Ｏ_２ →３Ｎ_２ ＋６Ｈ_２ Ｏ）とによりＮ_２ に還元する。
【００３９】
また、温度センサ５１，５３，５４が、ＳＣＲ触媒３２の上流、ＳＣＲ触媒３２とＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１の間、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１の下流に、それぞれ設けられ、更に、排気ガスＧの浄化状態を検出するために、排気ガス浄化装置３の上流と下流の排気通路２に排気濃度センサ６１，６２が設けられる。この排気濃度センサ６１，６２は、λセンサとＮＯｘ濃度センサとＯ_２ 濃度センサとが一体化したセンサである。
【００４０】
そして、これらのセンサの出力値は、エンジン１の運転の全般的な制御を行うと共に、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１のＮＯｘ浄化能力の回復制御も行う制御装置（ＥＣＵ：エンジンコントロールユニット）７に入力され、この制御装置７から出力される制御信号により、エンジン１の燃料噴射用のコモンレール電子制御燃料噴射装置８や還元剤添加弁４２が制御される。
【００４１】
〔第１の実施の形態における制御〕
この第１の実施の形態の排気ガス浄化システム１０Ａにおいては、ＮＯｘ浄化のための制御とＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１のＮＯｘ吸蔵能力の回復のためのＮＯｘ再生燃焼制御を行う排気ガス浄化方法は、図５に示すような制御フローに従って行われる。
【００４２】
この図５の制御フローは、エンジンの始動と共にスタートし、エンジンキーＯＦＦ等のエンジン停止の信号の割り込みを受けて、ストップするものとして示されている。
【００４３】
この制御フローがスタートすると、ステップＳ１１で、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１の下流に設けられた排気濃度センサ６２により下流側ＮＯｘ濃度を計測し、ステップＳ１２でこの計測ＮＯｘ濃度が設定値以上か否かを判定し、小さければ、ＮＯｘ吸蔵能力は低下してないとして、ステップＳ１４で排気ガス温度が所定の値（図５では３００℃）以下か否かを判定する。
【００４４】
このステップＳ１４の判定で、排気ガス温度が所定の値以下の場合は、ステップＳ１５の尿素噴射無しの通常の希薄燃焼制御を所定の時間（制御間隔に関係する時間）の間行って、ステップＳ１１に戻る。
【００４５】
また、このステップＳ１４の判定で、排気ガス温度が所定の値より高い場合は、ステップＳ１６で排気濃度センサ６１で計測されたＮＯｘ濃度や排気量から排気ガス中のＮＯｘ量を計算し、ステップＳ１７で尿素等の還元剤Ｄの噴射量を設定し、この設定に基づいて、ステップＳ１８の尿素噴射有りの通常の希薄燃焼制御、つまり、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１の再生等を考慮しないエンジンの運転制御を所定の時間（制御間隔に関係する時間）の間行って、ステップＳ１１に戻る。
【００４６】
そして、ステップＳ１２でこの計測ＮＯｘ濃度が設定値以上か否かを判定し、以上であれば、ＮＯｘ吸蔵能力が低下しているとして、ステップＳ１３でＮＯｘ吸蔵能力を回復させるＮＯｘ再生燃焼制御をＮＯｘ吸蔵能力の回復ができるまで、即ち、計測ＮＯｘ濃度が再生完了とする所定のＮＯｘ濃度より低くなるまで再生を行って、ステップＳ１１に戻る。
【００４７】
このＮＯｘ再生燃焼制御は、エンジン１の燃焼状態を一時的に変更して、排気ガスをリッチ空燃比の状態にし、排気ガスの状態を低Ｏ_２ 濃度、高ＣＯ濃度、高温にして、吸蔵したＮＯｘを放出させて吸蔵能力を回復させると共に、放出されたＮＯｘを酸化触媒３１ｂの触媒作用により排気ガス中のＨＣやＣＯ等の還元剤でＮ_２ とＨ_２ Ｏに還元する。
【００４８】
この制御フローでは、スタートからエンジンキーＯＦＦの割り込みが入るまで、上記のステップＳ１１〜ステップＳ１８の内の、その状況に従った制御経路を繰り返して実行し、この実行の繰り返しにより、排気温度が所定の値（３００℃）以下の場合には、ステップＳ１５の尿素噴射無しの通常希薄燃焼制御を行い、排気温度が所定の値（３００℃）より高い場合には、ステップＳ１８の尿素噴射有りの通常希薄燃焼制御を行い、計測ＮＯｘ濃度が所定の値より高く、ＮＯｘ吸蔵能力が低下している時は、ステップＳ１３のＮＯｘ再生燃焼制御を行う。
【００４９】
従って、第１の実施形態の排気ガス浄化システム１０Ａ及びその排気ガス浄化方法によれば、排気ガスが所定の温度（例えば３００℃）以下の低温域の場合と、排気ガスが所定の温度より高い高温域の場合と、ＮＯｘ再生が必要な場合とにおいて、それぞれ次のようにして排気ガスを浄化できる。
【００５０】
排気ガスが低温域にある通常の希薄燃焼運転の場合は、ＳＣＲ触媒３２の反応活性が非常に低く、尿素添加を行うと未反応のＮＨ_３ が大量に発生してまうため、尿素等の還元剤Ｄの添加は行わずに、低温域でＮＯｘ吸蔵活性が高いＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１で、ＮＯｘを浄化する。つまり、ディーゼルエンジンやリーンバーンエンジン等の通常運転に相当する通常の希薄燃焼運転では、排気ガスの空燃比がリーンであるので、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１で、ＮＯｘを吸蔵してＮＯｘの大気中への放出を防止する。
【００５１】
排気ガスが高温域にある通常の希薄燃焼運転の場合は、ＳＣＲ触媒３２の反応活性が非常に高いので、排気ガス中のＮＯの量に対応したＮＨ_３ の量を目標にして還元剤Ｄの供給量を調整しながらＳＣＲ触媒３２に供給し、還元剤Ｄから発生したＮＨ_３ でＮＯｘを還元する。この場合、主に、ＮＯとＮＨ_３ の反応（４ＮＨ_３ ＋４ＮＯ＋Ｏ_２ →４Ｎ_２ ＋６Ｈ_２ Ｏ）で浄化するので、ＮＯの１モルに対して、要求されるＮＨ_３ は１モルとなる。
【００５２】
なお、未使用のＮＨ_３ は下流に設置したＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１の酸化機能で酸化浄化され、未使用のＮＨ_３ の酸化反応で生成したＮＯｘはＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１のＮＯｘ吸蔵材に吸蔵され、大気に放出されない。
【００５３】
そして、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１のＮＯｘ吸蔵能力が低下し、ＮＯｘ再生が必要な場合には、コモンレール電子制御燃料噴射装置８により、メイン噴射の遅延（リタード）やポスト噴射や多段噴射等の燃料噴射制御を行って、エンジンの燃焼状態を一時的に変更して、リッチスパイクガスを発生させる過濃燃焼制御，即ち、ＮＯｘ再生燃焼制御を行う。
【００５４】
このＮＯｘ再生燃焼制御により、排気ガスの空燃比がリッチとなり、排気ガス中のＯ_２ 濃度が低下するので、ＮＯｘ吸蔵材は、吸蔵したＮＯｘを放出させて吸蔵能力を回復する。この時、ＮＯｘ吸蔵材から放出されたＮＯｘは酸化触媒の触媒作用により排気ガス中のＨＣやＣＯ等の還元剤でＮ_２ とＨ_２ Ｏに還元され浄化される。
【００５５】
従って、低温域から高温域まで高いＮＯｘ浄化率で排気ガスのＮＯｘ浄化を行えると共に、ＳＣＲ触媒３２への還元剤Ｄの供給量が過不足であっても、下流のＮＯｘ吸蔵還元触媒３１によりＮＨ_３ 及びＮＯｘの大気中への放出を防止できるので、排気ガスの温度にかかわらずエンジンの広い運転領域で、排気ガス中のＮＯｘを高い浄化率で浄化し、大気中への放出を著しく低減できる。
【００５６】
〔第２の実施の形態〕
図２に、第２の実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化システム１０Ｂの構成を示す。この内燃機関の排気ガス浄化システム１０Ｂは、エンジン１の排気通路２において、上流から順に、前段酸化触媒３３ａとＤＰＦ３３ｂからなるＣＲＴ型ＤＰＦ３３、ＳＣＲ触媒３２，ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１を配置し、更に、ＣＲＴ型ＤＰＦ３３とＳＣＲ触媒３２との間に、還元剤タンク４１からＮＨ_３ を発生させる尿素等の還元剤Ｄを供給する還元剤添加弁４２を設けた排気ガス浄化装置３Ｂを有して構成される。
【００５７】
即ち、第１の実施の形態の排気ガス浄化システム１０Ａにおいて、還元剤添加弁４２の上流に、前段酸化触媒３３ａを有するＤＰＦ（ＣＲＴ型ＤＰＦ）３３を設けて構成する。
【００５８】
この前段酸化触媒３３ａは、多孔質のセラミックのハニカム構造等の担持体に、白金やバナジウム等の触媒を担持させて形成することができ、排気ガス中のＮＯを酸化反応（ＮＯ＋Ｏ→ＮＯ_２ ）によりＮＯ_２ にすることができる。
【００５９】
ＤＰＦ３３ｂは、多孔質のセラミックのハニカムのチャンネルの入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型ウオールフロータイプのフィルタや、アルミナ等の無機繊維をランダムに積層したフェルト状のフィルタ等で形成することができ、排気ガス中のＰＭを捕集する。この捕集したＰＭは、上流の前段酸化触媒３３ａとの組合せにより、酸化力の高いＮＯ_２ によって燃焼除去される。
【００６０】
そして、前段酸化触媒３３ａとＤＰＦ３３ｂからなるＣＲＴ型ＤＰＦ３３の再生制御用に、ＰＭの堆積量を推定するために、排気ガス浄化装置３Ｂの前後に接続された導通管に排気ガス浄化装置３Ｂの前後の排気圧の差ΔＰを検出する差圧センサ６４が設けられ、また、温度センサ５１，５２，５３，５４が、前段酸化触媒３３ａの上流と、ＤＰＦ３３ｂとＳＣＲ触媒３２の間、ＳＣＲ触媒３２とＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１の間、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１の下流に、それぞれ設けられる。
【００６１】
なお、排気濃度センサ６１，６２や燃料噴射用のコモンレール電子制御燃料噴射装置８や制御装置７等の構成は、第１の実施の形態と同じである。
【００６２】
また、還元剤添加弁４２の配置については、ＮＯｘの還元は、ＮＯとＮＨ_３ の反応と、ＮＯ_２ とＮＨ_３ の反応で生じるが、ＮＯ_２ とＮＨ_３ の反応が約３００℃以下の低温で発生し易く、ＮＯとＮＨ_３ の反応より低温でＮＯｘを浄化するので、このＮＯ_２ の浄化作用を利用するために、ＮＯが多くＮＯ_２ が少ない前段酸化触媒３３ａの上流ではなく、ＮＯ_２ が多い前段酸化触媒３３ａの下流で、かつ、ＮＯｘ浄化触媒３１の上流とする。
【００６３】
〔第２の実施の形態における制御〕
この第２の実施の形態の排気ガス浄化システム１０Ｂにおいては、排気ガス浄化方法、即ち、ＰＭとＮＯｘの浄化のための制御と、ＣＲＴ型ＤＰＦ３３のＰＭの燃焼除去によるＤＰＦ再生のためのＰＭ再生燃焼制御と、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１のＮＯｘ吸蔵能力の回復のためのＮＯｘ再生燃焼制御を行う方法は、図６に示すような制御フローに従って行われる。
【００６４】
この図６の制御フローは、エンジンの始動と共にスタートし、エンジンキーＯＦＦ等のエンジン停止の信号の割り込みを受けて、ストップするものとして示されている。この図６の制御フローは、図５の制御フローに、ＣＲＴ型ＤＰＦ３３の再生のための制御が加わったものである。
【００６５】
この制御フローがスタートすると、ステップＳ２１で、エンジン１の回転数や負荷に対するＰＭの排出量の関係を示すＰＭ排出マップから、排出されているＰＭや燃焼し除去されるＰＭ量を算出し、この算出ＰＭ量の累積からＰＭ捕集量を計算したり、排気ガス浄化装置３Ｂの前後の差圧を計測する差圧センサ６４の検出信号からＰＭ捕集量を計算する。
【００６６】
そして、次のステップＳ２２でこのＰＭ捕集量が設定値以上か否かを判定し、小さければＰＭ再生燃焼制御は不要であるとして、ステップＳ２４に行き、以上であれば、ＰＭ再生燃焼制御が必要であるとして、ステップＳ２３で、ＰＭ再生燃焼制御を、ＤＰＦの再生が終了するまで行う。
【００６７】
このＰＭ再生燃焼制御は、エンジン１の燃料噴射のメイン噴射のタイミングを遅延操作（リタード）やポスト噴射等の多段噴射で再生用の燃料噴射制御を行い、必要に応じて吸気絞り等を並行して行って、排気ガス中のＮＯを増加させながら、排気ガスを昇温させる。これにより、前段酸化触媒３３ａにより酸化反応（ＮＯ＋Ｏ→ＮＯ_２ ）でＮＯ_２ が増加するので、このＮＯ_２ により、ＤＰＦ３３ｂに捕集されたＰＭを酸化除去して、ＰＭ捕集能力を回復し再生する。
【００６８】
ステップＳ２４では、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１の下流に設けられた排気濃度センサ６２により下流側ＮＯｘ濃度を計測し、ステップＳ２５でこの計測ＮＯｘ濃度が設定値以上か否かを判定し、以上でなければ、ＮＯｘ吸蔵能力は低下してないとして、ステップＳ２７で排気ガス温度が所定の値（図６では３００℃）以下か否かを判定する。
【００６９】
このステップＳ２７の判定で、排気ガス温度が所定の値以下の場合は、ステップＳ２８の尿素噴射無しの通常の希薄燃焼制御を所定の時間（制御間隔に関係する時間）の間行って、ステップＳ２１に戻る。
【００７０】
また、このステップＳ２７の判定で、排気ガス温度が所定の値より高い場合は、ステップＳ２９で排気濃度センサ６１で計測されたＮＯｘ濃度や排気量から排気ガス中のＮＯｘ量を計算し、ステップＳ３０で尿素等の還元剤Ｄの噴射量を設定し、この設定に基づいて、ステップＳ３１の尿素噴射有りの通常の希薄燃焼制御、つまり、ＤＰＦ３３ｂの再生やＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１の再生等を考慮しないエンジンの運転制御を所定の時間（制御間隔に関係する時間）の間行って、ステップＳ２１に戻る。
【００７１】
そして、ステップＳ２５でこの計測ＮＯｘ濃度が設定値以上か否かを判定し、以上であれば、ＮＯｘ吸蔵能力が低下しているとして、ステップＳ２６でＮＯｘ再生燃焼制御を、ＮＯｘ吸蔵能力の回復ができるまで、即ち、計測ＮＯｘ濃度が再生完了とする所定のＮＯｘ濃度より低くなるまで再生を行って、ステップＳ２１に戻る。
【００７２】
この制御フローでは、スタートからエンジンキーＯＦＦの割り込みが入るまで、上記のステップＳ２１〜ステップＳ３１の内の、その状況に従った制御経路を繰り返して実行し、この実行の繰り返しにより、排気温度が所定の値（３００℃）以下の場合には、ステップＳ２８の尿素噴射無しの通常希薄燃焼制御を行い、排気温度が所定の値（３００℃）より高い場合には、ステップＳ３１の尿素噴射有りの通常希薄燃焼制御を行い、ＰＭ捕集量が設定値以上の場合は、ステップＳ２３のＰＭ再生燃焼制御を行い、計測ＮＯｘ濃度が所定の値以上でＮＯｘ吸蔵能力が低下している時は、ステップＳ２６のＮＯｘ再生燃焼制御を行う。
【００７３】
従って、この第２の実施形態の排気ガス浄化システム１０Ｂ及びその排気ガス浄化方法によれば、排気ガス中のＰＭに対しては、前段酸化触媒３３ａとＤＰＦ３３ｂからなるＣＲＴ型ＤＰＦ３３で捕集及び酸化除去することにより浄化でき、また、ＤＰＦ３３ｂの再生が必要な場合には、ＰＭ再生燃焼制御を行ってＤＰＦのＰＭ捕集能力を再生できる。
【００７４】
そして、ＮＯｘの浄化に関しては、排気ガスが所定の温度（例えば３００℃）以下の低温域の場合と、高い高温域の場合と、ＮＯｘの再生が必要な場合に、場合分けしながら、第１の実施の形態と同様に、ＳＣＲ触媒３２とＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１の二段構えの装置で、高いＮＯｘ浄化率で浄化でき、必要に応じてＮＯｘ吸蔵能力の回復を行うことができる。
【００７５】
〔第３の実施の形態〕
図３に、第３の実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化システム１０Ｃの構成を示す。この内燃機関の排気ガス浄化システム１０Ｃでは、エンジン１の排気通路２において、第２の実施の形態における前段酸化触媒３３ａとＤＰＦ３３ｂからなるＣＲＴ型ＤＰＦ３３の代りに、触媒担持ＤＰＦ３４が配置される。即ち、第１の実施の形態の排気ガス浄化システム１０Ａにおいて、還元剤添加弁４２の上流に、触媒担持ＤＰＦ３４を設けて構成する。この点が、第２の実施の形態と異なるだけで、その他の構成は同じである。
【００７６】
この触媒担持ＤＰＦ３４は、酸化触媒をウオールフローフィルタの壁表面に塗布し、この壁表面上で、ＮＯの酸化と、この酸化により発生したＮＯ_２ でＰＭを酸化させる触媒担持フィルタや、ウオールフローフィルタの壁表面に貴金属酸化触媒、酸化物酸化触媒等のＰＭ酸化触媒を塗布し、ＰＭを低温域から直接触媒燃焼し連続再生する触媒担持フィルタで構成することができる。
【００７７】
貴金属触媒等の酸化触媒を担持した触媒担持フィルタの場合は、ＣＲＴ型ＤＰＦ３３の場合と同様なメカニズムでＰＭを除去でき、セリウム（Ｃｅ）の酸化物等のＰＭ酸化触媒を担持した触媒担持フィルタの場合は、低温域（３００℃〜６００℃程度）では、触媒担持フィルタにおける排気ガス中のＯ_２ を使用した反応（４ＣｅＯ_２ ＋Ｃ→２Ｃｅ_２ Ｏ_３ ＋ＣＯ_２ ，２Ｃｅ_２ Ｏ_３ ＋Ｏ_２ →４ＣｅＯ_２ 等）によりＰＭを酸化し、ＰＭが排気ガス中のＯ_２ で燃焼する温度より高い高温域（６００℃程度以上）では、排気ガス中のＯ_２ によりＰＭを酸化する。
【００７８】
〔第３の実施の形態における制御〕
この第３の実施の形態の排気ガス浄化システム１０Ｃにおける、排気ガス浄化方法、即ち、ＰＭとＮＯｘの浄化のための制御と、ＤＰＦ再生燃焼制御と、ＮＯｘ再生燃焼制御を行う方法は、第２の実施の形態の制御と略同じであり、第２の実施の形態の制御と同じ、図６に示すような制御フローに従って行われる。
【００７９】
しかし、触媒担持ＤＰＦの再生のためのＰＭ再生燃焼制御は、酸化触媒を担持した触媒担持フィルタではＣＲＴ型ＤＰＦと同じ再生制御であるが、ＰＭ酸化触媒を担持した触媒担持フィルタでは、ＰＭ再生燃焼制御で昇温する排気ガスの温度を、ＣＲＴ型ＤＰＦのＰＭ再生燃焼制御で昇温する排気ガスの温度より、低く設定できる点が異なる。
【００８０】
この第３の実施形態の排気ガス浄化システム１０Ｃ及びその排気ガス浄化方法によれば、排気ガス中のＰＭに対しては、触媒担持ＤＰＦ３４で捕集及び酸化除去することにより浄化でき、ＮＯｘに対しては、ＳＣＲ触媒３２とＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１の二段構えの装置で高いＮＯｘ浄化率で浄化することができる。また、それぞれの必要に応じて、触媒担持ＤＰＦ３４のＰＭ捕集能力の再生及びＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１のＮＯｘ吸蔵能力の再生を行うことができる。
【００８１】
〔第４の実施の形態〕
図４に、第４の実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化システム１０Ｄの構成を示す。この内燃機関の排気ガス浄化システム１０Ｄは、エンジン１の排気通路２において、第１の実施の形態におけるＮＯｘ吸蔵還元型触媒３１の代りに、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒担持ＤＰＦ３５が設けられる。この点が、第１の実施の形態と異なるだけで、その他の構成は同じである。
【００８２】
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒担持ＤＰＦ３５は、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒と触媒担持ＤＰＦを一体化したもので、図１０に示すように、ＤＰＦを形成する構造体である担持体、又は構造体の表面に設けられた担持体３１ａに、白金（Ｐｔ）等の貴金属酸化触媒３１ｂと、バリウム（Ｂａ）等のＮＯｘ吸蔵材３１ｃを担持させて形成される。
【００８３】
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒担持ＤＰＦ３５では、ディーゼルエンジンやリーンバーンエンジン等の通常運転に相当する通常の希薄燃焼運転では、排気ガスがリーン空燃比状態にあるので、ＮＯｘ吸蔵材３１ｃがＮＯｘを吸蔵し大気中へのＮＯｘの放出が防止される。一方、ＰＭに対しては、このＮＯｘ吸蔵の際に発生する活性酸素及び排気ガス中のＯ_２ によって酸化され、燃焼除去されるので、大気中へのＰＭの放出も防止される。
【００８４】
また、ＮＯｘ吸蔵能力の再生のための理論空燃比燃焼又は過濃空燃比燃焼の燃焼制御で、排気ガスがリッチ空燃比状態にある時には、ＮＯｘ吸蔵材３１ｃからＮＯｘが放出され還元されると共に、ＮＯｘの還元の際に発生する活性酸素により、触媒内でＰＭが酸化される。即ち、排ガス中のＯ_２ が少ない状態であっても、ＮＯｘの放出還元の反応で生じる活性酸素でＰＭを燃焼除去できる。
【００８５】
〔第４の実施の形態における制御〕
この第４の実施の形態の排気ガス浄化システム１０Ｄにおける、排気ガス浄化方法、即ち、ＰＭとＮＯｘの浄化のための制御と、ＰＭ捕集能力を再生させるためのＰＭ再生燃焼制御と、ＮＯｘ吸蔵能力を再生させるためのＮＯｘ再生燃焼制御を行う方法は、第２の実施の形態の制御と同じであり、第２の実施の形態の制御と同じ、図６に示すような制御フローに従って行われる。
【００８６】
この第４の実施形態の排気ガス浄化システム１０Ｄ及びその排気ガス浄化方法によれば、排気ガス中のＰＭに対しては、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒担持ＤＰＦ３５で捕集及び燃焼除去することにより浄化でき、ＮＯｘに対しては、ＳＣＲ触媒３２とＮＯｘ吸蔵還元型触媒担持ＤＰＦ３５の二段構えの装置で高いＮＯｘ浄化率で浄化することができる。
【００８７】
特に、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒担持ＤＰＦ３５におけるＰＭの燃焼除去は、ＮＯｘの吸蔵及び放出還元の両方で効率よく行われるので、排気ガス温度を上昇する等のＰＭ再生燃焼制御の頻度が減少し、燃費の節約とともに、ＤＰＦの寿命も長くなる。
【００８８】
また、この構成によれば、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒と触媒担持ＤＰＦが一体化されているので、システムの小型化及び簡素化を図ることができる。
【００８９】
【発明の効果】
以上の説明したように、本発明の内燃機関の排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法によれば、次のような効果を奏することができる。
【００９０】
内燃機関の排気ガス中のＮＯｘに対して、低温域で高いＮＯｘ浄化率を発揮するＮＯｘ吸蔵還元型触媒と、高温域で高いＮＯｘ浄化率を発揮するＳＣＲ触媒との組合せにより、排気ガス中のＮＯｘを、排気ガス温度に関係なく高いＮＯｘ浄化率で浄化できる。
【００９１】
また、排気ガスの高温域のみＳＣＲ触媒用の還元剤を供給するので、還元剤を有効に利用できるので、還元剤の量を節約しながら、効率よくＮＯｘを浄化できる。
【００９２】
更に、ＳＣＲ触媒によるＮＯｘ除去を併用するので、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力の回復のためのＮＯｘ再生燃焼運転制御を行う回数を著しく減少させることができるので、燃費の悪化を防止できる。
【００９３】
そして、還元剤供給装置の上流に、ＣＲＴ型ＤＰＦや触媒担持ＤＰＦを設けたり、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の代りにＮＯｘ吸蔵還元型触媒担持ＤＰＦを設けることにより、ＮＯｘのみならず、ＰＭも浄化できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化システムの構成を示す図である。
【図２】本発明に係る第２実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化システムの構成を示す図である。
【図３】本発明に係る第３実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化システムの構成を示す図である。
【図４】本発明に係る第４実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化システムの構成を示す図である。
【図５】第１の実施の形態における内燃機関の排気ガス浄化方法の制御フローの一例を示す図である。
【図６】第２，第３及び第４の実施の形態における内燃機関の排気ガス浄化方法の制御フローの一例を示す図である。
【図７】ＳＣＲ触媒とＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ浄化性能を示す図である。
【図８】ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のリーン空燃比状態におけるＮＯｘの浄化メカニズムを示す図である。
【図９】ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のリッチ空燃比状態におけるＮＯｘの浄化メカニズムを示す図である。
【図１０】ＮＯｘ吸蔵還元型触媒ＤＰＦにおけるＮＯｘとＰＭの浄化メカニズムを示す図である。
【図１１】従来技術におけるＳＣＲ触媒を備えた内燃機関の排気ガス浄化システムの構成図を示す図である。
【符号の説明】
１ エンジン（内燃機関）
２ 排気通路
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ 内燃機関の排気ガス浄化システム
３１ ＮＯｘ吸蔵還元型触媒
３２ ＳＣＲ触媒（選択的接触還元触媒）
３３ ＣＲＴ型ＤＰＦ
３３ａ 前段酸化触媒
３３ｂ ＤＰＦ
３４ 触媒担持ＤＰＦ
４２ 還元剤添加弁（還元剤添加装置）

Claims (6)

1. 内燃機関の排気ガスを浄化する排気ガス浄化システムであって、内燃機関の排気通路に上流から順に選択的接触還元触媒とＮＯｘ吸蔵還元型触媒を直列に設けると共に、前記選択的接触還元触媒の上流に還元剤添加装置を設けたことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化システム。
2. 前記還元剤添加装置の上流に、前段酸化触媒を有するディーゼルパティキュレートフィルタ又は触媒担持ディーゼルパティキュレートフィルタを設けたことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気ガス浄化システム。
3. 前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の代りに、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒担持ディーゼルパティキュレートフィルタを設けたことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気ガス浄化システム。
4. 前記還元剤添加装置が供給する還元剤を、尿素水溶液、アンモニア水溶液、液体アンモニアのいずれかと一つとすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の排気ガス浄化システム。
5. 前記還元剤添加装置が、前記選択的接触還元触媒の入口側における排気ガス温度が所定の値以下の低温域では、還元剤を供給せず、前記排気ガス温度が前記所定の値より大きい高温域では、還元剤を供給することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の排気ガス浄化システム。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関の排気ガス浄化システムにおいて、前記還元剤添加装置が、前記選択的接触還元触媒の入口側における排気ガス温度が所定の値以下の低温域では、還元剤を供給せずに、前記排気ガス温度が前記所定の値より大きい高温域では、還元剤を供給して、ＮＯｘを浄化することを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化方法。

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