JP2008240640A - 排ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】前記ＮＨ_３吸着材の吸着性能を確保して排ガスに含まれるＮＯｘの外部への排出をより確実に抑制することのできる排ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】酸素過剰雰囲気の排ガスに含まれるＮＯｘを吸着するＮＯｘ吸着材とこの吸着されたＮＯｘが転化されてなるＮＨ_３を吸着するゼオライト系ＮＨ_３吸着材とを含有し、排ガスが再び酸素過剰雰囲気になった際に排出されるＮＯｘと前記吸着されているＮＨ_３とを反応させてＮＯｘを浄化するＮＯｘ触媒装置５４と、ＮＯｘ触媒装置５４を再生するために排ガスの空燃比を少なくともＮＨ_３吸着材の再生が可能な空燃比に変更する触媒再生制御手段７４と、ＮＯｘ触媒装置５４から流出するＮＯｘの濃度を検出するＮＯｘ濃度検出手段３７とを設けるとともに、触媒再生制御手段７４を、前記ＮＯｘ濃度検出手段３７で検出されたＮＯｘの濃度に基づいてＮＯｘ触媒装置５４の再生を開始するよう構成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、エンジンの排ガスに含まれるＮＯｘの外部への排出を抑制するための排ガス浄化装置に関する。

前記のような排ガス浄化装置として、エンジンの排気通路に、ＮＯｘを吸着可能なＮＯｘ吸着材とＮＯｘから生成されるＮＨ_３を吸着可能なＮＨ_３吸着材とを有するＮＯｘ触媒装置を設け、前記ＮＨ_３吸着材に吸着されたＮＨ_３により前記ＮＯｘを還元浄化するものが知られている。この装置では、酸素不足雰囲気下で前記ＮＯｘを前記ＮＨ_３に転化し、この転化されたＮＨ_３を前記ＮＨ_３吸着材に吸着させておく。そして、酸素過剰雰囲気下で、前記ＮＯｘ吸着材にＮＯｘを吸着させるとともにこの吸着したＮＯｘを前記ＮＨ_３で還元浄化する。

このようなＮＯｘ触媒装置を用いた排ガス浄化装置として、例えば、特許文献１には、このＮＯｘ吸着材に吸着されているＮＯｘの量を推定し、この推定値が所定値以上になれば前記燃焼室の空燃比をリッチの状態に制御して前記ＮＨ_３を追加生成するものが開示されている。この装置では、前記エンジンから排出されるＮＯｘ量をエンジン回転数およびアクセル開度に基づいて推定するとともに、前記ＮＨ_３により還元浄化されたＮＯｘ量を前記ＮＯｘ触媒装置内の温度とエンジン回転数およびアクセル開度に基づいて推定し、これらの推定値に基づいて前記ＮＯｘ吸着材に吸着されているＮＯｘの量を推定している。
特開２００５−２１４０９８号公報

ここで、前記ＮＨ_３吸着材としてはゼオライトが用いられる場合が多い。ところが、このゼオライトには酸点とよばれる活性部位が結晶内に多数存在しているため、前記ＮＨ_３のみならず排ガスに含まれる燃料中のＨＣ成分が吸着してしまう。そして、この吸着したＨＣ成分が堆積するとゼオライトがコーキングされてしまい、前記ＮＨ_３吸着材にＮＨ_３を十分に吸着させることができなくなり、前記ＮＯｘをＮＨ_３で十分に還元できなくなるおそれがある。

しかしながら、前記特許文献１に開示される装置では、前記コーキング等による前記ＮＨ_３吸着材のＮＨ_３吸着性能の低下については何ら考慮されていない。そのため、ＮＨ_３により還元浄化されるＮＯｘ量の推定誤差ひいてはＮＯｘ吸着材に吸着されているＮＯｘ量の推定誤差が大きくなってしまい、前記ＮＨ_３を適切に追加生成できない可能性がある。また、前記装置では、前記ＮＨ_３吸着材の再生が行われていないので、ＮＨ_３吸着材の吸着性能が低下したままとなってＮＨ_３を十分に吸着できず、その結果ＮＯｘを十分に還元浄化できなくなる可能性がある。

本発明は、前記のような事情に鑑みてなされたものであり、前記ＮＨ_３吸着材の吸着性能を確保して排ガスに含まれるＮＯｘの外部への排出をより確実に抑制することのできる排ガス浄化装置の提供を目的とする。

前記課題を解決するために本発明は、リーンバーンエンジンにおける排ガス浄化装置であって、エンジンの排気通路に設けられて、前記エンジンの燃焼室から排出される酸素過剰雰囲気の排ガスに含まれるＮＯｘを吸着するＮＯｘ吸着材と当該ＮＯｘ吸着材に吸着されたＮＯｘが酸素不足雰囲気下で転化されてなるＮＨ_３を吸着するゼオライト系ＮＨ_３吸着材とを含有し、前記排ガスが再び酸素過剰雰囲気になるようにエンジン運転条件が切り換えられた際に排出されるＮＯｘと前記吸着されているＮＨ_３とを反応させて前記ＮＯｘを浄化するＮＯｘ触媒装置と、前記ＮＯｘ触媒装置を再生するために、前記排ガスの空燃比を少なくとも前記ＮＨ_３吸着材の再生が可能な空燃比に変更する触媒再生制御手段と、前記エンジンの排気通路のうち前記ＮＯｘ触媒装置の下流に設けられて、当該ＮＯｘ触媒装置から流出するＮＯｘの濃度を検出するＮＯｘ濃度検出手段とを有し、前記触媒再生制御手段は、前記ＮＯｘ濃度検出手段で検出された前記ＮＯｘの濃度に基づいて前記ＮＯｘ触媒装置の再生を開始することを特徴とする排ガス浄化装置を提供する（請求項１）。

本発明によれば、前記ＮＯｘ触媒装置の下流にＮＯｘ濃度を検出可能なＮＯｘ濃度検出手段を設けているので、前記ＮＯｘ触媒装置によるＮＯｘの浄化性能の変化をより正確に把握することができるとともに、このＮＯｘ濃度検出手段によって直接検出されたＮＯｘの濃度に基づいて前記ＮＯｘ触媒装置の再生を開始しているので、このＮＯｘ触媒装置の浄化性能をより確実にかつ効率よく再生することができる。特に、前記触媒再生制御手段にて、前記排ガスの空燃比を少なくとも前記ＮＨ_３吸着材の再生が可能な空燃比に保持してＮＨ_３吸着材の再生を行っているので、このＮＨ_３吸着材にＮＯｘを還元するための十分なＮＨ_３量を吸着させることができ、このＮＨ_３吸着材に吸着されるＮＨ_３によってＮＯｘをより確実に還元浄化することが可能となる。

また本発明において、前記触媒再生制御手段は、前記ＮＨ_３吸着材のコーキング除去を行うことで前記ＮＨ_３吸着材の再生を行う手段を含み、前記ＮＯｘ触媒装置の再生期間のうち少なくとも一部の期間、前記排ガスの空燃比を、通常の運転時よりもリッチ側であって、かつ、理論空燃比よりもリーン側のコーキング除去用空燃比にするよう構成されているのが好ましい（請求項２）。

このように前記排ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーン側に保持し、このＮＨ_３吸着材を酸素過剰雰囲気下に晒すとともに、前記空燃比を通常の運転時よりもリッチ側に保持することでＮＯｘ触媒装置内の温度を昇温すれば、前記ＮＨ_３吸着材に付着している炭素成分を容易に焼きとばすことができ、ＮＨ_３吸着材のコーキング除去を容易に行うことが可能となる。そして、このようにＮＨ_３吸着材のコーキング除去を行うことができれば、ＮＨ_３吸着材のＮＨ_３吸着性能を確保することができ、より確実にＮＯｘを還元浄化することが可能となる。

また本発明において、前記ＮＯｘ吸着材は、酸素濃度が高い酸素過剰の雰囲気下において前記排ガスに含まれる硫黄成分を吸着する一方、酸素濃度の低下に伴って前記硫黄成分を排出するものであり、前記触媒再生制御手段は、前記ＮＯｘ吸着材から前記硫黄成分を脱離させることで当該ＮＯｘ吸着材の再生を行う手段を含み、当該ＮＯｘ吸着材から前記硫黄成分を脱離させるために、前記ＮＯｘ触媒装置の再生期間のうち少なくとも一部の期間、前記排ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチ側の被毒回復空燃比にするよう構成されているのが好ましい（請求項３）。

このようにすれば、前記ＮＯｘ吸着材の硫黄成分による被毒を回復することができ、ＮＯｘ吸着材のＮＯｘ吸着性能を確保することができるので、外部へのＮＯｘの排出をより確実に抑制することが可能となる。特に、前記ＮＯｘ触媒装置の再生期間中は前記ＮＨ_３吸着材のコーキング除去が行われておりＮＯｘ触媒装置内の温度が高温に保たれるので、この期間中に前記空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に保持すれば、コーキング除去と関係なく別時期に硫黄除去のみのために前記空燃比をリッチ側にする場合に比べて、少ない燃料消費で、より効率よくＮＯｘ吸着材の硫黄成分による被毒を回復することができる。

ここで、前記のように前記ＮＯｘ触媒装置の再生期間中にＮＨ_３吸着材の再生とＮＯｘ吸着材の再生を行う場合には、前記再生期間中に前記排ガスの空燃比を前記コーキング除去用空燃比と前記被毒回復用空燃比とに複数回にわたって交互に保持するよう構成してもよいし、前記排ガスの空燃比を所定期間前記コーキング除去用空燃比に保持した後、前記被毒回復用空燃比に保持するよう構成してもよい（請求項４、請求項５）。

また本発明において、前記再生期間の終了後に、前記ＮＯｘ濃度検出手段で検出された前記ＮＯｘ触媒装置から流出するＮＯｘの濃度に基づいて前記ＮＯｘ吸着材の劣化判定を行う劣化判定手段を有するのが好ましい（請求項６）。

この構成では、前記ＮＯｘ吸着材の硫黄成分による被毒が回復された後にこのＮＯｘ吸着材の劣化判定を行うので、このＮＯｘ吸着材の劣化状態をより正確に把握することが可能となる。しかも、この構成では、前記ＮＯｘ濃度検出手段で直接検出されたＮＯｘ濃度に基づいて前記劣化判定を行っており、さらに正確な劣化判定を行うことが可能となる。

また本発明において、前記ＮＯｘ吸着材は、セリウムを含有する酸化物であり、前記ＮＯｘ触媒装置は、前記ＮＯｘ吸着材および前記ＮＨ_３吸着材に加えて、アルカリ金属成分あるいはアルカリ土類金属成分の少なくとも一方からなるＮＯｘ吸蔵材を備えるのが好ましい（請求項７）。

このようにすれば、前記ＮＨ_３吸着材に吸着されたＮＨ_３によるＮＯｘの還元浄化のみならず、ＮＯｘ吸蔵材によってＮＯｘを浄化することができるので、外部に排出されるＮＯｘの量をより低減することが可能となる。

以上のように、本発明によれば、ＮＨ_３吸着材のＮＨ_３吸着性能を確保し、このＮＨ_３吸着材に吸着されるＮＨ_３によってより確実にＮＯｘを還元浄化することのできる排ガス浄化装置を提供することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。ここでは、本発明にかかる排ガス浄化装置をディーゼルエンジンに搭載した場合について説明する。図１は本発明に係る排ガス浄化装置１０を含むディーゼルエンジンの概略構成図である。

このディーゼルエンジンのエンジン本体１には、複数の気筒１２（例えば４気筒）が形成されており、各気筒１２にはコンロッドを介してクランクシャフト３に連結されたピストン１３が嵌挿されている。また、ピストン１３の上方には燃焼室１４が形成されている。そして、このディーゼルエンジンでは通常の運転状態にて前記燃焼室１４内の空燃比が理論空燃比よりリーンの状態で運転されるよう構成されている。

各気筒１２の燃焼室１４の頂部には、燃焼室１４内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁１６が設けられている。この燃料噴射弁１６は、図略のニードル弁及びソレノイドを内蔵し、パルス信号が入力されることにより、そのパルス入力時期にパルス幅に対応する時間だけ駆動されて開弁し、その開弁時間に応じた量の燃料を噴射するように構成されている。この燃料噴射弁１６は、後述する再生期間中には、少なくとも圧縮行程の上死点付近で燃料を噴射するメイン噴射と当該メイン噴射の後に膨張行程で燃料を噴射するポスト噴射とを行う。

エンジン本体１には、クランクシャフト３の回転速度すなわちエンジン回転数を検出するエンジン回転数センサ３０が設けられている。また、各気筒１２の燃焼室１４は吸気通路２１および排気通路２２に通じており、各通路２１，２２との間に吸気弁１７および排気弁１８が設けられている。前記吸気通路２１には、吸気スロットル４０が設けられている。この吸気スロットル４０は、その開度に応じて吸気通路２１の流路断面積を調節することで各気筒１２に流入する吸気量を制御する。また、この吸気スロットル４０の下流には吸気通路２１に排気通路２２から排ガスを還流させるためのＥＧＲ通路２３が接続されている。このＥＧＲ通路２３には、前記吸気通路２１に還流する排ガス（以下ＥＧＲガスという）の量を調節するためのＥＧＲバルブ４１が設けられている。このＥＧＲ通路２３を通り前記吸気通路２１に還流されたＥＧＲガスは、吸気通路２１の上流から流入した新気と合流して各気筒１２内に流入する。

前記排気通路２２には、ＤＯＣ（酸化触媒）５０とＤＰＦ（ＰＭフィルタ）５２とＬＮＴ（ＮＯｘ触媒装置）５４とが設けられている。そして、ＤＰＦ５２の上下流部、具体的には前記ＤＯＣ５０とＤＰＦ５２との間およびＤＰＦ５２とＬＮＴ５４との間にはそれぞれ背圧センサ３３，３４が取り付けられている。また、ＬＮＴ５４の上流部、具体的にはＬＮＴ５４とＤＰＦ５２との間には温度センサ３５およびＮＯｘセンサ３６が取り付けられている。さらに、このＬＮＴ５４の下流部にはＮＯｘセンサ３７が取り付けられている。そして、前記ＤＯＣ５０の上流部には前記ＥＧＲ通路２３が接続されており、ＤＯＣ５０の上流の排ガスが前記ＥＧＲ通路２３に流入するよう構成されている。前記背圧センサ３３，３４は、前記ＤＰＦ５２の上下流部の圧力を検出するためのものであり、前記ＮＯｘセンサ３６，３７は、前記ＬＮＴ５４の上下流部のＮＯｘ（窒素酸化物）濃度を検出するためのものである。

前記ＤＯＣ５０は、排ガスの酸化反応を促すためのものであって、排ガス中のＣＯ（一酸化炭素）やＨＣ（炭化水素）はこのＤＯＣ５０内で酸化浄化される。

前記ＤＰＦ５２は、排ガス中のＰＭ（パティキュレートマター：排ガスに含まれる煤等からなる粒子状物質）を捕集するためのものである。このＤＰＦ５２は、例えばＳｉＣ等のセラミック製ウォールスルータイプであって、前記ＰＭがＤＰＦ５２の流入側セルから流出側セルに向かってセル壁を通過する際に、当該ＰＭがその内部に捕集されるよう構成されている。また、このＤＰＦ５２には、排ガスの酸化反応を促す触媒が担持されており、このＤＰＦ５２内での酸化反応によって、前記捕集したＰＭを燃焼除去できるようになっている。

前記ＬＮＴ５４は、排ガス中のＮＯｘを浄化するためのものである。このＬＮＴ５４は、図２に示すように、ハニカム状をなすコージェライト担体基材５４ａとＮＯｘ吸着触媒層５４ｂとＮＨ_３吸着触媒層５４ｃとから構成されている。この図２では、前記ＮＯｘ吸着触媒層５４ｂの上、すなわち排ガス側に前記ＮＨ_３吸着触媒層５４ｃを配置している。

前記ＮＯｘ吸着触媒層５４ｂには、白金等の貴金属とＮＯｘ吸着材とＮＯｘ吸蔵材およびアルミナ等のサポート材とが担持されている。前記白金は触媒として作用するものであり後述する各種反応を促進させる。前記ＮＯｘ吸着材は、例えばＣｅＯ_２（酸化セリウム）、又はＣｅ（セリウム）とＺｒ（ジルコニウム）または希土類元素を組み合わせたセリア系の複酸化物であって、排ガス中のＮＯｘを吸着するものである。具体的には、排ガス中のＮＯ（一酸化窒素）と酸素とが前記触媒の作用で反応することで生成されたＮＯ_２（二酸化窒素）を吸着するとともに、前記排ガス中のＮＯを吸着する。

前記ＮＯｘ吸蔵材は、例えばバリウムであって、排ガス中のＮＯｘをＢａ（ＮＯ_３）_２（硝酸バリウム）の形で吸蔵するものである。

前記ＮＨ_３吸着触媒層５４ｃには、ＮＨ_３吸着材であるゼオライトが担持されている。このＮＨ_３吸着材は、前記ＬＮＴ５４内に流入した排ガスが酸素不足雰囲気すなわちリッチ状態とされた際に、前記触媒の作用によって、前記ＮＯｘ吸着材に吸着されているＮＯ_２が、排ガス中のＣＯあるいはＨＣと水との反応により生成した水素と反応することで転化されてなるＮＨ_３（アンモニア）をＮＨ_４＋（アンモニウムイオン）として吸着・保持する。

そして、このＬＮＴ５４では、通常の運転状態、すなわち燃焼室１４内の空燃比が理論空燃比よりもリーンの状態であって、ＬＮＴ５４の内部が酸素過剰の雰囲気となる場合には、前記ＮＨ_３吸着材に吸着されているＮＨ_３によって排ガス中のＮＯｘおよび前記ＮＯｘ吸着材に保持されているＮＯｘをＮ_２（窒素）に還元浄化する。さらに、前記燃焼室１４内の空燃比がリッチの状態であってＬＮＴ５４の内部に未燃燃料が供給される場合には、前記ＮＯｘ吸蔵材にＢａ（ＮＯ_３）_２の形で吸蔵されているＮＯｘを還元浄化して、外部に排出されるＮＯｘ量を抑制する。

また、本ディーゼルエンジンには、エンジンの運転を制御するコントロールユニットとして、ＥＣＵ２が設けられている。ＥＣＵ２は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を備えたコンピュータ等からなり、予めＲＯＭ（またはＲＡＭ）に記憶されているプログラムがＣＰＵによって実行されることによって、各アクチュエータ等の動作を制御している。

本実施形態におけるＥＣＵ２には、図示しない種々の制御部に加えて、ＤＰＦ制御部６０と、ＬＮＴ制御部７０とが設けられている。

前記ＤＰＦ制御部６０は、前記ＤＰＦ５２の状態に応じてこのＤＰＦ５２の再生制御を実行するためのものである。このＤＰＦ制御部６０では、前記背圧センサ３３，３４の出力に基づいてＤＰＦ前後の差圧を算出し、この差圧が所定値以上の場合、すなわち、ＤＰＦ５２内に捕集されたＰＭが所定値以上となった場合に、前記ＤＰＦ５２内の温度を上昇させる。そして、この温度上昇によってＤＰＦ５２内のＰＭを燃焼除去させＤＰＦ５２のＰＭ捕集能力を再生する。具体的には、エンジンの膨張行程で燃料を噴射（所謂、ポスト噴射）し、排気通路２２内に未燃のＨＣ成分を増加させ、前記ＤＯＣ５０でこのＨＣ成分を酸化燃焼させることで排ガス温度を高め、この昇温された排ガスをＤＰＦ５２内に流入させ、さらにこのＤＰＦ５２内に設けられた触媒の作用によってＤＰＦ５２内でＰＭの酸化反応を起こさせる。

前記ＬＮＴ制御部７０は、前記ＬＮＴ５４においてＮＯｘの吸着、吸蔵、ＮＨ_３の生成、あるいはＮＨ_３吸着材等の各触媒材のコーキング除去や硫黄成分の除去等を制御するためのものであって、ＮＨ_３生成部７２と、再生制御部（触媒再生制御手段）７４と、劣化判定部（劣化判定手段）７８とを有している。

前記ＮＨ_３生成部７２は、排ガスに含まれるＮＯｘからＮＨ_３を生成するためのものである。前述のように、ＮＨ_３は、排ガス中のＣＯあるいはＨＣと水との反応により生成された水素との反応によって生成されるので、このＮＨ_３生成部７２では、前記水素を生成するために排ガス中に前記ＣＯあるいはＨＣを供給すべく排ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に保持する。

このようにして排ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチ側に保持されると、排ガス中のＣＯおよびＨＣの量が確保されるのでこれらと水との反応により水素が生成され、この水素によって前記ＮＯｘからＮＨ_３が生成される。このようにして生成されたＮＨ_３は、前記ＮＨ_３吸着材に吸着される。

前記再生制御部７４は、ＮＯｘの外部への排出を確実に抑制するために、前記ＮＨ_３吸着材のＮＨ_３吸着性能、前記ＮＯｘ吸着材のＮＯｘ吸着性能および前記ＮＯｘ吸蔵材のＮＯｘ吸蔵性能を確保すべく、これらＮＨ_３吸着材、ＮＯｘ吸着材、ＮＯｘ吸蔵材を再生させるものである。この再生制御部７４は、前記ＮＨ_３吸着材を再生するためのＮＨ_３再生制御部７５と、前記ＮＯｘ吸着材およびＮＯｘ吸蔵材を再生するためのＳリジェネ制御部７６とを有している。

この再生制御部７４では、まず、前記ＮＨ_３再生制御部７５およびＳリジェネ制御部７６による再生制御を開始する時期、すなわち再生期間の開始時期を決定する。具体的には、前記ＮＯｘの上下流部に設けられた前記ＮＯｘセンサ３６，３７の値からＬＮＴ５４におけるＮＯｘ浄化率（上流側のＮＯｘセンサ３６の検出値ＮＯｘ＿１に対する、当該上流側のＮＯｘセンサ３６の検出値ＮＯｘ＿１と下流側のＮＯｘセンサ３７の検出値ＮＯｘ＿２との差の比（ＮＯｘ＿１−ＮＯｘ＿２）／ＮＯｘ＿１）を算出し、このＮＯｘ浄化率が予め設定された再生開始浄化率以上であるかどうかを判定する。そして、このＮＯｘ浄化率がこの再生開始浄化率未満であると判断された場合には、ＬＮＴ５４においてＮＯｘが十分に浄化されておらず前記ＮＨ_３吸着材、ＮＯｘ吸着材、ＮＯｘ吸蔵材の再生が必要であるとして、前記ＮＨ_３再生制御部７５およびＳリジェネ制御部７６による再生制御を開始する。ここで、前記再生開始浄化率は、エンジン回転数、実噴射量および排ガス温度の値に基づいて予め設定された値であって、前記再生制御部７４に再生開始浄化率マップとして記憶されている。そして、前記エンジン回転数センサ３０の検出値、燃料噴射弁１６での噴射量および前記温度センサ３５の検出値に基づいて、前記再生開始浄化率マップから運転条件に合った値が抽出される。

前記ＮＨ_３再生制御部７５は、前記ＮＨ_３吸着材のＮＨ_３吸着性能を確保すべく、前記ＮＨ_３吸着材を再生するためのものである。ここで、前記ＮＨ_３吸着材として用いているゼオライトは、酸点と呼ばれる活性部位が結晶内に多数存在している物質であり、前記のようにＮＨ_３を吸着することができる一方、排ガスに含まれる未燃燃料のＨＣ成分をも吸着してしまうという特性を有している。従って、このＮＨ_３吸着材を長時間にわたり排ガスに晒すと前記ＨＣ成分によってコーキングされてしまい、その吸着性能が低下してしまう。そこで、このＮＨ_３再生制御部７５では、ＮＨ_３吸着材のＮＨ_３吸着性能を確保すべくＮＨ_３吸着材のコーキング除去を行いこのＮＨ_３吸着材を再生する。

具体的には、膨張行程にて各気筒１２内にポスト噴射を行い、排ガスの空燃比を通常の運転時よりも低いコーキング除去用空燃比に保持するとともに排ガスの温度を上昇させる。そして、前記ＮＨ_３吸着材を高温、かつ酸素過剰の雰囲気に晒すことで、前記ＨＣ成分を燃焼除去する。本実施形態では、排ガスの空燃比が２０程度になるよう、かつ、ＬＮＴ５４内の温度が６５０℃〜７５０℃になるようにポスト噴射を実行している。ここで、前記のように膨張行程でポスト噴射を行えば、このポスト噴射により噴射された燃料の後燃えによって燃焼室１４から排出される排ガスの温度を効率よく上昇させることができる。

前記Ｓリジェネ制御部７６は、前記ＮＯｘ吸着材のＮＯｘ吸着性能および前記ＮＯｘ吸蔵材ＮＯｘ吸蔵性能を確保すべく、これらＮＯｘ吸着材およびＮＯｘ吸蔵材を再生するためのものである。ここで、前記ＮＯｘ吸着材として用いているセリア系酸化物は、酸素過剰の雰囲気下において、前記ＮＯｘを吸着するとともに排ガス中の燃料およびエンジンオイルに含まれる硫黄成分を吸着してしまうという特性を有している。従って、このセリア系酸化物からなるＮＯｘ吸着材に排ガスを供給し続けると硫黄成分を吸着してしまい、そのＮＯｘ吸着性能が低下してしまう。一方、前記セリア系酸化物は、酸素濃度の低下に伴って吸着していた硫黄成分を脱離するという特性を有している。

また、前記ＮＯｘ吸蔵材として用いているバリウムは、酸素過剰の雰囲気下において、前記ＮＯｘを硝酸バリウムとして吸蔵するとともに前記硫黄成分を硫酸バリウムとして吸蔵してしまうという特性を有している。従って、前記ＮＯｘ吸着材と同様に、このＮＯｘ吸蔵材に排ガスを供給し続けると硫黄成分を吸蔵してしまい、そのＮＯｘ吸蔵性能が低下してしまう。一方、このＮＯｘ吸蔵材もまた、酸素濃度の低下および供給されるＨＣあるいはＣＯの増加に伴って吸蔵していた硫黄成分を脱離するという特性を有している。

そこで、このＳリジェネ制御部７６では、前記ＮＯｘ吸着材および前記ＮＯｘ吸蔵材を酸素不足の雰囲気に晒すことで、前記硫黄成分をＮＯｘ吸着材およびＮＯｘ吸蔵材から脱離させこれらＮＯｘ吸着材とＮＯｘ吸蔵材を再生する。

具体的には、前記ＥＧＲバルブ４１の開度を大きくするとともに前記吸気スロットル４０の開度を絞り、燃焼室１４に流入するＥＧＲガス量を増加させつつ燃焼室１４に流入する新気量を低下させる。さらに、各気筒１２内にポスト噴射を行うことで各気筒１２内に供給される噴射量を増大し、排ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチ側の被毒回復用空燃比に低下させる。本実施形態では、排ガスの空燃比が例えば１４になるよう制御する。

ここで、前記ＮＯｘ吸着材から前記硫黄成分を脱離させるためには、前記触媒の温度が所定値以上（例えば６５０℃〜７５０℃）であるのが好ましいことがわかっている。従って、本排ガス浄化装置１０では、前記ＮＨ_３再生制御部７５において排ガス温度が十分に昇温された直後に、このＳリジェネ制御部７６での再生制御を実施することで前記硫黄成分を効率よく脱離させるよう構成している。すなわち、本実施形態における前記再生制御部７４では、前記ＮＨ_３再生制御部７５によるＮＨ_３吸着材のコーキング除去制御（ＮＨ_３吸着材の再生制御）と、前記Ｓリジェネ制御部７６によるＮＯｘ吸着材およびＮＯｘ吸蔵材のＳリジェネ制御（ＮＯｘ吸着材およびＮＯｘ吸蔵材の再生制御）とを連続して実施している。

具体的には、この再生制御部７４では、再生期間の開始時期になると、図５に示すように、まず、ｔ１時間（例えば１ｍｉｎ〜１０ｍｉｎ）の間、前記ＮＨ３再生制御部７５により排ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）を２０程度に保持するコーキング除去制御を行い、ＬＮＴ５４内を昇温させつつ前記ＮＨ_３吸着材のコーキング除去を行う。その後、ｔ２時間（例えば１ｍｉｎ〜１０ｍｉｎ）の間、前記Ｓリジェネ制御部７６により前記空燃比を１４程度にまで低下させるＳリジェネ制御を行い、前記ＮＯｘ吸着材およびＮＯｘ吸蔵材から硫黄成分を脱離させる。続いて、通常運転状態に戻した後、前記ＮＯｘセンサ３６，３７の値から算出されたＬＮＴ５４のＮＯｘ浄化率が予め設定した再生終了浄化率以上かどうかを判断し、このＮＯｘ浄化率が再生終了浄化率未満の場合には、再生終了浄化率以上になるまで、前記コーキング除去制御と前記Ｓリジェネ制御とを交互に実施し、前記ＮＨ_３吸着材、ＮＯｘ吸着材およびＮＯｘ吸蔵材とを再生する。前記再生終了浄化率とは、ＬＮＴ５４が十分に再生されたと考えられるＮＯｘの浄化率であって、前記再生開始浄化率と同様に、エンジン回転数、実噴射量および前記排ガス温度の値に基づいて予め設定されており、前記再生制御部７４に、再生開始浄化率マップとして記憶されている。

前記ＬＮＴ劣化判定部（劣化判定手段）７８は、前記ＬＮＴ５４の劣化判定を行うものである。このＬＮＴ劣化判定手段７８では、前記再生制御部７４による再生制御が終了し、通常の運転に戻った際に、前記ＮＯｘセンサ３６，３７の検出値からＬＮＴ５４におけるＮＯｘ浄化率を算出し、このＮＯｘ浄化率が予め設定した劣化判定浄化率未満であれば、前記ＬＮＴ５４が劣化したと判定する。前記劣化判定浄化率は前記再生開始浄化率と同じ値であってもよいし、別途運転条件毎に予め設定した値であってもよい。ここで、ＬＮＴ５４に前記ＮＯｘ吸蔵材を設けない場合には、このＬＮＴ劣化判定手段７８では前記ＮＯｘ吸着材のみの劣化状態が判定されることになる。

次に、前記ＬＮＴ制御部７０におけるＬＮＴ５４の再生制御の要領を図３および図４のフローチャートに基づいて説明する。

まず、ステップＳ１にて前記ＤＰＦ５２が再生中であるかどうかを判定する。すなわち、ＤＰＦ５２内のＰＭを燃焼除去してＤＰＦ５２を再生するために、前記ＤＰＦ制御部６０にてポスト噴射によるＰＭ燃焼促進制御が実施されているかどうかを判定する。この判定がＹＥＳの場合は、ＬＮＴ５４の再生制御を実施することなくステップＳ１に戻る。一方、この判定がＮＯの場合は、前記エンジン回転数センサ３０により検出されたエンジン回転数、燃料噴射弁１６にて噴射された噴射量および前記温度センサ３５により検出されたＬＮＴ５４の上流部の排ガス温度に基づいて、前記再生開始浄化率マップから再生開始浄化率を抽出し、前記再生終了浄化率マップから再生終了浄化率を抽出するとともに、前記劣化判定浄化率マップから劣化判定浄化率を抽出する（ステップＳ２）。次に、ＬＮＴ５４の上流側のＮＯｘセンサ３６の検出値ＮＯｘ＿１および下流側のＮＯｘセンサ３７の検出値ＮＯｘ＿２からＬＮＴ５４のＮＯｘ浄化率の値をＮＯｘ浄化率＝（ＮＯｘ＿１−ＮＯｘ＿２）／ＮＯｘ＿１にて算出する（ステップＳ３）。

次に、前記ＮＯｘ浄化率の値と前記再生開始浄化率を比較する（ステップＳ４）。ここで、ＮＯｘ浄化率の値が再生開始浄化率以上の場合（ステップＳ４でＹＥＳ）は、前記ＬＮＴ５４が十分なＮＯｘ浄化性能を有しており、各吸着材および吸蔵材の再生が不要であるとして、ステップＳ１に戻る。一方、前記ＮＯｘ浄化率の値が再生開始浄化率未満の場合（ステップＳ４でＮＯ）には、前記ＬＮＴ５４によってＮＯｘが十分に還元浄化されておらず、各吸着材の吸着性能および吸蔵材の吸蔵性能が低下しているとしてＬＮＴ５４の再生制御を開始する。

まず、前記ＮＨ_３再生制御部７５にて、ｔ１時間の間コーキング除去制御を行う。すなわち、排ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）が２０になるようにポスト噴射を実施し、ＬＮＴ５４内を昇温しつつ前記ＮＨ_３吸着材のコーキング除去を行う（ステップＳ５）。次に、前記Ｓリジェネ制御部７６にて、ｔ２時間の間Ｓリジェネ制御を行う。すなわち、排ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）が１４になるようにポスト噴射を実施するとともに前記吸気スロットル４０とＥＧＲバルブ４１の開度を調整して、ＮＯｘ吸着材およびＮＯｘ吸蔵材から硫黄成分を脱離させる（ステップＳ６）。

その後、通常運転に戻す（ステップＳ７）。そして、再度ＮＯｘ浄化率を算出し（ステップＳ８）、このＮＯｘ浄化率の値と前記再生終了浄化率とを比較する（ステップＳ９）。ここで、ＮＯｘ浄化率の値が再生終了浄化率以上の場合（ステップＳ９でＮＯ）は、前記ＮＨ_３吸着材のＮＨ_３吸着性能、前記ＮＯｘ吸着材のＮＯｘ吸着性能およびＮＯｘ吸蔵材のＮＯｘ吸蔵性能が回復し、ＬＮＴ５４のＮＯｘ浄化性能が回復されたとしてステップＳ１０に移る。一方、ＮＯｘ浄化率の値が前記再生終了浄化率未満の場合（ステップＳ９でＹＥＳ）は、ＮＯｘ浄化率の値が前記再生終了浄化率以上になるまで（ステップＳ９でＮＯになるまで）前記ステップＳ５、６、７、８を繰り返す。

ステップＳ１０では、前記ステップＳ８で算出されたＮＯｘ浄化率と前記劣化判定浄化率とを比較する。ここで、ＮＯｘ浄化率が劣化判定浄化率以上の場合（ステップＳ１０でＹＥＳ）は、そのまま処理を終了し、ＮＯｘ浄化率が劣化判定浄化率未満の場合（ステップＳ１０でＮＯ）は、ＬＮＴ５４が劣化したと判定して（ステップＳ１１）処理を終了する。

以上のように、本排ガス浄化装置１０によれば、前記ＬＮＴの上流および下流にＮＯｘ濃度を直接検出することのできるＮＯｘセンサ３６，３７設けているので、前記ＬＮＴ５４によるＮＯｘの浄化性能の変化をより正確に把握することができる。そして、このＮＯｘセンサ３６，３７によって直接検出されたＮＯｘの濃度に基づいて前記ＬＮＴ５４の再生開始時期を決定しているので、このＬＮＴ５４の浄化性能を効率よく回復させることができる。特に、このＬＮＴ５４の再生期間中に、排ガスの空燃比を少なくとも前記ＮＨ_３吸着材の再生が可能な空燃比に保持してＮＨ_３吸着材の再生を行っているので、このＮＨ_３吸着材にＮＯｘを還元するための十分なＮＨ_３量を吸着させることができ、このＮＨ_３吸着材に吸着されるＮＨ_３によってＮＯｘを還元浄化することが可能となる。

また、本実施形態では、前記ＮＨ_３再生制御部７５にて前記ＮＨ_３吸着材の再生制御としてコーキング除去を行っており、コーキングによるＮＨ_３吸着材のＮＨ_３吸着性能の低下を回復させることができる。そして、このＮＨ_３再生制御部７５にて、排ガスの空燃比を通常の運転時よりもリッチ側に保持し、ＬＮＴ５４内の温度を昇温して前記ＮＨ_３吸着材を高温の雰囲気に晒すとともに、前記空燃比を理論空燃比よりもリーン側に保持し、このＮＨ_３吸着材を酸素過剰雰囲気下に晒すよう制御することで、ＮＨ_３吸着材に付着している炭素成分を容易に焼きとばすことができ、ＮＨ_３吸着材のコーキング除去を効率よく行うことが可能となる。

また、前記再生制御部７４にＳリジェネ制御部７６を設け、このＳリジェネ制御部７６によって前記再生期間中に前記排ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチ側の被毒回復空燃比に保持するよう構成すれば、前記ＮＯｘ吸着材の硫黄成分による被毒を回復してＮＯｘ吸着材のＮＯｘ吸着性能を確保することができるので、外部へのＮＯｘの排出を抑制することが可能となる。特に、前記再生期間中は前記ＮＨ_３吸着材のコーキング除去が行なわれており、排ガスの空燃比が通常の運転時よりもリッチ側に保持されているので、このＳリジェネ制御のためだけに排ガスの空燃比をリッチ側にする場合に比べて、少ない燃料消費で、効率よくＮＯｘ吸着材の硫黄成分による被毒を回復することができる。また、前記コーキング除去制御によりＬＮＴ５４内の温度が高温に保たれているので、前記硫黄成分を効率よくＮＯｘ吸着材から脱離させることができる。

また、前記再生期間の終了後に前記ＮＯｘセンサ３６，３７で検出された前記ＮＯｘの濃度に基づいて前記ＮＯｘ吸着材の劣化状態の判定を行う劣化判定手段７８を設ければ、前記ＮＯｘ吸着材の硫黄成分による被毒が回復された後にこのＮＯｘ吸着材の劣化判定が行われるので、このＮＯｘ吸着材の劣化状態をより正確に把握することが可能となる。しかも、この構成では、前記ＮＯｘセンサ３６，３７で直接検出されたＮＯｘ濃度に基づいて前記劣化判定を行っており、さらに正確な劣化判定を行うことが可能となる。

また、前記ＬＮＴ５４に、前記ＮＯｘ吸着材および前記ＮＨ_３吸着材に加えて、バリウム等のアルカリ金属成分あるいはアルカリ土類金属成分の少なくとも一方からなるＮＯｘ吸蔵材を備えるよう構成すれば、前記ＮＨ_３吸着材に吸着されたＮＨ_３によるＮＯｘの還元浄化のみならず、ＮＯｘ吸蔵材によってＮＯｘを浄化することができるので、外部に排出されるＮＯｘの量をより低減することが可能となる。

ここで、前記実施形態では、ＬＮＴ５４の再生制御において、再生期間中に、所定期間前記コーキング除去制御を実行した後、所定期間Ｓリジェネ制御を実行するように示したが、各制御を小刻みに予め設定した回数だけ繰り返し実行するようにしてもよい。例えば図６に示すように、所定の再生期間のうちｔ１１期間のコーキング除去とｔ１２期間のＳリジェネ制御とを予め設定した回数だけ行うようにしてもよい。

また、前記ＮＨ_３再生制御部７５においてＮＨ_３吸着材のコーキング除去を行うための空燃比の値は前記のように２０に限らない。同様に、前記Ｓリジェネ制御部７６においてＮＯｘ吸着材およびＮＯｘ吸蔵材から硫黄成分を脱離させるための空燃比の値は前記のように１４に限らない。また、前記Ｓリジェネ制御部７６にて空燃比を１４付近とする場合において、前記図５に示すように、空燃比（Ａ／Ｆ）を１４に一定に保つのではなく、図７に示すように、空燃比（Ａ／Ｆ）＝１４付近において空燃比を小刻みに増減させるように制御してもよい。この場合には、ＮＯｘ吸蔵材から硫黄成分の脱離を効果的に促進することが可能となる。

また、前記ＮＨ_３再生制御部７５および前記Ｓリジェネ制御部７６において、ＬＮＴ５４に流入する排ガスの空燃比を各所定の値に保持するための方法は前記に限らない。

また、前記実施形態では、ＬＮＴ５４の上下流にそれぞれＮＯｘセンサ３６，３７を取り付け、これらのセンサの検出値に基づいて算出したＮＯｘ浄化率に基づいて各種判定を行った場合について示したが、ＬＮＴ５４の下流側にのみＮＯｘセンサを取り付けるよう構成してもよい。この場合には、前記各種の判定をＮＯｘ浄化率ではなく、下流側に取り付けられたＮＯｘセンサにより検出されたＮＯｘ濃度の絶対値で実施すればよい。また、ＬＮＴ５４の上流側のＮＯｘ濃度の値を運転条件等から推定するよう構成してもよい。また、前記再生開始浄化率、再生終了浄化率、劣化判定浄化率等を、前記実施形態のように運転条件毎に設けずに一定値としてもよい。

また、前記実施形態では、ＤＰＦ再生中でなくかつＮＯｘ浄化率が再生開始浄化率未満であればすぐさま再生制御を実行するよう構成した場合について示したが、さらに運転条件が所定の条件を満足している場合にのみ再生制御を実行するようにしてもよい。例えば、前記温度センサ３５により検出されたＬＮＴ５４の上流側の排ガス温度が所定値以上の場合にのみ、前記再生制御を実行するようにしてもよい。

また、前記ＬＮＴ５４、ＤＰＦ５２、ＤＯＣ５０の配置は図１に限らず、例えば図８に示すように、ＬＮＴ５４をＤＰＦ５２の上流に配置してもよい。また、図９に示すように、ＤＯＣ５０を排除してもよい。

また、このＮＯｘ吸蔵材の材料は、前記に限らずストロンチウム等でもよい。また、このＮＯｘ吸蔵材は省略してもよい。同様に、前記ＮＨ_３吸着材、ＮＯｘ吸着材の材料は前記に限らない。また、ＬＮＴ５４内におけるＮＨ_３吸着触媒層５４ｃ、ＮＯｘ吸着触媒層５４ｂの配置は前記にかぎらず、ＮＨ_３吸着触媒層５４ｃの上にＮＯｘ吸着触媒層５４ｂを配置するようにしてもよい。

また、本排ガス浄化装置１０は、ディーゼルエンジンのみならずリーンバーン燃焼を行う種々のエンジンに適応可能である。

本発明の実施形態に係る排ガス浄化装置を含むエンジンの概略構成図である。 図１に示す排ガス浄化装置におけるＮＯｘ触媒装置の内部構造を拡大して示す概略断面図である。 図１に示す排ガス浄化装置におけるＮＯｘ触媒装置の再生制御の概略フローチャートである。 図３に続いて実施されるＮＯｘ触媒装置の劣化判定の概略フローチャートである。 図１に示す排ガス浄化装置におけるＮＯｘ触媒装置の再生制御中の空燃比の変化を示すタイムチャートである。 図５に示す空燃比の変化方法の変形例を示すタイムチャートである。 図５に示す空燃比の変化方法の変形例を示すタイムチャートである。 図１に排ガス浄化装置のＮＯｘ触媒装置の配置の変形例を示す概略構成図である。 図１に排ガス浄化装置のＮＯｘ触媒装置の配置の変形例を示す概略構成図である。

符号の説明

１ エンジン本体
２ ＥＣＵ
１６ 燃料噴射弁
２２ 排気通路
２３ ＥＧＲ通路
３６ ＮＯｘセンサ（ＮＯｘ濃度検出手段）
３７ ＮＯｘセンサ（ＮＯｘ濃度検出手段）
４０ 吸気スロットル
４１ ＥＧＲバルブ
５４ ＬＮＴ（ＮＯｘ触媒装置）
５４ａ コージェライト担体基材
５４ｂ ＮＯｘ吸着触媒層
５４ｃ ＮＨ_３吸着触媒層
７０ ＬＮＴ制御部
７２ ＮＨ_３生成部
７４ 再生制御部（触媒再生制御手段）
７５ ＮＨ_３再生制御部
７６ Ｓリジェネ制御部
７８ 劣化判定手段
Ａ／Ｆ 空燃比

Claims (7)

1. リーンバーンエンジンにおける排ガス浄化装置であって、
   エンジンの排気通路に設けられて、前記エンジンの燃焼室から排出される酸素過剰雰囲気の排ガスに含まれるＮＯｘを吸着するＮＯｘ吸着材と当該ＮＯｘ吸着材に吸着されたＮＯｘが酸素不足雰囲気下で転化されてなるＮＨ_３を吸着するゼオライト系ＮＨ_３吸着材とを含有し、前記排ガスが再び酸素過剰雰囲気になるようにエンジン運転条件が切り換えられた際に排出されるＮＯｘと前記吸着されているＮＨ_３とを反応させて前記ＮＯｘを浄化するＮＯｘ触媒装置と、
   前記ＮＯｘ触媒装置を再生するために、前記排ガスの空燃比を少なくとも前記ＮＨ_３吸着材の再生が可能な空燃比に変更する触媒再生制御手段と、
   前記エンジンの排気通路のうち前記ＮＯｘ触媒装置の下流に設けられて、当該ＮＯｘ触媒装置から流出するＮＯｘの濃度を検出するＮＯｘ濃度検出手段とを有し、
   前記触媒再生制御手段は、前記ＮＯｘ濃度検出手段で検出された前記ＮＯｘの濃度に基づいて前記ＮＯｘ触媒装置の再生を開始することを特徴とする排ガス浄化装置。
2. 請求項１に記載の排ガス浄化装置において、
   前記触媒再生制御手段は、前記ＮＨ_３吸着材のコーキング除去を行うことで前記ＮＨ_３吸着材の再生を行う手段を含み、前記ＮＯｘ触媒装置の再生期間のうち少なくとも一部の期間、前記排ガスの空燃比を、通常の運転時よりもリッチ側であって、かつ、理論空燃比よりもリーン側のコーキング除去用空燃比にするよう構成されていることを特徴とする排ガス浄化装置。
3. 請求項２に記載の排ガス浄化装置において、
   前記ＮＯｘ吸着材は、酸素濃度が高い酸素過剰の雰囲気下において前記排ガスに含まれる硫黄成分を吸着する一方、酸素濃度の低下に伴って前記硫黄成分を排出するものであり、
   前記触媒再生制御手段は、前記ＮＯｘ吸着材から前記硫黄成分を脱離させることで当該ＮＯｘ吸着材の再生を行う手段を含み、当該ＮＯｘ吸着材から前記硫黄成分を脱離させるために、前記ＮＯｘ触媒装置の再生期間のうち少なくとも一部の期間、前記排ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチ側の被毒回復空燃比にするよう構成されていることを特徴とする排ガス浄化装置。
4. 請求項３に記載の排ガス浄化装置において、
   前記触媒再生制御手段は、前記ＮＯｘ触媒装置の再生期間中に、前記排ガスの空燃比を前記コーキング除去用空燃比と前記被毒回復用空燃比とに複数回にわたって交互に保持することを特徴とする排ガス浄化装置。
5. 請求項３に記載の排ガス浄化装置において、
   前記触媒再生制御手段は、前記ＮＯｘ触媒装置の再生期間中に、前記排ガスの空燃比を所定期間前記コーキング除去用空燃比に保持した後、当該排ガスの空燃比を前記被毒回復用空燃比に保持することを特徴とする排ガス浄化装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の排ガス浄化装置において、
   前記ＮＯｘ触媒装置の再生期間の終了後に、前記ＮＯｘ濃度検出手段で検出された前記ＮＯｘ触媒装置から流出するＮＯｘの濃度に基づいて前記ＮＯｘ吸着材の劣化判定を行う劣化判定手段を有することを特徴とする排ガス浄化装置。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の排ガス浄化装置において、
   前記ＮＯｘ吸着材は、セリウムを含有する酸化物であり、
   前記ＮＯｘ触媒装置は、前記ＮＯｘ吸着材および前記ＮＨ_３吸着材に加えて、アルカリ金属成分あるいはアルカリ土類金属成分の少なくとも一方からなるＮＯｘ吸蔵材を備えることを特徴とする排ガス浄化装置。

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