JP3578107B2 - Exhaust gas purification method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は排気ガス浄化方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来よりディーゼル機関においては、排気ガス中に含まれる微粒子を除去するために機関排気通路内にパティキュレートフィルタを配置してこのパティキュレートフィルタにより排気ガス中の微粒子を一旦捕集し、パティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子を着火燃焼せしめることによりパティキュレートフィルタを再生するようにしている。ところがパティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子は600℃程度以上の高温にならないと着火燃焼せず、これに対してディーゼル機関の排気ガス温は通常、600℃よりもかなり低い。したがって排気ガス熱でもってパティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子を着火燃焼させるのは困難である。そこで比較的低い温度であっても捕集された微粒子を着火燃焼させようとする技術が公知である(例えば特公平7−106290号公報参照)。
【0003】
一方、パティキュレートフィルタ上に、排気ガスがリーンのときにNOxを吸収し、酸素濃度が低下すると吸収していたNOxを放出するNOx吸放出剤を担持してNOxと微粒子との両方を浄化する技術も公知となっている(特開平6−272541号)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
このNOx吸放出剤は排気ガス中に含まれる硫黄成分により被毒され、そのNOx吸放出能力や酸化能力が低下することがある。このためNOx吸放出剤のNOx吸放出能力を高く維持するためにはNOx吸放出剤を被毒している硫黄成分を除去する必要がある。NOx吸放出剤を被毒している硫黄成分はパティキュレートフィルタの温度が比較的高くなり且つ周囲の酸素濃度が低下すれば脱離するのでNOx吸放出剤から硫黄成分を除去するためにはパティキュレートフィルタの温度を上昇させると共に周囲の酸素濃度を低下させればよい。しかしながら硫黄成分をNOx吸放出剤から脱離させることができる温度は微粒子の着火温度よりも高いのでNOx吸放出剤から硫黄成分を除去するためにパティキュレートフィルタの温度を上昇させたときにパティキュレートフィルタ表面において微粒子が一気に燃焼することがある。この場合、パティキュレートフィルタの温度が急激に上昇し、微粒子の燃焼熱によりパティキュレートフィルタが溶損したり、溶損に至らないまでもNOx吸放出剤が熱劣化する可能性がある。
【0005】
こうした問題に鑑み、本発明の目的はパティキュレートフィルタ表面に堆積した微粒子の燃焼熱によりパティキュレートフィルタが溶損、或いはNOx吸放出剤が熱劣化することを防止しつつパティキュレートフィルタから硫黄成分を除去することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
1番目の発明では上記目的を達成するために、酸化機能を有するパティキュレートフィルタ上に、周囲に過剰酸素が存在するとNOxを取り込んで保持し且つ周囲の酸素濃度が低下すると保持しているNOxを放出するNOx吸放出剤を担持し、該NOx吸放出剤が硫黄成分により被毒されたときにおいてパティキュレートフィルタに堆積している微粒子の量が予め定められた量よりも少ないときにはパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比を第一の度合のリッチとし、パティキュレートフィルタに堆積している微粒子の量が上記予め定められた量よりも多いときにはパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比を第一の度合よりも大きな第二の度合のリッチとする。ここでリッチ度合と排気ガスの空燃比との関係から言えばリッチ度合が大きいほど排気ガスの空燃比としては小さいことを表すことになる。
【0007】
2番目の発明では1番目の発明において、パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比を所定の空燃比として被毒回復制御を開始し、被毒回復途中のパティキュレートフィルタの温度変化に基づいてパティキュレートフィルタに堆積している微粒子の量を検出する。
3番目の発明では1番目の発明において、パティキュレートフィルタ上に貴金属触媒を担持した。
【0008】
4番目の発明では3番目の発明において、周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取り込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素の形で放出する活性酸素放出剤をパティキュレートフィルタ上に担持し、パティキュレートフィルタ上に微粒子が付着したときに活性酸素放出剤から活性酸素を放出させ、放出された活性酸素によりパティキュレートフィルタ上に付着した微粒子を酸化させるようにしている。
【0009】
5番目の発明では4番目の発明において、活性酸素放出剤がアルカリ金属またはアルカリ土類金属または希土類または遷移金属または炭素族元素からなる。
6番目の発明では5番目の発明において、アルカリ金属およびアルカリ土類金属がカルシウムよりもイオン化傾向の高い金属からなる。
7番目の発明では4番目の発明において、排気ガスの一部または全体の空燃比を一時的にリッチにすることによりパティキュレートフィルタ上に付着した微粒子を酸化させるようにしている。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、図示した実施例を参照して本発明を説明する。図1は本発明を圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。なお本発明は火花点火式内燃機関に適用することもできる。
図1を参照すると、1は機関本体、2はシリンダブロック、3はシリンダヘッド、4はピストン、5は燃焼室、6は電気制御式燃料噴射弁、7は吸気弁、8は吸気ポート、9は排気弁、10は排気ポートを夫々示す。吸気ポート8は対応する吸気枝管11を介してサージタンク12に連結され、サージタンク12は吸気ダクト13を介して排気ターボチャージャ14のコンプレッサ15に連結される。コンプレッサ15の上流側の吸気管13bには吸入される空気の質量流量を検出するための質量流量計13aが取り付けられる。吸気ダクト13内にはステップモータ16により駆動されるスロットル弁17が配置され、さらに吸気ダクト13周りには吸気ダクト13内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置18が配置される。図1に示した実施例では冷却装置18内に機関冷却水が導びかれ、この機関冷却水により吸入空気が冷却される。一方、排気ポート10は排気マニホルド19および排気管20を介して排気ターボチャージャ14の排気タービン21に連結され、排気タービン21の出口は排気管20aを介してパティキュレートフィルタ22を内蔵したケーシング23に連結される。
【0011】
排気マニホルド19とサージタンク12とは排気ガス再循環(以下、EGR)通路24を介して互いに連結され、EGR通路24内には電気制御式EGR制御弁25が配置される。またEGR通路24周りにはEGR通路24内を流れるEGRガスを冷却するための冷却装置26が配置される。図1に示した実施例では冷却装置26内に機関冷却水が導びかれ、この機関冷却水によりEGRガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁6は燃料供給管6aを介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール27に連結される。このコモンレール27内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ28から燃料が供給され、コモンレール27内に供給された燃料は各燃料供給管6aを介して燃料噴射弁6に供給される。コモンレール27にはコモンレール27内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ29が取り付けられ、燃料圧センサ29の出力信号に基づいてコモンレール27内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ28の吐出量が制御される。
【0012】
電子制御ユニット30はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス31により互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)32、RAM(ランダムアクセスメモリ)33、CPU(マイクロプロセッサ)34、入力ポート35および出力ポート36を具備する。燃料圧センサ29の出力信号は対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。またパティキュレートフィルタ22にはパティキュレートフィルタ22の温度を検出するための温度センサ39が取り付けられ、この温度センサ39の出力信号は対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。また質量流量計13aの出力信号は対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。アクセルペダル40にはアクセルペダル40の踏込量Lに比例した出力電圧を発生する負荷センサ41が接続され、負荷センサ41の出力電圧は対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。さらに入力ポート35にはクランクシャフトが例えば30°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ42が接続される。一方、出力ポート36は対応する駆動回路38を介して燃料噴射弁6、スロットル弁駆動用ステップモータ16、EGR制御弁25、および燃料ポンプ28に接続される。
【0013】
図2にパティキュレートフィルタ22の構造を示す。なお図2において(A)はパティキュレートフィルタ22の正面図であり、(B)はパティキュレートフィルタ22の側面断面図である。図2(A)および(B)に示したようにパティキュレートフィルタ22はハニカム構造をなしており、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路50,51を具備する。これら排気流通路は下流端が栓52により閉塞された排気ガス流入通路50と、上流端が栓53により閉塞された排気ガス流出通路51とにより構成される。
【0014】
なお図2(A)においてハッチングを付した部分は栓53を示している。したがって排気ガス流入通路50および排気ガス流出通路51は薄肉の隔壁54を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス流入通路50および排気ガス流出通路51は各排気ガス流入通路50が四つの排気ガス流出通路51により包囲され、各排気ガス流出通路51が四つの排気ガス流入通路50により包囲されるように配置される。
【0015】
パティキュレートフィルタ22は例えばコージライトのような多孔質材料から形成されており、したがって排気ガス流入通路50内に流入した排気ガスは図2(B)において矢印で示したように周囲の隔壁54内を通って隣接する排気ガス流出通路51内に流出する。
本発明の実施例では各排気ガス流入通路50および各排気ガス流出通路51の周壁面、すなわち各隔壁54の両側表面上、栓53の外端面および栓52,53の内端面上には全面に亘って例えばアルミナからなる担体の層が形成されており、この担体上に貴金属触媒と、周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取り込んで酸素を保持し且つ周囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素の形で放出する活性酸素放出剤とが担持されている。
【0016】
本発明の実施例では貴金属触媒として白金Ptが用いられており、活性酸素放出剤としてカリウムK、ナトリウムNa、リチウムLi、セシウムCs、ルビジウムRbのようなアルカリ金属、バリウムBa、カルシウムCa、ストロンチウムSrのようなアルカリ土類金属、ランタンLa、イットリウムY、セリウムCeのような希土類、鉄Feのような遷移金属、およびスズSnのような炭素族元素から選ばれた少なくとも一つが用いられている。
【0017】
なお活性酸素放出剤としてはカルシウムCaよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属またはアルカリ土類金属、すなわちカリウムK、リチウムLi、セシウムCs、ルビジウムRb、バリウムBa、ストロンチウムSrを用いることが好ましい。
次にパティキュレートフィルタ22による排気ガス中の微粒子除去作用について担体上に白金PtおよびカリウムKを担持させた場合を例にとって説明するが他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類、遷移金属、炭素族元素を用いても同様な微粒子除去作用が行われる。
【0018】
図1に示したような圧縮着火式内燃機関では空気過剰のもとで燃焼が行われ、したがって排気ガスは多量の過剰空気を含んでいる。すなわち吸気通路および燃焼室5内に供給された空気と燃料との比を排気ガスの空燃比と称すると図1に示したような圧縮着火式内燃機関では排気ガスの空燃比はリーンとなっている。また燃焼室5内ではNOが発生するので排気ガス中にはNOが含まれている。また燃料中には硫黄Sが含まれており、この硫黄Sは燃焼室5内で酸素と反応してSO2 となる。したがって排気ガス中にはSO2 が含まれている。したがって過剰酸素、NOおよびSO2 を含んだ排気ガスがパティキュレートフィルタ22の排気ガス流入通路50内に流入することになる。
【0019】
図3(A)および(B)は排気ガス流入通路50の内周面上に形成された担体層の表面の拡大図を模式的に表わしている。なお図3(A)および(B)において60は白金Ptの粒子を示しており、61はカリウムKを含んでいる活性酸素放出剤を示している。
上述したように排気ガス中には多量の過剰酸素が含まれているので排気ガスがパティキュレートフィルタ22の排気ガス流入通路50内に流入すると図3(A)に示したようにこれら酸素O2 がO2 −またはO2−の形で白金Ptの表面に付着する。一方、排気ガス中のNOは白金Ptの表面上でO2 −またはO2−と反応し、NO2 となる(2NO+O2 →2NO2 )。次いで生成されたNO2 の一部は白金Pt上で酸化されつつ活性酸素放出剤61内に吸収され、カリウムKと結合しながら図3(A)に示したように硝酸イオンNO3 −の形で活性酸素放出剤61内に拡散し、硝酸カリウムKNO3 を生成する。
【0020】
一方、上述したように排気ガス中にはSO2 も含まれており、このSO2 もNOと同様なメカニズムにより活性酸素放出剤61内に吸収される。すなわち上述したように酸素O2 がO2 −またはO2−の形で白金Ptの表面に付着しており、排気ガス中のSO2 は白金Ptの表面でO2 −またはO2−と反応してSO3 となる。次いで生成されたSO3 の一部は白金Pt上でさらに酸化されつつ活性酸素放出剤61内に吸収され、カリウムKと結合しながら硫酸イオンSO4 2−の形で活性酸素放出剤61内に拡散し、硫酸カリウムK2SO4 を生成する。このようにして活性酸素放出剤61内には硝酸カリウムKNO3 および硫酸カリウムK2SO4が生成される。
【0021】
一方、燃焼室5内においては主にカーボンCからなる微粒子が生成され、したがって排気ガス中にはこれら微粒子が含まれている。排気ガス中に含まれているこれら微粒子は排気ガスがパティキュレートフィルタ22の排気ガス流入通路50内を流れているとき、或いは排気ガス流入通路50から排気ガス流出通路51に向かうときに図3(B)において62で示したように担体層の表面、例えば活性酸素放出剤61の表面上に接触し、付着する。
【0022】
このように微粒子62が活性酸素放出剤61の表面上に付着すると微粒子62と活性酸素放出剤61との接触面では酸素濃度が低下する。酸素濃度が低下すると酸素濃度の高い活性酸素放出剤61内との間で濃度差が生じ、斯くして活性酸素放出剤61内の酸素が微粒子62と活性酸素放出剤61との接触面に向けて移動しようとする。その結果、活性酸素放出剤61内に形成されている硝酸カリウムKNO3 がカリウムKと酸素OとNOとに分解され、酸素Oが微粒子62と活性酸素放出剤61との接触面に向かい、その一方でNOが活性酸素放出剤61から外部に放出される。外部に放出されたNOは下流側の白金Pt上において酸化され、再び活性酸素放出剤61内に吸収される。
【0023】
またこのとき活性酸素放出剤61内に形成されている硫酸カリウムK2SO4 もカリウムKと酸素OとSO2 とに分解され、酸素Oが微粒子62と活性酸素放出剤61との接触面に向かい、その一方でSO2 が活性酸素放出剤61から外部に放出される。外部に放出されたSO2 は下流側の白金Pt上において酸化され、再び活性酸素放出剤61内に吸収される。ただし硫酸カリウムK2SO4 は安定で分解しづらいので硫酸カリウムK2SO4 は硝酸カリウムKNO3 よりも活性酸素を放出しづらい。
また活性酸素放出剤61は上述したようにNOxを硝酸イオンNO3 −の形で吸収するときにも酸素との反応過程において活性な酸素を生成し放出する。同様に活性酸素放出剤61は上述したようにSO2 を硫酸イオンSO4 2−の形で吸収するときにも酸素との反応過程において活性な酸素を生成し放出する。
【0024】
ところで微粒子62と活性酸素放出剤61との接触面に向かう酸素Oは硝酸カリウムKNO3 や硫酸カリウムK2SO4 のような化合物から分解された酸素である。化合物から分解された酸素Oは高いエネルギを有しており、極めて高い活性を有する。したがって微粒子62と活性酸素放出剤61との接触面に向かう酸素は活性酸素Oとなっている。同様に活性酸素放出剤61におけるNOxと酸素との反応過程、或いはSO2 と酸素との反応過程にて生成される酸素も活性酸素となっている。これら活性酸素Oが微粒子62に接触すると微粒子62は短時間(数秒〜数十分)のうちに輝炎を発することなく酸化せしめられ、微粒子62は完全に消滅する。したがって微粒子62がパティキュレートフィルタ22上に堆積することはほとんどない。すなわち活性酸素放出剤61は微粒子を酸化するための酸化物質である。
【0025】
従来のようにパティキュレートフィルタ22上に積層状に堆積した微粒子が燃焼せしめられるときにはパティキュレートフィルタ22が赤熱し、火炎を伴って燃焼する。このような火炎を伴う燃焼は高温でないと持続せず、したがってこのような火炎を伴なう燃焼を持続させるためにはパティキュレートフィルタ22の温度を高温に維持しなければならない。
【0026】
これに対して本発明では微粒子62は上述したように輝炎を発することなく酸化せしめられ、このときパティキュレートフィルタ22の表面が赤熱することもない。すなわち云い換えると本発明では従来に比べてかなり低い温度でもって微粒子62が酸化除去せしめられている。したがって本発明による輝炎を発しない微粒子62の酸化による微粒子除去作用は火炎を伴う従来の燃焼による微粒子除去作用と全く異なっている。
【0027】
ところで白金Ptおよび活性酸素放出剤61はパティキュレートフィルタ22の温度が高くなるほど活性化するのでパティキュレートフィルタ22上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量はパティキュレートフィルタ22の温度が高くなるほど増大する。
【0028】
図5の実線は単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量Gを示している。なお図5において横軸はパティキュレートフィルタ22の温度TFを示している。単位時間当りに燃焼室5から排出される微粒子の量を排出微粒子量Mと称するとこの排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子Gよりも少ないとき、すなわち図5の領域Iにあるときには燃焼室5から排出された全ての微粒子がパティキュレートフィルタ22に接触すると短時間(数秒〜数十分)のうちにパティキュレートフィルタ22上において輝炎を発することなく酸化除去せしめられる。
【0029】
これに対し、排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも多いとき、すなわち図5の領域IIにあるときには全ての微粒子を酸化するには活性酸素量が不足している。図4(A)〜(C)はこのような場合の微粒子の酸化の様子を示している。
すなわち全ての微粒子を酸化するには活性酸素量が不足している場合には図4(A)に示したように微粒子62が活性酸素放出剤61上に付着すると微粒子62の一部のみが酸化され、十分に酸化されなかった微粒子部分が担体層上に残留する。次いで活性酸素量が不足している状態が継続すると次から次へと酸化されなかった微粒子部分が担体層上に残留し、その結果、図4(B)に示したように担体層の表面が残留微粒子部分63により覆われるようになる。
【0030】
担体層の表面が残留微粒子部分63により覆われると白金PtによるNO,SO2 の酸化作用および活性酸素放出剤61による活性酸素の放出作用が行われなくなるために残留微粒子部分63は酸化されることなくそのまま残り、斯くして図4(C)に示したように残留微粒子部分63の上に別の微粒子64が次から次へと堆積する。すなわち微粒子が積層状に堆積することになる。このように微粒子が積層状に堆積すると微粒子64はもはや活性酸素Oにより酸化されることがなく、したがってこの微粒子64上にさらに別の微粒子が次から次へと堆積する。すなわち排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも多い状態が継続するとパティキュレートフィルタ22上には微粒子が積層状に堆積し、斯くして排気ガス温を高温にするか、或いはパティキュレートフィルタ22の温度を高温にしない限り、堆積した微粒子を着火燃焼させることができなくなる。
【0031】
このように図5の領域Iでは微粒子はパティキュレートフィルタ22上において輝炎を発することなく短時間のうちに酸化せしめられ、図5の領域IIでは微粒子がパティキュレートフィルタ22上に積層状に堆積する。したがって微粒子がパティキュレートフィルタ22上に積層状に堆積しないようにするためには排出微粒子量Mを常時、酸化除去可能微粒子量Gよりも少なくしておく必要がある。
【0032】
図5から判るように本発明の実施例で用いられているパティキュレートフィルタ22ではパティキュレートフィルタ22の温度TFがかなり低くても微粒子を酸化させることが可能であり、したがって図1に示した圧縮着火式内燃機関において排出微粒子量Mおよびパティキュレートフィルタ22の温度TFを排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも常時、少なくなるように維持することが可能である。したがって本発明による第1の実施例においては排出微粒子量Mおよびパティキュレートフィルタ22の温度TFを排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも常時、少なくなるように維持するようにしている。
【0033】
排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも常時、少ないとパティキュレートフィルタ22上に微粒子が全く堆積せず、斯くして背圧がほとんど上昇しない。したがって機関出力はほとんど低下しない。
一方、前述したように一旦、微粒子がパティキュレートフィルタ22上において積層状に堆積するとたとえ排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも少なくなったとしても活性酸素Oにより微粒子を酸化させることは困難である。しかしながら酸化されなかった微粒子部分が残留し始めているとき、すなわち微粒子が一定限度以下しか堆積していないときに排気微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも少なくなるとこの残留微粒子部分は活性酸素Oにより輝炎を発することなく酸化除去される。したがって第二の実施例では排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも通常少なくなり、かつ排出微粒子量Mが一時的に酸化除去可能微粒子量Gより多くなったとしても図4(B)に示したように担体層の表面が残留微粒子部分63により覆われないように、すなわち排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gより少なくなったときに酸化除去しうる一定限度以下の量の微粒子しかパティキュレートフィルタ22上に積層しないように排出微粒子量Mおよびパティキュレートフィルタ22の温度TFを維持するようにしている。
【0034】
特に機関始動直後はパティキュレートフィルタ22の温度TFは低く、したがってこのときには排出微粒子量Mのほうが酸化除去可能微粒子量Gよりも多くなる。したがって実際の運転を考えると第2の実施例のほうが現実に合っていると考えられる。
一方、第1の実施例または第2の実施例を実行しうるように排出微粒子量Mおよびパティキュレートフィルタ22の温度TFを制御していたとしてもパティキュレートフィルタ22上に微粒子が積層状に堆積する場合がある。このような場合には排気ガスの一部または全体の空燃比を一時的にリッチにすることによりパティキュレートフィルタ22上に堆積した微粒子を輝炎を発することなく酸化させることができる。
【0035】
すなわち排気ガスの空燃比がリーンである状態が一定期間に亘って継続すると白金Pt上に酸素が多量に付着し、このために白金Ptの触媒作用が低下してしまう。ところが排気ガスの空燃比をリッチにして排気ガス中の酸素濃度を低下させると白金Ptから酸素が除去され、斯くして白金Ptの触媒作用が回復する。これにより排気ガスの空燃比をリッチにすると活性酸素放出剤61から外部に活性酸素Oが一気に放出されやすくなる。斯くして一気に放出された活性酸素Oにより堆積している微粒子が酸化されやすい状態に変質せしめられると共に微粒子が活性酸素により輝炎を発することなく一気に燃焼除去される。斯くして排気ガスの空燃比をリッチとすると全体として酸化除去可能微粒子量Gが増大する。なおこの場合、パティキュレートフィルタ22上において微粒子が積層状に堆積したときに排気ガスの空燃比をリッチにしてもよいし、微粒子が積層状に堆積しているか否かに係わらず周期的に排気ガスの空燃比をリッチにしてもよい。
【0036】
排気ガスの空燃比をリッチにする方法としては例えば機関負荷が比較的低いときにEGR率(EGRガス量/(吸入空気量+EGRガス量))が65パーセント以上となるようにスロットル弁17の開度およびEGR制御弁25の開度を制御し、このとき燃焼室5内における平均空燃比がリッチになるように噴射量を制御する方法を用いることができる。
【0037】
以上説明した内燃機関の運転制御ルーチンの一例を図6に示した。
図6を参照するとまず初めにステップ100において燃焼室5内の平均空燃比をリッチにすべきか否かが判別される。燃焼室5内の平均空燃比をリッチにする必要がないときには排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも少なくなるようにステップ101においてスロットル弁17の開度が制御され、ステップ102においてEGR制御弁25の開度が制御され、ステップ103において燃料噴射量が制御される。
【0038】
一方、ステップ100において燃焼室5内の平均空燃比をリッチにすべきであると判別されたときにはEGR率が65パーセント以上になるようにステップ104においてスロットル弁17の開度が制御され、ステップ105においてEGR制御弁25の開度が制御され、燃焼室5内の平均空燃比がリッチとなるようにステップ106において燃料噴射量が制御される。
【0039】
ところで燃料や潤滑油はカルシウムCaを含んでおり、したがって排気ガス中にカルシウムCaが含まれている。このカルシウムCaはSO3 が存在すると硫酸カルシウムCaSO4 を生成する。この硫酸カルシウムCaSO4 は固体であって高温になっても熱分解しない。したがって硫酸カルシウムCaSO4 が生成されるとこの硫酸カルシウムCaSO4 によってパティキュレートフィルタ22の細孔が閉塞されてしまい、その結果、排気ガスがパティキュレートフィルタ22内を流れづらくなる。
【0040】
この場合、活性酸素放出剤61としてカルシウムCaよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属またはアルカリ土類金属、例えばカリウムKを用いると活性酸素放出剤61内に拡散するSO3 はカリウムKと結合して硫酸カリウムK2SO4 を形成し、カルシウムCaはSO3 と結合することなくパティキュレートフィルタ22の隔壁54を通過して排気ガス流出通路51内に流出する。したがってパティキュレートフィルタ22の細孔が目詰まりすることがなくなる。したがって前述したように活性酸素放出剤61としてはカルシウムCaよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属またはアルカリ土類金属、すなわちカリウムK、リチウムLi、セシウムCs、ルビジウムRb、バリウムBa、ストロンチウムSrを用いることが好ましいことになる。
【0041】
また本発明はパティキュレートフィルタ22の両側面上に形成された担体の層上に白金Ptのような貴金属のみを担持した場合にも適用することができる。ただしこの場合には酸化除去可能微粒子量Gを示す実線は図5に示す実線に比べて若干、右側に移動する。この場合には白金Ptの表面上に保持されるNO2 またはSO3 から活性酸素が放出される。
【0042】
また活性酸素放出剤としてNO2 またはSO3 を吸着保持し、これら吸着されたNO2 またはSO3 から活性酸素を放出しうる触媒を用いることもできる。
ところで上述したように排気ガス中には硫黄成分SがSO2 の形で含まれている。この硫黄成分Sはパティキュレートフィルタ22の白金Ptに吸着したり、或いは活性酸素放出剤61に吸収されたりする。こうした硫黄成分Sはパティキュレートフィルタ22の温度が或る程度、高ければ白金Ptや活性酸素放出剤61から脱離する。しかしながらパティキュレートフィルタ22の温度が比較的低いと硫黄成分Sは白金Ptに吸着したままであり、活性酸素放出剤61に吸収されたままとなる。この場合、白金Ptの酸化能力が低下し、また活性酸素放出剤61が吸収することができるNOxの量(NOx吸収能力)も少なくなってしまう。そこで白金Ptの酸化能力を高く維持し、また活性酸素放出剤61が吸収することができるNOxの量を多く維持するためには白金Ptに吸着し、或いは活性酸素放出剤61に吸収されている硫黄成分Sを脱離させる必要がある。このためにはパティキュレートフィルタ22の温度を或る程度、高くし且つ白金Ptおよび活性酸素放出剤61の周囲の酸素濃度を低下させればよい。しかしながら硫黄成分Sを脱離させることができる温度(以下、脱離温度)は微粒子が着火燃焼し始める温度(以下、微粒子着火温度)よりも高いので硫黄成分を脱離させるべくパティキュレートフィルタ22の温度を脱離温度まで上昇させるとパティキュレートフィルタ22に微粒子が堆積している場合には微粒子が一気に燃焼し、パティキュレートフィルタ22の温度が急激に上昇し、パティキュレートフィルタ22が溶損したり、溶損に至らないにしてもNOx吸放出剤が熱劣化してしまう(以下、溶損をも含めて熱劣化と称する。)。
【0043】
そこで本発明では硫黄成分を脱離すべきときに微粒子がパティキュレートフィルタ22の熱劣化を招くほど多量に堆積しているか否かを判別し、微粒子がパティキュレートフィルタ22の熱劣化を招くほど多量に堆積していないときにはパティキュレートフィルタ22の熱劣化を防止するための処理を実行せずにパティキュレートフィルタ22の温度を脱離温度まで上昇させ、一方、微粒子がパティキュレートフィルタ22の熱劣化を招くほど多量に堆積しているときにはパティキュレートフィルタ22の温度を脱離温度にまで上昇させるのに最低限必要なリッチ度合よりも大きなリッチ度合の空燃比の排気ガスをパティキュレートフィルタ22に流入させるようにする。
【0044】
このようにリッチ度合が大きい空燃比の排気ガスをパティキュレートフィルタ22に流入させると結果として多量のHCがパティキュレートフィルタに供給され、パティキュレートフィルタ22においてこのHCが排気ガス中の酸素と反応するのでパティキュレートフィルタ内の酸素濃度が低くなる。このため堆積微粒子を燃焼させるための酸素の量が少なくなり、堆積微粒子が一気に火炎を発して燃焼することが回避される。またHCがパティキュレートフィルタ22において酸素と反応するのでパティキュレートフィルタ22の温度が上昇せしめられ、しかも活性酸素放出剤61内および白金Pt表面における酸素濃度とその周囲の酸素濃度との間に濃度差ができるので硫黄成分Sが容易に脱離するようになる。斯くして本発明によればパティキュレートフィルタの熱劣化を抑制しつつも硫黄成分によるパティキュレートフィルタの被毒をも回復させることができる。
【0045】
次に上述した本発明の硫黄成分Sによるパティキュレートフィルタの被毒を回復させる具体的な処理について図7のフローチャートを参照して説明する。初めにステップ200において堆積硫黄成分量Asが予め定められた量AsTHよりも多い(As>AsTH)か否かが判別される。ここで堆積硫黄成分量Asは図8に示したように機関回転数Neと機関要求負荷Lとの関数として単位時間当たりにパティキュレートフィルタ22に堆積すると推定される硫黄成分量Asmmを実験等によりマップの形で予め求めておき、この硫黄成分量Asmmを積算することにより算出される。また予め定められた量AsTHは白金Ptの酸化能力を許容限度以上に低下させ、或いは活性酸素放出剤61のNOx吸収能力を許容限度以上に低下させてしまうほどの硫黄成分の量に設定される。ステップ200においてAs>AsTHであると判別されたときには硫黄成分による被毒を回復すべきであると判断し、ステップ201に進む。一方、ステップ200においてAs≦AsTHであると判別されたときには硫黄成分による被毒を回復する必要がないと判断し、ルーチンを終了する。
ステップ201では堆積微粒子量Apmが予め定められた量ApmTHよりも多い(Apm>ApmTH)か否かが判別される。ここで堆積微粒子量Apmは図9に示したように機関回転数Neと機関要求負荷Lとの関数として単位時間当たりにパティキュレートフィルタ22に堆積すると推定される微粒子量Apmmを実験等によりマップの形で予め求めておき、この微粒子量Apmmを積算することにより算出される。また予め定められた量ApmTHはパティキュレートフィルタ22の熱劣化防止処理を実行せずに硫黄成分Sを脱離させるべくパティキュレートフィルタ22の温度を上昇させたときにパティキュレートフィルタ22を熱劣化させてしまうほどの微粒子の量に設定される。ステップ201においてApm≦ApmTHであると判別されたときには熱劣化防止処理を実行せずに硫黄成分による被毒を回復するための処理を実行してもパティキュレートフィルタ22は熱劣化しないと判断し、ステップ203に進んで排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチとするリッチ処理Iを実行し、ステップ204に進む。ここでの排気ガスの空燃比のリッチ度合はパティキュレートフィルタ22の温度を硫黄成分脱離温度まで上昇させるのに略過不足のない量のHCが排気ガス中に含まれる程度の度合である。したがってステップ203のリッチ処理Iによりパティキュレートフィルタ22の温度が硫黄成分脱離温度まで上昇せしめられ、斯くしてパティキュレートフィルタ22から硫黄成分が除去される。一方、Apm>ApmTHであると判別されたときには熱劣化防止処理を実行せずに硫黄成分による被毒を回復するための処理を実行するとパティキュレートフィルタ22が熱劣化すると判断し、ステップ202に進んで排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチとするリッチ処理IIを実行し、ステップ204に進む。ここでの排気空燃比のリッチ度合は上記リッチ処理Iにおけるリッチ度合よりも大きく設定される。これによれば上述したように堆積微粒子が一気に燃焼することを抑制しつつパティキュレートフィルタから硫黄成分が除去される。
【0046】
ステップ204では堆積硫黄成分量Asが零にリセットされるがリッチ処理毎に除去されると推定される硫黄成分の量を堆積硫黄成分量Asから差し引く処理を実行するようにしてもよい。
なお排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチとするためには機関駆動用の燃料噴射直前に少量の燃料を予備的に噴射したり、機関駆動用の燃料噴射前の吸気行程中に少量の燃料を噴射したり、パティキュレートフィルタ22上流側の機関排気通路内にHCを直接噴射したりすればよい。もちろんこれら処理を組み合わせても排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチとすることができる。
【0047】
さらにステップ203においてリッチ処理Iを実行する代わりに内燃機関に後述する低温燃焼を実行させ、排気ガスの温度を上昇し、斯くしてパティキュレートフィルタの温度を硫黄脱離温度にまで上昇するようにしてもよい。
次に低温燃焼について説明する。EGR率を増大していくと微粒子の発生量が次第に増大してピークに達し、さらにEGR率を高めていくと今度は微粒子の発生量が急激に低下することが知られている。このことについてEGRガスの冷却度合を変えたときのEGR率とスモークとの関係を示した図10を参照して説明する。図10において曲線AはEGRガスを強力に冷却してEGRガス温度を略90℃に維持した場合を示し、曲線Bは小型の冷却装置でEGRガスを冷却した場合を示し、曲線CはEGRガスを強制的には冷却していない場合を示す。
【0048】
図10の曲線Aで示したようにEGRガスを強力に冷却した場合にはEGR率が50パーセントよりも少し低いところで微粒子の発生量がピークとなり、この場合にはEGR率を略55パーセント以上にすれば微粒子が殆ど発生しなくなる。一方、図10の曲線Bで示したようにEGRガスを少し冷却した場合にはEGR率が50パーセントよりも少し高いところで微粒子の発生量がピークとなり、この場合にはEGR率を略65パーセント以上にすれば微粒子が殆ど発生しなくなる。また図10の曲線Cで示したようにEGRガスを強制的に冷却していない場合にはEGR率が55パーセントの付近で微粒子の発生量がピークとなり、この場合にはEGR率を略70パーセント以上にすれば微粒子が殆ど発生しなくなる。このようにEGR率を55パーセント以上にすると微粒子が発生しなくなるのはEGRガスの吸熱作用によって燃料燃焼時における燃料およびその周囲のガスの温度がさほど高くならず、低温燃焼が行われ、その結果、炭化水素が煤まで成長しないからである。
【0049】
この低温燃焼は空燃比に係わらずに微粒子の発生を抑制しつつNOxの発生量を低減することができるという特徴を有する。すなわち空燃比が理論空燃比よりもリッチにされると燃料が過剰となるが燃焼温度が低い温度に抑制されているので過剰な燃料は煤までは成長せず、斯くして微粒子が発生することがない。またこのときNOxも極めて少量しか発生しない。一方、平均空燃比が理論空燃比よりもリーン、或いは空燃比が理論空燃比とされたときにも燃焼温度が高くなれば少量の煤が生成されるが低温燃焼下では燃焼温度が低い温度に抑制されているので微粒子は全く発生せず、NOxも極めて少量しか発生しない。
【0050】
一方、この低温燃焼を行うと燃料およびその周囲のガス温度は低くなるが排気ガスの温度は上昇する。このことについて図11を参照して説明する。図11(A)の実線は低温燃焼が行われたときの燃焼室5内の平均ガス温度Tgとクランク角との関係を示し、図11(A)の破線は通常の燃焼が行われたときの燃焼室5内の平均ガス温度Tgとクランク角との関係を示す。また図11(B)の実線は低温燃焼が行われたときの燃料およびその周囲のガス温度Tfとクランク角との関係を示し、図11(B)の破線は通常の燃焼が行われたときの燃料およびその周囲のガス温度Tfとクランク角との関係を示す。
【0051】
低温燃焼が行われているときには通常の燃焼が行われているときに比べてEGRガス量が多く、したがって図11(A)に示したように圧縮上死点前、すなわち圧縮行程中は実線で示した低温燃焼時における平均ガス温度Tgのほうが破線で示した通常の燃焼時における平均ガス温度Tgよりも高くなっている。なおこのとき図11(B)に示したように燃料およびその周囲のガス温度Tfは平均ガス温度Tgと略等しい温度になっている。
【0052】
次いで圧縮上死点付近において燃焼が開始されるがこの場合、低温燃焼が行われているときには図11(B)の実線で示したように燃料およびその周囲のガス温度Tfはさほど高くならない。これに対して通常の燃焼が行われている場合には燃料周りに多量の酸素が存在するために図11(B)の破線で示したように燃料およびその周囲のガス温度Tfは極めて高くなる。このように通常の燃焼が行われた場合には燃料およびその周囲のガス温度Tfは低温燃焼が行われている場合に比べてかなり高くなるが大部分を占めるそれ以外のガスの温度は低温燃焼が行われている場合に比べて通常の燃焼が行われている場合のほうが低くなっており、したがって図11(A)に示したように圧縮上死点付近における燃焼室5内の平均ガス温度Tgは低温燃焼が行われている場合のほうが通常の燃焼が行われている場合に比べて高くなる。その結果、図11(A)に示したように燃焼が完了した後の燃焼室内の平均ガス温度は低温燃焼が行われた場合のほうが通常の燃焼が行われた場合に比べて高くなり、斯くして低温燃焼を行うと排気ガスの温度が高くなる。
【0053】
次に本発明の別の硫黄成分被毒回復制御について説明する。本実施例では硫黄成分被毒を回復すべきときにはいったん排気ガスの空燃比を所定の空燃比とし(例えば上述した実施例のリッチ処理Iを実行し)、このときのパティキュレートフィルタ22の温度上昇率を監視し(これによれば実質的にパティキュレートフィルタに堆積している微粒子の量を推定することができる。)、この温度上昇率が比較的大きいときにはパティキュレートフィルタ22が熱劣化する可能性があると判断し、リッチ処理Iを上述した実施例のリッチ処理IIに切り換える。これによればパティキュレートフィルタの熱劣化を防止することができる。
【0054】
次にこの硫黄成分被毒回復制御について図12のフローチャートを参照して詳細に説明する。初めにステップ300において図7のステップ200と同様に堆積硫黄成分量Asが予め定められた量AsTHよりも多い(As>AsTH)か否かが判別される。ステップ300においてAs>AsTHであると判別されたときには硫黄成分被毒を回復すべきであると判断し、ステップ301においてリッチ処理Iを実行する。ここでのリッチ処理Iは図7に示した実施例のリッチ処理Iと同じである。次いでステップ302においてパティキュレートフィルタの温度上昇率Rtfが予め定められた上昇率RtfTHよりも大きい(Rtf>RtfTH)か否かが判別される。ここで予め定められた上昇率RtfTHは堆積微粒子が一気に火炎を発して燃焼することを招く可能性のある上昇率に設定される。ステップ301においてリッチ処理Iが実行されたときに堆積微粒子が燃焼し始めたとすればパティキュレートフィルタ22の温度が急激に上昇し始める。したがってこの場合にはステップ302においてRtf>RtfTHであると判別され、このときにはステップ303に進んでリッチ処理IIが実行され、ステップ304に進む。ここでのリッチ処理IIは図7に示した実施例のリッチ処理IIと同じである。一方、ステップ301においてリッチ処理Iが実行されたときに堆積微粒子が燃焼し始めなければパティキュレートフィルタ22の温度はさほど急激には上昇しない。したがってこの場合にはステップ302においてRtf≦RtfTHであると判別され、このときにはステップ305においてリッチ処理Iが実行され、ステップ304に進む。
【0055】
ステップ304では堆積硫黄成分量Asが零とされ、ルーチンを終了する。またステップ300においてAs≦AsTHであると判別されたときには硫黄成分被毒回復処理を実行せずにルーチンを終了する。
なおステップ302ではパティキュレートフィルタ22の温度上昇率が予め定められた上昇率よりも大きいことをリッチ処理IIを実行する条件としているがこの他にパティキュレートフィルタ22の温度が予め定められた温度(例えば微粒子酸化可能温度、或いは微粒子着火温度)よりも高いことを条件としてもよい。またステップ301においてリッチ処理Iを実行する代わりにパティキュレートフィルタ22に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンとしたままでパティキュレートフィルタの温度を上昇させ、このときのパティキュレートフィルタ22の温度変化からパティキュレートフィルタ22に堆積している微粒子の量を推定し、堆積微粒子量が或る程度、多いときには排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンに維持したままで堆積微粒子を酸化除去し、その後、リッチ処理Iを実行するようにしてもよい。或いはステップ301においてリッチ処理Iを実行する代わりにパティキュレートフィルタ22に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンとしたままでパティキュレートフィルタ22の温度を上昇させ、このときのパティキュレートフィルタ22の温度変化からパティキュレートフィルタに堆積している微粒子の量を推定し、堆積微粒子量が或る程度、多いときにリッチ処理IIを実行するようにしてもよい。もちろんステップ301において排気ガスの空燃比をリッチ処理Iでのリッチ度合よりも小さい度合のリッチとしてもよい。
【0056】
【発明の効果】
本発明によれば硫黄成分によるNOx吸放出剤の被毒を回復するときにパティキュレートフィルタに微粒子が比較的多量に堆積している場合にはパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比が比較的大きくリッチとされる。このように比較的大きなリッチ度合の空燃比の排気ガスがパティキュレートフィルタに流入すればパティキュレートフィルタにおいて排気ガス中の炭化水素が酸素と反応するのでパティキュレートフィルタに堆積している微粒子は燃焼することができなくなる。このため微粒子の燃焼熱によるパティキュレートフィルタの温度の急激な上昇が抑制され、斯くしてパティキュレートフィルタの熱劣化を抑制することができる。また炭化水素と酸素との反応によりパティキュレートフィルタの温度は上昇せしめられ、且つNOx吸放出剤周囲の酸素濃度が低下するので硫黄成分によるNOx吸放出剤の被毒を回復することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】内燃機関の全体図である。
【図2】パティキュレートフィルタを示す図である。
【図3】微粒子の酸化作用を説明するための図である。
【図4】微粒子の堆積作用を説明するための図である。
【図5】酸化除去可能微粒子量とパティキュレートフィルタの温度との関係を示す図である。
【図6】機関の運転を制御するためのフローチャートである。
【図7】硫黄成分被毒回復制御のフローチャートである。
【図8】単位時間当たりの堆積硫黄成分量を示したマップである。
【図9】単位時間当たりの堆積微粒子量を示したマップである。
【図10】EGR率と微粒子量との関係を示した図である。
【図11】(A)はクランク角と燃焼室内の平均ガス温度との関係を示した図であり、(B)はクランク角と燃料周囲のガス温度との関係を示した図である。
【図12】別の硫黄成分被毒回復制御のフローチャートである。
【符号の説明】
5…燃焼室
6…燃料噴射弁
22…パティキュレートフィルタ
25…EGR制御弁[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust gas purification method.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, in a diesel engine, a particulate filter is disposed in an engine exhaust passage to remove particulates contained in exhaust gas, and the particulate filter once collects particulates in the exhaust gas. The particulate filter collected above is ignited and burned to regenerate the particulate filter. However, the particulate matter collected on the particulate filter does not ignite and burn unless the temperature becomes higher than about 600 ° C., whereas the exhaust gas temperature of a diesel engine is usually much lower than 600 ° C. Therefore, it is difficult to ignite and burn the fine particles collected on the particulate filter by the heat of the exhaust gas. Therefore, a technique for igniting and burning the collected fine particles even at a relatively low temperature is known (for example, see Japanese Patent Publication No. 7-106290).
[0003]
On the other hand, when the exhaust gas is lean on the particulate filter, NOxNO when the oxygen concentration decreasesxReleases NOxNO with loading and releasing agentxA technique for purifying both particles and fine particles is also known (JP-A-6-272541).
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
This NOxThe absorbing and releasing agent is poisoned by the sulfur component contained in the exhaust gas, and its NOxAbsorption / release capacity and oxidation capacity may be reduced. Therefore NOxNO of absorption / release agentxNO to maintain high absorption and release capacityxIt is necessary to remove the sulfur component poisoning the absorbent. NOxSince the sulfur component poisoning the absorbing and releasing agent is desorbed when the temperature of the particulate filter becomes relatively high and the surrounding oxygen concentration decreases, NOxIn order to remove the sulfur component from the absorbing / releasing agent, the temperature of the particulate filter may be increased and the concentration of the surrounding oxygen may be decreased. However, if the sulfur component is NOxSince the temperature at which it can be desorbed from the absorbent is higher than the ignition temperature of the fine particles, NOxWhen the temperature of the particulate filter is increased in order to remove the sulfur component from the absorbing / releasing agent, fine particles may be burned at once on the surface of the particulate filter. In this case, the temperature of the particulate filter rapidly rises, and the particulate filter is melted by the heat of combustion of the fine particles.xThe absorption / release agent may be thermally degraded.
[0005]
In view of such a problem, an object of the present invention is to solve the problem that the particulate filter is melted or burned out by the heat of combustion of the fine particles deposited on the surface of the particulate filter.xAn object of the present invention is to remove a sulfur component from a particulate filter while preventing a heat absorbing / releasing agent from being thermally deteriorated.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In the first invention, in order to achieve the above object, when excess oxygen is present around the particulate filter having an oxidizing function, NOxNO that is taken in and held and held when the oxygen concentration in the surroundings decreasesxReleases NOxCarrying an absorbing / releasing agent;xWhen the amount of fine particles deposited on the particulate filter is smaller than a predetermined amount when the absorbing and releasing agent is poisoned by the sulfur component, the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the particulate filter is set to the first degree. When the amount of fine particles deposited on the particulate filter is larger than the predetermined amount, the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the particulate filter is set to a second degree larger than the first degree. Be rich. Here, from the relationship between the rich degree and the air-fuel ratio of the exhaust gas, the larger the rich degree, the smaller the air-fuel ratio of the exhaust gas.
[0007]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the poisoning recovery control is started with the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the particulate filter as a predetermined air-fuel ratio, and based on the temperature change of the particulate filter during the poisoning recovery. The amount of fine particles deposited on the particulate filter is detected.
In a third aspect, in the first aspect, a noble metal catalyst is supported on the particulate filter.
[0008]
According to a fourth aspect, in the third aspect, the present invention provides the active oxygen releasing agent according to the third aspect, which takes in oxygen and retains oxygen when there is excess oxygen in the surroundings, and releases the retained oxygen in the form of active oxygen when the surrounding oxygen concentration decreases. Carry on the particulate filter, release the active oxygen from the active oxygen release agent when the fine particles adhere to the particulate filter, oxidize the fine particles attached to the particulate filter by the released active oxygen I have.
[0009]
In a fifth aspect based on the fourth aspect, the active oxygen releasing agent comprises an alkali metal, an alkaline earth metal, a rare earth, a transition metal, or a carbon group element.
In a sixth aspect based on the fifth aspect, the alkali metal and the alkaline earth metal are made of a metal having a higher ionization tendency than calcium.
According to a seventh aspect, in the fourth aspect, the air-fuel ratio of a part or the whole of the exhaust gas is temporarily made rich to oxidize the fine particles adhering to the particulate filter.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described with reference to the illustrated embodiments. FIG. 1 shows a case where the present invention is applied to a compression ignition type internal combustion engine. The present invention can also be applied to a spark ignition type internal combustion engine.
Referring to FIG. 1, 1 is an engine body, 2 is a cylinder block, 3 is a cylinder head, 4 is a piston, 5 is a combustion chamber, 6 is an electrically controlled fuel injection valve, 7 is an intake valve, 8 is an intake port, 9 Denotes an exhaust valve, and 10 denotes an exhaust port. The
[0011]
The
[0012]
The
[0013]
FIG. 2 shows the structure of the
[0014]
In FIG. 2A, a hatched portion indicates a
[0015]
The
In the embodiment of the present invention, the entire peripheral wall surface of each exhaust
[0016]
In the embodiment of the present invention, platinum Pt is used as a noble metal catalyst, and alkali metals such as potassium K, sodium Na, lithium Li, cesium Cs, rubidium Rb, barium Ba, calcium Ca, strontium Sr are used as active oxygen releasing agents. At least one selected from the group consisting of alkaline earth metals such as, lanthanum La, yttrium Y, rare earths such as cerium Ce, transition metals such as iron Fe, and carbon group elements such as tin Sn is used.
[0017]
As the active oxygen releasing agent, it is preferable to use an alkali metal or an alkaline earth metal having a higher ionization tendency than calcium Ca, that is, potassium K, lithium Li, cesium Cs, rubidium Rb, barium Ba, and strontium Sr.
Next, the action of removing particulates in exhaust gas by the
[0018]
In a compression ignition type internal combustion engine as shown in FIG. 1, combustion takes place under excess air, and thus the exhaust gas contains a large amount of excess air. That is, if the ratio of air and fuel supplied into the intake passage and the
[0019]
FIGS. 3A and 3B schematically show enlarged views of the surface of the carrier layer formed on the inner peripheral surface of the exhaust
As described above, since a large amount of excess oxygen is contained in the exhaust gas, when the exhaust gas flows into the exhaust
[0020]
On the other hand, as described above, SO2 is contained in the exhaust gas.2 Is also included in this SO2 Is also absorbed into the active
[0021]
On the other hand, fine particles mainly composed of carbon C are generated in the
[0022]
When the
[0023]
At this time, potassium sulfate K formed in the active
The active
[0024]
By the way, oxygen O toward the contact surface between the
[0025]
When the particulates accumulated in a layer on the
[0026]
On the other hand, in the present invention, the
[0027]
Incidentally, the platinum Pt and the active
[0028]
The solid line in FIG. 5 indicates the amount G of oxidizable and removable fine particles that can be oxidized and removed without emitting a bright flame per unit time. In FIG. 5, the horizontal axis represents the temperature TF of the
[0029]
On the other hand, when the amount M of discharged fine particles is larger than the amount G of fine particles that can be removed by oxidation, that is, in the region II of FIG. 5, the amount of active oxygen is insufficient to oxidize all the fine particles. FIGS. 4A to 4C show how the fine particles are oxidized in such a case.
That is, when the amount of active oxygen is insufficient to oxidize all the fine particles, only a part of the
[0030]
When the surface of the carrier layer is covered with the residual
[0031]
As described above, in the region I of FIG. 5, the fine particles are oxidized within a short time without emitting a bright flame on the
[0032]
As can be seen from FIG. 5, the
[0033]
If the amount M of discharged fine particles is always smaller than the amount G of fine particles that can be removed by oxidation, no fine particles are deposited on the
On the other hand, as described above, once the fine particles are deposited on the
[0034]
In particular, immediately after the engine is started, the temperature TF of the
On the other hand, even if the amount M of discharged particulates and the temperature TF of the
[0035]
That is, if the state in which the air-fuel ratio of the exhaust gas is lean continues for a certain period of time, a large amount of oxygen will adhere to platinum Pt, and the catalytic action of platinum Pt will decrease. However, when the air-fuel ratio of the exhaust gas is made rich to lower the oxygen concentration in the exhaust gas, oxygen is removed from the platinum Pt, and thus the catalytic action of the platinum Pt is restored. Thus, when the air-fuel ratio of the exhaust gas is made rich, the active oxygen O is easily released from the active
[0036]
As a method for enriching the air-fuel ratio of the exhaust gas, for example, when the engine load is relatively low, the
[0037]
FIG. 6 shows an example of the operation control routine of the internal combustion engine described above.
Referring to FIG. 6, first, in
[0038]
On the other hand, when it is determined in
[0039]
Incidentally, the fuel and the lubricating oil contain calcium Ca, and therefore, the calcium Ca is contained in the exhaust gas. This calcium Ca is SO3 In the presence of calcium sulfate CaSO4 Generate This calcium sulfate CaSO4 Is a solid and does not thermally decompose at high temperatures. Therefore, calcium sulfate CaSO4 Is produced, this calcium sulfate CaSO4 As a result, the pores of the
[0040]
In this case, when an alkali metal or an alkaline earth metal having a higher ionization tendency than calcium Ca, such as potassium K, is used as the active
[0041]
The present invention can also be applied to a case where only a noble metal such as platinum Pt is carried on a carrier layer formed on both side surfaces of the
[0042]
NO as an active oxygen releasing agent2 Or SO3 Is adsorbed and held, and these adsorbed NO2 Or SO3 It is also possible to use a catalyst capable of releasing active oxygen from the catalyst.
By the way, as described above, the sulfur component S in the exhaust gas is SO2 Included in the form. This sulfur component S is adsorbed on the platinum Pt of the
[0043]
Therefore, in the present invention, when the sulfur component is to be desorbed, it is determined whether or not a large amount of fine particles is deposited so as to cause thermal deterioration of the
[0044]
When exhaust gas having an air-fuel ratio having a large rich degree flows into the
[0045]
Next, a specific process of recovering the particulate filter poisoning by the sulfur component S of the present invention will be described with reference to a flowchart of FIG. First, in
In
[0046]
In
In order to make the air-fuel ratio of the exhaust gas richer than the stoichiometric air-fuel ratio, a small amount of fuel is injected preliminary just before fuel injection for engine driving, or a small amount is injected during the intake stroke before fuel injection for engine driving. Or HC may be directly injected into the engine exhaust passage upstream of the
[0047]
Further, instead of executing the rich process I in
Next, low-temperature combustion will be described. It is known that when the EGR rate is increased, the amount of generated fine particles gradually increases and reaches a peak, and when the EGR rate is further increased, the generated amount of fine particles rapidly decreases. This will be described with reference to FIG. 10 showing the relationship between the EGR rate and smoke when the degree of cooling of the EGR gas is changed. In FIG. 10, a curve A shows a case where the EGR gas is cooled strongly and the EGR gas temperature is maintained at about 90 ° C., a curve B shows a case where the EGR gas is cooled by a small cooling device, and a curve C shows a case where the EGR gas is cooled. Shows a case where cooling is not forcibly performed.
[0048]
As shown by the curve A in FIG. 10, when the EGR gas is cooled strongly, the generation amount of fine particles reaches a peak when the EGR rate is slightly lower than 50%. In this case, the EGR rate is increased to about 55% or more. In this case, almost no fine particles are generated. On the other hand, as shown by the curve B in FIG. 10, when the EGR gas is slightly cooled, the generation amount of the fine particles reaches a peak when the EGR rate is slightly higher than 50%, and in this case, the EGR rate is increased to about 65% or more. In this case, almost no fine particles are generated. As shown by the curve C in FIG. 10, when the EGR gas is not forcibly cooled, the generation amount of fine particles reaches a peak when the EGR rate is around 55%. In this case, the EGR rate is reduced to about 70%. By doing so, almost no fine particles are generated. As described above, when the EGR rate is set to 55% or more, the generation of the fine particles is stopped because the temperature of the fuel and the surrounding gas during the fuel combustion does not become so high due to the endothermic effect of the EGR gas, and the low temperature combustion is performed. This is because hydrocarbons do not grow to soot.
[0049]
This low-temperature combustion suppresses the generation of fine particles regardless of the air-fuel ratio while reducing NO.xHas the characteristic that the amount of generation of can be reduced. That is, when the air-fuel ratio is made richer than the stoichiometric air-fuel ratio, the fuel becomes excessive, but the combustion temperature is suppressed to a low temperature, so that the excess fuel does not grow to soot, thus generating fine particles. There is no. Also at this time NOxOnly a very small amount is generated. On the other hand, when the average air-fuel ratio is leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, or when the air-fuel ratio is set to the stoichiometric air-fuel ratio, a small amount of soot is generated if the combustion temperature increases, but the combustion temperature decreases to a lower temperature under low-temperature combustion. No fine particles are generated at all, and NOxOnly a very small amount is generated.
[0050]
On the other hand, when this low-temperature combustion is performed, the temperature of the fuel and the surrounding gas is lowered, but the temperature of the exhaust gas is raised. This will be described with reference to FIG. The solid line in FIG. 11A shows the relationship between the average gas temperature Tg in the
[0051]
When the low-temperature combustion is performed, the amount of the EGR gas is larger than when the normal combustion is performed. Therefore, as shown in FIG. 11A, before the compression top dead center, that is, during the compression stroke, a solid line is used. The average gas temperature Tg at the time of the low-temperature combustion shown is higher than the average gas temperature Tg at the time of the normal combustion shown by the broken line. At this time, as shown in FIG. 11B, the temperature of the fuel and its surrounding gas Tf is substantially equal to the average gas temperature Tg.
[0052]
Next, combustion starts near the compression top dead center. In this case, when low-temperature combustion is being performed, the temperature of the fuel and its surrounding gas Tf does not increase so much as indicated by the solid line in FIG. On the other hand, when normal combustion is performed, a large amount of oxygen exists around the fuel, so that the temperature of the fuel and its surrounding gas Tf becomes extremely high as shown by the broken line in FIG. 11B. . Thus, when normal combustion is performed, the temperature of the fuel and its surrounding gas Tf becomes considerably higher than in the case where low-temperature combustion is performed, but the temperature of most of the other gases is low-temperature combustion. 11A is lower than in the case where normal combustion is performed, and therefore, as shown in FIG. 11A, the average gas temperature in the
[0053]
Next, another sulfur component poisoning recovery control of the present invention will be described. In this embodiment, when the sulfur component poisoning is to be recovered, the air-fuel ratio of the exhaust gas is once set to a predetermined air-fuel ratio (for example, the rich processing I of the above-described embodiment is executed), and the temperature rise of the
[0054]
Next, the sulfur component poisoning recovery control will be described in detail with reference to the flowchart of FIG. First, in
[0055]
In
In
[0056]
【The invention's effect】
According to the present invention, NO due to sulfur componentxWhen a relatively large amount of fine particles is deposited on the particulate filter when the poisoning of the absorbent is recovered, the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the particulate filter is made relatively large and rich. If the exhaust gas having the air-fuel ratio having a relatively large rich degree flows into the particulate filter as described above, the hydrocarbons in the exhaust gas react with oxygen in the particulate filter, so that the particulates deposited on the particulate filter burn. You can't do that. For this reason, a rapid rise in the temperature of the particulate filter due to the heat of combustion of the fine particles is suppressed, and thus the thermal deterioration of the particulate filter can be suppressed. Also, the temperature of the particulate filter is raised by the reaction between hydrocarbon and oxygen, and NOxSince the oxygen concentration around the absorbing and releasing agent decreases, NOxThe poisoning of the absorption / release agent can be restored.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall view of an internal combustion engine.
FIG. 2 is a diagram showing a particulate filter.
FIG. 3 is a diagram for explaining the oxidizing action of fine particles.
FIG. 4 is a diagram for explaining a deposition action of fine particles.
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the amount of fine particles that can be removed by oxidation and the temperature of a particulate filter.
FIG. 6 is a flowchart for controlling operation of the engine.
FIG. 7 is a flowchart of sulfur component poisoning recovery control.
FIG. 8 is a map showing the amount of deposited sulfur components per unit time.
FIG. 9 is a map showing the amount of deposited fine particles per unit time.
FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the EGR rate and the amount of fine particles.
11A is a diagram showing a relationship between a crank angle and an average gas temperature in a combustion chamber, and FIG. 11B is a diagram showing a relationship between a crank angle and a gas temperature around fuel.
FIG. 12 is a flowchart of another sulfur component poisoning recovery control.
[Explanation of symbols]
5. Combustion chamber
6 ... Fuel injection valve
22 ... Particulate filter
25 ... EGR control valve
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