JP3624815B2 - Exhaust gas purification device for internal combustion engine - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、希薄燃焼可能な内燃機関より排出される排気ガスから窒素酸化物(NOx)を浄化することができる排気浄化装置に係り、特にNOx触媒の熱劣化を検出することができるものに関する。
【0002】
【従来の技術】
希薄燃焼可能な内燃機関より排出される排気ガスからNOxを浄化する排気浄化装置として、吸蔵還元型NOx触媒がある。吸蔵還元型NOx触媒(以下、単に触媒あるいはNOx触媒ということもある)は、流入排気ガスの空燃比がリーン(即ち、酸素過剰雰囲気下)のときにNOxを吸収し、流入排気ガスの酸素濃度が低下したときに吸収したNOxを放出しN2に還元する触媒である。
【0003】
NOx触媒の構造、およびNOx浄化のメカニズムについて簡単に説明すると、NOx触媒は、アルミナなどの担体上に、白金(Pt)などの触媒物質とバリウム(Ba)などのNOx吸蔵剤を坦持してなり(以下の説明では、PtとBaが坦持されてなるNOx触媒の例で説明する)、NOx触媒にリーン空燃比の排気ガスが流入すると、排気ガス中のNOxはPtの表面で酸化されてNO2になり、このNO2がBa内に吸収されてBaOと結合し、硝酸イオンNO3ーの形で吸収される。このNOxの吸収はBaとPtとの界面において行われる。一方、NOx触媒にストイキ(理論空燃比)またはリッチ空燃比の排気ガスが流入して酸素濃度が低下すると、NOx触媒に吸収されていたNO3ーがNO2あるいはNOの形で放出され、さらに排気ガス中のHCやCOと反応してN2に還元せしめられる。
【0004】
したがって、このNOx触媒を希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に配置し、リーン空燃比の排気ガスと、ストイキまたはリッチ空燃比の排気ガスを交互に流すと、排気ガス中のNOxを浄化することができる。
【0005】
このNOx触媒を排気ガス浄化に長期に使用していると、このNOx触媒は経時劣化し、図5に示すようにNOx浄化能力が低下していくことが知られている。この劣化は(a)燃料中の硫黄と(b)熱に原因があると考えられており、燃料中の硫黄に起因する劣化を硫黄被毒劣化といい、熱に起因する劣化を熱劣化といって区別することもある。なお、硫黄被毒劣化はS被毒劣化あるいはSOx被毒劣化と表現することもあるが、以下の説明ではSOx被毒劣化という表現で統一する。
【0006】
SOx被毒劣化について説明すると、一般に、内燃機関の燃料には硫黄分が含まれており、内燃機関で燃料を燃焼すると、燃料中の硫黄分が燃焼してSO2やSO3などの硫黄酸化物(SOx)が発生する。前記吸蔵還元型NOx触媒は、NOxの吸収作用を行うのと同じメカニズムで排気ガス中のSOxの吸収を行うので、内燃機関の排気通路にNOx触媒を配置すると、このNOx触媒にはNOxのみならずSOxも吸収される。
【0007】
ところが、前記NOx触媒に吸収されたSOxは時間経過とともに安定な硫酸塩を形成するため、分解、放出されにくく触媒内に蓄積され易い傾向がある。NOx触媒に硫酸塩が蓄積されることをSOx被毒といい、SOx被毒が進行してNOx触媒内のSOx蓄積量が増大すると、触媒のNOx吸収容量が減少するためNOx浄化率が低下する。これがSOx被毒劣化である。
【0008】
熱劣化について説明すると、前述したように、NOx触媒におけるNOxの吸収はPt(触媒物質)とBa(NOx吸収剤)との界面において行われるが、Ptは熱によってシンタリングを起こし、成長して粒径が大きくなることが知られている。車両用内燃機関から排出される排気ガスの浄化においては、NOx触媒に加わる熱負荷が大きく、Ptのシンタリングを避けることはできない。このようにPtがシンタリングを起こすと、PtとBaの接触面積が少なくなり、即ち、PtとBaの界面が少なくなる。その結果、NOx触媒のNOx吸収能力が低下し、NOx浄化能力が低下する。これが熱劣化である。
【0009】
図12は、触媒物質のシンタリング(触媒物質の粒径成長)がNOx浄化性能に与える影響を示しており、触媒物質のシンタリングが進んでいないとき(即ち、粒径が小さいとき)にはNOx浄化性能が高く、シンタリングが進むにしたがって(即ち、粒径が大きくなるにしたがって)NOx浄化性能が低下する。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記SOx被毒劣化については、特許番号第2745985号の特許公報等に開示されているように、所定の回復処理を施すことによって、NOx触媒に吸収されているSOxを放出させSO2に還元することができるので、NOx触媒をSOx被毒から回復させることが可能である。
【0011】
これに対して、一度シンタリングを起こしたPtをシンタリングする前の状態に戻すことは不可能であり、したがって、NOx触媒を熱劣化から回復させることは不可能である。そのため、NOx触媒を管理する上で、NOx触媒の熱劣化の度合い(熱劣化レベル)を検出することは重要な意味がある。
【0012】
しかしながら、現在のところ熱劣化度合いを検出する技術は確立されておらず、熱劣化の度合いを検出する技術の開発が切望されている。
本発明はこのような従来の技術の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、吸蔵還元型NOx触媒の熱劣化度合いの検出技術を確立することにより、内燃機関の排気浄化技術の向上を図ることにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。
第1の発明にかかる内燃機関の排気浄化装置は、(イ)希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に設けられ、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにNOxを吸収し流入する排気ガスの酸素濃度が低いときに吸収したNOxを放出しN2に還元する吸蔵還元型NOx触媒と、(ロ)前記吸蔵還元型NOx触媒からSOxを放出させるSOx被毒回復処理を実行する時期か否かを判定する被毒回復実行時期判定手段と、(ハ)前記被毒回復実行時期判定手段により実行時期であると判定されたときに、前記吸蔵還元型NOx触媒に堆積しているSOxのほぼ全量を放出せしめて該吸蔵還元型NOx触媒をSOx 被毒から回復させる被毒回復手段と、(ニ)前記吸蔵還元型NOx触媒のNOx吸蔵能力を検出する吸蔵能力検出手段と、(ホ)前記被毒回復手段によりSOx被毒回復処理を実行した後に前記吸蔵能力検出手段によって検出された前記吸蔵還元型NOx触媒のNOx吸蔵能力と基準となるNOx吸蔵能力とを比較し、その比較値に基づいて該吸蔵還元型NOx触媒の熱劣化度合いを判定する熱劣化判定手段と、を備えることを特徴とする。
【0014】
この内燃機関の排気浄化装置では、被毒回復実行時期判定手段が、吸蔵還元型NOx触媒に対してSOx被毒回復処理を実行すべき時期であると判定すると、被毒回復手段が、吸蔵還元型NOx触媒に対するSOx被毒回復処理を実行し、吸蔵還元型NOx触媒に吸蔵されているSOxをほぼ完全に放出する。そして、SOx被毒回復処理の完了直後に、吸蔵能力検出手段は吸蔵還元型NOx触媒のNOx吸蔵能力を検出する。この後、熱劣化判定手段が、吸蔵能力検出手段によって検出されたNOx吸蔵能力と基準となるNOx吸蔵能力とを比較し、その比較値に基づいて吸蔵還元型NOx触媒の熱劣化度合いを判定する。
【0015】
熱劣化度合いの判定原理は次の通りである。吸蔵還元型NOx触媒の劣化には、燃料中の硫黄に起因するSOx被毒劣化と、熱に起因する熱劣化があるが、SOx被毒劣化は所定の被毒回復処理を実行すれば回復することができるのに対して、熱劣化は一旦生じてしまうと回復することができない。したがって、SOx被毒回復処理を実行してもなお性能回復不能な部分は熱劣化によるものとみなすことができる。これが本発明における熱劣化度合い判定の原理である。
【0016】
第1の発明にかかる内燃機関の排気浄化装置において、前記熱劣化判定手段が基準とするNOx吸蔵能力は、SOx被毒劣化および熱劣化のいずれも受けていない新品の吸蔵還元型NOx触媒のNOx吸蔵能力とすることができる。
【0017】
前記熱劣化判定手段が、前記吸蔵能力検出手段によって検出された前記吸蔵還元型NOx触媒のNOx吸蔵能力と基準となるNOx吸蔵能力とを比較して求める比較値は、両者の差としてもよいし、一方を他方で除した商としてもよい。
【0018】
また第2の発明にかかる内燃機関の排気浄化装置は、
(イ)希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に設けられ、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにNOxを吸収し流入する排気ガスの酸素濃度が低いときに吸収したNOxを放出しN2に還元する吸蔵還元型NOx触媒と、
(ロ)前記吸蔵還元型NOx触媒からSOxを放出させるSOx被毒回復処理を実行する時期か否かを判定する被毒回復実行時期判定手段と、
(ハ)前記被毒回復実行時期判定手段により実行時期であると判定されたときに、前記吸蔵還元型NOx触媒に堆積しているSOxのほぼ全量を放出せしめて該吸蔵還元型NOx触媒をSOx 被毒から回復させる被毒回復手段と、
(ニ)前記吸蔵還元型NOx触媒のNOx浄化率を測定する浄化率測定手段と、
(ホ)前記被毒回復手段によりSOx被毒回復処理を実行した後に前記浄化率測定によって測定された前記吸蔵還元型NOx触媒のNOx浄化率基準となるNOx浄化率を比較し、その比較値に基づいて該吸蔵還元型NOx触媒の熱劣化度合いを判定する熱劣化判定手段と、
を備えることを特徴とする
【0019】
第2の発明では、前記NOx浄化率測定手段は、NOx触媒に流入する排気ガス中のNOx量と、NOx触媒の下流に設置したNOx検出手段による排気ガス中のNOx量に基づいてNOx浄化率を測定することができる。
第2の発明の内燃機関の排気浄化装置では、被毒回復実行時期判定手段が、吸蔵還元型NOx触媒に対してSOx被毒回復処理を実行すべき時期であると判定すると、被毒回復手段が、吸蔵還元型NOx触媒に対するSOx被毒回復処理を実行し、吸蔵還元型NOx触媒に吸蔵されているSOxをほぼ完全に放出する。そして、SOx被毒回復処理の完了直後に、浄化率測定手段は吸蔵還元型NOx触媒のNOx浄化率を測定する。この後、熱劣化判定手段が、浄化率測定手段によって測定されたNOx浄化率と基準となるNOx浄化率とを比較し、その比較値に基づいて吸蔵還元型NOx触媒の熱劣化度合いを判定する。
【0020】
熱劣化度合いの判定原理は次の通りである。吸蔵還元型NOx触媒の劣化には、燃料中の硫黄に起因するSOx被毒劣化と、熱に起因する熱劣化があるが、SOx被毒劣化は所定の被毒回復処理を実行すれば回復することができるのに対して、熱劣化は一旦生じてしまうと回復することができない。したがって、SOx被毒回復処理を実行してもなお性能回復不能な部分は熱劣化によるものとみなすことができる。これが本発明における熱劣化度合い判定の原理である。
【0021】
第2の発明にかかる内燃機関の排気浄化装置において、前記熱劣化判定手段が基準とするNOx浄化率は、SOx被毒劣化および熱劣化のいずれも受けていない新品の吸蔵還元型NOx触媒のNOx浄化率とすることができる。
【0022】
前記熱劣化判定手段が、前記浄化率測定手段によって測定された前記吸蔵還元型NOx触媒のNOx浄化率と基準となるNOx浄化率とを比較して求める比較値は、両者の差としてもよいし、一方を他方で除した商としてもよい。
【0023】
第1及び第2の発明(以下、本発明)における希薄燃焼可能な内燃機関としては、筒内直接噴射式のリーンバーンガソリンエンジンやディーゼルエンジンを例示することができる。
排気ガスの空燃比とは、機関吸気通路及び吸蔵還元型NOx触媒よりも上流での排気通路内に供給された空気及び燃料(炭化水素)の比をいう。
【0024】
内燃機関がリーンバーンガソリンエンジンの場合には、排気空燃比制御手段は、燃焼室に供給される混合気の空燃比を制御することにより排気ガスの空燃比を制御することができる。また、内燃機関がディーゼルエンジンの場合には、吸気行程または膨張行程または排気行程で燃料を噴射する所謂副噴射により、あるいは、吸蔵還元型NOx触媒よりも上流の排気通路内に還元剤を供給することにより排気ガスの空燃比を制御することができる。
【0025】
吸蔵還元型NOx触媒は、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにNOxを吸収し、流入する排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したNOxを放出し、N2に還元する触媒である。この吸蔵還元型NOx触媒は、例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムK、ナトリウムNa、リチウムLi、セシウムCsのようなアルカリ金属、バリウムBa、カルシウムCaのようなアルカリ土類、ランタンLa、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と、白金Ptのような貴金属とが担持されてなる。
【0026】
また前記吸蔵能力検出手段は、吸蔵還元型NOx触媒のNOx吸蔵状態を飽和状態にした後、該吸蔵還元型NOx触媒へ流入する排気ガスの空燃比をリーンからリッチに切り替えてリッチに維持し、この空燃比の切り替えから該吸蔵還元型NOx触媒の出口の排気ガスの空燃比がリッチになるまでの所要時間をNOx吸蔵能力のバロメータとして検出することができる。
【0027】
本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置において、前記被毒回復実行時期判定手段は、前記吸蔵能力検出手段によって検出された吸蔵還元型NOx触媒のNOx吸蔵能力が所定の下限値を下回ったときにSOx被毒回復処理の実行時期であると判定することができる。この場合には、例えば、一定の燃料消費量毎あるいは一定の走行距離毎に吸蔵能力検出手段によって吸蔵還元型NOx触媒のNOx吸蔵能力を検出するのが好ましい。
【0028】
また前記吸蔵還元型NOx触媒に流入する排気ガスのSOx濃度を検出する入ガスSOx濃度検出手段を備え、前記被毒回復実行時期判定手段は、前記入ガスSOx濃度検出手段により検出されたSOx濃度と前記内燃機関の吸入空気量に基づいて算出された吸蔵還元型NOx触媒に流入するSOx量が所定量を越えたときに、SOx被毒回復処理の実行時期であると判定することができる。
【0029】
さらに前記吸蔵還元型NOx触媒に流入する排気ガスのSOx濃度を検出する入ガスSOx濃度検出手段を備え、前記被毒回復実行時期判定手段は、前記入ガスSOx濃度検出手段により検出されたSOx濃度から推定した前記内燃機関の燃料の硫黄濃度と燃料消費量または走行距離に基づいて算出された吸蔵還元型NOx触媒に流入するSOx量が所定量を越えたときに、SOx被毒回復処理の実行時期であると判定することができる。このようにすると、硫黄濃度が異なる燃料を使用した場合にも、熱劣化度合いを判定することができる。
【0030】
本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置においては、前記吸蔵還元型NOx触媒に流入する排気ガスのSOx濃度を検出する入ガスSOx濃度検出手段と、該吸蔵還元型NOx触媒から流出する排気ガスのSOx濃度を検出する出ガスSOx濃度検出手段とを備え、前記被毒回復実行時期判定手段は、前記入ガスSOx濃度検出手段により検出されたSOx濃度と前記出ガスSOx濃度検出手段により検出されたSOx濃度との濃度差と前記内燃機関の吸入空気量あるいは排気ガス量に基づいて推定されるSOx吸蔵量が所定量を越えたときに、SOx被毒回復処理の実行時期であると判定することができる。吸蔵還元型NOx触媒の上流のSOx濃度が吸蔵還元型NOx触媒の下流のSOx濃度よりも大きい場合、その濃度差分が吸蔵還元型NOx触媒に吸収されると考えることができるからである。
【0031】
前記吸蔵還元型NOx触媒に流入する排気ガスのSOx濃度を検出する入ガスSOx濃度検出手段と、該吸蔵還元型NOx触媒から流出する排気ガスのSOx濃度を検出する出ガスSOx濃度検出手段とを備え、前記被毒回復実行時期判定手段は、前記出ガスSOx濃度検出手段により検出されたSOx濃度が前記入ガスSOx濃度検出手段により検出されたSOx濃度に対して所定レベルまで接近したときに、SOx被毒回復処理の実行時期であると判定することができる。吸蔵還元型NOx触媒のSOx蓄積量が飽和状態に近付くにしたがって、吸蔵還元型NOx触媒の下流のSOx濃度が吸蔵還元型NOx触媒の上流のSOx濃度に近付いていくからである。
【0032】
本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置において、前記入ガスSOx濃度検出手段と出ガスSOx濃度検出手段とを備えた場合には、前記吸蔵還元型NOx触媒に吸蔵されたと推定されるSOx吸蔵量から、前記被毒回復手段によりSOx 被毒回復処理を実行しているときの前記出ガスSOx濃度検出手段により検出されたSOx濃度と前記入ガスSOx濃度検出手段により検出されたSOx濃度との濃度差と前記内燃機関の吸入空気量あるいは排気ガス量に基づいて推定される放出SOx量を減算して、吸蔵還元型NOx触媒に残存するSOx量を推定し、このSOx残存量が所定量まで減少したときに、前記被毒回復手段によるSOx 被毒回復処理を終了することができる。吸蔵還元型NOx触媒の下流のSOx濃度が吸蔵還元型NOx触媒の上流のSOx濃度よりも大きい場合、その濃度差分が吸蔵還元型NOx触媒から放出したSOxである考えることができ、これと吸入空気量あるいは排気ガス量に基づいて放出SOx量を算出推定することができるからである。
【0033】
本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置においては、前記吸蔵還元型NOx触媒の熱劣化を抑制する熱劣化抑制手段を備え、この熱劣化抑制手段は、前記熱劣化判定手段により判定された熱劣化度合いが所定レベル以下のときには作動されず、前記所定レベルを超えたときに作動されるようにすることができる。これにより、それ以上に熱劣化が進行するのを抑制することができ、吸蔵還元型NOx触媒のNOx吸蔵能力の低下を抑制することができる。
【0034】
本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置において、前記熱劣化抑制手段は、内燃機関の高温運転域でのフューエルカットを禁止するフューエルカット禁止制御とすることができる。高温運転域でフューエルカットを行うと、高温の吸蔵還元型NOx触媒が高温状態にあるときに酸素濃度の高い排気ガスを流すことになり、熱劣化の原因である触媒物質のシンタリングを促進させてしまう。高温運転域でのフューエルカットを禁止すれば、これを防止することができる。
【0035】
本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置において、前記熱劣化抑制手段は、内燃機関の高温運転域におけるリーン運転領域を減少するリーン運転領域減少制御とすることができる。高温運転域におけるリーン運転領域を減少させることにより、高温運転域で酸素濃度の高い排気ガスが吸蔵還元型NOx触媒に流れるのを減少させることができ、その結果、吸蔵還元型NOx触媒の熱劣化を抑制することができる。
さらに前記熱劣化抑制手段は、熱劣化の度合いに応じてNOx触媒に流入するリッチまたはストイキの排気ガス量を増大させ、または/及びリッチまたはストイキの排気ガスをNOx触媒に流入させる周期を短くするリッチスパイク制御とすることができる。このようにして熱劣化の程度に応じてNOxの放出、還元をさせるための還元剤の量を多くして、吸蔵還元型NOx触媒の熱劣化による作用低下をを抑制することができる。
【0036】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の実施の形態を図1から図11の図面に基いて説明する。
【0037】
〔第1の実施の形態〕
図1は本発明を希薄燃焼可能な車両用ガソリンエンジンに適用した場合の概略構成を示す図である。この図において、符号1は機関本体、符号2はピストン、符号3は燃焼室、符号4は点火栓、符号5は吸気弁、符号6は吸気ポート、符号7は排気弁、符号8は排気ポートを夫々示す。
【0038】
吸気ポート6は対応する枝管9を介してサージタンク10に連結され、各枝管9には夫々吸気ポート6内に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁11が取り付けられている。サージタンク10は吸気ダクト12およびエアフロメータ21を介してエアクリーナ13に連結され、吸気ダクト12内にはスロットル弁14が配置されている。
【0039】
一方、排気ポート8は排気マニホルド15および排気管16を介して吸蔵還元型NOx触媒17(以下の説明では、NOx触媒と略す場合もある)を内蔵したケーシング18に接続され、ケーシング18は排気管19を介して図示しないマフラーに接続されている。
【0040】
エンジンコントロール用の電子制御ユニット(ECU)30はデジタルコンピュータからなり、双方向バス31によって相互に接続された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(セントラルプロセッサユニット)34、入力ポート35、出力ポート36を具備する。エアフロメータ21は吸入空気量に比例した出力電圧を発生し、この出力電圧がAD変換器38を介して入力ポート35に入力される。
【0041】
ケーシング18の上流の排気管16には、NOx触媒17に流入する排気ガス(以下、これを入ガスという)のSOx濃度に比例した出力電圧を発生する入ガスSOxセンサ(入ガスSOx濃度検出手段)23が設けられている。
一方、ケーシング18の下流の排気管19には、NOx触媒17から流出する排気ガス(以下、これを出ガスという)のSOx濃度に比例した出力電圧を発生する出ガスSOxセンサ(出ガスSOx濃度検出手段)24と、出ガスの温度に比例した出力電圧を発生する温度センサ25と、出ガスの空燃比を表す出力電圧を発生する空燃比センサ27とが取り付けられている。これらSOxセンサ23,24、温度センサ25、空燃比センサ27の出力電圧はそれぞれ対応するAD変換器38を介して入力ポート35に入力される。
【0042】
また、入力ポート35には機関回転数を表す出力パルスを発生する回転数センサ26が接続されている。出力ポート36は対応する駆動回路39を介して夫々点火栓4および燃料噴射弁11に接続されている。
【0043】
このガソリンエンジンでは、例えば次式に基づいて燃料噴射時間TAUが算出される。
TAU=TP・K
ここで、TPは基本燃料噴射時間を示しており、Kは補正係数を示している。基本燃料噴射時間TPは機関シリンダ内に供給される混合気の空燃比を理論空燃比とするのに必要な燃料噴射時間を示している。この基本燃料噴射時間TPは予め実験により求められ、機関負荷Q/N(吸入空気量Q/機関回転数N)および機関回転数Nの関数として図2に示すようなマップの形で予めROM32内に記憶されている。補正係数Kは機関シリンダ内に供給される混合気の空燃比を制御するための係数であって、K=1.0であれば機関シリンダ内に供給される混合気は理論空燃比となる。これに対してK<1.0になれば機関シリンダ内に供給される混合気の空燃比は理論空燃比よりも大きくなり、即ちリーンとなり、K>1.0になれば機関シリンダ内に供給される混合気の空燃比は理論空燃比よりも小さくなり、即ちリッチとなる。
【0044】
そして、この実施の形態のガソリンエンジンでは、機関低中負荷運転領域では補正係数Kの値が1.0よりも小さい値とされてリーン空燃比制御が行われ、機関高負荷運転領域、エンジン始動時の暖機運転時、加速時、高速の定速運転時では補正係数Kの値が1.0とされてストイキ制御が行われ、機関全負荷運転領域では補正係数Kの値は1.0よりも大きな値とされてリッチ空燃比制御が行われるように設定してある。
【0045】
内燃機関では通常、低中負荷運転される頻度が最も高く、したがって運転期間中の大部分において補正係数Kの値が1.0よりも小さくされて、リーン混合気が燃焼せしめられることになる。
【0046】
図3は燃焼室3から排出される排気ガス中の代表的な成分の濃度を概略的に示している。この図からわかるように、燃焼室3から排出される排気ガス中の未燃HC,COの濃度は燃焼室3内に供給される混合気の空燃比がリッチになるほど増大し、燃焼室3から排出される排気ガス中の酸素O2の濃度は燃焼室3内に供給される混合気の空燃比がリーンになるほど増大する。
【0047】
ケーシング18内に収容されているNOx触媒(吸蔵還元型NOx触媒)17は、例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムK、ナトリウムNa、リチウムLi、セシウムCsのようなアルカリ金属、バリウムBa、カルシウムCaのようなアルカリ土類、ランタンLa、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と、白金Ptのような貴金属とが担持されてなる。
【0048】
このNOx触媒17を機関の排気通路に配置すると、NOx触媒17は、流入する排気ガスの空燃比(以下、排気空燃比ということもある)がリーンのときにはNOxを吸収し、流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したNOxを放出するNOxの吸放出作用を行う。ここで、排気空燃比とは、機関吸気通路およびNOx触媒17より上流の排気通路内に供給された空気および燃料(炭化水素)の比をいう。
【0049】
なお、NOx触媒17より上流の排気通路内に燃料(炭化水素)あるいは空気が供給されない場合には、排気空燃比は燃焼室3内に供給される混合気の空燃比に一致し、したがってこの場合には、NOx触媒17は燃焼室3内に供給される混合気の空燃比がリーンのときにはNOxを吸収し、燃焼室3内に供給される混合気中の酸素濃度が低下すると吸収したNOxを放出することになる。
【0050】
NOx触媒17によるNOxの吸放出作用は図4に示すようなメカニズムで行われているものと考えられる。以下、このメカニズムについて担体上に白金PtおよびバリウムBa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,希土類を用いても同様なメカニズムとなる。
【0051】
まず、流入排気ガスがかなりリーンになると流入排気ガス中の酸素濃度が大巾に増大し、図4(A)に示されるように酸素O2 がO2 −又はO2−の形で白金Ptの表面に付着する。一方、流入排気ガスに含まれるNOは、白金Ptの表面上でO2 −又はO2−と反応し、NO2 となる(2NO+O2 →2NO2 )。
【0052】
次いで、生成されたNO2の一部は、白金Pt上で酸化されつつBa内に吸収されて酸化バリウムBaOと結合しながら、図4(A)に示されるように硝酸イオンNO3 −の形でBa内に拡散する。このようにしてNOxがNOx触媒17内に吸収される。
【0053】
流入排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ptの表面でNO2が生成され、NOx触媒17のNOx 吸収能力が飽和しない限り、NO2がNOx触媒17内に吸収されて硝酸イオンNO3 −が生成される。
【0054】
これに対して、流入排気ガス中の酸素濃度が低下してNO2の生成量が低下すると反応が逆方向(NO3 −→NO2)に進み、Ba内の硝酸イオンNO3 −がNO2またはNOの形でBaから放出される。即ち、流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると、NOx触媒17からNOxが放出されることになる。図3に示されるように、流入排気ガスのリーンの度合いが低くなれば流入排気ガス中の酸素濃度が低下し、したがって流入排気ガスのリーンの度合いを低くすればNOx触媒17からNOxが放出されることとなる。
【0055】
一方、このとき、燃焼室3内に供給される混合気がストイキまたはリッチ空燃比になると、図3に示されるように機関からは多量の未燃HC,COが排出され、これら未燃HC,COは、白金Pt上の酸素O2 −又はO2−と反応して酸化せしめられる。
【0056】
また、排気空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比になると流入排気ガス中の酸素濃度が極度に低下するためにNOx触媒17からNO2またはNOが放出され、このNO2またはNOは、図4(B)に示されるように未燃HC、COと反応して還元せしめられてN2となる。
【0057】
即ち、流入排気ガス中のHC,COは、まず白金Pt上の酸素O2 −又はO2−とただちに反応して酸化せしめられ、次いで白金Pt上の酸素O2 −又はO2−が消費されてもまだHC,COが残っていれば、このHC,COによってNOx触媒17から放出されたNOxおよび流入排気ガス中のNOxがN2に還元せしめられる。
【0058】
このようにして白金Ptの表面上にNO2またはNOが存在しなくなると、NOx触媒17から次から次へとNO2またはNOが放出され、さらにN2に還元せしめられる。したがって、排気空燃比を理論空燃比またはリッチにすると短時間の内にNOx触媒17からNOxが放出されることになる。
【0059】
このように、排気空燃比がリーンになるとNOxがNOx触媒17に吸収され、排気空燃比を理論空燃比あるいはリッチにするとNOxがNOx触媒17から短時間のうちに放出され、N2に還元される。したがって、大気中へのNOxの排出を阻止することができる。
【0060】
ところで、この実施の形態では前述したように、全負荷運転時には燃焼室3内に供給される混合気がリッチとされ、また高負荷運転時等には混合気が理論空燃比とされ、低中負荷運転時には混合気がリーンとされるので、低中負荷運転時に排気ガス中のNOxがNOx触媒17に吸収され、全負荷運転時及び高負荷運転時等にNOx触媒17からNOxが放出され還元されることになる。しかしながら、全負荷運転あるいは高負荷運転等の頻度が少なく、低中負荷運転の頻度が多くその運転時間が長ければ、NOxの放出・還元が間に合わなくなり、NOx触媒17のNOxの吸収能力が飽和してNOxを吸収できなくなってしまう。
【0061】
そこで、この実施の形態では、リーン混合気の燃焼が行われている場合、即ち中低負荷運転を行っているときには、比較的に短い周期でスパイク的(短時間)にストイキまたはリッチ混合気の燃焼が行われるように混合気の空燃比を制御し、短周期的にNOxの放出・還元を行っている。このようにNOxの吸放出のために、排気空燃比(この実施の形態では混合気の空燃比)が比較的に短い周期で「リーン」と「スパイク的な理論空燃比またはリッチ空燃比(リッチスパイク)」を交互に繰り返されるように制御することを、リーン・リッチスパイク制御と称している。尚、この出願においては、リーン・リッチスパイク制御はリーン空燃比制御に含まれるものとする。
【0062】
一方、燃料には硫黄(S)が含まれており、燃料中の硫黄が燃焼するとSO2やSO3などの硫黄酸化物(SOx)が発生し、NOx触媒17は排気ガス中のこれらSOxも吸収する。NOx触媒17のSOx吸収メカニズムはNOx吸収メカニズムと同じであると考えられる。即ち、NOxの吸収メカニズムを説明したときと同様に担体上に白金PtおよびバリウムBaを坦持させた場合を例にとって説明すると、前述したように、排気空燃比がリーンのときには、酸素O2がO2 −又はO2−の形でNOx触媒17の白金Ptの表面に付着しており、流入排気ガス中のSOx(例えばSO2)は白金Ptの表面上で酸化されてSO3となる。
【0063】
その後、生成されたSO3は、白金Ptの表面で更に酸化されながらBa内に吸収されて酸化バリウムBaOと結合し、硫酸イオンSO4 2−の形でBa内に拡散し硫酸塩BaSO4を形成する。このBaSO4は結晶が粗大化し易く、比較的安定し易いため、一旦生成されると分解・放出されにくい。そして、NOx触媒17中のBaSO4の生成量が増大するとNOx触媒17の吸収に関与できるBaOの量が減少してNOxの吸収能力が低下してしまう。これが即ちSOx被毒である。したがって、NOx触媒17のNOx吸収能力を高く維持するためには、適宜のタイミングでNOx触媒17に吸収されたSOxを放出させるためのSOx被毒回復処理を実行する必要がある。
【0064】
NOx触媒17からSOxを放出させるためには、流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比にする必要があり、また、NOx触媒17の触媒温度が高いほど放出し易いことがわかっている。そこで、SOx被毒回復処理は、NOx触媒17の触媒温度をSOxが放出され易い所定の高温(以下、これをSOx放出温度という)にし、理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスをNOx触媒17に流すことにより実行する。
【0065】
そして、この実施の形態では、SOx被毒回復処理のために排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比にする場合も、燃料噴射弁11から噴射される燃料量をECU30により制御して燃焼室3に供給される混合気の空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比に制御することにより行う。よって、ECU30と燃料噴射弁11は被毒回復手段の一部を構成する。
【0066】
次に、この実施の形態における排気浄化装置のNOx触媒17の熱劣化度合い検出方法について説明する。
図5は、NOx触媒17のSOx被毒が所定レベルに達するたびに、NOx触媒17に吸蔵されていたSOxが完全に放出されるまでSOx被毒回復処理を実行し、そのSOx被毒回復直後のNOx触媒17のNOx浄化性能を測定した一実験結果をグラフにしたものである。NOx触媒17のNOx浄化性能は、SOx被毒回復処理を実行する毎に低下している。
【0067】
前述したように、NOx触媒17のSOx被毒劣化はSOx被毒回復処理を実行することにより回復可能であるが、NOx触媒17の熱劣化については被毒回復が不可能であることから、SOx被毒回復処理直後の性能回復部分はSOx被毒に起因した性能低下ということができ、性能回復不能部分は熱劣化に起因する性能低下ということができる。
【0068】
したがって、NOx触媒17の新品時のNOx吸蔵能力と、SOx被毒回復処理直後のNOx触媒17のNOx吸蔵能力を検出することができれば、これらのNOx吸蔵能力の差から熱劣化の度合いを検知することができる。
【0069】
この実施の形態では、次のようにしてNOx吸蔵能力を検出する。まず、NOx触媒17にリーン空燃比の排気ガスを流し続けてNOx触媒17のNOx吸蔵能力を飽和させ、これ以上NOxを吸蔵できない状態にする。次に、NOx触媒17に流入する排気ガス、すなわち入ガスの空燃比をリーンからリッチに切り替え、リッチ空燃比の排気ガスをNOx触媒17に流し続けて、NOx触媒17に吸蔵されていたNOxの全量を放出・還元させる。このとき、入ガスの空燃比をリーンからリッチに切り替えても、NOx触媒17の出口の排気ガス、すなわち出ガスの空燃比は直ぐにはリッチに切り替わらず、しばらくの間は理論空燃比近傍になる。これは、NOx触媒17に吸蔵されていたNOxの還元に入ガス中のHCやCOが還元剤として消費されるためである。そして、NOx触媒17に吸蔵されていたNOxの総てが放出・還元されて、入ガス中のHCやCOが還元剤として消費されなくなったときに、出ガスの空燃比がリッチに変わる。
【0070】
したがって、このようにNOx触媒17のNOx吸蔵能力を飽和させた後にNOxの放出・還元処理(以下、この処理のことを飽和NOx放出処理という)を実行し、そのときの出ガスの空燃比を空燃比センサ27で検出し、飽和NOx放出処理を開始してから出ガスの空燃比が理論空燃比を保持する時間、換言すれば出ガスの空燃比が理論空燃比からリッチに切り替わるまでの時間を計測すれば、その所要時間(以下、この所要時間をリッチ切り替わり時間という)はNOx触媒17のNOx吸蔵能力を表すバロメータになり、すなわちNOx触媒17の浄化性能のバロメータになる。
【0071】
図6は、飽和NOx放出処理時における入ガスの空燃比と出ガスの空燃比の時間的変化の一例を示しており、新品のNOx触媒17ではリッチ切り替わり時間がt1であるのに対して、熱劣化がある程度進行したNOx触媒17のリッチ切り替わり時間はt1よりも短いt2になる。
【0072】
また、この実施の形態では、NOx触媒17に対してSOx被毒回復処理を実行する時期の判定にも、リッチ切り替わり時間を用いて判定する。詳述すると、この実施の形態の排気浄化装置では、例えば一定の走行距離毎あるいは一定の燃料消費量毎などの適宜のタイミングでNOx触媒17に対して飽和NOx放出処理を実行し、そのときのリッチ切り替わり時間を計測する。そして、計測されたリッチ切り替わり時間が図6に示す所定時間t3よりも短くなったときは、NOx触媒17のNOx浄化性能が所定レベルまで低下したものとみなすことができるので、このときをSOx被毒回復処理を実行すべき時期であると判定する。
【0073】
さらに、この実施の形態の排気浄化装置では、SOx被毒回復処理の完了後に飽和NOx放出処理を実行してリッチ切り替わり時間を計測し、計測されたリッチ切り替わり時間t2と新品のNOx触媒17のリッチ切り替わり時間t1との差を算出し、その差が所定時間t4よりも長くなったときには、NOx触媒17の熱劣化が所定の度合いまで進んだと判断して、熱劣化を抑制すべく熱劣化抑制手段を作動する。なお、新品のNOx触媒17のリッチ切り替わり時間t1は予め実験的に求めてECU30のROM32に記憶しておき、また、熱劣化抑制手段を作動させるべきと判定するときの閾値t4も予め設定してECU30のROMに記憶しておく。
【0074】
次に、熱劣化の抑制方法について説明すると、たとえば、一般にエンジンでは減速運転になったときにはフューエルカットを実行しているが、熱劣化が所定度合いまで進行したときには、エンジンが高温運転域にあるときに減速運転となったときにはフューエルカットを禁止することにより熱劣化を抑制することができる。これは、エンジンが高温運転域にあるとNOx触媒17も高温状態になっており、このときにフューエルカットを行うと酸素濃度が高い排気ガスがNOx触媒17に流入することになる。NOx触媒17における触媒物質(Pt)のシンタリングは、触媒温度が同じ場合、酸素濃度が高いほどシンタリングの進行速度が速いことが知られている。したがって、高温運転域の減速時にフューエルカットを行うと、触媒温度が高温のときに酸素濃度の高い排気ガスが流れることとなってシンタリングを促進させてしまう。そこで、高温運転域にあるときに減速運転になったときにはフューエルカットを禁止すれば、NOx触媒17のシンタリングを抑制し熱劣化を抑制することができる。この場合、高温運転域でのフューエルカットを禁止するフューエルカット禁止制御が熱劣化抑制手段を構成する。
【0075】
また、別の熱劣化の抑制方法としては、熱劣化が所定度合いまで進行したときには、それ以前(すなわち、熱劣化が前記所定度合いまで進行していないとき)よりも、エンジンの高温運転域におけるリーン運転領域を減少せしめる方法がある。これも、前述と同じ理由であり、NOx触媒17の触媒温度が高いときには入ガスの酸素濃度を低くした方がNOx触媒17の熱劣化を抑制することができるからである。具体的な制御方法としては、熱劣化が所定度合いまで進行する以前に高温運転域で且つリーン運転領域であった領域の一部または全部を、熱劣化が所定度合いまで進行したとき以降はストイキ(理論空燃比)運転領域に変更する。この場合、高温運転域におけるリーン運転領域を減少するリーン運転領域減少制御が熱劣化抑制手段を構成する。
【0076】
次に、図7を参照して、この実施の形態におけるNOx触媒17の熱劣化判定処理ルーチンを説明する。この制御ルーチンを構成する各ステップからなるフローチャートはECU30のROM32に記憶されており、この制御ルーチンは一定時間毎にCPU34によって実行される。
【0077】
<ステップ101>
まず、ECU100は、ステップ101において、NOx触媒17に対してSOx被毒回復処理を実行すべき時期か否か判定する。前述したように、この実施の形態では、SOx被毒回復処理実行時期か否かの判定は、所定期間毎に飽和NOx放出処理を行い、そのときに計測したリッチ切り替わり時間が閾値t3よりも小さくなったときをSOx被毒回復処理を実行すべき時期であると判定する。ステップ101で否定判定した場合には、ECU30は、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【0078】
<ステップ102>
ステップ101で肯定判定した場合には、ECU30は、ステップ102に進み、SOx被毒回復処理を実行する。SOx被毒回復処理は、NOx触媒17がSOx放出温度に達していない場合には、所定の昇温処理を実行してNOx触媒17の触媒温度をSOx放出温度以上にし、且つ、NOx触媒17の入ガスの空燃比をストイキよりも若干リッチにすることにより行う。
【0079】
<ステップ103>
次に、ECU30は、ステップ103に進み、SOx被毒回復処理が完了したか否か判定する。ここで、SOx被毒回復処理は、NOx触媒17に吸収されていたSOxをほぼ完全に放出するまで実行する。SOx被毒回復処理の完了の判定については後述する。ステップ103で否定判定した場合には、ECU30は、ステップ102に戻り、SOx被毒回復処理の実行を続行する。
【0080】
<ステップ104,105>
ステップ103で肯定判定した場合には、ECU30は、ステップ104に進み、飽和NOx放出処理を実行し、さらに、ステップ105に進み、リッチ切り替わり時間tを計測する。
【0081】
<ステップ106>
次に、ECU30は、ステップ106に進み、予めECU30のROM32に記憶されている新品のNOx触媒17のリッチ切り替わり時間t1と、ステップ105で計測したリッチ切り替わり時間tとの差を算出する。すなわち、現時点のNOx触媒17の熱劣化度合いを算出する。
【0082】
<ステップ107>
次に、ECU30は、ステップ107に進み、ステップ106で算出したリッチ切り替わり時間の差(熱劣化度合い)が予め設定した閾値t4以上か否か判定する。ステップ107で否定判定した場合には、ECU30は、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【0083】
<ステップ108>
ステップ107で肯定判定した場合には、NOx触媒17の熱劣化度合いが所定レベルまで達したと判定して、ECU30は、ステップ108に進み熱劣化抑制手段を作動して、本ルーチンの実行を一旦終了する。熱劣化抑制手段の作動により、すなわち、前述した高温運転域におけるフューエルカット禁止制御の実行、あるいは、高温運転域におけるリーン運転領域減少制御の実行により、以後のNOx触媒17の熱劣化の進行が抑制される。
【0084】
なお、この実施の形態においては、熱劣化判定処理ルーチンのうちECU30がステップ101を実行することにより本発明における被毒回復実行時期判定手段が実現され、また、ECU30がステップ102を実行することにより本発明における被毒回復手段が実現され、また、ECU30がステップ104およびステップ105を実行することにより本発明における吸蔵能力検出手段が実現され、また、ECU30がステップ106およびステップ107を実行することにより本発明における熱劣化判定手段が実現される。
【0085】
次に、この実施の形態におけるSOx被毒回復処理について図8を参照して説明する。
図8は、この実施の形態におけるSOx被毒回復処理時のNOx触媒17の入ガスの空燃比と、入ガスSOxセンサ23で検出された入ガスのSOx濃度と、出ガスSOxセンサ24で検出された出ガスのSOx濃度の経時変化を示した図である。なお、SOx被毒回復処理実行期間中、NOx触媒17の触媒温度はSOx放出温度以上になっているものとする。
【0086】
まず、SOx被毒回復処理実行指令により入ガスの空燃比をリーン空燃比から理論空燃比に変更し、さらに入ガスの空燃比のリッチ度を漸次増大していく。そして、出ガスSOxセンサ24で検出された出ガスSOx濃度が入ガスSOxセンサ23で検出された入ガスSOx濃度に一致したとき、入ガスの空燃比を一致したときのリッチ空燃比で一定に保持する。出ガスSOx濃度が入ガスSOx濃度に一致した後は、実質的にNOx触媒17からSOxが放出されるため、出ガスSOx濃度の方が入ガスSOx濃度よりも大きくなり、所定濃度で出ガスSOx濃度がほぼ一定となる。さらにその後、NOx触媒17からのSOxの放出が続くと、NOx触媒17からのSOx放出量が減少するため、出ガスSOx濃度が低下していき、NOx触媒17に残留するSOxがなくなると、出ガスSOx濃度は入ガスSOx濃度よりも低くなっていく。したがって、出ガスSOx濃度が入ガスSOx濃度よりも所定値だけ低くなるまでSOx被毒回復処理を続行すれば、NOx触媒17をSOx被毒からほぼ完全に回復させたとみなすことができる。この実施の形態では、出ガスSOx濃度が図8において被毒回復完了レベル以下になるまでSOx被毒回復処理を続行することにした。
【0087】
[第2の実施の形態]
この実施の形態では、排気浄化装置のNOx触媒17の熱劣化度合いを、NOx触媒のNOx浄化率の変化に基づいて検出する場合について説明する。
図13はこの実施の形態における排気浄化装置の概略図であり、機関本体40には4個の気筒41が設けられ、各気筒41に接続される吸気ポートには燃料噴射弁42が取り付けられている。吸気マニホールド43は、吸気ダクト44を介してエアクリーナ45に連結されている。 また吸気ダクト44内には、スロットル弁46が設けられている。
【0088】
一方、排気マニホールド47及び排気管48を介して、吸蔵還元型NOx触媒50を内蔵したケーシング49に接続され、ケーシング49は排気管51を介して図示しないマフラーに接続されている。
その他のECU30、NOx触媒17等の構成については、第1の実施の形態における排気浄化装置と同様であるので、同一の符号を付して説明を省略する。
【0089】
ケーシング49の下流には、NOx触媒17から流出する出ガスのNOx濃度に比例した出力電圧を発生する出ガスNOxセンサ50が設けられ、この出力電圧はECU30の入力ポート35に入力される。
図14は、NOx触媒17によるNOx浄化率の一例を示す図である。ここで入NOxとは、NOx触媒17に流入する排気ガス中の単位時間あたりのNOx濃度を示し、出NOxとは、NOx触媒17から流出する排気ガス中の単位時間あたりのNOx濃度を示す。ここではNOx触媒17から排出される排気ガス中の単位時間あたりのNOx濃度が閾値Xに到達すると、排気ガスをストイキまたはリッチにしてNOx触媒17に吸蔵されているNOxを放出、還元させてNOx触媒17のNOx吸蔵能力を回復させる。しかし排気ガスがリーンの状態での運転が継続して排気ガス中のNOxがNOx触媒17に吸蔵されると、再び飽和状態に達して、出NOxの濃度がが閾値Xに達する。そこで再びリッチスパイクを実行することでNOxを放出、還元する。
【0090】
しかしこれを繰り返すと、第1の実施の形態において詳説したように、NOx触媒17のSOx被毒が所定レベルに達するので、SOx被毒回復処理を実行することになる。
そしてNOx触媒17のSOx被毒はSOx被毒回復処理を実行することで回復可能であるが、NOx触媒17の熱劣化は回復することができないので、SOx被毒回復処理直後の性能回復不能部分は、熱劣化に起因する性能低下であるとすることができる。
【0091】
したがってNOx触媒17の新品時のNOx浄化率と、そのSOx被毒回復処理直後のNOx浄化率とを測定し、これを比較すればそのNOx浄化性能の差から熱劣化の度合いを知ることができる。
ここでNOx浄化率とは、NOx触媒に流入する排気ガス中のNOx量(入NOx量)と、NOx触媒の下流に設置したNOx検出手段による排気ガス中のNOx量(出NOx量)に基づいて求められる。
このとき前記入NOxの量は、NOx触媒17の上流の排気通路にNOxセンサを取り付けることで、その出力値から単位時間あたりのNOx濃度と排気ガス量の積算値から算出することができる。また入NOxの量は次のような方法によっても求められる。
【0092】
すなわち、リーン混合気が燃焼しているときは機関負荷が高くなるほど単位時間あたり機関から排出されるNOx量が増大し、また機関回転数が高くなるほど単位時間あたりの機関から排出されるNOx量が増大する。したがって単位時間あたりのNOx量は機関負荷と機関回転数の関数となる。この場合、機関負荷はサージタンク内の絶対圧によって代表することができるので、単位時間あたりの出NOxの量NOXAは、サージタンク内の絶対圧PMと機関回転数Nの関数となる。よってこの実施の形態では、単位時間あたりのNOx量を絶対圧PM及び機関回転数Nの関数として予め実験により求め、これを図16に示すようなマップの形でECU30のRAM内に記憶しておく。
【0093】
一方、NOx触媒17の下流の排気通路にNOxセンサを取り付けることで、その出力値から単位時間あたりのNOx濃度が検出されるので、出NOxの量は、このNOx濃度と排気ガス量の積算値に基づいて算出することができる。
このようにして、NOx触媒17のNOx浄化率を測定し、これを初期の新品の場合の浄化率または必要浄化率と比較することで、SOx被毒再生の時期を判断することができる。
【0094】
また、NOx触媒17の新品時のNOx浄化率と、SOx被毒回復処理直後のNOx触媒17のNOx浄化率を検出し、これらを比較することができれば、それらの浄化率の差からNOx触媒17の熱劣化の度合いを検知することができる。
なお、新品のNOx触媒17のNOx浄化率及び必要浄化率は、予め実験的に求めてECU30のROM32に記憶しておき、また、熱劣化抑制手段を作動させるべきと判定するときの必要浄化率も予め設定してECU30のROMに記憶しておく。
【0095】
この実施の形態では、以下のようにしてNOx浄化性能を検出する。まず、NOx触媒17にリーン空燃比の排気ガスを流し続けてNOx触媒17のNOx吸蔵能力を飽和させ、これ以上NOxを吸蔵できない状態にする。このとき、NOx触媒の浄化性能を温度ウインドウを考慮して測定する。
【0096】
次に、NOx触媒17に流入する排気ガス、すなわち入ガスの空燃比をリーンからリッチに切り替え、リッチ空燃比の排気ガスをNOx触媒17に流し続けて、NOx触媒17に吸蔵されていたNOxの全量を放出・還元させる。このとき、入ガスの空燃比をリーンからリッチに切り替えても、NOx触媒17の出口の排気ガス、すなわち出ガスの空燃比は直ぐにはリッチに切り替わらず、しばらくの間は理論空燃比近傍になる。これは、NOx触媒17に吸蔵されていたNOxの還元に入ガス中のHCやCOが還元剤として消費されるためである。そして、NOx触媒17に吸蔵されていたNOxの総てが放出、還元されて、入ガス中のHCやCOが還元剤として消費されなくなったときに、出ガスの空燃比がリッチに変わる。
【0097】
また、この実施の形態では、NOx触媒17に対してSOx被毒回復処理を実行する時期の判定には、NOx浄化率が所定値以下になったか否かにより判断する。詳述すると、この実施の形態の排気浄化装置では、例えば一定の走行距離毎あるいは一定の燃料消費量毎などの適宜のタイミングでNOx触媒17に対して飽和NOx放出処理を実行し、そのときのNOx浄化率を測定する。この測定は出側NOxセンサ50により、各負荷、温度条件でのNOx触媒の浄化性能を把握しする。
【0098】
そして、測定されたNOx浄化率が図14に示す閾値xよりも低下したときは、NOx触媒17のNOx浄化性能が所定レベルまで低下したものとみなす。
またこのときをSOx被毒回復処理を実行すべき時期であると判定する。
【0099】
SOx被毒回復処理が完了したらNOx浄化率を測定し、NOx触媒の性能が回復したか否かを判断する。これは図15に示すように、NOx浄化率が、所定温度(例えば、300℃〜420℃程度)の範囲において、必要浄化率を上回ったか否かにより判断する。図15では、▲1▼がNOx触媒が新品時であるときのNOx浄化率を示し、▲2▼はSOx被毒時のNOx浄化率を示す。▲2▼の状態ではSOx被毒回復が必要な状態であり、▲3▼はSOx被毒回復後の浄化率を示している。
【0100】
必要浄化率が確保されない場合は、次に、NOx触媒の熱劣化の度合いに応じたリッチスパイクを実行する。これは内燃機関においてリーン混合気の燃焼が行われている場合、即ち中低負荷運転を行っているときには、比較的に短い周期でスパイク的(短時間)にストイキまたはリッチ混合気の燃焼が行われるように混合気の空燃比を制御し、短周期的にNOxの放出・還元を行っているが、性能低下の回復が不十分であれば、リッチスパイクを増加させる。これはリッチスパイクの量の増大、またはリッチスパイクの回数の増大、すなわちリッチスパイクの周期の短縮化の両方があり、いずれか一方、または両方を、熱劣化の度合いに比例するようにして実行する。
【0101】
次に、この実施の形態の排気浄化装置では、前記リッチスパイク制御を実施した後、NOx浄化率を測定し、その浄化率が所定レベル以下のときは、NOx触媒17の熱劣化が性能回復が不可能な程度まで進んだと判断して、熱劣化を抑制すべく熱劣化抑制手段を作動する。すなわちこのような制御を実施しても十分なNOx浄化率が確保できない場合である。
【0102】
先ず、性能不足の温度領域でのリーン運転を禁止する。これは熱劣化が所定度合いまで進行していないときよりも、リーン運転領域を減少させて、NOx触媒17の入ガス酸素濃度を低くすることでNOx触媒17の熱劣化を抑制するものである。具体的には図15に示すように、NOx触媒の性能が必要浄化率以下になる温度領域(回復しても戻らない領域)において、リーン運転を禁止してこの領域をストイキ運転領域に変更するものである。
【0103】
次に、これとは別の熱劣化の抑制方法として、または前記と併せて実行する熱劣化の抑制方法として、第1の実施の形態において説明したように、エンジンが高温運転域にあるときに減速運転となったときでも、フューエルカットを禁止することにより熱劣化を抑制する。
また熱劣化の抑制方法として、熱劣化が所定度合いまで進行していないときよりも、エンジンの高温運転域におけるリーン運転領域を減少させる方法を採用する。これは上述した性能不足の温度領域でのリーン運転の禁止の範囲と重複するが、所定温度以上の高温運転領域では全てリーン運転を禁止するものである。
【0104】
以下、図17を参照して、この実施の形態におけるNOx触媒17の熱劣化判定処理ルーチンを説明する。この制御ルーチンを構成する各ステップからなるフローチャートはECU30のROM32に記憶されており、この制御ルーチンは一定時間毎にCPU34によって実行される。
【0105】
<ステップ201>
まず、ECU100は、ステップ201において、NOx触媒17に対してSOx被毒回復処理を実行すべき時期か否か判定する。SOx被毒回復処理実行時期か否かの判定は、所定期間毎に飽和NOx放出処理を行い、放出処理の完了後にNOx浄化率を測定する。これは出側のNOxセンサ50の出力値に基づいて算出する。
この値が必要浄化率よりも低くなったときをSOx被毒回復処理を実行すべき時期であると判定する。ステップ201で否定判定した場合には、ECU30は、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【0106】
<ステップ202>
ステップ201で肯定判定した場合には、ECU30は、ステップ202に進み、SOx被毒回復処理を実行する。SOx被毒回復処理は、NOx触媒17がSOx放出温度に達していない場合には、所定の昇温処理を実行してNOx触媒17の触媒温度をSOx放出温度以上にし、且つ、NOx触媒17の入ガスの空燃比をストイキよりも若干リッチにすることにより行う。
【0107】
<ステップ203>
次に、ECU30は、ステップ203に進み、SOx被毒回復処理が完了したか否か判定する。ここで、SOx被毒回復処理は、NOx触媒17に吸収されていたSOxをほぼ完全に放出するまで実行する。ステップ203で否定判定した場合には、ECU30は、ステップ202に戻り、SOx被毒回復処理の実行を続行する。
【0108】
<ステップ204>
ステップ203で肯定判定した場合には、ECU30は、ステップ204に進み、飽和NOx放出処理を実行し、さらに、ステップ205に進み、NOx浄化率を測定する。
【0109】
<ステップ205>
次に、ECU30は、ステップ205に進み、NOx触媒17のNOx浄化率を測定する。
【0110】
<ステップ206>
ステップ206に進み、ECU30は、ステップ206で測定したNOx浄化率が予め設定した必要浄化率以上となり、NOx触媒機能が回復したか否かを判定する。ステップ206で肯定判定した場合には、ECU30は、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【0111】
<ステップ207>
ステップ206で否定判定した場合には、リッチスパイク制御を実行して、NOx触媒17の性能を試みる。
【0112】
<ステップ208>
ステップ207で実行されたリッチスパイク制御によって、NOx触媒のNOx浄化率が回復したか否かを判断する。これは所定の温度範囲におけるNOx浄化率が必要浄化率よりも低いか否かによって判断される。浄化率が必要浄化率以上であればECU30は、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【0113】
<ステップ209>
ステップ208においてNOx浄化率が必要浄化率以下であれば、性能が不足する温度領域におけるリーン運転を禁止する。NOx浄化率が必要浄化率以下でるときは、性能回復は不可能とされ、熱劣化が大きいものと判断される。
【0114】
<ステップ210>
さらに他の熱劣化抑制制御を実施する。これは高温運転領域でのリーン運転領域の減少及び高温運転域でのフェールカット禁止の制御である。これにより以後のNOx触媒17の熱劣化の進行が抑制される。
【0115】
なお、この実施の形態においては、熱劣化判定処理ルーチンのうちECU30がステップ201を実行することにより第2の発明における被毒回復実行時期判定手段が実現され、また、ECU30がステップ202を実行することにより被毒回復手段が実現され、また、ECU30がステップ204およびステップ205を実行することによりNOx浄化率測定手段が実現される。
【0116】
また、この実施の形態においてリッチスパイク制御によってNOx浄化率が確保されない場合、NOx触媒17の熱劣化が大きいと判断して、触媒の交換を促すようにすることができる。
【0117】
〔他の実施の形態〕
SOx被毒回復処理実行完了の判定は、SOx被毒回復処理実行時間が予め設定した所定時間を超えたか否かで判定することができる。この場合には、NOx触媒17に吸蔵されたSOxをほぼ完全に放出するために必要な被毒回復処理時間を予め実験的に求め、これをECU30のROM32に記憶させておく。
【0118】
SOx被毒回復処理実行時期か否かの判定は、NOx触媒17を通過する硫黄量が所定量(以下、許容硫黄量という)を越えたときがSOx被毒回復処理実行時期であると判定してもよい。
【0119】
その場合、入ガスSOxセンサ23で検出された入ガスのSOx濃度から燃料中の硫黄濃度を推定し、この燃料中の推定硫黄濃度に基づいて前記許容硫黄量に対応する燃料消費量あるいは走行距離を算出して、その燃料消費量あるいは走行距離に達したときをSOx被毒回復処理実行時期であると判定することができる。さらに、この場合には、燃料中の推定硫黄濃度を運転席前のパネル等に表示して、SOx被毒回復処理の頻度がおおよそ判別できるようにしてもよい。
【0120】
あるいは、入ガスSOxセンサ23で検出された入ガスのSOx濃度とエンジンの吸入空気量に基づいて、NOx触媒17に流入するSOx量を算出し、その積算値が所定量を越えたときを、SOx被毒回復処理実行時期であると判定することができる。
【0121】
このようにNOx触媒17を通過する硫黄量が許容硫黄量を越えたときをSOx被毒回復処理実行時期であると判定し、且つ、前述の如くSOx被毒回復処理実行完了の判定をSOx被毒回復処理実行時間で行う場合には、出ガスSOxセンサ24を省略することができる。
【0122】
また、SOx被毒回復処理実行時期か否かの判定は、NOx触媒17に吸蔵されたSOx量を推定し、この推定吸蔵SOx量が所定量を越えたときがSOx被毒回復処理実行時期であると判定してもよい。なお、吸蔵SOx量の推定は、図9に示すように、入ガスSOxセンサ23で検出された入ガスのSOx濃度と出ガスSOxセンサ24で検出された出ガスのSOx濃度の濃度差分がNOx触媒17に吸蔵されるものとして、このSOx濃度差(入ガスSOx濃度−出ガスSOx濃度)とエンジンの吸入空気量に基づいて算出することができる。そして、このようにして算出推定した吸蔵SOx量をSOx堆積カウンタで積算して、SOx堆積カウンタのカウント値が所定値を越えたときをSOx被毒回復処理実行時期であると判定することができる。
【0123】
また、このようにSOx堆積カウンタを備えた場合には、SOx被毒回復処理の完了の判定を次のようにすることもできる。SOx被毒回復処理実行期間中であって出ガスSOx濃度が入ガスSOx濃度より大きい期間においては、出ガスSOx濃度と入ガスSOx濃度の濃度差分がNOx触媒17から放出されるSOxであると推定することができるので、このSOx濃度差(出ガスSOx濃度−入ガスSOx濃度)とエンジンの吸入空気量に基づいてNOx触媒17から放出されたSOx量を算出し、算出推定したSOx放出量を前記SOx堆積カウンタで減算し、図10に示すようにSOx堆積カウンタのカウント値が所定値(被毒回復完了レベル)まで低下したときに、SOx被毒回復処理が完了したものとしてSOx被毒回復処理の実行を終了することができる。
【0124】
さらに、SOx被毒回復処理実行時期か否かの判定は、出ガスのSOx濃度が入ガスのSOx濃度に所定レベルまで接近したときをSOx被毒回復処理実行時期であると判定してもよい。図11に示すように、NOx触媒17の出ガスのSOx濃度は、SOx被毒が進行するにしたがって入ガスのSOx濃度に接近してくる。したがって、出ガスのSOx濃度の入ガスのSOx濃度への接近の程度は、SOx被毒の度合いに対応していると言うことができる。そこで、予め出ガスのSOx濃度がどの程度まで入ガスのSOx濃度に接近したときにSOx被毒回復処理を実行するかを設定しておき、出ガスSOxセンサ24で検出された出ガスのSOx濃度が前記設定したSOx濃度を超えたときをSOx被毒回復処理実行時期であると判定することができる。
【0125】
前述の各実施の形態では、NOx触媒17の上流に入ガスSOxセンサ23を設け、この入ガスSOxセンサ23によりNOx触媒17に流入する排気ガスのSOx濃度を検出しているが、NOx触媒17に流入する排気ガスのSOx濃度は燃料中の硫黄濃度と燃料量と排気ガス量に依存するので、燃料中の硫黄濃度が既知である場合には、エンジン運転状態(燃料噴射量、空燃比、吸入空気量、エンジン回転数など)から推定することが可能である。したがって、その場合には、入ガスSOxセンサ23を設ける代わりに、エンジン運転状態からECU30により触媒入ガスのSOx濃度を算出し、推定するようにしてもよい。
【0126】
前述した実施の形態では本発明をガソリンエンジンに適用した例で説明したが、本発明をディーゼルエンジンに適用することができることは勿論である。ディーゼルエンジンの場合は、燃焼室での燃焼がストイキよりもはるかにリーン域で行われるので、通常の機関運転状態ではNOx触媒17に流入する排気ガスの空燃比は非常にリーンであり、NOx及びSOxの吸収は行われるものの、NOx及びSOxの放出が行われることは殆どない。
【0127】
また、ガソリンエンジンの場合には、前述したように燃焼室3に供給する混合気をストイキあるいはリッチにすることにより排気空燃比をストイキあるいはリッチにし、排気ガス中の酸素濃度を低下させて、NOx触媒17に吸収されているNOxやSOxを放出させることができるが、ディーゼルエンジンの場合には、燃焼室に供給する混合気をストイキあるいはリッチにすると燃焼の際に煤が発生するなどの問題があり採用することはできない。
【0128】
したがって、本発明をディーゼルエンジンに適用する場合、排気空燃比をストイキあるいはリッチにするためには、機関出力を得るために燃料を燃焼するのとは別に、還元剤(例えば燃料である軽油)を排気ガス中に供給する必要がある。排気ガスへの還元剤の供給は、吸気行程や膨張行程や排気行程において気筒内に燃料を副噴射することによっても可能であるし、あるいは、NOx触媒17の上流の排気通路内に還元剤を供給することによっても可能である。
【0129】
尚、ディーゼルエンジンであっても排気再循環装置(所謂、EGR装置)を備えている場合には、排気再循環ガスを多量に燃焼室に導入することによって、排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比にすることが可能である。
【0130】
【発明の効果】
本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置によれば、吸蔵還元型NOx触媒の熱劣化度合いを判定する熱劣化判定手段を備えることにより、吸蔵還元型NOx触媒の熱劣化度合いを判定することができる。したがってNOx浄化性能が低下してこれが回復できないものであることを知ることができ、触媒の交換等によって排気ガス中のNOxが浄化されなくなる状況を回避できる。
【0131】
また本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置は、前記吸蔵還元型NOx触媒の熱劣化を抑制する熱劣化抑制手段を備え、この熱劣化抑制手段は、前記熱劣化判定手段により判定された熱劣化度合いが所定レベル以下のときには作動せず、前記所定レベルを超えたときに作動するようにした場合には、吸蔵還元型NOx触媒の熱劣化度合いが前記所定レベルに達した以後の熱劣化の進行を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第1の実施の形態の概略構成図である。
【図2】基本燃料噴射時間のマップの一例を示す図である。
【図3】機関から排出される排気ガス中の未燃HC,COおよび酸素の濃度を概略的に示す線図である。
【図4】吸蔵還元型NOx触媒のNOx吸放出作用を説明するための図である。
【図5】吸蔵還元型NOx触媒の劣化の進み具合を示す図である。
【図6】前記第1の実施の形態における飽和NOx放出処理時の出ガスの空燃比の経時変化を示す図である。
【図7】前記第1の実施の形態における熱劣化判定処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図8】前記第1の実施の形態におけるSOx被毒回復処理時の入ガスの空燃比と出ガスのSOx濃度の経時変化を示す図である。
【図9】本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置におけるSOx被毒回復処理の実行時期を判定する方法を説明する図である。
【図10】本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置におけるSOx被毒回復処理の完了を判定する方法を説明する図である。
【図11】本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置におけるSOx被毒回復処理の実行時期を判定する方法を説明する図である。
【図12】触媒物質のシンタリングと吸蔵還元型NOx触媒のNOx浄化性能との関係を示す図である。
【図13】第2の実施の形態にかかる内燃機関の排気浄化装置の概略図である。
【図14】本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置におけるNOx浄化率の変化を示す図である。
【図15】本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置における吸蔵還元型NOx触媒のSOx被毒回復処理を説明するための図である。
【図16】入NOx量の決定に使用する数値テーブルを示す図である。
【図17】前記第1の実施の形態における熱劣化判定処理ルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
1、40 エンジン本体(内燃機関)
3 燃焼室
4 点火栓
11、42 燃料噴射弁(被毒回復手段)
16、48 排気管(排気通路)
17 吸蔵還元型NOx触媒
18、49 ケーシング
19、51 排気管(排気通路)
21、45 エアフロメータ
23 入ガスSOxセンサ(入ガスSOx濃度検出手段)
24 出ガスSOxセンサ(出ガスSOx濃度検出手段)
25 温度センサ
27 空燃比センサ
30 ECU
50 出ガスNOxセンサ(出ガスNOx濃度検出手段)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust gas purification apparatus capable of purifying nitrogen oxide (NOx) from exhaust gas discharged from a lean burnable internal combustion engine, and more particularly to an apparatus capable of detecting thermal deterioration of a NOx catalyst.
[0002]
[Prior art]
An NOx storage reduction catalyst is an exhaust purification device that purifies NOx from exhaust gas discharged from a lean burnable internal combustion engine. The NOx storage reduction catalyst (hereinafter sometimes simply referred to as catalyst or NOx catalyst) absorbs NOx when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is lean (that is, in an oxygen-excess atmosphere), and the oxygen concentration of the inflowing exhaust gas. NOx absorbed when NO decreases and N2It is a catalyst that reduces to
[0003]
The structure of the NOx catalyst and the NOx purification mechanism will be briefly described. The NOx catalyst carries a catalyst substance such as platinum (Pt) and a NOx storage agent such as barium (Ba) on a support such as alumina. (In the following description, an example of a NOx catalyst in which Pt and Ba are supported) will be described. When a lean air-fuel ratio exhaust gas flows into the NOx catalyst, NOx in the exhaust gas is oxidized on the surface of Pt. NO2And this NO2Is absorbed in Ba and combined with BaO, and nitrate ion NO.3It is absorbed in the form of This NOx absorption is performed at the interface between Ba and Pt. On the other hand, when the stoichiometric (theoretical air / fuel ratio) or rich air / fuel ratio exhaust gas flows into the NOx catalyst and the oxygen concentration decreases, the NOx absorbed in the NOx catalyst3-NO2Alternatively, it is released in the form of NO, and further reacts with HC and CO in the exhaust gas to produce N2To be reduced.
[0004]
Therefore, if this NOx catalyst is disposed in the exhaust passage of an internal combustion engine capable of lean combustion, and the lean air-fuel ratio exhaust gas and the stoichiometric or rich air-fuel ratio exhaust gas flow alternately, the NOx in the exhaust gas is purified. Can do.
[0005]
It has been known that when this NOx catalyst is used for exhaust gas purification for a long time, the NOx catalyst deteriorates with time and the NOx purification ability decreases as shown in FIG. This deterioration is considered to be caused by (a) sulfur in the fuel and (b) heat. The deterioration caused by sulfur in the fuel is called sulfur poisoning deterioration, and the deterioration caused by heat is called heat deterioration. Sometimes they are distinguished. In addition, although sulfur poisoning deterioration may be expressed as S poisoning deterioration or SOx poisoning deterioration, in the following description, it unifies with the expression SOx poisoning deterioration.
[0006]
Explaining the SOx poisoning deterioration, the fuel of the internal combustion engine generally contains a sulfur content. When the fuel is burned in the internal combustion engine, the sulfur content in the fuel is combusted and the SO2Or SO3Sulfur oxide (SOx) is generated. The NOx storage reduction catalyst absorbs SOx in the exhaust gas by the same mechanism that absorbs NOx. Therefore, if a NOx catalyst is disposed in the exhaust passage of the internal combustion engine, the NOx catalyst can contain only NOx. SOx is also absorbed.
[0007]
However, SOx absorbed by the NOx catalyst forms a stable sulfate with the passage of time, so that it is difficult to be decomposed and released and tends to accumulate in the catalyst. The accumulation of sulfate on the NOx catalyst is called SOx poisoning. When SOx poisoning progresses and the amount of SOx accumulated in the NOx catalyst increases, the NOx absorption capacity of the catalyst decreases and the NOx purification rate decreases. . This is SOx poisoning deterioration.
[0008]
Explaining thermal degradation, as described above, NOx absorption in the NOx catalyst is carried out at the interface between Pt (catalyst substance) and Ba (NOx absorbent), but Pt causes sintering and growth. It is known that the particle size increases. In the purification of exhaust gas discharged from the vehicle internal combustion engine, the heat load applied to the NOx catalyst is large, and Pt sintering cannot be avoided. Thus, when Pt causes sintering, the contact area between Pt and Ba decreases, that is, the interface between Pt and Ba decreases. As a result, the NOx absorption capability of the NOx catalyst is reduced, and the NOx purification capability is reduced. This is thermal degradation.
[0009]
FIG. 12 shows the influence of the sintering of the catalyst material (catalyst material particle size growth) on the NOx purification performance, and when the catalyst material sintering is not advanced (that is, when the particle size is small). The NOx purification performance is high, and the NOx purification performance decreases as the sintering progresses (that is, as the particle size increases).
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, as for the SOx poisoning deterioration, as disclosed in the patent publication No. 2745985, etc., SOx absorbed in the NOx catalyst is released by performing a predetermined recovery process, and SO2Therefore, the NOx catalyst can be recovered from the SOx poisoning.
[0011]
On the other hand, it is impossible to return Pt once sintered to the state before sintering, and therefore it is impossible to recover the NOx catalyst from thermal deterioration. Therefore, in managing the NOx catalyst, it is important to detect the degree of thermal degradation (thermal degradation level) of the NOx catalyst.
[0012]
However, at present, a technique for detecting the degree of thermal deterioration has not been established, and development of a technique for detecting the degree of thermal deterioration is eagerly desired.
The present invention has been made in view of such problems of the conventional technology, and the problem to be solved by the present invention is to establish an internal combustion engine by establishing a technique for detecting the degree of thermal degradation of the NOx storage reduction catalyst. The purpose is to improve engine exhaust gas purification technology.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The present invention employs the following means in order to solve the above problems.
An exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to a first aspect of the present invention includes (a) an exhaust gas that is provided in an exhaust passage of a lean burnable internal combustion engine and absorbs NOx when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is lean. NOx absorbed is released when the oxygen concentration of N is low.2(B) poisoning recovery execution time determination means for determining whether it is time to execute SOx poisoning recovery processing for releasing SOx from the NOx storage reduction catalyst; ) When it is determined by the poisoning recovery execution time determination means that the execution time is reached, almost the entire amount of SOx deposited on the NOx storage reduction catalyst is released, and the NOx storage reduction catalyst is SOx poisoned. Poison recovery means for recovering from NO, (d) storage capacity detection means for detecting the NOx storage capacity of the NOx storage reduction catalyst, and (e) the SOx poison recovery process after the SOx poison recovery process is executed by the poison recovery means. The NOx storage capacity of the NOx storage reduction catalyst detected by the storage capacity detection means is compared with the reference NOx storage capacity, and based on the comparison value, the NOx storage capacity of the NOx storage reduction catalyst is compared. And determining heat deterioration determination means for deterioration degree, characterized in that it comprises a.
[0014]
In this exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine, when the poisoning recovery execution time determining means determines that it is time to execute the SOx poisoning recovery process for the NOx storage reduction catalyst, the poisoning recovery means performs the storage reduction. The SOx poisoning recovery process for the type NOx catalyst is executed, and the SOx stored in the NOx storage reduction catalyst is almost completely released. Immediately after the completion of the SOx poisoning recovery process, the storage capacity detecting means detects the NOx storage capacity of the NOx storage reduction catalyst. Thereafter, the thermal deterioration determination means compares the NOx storage capacity detected by the storage capacity detection means with the reference NOx storage capacity, and determines the thermal deterioration degree of the NOx storage reduction catalyst based on the comparison value. .
[0015]
The principle for determining the degree of thermal degradation is as follows. The deterioration of the NOx storage reduction catalyst includes SOx poisoning deterioration caused by sulfur in the fuel and heat deterioration caused by heat. The SOx poisoning deterioration is recovered by executing a predetermined poisoning recovery process. In contrast, once thermal degradation occurs, it cannot be recovered. Therefore, even if the SOx poisoning recovery process is executed, the portion where the performance cannot be recovered can be regarded as being due to thermal deterioration. This is the principle of determining the degree of thermal deterioration in the present invention.
[0016]
In the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the first aspect of the present invention, the NOx occlusion ability used as a reference by the thermal deterioration determining means is NOx of a new NOx storage reduction catalyst that has not undergone both SOx poisoning deterioration and heat deterioration. It can be the storage capacity.
[0017]
The comparison value obtained by comparing the NOx occlusion capacity of the NOx storage reduction catalyst detected by the occlusion reduction capacity detection means with the reference NOx occlusion capacity may be a difference between the two. The quotient may be obtained by dividing one by the other.
[0018]
An exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the second invention
(B) provided in the exhaust passage of a lean burnable internal combustion engine, which absorbs NOx when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is lean and releases the absorbed NOx when the oxygen concentration of the inflowing exhaust gas is low, and N2A NOx storage reduction catalyst that reduces to
(B) poisoning recovery execution time determination means for determining whether it is time to execute SOx poisoning recovery processing for releasing SOx from the NOx storage reduction catalyst;
(C) When it is determined by the poisoning recovery execution time determination means that it is the execution time, almost all of the SOx deposited on the NOx storage reduction catalyst is released to make the NOx storage reduction catalyst SOx Poisoning recovery means to recover from poisoning,
(D) a purification rate measuring means for measuring a NOx purification rate of the NOx storage reduction catalyst;
(E) After performing the SOx poisoning recovery process by the poisoning recovery means, the NOx purification rate that is the NOx purification rate standard of the NOx storage reduction catalyst measured by the purification rate measurement is compared, and the comparison value is obtained Thermal degradation determination means for determining the thermal degradation degree of the NOx storage reduction catalyst based on
Characterized by comprising
[0019]
In the second invention, the NOx purification rate measuring means is based on the NOx amount in the exhaust gas flowing into the NOx catalyst and the NOx amount in the exhaust gas by the NOx detecting means installed downstream of the NOx catalyst. Can be measured.
In the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the second aspect of the invention, when the poisoning recovery execution time determination means determines that it is time to execute the SOx poisoning recovery processing for the NOx storage reduction catalyst, the poison recovery means However, the SOx poisoning recovery process for the NOx storage reduction catalyst is executed, and the SOx stored in the NOx storage reduction catalyst is almost completely released. Immediately after the completion of the SOx poisoning recovery process, the purification rate measuring means measures the NOx purification rate of the NOx storage reduction catalyst. Thereafter, the thermal deterioration determining means compares the NOx purification rate measured by the purification rate measuring means with the reference NOx purification rate, and determines the degree of thermal degradation of the NOx storage reduction catalyst based on the comparison value. .
[0020]
The principle for determining the degree of thermal degradation is as follows. The deterioration of the NOx storage reduction catalyst includes SOx poisoning deterioration caused by sulfur in the fuel and heat deterioration caused by heat. The SOx poisoning deterioration is recovered by executing a predetermined poisoning recovery process. In contrast, once thermal degradation occurs, it cannot be recovered. Therefore, even if the SOx poisoning recovery process is executed, the portion where the performance cannot be recovered can be regarded as being due to thermal deterioration. This is the principle of determining the degree of thermal deterioration in the present invention.
[0021]
In the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the second aspect of the present invention, the NOx purification rate based on the thermal degradation determination means is the NOx of a new NOx storage reduction catalyst that has not undergone SOx poisoning degradation or thermal degradation. It can be a purification rate.
[0022]
The comparison value obtained by the thermal degradation determination means by comparing the NOx purification rate of the NOx storage reduction catalyst measured by the purification rate measurement means with the reference NOx purification rate may be the difference between the two. The quotient may be obtained by dividing one by the other.
[0023]
As the lean burnable internal combustion engine in the first and second inventions (hereinafter referred to as the present invention), an in-cylinder direct injection type lean burn gasoline engine or diesel engine can be exemplified.
The air-fuel ratio of exhaust gas refers to the ratio of air and fuel (hydrocarbon) supplied into the exhaust passage upstream of the engine intake passage and the NOx storage reduction catalyst.
[0024]
When the internal combustion engine is a lean burn gasoline engine, the exhaust air / fuel ratio control means can control the air / fuel ratio of the exhaust gas by controlling the air / fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the combustion chamber. Further, when the internal combustion engine is a diesel engine, the reducing agent is supplied by so-called sub-injection in which fuel is injected in the intake stroke, expansion stroke or exhaust stroke, or in the exhaust passage upstream of the NOx storage reduction catalyst. As a result, the air-fuel ratio of the exhaust gas can be controlled.
[0025]
The NOx storage reduction catalyst absorbs NOx when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is lean, and releases the absorbed NOx when the oxygen concentration in the inflowing exhaust gas decreases, and N2It is a catalyst that reduces to This NOx storage reduction catalyst uses, for example, alumina as a carrier, and on this carrier, for example, an alkali metal such as potassium K, sodium Na, lithium Li, cesium Cs, an alkaline earth such as barium Ba, calcium Ca, lanthanum La, etc. And at least one selected from rare earths such as yttrium Y and a noble metal such as platinum Pt are supported.
[0026]
Further, the storage capacity detection means switches the lean air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the NOx storage reduction catalyst from lean to rich after the NOx storage state of the NOx storage reduction catalyst is saturated, and maintains rich, The time required from when the air-fuel ratio is switched to when the air-fuel ratio of the exhaust gas at the outlet of the NOx storage reduction catalyst becomes rich can be detected as a barometer of NOx storage capacity.
[0027]
In the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention, the poisoning recovery execution timing determination means is configured to detect when the NOx storage capacity of the NOx storage reduction catalyst detected by the storage capacity detection means falls below a predetermined lower limit value. It can be determined that it is time to execute the SOx poisoning recovery process. In this case, for example, it is preferable to detect the NOx storage capacity of the NOx storage reduction catalyst by the storage capacity detection means at every fixed fuel consumption or every fixed travel distance.
[0028]
In addition, it includes an input gas SOx concentration detection means for detecting the SOx concentration of the exhaust gas flowing into the NOx storage reduction catalyst, and the poisoning recovery execution timing determination means is the SOx concentration detected by the input gas SOx concentration detection means. When the amount of SOx flowing into the NOx storage reduction catalyst calculated based on the intake air amount of the internal combustion engine exceeds a predetermined amount, it can be determined that it is time to execute the SOx poisoning recovery process.
[0029]
Further, it includes an input gas SOx concentration detection means for detecting the SOx concentration of the exhaust gas flowing into the NOx storage reduction catalyst, and the poisoning recovery execution timing determination means is the SOx concentration detected by the input gas SOx concentration detection means. The SOx poisoning recovery process is executed when the amount of SOx flowing into the NOx storage reduction catalyst calculated based on the sulfur concentration of the fuel of the internal combustion engine and the fuel consumption or the travel distance estimated from the above exceeds a predetermined amount It can be determined that it is time. In this way, the degree of thermal degradation can be determined even when fuels having different sulfur concentrations are used.
[0030]
In the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention, the input gas SOx concentration detecting means for detecting the SOx concentration of the exhaust gas flowing into the NOx storage reduction catalyst, the exhaust gas flowing out from the NOx storage reduction catalyst, and An outgas SOx concentration detection means for detecting the SOx concentration, and the poisoning recovery execution timing determination means is detected by the SOx concentration detected by the input gas SOx concentration detection means and the output gas SOx concentration detection means. When the SOx occlusion amount estimated based on the concentration difference from the SOx concentration and the intake air amount or exhaust gas amount of the internal combustion engine exceeds a predetermined amount, it is determined that it is time to execute the SOx poisoning recovery process. Can do. This is because when the SOx concentration upstream of the NOx storage reduction catalyst is larger than the SOx concentration downstream of the NOx storage reduction catalyst, it can be considered that the concentration difference is absorbed by the NOx storage reduction catalyst.
[0031]
Input gas SOx concentration detection means for detecting the SOx concentration of the exhaust gas flowing into the NOx storage reduction catalyst, and output gas SOx concentration detection means for detecting the SOx concentration of the exhaust gas flowing out of the NOx storage reduction catalyst And the poisoning recovery execution timing determination means, when the SOx concentration detected by the outgas SOx concentration detection means approaches a predetermined level with respect to the SOx concentration detected by the input gas SOx concentration detection means, It can be determined that it is time to execute the SOx poisoning recovery process. This is because the SOx concentration downstream of the NOx storage reduction catalyst approaches the SOx concentration upstream of the NOx storage reduction catalyst as the SOx accumulation amount of the NOx storage reduction catalyst approaches the saturated state.
[0032]
In the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention, when the input gas SOx concentration detection means and the output gas SOx concentration detection means are provided, the SOx storage amount estimated to be stored in the NOx storage reduction catalyst is estimated. From the above, the concentration of the SOx concentration detected by the outgas SOx concentration detection means and the SOx concentration detected by the input gas SOx concentration detection means when performing the SOx poisoning recovery processing by the poisoning recovery means The amount of released SOx estimated based on the difference and the intake air amount or exhaust gas amount of the internal combustion engine is subtracted to estimate the SOx amount remaining in the NOx storage reduction catalyst, and this SOx remaining amount is reduced to a predetermined amount. In this case, the SOx poisoning recovery process by the poisoning recovery means can be terminated. When the SOx concentration downstream of the NOx storage reduction catalyst is larger than the SOx concentration upstream of the NOx storage reduction catalyst, the difference in concentration can be considered as SOx released from the NOx storage reduction catalyst, and the intake air This is because the released SOx amount can be calculated and estimated based on the amount or the exhaust gas amount.
[0033]
The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention includes a heat deterioration suppressing means for suppressing heat deterioration of the NOx storage reduction catalyst, and the heat deterioration suppressing means is the heat deterioration determined by the heat deterioration determining means. It is not activated when the degree is below a predetermined level, but can be activated when the degree exceeds the predetermined level. Thereby, it can suppress that thermal deterioration progresses more than that, and can suppress the fall of the NOx occlusion capability of a NOx storage reduction catalyst.
[0034]
In the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention, the thermal deterioration suppressing means may be a fuel cut prohibition control that prohibits a fuel cut in a high temperature operation region of the internal combustion engine. When fuel cut is performed in a high temperature operation region, exhaust gas with high oxygen concentration flows when the high temperature storage reduction type NOx catalyst is in a high temperature state, which promotes sintering of the catalyst material that causes thermal degradation. End up. This can be prevented by prohibiting fuel cut in the high temperature operation region.
[0035]
In the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention, the thermal deterioration suppressing means may be a lean operation region reduction control for reducing a lean operation region in a high temperature operation region of the internal combustion engine. By reducing the lean operation region in the high temperature operation region, it is possible to reduce the flow of exhaust gas having a high oxygen concentration in the high temperature operation region to the NOx storage reduction catalyst, and as a result, thermal degradation of the NOx storage reduction catalyst. Can be suppressed.
Further, the thermal degradation suppressing means increases the amount of rich or stoichiometric exhaust gas flowing into the NOx catalyst according to the degree of thermal degradation, and / or shortens the period during which the rich or stoichiometric exhaust gas flows into the NOx catalyst. Rich spike control can be performed. In this way, it is possible to increase the amount of the reducing agent for releasing and reducing NOx according to the degree of thermal degradation, and to suppress a decrease in action due to thermal degradation of the NOx storage reduction catalyst.
[0036]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention will be described below with reference to the drawings of FIGS.
[0037]
[First Embodiment]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration when the present invention is applied to a vehicle gasoline engine capable of lean combustion. In this figure,
[0038]
The
[0039]
On the other hand, the exhaust port 8 is connected via an
[0040]
An electronic control unit (ECU) 30 for engine control is composed of a digital computer, and is connected to each other by a
[0041]
The
On the other hand, in the
[0042]
The
[0043]
In this gasoline engine, the fuel injection time TAU is calculated based on the following equation, for example.
TAU = TP ・ K
Here, TP indicates the basic fuel injection time, and K indicates a correction coefficient. The basic fuel injection time TP indicates the fuel injection time required to make the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied into the engine cylinder the stoichiometric air-fuel ratio. This basic fuel injection time TP is obtained in advance by experiments, and is previously stored in the
[0044]
In the gasoline engine of this embodiment, the value of the correction coefficient K is set to a value smaller than 1.0 in the engine low and medium load operation region, and the lean air-fuel ratio control is performed. During warm-up operation, acceleration, and high-speed constant speed operation, the value of the correction coefficient K is set to 1.0 and the stoichiometric control is performed. In the engine full load operation region, the value of the correction coefficient K is 1.0. It is set so that the rich air-fuel ratio control is performed with a larger value.
[0045]
The internal combustion engine is usually most frequently operated at low and medium loads. Therefore, the value of the correction coefficient K is made smaller than 1.0 during most of the operation period, and the lean air-fuel mixture is combusted.
[0046]
FIG. 3 schematically shows the concentrations of typical components in the exhaust gas discharged from the
[0047]
The NOx catalyst (occlusion reduction type NOx catalyst) 17 accommodated in the
[0048]
When this
[0049]
When fuel (hydrocarbon) or air is not supplied into the exhaust passage upstream of the
[0050]
It is considered that the NOx absorption / release action by the
[0051]
First, when the inflowing exhaust gas becomes considerably lean, the oxygen concentration in the inflowing exhaust gas greatly increases, and as shown in FIG.2 Is O2 −Or O2-It adheres to the surface of platinum Pt. On the other hand, NO contained in the inflowing exhaust gas is O on the surface of platinum Pt.2 −Or O2-Reacts with NO2 (2NO + O2 → 2NO2 ).
[0052]
Then the generated NO2Is oxidized on platinum Pt while being absorbed into Ba and combined with barium oxide BaO, as shown in FIG.3 −In the form of Ba. In this way, NOx is absorbed into the
[0053]
As long as the oxygen concentration in the inflowing exhaust gas is high, NO on the surface of platinum Pt2And NOx absorption capacity of the
[0054]
On the other hand, the oxygen concentration in the inflowing exhaust gas decreases and NO2When the production amount of NO decreases, the reaction reverses (NO3 −→ NO2) And nitrate ion NO in Ba3 −Is NO2Or released from Ba in the form of NO. That is, when the oxygen concentration in the inflowing exhaust gas decreases, NOx is released from the
[0055]
On the other hand, when the air-fuel mixture supplied into the
[0056]
Further, when the exhaust air-fuel ratio becomes the stoichiometric air-fuel ratio or the rich air-fuel ratio, the oxygen concentration in the inflowing exhaust gas extremely decreases, so that the
[0057]
That is, HC and CO in the inflowing exhaust gas are first oxygen O on platinum Pt.2 −Or O2-Immediately reacts with and oxidizes, then oxygen O on platinum Pt.2 −Or O2-If HC and CO still remain after the consumption of NOx, NOx released from the
[0058]
In this way, NO on the surface of platinum Pt.2Or, when NO is no longer present,
[0059]
Thus, when the exhaust air-fuel ratio becomes lean, NOx is absorbed by the
[0060]
By the way, in this embodiment, as described above, the air-fuel mixture supplied into the
[0061]
Therefore, in this embodiment, when the lean air-fuel mixture is burned, that is, when the medium / low load operation is being performed, the stoichiometric or rich air-fuel mixture is spiked (short time) in a relatively short cycle. The air-fuel ratio of the air-fuel mixture is controlled so that combustion is performed, and NOx is released and reduced in a short cycle. As described above, in order to absorb and release NOx, the exhaust air-fuel ratio (the air-fuel ratio of the air-fuel mixture in this embodiment) is “lean” and “spike-like stoichiometric air-fuel ratio (rich air-fuel ratio) in a relatively short cycle. The control to repeat “spike)” alternately is called lean / rich spike control. In this application, the lean / rich spike control is included in the lean air-fuel ratio control.
[0062]
On the other hand, the fuel contains sulfur (S). When sulfur in the fuel burns, sulfur oxides (SOx) such as SO2 and SO3 are generated, and the
[0063]
Then the generated SO3Is absorbed in Ba while being further oxidized on the surface of platinum Pt, and is combined with barium oxide BaO to form sulfate ion SO.4 2-And diffused into Ba in the form of sulfate BaSO4Form. This BaSO4Since crystals tend to coarsen and are relatively stable, once produced, they are difficult to be decomposed and released. And BaSO in the
[0064]
In order to release SOx from the
[0065]
In this embodiment, even when the air-fuel ratio of the exhaust gas is set to the stoichiometric air-fuel ratio or the rich air-fuel ratio for the SOx poisoning recovery process, the amount of fuel injected from the fuel injection valve 11 is controlled by the
[0066]
Next, a method for detecting the degree of thermal deterioration of the
FIG. 5 shows that every time the SOx poisoning of the
[0067]
As described above, the SOx poisoning deterioration of the
[0068]
Therefore, if the NOx storage capacity of the
[0069]
In this embodiment, the NOx storage capacity is detected as follows. First, a lean air-fuel ratio exhaust gas is continuously supplied to the
[0070]
Therefore, after saturating the NOx storage capacity of the
[0071]
FIG. 6 shows an example of the temporal change in the air-fuel ratio of the incoming gas and the air-fuel ratio of the outgoing gas during the saturated NOx releasing process. In the
[0072]
In this embodiment, the rich switching time is also used to determine when to perform the SOx poisoning recovery process on the
[0073]
Further, in the exhaust purification apparatus of this embodiment, after the SOx poisoning recovery process is completed, the saturated NOx release process is executed to measure the rich switching time, and the measured rich switching time t2 and the richness of the
[0074]
Next, a method for suppressing thermal deterioration will be described. For example, in general, when the engine is decelerated, fuel cut is executed, but when the thermal deterioration has progressed to a predetermined degree, the engine is in a high temperature operating range. When the vehicle is decelerated, it is possible to suppress thermal degradation by prohibiting fuel cut. This is because when the engine is in a high temperature operation region, the
[0075]
Further, as another method for suppressing thermal degradation, when the thermal degradation has progressed to a predetermined degree, the leanness in the high temperature operation region of the engine is higher than before that (that is, when the thermal degradation has not progressed to the predetermined degree). There is a way to reduce the operating range. This is also the same reason as described above, and when the catalyst temperature of the
[0076]
Next, with reference to FIG. 7, the routine for determining the thermal deterioration of the
[0077]
<Step 101>
First, in step 101, the ECU 100 determines whether it is time to execute the SOx poisoning recovery process on the
[0078]
<Step 102>
If the determination in step 101 is affirmative, the
[0079]
<Step 103>
Next, the
[0080]
<
If the determination in
[0081]
<Step 106>
Next, the
[0082]
<Step 107>
Next, the
[0083]
<Step 108>
If an affirmative determination is made in
[0084]
In this embodiment, the
[0085]
Next, the SOx poisoning recovery process in this embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 8 shows the air-fuel ratio of the input gas of the
[0086]
First, the air-fuel ratio of the input gas is changed from the lean air-fuel ratio to the stoichiometric air-fuel ratio by the SOx poisoning recovery processing execution command, and the richness of the air-fuel ratio of the input gas is gradually increased. When the output gas SOx concentration detected by the output
[0087]
[Second Embodiment]
In this embodiment, a case will be described in which the degree of thermal deterioration of the
FIG. 13 is a schematic diagram of the exhaust emission control device in this embodiment. The
[0088]
On the other hand, the exhaust gas is connected to a
The other components such as the
[0089]
An output
FIG. 14 is a diagram illustrating an example of the NOx purification rate by the
[0090]
However, if this is repeated, as described in detail in the first embodiment, the SOx poisoning of the
The SOx poisoning of the
[0091]
Therefore, if the NOx purification rate of the
Here, the NOx purification rate is based on the amount of NOx in the exhaust gas flowing into the NOx catalyst (incoming NOx amount) and the amount of NOx in the exhaust gas by the NOx detection means installed downstream of the NOx catalyst (outgoing NOx amount). Is required.
At this time, the amount of the input NOx can be calculated from the integrated value of the NOx concentration per unit time and the exhaust gas amount from the output value by attaching a NOx sensor to the exhaust passage upstream of the
[0092]
That is, when the lean air-fuel mixture is burning, the amount of NOx discharged from the engine per unit time increases as the engine load increases, and the amount of NOx discharged from the engine per unit time increases as the engine speed increases. Increase. Therefore, the NOx amount per unit time is a function of the engine load and the engine speed. In this case, since the engine load can be represented by the absolute pressure in the surge tank, the amount NOXA of the output NOx per unit time is a function of the absolute pressure PM in the surge tank and the engine speed N. Therefore, in this embodiment, the amount of NOx per unit time is obtained beforehand by experiment as a function of the absolute pressure PM and the engine speed N, and this is stored in the RAM of the
[0093]
On the other hand, by attaching a NOx sensor to the exhaust passage downstream of the
In this way, the NOx purification rate of the
[0094]
If the NOx purification rate of the
Note that the NOx purification rate and the necessary purification rate of the
[0095]
In this embodiment, the NOx purification performance is detected as follows. First, a lean air-fuel ratio exhaust gas is continuously supplied to the
[0096]
Next, the exhaust gas flowing into the
[0097]
Further, in this embodiment, the determination of the timing for executing the SOx poisoning recovery process for the
[0098]
And when the measured NOx purification rate falls below the threshold value x shown in FIG. 14, it is considered that the NOx purification performance of the
Further, this time is determined as the time when the SOx poisoning recovery process should be executed.
[0099]
When the SOx poisoning recovery process is completed, the NOx purification rate is measured to determine whether the performance of the NOx catalyst has been recovered. As shown in FIG. 15, this is determined by whether or not the NOx purification rate exceeds the necessary purification rate within a predetermined temperature range (for example, about 300 ° C. to 420 ° C.). In FIG. 15, (1) indicates the NOx purification rate when the NOx catalyst is new, and (2) indicates the NOx purification rate when SOx is poisoned. In the state (2), SOx poisoning recovery is required, and (3) indicates the purification rate after SOx poisoning recovery.
[0100]
If the required purification rate is not secured, next, a rich spike according to the degree of thermal deterioration of the NOx catalyst is executed. This is because when the lean mixture is burned in the internal combustion engine, that is, when the medium / low load operation is being performed, the combustion of the stoichiometric or rich mixture is performed in a spike-like (short time) with a relatively short cycle. As described above, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is controlled to release and reduce NOx in a short cycle, but if the recovery of the performance deterioration is insufficient, the rich spike is increased. This includes both increasing the amount of rich spikes, or increasing the number of rich spikes, i.e. shortening the cycle of rich spikes, and either or both are performed in proportion to the degree of thermal degradation. .
[0101]
Next, in the exhaust purification system of this embodiment, after performing the rich spike control, the NOx purification rate is measured, and when the purification rate is below a predetermined level, the thermal deterioration of the
[0102]
First, lean operation is prohibited in a temperature range where performance is insufficient. This is to suppress the thermal deterioration of the
[0103]
Next, as described in the first embodiment, as another thermal degradation suppression method or a thermal degradation suppression method executed in conjunction with the above, when the engine is in a high temperature operating range Even when the operation is decelerated, thermal degradation is suppressed by prohibiting fuel cut.
Further, as a method for suppressing the thermal deterioration, a method is adopted in which the lean operation region in the high temperature operation region of the engine is reduced as compared with the case where the heat deterioration does not progress to a predetermined degree. This overlaps the above-described range of prohibition of lean operation in a temperature range where performance is insufficient, but prohibits lean operation in all high temperature operation regions above a predetermined temperature.
[0104]
Hereinafter, with reference to FIG. 17, the routine for determining the thermal deterioration of the
[0105]
<Step 201>
First, in
When this value becomes lower than the necessary purification rate, it is determined that it is time to execute the SOx poisoning recovery process. If a negative determination is made in
[0106]
<Step 202>
If the determination in
[0107]
<Step 203>
Next, the
[0108]
<Step 204>
If the determination in
[0109]
<Step 205>
Next, the
[0110]
<Step 206>
Proceeding to step 206, the
[0111]
<Step 207>
If a negative determination is made in
[0112]
<Step 208>
It is determined whether or not the NOx purification rate of the NOx catalyst has been recovered by the rich spike control executed in
[0113]
<Step 209>
If the NOx purification rate is equal to or less than the required purification rate in
[0114]
<Step 210>
Furthermore, other thermal deterioration suppression control is implemented. This is a control for reducing the lean operation region in the high temperature operation region and prohibiting the fail cut in the high temperature operation region. As a result, the subsequent thermal deterioration of the
[0115]
In this embodiment, the poisoning recovery execution time determining means in the second invention is realized by the
[0116]
Further, in this embodiment, when the NOx purification rate is not ensured by the rich spike control, it can be determined that the thermal deterioration of the
[0117]
[Other Embodiments]
The completion of the SOx poisoning recovery process execution can be determined based on whether or not the SOx poisoning recovery process execution time exceeds a predetermined time set in advance. In this case, the poisoning recovery processing time required to almost completely release the SOx stored in the
[0118]
Whether or not it is the SOx poisoning recovery processing execution time is determined that the SOx poisoning recovery processing execution time is when the amount of sulfur passing through the
[0119]
In that case, the sulfur concentration in the fuel is estimated from the SOx concentration of the input gas detected by the input
[0120]
Alternatively, the amount of SOx flowing into the
[0121]
Thus, when the amount of sulfur passing through the
[0122]
Whether or not it is the SOx poisoning recovery process execution time is estimated by estimating the SOx amount occluded in the
[0123]
Further, when the SOx accumulation counter is provided as described above, the completion of the SOx poisoning recovery process can be determined as follows. In the period during which the SOx poisoning recovery process is being executed and the output gas SOx concentration is greater than the input gas SOx concentration, the concentration difference between the output gas SOx concentration and the input gas SOx concentration is SOx released from the
[0124]
Further, the determination as to whether or not it is the SOx poisoning recovery process execution time may be determined as the SOx poisoning recovery process execution time when the SOx concentration of the output gas approaches the SOx concentration of the input gas to a predetermined level. . As shown in FIG. 11, the SOx concentration of the output gas of the
[0125]
In each of the above-described embodiments, the input
[0126]
In the above-described embodiment, the example in which the present invention is applied to a gasoline engine has been described. However, it is needless to say that the present invention can be applied to a diesel engine. In the case of a diesel engine, combustion in the combustion chamber is performed in a much leaner region than stoichiometric, so that the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the
[0127]
In the case of a gasoline engine, as described above, the air-fuel ratio supplied to the
[0128]
Therefore, when the present invention is applied to a diesel engine, in order to make the exhaust air-fuel ratio stoichiometric or rich, a reducing agent (for example, light oil as a fuel) is used in addition to burning the fuel to obtain engine output. It is necessary to supply the exhaust gas. The reducing agent can be supplied to the exhaust gas by sub-injecting fuel into the cylinder in the intake stroke, the expansion stroke, or the exhaust stroke, or the reducing agent can be supplied into the exhaust passage upstream of the
[0129]
In addition, even if it is a diesel engine, when it has an exhaust gas recirculation device (so-called EGR device), a large amount of exhaust gas recirculation gas is introduced into the combustion chamber, so that the air fuel ratio of the exhaust gas is the stoichiometric air fuel ratio. Or it is possible to make it a rich air-fuel ratio.
[0130]
【The invention's effect】
According to the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention, it is possible to determine the degree of thermal deterioration of the NOx storage reduction catalyst by including the thermal deterioration determination means for determining the degree of thermal deterioration of the NOx storage reduction catalyst. . Therefore, it can be known that the NOx purification performance is deteriorated and cannot be recovered, and a situation in which NOx in the exhaust gas is not purified by replacement of the catalyst or the like can be avoided.
[0131]
The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention further includes a thermal deterioration suppression unit that suppresses thermal degradation of the NOx storage reduction catalyst, and the thermal degradation suppression unit includes the thermal degradation determined by the thermal degradation determination unit. When the degree of thermal degradation of the NOx storage reduction catalyst reaches the predetermined level, the thermal degradation progresses after the degree of thermal degradation of the NOx storage reduction catalyst reaches the predetermined level. Can be suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a first embodiment of an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an example of a map of basic fuel injection time.
FIG. 3 is a diagram schematically showing unburned HC, CO and oxygen concentrations in exhaust gas discharged from the engine.
FIG. 4 is a diagram for explaining the NOx absorption / release action of the NOx storage reduction catalyst.
FIG. 5 is a diagram showing the progress of deterioration of the NOx storage reduction catalyst.
FIG. 6 is a diagram showing a change with time of the air-fuel ratio of the output gas during the saturated NOx releasing process in the first embodiment.
FIG. 7 is a flowchart showing a thermal deterioration determination processing routine in the first embodiment.
FIG. 8 is a graph showing temporal changes in the air-fuel ratio of the input gas and the SOx concentration of the output gas during the SOx poisoning recovery process in the first embodiment.
FIG. 9 is a diagram illustrating a method for determining the execution timing of SOx poisoning recovery processing in the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention.
FIG. 10 is a diagram for explaining a method of determining completion of SOx poisoning recovery processing in the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention.
FIG. 11 is a diagram illustrating a method for determining the execution timing of SOx poisoning recovery processing in the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention.
FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the sintering of the catalyst substance and the NOx purification performance of the NOx storage reduction catalyst.
FIG. 13 is a schematic view of an exhaust emission control device for an internal combustion engine according to a second embodiment.
FIG. 14 is a graph showing changes in the NOx purification rate in the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention.
FIG. 15 is a view for explaining SOx poisoning recovery processing of the NOx storage reduction catalyst in the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention.
FIG. 16 is a diagram showing a numerical value table used for determining the input NOx amount.
FIG. 17 is a flowchart showing a thermal deterioration determination processing routine in the first embodiment.
[Explanation of symbols]
1, 40 Engine body (internal combustion engine)
3 Combustion chamber
4 Spark plugs
11, 42 Fuel injection valve (poisoning recovery means)
16, 48 Exhaust pipe (exhaust passage)
17 NOx storage reduction catalyst
18, 49 Casing
19, 51 Exhaust pipe (exhaust passage)
21, 45 Air flow meter
23 Input gas SOx sensor (input gas SOx concentration detection means)
24 Outgas SOx sensor (Outgas SOx concentration detection means)
25 Temperature sensor
27 Air-fuel ratio sensor
30 ECU
50 Outgas NOx sensor (Outgas NOx concentration detection means)
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