JP3674358B2

JP3674358B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP3674358B2
Application number: JP3665899A
Authority: JP
Inventors: 浩行金坂; 仁小野寺; 雅紀中村
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1999-02-16
Filing date: 1999-02-16
Publication date: 2005-07-20
Anticipated expiration: 2019-02-16
Also published as: JP2000234512A; EP1030043A3; EP1030043A2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に、リーン燃焼に伴って多く排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）を、ＮＯｘ吸収剤を用いて除去するようにした排気浄化装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃費の向上、二酸化炭素の排出量の削減といった観点から、理論空燃比よりも高い空燃比でも運転し得るいわゆるリーンバーンエンジンが注目されているが、この種の内燃機関では、リーン運転時におけるＮＯｘの処理が大きな課題となる。このリーン運転中のＮＯｘの処理方法の一つとして、流入する排気の空燃比がリーンであるときにＮＯｘを吸収し、流入する排気の空燃比がリッチとなるとＮＯｘを放出する特性を有するＮＯｘ吸収剤を用いた排気浄化装置が知られている。
【０００３】
一方、内燃機関に用いられる燃料や潤滑油の中に、イオウ成分が含まれていることから、燃焼後に排出される排気ガス中には、イオウの酸化物であるいわゆるＳＯｘ成分が含まれている。このＳＯｘは、ＮＯｘと同様にＮＯｘ吸収剤に吸収されるが、このＮＯｘ吸収剤に吸収されたＳＯｘは、ＮＯｘの吸収を阻害する。つまり、ＳＯｘがＮＯｘ吸収剤に吸収されるに従って、ＮＯｘ吸収剤のＮＯｘ吸収能力が低下してしまう。
【０００４】
そこで、このようなＳＯｘ成分によるＮＯｘ吸収能力の低下を回避するために、内燃機関の排気通路において、ＮＯｘ吸収剤の上流側に、ＳＯｘを吸収し得るＳＯｘ吸収剤を配置し、ＮＯｘ吸収剤に流入する排気ガスから予めＳＯｘを除去するようにした排気浄化装置が、特開平６−２２９２３１号公報等で提案されている。そして、上記公報のものでは、ＳＯｘ吸収剤のＳＯｘ吸収量が増えてくるとＳＯｘ吸収剤を通過してＮＯｘ吸収剤に流入するＳＯｘ量が増加するので、ＳＯｘ吸収量を逐次推定し、このＳＯｘ吸収量が所定量に達したときに、空燃比をリッチ化して、ＳＯｘ吸収剤からＳＯｘを放出させるように構成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようにＳＯｘ吸収剤からＳＯｘを放出させるには、一般に空燃比のリッチ化が行われるが、この空燃比のリッチ化は、燃費の悪化を伴うので、その頻度は極力少ないことが望ましい。換言すれば、下流側に配置されるＮＯｘ吸収剤のＮＯｘ吸収性能に実際に悪影響を与える段階の直前に、空燃比のリッチ化によるＳＯｘ放出処理が実行されることが望ましい。
【０００６】
上記公報に記載の方法では、ＳＯｘ吸収剤におけるＳＯｘ吸収量のみでＳＯｘ放出処理のタイミングを判断しており、ＮＯｘ吸収剤の入口側でのＳＯｘ濃度が低くＮＯｘ吸収剤へのＳＯｘ付着が問題とならないような場合でも、必要以上に空燃比のリッチ化が実行される可能性があり、燃費が悪化し易い。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、内燃機関の排気通路に、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンなときにＮＯｘを吸収するＮＯｘ吸収剤を備えるとともに、このＮＯｘ吸収剤の上流側に、排気中のＳＯｘ成分を吸収するＳＯｘ吸収剤が設けられてなる内燃機関の排気浄化装置において、機関運転中に上記ＮＯｘ吸収剤の入口側のＳＯｘ濃度を推定するＳＯｘ濃度推定手段と、上記ＮＯｘ吸収剤の温度条件に基づいて、該ＮＯｘ吸収剤に流入する排気の許容ＳＯｘ濃度を求める許容ＳＯｘ濃度設定手段と、上記の推定されたＳＯｘ濃度がこの許容ＳＯｘ濃度を超えたときに上記ＳＯｘ吸収剤からＳＯｘを強制的に放出させるＳＯｘ放出手段と、を備えていることを特徴としている。
【０００８】
この発明では、ＳＯｘ吸収剤に吸収されているＳＯｘ量そのものではなく、このＳＯｘ吸収剤を通過したＳＯｘによるＮＯｘ吸収剤入口側のＳＯｘ濃度に基づいて、ＳＯｘ吸収剤からのＳＯｘの強制的な放出が行われる。
【０００９】
上記ＳＯｘ放出手段は、例えば請求項３のように、内燃機関の空燃比を一時的にリッチとする空燃比制御手段からなる。
【００１０】
請求項１の発明をさらに具体化した請求項２の発明では、上記ＳＯｘ濃度推定手段は、ＳＯｘ吸収剤に残存しているＳＯｘ吸収量を推定するＳＯｘ吸収量推定手段と、このＳＯｘ吸収量をパラメータの一つとしてＳＯｘ吸収剤のＳＯｘ吸収率を求めるＳＯｘ吸収率推定手段と、を含み、上記ＳＯｘ吸収率を用いてＳＯｘ濃度を推定することを特徴としている。
【００１１】
上記ＳＯｘ吸収率推定手段は、例えば請求項５のように、ＳＯｘ吸収剤に残存しているＳＯｘ吸収量と、ＳＯｘ吸収剤の入口側の排気温度と、空燃比と、をパラメータとしてＳＯｘ吸収率を求めるようになっている。
【００１２】
すなわち、ＳＯｘ吸収剤に残存しているＳＯｘ吸収量は、例えば運転履歴等に基づいて推定されるが、この残存するＳＯｘ吸収量が仮に同一であっても、温度条件やＳＯｘ吸収剤に流入する排気の空燃比等によって、ＳＯｘの吸収率は異なる。このＳＯｘ吸収剤におけるＳＯｘ吸収率が低ければ、下流側へ流れるＳＯｘの濃度は相対的に高くなり、逆に、ＳＯｘ吸収率が高ければ、下流側へ流れるＳＯｘの濃度は相対的に低くなる。このように、ＮＯｘ吸収剤の入口側でのＳＯｘ濃度に基づいて空燃比のリッチ化等によるＳＯｘ放出処理を実行するようにすれば、本当に必要な場合にのみＳＯｘ放出処理が行われることになる。
【００１３】
請求項２の発明をさらに具体化した請求項４の発明では、上記ＳＯｘ放出手段は、内燃機関の空燃比を一時的にリッチとする空燃比制御手段からなり、上記ＳＯｘ吸収量推定手段は、空燃比を一時的にリッチとしたときの排気温度、リッチ度合いおよびリッチ化の期間からＳＯｘ放出量を推定して、残存するＳＯｘ吸収量を修正することを特徴としている。
【００１４】
【発明の効果】
この発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、ＮＯｘ吸収剤の上流側にＳＯｘ吸収剤を配置することでＳＯｘによるＮＯｘ吸収性能の低下を回避することができ、しかも、空燃比のリッチ化等によるＳＯｘ吸収剤からのＳＯｘ放出処理を、単にＳＯｘ吸収量ではなくＮＯｘ吸収剤入口側でのＳＯｘ濃度に基づいて実行することにより、不必要なＳＯｘ放出処理を防止できる。つまり、ＳＯｘ放出処理を、実際に必要な時期に最小限の頻度で行うことができ、リッチ化に伴う燃費の悪化等を防止できる。
【００１５】
また請求項４の発明によれば、ＳＯｘ放出処理の際のＳＯｘ放出量を推定して残存するＳＯｘ吸収量を修正するので、その後のＳＯｘ吸収量の推定の精度を高く保つことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１７】
図１は、この発明に係る内燃機関の排気浄化装置の構成を示すもので、火花点火式ガソリン機関からなる内燃機関１の排気通路２に、ＮＯｘ吸収作用を有する触媒からなるＮＯｘ吸収剤３が介装されている。このＮＯｘ吸収剤３は、流入する排気の空燃比がリーンの条件では排気中のＮＯｘを吸収し、かつリッチの条件では排気中の還元成分によって吸収していたＮＯｘを放出すると同時に還元浄化する特性を有している。また、このＮＯｘ吸収剤３の上流側には、排気中のＳＯｘを吸収し得るＳＯｘ吸収剤４が介装されている。
【００１８】
上記ＮＯｘ吸収剤３としては、例えば、ハニカム状のモノリス担体に、［（Ｌｎ１−α Ａ α）１−β ＢＯ δ］で示される複合酸化物と、白金、パラジウム、ロジウムから選ばれた少なくとも一種を含む層をコーティングしたものを用いることができる。ここで、αは、０≦α≦１、βは、０＜β＜１、δは、各元素の原子価を満足する酸素量、であり、また、Ｌｎは、Ｌａ，Ｃｅ，Ｎｄ，Ｓｍから選ばれた少なくとも一種の元素、Ａは、Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｎａ，Ｋ，Ｃｓから選ばれた少なくとも一種の元素、Ｂは、鉄，コバルト，ニッケル，マンガンから選ばれた少なくとも一種の元素、をそれぞれ示している。
【００１９】
また上記ＳＯｘ吸収剤４としては、例えば、ハニカム状のモノリス担体に、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類、遷移金属から選ばれる少なくとも一種と、白金、パラジウム、ロジウムから選ばれた少なくとも一種とを含む層をコーティングしたものを用いることができる。
【００２０】
上記ＳＯｘ吸収剤４の入口部には、ＳＯｘ吸収剤入口排気温度ＴｅｘＳを検出する第１排気温度センサ５が、ＮＯｘ吸収剤３の入口部には、ＮＯｘ吸収剤入口排気温度ＴｅｘＮを検出する第２排気温度センサ６が、それぞれ配置されている。これらが検出した排気温度信号は、エンジンコントロールユニット７に入力されている。また上記エンジンコントロールユニット７には、図示せぬエアフロメータにより検出される吸入空気量信号や、クランク角センサにより検出される機関回転数信号等も入力される。エンジンコントロールユニット７は、これらの検出信号に基づき、図示せぬ燃料噴射弁による燃料噴射量つまり空燃比の制御や、噴射時期、点火時期等の制御を行っている。
【００２１】
図２は、上記エンジンコントロールユニット７において実行されるＳＯｘの放出処理の流れを示すフローチャートである。このルーチンは、一定時間毎に繰り返し実行されるものであって、まずステップ１で、機関回転数や負荷等の機関運転状態を読み込む。次に、ステップ２で、第１排気温度センサ５により検出されるＳＯｘ吸収剤入口排気温度ＴｅｘＳを読み込む。なお、この例では、ＳＯｘ吸収剤４の入口部に第１温度センサ５を設けているが、ＳＯｘ吸収剤４自体の温度を検出するように温度センサを設けてもよく、また温度センサを用いずに、内燃機関１の運転履歴から温度を推定するようにしてもよい。ステップ３では、第２排気温度センサ６により検出されるＮＯｘ吸収剤入口排気温度ＴｅｘＮを読み込む。なお、この例では、ＮＯｘ吸収剤３の入口部に第２温度センサ６を設けているが、やはりＮＯｘ吸収剤３自体に温度センサを設けてもよく、また温度センサを用いずに、内燃機関１の運転履歴から温度を推定するようにしてもよい。
【００２２】
次に、ステップ４では、内燃機関１が現在リーン空燃比で運転されているか否かを判定する。リーン運転であれば、ＳＯｘ吸収剤４に排気中のＳＯｘが吸収され、リッチ空燃比であれば、逆にＳＯｘ吸収剤４からＳＯｘが放出される。通常はリーン空燃比でもって運転がなされ、従って、ステップ４からステップ５以降へ進む。
【００２３】
ステップ５では、機関運転状態と空燃比とに基づいて、内燃機関１から排気通路２へ排出される所定時間（例えばこのルーチンの実行間隔時間）当たりのＳＯｘ量ＳＯＸｅｘを算出する。なお、燃料に含まれるイオウの割合はほぼ一定なので、所定時間当たりの燃料供給量が多くなるほどＳＯｘ排出量ＳＯＸｅｘは大きな値となる。
【００２４】
次にステップ６に進み、ＳＯｘ吸収剤４のＳＯｘ吸収率Ｓａ１を算出する。これは、ＳＯｘ吸収剤４に残存しているＳＯｘ吸収量ＳＯＸと、ＳＯｘ吸収剤入口排気温度ＴｅｘＳと、空燃比と、をパラメータとして求められ、かつ０〜１の値として与えられる。各パラメータに対する特性としては、次のようになる。すなわち、ＳＯｘ吸収量ＳＯＸが少ないほどＳＯｘ吸収率Ｓａ１は大となり、ＳＯｘ吸収量ＳＯＸが０のときに最大となる。ＳＯｘ吸収剤入口排気温度ＴｅｘＳが所定温度のときにＳＯｘ吸収率Ｓａ１が最大となり、これよりも低くなるに従ってＳＯｘ吸収率Ｓａ１は小さくなる。ＳＯｘ吸収剤４の活性温度以下では、０である。また所定温度よりも高くなるに従って同様にＳＯｘ吸収率Ｓａ１は小さくなり、ＳＯｘ吸収剤４のＳＯｘ放出温度以上では、０である。また、空燃比については、リーンの度合いが小さくなるほどＳＯｘ吸収率Ｓａ１は小さくなり、理論空燃比よりリッチ側では、０である。
【００２５】
次に、ステップ７に進み、現在、ＳＯｘ吸収剤４に残存しているＳＯｘ吸収量ＳＯＸを、ＳＯＸ＝ＳＯＸｚ＋ＳＯＸｅｘ＊Ｓａ１として求める。ここで、ＳＯＸｚは前回値であり、また「ＳＯＸｅｘ＊Ｓａ１」は、前回の演算から今回の演算までの間に新しくＳＯｘ吸収剤４に吸収されたＳＯｘ量に相当する。
【００２６】
ステップ８では、下流のＮＯｘ吸収剤３に流入する排気中のＳＯｘ濃度Ｓｎｉを、Ｓｎｉ＝ＳＯＸｅｘ＊Ｋ１＊（１−Ｓａ１）として求める。ここで、「ＳＯＸｅｘ＊（１−Ｓａ１）」は、内燃機関１から排出されたＳＯｘの中で、ＳＯｘ吸収剤４を通過してＮＯｘ吸収剤３に流入するＳＯｘ量に相当する。Ｋ１は、ＳＯｘ量を濃度に変換するための定数である。
【００２７】
またステップ９では、ＮＯｘ吸収剤入口排気温度ＴｅｘＮに基づいて、ＮＯｘ吸収剤３に流入する排気の許容ＳＯｘ濃度を求める。上記ＮＯｘ吸収剤入口排気温度ＴｅｘＮが高いほど、許容ＳＯｘ濃度が高くなる。
【００２８】
次に、ステップ１０では、ステップ８で推定されたＳＯｘ濃度Ｓｎｉがステップ９の許容ＳＯｘ濃度を超えているか否かを判定する。許容ＳＯｘ濃度を超えていれば、ＳＯｘ吸収剤４におけるＳＯｘの放出制御を行う必要があるので、ステップ１１へ進んで、ＳＯｘ放出フラグＦｓｏｘを１とする。許容ＳＯｘ濃度以下であれば、そのままステップ１６へ進む。
【００２９】
ステップ１６では、そのときのＳＯｘ吸収量ＳＯＸを、記憶する。なお、次回のルーチンで前回値ＳＯＸｚとして用いられる。
【００３０】
上記ＳＯｘ放出フラグＦｓｏｘが１であると、図示せぬ空燃比制御ルーチンによって、空燃比がリッチに補正される。これにより、ＳＯｘ吸収剤４からＳＯｘが放出される。
【００３１】
ＳＯｘ放出フラグＦｓｏｘが１となって空燃比がリッチとなると、ステップ４からステップ１２へ進む。ステップ１２では、このリッチ化によるＳＯｘ吸収剤４からのＳＯｘ放出率Ｓｒ１を算出する。これは、ＳＯｘ吸収剤４に残存しているＳＯｘ吸収量ＳＯＸと、ＳＯｘ吸収剤入口排気温度ＴｅｘＳと、空燃比と、をパラメータとして求められ、かつ０〜１の値として与えられる。各パラメータに対する特性としては、次のようになる。すなわち、ＳＯｘ吸収量ＳＯＸが少ないほどＳＯｘ放出率Ｓｒ１は小となり、ＳＯｘ吸収量ＳＯＸが０のときに０となる。ＳＯｘ吸収剤入口排気温度ＴｅｘＳが低いほどＳＯｘ放出率Ｓｒ１は小さくなり、ＳＯｘ吸収剤４のＳＯｘ放出温度以下では、０である。また、空燃比については、リッチの度合いが小さくなるほどＳＯｘ放出率Ｓｒ１は小さくなり、理論空燃比よりリーン側では、０である。
【００３２】
次に、ステップ１３に進み、現在、ＳＯｘ吸収剤４に残存しているＳＯｘ吸収量ＳＯＸを、ＳＯＸ＝ＳＯＸｚ−ＳＯＸｚ＊Ｓｒ１として求める。ここで、ＳＯＸｚは前回値であり、また「ＳＯＸｚ＊Ｓｒ１」は、前回の演算から今回の演算までの間にＳＯｘ吸収剤４から放出されたＳＯｘ量に相当する。つまり、放出に伴って、ＳＯｘ吸収量ＳＯＸは徐々に減少していく。
【００３３】
そして、ステップ１４では、上記のＳＯｘ吸収量ＳＯＸが、所定値ＳＯＸｍｉｎ以下となったか判定する。この所定値ＳＯＸｍｉｎは、０近傍の比較的小さい値に設定される。ステップ１４で所定値ＳＯＸｍｉｎより大きければ、ステップ１６でＳＯｘ吸収量ＳＯＸの値を記憶し、上述したルーチンを繰り返す。また所定値ＳＯＸｍｉｎ以下となれば、ステップ１５でＳＯｘ放出フラグＦｓｏｘを０とし、リッチ化を終了する。なお、ステップ１６で記憶されたＳＯｘ吸収量ＳＯＸの値は、内燃機関１の停止後も保持され、次回の運転時に該ＳＯｘ吸収量ＳＯＸの推定が継続される。
【００３４】
このように、上記実施例では、ＳＯｘ吸収剤４を通過したＳＯｘによる下流のＮＯｘ吸収剤３に流入する排気中のＳＯｘ濃度Ｓｎｉに基づいてＳＯｘの強制的な放出処理が実行される。従って、ＳＯｘ吸収量ＳＯＸは多いものの実際のＳＯｘ濃度Ｓｎｉは低いような状況で不必要にリッチ化が行われることがなく、燃費の悪化を最小限とすることができる。また、一旦ＳＯｘ濃度Ｓｎｉが許容ＳＯｘ濃度を超えたら、ＳＯｘ吸収量ＳＯＸがほぼ０となるまで放出処理が継続されるので、頻繁にＳＯｘ放出処理が繰り返されることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る排気浄化装置の構成を示す構成説明図。
【図２】この排気浄化装置におけるＳＯｘ放出処理の流れを示すフローチャート。
【符号の説明】
１…内燃機関
３…ＮＯｘ吸収剤
４…ＳＯｘ吸収剤
５…第１排気温度センサ
６…第２排気温度センサ

Claims

内燃機関の排気通路に、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンなときにＮＯｘを吸収するＮＯｘ吸収剤を備えるとともに、このＮＯｘ吸収剤の上流側に、排気中のＳＯｘ成分を吸収するＳＯｘ吸収剤が設けられてなる内燃機関の排気浄化装置において、機関運転中に上記ＮＯｘ吸収剤の入口側のＳＯｘ濃度を推定するＳＯｘ濃度推定手段と、上記ＮＯｘ吸収剤の温度条件に基づいて、該ＮＯｘ吸収剤に流入する排気の許容ＳＯｘ濃度を求める許容ＳＯｘ濃度設定手段と、上記の推定されたＳＯｘ濃度がこの許容ＳＯｘ濃度を超えたときに上記ＳＯｘ吸収剤からＳＯｘを強制的に放出させるＳＯｘ放出手段と、を備えていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
上記ＳＯｘ濃度推定手段は、ＳＯｘ吸収剤に残存しているＳＯｘ吸収量を推定するＳＯｘ吸収量推定手段と、このＳＯｘ吸収量をパラメータの一つとしてＳＯｘ吸収剤のＳＯｘ吸収率を求めるＳＯｘ吸収率推定手段と、を含み、上記ＳＯｘ吸収率を用いてＳＯｘ濃度を推定することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記ＳＯｘ放出手段は、内燃機関の空燃比を一時的にリッチとする空燃比制御手段からなることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記ＳＯｘ放出手段は、内燃機関の空燃比を一時的にリッチとする空燃比制御手段からなり、上記ＳＯｘ吸収量推定手段は、空燃比を一時的にリッチとしたときの排気温度、リッチ度合いおよびリッチ化の期間からＳＯｘ放出量を推定して、残存するＳＯｘ吸収量を修正することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記ＳＯｘ吸収率推定手段は、ＳＯｘ吸収剤に残存しているＳＯｘ吸収量と、ＳＯｘ吸収剤の入口側の排気温度と、空燃比と、をパラメータとしてＳＯｘ吸収率を求めることを特徴とする請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置。