JP4211426B2

JP4211426B2 - 内燃機関の排気ガス浄化装置

Info

Publication number: JP4211426B2
Application number: JP2003039635A
Authority: JP
Inventors: 仁小野寺; 浩昭金子
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-02-18
Filing date: 2003-02-18
Publication date: 2009-01-21
Anticipated expiration: 2023-02-18
Also published as: JP2004251142A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気ガス浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気通路に配置されるＮＯｘトラップ触媒は、排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）をトラップし、トラップしたＮＯｘを排気ガスの空燃比がリッチのときに脱離浄化する。この時、燃料中に含まれる硫黄成分がＳＯｘ（硫黄酸化物）として、ＮＯｘトラップ触媒に堆積してしまう。
【０００３】
そして、内燃機関の排気ガス浄化装置は、特許文献１に開示されているように、ＮＯｘトラップ触媒内のＳＯｘ（硫黄酸化物）を放出すべき時には、ＮＯｘトラップ触媒へ流入する排気ガスの空燃比をリッチとリーンとに交互に切り換えることにより、触媒の温度を上昇させ、ＮＯｘトラップ触媒が所定温度以上に達した後に、空燃比がストイキ（理論空燃比）となるようにフィードバック制御して、ＮＯｘトラップ触媒からＳＯｘを放出している。
【０００４】
しかし、空燃比がストイキとなるようにフィードバック制御すると、ＮＯｘトラップ触媒に流入する還元剤量（排気中の未燃成分：ＨＣ、ＣＯ）が減少して、還元剤の酸化反応による発熱量が減少するため、ＮＯｘトラップ触媒の温度が次第に低下してしまうという問題があった。
【０００５】
そこで特許文献２に開示されているように、ＮＯｘトラップ触媒に予め酸素ストレージ機能を付加し、ＮＯｘトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比をリーンからリッチへ切り換えるときの空燃比を１４以下とし、且つリッチ時間をリーン時間と同等以上に長くしている。これにより、リッチ空燃比において、ＮＯｘトラップ触媒にストレージされている酸素と、還元剤との酸化反応による反応熱が増加し、ＮＯｘトラップ触媒の温度が上昇し、且つ上昇した温度を維持し、ＮＯｘトラップ触媒内のＳＯｘを放出している。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−３４９４３号公報
【特許文献２】
特開２００２−１６１７８１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＮＯｘトラップ触媒に流入する空燃比において、排気ガスのリッチ空燃比が１４で且つこの状態での時間頻度も多くなる結果、ＮＯｘトラップ触媒に流入する排気ガスの平均空燃比はリッチとなり、ＳＯｘの放出に適した空燃比から外れてしまい、ＳＯｘ放出量が減少してしまう。
【０００８】
そこで前述の装置では、ＮＯｘトラップ触媒内に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中の酸素を貯蔵し、貯蔵した酸素を排気ガス空燃比がリッチの時に放出する機能を備えた材料（三元触媒）を加え、排気ガス中の還元剤を、三元触媒の酸素放出による酸化反応によって発熱させることで、ＳＯｘを放出している。
【０００９】
しかし、流入する排気ガスの空燃比がリッチの時の還元剤は、ＮＯｘトラップ触媒から放出される酸素との酸化反応が支配的であり、放出された酸素自体によって排気空燃比はストイキにはならず、ＳＯｘの放出量は減少してしまう。
【００１０】
本発明はこのような問題に鑑み、ＮＯｘトラップ触媒がＳＯｘを放出する時に、触媒に流入する排気ガス中の還元剤量と酸素量とのバランスを好適な状態を保ち、ＮＯｘトラップ触媒の温度をＳＯｘが放出可能な温度に維持することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
そのため本発明では、排気ガス空燃比がリーンのときにＮＯｘとともにトラップしたＳＯｘを放出すべきときに、前記触媒の温度がＳＯｘを放出可能な下限温度以上である場合に、排気ガス空燃比をほぼストイキを中心値としてリーンとリッチとを交互に切り換えることにより、ＮＯｘトラップ触媒に与える還元剤濃度とともに、酸素濃度も高くする排気ガス空燃比制御を行い、この場合、前記触媒の温度がＳＯｘを放出可能な下限温度以上かつ熱分解によりＳＯｘを放出可能な上限温度未満であれば、前記触媒の温度が熱分解によりＳＯｘを放出可能な上限温度以上である場合に比べて大きな排気ガス空燃比振幅で排気ガス空燃比制御を行う。
【００１２】
【発明の効果】
本発明によれば、ＮＯｘトラップ触媒からＳＯｘを放出する時に、触媒に流入する排気ガス中の還元剤量と酸素量とのバランスを好適な状態を保つことができ、且つＮＯｘトラップ触媒の温度をＳＯｘが放出可能な温度に維持することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
図１は、内燃機関（以下、「ディーゼル機関」という）の排気ガス浄化装置の構成図である。
【００１４】
ディーゼル機関１の燃料噴射装置は、公知のコモンレール式の燃料噴射装置であって、サプライポンプ、コモンレール（蓄圧室）、及び気筒毎に設けられる燃料噴射弁９から構成されている。サプライポンプによって加圧された燃料は、燃料供給通路を介してコモンレールに一旦蓄えられ、その後に、コモンレールからの高圧燃料が気筒数分の燃料噴射弁９に分配される。
【００１５】
燃料噴射弁９は、エンジン制御装置８からのＯＮ−ＯＦＦ信号によってエンジン燃焼室への燃料供給通路を開閉する電子式の噴射弁であって、ＯＮ信号によって燃料を燃焼室に噴射し、ＯＦＦ信号によって噴射を停止する。この時、燃料噴射弁へのＯＮ信号が長いほど、燃料噴射量が多くなる。これにより、排気ガスの空燃比をリッチ（燃料過剰状態）とリーン（酸素過剰状態）とを交互に振幅させるように切り換えることができる。
【００１６】
ディーゼル機関１の排気通路２には、ＮＯｘトラップ触媒３が配置されており、この上流側には空燃比計測手段としての空燃比センサ４、下流側にはＮＯｘ濃度計測手段としてのＮＯｘセンサ５がそれぞれ配置されている。さらに、ＮＯｘトラップ触媒３に流入する排気ガスの温度及び触媒３の内部温度を測定するために、触媒３の入口及び内部にそれぞれ温度センサ６，７が設けられている。
【００１７】
ＮＯｘトラップ触媒３は、ディーゼル機関１から排出される排気ガスの空燃比がリーンの時に排気中のＮＯｘをトラップし、トラップしたＮＯｘを排気ガスの空燃比がリッチの時に脱離浄化する機能を有している。そして、ＮＯｘトラップ触媒３は、ＮＯｘのトラップまたは放出をしている間に、燃料中に含まれるＳＯｘをトラップする。なおＮＯｘトラップ触媒３の配置位置については何ら限定されるものではないが、触媒３は、その内部の材料が所定温度以上になった場合にＮＯｘをトラップする機能を発揮するため、ＮＯｘトラップ触媒３に流入する排気ガスの温度がＮＯｘをトラップするＮＯｘトラップ剤の機能を発揮し得る温度域に配置されていることが望ましい。また、排気ガスの浄化性能レベルに応じて、ＮＯｘトラップ触媒３の上流または下流に他の触媒を配置してもよい。
【００１８】
空燃比センサ４は、ディーゼル機関１から排出されＮＯｘトラップ触媒３に流入する排気ガス中の空燃比を検出する。ＮＯｘセンサ５は、ＮＯｘトラップ触媒３から流出した排気ガス中のＮＯｘ濃度に応じた信号を出力し、ＮＯｘ放出量（濃度）が所定のしきい値を超えたときに、触媒３が被毒状態にあることを検出する。
【００１９】
ＮＯｘトラップ触媒３の入口部温度センサ６は、ＮＯｘトラップ触媒５に流入する排気ガスの温度に応じた信号を出力する。これにより、ＮＯｘトラップ触媒３を昇温する際の排気ガス温度の検出をする。
【００２０】
ＮＯｘトラップ触媒３の内部温度センサ７は、ＮＯｘトラップ触媒５の内部温度に応じた信号を出力する。これにより、ＮＯｘトラップ触媒３がＳＯｘ放出可能な温度であるか否かを検出する。
【００２１】
そして、センサ４〜７及びエアフロメータ等からの出力信号がエンジン制御装置８に送られ、ＮＯｘトラップ触媒３の状態に応じて、燃料噴射量、燃料噴射時期、吸入空気量などを制御することで、ディーゼル機関１の運転状態（排気ガスの空燃比、還元剤量など）を制御する。
【００２２】
エンジン制御装置８は、後述するＮＯｘトラップ触媒３からのＳＯｘ放出のときには、空燃比センサ４で検出された空燃比に応じてディーゼル機関１に対する燃料噴射条件を補正する。また、ＮＯｘトラップ触媒３の入口部温度及び内部温度を検出することにより、ＮＯｘトラップ触媒３の温度上昇に必要な排気ガスの温度制御、及びＮＯｘトラップ触媒３がＳＯｘを放出できる温度にあるか否かの判定などをする。
【００２３】
次に、内燃機関の排気浄化装置のＳＯｘ放出処理について、図２のＳＯｘ放出フローを用いて説明する。
ステップ１（図では「Ｓ１」と示す。以下同様）では、ＮＯｘトラップ触媒３がＳＯｘをトラップしている状態、すなわち硫黄被毒状態にあるか否かを判断する。ＮＯｘトラップ触媒３は、ＳＯｘをトラップすると、燃料中に含まれる硫黄成分から硫酸塩を生成する性質がある。この硫酸塩は、ＮＯｘをトラップした際に生成する硝酸塩よりも非常に安定しており、ＮＯｘトラップ機能を阻害するため、ＮＯｘトラップ触媒３のＮＯｘトラップ量を減少させてしまう。この性質を利用して、ＮＯｘセンサ５の出力から触媒３の硫黄被毒状態を検出する。
【００２４】
そして、ＮＯｘトラップ触媒３がトラップしたＮＯｘを脱離浄化するために、リッチスパイク（極短時間のリッチ燃焼）を行った後のリーン状態において、ＮＯｘセンサ５の出力が所定値を超えた際に、ＮＯｘトラップ触媒３がＳＯｘをトラップして、ＮＯｘトラップ機能が低下した状態（硫黄被毒状態）であることを判断する。
【００２５】
ここで、ＮＯｘトラップ触媒３が硫黄被毒状態にある場合にはステップ２へ進む。一方、触媒３が硫黄被毒していない状態の場合、すなわちＮＯｘ濃度が所定値以下の場合には、ＳＯｘ放出処理フローを終了する。
【００２６】
ステップ２では、ＮＯｘトラップ触媒３の内部温度ＴＮＯｘの状態を判断する。ここでは、内部温度ＴＮＯｘが、ＳＯｘを放出可能な下限温度Ｔ１以上であり、且つ排気ガスの空燃比をストイキまたはリッチにしなくとも熱分解によってＳＯｘを放出可能な上限温度Ｔ２未満であるか否か（Ｔ１≦ＴＮＯｘ＜Ｔ２）を判断する。
【００２７】
ＮＯｘトラップ触媒３の内部温度ＴＮＯｘが、ＳＯｘを放出可能な温度範囲にある場合（Ｔ１≦ＴＮＯｘ＜Ｔ２）には、ステップ３へ進む。
また、ＮＯｘトラップ触媒３の内部温度ＴＮＯｘがＳＯｘを放出可能な下限温度Ｔ１未満である場合（ＴＮＯｘ＜Ｔ１）には、ステップ６へ進み、ＮＯｘトラップ触媒３を昇温する昇温制御を行う。具体的には、ＮＯｘトラップ触媒３の昇温は、空燃比をリッチとリーンとに交互に切り換え、リーン燃焼に対するリッチ燃焼の割合（時間・リッチ度合など）を増やすことで行ったり、燃料噴射時期を遅角したりして行う。そして、ステップ２へ戻る。
【００２８】
また、ＮＯｘトラップ触媒３の内部温度ＴＮＯｘが、熱分解によってＳＯｘを放出可能な上限温度Ｔ２以上である場合（ＴＮＯｘ≧Ｔ２）には、ステップ７へ進み、ストイキにおいて通常の空燃比振幅（空燃比振幅が±０．２）での空燃比制御を行い、後述するステップ５へ進む。
【００２９】
ステップ３では、空燃比振幅を増大した空燃比制御（空燃比振幅が±１．０）、または空燃比振幅とその周波数とを制御した空燃比制御を行う。この時、排気ガスの空燃比の制御中心値はほぼストイキとしている。ここで、空燃比振幅を増大した空燃比制御と、通常の空燃比制御とを行った場合の還元剤（ＨＣ、ＣＯ）と酸素（Ｏ２）との濃度変化について、図３を参照して説明する。
【００３０】
図３は、空燃比振幅はストイキ（λ＝１）の状態における排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）振幅、ＣＯ濃度、Ｏ２濃度及びＨＣ濃度との関係を示した図であり、横軸には空燃比振幅（±値）、縦軸にはＣＯ濃度、Ｏ２濃度（％）及びＨＣ濃度（ｐｐｍ）を示している。
【００３１】
図４は、空燃比振幅によるＮＯｘトラップ触媒の内部温度の変化を示している。
通常の空燃比制御時の空燃比振幅が±０．２であるのに対して、空燃比振幅を±１．０に増大した場合には、ＣＯ、Ｏ２濃度が増大しており、ＮＯｘトラップ触媒３ではＣＯの酸化反応での反応熱によって、図４に示すように通常の空燃比制御時に比べてＮＯｘトラップ触媒３の温度が増大し、ＮＯｘトラップ触媒３がＳＯｘを放出するのに好適な状態、すなわちＮＯｘトラップ触媒３がＳＯｘを放出可能な温度に維持することができる。
【００３２】
また排気ガス空燃比を制御する際の排気ガス空燃比振幅を大きくすることに加え、振幅周波数を大きくした場合には、空燃比がリッチ及びリーンとなっている時間を短くできるため、ＮＯｘトラップ触媒３のＳＯｘ放出と温度の維持に不要な還元剤（ＨＣ、ＣＯ）及び酸素（Ｏ２）の流入を未然に防止でき、燃料消費の増加を抑えられる。
【００３３】
ここで図５は、排気ガスの空燃比に対するＮＯｘトラップ触媒３から放出されるＳＯ２の放出量を示す図であり、横軸には空燃比、縦軸にはＳＯ２放出を示している。
【００３４】
図示の通り、空燃比がストイキ（λ＝１）にある場合には、ＳＯ２放出量が多く、空燃比がリーン側またはリッチ側にある場合には、ＳＯ２放出量が小さくなる。
【００３５】
図２のステップ４では、ステップ３において空燃比振幅を増大する空燃比制御を行った後のＮＯｘトラップ触媒３の内部温度ＴＮＯｘが、熱分解によってＳＯｘを放出可能な温度Ｔ２未満であるか否か（ＴＮＯｘ＜Ｔ２）を判断する。これにより、内部温度ＴＮＯｘが十分に高く、ＮＯｘトラップ触媒３の入口の空燃比をストイキまたはリッチとしなくとも熱分解によってＳＯｘを放出可能であるか否かを判断する。
【００３６】
ＮＯｘトラップ触媒３の内部温度ＴＮＯｘが温度Ｔ２未満である場合（ＴＮＯｘ＜Ｔ２）には、ステップ５へ進む。一方、ＮＯｘトラップ触媒３の内部温度ＴＮＯｘが温度Ｔ２以上である場合（ＴＮＯｘ≧Ｔ２）には、ステップ７へ進む。
【００３７】
ステップ５では、ＳＯｘ放出処理Ｔが所定時間Ｔ０（秒）を超えて行われたか否か（Ｔ＞Ｔ０）を判断する。ＳＯｘ放出処理が所定時間Ｔ０を超えて行われた場合（Ｔ＞Ｔ０）には、ＮＯｘトラップ触媒３からＳＯｘが十分に放出されたと判断して、ＳＯｘ放出処理フローを終了する。一方、ＳＯｘ放出処理が行われた時間Ｔが所定時間Ｔ０以下の場合（Ｔ≦Ｔ０）には、触媒３のＳＯｘ放出処理が不十分であると判断して、ステップ４へ戻り、所定時間Ｔ０が経過するまでＳＯｘ放出処理を行う。
【００３８】
なお、ＮＯｘトラップ触媒３からＳＯｘを放出するときの触媒３の温度状態を、触媒３の内部温度を検出する温度センサ７によって検出し、これに基づいて排気ガスの空燃比を振幅させるように制御しているが、これに限定されるものではない。すなわち、ＮＯｘトラップ触媒３からＳＯｘを放出するときに、触媒３に流入する排気ガスの温度を触媒３の入口部に設けた温度センサ６により検出し、これに基づいて排気ガスの空燃比を制御する際の排気ガス空燃比振幅を制御してもよい。
【００３９】
本実施形態によれば、排気ガス空燃比がリーンのときにＮＯｘとともにトラップしたＳＯｘを放出すべきとき（ステップ１，２）に、排気ガス空燃比を制御することにより（ステップ３）、ＮＯｘトラップ触媒３に与える還元剤（ＨＣ、ＣＯ）の濃度とともに、酸素濃度も高くする。このため、ＮＯｘトラップ触媒３からＳＯｘを放出する際に、触媒３に流入する排気ガス中の還元剤量と酸素量とのバランスを好適な状態にすることができ、且つＮＯｘトラップ触媒３の温度をＳＯｘが放出可能な温度に維持できる。
【００４０】
また本実施形態によれば、排気ガス空燃比がリーンのときにＮＯｘとともにトラップしたＳＯｘを放出すべきときに（ステップ１，２）、排気ガス空燃比を制御する際の排気ガス空燃比振幅を大きくする（ステップ３）。このため、空燃比を大きくリッチにしたときに排気ガス中の還元剤（ＨＣ、ＣＯ）の濃度を増加させることができ、空燃比を大きくリーンにしたときに排気ガス中の酸素（Ｏ２）の濃度を増加させることができ、複数の気筒を有する機関においては、排気通路内の排気ガスが混合されることで、還元剤（ＨＣ、ＣＯ）及び酸素（Ｏ２）の両方の濃度を高くでき、触媒３のＳＯｘ放出温度を維持できる。
【００４１】
また本実施形態によれば、排気ガス空燃比がリーンのときにＮＯｘとともにトラップしたＳＯｘを放出すべきときに（ステップ１，２）、排気ガス空燃比を制御する際の排気ガス空燃比振幅を大きく、かつ振幅周波数を大きくする（ステップ３）。このため、ＳＯｘ放出時の還元剤及び酸素濃度を高くすることに加えて、空燃比がリッチ及びリーンとなっている周期を短くして、ＳＯ２の放出と触媒３の温度の維持に不要な還元剤（ＨＣ、ＣＯ）及び酸素（Ｏ２）の流入を未然に防止でき、燃料消費の増加を抑えることができる。
【００４２】
また本実施形態によれば、内燃機関１から排出される排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中のＮＯｘをトラップし、トラップしたＮＯｘを排気ガスの空燃比がリッチのときに脱離浄化する機能を有した触媒３の内部温度ＴＮＯｘを検出する手段（温度センサ７）を具備し、この内部温度ＴＮＯｘによって、排気ガス空燃比を制御する際の排気ガス空燃比振幅を制御する。このため、内部温度ＴＮＯｘがＳＯｘを放出すべき温度範囲（Ｔ１≦ＴＮＯｘ＜Ｔ２）にある場合を判断でき、これに基づいて排気ガスの空燃比振幅を増大する制御をして、ＮＯｘトラップ触媒３に与える還元剤（ＨＣ、ＣＯ）濃度とともに、酸素（Ｏ２）濃度も高くすることができる。
【００４３】
また本実施形態によれば、内燃機関１から排出される排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中のＮＯｘをトラップし、トラップしたＮＯｘを排気ガスの空燃比がリッチのときに脱離浄化する機能を有した触媒３に流入する排気ガスの温度を検出する手段（温度センサ６）を具備し、流入する排気ガスの温度によって、排気ガス空燃比を制御する際の排気ガス空燃比振幅を制御する。このため、不要な空燃比制御による燃料消費量を抑えることができる。このため、ＮＯｘトラップ触媒３において、トラップされたＳＯｘの放出は、還元剤（ＨＣ、ＣＯ）によるトラップ成分の還元と、熱によるトラップ成分の熱分解であり、トラップ成分の熱分解が起こる温度（Ｔ２）まで触媒３の温度が上昇すると、触媒３に流入する排気ガスの空燃比をストイキまたはリッチに切り換えなくてもＳＯｘがＳＯ２として放出するので、流入する排気ガスの空燃比制御を触媒３の温度によって制御することにより不要な空燃比制御による燃料消費量を抑えることができる。
【００４４】
また本実施形態によれば、排気ガス空燃比がリーンのときにＮＯｘとともにトラップしたＳＯｘを放出すべきときに（ステップ１，２）、排気ガス空燃比の振幅を大きくする制御を行ったとき、その排気ガス空燃比の制御中心値はほぼストイキであるようにした（ステップ３）。このため、ＮＯｘトラップ触媒３にＳＯｘが最も堆積する状態は、空燃比がストイキにある場合であり、空燃比幅をストイキが中心となるようにすることで触媒３に堆積するＳＯｘを効率よく放出することできる（図５参照）。
【００４５】
また本実施形態によれば、還元剤（ＨＣ、ＣＯ）の供給は、燃焼室に供給する燃料を増量することで行うので、特別な装置を設けることなく実施できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の排気ガス浄化装置の構成図
【図２】ＳＯｘ放出処理のフローチャート
【図３】空燃比振幅と、ＣＯ濃度、Ｏ２濃度、ＨＣ濃度との関係図
【図４】空燃比振幅と、触媒の温度上昇との関係図
【図５】空燃比に対して触媒から放出されるＳＯｘの放出量を示す図
【符号の説明】
１ディーゼル機関
２排気通路
３ＮＯｘトラップ触媒
４空燃比センサ
５ＮＯｘセンサ
６入口部温度センサ
７内部温度センサ
８エンジン制御装置
９燃料噴射弁

Claims

内燃機関の排気通路内に、内燃機関から排出される排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中のＮＯｘをトラップし、トラップしたＮＯｘを排気ガスの空燃比がリッチのときに脱離浄化する機能を有したＮＯｘトラップ触媒を具備した内燃機関の排気ガス浄化装置において、
排気ガス空燃比がリーンのときにＮＯｘとともにトラップしたＳＯｘを放出すべきときに、前記触媒の温度がＳＯｘを放出可能な下限温度以上である場合に、排気ガス空燃比をほぼストイキを中心値としてリーンとリッチとを交互に切り換えることにより、ＮＯｘトラップ触媒に与える還元剤濃度とともに、酸素濃度も高くする排気ガス空燃比制御を行い、
この場合、前記触媒の温度がＳＯｘを放出可能な下限温度以上かつ熱分解によりＳＯｘを放出可能な上限温度未満であれば、前記触媒の温度が熱分解によりＳＯｘを放出可能な上限温度以上である場合に比べて大きな排気ガス空燃比振幅で排気ガス空燃比制御を行うことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
排気ガス空燃比がリーンのときにＮＯｘとともにトラップしたＳＯｘを放出すべきときに、前記触媒の温度がＳＯｘを放出可能な下限温度以上かつ熱分解によりＳＯｘを放出可能な上限温度未満である場合は、前記触媒の温度が熱分解によりＳＯｘを放出可能な上限温度以上である場合に比べて大きな排気ガス空燃比振幅周波数で排気ガス空燃比制御を行うことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
還元剤の供給は、燃焼室に供給する燃料を増量することにより行う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ガス浄化装置。