JP2000110552A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
内燃機関の排気浄化装置Info
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Abstract
置を提供する。 【解決手段】 高温且つ排気空燃比がリッチ空燃比であ
るときに当該吸蔵した硫黄成分を放出可能な第1の触媒
(30)の下流に酸素貯留機能を有する第2の触媒(32)が設
けられており、さらに第2の触媒に空気を供給する空気
供給手段(40,42,44,45)が設けられている。そして、第
1の触媒から硫黄成分が放出される機関運転状態のと
き、上記空気供給手段が空気供給制御手段(50)によって
作動させられる。
Description
化装置に係り、詳しくは、排気中の硫黄成分により発生
する硫化水素(H2S)の大気中への排出を防止する技
術に関する。
ァ)成分(硫黄成分)が含まれており、このS成分は酸
素と反応してSOx(硫黄酸化物)となり、該SOxは例
えば硫酸塩X−SO4として触媒(三元触媒、NOx触媒
等)に吸蔵される(S被毒)。このように触媒に吸蔵さ
れたSOxは、特開平7−217474号公報等に開示
されるように、触媒が所定の高温となり且つ排気空燃比
がリッチ空燃比状態(酸素濃度が低下した還元雰囲気)
とされることで二酸化硫黄(SO2)に還元され放出
(Sパージ)されることが知られている。
リッチ空燃比のリッチ化度合が大きいと、SO2ととも
にH2Sが生成され、該H2Sも大気中に排出される。し
かしながら、良く知られているようにH2Sには異臭を
放つという特性があり、当該H2Sの排出を抑えること
が課題となっていた。そこで、Ni(ニッケル)やCa
(カルシウム)等の硫化物を生成し易い物質を触媒に添
加することで触媒本体にSOxが吸蔵されないように図
り、これにより触媒が所定の高温となり且つ排気空燃比
がリッチ空燃比状態となったときにおいてH2Sの生成
を抑える技術が例えば特開平7−194978号公報に
開示されている。
ラップを触媒下流に設ける技術が例えば特開平8−29
4618号公報に開示されている。
7−194978号公報に開示された技術では、Niや
Ca等により生成された硫化物は触媒内に残留し続ける
ことになり、例えば触媒の劣化を早めることになり好ま
しいことではない。さらに、NiやCa等による硫化物
の生成能力には限界があり、当該限界を越えるとやはり
上記従来のような問題が発生することになる。
に開示された技術では、リッチ空燃比運転が継続される
と、捕獲されたH2Sが酸化されずにH2Sトラップに堆
積することになり、H2Sトラップの捕獲能力を越えた
ときには、H2Sが捕獲されないままに排出される虞が
あり好ましいことではない。本発明はこのような問題点
を解決するためになされたもので、その目的とするとこ
ろは、H2Sの排出を抑えた内燃機関の排気浄化装置を
提供することにある。
ために、請求項1の発明では、高温且つ排気空燃比がリ
ッチ空燃比であるときに当該吸蔵した硫黄成分を放出可
能な第1の触媒の下流に酸素貯留機能を有する第2の触
媒が設けられており、さらに第2の触媒に空気を供給す
る空気供給手段が設けられている。そして、第1の触媒
から硫黄成分が放出される機関運転状態のとき当該空気
供給手段を作動させる空気供給制御手段を備えている。
気空燃比がリッチ空燃比とされた場合、吸蔵された硫黄
成分が放出され、H2Sが生成される場合があるが、こ
のとき、空気供給手段が空気供給制御手段により作動
し、下流に設けられた第2の触媒に空気が供給されて当
該空気中の酸素が第2の触媒に貯留され、該貯留された
酸素によってH2Sが良好に酸化される。これにより排
ガスが異臭を放つことが確実に防止される。
面に基づき説明する。図1を参照すると、車両に搭載さ
れた本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図
が示されており、以下同図に基づいて本発明に係る内燃
機関の排気浄化装置の構成を説明する。
は、例えば、燃料噴射モード(運転モード)を切換える
ことで吸気行程での燃料噴射(吸気行程噴射モード)ま
たは圧縮行程での燃料噴射(圧縮行程噴射モード)を実
施可能な筒内噴射型火花点火式直列4気筒ガソリンエン
ジンとされている。そして、この筒内噴射型のエンジン
1は、容易にして理論空燃比(ストイキオ)での運転や
リッチ空燃比での運転(リッチ空燃比運転)の他、リー
ン空燃比での運転(リーン空燃比運転)が実現可能とさ
れており、特に圧縮行程噴射モードでは、超リーン空燃
比での運転が可能とされている。
ヘッド2には、各気筒毎に点火プラグ4とともに電磁式
の燃料噴射弁6が取り付けられており、これにより、燃
焼室8内に燃料を直接噴射可能とされている。燃料噴射
弁6には、燃料パイプを介して燃料タンクを擁した燃料
供給装置(共に図示せず)が接続されている。より詳し
くは、燃料供給装置には、低圧燃料ポンプと高圧燃料ポ
ンプとが設けられており、これにより、燃料タンク内の
燃料を燃料噴射弁6に対し低燃圧或いは高燃圧で供給
し、該燃料を燃料噴射弁6から燃焼室内に向けて所望の
燃圧で噴射可能とされている。この際、燃料噴射量は高
圧燃料ポンプの燃料吐出圧と燃料噴射弁6の開弁時間、
即ち燃料噴射時間とから決定される。
方向に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連
通するようにして吸気マニホールド10の一端がそれぞ
れ接続されている。そして、吸気マニホールド10の他
端にはスロットル弁11が接続されており、該スロット
ル弁11にはスロットル開度θthを検出するスロットル
センサ11aが設けられている。
略水平方向に排気ポートが形成されており、各排気ポー
トと連通するようにして排気マニホールド12の一端が
それぞれ接続されている。図中符号13は、クランク角
を検出するクランク角センサであり、該クランク角セン
サ13はエンジン回転速度Neを検出可能とされてい
る。
公知のものであり、その構成の詳細についてはここでは
説明を省略する。同図に示すように、排気マニホールド
12には排気管(排気通路)14が接続されており、こ
の排気管14にはエンジン1に近接した小型の近接三元
触媒20、吸蔵型NOx触媒(第1の触媒)30及び三
元触媒(第2の触媒)32を介してマフラー(図示せ
ず)が接続されている。つまり、本発明の排気浄化装置
では吸蔵型NOx触媒30の下流に三元触媒32を有し
ている。また、排気管14の吸蔵型NOx触媒30直上
流部には排気温度を検出する高温センサ16が設けられ
ている。
いてNOxを一旦吸蔵させ、主としてCOの存在する還
元雰囲気中においてNOxをN2(窒素)等に還元させる
機能を持つものである。詳しくは、吸蔵型NOx触媒3
0は、貴金属として白金(Pt),ロジウム(Rh)等
を有した触媒として構成されており、吸蔵材としてはバ
リウム(Ba)等のアルカリ金属、アルカリ土類金属が
採用されている。
あり、内部に酸素を貯留する機能を有している。また、
大気開放口46からフィルタ47を介して2次エア管路
40が延びており、その先端は吸蔵型NOx触媒30と
三元触媒32との間の排気通路に臨んで開口している。
該2次エア管路40にはエアポンプ42、絞切弁45が
介装されており、該エアポンプ42を作動させるととも
にソレノイド44を作動させ絞切弁45を開弁すること
で、大気中の空気が排気通路を介して三元触媒32内に
2次エアとして供給可能とされている(空気供給手
段)。これにより、三元触媒32内に当該2次エア中の
酸素が十分に貯留可能とされる。
RAM、不揮発性RAM等)、中央処理装置(CP
U)、タイマカウンタ等を備えたECU(電子コントロ
ールユニット)50が設置されており、このECU50
により、エンジン1を含めた本発明に係る内燃機関の排
気浄化装置の総合的な制御が行われる。ECU50の入
力側には、上述したスロットルセンサ11a、高温セン
サ16等の各種センサ類が接続されており、これらセン
サ類からの検出情報が入力する。
ルを介して上述した点火プラグ4や燃料噴射弁6、エア
ポンプ42、ソレノイド44等が接続されており、これ
ら点火コイル、燃料噴射弁6、エアポンプ42、ソレノ
イド44等には、各種センサ類からの検出情報に基づき
演算された駆動信号が出力される。燃料噴射弁6、点火
コイルに関していえば、燃料噴射量や点火時期等の最適
値がそれぞれ出力されることになり、燃料噴射弁6から
適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、点火プラ
グ4によって適正なタイミングで点火が実施される。
ンサ11aからのスロットル開度情報θthとクランク角
センサ13からのエンジン回転速度情報Neとに基づい
てエンジン負荷に対応する目標筒内圧、即ち目標平均有
効圧Peを求めるようにされており、さらに、当該目標
平均有効圧Peとエンジン回転速度情報Neとに応じて燃
料噴射モード設定マップ(図示せず)より燃料噴射モー
ドを設定するようにされている。例えば、目標平均有効
圧Peとエンジン回転速度Neとが共に小さいときには、
燃料噴射モードは圧縮行程噴射モードとされ、燃料は圧
縮行程で噴射され、一方、目標平均有効圧Peが大きく
なり或いはエンジン回転速度Neが大きくなると燃料噴
射モードは吸気行程噴射モードとされ、燃料は吸気行程
で噴射される。吸気行程噴射モードには、リーン空燃比
とされる吸気リーンモード、理論空燃比とされるストイ
キオフィードバックモード、及び、リッチ空燃比を含む
オープンループモード(O/Lモード)とがある。
転速度Neとから制御目標となる目標空燃比(目標A/
F)が設定され、上記適正量の燃料噴射量は該目標A/
Fに基づいて決定される。また、上記高温センサ16に
より検出された排気温度情報からは吸蔵型NOx触媒3
0の温度、即ち触媒温度Tcatが推定される。詳しく
は、高温センサ16を吸蔵型NOx触媒30に直接設置
できないことに起因して発生する誤差を補正するため
に、目標平均有効圧Peとエンジン回転速度情報Neとに
応じて予め実験等により温度差マップ(図示せず)が設
定されており、触媒温度Tcatは、目標平均有効圧Peと
エンジン回転速度情報Neとが決まると一義に推定され
るようにされている。
内燃機関の排気浄化装置の作用について説明する。つま
り、吸蔵型NOx触媒30にはNOxの他にSOxも吸蔵
されるのであるが、当該SOxの放出制御(Sパージ制
御)に伴う2次エアの導入制御手順について説明する。
図2を参照すると、ECU50が実行する2次エア導入
制御ルーチンのフローチャートが示されており、以下当
該フローチャートに沿って説明する(空気供給制御手
段)。
S(サルファ)により劣化したか否か、即ち吸蔵型NO
x触媒30に吸蔵されたSOxの量(被毒S量Qs)が所
定量Qs1に達したか否かを判別する。ここに、被毒S量
Qsは推定により求められる値であり、以下、被毒S量
Qsの推定手法(検出方法)について簡単に説明する。
量Qfに基づき設定されるものであり、燃料噴射制御ル
ーチン(図示せず)の実行周期毎に次式により演算され
る。 Qs=Qs(n-1)+ΔQf・K−Rs …(1) ここに、Qs(n-1)は被毒S量の前回値であり、ΔQfは
実行周期当たりの燃料噴射積算量、Kは補正係数、Rs
は実行周期当たりの放出S量、即ち再生量を示してい
る。
当たりの燃料噴射積算量ΔQfを補正係数Kで補正して
積算するとともに、該積算値から実行周期当たりの放出
S量Rsを減算することで求められる。補正係数Kは、
例えば、次式(2)に示すように、空燃比A/Fに応じた
S被毒係数K1、燃料中のS含有量に応じたS被毒係数
K2及び触媒温度Tcatに応じたS被毒係数K3の3つの
補正係数の積からなっている。
される。 Rs=α・R1・R2・dT …(3) ここに、αは単位時間当たりの再生率(設定値)であ
り、dTは燃料噴射制御ルーチンの実行周期を示してお
り、R1及びR2はそれぞれ触媒温度Tcatに応じた再生
能力係数及び空燃比A/Fに応じた再生能力係数を示し
ている。
(No)で、上記のようにして求めた被毒S量Qsが未
だ所定量Qs1に達していないと判定される場合には、次
にステップS12に進む。ステップS12では、触媒温
度TcatがSパージ可能な所定の高温Tcat1(例えば、
650℃)に達しているか否かを判別する。判別結果が
真(Yes)で触媒温度Tcatが所定の高温Tcat1以上
である場合には、次にステップS14に進む。
ード設定マップに基づき、運転状態がリッチ空燃比運転
であるか否かを判別する。判別結果が真(Yes)、即
ち、燃料噴射モードがO/Lモードであって車両が加速
走行中等で現在リッチ空燃比運転を実施していると判定
された場合には、次にステップS16に進む。ステップ
S16では、2次エアの導入を行う。詳しくは、エアポ
ンプ42が作動させられるとともにソレノイド44が作
動されて絞切弁45が開弁状態とされ、大気中の空気が
排気通路を経て三元触媒32に供給される。
1以上であり、且つ、運転状態がリッチ空燃比運転中で
あって排気空燃比がリッチ空燃比であるような機関運転
状態は、吸蔵型NOx触媒30に吸蔵されたSOxのSパ
ージが自然に実施されH2S(硫化水素)が生成される
ような状況と考えられ、このような場合には、吸蔵型N
Ox触媒30の下流に位置する三元触媒32に空気を供
給し酸素を貯留させるのである。これにより、生成され
たH2Sが三元触媒32を通過する際に上記貯留された
酸素によって良好に酸化されることになる。故に、排ガ
スが異臭を放つようなことが確実に防止される。
等に応じてH2Sの生成量は変化すると考えられるた
め、この際当該リッチ空燃比の度合や被毒S量Qs等に
応じて2次エアの導入量、即ちソレノイド44を制御す
ることにより絞切弁45の開度を可変設定するようにし
てもよい。ステップS12またはステップS14の判別
結果が偽(No)の場合には、Sパージが実施されるこ
となくH2Sが生成されることはないため、ステップS
34において2次エアは停止状態とされる。
es)で、被毒S量Qsが所定量Qs1に達したと判定さ
れた場合には、次にステップS20に進み、制御モード
をSパージモードに切り換える。これにより吸蔵型NO
x触媒30に吸蔵されたSOxの放出、即ちSパージの実
施が許可される。Sパージが開始されると、上述したよ
うにH2Sが生成されると考えられる。故に、次のステ
ップS22において、先ず上記ステップS16と同様に
2次エアの導入を開始する。これにより、三元触媒32
に酸素が十分に貯留される。
6においてSパージの本制御、即ち吸蔵型NOx触媒3
0の昇温と空燃比のリッチ空燃比化(リッチスパイクと
いう)を行う。詳しくは、ステップS24では、吸蔵型
NOx触媒30の昇温を行うべく排ガスの昇温処理を行
う。
ードによって燃焼を緩慢にする方法の他、当該筒内噴射
型のエンジン1にあっては燃料噴射時期を複数回(例え
ば2回)に分割する分割噴射(例えば2段噴射)による
方法がある。2段噴射は、主噴射を圧縮行程或いは吸気
行程で行うとともに副噴射を膨張行程(特に、膨脹行程
中期又はそれ以降)で行い、副噴射によって供給される
燃料が主噴射による主燃焼の余剰酸素と混合し再燃焼す
ることを利用して排ガスを昇温させるというものであ
る。
ィードバック制御が行われ、触媒温度TcatがSパージ
に適した所定の高温Tcat1(例えば、650℃と700
℃の間)に保持されることになるが、ここでは詳細な説
明を省略する。そして、ステップS26において、目標
A/FをSパージに適した所定のリッチ空燃比(例え
ば、値12)とする。昇温処理として2段噴射を実施し
ている場合には、主噴射と副噴射とを合わせた全体A/
Fを所定のリッチ空燃比に設定する。なお、この際、主
噴射と副噴射との燃料比率が可変制御されて適正な空燃
比制御が行われるが、ここでは説明を省略する。
媒30からSOxが放出され、被毒S量Qsが上記式(1)
に基づき所定量Qs0未満となったか否かを判別する。判
別結果が偽(No)で、未だ被毒S量Qsが所定量Qs0
以上である場合には、ステップS24及びステップS2
6を繰り返し実行し、Sパージを継続する。このように
Sパージが継続されると、上述したようにH2Sが生成
されることになる。しかしながら、当該H2Sは三元触
媒32を通過する際に該三元触媒32に2次エアの供給
により貯留された酸素によって良好に酸化される。故
に、この場合にも上記同様に排ガスが異臭を放つような
ことが確実に防止されることとなる。
生成量も変化すると考えられるため、この際、当該被毒
S量Qsの変化に応じて2次エアの導入量、即ちソレノ
イド44を制御することにより絞切弁45の開度を可変
制御するようにしてもよい。一方、ステップS28の判
別結果が真(Yes)となり、被毒S量Qsが所定量Qs
0未満となった場合には、ステップS30に進み、Sパ
ージモードを終了する。詳しくは、2次エアの導入につ
いては継続したまま昇温処理とリッチスパイクとを中止
する。
モードが終了されてから所定時間t1が経過したか否か
を判別し、判別結果が真(Yes)で所定時間t1が経
過したと判定されたら、ステップS34において、2次
エアの導入が停止される。このように2次エアの停止を
Sパージモードの終了時点よりも遅延させるのは、応答
遅れを考慮したためである。これにより、制御信号の発
信後に遅れて生成されるH2Sが、継続供給される2次
エア中の酸素によって十分に酸化されることになり、排
ガスが異臭を放つようなことが極めて確実に防止される
ことになる。
媒30をNOxの吸蔵、放出と還元の双方を実現可能な
NOx触媒としたが、当該吸蔵型NOx触媒30をNOx
の吸蔵、放出の機能のみを有したNOx触媒とし、下流
の三元触媒32にNOxの還元機能を持たせるようにし
てもよい。つまり、三元触媒32にH2Sの酸化機能と
NOxの還元機能との2つの役割を持たせるようなもの
であってもよい。
媒30の下流に三元触媒32を設け、該三元触媒32に
2次エアを導入するようにしたが、これに限られず、S
Oxを吸蔵し且つ放出可能な触媒の下流に酸素貯蔵能力
を有する触媒を設け、当該酸素貯蔵能力を有する触媒に
2次エアを供給できる構成であれば、触媒の数や種類は
如何なるものであってもよい。
求項1の内燃機関の排気浄化装置によれば、第2の触媒
に貯留された酸素によってH2Sを良好に酸化すること
ができ、排ガスが異臭を放つことを確実に防止すること
ができる。
略構成図である。
ア導入制御ルーチンを示すフローチャートである。
Claims (1)
- 【請求項1】 排気通路に設けられ、燃料中の硫黄成分
を吸蔵し、高温且つ排気空燃比がリッチ空燃比であると
き前記吸蔵した硫黄成分を放出可能な第1の触媒と、 排気通路のうち前記第1の触媒よりも下流に設けられ、
酸素貯留機能を有した第2の触媒と、 前記第2の触媒に空気を供給する空気供給手段と、 前記第1の触媒から硫黄成分が放出される機関運転状態
のとき前記空気供給手段を作動させる空気供給制御手段
と、 を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
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