JP4556364B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、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ているＮＯX を放出して還元するＮＯX 吸収剤をディーゼル機関の排気通路内に配置し、機関運転をリーン空燃比のもとで行いながらこのとき内燃機関から排出されるＮＯX をＮＯX 吸収剤に吸収すると共に、機関運転を一時的にリッチ空燃比のもとで行ってＮＯX 吸収剤に吸収されているＮＯX を放出させかつ還元するようにした内燃機関が知られている。
【０００３】
ところが、ディーゼル機関において機関高負荷高回転運転時にリッチ空燃比のもとで機関運転を行うと多量のスモークが発生するので、このときＮＯX 吸収剤からＮＯX を放出させかつ還元することができない。
【０００４】
そこで、二次的に供給された尿素が存在する酸化雰囲気においてＮＯX を選択的に還元可能な選択還元触媒と、選択還元触媒に尿素を二次的に供給可能な尿素供給手段とを機関排気通路内に配置し、機関高負荷高回転運転時には機関運転をリーン空燃比のもとで行いながら尿素供給手段から選択還元触媒に尿素を供給して選択還元触媒において尿素によりＮＯX を還元するようにした内燃機関の排気浄化装置が公知である（特開２０００−２６５８２８号公報参照）。
【０００５】
この排気浄化装置では、機関高負荷高回転運転時でない限り、ＮＯX 吸収剤による排気浄化作用が行われることになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、流入する排気ガスの空燃比がリーンであっても例えばＮＯX 吸収剤の温度がかなり高くなるとＮＯX 吸収剤はＮＯX を吸収しなくなり、従ってＮＯX 吸収剤による良好な排気浄化作用を確保できない。従って、機関高負荷高回転運転時でないときにＮＯX 吸収剤の温度がかなり高くなると、もはや排気ガスを良好に浄化できない恐れがあるという問題点がある。
【０００７】
そこで本発明の目的は、機関運転状態に関わらず排気ガスを良好に浄化することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために１番目の発明によれば、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ているＮＯＸを放出して還元するＮＯＸ吸収剤を機関排気通路内に配置し、機関運転をリーン空燃比のもとで行いながらこのとき内燃機関から排出されるＮＯＸをＮＯＸ吸収剤に吸収すると共に、ＮＯＸ吸収剤に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチにしてＮＯＸ吸収剤に吸収されているＮＯＸを放出させかつ還元する第１の排気浄化作用を行うようにした内燃機関の排気浄化装置において、二次的に供給された還元剤が存在する酸化雰囲気においてＮＯＸを選択的に還元可能な選択還元触媒と、該選択還元触媒に還元剤を二次的に供給可能な還元剤供給手段とを機関排気通路内に配置し、単位時間当たりにＮＯＸ吸収剤に流入するＮＯＸの量が予め定められた上限値よりも多いか否かを判断する手段を具備し、単位時間当たりにＮＯＸ吸収剤に流入するＮＯＸの量が該上限値よりも多いときには機関運転をリーン空燃比のもとで行いながら還元剤供給手段から選択還元触媒に還元剤を供給して該選択還元触媒において該還元剤によりＮＯＸを還元する第２の排気浄化作用を行うようにしている。即ち、単位時間当たりにＮＯＸ吸収剤に流入するＮＯＸの量がかなり多くなると、ＮＯＸがＮＯＸ吸収剤に吸収されずにＮＯＸ吸収剤から流出する恐れがある。そこで２番目の発明では、単位時間当たりにＮＯＸ吸収剤に流入するＮＯＸの量が上限値よりも多いときには選択還元触媒により排気ガスを浄化するようにし、それにより排気ガスを確実に浄化できるようにしている。
【００１０】
また、上記課題を解決するために２番目の発明によれば、低温燃焼と通常燃焼とを切り換え可能な内燃機関の排気通路内に、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ているＮＯＸを放出して還元するＮＯＸ吸収剤を配置し、低温燃焼又は通常燃焼をリーン空燃比のもとで行いながらこのとき内燃機関から排出されるＮＯＸをＮＯＸ吸収剤に吸収すると共に、低温燃焼を行うべきときにＮＯＸ吸収剤に吸収されているＮＯＸの量が予め定められた上限値よりも多くなったときには低温燃焼を一時的にリッチ空燃比のもとで行ってＮＯＸ吸収剤内に吸収されているＮＯＸを放出させかつ還元する第１の排気浄化作用を行うようにした内燃機関の排気浄化装置において、二次的に供給された還元剤が存在する酸化雰囲気においてＮＯＸを選択的に還元可能な選択還元触媒と、該選択還元触媒に還元剤を二次的に供給可能な還元剤供給手段とを機関排気通路内に配置し、通常燃焼を行うべきときにＮＯＸ吸収剤に吸収されているＮＯＸの量が前記上限値よりも多くなったときには通常燃焼をリーン空燃比のもとで行いながら還元剤供給手段から選択還元触媒に還元剤を供給して該選択還元触媒において該還元剤によりＮＯＸを還元する第２の排気浄化作用を行うようにしている。即ち、リッチ空燃比のもとで通常燃焼を行うのは困難であるので、通常燃焼が行われているときにＮＯＸ吸収剤に吸収されているＮＯＸの量が前記上限値よりも多くなると、もはやＮＯＸを良好に還元できなくなる。そこで３番目の発明では、通常燃焼が行われているときにＮＯＸ吸収剤に吸収されているＮＯＸの量が前記上限値よりも多くなったときには選択還元触媒により排気ガスを浄化するようにし、それにより排気ガスを確実に浄化できるようにしている。
【００１１】
また、３番目の発明によれば１番目又は２番目の発明において、前記選択還元触媒を二次的に供給された尿素が存在する酸化雰囲気においてＮＯＸを選択的に還元可能な選択還元触媒から形成し、前記還元剤供給手段を選択還元触媒に尿素を二次的に供給可能な尿素供給手段から形成している。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明をディーゼル機関に適用した場合を示している。しかしながら、本発明を火花点火式内燃機関に適用することもできる。
【００１３】
図１を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は電気制御式燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートを夫々示す。吸気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介して排気ターボチャージャ１４のコンプレッサ１５に連結される。吸気ダクト１３内にはステップモータ１６により駆動されるスロットル弁１７が配置され、更に吸気ダクト１３周りには吸気ダクト１３内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１８が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１８内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
【００１４】
一方、排気ポート１０は排気マニホルド１９および排気管２０を介して排気ターボチャージャ１４の排気タービン２１に連結され、排気タービン２１の出口はＮＯX 吸収剤２２を内蔵したケーシング２３に連結される。このケーシング２３は排気管２４を介して選択還元触媒２５を内蔵したケーシング２６に連結される。排気管２４には選択還元触媒２５に尿素を供給するための尿素供給ノズル２７が配置され、尿素供給ノズル２７には尿素タンク２８内の尿素水溶液が尿素ポンプ２９によって供給される。なお、尿素ポンプ２９は通常停止されており、従って選択還元触媒２５への尿素の供給は通常停止されている。
【００１５】
排気マニホルド１９とサージタンク１２とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路３０を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路３０内には電気制御式ＥＧＲ制御弁３１が配置される。また、ＥＧＲ通路３０周りにはＥＧＲ通路３０内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置３２が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置３２内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁６は燃料供給管６ａを介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール３３に連結される。このコモンレール３３内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ３４から燃料が供給され、コモンレール３３内に供給された燃料は各燃料供給管６ａを介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール３３にはコモンレール３３内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ３５が取付けられ、燃料圧センサ３５の出力信号に基づいてコモンレール３３内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ３４の吐出量が制御される。
【００１６】
電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５および出力ポート４６を具備する。燃料圧センサ３５の出力信号は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。また、排気管２４には排気管２４内を流通する排気ガスの温度を検出するための温度センサ４９が取付けられ、この温度センサ４９の出力信号は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。なお、排気管２４内を流通する排気ガスの温度はＮＯX 吸収剤２２の温度を表している。
【００１７】
一方、アクセルペダル５０にはアクセルペダル５０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ５１が接続され、負荷センサ５１の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。更に入力ポート４５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５２が接続される。一方、出力ポート４６は対応する駆動回路４８を介して燃料噴射弁６、スロットル弁駆動用ステップモータ１６、ＥＧＲ制御弁３１、尿素ポンプ２９、および燃料ポンプ３４に接続される。
【００１８】
ＮＯX 吸収剤２２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、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ、イリジウムＩｒのような貴金属とが担持されている。なお、排気ガス中に含まれる固体炭素からなる微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタにＮＯX 吸収剤２２を担持させることもできる。
【００１９】
このＮＯX 吸収剤２２は流入する排気ガスの平均空燃比がリーンのときには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 を放出するＮＯX の吸放出作用を行う。なお、本明細書では排気通路の或る位置よりも上流の排気通路、燃焼室５、および吸気通路内に供給された空気と燃料及び尿素との比を排気ガスの空燃比と称している。
【００２０】
ＮＯX 吸収剤２２の詳細な吸放出メカニズムについては完全には明らかにされていない。しかしながら、現在考えられている吸放出メカニズムを、担体上に白金Ｐｔ及びバリウムＢａを担持させた場合を例にとって簡単に説明すると次のようになる。
【００２１】
即ち、ＮＯX 吸収剤に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもかなりリーンになると流入する排気ガス中の酸素濃度が大巾に増大し、酸素Ｏ２がＯ２ −又はＯ２−の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、流入する排気ガス中の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）。次いで生成されたＮＯ２の一部は白金Ｐｔ上でさらに酸化されつつ吸収剤内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら、硝酸イオンＮＯ３ −の形で吸収剤内に拡散する。このようにしてＮＯX がＮＯX 吸収剤２２内に吸収される。
【００２２】
これに対し、ＮＯX 吸収剤に流入する排気ガスの空燃比がリッチになると、排気ガス中の酸素濃度が低下してＮＯ２の生成量が低下し、反応が逆方向（ＮＯ３ −→ＮＯ２）に進み、斯くして吸収剤内の硝酸イオンＮＯ３ −がＮＯ２の形で吸収剤から放出される。この放出されたＮＯX は排気ガス中のＨＣ，ＣＯと反応して還元せしめられる。このようにして白金Ｐｔの表面上にＮＯ２が存在しなくなると吸収剤から次から次へとＮＯ２が放出され、還元される。
【００２３】
一方、選択還元触媒２５は図１に示す実施例ではチタニアを担体とし、この担体上に酸化バナジウムを担持したバナジウム・チタニア触媒か、ゼオライトを担体とし、この担体上に銅を担持した銅ゼオライト触媒から形成されている。この選択還元触媒２５は二次的に供給された尿素が存在する酸化雰囲気においてＮＯX を選択的に還元することができる。即ち、選択還元触媒２５は酸化雰囲気であっても流入する排気ガス中に尿素が含まれているとこの尿素でもってＮＯX を還元することができる。
【００２４】
図１に示される内燃機関では低温燃焼と従来の通常燃焼とが切り換え可能になっている。次にこの低温燃焼方法について図２から図４を参照しつつ簡単に説明する。
【００２５】
図１に示される内燃機関ではＥＧＲ率（ＥＧＲガス量／（ＥＧＲガス量＋吸入空気量））を増大していくとスモークの発生量が次第に増大してピークに達し、更にＥＧＲ率を高めていくと今度はスモークの発生量が急激に低下する。このことについてＥＧＲガスの冷却度合を変えたときのＥＧＲ率とスモークとの関係を示す図２を参照しつつ説明する。なお、図２において曲線ＡはＥＧＲガスを強力に冷却してＥＧＲガス温をほぼ９０℃に維持した場合を示しており、曲線Ｂは小型の冷却装置でＥＧＲガスを冷却した場合を示しており、曲線ＣはＥＧＲガスを強制的に冷却していない場合を示している。
【００２６】
図２の曲線Ａで示されるようにＥＧＲガスを強力に冷却した場合にはＥＧＲ率が５０パーセントよりも少し低いところでスモークの発生量がピークとなり、この場合にはＥＧＲ率をほぼ５５パーセント以上にすればスモークがほとんど発生しなくなる。一方、図２の曲線Ｂで示されるようにＥＧＲガスを少し冷却した場合にはＥＧＲ率が５０パーセントよりも少し高いところでスモークの発生量がピークとなり、この場合にはＥＧＲ率をほぼ６５パーセント以上にすればスモークがほとんど発生しなくなる。また、図２の曲線Ｃで示されるようにＥＧＲガスを強制的に冷却していない場合にはＥＧＲ率が５５パーセントの付近でスモークの発生量がピークとなり、この場合にはＥＧＲ率をほぼ７０パーセント以上にすればスモークがほとんど発生しなくなる。
【００２７】
このようにＥＧＲガス率を５５パーセント以上にするとスモークが発生しなくなるのは、ＥＧＲガスの吸熱作用によって燃焼時における燃料および周囲のガス温がさほど高くならず、即ち低温燃焼が行われ、その結果炭化水素が煤まで成長しないからである。
【００２８】
この低温燃焼は、空燃比にかかわらずにスモークの発生を抑制しつつＮＯX の発生量を低減することができるという特徴を有する。即ち、空燃比がリッチにされると燃料が過剰となるが燃焼温度が低い温度に抑制されているために過剰な燃料は煤まで成長せず、斯くしてスモークが発生することがない。また、このときＮＯX も極めて少量しか発生しない。一方、平均空燃比がリーンのとき、或いは空燃比が理論空燃比のときでも燃焼温度が高くなれば少量の煤が生成されるが低温燃焼下では燃焼温度が低い温度に抑制されているためにスモークは全く発生せず、ＮＯX も極めて少量しか発生しない。
【００２９】
ところで機関の要求トルクＴＱが高くなると、即ち燃料噴射量が多くなると燃焼時における燃料および周囲のガス温が高くなるために低温燃焼を行うのが困難となる。即ち、低温燃焼を行いうるのは燃焼による発熱量が比較的少ない機関中低負荷運転時に限られる。図３（Ａ）において領域Ｉは煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室５の不活性ガス量が多い第１の燃焼、即ち低温燃焼を行わせることのできる運転領域を示しており、領域ＩＩは煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少ない第２の燃焼、即ち通常燃焼しか行わせることのできない運転領域を示している。
【００３０】
そこで図１に示される内燃機関では、運転領域Ｉでは低温燃焼を行い、運転領域ＩＩでは通常燃焼を行うようにしている。
【００３１】
図３（Ｂ）は運転領域Ｉにおいて低温燃焼を行う場合の目標空燃比Ａ／Ｆを示しており、図４は運転領域Ｉにおいて低温燃焼を行う場合の要求トルクＴＱに応じたスロットル弁１７の開度、ＥＧＲ制御弁３１の開度、ＥＧＲ率、空燃比、噴射開始時期θＳ、噴射完了時期θＥ、噴射量を示している。なお、図４には運転領域ＩＩにおいて行われる通常の燃焼時におけるスロットル弁１７の開度等も合わせて示している。
【００３２】
即ち、運転領域Ｉでは低温燃焼がリーン空燃比のもとで行われ、このとき内燃機関から排出されるＮＯX はＮＯX 吸収剤２２に吸収される。また、低温燃焼を行っているときにＮＯX 吸収剤に吸収されているＮＯX の量、即ち吸収ＮＯX 量Ｑが予め定められた上限値ＱＭよりも多くなったときには低温燃焼を継続しながら空燃比を一時的にリッチに切り換えてＮＯX 吸収剤２２内に吸収されているＮＯX を放出させかつ還元するようにしている。このようにするとＮＯX 吸収剤２２がＮＯX で飽和することがなくなる。なお、上述したように低温燃焼では空燃比をリッチにしてもスモークが発生しない。
【００３３】
一方、運転領域ＩＩでは通常燃焼がリーン空燃比のもとで行われ、このとき内燃機関から排出されるＮＯX もＮＯX 吸収剤２２に吸収される。ところが通常燃焼では空燃比をリッチにするとスモークが発生するのでＮＯX 吸収剤２２からＮＯX を放出させることができない。
【００３４】
そこで本発明による実施例では、通常燃焼が行われているときにＮＯX 吸収剤２２の吸収ＮＯX 量Ｑが上限値ＱＭよりも多くなったか否かを判断し、通常燃焼が行われているときにＱ＞ＱＭとなったときには通常燃焼をリーン空燃比のもとで継続しながら尿素供給ノズル２７から選択還元触媒２５に尿素を供給し、選択還元触媒２５において尿素によりＮＯX を還元するようにしている。
【００３５】
この場合、吸収ＮＯX 量Ｑが上限値ＱＭを越えたとしてもＮＯX 吸収剤２２が実際にＮＯX で飽和するまでは、内燃機関から排出されたＮＯX はＮＯX 吸収剤２２に吸収され、ＮＯX 吸収剤２２が実際にＮＯX で飽和したときにＮＯX 吸収剤２２から流出するＮＯX が選択還元触媒２５において還元される。従って、運転領域ＩＩにおいてＮＯX 吸収剤２２がＮＯX で飽和したとしてもＮＯX が大気中に排出されるのを阻止することができる。
【００３６】
次いで運転領域ＩＩから運転領域Ｉに戻ると、リッチ空燃比のもとで低温燃焼が行われ、斯くしてＮＯX 吸収剤２２から吸収されているＮＯX が放出されかつ還元される。
【００３７】
ここで、吸収ＮＯX 量Ｑが上限値ＱＭよりも多くなったか否かを判断する方法として様々な方法がある。例えば、ＮＯX 吸収剤２２から流出した排気ガス中のＮＯX 濃度を検出するためのＮＯX 濃度センサを設け、検出されたＮＯX 濃度が予め定められた上限値を越えたときにＱ＞ＱＭになったと判断することもできるし、或いは吸収ＮＯX 量Ｑを求めてこの吸収ＮＯX 量を上限値ＱＭと比較することもできる。この吸収ＮＯX 量Ｑを求めるために、例えばＮＯX 吸収剤２２に流入する排気ガス中のＮＯX 濃度を検出するためのＮＯX 濃度センサを設けることもできる。
【００３８】
図１に示される内燃機関では、単位時間当たり内燃機関から排出されるＮＯX の量ΔＱを機関運転状態、例えば要求トルクＴＱ及び機関回転数Ｎの関数として図５に示されるマップの形で予め記憶しておき、リーン空燃比で機関運転が行われているときにこのΔＱを積算することにより吸収ＮＯX 量Ｑを算出するようにしている。
【００３９】
ところで、ＮＯX 吸収剤２２にはＮＯX だけでなく燃料に含まれているイオウ分例えばＳＯＸも吸収される。ところがこのＳＯＸをＮＯX 吸収剤２２から放出させるためには、空燃比をリッチに切り換えるだけでなく、ＮＯX 吸収剤２２の温度を例えば６００℃程度まで上昇させる必要がある。従って、ＮＯX 吸収剤２２からＳＯＸを放出させるとＮＯX 吸収剤２２の温度が高くなる。或いは、ＮＯX 吸収剤２２をパティキュレートフィルタに担持させるようにした場合には、パティキュレートフィルタに堆積した微粒子を酸化除去するとＮＯX 吸収剤２２の温度が高くなる。
【００４０】
ところが、図６に示されるようにＮＯX 吸収剤２２の温度Ｔがかなり高くなるとＮＯX 吸収剤２２のＮＯX 吸収能力ＡＣが次第に低下する。従って、ＮＯX 吸収剤２２の温度Ｔがかなり高くなると、内燃機関から排出されるＮＯX を吸収できなくなるばかりでなく、ＮＯX 吸収剤２２から吸収されているＮＯX も放出され、このときＮＯX 吸収剤２２ではＮＯX が還元されない。このような現象は低温燃焼を行っているときでも、通常燃焼を行っているときでも起こりうる。
【００４１】
そこで本発明による実施例では、ＮＯX 吸収剤２２の温度Ｔが予め定められた上限値ＴＭよりも高いか否かを判断し、Ｔ＞ＴＭのときには機関運転をリーン空燃比のもとで継続しながら尿素供給ノズル２７から選択還元触媒２５に尿素を供給し、選択還元触媒２５において尿素によりＮＯX を還元するようにしている。その結果、ＮＯX 吸収剤２２の温度Ｔがかなり高くなってもＮＯX が大気中に排出されるのを阻止することができる。
【００４２】
一方、例えば機関高負荷運転時には単位時間当たりに内燃機関から排出されるＮＯX の量がかなり多くなり、従って単位時間当たりにＮＯX 吸収剤２２に流入するＮＯX の量がかなり多くなる。ところが、このときＮＯX がＮＯX 吸収剤２２に吸収されずにＮＯX 吸収剤２２から流出する恐れがある。このような現象は低温燃焼を行っているときでも、通常燃焼を行っているときでも起こりうる。
【００４３】
そこで本発明による実施例では、単位時間当たりにＮＯX 吸収剤２２に流入するＮＯX の量が予め定められた上限値よりも多いか否かを判断し、単位時間当たりにＮＯX 吸収剤２２に流入するＮＯX の量が上限値よりも多いときには機関運転をリーン空燃比のもとで継続しながら尿素供給ノズル２７から選択還元触媒２５に尿素を供給し、選択還元触媒２５において尿素によりＮＯX を還元するようにしている。その結果、ＮＯX 吸収剤２２からＮＯX が流出したとしてもＮＯX が大気中に排出されるのを阻止することができる。
【００４４】
単位時間当たりにＮＯX 吸収剤２２に流入するＮＯX の量が上限値よりも多いか否かを判断する方法には様々な方法がある。例えば、上述した吸収ＮＯX 量Ｑの場合と同様に、ＮＯX 吸収剤２２の上流又は下流にＮＯX 濃度センサを取り付けることができる。
【００４５】
或いは、低温燃焼が行われているときには、単位時間当たり空燃比がリッチに切り換えられる回数が予め定められた上限値よりも多いときに単位時間当たりにＮＯX 吸収剤２２に流入するＮＯX の量が上限値よりも多いと判断することもできる。即ち、単位時間当たりにＮＯX 吸収剤２２に流入するＮＯX の量が多くなると、ＮＯX 吸収剤２２の吸収ＮＯX 量Ｑが短時間のうちに上限値ＱＭよりも多くなり、従ってＮＯX 吸収剤２２からＮＯX を放出させるための空燃比の切り換え作用が頻繁に行われることになる。このため、単位時間当たりの空燃比の切り換え作用の回数は単位時間当たりにＮＯX 吸収剤２２に流入するＮＯX の量を表していることになる。なお、このような観点からすると、単位時間当たりにＮＯX 吸収剤２２に流入するＮＯX の量が多いときに選択還元触媒２５においてＮＯX を還元することによって、空燃比の切り換え作用を頻繁に行う必要がなくなるということになる。従って、ドライバビリティが向上する。
【００４６】
図１に示される内燃機関では、単位時間当たり内燃機関から排出されるＮＯX の量ΔＱ（図５）を用いて単位時間当たりＮＯX 吸収剤２２に流入するＮＯX の量が上限値ΔＱＭよりも多いか否かを判断するようにしている。
【００４７】
図７は上述した機関運転制御及び尿素供給制御方法を実行するためのフローチャートである。このフローチャートは予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行される。
【００４８】
図７を参照すると、まずステップ１００では図５のマップを用いてＮＯX 吸収剤２２の吸収ＮＯX 量Ｑが算出される。続くステップ１０１では図３（Ａ）のマップから現在の運転領域が領域ＩＩであるか否かが判別される。現在の運転領域が領域Ｉであるときには次いでステップ１０２に進み、リーン空燃比のもとで低温燃焼が行われる。続くステップ１０３ではＮＯX 吸収剤２２の吸収ＮＯX 量Ｑが上限値ＱＭよりも多いか否かが判別される。Ｑ≦ＱＭのときには処理サイクルを終了し、Ｑ＞ＱＭのときにはステップ１０４に進み、ＮＯX 吸収剤２２の温度Ｔが上限値ＴＭ以下であるか否かが判別される。Ｔ＞ＴＭのときには次いでステップ１１２にジャンプし、Ｔ≦ＴＭのときには次いでステップ１０５に進み、単位時間当たりにＮＯX 吸収剤２２に流入するＮＯX の量ΔＱが上限値ΔＱＭ以下であるか否かが判別される。ΔＱ＞ΔＱＭのときにはテップ１１１にジャンプし、ΔＱ≦ΔＱのときには次いでステップ１０６に進み、リッチ空燃比のもとで低温燃焼が行われる。
【００４９】
これに対し、ステップ１０１において現在の運転領域が領域ＩＩであるときにはステップ１０７に進み、リーン空燃比のもとで通常燃焼が行われる。続くステップ１０８ではＮＯX 吸収剤２２の吸収ＮＯX 量Ｑが上限値ＱＭよりも多いか否かが判別される。Ｑ＞ＱＭのときにはステップ１１１に進み、Ｑ≦ＱＭのときにはステップ１０９に進み、Ｔ≦ＴＭであるか否かが判別される。Ｔ≦ＴＭのときには処理サイクルを終了し、Ｔ＞ＴＭのときには次いでステップ１１０に進み、ΔＱ≦ΔＱＭであるか否かが判別される。ΔＱ≦ΔＱＭのときには処理サイクルを終了し、ΔＱ＞ΔＱＭのときにはステップ１１１に進む。ステップ１１１では尿素供給ノズル２７から尿素水溶液が選択還元触媒２５に供給される。
【００５０】
図８は本発明による別の実施例を示している。
【００５１】
図８（Ａ）に示す例では、ＮＯX 吸収剤２２をバイパスするバイパス管６０と、選択還元触媒２５に尿素を供給すべきときに開弁され、それ以外は閉弁されるバイパス制御弁６１とが設けられる。バイパス制御弁６１が開弁されると排気ガスがバイパス管６０内に流入し、ＮＯX 吸収剤２２をバイパスする。
【００５２】
図８（Ｂ）に示す例では、ＮＯX 吸収剤２２と選択還元触媒２５とが並列に配置される。即ち、排気タービン２１（図１）の出口に分岐管６２が連結され、分岐管６２の各枝管にＮＯX 吸収剤２２及び選択還元触媒２５が連結される。分岐管６２内には、選択還元触媒２５に尿素を供給すべきときに排気ガスを選択還元触媒２５に導き、それ以外は排気ガスをＮＯX 吸収剤２２に導くための切り換え弁６３が配置されている。
【００５３】
図８（Ｃ）に示す例では、ＮＯX 吸収剤２２上流の排気通路内に酸化触媒６４が配置される。この酸化触媒６４は例えば白金のような貴金属を担持しており、流入する排気ガス中のＨＣ，ＣＯを酸化すると共に、ＮＯをＮＯ２に酸化してＮＯX 吸収剤２２へのＮＯX の吸収を促進する。また、パティキュレートフィルタを設ける場合にはパティキュレートフィルタを酸化触媒６４と一体的に設ければ微粒子の酸化除去を速やかに行うことが可能になる。
【００５４】
これまで述べてきた実施例では、ＮＯX 吸収剤２２の下流に選択還元触媒２５及び尿素供給ノズル２７が配置されている。しかしながら、選択還元触媒２５及び尿素供給ノズル２７をＮＯX 吸収剤２２の上流に配置することもできる。
【００５５】
また、これまで述べてきた実施例では、低温燃焼が行われているときにＮＯX 吸収剤２２に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするために、燃焼室５内における平均空燃比をリッチにしている。しかしながら、ＮＯX 吸収剤２２に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするために、例えば膨張行程後半又は排気行程中に燃焼室５内に追加の燃料を噴射することもできるし、ＮＯX 吸収剤２２上流の排気通路内に追加の燃料を噴射することもできる。これらの方法は低温燃焼を行うことができない内燃機関でも適用することができる。
【００５６】
更に、これまで述べてきた実施例では、選択還元触媒２５に供給される還元剤として尿素を用いている。しかしながら、他のアンモニア化合物、炭化水素、又は水素を用いることもできる。
【００５７】
【発明の効果】
機関運転状態に関わらず排気ガスを良好に浄化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】スモークの発生量を示す図である。
【図３】機関の運転領域等を示す図である。
【図４】スロットル弁開度等の変化を示す図である。
【図５】単位時間当たりに内燃機関から排出されるＮＯX の量を示す線図である。
【図６】ＮＯX 吸収剤のＮＯX 吸収能力を示す線図である。
【図７】機関運転制御及び尿素供給制御方法を実行するためのフローチャートである。
【図８】本発明による別の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１…内燃機関
２２…ＮＯX 吸収剤
２５…選択還元触媒
２７…尿素供給ノズル
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、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ているＮＯX を放出して還元するＮＯX 吸収剤をディーゼル機関の排気通路内に配置し、機関運転をリーン空燃比のもとで行いながらこのとき内燃機関から排出されるＮＯX をＮＯX 吸収剤に吸収すると共に、機関運転を一時的にリッチ空燃比のもとで行ってＮＯX 吸収剤に吸収されているＮＯX を放出させかつ還元するようにした内燃機関が知られている。
【０００３】
ところが、ディーゼル機関において機関高負荷高回転運転時にリッチ空燃比のもとで機関運転を行うと多量のスモークが発生するので、このときＮＯX 吸収剤からＮＯX を放出させかつ還元することができない。
【０００４】
そこで、二次的に供給された尿素が存在する酸化雰囲気においてＮＯX を選択的に還元可能な選択還元触媒と、選択還元触媒に尿素を二次的に供給可能な尿素供給手段とを機関排気通路内に配置し、機関高負荷高回転運転時には機関運転をリーン空燃比のもとで行いながら尿素供給手段から選択還元触媒に尿素を供給して選択還元触媒において尿素によりＮＯX を還元するようにした内燃機関の排気浄化装置が公知である（特開２０００−２６５８２８号公報参照）。
【０００５】
この排気浄化装置では、機関高負荷高回転運転時でない限り、ＮＯX 吸収剤による排気浄化作用が行われることになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、流入する排気ガスの空燃比がリーンであっても例えばＮＯX 吸収剤の温度がかなり高くなるとＮＯX 吸収剤はＮＯX を吸収しなくなり、従ってＮＯX 吸収剤による良好な排気浄化作用を確保できない。従って、機関高負荷高回転運転時でないときにＮＯX 吸収剤の温度がかなり高くなると、もはや排気ガスを良好に浄化できない恐れがあるという問題点がある。
【０００７】
そこで本発明の目的は、機関運転状態に関わらず排気ガスを良好に浄化することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために１番目の発明によれば、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ているＮＯＸを放出して還元するＮＯＸ吸収剤を機関排気通路内に配置し、機関運転をリーン空燃比のもとで行いながらこのとき内燃機関から排出されるＮＯＸをＮＯＸ吸収剤に吸収すると共に、ＮＯＸ吸収剤に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチにしてＮＯＸ吸収剤に吸収されているＮＯＸを放出させかつ還元する第１の排気浄化作用を行うようにした内燃機関の排気浄化装置において、二次的に供給された還元剤が存在する酸化雰囲気においてＮＯＸを選択的に還元可能な選択還元触媒と、該選択還元触媒に還元剤を二次的に供給可能な還元剤供給手段とを機関排気通路内に配置し、単位時間当たりにＮＯＸ吸収剤に流入するＮＯＸの量が予め定められた上限値よりも多いか否かを判断する手段を具備し、単位時間当たりにＮＯＸ吸収剤に流入するＮＯＸの量が該上限値よりも多いときには機関運転をリーン空燃比のもとで行いながら還元剤供給手段から選択還元触媒に還元剤を供給して該選択還元触媒において該還元剤によりＮＯＸを還元する第２の排気浄化作用を行うようにしている。即ち、単位時間当たりにＮＯＸ吸収剤に流入するＮＯＸの量がかなり多くなると、ＮＯＸがＮＯＸ吸収剤に吸収されずにＮＯＸ吸収剤から流出する恐れがある。そこで２番目の発明では、単位時間当たりにＮＯＸ吸収剤に流入するＮＯＸの量が上限値よりも多いときには選択還元触媒により排気ガスを浄化するようにし、それにより排気ガスを確実に浄化できるようにしている。
【００１０】
また、上記課題を解決するために２番目の発明によれば、低温燃焼と通常燃焼とを切り換え可能な内燃機関の排気通路内に、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ているＮＯＸを放出して還元するＮＯＸ吸収剤を配置し、低温燃焼又は通常燃焼をリーン空燃比のもとで行いながらこのとき内燃機関から排出されるＮＯＸをＮＯＸ吸収剤に吸収すると共に、低温燃焼を行うべきときにＮＯＸ吸収剤に吸収されているＮＯＸの量が予め定められた上限値よりも多くなったときには低温燃焼を一時的にリッチ空燃比のもとで行ってＮＯＸ吸収剤内に吸収されているＮＯＸを放出させかつ還元する第１の排気浄化作用を行うようにした内燃機関の排気浄化装置において、二次的に供給された還元剤が存在する酸化雰囲気においてＮＯＸを選択的に還元可能な選択還元触媒と、該選択還元触媒に還元剤を二次的に供給可能な還元剤供給手段とを機関排気通路内に配置し、通常燃焼を行うべきときにＮＯＸ吸収剤に吸収されているＮＯＸの量が前記上限値よりも多くなったときには通常燃焼をリーン空燃比のもとで行いながら還元剤供給手段から選択還元触媒に還元剤を供給して該選択還元触媒において該還元剤によりＮＯＸを還元する第２の排気浄化作用を行うようにしている。即ち、リッチ空燃比のもとで通常燃焼を行うのは困難であるので、通常燃焼が行われているときにＮＯＸ吸収剤に吸収されているＮＯＸの量が前記上限値よりも多くなると、もはやＮＯＸを良好に還元できなくなる。そこで３番目の発明では、通常燃焼が行われているときにＮＯＸ吸収剤に吸収されているＮＯＸの量が前記上限値よりも多くなったときには選択還元触媒により排気ガスを浄化するようにし、それにより排気ガスを確実に浄化できるようにしている。
【００１１】
また、３番目の発明によれば１番目又は２番目の発明において、前記選択還元触媒を二次的に供給された尿素が存在する酸化雰囲気においてＮＯＸを選択的に還元可能な選択還元触媒から形成し、前記還元剤供給手段を選択還元触媒に尿素を二次的に供給可能な尿素供給手段から形成している。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明をディーゼル機関に適用した場合を示している。しかしながら、本発明を火花点火式内燃機関に適用することもできる。
【００１３】
図１を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は電気制御式燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートを夫々示す。吸気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介して排気ターボチャージャ１４のコンプレッサ１５に連結される。吸気ダクト１３内にはステップモータ１６により駆動されるスロットル弁１７が配置され、更に吸気ダクト１３周りには吸気ダクト１３内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１８が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１８内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
【００１４】
一方、排気ポート１０は排気マニホルド１９および排気管２０を介して排気ターボチャージャ１４の排気タービン２１に連結され、排気タービン２１の出口はＮＯX 吸収剤２２を内蔵したケーシング２３に連結される。このケーシング２３は排気管２４を介して選択還元触媒２５を内蔵したケーシング２６に連結される。排気管２４には選択還元触媒２５に尿素を供給するための尿素供給ノズル２７が配置され、尿素供給ノズル２７には尿素タンク２８内の尿素水溶液が尿素ポンプ２９によって供給される。なお、尿素ポンプ２９は通常停止されており、従って選択還元触媒２５への尿素の供給は通常停止されている。
【００１５】
排気マニホルド１９とサージタンク１２とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路３０を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路３０内には電気制御式ＥＧＲ制御弁３１が配置される。また、ＥＧＲ通路３０周りにはＥＧＲ通路３０内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置３２が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置３２内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁６は燃料供給管６ａを介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール３３に連結される。このコモンレール３３内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ３４から燃料が供給され、コモンレール３３内に供給された燃料は各燃料供給管６ａを介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール３３にはコモンレール３３内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ３５が取付けられ、燃料圧センサ３５の出力信号に基づいてコモンレール３３内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ３４の吐出量が制御される。
【００１６】
電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５および出力ポート４６を具備する。燃料圧センサ３５の出力信号は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。また、排気管２４には排気管２４内を流通する排気ガスの温度を検出するための温度センサ４９が取付けられ、この温度センサ４９の出力信号は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。なお、排気管２４内を流通する排気ガスの温度はＮＯX 吸収剤２２の温度を表している。
【００１７】
一方、アクセルペダル５０にはアクセルペダル５０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ５１が接続され、負荷センサ５１の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。更に入力ポート４５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５２が接続される。一方、出力ポート４６は対応する駆動回路４８を介して燃料噴射弁６、スロットル弁駆動用ステップモータ１６、ＥＧＲ制御弁３１、尿素ポンプ２９、および燃料ポンプ３４に接続される。
【００１８】
ＮＯX 吸収剤２２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、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ、イリジウムＩｒのような貴金属とが担持されている。なお、排気ガス中に含まれる固体炭素からなる微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタにＮＯX 吸収剤２２を担持させることもできる。
【００１９】
このＮＯX 吸収剤２２は流入する排気ガスの平均空燃比がリーンのときには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 を放出するＮＯX の吸放出作用を行う。なお、本明細書では排気通路の或る位置よりも上流の排気通路、燃焼室５、および吸気通路内に供給された空気と燃料及び尿素との比を排気ガスの空燃比と称している。
【００２０】
ＮＯX 吸収剤２２の詳細な吸放出メカニズムについては完全には明らかにされていない。しかしながら、現在考えられている吸放出メカニズムを、担体上に白金Ｐｔ及びバリウムＢａを担持させた場合を例にとって簡単に説明すると次のようになる。
【００２１】
即ち、ＮＯX 吸収剤に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもかなりリーンになると流入する排気ガス中の酸素濃度が大巾に増大し、酸素Ｏ２がＯ２ −又はＯ２−の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、流入する排気ガス中の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）。次いで生成されたＮＯ２の一部は白金Ｐｔ上でさらに酸化されつつ吸収剤内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら、硝酸イオンＮＯ３ −の形で吸収剤内に拡散する。このようにしてＮＯX がＮＯX 吸収剤２２内に吸収される。
【００２２】
これに対し、ＮＯX 吸収剤に流入する排気ガスの空燃比がリッチになると、排気ガス中の酸素濃度が低下してＮＯ２の生成量が低下し、反応が逆方向（ＮＯ３ −→ＮＯ２）に進み、斯くして吸収剤内の硝酸イオンＮＯ３ −がＮＯ２の形で吸収剤から放出される。この放出されたＮＯX は排気ガス中のＨＣ，ＣＯと反応して還元せしめられる。このようにして白金Ｐｔの表面上にＮＯ２が存在しなくなると吸収剤から次から次へとＮＯ２が放出され、還元される。
【００２３】
一方、選択還元触媒２５は図１に示す実施例ではチタニアを担体とし、この担体上に酸化バナジウムを担持したバナジウム・チタニア触媒か、ゼオライトを担体とし、この担体上に銅を担持した銅ゼオライト触媒から形成されている。この選択還元触媒２５は二次的に供給された尿素が存在する酸化雰囲気においてＮＯX を選択的に還元することができる。即ち、選択還元触媒２５は酸化雰囲気であっても流入する排気ガス中に尿素が含まれているとこの尿素でもってＮＯX を還元することができる。
【００２４】
図１に示される内燃機関では低温燃焼と従来の通常燃焼とが切り換え可能になっている。次にこの低温燃焼方法について図２から図４を参照しつつ簡単に説明する。
【００２５】
図１に示される内燃機関ではＥＧＲ率（ＥＧＲガス量／（ＥＧＲガス量＋吸入空気量））を増大していくとスモークの発生量が次第に増大してピークに達し、更にＥＧＲ率を高めていくと今度はスモークの発生量が急激に低下する。このことについてＥＧＲガスの冷却度合を変えたときのＥＧＲ率とスモークとの関係を示す図２を参照しつつ説明する。なお、図２において曲線ＡはＥＧＲガスを強力に冷却してＥＧＲガス温をほぼ９０℃に維持した場合を示しており、曲線Ｂは小型の冷却装置でＥＧＲガスを冷却した場合を示しており、曲線ＣはＥＧＲガスを強制的に冷却していない場合を示している。
【００２６】
図２の曲線Ａで示されるようにＥＧＲガスを強力に冷却した場合にはＥＧＲ率が５０パーセントよりも少し低いところでスモークの発生量がピークとなり、この場合にはＥＧＲ率をほぼ５５パーセント以上にすればスモークがほとんど発生しなくなる。一方、図２の曲線Ｂで示されるようにＥＧＲガスを少し冷却した場合にはＥＧＲ率が５０パーセントよりも少し高いところでスモークの発生量がピークとなり、この場合にはＥＧＲ率をほぼ６５パーセント以上にすればスモークがほとんど発生しなくなる。また、図２の曲線Ｃで示されるようにＥＧＲガスを強制的に冷却していない場合にはＥＧＲ率が５５パーセントの付近でスモークの発生量がピークとなり、この場合にはＥＧＲ率をほぼ７０パーセント以上にすればスモークがほとんど発生しなくなる。
【００２７】
このようにＥＧＲガス率を５５パーセント以上にするとスモークが発生しなくなるのは、ＥＧＲガスの吸熱作用によって燃焼時における燃料および周囲のガス温がさほど高くならず、即ち低温燃焼が行われ、その結果炭化水素が煤まで成長しないからである。
【００２８】
この低温燃焼は、空燃比にかかわらずにスモークの発生を抑制しつつＮＯX の発生量を低減することができるという特徴を有する。即ち、空燃比がリッチにされると燃料が過剰となるが燃焼温度が低い温度に抑制されているために過剰な燃料は煤まで成長せず、斯くしてスモークが発生することがない。また、このときＮＯX も極めて少量しか発生しない。一方、平均空燃比がリーンのとき、或いは空燃比が理論空燃比のときでも燃焼温度が高くなれば少量の煤が生成されるが低温燃焼下では燃焼温度が低い温度に抑制されているためにスモークは全く発生せず、ＮＯX も極めて少量しか発生しない。
【００２９】
ところで機関の要求トルクＴＱが高くなると、即ち燃料噴射量が多くなると燃焼時における燃料および周囲のガス温が高くなるために低温燃焼を行うのが困難となる。即ち、低温燃焼を行いうるのは燃焼による発熱量が比較的少ない機関中低負荷運転時に限られる。図３（Ａ）において領域Ｉは煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室５の不活性ガス量が多い第１の燃焼、即ち低温燃焼を行わせることのできる運転領域を示しており、領域ＩＩは煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少ない第２の燃焼、即ち通常燃焼しか行わせることのできない運転領域を示している。
【００３０】
そこで図１に示される内燃機関では、運転領域Ｉでは低温燃焼を行い、運転領域ＩＩでは通常燃焼を行うようにしている。
【００３１】
図３（Ｂ）は運転領域Ｉにおいて低温燃焼を行う場合の目標空燃比Ａ／Ｆを示しており、図４は運転領域Ｉにおいて低温燃焼を行う場合の要求トルクＴＱに応じたスロットル弁１７の開度、ＥＧＲ制御弁３１の開度、ＥＧＲ率、空燃比、噴射開始時期θＳ、噴射完了時期θＥ、噴射量を示している。なお、図４には運転領域ＩＩにおいて行われる通常の燃焼時におけるスロットル弁１７の開度等も合わせて示している。
【００３２】
即ち、運転領域Ｉでは低温燃焼がリーン空燃比のもとで行われ、このとき内燃機関から排出されるＮＯX はＮＯX 吸収剤２２に吸収される。また、低温燃焼を行っているときにＮＯX 吸収剤に吸収されているＮＯX の量、即ち吸収ＮＯX 量Ｑが予め定められた上限値ＱＭよりも多くなったときには低温燃焼を継続しながら空燃比を一時的にリッチに切り換えてＮＯX 吸収剤２２内に吸収されているＮＯX を放出させかつ還元するようにしている。このようにするとＮＯX 吸収剤２２がＮＯX で飽和することがなくなる。なお、上述したように低温燃焼では空燃比をリッチにしてもスモークが発生しない。
【００３３】
一方、運転領域ＩＩでは通常燃焼がリーン空燃比のもとで行われ、このとき内燃機関から排出されるＮＯX もＮＯX 吸収剤２２に吸収される。ところが通常燃焼では空燃比をリッチにするとスモークが発生するのでＮＯX 吸収剤２２からＮＯX を放出させることができない。
【００３４】
そこで本発明による実施例では、通常燃焼が行われているときにＮＯX 吸収剤２２の吸収ＮＯX 量Ｑが上限値ＱＭよりも多くなったか否かを判断し、通常燃焼が行われているときにＱ＞ＱＭとなったときには通常燃焼をリーン空燃比のもとで継続しながら尿素供給ノズル２７から選択還元触媒２５に尿素を供給し、選択還元触媒２５において尿素によりＮＯX を還元するようにしている。
【００３５】
この場合、吸収ＮＯX 量Ｑが上限値ＱＭを越えたとしてもＮＯX 吸収剤２２が実際にＮＯX で飽和するまでは、内燃機関から排出されたＮＯX はＮＯX 吸収剤２２に吸収され、ＮＯX 吸収剤２２が実際にＮＯX で飽和したときにＮＯX 吸収剤２２から流出するＮＯX が選択還元触媒２５において還元される。従って、運転領域ＩＩにおいてＮＯX 吸収剤２２がＮＯX で飽和したとしてもＮＯX が大気中に排出されるのを阻止することができる。
【００３６】
次いで運転領域ＩＩから運転領域Ｉに戻ると、リッチ空燃比のもとで低温燃焼が行われ、斯くしてＮＯX 吸収剤２２から吸収されているＮＯX が放出されかつ還元される。
【００３７】
ここで、吸収ＮＯX 量Ｑが上限値ＱＭよりも多くなったか否かを判断する方法として様々な方法がある。例えば、ＮＯX 吸収剤２２から流出した排気ガス中のＮＯX 濃度を検出するためのＮＯX 濃度センサを設け、検出されたＮＯX 濃度が予め定められた上限値を越えたときにＱ＞ＱＭになったと判断することもできるし、或いは吸収ＮＯX 量Ｑを求めてこの吸収ＮＯX 量を上限値ＱＭと比較することもできる。この吸収ＮＯX 量Ｑを求めるために、例えばＮＯX 吸収剤２２に流入する排気ガス中のＮＯX 濃度を検出するためのＮＯX 濃度センサを設けることもできる。
【００３８】
図１に示される内燃機関では、単位時間当たり内燃機関から排出されるＮＯX の量ΔＱを機関運転状態、例えば要求トルクＴＱ及び機関回転数Ｎの関数として図５に示されるマップの形で予め記憶しておき、リーン空燃比で機関運転が行われているときにこのΔＱを積算することにより吸収ＮＯX 量Ｑを算出するようにしている。
【００３９】
ところで、ＮＯX 吸収剤２２にはＮＯX だけでなく燃料に含まれているイオウ分例えばＳＯＸも吸収される。ところがこのＳＯＸをＮＯX 吸収剤２２から放出させるためには、空燃比をリッチに切り換えるだけでなく、ＮＯX 吸収剤２２の温度を例えば６００℃程度まで上昇させる必要がある。従って、ＮＯX 吸収剤２２からＳＯＸを放出させるとＮＯX 吸収剤２２の温度が高くなる。或いは、ＮＯX 吸収剤２２をパティキュレートフィルタに担持させるようにした場合には、パティキュレートフィルタに堆積した微粒子を酸化除去するとＮＯX 吸収剤２２の温度が高くなる。
【００４０】
ところが、図６に示されるようにＮＯX 吸収剤２２の温度Ｔがかなり高くなるとＮＯX 吸収剤２２のＮＯX 吸収能力ＡＣが次第に低下する。従って、ＮＯX 吸収剤２２の温度Ｔがかなり高くなると、内燃機関から排出されるＮＯX を吸収できなくなるばかりでなく、ＮＯX 吸収剤２２から吸収されているＮＯX も放出され、このときＮＯX 吸収剤２２ではＮＯX が還元されない。このような現象は低温燃焼を行っているときでも、通常燃焼を行っているときでも起こりうる。
【００４１】
そこで本発明による実施例では、ＮＯX 吸収剤２２の温度Ｔが予め定められた上限値ＴＭよりも高いか否かを判断し、Ｔ＞ＴＭのときには機関運転をリーン空燃比のもとで継続しながら尿素供給ノズル２７から選択還元触媒２５に尿素を供給し、選択還元触媒２５において尿素によりＮＯX を還元するようにしている。その結果、ＮＯX 吸収剤２２の温度Ｔがかなり高くなってもＮＯX が大気中に排出されるのを阻止することができる。
【００４２】
一方、例えば機関高負荷運転時には単位時間当たりに内燃機関から排出されるＮＯX の量がかなり多くなり、従って単位時間当たりにＮＯX 吸収剤２２に流入するＮＯX の量がかなり多くなる。ところが、このときＮＯX がＮＯX 吸収剤２２に吸収されずにＮＯX 吸収剤２２から流出する恐れがある。このような現象は低温燃焼を行っているときでも、通常燃焼を行っているときでも起こりうる。
【００４３】
そこで本発明による実施例では、単位時間当たりにＮＯX 吸収剤２２に流入するＮＯX の量が予め定められた上限値よりも多いか否かを判断し、単位時間当たりにＮＯX 吸収剤２２に流入するＮＯX の量が上限値よりも多いときには機関運転をリーン空燃比のもとで継続しながら尿素供給ノズル２７から選択還元触媒２５に尿素を供給し、選択還元触媒２５において尿素によりＮＯX を還元するようにしている。その結果、ＮＯX 吸収剤２２からＮＯX が流出したとしてもＮＯX が大気中に排出されるのを阻止することができる。
【００４４】
単位時間当たりにＮＯX 吸収剤２２に流入するＮＯX の量が上限値よりも多いか否かを判断する方法には様々な方法がある。例えば、上述した吸収ＮＯX 量Ｑの場合と同様に、ＮＯX 吸収剤２２の上流又は下流にＮＯX 濃度センサを取り付けることができる。
【００４５】
或いは、低温燃焼が行われているときには、単位時間当たり空燃比がリッチに切り換えられる回数が予め定められた上限値よりも多いときに単位時間当たりにＮＯX 吸収剤２２に流入するＮＯX の量が上限値よりも多いと判断することもできる。即ち、単位時間当たりにＮＯX 吸収剤２２に流入するＮＯX の量が多くなると、ＮＯX 吸収剤２２の吸収ＮＯX 量Ｑが短時間のうちに上限値ＱＭよりも多くなり、従ってＮＯX 吸収剤２２からＮＯX を放出させるための空燃比の切り換え作用が頻繁に行われることになる。このため、単位時間当たりの空燃比の切り換え作用の回数は単位時間当たりにＮＯX 吸収剤２２に流入するＮＯX の量を表していることになる。なお、このような観点からすると、単位時間当たりにＮＯX 吸収剤２２に流入するＮＯX の量が多いときに選択還元触媒２５においてＮＯX を還元することによって、空燃比の切り換え作用を頻繁に行う必要がなくなるということになる。従って、ドライバビリティが向上する。
【００４６】
図１に示される内燃機関では、単位時間当たり内燃機関から排出されるＮＯX の量ΔＱ（図５）を用いて単位時間当たりＮＯX 吸収剤２２に流入するＮＯX の量が上限値ΔＱＭよりも多いか否かを判断するようにしている。
【００４７】
図７は上述した機関運転制御及び尿素供給制御方法を実行するためのフローチャートである。このフローチャートは予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行される。
【００４８】
図７を参照すると、まずステップ１００では図５のマップを用いてＮＯX 吸収剤２２の吸収ＮＯX 量Ｑが算出される。続くステップ１０１では図３（Ａ）のマップから現在の運転領域が領域ＩＩであるか否かが判別される。現在の運転領域が領域Ｉであるときには次いでステップ１０２に進み、リーン空燃比のもとで低温燃焼が行われる。続くステップ１０３ではＮＯX 吸収剤２２の吸収ＮＯX 量Ｑが上限値ＱＭよりも多いか否かが判別される。Ｑ≦ＱＭのときには処理サイクルを終了し、Ｑ＞ＱＭのときにはステップ１０４に進み、ＮＯX 吸収剤２２の温度Ｔが上限値ＴＭ以下であるか否かが判別される。Ｔ＞ＴＭのときには次いでステップ１１２にジャンプし、Ｔ≦ＴＭのときには次いでステップ１０５に進み、単位時間当たりにＮＯX 吸収剤２２に流入するＮＯX の量ΔＱが上限値ΔＱＭ以下であるか否かが判別される。ΔＱ＞ΔＱＭのときにはテップ１１１にジャンプし、ΔＱ≦ΔＱのときには次いでステップ１０６に進み、リッチ空燃比のもとで低温燃焼が行われる。
【００４９】
これに対し、ステップ１０１において現在の運転領域が領域ＩＩであるときにはステップ１０７に進み、リーン空燃比のもとで通常燃焼が行われる。続くステップ１０８ではＮＯX 吸収剤２２の吸収ＮＯX 量Ｑが上限値ＱＭよりも多いか否かが判別される。Ｑ＞ＱＭのときにはステップ１１１に進み、Ｑ≦ＱＭのときにはステップ１０９に進み、Ｔ≦ＴＭであるか否かが判別される。Ｔ≦ＴＭのときには処理サイクルを終了し、Ｔ＞ＴＭのときには次いでステップ１１０に進み、ΔＱ≦ΔＱＭであるか否かが判別される。ΔＱ≦ΔＱＭのときには処理サイクルを終了し、ΔＱ＞ΔＱＭのときにはステップ１１１に進む。ステップ１１１では尿素供給ノズル２７から尿素水溶液が選択還元触媒２５に供給される。
【００５０】
図８は本発明による別の実施例を示している。
【００５１】
図８（Ａ）に示す例では、ＮＯX 吸収剤２２をバイパスするバイパス管６０と、選択還元触媒２５に尿素を供給すべきときに開弁され、それ以外は閉弁されるバイパス制御弁６１とが設けられる。バイパス制御弁６１が開弁されると排気ガスがバイパス管６０内に流入し、ＮＯX 吸収剤２２をバイパスする。
【００５２】
図８（Ｂ）に示す例では、ＮＯX 吸収剤２２と選択還元触媒２５とが並列に配置される。即ち、排気タービン２１（図１）の出口に分岐管６２が連結され、分岐管６２の各枝管にＮＯX 吸収剤２２及び選択還元触媒２５が連結される。分岐管６２内には、選択還元触媒２５に尿素を供給すべきときに排気ガスを選択還元触媒２５に導き、それ以外は排気ガスをＮＯX 吸収剤２２に導くための切り換え弁６３が配置されている。
【００５３】
図８（Ｃ）に示す例では、ＮＯX 吸収剤２２上流の排気通路内に酸化触媒６４が配置される。この酸化触媒６４は例えば白金のような貴金属を担持しており、流入する排気ガス中のＨＣ，ＣＯを酸化すると共に、ＮＯをＮＯ２に酸化してＮＯX 吸収剤２２へのＮＯX の吸収を促進する。また、パティキュレートフィルタを設ける場合にはパティキュレートフィルタを酸化触媒６４と一体的に設ければ微粒子の酸化除去を速やかに行うことが可能になる。
【００５４】
これまで述べてきた実施例では、ＮＯX 吸収剤２２の下流に選択還元触媒２５及び尿素供給ノズル２７が配置されている。しかしながら、選択還元触媒２５及び尿素供給ノズル２７をＮＯX 吸収剤２２の上流に配置することもできる。
【００５５】
また、これまで述べてきた実施例では、低温燃焼が行われているときにＮＯX 吸収剤２２に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするために、燃焼室５内における平均空燃比をリッチにしている。しかしながら、ＮＯX 吸収剤２２に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするために、例えば膨張行程後半又は排気行程中に燃焼室５内に追加の燃料を噴射することもできるし、ＮＯX 吸収剤２２上流の排気通路内に追加の燃料を噴射することもできる。これらの方法は低温燃焼を行うことができない内燃機関でも適用することができる。
【００５６】
更に、これまで述べてきた実施例では、選択還元触媒２５に供給される還元剤として尿素を用いている。しかしながら、他のアンモニア化合物、炭化水素、又は水素を用いることもできる。
【００５７】
【発明の効果】
機関運転状態に関わらず排気ガスを良好に浄化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】スモークの発生量を示す図である。
【図３】機関の運転領域等を示す図である。
【図４】スロットル弁開度等の変化を示す図である。
【図５】単位時間当たりに内燃機関から排出されるＮＯX の量を示す線図である。
【図６】ＮＯX 吸収剤のＮＯX 吸収能力を示す線図である。
【図７】機関運転制御及び尿素供給制御方法を実行するためのフローチャートである。
【図８】本発明による別の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１…内燃機関
２２…ＮＯX 吸収剤
２５…選択還元触媒
２７…尿素供給ノズル
Claims (3)
- 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ＮＯ Ｘ 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ているＮＯ Ｘ を放出して還元するＮＯ Ｘ 吸収剤を機関排気通路内に配置し、機関運転をリーン空燃比のもとで行いながらこのとき内燃機関から排出されるＮＯ Ｘ をＮＯ Ｘ 吸収剤に吸収すると共に、ＮＯ Ｘ 吸収剤に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチにしてＮＯ Ｘ 吸収剤に吸収されているＮＯ Ｘ を放出させかつ還元する第１の排気浄化作用を行うようにした内燃機関の排気浄化装置において、二次的に供給された還元剤が存在する酸化雰囲気においてＮＯ Ｘ を選択的に還元可能な選択還元触媒と、該選択還元触媒に還元剤を二次的に供給可能な還元剤供給手段とを機関排気通路内に配置し、単位時間当たりにＮＯ Ｘ 吸収剤に流入するＮＯ Ｘ の量が予め定められた上限値よりも多いか否かを判断する手段を具備し、単位時間当たりにＮＯ Ｘ 吸収剤に流入するＮＯ Ｘ の量が該上限値よりも多いときには機関運転をリーン空燃比のもとで行いながら還元剤供給手段から選択還元触媒に還元剤を供給して該選択還元触媒において該還元剤によりＮＯ Ｘ を還元する第２の排気浄化作用を行うようにした内燃機関の排気浄化装置。
- 低温燃焼と通常燃焼とを切り換え可能な内燃機関の排気通路内に、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ＮＯ Ｘ 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ているＮＯ Ｘ を放出して還元するＮＯ Ｘ 吸収剤を配置し、低温燃焼又は通常燃焼をリーン空燃比のもとで行いながらこのとき内燃機関から排出されるＮＯ Ｘ をＮＯ Ｘ 吸収剤に吸収すると共に、低温燃焼を行うべきときにＮＯ Ｘ 吸収剤に吸収されているＮＯ Ｘ の量が予め定められた上限値よりも多くなったときには低温燃焼を一時的にリッチ空燃比のもとで行ってＮＯ Ｘ 吸収剤内に吸収されているＮＯ Ｘ を放出させかつ還元する第１の排気浄化作用を行うようにした内燃機関の排気浄化装置において、二次的に供給された還元剤が存在する酸化雰囲気においてＮＯ Ｘ を選択的に還元可能な選択還元触媒と、該選択還元触媒に還元剤を二次的に供給可能な還元剤供給手段とを機関排気通路内に配置し、通常燃焼を行うべきときにＮＯ Ｘ 吸収剤に吸収されているＮＯ Ｘ の量が前記上限値よりも多くなったときには通常燃焼をリーン空燃比のもとで行いながら還元剤供給手段から選択還元触媒に還元剤を供給して該選択還元触媒において該還元剤によりＮＯ Ｘ を還元する第２の排気浄化作用を行うようにした内燃機関の排気浄化装置。
- 前記選択還元触媒を二次的に供給された尿素が存在する酸化雰囲気においてＮＯ Ｘ を選択的に還元可能な選択還元触媒から形成し、前記還元剤供給手段を選択還元触媒に尿素を二次的に供給可能な尿素供給手段から形成した請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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