(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路内に酸化触媒を配置し、該酸化触媒を、酸化雰囲気において流入するＮＯＸを還元するＮＯＸ触媒から形成し、該ＮＯＸ触媒下流の排気通路内に該ＮＯＸ触媒と別個の析出材であって、流入する排気中の炭化水素から炭素含有成分を析出して該炭素含有成分を保持する析出材を配置し、ＮＯＸ触媒上流の排気通路内に炭化水素供給装置から炭化水素を供給してＮＯＸ触媒において該炭化水素によりＮＯＸ還元作用を行うと共に、ＮＯＸ還元作用に必要な量よりもわずかばかり過剰の量の炭化水素を炭化水素供給装置から供給し、析出材に流入する排気中のサルフェートを析出材内において析出された炭素含有成分により還元するようにした内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
炭化水素供給装置からの炭化水素供給量を一時的に増大せしめてこのとき析出材に供給される炭化水素から析出材内に炭素含有成分を析出させるようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記析出材に保持されている炭素含有成分量を求めて該炭素含有成分量が予め定められた設定量よりも多くなったときには炭化水素供給装置からの炭化水素供給量の増大作用を停止するようにした請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
排気通路内に酸化触媒を配置し、酸化触媒内または酸化触媒下流の排気通路内に、流入する排気中の炭化水素から炭素含有成分を析出して該炭素含有成分を保持する析出材を配置し、該析出材のＳｉ／Ａｌ比を酸化触媒のＳｉ／Ａｌ比よりも大きく設定し、析出材に流入する排気中のサルフェートを析出された炭素含有成分により還元するようにした内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【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、リーン混合気を燃焼せしめるようにした内燃機関において、排気通路内に酸化触媒を配置した内燃機関が知られている。この内燃機関では、排気中に含まれる未燃ＨＣ，ＣＯを酸化雰囲気の酸化触媒において酸化してこれら未燃ＨＣ，ＣＯをＨ２  Ｏ，ＣＯ２  に変換するようにしている。
【０００３】
ところが、燃料または機関の潤滑油にはイオウ分が含まれており、このため機関から排出される排気中にも例えばＳＯ２  の形でイオウ分が含まれている。しかしながら、このＳＯ２  は酸化触媒において酸化されてＳＯ３  が生成され、このＳＯ３  が次いでＨ２  Ｏと反応すると好ましくなくＨ２  ＳＯ４  が生成されてしまう。一方、煤や活性炭のような炭素含有成分はサルフェートすなわちＳＯ３  またはＨ２  ＳＯ４  を吸着してＳＯ２  に還元する能力を備えている。そこで、酸化触媒下流の排気通路内に排気中の煤を捕集するフィルタを配置し、このフィルタに捕集された煤によりサルフェートを吸着して還元するようにした排気浄化装置が公知である（特開平９−３２５３９号公報参照）。
【０００４】
また、この公報には、酸化触媒下流の排気通路内に活性炭を収容したケーシングを配置し、この活性炭によりサルフェートを吸着して還元するようにした排気浄化装置も開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、フィルタ内の煤は粒径が大きく、その表面が活性化されていないので煤のサルフェート還元能力は低い。したがって、フィルタに捕集された煤によりサルフェートを還元するようにした場合には、サルフェートを十分に還元できない恐れがあるという問題点がある。
【０００６】
一方、活性炭によりサルフェートを還元するようにした場合、ケーシング内の活性炭量は時間の経過と共に減少し、活性炭が少なくなるともはやサルフェートを十分に吸着、還元できないという問題点がある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために１番目の発明によれば、排気通路内に酸化触媒を配置し、酸化触媒を、酸化雰囲気において流入するＮＯＸを還元するＮＯＸ触媒から形成し、ＮＯＸ触媒下流の排気通路内にＮＯＸ触媒と別個の析出材であって、流入する排気中の炭化水素から炭素含有成分を析出してこの炭素含有成分を保持する析出材を配置し、ＮＯＸ触媒上流の排気通路内に炭化水素供給装置から炭化水素を供給してＮＯＸ触媒において炭化水素によりＮＯＸ還元作用を行うと共に、ＮＯＸ還元作用に必要な量よりもわずかばかり過剰の量の炭化水素を炭化水素供給装置から供給し、析出材に流入する排気中のサルフェートを析出材内において析出された炭素含有成分により還元するようにしている。すなわち１番目の発明では、析出材内にサルフェート還元能力の高い炭素含有成分が析出されて保持され、さらに流入排気中の炭化水素から炭素含有成分が析出されるのでサルフェートが常時、確実に還元される。
【０００８】
また、２番目の発明によれば１番目の発明において、酸化触媒上流の排気通路内に炭化水素供給装置から炭化水素を供給して酸化触媒において該炭化水素により排気浄化作用を行うようになっており、炭化水素供給装置からの炭化水素供給量を一時的に増大せしめてこのとき析出材に供給される炭化水素から析出材内に炭素含有成分を析出させるようにしている。すなわち２番目の発明では、析出材に十分な量の炭化水素が供給されるので析出材内に十分な量の炭素含有成分が析出され、したがってサルフェートが確実に還元される。
【０００９】
また、３番目の発明によれば２番目の発明において、前記析出材に保持されている炭素含有成分量を求めてこの炭素含有成分量が予め定められた設定量よりも多くなったときには炭化水素供給装置からの炭化水素供給量の増大作用を停止するようにしている。すなわち３番目の発明では、析出材において炭素含有成分が過剰に析出されるのが阻止される。
【００１０】
また、４番目の発明によれば、排気通路内に酸化触媒を配置し、酸化触媒内または酸化触媒下流の排気通路内に、流入する排気中の炭化水素から炭素含有成分を析出して該炭素含有成分を保持する析出材を配置し、該析出材のＳｉ／Ａｌ比を酸化触媒のＳｉ／Ａｌ比よりも大きく設定し、析出材に流入する排気中のサルフェートを析出された炭素含有成分により還元するようにしている。
【００１１】
【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機関に適用することもできる。
図１を参照すると、１は機関本体、２は燃焼室、３は吸気ポート、４は吸気弁、５は排気ポート、６は排気弁、７は燃焼室２内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁をそれぞれ示す。電磁式の各燃料噴射弁７は共通の燃料用蓄圧室８を介して燃料ポンプ９に接続される。このようにすると各気筒の１燃焼サイクルにおいて複数回燃料噴射を行うことができる。各気筒の吸気ポート３はそれぞれ対応する吸気枝管１０を介して共通のサージタンク１１に接続され、サージタンク１１は吸気ダクト１２を介してエアクリーナ１３に接続される。一方、各気筒の排気ポート５は共通の排気マニホルド１４および排気管１５を介してＮＯＸ  触媒１６を収容したケーシング１７に接続され、ケーシング１７は排気管１８を介して析出材１９を収容したケーシング２０に接続される。なお、各燃料噴射弁７は電子制御ユニット３０からの出力信号に基づいてそれぞれ制御される。
【００１２】
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、双方向性バス３１を介し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（マイクロプロセッサ）３４、常時電源に接続されているＢ−ＲＡＭ（バックアップＲＡＭ）３５、入力ポート３６、および出力ポート３７を具備する。サージタンク１１にはサージタンク１１内の圧力に比例した出力電圧を発生する圧力センサ３８が取り付けられ、圧力センサ３８の出力電圧はＡＤ変換器３９を介して入力ポート３６に入力される。また、入力ポート３６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４０と、車両速度を表す出力パルスを発生する車速センサ４１とが接続される。一方、出力ポート３７は駆動回路４２を介して燃料噴射弁７に接続される。
【００１３】
図１の内燃機関において、ＮＯＸ  触媒１６はゼオライト、モルデナイトのような多孔質担体上に白金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、または銅Ｃｕ、鉄Ｆｅ、コバルトＣｏ、ニッケルＮｉのような遷移金属が担持されて形成されている。このＮＯＸ  触媒１６は例えば炭化水素ＨＣ、一酸化炭素ＣＯのような還元剤を含む酸素雰囲気においてＮＯＸ  をこれらＨＣ，ＣＯと選択的に反応せしめ、それによってＮＯＸ  を窒素Ｎ２  に還元することができる。すなわち、ＮＯＸ  触媒１６は流入する排気中が還元剤を含んでいると、たとえ酸素雰囲気であっても流入する排気中のＮＯＸ  を還元する。さらに言い換えると、ＮＯＸ  触媒１６はＮＯＸ  触媒１６内のＨＣ，ＣＯを酸化してＨ２  ＯおよびＣＯ２  を生成する酸化触媒の機能を果たす。なお、ＮＯＸ  触媒１６のＳｉ／Ａｌ比は４０程度である。
【００１４】
図１のディーゼル機関では機関から排出されるスモークやパティキュレートを低減するために常時、酸素過剰燃焼が行われており、したがってＮＯＸ  触媒１６は常時、酸素雰囲気に維持されている。その結果、ＮＯＸ  触媒１６においてＮＯＸ  が良好に還元される。
この場合、機関から排出される未燃ＨＣやＣＯなどがＮＯＸ  の還元剤として作用しうる。しかしながら、ディーゼル機関から排出される未燃ＨＣ量などに比べて浄化すべきＮＯＸ  量は圧倒的に多く、すなわちＮＯＸ  を良好に浄化するための還元剤が不足する。そこで、図１の内燃機関では燃料噴射弁７から機関膨張行程または排気行程に燃料噴射することによりＮＯＸ  触媒１６に還元剤を供給し、それによって還元剤がＮＯＸ  に対し不足しないようにしている。このように膨張行程または排気行程に行われる燃料噴射、すなわち副燃料噴射は例えば圧縮上死点周りにおいて行われる通常の機関出力のための燃料噴射、すなわち主燃料噴射とは異なるものであり、副燃料噴射による燃料は機関出力にほとんど寄与しない。
【００１５】
このようにＮＯＸ  触媒１６におけるＮＯＸ  還元作用のための副燃料噴射をＮＯＸ  還元用副燃料噴射と称すると、ＮＯＸ  還元用副燃料噴射時間ＱＮはＮＯＸ  触媒１６においてＮＯＸ  を十分に還元するのに最適な燃料噴射時間よりもわずかばかり長くされている。すなわち、ＮＯＸ  還元用副燃料噴射ではわずかばかり過剰のＨＣがＮＯＸ  触媒１６に供給される。ＮＯＸ  還元用副燃料噴射時間ＱＮは機関運転状態、すなわち機関負荷を表すサージタンク１１内の圧力ＰＭおよび機関回転数Ｎの関数として予め実験により求められており、図２に示すマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００１６】
なお、ＮＯＸ  触媒１６上流の排気通路内に還元剤供給装置を配置してこの還元剤供給装置からＮＯＸ  触媒１６に還元剤を供給するようにしてもよい。しかしながら、図１の内燃機関におけるように燃料噴射弁７から副燃料噴射を行うようにすると別個の還元剤供給装置および還元剤タンクを必要としない。
ところが、冒頭で述べたように、燃料または機関の潤滑油にはイオウ分が含まれており、このため機関から排出される排気中にも例えばＳＯ２  の形でイオウ分が含まれている。しかしながら、このＳＯ２  はＮＯＸ  触媒１６において酸化されてＳＯ３  が生成され、このＳＯ３  が次いでＨ２  Ｏと反応すると好ましくなくＨ２  ＳＯ４  が生成されてしまう。
【００１７】
一方、高沸点ＨＣ成分および炭素のような炭素含有成分はサルフェートすなわちＳＯ３  またはＨ２  ＳＯ４  を吸着してＳＯ２  に還元する能力を備えている。この場合の吸着・還元メカニズムについては必ずしも明らかにされていない。しかしながらこの吸着・還元メカニズムは次のように行われるものと考えられる。すなわち、サルフェートは炭素含有成分にＳＯ３  の形で化学吸着でもって吸着される。次いで温度がある程度高くなると、例えば３００℃よりも高くなるとサルフェートと炭素含有成分とが反応してＳＯ２  およびＣＯ２  の形で脱離する。
【００１８】
したがって、ＮＯＸ  触媒１６下流に炭素含有成分を保持しておけば、サルフェートを大気中に放出するのを阻止でき、あるいはＨ２  ＳＯ４  の生成を阻止することができることになる。
ところで、ゼオライトのような多孔質材は流入する排気中のＨＣを多孔質材の細孔内に吸着することが知られている。この場合、多孔質材内では吸着されたＨＣの脱水素化反応および重合反応が生じ、ＨＣの分子構造の一部が活性なＨＣ例えばオレフィンの形で脱離する。一方、ＨＣの分子構造の残りの部分は高沸点ＨＣ成分および炭素のような炭素含有成分の形で多孔質材内に残存する。すなわち、多孔質材内に炭素含有成分が析出される。この炭素含有成分は触媒温度が高くなれば、例えば５００℃よりも高くなると燃焼して多孔質材から除去されるが、図１に示すようなディーゼル機関の排気通路内に多孔質材を配置した場合には排気温度が低いために多孔質材内の炭素含有成分は多孔質材内に保持される。
【００１９】
そこで本実施態様では、ゼオライト、モルデナイトのような多孔質担体上に白金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、または銅Ｃｕ、鉄Ｆｅ、コバルトＣｏ、ニッケルＮｉのような遷移金属が担持されて形成されている析出材１９をＮＯＸ  触媒１６下流に配置している。
本実施態様では、流入する排気中のＨＣから炭素含有成分を生成、析出するようにしており、このため析出材１９内に常に炭素含有成分を保持することができる。したがってサルフェートを常時還元することができ、また、炭素含有成分を補充するする必要もない。
【００２０】
なお、析出材１９の構成はＮＯＸ  触媒１６の構成とほぼ同じであるが、析出材１９のＳｉ／Ａｌ比が１０から２０程度にされている点でＮＯＸ  触媒１６と構成を異にしている。析出材１９内に炭素含有成分を良好に析出させるためには吸着されたＨＣの脱水素化反応および重合反応を促進させることが必要であり、このためには析出材１９の活性点を多くすることが必要である。一方、Ｓｉ／Ａｌ比が小さくなるにつれて触媒の活性点の数が多くなる。そこで、析出材１９のＳｉ／Ａｌ比をＮＯＸ  触媒１６よりも小さくして析出材１９の活性点の数が多くなるようにしている。
【００２１】
上述したように、ＮＯＸ  還元用副燃料噴射ではわずかばかり過剰のＨＣがＮＯＸ  触媒１６に供給される。この過剰のＨＣは次いで析出材１９に到り、このＨＣから炭素含有成分が析出される。したがって、大気中にＨＣを放出することなくＮＯＸ  触媒１６においてＮＯＸ  を確実に還元することができる。一方、ＮＯＸ  還元用副燃料噴射は基本的に常時行われ、したがって析出材１９では常時炭素含有成分が析出されるのでサルフェートを常時還元できることになる。
【００２２】
ところが、析出材１９の新品時には析出材１９には炭素含有成分が保持されておらず、したがって析出材１９に炭素含有成分が析出されるまではサルフェートを還元することができない。そこで本実施態様では、析出材１９の新品時に炭素含有成分析出用副燃料噴射を行い、それにより析出材１９に炭素含有成分が速やかに析出されるようにしている。
【００２３】
炭素含有成分析出用副燃料噴射時間ＱＣは新品の析出材１９内に炭素含有成分を速やかに析出させるのに最適な燃料噴射時間である。この炭素含有成分析出用副燃料噴射時間ＱＣ機関運転状態、すなわち機関負荷を表すサージタンク１１内の圧力ＰＭおよび機関回転数Ｎの関数として予め実験により求められており、図３に示すマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００２４】
したがって、本実施態様では副燃料噴射時間ＱＳはＮＯＸ  還元用副燃料噴射時間ＱＮと炭素含有成分析出用副燃料噴射時間ＱＣの和（ＱＳ＝ＱＮ＋ＱＣ）として表されることになる。
析出材１９内に析出された炭素含有成分量がある程度多くなると、このとき炭素含有成分析出用副燃料噴射により供給されたＨＣの大部分は析出材１９に吸着されることなく析出材１９から放出される。そこで本実施態様では、析出材１９内に析出された炭素含有成分量を積算車両走行距離に基づき推定し、この炭素含有成分量が予め定められた設定量よりも多くなったときには炭素含有成分析出用副燃料噴射を停止するようにしている。すなわち、積算車両走行距離Ｓが長くなるにつれて析出材１９内の炭素含有成分量が増大するので積算車両走行距離Ｓが予め定められた設定値Ｓ１よりも大きくなったときに析出材１９内の炭素含有成分量が設定量よりも多くなったと判断し、炭素含有成分析出用副燃料噴射を停止する。
【００２５】
したがって、本実施態様では析出材１９の新品時に一時的に炭素含有成分析出用副燃料噴射が行われ、あるいは副燃料噴射量が一時的に増量されることになる。
ところで、多孔質担体を備えた触媒におけるこのような炭素含有成分の析出作用はＨＣ被毒として従来より知られている。すなわち、触媒内に多量の炭素含有成分が析出するとＨＣが多孔質担体に新たに吸着されないために活性なＨＣが生成されず、その結果ＮＯＸ  の還元作用が低下する。そこで従来では、ＨＣ被毒が生じないように、すなわち炭素含有成分が析出しないようにするのが一般的である。これに対して本発明では、積極的に析出材１９に炭素含有成分を析出させるようにしており、この点で従来技術と技術的思想を全く異にしている。
【００２６】
図４は副燃料噴射時間ＱＳの算出ルーチンを示している。このルーチンは予め定められた設定クランク角度毎の割り込みによって実行される。
図４を参照すると、まずステップ５０では図２のマップからＮＯＸ  還元用副燃料噴射時間ＱＮが算出される。続くステップ５１では析出材１９の新品時における炭素含有成分析出作用が完了したときにセットされるフラグがセットされているか否かが判別される。析出材１９の新品時にはフラグはリセットされているので次いでステップ５２に進み、車速センサ４１の出力パルスから、前回の処理サイクルから今回の処理サイクルまでの車両走行距離ｄＳが算出される。続くステップ５３では積算車両走行距離Ｓが算出される（Ｓ＝Ｓ＋ｄＳ）。続くステップ５４では積算車両走行距離Ｓが設定値Ｓ１よりも大きいか否かが判別される。Ｓ≦Ｓ１のときには次いでステップ５５に進み、図３のマップから炭素含有成分析出用副燃料噴射時間ＱＣが算出される。次いでステップ５６に進み、ＮＯＸ  還元用副燃料噴射時間ＱＮと炭素含有成分析出用副燃料噴射時間ＱＣとの合計が副燃料噴射時間ＱＳとされる（ＱＳ＝ＱＮ＋ＱＣ）。
【００２７】
これに対し、ステップ５４においてＳ＞Ｓ１のときには次いでステップ５７に進み、フラグをセットした後にステップ５８に進む。また、ステップ５１においてフラグがセットされているときにも次いでステップ５８に進む。ステップ５８では炭素含有成分析出用副燃料噴射時間ＱＣが零にされ、次いでステップ５６に進んで副燃料噴射時間ＱＳが算出される。すなわち、このときには炭素含有成分析出用副燃料噴射が停止される。
【００２８】
図５に別の実施態様を示す。
この実施態様ではケーシング１７内にＮＯＸ  触媒１６ａが収容され、ケーシング１７下流に析出材１９が設けられていない点で図１の実施態様と構成を異にしている。
このＮＯＸ  触媒１６ａは図１のＮＯＸ  触媒１６に炭素含有成分析出作用が付与されたものであり、したがってＮＯＸ  触媒１６ａはＮＯＸ  触媒１６内に析出材１９を形成したものと同じである。
【００２９】
上記記載からわかるように、多孔質担体のＳｉ／Ａｌ比を小さくすると多孔質担体の炭素含有成分析出能力が大きくなる。ところが、炭素含有成分析出能力が大きくなりすぎると、活性なＨＣを生成できないためにＮＯＸ  還元作用が低下する。そこで本実施態様ではＮＯＸ  触媒１６ａの多孔質担体のＳｉ／Ａｌ比を例えば２０から３０程度にし、それにより良好なＮＯＸ  還元作用と良好な炭素含有成分析出作用とを同時に確保するようにしている。
【００３０】
なお、この場合、ＮＯＸ  触媒１６ａ内に析出した炭素含有成分は多孔質担体の細孔内に保持され、白金Ｐｔのような金属粒子を覆っていない。したがって、ＮＯＸ  触媒１６ａの排気浄化性能は高く維持される。なお、その他の排気浄化装置の構成および作用は図１の実施態様と同様であるので説明を省略する。
【００３１】
【発明の効果】
析出材内に炭素含有成分を析出させてこの炭素含有成分によりサルフェートを還元するようにしているのでサルフェートを確実に還元することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ディーゼル機関の全体図である。
【図２】ＮＯＸ  還元用副燃料噴射時間ＱＮを示すマップである。
【図３】炭素含有成分析出用副燃料噴射時間ＱＣを示すマップである。
【図４】副燃料噴射時間ＱＳを算出するためのフローチャートである。
【図５】別の実施態様を示すディーゼル機関の全体図である。
【符号の説明】
１…機関本体
７…燃料噴射弁
１４…排気マニホルド
１６…ＮＯＸ  触媒
１９…析出材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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