(57)【要約】【課題】内燃機関の排気浄化装置において、触媒に貯蔵されている酸素を速やかに除去するとともに、触媒の浄化能力を速やかに回復させることができる技術を提供する。【解決手段】内燃機関の排気通路に設けられ酸素貯蔵能力及び酸化能力を有する第１触媒と、その下流に設けられ還元剤の供給により排気の浄化能力を回復させる第２触媒と、を備え、第２触媒における排気の浄化能力を回復させるときに、気筒内の空燃比を理論空燃比近傍とすると共に排気中へ燃料を供給することにより排気の空燃比をリッチ空燃比として第１触媒の酸素を除去し、その後に、気筒内の空燃比をリーン空燃比とすると共に排気中へ燃料を供給することにより排気の空燃比を理論空燃比近傍として第２触媒へ還元剤を供給する。【選択図】図２
2009197708.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられ酸素貯蔵能力及び酸化能力を有する第１触媒と、
前記第１触媒よりも下流の排気通路に設けられ還元剤の供給により排気の浄化能力を回復させる第２触媒と、
前記内燃機関の気筒内の空燃比を変更する気筒内空燃比制御手段と、
前記内燃機関の排気通路内へ燃料を供給する燃料添加装置と、
前記第２触媒における排気の浄化能力を回復させるときに、前記気筒内空燃比制御手段により気筒内の空燃比を理論空燃比近傍とすると共に前記燃料添加装置から燃料を供給することにより排気の空燃比をリッチ空燃比とする酸素除去手段と、
前記酸素除去手段により排気の空燃比がリッチ空燃比とされた後に、前記気筒内空燃比制御手段により気筒内の空燃比をリーン空燃比とすると共に前記燃料添加装置から燃料を供給することにより排気の空燃比を理論空燃比近傍とする浄化能力回復手段と、
を具備することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記浄化能力回復手段は、前記燃料添加装置により供給される単位時間あたりの燃料量を、前記酸素除去手段により排気の空燃比がリッチ空燃比とされるときよりも多くすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
吸蔵還元型ＮＯx触媒よりも上流側に酸化触媒を備え、該酸化触媒による燃料消費量と
ＮＯx還元のための燃料消費量との総量を排気行程で噴射させて、ＮＯxの還元を行う技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
ところで、触媒に酸素が貯蔵されている場合には、触媒に燃料を供給したとしても、該酸素を除去するまでは還元雰囲気とはならない。そのため、還元雰囲気となるまでに時間がかかる。
【０００４】
これに対し、触媒に貯蔵されている酸素を例えば排気中への燃料添加により反応させて除去する技術が知られている。しかし、燃料添加により触媒が過熱したり、該触媒の温度制御が困難になったりする虞がある。また、排気中へ添加された燃料では、還元力が弱いために、硫黄成分等が脱離し難い。そのため、触媒の浄化能力を回復させるのに時間がかかる。
【０００５】
一方、気筒内に供給される燃料量を増加させることによっても酸素を除去することができる。しかし、気筒内での不完全燃焼によりスモークが発生する虞がある。また、気筒内への燃料供給量はあまり多くすることができないため、触媒に供給される燃料量が少なくなるので、酸素の除去に長い時間を要する。
【０００６】
このように、触媒に貯蔵されている酸素を速やかに除去することは困難である。
【特許文献１】特許第３５０９４８２号公報
【特許文献２】特開２００２−３４９３１６号公報
【特許文献３】特開２００７−７５７０７号公報
【特許文献４】特開２００２−１１５５８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の排気浄化装置において、触媒に貯蔵されている酸素を速やかに除去するとともに、触媒の浄化能力を速やかに回復させることができる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を達成するために本発明による内燃機関の排気浄化装置は、以下の手段を採用した。すなわち、本発明による内燃機関の排気浄化装置は、
内燃機関の排気通路に設けられ酸素貯蔵能力及び酸化能力を有する第１触媒と、
前記第１触媒よりも下流の排気通路に設けられ還元剤の供給により排気の浄化能力を回復させる第２触媒と、
前記内燃機関の気筒内の空燃比を変更する気筒内空燃比制御手段と、
前記内燃機関の排気通路内へ燃料を供給する燃料添加装置と、
前記第２触媒における排気の浄化能力を回復させるときに、前記気筒内空燃比制御手段により気筒内の空燃比を理論空燃比近傍とすると共に前記燃料添加装置から燃料を供給することにより排気の空燃比をリッチ空燃比とする酸素除去手段と、
前記酸素除去手段により排気の空燃比がリッチ空燃比とされた後に、前記気筒内空燃比
制御手段により気筒内の空燃比をリーン空燃比とすると共に前記燃料添加装置から燃料を供給することにより排気の空燃比を理論空燃比近傍とする浄化能力回復手段と、
を具備することを特徴とする。
【０００９】
ここで、酸素除去手段は、主に第１触媒に貯蔵されている酸素を除去する。また、浄化能力回復手段は、主に第２触媒の浄化能力を回復させる。この浄化能力の回復とは、例えば第２触媒に吸蔵されているＮＯxを還元させたり、硫黄被毒を回復させたりすることが
含まれる。
【００１０】
まず、気筒内空燃比制御手段により気筒内の空燃比が理論空燃比近傍とされる。ここでいう「理論空燃比近傍」とは、理論空燃比としても差し支えない範囲をいい、理論空燃比も含んでいる。なお、気筒内の空燃比の変更は、吸入空気量または燃料噴射量の少なくとも一方を変更することにより行なわれる。そして、この理論空燃比近傍となっている排気中に燃料の供給が行われることで、排気の空燃比はリッチ空燃比となる。このリッチ空燃比とされた排気が第１触媒に流入することにより、該第１触媒に貯蔵されている酸素が除去される。
【００１１】
ここで、排気中への燃料供給のみで排気の空燃比をリッチ空燃比とすると、燃料の表面にリーン空燃比の排気が接することとなる。そのため、第１触媒の周りに付着している酸素と供給燃料とが接触し難くなる。一方、気筒内空燃比制御手段により空燃比が理論空燃比近傍まで低下された排気中に燃料を供給すると、排気中の酸素量が少ないために、該排気中の燃料が触媒に貯蔵されている酸素と接触し易くなる。つまり、排気中の燃料と触媒に貯蔵されている酸素とが反応し易くなる。
【００１２】
また、気筒内空燃比制御手段により空燃比が低下された排気中に燃料を供給すると、燃料添加装置による燃料の供給量を少なくすることができるため、第１触媒の温度制御も容易となる。これにより、第１触媒の過熱を抑制できる。さらに、排気中に燃料を直接供給することにより、気筒空燃比制御手段のみにより空燃比を低下させた場合と比較して、排気中の還元剤量が多くなる。そのため、第１触媒に貯蔵されている酸素の除去を速やかに完了させることができる。そして、気筒内でリッチ空燃比としないため、スモークの発生も抑制できる。
【００１３】
このようにして第１触媒から酸素を除去した後、気筒内空燃比制御手段及び燃料添加装置により、第１触媒に流入する排気の空燃比が理論空燃比近傍とされる。そうすると、酸素不足になり、燃料添加装置により供給される燃料が第１触媒にて反応し難くなる。これにより、第１触媒からは多量のＣＯが発生する。このＣＯは、第２触媒において還元剤として働く。しかも、排気中に供給する燃料（ＨＣ）よりもＣＯのほうが反応性が高いために、燃料を直接第２触媒へ供給するよりも速やかに浄化能力の回復を行なうことができる。また、このときには理論空燃比近傍となっているため、第１触媒から燃料が流出することが抑制される。
【００１４】
そして、本発明においては、前記浄化能力回復手段は、前記燃料添加装置により供給される単位時間あたりの燃料量を、前記酸素除去手段により排気の空燃比がリッチ空燃比とされるときよりも多くすることができる。
【００１５】
つまり、単位時間あたりの燃料供給量を多くすることで、燃料と排気中の酸素との接触を抑制することができるため、第１触媒における不完全燃焼を促進させることができる。これにより、ＣＯをより多く発生させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、触媒に貯蔵されている酸素を速やかに除去するとともに、触媒の浄化能力を速やかに回復させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関１とその吸・排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、水冷式の４サイクル・エンジンである。
【００１９】
内燃機関１には、吸気通路２および排気通路３が接続されている。この吸気通路２の途中には、該吸気通路２内を流通する吸気の流量に応じた信号を出力するエアフローメータ４が設けられている。このエアフローメータ４により、内燃機関１の吸入空気量Ｇａが測定される。また、この吸入空気量Ｇａに基づいて排気の量を求めることもできる。
【００２０】
一方、排気通路３の途中には、上流側（すなわち、内燃機関１側）から順に酸化触媒５と、吸蔵還元型ＮＯx触媒６（以下、ＮＯx触媒６という。）とが備えられている。酸化触媒５は、Ｐｔを含んで構成され、酸素を貯蔵する機能（Ｏ２ストレージ能力）を有している。この酸化触媒５のＯ２ストレージ能力は、混合気の空燃比がリーンになると排気中に存在する過剰酸素を貯蔵し、空燃比がリッチになると貯蔵していた酸素を放出するものである。
【００２１】
ＮＯx触媒６は、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のＮＯxを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときは吸蔵していたＮＯxを還元する機
能を有する。
【００２２】
なお、ＮＯx触媒６に吸蔵されているＮＯxを還元するときには、該ＮＯx触媒６へ還元
剤を供給する。
【００２３】
一方、ＮＯx触媒６には燃料に含まれる硫黄分が燃焼して生成される硫黄酸化物（ＳＯx）もＮＯxと同じメカニズムで吸蔵される。このように吸蔵されたＳＯxはＮＯxよりも放
出されにくく、ＮＯx触媒６内に蓄積される。そして、ＳＯxが吸蔵されている分、ＮＯx
を吸蔵できる量が減少し、ＮＯx触媒６のＮＯx吸蔵力が低下する。これを硫黄被毒（ＳＯx被毒）といい、適宜の時期に硫黄被毒から回復させる被毒回復処理を施す必要がある。
この被毒回復処理は、ＮＯx触媒６を高温（例えば６００乃至６５０℃程度）にしつつ還
元剤を供給して行なわれる。
【００２４】
なお、本実施例においては酸化触媒５が、本発明における第１触媒に相当する。また、本実施例においてはＮＯx触媒６が、本発明における第２触媒に相当する。
【００２５】
内燃機関１には、該内燃機関１の気筒内若しくは吸気通路２内に燃料を噴射する燃料噴射弁１１が取り付けられている。この燃料噴射弁１１からの燃料噴射量を調節することにより、内燃機関１はリッチ空燃比、理論空燃比、またはリーン空燃比にて運転することができる。これにより、酸化触媒５へ流入する排気の空燃比を変動させることができる。
【００２６】
また、酸化触媒５よりも上流の排気通路３には、該排気通路３を流通する排気の空燃比を検出する第１空燃比センサ７が取り付けられている。一方、酸化触媒５よりも下流で且つＮＯx触媒６よりも上流の排気通路３には、該排気通路３を流通する排気の空燃比を検
出する第２空燃比センサ８が取り付けられている。なお、第１空燃比センサ７から得られる空燃比を以下、上流側空燃比という。また、第２空燃比センサ８から得られる空燃比を以下、下流側空燃比という。
【００２７】
また本実施例では、酸化触媒５よりも上流の排気通路３内に還元剤たる燃料（軽油）を噴射する燃料添加弁９を備えている。ここで、燃料添加弁９は、後述するＥＣＵ１０からの信号により開弁して燃料を噴射する。燃料添加弁９から排気通路３内へ噴射された燃料は、排気通路３の上流から流れてきた排気の空燃比をリッチにする。なお、本実施例においては燃料添加弁９が、本発明における燃料添加装置に相当する。
【００２８】
以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。
【００２９】
ＥＣＵ１０には、各種センサ等が電気配線を介して接続され、該センサ等の出力信号が入力されるようになっている。一方、ＥＣＵ１０には、燃料添加弁９及び燃料噴射弁１１が電気配線を介して接続され、該ＥＣＵ１０により燃料添加弁９及び燃料噴射弁１１からの燃料噴射量が制御される。なお、本実施例においては燃料噴射弁１１からの燃料噴射量を制御するＥＣＵ１０が、本発明における気筒内空燃比制御手段に相当する。
【００３０】
そして本実施例では、ＮＯx触媒６の吸蔵能力を回復させるとき（すなわち、ＮＯx還元時及び硫黄被毒回復時）において、まず、酸化触媒５に貯蔵されている酸素を除去する。その後、ＮＯx触媒６へ還元剤を供給してＮＯx吸蔵能力を回復させる。
【００３１】
図２は、本実施例におけるＮＯx触媒６の吸蔵能力を回復させるときの酸化触媒５に流
入する排気の空燃比の目標値の推移と気筒内の空燃比の推移とを示したタイムチャートである。酸化触媒５に流入する排気の空燃比は、酸化触媒５の目標空燃比としても良い。実線が酸化触媒５に流入する排気の空燃比を示し、破線が気筒内の空燃比を示している。
【００３２】
（１）で示される期間では、気筒内の空燃比を低下させることにより、酸化触媒５に流入する排気の空燃比を低下させている。このときには、酸化触媒５に貯蔵されている酸素の放出により、酸化触媒５における空燃比は高い。また、燃料添加弁９からは燃料添加を行なっていない。
【００３３】
（２）で示される期間では、気筒内の空燃比が理論空燃比まで低下されると共に、燃料添加弁９から燃料が添加されることで、酸化触媒５へ流入する排気の空燃比がリッチ空燃比となる。このときには、酸化触媒５において燃料と酸化触媒５に貯蔵されている酸素とが接触する。つまり、燃料（ＨＣ）と酸素とが反応することにより、酸化触媒５に貯蔵されている酸素が除去される。なお、本実施例においては酸化触媒５に貯蔵されている酸素を除去するＥＣＵ１０が、本発明における酸素除去手段に相当する。
【００３４】
（３）で示される期間では、気筒内の空燃比がリーン空燃比とされると共に、燃料添加弁９から燃料が添加されることで、酸化触媒５に流入する排気の空燃比が理論空燃比近傍となる。気筒内の空燃比は、ＮＯx触媒６の吸蔵能力を回復させない場合よりは低くなっ
ているため、排気中の酸素濃度も低くなっている。このときには、酸化触媒５においてＨＣの酸化が不十分となる（燃料が不完全燃焼する）ため、ＣＯが多く発生する。このＣＯは、ＮＯx触媒６において還元剤として働く。つまり、このＣＯによりＮＯx触媒６の吸蔵能力を回復させることができる。なお、本実施例においてはＮＯx触媒６の浄化能力を回
復させるＥＣＵ１０が、本発明における浄化能力回復手段に相当する。
【００３５】
図３は、酸化触媒５内の酸素濃度の分布を示した図である。縦軸が酸素濃度を示し、横軸が酸化触媒５の上流端からの距離を示している。実線が気筒内の空燃比を低下させると共に燃料添加弁９からの燃料添加を行なった場合、一点鎖線が燃料添加弁９からの燃料添加のみを行なった場合、二点鎖線が気筒内の空燃比の低下のみを行った場合を夫々示している。
【００３６】
いずれの場合にも、排気中に含まれるＨＣの酸化に酸素が消費されるため、酸化触媒５の上流側から下流側へ向かうに従い酸素濃度が低くなっている。ここで、燃料添加弁９からの燃料添加のみを行なった場合（一点鎖線）には、排気中に酸素が多く含まれているため、酸化触媒５内の酸素濃度が全体的に高い。
【００３７】
一方、気筒内の空燃比の低下のみを行った場合（二点鎖線）には、該気筒内で酸素が消費されるため、酸化触媒５内の酸素濃度も低くなる。そのため、燃料添加弁９からの燃料添加のみを行なった場合と比較して全体的に酸素濃度が低い。しかし、排気中に含まれる還元剤の量が少ないため、酸化触媒５に貯蔵されている酸素を除去するのに時間がかかる。そのため、酸素濃度が一定となる箇所がある。
【００３８】
そして、気筒内の空燃比を低下させると共に燃料添加弁９から燃料添加を行なった場合（実線）では、排気の酸素濃度が低くなり且つ還元剤も多く存在しているため、酸化触媒５で燃料の反応が促進される。そのため、ある程度下流側では、酸素濃度が０となる。このように酸素濃度が０となると、燃料の酸化が不完全となり、ＣＯが多く発生する。このＣＯは、ＨＣよりも還元力が高いため、効率よくＮＯxの還元や硫黄被毒回復を行なうこ
とができる。つまり、ＮＯx触媒６へ燃料を直接供給するよりも、酸化触媒５においてＣ
Ｏを発生させるほうが、より少ない燃料でＮＯxの還元や硫黄被毒の回復を行なうことが
できる。
【００３９】
ここで、（２）で示される期間で添加する燃料量は以下のようにして算出する。なお、目標空燃比は運転状況に応じて１２．０から１４．４程度となるように設定される。そして、吸入空気量が多いほど、また、排気の温度が高いほど、酸化触媒５から酸素を除去する時間が短くなるため、目標空燃比がより低くなるように燃料添加量を調節する。このような場合には、酸化触媒５において燃料がより多く反応するため、該燃料がすり抜けることが抑制される。
【００４０】
そして、酸化触媒５に貯蔵されている酸素を除去するために必要となる燃料添加量Ｚは以下の式で求めることができる。
Ｚ＝Ｐｔ密度（ｍｏｌ／Ｌ）×触媒容量（Ｌ）×Ａ（Ｏ２ ｍｏｌ／Ｐｔ ｍｏｌ）×Ｂ×（２／３）・Ｎ
但し、Ａは、Ｏ２のＰｔ上への担持比率、Ｂは、反応性補正係数、Ｎは、燃料の平均ＨＣ鎖数である。反応補正係数Ｂは、Ｏ２との接触確率分布であり、吸入空気量が多くなるほど、小さくなる擬似正規分布関数で示される。これらの値は、予め実験等により求めてマップ化しておいても良い。
【００４１】
そして、（２）で示される期間における目標空燃比を以下の式により決定する。なお、このときに気筒内に供給される燃料量は理論空燃比となる量である。
Ｇａ／（Ｇａｄ＋Ｇｑｆｉｎ）＝Ｇａ／（Ｚ＋１４．７）
但し、Ｇａは吸入空気量、Ｇａｄは燃料添加弁９からの燃料噴射量、Ｇｑｆｉｎは燃料噴射弁１１からの燃料噴射量である。
【００４２】
このようにして目標空燃比を決定することで、酸化触媒５に貯蔵されている酸素を除去するのに必要十分な量の燃料を燃料添加弁９から添加することができる。これにより、燃
料が酸化触媒５をすり抜けることを抑制できる。なお、燃料添加弁９から供給する燃料量は、第１空燃比センサ７または第２空燃比センサ８により得られる信号に基づいてフィードバック制御しても良い。
【００４３】
また、（３）で示される期間では、燃料添加弁９から添加された燃料がＣＯに変化するため、可及的に多量の燃料を添加することが望ましい。しかし、あまり多量の燃料を添加すると、今度は酸化触媒５の上流端がリーン空燃比となる虞がある。つまり、燃料添加弁９から燃料を多く添加すると、燃料噴射弁１１から噴射する燃料が減少されるため、排気中の酸素量が多くなる。そのため、酸化触媒５からの酸素の除去に影響を及ぼす。
【００４４】
これに対し本実施例では、ＣＯを発生させるために必要となるＯ２量を残しつつ気筒内で燃焼を行い、この排気中へ燃料添加を行なって、酸化触媒５に流入する排気の空燃比を理論空燃比とする。なお、気筒内での目標空燃比は、例えば１４．７から１６．０程度とする。
【００４５】
ここで、不完全燃焼するときの燃料と空気との割合を１：Ｃとすると、
Ｇａｄ：Ｇａ＝１：Ｃ
となる。
【００４６】
そして、Ｇａ／（Ｇａｄ＋Ｇｑｆｉｎ）＝１４．７の関係からＧａを消去すると、燃料添加弁９からの燃料噴射量と燃料噴射弁１１からの燃料噴射量との関係は、
Ｇｑｆｉｎ／Ｇａｄ＝（Ｃ−１４．７）／１４．７
となる。ここで、Ｃは内燃機関１の運転条件により異なるので、機関回転数とＧｑｆｉｎとの関係を予め実験等により求めてマップ化しておく。
【００４７】
また、スモークの発生量の許容値からもＧａ：Ｇｑｆｉｎの割合が制限される。そして、これらを考慮すれば、Ｇａｄ、Ｇａ、Ｇｑｆｉｎを夫々求めることができる。
【００４８】
なお、所定の時間毎に燃料添加弁９からの燃料添加を行なう場合には、少量を何回かに分散させて行なうよりも、１回に多量の添加を行なうほうが不完全燃焼を促進させることができる。つまり、一度に多くの燃料を添加することにより、局所的にリッチ空燃比となるため、添加された燃料と空気との接触面積を減少させることができる。これにより、不完全燃焼が促進される。例えば、Ｇａｄ＝１００（ｇ／ｓ）とした場合、０．５秒毎に５０ｇを添加するよりも、最初の０．１秒で１００ｇを添加して残りの０．９秒は燃料添加を行なわないようにしたほうがＣＯの発生量を多くできる。
【００４９】
以上説明したように、本実施例によれば、ＮＯx触媒６の吸蔵能力を回復させるときに
酸化触媒５に貯蔵されている酸素を速やかに除去することができる。また、ＮＯx触媒６
にＣＯを供給することができる。これらにより、ＮＯx触媒６の吸蔵能力を速やかに完了
させることができる。このときに、酸化触媒５が過熱することも抑制でき、スモークの発生も抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸・排気系の概略構成を示す図である。
【図２】実施例におけるＮＯx触媒の吸蔵能力を回復させるときの酸化触媒に流入する排気の空燃比の目標値の推移と気筒内の空燃比の推移とを示したタイムチャートである。
【図３】酸化触媒内の酸素濃度の分布を示した図である。
【符号の説明】
【００５１】
１     内燃機関
２     吸気通路
３     排気通路
４     エアフローメータ
５     酸化触媒
６     吸蔵還元型ＮＯx触媒
７     第１空燃比センサ
８     第２空燃比センサ
９     燃料添加弁
１０   ＥＣＵ
１１   燃料噴射弁
【図１】
2009197708.tif 000003
【図２】
2009197708.tif 000004
【図３】
2009197708.tif 000005