排気浄化装置
【課題】NOx浄化触媒の硫黄除去とDPFのPM燃焼除去を、同時に効率良く実行できる排気浄化装置を提供すること。
【解決手段】リーン側で酸素を吸蔵し、吸蔵した酸素をリッチ側で放出する酸素吸蔵放出材を有するNOx浄化触媒2を備えるとともに、NOx浄化触媒2に流入する排気の排気空燃比を、リーン側からリッチ側にするリッチ化制御を行った後、一旦リーン側に戻すリーン化制御を所定時間行ってから、再度リッチ側にするリッチ化制御を行う制御を繰り返し実行する再生実行部51を備えることを特徴とする排気浄化装置である。
【解決手段】リーン側で酸素を吸蔵し、吸蔵した酸素をリッチ側で放出する酸素吸蔵放出材を有するNOx浄化触媒2を備えるとともに、NOx浄化触媒2に流入する排気の排気空燃比を、リーン側からリッチ側にするリッチ化制御を行った後、一旦リーン側に戻すリーン化制御を所定時間行ってから、再度リッチ側にするリッチ化制御を行う制御を繰り返し実行する再生実行部51を備えることを特徴とする排気浄化装置である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、内燃機関(以下、エンジンという)の排気浄化装置に関する。特に、NOx浄化触媒およびパティキュレートフィルタを備えた排気浄化装置に関する。
【0002】
なお、本発明において、「リッチ」という用語は、空気/燃料比率(以下、空燃比という)が化学量論的な空燃比よりも小さいことを意味し、「リーン」という用語は、空燃比が上述の化学量論的な空燃比よりも大きいことを意味する。
【背景技術】
【0003】
従来より、希薄燃焼エンジンにおいては、排気中に含まれるNOxと粒子状物質(以下、PMという)の浄化が課題とされている。例えば、NOxとPMの浄化を目的として、リーン側でNOxを吸蔵し、吸蔵したNOxをリッチ側で浄化するNOx浄化触媒と、PMを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ(以下、DPFという)とを排気通路内に順次配置した排気浄化装置が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
特許文献1によれば、低温時にNOx浄化触媒にNOxを吸蔵し、吸蔵したNOxを高温時にNO2として放出することにより、下流側のDPFにNO2を供給できる結果、DPFに堆積したPMを低温燃焼させることができるとされている。
しかしながら、低温時にNOxの吸蔵がない場合には、下流側のDPFにNO2を供給することができないため、PMを低温燃焼させることができない。また、NOx浄化触媒は硫黄の除去、DPFはPMの燃焼除去が必要不可欠であり、これらの再生処理を可能な限り効率的に行うことが望まれる。
【0005】
そこで、NOx浄化触媒およびDPFの再生を同時に実行できるようにして、トータルの再生時間を短縮し、燃費の悪化を防止する技術が開示されている(例えば、特許文献2参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2002−276337号公報
【特許文献2】特開2003−201828号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、特許文献2の排気浄化装置では、DPFの前に空気導入口を設ける必要があるうえ、空気導入時期の制御機構が必要になるなど、システムが複雑化して期待される効果が得られない。
従って、NOx浄化触媒の硫黄除去とDPFのPM燃焼除去を、同時に効率良く行うことができる排気浄化装置が求められている。
【0008】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、NOx浄化触媒およびパティキュレートフィルタを備えた排気浄化装置であって、NOx浄化触媒の硫黄除去とDPFのPM燃焼除去を、同時に効率良く実行できる排気浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記目的を達成するため請求項1記載の発明は、内燃機関(1)の排気通路(4)に設けられ、リーンとリッチを繰り返すことによりNOxを浄化するNOx浄化触媒(2)と、前記排気通路のうち前記NOx浄化触媒の下流側に設けられ、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタ(3)と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記NOx浄化触媒は、リーン側で酸素を吸蔵し、吸蔵した酸素をリッチ側で放出する酸素吸蔵放出材を有し、前記排気浄化装置は、前記NOx浄化触媒に流入する排気の排気空燃比を、リーン側からリッチ側にするリッチ化制御を行った後、一旦リーン側に戻すリーン化制御を所定時間行ってから、再度リッチ側にするリッチ化制御を行う一連の制御を少なくとも1回実行することにより、前記NOx浄化触媒に捕捉された硫黄分を浄化するとともに、前記パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを浄化する再生手段(51)と、を備えることを特徴とする。
【0010】
請求項2記載の発明は、請求項1に記載の排気浄化装置において、前記リッチ化制御時における前記NOx浄化触媒に流入する排気の目標空燃比として、リッチ側の第1目標空燃比を設定する第1目標空燃比設定手段(52)と、前記リーン化制御時における前記NOx浄化触媒に流入する排気の目標空燃比として、リーン側の第2目標空燃比を設定する第2目標空燃比設定手段(53)と、前記パティキュレートフィルタに流入する排気の排気空燃比が所定の閾値を下回った場合には、前記目標空燃比を、前記第1目標空燃比から前記第2目標空燃比に一旦切り替えた後、前記所定時間の経過後に再度、前記第1目標空燃比に切り替える切替手段(55)と、をさらに備え、前記再生手段は、前記NOx浄化触媒に流入する排気の排気空燃比を、前記切替手段による目標空燃比の切り替えに応じて、前記第1目標空燃比または前記第2目標空燃比に一致するように制御することにより、前記NOx浄化触媒に捕捉された硫黄分を浄化するとともに、前記パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを浄化することを特徴とする。
【0011】
請求項3記載の発明は、請求項2に記載の排気浄化装置において、前記第1目標空燃比設定手段は、前記NOx浄化触媒の温度、前記NOx浄化触媒に流入する排気の温度、前記NOx浄化触媒に流入する排気の流量、および前記NOx浄化触媒の劣化度合のうち少なくともいずれか1つに基づいて、前記第1目標空燃比を設定することを特徴とする。
【0012】
請求項4記載の発明は、請求項3に記載の排気浄化装置において、前記NOx浄化触媒の劣化度合を、前記内燃機関の燃料噴射量の積算値に基づいて推定する触媒劣化度合推定手段(54)をさらに備え、前記第1目標空燃比設定手段は、前記触媒劣化度合推定手段により推定された前記NOx浄化触媒の劣化度合が大きいほど、前記第1目標空燃比を高く設定することを特徴とする。
【0013】
請求項5記載の発明は、請求項2から4いずれかに記載の排気浄化装置において、前記第2目標空燃比設定手段は、前記NOx浄化触媒の温度、前記NOx浄化触媒に流入する排気の温度、前記NOx浄化触媒に流入する排気の流量、および前記NOx浄化触媒の劣化度合のうち少なくともいずれか1つに基づいて、前記第2目標空燃比を設定することを特徴とする。
【0014】
請求項6記載の発明は、請求項5に記載の排気浄化装置において、前記NOx浄化触媒の劣化度合を、前記内燃機関の燃料噴射量の積算値に基づいて推定する触媒劣化度合推定手段をさらに備え、前記第2目標空燃比設定手段は、前記触媒劣化度合推定手段により推定された前記NOx浄化触媒の劣化度合が大きいほど、前記第2目標空燃比を高く設定することを特徴とする。
【0015】
請求項7記載の発明は、請求項1から6いずれかに記載の排気浄化装置において、前記第2目標空燃比設定手段は、前記NOx浄化触媒の温度が高いほど、前記第2目標空燃比を低く設定することを特徴とする。
【0016】
請求項8記載の発明は、請求項1から7いずれかに記載の排気浄化装置において、前記NOx浄化触媒の温度が高いほど、前記所定時間を短く設定する時間設定手段(57)をさらに備えることを特徴とする。
【0017】
請求項9記載の発明は、請求項1から8いずれかに記載の排気浄化装置において、前記NOx浄化触媒は、貴金属および酸化セリウム系材料を含む第1触媒層を備えることを特徴とする。
【0018】
請求項10記載の発明は、請求項9に記載の排気浄化装置において、前記NOx浄化触媒は、NH3吸着材としてのゼオライトを含む第2触媒層をさらに備えることを特徴とする。
【0019】
請求項11記載の発明は、請求項10に記載の排気浄化装置において、前記NOx浄化触媒は、前記第2触媒層が前記第1触媒層上に設けられていることを特徴とする。
【0020】
請求項12記載の発明は、請求項1から11いずれかに記載の排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタには、捕集したパティキュレートを燃焼するための燃焼触媒が担持されていることを特徴とする。
【0021】
請求項13記載の発明は、請求項12に記載の排気浄化装置において、前記燃焼触媒は、酸素吸蔵放出能を有する複合酸化物にAgを担持してなることを特徴とする。
【0022】
請求項14記載の発明は、請求項1から13いずれかに記載の排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタには、排気中に含まれるNOをNO2に変換するNO2生成触媒が担持されていることを特徴とする。
【0023】
請求項15記載の発明は、請求項14に記載の排気浄化装置において、前記NO2生成触媒は、Pt、Pd、およびRhのうち少なくともいずれか1つの元素が、アルミナ、シリカ、シリカアルミナ、ジルコニア、およびセリアのうち少なくともいずれか1つの担体に担持されてなることを特徴とする。
【発明の効果】
【0024】
請求項1記載の排気浄化装置は、酸素吸蔵放出材を有するNOx浄化触媒を含んで構成した。また、NOx浄化触媒に流入する排気の排気空燃比を、リーン側からリッチ側にするリッチ化制御を行った後、一旦リーン側に戻すリーン化制御を所定時間行ってから、再度リッチ側にするリッチ化制御を行う一連の制御を少なくとも1回実行する再生手段を含んで構成した。
これにより、NOx浄化触媒に流入する排気空燃比をリッチ化しつつ、NOx浄化触媒の酸素吸蔵能(OSC)によって、パティキュレートフィルタに流入する排気の空燃比をリーンに保つことができる。また、リッチ化制御を行った後、一旦リーン側に戻すリーン化制御を実行することにより、NOx浄化触媒の酸素吸蔵能(OSC)を長く維持できる結果、パティキュレートフィルタに流入する排気の空燃比を長くリーンに保つことができる。
このため、NOx浄化触媒の硫黄除去とパティキュレートフィルタに捕集されたPMの燃焼除去を同時に実行することができる。従って、硫黄除去およびPM燃焼除去に要するエネルギーを削減でき、燃費の悪化を軽減できる。
【0025】
請求項2記載の排気浄化装置は、NOx浄化触媒に流入する排気の排気空燃比を、切替手段による目標空燃比の切り替えに応じて、第1目標空燃比または第2目標空燃比に一致するように制御する再生手段を含んで構成した。
これにより、排気空燃比を目標通りに制御できるとともに、パティキュレートフィルタに流入する排気の空燃比を常にリーンに保つことができるため、請求項1の効果がより顕著に奏される。
【0026】
請求項3記載の排気浄化装置は、NOx浄化触媒の温度、NOx浄化触媒に流入する排気の温度、NOx浄化触媒に流入する排気の流量、およびNOx浄化触媒の劣化度合のうち少なくともいずれか1つに基づいて第1目標空燃比を設定する第1目標空燃比設定手段を含んで構成した。
これにより、NOx浄化触媒の酸素吸蔵能(OSC)に応じて、NOx浄化触媒に流入する排気空燃比を制御できるため、硫黄の除去とPMの燃焼除去をより効率良く実行でき、燃費の悪化をより軽減できる。
【0027】
請求項4記載の排気浄化装置は、触媒劣化度合推定手段を備えるとともに、触媒劣化度合推定手段により推定されたNOx浄化触媒の劣化度合が大きいほど、第1目標空燃比を高く設定する第1目標空燃比設定手段を含んで構成した。
これにより、硫黄除去とPM燃焼除去中において酸素を過不足なく供給することができる。このため、酸素不足によるPM燃焼効率の低下や、酸素過多による硫黄除去効率の低下を回避できる。また、NOx浄化触媒の劣化が進行してOSCが少なくなった場合に、リッチ化制御時の目標空燃比である第1目標空燃比を高く設定することにより、パティキュレートフィルタに流入する排気の空燃比がストイキ以下となってPM燃焼効率が低下する不具合を回避できる。
【0028】
請求項5記載の排気浄化装置は、NOx浄化触媒の温度、NOx浄化触媒に流入する排気の温度、NOx浄化触媒に流入する排気の流量、およびNOx浄化触媒の劣化度合のうち少なくともいずれか1つに基づいて第2目標空燃比を設定する第2目標空燃比設定手段を含んで構成した。
これにより、NOx浄化触媒の酸素吸蔵能(OSC)に応じて、硫黄除去とPM燃焼除去の最中で目標空燃比を切り替える際に、NOx浄化触媒へ流入する酸素濃度を調節できる。このため、常に酸素不足によるPM燃焼効率の低下や、酸素過多による硫黄除去効率の低下を回避できる。
【0029】
請求項6記載の排気浄化装置は、触媒劣化度合推定手段を備えるとともに、触媒劣化度合推定手段により推定されたNOx浄化触媒の劣化度合が大きいほど、第2目標空燃比を高く設定する第2目標空燃比設定手段を含んで構成した。
これにより、請求項4記載の発明と同様に、酸素不足によるPM燃焼効率の低下や、酸素過多による硫黄除去効率の低下を回避できる。また、パティキュレートフィルタに流入する排気の空燃比がストイキ以下となってPM燃焼効率が低下する不具合を回避できる。
【0030】
請求項7記載の排気浄化装置は、NOx浄化触媒の温度が高いほど、第2目標空燃比を低く設定する第2目標空燃比設定手段を含んで構成した。
NOx浄化触媒のOSC機能は、NOx浄化触媒の温度が低いほど増加する。この点、本発明によれば、NOx浄化触媒の温度が高いほど第2目標空燃比が低く設定されるため、NOx浄化触媒の高温化を抑制し、NOx浄化触媒により多くの酸素を吸蔵させることができる。従って、硫黄の除去とPMの燃焼除去をより効率良く実行でき、燃費の悪化をより軽減できる。
【0031】
請求項8記載の排気浄化装置は、NOx浄化触媒の温度が高いほど、再生手段におけるリーン化制御の時間を短く設定する時間設定手段を含んで構成した。
これにより、NOx浄化触媒の温度が高いほど、再生手段におけるリーン化制御の時間が短く設定されるため、NOx浄化触媒の高温化を抑制し、NOx浄化触媒により多くの酸素を吸蔵させることができる。従って、硫黄の除去とPMの燃焼除去をより効率良く実行でき、燃費の悪化をより軽減できる。
【0032】
請求項9記載の排気浄化装置は、貴金属および酸化セリウム系材料を含む第1触媒層を備えるNOx浄化触媒を含んで構成した。これにより、酸化セリウム系材料の低温でのNOx吸着能力により、始動直後やアイドル時などの低温状態であっても、高いNOx浄化性能が発揮される。また、NOx浄化触媒のOSCが飛躍的に高まるため、硫黄除去とPM燃焼除去を同時に実行できる時間が長くなる結果、再生処理に要するトータルの時間を短縮できる。
【0033】
請求項10記載の排気浄化装置は、NH3吸着材としてのゼオライトを含む第2触媒層をさらに備えるNOx浄化触媒を含んで構成した。これにより、NH3吸着量を増加させることができるうえ、リーン時におけるNOxとの反応性を向上させることができる。
【0034】
請求項11記載の排気浄化装置は、第2触媒層が第1触媒層上に設けられたNOx浄化触媒を含んで構成した。これにより、リッチ化制御時に生成したNH3を効率的に捕捉し、次のリーン時にNOx浄化に効率的に用いることができるため、NOx浄化性能がより向上する。
【0035】
請求項12記載の排気浄化装置は、捕集したパティキュレートを燃焼するための燃焼触媒が担持されたパティキュレートフィルタを含んで構成した。これにより、パティキュレートフィルタの温度が600℃以下の場合であっても、PMの燃焼除去が可能である。このため、低温で効率的にパティキュレートフィルタを再生でき、燃費の悪化をより軽減できる。
【0036】
請求項13記載の排気浄化装置は、酸素吸蔵放出能を有する複合酸化物にAgを担持してなる燃焼触媒を含んで構成した。これにより、PMの燃焼除去が、500℃程度でも可能になるため、車両走行中にパティキュレートフィルタの温度が500℃程度まで低下した場合であっても、PMの燃焼除去が可能であるとともに、パティキュレートフィルタの再生速度を大幅に向上できる。従って、硫黄除去とPM燃焼除去に要するトータルの処理時間が短縮でき、燃費の悪化をより軽減できる。
【0037】
請求項14記載の排気浄化装置は、排気中に含まれるNOをNO2に変換するNO2生成触媒が担持されたパティキュレートフィルタを含んで構成した。これにより、PMの燃焼をさらに促進させることができ、パティキュレートフィルタの再生速度を向上させることができる。従って、硫黄除去とPM燃焼除去に要するトータルの処理時間が短縮でき、燃費の悪化をより軽減できる。
【0038】
請求項15記載の排気浄化装置は、Pt、Pd、およびRhのうち少なくともいずれか1つの元素が、アルミナ、シリカ、シリカアルミナ、ジルコニア、およびセリアのうち少なくともいずれか1つの担体に担持されてなるNO2生成触媒を含んで構成した。これにより、高比表面積担体上に担持されている貴金属の作用によってNO2生成能を高めることができ、より効率的にNO2をPM燃焼に用いることができる結果、パティキュレートフィルタの再生速度をより向上させることができる。従って、硫黄除去とPM燃焼除去に要するトータルの処理時間が短縮でき、燃費の悪化をより軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【0039】
【図1】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成を示す図である。
【図2】排気の流れ方向から視たときのDPF3の模式図である。
【図3】排気の流れ方向に直交する方向から視たときのDPF3の模式図である。
【図4】DPF3の部分拡大図である。
【図5】目標空燃比とΣQfuel_totalとの関係を示す図である。
【図6】補正係数KtempとNOx浄化触媒温度との関係を示す図である。
【図7】本発明の一実施形態における目標空燃比の切替えおよび再生処理時間の設定を説明するための図である。
【図8】カウンタ減算値とRear_A/Fとの関係を示す図である。
【図9】本発明の一実施形態における再生時期の判定を説明するための図である。
【図10】本発明の一実施形態における再生処理手順のフローチャートである。
【図11】本発明の一実施形態における再生処理を説明するための図である。
【図12】本実施例の排気浄化装置の構成を示す図である。
【図13】本実施例と比較例のS脱離量を示す図である。
【図14】本実施例と比較例のPM燃焼に伴う発熱量を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0040】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【0041】
図1は、本発明の一実施形態に係るエンジン1およびその排気浄化装置の構成を示す図である。エンジン1は、各気筒(図示せず)の燃焼室内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、各気筒には燃料噴射弁(図示せず)が設けられている。これら燃料噴射弁は、電子制御ユニット(以下、ECUという)5により電気的に接続されており、燃料噴射弁の開弁時間および閉弁時間は、ECU5により制御される。
【0042】
エンジン1には、吸気が流通する吸気管(図示せず)と、排気が流通する排気管4が設けられている。
エンジン1から排出された排気が流通する排気管4には、上流側から順に、NOx浄化触媒2と、ディーゼルパティキュレートフィルタ3(以下、DPFという)とが設けられている。
【0043】
NOx浄化触媒2の構成について説明する。
NOx浄化触媒2は、担体上に、第1触媒層、第2触媒層の順で積層された2層構造を有する。第1触媒層は、貴金属、およびNOx吸着材である酸化セリウム系材料を含んで構成される。第2触媒層は、ゼオライトなどのNH3吸着材、およびFe、Cuのうち少なくとも1種を含んで構成される。
担体としては、コージェライト、アルミナ、チタン酸アルミニウム、ステンレス、SiCなどのハニカム構造体が用いられる。
貴金属としては、Pt、Pd、Rhのいずれかを単独若しくは2種以上組み合わせて用いられる。Pt、Pdは主に、リーン時にNOをNO2に酸化する役割と、リッチ時に排気中のH2やHCと、吸着NOxとからNH3を生成する役割を担う。Rhは、リッチ時に吸着NOxを還元剤によりN2に還元する役割を担う。
Ptのコート量は担体1Lあたり1.0〜10g/Lが好ましく、Pdのコート量は担体1Lあたり0.1〜10g/Lが好ましく、Rhのコート量は担体1Lあたり0.1〜4.0g/Lが好ましい。
NOx吸着材としての酸化セリウム系材料は、アルカリ土類金属のようにNOxを内部に取り込む「吸蔵」ではなく、NOxを「吸着」する。このため、低温下においても貴金属の触媒活性が低下することがない。
酸化セリウム系材料としては、セリア、セリアジルコニア複合酸化物、またはこれらに少なくとも1種の希土類元素を含むものが用いられる。希土類元素としては、La、Nd、Pr、Smが挙げられる。Zrを含むことにより、構造安定性が向上して耐熱性が向上する。また、希土類元素は、吸着点の化学状態を変化させ、NOx吸着温度域を広げる効果がある。
NH3吸着材としては、酸点を有する固体材料であればよく、特に限定されない。特に効果が高いものとして、ゼオライト、フェリエライト、シリカアルミナが挙げられる。ゼオライトの中でも、β型、MFI型、Y型、モルデナイト型が好ましい。また、NOx還元性能の向上の観点から、これらの固体材料中に、FeおよびCuを同時に含有させることが好ましい。この場合、FeおよびCuは、混合、担持、イオン交換のいずれの状態でも効果を発揮する。
【0044】
NOx浄化触媒2の反応メカニズムについて説明する。
排気空燃比がリーンの時、排気中のNOが第1触媒層における白金などの貴金属によってNO2に酸化され、酸化セリウム系材料に吸着される。次いで、排気空燃比をリッチにすると、リーン時に第1触媒層に吸着したNOxは、CO、HC、あるいは水性ガスシフト反応により生成したH2によって、NH3やN2に変換される。生成したNH3は、第2触媒層に移動してNH3吸着材に吸着される。この吸着は、第1触媒層と第2触媒層が隣接して積層されていることで容易に行われる。次いで、排気空燃比をリーンに戻すと、第2触媒層に再貯蔵されたNH3と排気中に含まれるNOxとが、NH3選択接触還元反応によりN2とH2Oに変換されて放出される。このとき、第2触媒層は最上層であるので、生成したN2は効率良く放出される。
このようにして、排気中のNOxは、NOx浄化触媒2により浄化される。
【0045】
上記のような構成を備えるNOx浄化触媒2は、以下のような特性を有する。
本実施形態のNOx浄化触媒2は、上記のような反応メカニズムにより、150〜400℃で高いNOx浄化性能を有する。また、リッチ時には、リーン時に吸着したNOxが、還元剤のCO、HC、H2などによりN2に直接還元される反応が同時に進行し、条件によってはこの反応が選択的に進行することでNOx浄化効率が飛躍的に高まる。
また、NOx浄化触媒は、SOxなどの硫黄分が捕捉されて蓄積すると、NOx吸着性能が低下するため、硫黄分が脱離する温度以上に定期的に昇温して硫黄分を除去する必要がある。従来のアルカリ、アルカリ土類系のNOx吸収材では、硫黄分の除去に700℃程度が必要であったところ、本実施形態のNOx浄化触媒2では、600℃程度で硫黄分を除去できる。このため、本実施形態のNOx浄化触媒2によれば、硫黄分の除去に必要な昇温エネルギーを抑制でき、燃費の悪化を抑制できる。
【0046】
次に、本実施形態のDPF3について説明する。
本実施形態のDPF3は、多孔質セラミックスからなる3次元構造体である。材質はコージェライト、SiC、アルミナ、チタニアなどの多孔質材料であり、ウォールフロータイプ、フォームタイプなどの構造が好ましく採用される。中心細孔径は10〜30μm、気孔率は40〜60%の範囲が好ましい。
また、本実施形態のDPF3は、後述するPM燃焼触媒およびNO2生成触媒を備える。
【0047】
排気の流れ方向から視たDPF3の模式図を図2に、排気の流れ方向に直交する方向から視たDPF3の模式図を図3に示す。これら図2および図3に示すように、DPF3はハニカム構造をなしており、互いに平行に延びる多数の排気流路を備える。より詳しくは、DPF3の下流端が栓34により閉塞された排気流入路32と、上流端が栓34により閉塞された排気流出路33が前後左右に交互に設けられ、排気流入路32と排気流出路33は、薄肉の隔壁35を介して隔てられている。
DPF3は、そのフィルタ本体が上記の多孔質材料から形成されているため、排気流入路32内に流入した排気は、図3の矢印で示されるように周囲の隔壁35を通過し、隣接する排気流出路33内に流出する。即ち、図4に示すように、隔壁35は、排気流入路32と排気流出路33とを連通する微細な細孔36を有し、この細孔36が排気流路となって排気が細孔36内を通過する。
【0048】
また、DPF3のフィルタ本体の排気流路、即ち、排気流入路32、排気流出路33、および細孔36の壁面には、触媒コート層37が形成されている。触媒コート層37は、上記各排気流路の表面に均一にコートされて形成される。コート層内部は、PM燃焼触媒とNO2生成触媒とが混合していてもよいが、これらが2層に分離していることが好ましい。具体的には、排気流路の表面側の1層目(下層)としてPM燃焼触媒層を形成し、2層目(上層)としてNO2生成触媒層を形成することが好ましい。排気中のNOxのほとんどはNOの状態で排出されるため、上層のNO2生成触媒により生成したNO2を下層のPM燃焼触媒にNO2を供給することが可能となるからである。また、600℃付近の高温下では、従来のようにNO2生成触媒のみの構成であると、平衡の関係でNO2濃度は極端に低くなるため、NO2とPMの反応は進行し難くなる。これに対して、NO2生成触媒とPM燃焼触媒の2層構造を採用した場合には、生成したNO2がNOに戻る前にPM燃焼触媒の酸素放出能を有する複合酸化物に吸着することにより、触媒近傍にNO2が多い状態を形成することができる結果、PM燃焼が進行し易くなるためである。
【0049】
2層構造の場合、下層のPM燃焼触媒のコート量は、フィルタ本体1Lあたり20〜60gが好ましい。20g未満の場合には、細孔36内の表面を十分に覆うことができず、PMとの接触性が悪くなる。60gを超える場合には、細孔36の目詰まりにより圧力損失が大きくなる。
また、上層のNO2生成触媒のコート量は、フィルタ本体1Lあたり10〜30gが好ましい。10g未満の場合には、NO2生成能力が不十分となる。30gを超える場合には、層の厚みが増してPM燃焼触媒とPMの接触性が低下する。
【0050】
上記PM燃焼触媒としては、酸素吸蔵放出能を有する複合酸化物にAgを担持してなるものが用いられる。具体的には、AgがCeO2−ZrO2に担持された触媒を用いることが好ましい。
複合酸化物としては、ペロブスカイト型、スピネル型、ルチル型、デラフォサイト型、マグネトプランバイト型、イルメナイト型、およびフルオライト型よりなる群から選択される1種または2種を用いることができる。これらの中でも、耐熱性の観点からペロブスカイト型、フルオライト型が好ましい。
また、複合酸化物は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属、遷移金属、および貴金属よりなる群から選択される1種または2種以上の元素の組み合わせから構成される。酸素放出能の観点から、複合酸化物は、多原子価を持つ元素が少なくとも1種類含まれていることが好ましい。酸素放出は、構成原子の価数の変化に応じて電荷のバランスを保つために、複合酸化物の格子中の酸素が脱離する現象であるからである。
遷移金属としては、V、Cr、Mn、Fe、Co、Cu、Nb、Ta、Mo、Wが例示され、希土類としては、Ce、Pr、Sm、Eu、Tb、Ybが例示され、アルカリ金属としては、Na、K、Csが例示される。また、貴金属としては、Pt、Pd、Rh、Ir、Ruが、酸化物としては不安定であり、メタル化することにより酸素放出する特性を発揮するため好ましく例示される。また、構造安定性の観点から、価数変化がなくイオン半径の比較的大きなLa、Nd、Y、Sc、Hf、Ca、Sr、Baが含まれることが好ましい。
複合酸化物の調製方法については特に限定されないが、硝酸塩分解法、有機酸錯体重合法などを好適に用いることができる。また、複合酸化物にAgを担持させる方法については特に限定されないが、含浸法や析出沈殿法などを好適に用いることができる。
【0051】
一方、上記NO2生成触媒としては、貴金属(Pt、Pd、Rhなど)が高比表面積のアルミナ、シリカ、ジルコニア、マグネシア、およびチタニアのうち少なくともいずれか1つの担体に担持された触媒が好ましく用いられる。
これら高比表面積の担体に、貴金属を担持させる方法については特に限定されず、含浸法や析出沈殿法などを好適に用いることができる。
【0052】
上記のような構成を備えるDPF3は、以下のような特性を有する。
通常、DPFにPMがある量以上堆積した場合には、目詰まりにより圧力損失が高くなり、燃費が悪化することから、PMが燃焼する温度以上に定期的に排気温度を昇温させる必要がある。この点、本実施形態のDPF3は、上述のような低温燃焼活性の高い触媒を担持していることから、500℃以下でPMを燃焼除去して再生を行うことができる。このため、PMの除去に必要な昇温エネルギーを抑制でき、燃費の悪化を抑制できる。
【0053】
図1に戻って、ECU5には、エンジン1により駆動される車両のアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルセンサ11、NOx浄化触媒2に流入する排気の空燃比を検出する第1空燃比センサ12、DPF3に流入する排気の空燃比を検出する第2空燃比センサ13、およびNOx浄化触媒2の温度を検出する触媒温度センサ14が接続されており、これらセンサの検出信号は、ECU5に供給される。
ここで、NOx浄化触媒2の劣化度合は、エンジン1の燃料噴射量の積算値に基づいて推定され、エンジン1の燃料噴射量は、アクセルセンサ11の出力に基づいてECU5により算出される。
【0054】
ECU5は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換するなどの機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット(以下、CPUという)とを備える。この他、ECU5は、CPUで実行される各種演算プログラムおよび演算結果などを記憶する記憶回路と、エンジン1の燃料噴射弁などに制御信号を出力する出力回路と、を備える。
【0055】
以上のようなハードウェア構成により、ECU5には、再生実行部51、第1目標空燃比設定部52、第2目標空燃比設定部53、触媒劣化度合推定部54、切替部55、再生処理時間設定部56、およびリッチ化制御中断時間設定部57の各モジュールが構成される。以下、各モジュールの機能について説明する。
【0056】
再生実行部51は、NOx浄化触媒2に捕捉されたSOxなどの硫黄分を浄化するとともに、DPF3に捕集されたPMを浄化する再生処理を実行する。具体的には、NOx浄化触媒2に流入する排気の排気空燃比を、リーン側からリッチ側にするリッチ化制御を行ってから、一旦リーン側に戻すリーン化制御を所定時間行った後、再度リッチ側にするリッチ化制御を行うことにより、NOx浄化触媒2とDPF3の再生処理を実行する。
本実施形態では、リッチ化制御はポストリッチにより実行される。ここで、ポストリッチとは、エンジン1の各気筒内が爆発工程から排気工程に移行した付近で、燃料噴射弁よりトルクに寄与しない付加燃料を気筒内にポスト噴射することにより、未燃の燃料を排気通路内に流通させて排気空燃比をリッチ側にすることをいう。
また、リッチ化制御では、第1空燃比センサ12により検出されたNOx浄化触媒2に流入する排気の空燃比が、後述する第1目標空燃比に一致するように、燃料噴射弁の開弁時間および閉弁時間を調整して燃料噴射量を調整する。
また、本実施形態のエンジン1はディーゼルエンジンであるため、上記リーン化制御は、上記リッチ化制御を中断することにより実行される。リーン化制御では、第1空燃比センサ12により検出されたNOx浄化触媒2に流入する排気の空燃比が、後述する第2目標空燃比に一致するように、燃料噴射弁の開弁時間および閉弁時間を調整して燃料噴射量を調整する。
【0057】
第1目標空燃比設定部52は、上記リッチ化制御時におけるNOx浄化触媒2に流入する排気の目標空燃比として、ストイキよりもリッチ側の第1目標空燃比を設定する。本実施形態では、後述する触媒劣化度合推定部54により推定されたNOx浄化触媒2の劣化度合として、エンジン1の燃料噴射量の積算値を用い、この燃料噴射量の積算値に基づいて第1目標空燃比を設定する。
具体的には、所定の実験に基づいて設定され、予めECU5に格納されたエンジン1の燃料噴射量の積算値(ΣQfuel_total)と第1目標空燃比(目標A/F1)との関係を示すマップ(図5参照)を検索する。これにより、アクセルセンサ11の出力に基づいてECU5により算出された燃料噴射量の積算値(ΣQfuel_total)に応じた、第1目標空燃比(目標A/F1)を算出する。
なお、図5に示すように、燃料噴射量の積算値(ΣQfuel_total)が大きくなるほど、第1目標空燃比(目標A/F1)は高く設定される。
【0058】
第2目標空燃比設定部53は、上記リーン化制御時におけるNOx浄化触媒2に流入する排気の目標空燃比として、ストイキよりもリーン側の第2目標空燃比を設定する。本実施形態では、後述する触媒劣化度合推定部54により推定されたNOx浄化触媒2の劣化度合として、エンジン1の燃料噴射量の積算値を用い、この燃料噴射量の積算値に基づいて第2目標空燃比を設定する。
また、本実施形態の第2目標空燃比設定部53は、NOx浄化触媒2の温度が高いほど、第2目標空燃比を低く設定する。
具体的には、先ず、所定の実験に基づいて設定され、予めECU5に格納されたエンジン1の燃料噴射量の積算値(ΣQfuel_total)と第2目標空燃比(目標A/F2)の基準値との関係を示すマップ(図5参照)を検索する。これにより、アクセルセンサ11の出力に基づいてECU5により算出された燃料噴射量の積算値(ΣQfuel_total)に応じた、第2目標空燃比(目標A/F2)の基準値を算出する。
なお、図5に示すように、燃料噴射量の積算値(ΣQfuel_total)が大きくなるほど、第2目標空燃比(目標A/F2)の基準値は高く設定される。
次いで、所定の実験に基づいて設定され、予めECU5に格納されたNOx浄化触媒2の温度と補正係数Ktempとの関係を示すマップ(図6参照)を検索する。図6に示すように、補正係数Ktempは、NOx浄化触媒2の温度が高いほど小さい値に設定される。これにより、触媒温度センサ14により検出されたNOx浄化触媒2の温度に応じた補正係数Ktempを算出する。
最後に、算出した補正係数Ktempを、上記第2目標空燃比(目標A/F2)の基準値に乗じて補正することにより、第2目標空燃比を算出する。
【0059】
触媒劣化度合推定部54は、NOx浄化触媒2の劣化度合を、エンジン1の燃料噴射量の積算値(ΣQfuel_total)に基づいて推定する。本実施形態では、NOx浄化触媒2の劣化度合として、エンジン1の燃料噴射量の積算値(ΣQfuel_total)を用いる。即ち、上述したように、燃料噴射量の積算値(ΣQfuel_total)に応じて、第1目標空燃比(目標A/F1)および第2目標空燃比(目標A/F2)を算出する。
なお、エンジン1の燃料噴射量の積算値(ΣQfuel_total)は、後述する燃料噴射量(ΣQfuel)とは異なり、再生処理が終了してもリセットされることはない。
【0060】
切替部55は、DPF3に流入する排気の排気空燃比が所定の閾値を下回った場合には、NOx浄化触媒2に流入する排気の目標空燃比を、第1目標空燃比(目標A/F1)から第2目標空燃比(目標A/F2)に一旦切り替える。次いで、所定時間経過後に再度、第1目標空燃比に切り替える処理を実行する。
DPF3に流入する排気の排気空燃比は、第2空燃比センサ13により検出された値を用いる。所定の閾値は、所定の実験に基づいて設定され、予めECU5に格納されている。
【0061】
ここで、切替部55による目標空燃比の切替えについて、図7を参照しながら詳しく説明する。なお、以下の説明において、NOx浄化触媒2に流入する排気の排気空燃比をFront_A/Fとし、DPF3に流入する排気の排気空燃比をRear_A/Fとする。
先ず、リーン側からリッチ側へのリッチ化制御を実行するにあたり、NOx浄化触媒2に流入する排気の目標空燃比が第1目標空燃比(目標A/F1)に設定されると、Front_A/Fは、応答性良く第1目標空燃比(目標A/F1)と一致した空燃比となる。このとき、Rear_A/Fは、NOx浄化触媒2の酸素吸蔵放出能により、一定の時間、リーンの状態を維持しながら、緩やかにリッチ側に移行する。即ち、Front_A/Fがリッチ側で、Rear_A/Fがリーン側の状態が形成される。
そして、Rear_A/Fが予め設定された所定の閾値(Thresh_A/F)を下回ったときに、第1目標空燃比(目標A/F1)から、ストイキよりもリーン側の第2目標空燃比(目標A/F2)に切り替えを実行し、リッチ化制御を中断してリーン化制御が実行される。このとき、Front_A/Fは、応答性良く第2目標空燃比(目標A/F2)と一致した空燃比となるのに対して、Rear_A/Fは、緩やかにリーン側に移行する。
リッチ化制御の中断、即ちリーン化制御を実行して所定時間経過した後、再度、ストイキよりもリッチ側の第1目標空燃比(目標A/F1)に切り替えを実行し、リッチ化制御が実行される。このとき、最初のリッチ化制御のときと同様に、Front_A/Fは応答性良く第1目標空燃比(目標A/F1)と一致した空燃比となるのに対して、Rear_A/Fは、NOx浄化触媒2の酸素吸蔵放出能により、一定の時間、リーンの状態を維持しながら、緩やかにリッチ側に移行する。即ち、Front_A/Fがリッチ側で、Rear_A/Fがリーン側の状態が形成される。
以上のようにして、NOx浄化触媒2に流入する排気の目標空燃比の切り替えを実行することにより、DPF3に流入する排気の目標空燃比を常にリーンに保つことができる結果、NOx浄化触媒2において硫黄分を除去するとともに、DPF3においてPMの燃焼除去が可能となる。この点については後段で詳述する。
なお、リッチ化制御を終了し、NOx浄化触媒2に流入する排気の目標空燃比がリッチ側からリーン側にリーン化制御されると、Front_A/Fは応答性良くリーン側に移行し、Rear_A/Fは遅れてリーン側に移行する。
【0062】
再生処理時間設定部56は、DPF3に流入する排気の排気空燃比、即ちRear_A/Fが低いほど、再生処理時間を短く設定する。具体的には、所定の実験に基づいて設定され、予めECU5に格納されたRear_A/Fと再生処理時間のカウンタ減算値との関係を示すマップ(図8参照)を検索する。これにより、第2空燃比センサ13により検出されたRear_A/Fに応じたカウンタ減算値が算出される。次いで、予め設定されていた所定の再生処理時間から、算出されたカウンタ減算値を減算することにより、再生処理時間が算出される。
【0063】
リッチ化制御中断時間設定部57は、上記リッチ化制御を中断する時間、即ち上記リーン化制御の実行時間を設定する。NOx浄化触媒の温度が高いほど、上記リッチ化制御の中断時間(リーン化制御の実行時間)を短く設定する。
具体的には、中断時間の設定に際しては、所定の実験に基づいて設定され、予めECU5に格納されたNOx浄化触媒の温度とリッチ化制御中断時間のカウンタ減算値との関係を示すマップ(図示せず)を検索する。これにより、触媒温度センサ14により検出されたNOx浄化触媒2の温度に応じたカウンタ減算値が算出される。次いで、予め設定された所定のリッチ化制御中断時間から、算出されたカウンタ減算値を減算することにより、リッチ化制御中断時間が算出される。
【0064】
また、ECU5は、図示しない再生時期判定部を有する。再生時期判定部は、エンジン1の燃料噴射量(ΣQfuel)が所定の判定値に達したときに、再生実行部51による再生処理を実行する。
ここで、再生時期判定部による再生時期の判定について、図9を参照しながら説明する。図9に示すように、アクセルセンサ11の出力に基づいてECU5により算出された燃料噴射量(ΣQfuel)が、所定の実験に基づいて設定され、予めECU5に格納された判定値(図9の判定ライン)に達したときに、再生実行部51による再生処理を実行する。上述したように、燃料噴射量の積算値(ΣQfuel_total)は、リセットされずに時間の経過とともに大きくなっていくのに対して、燃料噴射量(ΣQfuel)は、再生処理の実行の開始と同時にリセットされ、新たにカウントされていく。これにより、適切な時期に再生処理の実行が繰り返し可能となっている。
【0065】
次に、本実施形態の再生処理の手順について説明する。
図10は、本実施形態のECU5による再生処理の手順を示すフローチャートである。このフローチャートは、エンジン1の始動後、ECU5により繰り返し実行される。
【0066】
図10に示すように、本実施形態の再生処理は、NOx浄化触媒2に流入する排気の目標空燃比を、リッチ側の第1目標空燃比(目標A/F1)とリーン側の第2目標空燃比(目標A/F2)とで所定の条件により切り替えて実行可能となっている。
【0067】
ステップS11では、再生要求フラグFRRが「1」であるか否かを判別する。この判別がYESの場合には再生処理が実行されてステップS12に移り、NOの場合にはステップS27に移る。
再生要求フラグFRRは、エンジン1の燃料噴射量(ΣQfuel)が、所定の判定値(Thresh_fuel)を超えたときに「1」とされる。再生要求フラグFRRが「1」のときに、再生処理、具体的にはポストリッチによるリッチ化制御が実行される。
【0068】
ステップS12では、予め設定された再生タイマーをスタートし、ステップS13に移る。
【0069】
ステップS13では、リッチ化制御中断要求フラグFRIRが「1」であるか否かを判別する。この判別がYESの場合にはステップS16に移り、NOの場合にはステップS14に移る。
リッチ化制御中断要求フラグFRIRは、DPF3に流入する排気の排気空燃比であるRear_AFが、予め設定されECU5に格納されている所定の閾値(Thresh_AF)を下回っているときに「1」とされる。リッチ化制御中断要求フラグFRIRが「1」のときに、リッチ化制御が所定時間、中断される。
【0070】
ステップS14では、NOx浄化触媒2に流入する排気の目標空燃比として、ストイキよりもリッチ側の第1目標空燃比(目標A/F1)を設定し、目標空燃比を目標A/F1とするリッチ化制御が実行され、ステップS15に移る。
ここで、目標A/F1は、エンジン1の燃料噴射量の積算値(ΣQfuel_total)に基づいて設定する。具体的には、図5に示すマップを検索し、アクセルセンサ11の出力に基づいてECU5により算出された燃料噴射量の積算値(ΣQfuel_total)に応じた、目標A/F1を算出して設定する。
【0071】
ステップS15では、DPF3に流入する排気の排気空燃比であるRear_AFが、所定の閾値(Thresh_AF)を下回っているか否かを判別する。この判別がYESの場合にはステップS16に移り、NOの場合にはステップS23に移る。
ここで、Rear_AFは、第2空燃比センサ13により検出された値を用い、所定の閾値(Thresh_AF)は、予めECU5に格納されている値を用いる。
【0072】
ステップS16では、NOx浄化触媒2に流入する排気の目標空燃比として、ストイキよりもリーン側の第2目標空燃比(目標A/F2)を設定し、目標空燃比を目標A/F2とするリーン化制御が実行(即ち、リッチ化制御が中断)され、ステップS17に移る。
ここで、目標A/F2は、先ず、図5に示すマップを検索し、アクセルセンサ11の出力に基づいてECU5により算出された燃料噴射量の積算値(ΣQfuel_total)に応じた、目標A/F2の基準値を算出する。次いで、図6に示すマップを検索し、触媒温度センサ14により検出されたNOx浄化触媒2の温度に応じた補正係数Ktempを算出する。最後に、算出した補正係数Ktempを、上記目標A/F2の基準値に乗じて補正し、目標A/F2を算出して設定する。
【0073】
ステップS17では、リッチ化制御中断要求フラグFRIRを「1」として、ステップS18に移る。
ステップS18では、予め設定された中断タイマーをスタートし、ステップS19に移る。
【0074】
ステップS19では、NOx浄化触媒2の温度に基づいて中断タイマーの減算を実行し、ステップS20に移る。
具体的には、所定の実験に基づいて設定され、予めECU5に格納されたNOx浄化触媒の温度とリッチ化制御中断時間との関係を示すマップ(図示せず)を検索し、触媒温度センサ14により検出されたNOx浄化触媒2の温度に応じたカウンタ減算値を算出する。次いで、予め設定された所定の中断タイマーから、算出されたカウンタ減算値を減算することにより、リッチ化制御中断時間が算出される。
【0075】
ステップS20では、中断タイマーが0であるか否かを判別する。この判別がYESの場合にはステップS21に移り、NOの場合にはステップS24に移る。
【0076】
ステップS21では、リッチ化制御中断要求フラグFRIRを「0」として、ステップS22に移る。
ステップS22では、中断タイマーをリセットしてステップS24に移る。
【0077】
ステップS23では、Rear_A/Fに基づいて再生タイマーの減算を実行し、ステップS24に移る。
具体的には、図8に示すマップを検索し、第2空燃比センサ13により検出されたRear_A/Fに応じたカウンタ減算値を算出する。次いで、予め設定されていた所定の再生タイマーから、算出されたカウンタ減算値を減算することにより、再生処理時間が算出される。
【0078】
ステップS24では、再生タイマーが0であるか否かを判別する。この判別がNOの場合には再生処理を終了し、YESの場合にはステップS25に移り、再生要求フラグFRRを「0」に設定してステップS26に移り、再生タイマーをリセットして再生処理を終了する。
【0079】
ステップS27では、エンジン1の燃料噴射量(ΣQfuel)を積算してステップS28に移る。具体的には、アクセルセンサ11の出力に基づいてECU5により燃料噴射量(ΣQfuel)を算出する。
【0080】
ステップS28では、エンジン1の燃料噴射量(ΣQfuel)が、所定の判定値(Thresh_fuel)を超えているか否かを判別する。この判別がNOの場合には再生処理を終了し、YESの場合には、ステップS29に移る。
【0081】
ステップS29では、再生要求フラグFRRを「1」に設定してステップS30に移り、エンジン1の燃料噴射量(ΣQfuel)を「0」に設定して再生処理を終了する。
【0082】
上述したように、酸化セリウム系吸着材を用いたNOx浄化触媒2と、酸素放出能を有する複合酸化物にAgを担持してなるPM燃焼触媒を備えるDPF3と、を用いることにより、以下の効果が奏される。
酸化セリウム系吸着材を用いたNOx浄化触媒2の硫黄除去に必要な温度は600℃程度であり、アルカリ金属やアルカリ土類金属の700℃に比して、より低温で硫黄を除去することができる。本実施形態の排気系レイアウトでは、NOx浄化触媒2の再生と同時にDPF3の再生処理も行われることとなるため、NOx浄化触媒2の下流側に配置されているDPF3は、600℃若しくは600℃以下の温度に晒されることとなる。
ところで、触媒を用いない気相酸素中でのPM燃焼に必要な温度は600℃以上であることが知られている。従って、NOx浄化触媒2の硫黄除去とDPF3のPM除去を、同時に効率良く行うためには、PMを低温燃焼させる触媒をDPF3に担持させるのが望ましいと言える。
そこで、本実施形態では、350〜500℃程度でPMを燃焼させることが可能な、酸素放出能を有する複合酸化物にAgを担持してなるPM燃焼触媒をDPF3に担持させた。これにより、本実施形態では、DPF3が600℃以下の温度に晒された場合であっても、PMを燃焼除去でき、DPF再生を継続的に進行できる。
また、複合酸化物から放出される酸素により、DPF3内の下流側ほど、リーン時間を長く確保できる。これにより、PM燃焼除去効率(DPF再生効率)が向上し、NOx浄化触媒2の硫黄除去による再生と、DPF3のPM燃焼除去による再生に要するトータルの処理時間を短縮することができる。
【0083】
ところで、リーンとリッチを繰り返すことにより、NOx浄化触媒2の硫黄除去とDPF3のPM燃焼除去を同時に行う利点としては、いずれも600℃以上の高温が必要であるため、昇温による燃費の悪化を抑制するため、同時に行うのが好ましい点にある。また、リッチ化制御を継続すると排気温度が低下するため、リーンとリッチを繰り返すことにより排気温度を高温に保つことができるという点にある。
しかしながら、リッチ側ではNOx浄化触媒2の硫黄除去のみが進行し、リーン側ではDPF3のPM燃焼除去のみが進行するというのが従来であった。
そこで、本実施形態では、NOx浄化触媒2に酸化セリウム系の吸着材を用いることにより、排気空燃比がリッチ側でNOx浄化触媒2の硫黄除去が進行している最中でも、酸化セリウムの酸素吸蔵能(OSC)により、NOx浄化触媒2の下流側の排気空燃比をリーンに保つことができる結果、下流のDPF3のPM燃焼除去も同時に進行させることができる(図11参照)。また、リッチ化制御を長時間継続する場合には、OSCが消費されていくに従い、この効果は徐々に小さくなっていくところ、本実施形態では図11に示すように、Front_A/Fをリッチ化した後、一旦リーンに戻し、再びリッチ化させることにより、Rear_A/Fを常にリーンに保つことができる。このため、硫黄除去とDPF再生を同時に進行させることができ、トータルの再生時間を大幅に低減できる。
【0084】
次に、再生処理を絡めた本実施形態の効果をまとめると、以下の通りである。
本実施形態の排気浄化装置は、酸素吸蔵放出材を有するNOx浄化触媒2を含んで構成した。また、NOx浄化触媒2に流入する排気の排気空燃比を、リーン側からリッチ側にするリッチ化制御を行った後、一旦リーン側に戻すリーン化制御を所定時間行ってから、再度リッチ側にするリッチ化制御を行う一連の制御を少なくとも1回実行する再生実行部51を含んで構成した。
これにより、NOx浄化触媒2に流入する排気空燃比をリッチ化しつつ、NOx浄化触媒2の酸素吸蔵能(OSC)によって、DPF3に流入する排気の空燃比をリーンに保つことができる。また、リッチ化制御を行った後、一旦リーン側に戻すリーン化制御を実行することにより、NOx浄化触媒2の酸素吸蔵能(OSC)を長く維持できる結果、DPF3に流入する排気の空燃比を長くリーンに保つことができる。
このため、NOx浄化触媒2の硫黄除去とDPF3に捕集されたPMの燃焼除去を同時に実行することができる。従って、硫黄除去およびPM燃焼除去に要するエネルギーを削減でき、燃費の悪化を軽減できる。
【0085】
本実施形態の排気浄化装置は、NOx浄化触媒2に流入する排気の排気空燃比を、切替部55による目標空燃比の切り替えに応じて、第1目標空燃比または第2目標空燃比に一致するように制御する再生実行部51を含んで構成した。
これにより、排気空燃比を目標通りに制御できるとともに、DPF3に流入する排気の空燃比を常にリーンに保つことができるため、上記効果がより顕著に奏される。
【0086】
本実施形態の排気浄化装置は、NOx浄化触媒2の劣化度合に基づいて第1目標空燃比を設定する第1目標空燃比設定部52を含んで構成した。
これにより、NOx浄化触媒2の酸素吸蔵能(OSC)に応じて、NOx浄化触媒2に流入する排気空燃比を制御できるため、硫黄の除去とPMの燃焼除去をより効率良く実行でき、燃費の悪化をより軽減できる。
【0087】
本実施形態の排気浄化装置は、触媒劣化度合推定部54を備えるとともに、触媒劣化度合推定部54により推定されたNOx浄化触媒2の劣化度合が大きいほど、第1目標空燃比を高く設定する第1目標空燃比設定部52を含んで構成した。
これにより、NOx浄化触媒2の劣化度合を正確に推定することができ、硫黄除去とPM燃焼除去中において酸素を過不足なく供給することができる。このため、酸素不足によるPM燃焼効率の低下や、酸素過多による硫黄除去効率の低下を回避できる。また、NOx浄化触媒2の劣化が進行してOSCが少なくなった場合に、リッチ化制御時の目標空燃比である第1目標空燃比を高く設定することにより、DPF3に流入する排気の空燃比がストイキ以下となってPM燃焼効率が低下する不具合を回避できる。
【0088】
本実施形態の排気浄化装置は、NOx浄化触媒2の劣化度合に基づいて第2目標空燃比を設定する第2目標空燃比設定部53を含んで構成した。
これにより、NOx浄化触媒2の酸素吸蔵能(OSC)に応じて、硫黄除去とPM燃焼除去の最中で目標空燃比を切り替える際に、NOx浄化触媒2へ流入する酸素濃度を調節できる。このため、常に酸素不足によるPM燃焼効率の低下や、酸素過多による硫黄除去効率の低下を回避できる。
【0089】
本実施形態の排気浄化装置は、触媒劣化度合推定部54を備えるとともに、触媒劣化度合推定部54により推定されたNOx浄化触媒2の劣化度合が大きいほど、第2目標空燃比を高く設定する第2目標空燃比設定部53を含んで構成した。
これにより、酸素不足によるPM燃焼効率の低下や、酸素過多による硫黄除去効率の低下を回避できる。また、DPF3に流入する排気の空燃比がストイキ以下となってPM燃焼効率が低下する不具合を回避できる。
【0090】
本実施形態の排気浄化装置は、NOx浄化触媒2の温度が高いほど、第2目標空燃比を低く設定する第2目標空燃比設定部53を含んで構成した。
NOx浄化触媒2のOSC機能は、NOx浄化触媒2の温度が低いほど増加する。この点、本実施形態によれば、NOx浄化触媒2の温度が高いほど第2目標空燃比が低く設定されるため、NOx浄化触媒2の高温化を抑制し、NOx浄化触媒2により多くの酸素を吸蔵させることができる。従って、硫黄の除去とPMの燃焼除去をより効率良く実行でき、燃費の悪化をより軽減できる。
【0091】
本実施形態の排気浄化装置は、NOx浄化触媒2の温度が高いほど、再生実行部51におけるリーン化制御の時間を短く設定するリッチ化制御時間設定部57を含んで構成した。これにより、NOx浄化触媒2の温度が高いほど、再生実行部51におけるリーン化制御の時間が短く設定されるため、NOx浄化触媒2の高温化を抑制し、NOx浄化触媒2により多くの酸素を吸蔵させることができる。従って、硫黄の除去とPMの燃焼除去をより効率良く実行でき、燃費の悪化をより軽減できる。
【0092】
本実施形態の排気浄化装置は、貴金属および酸化セリウム系材料を含む第1触媒層を備えるNOx浄化触媒2を含んで構成した。これにより、酸化セリウム系材料の低温でのNOx吸着能力により、始動直後やアイドル時などの低温状態であっても、高いNOx浄化性能が発揮される。また、NOx浄化触媒2のOSCが飛躍的に高まるため、硫黄除去とPM燃焼除去を同時に実行できる時間が長くなる結果、再生処理に要するトータルの時間を短縮できる。
【0093】
本実施形態の排気浄化装置は、NH3吸着材としてのゼオライトを含む第2触媒層をさらに備えるNOx浄化触媒2を含んで構成した。これにより、NH3吸着量を増加させることができるうえ、リーン時におけるNOxとの反応性を向上させることができる。
【0094】
本実施形態の排気浄化装置は、第2触媒層が第1触媒層上に設けられたNOx浄化触媒2を含んで構成した。これにより、リッチ化制御時に生成したNH3を効率的に捕捉し、次のリーン時にNOx浄化に効率的に用いることができるため、NOx浄化性能がより向上する。
【0095】
本実施形態の排気浄化装置は、捕集したPMを燃焼するための燃焼触媒が担持されたDPF3を含んで構成した。これにより、DPF3の温度が600℃以下の場合であっても、PMの燃焼除去が可能である。このため、低温で効率的にDPF3を再生でき、燃費の悪化をより軽減できる。
【0096】
本実施形態の排気浄化装置は、酸素吸蔵放出能を有する複合酸化物にAgを担持してなる燃焼触媒を含んで構成した。これにより、PMの燃焼除去が、500℃程度でも可能になるため、車両走行中にDPF3の温度が500℃程度まで低下した場合であっても、PMの燃焼除去が可能であるとともに、DPF3の再生速度を大幅に向上できる。従って、硫黄除去とPM燃焼除去に要するトータルの処理時間が短縮でき、燃費の悪化をより軽減できる。
【0097】
本実施形態の排気浄化装置は、排気中に含まれるNOをNO2に変換するNO2生成触媒が担持されたDPF3を含んで構成した。これにより、PMの燃焼をさらに促進させることができ、DPF3の再生速度を向上させることができる。従って、硫黄除去とPM燃焼除去に要するトータルの処理時間が短縮でき、燃費の悪化をより軽減できる。
【0098】
本実施形態の排気浄化装置は、Pt、Pd、およびRhのうち少なくともいずれか1つの元素が、アルミナ、シリカ、シリカアルミナ、ジルコニア、およびセリアのうち少なくともいずれか1つの担体に担持されてなるNO2生成触媒を含んで構成した。これにより、高比表面積担体上に担持されている貴金属の作用によってNO2生成能を高めることができ、より効率的にNO2をPM燃焼に用いることができる結果、DPF3の再生速度をより向上させることができる。従って、硫黄除去とPM燃焼除去に要するトータルの処理時間が短縮でき、燃費の悪化をより軽減できる。
【0099】
本実施形態では、ECU5が、再生手段、第1目標空燃比設定手段、第2目標空燃比設定手段、切替手段、触媒劣化度合推定手段、および時間設定手段を構成する。具体的には、図10のステップS14に係る手段が第1目標空燃比設定手段に相当し、ステップS15に係る手段が切替手段に相当し、ステップS16に係る手段が第2目標空燃比設定手段に相当し、ステップS19に係る手段が時間設定手段に相当する。
【0100】
なお、本実施形態は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
例えば、本実施形態では、NOx浄化触媒2に流入する排気の排気空燃比に対して、リーン側からリッチ側にするリッチ化制御を行った後、一旦リーン側に戻すリーン化制御を所定時間行ってから、再度リッチ側にするリッチ化制御を実行する一連の制御を1回だけ実行するものであるが、この一連の制御を複数回繰り返し実行してもよい。
また、第1目標空燃比設定部52が、NOx浄化触媒2の温度、NOx浄化触媒2に流入する排気の温度、およびNOx浄化触媒2に流入する排気の流量のうちいずれか1つに基づいて第1目標空燃比を設定するものであってもよい。同様に、第2目標空燃比設定部53が、NOx浄化触媒2の温度、NOx浄化触媒2に流入する排気の温度、およびNOx浄化触媒2に流入する排気の流量のうちいずれか1つに基づいて、第2目標空燃比を設定するものであってもよい。
このとき、NOx浄化触媒2の温度は、触媒温度センサ14により検出された値を用いることができる。NOx浄化触媒2に流入する排気の温度は、NOx浄化触媒2の上流側の排気通路内に排気温度センサを設け、この排気温度センサにより検出された値を用いることができる。NOx浄化触媒2に流入する排気の流量は、NOx浄化触媒2の上流側の排気通路内にエアフローメータを設け、このエアフローメータにより検出された値を用いることができる。
また、例えば、再生処理時間設定部56が、NOx浄化触媒2に流入する排気の排気空燃比、即ちFront_A/Fが低いほど、再生処理時間を短く設定するものであってもよい。
【実施例】
【0101】
[NOx浄化触媒]
表1に示す組成のNOx浄化触媒を、400セル/3.5ミルコージェライト製ハニカム構造体に、含浸法により担持させたものを実施例とした。
また、PtRh/Ba/Al2O3の組成を有するNOx浄化触媒を、実施例と同様の構造体に担持させたものを比較例とした。
【0102】
【表1】
【0103】
[DPF]
表2に示す組成の燃焼触媒(下層がPM燃焼触媒、上層がNO2生成触媒)を、ウォールフロータイプのSiC製DPF(気孔径23μm、気孔率52%)に、含浸法により担持させたものを実施例とした。
また、後述のエンジン101を運転させ、上記ウォールフロータイプのSiC製DPFにPMのみを捕集させたものを比較例とした。
【0104】
【表2】
【0105】
[評価]
上記の処理を行ったNOx浄化触媒およびDPFを用いて、図13に示すような排気系レイアウトの排気浄化装置を構成した。エンジン101としては、2.2Lディーゼルエンジンを用い、NOx浄化触媒の容量を1L、DPFの容量を2Lとした。このエンジン101を所定の条件で所定時間運転し、NOx浄化触媒に硫黄分を捕捉させ、DPFにPMを捕集させた。
【0106】
NOx浄化触媒について、昇温脱離法により、S脱離量と温度との関係を調べた。結果を図14に示す。図14に示すように、本実施例のNOx浄化触媒は、比較例に比してより低温の600℃程度で硫黄分を脱離することが確認された。
【0107】
DPFについて、TG−DTA法により、PM燃焼に伴う発熱量と温度との関係を調べた。結果を図15に示す。図15に示すように、本実施例のDPFに担持させた燃焼触媒は、400℃の低温でPMを燃焼できることが確認された。
【符号の説明】
【0108】
1 エンジン(内燃機関)
2 NOx浄化触媒(NOx浄化触媒)
3 DPF(パティキュレートフィルタ)
4 排気管(排気通路)
5 ECU(再生手段、第1目標空燃比設定手段、第2目標空燃比設定手段、触媒劣化度合推定手段、切替手段、時間設定手段)
【技術分野】
【0001】
本発明は、内燃機関(以下、エンジンという)の排気浄化装置に関する。特に、NOx浄化触媒およびパティキュレートフィルタを備えた排気浄化装置に関する。
【0002】
なお、本発明において、「リッチ」という用語は、空気/燃料比率(以下、空燃比という)が化学量論的な空燃比よりも小さいことを意味し、「リーン」という用語は、空燃比が上述の化学量論的な空燃比よりも大きいことを意味する。
【背景技術】
【0003】
従来より、希薄燃焼エンジンにおいては、排気中に含まれるNOxと粒子状物質(以下、PMという)の浄化が課題とされている。例えば、NOxとPMの浄化を目的として、リーン側でNOxを吸蔵し、吸蔵したNOxをリッチ側で浄化するNOx浄化触媒と、PMを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ(以下、DPFという)とを排気通路内に順次配置した排気浄化装置が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
特許文献1によれば、低温時にNOx浄化触媒にNOxを吸蔵し、吸蔵したNOxを高温時にNO2として放出することにより、下流側のDPFにNO2を供給できる結果、DPFに堆積したPMを低温燃焼させることができるとされている。
しかしながら、低温時にNOxの吸蔵がない場合には、下流側のDPFにNO2を供給することができないため、PMを低温燃焼させることができない。また、NOx浄化触媒は硫黄の除去、DPFはPMの燃焼除去が必要不可欠であり、これらの再生処理を可能な限り効率的に行うことが望まれる。
【0005】
そこで、NOx浄化触媒およびDPFの再生を同時に実行できるようにして、トータルの再生時間を短縮し、燃費の悪化を防止する技術が開示されている(例えば、特許文献2参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2002−276337号公報
【特許文献2】特開2003−201828号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、特許文献2の排気浄化装置では、DPFの前に空気導入口を設ける必要があるうえ、空気導入時期の制御機構が必要になるなど、システムが複雑化して期待される効果が得られない。
従って、NOx浄化触媒の硫黄除去とDPFのPM燃焼除去を、同時に効率良く行うことができる排気浄化装置が求められている。
【0008】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、NOx浄化触媒およびパティキュレートフィルタを備えた排気浄化装置であって、NOx浄化触媒の硫黄除去とDPFのPM燃焼除去を、同時に効率良く実行できる排気浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記目的を達成するため請求項1記載の発明は、内燃機関(1)の排気通路(4)に設けられ、リーンとリッチを繰り返すことによりNOxを浄化するNOx浄化触媒(2)と、前記排気通路のうち前記NOx浄化触媒の下流側に設けられ、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタ(3)と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記NOx浄化触媒は、リーン側で酸素を吸蔵し、吸蔵した酸素をリッチ側で放出する酸素吸蔵放出材を有し、前記排気浄化装置は、前記NOx浄化触媒に流入する排気の排気空燃比を、リーン側からリッチ側にするリッチ化制御を行った後、一旦リーン側に戻すリーン化制御を所定時間行ってから、再度リッチ側にするリッチ化制御を行う一連の制御を少なくとも1回実行することにより、前記NOx浄化触媒に捕捉された硫黄分を浄化するとともに、前記パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを浄化する再生手段(51)と、を備えることを特徴とする。
【0010】
請求項2記載の発明は、請求項1に記載の排気浄化装置において、前記リッチ化制御時における前記NOx浄化触媒に流入する排気の目標空燃比として、リッチ側の第1目標空燃比を設定する第1目標空燃比設定手段(52)と、前記リーン化制御時における前記NOx浄化触媒に流入する排気の目標空燃比として、リーン側の第2目標空燃比を設定する第2目標空燃比設定手段(53)と、前記パティキュレートフィルタに流入する排気の排気空燃比が所定の閾値を下回った場合には、前記目標空燃比を、前記第1目標空燃比から前記第2目標空燃比に一旦切り替えた後、前記所定時間の経過後に再度、前記第1目標空燃比に切り替える切替手段(55)と、をさらに備え、前記再生手段は、前記NOx浄化触媒に流入する排気の排気空燃比を、前記切替手段による目標空燃比の切り替えに応じて、前記第1目標空燃比または前記第2目標空燃比に一致するように制御することにより、前記NOx浄化触媒に捕捉された硫黄分を浄化するとともに、前記パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを浄化することを特徴とする。
【0011】
請求項3記載の発明は、請求項2に記載の排気浄化装置において、前記第1目標空燃比設定手段は、前記NOx浄化触媒の温度、前記NOx浄化触媒に流入する排気の温度、前記NOx浄化触媒に流入する排気の流量、および前記NOx浄化触媒の劣化度合のうち少なくともいずれか1つに基づいて、前記第1目標空燃比を設定することを特徴とする。
【0012】
請求項4記載の発明は、請求項3に記載の排気浄化装置において、前記NOx浄化触媒の劣化度合を、前記内燃機関の燃料噴射量の積算値に基づいて推定する触媒劣化度合推定手段(54)をさらに備え、前記第1目標空燃比設定手段は、前記触媒劣化度合推定手段により推定された前記NOx浄化触媒の劣化度合が大きいほど、前記第1目標空燃比を高く設定することを特徴とする。
【0013】
請求項5記載の発明は、請求項2から4いずれかに記載の排気浄化装置において、前記第2目標空燃比設定手段は、前記NOx浄化触媒の温度、前記NOx浄化触媒に流入する排気の温度、前記NOx浄化触媒に流入する排気の流量、および前記NOx浄化触媒の劣化度合のうち少なくともいずれか1つに基づいて、前記第2目標空燃比を設定することを特徴とする。
【0014】
請求項6記載の発明は、請求項5に記載の排気浄化装置において、前記NOx浄化触媒の劣化度合を、前記内燃機関の燃料噴射量の積算値に基づいて推定する触媒劣化度合推定手段をさらに備え、前記第2目標空燃比設定手段は、前記触媒劣化度合推定手段により推定された前記NOx浄化触媒の劣化度合が大きいほど、前記第2目標空燃比を高く設定することを特徴とする。
【0015】
請求項7記載の発明は、請求項1から6いずれかに記載の排気浄化装置において、前記第2目標空燃比設定手段は、前記NOx浄化触媒の温度が高いほど、前記第2目標空燃比を低く設定することを特徴とする。
【0016】
請求項8記載の発明は、請求項1から7いずれかに記載の排気浄化装置において、前記NOx浄化触媒の温度が高いほど、前記所定時間を短く設定する時間設定手段(57)をさらに備えることを特徴とする。
【0017】
請求項9記載の発明は、請求項1から8いずれかに記載の排気浄化装置において、前記NOx浄化触媒は、貴金属および酸化セリウム系材料を含む第1触媒層を備えることを特徴とする。
【0018】
請求項10記載の発明は、請求項9に記載の排気浄化装置において、前記NOx浄化触媒は、NH3吸着材としてのゼオライトを含む第2触媒層をさらに備えることを特徴とする。
【0019】
請求項11記載の発明は、請求項10に記載の排気浄化装置において、前記NOx浄化触媒は、前記第2触媒層が前記第1触媒層上に設けられていることを特徴とする。
【0020】
請求項12記載の発明は、請求項1から11いずれかに記載の排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタには、捕集したパティキュレートを燃焼するための燃焼触媒が担持されていることを特徴とする。
【0021】
請求項13記載の発明は、請求項12に記載の排気浄化装置において、前記燃焼触媒は、酸素吸蔵放出能を有する複合酸化物にAgを担持してなることを特徴とする。
【0022】
請求項14記載の発明は、請求項1から13いずれかに記載の排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタには、排気中に含まれるNOをNO2に変換するNO2生成触媒が担持されていることを特徴とする。
【0023】
請求項15記載の発明は、請求項14に記載の排気浄化装置において、前記NO2生成触媒は、Pt、Pd、およびRhのうち少なくともいずれか1つの元素が、アルミナ、シリカ、シリカアルミナ、ジルコニア、およびセリアのうち少なくともいずれか1つの担体に担持されてなることを特徴とする。
【発明の効果】
【0024】
請求項1記載の排気浄化装置は、酸素吸蔵放出材を有するNOx浄化触媒を含んで構成した。また、NOx浄化触媒に流入する排気の排気空燃比を、リーン側からリッチ側にするリッチ化制御を行った後、一旦リーン側に戻すリーン化制御を所定時間行ってから、再度リッチ側にするリッチ化制御を行う一連の制御を少なくとも1回実行する再生手段を含んで構成した。
これにより、NOx浄化触媒に流入する排気空燃比をリッチ化しつつ、NOx浄化触媒の酸素吸蔵能(OSC)によって、パティキュレートフィルタに流入する排気の空燃比をリーンに保つことができる。また、リッチ化制御を行った後、一旦リーン側に戻すリーン化制御を実行することにより、NOx浄化触媒の酸素吸蔵能(OSC)を長く維持できる結果、パティキュレートフィルタに流入する排気の空燃比を長くリーンに保つことができる。
このため、NOx浄化触媒の硫黄除去とパティキュレートフィルタに捕集されたPMの燃焼除去を同時に実行することができる。従って、硫黄除去およびPM燃焼除去に要するエネルギーを削減でき、燃費の悪化を軽減できる。
【0025】
請求項2記載の排気浄化装置は、NOx浄化触媒に流入する排気の排気空燃比を、切替手段による目標空燃比の切り替えに応じて、第1目標空燃比または第2目標空燃比に一致するように制御する再生手段を含んで構成した。
これにより、排気空燃比を目標通りに制御できるとともに、パティキュレートフィルタに流入する排気の空燃比を常にリーンに保つことができるため、請求項1の効果がより顕著に奏される。
【0026】
請求項3記載の排気浄化装置は、NOx浄化触媒の温度、NOx浄化触媒に流入する排気の温度、NOx浄化触媒に流入する排気の流量、およびNOx浄化触媒の劣化度合のうち少なくともいずれか1つに基づいて第1目標空燃比を設定する第1目標空燃比設定手段を含んで構成した。
これにより、NOx浄化触媒の酸素吸蔵能(OSC)に応じて、NOx浄化触媒に流入する排気空燃比を制御できるため、硫黄の除去とPMの燃焼除去をより効率良く実行でき、燃費の悪化をより軽減できる。
【0027】
請求項4記載の排気浄化装置は、触媒劣化度合推定手段を備えるとともに、触媒劣化度合推定手段により推定されたNOx浄化触媒の劣化度合が大きいほど、第1目標空燃比を高く設定する第1目標空燃比設定手段を含んで構成した。
これにより、硫黄除去とPM燃焼除去中において酸素を過不足なく供給することができる。このため、酸素不足によるPM燃焼効率の低下や、酸素過多による硫黄除去効率の低下を回避できる。また、NOx浄化触媒の劣化が進行してOSCが少なくなった場合に、リッチ化制御時の目標空燃比である第1目標空燃比を高く設定することにより、パティキュレートフィルタに流入する排気の空燃比がストイキ以下となってPM燃焼効率が低下する不具合を回避できる。
【0028】
請求項5記載の排気浄化装置は、NOx浄化触媒の温度、NOx浄化触媒に流入する排気の温度、NOx浄化触媒に流入する排気の流量、およびNOx浄化触媒の劣化度合のうち少なくともいずれか1つに基づいて第2目標空燃比を設定する第2目標空燃比設定手段を含んで構成した。
これにより、NOx浄化触媒の酸素吸蔵能(OSC)に応じて、硫黄除去とPM燃焼除去の最中で目標空燃比を切り替える際に、NOx浄化触媒へ流入する酸素濃度を調節できる。このため、常に酸素不足によるPM燃焼効率の低下や、酸素過多による硫黄除去効率の低下を回避できる。
【0029】
請求項6記載の排気浄化装置は、触媒劣化度合推定手段を備えるとともに、触媒劣化度合推定手段により推定されたNOx浄化触媒の劣化度合が大きいほど、第2目標空燃比を高く設定する第2目標空燃比設定手段を含んで構成した。
これにより、請求項4記載の発明と同様に、酸素不足によるPM燃焼効率の低下や、酸素過多による硫黄除去効率の低下を回避できる。また、パティキュレートフィルタに流入する排気の空燃比がストイキ以下となってPM燃焼効率が低下する不具合を回避できる。
【0030】
請求項7記載の排気浄化装置は、NOx浄化触媒の温度が高いほど、第2目標空燃比を低く設定する第2目標空燃比設定手段を含んで構成した。
NOx浄化触媒のOSC機能は、NOx浄化触媒の温度が低いほど増加する。この点、本発明によれば、NOx浄化触媒の温度が高いほど第2目標空燃比が低く設定されるため、NOx浄化触媒の高温化を抑制し、NOx浄化触媒により多くの酸素を吸蔵させることができる。従って、硫黄の除去とPMの燃焼除去をより効率良く実行でき、燃費の悪化をより軽減できる。
【0031】
請求項8記載の排気浄化装置は、NOx浄化触媒の温度が高いほど、再生手段におけるリーン化制御の時間を短く設定する時間設定手段を含んで構成した。
これにより、NOx浄化触媒の温度が高いほど、再生手段におけるリーン化制御の時間が短く設定されるため、NOx浄化触媒の高温化を抑制し、NOx浄化触媒により多くの酸素を吸蔵させることができる。従って、硫黄の除去とPMの燃焼除去をより効率良く実行でき、燃費の悪化をより軽減できる。
【0032】
請求項9記載の排気浄化装置は、貴金属および酸化セリウム系材料を含む第1触媒層を備えるNOx浄化触媒を含んで構成した。これにより、酸化セリウム系材料の低温でのNOx吸着能力により、始動直後やアイドル時などの低温状態であっても、高いNOx浄化性能が発揮される。また、NOx浄化触媒のOSCが飛躍的に高まるため、硫黄除去とPM燃焼除去を同時に実行できる時間が長くなる結果、再生処理に要するトータルの時間を短縮できる。
【0033】
請求項10記載の排気浄化装置は、NH3吸着材としてのゼオライトを含む第2触媒層をさらに備えるNOx浄化触媒を含んで構成した。これにより、NH3吸着量を増加させることができるうえ、リーン時におけるNOxとの反応性を向上させることができる。
【0034】
請求項11記載の排気浄化装置は、第2触媒層が第1触媒層上に設けられたNOx浄化触媒を含んで構成した。これにより、リッチ化制御時に生成したNH3を効率的に捕捉し、次のリーン時にNOx浄化に効率的に用いることができるため、NOx浄化性能がより向上する。
【0035】
請求項12記載の排気浄化装置は、捕集したパティキュレートを燃焼するための燃焼触媒が担持されたパティキュレートフィルタを含んで構成した。これにより、パティキュレートフィルタの温度が600℃以下の場合であっても、PMの燃焼除去が可能である。このため、低温で効率的にパティキュレートフィルタを再生でき、燃費の悪化をより軽減できる。
【0036】
請求項13記載の排気浄化装置は、酸素吸蔵放出能を有する複合酸化物にAgを担持してなる燃焼触媒を含んで構成した。これにより、PMの燃焼除去が、500℃程度でも可能になるため、車両走行中にパティキュレートフィルタの温度が500℃程度まで低下した場合であっても、PMの燃焼除去が可能であるとともに、パティキュレートフィルタの再生速度を大幅に向上できる。従って、硫黄除去とPM燃焼除去に要するトータルの処理時間が短縮でき、燃費の悪化をより軽減できる。
【0037】
請求項14記載の排気浄化装置は、排気中に含まれるNOをNO2に変換するNO2生成触媒が担持されたパティキュレートフィルタを含んで構成した。これにより、PMの燃焼をさらに促進させることができ、パティキュレートフィルタの再生速度を向上させることができる。従って、硫黄除去とPM燃焼除去に要するトータルの処理時間が短縮でき、燃費の悪化をより軽減できる。
【0038】
請求項15記載の排気浄化装置は、Pt、Pd、およびRhのうち少なくともいずれか1つの元素が、アルミナ、シリカ、シリカアルミナ、ジルコニア、およびセリアのうち少なくともいずれか1つの担体に担持されてなるNO2生成触媒を含んで構成した。これにより、高比表面積担体上に担持されている貴金属の作用によってNO2生成能を高めることができ、より効率的にNO2をPM燃焼に用いることができる結果、パティキュレートフィルタの再生速度をより向上させることができる。従って、硫黄除去とPM燃焼除去に要するトータルの処理時間が短縮でき、燃費の悪化をより軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【0039】
【図1】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成を示す図である。
【図2】排気の流れ方向から視たときのDPF3の模式図である。
【図3】排気の流れ方向に直交する方向から視たときのDPF3の模式図である。
【図4】DPF3の部分拡大図である。
【図5】目標空燃比とΣQfuel_totalとの関係を示す図である。
【図6】補正係数KtempとNOx浄化触媒温度との関係を示す図である。
【図7】本発明の一実施形態における目標空燃比の切替えおよび再生処理時間の設定を説明するための図である。
【図8】カウンタ減算値とRear_A/Fとの関係を示す図である。
【図9】本発明の一実施形態における再生時期の判定を説明するための図である。
【図10】本発明の一実施形態における再生処理手順のフローチャートである。
【図11】本発明の一実施形態における再生処理を説明するための図である。
【図12】本実施例の排気浄化装置の構成を示す図である。
【図13】本実施例と比較例のS脱離量を示す図である。
【図14】本実施例と比較例のPM燃焼に伴う発熱量を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0040】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【0041】
図1は、本発明の一実施形態に係るエンジン1およびその排気浄化装置の構成を示す図である。エンジン1は、各気筒(図示せず)の燃焼室内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、各気筒には燃料噴射弁(図示せず)が設けられている。これら燃料噴射弁は、電子制御ユニット(以下、ECUという)5により電気的に接続されており、燃料噴射弁の開弁時間および閉弁時間は、ECU5により制御される。
【0042】
エンジン1には、吸気が流通する吸気管(図示せず)と、排気が流通する排気管4が設けられている。
エンジン1から排出された排気が流通する排気管4には、上流側から順に、NOx浄化触媒2と、ディーゼルパティキュレートフィルタ3(以下、DPFという)とが設けられている。
【0043】
NOx浄化触媒2の構成について説明する。
NOx浄化触媒2は、担体上に、第1触媒層、第2触媒層の順で積層された2層構造を有する。第1触媒層は、貴金属、およびNOx吸着材である酸化セリウム系材料を含んで構成される。第2触媒層は、ゼオライトなどのNH3吸着材、およびFe、Cuのうち少なくとも1種を含んで構成される。
担体としては、コージェライト、アルミナ、チタン酸アルミニウム、ステンレス、SiCなどのハニカム構造体が用いられる。
貴金属としては、Pt、Pd、Rhのいずれかを単独若しくは2種以上組み合わせて用いられる。Pt、Pdは主に、リーン時にNOをNO2に酸化する役割と、リッチ時に排気中のH2やHCと、吸着NOxとからNH3を生成する役割を担う。Rhは、リッチ時に吸着NOxを還元剤によりN2に還元する役割を担う。
Ptのコート量は担体1Lあたり1.0〜10g/Lが好ましく、Pdのコート量は担体1Lあたり0.1〜10g/Lが好ましく、Rhのコート量は担体1Lあたり0.1〜4.0g/Lが好ましい。
NOx吸着材としての酸化セリウム系材料は、アルカリ土類金属のようにNOxを内部に取り込む「吸蔵」ではなく、NOxを「吸着」する。このため、低温下においても貴金属の触媒活性が低下することがない。
酸化セリウム系材料としては、セリア、セリアジルコニア複合酸化物、またはこれらに少なくとも1種の希土類元素を含むものが用いられる。希土類元素としては、La、Nd、Pr、Smが挙げられる。Zrを含むことにより、構造安定性が向上して耐熱性が向上する。また、希土類元素は、吸着点の化学状態を変化させ、NOx吸着温度域を広げる効果がある。
NH3吸着材としては、酸点を有する固体材料であればよく、特に限定されない。特に効果が高いものとして、ゼオライト、フェリエライト、シリカアルミナが挙げられる。ゼオライトの中でも、β型、MFI型、Y型、モルデナイト型が好ましい。また、NOx還元性能の向上の観点から、これらの固体材料中に、FeおよびCuを同時に含有させることが好ましい。この場合、FeおよびCuは、混合、担持、イオン交換のいずれの状態でも効果を発揮する。
【0044】
NOx浄化触媒2の反応メカニズムについて説明する。
排気空燃比がリーンの時、排気中のNOが第1触媒層における白金などの貴金属によってNO2に酸化され、酸化セリウム系材料に吸着される。次いで、排気空燃比をリッチにすると、リーン時に第1触媒層に吸着したNOxは、CO、HC、あるいは水性ガスシフト反応により生成したH2によって、NH3やN2に変換される。生成したNH3は、第2触媒層に移動してNH3吸着材に吸着される。この吸着は、第1触媒層と第2触媒層が隣接して積層されていることで容易に行われる。次いで、排気空燃比をリーンに戻すと、第2触媒層に再貯蔵されたNH3と排気中に含まれるNOxとが、NH3選択接触還元反応によりN2とH2Oに変換されて放出される。このとき、第2触媒層は最上層であるので、生成したN2は効率良く放出される。
このようにして、排気中のNOxは、NOx浄化触媒2により浄化される。
【0045】
上記のような構成を備えるNOx浄化触媒2は、以下のような特性を有する。
本実施形態のNOx浄化触媒2は、上記のような反応メカニズムにより、150〜400℃で高いNOx浄化性能を有する。また、リッチ時には、リーン時に吸着したNOxが、還元剤のCO、HC、H2などによりN2に直接還元される反応が同時に進行し、条件によってはこの反応が選択的に進行することでNOx浄化効率が飛躍的に高まる。
また、NOx浄化触媒は、SOxなどの硫黄分が捕捉されて蓄積すると、NOx吸着性能が低下するため、硫黄分が脱離する温度以上に定期的に昇温して硫黄分を除去する必要がある。従来のアルカリ、アルカリ土類系のNOx吸収材では、硫黄分の除去に700℃程度が必要であったところ、本実施形態のNOx浄化触媒2では、600℃程度で硫黄分を除去できる。このため、本実施形態のNOx浄化触媒2によれば、硫黄分の除去に必要な昇温エネルギーを抑制でき、燃費の悪化を抑制できる。
【0046】
次に、本実施形態のDPF3について説明する。
本実施形態のDPF3は、多孔質セラミックスからなる3次元構造体である。材質はコージェライト、SiC、アルミナ、チタニアなどの多孔質材料であり、ウォールフロータイプ、フォームタイプなどの構造が好ましく採用される。中心細孔径は10〜30μm、気孔率は40〜60%の範囲が好ましい。
また、本実施形態のDPF3は、後述するPM燃焼触媒およびNO2生成触媒を備える。
【0047】
排気の流れ方向から視たDPF3の模式図を図2に、排気の流れ方向に直交する方向から視たDPF3の模式図を図3に示す。これら図2および図3に示すように、DPF3はハニカム構造をなしており、互いに平行に延びる多数の排気流路を備える。より詳しくは、DPF3の下流端が栓34により閉塞された排気流入路32と、上流端が栓34により閉塞された排気流出路33が前後左右に交互に設けられ、排気流入路32と排気流出路33は、薄肉の隔壁35を介して隔てられている。
DPF3は、そのフィルタ本体が上記の多孔質材料から形成されているため、排気流入路32内に流入した排気は、図3の矢印で示されるように周囲の隔壁35を通過し、隣接する排気流出路33内に流出する。即ち、図4に示すように、隔壁35は、排気流入路32と排気流出路33とを連通する微細な細孔36を有し、この細孔36が排気流路となって排気が細孔36内を通過する。
【0048】
また、DPF3のフィルタ本体の排気流路、即ち、排気流入路32、排気流出路33、および細孔36の壁面には、触媒コート層37が形成されている。触媒コート層37は、上記各排気流路の表面に均一にコートされて形成される。コート層内部は、PM燃焼触媒とNO2生成触媒とが混合していてもよいが、これらが2層に分離していることが好ましい。具体的には、排気流路の表面側の1層目(下層)としてPM燃焼触媒層を形成し、2層目(上層)としてNO2生成触媒層を形成することが好ましい。排気中のNOxのほとんどはNOの状態で排出されるため、上層のNO2生成触媒により生成したNO2を下層のPM燃焼触媒にNO2を供給することが可能となるからである。また、600℃付近の高温下では、従来のようにNO2生成触媒のみの構成であると、平衡の関係でNO2濃度は極端に低くなるため、NO2とPMの反応は進行し難くなる。これに対して、NO2生成触媒とPM燃焼触媒の2層構造を採用した場合には、生成したNO2がNOに戻る前にPM燃焼触媒の酸素放出能を有する複合酸化物に吸着することにより、触媒近傍にNO2が多い状態を形成することができる結果、PM燃焼が進行し易くなるためである。
【0049】
2層構造の場合、下層のPM燃焼触媒のコート量は、フィルタ本体1Lあたり20〜60gが好ましい。20g未満の場合には、細孔36内の表面を十分に覆うことができず、PMとの接触性が悪くなる。60gを超える場合には、細孔36の目詰まりにより圧力損失が大きくなる。
また、上層のNO2生成触媒のコート量は、フィルタ本体1Lあたり10〜30gが好ましい。10g未満の場合には、NO2生成能力が不十分となる。30gを超える場合には、層の厚みが増してPM燃焼触媒とPMの接触性が低下する。
【0050】
上記PM燃焼触媒としては、酸素吸蔵放出能を有する複合酸化物にAgを担持してなるものが用いられる。具体的には、AgがCeO2−ZrO2に担持された触媒を用いることが好ましい。
複合酸化物としては、ペロブスカイト型、スピネル型、ルチル型、デラフォサイト型、マグネトプランバイト型、イルメナイト型、およびフルオライト型よりなる群から選択される1種または2種を用いることができる。これらの中でも、耐熱性の観点からペロブスカイト型、フルオライト型が好ましい。
また、複合酸化物は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属、遷移金属、および貴金属よりなる群から選択される1種または2種以上の元素の組み合わせから構成される。酸素放出能の観点から、複合酸化物は、多原子価を持つ元素が少なくとも1種類含まれていることが好ましい。酸素放出は、構成原子の価数の変化に応じて電荷のバランスを保つために、複合酸化物の格子中の酸素が脱離する現象であるからである。
遷移金属としては、V、Cr、Mn、Fe、Co、Cu、Nb、Ta、Mo、Wが例示され、希土類としては、Ce、Pr、Sm、Eu、Tb、Ybが例示され、アルカリ金属としては、Na、K、Csが例示される。また、貴金属としては、Pt、Pd、Rh、Ir、Ruが、酸化物としては不安定であり、メタル化することにより酸素放出する特性を発揮するため好ましく例示される。また、構造安定性の観点から、価数変化がなくイオン半径の比較的大きなLa、Nd、Y、Sc、Hf、Ca、Sr、Baが含まれることが好ましい。
複合酸化物の調製方法については特に限定されないが、硝酸塩分解法、有機酸錯体重合法などを好適に用いることができる。また、複合酸化物にAgを担持させる方法については特に限定されないが、含浸法や析出沈殿法などを好適に用いることができる。
【0051】
一方、上記NO2生成触媒としては、貴金属(Pt、Pd、Rhなど)が高比表面積のアルミナ、シリカ、ジルコニア、マグネシア、およびチタニアのうち少なくともいずれか1つの担体に担持された触媒が好ましく用いられる。
これら高比表面積の担体に、貴金属を担持させる方法については特に限定されず、含浸法や析出沈殿法などを好適に用いることができる。
【0052】
上記のような構成を備えるDPF3は、以下のような特性を有する。
通常、DPFにPMがある量以上堆積した場合には、目詰まりにより圧力損失が高くなり、燃費が悪化することから、PMが燃焼する温度以上に定期的に排気温度を昇温させる必要がある。この点、本実施形態のDPF3は、上述のような低温燃焼活性の高い触媒を担持していることから、500℃以下でPMを燃焼除去して再生を行うことができる。このため、PMの除去に必要な昇温エネルギーを抑制でき、燃費の悪化を抑制できる。
【0053】
図1に戻って、ECU5には、エンジン1により駆動される車両のアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルセンサ11、NOx浄化触媒2に流入する排気の空燃比を検出する第1空燃比センサ12、DPF3に流入する排気の空燃比を検出する第2空燃比センサ13、およびNOx浄化触媒2の温度を検出する触媒温度センサ14が接続されており、これらセンサの検出信号は、ECU5に供給される。
ここで、NOx浄化触媒2の劣化度合は、エンジン1の燃料噴射量の積算値に基づいて推定され、エンジン1の燃料噴射量は、アクセルセンサ11の出力に基づいてECU5により算出される。
【0054】
ECU5は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換するなどの機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット(以下、CPUという)とを備える。この他、ECU5は、CPUで実行される各種演算プログラムおよび演算結果などを記憶する記憶回路と、エンジン1の燃料噴射弁などに制御信号を出力する出力回路と、を備える。
【0055】
以上のようなハードウェア構成により、ECU5には、再生実行部51、第1目標空燃比設定部52、第2目標空燃比設定部53、触媒劣化度合推定部54、切替部55、再生処理時間設定部56、およびリッチ化制御中断時間設定部57の各モジュールが構成される。以下、各モジュールの機能について説明する。
【0056】
再生実行部51は、NOx浄化触媒2に捕捉されたSOxなどの硫黄分を浄化するとともに、DPF3に捕集されたPMを浄化する再生処理を実行する。具体的には、NOx浄化触媒2に流入する排気の排気空燃比を、リーン側からリッチ側にするリッチ化制御を行ってから、一旦リーン側に戻すリーン化制御を所定時間行った後、再度リッチ側にするリッチ化制御を行うことにより、NOx浄化触媒2とDPF3の再生処理を実行する。
本実施形態では、リッチ化制御はポストリッチにより実行される。ここで、ポストリッチとは、エンジン1の各気筒内が爆発工程から排気工程に移行した付近で、燃料噴射弁よりトルクに寄与しない付加燃料を気筒内にポスト噴射することにより、未燃の燃料を排気通路内に流通させて排気空燃比をリッチ側にすることをいう。
また、リッチ化制御では、第1空燃比センサ12により検出されたNOx浄化触媒2に流入する排気の空燃比が、後述する第1目標空燃比に一致するように、燃料噴射弁の開弁時間および閉弁時間を調整して燃料噴射量を調整する。
また、本実施形態のエンジン1はディーゼルエンジンであるため、上記リーン化制御は、上記リッチ化制御を中断することにより実行される。リーン化制御では、第1空燃比センサ12により検出されたNOx浄化触媒2に流入する排気の空燃比が、後述する第2目標空燃比に一致するように、燃料噴射弁の開弁時間および閉弁時間を調整して燃料噴射量を調整する。
【0057】
第1目標空燃比設定部52は、上記リッチ化制御時におけるNOx浄化触媒2に流入する排気の目標空燃比として、ストイキよりもリッチ側の第1目標空燃比を設定する。本実施形態では、後述する触媒劣化度合推定部54により推定されたNOx浄化触媒2の劣化度合として、エンジン1の燃料噴射量の積算値を用い、この燃料噴射量の積算値に基づいて第1目標空燃比を設定する。
具体的には、所定の実験に基づいて設定され、予めECU5に格納されたエンジン1の燃料噴射量の積算値(ΣQfuel_total)と第1目標空燃比(目標A/F1)との関係を示すマップ(図5参照)を検索する。これにより、アクセルセンサ11の出力に基づいてECU5により算出された燃料噴射量の積算値(ΣQfuel_total)に応じた、第1目標空燃比(目標A/F1)を算出する。
なお、図5に示すように、燃料噴射量の積算値(ΣQfuel_total)が大きくなるほど、第1目標空燃比(目標A/F1)は高く設定される。
【0058】
第2目標空燃比設定部53は、上記リーン化制御時におけるNOx浄化触媒2に流入する排気の目標空燃比として、ストイキよりもリーン側の第2目標空燃比を設定する。本実施形態では、後述する触媒劣化度合推定部54により推定されたNOx浄化触媒2の劣化度合として、エンジン1の燃料噴射量の積算値を用い、この燃料噴射量の積算値に基づいて第2目標空燃比を設定する。
また、本実施形態の第2目標空燃比設定部53は、NOx浄化触媒2の温度が高いほど、第2目標空燃比を低く設定する。
具体的には、先ず、所定の実験に基づいて設定され、予めECU5に格納されたエンジン1の燃料噴射量の積算値(ΣQfuel_total)と第2目標空燃比(目標A/F2)の基準値との関係を示すマップ(図5参照)を検索する。これにより、アクセルセンサ11の出力に基づいてECU5により算出された燃料噴射量の積算値(ΣQfuel_total)に応じた、第2目標空燃比(目標A/F2)の基準値を算出する。
なお、図5に示すように、燃料噴射量の積算値(ΣQfuel_total)が大きくなるほど、第2目標空燃比(目標A/F2)の基準値は高く設定される。
次いで、所定の実験に基づいて設定され、予めECU5に格納されたNOx浄化触媒2の温度と補正係数Ktempとの関係を示すマップ(図6参照)を検索する。図6に示すように、補正係数Ktempは、NOx浄化触媒2の温度が高いほど小さい値に設定される。これにより、触媒温度センサ14により検出されたNOx浄化触媒2の温度に応じた補正係数Ktempを算出する。
最後に、算出した補正係数Ktempを、上記第2目標空燃比(目標A/F2)の基準値に乗じて補正することにより、第2目標空燃比を算出する。
【0059】
触媒劣化度合推定部54は、NOx浄化触媒2の劣化度合を、エンジン1の燃料噴射量の積算値(ΣQfuel_total)に基づいて推定する。本実施形態では、NOx浄化触媒2の劣化度合として、エンジン1の燃料噴射量の積算値(ΣQfuel_total)を用いる。即ち、上述したように、燃料噴射量の積算値(ΣQfuel_total)に応じて、第1目標空燃比(目標A/F1)および第2目標空燃比(目標A/F2)を算出する。
なお、エンジン1の燃料噴射量の積算値(ΣQfuel_total)は、後述する燃料噴射量(ΣQfuel)とは異なり、再生処理が終了してもリセットされることはない。
【0060】
切替部55は、DPF3に流入する排気の排気空燃比が所定の閾値を下回った場合には、NOx浄化触媒2に流入する排気の目標空燃比を、第1目標空燃比(目標A/F1)から第2目標空燃比(目標A/F2)に一旦切り替える。次いで、所定時間経過後に再度、第1目標空燃比に切り替える処理を実行する。
DPF3に流入する排気の排気空燃比は、第2空燃比センサ13により検出された値を用いる。所定の閾値は、所定の実験に基づいて設定され、予めECU5に格納されている。
【0061】
ここで、切替部55による目標空燃比の切替えについて、図7を参照しながら詳しく説明する。なお、以下の説明において、NOx浄化触媒2に流入する排気の排気空燃比をFront_A/Fとし、DPF3に流入する排気の排気空燃比をRear_A/Fとする。
先ず、リーン側からリッチ側へのリッチ化制御を実行するにあたり、NOx浄化触媒2に流入する排気の目標空燃比が第1目標空燃比(目標A/F1)に設定されると、Front_A/Fは、応答性良く第1目標空燃比(目標A/F1)と一致した空燃比となる。このとき、Rear_A/Fは、NOx浄化触媒2の酸素吸蔵放出能により、一定の時間、リーンの状態を維持しながら、緩やかにリッチ側に移行する。即ち、Front_A/Fがリッチ側で、Rear_A/Fがリーン側の状態が形成される。
そして、Rear_A/Fが予め設定された所定の閾値(Thresh_A/F)を下回ったときに、第1目標空燃比(目標A/F1)から、ストイキよりもリーン側の第2目標空燃比(目標A/F2)に切り替えを実行し、リッチ化制御を中断してリーン化制御が実行される。このとき、Front_A/Fは、応答性良く第2目標空燃比(目標A/F2)と一致した空燃比となるのに対して、Rear_A/Fは、緩やかにリーン側に移行する。
リッチ化制御の中断、即ちリーン化制御を実行して所定時間経過した後、再度、ストイキよりもリッチ側の第1目標空燃比(目標A/F1)に切り替えを実行し、リッチ化制御が実行される。このとき、最初のリッチ化制御のときと同様に、Front_A/Fは応答性良く第1目標空燃比(目標A/F1)と一致した空燃比となるのに対して、Rear_A/Fは、NOx浄化触媒2の酸素吸蔵放出能により、一定の時間、リーンの状態を維持しながら、緩やかにリッチ側に移行する。即ち、Front_A/Fがリッチ側で、Rear_A/Fがリーン側の状態が形成される。
以上のようにして、NOx浄化触媒2に流入する排気の目標空燃比の切り替えを実行することにより、DPF3に流入する排気の目標空燃比を常にリーンに保つことができる結果、NOx浄化触媒2において硫黄分を除去するとともに、DPF3においてPMの燃焼除去が可能となる。この点については後段で詳述する。
なお、リッチ化制御を終了し、NOx浄化触媒2に流入する排気の目標空燃比がリッチ側からリーン側にリーン化制御されると、Front_A/Fは応答性良くリーン側に移行し、Rear_A/Fは遅れてリーン側に移行する。
【0062】
再生処理時間設定部56は、DPF3に流入する排気の排気空燃比、即ちRear_A/Fが低いほど、再生処理時間を短く設定する。具体的には、所定の実験に基づいて設定され、予めECU5に格納されたRear_A/Fと再生処理時間のカウンタ減算値との関係を示すマップ(図8参照)を検索する。これにより、第2空燃比センサ13により検出されたRear_A/Fに応じたカウンタ減算値が算出される。次いで、予め設定されていた所定の再生処理時間から、算出されたカウンタ減算値を減算することにより、再生処理時間が算出される。
【0063】
リッチ化制御中断時間設定部57は、上記リッチ化制御を中断する時間、即ち上記リーン化制御の実行時間を設定する。NOx浄化触媒の温度が高いほど、上記リッチ化制御の中断時間(リーン化制御の実行時間)を短く設定する。
具体的には、中断時間の設定に際しては、所定の実験に基づいて設定され、予めECU5に格納されたNOx浄化触媒の温度とリッチ化制御中断時間のカウンタ減算値との関係を示すマップ(図示せず)を検索する。これにより、触媒温度センサ14により検出されたNOx浄化触媒2の温度に応じたカウンタ減算値が算出される。次いで、予め設定された所定のリッチ化制御中断時間から、算出されたカウンタ減算値を減算することにより、リッチ化制御中断時間が算出される。
【0064】
また、ECU5は、図示しない再生時期判定部を有する。再生時期判定部は、エンジン1の燃料噴射量(ΣQfuel)が所定の判定値に達したときに、再生実行部51による再生処理を実行する。
ここで、再生時期判定部による再生時期の判定について、図9を参照しながら説明する。図9に示すように、アクセルセンサ11の出力に基づいてECU5により算出された燃料噴射量(ΣQfuel)が、所定の実験に基づいて設定され、予めECU5に格納された判定値(図9の判定ライン)に達したときに、再生実行部51による再生処理を実行する。上述したように、燃料噴射量の積算値(ΣQfuel_total)は、リセットされずに時間の経過とともに大きくなっていくのに対して、燃料噴射量(ΣQfuel)は、再生処理の実行の開始と同時にリセットされ、新たにカウントされていく。これにより、適切な時期に再生処理の実行が繰り返し可能となっている。
【0065】
次に、本実施形態の再生処理の手順について説明する。
図10は、本実施形態のECU5による再生処理の手順を示すフローチャートである。このフローチャートは、エンジン1の始動後、ECU5により繰り返し実行される。
【0066】
図10に示すように、本実施形態の再生処理は、NOx浄化触媒2に流入する排気の目標空燃比を、リッチ側の第1目標空燃比(目標A/F1)とリーン側の第2目標空燃比(目標A/F2)とで所定の条件により切り替えて実行可能となっている。
【0067】
ステップS11では、再生要求フラグFRRが「1」であるか否かを判別する。この判別がYESの場合には再生処理が実行されてステップS12に移り、NOの場合にはステップS27に移る。
再生要求フラグFRRは、エンジン1の燃料噴射量(ΣQfuel)が、所定の判定値(Thresh_fuel)を超えたときに「1」とされる。再生要求フラグFRRが「1」のときに、再生処理、具体的にはポストリッチによるリッチ化制御が実行される。
【0068】
ステップS12では、予め設定された再生タイマーをスタートし、ステップS13に移る。
【0069】
ステップS13では、リッチ化制御中断要求フラグFRIRが「1」であるか否かを判別する。この判別がYESの場合にはステップS16に移り、NOの場合にはステップS14に移る。
リッチ化制御中断要求フラグFRIRは、DPF3に流入する排気の排気空燃比であるRear_AFが、予め設定されECU5に格納されている所定の閾値(Thresh_AF)を下回っているときに「1」とされる。リッチ化制御中断要求フラグFRIRが「1」のときに、リッチ化制御が所定時間、中断される。
【0070】
ステップS14では、NOx浄化触媒2に流入する排気の目標空燃比として、ストイキよりもリッチ側の第1目標空燃比(目標A/F1)を設定し、目標空燃比を目標A/F1とするリッチ化制御が実行され、ステップS15に移る。
ここで、目標A/F1は、エンジン1の燃料噴射量の積算値(ΣQfuel_total)に基づいて設定する。具体的には、図5に示すマップを検索し、アクセルセンサ11の出力に基づいてECU5により算出された燃料噴射量の積算値(ΣQfuel_total)に応じた、目標A/F1を算出して設定する。
【0071】
ステップS15では、DPF3に流入する排気の排気空燃比であるRear_AFが、所定の閾値(Thresh_AF)を下回っているか否かを判別する。この判別がYESの場合にはステップS16に移り、NOの場合にはステップS23に移る。
ここで、Rear_AFは、第2空燃比センサ13により検出された値を用い、所定の閾値(Thresh_AF)は、予めECU5に格納されている値を用いる。
【0072】
ステップS16では、NOx浄化触媒2に流入する排気の目標空燃比として、ストイキよりもリーン側の第2目標空燃比(目標A/F2)を設定し、目標空燃比を目標A/F2とするリーン化制御が実行(即ち、リッチ化制御が中断)され、ステップS17に移る。
ここで、目標A/F2は、先ず、図5に示すマップを検索し、アクセルセンサ11の出力に基づいてECU5により算出された燃料噴射量の積算値(ΣQfuel_total)に応じた、目標A/F2の基準値を算出する。次いで、図6に示すマップを検索し、触媒温度センサ14により検出されたNOx浄化触媒2の温度に応じた補正係数Ktempを算出する。最後に、算出した補正係数Ktempを、上記目標A/F2の基準値に乗じて補正し、目標A/F2を算出して設定する。
【0073】
ステップS17では、リッチ化制御中断要求フラグFRIRを「1」として、ステップS18に移る。
ステップS18では、予め設定された中断タイマーをスタートし、ステップS19に移る。
【0074】
ステップS19では、NOx浄化触媒2の温度に基づいて中断タイマーの減算を実行し、ステップS20に移る。
具体的には、所定の実験に基づいて設定され、予めECU5に格納されたNOx浄化触媒の温度とリッチ化制御中断時間との関係を示すマップ(図示せず)を検索し、触媒温度センサ14により検出されたNOx浄化触媒2の温度に応じたカウンタ減算値を算出する。次いで、予め設定された所定の中断タイマーから、算出されたカウンタ減算値を減算することにより、リッチ化制御中断時間が算出される。
【0075】
ステップS20では、中断タイマーが0であるか否かを判別する。この判別がYESの場合にはステップS21に移り、NOの場合にはステップS24に移る。
【0076】
ステップS21では、リッチ化制御中断要求フラグFRIRを「0」として、ステップS22に移る。
ステップS22では、中断タイマーをリセットしてステップS24に移る。
【0077】
ステップS23では、Rear_A/Fに基づいて再生タイマーの減算を実行し、ステップS24に移る。
具体的には、図8に示すマップを検索し、第2空燃比センサ13により検出されたRear_A/Fに応じたカウンタ減算値を算出する。次いで、予め設定されていた所定の再生タイマーから、算出されたカウンタ減算値を減算することにより、再生処理時間が算出される。
【0078】
ステップS24では、再生タイマーが0であるか否かを判別する。この判別がNOの場合には再生処理を終了し、YESの場合にはステップS25に移り、再生要求フラグFRRを「0」に設定してステップS26に移り、再生タイマーをリセットして再生処理を終了する。
【0079】
ステップS27では、エンジン1の燃料噴射量(ΣQfuel)を積算してステップS28に移る。具体的には、アクセルセンサ11の出力に基づいてECU5により燃料噴射量(ΣQfuel)を算出する。
【0080】
ステップS28では、エンジン1の燃料噴射量(ΣQfuel)が、所定の判定値(Thresh_fuel)を超えているか否かを判別する。この判別がNOの場合には再生処理を終了し、YESの場合には、ステップS29に移る。
【0081】
ステップS29では、再生要求フラグFRRを「1」に設定してステップS30に移り、エンジン1の燃料噴射量(ΣQfuel)を「0」に設定して再生処理を終了する。
【0082】
上述したように、酸化セリウム系吸着材を用いたNOx浄化触媒2と、酸素放出能を有する複合酸化物にAgを担持してなるPM燃焼触媒を備えるDPF3と、を用いることにより、以下の効果が奏される。
酸化セリウム系吸着材を用いたNOx浄化触媒2の硫黄除去に必要な温度は600℃程度であり、アルカリ金属やアルカリ土類金属の700℃に比して、より低温で硫黄を除去することができる。本実施形態の排気系レイアウトでは、NOx浄化触媒2の再生と同時にDPF3の再生処理も行われることとなるため、NOx浄化触媒2の下流側に配置されているDPF3は、600℃若しくは600℃以下の温度に晒されることとなる。
ところで、触媒を用いない気相酸素中でのPM燃焼に必要な温度は600℃以上であることが知られている。従って、NOx浄化触媒2の硫黄除去とDPF3のPM除去を、同時に効率良く行うためには、PMを低温燃焼させる触媒をDPF3に担持させるのが望ましいと言える。
そこで、本実施形態では、350〜500℃程度でPMを燃焼させることが可能な、酸素放出能を有する複合酸化物にAgを担持してなるPM燃焼触媒をDPF3に担持させた。これにより、本実施形態では、DPF3が600℃以下の温度に晒された場合であっても、PMを燃焼除去でき、DPF再生を継続的に進行できる。
また、複合酸化物から放出される酸素により、DPF3内の下流側ほど、リーン時間を長く確保できる。これにより、PM燃焼除去効率(DPF再生効率)が向上し、NOx浄化触媒2の硫黄除去による再生と、DPF3のPM燃焼除去による再生に要するトータルの処理時間を短縮することができる。
【0083】
ところで、リーンとリッチを繰り返すことにより、NOx浄化触媒2の硫黄除去とDPF3のPM燃焼除去を同時に行う利点としては、いずれも600℃以上の高温が必要であるため、昇温による燃費の悪化を抑制するため、同時に行うのが好ましい点にある。また、リッチ化制御を継続すると排気温度が低下するため、リーンとリッチを繰り返すことにより排気温度を高温に保つことができるという点にある。
しかしながら、リッチ側ではNOx浄化触媒2の硫黄除去のみが進行し、リーン側ではDPF3のPM燃焼除去のみが進行するというのが従来であった。
そこで、本実施形態では、NOx浄化触媒2に酸化セリウム系の吸着材を用いることにより、排気空燃比がリッチ側でNOx浄化触媒2の硫黄除去が進行している最中でも、酸化セリウムの酸素吸蔵能(OSC)により、NOx浄化触媒2の下流側の排気空燃比をリーンに保つことができる結果、下流のDPF3のPM燃焼除去も同時に進行させることができる(図11参照)。また、リッチ化制御を長時間継続する場合には、OSCが消費されていくに従い、この効果は徐々に小さくなっていくところ、本実施形態では図11に示すように、Front_A/Fをリッチ化した後、一旦リーンに戻し、再びリッチ化させることにより、Rear_A/Fを常にリーンに保つことができる。このため、硫黄除去とDPF再生を同時に進行させることができ、トータルの再生時間を大幅に低減できる。
【0084】
次に、再生処理を絡めた本実施形態の効果をまとめると、以下の通りである。
本実施形態の排気浄化装置は、酸素吸蔵放出材を有するNOx浄化触媒2を含んで構成した。また、NOx浄化触媒2に流入する排気の排気空燃比を、リーン側からリッチ側にするリッチ化制御を行った後、一旦リーン側に戻すリーン化制御を所定時間行ってから、再度リッチ側にするリッチ化制御を行う一連の制御を少なくとも1回実行する再生実行部51を含んで構成した。
これにより、NOx浄化触媒2に流入する排気空燃比をリッチ化しつつ、NOx浄化触媒2の酸素吸蔵能(OSC)によって、DPF3に流入する排気の空燃比をリーンに保つことができる。また、リッチ化制御を行った後、一旦リーン側に戻すリーン化制御を実行することにより、NOx浄化触媒2の酸素吸蔵能(OSC)を長く維持できる結果、DPF3に流入する排気の空燃比を長くリーンに保つことができる。
このため、NOx浄化触媒2の硫黄除去とDPF3に捕集されたPMの燃焼除去を同時に実行することができる。従って、硫黄除去およびPM燃焼除去に要するエネルギーを削減でき、燃費の悪化を軽減できる。
【0085】
本実施形態の排気浄化装置は、NOx浄化触媒2に流入する排気の排気空燃比を、切替部55による目標空燃比の切り替えに応じて、第1目標空燃比または第2目標空燃比に一致するように制御する再生実行部51を含んで構成した。
これにより、排気空燃比を目標通りに制御できるとともに、DPF3に流入する排気の空燃比を常にリーンに保つことができるため、上記効果がより顕著に奏される。
【0086】
本実施形態の排気浄化装置は、NOx浄化触媒2の劣化度合に基づいて第1目標空燃比を設定する第1目標空燃比設定部52を含んで構成した。
これにより、NOx浄化触媒2の酸素吸蔵能(OSC)に応じて、NOx浄化触媒2に流入する排気空燃比を制御できるため、硫黄の除去とPMの燃焼除去をより効率良く実行でき、燃費の悪化をより軽減できる。
【0087】
本実施形態の排気浄化装置は、触媒劣化度合推定部54を備えるとともに、触媒劣化度合推定部54により推定されたNOx浄化触媒2の劣化度合が大きいほど、第1目標空燃比を高く設定する第1目標空燃比設定部52を含んで構成した。
これにより、NOx浄化触媒2の劣化度合を正確に推定することができ、硫黄除去とPM燃焼除去中において酸素を過不足なく供給することができる。このため、酸素不足によるPM燃焼効率の低下や、酸素過多による硫黄除去効率の低下を回避できる。また、NOx浄化触媒2の劣化が進行してOSCが少なくなった場合に、リッチ化制御時の目標空燃比である第1目標空燃比を高く設定することにより、DPF3に流入する排気の空燃比がストイキ以下となってPM燃焼効率が低下する不具合を回避できる。
【0088】
本実施形態の排気浄化装置は、NOx浄化触媒2の劣化度合に基づいて第2目標空燃比を設定する第2目標空燃比設定部53を含んで構成した。
これにより、NOx浄化触媒2の酸素吸蔵能(OSC)に応じて、硫黄除去とPM燃焼除去の最中で目標空燃比を切り替える際に、NOx浄化触媒2へ流入する酸素濃度を調節できる。このため、常に酸素不足によるPM燃焼効率の低下や、酸素過多による硫黄除去効率の低下を回避できる。
【0089】
本実施形態の排気浄化装置は、触媒劣化度合推定部54を備えるとともに、触媒劣化度合推定部54により推定されたNOx浄化触媒2の劣化度合が大きいほど、第2目標空燃比を高く設定する第2目標空燃比設定部53を含んで構成した。
これにより、酸素不足によるPM燃焼効率の低下や、酸素過多による硫黄除去効率の低下を回避できる。また、DPF3に流入する排気の空燃比がストイキ以下となってPM燃焼効率が低下する不具合を回避できる。
【0090】
本実施形態の排気浄化装置は、NOx浄化触媒2の温度が高いほど、第2目標空燃比を低く設定する第2目標空燃比設定部53を含んで構成した。
NOx浄化触媒2のOSC機能は、NOx浄化触媒2の温度が低いほど増加する。この点、本実施形態によれば、NOx浄化触媒2の温度が高いほど第2目標空燃比が低く設定されるため、NOx浄化触媒2の高温化を抑制し、NOx浄化触媒2により多くの酸素を吸蔵させることができる。従って、硫黄の除去とPMの燃焼除去をより効率良く実行でき、燃費の悪化をより軽減できる。
【0091】
本実施形態の排気浄化装置は、NOx浄化触媒2の温度が高いほど、再生実行部51におけるリーン化制御の時間を短く設定するリッチ化制御時間設定部57を含んで構成した。これにより、NOx浄化触媒2の温度が高いほど、再生実行部51におけるリーン化制御の時間が短く設定されるため、NOx浄化触媒2の高温化を抑制し、NOx浄化触媒2により多くの酸素を吸蔵させることができる。従って、硫黄の除去とPMの燃焼除去をより効率良く実行でき、燃費の悪化をより軽減できる。
【0092】
本実施形態の排気浄化装置は、貴金属および酸化セリウム系材料を含む第1触媒層を備えるNOx浄化触媒2を含んで構成した。これにより、酸化セリウム系材料の低温でのNOx吸着能力により、始動直後やアイドル時などの低温状態であっても、高いNOx浄化性能が発揮される。また、NOx浄化触媒2のOSCが飛躍的に高まるため、硫黄除去とPM燃焼除去を同時に実行できる時間が長くなる結果、再生処理に要するトータルの時間を短縮できる。
【0093】
本実施形態の排気浄化装置は、NH3吸着材としてのゼオライトを含む第2触媒層をさらに備えるNOx浄化触媒2を含んで構成した。これにより、NH3吸着量を増加させることができるうえ、リーン時におけるNOxとの反応性を向上させることができる。
【0094】
本実施形態の排気浄化装置は、第2触媒層が第1触媒層上に設けられたNOx浄化触媒2を含んで構成した。これにより、リッチ化制御時に生成したNH3を効率的に捕捉し、次のリーン時にNOx浄化に効率的に用いることができるため、NOx浄化性能がより向上する。
【0095】
本実施形態の排気浄化装置は、捕集したPMを燃焼するための燃焼触媒が担持されたDPF3を含んで構成した。これにより、DPF3の温度が600℃以下の場合であっても、PMの燃焼除去が可能である。このため、低温で効率的にDPF3を再生でき、燃費の悪化をより軽減できる。
【0096】
本実施形態の排気浄化装置は、酸素吸蔵放出能を有する複合酸化物にAgを担持してなる燃焼触媒を含んで構成した。これにより、PMの燃焼除去が、500℃程度でも可能になるため、車両走行中にDPF3の温度が500℃程度まで低下した場合であっても、PMの燃焼除去が可能であるとともに、DPF3の再生速度を大幅に向上できる。従って、硫黄除去とPM燃焼除去に要するトータルの処理時間が短縮でき、燃費の悪化をより軽減できる。
【0097】
本実施形態の排気浄化装置は、排気中に含まれるNOをNO2に変換するNO2生成触媒が担持されたDPF3を含んで構成した。これにより、PMの燃焼をさらに促進させることができ、DPF3の再生速度を向上させることができる。従って、硫黄除去とPM燃焼除去に要するトータルの処理時間が短縮でき、燃費の悪化をより軽減できる。
【0098】
本実施形態の排気浄化装置は、Pt、Pd、およびRhのうち少なくともいずれか1つの元素が、アルミナ、シリカ、シリカアルミナ、ジルコニア、およびセリアのうち少なくともいずれか1つの担体に担持されてなるNO2生成触媒を含んで構成した。これにより、高比表面積担体上に担持されている貴金属の作用によってNO2生成能を高めることができ、より効率的にNO2をPM燃焼に用いることができる結果、DPF3の再生速度をより向上させることができる。従って、硫黄除去とPM燃焼除去に要するトータルの処理時間が短縮でき、燃費の悪化をより軽減できる。
【0099】
本実施形態では、ECU5が、再生手段、第1目標空燃比設定手段、第2目標空燃比設定手段、切替手段、触媒劣化度合推定手段、および時間設定手段を構成する。具体的には、図10のステップS14に係る手段が第1目標空燃比設定手段に相当し、ステップS15に係る手段が切替手段に相当し、ステップS16に係る手段が第2目標空燃比設定手段に相当し、ステップS19に係る手段が時間設定手段に相当する。
【0100】
なお、本実施形態は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
例えば、本実施形態では、NOx浄化触媒2に流入する排気の排気空燃比に対して、リーン側からリッチ側にするリッチ化制御を行った後、一旦リーン側に戻すリーン化制御を所定時間行ってから、再度リッチ側にするリッチ化制御を実行する一連の制御を1回だけ実行するものであるが、この一連の制御を複数回繰り返し実行してもよい。
また、第1目標空燃比設定部52が、NOx浄化触媒2の温度、NOx浄化触媒2に流入する排気の温度、およびNOx浄化触媒2に流入する排気の流量のうちいずれか1つに基づいて第1目標空燃比を設定するものであってもよい。同様に、第2目標空燃比設定部53が、NOx浄化触媒2の温度、NOx浄化触媒2に流入する排気の温度、およびNOx浄化触媒2に流入する排気の流量のうちいずれか1つに基づいて、第2目標空燃比を設定するものであってもよい。
このとき、NOx浄化触媒2の温度は、触媒温度センサ14により検出された値を用いることができる。NOx浄化触媒2に流入する排気の温度は、NOx浄化触媒2の上流側の排気通路内に排気温度センサを設け、この排気温度センサにより検出された値を用いることができる。NOx浄化触媒2に流入する排気の流量は、NOx浄化触媒2の上流側の排気通路内にエアフローメータを設け、このエアフローメータにより検出された値を用いることができる。
また、例えば、再生処理時間設定部56が、NOx浄化触媒2に流入する排気の排気空燃比、即ちFront_A/Fが低いほど、再生処理時間を短く設定するものであってもよい。
【実施例】
【0101】
[NOx浄化触媒]
表1に示す組成のNOx浄化触媒を、400セル/3.5ミルコージェライト製ハニカム構造体に、含浸法により担持させたものを実施例とした。
また、PtRh/Ba/Al2O3の組成を有するNOx浄化触媒を、実施例と同様の構造体に担持させたものを比較例とした。
【0102】
【表1】
【0103】
[DPF]
表2に示す組成の燃焼触媒(下層がPM燃焼触媒、上層がNO2生成触媒)を、ウォールフロータイプのSiC製DPF(気孔径23μm、気孔率52%)に、含浸法により担持させたものを実施例とした。
また、後述のエンジン101を運転させ、上記ウォールフロータイプのSiC製DPFにPMのみを捕集させたものを比較例とした。
【0104】
【表2】
【0105】
[評価]
上記の処理を行ったNOx浄化触媒およびDPFを用いて、図13に示すような排気系レイアウトの排気浄化装置を構成した。エンジン101としては、2.2Lディーゼルエンジンを用い、NOx浄化触媒の容量を1L、DPFの容量を2Lとした。このエンジン101を所定の条件で所定時間運転し、NOx浄化触媒に硫黄分を捕捉させ、DPFにPMを捕集させた。
【0106】
NOx浄化触媒について、昇温脱離法により、S脱離量と温度との関係を調べた。結果を図14に示す。図14に示すように、本実施例のNOx浄化触媒は、比較例に比してより低温の600℃程度で硫黄分を脱離することが確認された。
【0107】
DPFについて、TG−DTA法により、PM燃焼に伴う発熱量と温度との関係を調べた。結果を図15に示す。図15に示すように、本実施例のDPFに担持させた燃焼触媒は、400℃の低温でPMを燃焼できることが確認された。
【符号の説明】
【0108】
1 エンジン(内燃機関)
2 NOx浄化触媒(NOx浄化触媒)
3 DPF(パティキュレートフィルタ)
4 排気管(排気通路)
5 ECU(再生手段、第1目標空燃比設定手段、第2目標空燃比設定手段、触媒劣化度合推定手段、切替手段、時間設定手段)
【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、リーンとリッチを繰り返すことによりNOxを浄化するNOx浄化触媒と、前記排気通路のうち前記NOx浄化触媒の下流側に設けられ、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタと、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
前記NOx浄化触媒は、リーン側で酸素を吸蔵し、吸蔵した酸素をリッチ側で放出する酸素吸蔵放出材を有し、
前記排気浄化装置は、
前記NOx浄化触媒に流入する排気の排気空燃比を、リーン側からリッチ側にするリッチ化制御を行った後、一旦リーン側に戻すリーン化制御を所定時間行ってから、再度リッチ側にするリッチ化制御を行う一連の制御を少なくとも1回実行することにより、前記NOx浄化触媒に捕捉された硫黄分を浄化するとともに、前記パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを浄化する再生手段と、を備えることを特徴とする排気浄化装置。
【請求項2】
前記リッチ化制御時における前記NOx浄化触媒に流入する排気の目標空燃比として、リッチ側の第1目標空燃比を設定する第1目標空燃比設定手段と、
前記リーン化制御時における前記NOx浄化触媒に流入する排気の目標空燃比として、リーン側の第2目標空燃比を設定する第2目標空燃比設定手段と、
前記パティキュレートフィルタに流入する排気の排気空燃比が所定の閾値を下回った場合には、前記目標空燃比を、前記第1目標空燃比から前記第2目標空燃比に一旦切り替えた後、前記所定時間の経過後に再度、前記第1目標空燃比に切り替える切替手段と、をさらに備え、
前記再生手段は、前記NOx浄化触媒に流入する排気の排気空燃比を、前記切替手段による目標空燃比の切り替えに応じて、前記第1目標空燃比または前記第2目標空燃比に一致するように制御することにより、前記NOx浄化触媒に捕捉された硫黄分を浄化するとともに、前記パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを浄化することを特徴とする請求項1に記載の排気浄化装置。
【請求項3】
前記第1目標空燃比設定手段は、前記NOx浄化触媒の温度、前記NOx浄化触媒に流入する排気の温度、前記NOx浄化触媒に流入する排気の流量、および前記NOx浄化触媒の劣化度合のうち少なくともいずれか1つに基づいて、前記第1目標空燃比を設定することを特徴とする請求項2に記載の排気浄化装置。
【請求項4】
前記排気浄化装置は、前記NOx浄化触媒の劣化度合を、前記内燃機関の燃料噴射量の積算値に基づいて推定する触媒劣化度合推定手段をさらに備え、
前記第1目標空燃比設定手段は、前記触媒劣化度合推定手段により推定された前記NOx浄化触媒の劣化度合が大きいほど、前記第1目標空燃比を高く設定することを特徴とする請求項3に記載の排気浄化装置。
【請求項5】
前記第2目標空燃比設定手段は、前記NOx浄化触媒の温度、前記NOx浄化触媒に流入する排気の温度、前記NOx浄化触媒に流入する排気の流量、および前記NOx浄化触媒の劣化度合のうち少なくともいずれか1つに基づいて、前記第2目標空燃比を設定することを特徴とする請求項2から4いずれかに記載の排気浄化装置。
【請求項6】
前記排気浄化装置は、前記NOx浄化触媒の劣化度合を、前記内燃機関の燃料噴射量の積算値に基づいて推定する触媒劣化度合推定手段をさらに備え、
前記第2目標空燃比設定手段は、前記触媒劣化度合推定手段により推定された前記NOx浄化触媒の劣化度合が大きいほど、前記第2目標空燃比を高く設定することを特徴とする請求項5に記載の排気浄化装置。
【請求項7】
前記第2目標空燃比設定手段は、前記NOx浄化触媒の温度が高いほど、前記第2目標空燃比を低く設定することを特徴とする請求項2から6いずれかに記載の排気浄化装置。
【請求項8】
前記排気浄化装置は、前記NOx浄化触媒の温度が高いほど、前記所定時間を短く設定する時間設定手段をさらに備えることを特徴とする請求項1から7いずれかに記載の排気浄化装置。
【請求項9】
前記NOx浄化触媒は、貴金属および酸化セリウム系材料を含む第1触媒層を備えることを特徴とする請求項1から8いずれかに記載の排気浄化装置。
【請求項10】
前記NOx浄化触媒は、NH3吸着材としてのゼオライトを含む第2触媒層をさらに備えることを特徴とする請求項9に記載の排気浄化装置。
【請求項11】
前記NOx浄化触媒は、前記第2触媒層が前記第1触媒層上に設けられていることを特徴とする請求項10に記載の排気浄化装置。
【請求項12】
前記パティキュレートフィルタには、捕集したパティキュレートを燃焼するための燃焼触媒が担持されていることを特徴とする請求項1から11いずれかに記載の排気浄化装置。
【請求項13】
前記燃焼触媒は、酸素吸蔵放出能を有する複合酸化物にAgを担持してなることを特徴とする請求項12に記載の排気浄化装置。
【請求項14】
前記パティキュレートフィルタには、排気中に含まれるNOをNO2に変換するNO2生成触媒が担持されていることを特徴とする請求項1から13いずれかに記載の排気浄化装置。
【請求項15】
前記NO2生成触媒は、Pt、Pd、およびRhのうち少なくともいずれか1つの元素が、アルミナ、シリカ、シリカアルミナ、ジルコニア、およびセリアのうち少なくともいずれか1つの担体に担持されてなることを特徴とする請求項14に記載の排気浄化装置。
【請求項1】
内燃機関の排気通路に設けられ、リーンとリッチを繰り返すことによりNOxを浄化するNOx浄化触媒と、前記排気通路のうち前記NOx浄化触媒の下流側に設けられ、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタと、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
前記NOx浄化触媒は、リーン側で酸素を吸蔵し、吸蔵した酸素をリッチ側で放出する酸素吸蔵放出材を有し、
前記排気浄化装置は、
前記NOx浄化触媒に流入する排気の排気空燃比を、リーン側からリッチ側にするリッチ化制御を行った後、一旦リーン側に戻すリーン化制御を所定時間行ってから、再度リッチ側にするリッチ化制御を行う一連の制御を少なくとも1回実行することにより、前記NOx浄化触媒に捕捉された硫黄分を浄化するとともに、前記パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを浄化する再生手段と、を備えることを特徴とする排気浄化装置。
【請求項2】
前記リッチ化制御時における前記NOx浄化触媒に流入する排気の目標空燃比として、リッチ側の第1目標空燃比を設定する第1目標空燃比設定手段と、
前記リーン化制御時における前記NOx浄化触媒に流入する排気の目標空燃比として、リーン側の第2目標空燃比を設定する第2目標空燃比設定手段と、
前記パティキュレートフィルタに流入する排気の排気空燃比が所定の閾値を下回った場合には、前記目標空燃比を、前記第1目標空燃比から前記第2目標空燃比に一旦切り替えた後、前記所定時間の経過後に再度、前記第1目標空燃比に切り替える切替手段と、をさらに備え、
前記再生手段は、前記NOx浄化触媒に流入する排気の排気空燃比を、前記切替手段による目標空燃比の切り替えに応じて、前記第1目標空燃比または前記第2目標空燃比に一致するように制御することにより、前記NOx浄化触媒に捕捉された硫黄分を浄化するとともに、前記パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを浄化することを特徴とする請求項1に記載の排気浄化装置。
【請求項3】
前記第1目標空燃比設定手段は、前記NOx浄化触媒の温度、前記NOx浄化触媒に流入する排気の温度、前記NOx浄化触媒に流入する排気の流量、および前記NOx浄化触媒の劣化度合のうち少なくともいずれか1つに基づいて、前記第1目標空燃比を設定することを特徴とする請求項2に記載の排気浄化装置。
【請求項4】
前記排気浄化装置は、前記NOx浄化触媒の劣化度合を、前記内燃機関の燃料噴射量の積算値に基づいて推定する触媒劣化度合推定手段をさらに備え、
前記第1目標空燃比設定手段は、前記触媒劣化度合推定手段により推定された前記NOx浄化触媒の劣化度合が大きいほど、前記第1目標空燃比を高く設定することを特徴とする請求項3に記載の排気浄化装置。
【請求項5】
前記第2目標空燃比設定手段は、前記NOx浄化触媒の温度、前記NOx浄化触媒に流入する排気の温度、前記NOx浄化触媒に流入する排気の流量、および前記NOx浄化触媒の劣化度合のうち少なくともいずれか1つに基づいて、前記第2目標空燃比を設定することを特徴とする請求項2から4いずれかに記載の排気浄化装置。
【請求項6】
前記排気浄化装置は、前記NOx浄化触媒の劣化度合を、前記内燃機関の燃料噴射量の積算値に基づいて推定する触媒劣化度合推定手段をさらに備え、
前記第2目標空燃比設定手段は、前記触媒劣化度合推定手段により推定された前記NOx浄化触媒の劣化度合が大きいほど、前記第2目標空燃比を高く設定することを特徴とする請求項5に記載の排気浄化装置。
【請求項7】
前記第2目標空燃比設定手段は、前記NOx浄化触媒の温度が高いほど、前記第2目標空燃比を低く設定することを特徴とする請求項2から6いずれかに記載の排気浄化装置。
【請求項8】
前記排気浄化装置は、前記NOx浄化触媒の温度が高いほど、前記所定時間を短く設定する時間設定手段をさらに備えることを特徴とする請求項1から7いずれかに記載の排気浄化装置。
【請求項9】
前記NOx浄化触媒は、貴金属および酸化セリウム系材料を含む第1触媒層を備えることを特徴とする請求項1から8いずれかに記載の排気浄化装置。
【請求項10】
前記NOx浄化触媒は、NH3吸着材としてのゼオライトを含む第2触媒層をさらに備えることを特徴とする請求項9に記載の排気浄化装置。
【請求項11】
前記NOx浄化触媒は、前記第2触媒層が前記第1触媒層上に設けられていることを特徴とする請求項10に記載の排気浄化装置。
【請求項12】
前記パティキュレートフィルタには、捕集したパティキュレートを燃焼するための燃焼触媒が担持されていることを特徴とする請求項1から11いずれかに記載の排気浄化装置。
【請求項13】
前記燃焼触媒は、酸素吸蔵放出能を有する複合酸化物にAgを担持してなることを特徴とする請求項12に記載の排気浄化装置。
【請求項14】
前記パティキュレートフィルタには、排気中に含まれるNOをNO2に変換するNO2生成触媒が担持されていることを特徴とする請求項1から13いずれかに記載の排気浄化装置。
【請求項15】
前記NO2生成触媒は、Pt、Pd、およびRhのうち少なくともいずれか1つの元素が、アルミナ、シリカ、シリカアルミナ、ジルコニア、およびセリアのうち少なくともいずれか1つの担体に担持されてなることを特徴とする請求項14に記載の排気浄化装置。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【公開番号】特開2010−223076(P2010−223076A)
【公開日】平成22年10月7日(2010.10.7)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−70643(P2009−70643)
【出願日】平成21年3月23日(2009.3.23)
【出願人】(000005326)本田技研工業株式会社 (23,863)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成22年10月7日(2010.10.7)
【国際特許分類】
【出願日】平成21年3月23日(2009.3.23)
【出願人】(000005326)本田技研工業株式会社 (23,863)
【Fターム(参考)】
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