JP4868096B2 - Exhaust gas purification device for internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。 The present invention relates to an exhaust emission control device for an internal combustion engine.
機関排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるNOXを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比がリッチになると吸蔵したNOXを放出するNOX吸蔵触媒を配置し、NOX吸蔵触媒上流の機関排気通路内に吸着機能を有する酸化触媒を配置し、NOX吸蔵触媒からNOXを放出すべきときには酸化触媒上流の機関排気通路内に炭化水素を供給してNOX吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするようにした内燃機関が公知である(例えば特許文献1を参照)。
この内燃機関ではNOX吸蔵触媒からNOXを放出すべきときに供給された炭化水素が酸化触媒においてガス状の炭化水素とされ、ガス状の炭化水素がNOX吸蔵触媒に送り込まれる。その結果、NOX吸蔵触媒から放出されたNOXが良好に還元せしめられることになる。The engine exhaust passage, NO X storage catalyst air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas when the lean that releases NO X air-fuel ratio of the exhaust gas which is occluded becomes rich for occluding NO X contained in the exhaust gas inflow was placed, NO X occluding catalyst upstream of the engine oxidation catalyst having an adsorbing function in the exhaust passage disposed, NO X from occluding catalyst when releasing the NO X is feeding hydrocarbons into the engine exhaust passage an oxidation catalyst upstream An internal combustion engine in which the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the NO X storage catalyst is made rich is known (see, for example, Patent Document 1).
In this internal combustion engine, hydrocarbons supplied when NO X is to be released from the NO X storage catalyst are converted into gaseous hydrocarbons in the oxidation catalyst, and the gaseous hydrocarbons are sent to the NO X storage catalyst. As a result, the NO X released from the NO X storing catalyst is made to satisfactorily reduced.
しかしながらNOX吸蔵触媒は高温になるとNOX浄化率が低下するという問題がある。
本発明の目的は、排気浄化触媒の温度が高温になっても高いNOX浄化率を得ることのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。However, the NO X storage catalyst has a problem that the NO X purification rate decreases when the temperature becomes high.
An object of the present invention is to provide an exhaust purification device for an internal combustion engine that can obtain a high NO x purification rate even when the temperature of the exhaust purification catalyst becomes high.
本発明によれば、炭化水素を供給するための炭化水素供給弁を機関排気通路内に配置し、炭化水素供給弁から噴射されかつ部分酸化された炭化水素と排気ガス中に含まれるNOXとを反応させるための排気浄化触媒を炭化水素供給弁下流の機関排気通路内に配置し、排気浄化触媒上には貴金属触媒が担持されていると共に塩基性層が形成されており、排気浄化触媒は、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつ炭化水素供給弁から炭化水素を予め定められた供給間隔で噴射すると排気ガス中に含まれるNOXを還元する性質を有すると共に、炭化水素の供給間隔を予め定められた供給間隔よりも長くすると排気ガス中に含まれるNOXの吸蔵量が増大する性質を有しており、機関運転時に排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつ炭化水素供給弁から炭化水素を予め定められた供給間隔で噴射することにより排気ガス中に含まれるNOXを浄化する第1のNOX浄化方法と、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を予め定められた供給間隔よりも長い間隔でもってリーンからリッチに切換えることによりNOXを浄化する第2のNOX浄化方法とを機関の運転状態に応じて選択的に用いるようにした内燃機関の排気浄化装置が提供される。According to the present invention, a hydrocarbon supply valve for supplying hydrocarbons is disposed in the engine exhaust passage, hydrocarbons injected from the hydrocarbon supply valve and partially oxidized, and NO X contained in the exhaust gas, An exhaust purification catalyst for reacting the gas is disposed in the engine exhaust passage downstream of the hydrocarbon feed valve, a noble metal catalyst is supported on the exhaust purification catalyst and a basic layer is formed. When the hydrocarbon is injected from the hydrocarbon supply valve at a predetermined supply interval while maintaining the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the exhaust purification catalyst lean, it has the property of reducing NO X contained in the exhaust gas has a property that storage amount of the NO X contained a longer in the exhaust gas than a predetermined supply interval supplied intervals hydrocarbons is increased, the exhaust gas flowing into the exhaust gas purifying catalyst at the time of engine operation A first NO X removal method for purifying NO X contained in the exhaust gas by injecting fuel ratio of the scan at a predetermined supply interval hydrocarbons from the hydrocarbon feed valve while maintaining lean exhaust A second NO X purification method for purifying NO X by changing the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the purification catalyst from lean to rich at intervals longer than a predetermined supply interval according to the operating state of the engine An exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine that is selectively used is provided.
第1のNOX浄化方法と第2のNOX浄化方法とを選択的に用いることにより機関の運転状態にかかわらずに高いNOX浄化率を得ることができる。By selectively using the first NO X purification method and the second NO X purification method, a high NO X purification rate can be obtained regardless of the operating state of the engine.
図1は圧縮着火式内燃機関の全体図である。
図2は触媒担体の表面部分を図解的に示す図である。
図3は酸化触媒における酸化反応を説明するための図である。
図4は排気浄化触媒への流入排気ガスの空燃比の変化を示す図である。
図5はNOX浄化率を示す図である。
図6は排気浄化触媒における酸化還元反応を説明するための図である。
図7は排気浄化触媒における酸化還元反応を説明するための図である。
図8は排気浄化触媒への流入排気ガスの空燃比の変化等を示す図である。
図9は排出NOX量NOXAのマップを示す図である。
図10は燃料噴射時期を示す図である。
図11はNOX浄化率を示す図である。
図12は炭化水素の噴射量等のマップを示す図である。
図13はNOX吐き出し速度等を示す図である。
図14は第2のNOX浄化方法から第1のNOX浄化方法に切換えられる際の排気ガスの空燃比(A/F)in等の変化を示すタイムチャートである。
図15はNOX浄化制御を行うためのフローチャートである。
図16は図15に示されるNOX浄化方法決定部Aの別の実施例を示すフローチャート等を示す図である。
図17は図15に示されるNOX浄化方法決定部Aの更に別の実施例を示すフローチャートである。
図18は図15に示されるNOX浄化方法決定部Aの更に別の実施例を示すフローチャートである。
図19は第2のNOX浄化方法から第1のNOX浄化方法に切換えられる際の排気ガスの空燃比(A/F)in等の変化を示すタイムチャートである。
図20は第2のNOX浄化方法から第1のNOX浄化方法に切換えられる際の排気ガスの空燃比(A/F)in等の変化を示すタイムチャートである。
図21は増量係数を示す図である。
図22はNOXを浄化するための別の触媒の一部拡大断面図である。FIG. 1 is an overall view of a compression ignition type internal combustion engine.
FIG. 2 is a view schematically showing the surface portion of the catalyst carrier.
FIG. 3 is a diagram for explaining the oxidation reaction in the oxidation catalyst.
FIG. 4 is a diagram showing changes in the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the exhaust purification catalyst.
Figure 5 is a diagram illustrating a NO X purification rate.
FIG. 6 is a diagram for explaining the oxidation-reduction reaction in the exhaust purification catalyst.
FIG. 7 is a diagram for explaining the oxidation-reduction reaction in the exhaust purification catalyst.
FIG. 8 is a diagram showing changes in the air-fuel ratio of exhaust gas flowing into the exhaust purification catalyst.
Figure 9 is a diagram illustrating a map of exhaust amount of NO X NOXA.
FIG. 10 is a diagram showing the fuel injection timing.
Figure 11 is a diagram illustrating a NO X purification rate.
FIG. 12 is a diagram showing a map of the injection amount of hydrocarbons.
FIG. 13 is a diagram showing the NO X discharge speed and the like.
FIG. 14 is a time chart showing changes in the air-fuel ratio (A / F) in of the exhaust gas when switching from the second NO X purification method to the first NO X purification method.
FIG. 15 is a flowchart for performing NO X purification control.
FIG. 16 is a diagram showing a flowchart and the like showing another embodiment of the NO X purification method determining unit A shown in FIG.
FIG. 17 is a flowchart showing still another embodiment of the NO X purification method determination unit A shown in FIG.
FIG. 18 is a flowchart showing still another embodiment of the NO X purification method determination unit A shown in FIG.
FIG. 19 is a time chart showing changes in the air-fuel ratio (A / F) in of the exhaust gas when switching from the second NO X purification method to the first NO X purification method.
FIG. 20 is a time chart showing changes in the air-fuel ratio (A / F) in of the exhaust gas when switching from the second NO X purification method to the first NO X purification method.
FIG. 21 is a diagram showing an increase coefficient.
Figure 22 is a partially enlarged cross-sectional view of another catalyst for purifying NO X.
図1に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。
図1を参照すると、1は機関本体、2は各気筒の燃焼室、3は各燃焼室2内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、4は吸気マニホルド、5は排気マニホルドを夫々示す。吸気マニホルド4は吸気ダクト6を介して排気ターボチャージャ7のコンプレッサ7aの出口に連結され、コンプレッサ7aの入口は吸入空気量検出器8を介してエアクリーナ9に連結される。吸気ダクト6内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁10が配置され、更に吸気ダクト6周りには吸気ダクト6内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置11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11内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
一方、排気マニホルド5は排気ターボチャージャ7の排気タービン7bの入口に連結され、排気タービン7bの出口は排気管12を介して炭化水素HCを部分酸化しうる炭化水素部分酸化用触媒13の入口に連結される。図1に示される実施例ではこの炭化水素部分酸化用触媒13は酸化触媒からなる。炭化水素部分酸化用触媒、即ち酸化触媒13の出口は排気浄化触媒14の入口に連結され、排気浄化触媒14の出口は排気ガス中に含まれる微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタ15に連結される。酸化触媒13上流の排気管12内には圧縮着火式内燃機関の燃料として用いられる軽油その他の燃料からなる炭化水素を供給するための炭化水素供給弁16が配置される。図1に示される実施例では炭化水素供給弁16から供給される炭化水素として軽油が用いられている。なお、本発明はリーン空燃比のもとで燃焼の行われる火花点火式内燃機関にも適用することができる。この場合、炭化水素供給弁16からは火花点火式内燃機関の燃料として用いられるガソリンその他の燃料からなる炭化水素が供給される。
一方、排気マニホルド5と吸気マニホルド4とは排気ガス再循環(以下、EGRと称す)通路17を介して互いに連結され、EGR通路17内には電子制御式EGR制御弁18が配置される。また、EGR通路17周りにはEGR通路17内を流れるEGRガスを冷却するための冷却装置19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19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3は燃料供給管20を介してコモンレール21に連結され、このコモンレール21は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ22を介して燃料タンク23に連結される。燃料タンク23内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ22によってコモンレール21内に供給され、コモンレール21内に供給された燃料は各燃料供給管20を介して燃料噴射弁3に供給される。
電子制御ユニット30はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス31によって互いに接続された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、入力ポート35および出力ポート36を具備する。酸化触媒13には酸化触媒13の温度を検出するための温度センサ24が取付けられており、排気浄化触媒14には排気浄化触媒14の温度を検出するための温度センサ25が取付けられている。これら温度センサ24,25および吸入空気量検出器8の出力信号は夫々対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。また、アクセルペダル40にはアクセルペダル40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41が接続され、負荷センサ41の出力電圧は対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。更に入力ポート35にはクランクシャフトが例えば15°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ42が接続される。一方、出力ポート36は対応する駆動回路38を介して燃料噴射弁3、スロットル弁10の駆動用ステップモータ、炭化水素供給弁16、EGR制御弁18および燃料ポンプ22に接続される。
図2(A)は酸化触媒13の基体上に担持された触媒担体の表面部分を図解的に示している。図2(A)に示されるように例えばアルミナからなる触媒担体50上には白金Ptのような貴金属、又は銀Agや銅Cuのような遷移金属からなる触媒51が担持されている。
一方、図2(B)は排気浄化触媒14の基体上に担持された触媒担体の表面部分を図解的に示している。この排気浄化触媒14では図2(B)に示されるように例えばアルミナからなる触媒担体52上には貴金属触媒53,54が担持されており、更にこの触媒担体52上にはカリウムK、ナトリウムNa、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金属、ランタノイドのような希土類および銀Ag、銅Cu、鉄Fe、イリジウムInのようなNOXに電子を供与しうる金属から選ばれた少くとも一つを含む塩基性層55が形成されている。排気ガスは触媒担体52上に沿って流れるので貴金属触媒53,54は排気浄化触媒14の排気ガス流通表面上に担持されていると言える。また、塩基性層55の表面は塩基性を呈するので塩基性層55の表面は塩基性の排気ガス流通表面部分56と称される。
図2(B)において貴金属触媒53は白金Ptからなり、貴金属触媒54はロジウムRhからなる。即ち、触媒担体52に担持されている貴金属触媒53,54は白金PtおよびロジウムRhから構成されている。なお、排気浄化触媒14の触媒担体52上には白金PtおよびロジウムRhに加えて更にパラジウムPdを担持させることができるし、或いはロジウムRhに代えてパラジウムPdを担持させることができる。即ち、触媒担体52に担持されている貴金属触媒53,54は白金PtとロジウムRhおよびパラジウムPdの少なくとも一方とにより構成される。
炭化水素供給弁16から排気ガス中に炭化水素が噴射されるとこの炭化水素は酸化触媒13において酸化される。本発明ではこのとき炭化水素を酸化触媒13において部分酸化させ、部分酸化された炭化水素を用いて排気浄化触媒14においてNOXを浄化するようにしている。この場合、酸化触媒13の酸化力を強くしすぎると炭化水素は酸化触媒13において部分酸化されずに酸化されてしまい、炭化水素を部分酸化させるには酸化触媒13の酸化力を弱める必要がある。従って本発明による実施例では酸化触媒13として貴金属触媒の担持量の少ない触媒や、卑金属を担持した触媒や、容量の小さい触媒が用いられている。
図3は酸化触媒13において行われる酸化反応を図解的に示している。図3に示されるように炭化水素供給弁16から噴射された炭化水素HCは触媒51によって炭素数の少ないラジカル状の炭化水素HCとなる。なお、このとき一部の炭化水素HCはNOと結合して図3に示されるようにニトロソ化合物となり、また一部の炭化水素HCはNO2と結合してニトロ化合物になる。酸化触媒13において生成されたこれらラジカル状の炭化水素HC等は排気浄化触媒14に送り込まれる。
次に図4から図6を参照しつつ本発明者により見い出された第1のNOX浄化方法について説明する。
なお、図4は排気浄化触媒14への流入排気ガスの空燃比(A/F)inの変化を示しており、図5は図4に示されるように排気浄化触媒14への流入排気ガスの空燃比(A/F)inを変化させたときの排気浄化触媒14によるNOX浄化率を排気浄化触媒14の各触媒温度TCに対して示している。
さて、本発明者は長い期間に亘ってNOX浄化に関する研究を重ねており、その研究課程において、図4に示されるように排気浄化触媒14への流入排気ガスの空燃比(A/F)inを後に説明する或る時間間隔を隔ててリーン空燃比の範囲内で間欠的に低下させると、図5に示されるように400℃以上の高温領域においても極めて高いNOX浄化率が得られることが判明したのである。更にこのときには窒素および炭化水素を含む多量の還元性中間体が塩基性層55の表面上に、即ち排気浄化触媒14の塩基性排気ガス流通表面部分56上に保持又は吸着され続けており、この還元性中間体が高NOX浄化率を得る上で中心的役割を果していることが判明したのである。
次にこのことについて図6(A)および(B)を参照しつつ説明する。なお、これら図6(A)および(B)は排気浄化触媒14の触媒担体52の表面部分を図解的に示しており、これら図6(A)および(B)には図4に示されるように排気浄化触媒14への流入排気ガスの空燃比(A/F)inがリーン空燃比の範囲内で間欠的に低下せしめられたときに生ずると推測される反応が示されている。
即ち、図4からわかるように排気浄化触媒14に流入する排気ガスの空燃比はリーンに維持されているので排気浄化触媒14に流入する排気ガスは酸素過剰の状態にある。従って排気ガス中に含まれるNOは図6(A)に示されるように白金53上において酸化されてNO2となる。次いでこのNO2は更に酸化されて安定した硝酸イオンNO3 −となる。
一方、硝酸塩NO3 −が生成されるとこの硝酸塩NO3 −は塩基性層55の表面上に送り込まれている炭化水素HCによって還元する方向に引き戻され、酸素が脱離されて不安定なNO2 *となる。この不安定なNO2 *は活性が強く、以下この不安定なNO2 *を活性NO2 *と称する。この活性NO2 *は図6(A)に示されるように塩基性層55の表面上或いはロジウムRh54上に付着している主にラジカル状の炭化水素HCと、或いは排気ガス中に含まれる主にラジカル状の炭化水素HCとロジウムRh54上において反応し、それにより還元性中間体が生成される。この還元性中間体は塩基性層55の表面上に付着又は吸着される。
なお、このとき最初に生成される還元性中間体はニトロ化合物R−NO2であると考えられる。このニトロ化合物R−NO2は生成されるとニトリル化合物R−CNとなるがこのニトリル化合物R−CNはその状態では瞬時しか存続し得ないのでただちにイソシアネート化合物R−NCOとなる。このイソシアネート化合物R−NCOは加水分解するとアミン化合物R−NH2となる。ただしこの場合、加水分解されるのはイソシアネート化合物R−NCOの一部であると考えられる。従って図6(A)に示されるように塩基性層55の表面上に保持又は吸着されている還元性中間物の大部分はイソシアネート化合物R−NCOおよびアミン化合物R−NH2であると考えられる。
一方、図6(B)に示されるように生成された活性NO2 *はロジウムRh54上において還元性中間体R−NCOやR−NH2と反応してN2,CO2,H2Oとなり、斯くしてNOXが浄化されることになる。即ち、塩基性層55上に還元性中間体R−NCOやR−NH2が保持又は吸着されていないとNOXの浄化が行われない。従って高いNOX浄化率を得るには生成された活性NO2 *をN2,CO2,H2Oとするのに十分な量の還元性中間体R−NCOやR−NH2を常に塩基性層55上に、即ち塩基性排気ガス流通表面部分26上に存在させ続ける必要がある。
即ち、図6(A)および(B)に示されるように白金Pt53上においてNOを酸化させるために排気ガスの空燃比(A/F)inはリーンでなければならず、生成された活性NO2 *をN2,CO2,H2Oとするために塩基性層55の表面上に十分な量の還元性中間体R−NCOやR−NH2を保持しておかなければならない、即ち、還元性中間体R−NCOやR−NH2を保持しておくために塩基性の排気ガス流通表面部分26を設けておかなければならないことになる。
従って図6(A)および(B)に示されるように、排気ガス中に含まれるNOXと部分酸化された炭化水素とを反応させて窒素および炭化水素を含む還元性中間体R−NCOやR−NH2を生成するために排気浄化触媒14の排気ガス流通表面上には貴金属触媒53,54が担持されており、生成された還元性中間体R−NCOやR−NH2を排気浄化触媒14内に保持しておくために貴金属触媒53,54周りには塩基性の排気ガス流通表面部分26が形成されており、塩基性の排気ガス流通表面部分26上に保持された還元性中間体R−NCOやR−NH2の還元作用によりNOXが還元される。従ってこの第1のNOX浄化方法においては、炭化水素供給弁16からは排気浄化触媒14に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつ炭化水素HCが予め定められた供給間隔でもって間欠的に供給され、この炭化水素HCの予め定められた供給間隔は塩基性の排気ガス流通表面部分56上に還元性中間体R−NCOやR−NH2を存在させ続けるのに必要な供給間隔とされている。
この場合、噴射量が多すぎたり、噴射間隔が短かくなりすぎると炭化水素量が過剰となって多量の炭化水素HCが排気浄化触媒14から排出され、噴射量が少なすぎたり、噴射間隔が長すぎると塩基性の排気ガス流通表面部分56上に還元性中間体R−NCOやR−NH2が存在しなくなってしまう。従ってこの場合重要なことは、排気浄化触媒14から余剰の炭化水素HCが排出されずかつ塩基性の排気ガス流通表面部分26上に還元性中間体R−NCOやR−NH2が存在し続けるように炭化水素の噴射量と噴射間隔とを設定することである。因みに図4に示される例では噴射間隔が3秒とされている。
次に図7から図11を参照しつつ第2のNOX浄化方法について説明する。図4に示す場合において炭化水素HCの供給間隔を上述の予め定められた供給間隔よりも長くすると塩基性層55の表面上から炭化水素HCや還元性中間体R−NCOやR−NH2が消滅し、このとき白金Pt53上において生成された硝酸イオンNO3 −には硝酸イオンNO3 −を還元する方向に引き戻す力は作用しない。従ってこのときには硝酸イオンNO3 −は図7(A)に示されるように塩基性層55内に拡散し、硝酸塩となる。即ち、このときには排気ガス中のNOXは硝酸塩の形で塩基性層55内に吸収されることになる。
一方図7(B)はこのようにNOXが硝酸塩の形で塩基性層55内に吸収されているときに排気浄化触媒14内に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチにされた場合を示している。この場合には排気ガス中の酸素濃度が低下するために反応が逆方向(NO3 −→NO2)に進み、斯くして塩基性層55内に吸収されている硝酸塩は順次硝酸イオンNO3 −となって図7(B)に示されるようにNO2の形で塩基性層55から放出される。次いで放出されたNO2は排気ガス中に含まれる炭化水素HCおよびCOによって還元される。
図8はこのNOXの吸放出作用を利用した第2のNOX浄化方法を示している。即ち、この第2のNOX浄化方法では図8に示されるように塩基性層55に吸蔵された吸蔵NOX量ΣNOXが予め定められた許容量MAXを越えたときに排気浄化触媒14に流入する排気ガスの空燃比(A/F)inが一時的にリッチにされる。排気ガスの空燃比(A/F)inがリッチにされると排気ガスの空燃比(A/F)inがリーンのときに塩基性層55内に吸収されたNOXが塩基性層55から一気に放出されて還元される。それによってNOXが浄化される。
吸蔵NOX量ΣNOXは例えば機関から排出されるNOX量から算出される。本発明による実施例では機関から単位時間当り排出される排出NOX量NOXAが機関負荷Lおよび機関回転数Nの関数として図9に示すようなマップの形で予めROM32内に記憶されており、この排出NOX量NOXAから吸蔵NOX量ΣNOXが算出される。排気ガスの空燃比(A/F)inがリッチにされる周期は図4に示されるように排気ガスの空燃比(A/F)inが低下せしめられる周期よりもはるかに長く、排気ガスの空燃比(A/F)inがリッチにされる周期は通常1分以上である。
第2のNOX浄化方法では排気ガスの空燃比(A/F)inがリーンのときには排気ガス中に含まれるNOXは塩基性層55内に吸収され、従って塩基性層55はNOXを一時的に吸収するための吸収剤の役目を果している。なお、このとき塩基性層55がNOXを一時的に吸着する場合もあり、従って吸収および吸着の双方を含む用語として吸蔵という用語を用いるとこのとき塩基性層55はNOXを一時的に吸蔵するためのNOX吸蔵剤の役目を果していることになる。即ち、機関吸気通路、燃焼室2および排気浄化触媒14上流の排気通路内に供給された空気および燃料(炭化水素)の比を排気ガスの空燃比と称すると、この第2のNOX浄化方法では排気浄化触媒14は、排気ガスの空燃比がリーンのときにはNOXを吸蔵し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸蔵したNOXを放出するNOX吸蔵触媒として機能している。
また、この第2のNOX浄化方法では図10に示されるように燃焼室2内に燃料噴射弁3から燃焼用燃料Mに加え、追加の燃料Wを噴射することによって排気浄化触媒14に流入する排気ガスの空燃比(A/F)inがリッチにされる。なお、図10の横軸はクランク角を示している。この追加の燃料Wは燃焼はするが機関出力となって現われない時期に、即ち圧縮上死点後ATDC90°の少し手前で噴射される。無論、この場合炭化水素供給弁16からの炭化水素の供給量を増大させることによって排気ガスの空燃比(A/F)inをリッチにすることもできる。
図11は、排気浄化触媒14をNOX吸蔵触媒として機能させたときのNOX浄化率を示している。なお、図11の横軸は排気浄化触媒14の触媒温度TCを示している。排気浄化触媒14をNOX吸蔵触媒として機能させた場合には図11に示されるように触媒温度TCが300℃から400℃のときには極めて高いNOX浄化率が得られるが触媒温度TCが400℃以上の高温になるとNOX浄化率が低下する。
このように触媒温度TCが400℃以上になるとNOX浄化率が低下するのは、触媒温度TCが400℃以上になると硝酸塩が熱分解してNO2の形で排気浄化触媒14から放出されるからである。即ち、NOXを硝酸塩の形で吸蔵している限り、触媒温度TCが高いときに高いNOX浄化率を得るのは困難である。しかしながら図4から図6(A),(B)に示される第1のNOX浄化方法では図6(A),(B)からわかるように硝酸塩は生成されず或いは生成されても極く微量であり、斯くして図5に示されるように触媒温度TCが高いときでも高いNOX浄化率が得られることになる。
即ち、図4から図6(A),(B)に示される第1のNOX浄化方法は、貴金属触媒を担持しかつNOXを吸収しうる塩基性層を形成した排気浄化触媒を用いた場合において、ほとんど硝酸塩を形成することなくNOXを浄化するようにした新たなNOX浄化方法であると言うことができる。実際、この第1のNOX浄化方法を用いた場合には第2のNOX浄化方法を用いた場合に比べて、塩基性層55から検出される硝酸塩は極く微量である。
一方、第1のNOX浄化方法を用いてNOXを浄化するには排気ガス中のNOX濃度が低いときでも一定量以上の炭化水素を短かい周期で供給する必要がある。従って排気ガスのNOX濃度が低いときにはNOX浄化効率が悪くなる。これに対し、第2のNOX浄化方法では排気ガス中のNOX濃度が低いときには吸蔵NOX量ΣNOXが許容値MAXに達するまでの時間が長くなるために排気ガスの空燃比(A/F)inをリッチにする周期が長くなるだけであり、特にNOX浄化効率は悪くならない。従って排気ガス中のNOX濃度が低いときには第1のNOX浄化方法よりも第2のNOX浄化方法を用いる方が好ましいと言える。
即ち、第1のNOX浄化方法および第2のNOX浄化方法のいずれを用いるべきかは機関の運転状態において変わる。従って本発明では、排気浄化触媒14上には貴金属触媒53,54が担持されていると共に塩基性層55が形成されており、排気浄化触媒14は、排気浄化触媒14に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつ炭化水素供給弁16から炭化水素を予め定められた供給間隔で噴射すると排気ガス中に含まれるNOXを還元する性質を有すると共に、炭化水素の供給間隔をこの予め定められた供給間隔よりも長くすると排気ガス中に含まれるNOXの吸蔵量が増大する性質を有しており、機関運転時に排気浄化触媒14に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつ炭化水素供給弁16から炭化水素をこの予め定められた供給間隔で噴射することにより排気ガス中に含まれるNOXを浄化する第1のNOX浄化方法と、排気浄化触媒14に流入する排気ガスの空燃比をこの予め定められた供給間隔よりも長い間隔でもってリーンからリッチに切換えることによりNOXを浄化する第2のNOX浄化方法とを機関の運転状態に応じて選択的に用いるようにしている。
次に図12から図15を参照しつつ本発明による代表的な実施例について説明する。
図12(A)は炭化水素供給弁16からの炭化水素供給量QEを示しており、図12(B)は燃焼室2内に供給される追加の燃料量Wを示している。炭化水素供給量QEは機関負荷QEおよび機関回転数Nの関数として図12(A)に示すようなマップの形で予めROM32内に記憶されており、追加の燃料量Wも機関負荷QEおよび機関回転数Nの関数として図12(B)に示すようなマップの形で予めROM32内に記憶されている。
図13(A)は排気ガスの空燃比(A/F)inがリーンのときに排気浄化触媒14から吐き出される吸蔵NOXの吐き出し速度NOXDを示している。前述したように硝酸塩の形で吸蔵しているNOXは排気浄化触媒14の温度TCが上昇すると熱分解して吐き出され、このときのNOX吐き出し速度NOXD、即ち単位時間当りに吐き出されるNOX量NOXDは排気浄化触媒14の温度TCが450℃程度の熱分解開始温度を越えると急激に上昇する。
一方、図13(B)は第1のNOX浄化方法によりNOXの浄化作用が行われているときに排気浄化触媒14に吸蔵されるNOXの吸蔵率SXを示している。第1のNOX浄化方法によりNOXの浄化作用が行われているときには通常、排気浄化触媒14にNOXが吸蔵されることはない。しかしながら排気ガスの流速が速くなると、即ち吸入空気量GAが増大すると反応時間が短かくなって反応が十分に行われなくなるために活性NO2 *にならずに塩基性層55に吸収されるNOX量が増大する。従って図13(B)に示されるように吸入空気量GAが一定値よりも大きくなるとNOX吸蔵率SXが増大しはじめる。
このように第1のNOX浄化方法によりNOX浄化作用が行われているときでも排気浄化触媒14にNOXが吸蔵される場合があり、このとき単位時間当りに吸蔵されるNOX量は機関からの単位時間当りの排出NOX量NOXAにNOX吸蔵率SXを乗算した値SX・NOXAとなる。本発明による実施例ではSX・NOXAを積算することによって第1のNOX浄化方法によりNOX浄化作用が行われているときに吸蔵される吸蔵NOX量が算出され、第1のNOX浄化方法から第2のNOX浄化方法に切換えられたときには第1のNOX浄化方法のときに算出された吸蔵NOX量を基にして吸蔵NOX量の計算が開始される。
即ち、本発明による代表的な実施例では、第1のNOX浄化方法から第2のNOX浄化方法に切換えられたときには第1のNOX浄化方法が用いられていたときに算出されたNOX吸蔵量と第2のNOX浄化方法への切換後に算出されたNOX吸蔵量とを合計してこの合計値ΣNOXが予め定められた許容値MAXを越えたときに排気浄化触媒14に流入する排気ガスの空燃比が一時的にリッチにされる。この場合、第1のNOX浄化方法を用いたときの吸蔵NOX量を無視したとすると第2のNOX浄化方法に切換えられたときに排気ガスの空燃比(A/F)inをリッチにするタイミングが遅くなり、斯くして一部のNOXが吸蔵されずに大気中に排出されることになる。しかしながら本発明による実施例では第1のNOX浄化方法が用いられたときのNOX吸蔵量が考慮されており、従って上述の如き問題は生じない。
一方、第2のNOX浄化方法から第1のNOX浄化方法に切換えられた場合、排気浄化触媒14内に吸蔵NOXが残存していたとすると、炭化水素の供給により排気浄化触媒14の温度TCが上昇したときに吸蔵NOXがNOX浄化触媒14から吐き出される。第1のNOX浄化方法によるNOX浄化作用が行われているときにはこのように吐き出されたNOXの還元作用は行われず、斯くしてNOXが大気中に排出されることになる。
しかしながら排気ガスの空燃比(A/F)inをリッチにすると排気浄化触媒14内に残存している吸蔵NOXを還元することができ、斯くしてNOXが大気中に排出されるのを阻止することができる。そこで本発明による実施例では図14に示されるように第2のNOX浄化方法から第1のNOX浄化方法に切換えられるときには排気浄化触媒14に吸蔵されているNOXを放出させて還元させるために排気浄化触媒14に流入する排気ガスの空燃比が一時にリッチにされる。
この場合、図14に示される実施例では第2のNOX浄化方法から第1のNOX浄化方法に切換えられる直前に燃焼室2内に追加の燃料Wを供給することによって排気浄化触媒14に流入する排気ガスの空燃比がリッチにされる。なお、図14は排気浄化触媒14に流入する排気ガスの空燃比(A/F)inの変化と排気浄化触媒14に吸蔵される吸蔵NOX量ΣNOXの変化とを示している。図14からわかるように第1のNOX浄化方法が開始されたときには吸蔵NOX量ΣNOXは零になっており、斯くしてNOXが大気中に排出するのが阻止される。
一方、第1のNOX浄化方法によるNOX浄化作用は酸化触媒13が活性化していない限り行われない。従って本発明による実施例では第1のNOX浄化方法は酸化触媒13の温度TBが活性温度TB0以上になったときのみ用いられ、酸化触媒13の温度TBが活性温度TB0よりも低いときには第1のNOX浄化方法の使用が禁止される。このとき、即ち酸化触媒13の温度TBが活性温度TB0よりも低いときには第2のNOX浄化方法が使用される。
なお、本発明による代表的な実施例では、酸化触媒13の温度TBが活性温度TB0以上のときには第1のNOX浄化方法と第2のNOX浄化方法のいづれかが使用される。この場合、第2のNOX浄化方法を用いるよりも第1のNOX浄化方法を用いる方がNOX浄化効率が高いときには第1のNOX浄化方法が用いられ、第1のNOX浄化方法を用いるよりも第2のNOX浄化方法を用いる方がNOX浄化効率が高いときには第2のNOX浄化方法が用いられる。
図15に本発明の代表的な実施例を実行するためのNOX浄化制御ルーチンを示す。このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。
図15を参照するとまず初めにステップ60において図9に示すマップから単位時間当りの排出NOX量NOXAが算出される。次いで第1のNOX浄化方法を用いるか第2のNOX浄化方法を用いるかを決定するNOX浄化方法決定部Aに進む。このNOX浄化方法決定部Aではまず初めにステップ61において酸化触媒13の温度TBが活性温度TB0以上であるか否かが判別される。TB<TB0のときには第2のNOX浄化方法を用いるべきであると判断され、このときにはステップ64に進む。
これに対し、TB≧TB0のときにはステップ62に進んで第1のNOX浄化方法を用いたときのNOX浄化効率F1と第2のNOX浄化方法を用いた場合のNOX浄化効率F2とが算出される。このNOX浄化効率F1,F2は単位NOX浄化率を得るのに必要な単位時間当りの燃料又は炭化水素の消費量を表している。この場合、NOX浄化効率F1は図12(A)に示される炭化水素供給量QEと炭化水素の噴射間隔と図5に示されるNOX浄化率から算出され、NOX浄化効率F2は図12(B)に示される追加の燃料量Wと図8においてリッチ空燃比とされるタイミング間の間隔と図11に示されるNOX浄化率から算出される。
次いでステップ63ではNOX浄化効率F1がNOX浄化効率F2よりも高いか否かが判別される。F1≧F2のときには第1のNOX浄化方法を用いるべきであると判断され、このときにはステップ68に進む。これに対してF1<F2のときには第2のNOX浄化方法を用いるべきであると判断され、ステップ64に進む。
次にステップ64からステップ67において行われる第2のNOX浄化方法について先に説明する。まず始めにステップ64ではΣNOXに図9に示される排出NOX量NOXAを加算することによって吸蔵NOX量ΣNOXが算出される。次いでステップ65では吸蔵NOX量ΣNOXが許容値MAXを越えたか否かが判別される。ΣNOX>MAXになるとステップ66に進んで図12(B)に示すマップから追加の燃料量Wが算出され、追加の燃料の噴射作用が行われる。次いでステップ67ではΣNOXがクリアされる。
次にステップ68からステップ74において行われる第1のNOX浄化方法について説明する。まず初めにステップ68では排気浄化触媒14内に残存している吸蔵NOXを処理するための吸蔵NOX処理が行われているか否かが判別される。吸蔵NOX処理が行われていないときにはステップ69に進んで第2のNOX浄化方法から第1のNOX浄化方法に切換える決定が今なされたか否かが判別される。第2のNOX浄化方法から第1のNOX浄化方法に切換える決定が今なされたときにはステップ70に進んで吸蔵NOX量ΣNOXが予め定められた小さな値MINよりも少ないか否かが判別される。
ΣNOX>MINであるときにはステップ71に進んで吸蔵NOX処理が行われる。この実施例では図14に示されるように第2のNOX浄化方法から第1のNOX浄化方法に切換えられる直前に排気ガスの空燃比(A/F)inが一時的にリッチにされる。次いでステップ72ではΣNOXがクリアされる。なお、吸蔵NOX処理が開始されたときには吸蔵NOX処理が完了するまでステップ68からステップ71にジャンプする。
一方、ステップ69において第2のNOX浄化方法から第1のNOX浄化方法に切換える決定が今なされたのではないと判断されたときにはステップ73に進む。また、ステップ70においてΣNOX<MINであると判断されたとき、即ちほとんどNOXが吸蔵されていないと判断されたときにもステップ73に進む。ステップ73では図12(A)に示すマップから炭化水素供給量QEが算出され、炭化水素の噴射処理が行われる。次いでステップ74では次式に基づいて第1のNOX浄化方法によるNOX浄化作用中に排気浄化触媒14に吸蔵されるNOX量ΣNOXが算出される。
ΣNOX←ΣNOX+SX・NOXA−NOXD
ここでSX・NOXAは前述したように単位時間当り吸蔵されるNOX量であり、NOXDは図13(A)に示される吐き出し速度である。第1のNOX浄化方法から第2のNOX浄化方法に切換えられたときにはステップ64においてステップ74で算出されているΣNOXにNOXAが加算される。
図16に別の実施例を示す。この実施例ではNOX浄化効率F1よりもNOX浄化効率F2が高くなると考えれる機関の運転領域が図16(A)においてハッチングで示されるように例えば機関負荷Lおよび機関回転数Nの関数として予め設定されており、酸化触媒13が活性化したときには図16(A)に従ってNOX浄化方法が決定される。
図16(B)に図15のNOX浄化方法決定部Aの別の実施例を示す。図16(B)を参照するとステップ61において酸化触媒13の温度TBが活性温度TB0よりも低いときには第2のNOX浄化方法を用いるべきであると判断され、図15のステップ64に進む。これに対して、ステップ61においてTB≧TB0であると判別されたときにはステップ61aに進んで機関の運転状態が図16(A)においてハッチングで示される第2のNOX浄化方法を用いるべきである領域であるか否かが判別される。機関の運転状態が第2のNOX浄化方法を用いるべき領域であるときには図15のステップ64に進む。これに対し、機関の運転状態が第2のNOX浄化方法を用いるべきである領域でないと判断されたときには図15のステップ68に進む。
図17に図15のNOX浄化方法決定部Aの更に別の実施例を示す。即ち、第1のNOX浄化方法を用いたときのNOX浄化率は図5に示されるように排気浄化触媒14の温度TCが限界温度TC0以下になると急速に低下しはじめる。これに対し、図11に示されるように第2のNOX浄化方法を用いたときのNOX浄化率は排気浄化触媒14の温度TCが低下したときに比較的ゆっくりと低下する。従ってこの実施例では排気浄化触媒14の温度TCが限界温度TC0よりも高いときには第1のNOX浄化方法が用いられ、排気浄化触媒14の温度TCが限界温度TC0よりも低いときには第2のNOX浄化方法が用いられる。
即ち、図17を参照するとステップ61において酸化触媒13の温度TBが活性温度TB0よりも低いときには第2のNOX浄化方法を用いるべきであると判断され、図15のステップ64に進む。これに対し、ステップ61においてTB≧TB0であると判別されたときにはステップ61aに進んで排気浄化触媒14の温度TCが限界温度TC0よりも高いか否かが判別される。TC<T0のときには図15のステップ64に進む。これに対し、TC≧T0のときには第1のNOX浄化方法を用いるべきであると判断され、図15のステップ68に進む。
図18に図15のNOX浄化方法決定部Aの更に別の実施例を示す。即ち、第1のNOX浄化方法は第2のNOX浄化方法に比べて還元すべきNOX量が多いとき、即ち排気ガス中のNOX濃度Dが高いときに高いNOX浄化率を得ることができる。従ってこの実施例では排気ガス中のNOX濃度Dが設定値D0を越えたか否かで第1のNOX浄化方法を用いるのか、或いは第2のNOX浄化方法を用いるのかが判断される。
即ち、図18を参照するとステップ61において酸化触媒13の温度TBが活性温度TB0よりも低いときには第2のNOX浄化方法を用いるべきであると判断され、図15のステップ64に進む。これに対し、ステップ61においてTB≧TB0であると判別されたときにはステップ61aに進んで排気浄化触媒14の温度TCが限界温度TC0よりも高いか否かが判別される。TC<T0のときには図15のステップ64に進む。これに対し、TC≧T0のときにはステップ61bに進んで例えばNOX濃度センサにより検出された排気ガス中のNOX濃度Dが設定値D0よりも高いか否かが判別される。D<D0のときには図15のステップ64に進む。これに対し、D≧D0のときには第1のNOX浄化方法を用いるべきであると判断され、図15のステップ68に進む。
図19に図15のステップ71において行われる吸蔵NOX処理の別の実施例を示す。この実施例では第2のNOX浄化方法から第1のNOX浄化方法に切換えられた直後にも排気浄化触媒14に流入する排気ガスの空燃比(A/F)inがリッチにされる。このときには炭化水素供給弁16から供給される炭化水素量を増大させることによって排気ガスの空燃比(A/F)inがリッチにされる。
即ち、第2のNOX浄化方法から第1のNOX浄化方法に切換える決定がなされたときに吸蔵NOX量ΣNOXが多い場合には追加の燃料を燃焼室2内に噴射することにより排気ガスの空燃比(A/F)inを一回だけリッチにしただけでは全吸蔵NOXを放出させて還元することができない場合もある。このような場合には図19に示されるように第1のNOX浄化方法によるNOX浄化作用が開始されたときに炭化水素の供給量を増量することによって排気ガスの空燃比(A/F)inがリッチにされ、それによって全吸蔵NOXが放出されて還元される。
一方、追加の燃料を燃焼室2内に噴射すると燃焼室2内の温度が高くなる。従って燃焼温度の高くなる高負荷運転時には追加の燃料を燃焼室2内に噴射することにより排気ガスの空燃比(A/F)inをリッチにすることができない場合がある。このような場合には追加の燃料の噴射を停止し、炭化水素の供給量を増量することによって排気ガスの空燃比(A/F)inがリッチにされる。
図20に図15のステップ71において行われる吸蔵NOX処理の更に別の実施例を示す。この実施例では第2のNOX浄化方法から第1のNOX浄化方法に切換えられた後、第1のNOX浄化方法によるNOX浄化作用が開始された後に排気浄化触媒14に流入する排気ガスの空燃比(A/F)inがリッチにされる。この実施例では排気浄化触媒14から吸蔵NOXが吐き出されたときにこの吐き出されたNOXを還元するために追加の燃料を燃焼室2内に供給することによって、或いは炭化水素の供給量を増量することによって排気ガスの空燃比(A/F)inがリッチにされる。
一方、排気ガス中に含まれる硫黄が貴金属表面に付着すると、即ち貴金属が硫黄被毒を生ずると活性NO2 *が生成されずらくなる。従って貴金属が硫黄被毒を生じても活性NO2 *の生成量が低下しないように貴金属の硫黄被毒量が増大するほど炭化水素の供給量QEを増大することが好ましい。図21に示される実施例では硫黄被毒量が増大しても活性NO2 *の生成量が低下しないように硫黄被毒量が増大するにつれて炭化水素供給量QEに対する増量係数が増大せしめられる。
図22は図1に示される炭化水素部分酸化用触媒13と排気浄化触媒14とを一つの触媒から形成した場合を示している。この触媒は例えば排気ガスの流れ方向に延びる多数の排気ガス流通路を具備しており、図22はこの触媒の排気ガス流通路の内周壁80の表面部分の拡大断面図を示している。図22に示されるように排気ガス流通路の内周壁80の表面上には下部コート層81が形成されており、下部コート層81上には上部コート層82が形成されている。図22に示される例ではいずれのコート層81,82も粉体の集合体からなり、図22には各コート層81,82を構成する粉体の拡大図が示されている。これら粉体の拡大図から上部コート層82は図2(A)に示される炭化水素部分酸化用触媒、例えば酸化触媒からなり、下部コート層81は図2(B)に示される排気浄化触媒からなることがわかる。
図22に示される触媒が用いられた場合には図22に示されるように排気ガス中に含まれる炭化水素HCは上部コート層82内に拡散して部分酸化され、部分酸化された炭化水素が下部コート層81内に拡散する。即ち、図22に示される例でも図1に示される例と同様に炭化水素部分酸化用触媒と排気浄化触媒とは、炭化水素部分酸化用触媒において部分酸化された炭化水素が排気浄化触媒に流入するように配置されている。一方、図22に示される触媒において第1のNOX浄化方法が用いられた場合には排気ガス中に含まれるNOXは下部コート層81内に拡散して活性NO2 *となる。このとき下部コート層81内では活性NO2 *と部分酸化された炭化水素から還元性中間体R−NCOやR−NH2が生成され、更に活性NO2 *は還元性中間体R−HCOやR−NH2と反応してN2,CO2,H2Oとなる。
一方、図2(B)に示されるように排気浄化触媒14の触媒担体52上には貴金属53,54が担持されており、従って排気浄化触媒14内においても炭化水素を炭素数の少ないラジカル状の炭化水素HCに改質することができる。この場合、排気浄化触媒14内において炭化水素を十分に改質できれば、即ち排気浄化触媒14内において炭化水素を十分に部分酸化できれば排気浄化触媒14の上流に図1に示されるように酸化触媒13を配置する必要がなくなる。従って本発明による一実施例では機関排気通路内に酸化触媒13が取付けられておらず、従ってこの実施例では炭化水素供給弁16から噴射された炭化水素が直接排気浄化触媒14に供給される。
この実施例では炭化水素供給弁16から噴射された炭化水素は排気浄化触媒14内において部分酸化され、更に排気浄化触媒14内において排気ガス中に含まれるNOXから活性NO2 *が生成される。排気浄化触媒14内ではこれら活性NO2 *と部分酸化された炭化水素から還元性中間体R−NCOやR−NH2が生成され、更に活性NO2 *は還元性中間体R−NCOやR−NH2と反応してN2,CO2,H2Oとなる。即ち、この実施例では炭化水素供給弁16から噴射されかつ部分酸化された炭化水素と排気ガス中に含まれるNOXとを反応させるための排気浄化触媒14を炭化水素供給弁16下流の機関排気通路内に配置していることになる。
FIG. 1 shows an overall view of a compression ignition type internal combustion engine.
Referring to FIG. 1, 1 is an engine body, 2 is a combustion chamber of each cylinder, 3 is an electronically controlled fuel injection valve for injecting fuel into each
On the other hand, the exhaust manifold 5 is connected to the inlet of the
On the other hand, the exhaust manifold 5 and the intake manifold 4 are connected to each other via an exhaust gas recirculation (hereinafter referred to as EGR) passage 17, and an electronically controlled
The
FIG. 2A schematically shows a surface portion of the catalyst carrier supported on the base of the
On the other hand, FIG. 2B schematically shows the surface portion of the catalyst carrier supported on the base of the
In FIG. 2B, the
When hydrocarbons are injected into the exhaust gas from the
FIG. 3 schematically shows an oxidation reaction performed in the
Next, referring to FIG. 4 to FIG. 6, the first NO.XA purification method will be described.
4 shows the change in the air-fuel ratio (A / F) in of the exhaust gas flowing into the
Now, the present inventor has determined NO over a long period of time.XIn the course of the research, as shown in FIG. 4, the air-fuel ratio (A / F) in of the exhaust gas flowing into the
Next, this will be described with reference to FIGS. 6 (A) and 6 (B). 6A and 6B schematically show the surface portion of the
That is, as can be seen from FIG. 4, since the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the
On the other hand, nitrate NO3 −Is produced, this nitrate NO3 −Is pulled back in the direction of reduction by the hydrocarbon HC fed onto the surface of the
Note that the first reducing intermediate produced at this time is the nitro compound R-NO.2It is thought that. This nitro compound R-NO2Is produced, it becomes a nitrile compound R-CN, but this nitrile compound R-CN can only survive for a moment in that state, so it immediately becomes an isocyanate compound R-NCO. When this isocyanate compound R-NCO is hydrolyzed, the amine compound R-NH2It becomes. However, in this case, it is considered that a part of the isocyanate compound R-NCO is hydrolyzed. Therefore, as shown in FIG. 6A, most of the reducing intermediates retained or adsorbed on the surface of the
On the other hand, the active NO generated as shown in FIG.2 *Is a reducing intermediate R-NCO or R-NH on rhodium Rh54.2Reacts with N2, CO2, H2O, so NOXWill be purified. That is, the reducing intermediate R-NCO or R-NH is formed on the basic layer 55.2NO if not retained or adsorbedXNo purification is performed. Therefore high NOXGenerated active NO to obtain purification rate2 *N2, CO2, H2A sufficient amount of reducing intermediate R-NCO or R-NH to form O2Must always be present on the
That is, as shown in FIGS. 6A and 6B, in order to oxidize NO on
Therefore, as shown in FIGS. 6A and 6B, NO contained in the exhaust gas.XReactive intermediates R-NCO and R-NH containing nitrogen and hydrocarbons by reacting with partially oxidized hydrocarbons2In order to produce NO,
In this case, if the injection amount is too large or the injection interval becomes too short, the amount of hydrocarbons becomes excessive and a large amount of hydrocarbon HC is discharged from the
Next, referring to FIG. 7 to FIG.XA purification method will be described. In the case shown in FIG. 4, when the supply interval of hydrocarbon HC is made longer than the above-described predetermined supply interval, hydrocarbon HC, reducing intermediate R-NCO, R-NH are formed on the surface of basic layer 55.2Disappeared, and nitrate ion NO generated on platinum Pt53 at this time3 −Nitrate ion NO3 −The force to pull it back in the direction of reducing does not act. Therefore, at this time, nitrate ion NO3 −As shown in FIG. 7A, it diffuses into the
On the other hand, FIG.XThis shows a case where the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the
FIG. 8 shows this NOX2nd NO using the absorption and release action ofXThe purification method is shown. That is, this second NOXIn the purification method, the occluded NO occluded in the
Occlusion NOXThe amount ΣNOX is, for example, NO discharged from the engineXCalculated from the quantity. In the embodiment according to the present invention, the emission NO discharged from the engine per unit timeXThe amount NOXA is stored in advance in the
2nd NOXIn the purification method, when the air-fuel ratio (A / F) in of the exhaust gas is lean, NO contained in the exhaust gasXIs absorbed in the
In addition, this second NOXIn the purification method, as shown in FIG. 10, the air-fuel ratio (A) of the exhaust gas flowing into the
FIG. 11 shows that the
Thus, when the catalyst temperature TC reaches 400 ° C. or higher, NOXThe purification rate decreases because when the catalyst temperature TC reaches 400 ° C. or higher, the nitrate is thermally decomposed and NO.2This is because it is discharged from the
That is, the first NO shown in FIGS. 4 to 6 (A) and (B).XThe purification method carries a noble metal catalyst and NO.XIn the case of using an exhaust purification catalyst having a basic layer capable of absorbing NO, NO hardly forms nitrates.XNew NO to purifyXIt can be said that it is a purification method. In fact, this first NOXIf the purification method is used, the second NOXCompared with the case where the purification method is used, the amount of nitrate detected from the
On the other hand, the first NOXNO using the purification methodXNO in exhaust gas to purifyXEven when the concentration is low, it is necessary to supply a certain amount or more of hydrocarbons in a short cycle. Therefore, the exhaust gas NOXNO when the concentration is lowXThe purification efficiency becomes worse. In contrast, the second NOXIn the purification method, NO in exhaust gasXWhen the concentration is low, storage NOXSince the time until the amount ΣNOX reaches the allowable value MAX becomes longer, only the period for enriching the air-fuel ratio (A / F) in of the exhaust gas becomes longer.XPurification efficiency does not deteriorate. Therefore, NO in exhaust gasXWhen the concentration is low, the first NOXSecond NO over purification methodXIt can be said that it is preferable to use a purification method.
That is, the first NOXPurification method and second NOXWhich of the purification methods should be used depends on the operating condition of the engine. Therefore, in the present invention, the
Next, a representative embodiment according to the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 12A shows the hydrocarbon supply amount QE from the
FIG. 13A shows the storage NO discharged from the
On the other hand, FIG. 13B shows the first NO.XNO by purification methodXNO stored in the
Thus, the first NOXNO by purification methodXEven when the purification action is being performed, the
That is, in an exemplary embodiment according to the present invention, the first NOXThe second NO from the purification methodXWhen switched to the purification method, the first NOXNO calculated when the purification method was usedXStorage amount and second NOXNO calculated after switching to purification methodXWhen the total amount ΣNOX exceeds a predetermined allowable value MAX when the stored amount is summed, the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the
On the other hand, the second NOXNO from the purification methodXWhen switched to the purification method, NO is stored in the exhaust purification catalyst 14.XIs stored, when the temperature TC of the
However, if the air-fuel ratio (A / F) in of the exhaust gas is made rich, the stored NO remaining in the
In this case, the second NO in the embodiment shown in FIG.XNO from the purification methodXBy supplying additional fuel W into the
On the other hand, the first NOXNO by purification methodXThe purification action is not performed unless the
In a typical embodiment according to the present invention, the temperature TB of the
FIG. 15 shows the NO for implementing an exemplary embodiment of the present invention.XThe purification control routine is shown. This routine is executed by interruption every predetermined time.
Referring to FIG. 15, first, at
In contrast, TB ≧ TB0At
Next, in
Next, the second NO performed in
Next, the first NO performed in
When ΣNOX> MIN, the routine proceeds to step 71, where NO is stored.XProcessing is performed. In this embodiment, as shown in FIG.XNO from the purification methodXImmediately before switching to the purification method, the air-fuel ratio (A / F) in of the exhaust gas is temporarily made rich. Next, at
On the other hand, in
ΣNOX ← ΣNOX + SX ・ NOXA-NOXD
Here, SX / NOXA is NO stored per unit time as described above.XNOXD is the discharge speed shown in FIG. 13 (A). 1st NOXThe second NO from the purification methodXWhen switching to the purification method, NOXA is added to ΣNOX calculated in
FIG. 16 shows another embodiment. In this embodiment, NOXPurification efficiency F1Than NOXPurification efficiency F2As shown by hatching in FIG. 16 (A), the operating range of the engine that is considered to be high is set in advance as a function of the engine load L and the engine speed N, and when the
FIG. 16B shows NO in FIG.XAnother embodiment of the purification method determination unit A will be shown. Referring to FIG. 16B, in
FIG. 17 shows NO in FIG.XAnother example of the purification method determination unit A will be described. That is, the first NOXNO when using purification methodXAs shown in FIG. 5, the purification rate is such that the temperature TC of the
That is, referring to FIG. 17, in
18 shows NO in FIG.XAnother example of the purification method determination unit A will be described. That is, the first NOXThe purification method is the second NOXNO to be reduced compared to purification methodsXWhen the amount is large, that is, NO in the exhaust gasXHigh NO when concentration D is highXA purification rate can be obtained. Therefore, in this embodiment, NO in the exhaust gas.XDensity D is set value D0First NO by whether or notXUse purification method or 2nd NOXIt is determined whether to use the purification method.
That is, referring to FIG. 18, in
19 shows the storage NO performed in
That is, the second NOXNO from the purification methodXNO occlusion when decision to switch to purification method is madeXWhen the amount ΣNOX is large, all the stored NO is obtained only by making the air-fuel ratio (A / F) in of the exhaust gas rich once by injecting additional fuel into the combustion chamber 2.XMay not be released and reduced. In such a case, as shown in FIG.XNO by purification methodXBy increasing the amount of hydrocarbons supplied when the purification action is started, the air-fuel ratio (A / F) in of the exhaust gas is made rich, whereby the total storage NO.XIs released and reduced.
On the other hand, when additional fuel is injected into the
FIG. 20 shows the storage NO performed in
On the other hand, when sulfur contained in the exhaust gas adheres to the surface of the noble metal, that is, when the noble metal causes sulfur poisoning, it is activated NO.2 *Is difficult to generate. Therefore, even if noble metals cause sulfur poisoning, active NO2 *It is preferable to increase the supply amount QE of hydrocarbons as the sulfur poisoning amount of the noble metal increases so that the production amount of hydrogen does not decrease. In the embodiment shown in FIG. 21, the active NO is increased even if the sulfur poisoning amount is increased.2 *As the sulfur poisoning amount increases so as not to decrease the production amount of hydrocarbons, the increase coefficient with respect to the hydrocarbon supply amount QE is increased.
FIG. 22 shows a case where the hydrocarbon
When the catalyst shown in FIG. 22 is used, the hydrocarbon HC contained in the exhaust gas diffuses into the
On the other hand, as shown in FIG. 2B,
In this embodiment, the hydrocarbons injected from the
4…吸気マニホルド
5…排気マニホルド
7…排気ターボチャージャ
12…排気管
13…酸化触媒
14…排気浄化触媒
16…炭化水素供給弁4 ... Intake manifold 5 ... Exhaust manifold 7 ...
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