JP2001227333A

JP2001227333A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2001227333A
Application number: JP2000039184A
Authority: JP
Inventors: Kotaro Hayashi; 孝太郎林
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-02-17
Filing date: 2000-02-17
Publication date: 2001-08-24

Abstract

(57)【要約】【課題】ＮＯｘ触媒の表面にリッチ雰囲気を容易に形成
でき、効率的なＮＯｘ触媒の被毒再生が可能な内燃機関
の排気浄化装置を得る。【解決手段】希薄燃焼可能な内燃機関１の排気通路１４
に設けられた酸素吸蔵放出剤を含まない吸蔵還元型ＮＯ
ｘ触媒１８と、この吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の下流に設け
られた酸素吸蔵放出剤を含む酸化触媒２０と、排気通路
の空燃比を調整する空燃比調整手段と、を備える。吸蔵
還元型ＮＯｘ触媒１８の硫黄の被毒量が所定量よりも大
きいときに排気ガスの空燃比をリッチにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関の排気浄化
装置に関し、特に浄化装置の硫黄被毒再生が効率的に実
施できるようにしたものに関する。

【０００２】

【従来の技術】排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮ
Ｏｘを吸収し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収
したＮＯｘを放出するＮＯｘ触媒を機関の排気通路内に
配置し、このＮＯｘ触媒に排気ガス中のＮＯｘを吸収
させ、このＮＯｘ触媒の吸収効率が低下したときには排
気ガスの流入を遮断して、ＮＯｘ触媒に還元剤を供給し
ＮＯｘ触媒から吸収したＮＯｘを放出させるとともに、
放出されたＮＯｘの還元浄化を行う内燃機関の排気浄化
装置がある（特開昭６２−１０６８２６号公報等）。

【０００３】このような装置では、排気ガス中に含まれ
る硫黄が、ＮＯｘと併せてＮＯｘ吸収時にＮＯｘ触媒に
吸収され、この硫黄は流入排気ガスの空燃比をリッチに
してもＮＯｘ触媒から放出されないので、蓄積される硫
黄量の増加によってＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収力が低下す
る問題がある。

【０００４】そこで特許第２７４５９８５号公報に記載
されているように、ＮＯｘ触媒の硫黄吸収量の推定する
硫黄吸収推定手段と、この硫黄吸収量推定手段により推
定された硫黄吸収量が予め定められた設定量を超えたと
きには、ＮＯｘ触媒から硫黄を放出させる硫黄放出手段
とを備え、ＮＯｘ触媒の吸収能力を回復させるために吸
収された硫黄の吸収量が設定量を超えると、ＮＯｘ触媒
から硫黄を放出するようにした排気浄化装置がある。

【０００５】この装置はより具体的には、流入排気ガス
の温度を上昇させるとともに、この排気ガスの空燃比を
理論空燃比またはリッチにして、硫黄被毒再生時には浄
化装置の温度を５００℃から６００℃程度とし、これを
浄化装置のＮＯｘ触媒に供給し、硫酸塩ＢａＳＯ₄とし
てＮＯｘ触媒内に存在する硫黄を熱分解して放出させ、
かつ放出された硫黄が未燃ＨＣ、ＣＯによって直ちに還
元されるようにしたものである。

【０００６】一方、このような従来の排気浄化装置のＮ
Ｏｘ触媒は、通常、セリア等の酸素吸蔵放出剤を含んで
いる。その理由の一つは、排気ガスの空燃比をリッチに
した場合には、内燃機関から未燃のＨＣ、ＣＯが多く生
じるので、これを酸化して浄化するためである。酸素吸
蔵放出剤は、排気ガスの空燃比がリーンのときは酸素を
吸収しリッチのときには酸素を放出するので、この酸素
が未燃のＨＣ、ＣＯと反応してこれらを酸化する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
排気浄化装置では硫黄再生を十分に行うためには排気ガ
スの空燃比をリッチにして触媒の表面にリッチ雰囲気を
形成する必要があるが、この際、酸素吸蔵剤を含んでい
ると、この吸蔵剤から多くの酸素が放出される結果、リ
ッチ雰囲気の形成に長時間を要する。しかし、長時間、
連続して排気流量を多くしてリッチ雰囲気を形成しよう
とすると供給される還元剤の量が多くなり、ＮＯｘ触媒
を含む触媒温度が上昇して、触媒をその耐熱温度である
６５０℃以下に維持することが困難になる。

【０００８】そこで触媒温度の上昇を抑えながら硫黄被
毒再生を実施せざるを得なくなるが、この場合は一回あ
たりの還元剤の供給時間、すなわちリッチ時間が短くな
ることがある。すると酸素吸蔵剤からの酸素放出に打ち
勝って、触媒の表面に十分なリッチ雰囲気を形成するこ
とができず、前記被毒再生が実現できないという問題を
生じる。

【０００９】本発明は上述のような事情に鑑みてされた
ものであり、ＮＯｘ触媒の表面にリッチ雰囲気を容易に
形成でき、効率的なＮＯｘ触媒の被毒再生が可能な内燃
機関の排気浄化装置を提供することを課題とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記課題を達成するた
め、本発明は次のような構成とした、すなわち、希薄燃
焼可能な内燃機関の排気通路に設けられた酸素吸蔵放出
剤を含まない吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、この触媒の下流
に設けられた酸素吸蔵放出剤を含む酸化触媒と、排気ガ
スの通路の空燃比を調整する空燃比の調整手段と、を備
えるものとした。

【００１１】この装置では、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の硫
黄の被毒量が所定量よりも大きいときに排気ガスの空燃
比をリッチにするように設定できる。吸蔵還元型ＮＯｘ
触媒の硫黄の被毒量の測定は、例えば車輌の走行距離、
または燃料消費量から推定することができる。また吸蔵
還元型ＮＯｘ触媒の前後の排気通路内のＮＯｘ濃度を測
定し、これらの差の変化から推定することができる。

【００１２】ここで酸素吸蔵放出剤とは、流入排気ガス
の空燃比がリーンのときは酸素を吸収し、流入排気ガス
中の酸素濃度が低下すると吸収した酸素を放出するもの
であり、例えばセリア（酸化セリウムＣｅＯ₂）等があ
る。

【００１３】また吸蔵還元型ＮＯｘ触媒とは、流入排気
の空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸収し、流入排気の
酸素濃度が低下したときに吸収したＮＯｘを放出するＮ
Ｏｘ吸収剤を排気通路に配置して排気中のＮＯｘを吸収
させ、その後前記ＮＯｘ吸収剤に還元剤を供給して吸収
したＮＯｘを前記ＮＯｘ吸収剤から放出させるととも
に、放出されたＮＯｘを還元浄化する排気浄化用触媒を
いう。これは例えばアルミナを担体とし、その担体上に
カリウムＫ、ナトリウムＮａ，リチウムＬｉ、セシウム
Ｃｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウム
Ｃａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウ
ムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白
金Ｐｔのような貴金属とから成る。

【００１４】前記酸化触媒とは、例えば、アルミナの表
面に触媒作用をする白金（Ｐｔ）またはパラジウム（Ｐ
ｄ）等の貴金属を担持させたもので、排気ガス中のＣＯ
とＨＣとを酸化させて無害なＣＯ₂とＨ₂Ｏにするものだ
が、ここでは酸素吸蔵放出剤を含むものが使用される。
酸素吸蔵放出剤を含むものとしては、例えば、母材のア
ルミナにセリア（酸化セリウムＣｅＯ₂）を添加し、そ
れに白金（Ｐｔ）等の貴金属を付着させたもの等があ
る。

【００１５】さらに空燃比を調整する調整手段とは、排
気管に設置した空燃比センサと、燃料の供給量をコント
ロールするエンジンコントロール用電子制御ユニット
（ＥＣＵ）とを備え、ＥＣＵは空燃比センサからの出力
信号に基づいて、燃料供給量を決定し、排気ガスの空燃
比を理論空燃比、リーンまたはリッチに調整するもので
ある。

【００１６】ところで、燃焼室から排出される排出ガス
中の未燃ＨＣ、ＣＯの量は、燃焼室内に供給される混合
気の空燃比がリッチになるほど増大し、燃焼室から排出
される排気ガス中の酸素Ｏ₂の量は燃焼室内に供給され
る混合気の空燃比がリーンにあるほど増大する。本発明
の排気浄化装置によれば、排気通路の上流に位置する酸
素吸蔵放出剤を含まない吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を配置し
たので、排気ガスのリッチ雰囲気の形成時にこの吸蔵還
元型ＮＯｘ触媒からは酸素が放出されることがない。よ
って短い時間のリッチスパイクであっても、放出酸素に
よってＮＯｘ触媒の表面の排気ガスがリッチになりにく
い状況が解消されるので、容易にリッチ雰囲気が形成で
きる。この際に生じるリッチ排気ガス中の未燃のＨＣ，
ＣＯ等の可燃物は、その下流に配置された酸素吸蔵放出
剤が添加された酸化触媒から放出される酸素により酸化
される。酸素吸蔵放出剤は空燃比がリーンのときに酸素
を吸蔵することができる。

【００１７】このように本発明の排気浄化装置は、上記
のようなＮＯｘの吸収放出還元作用と、ＨＣ，ＣＯの酸
化作用の機能を、排気通路に設置した二つの触媒によっ
てそれぞれが分担してこれを果たすことになる。

【００１８】しかし硫黄被毒再生時には、触媒温度が所
定温度以上でなければならないので、その温度を維持し
つつ、一方で吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の耐熱温度を超えな
いように温度の調節をする必要が生じる。したがって触
媒温度が所定温度に達した後に硫黄被毒再生が開始され
るが、このとき空燃比をリッチにした排気ガスが連続し
て触媒内に流入すると触媒の温度が上昇し過ぎて耐熱温
度を超える場合がある。そのため、リッチとリーンを交
互に繰り返すようにサイクリックに空燃比を調節して所
定時間の硫黄被毒再生を実施しつつ、触媒の温度上昇を
抑制することが好ましい。

【００１９】本発明の装置では、リッチとリーンの排気
ガスを交互に繰り返して流入させることで硫黄被毒再生
ができるので、リーンの状態のときには吸蔵還元型ＮＯ
ｘ触媒の下流の酸化触媒の酸素吸蔵放出剤が多くの酸素
を吸蔵できる。この酸化触媒は、この吸蔵した酸素を空
燃比がリッチのときに放出して十分な酸化作用を発揮す
るから、排気ガス中のＨＣ、ＣＯの量をきわめて少なく
することができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の内
燃機関の排気浄化装置について説明する。この図におい
て、内燃機関１は直列６気筒ディーゼルエンジンであ
り、各気筒の燃焼室には吸気管３及び吸気マニホールド
２を介して吸気が導入される。吸気管３の始端にはエア
クリーナ４が設けられ、また吸気管３の途中には、エア
フロメータ５、ターボチャージャのコンプレッサ６ａ、
インタークーラ７、スロットルバルブ８が設けられてい
る。

【００２１】エアフロメータ５はエアクリーナ４を介し
て吸気管３に流入する新気の空気量に応じた出力信号を
ＥＣＵ９に出力し、このＥＣＵ９はエアフロメータ５の
出力信号に基づいて吸入空気量を演算する。

【００２２】また、内燃機関１の各気筒の燃焼室にはそ
れぞれ燃料噴射弁１０ａ、１０ｂから燃料（軽油）が噴
射される。各燃料噴射弁１０ａ、１０bの開弁時期およ
び開弁期間は、内燃機関１の運転状態に応じてＥＣＵ９
によって制御される。

【００２３】また、エンジン１の各気筒の燃焼室で生じ
た排気ガスは、分割型の排気マニホールド１３ａ、１３
ｂを介して排気管１４に排出され、さらに図示しないマ
フラーを介して大気中に排出される。排気マニホールド
１３ａは第１気筒から第３気筒の排気ガスを排出し、排
気マニホールド１３ｂは第４気筒から第６気筒の排気ガ
スを排出するようになっている。排気マニホールド１３
ｂに排出された排気ガスの一部は、排気還流管１５を介
して吸気マニホールド２に再循環可能になっており、排
気還流管１５の途中にはＥＧＲクーラ１６とＥＧＲ弁１
７が設けられている。ＥＧＲ弁１７は、内燃機関１の運
転状態に応じてＥＣＵ９によって開度制御され、排気還
流量を制御する。

【００２４】排気管１４の途中には、ターボチャージャ
６、ターボチャージャのタービン６ｂが配置されてい
る。このタービン６ｂは排気ガスによって駆動され、タ
ービン６ｂに連結されたコンプレッサ６ａを駆動して吸
気を昇圧する。

【００２５】なお、第１気筒から第３気筒の燃料噴射弁
１０ａは、還元剤としての燃料を供給する還元剤供給用
噴射弁を兼ねている。すなわち燃料噴射弁１０ａは、ポ
スト噴射により還元剤を供給するが、その還元剤として
の燃料が、ターボチャージャ６を経由して排気マニホー
ルド１３ｂ側に回り込み、さらに排気還流管１５を介し
て第４気筒から第６気筒に流入しないようにする必要が
ある。そこで排気マニホールド１３ａと分岐している排
気マニホールド１３ｂの下流側の分岐点に、還元剤回り
込み防止酸化触媒３０が設けられている。したがって排
気マニホールド１３ｂ側に回り込んだ還元剤（ＨＣ）は
還元剤回り込み防止酸化触媒３０により酸化され、燃焼
室内にこれが流入することが防止できる。

【００２６】排気管１４の下流には、酸素吸蔵放出剤を
含まない吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（リーンＮＯｘ触媒）１
８を収容したケーシング１９、及びさらにその下流には
酸素吸蔵剤を含む酸化触媒２０を収納したケーシング２
９がそれぞれ設けられている。ＮＯｘ触媒１８は排気ガ
ス中のＮＯｘと、一部のＨＣ、ＣＯを浄化するものであ
る。その下流の酸化触媒２０は、酸素吸蔵放出剤である
酸化セリウムＣｅＯ₂（以下、セリア）を含み、白金Ｐ
ｔ等の酸化触媒を担持して構成され、排気ガス中のＨ
Ｃ、ＣＯを浄化するものである。

【００２７】また排気管１４において、ＮＯｘ触媒１８
の上流側には、第１排気温度センサ２２、及び第１ＮＯ
ｘセンサ２３がそれぞれ設置されている。またＮＯｘ触
媒１８と酸化触媒２０の中間には第１空燃比センサ２
４、第２排気温センサ２５、及び第２ＮＯｘセンサ２６
が設置されており、さらに酸化触媒２０の下流にはＨＣ
センサ２７及び第２空燃比センサ２８がそれぞれ設けら
れている。これらの第１排気温度センサ２２、第１ＮＯ
ｘ濃度センサ２３、第１空燃比センサ２４、第２排気温
センサ２５、第２ＮＯｘ濃度センサ２６、ＨＣ濃度セン
サ２７及び第２空燃比センサ２８は全てＥＣＵ９に接続
され、検知した情報をＥＣＵ９に出力する。

【００２８】ＮＯｘ触媒１８の上流と下流に設置した第
１排気温度センサ２２及び第２排気温度センサ２５によ
って排気管３内の温度を計測し、ＮＯｘ触媒１８内の温
度を推定することが可能である。

【００２９】同様に、ＮＯｘ触媒１８の上流と下流に設
置した第１ＮＯｘ濃度センサ２３と第２ＮＯｘ濃度セン
サ２６によって、ＮＯｘ触媒１８によるＮＯｘの低減率
を計測することができる。

【００３０】ＮＯｘ触媒１８の下流の第１空燃比センサ
２４によりＮＯｘ触媒１８内の空燃比が、また酸化触媒
２０の下流の第２空燃比センサ２８により酸化触媒２０
内の空燃比が、それぞれ計測される。ＨＣ濃度センサ２
７は、酸化触媒２０からのＨＣを検出し、触媒の劣化を
判断する。またＨＣ濃度センサ２７により検出される酸
化触媒２０からのＨＣの排出が多いときは、リッチスパ
イクのリッチの度合い、またはリッチの時間を減少さ
せ、ＨＣの排出量を調整する。

【００３１】ＥＣＵ９はデジタルコンピュータからな
り、双方向バスによって相互に接続されたＲＯＭ（リー
ドオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモ
リ）、ＣＰＵ（セントラルプロセッサユニット）、入力
ポート、出力ポートを具備し、内燃機関１の燃料噴射量
制御等の基本制御を行うほか、この実施の形態ではＮＯ
ｘ吸収剤の再生、還元剤の供給の調節等を行う。

【００３２】これら制御のために、ＥＣＵ９の入力ポー
トには、アクセル開度センサ６１からの入力信号と、ク
ランク角センサ６２からの入力信号が入力される。アク
セル開度センサ６１はアクセル開度に比例した出力電圧
をＥＣＵ９に出力し、ＥＣＵ９はアクセル開度センサ６
１の出力信号に基づいてエンジン負荷を演算する。クラ
ンク角センサ６２はクランクシャフトが一定角度回転す
る毎に出力パルスをＥＣＵ９に出力し、ＥＣＵ９はこの
出力パルスに基づいてエンジン回転数を演算する。これ
らエンジン負荷とエンジン回転数によってエンジン運転
状態が判別され、ＥＣＵ９はエンジン運転状態に応じた
燃料噴射量を噴射量マップ（図示せず）を参照して算出
し、算出された燃料噴射量に対応する燃料噴射弁１０の
開弁期間を算出して、燃料噴射弁１０の作動を制御す
る。

【００３３】図２に本発明の排気浄化装置の別の実施の
形態を示す。ここでは図１の実施の形態と相違する部分
について説明し、同一の部分は同一の符号を付して説明
を省略する。図１の実施の形態では、第１気筒から第３
気筒の燃料噴射弁１０ａは、還元剤としての燃料を供給
する還元剤供給用噴射弁を兼ねていたが、ここでは還元
剤供給用噴射弁２１が別個に設けられ、これは排気ポー
ト内に還元剤を噴射するようになっている。燃料を使用
する還元剤は、還元剤供給路に設けた圧送ポンプ３１に
より送られ、還元剤供給用調量弁３２によって供給量が
調整される。

【００３４】また前記還元剤供給用噴射弁２１から供給
される還元剤としての燃料が、ターボチャージャ６を経
由して排気マニホールド１３ｂ側に回り込み、さらに排
気還流管１５を介して第４気筒から第６気筒に流入しな
いようにする必要がある。そこで排気マニホールド１３
ｂと排気環流管１５の分岐点に、還元剤回り込み防止酸
化触媒３０が設けられている。

【００３５】さらに排気管１４の下流には、酸素吸蔵放
出剤を含まない吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を坦持したＮＯｘ
触媒１８と、酸素吸蔵剤を含む酸化触媒を担持した酸化
触媒２０とを一体にして収納したケーシング１９が設け
られている。排気通路の上流側にはＮＯｘ触媒１８が位
置し、下流側には酸化触媒２０が配置されるが、図１に
示すものとの相違は、これらが一体となって一つの触媒
を構成している点である。

【００３６】次に、ＮＯｘ触媒１８に坦持された吸蔵還
元型ＮＯｘ触媒について説明する。吸蔵還元型ＮＯｘ触
媒は、例えばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を担体とし、この担
体上あるいは内部に、例えばカリウムＫ、ナトリウムＮ
ａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金
属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土
類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から
選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属と
が担持されてなる。

【００３７】このＮＯｘ触媒は、流入排気ガスの空燃比
（以下、排気空燃比と称す）が理論空燃比よりもリーン
のときはＮＯｘを吸収し、排気空燃比が理論空燃比ある
いはそれよりもリッチになって流入排気ガス中の酸素濃
度が低下すると吸収したＮＯｘをＮＯ₂またはＮＯとし
て放出するＮＯｘの吸放出作用を行う。そして、ＮＯｘ
触媒から放出されたＮＯｘ（ＮＯ₂またはＮＯ）は直ち
に排気ガス中の未燃ＨＣやＣＯと反応してＮ₂に還元せ
しめられる。

【００３８】なお排気空燃比とは、ここではＮＯｘ触媒
の上流側の排気通路やエンジン燃焼室、吸気通路等にそ
れぞれ供給された空気量の合計と燃料（炭化水素）量の
合計の比を意味するものとする。したがって、ＮＯｘ触
媒よりも上流の排気通路内に燃料、還元剤あるいは空気
が供給されない場合には、排気空燃比はエンジン燃焼室
内に供給される混合気の空燃比と一致する。

【００３９】ところで、ディーゼルエンジンの場合は、
ストイキ（理論空燃比、Ａ／Ｆ＝１４．６）よりもはる
かにリーン域で燃焼が行われるので、通常の機関運転状
態ではＮＯｘ触媒に流入する排気ガスの空燃比は非常に
リーンであり、排気ガス中のＮＯｘは、ＮＯｘ触媒に吸
収され、ＮＯｘ触媒から放出されるＮＯｘ量は極めて少
ない。

【００４０】したがって、ディーゼルエンジンでは、Ｎ
Ｏｘ触媒のＮＯｘ吸収能力が飽和する前に所定のタイミ
ングで、排気ガス中に還元剤を供給して排気ガス中の酸
素濃度を低下させて、ＮＯｘ触媒に吸収されたＮＯｘを
放出し還元する必要がある。そのため、この実施の形態
では、ＥＣＵ９によりエンジン１の運転状態の履歴から
ＮＯｘ触媒に吸収されたＮＯｘ量を推定し、その推定Ｎ
Ｏｘ量が予め設定した所定値に達したときに、所定時間
だけ制御弁２３を開弁して所定量の燃料をケーシング１
９の上流に供給し、ＮＯｘ触媒に流入する排気ガス中の
酸素濃度を低下させ、ＮＯｘ触媒に吸収されたＮＯｘを
放出させ、Ｎ₂に還元するようにしている。

【００４１】以上のように流入排気ガスの空燃比がリー
ンになると、ＮＯｘがＮＯｘ触媒に吸収され、流入排気
ガスの空燃比をリッチにするとＮＯｘがＮＯｘ触媒から
短時間のうちに放出される。ところが流入排気ガス中に
は硫黄が含まれており、ＮＯｘ触媒にはＮＯｘばかりで
なく硫黄も吸収される。このＮＯｘ触媒への硫黄の吸収
メカニズムはＮＯｘの吸収メカニズムと同様のものと考
えられる。すなわち、担体上に白金Ｐｔおよびバリウム
Ｂａを担持させた場合を例にして説明すると、流入排気
ガスの空燃比がリーンのときには酸素Ｏ₂がＯ^{2 -} の形
で白金Ｐｔの表面に付着しており、流入排気ガス中のＳ
Ｏ₂ は白金Ｐｔの表面でＯ^{2 -} と反応してＳＯ₃ とな
る。次いで生成されたＳＯ₃ は白金Ｐｔ上でさらに酸化
されつつ、ＮＯｘ触媒内に吸収されて酸化バリウムＢa
Ｏと結合しながら、硫酸イオンＳＯ₄ ^2-の形で吸収剤内
に拡散する。次いでこの硫酸イオンＳＯ₄ ^2- はバリウ
ムイオンＢa²⁺ と結合して硫酸塩Ｂa ＳＯ₄ を生成す
る。

【００４２】この硫酸塩Ｂa ＳＯ₄ は分解され難く、流
入排気ガスの空燃比を短い時間、リッチにしても硫酸塩
Ｂa ＳＯ₄ は分解されずにそのまま残る。したがってＮ
Ｏｘ触媒内には時間が経過するにつれて硫酸塩ＢaＳＯ₄
が増大し、かくして時間が経過するにつれてＮＯｘ触
媒が吸収できるＮＯｘ量が低下する。

【００４３】これらのＮＯｘ触媒内で生成された硫酸塩
ＢaＳＯ₄ は、ＮＯｘ触媒の温度が高く、なおかつスト
イキあるいはリッチ雰囲気になると分解して硫酸イオン
ＳＯ ₄ ^2- がＳＯ₃ として吸収剤から放出される。そこ
で本発明の排気浄化装置では、ＮＯｘ触媒内に硫黄が一
定量以上吸収されたときに触媒温度を上昇させ、かつ所
定時間にわたって流入排気ガスの空燃比をリッチにして
ＮＯｘ触媒から硫黄を放出させるようにした。

【００４４】図３は前述した本実施の態様の排気浄化装
置のＮＯｘ触媒１８と酸化触媒２０を、排気通路の上流
側と下流側にそれぞれ配置した状態を示す図であり、Ｎ
Ｏｘ触媒１８は酸素吸蔵放出剤を含まず、反対に酸化触
媒２０は酸素吸蔵放出剤を含んでいる。この装置におけ
る硫黄被毒再生可能な条件について、図４から図６を参
照して説明する。

【００４５】図４はＮＯｘ触媒１８の温度の変化と硫黄
被毒再生率の関係を示すグラフ図であり、ＮＯｘ触媒１
８の表面の排気ガスの空燃比が１４で、硫黄被毒再生時
間を６０秒間とした場合は、触媒温度は５５０℃以上、
望ましくはＮＯｘ触媒１８の耐熱温度を考慮して６００
℃前後に維持する必要があることがわかる。

【００４６】また図５はＮＯｘ触媒１８の表面の排気空
燃比の変化と硫黄被毒再生率の関係を示すグラフ図であ
り、ＮＯｘ触媒１８の温度を６００℃として硫黄被毒再
生時間を６０秒間とした場合には、触媒表面の排気空燃
比は、理論空燃比またはリッチにする必要があることが
わかる。

【００４７】さらに図６は硫黄被毒再生時間（リッチ排
気通過時間）の変化と硫黄被毒再生率の関係を示すグラ
フ図であり、触媒表面の排気ガスの空燃比が１４で、触
媒温度を６００℃とした場合、硫黄被毒再生がほぼ終了
するためには、約６０秒間の時間が必要であることを示
す。

【００４８】以上の条件を満たすには、図３のように還
元剤が供給され排気ガスの空燃比がリッチとなり、ＮＯ
ｘ触媒１８の入口のＡ点での空燃比、及びＮＯｘ触媒１
８の出口のＢ点での空燃比が共にリッチの状態５０、５
１であることが必要である。この場合はＮＯｘ触媒１８
の表面にリッチ雰囲気が形成されているものと認められ
る。またリッチ排気が酸化触媒２０内を通過すると酸素
吸蔵放出剤から酸素が放出され、これが酸化されるので
酸化触媒２０の出口のＣ点の空燃比は、理論空燃比の状
態あるいはリーンな状態５３となる。

【００４９】しかしＮＯｘ触媒１８の温度を６００℃前
後とし、約６０秒間にわたって排気ガスの空燃比をリッ
チにして、これをＮＯｘ触媒１８を通過させた場合、Ｎ
Ｏｘ触媒１８の温度がその耐熱温度を超える事態が起こ
る。そこで例えば、２０秒間はリッチの排気ガスを供給
し、次の４０秒間はリーンの排気ガスを流入させる動作
を３回繰り返し、すなわちサイクリックにリッチとリー
ンを繰り返してこれをＮＯｘ触媒１８を通過させること
で、合計６０秒間にわたり排気ガスの空燃比をリッチに
することを実現する。

【００５０】このように流入排気ガスの空燃比をリッチ
にすることは、ＮＯｘ触媒１８内に硫黄が一定量以上吸
収されたときに行われるが、ＮＯｘ触媒１８内に実際に
吸収された硫黄の量を検出するのは困難であり、従って
ＮＯｘ触媒１８に吸収されている硫黄の量は推定せざる
を得ない。そのためＮＯｘ触媒１８に吸収される硫黄の
量は車両の走行距離に依存することに着目して、車両の
走行距離からＮＯｘ触媒１８に吸収されている硫黄の量
を推定する。

【００５１】図７は実験により求められた硫黄の吸収量
と車両の走行距離との関係を示している。図７において
横軸のＳｏは車輌の累積走行距離を示し、縦軸のＳはＮ
Ｏｘ触媒から硫黄が放出された後の車輌の走行距離を表
す。また曲線ｆ（Ｓｏ)はＮＯｘ触媒の吸収容量の８０
％を硫黄が占めた場合を示す。新車が運転されたときに
は累積走行距離Ｓｏと走行距離Ｓは互いに等しく、この
発明の実施の形態では両走行距離ＳｏとＳが一点鎖線で
示すように増大して曲線ｆ（Ｓｏ）に達したとき、１回
目のＮＯｘ触媒１８からの硫黄の放出がされる。硫黄の
放出がされると一点鎖線で示すように走行距離Ｓは０
（零）とされ、次いで累積走行距離Ｓｏと走行距離Ｓに
より定まる点が曲線ｆ(Ｓｏ）に達すると２回目の硫黄
の放出がされ、続いて同様にして硫黄の放出が順次行わ
れる。なお図７に示す曲線ｆ（Ｓｏ）と、走行距離Ｓｏ
とＳとの関係は予めＥＣＵ９内の図示しないＲＯＭに記
憶されている。

【００５２】次に図８を参照して本発明による硫黄放出
制御について説明する。図８は時間割込みルーチンを示
し、まず初めにステップ１００において前回の割込み時
から今回の割込み時までの走行距離ΔＳが、速度センサ
の出力パルスから算出され、この走行距離ΔＳが累積走
行距離Ｓｏに加算される。

【００５３】次いでステップ１０１では走行距離ＳにΔ
Ｓが加算される。ステップ１００および１０１で算出さ
れた各走行距離ＳｏとＳは、ＥＣＵ９内のバックアップ
ＲＡＭに記憶される。

【００５４】次いでステップ１０２では各走行距離Ｓ
ｏ、Ｓにより定まる点が図７中の曲線ｆ（Ｓｏ）を越え
たか否かが判別され、これを越えていないときにはステ
ップ１０３に進む。

【００５５】ステップ１０３ではＮＯｘ触媒に吸収され
ているＮＯｘ量Ｗが算出される。すなわち、燃焼室から
排出されるＮＯｘ量は吸入空気量Ｑが多くなるほど増大
し、機関負荷Ｑ／Ｎが高くなるほど増大するのでＮＯｘ
触媒に吸収されているＮＯｘ量ＷはＷとｋ・Ｑ・Ｑ/Ｎ
（ｋは定数）との和によって表わされることになる。

【００５６】次いでステップ１０４ではＮＯｘ触媒に吸
収されているＮＯｘ量Ｗが予め定められた設定量Ｗｏよ
りも大きいか否かが判別される。この設定量Ｗｏは例え
ばＮＯｘ触媒が吸収し得る最大ＮＯｘ量の３０％程度で
ある。Ｗ≦Ｗｏであれば処理サイクルを完了し、Ｗ＞Ｗ
ｏであればステップ１０５に進んでＮＯｘ放出フラグが
セットされる。

【００５７】ステップ１０６ではＮＯｘ放出処理が実行
されてから一定時間、例えば３秒間が経過したか否かが
判別され、３秒間経過したときにはステップ１０７に進
んでＮＯｘ放出処理が終了する。ＮＯｘ放出処理が実行
されている間は排気ガスがリッチとされ、したがって排
気ガスは０．５秒ないし１秒間リッチにされることにな
る。この間にＮＯｘ触媒に吸収されているＮＯｘが放出
される。なお１回のリッチ処理でＮＯｘが十分に放出さ
れなかったときは、何回か繰り返してリッチ処理が行わ
れる。

【００５８】次いでステップ１０８ではＮＯｘ触媒に吸
収されているＮＯｘ量Ｗが０（零）とされる。このＮＯ
ｘの放出作用は比較的短い間隔で行われる。一方、ステ
ップ１０２において走行距離Ｓｏ、Ｓにより定まる点が
図７の曲線ｆ（Ｓｏ）を越えたと判断されたとき、すな
わちＮＯｘ触媒の吸収容量の８０％が硫黄で占められた
と判断されたときにはステップ１０９に進んで硫黄処理
の実行が開始され、次いでステップ１１０では排気ガス
の空燃比をリッチとして、ＮＯｘ触媒にリッチ排気を流
入させる。次いでステップ１１１でＮＯｘ触媒のリッチ
排気通過時間（処理時間）Ｔが更新され、ステップ１１
２ではリッチ排気の通過時間Ｔのトータルが所定の設定
時間Ｔｏに達したかどうかを判断する。リッチ排気の通
過時間が既に設定時間Ｔｏ、例えば２分に達していれ
ば、ステップ１１３に進んでリ硫黄処理が終了となりリ
ッチの排気ガスの供給が停止される。

【００５９】またステップ１１２でリッチ排気の流入時
間Ｔのトータルが、所定の設定時間Ｔｏに達していない
ときは、リッチ排気の通過が継続しつつステップ１１６
に進み、ＮＯｘ触媒１８の温度が測定される。ステップ
１１６で触媒温度が所定温度、例えば６５０℃を超えて
いればリッチ排気の供給は停止され、ＮＯｘ触媒１８内
にリーン排気を流入させる。次いでステップ１１９に進
み触媒温度が測定される。ステップ１２０で触媒温度が
５００℃以下であればステップ１１０に戻り、再びリッ
チ排気がＮＯｘ触媒１８に流入する。触媒温度が５００
℃を超えていれば触媒内にリーン排気が流入され、触媒
温度を低下させる。次にステップ１２０に進み、触媒温
度が５００℃以下であればステップ１１０に進み再びス
テップ１１０に進みリッチ排気が触媒内を通過する。ス
テップ１１１ではＮＯｘ触媒のリッチ排気通過時間（処
理時間）Ｔが更新され、ステップ１１２ではリッチ排気
の通過時間Ｔのトータルが所定の設定時間Ｔｏに達した
かどうかを判断する。リッチ排気の通過時間が既に設定
時間Ｔｏ、例えば２分に達していれば、ステップ１１３
に進んでリ硫黄処理が終了となりリッチの排気ガスの供
給が停止する。

【００６０】次いでステップ１１４では走行距離Ｓが０
（零）とされ、ＮＯｘ触媒に吸収されているＮＯｘ量Ｗ
が０（零）とされる。このときＮＯｘ触媒１８によって
酸化されなかったＨＣ、ＣＯは、その下流のに設置した
酸化触媒２０内に流入し、酸化触媒に吸蔵されている酸
素が放出されることで十分に酸化される。

【００６１】この実施の形態では、ＮＯｘ触媒１８の入
口に第１ＮＯｘ濃度センサ２３が設置され、ＮＯｘ触媒
１８の出口に第２ＮＯｘ濃度センサ２６が設けられる。
これらの各ＮＯｘ濃度センサ２３、２６は、ＮＯｘの濃
度に比例した出力電圧を発生し、これら出力電圧は夫々
対応するＡＤ変換器を介してＥＣＵ９に入力される。Ｎ
Ｏｘ触媒の吸収容量の大部分を硫黄が占めるとＮＯｘ触
媒によるＮＯｘ吸収能力が低下し、かくしてＮＯｘ触媒
に流入したＮＯｘの一部はＮＯｘ触媒により吸収される
ことなくＮＯｘ触媒から排出される。

【００６２】したがってこの実施の形態では第１ＮＯｘ
濃度センサ２３により検出されたＮＯｘ触媒の入口部に
おけるＮＯｘ濃度Ｃ1 と第２ＮＯｘ濃度センサ２６によ
り検出されたＮＯｘ触媒の出口部におけるＮＯｘ濃度Ｃ
2の差ΔＣ（＝Ｃ1 −Ｃ2 ）を算出すると共に、この差
ΔＣの例えば一分間の平均値ΔＣｍ (＝1 ／ｎ ΣΔ
Ｃ）を算出し、この平均値ΔＣｍが設定値Ｃ０、例えば
入口部のＮＯｘ濃度Ｃ１の５０％よりも低いときには、
ＮＯｘ触媒の吸収容量の大部分を硫黄が占めていると判
断して排気ガスを理論空燃比にする。

【００６３】なお、この実施例ではＮＯｘ触媒の入口部
におけるＮＯｘ濃度Ｃ1を第１ＮＯｘ濃度センサ２３に
より検出するようにしているが、ＮＯｘ触媒の入口部に
おけるＮＯｘ濃度Ｃ1 は、機関負荷Ｑ／Ｎと機関回転数
Ｎの関数となる。従ってＮＯｘ触媒の入口部におけるＮ
Ｏｘ濃度Ｃ1を機関負荷Ｑ／Ｎと機関回転数Ｎの関数と
して予め実験により求めておき、これらの関係をマップ
として予めＥＣＵ９のＲＯＭ内に記憶しておいて、この
マップからＮＯｘ濃度Ｃ1を求めるようにすることもで
きる。この場合には第１ＮＯｘ濃度センサ２３を設ける
必要がなくなる。

【００６４】この発明の実施の形態では、ＮＯｘ触媒１
８の硫黄被毒再生を実施する際、ＮＯｘ触媒１８を排気
通路の上流に酸素吸蔵放出剤を含まないものとして配置
したので、ＮＯｘ触媒１８の硫黄被毒再生時に排気ガス
の空燃比をリッチにして触媒表面に雰囲気を形成するこ
とが容易となり、短時間のリッチ排気の供給で硫黄被毒
再生が可能となる。したがって短時間のリッチ排気と、
リーン排気の供給をサイクリックに行うことでＮＯｘ触
媒１８の耐熱温度を超えないようにリッチ排気の供給を
コントロールしながら、ＮＯｘ触媒１８の硫黄被毒再生
を実施することができる。

【００６５】一方、排気ガスの空燃比がリーンのときに
は、下流のセリア等の酸素吸蔵放出剤を含む酸化触媒２
０は、酸素を吸蔵することになる。したがってリッチの
排気ガスが供給された際に発生する未燃のＨＣ，ＣＯ等
の可燃物は、酸化触媒２０から放出される酸素により酸
化されるのでＨＣ，ＣＯの外部への排出は抑制される。

【００６６】なお、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は酸素吸蔵放
出剤をもたないので、硫黄被毒再生時に酸素吸蔵放出剤
から放出される酸素を還元するのに必要な還元剤の供給
は必要なくなり、硫黄被毒再生時の燃費悪化を小さくで
きる。

【００６７】このように本発明の排気浄化装置は、ＮＯ
ｘ吸収放出機能とＨＣ，ＣＯの酸化機能を、それぞれＮ
Ｏｘ触媒１８と酸化触媒２０に分担することで硫黄被毒
再生を容易かつ効率的に実施することを実現したもので
ある。

【００６８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、排気浄化
装置のＮＯｘ触媒の表面にリッチ雰囲気を容易に形成す
ることができるから、きわめて効率的にＮＯｘ触媒の被
毒再生が実施できる内燃機関の排気浄化装置を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の排気浄化装置の実施の形態を示す図で
ある。

【図２】本発明の排気浄化装置の別の実施の形態を示す
図である。

【図３】図１における本発明の排気浄化装置の吸蔵還元
型ＮＯｘ触媒と、酸素吸蔵放出剤を含む酸化触媒が設置
された状態を示す図である。

【図４】ＮＯｘ触媒の温度の変化と硫黄被毒再生率の関
係を示すグラフ図である。

【図５】ＮＯｘ触媒の表面の排気空燃比の変化と硫黄被
毒再生率の関係を示すグラフ図である。

【図６】硫黄被毒再生時間（リッチ排気通過時間）の変
化と硫黄被毒再生率の関係を示すグラフ図である。

【図７】硫黄の吸収量と車両の走行距離との関係を示す
図である。

【図８】ＮＯｘ触媒の硫黄被毒再生を実行するルーチン
を示すフローチャート図である。

【符号の説明】

１…内燃機関３…吸気体９…ＥＣＵ１０…燃料噴射弁１４…排気管１８…吸蔵還元型ＮＯｘ触媒２０…酸素吸蔵放出剤を含む酸化触媒

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０１Ｎ 3/24 Ｆ０２Ｄ 41/04 ３５５Ｆ０２Ｄ 41/04 ３５５ 45/00 ３１４Ｚ 45/00 ３１４Ｂ０１Ｄ 53/36 １０１ＡＦターム(参考） 3G084 AA01 BA08 BA09 BA13 BA20 DA10 DA25 EA07 EA11 EB08 EB25 EC01 EC03 FA05 FA10 FA18 FA27 FA28 FA29 FA33 3G091 AA02 AA10 AA11 AA18 AA28 AB02 AB06 AB09 BA04 BA11 BA14 BA15 BA19 BA33 CA18 CB02 CB03 DA01 DA02 DA03 DA04 DA05 DB06 DB07 DB08 DB09 DB10 EA01 EA03 EA05 EA07 EA17 EA18 EA30 EA31 EA33 EA38 FB10 FB12 FC02 GB01X GB02W GB03W GB04W GB06W GB10W GB10X GB16X HA09 HA18 HA36 HA37 HA42 HA47 HB05 HB06 3G301 HA02 HA11 HA13 JA25 JA26 MA01 MA11 NA01 NA08 NB02 NC02 NE13 NE23 PA01Z PA17Z PD00Z PD01Z PD03A PD11Z PE01Z PE03Z PF01Z PF03Z 4D048 AA06 AB03 BD02 BD04 EA04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に設け
られた酸素吸蔵放出剤を含まない吸蔵還元型ＮＯｘ触媒
と、この吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の下流に設けられた酸素
吸蔵放出剤を含む酸化触媒と、排気通路の空燃比を調整
する空燃比調整手段と、を備えた内燃機関の排気浄化装
置。
【請求項２】前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の硫黄の被毒量
が所定量よりも大きいときに排気ガスの空燃比をリッチ
にするものである請求項１に記載の内燃機関の排気浄化
装置。