JP2984528B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関の排気浄化装
置に関し、詳細には、ディーゼルエンジンや希薄燃焼を
行うガソリンエンジン等、リーン空燃比の燃焼を行う内
燃機関の排気中のＮＯ_X を効果的に除去可能な排気浄化
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の排気浄化装置の例としては、例
えば国際公開第ＷＯ９３／７３６３号公報に開示された
ものがある。同公報の装置は、リーン空燃比運転が可能
な内燃機関の排気通路に、流入する排気の空燃比がリー
ンのときに排気中のＮＯ_X を吸収し、排気酸素濃度が低
下したときに吸収したＮＯ_X を放出するＮＯ_X 吸収剤を
配置した構成であり、通常は機関のリーン空燃比運転を
行って、排気空燃比をリーンに保つことにより排気中の
ＮＯ_X をＮＯ_X 吸収剤に吸収させる。また、機関高負荷
運転時等で機関空燃比をリッチに切換えると、ＮＯ_X 吸
収剤に流入する排気空燃比はリッチになるためＮＯ_X 吸
収剤は吸収したＮＯ_X を放出し、この放出されたＮＯ_X
が排気中の未燃ＨＣ、ＣＯ等により還元浄化される。

【０００３】一方、機関の運転状況によっては機関空燃
比をリッチ空燃比に切り換える頻度が少なくなり、ＮＯ
_X 吸収剤のＮＯ_X 吸収量が飽和してしまい排気中のＮＯ
_X が吸収されずに大気に放出されるおそれがある。上記
公報の装置では、ＮＯ_X 吸収剤のＮＯ_X 吸収量が飽和に
近づいたときに、短時間機関の運転空燃比をリッチ側に
切り換えてＮＯ_X 吸収剤からの上記ＮＯ_X の放出と還元
浄化とを行うようにして、ＮＯ_X 吸収剤のＮＯ_X 吸収量
の飽和を防止している（以下、このＮＯ_X の放出と還元
浄化とを「ＮＯ_X 吸収剤の再生操作」という）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記ＷＯ９３／７３６
３号公報の排気浄化装置では、リーン空燃比運転がある
程度続いてＮＯ_X 吸収剤のＮＯ_X 吸収量が飽和に近づく
と、ＮＯ_X 吸収剤の再生を行うために自動的に短時間機
関運転空燃比がリーンからリッチに切り換えられること
になる。このため、車両用エンジン等では、リーン空燃
比の定常走行がある程度の時間継続すると、運転者の意
志とは無関係に空燃比がリッチに切り換えられることに
なる。ところが、機関空燃比をリーンからリッチに切り
換えると、それに伴って機関出力トルクが変動するた
め、上記のような場合には、定常走行中等に突然、運転
者の予期しない出力トルクの変動（トルクショック）が
生じることになり、運転性が悪化する問題がある。

【０００５】一方、この運転性の悪化を防止するため
に、リーン空燃比の定常走行中などにはＮＯ_X 吸収剤の
再生操作を行わず、車両の運転状況が変化して、例えば
エンジンブレーキ等のように運転者がトルクショックが
生じることを予期している状況になった場合にのみ空燃
比をリッチに切り換えてＮＯ_X 吸収剤の再生を行うよう
にすることも可能だが、この場合も高速道路での定常走
行時等のように運転状況の変化が少ない走行条件ではＮ
Ｏ_X 吸収剤の再生操作の頻度が低下してＮＯ_X 吸収量が
飽和してしまう問題が生じる。

【０００６】本発明は上記問題に鑑み、未浄化の排気の
大気放出を防止しながら、ＮＯ_X 吸収剤の再生のために
運転者の予期しないトルクショックが生じることを防止
可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的と
している。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、リーン
空燃比の燃焼を行うことのできる内燃機関の排気通路に
配置された、流入する排気の空燃比がリーンのときに排
気中のＮＯ_X を吸収し、排気酸素濃度が低下したときに
吸収したＮＯ_X を放出するＮＯ_X 吸収剤と、前記ＮＯ_X
吸収剤下流側の排気通路に配置された、リーン排気空燃
比条件下で排気中のＮＯ_X を還元剤と選択的に反応させ
得るＮＯ_X 選択還元触媒と、前記ＮＯ_X吸収剤とＮＯ_X
選択還元触媒との間の排気通路に還元剤を供給する還元
剤供給装置と、前記ＮＯ_X 吸収剤に吸収されたＮＯ_X 量
を検出する検出手段と、前記ＮＯ _X 吸収剤に吸収された
ＮＯ_X 量が所定値以上になったときに、前記還元剤供給
装置から前記ＮＯ_X 選択還元触媒に還元剤を供給する制
御手段とを備えた内燃機関の排気浄化装置が提供され
る。

【０００８】

【作用】機関のリーン空燃比の運転が開始されると、Ｎ
Ｏ_X 吸収剤は排気中のＮＯ_X の吸収を開始し、ＮＯ_X 吸
収剤のＮＯ_X 吸収量が増大する。これにより、リーン空
燃比運転が続きＮＯ_X 吸収剤の吸収量が飽和量に近づく
につれて、排気中のＮＯ _X のうち吸収されずにＮＯ_X 吸
収剤を通過して下流側に流出するＮＯ_X 量が増大する。
制御手段は、検出手段が検出したＮＯ_X 吸収剤のＮＯ_X
吸収量が増大して飽和状態に近い所定値に達したとき
に、ＮＯ_X 吸収剤下流側に配置されたＮＯ_X選択還元触
媒に還元剤を供給する。これにより、ＮＯ_X 吸収剤下流
側に流出した排気中のＮＯ_X はＮＯ_X 選択還元触媒上で
還元剤と選択的に反応して還元浄化される。このため、
ＮＯ_X 吸収剤の吸収量が飽和状態に達して排気中のＮＯ
_X を吸収できなくなった場合でもＮＯ_X 選択還元触媒に
より排気中のＮＯ_X が浄化され、未浄化のＮＯ_X が大気
に放出されない。

【０００９】また、飽和状態になったＮＯ_X 吸収剤は、
次に運転状態が変化して機関がリッチ空燃比で運転され
たときに再生され、再びＮＯ_X の吸収能力を回復する。

【００１０】

【実施例】以下、添付図面を用いて本発明の実施例を説
明する。図１において、１は希薄燃焼を行うガソリンエ
ンジン等、リーン空燃比の燃焼を行うことのできる内燃
機関、３は内燃機関１の排気通路を示す。排気通路３下
流には、流入する排気空燃比がリーンのときに排気中の
ＮＯ_X を吸収し、排気中の酸素濃度が低下したときに吸
収したＮＯ_X を放出する、後述するＮＯ_X 吸収剤５が接
続されている。

【００１１】また、排気通路３のＮＯ_X 吸収剤５の更に
下流部分には、リーン排気空燃比条件下で排気中のＮＯ
_X を還元剤と選択的に反応させ得るＮＯ_X 選択還元触媒
６が配置されている。すなわち、内燃機関１の排気はま
ず、ＮＯ_X 吸収剤５を通過し、その後ＮＯ_X 選択還元触
媒６を通過した後大気に放出される。図１に７で示すの
は、排気通路３のＮＯ_X 吸収剤５上流側に配置された空
燃比センサである。空燃比センサ７としては、広い空燃
比範囲で排気空燃比と一対一に対応した連続出力電圧を
発生する、いわゆる全域空燃比センサが使用され、ＮＯ
_X 吸収剤５に流入する排気空燃比に対応した電圧信号
を、後述するエンジン制御回路（ＥＣＵ）２０に供給し
ている。

【００１２】また、図に９で示すのは、内燃機関１の吸
気マニホルド（図示せず）に配置された機関吸気圧力を
検出する吸気圧センサ、１０は機関回転数センサであ
る。後述するように、本実施例では吸気マニホルド圧力
と機関回転数とからＮＯ_X 吸収剤のＮＯ_X 吸収量が算出
される。図に１１で示すのは、ＮＯ_X 吸収剤５とＮＯ_X
選択還元触媒６との間の排気通路に還元剤を供給する還
元剤供給装置である。還元剤供給装置１１は、後述する
ように、所定条件下でＥＣＵ２０の制御信号に応じてＮ
Ｏ_X 選択還元触媒６のみに還元剤を供給する。

【００１３】図に２０で示すのはエンジン１の制御回路
（ＥＣＵ）である。ＥＣＵ２０はＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯ
Ｍ、及び入力ポート、出力ポートを相互に双方向バスで
接続した構成の公知のディジタルコンピュータからな
り、エンジンの燃料噴射量制御等の基本制御を行ってい
る。また、本実施例ではＥＣＵ２０は、ＮＯ_X 吸収剤５
のＮＯ_X 吸収量を算出し、吸収量が所定値以上になると
還元剤供給装置１１からＮＯ_X 選択還元触媒６に還元剤
を供給する、請求項１に記載した検出手段及び制御手段
としての機能を果たしている。このために、ＥＣＵ２０
の入力ポートには、回転数センサ１０からの回転数信号
が入力されている他、空燃比センサ７からの空燃比信
号、、吸気圧センサ９からの吸気マニホルド圧力信号が
それぞれ図示しないＡ／Ｄ変換器を介して入力されてい
る。さらにＥＣＵ２０の出力ポートは、図示しない駆動
回路を介して、後述する還元剤供給装置１１の制御弁１
４に接続され、ＮＯ_X 選択還元触媒６への還元剤供給を
制御している。

【００１４】ＮＯ_X 吸収剤５は例えばアルミナ等の担体
を使用し、この担体上に例えばカリウム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
が担持されている。このＮＯ_X 吸収剤５は流入する排気
の空燃比がリーンの場合にはＮＯ_X を吸収し、酸素濃度
が低下するとＮＯ_X を放出するＮＯ_X の吸放出作用を行
う。

【００１５】なお、上述の排気空燃比とは、ここではＮ
Ｏ_X 吸収剤５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、還
元剤の合計との比を意味するものとする。従って、ＮＯ
_X 吸収剤５の上流側排気通路に燃料、還元剤または空気
が供給されない場合には排気空燃比はエンジンの運転空
燃比（エンジン燃焼室内の燃焼における空燃比）と等し
くなる。

【００１６】本実施例では、リーン空燃比の燃焼を行う
機関が使用されているため、通常運転時の排気空燃比は
リーンであり、ＮＯ_X 吸収剤５は排気中のＮＯ_X の吸収
を行う。また、機関の高負荷運転時などに運転空燃比が
リッチに切換えられて排気中の酸素濃度が低下すると、
ＮＯ_X 吸収剤５は吸収したＮＯ_X の放出を行う。この吸
放出作用の詳細なメカニズムについては明らかでない部
分もある。しかし、この吸放出作用は図２に示すような
メカニズムで行われているものと考えられる。次にこの
メカニズムについて担体上に白金Ｐt およびバリウムＢ
a を担持させた場合を例にとって説明するが他の貴金
属、アルカリ金属、アルカリ土類、希土類を用いても同
様なメカニズムとなる。

【００１７】すなわち、流入排気がかなりリーンになる
と流入排気中の酸素濃度が大巾に増大し、図２(A) に示
されるようにこれら酸素Ｏ₂ がＯ₂ ^- またはＯ^2-の形で
白金Ｐt の表面に付着する。一方、流入排気中のＮＯは
白金Ｐt の表面上でこのＯ₂ ^- またはＯ^2-と反応し、Ｎ
Ｏ₂ となる（２ＮＯ＋Ｏ₂ →２ＮＯ₂ ) 。次いで生成さ
れたＮＯ₂ の一部は白金Ｐｔ上で酸化されつつ吸収剤内
に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら、図２
(A) に示されるように硝酸イオンＮＯ₃ ^- の形で吸収剤
内に拡散する。このようにしてＮＯ_X がＮＯ_X 吸収剤５
内に吸収される。

【００１８】従って、流入排気中の酸素濃度が高い限り
白金Ｐt の表面でＮＯ₂ が生成され、吸収剤のＮＯ_X 吸
収能力が飽和しない限りＮＯ₂ が吸収剤内に吸収されて
硝酸イオンＮＯ₃ ^- が生成される。これに対して排気空
燃比がリッチまたは理論空燃比になり、流入排気中の酸
素濃度が低下してＮＯ₂ の生成量が減少すると反応が逆
方向（ＮＯ₃ ^- →ＮＯ₂ ）に進み、こうして吸収剤内の
硝酸イオンＮＯ₃ ^- がＮＯ₂ の形で吸収剤から放出され
る。すなわち、流入排気の空燃比がリッチまたは理論空
燃比になるとＮＯ_X 吸収剤５からＮＯ_X が放出されるこ
とになる。

【００１９】一方、機関運転空燃比がリッチになると、
排気中の酸素濃度が急激に減少するとともに排気中のＨ
Ｃ、ＣＯ等の成分が増大する。流入排気中にＨＣ、ＣＯ
等の成分が存在すると、これらの成分は白金Ｐt 上の酸
素Ｏ₂ ^- またはＯ^2-と反応して酸化され、白金Ｐt 上の
酸素Ｏ₂ ^- またはＯ^2-を消費する。また、排気中の酸素
濃度低下によりＮＯ_X 吸収剤５から放出されたＮＯ₂ は
図２(B) に示すようにＨＣ，ＣＯと反応して還元され
る。このようにして白金Ｐt の表面上にＮＯ₂ が存在し
なくなると吸収剤から次から次へとＮＯ₂ が放出され
る。

【００２０】すなわち、流入排気中のＨＣ，ＣＯは、ま
ず白金Ｐt 上のＯ₂ ^- またはＯ^2-とただちに反応して酸
化され、次いで白金Ｐt 上のＯ₂ ^- またはＯ^2-が消費さ
れてもまだＨＣ，ＣＯが残っていればこのＨＣ，ＣＯに
よって吸収剤から放出されたＮＯ_X および機関から排出
されたＮＯ_X が還元される。ところが、上述のＮＯ_X 吸
収時にはＮＯ_X 吸収剤にＮＯ_X が吸収されて吸収剤内の
硝酸イオンの濃度が増大するにつれて、吸収剤内に硝酸
イオンが吸収されにくくなる。このため、排気空燃比が
リーンのままに維持されてＮＯ_X 吸収が続き、上述のＮ
Ｏ_X 吸収剤からのＮＯ_X の放出、還元が行われないと、
ＮＯ_X 吸収剤の吸収能力は次第に低下し、ＮＯ_X の吸収
量が一定量を越えると流入排気中のＮＯ_X は殆ど吸収剤
に吸収されずに、そのままＮＯ_X 吸収剤を通過して下流
に流出するようになってしまう。

【００２１】図３は、ＮＯ_X 吸収剤の吸収量と下流側に
流出する排気中のＮＯ_X 濃度との関係を示す図である。
図３縦軸はＮＯ_X 濃度を、横軸はＮＯ_X 吸収剤のＮＯ_X
吸収量をそれぞれ示し、また図３にＩＮで示すのはＮＯ
_X 吸収剤に流入する排気中のＮＯ_X 濃度、ＯＵＴで示す
のはＮＯ_X 吸収剤から流出する排気中のＮＯ_X 濃度を示
している。図３に示すようにＮＯ_X 吸収剤のＮＯ_X 吸収
量が少ない間は流入排気中のＮＯ_X の殆どがＮＯ_X 吸収
剤に吸収され、ＮＯ_X 吸収剤下流側排気中のＮＯ_X 濃度
（ＯＵＴ）は上流側排気中のＮＯ_X 濃度（ＩＮ）に較べ
て低いレベルに維持される。しかし、ＮＯ_X 吸収剤の吸
収量が増大するにつれて下流に流出する排気中のＮＯ_X
濃度は増大し、ＮＯ_X 吸収剤の吸収量が飽和に近づくと
流入する排気中のＮＯ_X は殆ど吸収されなくなり、下流
側排気中のＮＯ_X 濃度（ＯＵＴ）が上流側排気中のＮＯ
_X 濃度（ＩＮ）と殆ど同じレベルになってしまう。

【００２２】前述の従来技術では、リーン空燃比運転が
継続した場合に短時間運転空燃比をリッチに切り換えて
ＮＯ_X 吸収剤から吸収したＮＯ_X を放出させることによ
り、ＮＯ_X 吸収剤の吸収量が飽和して下流側排気中のＮ
Ｏ_X 濃度が増大することを防止しており、このためリッ
チ空燃比切換え時にトルクショックが生じる結果となっ
ている。

【００２３】本発明による実施例では、リーン空燃比運
転が続いてＮＯ_X 吸収剤５のＮＯ_X吸収能力が飽和に近
づいた場合でもＮＯ_X 吸収剤の再生のために強制的にリ
ッチ空燃比運転に切り換えることは行わず、運転条件が
変化により自然にリッチ空燃比運転が行われる状態にな
るまでＮＯ_X 吸収剤の再生を行わない。また、この間に
ＮＯ_X 吸収剤５から流出するＮＯ_X は、ＮＯ_X 吸収剤５
下流側に配置したＮＯ _X 選択還元触媒６により還元浄化
して未浄化のＮＯ_X が大気に放出されることを防止して
いる。

【００２４】本実施例では、ＮＯ_X 吸収剤５の下流側の
排気管１に配置されるＮＯ_X 選択還元触媒６としては例
えば、ゼオライトＺＳＭ−５にＣｕ等の金属をイオン交
換して担持させたものが用いられる。ＮＯ_X 選択還元触
媒９はリーン雰囲気下で適量の還元成分が存在するとＮ
Ｏ_X を還元してＮ₂ に転換することができる。ＮＯ_X 選
択還元触媒６に供給する還元剤としては、排気中で水
素、一酸化炭素炭化水素等の成分を発生するものであれ
ば良く、水素、一酸化炭素等の気体、プロパン、プロピ
レン、ブタン等の液体又は気体の炭化水素等が使用でき
る。

【００２５】本実施例では、還元性が強くＮＯ_X の還元
を効率良く行えること、原料となる水が容易に補給でき
ること等を考慮して、水の電気分解により発生するＨ₂
ガスを還元剤として使用している。このため、本実施例
の還元剤供給装置１１は、水の電気分解により水素ガス
を発生する水素ガス発生装置１２と、発生した水素ガス
を貯蔵する容器１３とを備えており、水素ガスは容器１
３から制御弁１４と排気の逆流を防止する逆止弁１５と
を介してＮＯ_X 選択還元触媒６に供給される。

【００２６】また、本実施例では、ＥＣＵ２０はＮＯ_X
吸収剤５のＮＯ_X 吸収量を機関運転条件に基づいて算出
し、ＮＯ_X 吸収剤５のＮＯ_X 吸収量が増大して下流側に
流出する排気中のＮＯ_X 濃度が増大する場合にのみ還元
剤供給装置１１の制御弁１４を開弁して、ＮＯ_X 選択還
元触媒６に還元剤を供給することにより還元剤消費量の
低減と過剰な還元剤の大気放出を防止している。

【００２７】次に、図４に上記還元剤供給制御のフロー
チャートを示す。本ルーチンはＥＣＵ２０により所定時
間毎（例えば、６４ms毎）に実行される。図４に於いて
ルーチンがスタートすると、ステップ４０１ではＮＯ_X
吸収剤５に流入する排気空燃比ＡＦ、機関吸気マニホル
ド圧力ＰＭ、機関回転数ＮＥがそれぞれ空燃比センサ
７、吸気圧センサ９、回転数センサ１０から読み込まれ
る。

【００２８】次いで、ステップ４０３では上記により読
み込んだ空燃比ＡＦが理論空燃比相当値ＳＴ（例えばＳ
Ｔ＝１４．５）と比較され、ＮＯ_X 吸収剤５に流入する
排気空燃比がリッチかリーンかが判断される。空燃比が
リッチである場合（ＡＦ＜ＳＴ）には、ＮＯ_X 吸収剤５
が排気中のＮＯ_X を吸収中であるので、ステップ４０５
に進みＮＯ_X 吸収剤のＮＯ_X 吸収量の増加分ＡＮＯ_X を
算出する。ここで、増加分ＡＮＯ_X は例えばルーチン実
行間隔（例えば６４ms）の間にＮＯ_X 吸収剤が吸収する
ＮＯ_X 量に相当する値で、近似的に排気中のＮＯ_X 濃度
と排気空燃比との関数として与えられる。また、排気中
のＮＯ_X 濃度は機関負荷、回転数等の条件によって与え
られる。本実施例では、予め実験等により機関負荷（吸
気マニホルド圧力ＰＭ）、回転数ＮＥ、排気空燃比ＡＦ
とＮＯ_X 吸収量ＡＮＯ_X との関係を求め、ＥＣＵ２０の
ＲＯＭに格納しておき、ステップ４０５ではステップ４
０１で読み込んだＰＭ、ＮＥ、ＡＦの値を用いてＲＯＭ
に格納した上記関係から吸収量ＡＮＯ_X を算出する。

【００２９】上記により吸収量ＡＮＯ_X が算出される
と、ステップ４０７では前回ルーチン実行時のＮＯ_X 吸
収剤５内のＮＯ_X 量ＳＮＯ_X にＡＮＯ_X が加算され、現
在のＮＯ_X 吸収剤５内のＮＯ_X 量ＳＮＯ_X が算出され
る。ステップ４０９、４１１ではＮＯ_X 量ＳＮＯ_X が最
大値ＳＮＯ_{X MAX} でガードされる。ここで、ＳＮＯ
_{X MAX}はＮＯ_X 吸収剤５が吸収しうるＮＯ_X 量の最大値
（飽和量）に相当する値である。

【００３０】一方、ステップ４０３でＮＯ_X 吸収剤５に
流入する排気空燃比がリーンである場合（ＡＦ＞ＳＴ）
には、リッチ空燃比の排気によりＮＯ_X 吸収剤５に吸収
されたＮＯ_X が還元浄化されており、ＮＯ_X 吸収剤５に
吸収されたＮＯ_X 量ＳＮＯ_Xが減少していることを意味
するので、ステップ４１３に進みＮＯ_X 量の減少分ＢＮ
Ｏ_X を算出する。ここで減少分ＢＮＯ_X は、例えばルー
チン実行間隔の間にＮＯ_X 吸収剤から放出され、還元浄
化されるＮＯ_X 量に相当し、前述のＡＮＯ_X と同様に吸
気マニホルド圧力ＰＭ、回転数ＮＥ、排気空燃比ＡＦの
関数として予め実験等により求められ、ＥＣＵ２０のＲ
ＯＭに格納されている。ステップ４１３では、この関係
に基づいてステップ４０１で読み込んだＰＭ、ＮＥ、Ａ
Ｆの値から減少分ＢＮＯ_X が算出される。

【００３１】次いで、ステップ４１５から４１９では、
上記により算出されたＢＮＯ_X の値を用いて現在のＮＯ
_X 吸収剤５内のＮＯ_X 量ＳＮＯ_X が算出され、ＳＮＯ_X
が最小値ゼロでガードされる。上記操作終了後、ステッ
プ４２１では現在ＮＯ_X 吸収剤５内に吸収されているＮ
Ｏ_X の量ＳＮＯ_X が所定値ＳＮＯ_X0より大きいか否かが
判断される。ここで、ＳＮＯ_X0は、下流側に流出する排
気中のＮＯ_X 濃度が上流側の排気中のＮＯ_X 濃度の一定
の割合（例えば９０パーセント程度）に増加するまでＮ
Ｏ_X 吸収剤のＮＯ_X 吸収能力が低下するＮＯ_X 吸収量で
ある（図３参照）。ＳＮＯ_X0の値は予め実験等により設
定される。

【００３２】ステップ４２１でＳＮＯ_X が所定値ＳＮＯ
_X0を越えている場合には、吸収量の増大によりＮＯ_X 吸
収剤の吸収能力が低下しており、下流側排気中のＮＯ_X
濃度が増大していることを意味するため、ステップ４２
３に進み、還元剤供給装置１１の制御弁１４を開弁して
ＮＯ_X 選択還元触媒６に水素を供給する。これにより排
気中のＮＯ_X はＮＯ_X 選択還元触媒６上で還元浄化さ
れ、未浄化のＮＯ_X の大気放出が防止される。

【００３３】また、ステップ４２１でＳＮＯ_X が所定値
ＳＮＯ_X0以下である場合には、ＮＯ _X 吸収剤５の吸収能
力が充分に高く、下流側排気中のＮＯ_X 濃度は充分に低
いと考えられるため、ステップ４２５に進み還元剤供給
装置１１の制御弁１４を閉弁して還元剤の供給を停止す
る。上述のように、本実施例ではＮＯ_X 吸収剤５の再生
のためのみに強制的に機関運転空燃比がリーンからリッ
チに切り換えられることがないため、運転者の予期しな
いトルクショックが生じることが防止される。また、リ
ーン空燃比運転が長時間続いてＮＯ_X 吸収剤５のＮＯ_X
吸収能力が低下した場合にはＮＯ_X 選択還元触媒６によ
るＮＯ_X の浄化が行われるため、ＮＯ_X のエミッション
が悪化することがない。

【００３４】なお、ＮＯ_X 吸収剤のＮＯ_X 吸収量が飽和
に近づいて吸収能力が低下するまでの運転時間は、通
常、５分から１０分程度程度の時間であり、これに対し
てＮＯ _X 吸収剤の再生に要する時間は１秒から数秒程度
の時間である。従って、通常は５分から１０分程度に一
度高負荷運転が行われれば、ＮＯ_X 吸収剤５はＮＯ_X 吸
収能力が低下する前に再生されることになる。このた
め、還元剤供給装置１１からＮＯ_X 選択還元触媒６に還
元剤を供給する必要が生じるのは、主として高速道路に
おける定常走行などの限られた場合になり全体としての
還元剤消費量は極めて少なくなる。

【００３５】図５は本発明の還元剤供給制御の別の実施
例を示す。本ルーチンも図４のルーチンと同様、ＥＣＵ
２０により一定時間毎に実行される。前述の実施例で
は、ＮＯ_X 吸収剤５内のＮＯ_X 吸収量ＳＮＯ_X を機関負
荷、回転数、空燃比の関数として計算しているが、本実
施例ではＮＯ_X 吸収剤５内のＮＯ_X 吸収量（ＴＮＯ_X ）
を排気空燃比がリーンになった時間とリッチになった時
間の関数として近似的に算出している点が相違してい
る。

【００３６】すなわち、ステップ５０１で空燃比センサ
７からＮＯ_X 吸収剤５に流入する排気空燃比を読み込
み、ステップ５０７でＮＯ_X 吸収剤５に流入する排気空
燃比ＡＦがリーンであった場合には、ＮＯ_X 吸収剤５内
のＮＯ_X 吸収量を表すパラメータＴＮＯ_X が１だけ増加
され、逆に排気空燃比ＡＦがリッチであった場合にはス
テップ５１５でＴＮＯ_X が定数Ａだけ低減される。

【００３７】前述のように、ＮＯ_X 吸収剤のＮＯ_X 吸収
量が飽和に達する運転時間は５分から１０分程度である
のに対して、ＮＯ_X 吸収剤の再生に要する時間は１秒か
ら数秒と極めて短い。すなわち、ＮＯ_X 吸収剤からのＮ
Ｏ_X の放出、還元浄化の速度は吸収時間の数百倍であ
る。このため、空燃比がリッチになった場合の単位時間
当たりのＮＯ_X 量ＴＮＯ_X の減少は、空燃比がリーンに
なった場合の単位時間当たりのＮＯ_X 量ＴＮＯ_X の増加
よりはるかに大きい。従って、上記定数Ａは１に対して
非常に大きな値（例えば２００から３００程度）に設定
される。図５の他のステップは図４の対応するステップ
と略同一であるのでここでは詳細な説明は省略する。

【００３８】本実施例によれば、ＮＯ_X 吸収剤内のＮＯ
_X 吸収量を空燃比がリーンになった時間とリッチになっ
た時間との関数として近似的に算出しているため、簡易
な制御が可能になる利点がある。次に図６に、本発明の
別の実施例を示す。図６は本実施例の排気浄化装置の全
体を示す図１と同様な図であり、図１と同じ参照符号は
図１と同様な要素を示している。

【００３９】本実施例では、図１のＮＯ_X 吸収剤５上流
側の空燃比センサ７の代わりに、ＮＯ_X 吸収剤５とＮＯ
_X 選択還元触媒６との間の排気通路に排気中のＮＯ_X 濃
度を検出するＮＯ_X センサ８を設けた点が図１と相違し
ている。排気中のＮＯ_X 濃度を検出するＮＯ_X センサと
しては、種々のタイプがあるが、本実施例では、例えば
チタニア（酸化チタン）を主成分とするＮ型酸化物半導
体セラミックスをセンサとして用いて、排気中のＮＯ_X
がセンサ表面に吸着される際にセラミックス中の電子を
捕捉することにより生じる電気抵抗値の変化から排気中
のＮＯ_X 濃度を読みとる半導体型センサを使用してお
り、ＮＯ_X 吸収剤５から流出する排気中のＮＯ_X 濃度を
リアルタイムで検出している。

【００４０】本実施例では、上記により検出した、ＮＯ
_X 吸収剤５下流側の排気のＮＯ_X 濃度が予め設定した所
定値以上になったときに、ＮＯ_X 吸収剤５のＮＯ_X 吸収
量が飽和量に近づいたと判断し、ＮＯ_X 選択還元触媒６
に還元剤の供給を行う。図７は、本実施例の上記還元剤
供給制御のフローチャートを示す。本ルーチンも図４、
図５のルーチンと同様、ＥＣＵ２０により一定時間毎に
実行される。

【００４１】図７においてルーチンがスタートすると、
ステップ７０１ではＮＯ_X センサ８からＮＯ_X 吸収剤５
下流側の排気中のＮＯ_X 濃度ＣＮＯ_X が読み込まれる。
次いでステップ７０３では、上記ＮＯ_X 濃度ＣＮＯ_X が
所定値ＣＮＯ_X0以上か否かが判断される。ここで、所定
値ＣＮＯ_X0は排気中のＮＯ_X 濃度規制値に応じて任意に
設定可能であり、本実施例では、例えば１００から２０
０_ppm 程度に設定される。

【００４２】ステップ７０３でＮＯ_X 濃度が所定値ＣＮ
Ｏ_X0を越えている場合には、ステップ７０５で還元剤供
給装置１１の制御弁１４が開弁され、ＮＯ_X 選択還元触
媒６に還元剤が供給される。これにより、排気中のＮＯ
_X はＮＯ_X 選択還元触媒６により還元浄化され、大気に
所定値以上の濃度のＮＯ_X が放出されることが防止され
る。また、ステップ７０３でＮＯ_X 濃度が所定値以下の
場合には、ＮＯ_X 吸収剤５内のＮＯ_X 吸収量が低く、Ｎ
Ｏ_X 吸収剤５のＮＯ_X 吸収能力が充分に高いため、ステ
ップ７０７で制御弁１４が閉弁され、ＮＯ_X 選択還元触
媒６への還元剤供給は行わない。

【００４３】本実施例によれば、実際にＮＯ_X 吸収剤５
を通過した排気中のＮＯ_X 濃度に基づいてＮＯ_X 選択還
元触媒６への還元剤供給が行われるため、例えばＮＯ_X
吸収剤５が劣化して吸収可能なＮＯ_X 量の最大値（飽和
量）が低下したような場合でも、ＮＯ_X のエミッション
増大を効果的に防止することができる。

【００４４】

【発明の効果】本発明の排気浄化装置によれば上述のよ
うに、ＮＯ_X 吸収剤の下流側にＮＯ_X選択還元触媒を配
置し、ＮＯ_X 吸収剤に吸収されたＮＯ_X 量が所定値以上
になったときにＮＯ_X 選択還元触媒に還元剤を供給する
ようにしたことにより、未浄化のＮＯ_X が大気放出され
ることを防止しながら、ＮＯ_X 吸収剤の再生のために運
転者が予期しないトルクショックが生じることを防止す
ることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の排気浄化装置の一実施例を示す内燃機
関の全体図である。

【図２】ＮＯ_X 吸収剤のＮＯ_X の吸放出作用を説明する
図である。

【図３】ＮＯ_X 吸収剤内のＮＯ_X 吸収量の増大に伴うＮ
Ｏ_X 吸収剤下流側の排気中のＮＯ_X 濃度の変化を説明す
る図である。

【図４】図１の実施例の還元剤供給制御を説明するフロ
ーチャートである。

【図５】図１の実施例の還元剤供給制御の別の例を説明
するフローチャートである。

【図６】本発明の排気浄化装置の別の実施例を示す図１
と同様な図である。

【図７】図６の実施例の還元剤供給制御を説明するフロ
ーチャートである。

【符号の説明】

１…内燃機関 ３…排気通路 ５…ＮＯ_X 吸収剤 ６…ＮＯ_X 選択還元触媒 ７…空燃比センサ ８…ＮＯ_X センサ ９…吸気圧センサ １０…回転数センサ １１…還元剤供給装置 ２０…エンジン制御回路（ＥＣＵ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松浦 幸三 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自 動車株式会社内 (72)発明者 藤本 正男 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 瀧 昌弘 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 横田 幸治 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の１株式会社豊田中央研究所内 (56)参考文献 特開 平６−272545（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−195755（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−98942（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F01N 3/08 - 3/28 F02D 41/04 305

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 リーン空燃比の燃焼を行うことのできる
   内燃機関の排気通路に配置された、流入する排気の空燃
   比がリーンのときに排気中のＮＯ_X を吸収し、排気酸素
   濃度が低下したときに吸収したＮＯ_X を放出するＮＯ_X
   吸収剤と、 前記ＮＯ_X 吸収剤下流側の排気通路に配置された、リー
   ン排気空燃比条件下で排気中のＮＯ_X を還元剤と選択的
   に反応させ得るＮＯ_X 選択還元触媒と、 前記ＮＯ_X 吸収剤とＮＯ_X 選択還元触媒との間の排気通
   路に還元剤を供給する還元剤供給装置と、 前記ＮＯ_X 吸収剤に吸収されたＮＯ_X 量を検出する検出
   手段と、 前記ＮＯ_X 吸収剤に吸収されたＮＯ_X 量が所定値以上に
   なったときに、前記還元剤供給装置から前記ＮＯ_X 選択
   還元触媒に還元剤を供給する制御手段とを備えた内燃機
   関の排気浄化装置。