JP3487209B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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、詳細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、流入する排気中の酸素濃
度が低下したときに吸収したＮＯ_X を放出するＮＯ_X 吸
蔵還元触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】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、流入する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ＮＯ_X 吸蔵還元
触媒が知られている。この種のＮＯ_X 吸蔵還元触媒を用
いた内燃機関の排気浄化装置の例としては、例えば特開
平６−２００７３８号公報に記載されたものがある。

【０００３】同公報の装置は、リーン空燃比で運転可能
な機関の排気通路にＮＯ_X 吸蔵還元触媒を配置し、機関
がリーン空燃比で運転されているときに排気中のＮＯ_X
を吸収させ、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒のＮＯ_X 吸収量が所定
値に到達したときにＮＯ_X 吸蔵還元触媒の上流側の排気
通路に配置した還元剤供給ノズルから還元剤として液体
または気体の炭化水素等を排気中に噴射するようにした
ものである。ＮＯ_X 吸蔵還元触媒に排気とともに還元剤
が供給されると、還元剤のＮＯ_X 吸蔵還元触媒上での酸
化により排気中の酸素濃度が低下するためＮＯ_X 吸蔵還
元触媒からは吸収したＮＯ_X が放出される。また、放出
されたＮＯ_X は触媒上で排気中の還元剤と反応して還
元、浄化される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記特開平
６−２００７３８号公報の装置のように、ある時間間隔
でＮＯ_X 吸蔵還元触媒に還元剤を供給してＮＯ_X 吸蔵還
元触媒からのＮＯ_X の放出と還元浄化とを行うようにし
たときに、還元剤供給の時間間隔によっては全体として
のＮＯ_X の浄化率が良好にならない場合が生じる。

【０００５】通常、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒に還元剤を供給
してＮＯ_X 吸蔵還元触媒からのＮＯ _X の放出と還元浄化
とを行う操作（以下、「ＮＯ_X 吸蔵還元触媒の再生操
作」と呼ぶ）は、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒に吸収されたＮＯ
_X 量がある一定レベルに到達したときに実行されるが、
このＮＯ_X 吸収量のレベルはＮＯ_X 吸蔵還元触媒が吸収
したＮＯ_X で飽和する吸収量（飽和量）を基準に定めら
れる。すなわち、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X 吸収能力
を最大限に活用してＮＯ_X 吸蔵還元触媒の再生操作の実
行頻度を低く抑えるためには、できるだけ多くのＮＯ_X
がＮＯ_X 吸蔵還元触媒に吸収されてから再生操作を実行
することが好ましい。そこで、通常、再生操作を実行す
るＮＯ_X 吸収量のレベルはＮＯ_X 吸蔵還元触媒の飽和量
にある程度の余裕を見た比較的高いレベル（例えばＮＯ
_X 吸蔵還元触媒の飽和量の７０パーセント程度）に設定
される。

【０００６】ところが、このようにＮＯ_X 吸蔵還元触媒
のＮＯ_X 吸収量が比較的高いレベルに到達するまで待っ
てＮＯ_X 吸蔵還元触媒の再生操作を実行した場合には全
体としてのＮＯ_X の浄化率を大幅に向上させることが困
難であることが判明している。例えば、従来ＮＯ_X 吸蔵
還元触媒の再生操作時にはＮＯ_X 吸蔵還元触媒から放出
されたＮＯ_X は供給された還元剤により完全に浄化さ
れ、下流側には未浄化のＮＯ_X は放出されないと考えら
れていた。ところが、実際にはＮＯ_X 吸蔵還元触媒の再
生操作時に未浄化のままのＮＯ_X が触媒下流側に放出さ
れる場合があることが判明している。

【０００７】前述のように、還元剤が供給されるとＮＯ
_X 吸蔵還元触媒近傍の酸素濃度が低下しＮＯ_X 吸蔵還元
触媒からはＮＯ_X が放出される。ところが、触媒からの
ＮＯ _X の放出速度は一定ではなく、酸素濃度が低下した
直後（還元剤供給開始直後）には急激に比較的多量のＮ
Ｏ_X が放出され、その後はほぼ一様な比較的低い放出速
度でＮＯ_X が放出されることが判明している。この、還
元剤供給開始直後にＮＯ_X 吸蔵還元触媒から吸収したＮ
Ｏ_X が急激に放出される現象を「ＮＯ_X の吐き出し」と
呼ぶことにすると、ＮＯ_X の吐き出しにおけるＮＯ_X 放
出量（放出速度）はＮＯ_X 吸蔵還元触媒のＮＯ_X 吸蔵
量、すなわちＮＯ_X 吸蔵還元触媒内に吸収されたＮＯ_X
の量が多い程大きくなる。このため、ＮＯ_X 吸蔵還元触
媒の再生操作を比較的高いＮＯ_X 吸蔵量レベルで実行す
るようにしているとＮＯ_X の吐き出しにより放出された
多量の未浄化ＮＯ_X により一時的に排気中の還元剤が不
足するようになり、還元剤供給開始直後に放出されたＮ
Ｏ_X が未浄化のままＮＯ_X 吸蔵還元触媒下流側に流出す
るようになる。ＮＯ_X の吐き出しは還元剤供給開始後短
時間で終了し、その後はＮＯ_X 放出速度は比較的低い速
度になるため吐き出しが終了した後は排気中の還元剤が
不足することはなくなる。このため、ＮＯ_X 吸蔵還元触
媒のＮＯ_X 吸蔵量が比較的高いレベルにあっても還元剤
供給開始後ある程度の時間が経過すれば未浄化のＮＯ_X
の流出は停止するようになるが、この場合、再生操作実
行毎にＮＯ_X 吸蔵還元触媒から未浄化のＮＯ_X が流出す
るため全体としての平均ＮＯ_X 浄化率をある程度以上に
は上げることができない問題が生じる。

【０００８】更に、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒では上記ＮＯ_X
の吐き出し以外にも「ＮＯ_X の染み出し」と称する現象
が発見されている。従来、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒はＮＯ_X
吸蔵量が飽和量に到達しない限り排気空燃比がリーンで
あれば排気中のＮＯ_X を吸収すると考えられていた。し
かし、実際にはＮＯ_X 吸蔵還元触媒のＮＯ_X 吸蔵量が増
大するにつれてＮＯ_X 吸蔵還元触媒のＮＯ_X 吸収能力は
徐々に低下することが判明している。このため、ＮＯ_X
吸蔵還元触媒のＮＯ_X 吸蔵量が飽和量よりかなり低い状
態であっても、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒下流側には触媒に吸
収されなかったＮＯ_X が流出している。また、このＮＯ
_X 流出量はＮＯ_X 吸蔵還元触媒のＮＯ_X 吸蔵量が多くな
るにつれて増大し、ＮＯ_X 吸蔵量が飽和量に到達すると
排気中のＮＯ_X はＮＯ_X 吸蔵還元触媒に全く吸収されず
に下流側に流出するようになる。このように、排気空燃
比がリーンのときにＮＯ_X 吸蔵量に応じた量のＮＯ_X が
未浄化のまま触媒下流側に流出する現象を「ＮＯ_X の染
み出し」と称する。

【０００９】上述のように、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒の再生
時にＮＯ_X の吐き出しにより流出する未浄化のＮＯ
_X 量、及びリーン空燃比下でＮＯ_X の染み出しにより流
出する未浄化のＮＯ_X 量はともにＮＯ_X 吸蔵還元触媒の
ＮＯ_X 吸蔵量に応じて増大する。このため、従来のよう
にＮＯ_X 吸蔵量が比較的高いレベルに到達したときにＮ
Ｏ _X 吸蔵還元触媒の再生操作を実行するようにした排気
浄化装置では、ＮＯ_X の吐き出しと染み出しとにより放
出される未浄化のＮＯ_X のため、ある程度以上には全体
としてのＮＯ_X 浄化率を向上させることはできない。

【００１０】本発明は上記問題に鑑み、ＮＯ_X の吐き出
しまたは染み出しによるＮＯ_X 浄化率の低下を防止し、
大幅にＮＯ_X 浄化率を向上させることが可能な内燃機関
の排気浄化装置を提供することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
よれば、内燃機関の排気通路に配置され流入する排気の
空燃比がリーンのときに排気中のＮＯ_Xを吸収し、流入
する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ＮＯ_X吸蔵還元触媒と、該ＮＯ_X吸蔵還元触媒
に流入する排気空燃比がリーンのときにＮＯ_X吸蔵還元
触媒に還元剤を供給することにより、ＮＯ_X吸蔵還元触
媒に流入する排気中の酸素濃度を低下させるとともに、
放出されたＮＯ_Xを還元浄化する還元剤供給装置とを備
えた内燃機関の排気浄化装置において、前記ＮＯ_X吸蔵
還元触媒は、前記還元剤供給開始直後に、供給された還
元剤によっては還元されない未浄化ＮＯ_Xを下流側に放
出し、該未浄化ＮＯ_X量がＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸収した
ＮＯ_X量に応じて増加する、ＮＯ _X の吐き出しを生じ、前
記還元剤供給装置は、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸収された
ＮＯ_X量が所定のレベルに到達したときにＮＯ_X吸蔵還元
触媒に還元剤を供給し、前記所定のＮＯ_X吸収量レベル
は、前記還元剤供給開始時の前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒か
らのＮＯ _X の吐き出しにより流出する未浄化ＮＯ_X放出量
が予め定めた値以下になるように設定されていることを
特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供される。

【００１２】すなわち、請求項１に記載の発明ではＮＯ
_X 吸蔵還元触媒に吸収されたＮＯ_X量が所定レベルに到
達する毎にＮＯ_X 吸蔵還元触媒の再生操作が行われる。
しかし、この所定レベルは再生操作開始時のＮＯ_X の吐
き出しにより流出する未浄化のＮＯ_X 量が所定の低い値
に維持されるように、従来に較べてかなり低いレベルに
設定される。これにより、本発明では従来に比較して非
常に短い間隔で再生操作が実行されることになるが、再
生操作開始時の吐き出しによる未浄化のＮＯ_Xの放出量
は極めて低い値に抑えられるため全体としてのＮＯ_X の
浄化率を大幅に向上させることができる。なお、ＮＯ_X
吸蔵還元触媒への還元剤の供給はＮＯ_X吸蔵還元触媒上
流側の排気通路に炭化水素（ＨＣ）等から成る還元剤を
噴射することによって行ってもよいし、機関を短時間リ
ッチ空燃比で運転することにより、排気中の未燃ＨＣ、
ＣＯ成分を増大させることによって行っても良い。

【００１３】請求項２に記載の発明によれば、内燃機関
の排気通路に配置され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、流入する排気中の酸素
濃度が低下したときに吸収したＮＯ_Xを放出するＮＯ_X吸
蔵還元触媒と、該ＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気空
燃比がリーンのときにＮＯ_X吸蔵還元触媒に還元剤を供
給することにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気
中の酸素濃度を低下させるとともに、放出されたＮＯ_X
を還元浄化する還元剤供給装置とを備えた内燃機関の排
気浄化装置において、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒は、流入
する排気空燃比がリーンであっても吸収したＮＯ_X量に
応じて増大する量の未浄化のＮＯ_Xを下流側に放出する
ＮＯ _X の染み出しを生じ、前記還元剤供給装置は、ＮＯ_X
吸蔵還元触媒に吸収されたＮＯ_X量が所定のレベルに到
達したときにＮＯ_X吸蔵還元触媒に還元剤を供給し、前
記所定のＮＯ_X吸収量レベルは、リーン空燃比排気下に
おける前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒からのＮＯ _X の染み出しに
より流出する未浄化ＮＯ_X放出量が予め定めた値以下に
なるように設定されていることを特徴とする内燃機関の
排気浄化装置が提供される。

【００１４】すなわち、請求項２に記載の発明において
もＮＯ_X 吸蔵還元触媒に吸収されたＮＯ_X 量が所定レベ
ルに到達する毎にＮＯ_X 吸蔵還元触媒の再生操作が行わ
れる。しかし、本発明ではこの所定レベルはＮＯ_X 吸蔵
還元触媒のＮＯ_X 吸蔵量の増大によるＮＯ_X の染み出し
により流出する未浄化のＮＯ_X 量が所定の低い値に維持
されるように、従来に較べてかなり低いレベルに設定さ
れる。これにより、本発明では従来に比較して非常に短
い間隔で再生操作が実行されることになるが、ＮＯ_X の
染み出しによる未浄化のＮＯ_X の放出量は極めて低い値
に抑えられるため全体としてのＮＯ_X の浄化率を大幅に
向上させることができる。なお、本発明においてもＮＯ
_X 吸蔵還元触媒への還元剤の供給は排気通路への還元剤
の噴射により、または機関を短時間リッチ空燃比で運転
することにより、行っても良い。

【００１５】なお、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒の再生操作を開
始するＮＯ_X 吸蔵量のレベルは、請求項１の発明の吐き
出しによる未浄化ＮＯ_X 量が所定値以下になる値、また
は本発明の染み出しによる未浄化ＮＯ_X 量が所定値以下
になる値のいずれか低い方の値に設定するようにすれ
ば、より完全に未浄化のＮＯ_X の放出を低減することが
できる。

【００１６】請求項３に記載の発明によれば、前記還元
剤供給装置は、前記ＮＯ_X 吸蔵還元触媒の上流側の排気
通路に還元剤を噴射する還元剤供給ノズルを備え、ＮＯ
_X 吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比がリーンのときに
ＮＯ_X 吸蔵還元触媒に吸収されたＮＯ_X 量が前記所定の
レベルに到達する毎に予め定めた量の還元剤を排気中に
供給する請求項１または請求項２に記載の内燃機関の排
気浄化装置が提供される。

【００１７】すなわち、請求項３に記載の発明ではＮＯ
_X 吸蔵還元触媒への還元剤の供給はＮＯ_X 吸蔵還元触媒
上流側の排気通路に配置した還元剤供給ノズルから排気
中に還元剤を噴射することにより行われる。これによ
り、リッチ空燃比で運転することが困難なディーゼル機
関においてもＮＯ_X の浄化率を大幅に向上させることが
できる。

【００１８】請求項４に記載の発明によれば、前記還元
剤供給ノズルからの還元剤の噴射量と噴射率とは、前記
還元剤の供給が行われる時間間隔に応じて設定されてい
る請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供され
る。すなわち、請求項４に記載の発明では、再生操作の
実行間隔に応じて還元剤供給ノズルからの還元剤の噴射
率と噴射量とが設定される。本発明では、従来に較べて
短い間隔で再生操作が実行されることになるため、各再
生操作時に従来と同じ量の還元剤を噴射していたのでは
還元剤消費量が大幅に増大する。また、本発明ではＮＯ
_X 吸蔵還元触媒のＮＯ_X 吸蔵量が低いレベルにあるとき
に再生操作を行うため、再生操作に必要とされる還元剤
の量は少ない。このため、本発明では再生操作時に供給
する還元剤の量は再生操作の時間間隔に応じて、すなわ
ち再生操作時にＮＯ_X 吸蔵還元触媒に吸蔵されているＮ
Ｏ_X の量に応じて過不足が生じないように設定される。
また、これにより各再生操作時に還元剤供給ノズルから
噴射される還元剤の量は減少するが、この少ない量の還
元剤を長時間の間に排気に噴射したのでは、還元剤が排
気に希釈されてしまいＮＯ_X 吸蔵還元触媒の酸素濃度を
低下させる事ができない。そこで、本発明では、還元剤
供給ノズルからの還元剤の噴射率を噴射量に応じて（す
なわち再生操作の実行間隔に応じて）設定し、排気中の
還元剤濃度が充分に高く維持されるようにしている。こ
れにより、再生操作の時間間隔が短く設定されても還元
剤の消費量の増大が抑制されるとともに、ＮＯ_X 吸蔵還
元触媒の完全な再生が行われる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を用いて本発明の
実施形態について説明する。図１は、本発明の排気浄化
装置の一実施形態の概略構成を示す図である。図１にお
いて、１は内燃機関を示す。本実施形態では、内燃機関
１としてディーゼル機関が使用されており、機関の各気
筒排気ポートは排気マニホルド３１を介して共通の排気
通路３に接続されている。更に、排気通路３上には後述
するＮＯ_X 吸蔵還元触媒７が配置されている。図１に９
で示すのはＮＯ_X 吸蔵還元触媒７再生操作時にＮＯ_X 吸
蔵還元触媒７に還元剤を供給する還元剤供給装置であ
る。還元剤供給装置は、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒７の排気入
口近傍に配置された還元剤供給ノズル９１を備えＮＯ_X
吸蔵還元触媒７に流入する排気中に還元剤を噴射するこ
とによりＮＯ_X 吸蔵還元触媒７に流入する排気中の酸素
濃度を低下させ、触媒７から吸収したＮＯ_X を放出させ
るとともに、放出されたＮＯ_X を還元浄化する。後述す
るように、本実施形態では還元剤として機関１の燃料
（ディーゼル油）が使用される。還元剤供給装置９は、
図示しない機関燃料系統に接続され、燃料系統から供給
された加圧燃料を還元剤供給ノズル９１から排気通路３
内に噴射する。

【００２０】図１に３０で示すのは、機関１の電子制御
ユニット（ＥＣＵ）である。本実施形態では、ＥＣＵ３
０はＲＡＭ、ＲＯＭ、ＣＰＵを備えた公知の構成のマイ
クロコンピュータとして構成され、機関１の燃料噴射
量、燃料噴射時期等の基本制御を行う他、還元剤供給装
置９を制御して後述するＮＯ_X 吸蔵還元触媒７からのＮ
Ｏ_X の放出及び還元浄化操作（ＮＯ_X 吸蔵還元触媒の再
生操作）を実施する。

【００２１】本実施形態のＮＯ_X 吸蔵還元触媒７は、ア
ルミナ等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 、セリウムＣｅ、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の成分と、白金
Ｐｔのような貴金属とを担持したものである。ＮＯ_X 吸
蔵還元触媒は流入する排気ガスの空燃比がリーンのとき
に、排気中のＮＯ_X （ＮＯ₂ 、ＮＯ）を硝酸イオンＮＯ
₃ ^- の形で吸収し、流入排気ガスの酸素濃度が低下する
と吸収したＮＯ_X を放出するＮＯ_X の吸放出作用を行
う。

【００２２】この吸放出のメカニズムについて、以下に
白金ＰｔおよびバリウムＢａを使用した場合を例にとっ
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。流入排
気中の酸素濃度が増大すると（すなわち排気の空燃比が
リーン空燃比になると）、これら酸素は白金Ｐｔ上にＯ
₂ ^- またはＯ^2-の形で付着し、排気中のＮＯ_X は白金Ｐ
ｔ上のＯ₂ ^- またはＯ^2-と反応し、これによりＮＯ₂ が
生成される。また、流入排気中のＮＯ₂ 及び上記により
生成したＮＯ₂ は白金Ｐｔ上で更に酸化されつつ触媒中
に吸収されて吸収剤として機能する酸化バリウムＢａＯ
と結合しながら硝酸イオンＮＯ₃ ^- の形で触媒内に拡散
する。このため、リーン雰囲気下では排気中のＮＯ_X が
ＮＯ_X 吸蔵還元触媒内に硝酸塩の形で吸収されるように
なる。

【００２３】また、流入排気中の酸素濃度が低下すると
（すなわち、排気の空燃比が低下すると）、白金Ｐｔ上
でのＮＯ₂ 生成量が減少するため反応が逆方向に進むよ
うになり、触媒内の硝酸イオンＮＯ₃ ^- はＮＯ₂ の形で
ＮＯ_X 吸蔵還元触媒から放出されるようになる。この場
合、排気中にＨＣ、ＣＯ等の成分が存在すると白金Ｐｔ
上でこれらの成分によりＮＯ₂ が還元される。

【００２４】本実施形態では、機関１としてディーゼル
機関が使用されているため機関の排気空燃比はリーンで
あり、通常運転中は排気通路３のＮＯ_X 吸蔵還元触媒７
にはリーン空燃比の排気が流入し排気中のＮＯ_X がＮＯ
_X 吸蔵還元触媒７に吸収される。また、ＮＯ_X 吸蔵還元
触媒７上流側の排気通路３に還元剤が供給されるとＮＯ
_X 吸蔵還元触媒７には還元剤を含んだ排気が流入し、還
元剤の一部はＮＯ_X 吸蔵還元触媒７の白金Ｐｔ上で酸素
と反応する。これにより、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒７の雰囲
気中の酸素濃度が低下するとともに、還元剤の酸化によ
り未燃ＨＣ、ＣＯ等の成分が発生する。還元剤の酸化に
よりＮＯ_X 吸蔵還元触媒７の雰囲気酸素濃度が低下する
と、上述したメカニズムによりＮＯ_X 吸蔵還元触媒７か
らＮＯ_Xが放出され排気中のＨＣ、ＣＯ成分により還元
される。

【００２５】上記ＮＯ_X 吸蔵還元触媒からのＮＯ_X の放
出、還元浄化操作（ＮＯ_X 吸蔵還元触媒の再生操作）に
使用される還元剤としては、排気中でＨ₂ 等の還元成分
やＨＣ、ＣＯ成分を生成するものが使用され、例えば水
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、ガソリン、軽油、灯油
等の液体燃料等が使用できる。本実施形態では、内燃機
関１としてディーゼル機関が使用されているため、補
給、貯蔵の便を考慮して還元剤として機関１の燃料（デ
ィーゼル油）を使用するようにしている。還元剤供給装
置９は機関１の燃料ポンプ（図示せず）から供給された
燃料を遮断弁、流量調整弁（図示せず）を介して還元剤
供給ノズル９１からＮＯ_X 吸蔵還元触媒７上流側の排気
通路に供給することによりＮＯ_X 吸蔵還元触媒７の再生
を行う。

【００２６】上述のように、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒７は還
元剤供給装置９から還元剤が供給されていないときに
（すなわち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、還元剤供給装置９から排気中に還
元剤が供給され流入する排気の酸素濃度が低下すると吸
収したＮＯ_X を放出、還元浄化する。このため、従来Ｎ
Ｏ_X 吸蔵還元触媒７が吸収したＮＯ_X で飽和しない限り
下流側には未浄化のＮＯ _X が放出されることはないと考
えられていた。

【００２７】ところが、実際の運転ではＮＯ_X 吸蔵還元
触媒には前述した「ＮＯ_X の吐き出し」と「ＮＯ_X の染
み出し」と称する現象が生じるためＮＯ_X 吸蔵還元触媒
が吸収したＮＯ_X で飽和していない状態でも未浄化のＮ
Ｏ_X が下流側に放出される場合があることが判明してい
る。本明細書では、前述したようにＮＯ_X 吸蔵還元触媒
の再生操作初期にＮＯ_X 吸蔵還元触媒下流側に未浄化の
ＮＯ_X が放出される現象を「ＮＯ_X の吐き出し」と呼
び、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒が排気中のＮＯ_X を吸収中（す
なわち流入する排気空燃比がリーンのとき）にＮＯ_X 吸
蔵還元触媒下流側に未浄化のＮＯ_X が放出される現象を
「ＮＯ_X の染み出し」と呼び、両者を区別している。

【００２８】ＮＯ_X の吐き出しと染み出しが何故生じる
かの理由については現在のところ明確には判明していな
いが、以下に説明する現象によるものと推測されてい
る。まず、ＮＯ_X の吐き出しの生じる理由について説明
する。前述のように、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒は吸収したＮ
Ｏ_X を硝酸塩の形で保持する。このとき、硝酸イオンは
ＮＯ_X 吸蔵還元触媒中の吸収剤（例えばＢａＯ）の表面
から内部に拡散により移動して硝酸塩を形成する。この
ため、ＮＯ_X の吸収中には吸収剤表面の硝酸イオン濃度
は内部の硝酸イオン濃度より高くなっている。この状態
でＮＯ_X 吸蔵還元触媒の再生操作が開始され吸収剤表面
の雰囲気酸素濃度が急激に低下すると、吸収剤表面近傍
の高濃度の硝酸イオンがＮＯ₂ の形で一斉に吸収剤から
放出されるようになる。このため、再生操作開始直後に
は短時間で比較的多量のＮＯ_X がＮＯ_X 吸蔵還元触媒か
ら放出されるようになり、一時的な還元剤不足が生じ、
放出されたＮＯ_X の一部が未浄化のままＮＯ_X 吸蔵還元
触媒下流側に放出されるようになると考えられる。

【００２９】吸収剤表面近傍の硝酸イオンが放出された
後は、吸収剤内部に保持された硝酸イオンが表面に移動
してＮＯ₂ の形で放出されるようになるが、この場合に
は吸収剤からのＮＯ₂ の放出速度は吸収剤内部での硝酸
イオンの移動速度に律速されるようになるため、放出速
度は比較的低くなり、還元剤の不足は生じない。このた
め、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒の再生操作開始直後に一時的に
未浄化のＮＯ_Xが下流側に放出されるＮＯ_X の吐き出し
が生じるのである。

【００３０】吐き出しにより放出されるＮＯ_X の量は、
吸収剤表面の硝酸イオン濃度が高いほど大きくなる。こ
のため、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒に吸収されたＮＯ_X 量（Ｎ
Ｏ_X吸蔵量）が多いほど吐き出しにより放出される未浄
化のＮＯ_X が増大するようになる。また、ＮＯ_X の染み
出しはＮＯ_X 吸蔵還元触媒の吸収剤に吸収されたＮＯ_X
量の増大により吸収剤のＮＯ_X 吸蔵能力が低下するため
に生じると考えられる。上述したように、ＮＯ_X 吸蔵還
元触媒の白金Ｐｔ上で生成された硝酸イオンは吸収剤表
面から内部に拡散により移動する。従って、ＮＯ_X 吸蔵
還元触媒のＮＯ_X 吸蔵量が増大して吸収剤内部の硝酸イ
オン濃度が増大すると、内部に硝酸イオンが拡散しにく
くなり、吸収剤表面の硝酸イオン濃度が増大する。これ
により、白金Ｐｔ上でのＮＯ₂ →ＮＯ₃ ^- の反応が生じ
にくくなり排気中のＮＯ_X がＮＯ_X 吸蔵還元触媒に吸収
されなくなる。このため、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒のＮＯ_X
吸収中にはＮＯ_X 吸蔵量が増大するにつれてＮＯ_X 吸蔵
還元触媒に吸収されず下流側に流出する未浄化のＮＯ_X
量が増大するようになる。

【００３１】また、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒の最大ＮＯ_X 吸
蔵量（飽和量）はリーン空燃比下においても空燃比が低
下するにつれて（リッチ側になるにつれて）低下する。
このため、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒に比較的多量のＮＯ_X が
吸蔵されている場合、運転条件の変化により排気空燃比
が低下してＮＯ_X 吸蔵還元触媒の飽和量が低下した場合
には、飽和量を越える分の吸蔵ＮＯ_X はＮＯ_X 吸蔵還元
触媒から放出されるようになる。従って、例え排気がリ
ーン空燃比でありＮＯ_X 吸蔵還元触媒がＮＯ_Xを吸収中
であっても空燃比が低下するとＮＯ_X 吸蔵還元触媒から
飽和量を越えた分のＮＯ_X が放出されるようになる。こ
の場合、当然ＮＯ_X 吸蔵還元触媒のＮＯ _X 吸蔵量が多い
程放出される未浄化のＮＯ_X 量も増大するようになる。

【００３２】本実施形態では、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒のＮ
Ｏ_X 吸収中に生じる上記２つの種類の未浄化ＮＯ_X 放出
を併せてＮＯ_X の染み出しと称している。ところで、Ｎ
Ｏ_X の吐き出しと染み出しとにより放出される未浄化の
ＮＯ_X の量は、いずれもＮＯ_X 吸蔵還元触媒のＮＯ_X 吸
蔵量が増大するにつれて多くなる。このため、従来のよ
うにＮＯ_X 吸蔵還元触媒のＮＯ_X 吸蔵量が比較的高い値
に到達する毎に再生操作を実行するようにしていたので
は、ＮＯ_X の吐き出しと染み出しとにより放出される未
浄化のＮＯ_X 量が大きくなってしまい、全体としてのＮ
Ｏ_X 浄化率を充分に向上させることができない場合があ
る。

【００３３】そこで、本実施形態では従来ＮＯ_X 吸蔵還
元触媒のＮＯ_X 飽和量を基準にして設定されていた（例
えば飽和量の７０パーセント）再生操作実行要否判定の
ためのＮＯ_X 吸蔵量を、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒からのＮＯ
_X の吐き出しまたは染み出しにより放出される未浄化の
ＮＯ_X 量が所定値以下になるように低い値に設定するこ
とにより未浄化のＮＯ_X の放出を防止して、ＮＯ_X 吸蔵
還元触媒の全体としてのＮＯ_X 浄化率を大幅に向上させ
ている。

【００３４】本実施形態では、予め実験によりＮＯ_X 吸
蔵還元触媒のＮＯ_X 吸蔵量とＮＯ_Xの吐き出し、染み出
しによる未浄化のＮＯ_X 放出量との関係を求めておく。
そして、この関係から両方の未浄化ＮＯ_X 放出量の合計
が予め定めた値以下になるＮＯ_X 吸蔵量の最大値（再生
操作実行判定値）を定めておき、実際の運転ではＮＯ _X
の吸蔵量がこの再生操作実行判定値に到達する毎にＮＯ
_X 吸蔵還元触媒の再生操作を実行する。ＮＯ_X の吐き出
しと染み出しとによる未浄化ＮＯ_X の放出量の許容値
は、全体としてのＮＯ_X 浄化率（すなわち、ある期間に
おけるＮＯ_X 浄化率の平均値）が所望の値になるように
設定されるが、従来達成可能なＮＯ_X 浄化率より大幅に
高い浄化率を達成するために、本実施形態では未浄化の
ＮＯ_X の放出量の許容値は極めて小さく設定される。こ
のため、本実施形態ではＮＯ_X 吸蔵還元触媒の再生操作
は極めて低い値（例えば飽和量の１０パーセント以下の
程度）に設定され、従来に較べて極めて短い間隔でＮＯ
_X 吸蔵還元触媒の再生操作が実行されるようになる。こ
れにより、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒再生操作開始直後に吐き
出しにより放出される未浄化ＮＯ_X 量、及びＮＯ_X 吸蔵
量の増大のためにＮＯ _X 吸収中に染み出しにより放出さ
れる未浄化ＮＯ_X 量が低い値に抑制されるようになる。
また、機関運転条件の変化により排気空燃比が低下した
場合にも吸蔵ＮＯ_X 量が飽和量を越えることがないた
め、空燃比変化による未浄化のＮＯ_X 放出も防止される
ようになる。

【００３５】図２は本実施形態の排気浄化装置における
浄化率向上の効果を説明するタイミング図である。図２
の実線は、本実施形態の排気浄化装置のように短い間隔
で再生操作を実行した場合のＮＯ_X 吸蔵還元触媒７出口
における排気中のＮＯ_X 濃度を、点線は従来の排気浄化
装置のように比較的長い間隔で再生操作を実行した場合
のＮＯ_X 吸蔵還元触媒７出口における排気中のＮＯ_X 濃
度をそれぞれ示している。また、図２の直線ＩはＮＯ_X
吸蔵還元触媒７に流入する排気中のＮＯ_X 濃度を示して
いる（図２では、流入排気中のＮＯ_X 濃度が一定の場合
を示す）。

【００３６】まず、従来の排気浄化装置（点線）の場合
について説明すると、従来は比較的ＮＯ_X 吸蔵還元触媒
のＮＯ_X 吸蔵量が大きな値に増大するまで再生操作が実
行されない。このため、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒の吸蔵量が
増大するにつれて染み出しによる未浄化ＮＯ_X 放出量が
増大し、図２点線にＡで示すように出口排気ガス中のＮ
Ｏ_X 濃度が徐々に増大して行く。また、ＮＯ_X 吸蔵量が
所定値（例えば飽和量の７０パーセント程度）に到達す
ると、還元剤が供給されＮＯ_X 吸蔵還元触媒の再生操作
が実行されるが（図２点線、Ｂ点）、この場合も再生操
作実行時のＮＯ _X 吸蔵量が比較的大きいため、再生操作
開始時に吐き出しにより多量の未浄化ＮＯ_X が放出され
てしまう（図２点線、Ｃ部分）。吐き出しによる未浄化
のＮＯ_Xの放出は短時間で終了し、再生が完了するとＮ
Ｏ_X 吸蔵還元触媒の出口ＮＯ_X 濃度は低下するが、その
後ＮＯ_X 吸蔵量が増大するにつれて再び出口ＮＯ_X 濃度
は増大する（図２点線、Ｄ部分）。このため従来の排気
浄化装置では、全体として図２点線の下側の部分の面積
に相当する比較的多量の未浄化ＮＯ_X がＮＯ_X 吸蔵還元
触媒下流側に放出されてしまうことになり、全体として
のＮＯ_X 吸蔵還元触媒のＮＯ_X 浄化率は低くなってしま
う。

【００３７】これに対して、本実施形態の排気浄化装置
（図２実線）ではＮＯ_X 吸蔵還元触媒のＮＯ_X 吸蔵量が
極めて低い値に到達する毎に短い間隔で再生操作（図２
実線、Ｂ′点）が実行される。このため、ＮＯ_X 吸収中
の染み出しによる未浄化のＮＯ_X 放出（図２実線、Ａ′
部分）及び再生操作実行開始時の吐き出しによる未浄化
のＮＯ_X 放出（図２実線、Ｃ′）はともに小さな値にな
る。これにより、全体としてＮＯ_X 吸蔵還元触媒から放
出される未浄化のＮＯ_X 量は、図２実線下側部分の面積
に相当する極めて少ない量になり、従来の排気浄化装置
（図２、点線）に較べて大幅に全体としてのＮＯ_X 浄化
効率が向上するようになる。

【００３８】図３は、本実施形態の上記ＮＯ_X 吸蔵還元
触媒再生操作を説明するフローチャートである。本操作
は、ＥＣＵ３０により一定時間毎に実行されるルーチン
により実施される。図３において、ステップ３０１では
現在のＮＯ_X 吸蔵還元触媒７のＮＯ_X 吸蔵量ＣＮＯＸが
算出される。

【００３９】本実施形態では、ＮＯ_X 吸蔵量ＣＮＯＸは
機関の運転状態に基づいて算出される。機関から単位時
間（例えば図３の操作の実行間隔）あたりに発生するＮ
Ｏ_X量は、機関負荷条件（例えば燃料噴射量と回転数
と）により定まる。そこで、本実施形態では、予め機関
を負荷条件を変えて運転し、各負荷条件下でのＮＯ_X 発
生量を実測し、例えば燃料噴射量と回転数とを用いた数
値テーブルの形でＥＣＵ３０のＲＯＭに格納してある。
ステップ３０１では、操作実行毎にＥＣＵ３０により別
途実行される燃料噴射量演算ルーチンで算出される燃料
噴射量と、機関回転数とから上記数値テーブルを用いて
前回操作実行時から今回操作実行時までに機関から発生
したＮＯ_X 量を算出する。そして、この発生量に所定の
定数（排気中のＮＯ_X のうちＮＯ_X 吸蔵還元触媒７に吸
収されるＮＯ_X の割合）を乗じた値をＣＮＯＸに加算す
る。これにより、ＣＮＯＸの値はＮＯ_X 吸蔵還元触媒７
に吸蔵されたＮＯ_X 量に対応した値となる。

【００４０】なお本実施形態では、燃料噴射量と回転数
とに応じて算出した値をＮＯ_X 吸蔵還元触媒７のＮＯ_X
吸蔵量ＣＮＯＸとして用いているが、例えば、前回再生
操作実施後の燃料噴射量の積算値、回転数の積算値、あ
るいは機関が比較的高回転で定常運転されているような
場合には前回再生操作完了後の機関運転時間等をＮＯ _X
吸蔵量ＣＮＯＸとして用いて計算を簡素化しても良い。

【００４１】また、図２に示したようにＮＯ_X 吸蔵還元
触媒７のＮＯ_X 吸収中、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒７出口にお
ける排気中のＮＯ_X 濃度は染み出しのためＮＯ_X 吸蔵還
元触媒のＮＯ_X 吸蔵量に応じて増大していく。このた
め、例えばＮＯ_X 吸蔵還元触媒７出口に排気中のＮＯ_X
濃度を検出可能なＮＯ_X 濃度センサを配置して、ＮＯ_X
濃度センサで検出したＮＯ_X 濃度をＣＮＯＸとして使用
するようにしても良い。上記により、ＮＯ_X 吸蔵還元触
媒７のＮＯ_X 吸蔵量ＣＮＯＸを算出後、ステップ３０３
では、算出したＮＯ_X 吸蔵量ＣＮＯＸが所定値ＣＮＯＸ
₀ に到達したか否かが判定される。ここで、ＣＮＯＸ₀
は、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒７の染み出しにより放出される
未浄化ＮＯ_X の量（ＮＯ_X 吸蔵還元触媒７出口における
排気中のＮＯ_X 濃度）が予め定めた値以下になる最大Ｎ
Ｏ_X 吸蔵量、またはＮＯ_X 吸蔵還元触媒７再生操作開始
時に吐き出しにより放出される未浄化ＮＯ_X の量（濃
度）が予め定めた量以下になる最大ＮＯ_X 吸蔵量のうち
どちらか小さい値に設定される。なお、放出される未浄
化のＮＯ_X 量の許容値は、所望のＮＯ_X 浄化率から決定
される。また、ＣＮＯＸ₀ の値は、実際のＮＯ_X 吸蔵還
元触媒７を用いた実験により決定することが好ましい。

【００４２】ステップ３０３でＣＮＯＸ≧ＣＮＯＸ₀ で
あった場合にはステップ３０５で還元剤供給装置９の還
元剤供給ノズル９１から所定量の燃料が噴射され、ＮＯ
_X 吸蔵還元触媒７の再生が行われる。また、再生操作終
了後、ステップ３０５ではＮＯ_X 吸蔵量ＣＮＯＸの値は
リセットされる。なお、還元剤供給ノズル９１から噴射
する還元剤（本実施形態ではディーゼル油）の噴射量
は、ＮＯ_X 吸蔵還元触媒のＮＯ_X 吸蔵量ＣＮＯＸの全量
を浄化するのに充分な量のＨＣ、ＣＯ成分を発生可能な
最小量に設定される。このように還元剤供給量を再生操
作実行時のＮＯ_X 吸蔵還元触媒のＮＯ_X 吸蔵量に応じて
設定することにより、本実施形態では一回の再生操作で
噴射される還元剤の量は低く抑えられる。このため、本
実施形態では極めて短い時間間隔で再生操作を行うにも
かかわらず、還元剤の消費量は従来に較べて僅かに（す
なわち、従来未浄化のまま放出されていたＮＯ_X を浄化
するのに使用される還元剤の量に相当する量だけ）増大
する程度になる。また、本実施形態では極めて短い時間
間隔で再生操作が実行されるため、短時間で所要量の還
元剤をノズル９１から噴射する必要がある。また、１回
の再生操作で噴射される還元剤の量は比較的僅かなの
で、長い時間をかけてこの少量の還元剤を噴射したので
は、噴射された還元剤が排気により希釈されてしまい排
気中の還元剤濃度を充分に上昇させることができなくな
る。そこで、本実施形態では、還元剤供給ノズル９１か
らの還元剤の噴射量は再生操作の実行間隔（再生操作開
始時のＮＯ_X 吸蔵量）に応じて設定し、更にノズル９１
からの噴射率は噴射量及び再生操作実行間隔との両方を
考慮して設定するようにしている。これにより、１回の
再生操作で必要とされる量の還元剤を必要とされる濃度
でＮＯ_X 吸蔵還元触媒に流入する排気中に供給すること
が可能となる。

【００４３】なお、本実施形態では還元剤供給ノズル９
１から還元剤をＮＯ_X 吸蔵還元触媒に供給しているが、
排気による希釈を防止し充分な濃度の還元剤をＮＯ_X 吸
蔵還元触媒７に到達させるためには還元剤供給ノズル９
１をＮＯ_X 吸蔵還元触媒７上流側にできるだけ近接した
位置に配置することが望ましい。

【００４４】

【発明の効果】各請求項に記載の発明によれば、ＮＯ_X
吸蔵還元触媒からのＮＯ_X の吐き出しや染み出しによる
未浄化ＮＯ_X のために排気浄化効率が低下することを防
止し、排気浄化効率を大幅に向上させることが可能とな
る共通の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明をディーゼル機関に適用した実施形態の
概略構成を示す図である。

【図２】本発明によるＮＯ_X 浄化率の向上の効果を説明
する図である。

【図３】本発明によるＮＯ_X 吸蔵還元触媒の再生操作の
一実施形態を説明するフローチャートである。

【符号の説明】

１…ディーゼル機関 ３…排気通路 ７…ＮＯ_X 吸蔵還元触媒 ９…還元剤供給装置 ３０…電子制御ユニット（ＥＣＵ） ９１…還元剤供給ノズル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 正明 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自 動車株式会社内 (56)参考文献 特開 平10−2213（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−71325（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−200738（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F01N 3/08 - 3/36

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関の排気通路に配置され流入する
   排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯ_Xを吸収
   し、流入する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ＮＯ_X吸蔵還元触媒と、該ＮＯ_X吸蔵
   還元触媒に流入する排気空燃比がリーンのときにＮＯ_X
   吸蔵還元触媒に還元剤を供給することにより、ＮＯ_X吸
   蔵還元触媒に流入する排気中の酸素濃度を低下させると
   ともに、放出されたＮＯ_Xを還元浄化する還元剤供給装
   置とを備えた内燃機関の排気浄化装置において、 前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒は、前記還元剤供給開始直後
   に、供給された還元剤によっては還元されない未浄化Ｎ
   Ｏ_Xを下流側に放出し、該未浄化ＮＯ_X量がＮＯ_X吸蔵還
   元触媒の吸収したＮＯ_X量に応じて増加する、ＮＯ _X の吐
   き出しを生じ、 前記還元剤供給装置は、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸収され
   たＮＯ_X量が所定のレベルに到達したときにＮＯ_X吸蔵還
   元触媒に還元剤を供給し、 前記所定のＮＯ_X吸収量レベルは、前記還元剤供給開始
   時の前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒からのＮＯ _X の吐き出しによ
   り流出する未浄化ＮＯ_X放出量が予め定めた値以下にな
   るように設定されていることを特徴とする内燃機関の排
   気浄化装置。
2. 【請求項２】 内燃機関の排気通路に配置され流入する
   排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯ_Xを吸収
   し、流入する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ＮＯ_X吸蔵還元触媒と、該ＮＯ_X吸蔵
   還元触媒に流入する排気空燃比がリーンのときにＮＯ_X
   吸蔵還元触媒に還元剤を供給することにより、ＮＯ_X吸
   蔵還元触媒に流入する排気中の酸素濃度を低下させると
   ともに、放出されたＮＯ_Xを還元浄化する還元剤供給装
   置とを備えた内燃機関の排気浄化装置において、 前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒は、流入する排気空燃比がリー
   ンであっても吸収したＮＯ_X量に応じて増大する量の未
   浄化のＮＯ_Xを下流側に放出するＮＯ _X の染み出しを生
   じ、 前記還元剤供給装置は、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸収され
   たＮＯ_X量が所定のレベルに到達したときにＮＯ_X吸蔵還
   元触媒に還元剤を供給し、 前記所定のＮＯ_X吸収量レベルは、リーン空燃比排気下
   における前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒からのＮＯ _X の染み出し
   により流出する未浄化ＮＯ_X放出量が予め定めた値以下
   になるように設定されていることを特徴とする内燃機関
   の排気浄化装置。
3. 【請求項３】 前記還元剤供給装置は、前記ＮＯ_X吸蔵
   還元触媒の上流側の排気通路に還元剤を噴射する還元剤
   供給ノズルを備え、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気
   空燃比がリーンのときにＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸収され
   たＮＯ_X量が前記所定のレベルに到達する毎に予め定め
   た量の還元剤を排気中に供給する請求項１または請求項
   ２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 【請求項４】 前記還元剤供給ノズルからの還元剤の噴
   射量と噴射率とは、前記還元剤の供給が行われる時間間
   隔に応じて設定されている請求項３に記載の内燃機関の
   排気浄化装置。