JP3518391B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
内燃機関の排気浄化装置Info
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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ＮＯX 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ＮＯX を放出するＮＯX 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ＮＯX 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ＮＯX を放出するＮＯX 吸蔵還元
触媒が知られている。ＮＯX 吸蔵還元触媒はリーン空燃
比雰囲気下で排気中のＮＯX を吸収するが、吸収したＮ
ＯX 量が増大し飽和量に到達するとそれ以上ＮＯX を吸
収できなくなる。このため、ＮＯX 吸蔵還元触媒を用い
た排気浄化装置では定期的にＮＯX 吸蔵還元触媒に流入
する排気の酸素濃度を低下させてＮＯX 吸蔵還元触媒か
ら吸収したＮＯX を放出させる必要がある。ＮＯX 吸蔵
還元触媒をガソリン機関の排気浄化装置として使用した
場合には、機関の運転空燃比を低下させると（すなわち
機関をリッチ空燃比で運転すると）排気中の酸素濃度が
低下するとともに排気中の未燃ＨＣ、ＣＯ成分が増大す
るため、上記ＮＯX 吸蔵還元触媒からＮＯX が放出さ
れ、放出されたＮＯX がＮＯX 吸蔵還元触媒上でＨＣ、
ＣＯにより還元される。 【０００３】ところが、ＮＯX 吸蔵還元触媒をディーゼ
ル機関の排気浄化装置として使用した場合には、機関を
リッチ空燃比で運転することが困難であるため他の手段
により排気中の酸素濃度を低下させることが必要とな
る。ＮＯX 吸蔵還元触媒をディーゼル機関の排気浄化装
置として使用する場合に排気酸素濃度を低下させてＮＯ
X 吸蔵還元触媒から吸収したＮＯX を放出させる方法と
しては、通常ＮＯX 吸蔵還元触媒の上流側の排気通路に
液体炭化水素等の還元剤を供給する方法が用いられる。
上流側の排気通路に供給された還元剤が排気中に分散し
て排気とともにＮＯX 吸蔵還元触媒に流入すると、還元
剤がＮＯX 吸蔵還元触媒上で排気中の酸素と反応し酸化
されるため、ＮＯX 吸蔵還元触媒の雰囲気酸素濃度が低
下し、ＮＯX 吸蔵還元触媒から吸収したＮＯX が放出さ
れる。また、放出されたＮＯX はＮＯX 吸蔵還元触媒上
で排気中の還元剤により還元浄化される。 【０００４】ＮＯX 吸蔵還元触媒に関するものではない
が、排気通路に配置した触媒の上流側の排気通路に還元
剤を供給する装置の例としては特開平５−４４４３４号
公報に記載されたものがある。同公報の装置は、ディー
ゼル機関の排気通路に酸化触媒を担持したパティキュレ
ートフィルタを配置し、パティキュレートフィルタに捕
集された排気微粒子を燃焼させる際にパティキュレート
フィルタ上流側の排気通路に燃料（還元剤）を噴射する
ことにより、噴射された燃料を酸化触媒上で燃焼させて
パティキュレートフィルタの温度を上昇させるようにし
たものである。また、同公報の装置では酸化触媒の活性
化に応じて適量の燃料を供給するため、触媒に流入する
排気の温度と機関吸入空気量とに基づいて触媒に供給す
る燃料量を算出するとともに、触媒出口の排気温度に基
づいて算出された燃料量を補正するようにしている。 【０００５】一般に触媒上流側の排気通路に還元剤を供
給する場合には、供給された還元剤の全量が触媒で反応
するようにして触媒下流側に未反応の還元剤が流出する
ことを防止する必要がある。また、触媒は低温になるほ
ど触媒能力が低下するため、排気温度が低い場合に排気
温度が高い場合と同量の還元剤を供給すると供給された
還元剤の一部が未反応のまま触媒下流側に流出してしま
う場合がある。上記公報の装置は、排気温度の変化によ
り未浄化の還元剤が触媒下流側に流出することを防止す
るため、排気温度（すなわち触媒の能力）に応じて供給
する還元剤の量を決定し、供給された還元剤の全量が触
媒上で反応するようにしたものである。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】ところが、上記特開平
５−４４４３４号公報の装置のように触媒に流入する排
気温度に応じて適量の還元剤を触媒に供給しても、供給
された還元剤の全量が触媒上で反応しない場合があるこ
とが判明している。例えば、触媒上流側の排気通路に供
給された燃料等の液体還元剤が充分に気化することなく
比較的大きな液体粒子のままの状態で触媒に到達する
と、還元剤粒子は触媒表面に付着したり、あるいは液体
粒子のままで触媒のセルを通過してしまう場合がある。
ＮＯX 吸蔵還元触媒からのＮＯX の放出、還元浄化操作
（以下、ＮＯX 吸蔵還元触媒から吸収したＮＯX を放出
させ還元浄化する操作を「ＮＯ X 吸蔵還元触媒の再生操
作」と呼ぶ）を行う場合に、上記液体還元剤粒子の触媒
表面付着や通過（すり抜け）が生じると供給された還元
剤が有効に利用されず、ＮＯX 吸蔵還元触媒から放出さ
れたＮＯX の全量が還元浄化されなくなる場合がある。
これを防止するために、ＮＯX 吸蔵還元触媒に供給する
還元剤の量を増大して触媒に充分な量の還元剤を供給す
るようにすることは可能であるが、この場合、上記すり
抜けのためＮＯX 吸蔵還元触媒下流側に流出する未反応
の還元剤の量が増大してしまい、還元剤の消費量が増大
するのみならず排気性状が悪化する問題が生じる。 【０００７】本発明は上記問題に鑑み、ＮＯX 吸蔵還元
触媒に液体還元剤を供給する際に還元剤の霧化状態を適
切に制御して還元剤の消費量の増大と排気性状の悪化と
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。 【０００８】 【課題を解決するための手段】本発明によれば、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ＮＯXを吸収し流入する排気の酸素
濃度が低下したときに吸収したＮＯXを放出するＮＯX吸
蔵還元触媒と、該ＮＯX吸蔵還元触媒の上流側の排気通
路に液体還元剤を噴射する還元剤供給装置とを備え備
え、前記ＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気温度に応じ
て前記還元剤供給装置から排気通路に噴射される還元剤
の霧化状態を変化させる霧化制御手段を備えた内燃機関
の排気浄化装置であって、前記還元剤供給装置は、前記
還元剤を排気通路に噴射する噴射弁を備え、前記霧化制
御手段は、前記噴射弁からの還元剤の噴射圧力を増大さ
せることにより、前記ＮＯ X 吸蔵還元触媒に流入する排
気温度が低いほど噴射される還元剤の粒径を小さくして
還元剤の霧化状態を変化させる、内燃機関の排気浄化装
置が提供される。 【０００９】すなわち、本発明ではＮＯX吸蔵還元触媒
上流側の排気温度に応じて還元剤の霧化状態を変更す
る。液体状の還元剤を排気通路に噴射する場合には、排
気温度が低いと霧化状態が同一であっても（例えば噴射
された還元剤の粒径が同一であっても）排気温度が高い
場合に較べて排気中で気化せずに液体粒子のままでＮＯ
X吸蔵還元触媒に到達する還元剤の量が増大する。一
方、排気温度が高い場合には噴射された還元剤の霧化状
態が多少悪くても還元剤が高温排気中で蒸発するため、
液体粒子のままＮＯX吸蔵還元触媒に到達する還元剤の
量は減少する。このため、排気温度に応じて噴射される
還元剤の霧化状態を変化させることにより、前述の還元
剤の触媒表面付着やすり抜けが生じることが防止され
る。 【００１０】また、本発明では、ＮＯX吸蔵還元触媒に
流入する排気温度が低いほど、排気通路に噴射される液
体還元剤の粒径が小さくなるようにされる。液体還元剤
の粒径が小さい場合には還元剤は気化し易くなるため、
排気中に噴射された還元剤は排気温度が低い場合でも充
分に気化し気体の状態でＮＯX吸蔵還元触媒に到達す
る。このため、排気温度が低い場合でもＮＯX吸蔵還元
触媒で液体還元剤粒子の付着やすり抜けが生じることが
なくなり、供給された還元剤の全量がＮＯX吸蔵還元触
媒からのＮＯXの放出、還元浄化に有効に使用されるよ
うになる。このため、還元剤の消費量が低減されるとと
もにＮＯX吸蔵還元触媒下流側に流出する未反応の還元
剤の量が低減される。 【００１１】更に、本発明では、還元剤は噴射弁を通じ
て排気通路に噴射され、還元剤の粒径は還元剤の噴射圧
力を変化させることにより調整される。これにより、噴
射された還元剤の霧化状態を簡易に変化させることがで
きる。 【００１２】 【発明の実施の形態】以下、添付図面を用いて本発明の
一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ＮＯX 吸蔵還元触媒７が配置されている。図１に
９で示すのはＮＯX 吸蔵還元触媒７再生操作時にＮＯX
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、ＮＯX 吸蔵還元触媒７の排気入
口近傍に配置された還元剤噴射弁９１を備えＮＯX 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ＮＯX 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ＮＯX を放出させると
ともに、放出されたＮＯX 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
ない機関燃料系統から供給された燃料を加圧する電動機
駆動の燃料ポンプ９２を備え、燃料を加圧して還元剤噴
射弁９１から排気通路３内に噴射する。 【００１３】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ＮＯX 吸蔵還元触媒７からのＮ
ＯX の放出及び還元浄化操作（ＮＯX 吸蔵還元触媒の再
生操作）を実施する。 【００１４】ＮＯX 吸蔵還元触媒７の再生操作を行うた
め、ＥＣＵ３０の入力ポートには、機関のアクセルペダ
ル近傍に配置されたアクセル開度センサ３３から運転者
のアクセルペダル踏込み量（アクセル開度、ＡＣＣＰ）
に応じた電圧信号が、また、機関クランク軸近傍に配置
されたクランク回転角センサ３５からクランク軸一定回
転角度毎に回転パルス信号が入力されている。ＥＣＵ３
０は、クランク回転角センサ３５から入力するパルス信
号の時間間隔に基づいて一定時間毎に機関１の回転数Ｎ
Ｅを算出する。 【００１５】また、ＥＣＵ３０の出力ポートは、図示し
ない駆動回路を介して燃料ポンプ９２の電源制御回路９
２ａと還元剤噴射弁９１とに接続され、ポンプ９２の回
転数（吐出圧力）と噴射弁９１の開弁時間（噴射量）と
を制御している。本実施形態のＮＯX 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。ＮＯX
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ＮＯX （ＮＯ2 、ＮＯ）を硝酸イオンＮ
Ｏ3 - 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ＮＯX を放出するＮＯX の吸放出作用を行
う。 【００１６】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Ｏ2-の形で付着し、排気中のＮＯX は白金Ｐ
ｔ上のＯ2 - またはＯ2-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作用する酸化バリウム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ＮＯX が
ＮＯX 吸蔵還元触媒内に硝酸塩の形で吸収されるように
なる。 【００１７】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
ＮＯX 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。 【００１８】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ＮＯX 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ＮＯX がＮＯ
X 吸蔵還元触媒７に吸収される。また、ＮＯX 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ＮＯX 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、ＮＯX 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ＮＯX 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ＮＯX 吸蔵還元触媒７か
らＮＯXが放出され排気中のＨＣ、ＣＯ成分により還元
される。 【００１９】上記ＮＯX 吸蔵還元触媒からのＮＯX の放
出、還元浄化操作（ＮＯX 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。 【００２０】後述するように、本実施形態ではＥＣＵ３
０は、機関負荷状態（アクセル開度ＡＣＣＰと回転数Ｎ
Ｅ）とに基づいてＮＯX 吸蔵還元触媒７に流入する排気
温度を算出するとともに、ＮＯX 吸蔵還元触媒７の再生
操作時に排気温度に基づいて燃料ポンプ９２の電源電圧
を制御して還元剤噴射弁９１からの還元剤噴射圧力を制
御し、また、還元剤噴射弁９１の開弁時間を制御して噴
射弁９１からの還元剤の噴射量を制御している。 【００２１】ところで、本実施形態のようにＮＯX 吸蔵
還元触媒７上流側の排気通路に液体還元剤（本実施形態
ではディーゼル油）を噴射する場合には、特に排気温度
が低い場合に噴射した還元剤がＮＯX 吸蔵還元触媒７の
再生に有効に使用されない場合が生じる。ディーゼル機
関は一般に排気温度が低く、低負荷運転では排気温度は
２００℃以下になる場合がある。このような場合には還
元剤噴射弁９１から噴射された燃料が排気中で充分に気
化せずに液状粒子のままＮＯX 吸蔵還元触媒７に到達す
る場合が生じる。還元剤が液状のままＮＯX 吸蔵還元触
媒７に到達すると、液体還元剤がＮＯX 吸蔵還元触媒の
入口部分に付着してしまい、この部分の触媒の排気との
接触面積が低下したり、液状粒子のままの還元剤がセル
壁面と接触しないままＮＯX 吸蔵還元触媒を通過してし
まい下流側に流出する、いわゆる還元剤のすり抜けが生
じる。この場合、ＮＯX 吸蔵還元触媒７に付着した還元
剤、或いはＮＯX 吸蔵還元触媒７をすり抜けた還元剤は
ＮＯX 吸蔵還元触媒の再生には利用されないため、ＮＯ
X 吸蔵還元触媒７では還元剤不足のため再生が充分に行
われなくなる。この問題を防止するために、予めすり抜
け等を考慮して再生操作時のＮＯX 吸蔵還元触媒７への
還元剤供給量を増大すればＮＯX 吸蔵還元触媒上での還
元剤不足が生じることはないが、この場合には再生操作
に要する還元剤量が増大し機関燃料消費率が悪化するの
みならず、すり抜け等により下流側に流出した還元剤に
より排気性状が悪化する問題が生じてしまう。 【００２２】そこで、本実施形態では機関排気温度が低
いほど還元剤噴射弁９１から噴射される燃料の粒径を小
さくすることにより上記問題を解決している。すなわ
ち、噴射燃料の粒径が小さくなると燃料粒子の単位体積
あたりの表面積が増大するため排気温度が低い場合でも
燃料が容易に気化するようになる。従って、排気温度が
低いときに噴射燃料の粒径を小さくすることにより、噴
射された燃料は気化した状態でＮＯX 吸蔵還元触媒７に
到達するようになり、供給された燃料（還元剤）がＮＯ
X 吸蔵還元触媒７上で有効に使用されるようになる。こ
のため、排気温度が低いときにも少量の燃料でＮＯX 吸
蔵還元触媒７の再生を完全に行うことができ、燃料（還
元剤）消費量の増大が抑制されるとともに、液状燃料粒
子のすり抜け等による排気性状の悪化が防止される。 【００２３】次に、供給する燃料の粒径を変化させる方
法について説明する。本実施形態では、還元剤噴射弁９
１としてスワール噴射弁が使用される。図２は、本実施
形態のスワール噴射弁の概略構造を説明する図である。
図２において、噴射弁９１はノズル９１ａ、制御弁９１
ｂ及びこれらを接続する接続配管９１ｃを備えている。
ノズル９１ａは排気通路３を貫通して設置される。制御
弁９１は燃料ポンプ９２からノズル９１ａに供給される
加圧燃料を遮断する遮断弁として機能する。 【００２４】図３はノズル９１ａの概略構造を説明する
断面図である。図３(A) は、ノズル９１(A) の軸線に沿
った断面を示す。図３(A) において、９１１はノズルボ
ディ、９１３はノズルボディ９１１に嵌挿された略円筒
状のノズルピースを示している。ノズルピース９１３中
心には軸線方向に、制御弁９１ｂから接続配管９１ｃを
介して加圧燃料が供給される燃料通路９１３ａが設けら
れている。図３(A) に９１３ｂで示すのは、スプリング
９１３ｃにより、燃料通路９１３ａを閉鎖する方向に押
圧付勢されたチェックボール、９１３ｄはチェックボー
ル９１３ｂの下側で燃料通路９１３ａに接続するように
半径方向に穿設された燃料通路である。 【００２５】図３(B) はノズルピース９１３の図３(A)
のＢ−Ｂ線方向矢視図である。図３(B) に示すように、
ノズルピース９１３は両側面に平面状の切り欠きが形成
されており、ノズルボディ９１１の内周とノズルピース
９１３外周との間にこの平面状の切欠き部により、半径
方向燃料通路９１３ｄに接続する燃料通路９１３ｅが形
成されている。 【００２６】また、ノズルピース９１３下部はその外周
部がノズルボディ９１１内周と密接するように装着され
ている。ノズルピース９１３下面には図３(B) に示すよ
うに、溝９１３ｆが穿設されており、燃料通路９１３ｅ
とノズルボディ９１１中心の噴射孔９１５とを接続する
噴射通路を形成している。図３(B) に示すように、噴射
通路９１３ｆはノズルピース９１３下面外周から、ノズ
ルピース９１３中心軸線に対してやや偏心した位置を指
向するように設けられている。 【００２７】制御弁９１ｂが開弁すると、燃料ポンプ９
２から加圧燃料がノズルピース９１３の燃料通路９１３
ａに流入する。供給された燃料圧力による力がスプリン
グ９１３ｃの付勢力を越えるとチェックボール９１３ｂ
は下方に移動し、燃料通路９１３ａが半径方向燃料通路
９１３ｄに連通する。これにより、加圧燃料は半径方向
燃料通路９１３ｄからノズルピース両側の平面状切欠に
より形成される燃料通路９１３ｅに流入し、噴射通路９
１３ｆから噴射孔９１５を通って排気通路３に噴射され
る。前述したように、ノズルピース９１３の噴射通路９
１３ｆは、ノズルピース９１３中心軸線に対して偏心し
た方向を指向しているため、噴射通路９１３ｆを通る燃
料は噴射孔９１５に対して接線方向速度を付与される。
このため、噴射燃料は噴射孔９１５内で旋回しながら排
気通路３に噴射されるようになり、噴射された燃料が微
粒化する。 【００２８】上記のようなスワールノズル９１ａでは、
燃料噴射圧力が上昇するにつれて、噴射通路９１３ｆ出
口で大きな接線方向速度が燃料に付与されるようになる
ため、燃料噴射圧力が上昇するにつれて噴射孔９１５か
ら噴射された燃料の霧化が良好になり、噴射された燃料
粒子の粒径が小さくなる。本実施形態では、上記のスワ
ール噴射弁９１を用いて燃料噴射圧力を変化させること
により燃料粒子の霧化状態（粒径）を制御するようにし
ている。すなわち、ＥＣＵ３０はＮＯX 吸蔵還元触媒７
入口の排気温度を算出し、この排気温度に応じて還元剤
供給装置９の燃料ポンプ９２の電源制御回路９２ａを駆
動して燃料ポンプ９２の電動機に印加する電圧を調節す
る。電動機電圧が増大すると燃料ポンプ９２の吐出圧が
増大し、噴射弁９１の燃料噴射圧力が増大するため、噴
射燃料の粒径が低下する。また、電動機電圧が低下する
と燃料ポンプ９２の吐出圧力は低下するため、噴射弁９
１から噴射される燃料の粒径が大きくなる。 【００２９】図４は、本実施形態におけるＮＯX 吸蔵還
元触媒７の上記再生操作を具体的に説明するフローチャ
ートである。本操作は、ＥＣＵ３０により一定時間間隔
で実行されるルーチンにより行われる。図４において、
ステップ４０１では、クランク回転角センサ３５の出力
に基づいて算出された機関回転数ＮＥと、アクセル開度
センサ３３により検出されたアクセル開度ＡＣＣＰとが
読み込まれる。そして、ステップ４０３ではＡＣＣＰと
ＮＥとに基づいて現在のＮＯX 吸蔵還元触媒７のＮＯX
吸蔵量ＣＮＯＸが算出される。 【００３０】本実施形態では、ＮＯX 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４の操作の実行間隔）あたりに発生するＮ
ＯX量は、機関負荷条件（例えばアクセル開度と回転数
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ＮＯX発
生量を実測し、例えばアクセル開度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４０３では、ステップ４０１で読み込んだ
アクセル開度ＡＣＣＰと回転数ＮＥ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ＮＯX 量を算出する。そして、この発
生量に所定の定数（排気中のＮＯX のうちＮＯX 吸蔵還
元触媒７に吸収されるＮＯX の割合）を乗じた値をＣＮ
ＯＸに加算する。これにより、ＣＮＯＸの値はＮＯX 吸
蔵還元触媒７に吸蔵されたＮＯX 量に対応した値とな
る。 【００３１】なお本実施形態では、アクセル開度と回転
数とに基づいて算出した値をＮＯX吸蔵還元触媒７のＮ
ＯX 吸蔵量ＣＮＯＸとして用いているが、例えば、前回
再生操作実施後の機関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ＮＯX 吸蔵量ＣＮＯＸとして用いて計算を簡素化し
ても良い。 【００３２】上記により、ＮＯX 吸蔵還元触媒７のＮＯ
X 吸蔵量ＣＮＯＸを算出後、ステップ４０５では、算出
したＮＯX 吸蔵量ＣＮＯＸが所定値ＣＮＯＸ0 に到達し
たか否かが判定される。ここで、ＣＮＯＸ0 は、ＮＯX
吸蔵還元触媒７が吸収可能な最大ＮＯX 量（飽和量）に
対して充分な余裕をとった値に設定され、本実施形態で
は、ＣＮＯＸ0 は飽和量の７０パーセント程度の値に設
定されている。 【００３３】ステップ４０５でＣＮＯＸ≧ＣＮＯＸ0 で
あった場合には、ＮＯX 吸蔵還元触媒７のＮＯX 吸蔵量
が増大しておりＮＯX 吸蔵還元触媒の再生操作を実行す
る必要があるため、ステップ４０７以下の操作を行う。
すなわち、ステップ４０７では現在のＮＯX 吸蔵還元触
媒７に流入する排気温度ＴEXが機関負荷状態（アクセル
開度、回転数）に基づいて算出される。 【００３４】機関排気温度は機関負荷状態に対応して変
化する。このため、本実施形態では、予め機関を異なる
負荷状態で運転し、ＮＯX 吸蔵還元触媒７入口における
排気温度を実測し、例えばアクセル開度と回転数とを用
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４０７では、ステップ４０１で読み込ん
だアクセル開度ＡＣＣＰと回転数ＮＥとから上記数値テ
ーブルを用いて現在の排気温度ＴEXを算出する。 【００３５】なお、本実施形態では機関負荷状態に基づ
いてＮＯX 吸蔵還元触媒７に流入する排気温度ＴEXを算
出しているが、ＮＯX 吸蔵還元触媒７入口に排気温度を
検出する排気温度センサを配置して排気温度ＴEXを直接
検出するようにすることも可能である。ステップ４０７
で排気温度ＴEXが算出されると、次にステップ４０９で
は、排気温度ＴEXに基づいて予め定めた関係から燃料ポ
ンプ９２の噴射圧力目標値が設定される。本実施形態で
は、予め実験により各排気温度での噴射燃料の粒径（す
なわち噴射弁９１の噴射圧力）と燃料の気化状態との関
係を実測により求めてあり、各排気温度において噴射燃
料を良好に気化可能な噴射圧力が排気温度の関数として
設定されている。ステップ４０７では、算出された排気
温度ＴEXに基づいて、上記関係を用いて目標噴射圧力が
設定される。なお、目標噴射圧力は、排気温度が低いほ
ど高く設定され、噴射弁９１から噴射される燃料の粒径
は小さくなる。 【００３６】ステップ４１１では、再生操作に必要とさ
れる還元剤（燃料）の量が排気温度ＴEXに基づいて算出
される。ＮＯX 吸蔵還元触媒７は温度に応じて触媒活性
が変化するため、再生操作時においても供給する還元剤
（燃料）量は排気温度ＴEXに応じて変化させることが好
ましい。本実施形態では、予め触媒にＣＮＯＸに相当す
る量のＮＯX が吸収された状態で再生操作に必要とされ
る還元剤量を各排気温度条件下で実験により求めてあ
り、ステップ４１１では、この関係に基づいて必要とさ
れる燃料の噴射量を算出する。 【００３７】ステップ４１３では、燃料ポンプ９２の吐
出圧力がステップ４０９で算出された噴射圧力となるよ
うに、電源制御回路９２ａが制御され、ステップ４１５
では設定した噴射圧力下でステップ４１１で算出した量
の還元剤を噴射するために必要とされる噴射弁９１の開
弁時間（制御弁９１ｂの開弁時間）が設定され、噴射弁
９１が開弁される。これにより、噴射弁９１からは、排
気温度ＴEXに応じて調節された粒径の燃料が必要量だけ
噴射されるようになる。 【００３８】上記操作終了後、ステップ４１７ではＮＯ
X 吸蔵量ＣＮＯＸの値はリセットされ、本操作は終了す
る。上述のように、ＮＯX 吸蔵還元触媒７に流入する排
気温度に応じて噴射弁９１から噴射する燃料粒子の粒径
を変化させることにより、噴射された燃料は排気温度に
かかわらずほぼ全量が気化した状態でＮＯX 吸蔵還元触
媒７に到達するようになるためＮＯX 吸蔵還元触媒７上
では供給された燃料が有効に再生操作に使用されるよう
になり、再生操作に必要とされる燃料量（還元剤量）を
低減することができるとともに、特に排気温度が低いと
きに生じやすい燃料粒子のすり抜けによる排気性状の悪
化が防止される。 【００３９】なお、本実施形態のように還元剤噴射弁か
らＮＯX 吸蔵還元触媒に還元剤を供給する場合、噴射弁
とＮＯX 吸蔵還元触媒との距離が大きいと噴射弁から噴
射された還元剤が排気流前後方向に拡散してしまい、充
分に還元剤濃度の高い排気の層を形成できなくなる可能
性がある。このため、還元剤噴射弁はできるだけＮＯ X
吸蔵還元触媒に近い位置に設置することが好ましい。と
ころが、噴射弁と還元剤との距離を短く設定すると、特
に排気温度が低い場合には噴射された還元剤が気化せず
に液状粒子のままＮＯX 吸蔵還元触媒に到達しやすくな
る問題がある。本実施形態では、排気温度に応じて噴射
される還元剤粒子の粒径を変化させることにより、排気
温度にかかわらず還元剤をほぼ全量が気化した状態でＮ
ＯX 吸蔵還元触媒に到達させることが可能となる。この
ため、本実施形態によれば、液状の還元剤粒子がＮＯX
吸蔵還元触媒に到達することを防止しながら還元剤噴射
弁をＮＯX 吸蔵還元触媒に近接した位置に配置すること
が可能となり、供給された還元剤が排気で希釈されるこ
とが防止されるので、更にＮＯX 吸蔵還元触媒の再生を
効率的に行うことが可能となる。 【００４０】なお、上記実施形態では排気温度の各値に
応じて連続的に燃料噴射圧力（燃料粒径）と噴射量とを
変化させているが、例えば排気温度の所定値（例えば２
５０℃程度）を境として、これより高温側と低温側とで
燃料噴射圧力と噴射量とを切り換えるようにして制御を
簡素化することも可能である。 【００４１】 【発明の効果】本発明によれば、排気温度に応じてＮＯ
X吸蔵還元触媒に供給される還元剤の霧化状態が制御さ
れるため、排気温度にかかわらず少量の還元剤で効率的
にＮＯX吸蔵還元触媒の再生を行うことが可能になると
ともに、未反応の還元剤が触媒下流側に流出することに
よる排気性状の悪化を防止することができる。
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ＮＯX 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ＮＯX を放出するＮＯX 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ＮＯX 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ＮＯX を放出するＮＯX 吸蔵還元
触媒が知られている。ＮＯX 吸蔵還元触媒はリーン空燃
比雰囲気下で排気中のＮＯX を吸収するが、吸収したＮ
ＯX 量が増大し飽和量に到達するとそれ以上ＮＯX を吸
収できなくなる。このため、ＮＯX 吸蔵還元触媒を用い
た排気浄化装置では定期的にＮＯX 吸蔵還元触媒に流入
する排気の酸素濃度を低下させてＮＯX 吸蔵還元触媒か
ら吸収したＮＯX を放出させる必要がある。ＮＯX 吸蔵
還元触媒をガソリン機関の排気浄化装置として使用した
場合には、機関の運転空燃比を低下させると（すなわち
機関をリッチ空燃比で運転すると）排気中の酸素濃度が
低下するとともに排気中の未燃ＨＣ、ＣＯ成分が増大す
るため、上記ＮＯX 吸蔵還元触媒からＮＯX が放出さ
れ、放出されたＮＯX がＮＯX 吸蔵還元触媒上でＨＣ、
ＣＯにより還元される。 【０００３】ところが、ＮＯX 吸蔵還元触媒をディーゼ
ル機関の排気浄化装置として使用した場合には、機関を
リッチ空燃比で運転することが困難であるため他の手段
により排気中の酸素濃度を低下させることが必要とな
る。ＮＯX 吸蔵還元触媒をディーゼル機関の排気浄化装
置として使用する場合に排気酸素濃度を低下させてＮＯ
X 吸蔵還元触媒から吸収したＮＯX を放出させる方法と
しては、通常ＮＯX 吸蔵還元触媒の上流側の排気通路に
液体炭化水素等の還元剤を供給する方法が用いられる。
上流側の排気通路に供給された還元剤が排気中に分散し
て排気とともにＮＯX 吸蔵還元触媒に流入すると、還元
剤がＮＯX 吸蔵還元触媒上で排気中の酸素と反応し酸化
されるため、ＮＯX 吸蔵還元触媒の雰囲気酸素濃度が低
下し、ＮＯX 吸蔵還元触媒から吸収したＮＯX が放出さ
れる。また、放出されたＮＯX はＮＯX 吸蔵還元触媒上
で排気中の還元剤により還元浄化される。 【０００４】ＮＯX 吸蔵還元触媒に関するものではない
が、排気通路に配置した触媒の上流側の排気通路に還元
剤を供給する装置の例としては特開平５−４４４３４号
公報に記載されたものがある。同公報の装置は、ディー
ゼル機関の排気通路に酸化触媒を担持したパティキュレ
ートフィルタを配置し、パティキュレートフィルタに捕
集された排気微粒子を燃焼させる際にパティキュレート
フィルタ上流側の排気通路に燃料（還元剤）を噴射する
ことにより、噴射された燃料を酸化触媒上で燃焼させて
パティキュレートフィルタの温度を上昇させるようにし
たものである。また、同公報の装置では酸化触媒の活性
化に応じて適量の燃料を供給するため、触媒に流入する
排気の温度と機関吸入空気量とに基づいて触媒に供給す
る燃料量を算出するとともに、触媒出口の排気温度に基
づいて算出された燃料量を補正するようにしている。 【０００５】一般に触媒上流側の排気通路に還元剤を供
給する場合には、供給された還元剤の全量が触媒で反応
するようにして触媒下流側に未反応の還元剤が流出する
ことを防止する必要がある。また、触媒は低温になるほ
ど触媒能力が低下するため、排気温度が低い場合に排気
温度が高い場合と同量の還元剤を供給すると供給された
還元剤の一部が未反応のまま触媒下流側に流出してしま
う場合がある。上記公報の装置は、排気温度の変化によ
り未浄化の還元剤が触媒下流側に流出することを防止す
るため、排気温度（すなわち触媒の能力）に応じて供給
する還元剤の量を決定し、供給された還元剤の全量が触
媒上で反応するようにしたものである。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】ところが、上記特開平
５−４４４３４号公報の装置のように触媒に流入する排
気温度に応じて適量の還元剤を触媒に供給しても、供給
された還元剤の全量が触媒上で反応しない場合があるこ
とが判明している。例えば、触媒上流側の排気通路に供
給された燃料等の液体還元剤が充分に気化することなく
比較的大きな液体粒子のままの状態で触媒に到達する
と、還元剤粒子は触媒表面に付着したり、あるいは液体
粒子のままで触媒のセルを通過してしまう場合がある。
ＮＯX 吸蔵還元触媒からのＮＯX の放出、還元浄化操作
（以下、ＮＯX 吸蔵還元触媒から吸収したＮＯX を放出
させ還元浄化する操作を「ＮＯ X 吸蔵還元触媒の再生操
作」と呼ぶ）を行う場合に、上記液体還元剤粒子の触媒
表面付着や通過（すり抜け）が生じると供給された還元
剤が有効に利用されず、ＮＯX 吸蔵還元触媒から放出さ
れたＮＯX の全量が還元浄化されなくなる場合がある。
これを防止するために、ＮＯX 吸蔵還元触媒に供給する
還元剤の量を増大して触媒に充分な量の還元剤を供給す
るようにすることは可能であるが、この場合、上記すり
抜けのためＮＯX 吸蔵還元触媒下流側に流出する未反応
の還元剤の量が増大してしまい、還元剤の消費量が増大
するのみならず排気性状が悪化する問題が生じる。 【０００７】本発明は上記問題に鑑み、ＮＯX 吸蔵還元
触媒に液体還元剤を供給する際に還元剤の霧化状態を適
切に制御して還元剤の消費量の増大と排気性状の悪化と
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。 【０００８】 【課題を解決するための手段】本発明によれば、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ＮＯXを吸収し流入する排気の酸素
濃度が低下したときに吸収したＮＯXを放出するＮＯX吸
蔵還元触媒と、該ＮＯX吸蔵還元触媒の上流側の排気通
路に液体還元剤を噴射する還元剤供給装置とを備え備
え、前記ＮＯX吸蔵還元触媒に流入する排気温度に応じ
て前記還元剤供給装置から排気通路に噴射される還元剤
の霧化状態を変化させる霧化制御手段を備えた内燃機関
の排気浄化装置であって、前記還元剤供給装置は、前記
還元剤を排気通路に噴射する噴射弁を備え、前記霧化制
御手段は、前記噴射弁からの還元剤の噴射圧力を増大さ
せることにより、前記ＮＯ X 吸蔵還元触媒に流入する排
気温度が低いほど噴射される還元剤の粒径を小さくして
還元剤の霧化状態を変化させる、内燃機関の排気浄化装
置が提供される。 【０００９】すなわち、本発明ではＮＯX吸蔵還元触媒
上流側の排気温度に応じて還元剤の霧化状態を変更す
る。液体状の還元剤を排気通路に噴射する場合には、排
気温度が低いと霧化状態が同一であっても（例えば噴射
された還元剤の粒径が同一であっても）排気温度が高い
場合に較べて排気中で気化せずに液体粒子のままでＮＯ
X吸蔵還元触媒に到達する還元剤の量が増大する。一
方、排気温度が高い場合には噴射された還元剤の霧化状
態が多少悪くても還元剤が高温排気中で蒸発するため、
液体粒子のままＮＯX吸蔵還元触媒に到達する還元剤の
量は減少する。このため、排気温度に応じて噴射される
還元剤の霧化状態を変化させることにより、前述の還元
剤の触媒表面付着やすり抜けが生じることが防止され
る。 【００１０】また、本発明では、ＮＯX吸蔵還元触媒に
流入する排気温度が低いほど、排気通路に噴射される液
体還元剤の粒径が小さくなるようにされる。液体還元剤
の粒径が小さい場合には還元剤は気化し易くなるため、
排気中に噴射された還元剤は排気温度が低い場合でも充
分に気化し気体の状態でＮＯX吸蔵還元触媒に到達す
る。このため、排気温度が低い場合でもＮＯX吸蔵還元
触媒で液体還元剤粒子の付着やすり抜けが生じることが
なくなり、供給された還元剤の全量がＮＯX吸蔵還元触
媒からのＮＯXの放出、還元浄化に有効に使用されるよ
うになる。このため、還元剤の消費量が低減されるとと
もにＮＯX吸蔵還元触媒下流側に流出する未反応の還元
剤の量が低減される。 【００１１】更に、本発明では、還元剤は噴射弁を通じ
て排気通路に噴射され、還元剤の粒径は還元剤の噴射圧
力を変化させることにより調整される。これにより、噴
射された還元剤の霧化状態を簡易に変化させることがで
きる。 【００１２】 【発明の実施の形態】以下、添付図面を用いて本発明の
一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ＮＯX 吸蔵還元触媒７が配置されている。図１に
９で示すのはＮＯX 吸蔵還元触媒７再生操作時にＮＯX
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、ＮＯX 吸蔵還元触媒７の排気入
口近傍に配置された還元剤噴射弁９１を備えＮＯX 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ＮＯX 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ＮＯX を放出させると
ともに、放出されたＮＯX 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
ない機関燃料系統から供給された燃料を加圧する電動機
駆動の燃料ポンプ９２を備え、燃料を加圧して還元剤噴
射弁９１から排気通路３内に噴射する。 【００１３】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ＮＯX 吸蔵還元触媒７からのＮ
ＯX の放出及び還元浄化操作（ＮＯX 吸蔵還元触媒の再
生操作）を実施する。 【００１４】ＮＯX 吸蔵還元触媒７の再生操作を行うた
め、ＥＣＵ３０の入力ポートには、機関のアクセルペダ
ル近傍に配置されたアクセル開度センサ３３から運転者
のアクセルペダル踏込み量（アクセル開度、ＡＣＣＰ）
に応じた電圧信号が、また、機関クランク軸近傍に配置
されたクランク回転角センサ３５からクランク軸一定回
転角度毎に回転パルス信号が入力されている。ＥＣＵ３
０は、クランク回転角センサ３５から入力するパルス信
号の時間間隔に基づいて一定時間毎に機関１の回転数Ｎ
Ｅを算出する。 【００１５】また、ＥＣＵ３０の出力ポートは、図示し
ない駆動回路を介して燃料ポンプ９２の電源制御回路９
２ａと還元剤噴射弁９１とに接続され、ポンプ９２の回
転数（吐出圧力）と噴射弁９１の開弁時間（噴射量）と
を制御している。本実施形態のＮＯX 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。ＮＯX
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ＮＯX （ＮＯ2 、ＮＯ）を硝酸イオンＮ
Ｏ3 - 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ＮＯX を放出するＮＯX の吸放出作用を行
う。 【００１６】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Ｏ2-の形で付着し、排気中のＮＯX は白金Ｐ
ｔ上のＯ2 - またはＯ2-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作用する酸化バリウム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ＮＯX が
ＮＯX 吸蔵還元触媒内に硝酸塩の形で吸収されるように
なる。 【００１７】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
ＮＯX 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。 【００１８】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ＮＯX 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ＮＯX がＮＯ
X 吸蔵還元触媒７に吸収される。また、ＮＯX 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ＮＯX 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、ＮＯX 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ＮＯX 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ＮＯX 吸蔵還元触媒７か
らＮＯXが放出され排気中のＨＣ、ＣＯ成分により還元
される。 【００１９】上記ＮＯX 吸蔵還元触媒からのＮＯX の放
出、還元浄化操作（ＮＯX 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。 【００２０】後述するように、本実施形態ではＥＣＵ３
０は、機関負荷状態（アクセル開度ＡＣＣＰと回転数Ｎ
Ｅ）とに基づいてＮＯX 吸蔵還元触媒７に流入する排気
温度を算出するとともに、ＮＯX 吸蔵還元触媒７の再生
操作時に排気温度に基づいて燃料ポンプ９２の電源電圧
を制御して還元剤噴射弁９１からの還元剤噴射圧力を制
御し、また、還元剤噴射弁９１の開弁時間を制御して噴
射弁９１からの還元剤の噴射量を制御している。 【００２１】ところで、本実施形態のようにＮＯX 吸蔵
還元触媒７上流側の排気通路に液体還元剤（本実施形態
ではディーゼル油）を噴射する場合には、特に排気温度
が低い場合に噴射した還元剤がＮＯX 吸蔵還元触媒７の
再生に有効に使用されない場合が生じる。ディーゼル機
関は一般に排気温度が低く、低負荷運転では排気温度は
２００℃以下になる場合がある。このような場合には還
元剤噴射弁９１から噴射された燃料が排気中で充分に気
化せずに液状粒子のままＮＯX 吸蔵還元触媒７に到達す
る場合が生じる。還元剤が液状のままＮＯX 吸蔵還元触
媒７に到達すると、液体還元剤がＮＯX 吸蔵還元触媒の
入口部分に付着してしまい、この部分の触媒の排気との
接触面積が低下したり、液状粒子のままの還元剤がセル
壁面と接触しないままＮＯX 吸蔵還元触媒を通過してし
まい下流側に流出する、いわゆる還元剤のすり抜けが生
じる。この場合、ＮＯX 吸蔵還元触媒７に付着した還元
剤、或いはＮＯX 吸蔵還元触媒７をすり抜けた還元剤は
ＮＯX 吸蔵還元触媒の再生には利用されないため、ＮＯ
X 吸蔵還元触媒７では還元剤不足のため再生が充分に行
われなくなる。この問題を防止するために、予めすり抜
け等を考慮して再生操作時のＮＯX 吸蔵還元触媒７への
還元剤供給量を増大すればＮＯX 吸蔵還元触媒上での還
元剤不足が生じることはないが、この場合には再生操作
に要する還元剤量が増大し機関燃料消費率が悪化するの
みならず、すり抜け等により下流側に流出した還元剤に
より排気性状が悪化する問題が生じてしまう。 【００２２】そこで、本実施形態では機関排気温度が低
いほど還元剤噴射弁９１から噴射される燃料の粒径を小
さくすることにより上記問題を解決している。すなわ
ち、噴射燃料の粒径が小さくなると燃料粒子の単位体積
あたりの表面積が増大するため排気温度が低い場合でも
燃料が容易に気化するようになる。従って、排気温度が
低いときに噴射燃料の粒径を小さくすることにより、噴
射された燃料は気化した状態でＮＯX 吸蔵還元触媒７に
到達するようになり、供給された燃料（還元剤）がＮＯ
X 吸蔵還元触媒７上で有効に使用されるようになる。こ
のため、排気温度が低いときにも少量の燃料でＮＯX 吸
蔵還元触媒７の再生を完全に行うことができ、燃料（還
元剤）消費量の増大が抑制されるとともに、液状燃料粒
子のすり抜け等による排気性状の悪化が防止される。 【００２３】次に、供給する燃料の粒径を変化させる方
法について説明する。本実施形態では、還元剤噴射弁９
１としてスワール噴射弁が使用される。図２は、本実施
形態のスワール噴射弁の概略構造を説明する図である。
図２において、噴射弁９１はノズル９１ａ、制御弁９１
ｂ及びこれらを接続する接続配管９１ｃを備えている。
ノズル９１ａは排気通路３を貫通して設置される。制御
弁９１は燃料ポンプ９２からノズル９１ａに供給される
加圧燃料を遮断する遮断弁として機能する。 【００２４】図３はノズル９１ａの概略構造を説明する
断面図である。図３(A) は、ノズル９１(A) の軸線に沿
った断面を示す。図３(A) において、９１１はノズルボ
ディ、９１３はノズルボディ９１１に嵌挿された略円筒
状のノズルピースを示している。ノズルピース９１３中
心には軸線方向に、制御弁９１ｂから接続配管９１ｃを
介して加圧燃料が供給される燃料通路９１３ａが設けら
れている。図３(A) に９１３ｂで示すのは、スプリング
９１３ｃにより、燃料通路９１３ａを閉鎖する方向に押
圧付勢されたチェックボール、９１３ｄはチェックボー
ル９１３ｂの下側で燃料通路９１３ａに接続するように
半径方向に穿設された燃料通路である。 【００２５】図３(B) はノズルピース９１３の図３(A)
のＢ−Ｂ線方向矢視図である。図３(B) に示すように、
ノズルピース９１３は両側面に平面状の切り欠きが形成
されており、ノズルボディ９１１の内周とノズルピース
９１３外周との間にこの平面状の切欠き部により、半径
方向燃料通路９１３ｄに接続する燃料通路９１３ｅが形
成されている。 【００２６】また、ノズルピース９１３下部はその外周
部がノズルボディ９１１内周と密接するように装着され
ている。ノズルピース９１３下面には図３(B) に示すよ
うに、溝９１３ｆが穿設されており、燃料通路９１３ｅ
とノズルボディ９１１中心の噴射孔９１５とを接続する
噴射通路を形成している。図３(B) に示すように、噴射
通路９１３ｆはノズルピース９１３下面外周から、ノズ
ルピース９１３中心軸線に対してやや偏心した位置を指
向するように設けられている。 【００２７】制御弁９１ｂが開弁すると、燃料ポンプ９
２から加圧燃料がノズルピース９１３の燃料通路９１３
ａに流入する。供給された燃料圧力による力がスプリン
グ９１３ｃの付勢力を越えるとチェックボール９１３ｂ
は下方に移動し、燃料通路９１３ａが半径方向燃料通路
９１３ｄに連通する。これにより、加圧燃料は半径方向
燃料通路９１３ｄからノズルピース両側の平面状切欠に
より形成される燃料通路９１３ｅに流入し、噴射通路９
１３ｆから噴射孔９１５を通って排気通路３に噴射され
る。前述したように、ノズルピース９１３の噴射通路９
１３ｆは、ノズルピース９１３中心軸線に対して偏心し
た方向を指向しているため、噴射通路９１３ｆを通る燃
料は噴射孔９１５に対して接線方向速度を付与される。
このため、噴射燃料は噴射孔９１５内で旋回しながら排
気通路３に噴射されるようになり、噴射された燃料が微
粒化する。 【００２８】上記のようなスワールノズル９１ａでは、
燃料噴射圧力が上昇するにつれて、噴射通路９１３ｆ出
口で大きな接線方向速度が燃料に付与されるようになる
ため、燃料噴射圧力が上昇するにつれて噴射孔９１５か
ら噴射された燃料の霧化が良好になり、噴射された燃料
粒子の粒径が小さくなる。本実施形態では、上記のスワ
ール噴射弁９１を用いて燃料噴射圧力を変化させること
により燃料粒子の霧化状態（粒径）を制御するようにし
ている。すなわち、ＥＣＵ３０はＮＯX 吸蔵還元触媒７
入口の排気温度を算出し、この排気温度に応じて還元剤
供給装置９の燃料ポンプ９２の電源制御回路９２ａを駆
動して燃料ポンプ９２の電動機に印加する電圧を調節す
る。電動機電圧が増大すると燃料ポンプ９２の吐出圧が
増大し、噴射弁９１の燃料噴射圧力が増大するため、噴
射燃料の粒径が低下する。また、電動機電圧が低下する
と燃料ポンプ９２の吐出圧力は低下するため、噴射弁９
１から噴射される燃料の粒径が大きくなる。 【００２９】図４は、本実施形態におけるＮＯX 吸蔵還
元触媒７の上記再生操作を具体的に説明するフローチャ
ートである。本操作は、ＥＣＵ３０により一定時間間隔
で実行されるルーチンにより行われる。図４において、
ステップ４０１では、クランク回転角センサ３５の出力
に基づいて算出された機関回転数ＮＥと、アクセル開度
センサ３３により検出されたアクセル開度ＡＣＣＰとが
読み込まれる。そして、ステップ４０３ではＡＣＣＰと
ＮＥとに基づいて現在のＮＯX 吸蔵還元触媒７のＮＯX
吸蔵量ＣＮＯＸが算出される。 【００３０】本実施形態では、ＮＯX 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４の操作の実行間隔）あたりに発生するＮ
ＯX量は、機関負荷条件（例えばアクセル開度と回転数
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ＮＯX発
生量を実測し、例えばアクセル開度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４０３では、ステップ４０１で読み込んだ
アクセル開度ＡＣＣＰと回転数ＮＥ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ＮＯX 量を算出する。そして、この発
生量に所定の定数（排気中のＮＯX のうちＮＯX 吸蔵還
元触媒７に吸収されるＮＯX の割合）を乗じた値をＣＮ
ＯＸに加算する。これにより、ＣＮＯＸの値はＮＯX 吸
蔵還元触媒７に吸蔵されたＮＯX 量に対応した値とな
る。 【００３１】なお本実施形態では、アクセル開度と回転
数とに基づいて算出した値をＮＯX吸蔵還元触媒７のＮ
ＯX 吸蔵量ＣＮＯＸとして用いているが、例えば、前回
再生操作実施後の機関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ＮＯX 吸蔵量ＣＮＯＸとして用いて計算を簡素化し
ても良い。 【００３２】上記により、ＮＯX 吸蔵還元触媒７のＮＯ
X 吸蔵量ＣＮＯＸを算出後、ステップ４０５では、算出
したＮＯX 吸蔵量ＣＮＯＸが所定値ＣＮＯＸ0 に到達し
たか否かが判定される。ここで、ＣＮＯＸ0 は、ＮＯX
吸蔵還元触媒７が吸収可能な最大ＮＯX 量（飽和量）に
対して充分な余裕をとった値に設定され、本実施形態で
は、ＣＮＯＸ0 は飽和量の７０パーセント程度の値に設
定されている。 【００３３】ステップ４０５でＣＮＯＸ≧ＣＮＯＸ0 で
あった場合には、ＮＯX 吸蔵還元触媒７のＮＯX 吸蔵量
が増大しておりＮＯX 吸蔵還元触媒の再生操作を実行す
る必要があるため、ステップ４０７以下の操作を行う。
すなわち、ステップ４０７では現在のＮＯX 吸蔵還元触
媒７に流入する排気温度ＴEXが機関負荷状態（アクセル
開度、回転数）に基づいて算出される。 【００３４】機関排気温度は機関負荷状態に対応して変
化する。このため、本実施形態では、予め機関を異なる
負荷状態で運転し、ＮＯX 吸蔵還元触媒７入口における
排気温度を実測し、例えばアクセル開度と回転数とを用
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４０７では、ステップ４０１で読み込ん
だアクセル開度ＡＣＣＰと回転数ＮＥとから上記数値テ
ーブルを用いて現在の排気温度ＴEXを算出する。 【００３５】なお、本実施形態では機関負荷状態に基づ
いてＮＯX 吸蔵還元触媒７に流入する排気温度ＴEXを算
出しているが、ＮＯX 吸蔵還元触媒７入口に排気温度を
検出する排気温度センサを配置して排気温度ＴEXを直接
検出するようにすることも可能である。ステップ４０７
で排気温度ＴEXが算出されると、次にステップ４０９で
は、排気温度ＴEXに基づいて予め定めた関係から燃料ポ
ンプ９２の噴射圧力目標値が設定される。本実施形態で
は、予め実験により各排気温度での噴射燃料の粒径（す
なわち噴射弁９１の噴射圧力）と燃料の気化状態との関
係を実測により求めてあり、各排気温度において噴射燃
料を良好に気化可能な噴射圧力が排気温度の関数として
設定されている。ステップ４０７では、算出された排気
温度ＴEXに基づいて、上記関係を用いて目標噴射圧力が
設定される。なお、目標噴射圧力は、排気温度が低いほ
ど高く設定され、噴射弁９１から噴射される燃料の粒径
は小さくなる。 【００３６】ステップ４１１では、再生操作に必要とさ
れる還元剤（燃料）の量が排気温度ＴEXに基づいて算出
される。ＮＯX 吸蔵還元触媒７は温度に応じて触媒活性
が変化するため、再生操作時においても供給する還元剤
（燃料）量は排気温度ＴEXに応じて変化させることが好
ましい。本実施形態では、予め触媒にＣＮＯＸに相当す
る量のＮＯX が吸収された状態で再生操作に必要とされ
る還元剤量を各排気温度条件下で実験により求めてあ
り、ステップ４１１では、この関係に基づいて必要とさ
れる燃料の噴射量を算出する。 【００３７】ステップ４１３では、燃料ポンプ９２の吐
出圧力がステップ４０９で算出された噴射圧力となるよ
うに、電源制御回路９２ａが制御され、ステップ４１５
では設定した噴射圧力下でステップ４１１で算出した量
の還元剤を噴射するために必要とされる噴射弁９１の開
弁時間（制御弁９１ｂの開弁時間）が設定され、噴射弁
９１が開弁される。これにより、噴射弁９１からは、排
気温度ＴEXに応じて調節された粒径の燃料が必要量だけ
噴射されるようになる。 【００３８】上記操作終了後、ステップ４１７ではＮＯ
X 吸蔵量ＣＮＯＸの値はリセットされ、本操作は終了す
る。上述のように、ＮＯX 吸蔵還元触媒７に流入する排
気温度に応じて噴射弁９１から噴射する燃料粒子の粒径
を変化させることにより、噴射された燃料は排気温度に
かかわらずほぼ全量が気化した状態でＮＯX 吸蔵還元触
媒７に到達するようになるためＮＯX 吸蔵還元触媒７上
では供給された燃料が有効に再生操作に使用されるよう
になり、再生操作に必要とされる燃料量（還元剤量）を
低減することができるとともに、特に排気温度が低いと
きに生じやすい燃料粒子のすり抜けによる排気性状の悪
化が防止される。 【００３９】なお、本実施形態のように還元剤噴射弁か
らＮＯX 吸蔵還元触媒に還元剤を供給する場合、噴射弁
とＮＯX 吸蔵還元触媒との距離が大きいと噴射弁から噴
射された還元剤が排気流前後方向に拡散してしまい、充
分に還元剤濃度の高い排気の層を形成できなくなる可能
性がある。このため、還元剤噴射弁はできるだけＮＯ X
吸蔵還元触媒に近い位置に設置することが好ましい。と
ころが、噴射弁と還元剤との距離を短く設定すると、特
に排気温度が低い場合には噴射された還元剤が気化せず
に液状粒子のままＮＯX 吸蔵還元触媒に到達しやすくな
る問題がある。本実施形態では、排気温度に応じて噴射
される還元剤粒子の粒径を変化させることにより、排気
温度にかかわらず還元剤をほぼ全量が気化した状態でＮ
ＯX 吸蔵還元触媒に到達させることが可能となる。この
ため、本実施形態によれば、液状の還元剤粒子がＮＯX
吸蔵還元触媒に到達することを防止しながら還元剤噴射
弁をＮＯX 吸蔵還元触媒に近接した位置に配置すること
が可能となり、供給された還元剤が排気で希釈されるこ
とが防止されるので、更にＮＯX 吸蔵還元触媒の再生を
効率的に行うことが可能となる。 【００４０】なお、上記実施形態では排気温度の各値に
応じて連続的に燃料噴射圧力（燃料粒径）と噴射量とを
変化させているが、例えば排気温度の所定値（例えば２
５０℃程度）を境として、これより高温側と低温側とで
燃料噴射圧力と噴射量とを切り換えるようにして制御を
簡素化することも可能である。 【００４１】 【発明の効果】本発明によれば、排気温度に応じてＮＯ
X吸蔵還元触媒に供給される還元剤の霧化状態が制御さ
れるため、排気温度にかかわらず少量の還元剤で効率的
にＮＯX吸蔵還元触媒の再生を行うことが可能になると
ともに、未反応の還元剤が触媒下流側に流出することに
よる排気性状の悪化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を自動車用ディーゼル機関に適用した実
施形態の概略構成を説明する図である。 【図２】図１の還元剤噴射弁の構成を説明する図であ
る。 【図３】図１の還元剤噴射弁の構成を説明する断面図で
ある。 【図４】本実施形態のＮＯX 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。 【符号の説明】 １…ディーゼル機関 ３…排気通路 ７…ＮＯX 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…還元剤噴射弁
施形態の概略構成を説明する図である。 【図２】図１の還元剤噴射弁の構成を説明する図であ
る。 【図３】図１の還元剤噴射弁の構成を説明する断面図で
ある。 【図４】本実施形態のＮＯX 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。 【符号の説明】 １…ディーゼル機関 ３…排気通路 ７…ＮＯX 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…還元剤噴射弁
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６−129237（ＪＰ，Ａ)
特開 平７−279649（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−235318（ＪＰ，Ａ)
特開 平９−13946（ＪＰ，Ａ)
特開 昭61−164017（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
F01N 3/08 - 3/36
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【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ＮＯXを吸収
し流入する排気の酸素濃度が低下したときに吸収したＮ
ＯXを放出するＮＯX吸蔵還元触媒と、該ＮＯX吸蔵還元
触媒の上流側の排気通路に液体還元剤を噴射する還元剤
供給装置とを備え、前記ＮＯX吸蔵還元触媒に流入する
排気温度に応じて前記還元剤供給装置から排気通路に噴
射される還元剤の霧化状態を変化させる霧化制御手段を
備えた内燃機関の排気浄化装置であって、 前記還元剤供給装置は、前記還元剤を排気通路に噴射す
る噴射弁を備え、 前記霧化制御手段は、前記噴射弁からの還元剤の噴射圧
力を増大させることにより、前記ＮＯ X 吸蔵還元触媒に
流入する排気温度が低いほど噴射される還元剤の粒径を
小さくして還元剤の霧化状態を変化させる、 内燃機関の
排気浄化装置。
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ID=12739873
Family Applications (1)
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-
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- 1999-02-24 JP JP04618199A patent/JP3518391B2/ja not_active Expired - Lifetime
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