JP3632614B2

JP3632614B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP3632614B2
Application number: JP2001141495A
Authority: JP
Inventors: 博文土田; 勇堀田; 俊一椎野
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-05-11
Filing date: 2001-05-11
Publication date: 2005-03-23
Anticipated expiration: 2021-05-11
Also published as: EP1256704A3; JP2002332830A; DE60236827D1; EP1256704A2; EP1256704B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等の内燃機関から排出される排気を浄化する手段に係り、特に、排気中のＮＯｘを高効率で浄化する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の理論空燃比近傍で運転される内燃機関の排気は、三元触媒で浄化することができる。三元触媒は流入する排気の空燃比が理論空燃比のときにＨＣ，ＣＯ成分の酸化とＮＯｘの還元とを同時に行うものであり、リーン空燃比で運転し燃費を向上させるいわゆるリーンバーンエンジンの排気浄化には適しない。
【０００３】
このようなリーンバーンエンジンの場合、流入する排気の空燃比がリーンである場合にＮＯｘをトラップし、流入する排気の空燃比がリッチである場合にトラップしたＮＯｘを放出、浄化処理するＮＯｘトラップ触媒などを用いる。但し、これらの触媒は、内燃機関の始動直後等の低温状態においては未活性の状態であり、触媒作用が十分に行えず、浄化が十分に行えない。
【０００４】
一方、特開平１−１５５９３４号公報には、道路トンネルにおける換気ガスの浄化（ＮＯｘ除去）のため、ゼオライトの吸着能を使用し、トンネル中に排出されたＮＯｘをゼオライトに吸着、浄化する技術について記載されている。この技術はＮＯｘを比較的低温（常温）でゼオライトに吸着させ、その再生、すなわちＮＯｘの脱離のためにゼオライトを１５０°Ｃ以上の高温にさらすというものである。また、ゼオライトヘのＮＯｘの吸着を促進するために、その上流部にてシリカゲル等により水分を除去している。
【０００５】
すなわち、予め乾燥させたガス中のＮＯｘを、ゼオライトにより低温時に吸着処理させ、高温にすることでこのＮＯｘを脱離させ、この時に還元剤により浄化するものである。本発明の発明者は、上記の技術を内燃機関の排気浄化に適用するにあたって、各種の検討を行い、主にゼオライトで構成された触媒を用い、排気中の水分濃度のコントロールと、さらに酸素濃度をコントロールすることで、１００°Ｃ以下の低温時においても、排気中のＮＯｘをトラップすることができることを発見し、特許出願をしている。すなわち、低温での排気の水分濃度、酸素濃度を適切にコントロールすることでゼオライト触媒にてＮＯｘをトラップし、高温となってから脱離浄化するというものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらこのような先行技術の場合、始動後の低温時において、ゼオライト触媒によりトラップしたＮＯｘは、高温条件となってから比較的長時間をかけて脱離するため、このＮＯｘを還元浄化するにあたっては、還元剤（ＨＣ，ＣＯ，Ｈ_２）を供給するために脱離期間中、排気がリッチとなるようにリッチ運転を行う必要があり、結果としてリッチ運転によるＨＣ、ＣＯの未浄化を引き起こすとともに、リーン運転による燃費向上効果を十分に得られないという問題点があった。
【０００７】
一方、特開２０００−３４５８３２号公報においては、本発明と構成は異なるものの、低温時にＮＯｘをトラップする触媒の下流に、高温でＮＯｘをトラップする触媒を配置するというものが提案されている。これは、低温時には、低温用のＮＯｘトラップ触媒でＮＯｘをトラップし、高温時には高温用のＮＯｘトラップ触媒でＮＯｘをトラップするものであり、また低温用のＮＯｘトラップ触媒から脱離したＮＯｘを高温用のＮＯｘトラップ触媒で処理するとの記載もある。しかしながら、この従来例では、始動後の暖機運転中の低温条件では、ストイキでの運転を行うとの記載があり、この場合、このストイキ運転中に低温用のＮＯｘトラップ触媒からＮＯｘが脱離する温度条件になることが十分に想定され、この時、脱離したＮＯｘは下流側のＮＯｘトラップではトラップできないという問題が生じる。これは下流側のＮＯｘトラップはリーン条件ではＮＯｘをトラップできるものの、ストイキ条件ではＮＯｘをトラップできないためである。すなわち、この従来例では、低温用ＮＯｘトラップ触媒から脱離したＮＯｘがそのまま大気中に放出される場合があるという問題があった。
【０００８】
ちなみに、この従来例で説明されている低温用ＮＯｘトラップ触媒は、始動直後の低温条件でのＮＯｘをトラップする場合に、ストイキ条件で、すなわち酸素がほとんど無い条件でトラップさせるというものであり、本発明の発明者が検討したゼオライトを主体とする低温用ＮＯｘトラップ触媒では、トラップするために酸素が所定量以上必要という点で、全く異なるものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の発明者は、上記問題点の解決のために各種検討を行い、ゼオライトを主体として構成され、低温時にＮＯｘをトラップし、高温時にＮＯｘを脱離する低温用ＮＯｘトラップ触媒を、高温時に排気がリーンの条件でＮＯｘをトラップし、ストイキ、又はリッチ条件でＮＯｘを脱離浄化する高温用ＮＯｘトラップ触媒と組み合わせ、さらに低温用ＮＯｘトラップの脱離状態に応じて排気の空燃比をコントロールすることで、上記の問題点を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
このような背景のため、請求項１に係る発明は、
リーン燃焼が可能な内燃機関の排気通路に、主にゼオライトで構成され、低温でＮＯｘをトラップし、高温でＮＯｘを脱離する低温用ＮＯｘトラップ触媒を配置すると共に、この低温用ＮＯｘトラップ触媒と一体で、あるいはその下流に、所定の温度以上の条件で、排気の空燃比がリーンの条件でＮＯｘをトラップし、ストイキ、もしくはリッチの条件でＮＯｘを脱離する高温用ＮＯｘトラップ触媒を配置し、
かつ、低温用ＮＯｘトラップ触媒からのＮＯｘの脱離状態を検出する手段と、少なくとも低温用ＮＯｘトラップ触媒からＮＯｘが脱離している期間は排気空燃比をリーンに設定すると共に、低温用ＮＯｘトラップ触媒からのＮＯｘの脱離が終了した直後に、排気空燃比を一時的にリッチに設定する空燃比制御手段と、
を備えて構成したことを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２に係る発明は、
前記低温用ＮＯｘトラップ触媒と、前記高温用ＮＯｘトラップ触媒は一体で構成されており、ハニカム状の担体上に、第一層（内層）として低温用ＮＯｘトラップ触媒層が担持されており、第二層（表層）として高温用ＮＯｘトラップ触媒層が担持されていることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項３に係る発明は、
前記低温用ＮＯｘトラップ触媒からのＮＯｘの脱離状態検出手段は、低温用ＮＯｘトラップ触媒の温度を検出する手段により、低温用ＮＯｘトラップ触媒の温度が所定温度を超えてから、所定期間を脱離状態と判断するものであることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項４に係る発明は、
前記低温用ＮＯｘトラップ触媒の下流に、高温用ＮＯｘトラップ触媒を備えており、前記低温用ＮＯｘトラップ触媒からのＮＯｘの脱離状態検出手段は、低温用ＮＯｘトラップ触媒に流入する排気中のＮＯｘ濃度と、低温用ＮＯｘトラップ触媒から流出するＮＯｘ濃度を検出する手段を有し、流入ＮＯｘ濃度より流出ＮＯｘ濃度が高い場合にＮＯｘ脱離状態と判断することを特徴とする。
【００１４】
また、請求項５に係る発明は、
前記低温用ＮＯｘトラップ触媒に流入する排気中のＮＯｘ濃度と、低温用ＮＯｘトラップ触媒から流出するＮＯｘ濃度を、それぞれ低温用ＮＯｘトラップ触媒の上流側と下流側に設置したＮＯｘ濃度センサにより検出することを特徴とする。
【００１５】
また、請求項６に係る発明は、
前記低温用ＮＯｘトラップ触媒に流入する排気中のＮＯｘ濃度を機関の運転状態から推定によって検出し、低温用ＮＯｘトラップ触媒から流出するＮＯｘ濃度を低温用ＮＯｘトラップ触媒の下流側に設置したＮＯｘ濃度センサにより検出することを特徴とする。
【００１６】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、低温時において低温用ＮＯｘトラップ触媒にトラップされたＮＯｘは、触媒昇温に伴い例えば２００°Ｃ以上で脱離を開始するが、脱離状態と判断した場合は、排気の空燃比をリーンに制御されることになる。この低温用ＮＯｘトラップ触媒と一体に設けられた、あるいは下流に設けられた高温用ＮＯｘトラップ触媒は、やはり２００°Ｃ程度になっており、十分にリーン雰囲気下でのＮＯｘトラップ機能が活性しているため、低温用ＮＯｘトラップから脱離したＮＯｘは、この高温用ＮＯｘトラップ触媒で再度トラップされることになり、大気に放出されることはない。また、この脱離期間中、リーン運転が可能であるため、燃費改善効果も得られる。この期間は、リーン雰囲気なのでＨＣ、ＣＯは酸化され、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２になって大気に放出される。
【００１７】
その後、低温用ＮＯｘトラップからのＮＯｘ脱離が終了したと判断されると、すぐに排気の空燃比は一時的にリッチに制御されることになる。この一時的なリッチ化により、高温用ＮＯｘトラップ触媒にトラップされたＮＯｘは、脱離し、かつリッチ排気中の還元成分（ＨＣ、ＣＯ等）により、無害なＮ_２に還元浄化され、大気に放出されることになる。このリッチ期間は、比較的短時間（例えば３秒間程度）であり、リーン運転ができないことによる燃費悪化を最小限にすることが可能となる。
【００１８】
請求項２の発明によれば、触媒の構成をシンプルにでき、車両への搭載を容易にすることができる。しかも、低温用ＮＯｘトラップが内層、高温用ＮＯｘトラップが表層に配置されているため、低温用ＮＯｘトラップから脱離したＮＯｘは、必ず高温用ＮＯｘトラップを通過することになり、ここで確実にトラップすることができる。また、触媒の昇温は主に排気から熱をもらうことにより昇温することが支配的であるため、表層の方が内層よりも少しは温度が高い。すなわち、内層の低温用ＮＯｘトラップが２００°ＣとなりＮＯｘ脱離を開始する条件では、少なくとも表層の高温用ＮＯｘトラップは２００°Ｃ以上となっているため、確実にリーン雰囲気下でのＮＯｘのトラップ機能が活性している状態となるという効果も得られる。
【００１９】
請求項３の発明によれば、前記低温用ＮＯｘトラップ触媒からのＮＯｘの脱離状態検出手段は、低温用ＮＯｘトラップ触媒の温度を検出する手段により、低温用ＮＯｘトラップ触媒の温度が所定温度を超えてから、所定期間を脱離状態と判断するものであることを特徴としており、これにより簡単な構成で低温用ＮＯｘトラップ触媒からのＮＯｘの脱離状態を判断することができ、この判断に基づいて排気の空燃比を、リーン、あるいはリッチに制御することで、低温時にトラップしたＮＯｘを浄化処理することが可能となる。
【００２０】
請求項４の発明によれば、低温用ＮＯｘトラップ触媒からのＮＯｘの脱離状態を高精度で検出することが可能となり、より確実に排気空燃比のリーン制御、リッチ制御のタイミングを制御することが可能となり、低温時にトラップしたＮＯｘの浄化処理をより確実に行うことが可能となる。
請求項５の発明によれば、ＮＯｘ脱離状態の検出を、低温用ＮＯｘトラップ触媒の上流側と下流側とに設けたＮＯｘ濃度センサにより検出した流入ＮＯｘ濃度と流出ＮＯｘ濃度とに基づいて行うので、最も精度良く検出することができる。
【００２１】
請求項６の発明によれば、低温用ＮＯｘトラップ触媒に流入する排気のＮＯｘ濃度を機関運転状態で推定によって検出し、推定できない流出側のＮＯｘ濃度のみＮＯｘセンサで検出してＮＯｘ脱離状態を検出するので、可能な限り低コストでＮＯｘ脱離状態を検出することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施形態の構成を示すものである。
エンジン１の吸気通路２の上流部には吸入空気量Ｑａを検出するエアフローメータ３が装着され、その下流側に吸入空気量を調節する電制スロットル弁４が設置されている。エンジン１の燃焼室には燃料噴射弁５と点火プラグ６とが設置されており、エンジンコントロールユニット（以下ＥＣＵという）７から出力される駆動信号によって駆動される。
【００２３】
前記ＥＣＵ７には、前記エアフローメータ３により検出される吸入空気量Ｑａの他、アクセル開度センサ８によって検出されるアクセル開度ＡＰＯ、クランク角センサ９によって検出されるエンジン回転速度Ｎｅ、水温センサによって検出されるエンジン冷却水温Ｔｗなどが入力される。
ＥＣＵ７では、主に前記アクセル開度ＡＰＯに基づいて、エンジン１に必要な負荷（要求トルク）Ｌを算出する。そして、前記負荷Ｌ、エンジン回転速度Ｎｅ、エンジン冷却水温Ｔｗ等に基づいて、目標空燃比の指標として空気過剰率の逆数である目標当量比ＴＦＢＹＡが算出される。この目標当量比ＴＦＢＹＡを実現するために必要な空気量を得るために電制スロットル弁４を駆動する。すなわち、同一の負荷で考えた場合、目標空燃比が理論空燃比よりもリーンであるほど、スロットル開度を大きくして吸入空気量Ｑａを増加させ、また、理論空燃比に近づくほど、スロットル開度を小さくして吸入空気量Ｑａを減少させる。
【００２４】
また、実際の吸入空気量Ｑａとエンジン回転速度Ｎｅとから基本燃料噴射パルス幅Ｔｐ（＝Ｋ×Ｑａ／Ｎｅ：Ｋは定数）を演算し、これに目標当量比ＴＦＢＹＡを乗じることで最終的な燃料噴射パルス幅（＝Ｔｐ×ＴＦＢＹＡ×ＣＯＥＦ：ＣＯＥＦは各種補正係数）を演算し、それに基づいて燃料噴射弁５を駆動する。なお、点火プラグ６の点火時期は、エンジン回転速度Ｎｅ及び負荷Ｌに基づいて制御する。
【００２５】
エンジン１からの排気は、排気通路１０より排出されるが、この排気通路１０には、低温用ＮＯｘトラップ触媒と高温用ＮＯｘトラップ触媒で構成された排気浄化触媒１１が設けられている。この排気浄化触媒１１には触媒温度センサ１２が設置されており、排気浄化触媒１１の温度Ｔｃａｔを検出して、ＥＣＵ７に出力する。
【００２６】
前記排気浄化触媒１１は、図２に示すように、ハニカム状の担体１１ａ上に、まず第一層（内層）として低温用ＮＯｘトラップ触媒層１１ｂと、第二層（表層）として高温用ＮＯｘトラップ触媒層１１ｃをコーティングしたものである。低温用ＮＯｘトラップ触媒層１１ｂは、主にゼオライトで構成されたものである。ここでゼオライトとしては、例えばβゼオライト、Ａ型ゼオライト、Ｙ型ゼオライト、Ｘ型ゼオライト、ＺＳＭ−５、ＵＳＹ、モルデナイト、フェリエライトを使用できる。
【００２７】
このような低温用ＮＯｘトラップ触媒層１１ｂでは、触媒温度が１００°Ｃ以下というような低い条件でも、排気を適切な水分濃度と適切な酸素濃度にコントロールすることで、ＮＯｘをトラップすることができる。また、この触媒１１ｂが昇温するに伴い、低温でトラップしたＮＯｘは脱離するが、ＮＯｘトラップ期間中の水分をコントロールすることで、特に２００°Ｃ以下での脱離を抑制できる。
【００２８】
高温用ＮＯｘトラップ触媒層１１ｃとしては、例えば、白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ等の貴金属のうち少なくとも１成分を担持したアルミナで構成される三元触媒に、さらにバリウムＢａで代表されるアルカリ土類、セシウムＣｓで代表されるアルカリ金属から選ばれた少なくとも１つの成分を添加した触媒であり、触媒活性温度以上（例えば２００°Ｃ程度）に達すると排気空燃比がリーンの条件で排気中のＮＯｘをトラップし、リッチの条件で排気中の還元成分（ＨＣ、ＣＯ、Ｈ_２等）によりトラップしたＮＯｘを放出すると同時に還元浄化する特性を有するものである。このような高温用ＮＯｘトラップ触媒は、約２００°Ｃ以上の温度領域では、上記のようなＮＯｘのトラップ及び浄化を行うことが可能であるが、それ以下の温度ではＮＯｘの浄化は困難となる。
【００２９】
エンジン１は筒内直接燃料噴射式のエンジンであり、部分負荷域ではリーン燃焼が可能なものであり、冷機始動後の低温条件（例えば冷却水温が２５°Ｃ程度）から部分負荷域でリーン燃焼を行うものである。始動後、なるべく早くリーン燃焼とすることで、実用燃費を向上させることを狙い、本実施形態では、このような低温条件においても、通常の運転状態で使用する部分負荷領域は、平均空燃比Ａ／Ｆ＝２０〜４０程度で運転するように設定しているものである。
【００３０】
以下、本実施形態の作動について説明する。
エンジン１が常温（約２５°Ｃ）から冷機始動した場合で説明する。上述のように始動直後からエンジン１はリーン運転を行い、酸素と水分を含んだ排気が排気浄化触媒１１に流入する。排気浄化触媒１１の内層にコーティングされた低温用ＮＯｘトラップ触媒層１１ｂは、酸素の存在下において１００°Ｃ以下の低温でも排気中のＮＯｘをトラップすることが可能であり、流入する水分とともにＮＯｘをトラップすることで、大気へのＮＯｘの放出を防止できる。その後、触媒の暖機が進み低温用ＮＯｘトラップ触媒層１１ｂにトラップされたＮＯｘも脱離することになるが、水分とともにトラップされたＮＯｘは、約２００°Ｃ程度まで脱離を抑制できることがわかっており、この期間に未浄化のまま放出されるＮＯｘを抑制できる。
【００３１】
さらに、温度が昇温し、２００°Ｃを超える条件になると、低温用ＮＯｘトラップ触媒層１１ｂにトラップされていたＮＯｘが脱離を開始するが、表層の高温用ＮＯｘトラップ触媒層１１ｃが２００°Ｃ以上では活性状態となる。低温用ＮＯｘトラップ触媒層１１ｂの脱離開始は、触媒温度センサ１２の信号により、ＥＣＵ９で判断され、少なくとも脱離中はリーン運転を行うように制御する。その結果、排気空燃比はリーンとなるため、高温用ＮＯｘトラップ触媒層１１ｃはＮＯｘをトラップすることができるため、低温用ＮＯｘトラップ触媒層１１ｂから脱離したＮＯｘは、大気に放出されることなく、高温用ＮＯｘトラップ触媒層１１ｃに再度トラップされる。排気浄化触媒１１が２００°Ｃになってから所定の期間（例えば３０秒程度）が経過すると、低温用ＮＯｘトラップ触媒層１１ｂからのＮＯｘの脱離は終了するため、これをＥＣＵ９で判断して、排気空燃比を一時的（例えば３秒程度）にリッチとなるように制御する。その結果、高温用ＮＯｘトラップ触媒層１１ｃにトラップされたＮＯｘが脱離し、リッチ排気中の還元成分（ＨＣ、ＣＯ、Ｈ２）により、還元浄化される。すなわち、短時間のリッチ運転により、低温時にエンジン１から排出されたＮＯｘを還元浄化することが可能となる。
【００３２】
その後は、エンジン１は通常のリーン運転に戻るが、このような条件では高温用ＮＯｘトラップ触媒層１１ｃにより、リーン排気中のＮＯｘがトラップされ、また周期的なリッチ化制御により、ＮＯｘトラップ触媒１１中にトラップされたＮＯｘが還元浄化されるため、高温時にもＮＯｘの排出を低減できるものである。
【００３３】
本実施形態の空燃比制御について、図３のフローチャートに基づいて説明する。本ルーチンは例えば１０ｍｓｅｃ毎に実行されるものである。
Ｓ１では、エンジン１の冷却水温度Ｔｗを検出し、次のＳ２で、このＴｗが所定値ＴｗＬ（例えば２５°Ｃ）よりも高いか否かを判定する。
このＳ２での判定でエンジン冷却水温Ｔｗが所定値ＴｗＬ（２５°Ｃ）より高い場合は、リーン燃焼が可能と判断し、Ｓ３に進む。
【００３４】
Ｓ３では、排気浄化触媒１１の温度Ｔｃａｔを検出し、次のＳ４でこのＴｃａｔが所定値ＴｃａｔＬ（例えば２００°Ｃ）以下であるか否かを判定する。この所定値ＴｃａｔＬとしては、低温用ＮＯｘトラップ触媒層１１ｂにおいて、トラップしたＮＯｘの脱離浄化が開始する温度を設定するものであり、水分と共にトラップしたＮＯｘは概略２００°Ｃ程度から脱離を開始することを確認しているが、実際にはゼオライトの材質等によって多少異なるため、予め実験的に求めた値を設定することが望ましい。
【００３５】
Ｓ４での判定で、排気浄化触媒１１の温度Ｔｃａｔが所定値ＴｃａｔＬ（２００°Ｃ）以下との場合、Ｓ５に進み、リーン運転を許可する。
このようにリーン運転許可と判定された場合は、エンジン１は、その回転速度、負荷等に応じて、燃費向上のためのリーンな空燃比（例えばＡ／Ｆ＝２０〜４０の範囲）が設定され、その空燃比に基づいて運転される。これにより排気中に酸素が含まれるため、低温用ＮＯｘトラップ触媒層１１ｂにてＮＯｘがトラップされる。この条件では、リーン運転は許可されているだけなので、例えばアクセルを踏み込み、高負荷運転が要求された場合は、即時にストイキ運転に切り換わるものである。
【００３６】
また、Ｓ４での判定で、排気浄化触媒１１の温度Ｔｃａｔが所定値ＴｃａｔＬ（２００°Ｃ）を超えた場合は、低温用ＮＯｘトラップ触媒層１１ｂから、ＮＯｘが脱離する状態と判断し、Ｓ６に進む。
Ｓ６では、ＴｃａｔがＴｃａｔＬ（２００°Ｃ）超えてからの経過時間が、所定時間以内かを判定する。
【００３７】
このＳ６の判定で所定時間以内の場合は、ＮＯｘの脱離が継続中と判断して、Ｓ７に進む。
Ｓ７では、ＮＯｘ脱離中を示すフラグｆ＝１とし、Ｓ８に進む。
Ｓ８では、脱離したＮＯｘを高温用ＮＯｘトラップ触媒層１１ｃに再度トラップさせるため、必ずリーン運転を行うように設定する。具体的には、前述の目標当量比ＴＦＢＹＡに上限を設定し（例えばＴＦＢＹＡ≦０．９）、これによりこの条件では必ずリーン運転となるように制限する。その結果、排気空燃比はリーンに保持されるため、低温用ＮＯｘトラップ触媒層１１ｂから脱離したＮＯｘは、高温用ＮＯｘトラップ触媒層１１ｃに確実にトラップされることになる。
【００３８】
Ｓ６で、Ｔｃａｔが所定値ＴｃａｔＬ（２００°Ｃ）超えてからの経過時間が所定時間を超えたと判定された場合は、ＮＯｘの脱離が終了したと判断し、Ｓ９に進み、フラグｆを０とする。
Ｓ１０では、フラグｆ＝０となってからの経過時間が、所定時間以内かを判断し、所定時間以内の場合はＳ１１に進む。
【００３９】
Ｓ１１では、高温用ＮＯｘトラップ触媒層１１ｃにトラップされたＮＯｘを脱離し、かつ還元浄化するために、一時的にリッチ運転を行う。
Ｓ１０で、フラグｆ＝０となってからの経過時間が所定時間を超えたと判定された場合は、高温用ＮＯｘトラップ触媒層１１ｃでのＮＯｘの浄化処理が終了したと判断し、Ｓ１２に進み、リーン運転を許可し、通常のリーン運転を行う。ここで、Ｓ６の所定時間は、低温用ＮＯｘトラップ触媒層１１ｂからのＨＯｘの脱離期間によるものであり、低温用ＮＯｘトラップ触媒層１１ｂのＮＯｘトラップ量（容量や材質による）に応じて、予め実験的に求めたものであるが、例えば３０秒程度である。また、Ｓ１０の所定時間は、高温用ＮＯｘトラップ触媒層１１ｃからのＮＯｘの脱離浄化期間によるものであり、高温用ＮＯｘトラップ触媒層１１ｃからのＮＯｘの脱離速度等（容量や材質による）に応じて、予め実験的に求めたものであるが、例えば３秒程度と比較的短い時間である。
【００４０】
また、Ｓ１２のリーン運転許可後は、高温用ＮＯｘトラップ触媒層１１ｃがＮＯｘのトラップ、及び浄化を行うことができる温度状態となっているので、通常はエンジン回転速度、負荷等に応じたリーン空燃比を設定し、周期的に高温用ＮＯｘトラップ触媒層１１ｃにトラップしたＮＯｘを還元浄化するためにリッチ空燃比（例えばＡ／Ｆ＝１１程度）を設定するものである。
【００４１】
Ｓ２でＴｗが所定値ＴｗＬ（２５°Ｃ）以下と判断された場合は、エンジン１の安定燃焼の確保のため、Ｓ１３に進み、Ｔｗに応じた空燃比に設定する。この場合、基本的には理論空燃比、あるいは低温化に伴いリッチ空燃比に設定するものである。
次に本発明の第２の実施形態について説明する。
【００４２】
図４は構成図であり、第１の実施形態と異なる点は、まず排気浄化触媒の構成が異なる。すなわち、排気浄化触媒は、上流側の低温用ＮＯｘトラップ触媒２１と、下流側の高温用ＮＯｘトラップ触媒２２とが独立して設置されている。低温用ＮＯｘトラップ触媒２１の上流には上流側ＮＯｘセンサ２３が、また低温用ＮＯｘトラップ触媒２１の下流で、高温用ＮＯｘトラップ触媒２２の上流には、下流側ＮＯｘセンサ２４が設置されている。
【００４３】
図５に示すように、低温用ＮＯｘトラップ触媒２１は、ハニカム状の担体２１ａ上に、低温用ＮＯｘトラップ触媒層２１ｂのみをコーティングしたものであり、第１の実施形態とは異なり、高温用ＮＯｘトラップ触媒層はコーティングしていない。一方、高温用ＮＯｘトラップ触媒２２は、図示しないが同様にハニカム状の担体上に、高温用ＮＯｘトラップ触媒層のみをコーティングしたものである。本実施形態の作動で第１の実施形態と異なる点は、低温用ＮＯｘトラップ触媒層２１ｂからのＮＯｘの脱離を上流側および下流側のＮＯｘセンサ２３，２４で判断することである。これにより、高精度にＮＯｘの脱離状態を検出することが可能となり、排気空燃比の制御を正確に行うことができるため、ＮＯｘの浄化処理を確実に行うことが可能となる。
【００４４】
本実施形態の空燃比制御について、図６のフローチャートに基づいて説明する。本ルーチンは例えば１０ｍｓｅｃ毎に実行されるものである。
Ｓ２１〜Ｓ２３は、第１実施形態のＳ１〜Ｓ３と同様に、でエンジン１の冷却水温度Ｔｗを検出し、所定値（２５°Ｃ）よりも高いか否かを判定し、高い場合は、リーン燃焼が可能と判断し、Ｓ２３に進む。
【００４５】
Ｓ２３では、上流側ＮＯｘセンサ２３の出力である上流側のＮＯｘ濃度ＣＮＯｘＦと、下流側ＮＯｘセンサ２４の出力である下流側のＮＯｘ濃度ＣＮＯｘＲを読み込む。
Ｓ２４では、今回の始動後にフラグｆ＝１となったことがあるかを判定する。これは、今回の始動後に、低温用ＮＯｘトラップ触媒層２１ｂから、ＮＯｘが脱離する条件になったことがあるかを判定するものである。
【００４６】
Ｓ２４でフラグｆ＝１となったことがない、つまり今回始動後に、ＮＯｘ脱離条件になったことがないと判定されるとＳ２５に進む。
Ｓ２５では、上流と下流のＮＯｘ濃度を比較し、ＣＮＯｘＦ≧ＣＮＯｘＲと判定されると、低温用ＮＯｘトラップ触媒２１は、ＮＯｘをトラップする状態にあると判断し、Ｓ２６に進み、リーン運転を許可する。このリーン運転許可と判断された場合は、エンジン１は、その回転数、負荷等に応じて、燃費向上のためのリーンの空燃比（例えばＡ／Ｆ＝２０〜４０の範囲）が設定され、その空燃比に基づいて運転されるものである。これにより排気中に酸素が含まれるため、低温用ＮＯｘトラップ触媒層２１ｂにてＮＯｘがトラップされる。この条件では、リーン運転は許可されているだけなので、例えばアクセルを踏み込み、高負荷運転が要求された場合は、即時にストイキ運転に切り換わるものである。
【００４７】
また、Ｓ２５にて、ＣＮＯｘＦ≧ＣＮＯｘＲでない、すなわちＮＯｘが脱離していると判定されると、Ｓ２８に進む。
Ｓ２８では、ＮＯｘ脱離中を示すフラグｆ＝１とし、Ｓ２９に進む。
Ｓ２９では、脱離したＮＯｘを高温用ＮＯｘトラップ触媒２２に再度トラップさせるため、必ずリーン運転を行うように設定する。具体的には、前述の目標空燃比ＴＦＢＹＡに上限を設定し（例えばＴＦＢＹＡ≦０．９）、これによりこの条件では必ずリーン運転となるように制限する。その結果、排気空燃比はリーンに保持されるため、低温用ＮＯｘトラップ触媒層２１ｂから脱離したＮＯｘは、高温用ＮＯｘトラップ触媒２２に確実にトラップされることになる。
【００４８】
その後は、Ｓ２４の判定で今回の始動後にｆ＝１になったことがあると判定されてＳ２７に進む。
Ｓ２７では、ＣＮＯｘＦ＜ＣＮＯｘＲ、つまり下流側のＮＯｘ濃度が上流側のＮＯｘ濃度を超えているか否かを判定する。そして、超えているときは、ＮＯｘの脱離が継続中と判断してＳ２８，Ｓ２９へ進んでリーン運転が継続される。
【００４９】
Ｓ２７でＣＮＯｘＦ≧ＣＮＯｘＲ、つまり下流側のＮＯｘ濃度が上流側のＮＯｘ濃度を超えていないと判定されると、ＮＯｘの脱離が終了したと判断し、Ｓ３０に進み、フラグｆを０とする。
Ｓ３１では、フラグｆ＝０となってからの経過時間が、所定時間以内かを判断し、所定時間以内の場合はＳ３２に進む。
【００５０】
Ｓ３２では、高温用ＮＯｘトラップ触媒２４にトラップされたＮＯｘを脱離し、かつ還元浄化するために、一時的にリッチ運転を行う。
Ｓ３１で、フラグｆ＝０となってから所定時間以上経過したと判定された場合は、高温用ＮＯｘトラップ触媒２４でのＮＯｘの浄化処理が終了したと判断し、Ｓ３３に進み、リーン運転を許可し、通常のリーン運転を行うものである。
【００５１】
また、Ｓ３３のリーン運転許可後は、高温用ＮＯｘトラップ触媒２４がＮＯｘのトラップ、及び浄化を行うことができる温度状態となっているので、通常はエンジン回転速度、負荷等に応じたリーン空燃比を設定し、周期的に高温用ＮＯｘトラップ触媒２４にトラップしたＮＯｘを還元浄化するためにリッチ空燃比（例えばＡ／Ｆ＝１１程度）を設定するものである。
【００５２】
Ｓ２２でＴｗが２５°Ｃ以下と判断された場合は、エンジン１の安定燃焼の確保のため、Ｓ３４に進み、Ｔｗに応じた空燃比に設定するものである。この場合、基本的には理論空燃比、あるいは低温化に伴いリッチ空燃比に設定するものである。
上記説明では、低温用ＮＯｘトラップ触媒２１の上流と下流にそれぞれＮＯｘセンサを配置した場合で説明したが、上流側のＮＯｘ濃度をエンジン１の運転状態から推定することでも可能であり、低コストでＮＯｘ脱離状態を検出できる。この場合は、上流側のＮＯｘセンサは必要なく、その代わりにエンジン運転状態から推定された上流側のＮＯｘ濃度と、下流側ＮＯｘセンサから検出された下流側のＮＯｘ濃度を比較することで、低温用ＮＯｘトラップ触媒層２１ｂからのＮＯｘの脱離状態を検出することが可能となる。ここで、エンジンの運転状態からＮＯｘ濃度を推定する手段としては、予め、エンジンの回転速度、負荷、空燃比、あるいはＥＧＲ率に応じて、ＮＯｘの排出濃度を実験的に求めておき、これをＥＣＵ７のメモリに記憶させて、実際の運転時の各運転条件からＮＯｘ濃度を推定するという方法が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の構成図。
【図２】本発明の第１の実施形態の排気浄化触媒の詳細図。
【図３】本発明の第１の実施形態のフローチャート。
【図４】本発明の第２の実施形態の構成図。
【図５】本発明の第２の実施形態の排気浄化触媒の詳細図。
【図６】本発明の第２の実施形態のフローチャート。
【符号の説明】
１エンジン
２吸気通路
３エアフローメータ
４電制スロットル弁
５燃料噴射弁
６点火プラグ
７エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
８アクセル開度センサ
９クランク角センサ
１０排気通路
１１排気浄化触媒
１１ａハニカム担体
１１ｂ低温用ＮＯｘトラップ触媒層
１１ｃ高温用ＮＯｘトラップ触媒層
１２触媒温度センサ
２１低温用ＮＯｘトラップ触媒
２２高温用ＮＯｘトラップ触媒
２３上流側ＮＯｘセンサ
２４下流側ＮＯｘセンサ

Claims

リーン燃焼が可能な内燃機関の排気通路に、主にゼオライトで構成され、低温でＮＯｘをトラップし、高温でＮＯｘを脱離する低温用ＮＯｘトラップ触媒を配置すると共に、この低温用ＮＯｘトラップ触媒と一体で、あるいはその下流に、所定の温度以上の条件で、排気の空燃比がリーンの条件でＮＯｘをトラップし、ストイキ、もしくはリッチの条件でＮＯｘを脱離する高温用ＮＯｘトラップ触媒を配置し、
かつ、低温用ＮＯｘトラップ触媒からのＮＯｘの脱離状態を検出する手段と、
少なくとも低温用ＮＯｘトラップ触媒からＮＯｘが脱離している期間は排気空燃比をリーンに設定すると共に、低温用ＮＯｘトラップ触媒からのＮＯｘの脱離が終了した直後に、排気空燃比を一時的にリッチに設定する空燃比制御手段と、
を備えて構成したことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記低温用ＮＯｘトラップ触媒と、前記高温用ＮＯｘトラップ触媒は一体で構成されており、ハニカム状の担体上に、第一層（内層）として低温用ＮＯｘトラップ触媒層が担持されており、第二層（表層）として高温用ＮＯｘトラップ触媒層が担持されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記低温用ＮＯｘトラップ触媒からのＮＯｘの脱離状態検出手段は、低温用ＮＯｘトラップ触媒の温度を検出する手段により、低温用ＮＯｘトラップ触媒の温度が所定温度を超えてから、所定期間を脱離状態と判断するものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記低温用ＮＯｘトラップ触媒の下流に、高温用ＮＯｘトラップ触媒を備えており、前記低温用ＮＯｘトラップ触媒からのＮＯｘの脱離状態検出手段は、低温用ＮＯｘトラップ触媒に流入する排気中のＮＯｘ濃度と、低温用ＮＯｘトラップ触媒から流出するＮＯｘ濃度を検出する手段を有し、流入ＮＯｘ濃度より流出ＮＯｘ濃度が高い場合にＮＯｘ脱離状態と判断することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記低温用ＮＯｘトラップ触媒に流入する排気中のＮＯｘ濃度と、低温用ＮＯｘトラップ触媒から流出するＮＯｘ濃度を、それぞれ低温用ＮＯｘトラップ触媒の上流側と下流側に設置したＮＯｘ濃度センサにより検出することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記低温用ＮＯｘトラップ触媒に流入する排気中のＮＯｘ濃度を機関の運転状態から推定によって検出し、低温用ＮＯｘトラップ触媒から流出するＮＯｘ濃度を低温用ＮＯｘトラップ触媒の下流側に設置したＮＯｘ濃度センサにより検出することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。