JP2000018021A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

内燃機関の排気浄化装置

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JP2000018021A JP10188634A JP18863498A JP2000018021A JP 2000018021 A JP2000018021 A JP 2000018021A JP 10188634 A JP10188634 A JP 10188634A JP 18863498 A JP18863498 A JP 18863498A JP 2000018021 A JP2000018021 A JP 2000018021A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 未燃HC,COが大気中に放出されるのを阻
止しつつSOX 吸収剤からSOX を十分に放出させる。 【解決手段】 流入する排気の空燃比がリーンのときに
流入する排気中のNOXを吸収し、流入する排気中の酸
素濃度が低くなると吸収しているNOX を放出するNO
X 吸収剤12を排気通路内に配置し、流入する排気の空
燃比がリーンのときに流入する排気中のSOX を吸収
し、流入する排気中の酸素濃度が低くなると吸収してい
るSOX を放出するSOX 吸収剤9をNOX 吸収剤上流
に配置し、NOX 吸収剤12下流に酸素ストレージ機能
を有する酸化触媒15を配置する。SOX 吸収剤9から
SOX を放出させるためにSOX 吸収剤9に流入する排
気の空燃比をリッチにし、酸化触媒15下流の空燃比セ
ンサ29dの検出空燃比がリッチになったらSOX 吸収
剤9に流入する排気の空燃比をリーンに戻す。

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
装置に関する。
【0002】
【従来の技術】排気通路内の或る位置よりも上流の排気
通路内、燃焼室内、および吸気通路内に供給された全燃
料量に対する全空気量の比をその位置を流通する排気の
空燃比と称すると、従来より、リーン混合気を燃焼せし
めるようにした内燃機関において、流入する排気の空燃
比がリーンのときにNOx を吸収し、流入する排気中の
酸素濃度が低くなると吸収しているNOx を放出するN
x 吸収剤を機関排気通路内に配置し、燃焼室内で燃焼
せしめられる混合気の空燃比をリーンにして排気中のN
x をNOx 吸収剤に吸収せしめ、NOx 吸収剤内に流
入する排気の空燃比を一時的にリッチにしてNOx 吸収
剤から吸収されているNOx を放出させると共に放出さ
れたNOx を還元するようにした内燃機関が知られてい
る。
【0003】ところが燃料および機関の潤滑油内にはイ
オウ分が含まれているので排気中にはSOx が含まれて
おり、このSOx も例えばSO4 2- の形でNOx と共に
NO x 吸収剤に吸収される。しかしながらこのSOx
NOx 吸収剤に流入する排気の空燃比をただ単にリッチ
にしてもNOx 吸収剤から放出されず、したがってNO
x 吸収剤内のSOx の量は次第に増大することになる。
ところがNOx 吸収剤内のSOx の量が増大するとNO
x 吸収剤が吸収しうるNOx の量が次第に低下し、つい
にはNOx 吸収剤がNOx をほとんど吸収できなくな
る。
【0004】そこで、流入する排気の空燃比がリーンの
ときに流入する排気中のSOx を吸収し、流入する排気
中の酸素濃度が低くなると吸収しているSOx を放出す
るSOx 吸収剤をNOx 吸収剤上流の排気通路内に配置
した排気浄化装置が公知である(特開平6−17365
2号公報参照)。この排気浄化装置では排気中のSO x
はSOx 吸収剤に吸収され、NOx 吸収剤にはNOx
みが吸収されることになる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】SOx 吸収剤のSOx
吸収能力にも限界があるのでこの排気浄化装置では、S
x 吸収剤に流入する排気の空燃比を一時的にリッチに
してSOx 吸収剤から吸収されているSOx を放出させ
るようにしている。この場合、SOx 吸収剤に流入する
排気中には多量の未燃HC,COが含まれるが、この未
燃HC,COの一部はSOx 吸収剤において酸化される
ことなくNOx 吸収剤に流入する。その結果、NOx
収剤に流入する排気の空燃比もリッチになるのでNOx
吸収剤から吸収されているNOx 吸収剤が放出され、還
元される。NOx 吸収剤のNOx 放出還元作用が行われ
ている間はNOx 吸収剤に流入する排気中の未燃HC,
COがNOx 還元反応により酸化されるのでNOx 吸収
剤から排出される排気中の未燃HC,CO濃度は低く維
持されている。ところが、NOx 吸収剤のNOx 放出還
元作用が完了するとNOx 吸収剤から多量の未燃HC,
COが排出され、したがってNOx 吸収剤から多量の未
燃HC,COが排出されるのを阻止するためにはSOx
吸収剤に流入する排気の空燃比をリッチにしている時
間、すなわちリッチ時間を短くしなければならない。し
かしながら、SOx 吸収剤からSOx を十分に放出させ
るのに必要な時間はNOx 吸収剤からNOx を十分に放
出させるのに必要な時間よりもかなり長く、したがって
リッチ時間を短くするとSOx 吸収剤からSOx を十分
に放出させることができないという問題点がある。
【0006】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に1番目の発明によれば、流入する排気の空燃比がリー
ンのときに流入する排気中のNOx を吸収し、流入する
排気中の酸素濃度が低くなると吸収しているNOx を放
出するNOx 吸収剤を機関排気通路内に配置し、流入す
る排気の空燃比がリーンのときに流入する排気中のSO
x を吸収し、流入する排気中の酸素濃度が低くなると吸
収しているSOx を放出するSOx 吸収剤をNOx 吸収
剤内またはNOx 吸収剤上流の機関排気通路内に配置
し、燃焼室内で燃焼せしめられる混合気の空燃比をリー
ンにして排気中のSOx をSOx 吸収剤に吸収せしめ、
SOx 吸収剤に流入する排気の空燃比を一時的にリッチ
にしてSOx 吸収剤から吸収されているSOx を放出さ
せるようにした内燃機関の排気浄化装置において、NO
x 吸収剤下流の排気通路内に酸化触媒を配置している。
すなわち1番目の発明では、NOx 吸収剤から排出され
た多量の未燃HC,COが酸化触媒により酸化せしめら
れるのでリッチ時間を長くしても未燃HC,COが大気
中に放出されるのが阻止され、したがってSOx 吸収剤
からSOx が十分に放出される。
【0007】また、2番目の発明によれば1番目の発明
において、前記酸化触媒下流の排気通路内に排気成分検
出センサを配置し、排気成分検出センサの出力信号に基
づいてSOx 吸収剤からSOx を放出させるべきときの
リッチ時間またはリッチ空燃比を制御するようにしてい
る。すなわち2番目の発明では、排気成分検出センサの
出力信号に基づいてSOx 吸収剤からSOx を放出させ
るべきときのリッチ時間またはリッチ空燃比が制御され
るので未燃HC,COが大気中に放出されるのが確実に
阻止される。
【0008】
【発明の実施の形態】図1は本発明を火花点火機関に適
用した場合を示している。しかしながら、本発明をディ
ーゼル機関に適用することもできる。図1を参照する
と、機関本体1は例えば4つの気筒1aを備えている。
各気筒1aはそれぞれ対応する吸気枝管2を介してサー
ジタンク3に連結され、サージタンク3は吸気ダクト4
を介してエアクリーナ5に連結される。吸気ダクト4内
にはスロットル弁6が配置される。各気筒1aには筒内
に直接燃料を噴射する燃料噴射弁7が設けられる。一
方、各気筒1aは排気マニホルド8を介してSOx吸収
剤9を内蔵したケーシング10に接続され、ケーシング
10は排気管11を介してNOx 吸収剤12を内蔵した
ケーシング13に接続される。ケーシング13は排気管
14を介して酸化触媒15を内蔵したケーシング16に
接続され、ケーシング16は排気管17に接続される。
なお、図1の内燃機関の排気行程順序は#1−#3−#
4−#2である。
【0009】酸化触媒15は例えばセリアCeO2 を含
み、流入する排気の空燃比がリーンのときに酸素O2
蓄え、流入する排気の空燃比がリッチになると蓄えてい
る酸素O2 を放出する酸素ストレージ機能を有する。こ
のため、酸化触媒15に酸素が蓄えられている限り酸化
触媒15に流入する排気の空燃比がリッチであっても酸
化触媒15は流入する排気中の未燃HC,COを酸化す
る。
【0010】電子制御ユニット20はディジタルコンピ
ュータからなり、双方向性バス21によって相互に接続
されたROM(リードオンリメモリ)22、RAM(ラ
ンダムアクセスメモリ)23、CPU(マイクロプロセ
ッサ)24、常時電力が供給されているB−RAM(バ
ックアップRAM)25、入力ポート26および出力ポ
ート27を具備する。サージタンク3にはサージタンク
3内の圧力に比例した出力電圧を発生する圧力センサ2
8が取り付けられ、排気管14および排気管17には排
気管14,17内を流通する排気の空燃比に比例した出
力電圧を発生する空燃比センサ29u,29dがそれぞ
れ取り付けられる。これらセンサ28,29u,29d
の出力電圧はそれぞれ対応するAD変換器30を介して
入力ポート26に入力される。また、入力ポート26に
は車両速度を表す出力パルスを発生する車速センサ31
と、機関回転数を表す出力パルスを発生する回転数セン
サ32とが接続される。CPU24では圧力センサ28
の出力電圧に基づいて吸入空気量が算出される。一方、
出力ポート27はそれぞれ対応する駆動回路33を介し
て燃料噴射弁7に接続される。
【0011】図1に示す内燃機関では例えば次式に基づ
いてi番気筒(i=1,2,3,4)の燃料噴射時間T
AU(i)が算出される。 TAU(i)=TP・(A/F)S/(A/F)T
(i) ここでTPは基本燃料噴射時間を、(A/F)T(i)
はi番気筒の目標空燃比を、(A/F)Sは理論空燃比
(=14.6)をそれぞれ表している。基本燃料噴射時
間TPは筒内で燃焼せしめられる混合気の空燃比を理論
空燃比とするのに必要な燃料噴射時間を示している。こ
の基本燃料噴射時間TPは予め実験により求められ、機
関負荷Q/N(吸入空気量Q/機関回転数N)および機
関回転数Nの関数として図2に示すようなマップの形で
予めROM22内に記憶されている。
【0012】一方、目標空燃比(A/F)T(i)はi
番気筒の燃焼室内で燃焼せしめられる混合気の目標値で
ある。この目標空燃比(A/F)T(i)は通常、全気
筒において理論空燃比(A/F)Sよりもリーンである
リーン空燃比(A/F)L、例えば22.0とされ、す
なわち、全気筒の燃焼室内で燃焼せしめられる混合気の
空燃比はリーンとされる。
【0013】図3は機関燃焼室から排出される排気中の
代表的な成分の濃度を概略的に示している。図3からわ
かるように燃焼室から排出される排気中の未燃HC,C
Oの量は燃焼室内で燃焼せしめら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中
の酸素O2 の量は燃焼室内で燃焼せしめられる混合気の
空燃比がリーンになるほど増大する。
【0014】ケーシング13内に収容されているNOx
吸収剤12は例えばアルミナを担体とし、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、パラジウムPd、ロジウムRh、イリジ
ウムIrのような貴金属とが担持されている。このNO
x 吸収剤12は流入する排気の空燃比がリーンのときに
はNOx を吸収し、流入する排気中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。なお、NOx 吸収剤12上流の排気通路内に燃料或
いは空気が供給されない場合にはNOx 吸収剤12に流
入する排気の空燃比は各気筒の燃焼室内に供給された燃
料量の合計に対する空気量の合計の比に一致し、特に各
気筒の目標空燃比(A/F)T(i)が同一の場合には
NOx 吸収剤12に流入する排気の空燃比はこの目標空
燃比(A/F)T(i)に一致する。
【0015】上述のNOx 吸収剤12を機関排気通路内
に配置すればこのNOx 吸収剤12は実際にNOx の吸
放出作用を行うが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。しかしながらこの吸
放出作用は図4(A)および図4(B)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Ba
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。
【0016】すなわち、流入する排気がかなりリーンに
なると流入する排気中の酸素濃度が大巾に増大し、図4
(A)に示されるようにこれら酸素O2 がO2 - または
2-の形で白金Ptの表面に付着する。一方、流入する
排気中のNOは白金Ptの表面上でO2 - またはO2-
反応し、NO2 となる(2NO+O2 →2NO2 )。次
いで生成されたNO2 の一部は白金Pt上でさらにに酸
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4(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N
x がNOx 吸収剤12内に吸収される。
【0017】流入する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NOx 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。これに対して流入する排
気中の酸素濃度が低下してNO2 の生成量が低下すると
反応が逆方向(NO3 - →NO2 )に進み、斯くして吸
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、流入する排気中の酸素濃度が低
下するとNOx 吸収剤12からNOx が放出されること
になる。図3に示されるように流入する排気のリーンの
度合が低くなれば流入する排気中の酸素濃度が低下し、
したがって流入する排気のリーンの度合を低くすればN
x 吸収剤12からNOx が放出されることになる。
【0018】一方、このとき流入する排気の空燃比をリ
ッチにすると図3に示されるように機関からは多量の未
燃HC,COが排出され、これら未燃HC,COは白金
Pt上の酸素O2 - またはO2-と反応して酸化せしめら
れる。また、流入する排気の空燃比をリッチにすると流
入する排気中の酸素濃度が極度に低下するために吸収剤
からNO2 が放出され、このNO2 は図4(B)に示さ
れるように未燃HC,COと反応して還元せしめられ
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。したがって流入する排気の空燃比をリッチにすると
短時間のうちにNOx 吸収剤12からNOxが放出され
ることになる。
【0019】上述したように全気筒の目標空燃比(A/
F)T(i)は通常リーン空燃比(A/F)Lとされる
のでNOx 吸収剤12に流入する排気の空燃比は通常リ
ーン空燃比(A/F)Lであり、したがってこのとき排
気中のNOx はNOx 吸収剤12に吸収される。ところ
が、NOx 吸収剤12のNOx 吸収能力には限界がある
のでNOx 吸収剤12のNOx 吸収能力が飽和する前に
NOx 吸収剤12からNOx を放出させる必要がある。
そこで図1に示す内燃機関では、NOx 吸収剤12のN
x 吸収量が予め定められた設定量よりも多くなったと
きに全気筒の目標空燃比(A/F)T(i)を一時的に
リッチ空燃比(A/F)RN、例えば10.0にしてN
x 吸収剤12に流入する排気の空燃比をリッチにし、
それによりNOx 吸収剤12からNOx を放出させると
共に還元するようにしている。
【0020】ところが流入する排気中にはイオウ分が含
まれており、NOx 吸収剤12にはNOx ばかりでなく
イオウ分例えばSOx も吸収される。このNOx 吸収剤
12へのイオウ分の吸収メカニズムはNOx の吸収メカ
ニズムと同じであると考えられる。すなわち、NOx
吸収メカニズムを説明したときと同様に担体上に白金P
tおよびバリウムBaを担持させた場合を例にとって説
明すると、前述したように流入する排気の空燃比がリー
ンのときには酸素O2 がO2 - またはO2-の形で白金P
tの表面に付着しており、流入する排気中のSOx 例え
ばSO2 は白金Ptの表面でO2 - またはO2-と反応し
てSO3 となる。次いで生成されたSO3 は白金Pt上
で更に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、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BaSO4 を生成す
る。
【0021】しかしながらこの硫酸塩BaSO4 は分解
しずらく、流入する排気の空燃比を単にリッチにしても
硫酸塩BaSO4 は分解されずにそのまま残る。したが
ってNOx 吸収剤12内には時間が経過するにつれて硫
酸塩BaSO4 が増大することになり、斯くして時間が
経過するにつれてNOx 吸収剤12が吸収しうるNO x
量が低下することになる。
【0022】そこで本実施態様では、NOx 吸収剤12
にSOx が流入しないように、流入する排気の空燃比が
リーンのときにSOx を吸収し、流入する排気中の酸素
濃度が低下すると吸収しているSOx を放出するSOx
吸収剤9をNOx 吸収剤12上流の排気通路内に配置し
ている。上述したようにNOx 吸収剤12ではSOx
吸収されると安定した硫酸塩BaSO4 が形成され、そ
の結果NOx 吸収剤12に流入する排気の空燃比をただ
単にリッチにしてもSOx がNOx 吸収剤12から放出
されなくなる。したがって、SOx 吸収剤9に流入する
排気の空燃比をリッチにしたときにSOx 吸収剤9から
SOx が容易に放出されるようにするためには吸収した
SOx が硫酸イオンSO4 2- の形で吸収剤内に存在する
ようにするか、或いは硫酸塩BaSO4 が生成されたと
しても硫酸塩BaSO4 が安定しない状態で吸収剤内に
存在するようにすることが必要となる。これを可能にす
るSOx 吸収剤9としては例えばアルミナからなる担体
上に鉄Fe、マンガンMn、ニッケルNi、錫Snのよ
うな遷移金属およびリチウムLiから選ばれた少なくと
も1つを担持した吸収剤を用いることができる。
【0023】このSOx 吸収剤9では流入する排気の空
燃比がリーンのときに排気中に含まれるSO2 が吸収剤
の表面で酸化されつつ硫酸イオンSO4 2- の形で吸収剤
内に吸収され、次いで吸収剤内に拡散される。この場合
SOx 吸収剤9の担体上に白金Ptを担持させておくと
SO2 がSO3 2- の形で白金Pt上に付着し易くなり、
斯くしてSO2 が硫酸イオンSO4 2- の形で吸収剤内に
吸収されやすくなる。したがってSO2 の吸収を促進す
るためにはSOx 吸収剤9の担体上に白金Ptを担持さ
せることが好ましい。
【0024】上述したようにSOx 吸収剤9に流入する
排気の空燃比は通常リーンであるので機関から排出され
るSOx はSOx 吸収剤9に吸収され、NOx 吸収剤1
2にはNOx のみが吸収されることになる。ところがS
x 吸収剤9のSOx 吸収能力にも限界があり、SOx
吸収剤9のSOx 吸収能力が飽和する前にSOx 吸収剤
9からSOx を放出させる必要がある。そこで本実施態
様では、SOx 吸収剤9に吸収されているSOx 量が予
め定められた設定量よりも多くなったときにSOx 吸収
剤9に流入する排気の空燃比を一時的にリッチ空燃比
(A/F)RS、例えば13.0にし、それによりSO
x 吸収剤9からSOx を放出させるようにしている。
【0025】ところが、SOx 吸収剤9の温度が低いと
きにSOx 吸収剤9に流入する排気の空燃比をリッチに
してもSOx 吸収剤9からSOx は放出されず、すなわ
ちSOx 吸収剤9からSOx を放出させるべきときには
SOx 吸収剤9の温度を高くする必要がある。一方、S
x 吸収剤9に流入する排気中に多量の未燃HC,CO
と多量の酸素O2 とが同時に含まれているとこれら未燃
HC,COと酸素O2とがSOx 吸収剤9において反応
してSOx 吸収剤9の温度が高められる。さらに、図3
からわかるように、気筒の目標空燃比をリッチ空燃比に
すればこの気筒から排出される排気中に多量の未燃H
C,COが含まれ、リーン空燃比にすれば多量の酸素O
2 が含まれる。
【0026】そこで図1の内燃機関では、1番気筒およ
び4番気筒の目標空燃比(A/F)T(1),(A/
F)T(4)をリーン空燃比(A/F)LL、例えば1
6.0にし、2番気筒および3番気筒目標空燃比(A/
F)T(2),(A/F)T(3)をリッチ空燃比(A
/F)R、例えば10.0にし、それによりSOx 吸収
剤9に流入する排気の空燃比を上述のリッチ空燃比(A
/F)RSにすると共に、SOx 吸収剤9に多量の未燃
HC,COおよび酸素O2 を供給するようにしている。
【0027】すなわち、一般的に言うと、内燃機関の気
筒を第1の気筒群と、第1の気筒群と排気行程が重なら
ない第2の気筒群とに分割し、SOx 吸収剤9からSO
x を放出させるべきときには第1の気筒群の気筒で燃焼
せしめられる混合気の空燃比をリーンにし、第2の気筒
群の気筒で燃焼せしめられる混合気の空燃比をリッチに
し、それによりSOx 吸収剤9に流入する排気全体の空
燃比をリッチにしているということになる。
【0028】SOx 吸収剤9に流入する排気の空燃比が
リッチになるとNOx 吸収剤12に流入する排気の空燃
比もリッチになるので、このときSOx 吸収剤9から放
出されたSOx はNOx 吸収剤12に吸収されることな
くNOx 吸収剤12を通過すると考えられる。しかしな
がら、例えばSOx 吸収剤9に流入する排気の空燃比が
リーンからリッチに切り換えられた直後はNOx 吸収剤
12の表面に未だ酸素が残存しており、NOx 吸収剤1
2表面では酸素濃度が低下していないためにSOx 吸収
剤9から放出されたSOx がNOx 吸収剤12内に吸収
されてしまう。
【0029】そこで図1の内燃機関では、SOx 吸収剤
9からSOx を放出させるべきときにはまず、NOx
収剤12内の残存酸素を除去し、次いでSOx 吸収剤9
に流入する排気の空燃比をリッチにしてSOx 吸収剤9
からSOx を放出させるようにしている。各気筒の目標
空燃比(A/F)T(i)をリーン空燃比(A/F)L
よりも小さくしてNOx 吸収剤12に流入する排気の空
燃比のリーン度合いを小さくすればNOx 吸収剤12内
の残存酸素を低減できるが、小さくしすぎるとすなわち
リッチにしすぎるとNOx 吸収剤12内の残存酸素の除
去が完了する前にSOx 吸収剤9からSOx が放出され
てしまう。そこで図1の内燃機関では、NOx 吸収剤1
2内の残存酸素を除去すべきときには、各気筒の目標空
燃比(A/F)T(i)をリーン空燃比(A/F)Lと
リッチ空燃比(A/F)RSとの間の中間空燃比にして
いる。
【0030】特に、図1の内燃機関では中間空燃比が理
論空燃比(A/F)Sとされる。このようにすると、S
x 吸収剤9からSOx が放出されるのを阻止しつつN
x吸収剤12内の残存酸素を速やかに除去することが
できる。なお、中間空燃比を理論空燃比(A/F)Sよ
りもわずかばかりリーンにしてもよく、あるいは理論空
燃比(A/F)Sよりもわずかばかりリッチにしてもよ
い。
【0031】NOx 吸収剤12に流入する排気の空燃比
がリーン空燃比(A/F)Lから理論空燃比(A/F)
Sに切り換えられるとNOx 吸収剤12から流出する排
気の空燃比、すなわち空燃比センサ29uの検出空燃比
が次第に小さくなり、NOx吸収剤12内の残存酸素の
除去が完了すると空燃比センサ29uの検出空燃比が理
論空燃比(A/F)Sになる。そこで図1の内燃機関で
は、空燃比センサ29uの検出空燃比が理論空燃比(A
/F)SになったときにSOx 吸収剤9に流入する排気
の空燃比をリッチにしてSOx 吸収剤9からのSOx
出作用を開始するようにしている。
【0032】このように各気筒の目標空燃比(A/F)
T(i)がリーン空燃比(A/F)Lから一時的に理論
空燃比(A/F)Sに切り換えられるとSOx 吸収剤9
に流入する排気の温度が高くなってSOx 吸収剤9の温
度が高くなる。その結果、次いでSOx 吸収剤9に流入
する排気の空燃比がリッチにされたときにSOx が速や
かに放出される。
【0033】ところで、SOx 吸収剤9からSOx を放
出すべくSOx 吸収剤9に流入する排気の空燃比がリッ
チにされたときには排気中の未燃HC,COの一部は上
述したように酸素O2 と反応するが、残りの未燃HC,
COはSOx 吸収剤9から放出されたSOx を還元する
ことなくSOx 吸収剤9から流出する。このときNO x
吸収剤12に流入する排気の空燃比はリッチに維持され
ており、その結果NO x 吸収剤12からNOx が放出さ
れて還元される。この場合、NOx 吸収剤12のNOx
放出還元作用が行われている間はNOx 吸収剤12に流
入する排気中の未燃HC,COがNOx 還元反応により
消費されるのでNOx 吸収剤12から排出される排気中
の未燃HC,CO濃度は低く維持されている。ところ
が、NOx吸収剤12のNOx 放出還元作用が完了する
とNOx 吸収剤12から多量の未燃HC,COが排出さ
れ、したがってNOx 吸収剤12から多量の未燃HC,
COが排出されるのを阻止するためにはSOx 吸収剤9
に流入する排気の空燃比をリッチにしている時間、すな
わちリッチ時間を短くしなければならない。しかしなが
ら、SOx 吸収剤9からSOx を十分に放出させるのに
必要な時間はNOx 吸収剤12からNOx を十分に放出
させるのに必要な時間よりもかなり長く、したがってリ
ッチ時間を短くするとSOx 吸収剤9からSOx を十分
に放出させることができない。
【0034】そこで、本発明による実施態様では酸素ス
トレージ機能を有する酸化触媒15をNOx 吸収剤12
下流に配置し、それによりNOx 吸収剤12から排出さ
れる未燃HC,COを酸化するようにしている。その結
果、リッチ時間を長くしても未燃HC,COが大気中に
排出されるのを阻止することができ、したがってSO x
吸収剤9からSOx を十分に放出させることができる。
なお、酸化触媒15で未燃HC,COの酸化反応が行わ
れている間は酸化触媒15から排出される排気の空燃比
は理論空燃比(A/F)Sに維持されている。
【0035】ところが、酸化触媒15から蓄えられてい
るすべての酸素O2 が放出されると酸化触媒15から未
燃HC,COが酸化されることなく流出するようにな
り、したがってこのときにはSOx 吸収剤9に流入する
排気の空燃比をリーンに戻す必要がある。一方、酸化触
媒15から蓄えられているすべての酸素O2 が放出され
ると酸化触媒15から排出される排気の空燃比が理論空
燃比(A/F)Sからリッチに変化する。そこで、酸化
触媒15から排出される排気の空燃比すなわち空燃比セ
ンサ29dの検出空燃比が理論空燃比(A/F)Sから
リッチに変化したときには全気筒の目標空燃比(A/
F)T(i)をリーン空燃比(A/F)Lに戻すように
している。その結果、大気中に多量の未燃HC,COが
排出されるのを阻止することができる。
【0036】すなわち、図5に示されるように、SOx
吸収剤9からSOx を放出させるべきとき(時間a)に
はまず、SOx 吸収剤9に流入する排気の目標空燃比
(A/F)TSが理論空燃比(A/F)Sとされる。次
いで空燃比センサ29uの検出空燃比(A/F)DUが
理論空燃比(A/F)Sになると(時間b)SOx 吸収
剤9に流入する排気の目標空燃比(A/F)TSがリッ
チ空燃比(A/F)RSとされる。次いで、空燃比セン
サ29dの検出空燃比(A/F)DDがリッチになると
(時間c)SOx 吸収剤9に流入する排気の目標空燃比
(A/F)TSがリーン空燃比(A/F)Lに戻され
る。
【0037】図6は上述のSOx 放出制御を実行するた
めのルーチンを示している。このルーチンは予め定めら
れた設定時間毎の割り込みによって実行される。図6を
参照すると、まずステップ40ではSOx フラグがセッ
トされているか否かが判別される。このSOx フラグは
SOx 吸収剤9からSOx を放出させるべくSOx 吸収
剤9に流入する排気の空燃比をリッチにすべきときにセ
ットされ、それ以外はリセットされる。SOx フラグが
リセットされているときには次いでステップ41に進
み、O2 フラグがセットされているか否かが判別され
る。このO2 フラグはNOx 吸収剤12内の残存酸素を
除去すべきときにセットされ、それ以外はリセットされ
る。O2 フラグがリセットされているときには次いでス
テップ42に進み、SOx 放出条件が成立しているか否
かが判別される。例えばSOx 吸収剤9内に吸収されて
いるSOx 量が設定量よりも多くかつSOx 吸収剤9の
温度が予め定められた設定温度よりも高いときにSOx
放出条件が成立していると判断され、さもなければSO
x 放出条件が成立していないと判断される。図1の内燃
機関では上述したように、SOx 吸収剤9に多量の未燃
HC,COおよび酸素を供給してSOx 吸収剤9の温度
を高め、それによりSOx 吸収剤9からSOx を放出さ
せるようにしている。したがって、SOx 吸収剤9の温
度がかなり低いときにSOx 吸収剤9からSOx を放出
させるようにすると、長時間にわたって多量の未燃H
C,COをSOx 吸収剤9に供給しなければならず、燃
料消費率が低下する。そこで図1の内燃機関では、SO
x 吸収剤9内に吸収されているSOx 量が設定量よりも
多くかつSOx 吸収剤9の温度が設定温度よりも高いと
きにSOx 放出条件が成立していると判断するようにし
ている。なお、SOx 吸収剤9に吸収されているSOx
量およびSOx 吸収剤9の温度は例えば機関運転状態に
基づいて推定することができる。
【0038】SOx 放出条件が成立していないと判断さ
れたときには処理サイクルを終了し、SOx 放出条件が
成立していると判断されたときには次いでステップ43
に進んでO2 フラグがセットされる。O2 フラグがセッ
トされたときにはステップ41からステップ44に進
み、空燃比センサ29uの検出空燃比(A/F)DUが
理論空燃比(A/F)S以下か否かが判別される。(A
/F)DU>(A/F)Sのときには処理サイクルを終
了する。(A/F)DU≦(A/F)SのときにはNO
x 吸収剤12内の残存酸素の除去が完了したと判断して
次いでステップ45に進み、O2 フラグがリセットされ
る。続くステップ46ではSOx フラグがセットされ
る。
【0039】SOx フラグがセットされたときにはステ
ップ40からステップ47に進み、空燃比センサ29d
の検出空燃比(A/F)DDが理論空燃比(A/F)S
よりも小さいか否かすなわちリッチか否かが判別され
る。(A/F)DD≧(A/F)Sのときには処理サイ
クルを終了する。(A/F)DD<(A/F)Sのとき
には次いでステップ48に進んでSOx フラグがリセッ
トされ、続くステップ49ではNOx フラグがリセット
されあるいはリセット状態に維持される。このNOx
ラグはNOx 吸収剤12からNOx を放出させるべくN
x 吸収剤12に流入する排気の空燃比をリッチにすべ
きときにセットされ、それ以外はリセットされる。
【0040】すなわち、上述したようにSOx 吸収剤9
のSOx 放出作用が行われるとNO x 吸収剤12のNO
x 放出還元作用も行われ、SOx 吸収剤9のSOx 放出
作用が完了したときにはNOx 吸収剤12のNOx 放出
作用も完了している。そこで、SOx フラグがリセット
されたときにはNOx フラグをリセットし、あるいはリ
セット状態に維持するようにしている。
【0041】図7は上述のNOx 放出制御を実行するた
めのルーチンを示している。このルーチンは予め定めら
れた設定時間毎の割り込みによって実行される。図7を
参照すると、まずステップ60では上述したNOx フラ
グがセットされているか否かが判別される。NOx フラ
グがリセットされているときには次いでステップ61に
進み、NOx 放出条件が成立しているか否かが判別され
る。例えばNOx 吸収剤12内に吸収されているNOx
量が設定量よりも多いときにNO x 放出条件が成立して
いると判断され、さもなければNOx 放出条件が成立し
ていないと判断される。なお、NOx 吸収剤12に吸収
されているNOx 量は例えば機関運転状態に基づいて推
定することができる。NOx 放出条件が成立していない
と判断されたときには処理サイクルを終了し、NOx
出条件が成立していると判断されたときには次いでステ
ップ62に進んでNOx フラグがセットされる。
【0042】NOx フラグがセットされたときにはステ
ップ60からステップ63に進み、空燃比センサ29u
の検出空燃比(A/F)DUが理論空燃比(A/F)S
よりも小さいか否かすなわちリッチか否かが判別され
る。(A/F)DU≧(A/F)Sのときには処理サイ
クルを終了する。(A/F)DU<(A/F)Sのとき
には次いでステップ64に進んでNOx フラグがリセッ
トされる。
【0043】図8は各気筒の燃料噴射時間TAU(i)
を算出するためのルーチンを示している。このルーチン
は予め定められた設定クランク角毎の割り込みによって
実行される。図8を参照すると、まずステップ70では
図2のマップから基本燃料噴射時間TPが算出される。
続くステップ71では上述したSOx フラグがセットさ
れているか否かが判別される。SOx フラグがセットさ
れているときには次いでステップ72に進み、1番気筒
および4番気筒の目標空燃比(A/F)T(1),(A
/F)T(4)がリーン空燃比(A/F)LLとされ、
2番気筒および3番気筒の目標空燃比(A/F)T
(2),(A/F)T(3)がリッチ空燃比(A/F)
Rとされる。次いでステップ78に進む。
【0044】SOx フラグがリセットされているときに
はステップ71からステップ73に進み、O2 フラグが
セットされているか否かが判別される。O2 フラグがセ
ットされているときには次いでステップ74に進み、全
気筒の目標空燃比(A/F)T(i)が理論空燃比(A
/F)Sとされる。次いでステップ78に進む。O2
ラグがリセットされているときにはステップ73からス
テップ75に進み、NOx フラグがセットされているか
否かが判別される。NOx フラグがセットされていると
きには次いでステップ76に進み、全気筒の目標空燃比
(A/F)T(i)がリッチ空燃比(A/F)RNとさ
れる。次いでステップ78に進む。
【0045】NOx フラグがリセットされているときに
はステップ75からステップ77に進み、全気筒の目標
空燃比(A/F)T(i)がリーン空燃比(A/F)L
とされる。次いでステップ78に進む。ステップ78で
は次式に基づいてi番気筒の燃料噴射時間TAU(i)
が算出される。
【0046】TAU(i)=TP・(A/F)S/(A
/F)T(i)図9に別の実施態様を示す。この実施態
様は酸化触媒15がHC吸着能力を備えた酸化触媒から
形成され、排気管17にHCセンサ29hが配置されて
いる点で図1の内燃機関と構成を異にしている。すなわ
ち、酸化触媒15は例えばゼオライトのような多孔質材
を具備し、流入する排気中のHC成分を吸着し、流入す
る排気中の酸素濃度が高くなるとすなわち例えば流入す
る排気の空燃比がリーンになると吸着しているHC成分
を酸化し、それにより吸着HC量を減少せしめる。ま
た、HCセンサ29hは酸化触媒15から排出される排
気中のHC量Q(HC)に比例した出力電圧を発生し、
この出力電圧は対応するAD変換器30を介して入力ポ
ート26に入力される。
【0047】本実施態様でも、SOx 吸収剤9からSO
x を放出させるべきときにはSOx吸収剤9に流入する
排気の空燃比がリッチにされ、NOx 吸収剤12のNO
x 放出還元作用が完了するとNOx 吸収剤12から多量
の未燃HCが排出される。しかしながら、この多量の未
燃HCは次いで酸化触媒15に吸着され、したがって多
量の未燃HCが大気中に放出されるのが阻止される。
【0048】ところが酸化触媒15のHC吸着能力にも
限界があり、酸化触媒15がHCにより飽和すると酸化
触媒15からHCが吸着されることなく流出する。そこ
で、本実施態様ではHCセンサ29hにより検出される
HC量が小さな一定値よりも大きくなったときには全気
筒の目標空燃比(A/F)T(i)をリーンに戻し、S
x 吸収剤9からのSOx 放出作用を中止するようにし
ている。全気筒の目標空燃比(A/F)T(i)がリー
ンに戻されると酸化触媒15に流入する排気の空燃比も
リーンに戻され、その結果酸化触媒15に吸着されてい
るHC成分が酸化せしめられる。
【0049】ところで、SOx 吸収剤9からSOx を十
分に放出させるためにはこのときSOx 吸収剤に流入す
る排気の空燃比のリッチ度合いをできるだけ大きくする
のが好ましく、すなわちリッチ空燃比(A/F)RSを
できるだけ小さくするのが好ましい。ところが、リッチ
空燃比(A/F)RSを過度に小さくすると酸化触媒1
5が短時間のうちにHCにより飽和してしまい、このた
めリッチ時間が短くなるのでSOx 吸収剤9からSOx
を十分に放出できなくなる。
【0050】一方、リッチ時間はSOx 吸収剤9から放
出されたSOx 量を表しており、したがってリッチ時間
が短いときにはSOx 吸収剤9からSOx が十分に放出
されていないことになる。そこで、本実施態様ではリッ
チ時間が予め定められた設定時間よりも短いときにはリ
ッチ空燃比(A/F)RSを小さな一定値だけ大きく
し、すなわちリッチ度合いを小さくし、それによりリッ
チ時間が長くなるようにしている。その結果、SOx
収剤9からSOx を十分に放出させることができる。
【0051】図10および図11は本実施態様における
SOx 放出制御を実行するためのルーチンを示してい
る。このルーチンは予め定められた設定時間毎の割り込
みによって実行される。なお、本実施態様でも図7に示
すNOx 放出制御ルーチンおよび図8に示すTAU
(i)の算出ルーチンが実行される。図10および図1
1を参照すると、まずステップ140では上述のSOx
フラグがセットされているか否かが判別される。SOx
フラグがリセットされているときには次いでステップ1
41に進み、上述のO2 フラグがセットされているか否
かが判別される。O2 フラグがリセットされているとき
には次いでステップ142に進み、上述のSOx 放出条
件が成立しているか否かが判別される。SOx放出条件
が成立していないと判断されたときには処理サイクルを
終了し、SOx放出条件が成立していると判断されたと
きには次いでステップ143に進んでO 2 フラグがセッ
トされる。
【0052】O2 フラグがセットされたときにはステッ
プ141からステップ144に進み、空燃比センサ29
uの検出空燃比(A/F)DUが理論空燃比(A/F)
S以下か否かが判別される。(A/F)DU>(A/
F)Sのときには処理サイクルを終了し、(A/F)D
U≦(A/F)Sのときには145に進んでO2 フラグ
がリセットされる。続くステップ146ではSOx フラ
グがセットされる。
【0053】SOx フラグがセットされたときにはステ
ップ140からステップ147に進み、リッチ時間を表
すカウント値Cが1だけインクリメントされる。続くス
テップ148では酸化触媒15から排出されるHC量Q
(HC)が予め定められた小さな設定値KQよりも大き
いか否かが判別される。Q(HC)<KQのときには処
理サイクルを終了する。Q(HC)≧KQのときには次
いでステップ149に進んでSOx フラグがリセットさ
れ、続くステップ150ではNOx フラグがリセットさ
れあるいはリセット状態に維持される。続くステップ1
51ではカウント値Cが上述の設定時間に対応する一定
値KCよりも小さいか否かが判別される。C≧KCのと
きには処理サイクルを終了する。C<KCのときには次
いでステップ152に進み、リッチ空燃比(A/F)R
が小さな一定値KRだけ大きくされる。その結果、図8
のTAU(i)算出ルーチンからわかるようにSOx
収剤9に流入する排気の空燃比が大きくされ、すなわち
リッチ度合いが小さくされる。したがって、本実施態様
ではリッチ時間を表すカウント値CがKC以上になるま
でリッチ空燃比(A/F)Rの減少作用が継続されるこ
とになる。
【0054】ところで、上述したようにNOx 吸収剤1
2はSOx を吸収しうるが、NOx吸収剤12の温度が
高いときに流入する排気中の酸素濃度が低下すると吸収
しているSOx を放出する。したがって、NOx 吸収剤
12はSOx 吸収剤の機能をも備えており、すなわちN
x 吸収剤内にSOx 吸収剤を設けたことと同じにな
る。したがって、機関排気通路内にSOx 吸収剤を配置
することなくNOx 吸収剤を配置した場合も本発明を適
用することができる。
【0055】また、NOx 吸収剤12の代わりにいわゆ
る選択還元型触媒を用いてもよい。この選択還元型触媒
はゼオライト、モルデナイト、アルミナAl2 3 のよ
うな多孔質担体上に白金Pt、パラジウムPd、ロジウ
ムRh、イリジウムIrのような貴金属、または銅C
u、鉄Fe、コバルトCo、ニッケルNiのような遷移
金属が担持されて形成される。ゼオライトとして例えば
ZSM−5型、フェリエライト、モルデナイトなどの高
シリカ含有ゼオライトを用いることができる。この選択
還元型触媒は例えば未燃HC,COのような還元剤を含
む酸素雰囲気においてNOx をこれら未燃HC,COと
選択的に反応せしめ、それによってNOxを窒素N2に
還元することができる。この場合、NOx は触媒金属例
えば白金Ptの表面上に一時的に付着して還元されると
考えられている。
【0056】この選択還元型触媒は流入する排気の空燃
比がリーンであると流入する排気中のSOx を吸着す
る。このSOx 吸着作用のメカニズムについては明らか
でない部分もあるが、次のようなメカニズムで行われて
いるものと考えられる。すなわち、流入する排気がかな
りリーンになると流入する排気中の酸素濃度が大巾に増
大し、酸素O2 がO2 - またはO2-の形で触媒金属例え
ば白金Ptの表面に付着する。一方、流入する排気中の
SO2 は白金Ptの表面上でO2 - またはO2-と反応し
てSO3 - またはSO4 - の形で白金Ptの表面に吸着
される。このようにしてSOx が選択還元型触媒に吸着
される。
【0057】ところが、このSO3 - またはSO4 -
形のSOx はただ単に流入する排気中の酸素濃度を低下
させ、あるいは還元剤濃度を増大させたとしても白金P
t表面上に吸着され続け、したがって時間が経過するに
つれて白金Pt表面を覆うSOx が増大することにな
り、斯くして時間が経過するにつれて選択還元型触媒が
還元しうるNOx 量が低下することになる。
【0058】そこで、選択還元型触媒上流の排気通路内
にSOx 吸収剤を配置すれば選択還元型触媒にSOx
流入するのを阻止することができ、SOx 吸収剤からS
x放出させるべきときには選択還元型触媒内の残存酸
素を除去した後にSOx 吸収剤に流入する排気の空燃比
をリッチにすれば選択還元型触媒にSOx が吸着される
のを阻止することができる。
【0059】なお、選択還元型触媒の温度が高いときに
選択還元型触媒に流入する排気の空燃比をリッチにする
と吸着されているSOx が選択還元型触媒から脱離す
る。したがって、選択還元型触媒はSOx 吸収剤の機能
をも備えており、すなわち選択還元型触媒内にSOx
収剤を設けたことと同じになる。
【0060】
【発明の効果】未燃HC,COが大気中に放出されるの
を阻止しつつSOx 吸収剤からSOxを十分に放出させ
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】内燃機関の全体図である。
【図2】基本燃料噴射時間のマップを示す図である。
【図3】機関から排出される排気中の未燃HC,COお
よび酸素の濃度を概略的に示す線図である。
【図4】NOx の吸放出作用を説明するための図であ
る。
【図5】SOx 放出制御を説明するためのタイムチャー
トである。
【図6】SOx 放出制御を実行するためのフローチャー
トである。
【図7】NOx 放出制御を実行するためのフローチャー
トである。
【図8】燃料噴射時間を算出するためのフローチャート
である。
【図9】別の実施態様による内燃機関の全体図である。
【図10】SOx 放出制御を実行するためのフローチャ
ートである。
【図11】SOx 放出制御を実行するためのフローチャ
ートである。
【符号の説明】
1…機関本体 8…排気マニホルド 9…SOx 吸収剤 12…NOx 吸収剤 15…酸化触媒 29u,29d…空燃比センサ
───────────────────────────────────────────────────── 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 ZAB F01N 3/24 ZABE F02D 41/04 305 F02D 41/04 305Z 43/00 301 43/00 301T 301H (72)発明者 田中 俊明 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 Fターム(参考) 3G084 AA03 AA04 BA13 BA24 DA27 FA05 FA11 FA30 FA33 3G091 AA02 AA12 AA17 AA24 AA28 AB02 AB06 BA01 BA14 BA15 BA19 BA20 BA33 CB02 DB10 EA01 EA06 EA34 EA39 FB10 FB11 FB12 GB01W GB02W GB03W GB04W GB05W GB06W GB07W GB10W HA08 HA12 HA36 HA37 HA42 3G301 HA01 HA04 HA06 HA15 JA21 JA25 JA26 JB09 LB04 MA01 MA11 MA13 NE01 NE06 PA07A PD08A PE01A PF01A

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 流入する排気の空燃比がリーンのときに
    流入する排気中のNOx を吸収し、流入する排気中の酸
    素濃度が低くなると吸収しているNOx を放出するNO
    x 吸収剤を機関排気通路内に配置し、流入する排気の空
    燃比がリーンのときに流入する排気中のSOx を吸収
    し、流入する排気中の酸素濃度が低くなると吸収してい
    るSOx を放出するSOx 吸収剤をNOx 吸収剤内また
    はNOx吸収剤上流の機関排気通路内に配置し、燃焼室
    内で燃焼せしめられる混合気の空燃比をリーンにして排
    気中のSOx をSOx 吸収剤に吸収せしめ、SOx 吸収
    剤に流入する排気の空燃比を一時的にリッチにしてSO
    x 吸収剤から吸収されているSOx を放出させるように
    した内燃機関の排気浄化装置において、NOx 吸収剤下
    流の排気通路内に酸化触媒を配置した内燃機関の排気浄
    化装置。
  2. 【請求項2】 前記酸化触媒下流の排気通路内に排気成
    分検出センサを配置し、該排気成分検出センサの出力信
    号に基づいてSOx 吸収剤からSOx を放出させるべき
    ときのリッチ時間またはリッチ空燃比を制御するように
    した請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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