JP2000145438A

JP2000145438A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2000145438A
Application number: JP10324199A
Authority: JP
Inventors: Shinya Hirota; 信也広田; Toshiaki Tanaka; 俊明田中
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-11-13
Filing date: 1998-11-13
Publication date: 2000-05-26

Abstract

(57)【要約】【課題】排気通路に設けた吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸
収されたＳＯxをほぼ完全に放出させる。【解決手段】リーンバーンガソリンエンジン１の排気
通路に吸蔵還元型ＮＯx触媒１７を設け、通常、ＥＣＵ
３０は、ＮＯx触媒１７にＮＯx吸放出作用を行わしめる
ために、混合気の空燃比のリーン・リッチスパイク制御
を行い、これにより排気空燃比のリーン・リッチスパイ
ク制御を行う。ＮＯx触媒１７にＳＯxが所定量吸収され
て、ＥＣＵ３０がＳＯx放出時期であると判断したら、
ＥＣＵ３０は、ＮＯx触媒１７からＳＯxを放出させるた
めに、混合気の空燃比のストイキ制御を行って排気空燃
比のストイキ制御を行うとともに、排気ガスを所定温度
以上の高温に保持する排気ガス温度制御を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、希薄燃焼可能な内
燃機関より排出される排気ガスから窒素酸化物（ＮＯ
x）を浄化することができる排気浄化装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】希薄燃焼可能な内燃機関より排出される
排気ガスからＮＯxを浄化する排気浄化装置として、吸
蔵還元型ＮＯx触媒に代表されるＮＯx吸収剤がある。Ｎ
Ｏx吸収剤は、流入排気ガスの空燃比がリーン（即ち、
酸素過剰雰囲気下）のときにＮＯxを吸収し、流入排気
ガスの酸素濃度が低下したときに吸収したＮＯxを放出
するものであり、このＮＯx吸収剤の一種である吸蔵還
元型ＮＯx触媒は、流入排気ガスの空燃比がリーン（即
ち、酸素過剰雰囲気下）のときにＮＯxを吸収し、流入
排気ガスの酸素濃度が低下したときに吸収したＮＯxを
放出しＮ₂に還元する触媒である。

【０００３】この吸蔵還元型ＮＯx触媒（以下、単に触
媒ということもある）を希薄燃焼可能な内燃機関の排気
通路に配置すると、リーン空燃比の排気ガスが流れたと
きには排気ガス中のＮＯxが触媒に吸収され、ストイキ
（理論空燃比）あるいはリッチ空燃比の排気ガスが流れ
たときに触媒に吸収されていたＮＯxがＮＯ₂として放出
され、さらに排気ガス中のＨＣやＣＯなどの還元成分に
よってＮ₂に還元され、即ちＮＯxが浄化される。

【０００４】ところで、一般に、内燃機関の燃料には硫
黄分が含まれており、内燃機関で燃料を燃焼すると、燃
料中の硫黄分が燃焼してＳＯ₂やＳＯ₃などの硫黄酸化物
（ＳＯx）が発生する。前記吸蔵還元型ＮＯx触媒は、Ｎ
Ｏxの吸収作用を行うのと同じメカニズムで排気ガス中
のＳＯxの吸収を行うので、内燃機関の排気通路に吸蔵
還元型ＮＯx触媒を配置すると、この触媒にはＮＯxのみ
ならずＳＯxも吸収される。

【０００５】ところが、前記触媒に吸収されたＳＯxは
時間経過とともに安定な硫酸塩を形成するため、前記触
媒からＮＯxの放出・還元を行うのと同じ条件下では、
分解、放出されにくく触媒内に蓄積され易い傾向があ
る。吸蔵還元型ＮＯx触媒内のＳＯx蓄積量が増大する
と、触媒のＮＯx吸収容量が減少して排気ガス中のＮＯx
の除去を十分に行うことができなくなりＮＯx浄化効率
が低下する。これが所謂ＳＯx被毒である。そこで、吸
蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx浄化能を長期に亘って高く維
持するためには、触媒に吸収されているＳＯxを適宜の
タイミングで放出させる必要がある。

【０００６】吸蔵還元型ＮＯx触媒からのＳＯx放出処理
技術に関しては、特許番号第２６０５５８６号の特許公
報等に開示されている。この公報によれば、吸蔵還元型
ＮＯx触媒に吸収されたＳＯxを放出させるには、流入排
気ガスの空燃比をストイキまたはリッチにし、且つ、触
媒温度をＮＯxの放出・還元時よりも高い所定の高温に
する必要があるとしている。さらに、この公報に開示さ
れたＳＯx放出処理技術によれば、通常はリーン空燃比
で運転されるガソリンエンジンを例示して、触媒からＳ
Ｏxを放出するのに必要な温度以上の排気ガスが排出さ
れる内燃機関の運転状態（以下、これを高温排気の運転
状態という）の時にタイミングを合わせて、この高温排
気の運転状態のときに、数分間のリーン空燃比運転と数
秒間のリッチ空燃比運転とを交互に繰り返すリーン・リ
ッチ繰返し制御を行うか、あるいは、高温排気の運転状
態のときに連続的に数十秒間のストイキあるいはリッチ
空燃比運転を行うことによって、ＳＯx放出処理を実行
している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
従来のＳＯx放出処理技術では、ストイキあるいはリッ
チ空燃比の時間が短か過ぎて（数秒〜数十秒）、ＳＯx
を十分に放出させることができなかった。といって、高
温排気の運転状態のときにＳＯx放出処理を実行してい
ることから、高温排気の運転状態はそれほど長く続くも
のではなく、ＳＯx放出処理を長時間続行することも不
可能であった。さらに、リッチ空燃比運転は燃費悪化を
招くという問題もある。

【０００８】本発明はこのような従来の技術の問題点に
鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする
課題は、ＮＯx吸収剤からのＳＯxの放出処理にあたっ
て、ストイキによる運転を強制的に長時間継続すること
により、ＳＯxのほぼ完全な放出を図ることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するために、以下の手段を採用した。本発明に係る内燃
機関の排気浄化装置は、（イ）希薄燃焼可能な内燃機関
の排気通路に配置され流入する排気ガスの空燃比がリー
ンのときにＮＯxを吸収し流入する排気ガスの空燃比が
ストイキまたはリッチのときに吸収したＮＯxを放出す
るＮＯx吸収剤と、（ロ）前記ＮＯx吸収剤にＮＯxの吸
放出を行わしめるためにＮＯx吸収剤に流入する排気ガ
スの空燃比がリーン空燃比とストイキまたはリッチ空燃
比に交互に繰り返されるように制御する第１の空燃比制
御手段と、（ハ）前記ＮＯx吸収剤に吸収されたＳＯxを
ほぼ完全に放出させるためにＮＯx吸収剤に流入する排
気ガスの空燃比を前記第１の空燃比制御手段によるスト
イキまたはリッチ空燃比の保持時間よりも長い時間スト
イキに保持する第２の空燃比制御手段と、を備えること
を特徴とする。

【００１０】この内燃機関の排気浄化装置では、第１の
空燃比制御手段により排気ガスの空燃比がリーンにされ
ているときに排気ガス中のＮＯxがＮＯx吸収剤に吸収さ
れ、第１の空燃比制御手段により排気ガスの空燃比がス
トイキまたはリッチにされているときにＮＯx吸収剤か
らＮＯxが放出される。そして、第１の空燃比制御手段
による空燃比制御の下で内燃機関の運転が行われている
間に、排気ガスに含まれるＳＯxはＮＯx吸収剤に吸収さ
れる。ＮＯx吸収剤に吸収されたＳＯxは、第２の空燃比
制御手段が排気ガスの空燃比をストイキに制御している
ときに、ＮＯx吸収剤から放出される。この第２の空燃
比制御手段による空燃比制御の下での内燃機関の運転を
長時間連続して行うことにより、ＮＯx吸収剤に吸収さ
れているＳＯxをほぼ完全に放出させることができる。
ここで、排気ガスの空燃比とは、機関吸気通路及びＮＯ
x吸収剤よりも上流での排気通路内に供給された空気及
び燃料（炭化水素）の比をいう。

【００１１】本発明における希薄燃焼可能な内燃機関と
しては、筒内直接噴射式のリーンバーンガソリンエンジ
ンやディーゼルエンジンを例示することができる。リー
ンバーンガソリンエンジンの場合には、排気ガスの空燃
比制御は燃焼室に供給される混合気の空燃比制御により
実行可能である。ディーゼルエンジンの場合の排気ガス
の空燃比制御については、吸気行程または膨張行程また
は排気行程で燃料を噴射する所謂副噴射を行うか、ある
いは、ＮＯx吸収剤よりも上流の排気通路内に還元剤を
供給することにより実行することができる。

【００１２】ＮＯx吸収剤としては、吸蔵還元型ＮＯx触
媒を例示することができる。吸蔵還元型ＮＯx触媒は、
流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯxを吸
収し、流入する排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収
したＮＯxを放出し、Ｎ₂に還元する触媒である。この吸
蔵還元型ＮＯx触媒は、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のような貴金属とが担持されて
なる。

【００１３】ＮＯx吸収剤に吸収されたＳＯxをほぼ完全
に放出させるための第２の空燃比制御手段において、
「ほぼ完全に放出させる」とは、ＮＯx吸収剤に吸収さ
れているＳＯxを完全に放出させるのは至難の業であ
り、現実的に可能な限り放出させるという程の意味であ
る。

【００１４】本発明においては、前記第２の空燃比制御
手段が排気ガスの空燃比をストイキに保持する保持時間
は、前記第１の空燃比制御手段が排気ガスの空燃比をス
トイキまたはリッチ空燃比に保持する保持時間の１００
倍以上とすることができる。これをさらに具体的な数値
を上げて説明すれば、第１の空燃比制御手段によるスト
イキまたはリッチの保持時間を数秒とすれば、第２の空
燃比制御手段によるストイキの保持時間は数分から数十
時間ということになる。

【００１５】本発明においては、前記第２の空燃比制御
手段が排気ガスの空燃比のストイキ制御を実行している
間、前記ＮＯx吸収剤を所定温度以上の高温状態に保持
する温度制御手段を備えるのが、より好ましい。ＮＯx
吸収剤を所定温度以上の高温に保持した方が、ＮＯx吸
収剤からのＳＯxの放出をより促進することができ、Ｓ
Ｏx放出処理を短時間で完了させることができる。この
温度制御手段は、排気ガスの温度を制御することによっ
てＮＯx吸収剤の温度を制御するように構成してもよい
し、あるいは、電気ヒータ等の加温装置の作動を制御す
ることによりＮＯx吸収剤の温度を制御するように構成
してもよい。

【００１６】本発明においては、前記ＮＯx吸収剤から
ＳＯxを放出すべき時期か否かを判定するＳＯx放出時期
判定手段と、前記ＳＯx放出時期判定手段がＳＯxを放出
すべき時期であると判定する判定基準を、前記第２の空
燃比制御手段による排気ガスの空燃比のストイキ制御の
実行回数が増えるにしたがって、ストイキ制御の実行を
徐々に早める方向に変更する判定基準変更手段と、を備
えることが可能である。ＮＯx吸収剤は熱などにより劣
化し、この劣化はＳＯx被毒によるＮＯx浄化率の低下を
増大させる。したがって、ＮＯx吸収剤の劣化が進むほ
どＳＯx放出時期を早めるようにするのが好ましいから
である。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る内燃機関の排
気浄化装置の実施の形態を図１から図８の図面に基いて
説明する。

【００１８】〔第１の実施の形態〕図１は本発明を希薄
燃焼可能な車両用ガソリンエンジンに適用した場合の概
略構成を示す図である。この図において、符号１は機関
本体、符号２はピストン、符号３は燃焼室、符号４は点
火栓、符号５は吸気弁、符号６は吸気ポート、符号７は
排気弁、符号８は排気ポートを夫々示す。吸気ポート６
は対応する枝管９を介してサージタンク１０に連結さ
れ、各枝管９には夫々吸気ポート６内に向けて燃料を噴
射する燃料噴射弁１１が取り付けられている。サージタ
ンク１０は吸気ダクト１２およびエアフロメータ２１を
介してエアクリーナ１３に連結され、吸気ダクト１２内
にはスロットル弁１４が配置されている。一方、排気ポ
ート８は排気マニホルド１５および排気管１６を介して
吸蔵還元型ＮＯx触媒（ＮＯx吸収剤）１７を内蔵したケ
ーシング１８に接続され、ケーシング１８に排気管１９
が連結されている。以下、吸蔵還元型ＮＯx触媒１７を
ＮＯx触媒１７と略す。

【００１９】エンジンコントロール用の電子制御ユニッ
ト（ＥＣＵ）３０はデジタルコンピュータからなり、双
方向バス３１によって相互に接続されたＲＯＭ（リード
オンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモ
リ）３３、ＣＰＵ（セントラルプロセッサユニット）３
４、入力ポート３５、出力ポート３６を具備する。エア
フロメータ２１は吸入空気量に比例した出力電圧を発生
し、この出力電圧がＡＤ変換器３７を介して入力ポート
３５に入力される。また、スロットル弁１４にはスロッ
トル弁１４がアイドリング開度であることを検出するア
イドルスイッチ２０が取り付けられ、このアイドルスイ
ッチ２０の出力信号が入力ポート３５に入力される。

【００２０】一方、ケーシング１８の下流の排気管１９
内には排気ガス温に比例した出力電圧を発生する温度セ
ンサ２５が取り付けられ、この温度センサ２５の出力電
圧がＡＤ変換器３８を介して入力ポート３５に入力され
る。また、入力ポート３５には機関回転数を表す出力パ
ルスを発生する回転数センサ２６が接続されている。出
力ポート３６は対応する駆動回路３９を介して夫々点火
栓４および燃料噴射弁１１に接続される。

【００２１】このガソリンエンジンでは、例えば次式に
基づいて燃料噴射時間ＴＡＵが算出される。ＴＡＵ＝ＴＰ・Ｋここで、ＴＰは基本燃料噴射時間を示しており、Ｋは補
正係数を示している。基本燃料噴射時間ＴＰは機関シリ
ンダ内に供給さ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ＲＯＭ３
２内に記憶されている。補正係数Ｋは機関シリンダ内に
供給される混合気の空燃比を制御するための係数であっ
て、Ｋ＝１．０であれば機関シリンダ内に供給される混
合気は理論空燃比となる。これに対してＫ＜１．０にな
れば機関シリンダ内に供給される混合気の空燃比は理論
空燃比よりも大きくなり、即ちリーンとなり、Ｋ＞１．
０になれば機関シリンダ内に供給される混合気の空燃比
は理論空燃比よりも小さくなり、即ちリッチとなる。

【００２２】この実施の形態のガソリンエンジンでは、
機関低中負荷運転領域では補正係数Ｋの値が１．０より
も小さい値とされ、機関高負荷運転領域では補正係数Ｋ
の値が１．０とされ、機関全負荷運転領域では補正係数
Ｋの値は１．０よりも大きな値とされるように設定して
ある。内燃機関では通常、低中負荷運転される頻度が最
も高く、したがって運転期間中の大部分において補正係
数Ｋの値が１．０よりも小さくされて、リーン混合気が
燃料せしめられることになる。

【００２３】図３は燃焼室３から排出される排気ガス中
の代表的な成分の濃度を概略的に示している。この図か
らわかるように、燃焼室３から排出される排気ガス中の
未燃ＨＣ，ＣＯの濃度は燃焼室３内に供給される混合気
の空燃比がリッチになるほど増大し、燃焼室３から排出
される排気ガス中の酸素Ｏ₂の濃度は燃焼室３内に供給
される混合気の空燃比がリーンになるほど増大する。

【００２４】ケーシング１８内に収容されているＮＯx
触媒１７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のような貴金属とが担持されてなる。機関
吸気通路およびＮＯx触媒１７より上流の排気通路内に
供給された空気および燃料（炭化水素）の比をＮＯx触
媒１７への流入排気ガスの空燃比と称する（以下、排気
空燃比と略称する）と、このＮＯx触媒１７は、排気空
燃比がリーンのときにはＮＯxを吸収し、流入排気ガス
中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯxを放出するＮ
Ｏxの吸放出作用を行う。

【００２５】なお、ＮＯx触媒１７より上流の排気通路
内に燃料（炭化水素）あるいは空気が供給されない場合
には、排気空燃比は燃焼室３内に供給される混合気の空
燃比に一致し、したがってこの場合には、ＮＯx触媒１
７は燃焼室３内に供給される混合気の空燃比がリーンの
ときにはＮＯxを吸収し、燃焼室３内に供給される混合
気中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯxを放出する
ことになる。

【００２６】上述のＮＯx触媒１７を機関排気通路内に
配置すればこのＮＯx触媒１７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。

【００２７】即ち、流入排気ガスがかなりリーンになる
と流入排気ガス中の酸素濃度が大巾に増大し、図４
（Ａ）に示されるように酸素Ｏ₂がＯ₂ ^-又はＯ^2-の形で
白金Ｐｔの表面に付着する。一方、流入排気ガスに含ま
れるＮＯは、白金Ｐｔの表面上でＯ₂ ^-又はＯ^2-と反応
し、ＮＯ₂となる（２ＮＯ＋Ｏ₂→２ＮＯ₂）。

【００２８】次いで、生成されたＮＯ₂の一部は、白金
Ｐｔ上で酸化されつつＮＯx触媒１７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ＮＯx触媒１７内に拡
散する。このようにしてＮＯxがＮＯx触媒１７内に吸収
される。

【００２９】流入排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金
Ｐｔの表面でＮＯ₂が生成され、ＮＯx触媒１７のＮＯx
吸収能力が飽和しない限り、ＮＯ₂がＮＯx触媒１７内に
吸収されて硝酸イオンＮＯ₃ ^-が生成される。

【００３０】これに対して、流入排気ガス中の酸素濃度
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、ＮＯx触媒１７内の硝酸イオ
ンＮＯ ₃ ^-がＮＯ₂の形でＮＯx触媒１７から放出される。
即ち、流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると、ＮＯx
触媒１７からＮＯxが放出されることになる。図３に示
されるように、流入排気ガスのリーンの度合いが低くな
れば流入排気ガス中の酸素濃度が低下し、したがって流
入排気ガスのリーンの度合いを低くすればＮＯx触媒１
７からＮＯxが放出されることとなる。

【００３１】一方、このとき、燃焼室３内に供給される
混合気がストイキまたはリッチにされて排気空燃比がス
トイキまたはリッチになると、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 ^-又はＯ^2-と反応し
て酸化せしめられる。

【００３２】また、排気空燃比がストイキまたはリッチ
になると流入排気ガス中の酸素濃度が極度に低下するた
めにＮＯx触媒１７からＮＯ₂が放出され、このＮＯ
₂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てＮ₂となる。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、ＮＯx触媒
１７から次から次へとＮＯ₂が放出され、さらにＮ₂に還
元せしめられる。したがって、排気空燃比をストイキま
たはリッチにすると短時間の内にＮＯx触媒１７からＮ
Ｏxが放出されることになる。

【００３３】このように、排気空燃比がリーンになると
ＮＯxがＮＯx触媒１７に吸収され、排気空燃比をストイ
キあるいはリッチにするとＮＯxがＮＯx触媒１７から短
時間のうちに放出され、Ｎ₂に還元される。

【００３４】ところで、この実施の形態では前述したよ
うに、全負荷運転時には燃焼室３内に供給される混合気
がリッチとされ、また高負荷運転時には混合気が理論空
燃比とされ、低中負荷運転時には混合気がリーンとされ
るので、低中負荷運転時に排気ガス中のＮＯxがＮＯx触
媒１７に吸収され、全負荷運転時及び高負荷運転時にＮ
Ｏx触媒１７からＮＯxが放出され還元されることにな
る。しかしながら、全負荷運転あるいは高負荷運転の頻
度が少なく、低中負荷運転の頻度が多くその運転時間が
長ければ、ＮＯxの放出・還元が間に合わなくなり、Ｎ
Ｏx触媒１７のＮＯxの吸収能力が飽和してＮＯxを吸収
できなくなってしまう。そこで、この実施の形態では、
リーン混合気の燃焼が行われている場合、即ち中低負荷
運転を行っているときには、比較的に短い周期でストイ
キまたはリッチ混合気の燃焼が行われるように混合気の
空燃比を制御し、短周期的にＮＯxの放出・還元を行っ
ている。このようにＮＯxの吸放出のために、排気空燃
比（この実施の形態では混合気の空燃比）が比較的に短
い周期で「リーン」と「ストイキまたはリッチ」に交互
に繰り返されるように制御することを、以下の説明では
リーン・リッチスパイク制御と称す。

【００３５】一方、燃料には硫黄（Ｓ）が含まれてお
り、燃料中の硫黄が燃焼するとＳＯ₂やＳＯ₃などの硫黄
酸化物（ＳＯx）が発生し、ＮＯx触媒１７は排気ガス中
のこれらＳＯxも吸収する。ＮＯx触媒１７のＳＯx吸収
メカニズムはＮＯx吸収メカニズムと同じであると考え
られる。即ち、ＮＯxの吸収メカニズムを説明したとき
と同様に担体上に白金ＰｔおよびバリウムＢａを坦持さ
せた場合を例にとって説明すると、前述したように、排
気空燃比がリーンのときには、酸素Ｏ₂がＯ₂ ^-又はＯ^2-
の形でＮＯx触媒１７の白金Ｐｔの表面に付着してお
り、流入排気ガス中のＳＯx（例えばＳＯ₂）は白金Ｐｔ
の表面上で酸化されてＳＯ₃となる。

【００３６】その後、生成されたＳＯ₃は、白金Ｐｔの
表面で更に酸化されながらＮＯx触媒１７内に吸収され
て酸化バリウムＢａＯと結合し、硫酸イオンＳＯ₄ ^2-の
形でＮＯx触媒１７内に拡散し硫酸塩ＢａＳＯ₄を形成す
る。ＮＯx触媒１７中のＢａＳＯ₄の生成量が増大すると
ＮＯx触媒１７の吸収に関与できるＢａＯの量が減少し
てＮＯxの吸収能力が低下してしまう。これが即ちＳＯx
被毒である。したがって、ＮＯx触媒１７のＮＯx吸収能
力を高く維持するためには、適宜のタイミングでＮＯx
触媒１７に吸収されたＳＯxを放出させる必要がある。
ＮＯx触媒１７からＳＯxを放出させるには、ＮＯxを放
出させる場合と同様に排気ガスの酸素濃度を低下させれ
ばよいことが分かっており、また、ＮＯx触媒１７の温
度が高いほど放出し易いことが分かっている。

【００３７】しかしながら、ＮＯxの吸放出処理のため
に排気空燃比のリーン・リッチスパイク制御を実行して
酸素濃度の低い排気ガスをＮＯx触媒１７に流した場
合、ＮＯx触媒１７からＮＯxは放出されるが、ＳＯxは
殆ど放出されることがない。これは、ＢａＳＯ₄は結晶
が粗大化し易く、比較的安定し易いため、一旦生成され
ると分解放出されにくいことによるものと考えられてい
る。このようにＮＯx触媒１７内に安定した形で吸収さ
れているＳＯxを放出させるには、酸素濃度の低い排気
ガスを長時間連続的に流す必要がある。

【００３８】そこで、この実施の形態では、ＮＯx触媒
１７に所定量のＳＯxが吸収された時にＳＯx放出処理を
実行することとし、そのＳＯx放出処理は、排気空燃比
をストイキに保持した排気ガスを長時間ＮＯx触媒１７
に流すことにより行うこととした。

【００３９】次に、図５を参照して、この実施の形態に
おけるＳＯx放出処理実行ルーチンを説明する。このル
ーチンを構成する各ステップからなるフローチャートは
ＥＣＵ３０のＲＯＭ３２に記憶してあり、フローチャー
トの各ステップにおける処理は総てＥＣＵ３０のＣＰＵ
３４によって実行される。

【００４０】＜ステップ１０１＞まず、ＥＣＵ３０は、
ステップ１０１において、前回のＳＯx放出処理完了後
から現時点までの当該車両の走行距離を積算する。

【００４１】＜ステップ１０２＞次に、ＥＣＵ３０は、
ステップ１０２に進んで、ステップ１０１で求めた走行
距離積算値Ｄが判定値（判定基準）Ｄ₀を越えたか否か
を判定する。機関本体１から排出される排気ガス中に含
まれるＳＯxは、燃料中の硫黄（Ｓ）分が燃焼して生じ
たものであり、また、ＮＯx触媒１７に吸収されている
ＳＯx量は、機関本体１での燃焼で消費された燃料量と
相関がある。したがって、燃料消費量の積算値に基づい
てＮＯx触媒１７に吸収されているＳＯx量を算出するこ
とができ、燃料消費量積算値が所定量のＳＯx吸収量に
相当する値に達したときをＳＯx放出時期であるとする
ことも可能であるが、燃料消費量と走行距離との間にも
相関があることから、この実施の形態では燃料消費量の
積算に代えて走行距離を積算することとし、その走行距
離の積算値が所定量のＳＯx吸収量に相当する値（判定
値Ｄ₀）を越えたときにＳＯxを放出すべき時期であると
判定し、越えていないときにはＳＯxを放出すべき時期
ではないと判定することとした。

【００４２】尚、前記判定値Ｄ₀は、ＮＯx触媒１７のＳ
Ｏx吸収飽和量の３０％〜５０％に相当する走行距離と
するのがよく、この実施の形態では、５０％に相当する
走行距離とした。

【００４３】また、前記判定値Ｄ₀は、使用する燃料の
硫黄濃度によって設定値を変更してもよく、燃料の硫黄
濃度が低いほど判定値Ｄ₀を大きい数値に設定すること
ができる。ＥＣＵ３０による一連の信号処理のうちステ
ップ１０２を実行する部分は、ＮＯx触媒（ＮＯx吸収
剤）からＳＯxを放出すべき時期か否かを判定するＳＯx
放出時期判定手段ということができる。ステップ１０２
で肯定判定した場合にはステップ１０３に進み、否定判
定した場合にはステップ１０６に進む。

【００４４】＜ステップ１０３＞ＥＣＵ３０は、ステッ
プ１０３において、ＮＯx触媒１７に対してＳＯx放出処
理を実行する。ＳＯx放出処理は、燃焼室３に供給され
る混合気の空燃比をストイキに制御することにより排気
空燃比をストイキに制御し、且つ、ＮＯx触媒１７の温
度を硫酸塩の分解温度以上でＮＯx触媒１７が高温劣化
しにくい所定温度（例えば６００〜７５０゜Ｃ）に制御
することにより行う。尚、この実施の形態では、ＮＯx
触媒１７の温度制御は排気ガスの温度制御によって行っ
ている。以下、排気空燃比をストイキに制御するととも
に排気ガス温度を前記所定温度に制御することを、高温
ストイキ制御と称す。

【００４５】ＥＣＵ３０による一連の信号処理のうちス
テップ１０３において空燃比をストイキに制御する部分
は、ＮＯx触媒（ＮＯx吸収剤）に吸収されたＳＯxをほ
ぼ完全に放出させるために空燃比を制御する第２の空燃
比制御手段ということができ、ステップ１０３において
排気ガス温度を所定温度に制御する部分は、ＮＯx触媒
（ＮＯx吸収剤）を所定温度以上の高温状態に保持する
温度制御手段ということができる。

【００４６】排気ガス温度の制御については、ＥＣＵ３
０は、温度センサ２５からの入力信号からＮＯx触媒１
７の出ガス温度を検出し、この出ガス温度が前記所定温
度以下の場合には、機関負荷を一定に保持したまま、排
気ガス温度の上昇および炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素
（ＣＯ）などの還元剤の排出量の増量を行い、排気ガス
温度が前記所定温度に保持されるように制御する。例え
ば、通常のアイドル運転時の排気ガス温度は３００〜４
００゜Ｃ程度であるが、この実施の形態においてＳＯx
放出処理実行中は、ステップ１０３の高温ストイキ制御
によりアイドル運転中も排気ガス温度が前記所定温度に
保持されることになる。

【００４７】ここで、排気ガス温度を上昇させる手段と
しては、この実施の形態では例えば点火時期を遅らせる
ことが考えられる。また、この実施の形態のガソリンエ
ンジンには装備していないが、排気ガス再循環装置（い
わゆるＥＧＲ装置）を備えるエンジンであれば、排気ガ
ス再循環量（ＥＧＲ量）を増大させることにより排気ガ
ス温度を上昇させることも考えられる。さらに、この実
施の形態における内燃機関はガソリンエンジンである
が、内燃機関がディーゼルエンジンの場合であれば、予
混合を増やしたり、あるいは、吸気行程または膨張行程
または排気行程で燃料を噴射する副噴射を実行すること
によって排気ガス温度を上昇させることも考えられる。

【００４８】高温ストイキ制御の実行により、高温且つ
酸素濃度の低い排気ガスがＮＯx触媒１７に連続して流
れ、これにより、ＮＯx触媒１７に吸収されていた硫酸
塩が分解してＳＯ₃となり、さらにこのＳＯ₃が排気ガス
中の未燃ＨＣ、ＣＯによって還元せしめられ、ＳＯ₂と
なって放出される。この高温ストイキ制御は、ＮＯx触
媒１７に吸収されているＳＯxがほぼ完全に放出される
まで連続して実行する。

【００４９】＜ステップ１０４＞ＥＣＵ３０は、ステッ
プ１０３からステップ１０４に進んで、ＮＯx触媒１７
からのＳＯx放出が完了したか否かを判定する。ＳＯx放
出が完了したか否かの判定は、高温ストイキ制御による
エンジン作動の履歴から判定し、さらに具体的には、高
温ストイキ制御によるエンジンの作動時間が所定の時間
だけ連続して行われたか否かで判定する。ここで、高温
ストイキ制御によるエンジンの作動時間は、途中でエン
ジンを停止させた場合には、エンジン停止時間を除いて
高温ストイキ制御を実行した時間を積算したものとす
る。

【００５０】また、判定値である前記「所定の時間」
は、ステップ１０２におけるＳＯx放出時期の判定値Ｄ₀
の大小によって、あるいは高温ストイキ制御の実行にお
ける目標温度の大小によって異なるので一概には言えな
いが、数分から数時間、あるいは数日のオーダーであ
り、少なくとも、後述するステップ１０６におけるリー
ン・リッチスパイク制御での１回のストイキまたはリッ
チ保持時間の１００倍以上である。

【００５１】そして、高温ストイキ制御によるエンジン
の作動時間が所定時間に達するまでは、ステップ１０４
で否定判定され、ステップ１０３の高温ストイキ制御の
実行を継続する。

【００５２】高温ストイキ制御によるエンジンの作動時
間が所定時間を超えたときには、ＮＯx触媒１７に吸収
されていたＳＯxがほぼ完全に放出されたものとみなし
て、ＥＣＵ３０は、ステップ１０４で肯定判定（ＳＯx
放出完了の判定）し、ステップ１０５に進む。

【００５３】＜ステップ１０５＞ＥＣＵ３０は、ステッ
プ１０５において、次回のＳＯx放出時期を判定するた
めの判定値（走行距離）Ｄ0を変更する。判定値Ｄ0を変
更する理由は次による。

【００５４】ＮＯx触媒１７はＳＯxに被毒されるとＮＯ
x浄化率が低下することは前述した通りであるが、ＮＯx
触媒１７は熱などの影響を受けて経時的に劣化するもの
であり、この劣化の進行はＮＯx触媒１７のＳＯx被毒に
よるＮＯx浄化率の低下を大きくすることが分かってい
る。そのため、ＮＯx触媒１７の劣化が進むにしたがっ
て徐々にＳＯx放出時期を早めるようにするのが、ＮＯx
浄化率を高く維持する上で好ましい。

【００５５】そこで、この実施の形態では、予め同一エ
ンジン搭載の同仕様の車両について実走行試験を行い、
その実験データから、ＳＯx放出処理直前のＮＯx浄化率
を一定にするためにはＳＯx放出処理の実行回数の増加
に伴ってＳＯx放出時期判定値となる走行距離をどの程
度減少させていったらよいかを求め、これをＥＣＵ３０
のＲＯＭ３２に記憶させておき、ＳＯx放出処理の実行
回数に応じてＳＯx放出時期の判定値Ｄ0を変更するよう
にした。図６はＳＯx放出処理実行回数と判定値Ｄ0との
二次元マップの一例を示したものである。

【００５６】ＥＣＵ３０による一連の信号処理のうちス
テップ１０５を実行する部分は、ＮＯx触媒（ＮＯx吸収
剤）からＳＯxを放出すべき時期であると判定する判定
基準を徐々に早める方向に変更する判定基準変更手段と
いうことができる。

【００５７】＜ステップ１０６＞ＥＣＵ３０は、ステッ
プ１０５でＳＯx放出時期の判定値Ｄ₀を変更した後、ス
テップ１０６に進み、リーン・リッチスパイク制御を実
行する。リーン・リッチスパイク制御の実行中は、リー
ン時には排気ガス中のＮＯxがＮＯx触媒１７に吸収さ
れ、ストイキまたはリッチ時にＮＯx触媒１７に吸収さ
れたＮＯxが放出され、Ｎ₂に還元浄化される。ＥＣＵ３
０による一連の信号処理のうちステップ１０６を実行す
る部分は、ＮＯx触媒（ＮＯx吸収剤）にＮＯxの吸放出
を行わしめるために空燃比を制御する第１の空燃比制御
手段ということができる。

【００５８】以上説明したように、この実施の形態によ
れば、ＮＯx触媒１７に対するＳＯx放出処理が最適なタ
イミングで実行され、しかも、ＮＯx触媒１７からＳＯx
をほぼ完全に放出させることができるので、ＮＯx触媒
１７のＮＯx浄化率を常に高い状態に維持することがで
きる。

【００５９】尚、ステップ１０３における高温ストイキ
制御実行中、あるいは、ステップ１０６におけるリーン
・リッチスパイク制御実行中において、エンジンに高負
荷運転が要求された場合には混合気のストイキ制御が優
先して割り込まれ、全負荷運転が要求された場合には混
合気のリッチ制御が優先して割り込まれるようになって
いる。

【００６０】図７は、この第１の実施の形態における空
燃比制御の一実施例を示したものである。この実施例で
は、リーン・リッチスパイク制御においては、例えば６
０ｋｍ／ｈでの定速走行でリーン運転保持時間を４０
秒、ストイキ運転保持時間を２秒程度としてこれを交互
に繰り返す。一方、高温ストイキ制御での連続運転時間
は約半日とした。

【００６１】〔第２の実施の形態〕図８は、本発明に係
る内燃機関の排気浄化装置の第２の実施の形態における
ＳＯx放出処理実行ルーチンを示す図である。

【００６２】第２の実施の形態が第１の実施の形態と相
違する点は、フローチャートにおけるステップ１０３だ
けであり、その他の点については第１の実施の形態と全
く同じである。

【００６３】第２の実施の形態では、ＥＣＵ３０は、ス
テップ１０３において、排気空燃比のストイキ制御を実
行するだけで、排気ガスの温度制御は実行しない。つま
り、排気ガスの温度は成り行きになる。排気ガス温度を
制御しないということは、換言すればＮＯx触媒１７に
対する温度制御をしないということである。

【００６４】ＮＯx触媒１７の温度が所定温度（例え
ば、６００〜７５０゜Ｃ）よりも低温では、排気空燃比
をストイキに保持したとしてもＮＯx触媒１７からＳＯx
は放出されにくい。しかしながら、ストイキの排気ガス
を長時間連続してＮＯx触媒１７に流していると、ＳＯx
被毒の進行を止めることができるだけでなく、堆積して
いるＳＯx被毒成分（即ち、硫酸塩）も徐々に分解され
易い形に変化すると考えられる。したがって、ステップ
１０３において排気空燃比のストイキ制御を実行してい
ると、次にＮＯx触媒１７が所定温度以上に昇温した時
に、極めて効率よくＳＯxの放出・還元が行われること
になる。

【００６５】ステップ１０３でのストイキ制御実行中
も、加速時等のようにエンジンに対して全負荷運転の要
求があった場合には混合気のリッチ制御が割り込まれる
ので、その時には排気ガス温度が上昇し、ＮＯx触媒１
７の温度が硫酸塩の分解温度以上になる。このような時
が前述した「次にＮＯx触媒１７が所定温度以上に昇温
した時」ということができる。

【００６６】なお、前述した実施の形態では本発明をガ
ソリンエンジンに適用した例で説明したが、本発明をデ
ィーゼルエンジンに適用することができることは勿論で
ある。ディーゼルエンジンの場合は、燃焼室での燃焼が
ストイキよりもはるかにリーン域で行われるので、通常
の機関運転状態ではＮＯx触媒１７に流入する排気ガス
の空燃比は非常にリーンであり、ＮＯx及びＳＯxの吸収
は行われるものの、ＮＯx及びＳＯxの放出が行われるこ
とは殆どない。

【００６７】また、ガソリンエンジンの場合には、前述
したように燃焼室３に供給する混合気をストイキあるい
はリッチにすることにより排気空燃比をストイキあるい
はリッチにし、排気ガス中の酸素濃度を低下させて、Ｎ
Ｏx触媒１７に吸収されているＮＯxやＳＯxを放出させ
ることができるが、ディーゼルエンジンの場合には、燃
焼室に供給する混合気をストイキあるいはリッチにする
と燃焼の際に煤が発生するなどの問題があり採用するこ
とはできない。

【００６８】したがって、本発明をディーゼルエンジン
に適用する場合、排気空燃比をストイキあるいはリッチ
にするためには、機関出力を得るために燃料を燃焼する
のとは別に、還元剤（例えば燃料である軽油）を排気ガ
ス中に供給する必要がある。排気ガスへの還元剤の供給
は、吸気行程や膨張行程や排気行程において気筒内に燃
料を副噴射することによっても可能であるし、あるい
は、ＮＯx触媒１７の上流の排気通路内に還元剤を供給
することによっても可能である。また、燃焼を制御する
ことにより、多量の還元剤を含む排気ガスを供給するこ
とによっても可能である。

【００６９】

【発明の効果】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置に
よれば、希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に配置され
流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯxを吸
収し流入する排気ガスの空燃比がストイキまたはリッチ
のときに吸収したＮＯxを放出するＮＯx吸収剤と、前記
ＮＯx吸収剤にＮＯxの吸放出を行わしめるためにＮＯx
吸収剤に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比とス
トイキまたはリッチ空燃比に交互に繰り返されるように
制御する第１の空燃比制御手段と、前記ＮＯx吸収剤に
吸収されたＳＯxをほぼ完全に放出させるためにＮＯx吸
収剤に流入する排気ガスの空燃比を前記第１の空燃比制
御手段によるストイキまたはリッチ空燃比の保持時間よ
りも長い時間ストイキに保持する第２の空燃比制御手段
と、を備えることにより、ＮＯx吸収剤に吸収されたＳ
Ｏxをほぼ完全に放出することができ、ＳＯx被毒に起因
して低下したＮＯx浄化率を確実に回復することができ
るという優れた効果が奏される。

【００７０】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置にお
いて、前記第２の空燃比制御手段が排気ガスの空燃比の
ストイキ制御を実行している間、前記ＮＯx吸収剤を所
定温度以上の高温状態に保持する温度制御手段を備えた
場合には、ＮＯx吸収剤からのＳＯxの放出がより促進さ
れるので、ＳＯx放出処理を短時間に完了させることが
できる。

【００７１】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置にお
いて、前記ＮＯx吸収剤からＳＯxを放出すべき時期か否
かを判定するＳＯx放出時期判定手段と、前記ＳＯx放出
時期判定手段がＳＯxを放出すべき時期であると判定す
る判定基準を、前記第２の空燃比制御手段による排気ガ
スの空燃比のストイキ制御の実行回数が増えるにしたが
って、ストイキ制御の実行を徐々に早める方向に変更す
る判定基準変更手段と、を備えた場合には、ＮＯx吸収
剤の劣化に左右されることなくＮＯx浄化率を高く維持
することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第１
の実施の形態の概略構成図である。

【図２】基本燃料噴射時間のマップの一例を示す図で
ある。

【図３】機関から排出される排気ガス中の未燃ＨＣ，
ＣＯおよび酸素の濃度を概略的に示す線図である。

【図４】吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx吸放出作用を説
明するための図である。

【図５】前記第１の実施の形態のＳＯx放出処理実行
ルーチンである。

【図６】ＳＯx放出処理実行回数とリーン・リッチス
パイク制御運転距離の二次元マップの一例である。

【図７】前記第１の実施の形態における空燃比制御の
一例を示す図である。

【図８】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置におけ
る第２の実施の形態のＳＯx放出処理実行ルーチンであ
る。

【符号の説明】

１エンジン本体（内燃機関）３燃焼室４点火栓１１燃料噴射弁１６排気管（排気通路）１７吸蔵還元型ＮＯx触媒（ＮＯx吸収剤）１８ケーシング１９排気管（排気通路）３０ＥＣＵ

フロントページの続きＦターム(参考） 3G091 AA02 AA11 AA12 AA13 AA17 AA18 AA23 AB06 BA04 BA11 BA14 BA33 CA18 CB02 CB03 CB05 CB08 DB06 DB10 DB11 EA01 EA03 EA05 EA17 EA26 EA30 EA38 FA06 FA12 FA13 FA14 FA17 FB03 FB10 FB11 FB12 FC08 GB02W GB03W GB04W GB05W GB06W GB10X GB16X HA37 HB05 3G301 HA01 HA02 HA04 HA13 HA15 HA18 JA15 JA25 JB09 KA06 LB02 LB11 MA01 MA11 MA12 MA18 MA26 NB12 NE01 NE06 NE13 NE14 NE15 PA01A PA01Z PD11A PD11Z PE01A PE01Z PG00A PG00Z

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に配
置され流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯ
xを吸収し流入する排気ガスの空燃比がストイキまたは
リッチのときに吸収したＮＯxを放出するＮＯx吸収剤
と、前記ＮＯx吸収剤にＮＯxの吸放出を行わしめるためにＮ
Ｏx吸収剤に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比
とストイキまたはリッチ空燃比に交互に繰り返されるよ
うに制御する第１の空燃比制御手段と、前記ＮＯx吸収剤に吸収されたＳＯxをほぼ完全に放出さ
せるためにＮＯx吸収剤に流入する排気ガスの空燃比を
前記第１の空燃比制御手段によるストイキまたはリッチ
空燃比の保持時間よりも長い時間ストイキに保持する第
２の空燃比制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】前記第２の空燃比制御手段が排気ガスの
空燃比をストイキに保持する保持時間は、前記第１の空
燃比制御手段が排気ガスの空燃比をストイキまたはリッ
チ空燃比に保持する保持時間の１００倍以上であること
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。
【請求項３】前記第２の空燃比制御手段が排気ガスの
空燃比のストイキ制御を実行している間、前記ＮＯx吸
収剤を所定温度以上の高温状態に保持する温度制御手段
を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の内
燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】前記ＮＯx吸収剤からＳＯxを放出すべき
時期か否かを判定するＳＯx放出時期判定手段と、前記ＳＯx放出時期判定手段がＳＯxを放出すべき時期で
あると判定する判定基準を、前記第２の空燃比制御手段
による排気ガスの空燃比のストイキ制御の実行回数が増
えるにしたがって、ストイキ制御の実行を徐々に早める
方向に変更する判定基準変更手段と、を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに
記載の内燃機関の排気浄化装置。