JP2000170525A

JP2000170525A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2000170525A
Application number: JP10351811A
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: 1998-12-10
Filing date: 1998-12-10
Publication date: 2000-06-20

Abstract

(57)【要約】【課題】ＮＯx触媒１７に吸収されたＳＯxを効率的に
ＳＯ₂に還元・放出することができるようにする。【解決手段】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、ＮＯx触媒１７の出口での排気空燃比がストイキ
になるようにＮＯx触媒１７に流入する排気ガスの空燃
比を制御するとともに、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、内燃機関の排気ガ
スに含まれる硫黄酸化物（ＳＯx）を吸収するＳＯx吸収
剤を備えた排気浄化装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】希薄燃焼可能な車両用の内燃機関より排
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。ＮＯx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ＮＯ
x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
媒あるいはＮＯx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ＮＯ
xがＮＯ₂として放出され、さらに排気ガス中のＨＣやＣ
Ｏ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ＮＯx触媒は、ＮＯx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。つまり、ＮＯx吸収剤としてのＮＯx触媒は、ＳＯ
x吸収機能を有していることからＳＯx吸収剤ということ
もできる。

【０００５】ところが、前記ＮＯx触媒に吸収されたＳ
Ｏxは時間経過とともに安定な硫酸塩を形成するため、
ＮＯx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ＮＯx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。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のが効果的で
あると考えられていた。

【０００７】そこで、ＮＯx触媒に所定量のＳＯxが吸収
された時をＳＯx放出時期と判断して、その時に、触媒
温度をＳＯx放出可能な温度に温度制御するとともに、
流入排気ガスの空燃比をストイキまたはリッチに保持さ
れるように流入排気ガスの空燃比制御を行って、ＳＯx
の放出処理を実行している。このＳＯx放出処理によ
り、ＮＯx触媒に吸収されていた硫酸塩は分解してＳＯ₃
になり、さらにこのＳＯ₃が排気ガス中の未燃ＨＣ，Ｃ
Ｏによって還元せしめられ、ＳＯ₂となって放出され
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図７（Ａ）は、ＮＯx
吸放出処理時とＳＯx放出処理時でのＮＯx触媒に流入す
る排気ガスの空燃比制御の一例を示したものであり、図
７（Ｂ）は、その時のＮＯx触媒よりも下流の排気ガス
の空燃比の挙動を示したものである。この例の場合、Ｓ
Ｏx放出処理時に流入排気ガスの空燃比をリッチ側で一
定に制御しているが、その結果、ＮＯx触媒よりも下流
の排気ガスの空燃比は、初めリーンで、徐々にストイキ
に近付き、その後にストイキを通り越してリッチになっ
ている。

【０００９】ところで、本出願人の最近の研究によれ
ば、ＮＯx触媒に硫酸塩の形で吸収されたＳＯxは、排気
ガスの空燃比がリッチな雰囲気では硫化水素（Ｈ₂Ｓ）
に還元され、このＨ₂ＳはＮＯx触媒から放出されずに堆
積され易く、堆積したＨ₂Ｓは排気ガスの空燃比がリー
ンな雰囲気で再びＳＯ₃となり、さらに硫酸塩となって
ＮＯx触媒に堆積することが分かった。

【００１０】図７（Ｂ）に示すように、ＮＯx触媒より
も下流の排気ガスの空燃比がリーンあるいはリッチにな
っているということは、ＮＯx触媒内の後端部における
排気ガスの空燃比がリーンあるいはリッチであるという
ことである。したがって、この例のようなＳＯx放出の
ための空燃比制御を行った場合、ＮＯx触媒の後端部で
は、後端部が空燃比リーンのときにはＮＯx触媒の前端
部から放出されたＳＯ₂の一部を吸収して硫酸塩の形で
ＮＯx触媒内に堆積させ、その後、後端部が空燃比リッ
チになると堆積していた硫酸塩はＨ₂Ｓに形を代えてＮ
Ｏx触媒内に堆積することになり、ＮＯx触媒の後端部に
堆積したＳＯxをＳＯ₂にして放出するのは非常に難し
い。つまり、ＮＯx触媒の出ガスの空燃比がリーンやリ
ッチにずれると、ＮＯx触媒からのＳＯx放出の効率を極
めて悪くすることになる。

【００１１】したがって、従来のＳＯx放出処理時の流
入排気ガスの空燃比制御は、ＮＯx触媒に吸収されてい
るＳＯxをＳＯ₂に還元して放出するための最良の制御と
は言い難く、改良の余地があった。

【００１２】また、本出願人の最近の研究により、ＮＯ
x触媒に硫酸塩の形で吸収されているＳＯxをＳＯ₂に還
元して放出するには、排気ガスの空燃比をストイキの雰
囲気にするのが最も効率的であることが判明し、本発明
はこの研究結果に基づいて案出されたものである。

【００１３】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、ＳＯx吸収剤出口における排気ガスの空燃比が
理論空燃比となるように制御することにより、ＳＯx吸
収剤からのＳＯx放出の効率向上を図ることにある。

【００１４】

【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ＳＯxを吸収し流入する排気ガスの酸素濃度
が低いときに吸収したＳＯxを放出するＳＯx吸収剤と、
（ロ）前記ＳＯx吸収剤に吸収されたＳＯxを放出させる
ときにＳＯx吸収剤出口における排気ガスの空燃比がほ
ぼ理論空燃比となるようにＳＯx吸収剤に流入する排気
ガスの空燃比を制御する空燃比制御手段と、を備えるこ
とを特徴とする。

【００１５】この内燃機関の排気浄化装置では、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Ｓ
ＯxがＳＯx吸収剤に吸収され、空燃比制御手段が、ＳＯ
x吸収剤出口における排気ガスの空燃比が理論空燃比
（ストイキ）になるようにＳＯx吸収剤に流入する排気
ガスの空燃比を制御しているときに、ＳＯx吸収剤から
ＳＯxが放出される。

【００１６】ＳＯx吸収剤の出口で空燃比がストイキに
なっているので、硫酸塩の形でＳＯx吸収剤に堆積して
いるＳＯxは硫化水素（Ｈ₂Ｓ）にまで還元することがな
く、ＳＯ₂となってＳＯx吸収剤から放出される。尚、排
気ガスの空燃比とは、機関吸気通路及びＳＯx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。

【００１７】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、前記空燃比制御手段
によるＳＯx吸収剤に流入する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。一方、ディーゼルエンジンの場合、前記空
燃比制御手段によるＳＯx吸収剤に流入する排気ガスの
空燃比制御は、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、ＳＯ
x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。

【００１８】ＳＯx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が、この
吸蔵還元型ＮＯx触媒はＮＯxを吸放出するのと同じよう
にＳＯxの吸放出作用がある。

【００１９】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。

【００２０】また、吸蔵還元型ＮＯx触媒の上流側に配
置されて排気ガス中のＳＯxを吸収し、吸蔵還元型ＮＯx
触媒がＳＯxによって被毒されないようにする吸収剤
も、本発明のＳＯx吸収剤であることは勿論である。

【００２１】本発明においては、前記空燃比制御手段
は、初めにＳＯx吸収剤に流入する排気ガスの空燃比を
リッチに制御し、その後、漸次流入する排気ガスの空燃
比を理論空燃比に近付けるように制御することによっ
て、ＳＯx吸収剤出口における排気ガスの空燃比をほぼ
理論空燃比にするように構成してもよい。ＳＯx放出処
理の初期には、ＳＯx吸収剤の表面に付着している酸素
を還元するために未燃ＨＣやＣＯが消費されるからであ
り、このようにＳＯx吸収剤に流入する排気ガスの空燃
比を制御すると、ＳＯx吸収剤出口における排気ガスの
空燃比をＳＯx放出処理開始から直ちにストイキにする
ことが可能になる。

【００２２】

【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６の図面に基いて
説明する。

【００２３】〔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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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
燃焼せしめられることになる。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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）。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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またはＮＯ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ＮＯ
x触媒１７からＮＯxが放出されることとなる。

【００３６】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。

【００３７】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またはＮＯが放出され、こ
のＮＯ₂またはＮＯ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またはＮＯが
存在しなくなると、ＮＯx触媒１７から次から次へとＮ
Ｏ₂またはＮＯ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ＮＯxが放出され
ることになる。

【００３８】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。

【００３９】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。

【００４０】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。

【００４１】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。

【００４２】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。

【００４３】しかしながら、排気ガスの酸素濃度を低く
すれば低くするほどＳＯx放出に効果があるというもの
ではなく、前述したように、本出願人の最近の研究によ
り、ＮＯx触媒に硫酸塩の形で吸収されたＳＯxは、排気
ガスの空燃比がリッチな雰囲気では硫化水素（Ｈ₂Ｓ）
に還元され、このＨ₂ＳはＮＯx触媒から放出されずに堆
積され易く、堆積したＨ₂Ｓは排気ガスの空燃比がリー
ンな雰囲気になると再びＳＯ₃になりさらに硫酸塩とな
ってＮＯx触媒に堆積することが分かっており、また、
ＮＯx触媒に硫酸塩の形で吸収されているＳＯxをＳＯ₂
に還元して放出するには、排気ガスの空燃比をストイキ
の雰囲気にするのが最も効率的であることが分かった。

【００４４】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、ケーシング
１８の出口において排気空燃比がストイキに保持される
ように流入排気ガスの空燃比を制御し、このように空燃
比を制御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。

【００４５】このようにケーシング１８の出口において
排気空燃比がストイキになっていると、ケーシング１８
の入口側のＮＯx触媒１７に堆積していた硫酸塩が還元
されてＳＯ₂となってケーシング１８の出口側に流れて
きても、このＳＯ₂をケーシング１８の出口付近のＮＯx
触媒１７に再吸収させることなくケーシング１８から排
出することができ、また、ＮＯx触媒１７に堆積してい
る硫酸塩を硫化水素（Ｈ₂Ｓ）に還元するのを防止する
ことができ、ＳＯx放出を効率的に行うことができるよ
うになる。

【００４６】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。

【００４７】＜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。

【００４８】＜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。尚、この実施の形態に
おいて前記判定値Ｄ₀は、ＮＯx触媒１７のＳＯx吸収飽
和量の５０％に相当する走行距離とした。

【００４９】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１０５に進む。

【００５０】＜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所定に制御することによりＮＯx触
媒１７の出口における排気ガス（以下、これを触媒出ガ
スという）の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１
７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。以下、触媒出ガスの
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
し、この高温ストイキ制御を実行しているときにＳＯx
放出処理が実行されることになる。

【００５１】ＥＣＵ３０による一連の信号処理のうち、
ステップ１０３において燃焼室３に供給される混合気の
空燃比を所定に制御する部分は、ＮＯx触媒（ＳＯx吸収
剤）出口における排気ガスの空燃比をストイキに制御す
るための空燃比制御手段ということができる。

【００５２】そして、触媒出ガスの空燃比をストイキに
制御するために、この実施の形態では、図６（Ａ）に示
すように、ＳＯx放出処理初期にはＮＯx触媒１７の入口
における排気ガス（以下、これを触媒入りガスという）
の空燃比をリッチにしておき、時間経過とともに段階的
に徐々にストイキに近付けていき、ＳＯx放出処理開始
から所定時間経過以降ストイキに保持するように、触媒
入りガスの空燃比を制御する。

【００５３】このように触媒入りガスの空燃比を制御す
ると、図６（Ｂ）に示すように、触媒出ガスの空燃比は
ＳＯx放出処理開始時点から終了時点までほぼストイキ
に維持することができる。尚、ＳＯx放出処理初期に触
媒入りガスの空燃比をリッチにする理由は、ＳＯx放出
処理開始時点ではＮＯx触媒１７の表面に酸素が付着し
ており、この酸素を還元するのに排気ガス中の未燃ＨＣ
やＣＯが消費されるからであり、この酸素の還元が進み
ＮＯx触媒１７に付着している酸素量が徐々に減少する
にしたがってリッチ度を小さくする（即ちストイキに近
付ける）べきだからである。また、ＮＯx触媒１７の表
面に付着している酸素を一通り還元した後は、排気ガス
中の未燃ＨＣやＣＯはＮＯx触媒１７に堆積している硫
酸塩の還元に専ら消費されるはずであり、したがって、
触媒入りガスの空燃比をストイキに保持すれば触媒出ガ
スの空燃比をストイキにすることができる。

【００５４】尚、ＳＯx放出処理の初期において触媒入
りガスの空燃比のリッチ度合や継続時間をどのくらいに
するか、ＳＯx放出処理開始から触媒入りガスの空燃比
をストイキにするまでに、触媒入りガスの空燃比のリッ
チ度を何段階に分けて行うかについては、予め実験を行
いその実験結果から最適な制御パターンを求め、これを
ＥＣＵ３０のＲＯＭ３２に記憶しておく。

【００５５】また、この実施の形態では、ＮＯx触媒１
７の温度制御は排気ガスの温度制御によって行ってい
る。排気ガス温度の制御については、ＥＣＵ３０は、温
度センサ２５からの入力信号からＮＯx触媒１７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３００〜４００゜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。

【００５６】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。

【００５７】高温ストイキ制御の実行により、高温且つ
酸素濃度の低いストイキの排気ガスが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。

【００５８】しかも、触媒出ガスの空燃比がストイキに
保持されているので、ケーシング１８の入口側のＮＯx
触媒１７に堆積していた硫酸塩が還元されてＳＯ₂とな
ってケーシング１８の出口側に流れてきても、このＳＯ
₂はケーシング１８の出口付近のＮＯx触媒１７に再吸収
されることがなく、排気管１９に排出することができ
る。また、ＮＯx触媒１７に堆積している硫酸塩を硫化
水素（Ｈ₂Ｓ）に還元するのを防止することができ、Ｓ
Ｏx放出を効率的に行うことができるようになる。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。

【００５９】＜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。

【００６０】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１０５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。

【００６１】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。

【００６２】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。

【００６３】＜ステップ１０５＞ＥＣＵ３０は、ステッ
プ１０５において、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及びＳＯx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。こ
のリーン・リッチスパイク制御の実行中におけるストイ
キまたはリッチ時には、ストイキまたはリッチの保持時
間が短いのでＮＯx触媒１７に吸収されたＳＯxは殆ど放
出されない。

【００６４】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。

【００６５】さらに、ＮＯx触媒１７の出口における排
気ガスの空燃比がストイキになるように、ＮＯx触媒１
７に流入する排気ガスの空燃比を制御しているので、Ｎ
Ｏx触媒１７に堆積している硫酸塩をＨ₂Ｓに変化させる
ことなく、ＳＯ₂に還元して放出することができ、ＳＯx
の効率的な還元・放出を実行することができる。

【００６６】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。

【００６７】そして、これら割り込み制御の後、高温ス
トイキ制御に復帰した時には、ＳＯx放出処理初期の時
と同様の触媒入りガス空燃比制御（初期リッチ制御）が
実行されて、触媒出ガスの空燃比をストイキに制御す
る。

【００６８】図６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
は数分から数時間とした。

【００６９】〔他の実施の形態〕ケーシング１８の下流
の排気管１９に酸素センサを設置し、この酸素センサか
らの出力信号を、燃焼室３に供給される混合気の空燃比
制御にフィードバックして、触媒出ガスの空燃比がスト
イキになるように前記混合気の空燃比をフィードバック
制御することも可能である。

【００７０】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。

【００７１】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。

【００７２】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。尚、ディーゼルエンジ
ンであっても排気再循環装置（所謂、ＥＧＲ装置）を備
えている場合には、排気再循環ガスを多量に燃焼室に導
入することによって、排気空燃比をストイキまたはリッ
チにすることが可能である。

【００７３】

【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ＳＯxを吸
収し流入する排気ガスの酸素濃度が低いときに吸収した
ＳＯxを放出するＳＯx吸収剤と、前記ＳＯx吸収剤に吸
収されたＳＯxを放出させるときにＳＯx吸収剤出口にお
ける排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比となるようにＳ
Ｏx吸収剤に流入する排気ガスの空燃比を制御する空燃
比制御手段と、を備えることによって、ＳＯx放出処理
中はＳＯx吸収剤の出口で排気ガスの空燃比をストイキ
にでき、その結果、ＳＯx吸収剤に堆積しているＳＯxを
効率的にＳＯ₂に還元して放出することができるという
優れた効果が奏される。

【００７４】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置にお
いて、前記空燃比制御手段が、初めにＳＯx吸収剤に流
入する排気ガスの空燃比をリッチに制御し、その後、漸
次流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比に近付けるよ
うに制御した場合には、ＳＯx放出処理の開始直後から
ＳＯx吸収剤出口の排気ガスの空燃比をストイキにする
ことができる。

【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】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７】従来の空燃比制御の一例を示す図である。

【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（ＳＯx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 AA17 AA18 AA23 AA28 AB06 AB08 BA04 BA07 BA11 BA14 BA15 BA19 BA20 BA31 BA33 CA18 CB02 CB03 CB08 DA01 DA02 DA04 DA05 DB06 DB10 DC01 EA01 EA03 EA05 EA08 EA17 EA26 EA30 EA38 FA11 FA18 FB03 FB10 FB11 FB12 FC01 FC02 FC04 GB01X GB02W GB03W GB04W GB05W GB06W GB10X GB17X HA37 HB05 3G301 HA01 HA02 HA04 HA06 HA13 HA15 JA15 JA25 JB09 KA21 KB02 LB02 LB11 MA01 MA11 MA18 MA23 MA26 NA06 NC02 ND01 NE13 NE14 NE15 PA01A PA01Z PA11A PA11Z PA14A PA14Z PA18A PA18Z PD11A PD11Z PE01A PE01Z PE03A PE03Z

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ＳＯ
xを吸収し流入する排気ガスの酸素濃度が低いときに吸
収したＳＯxを放出するＳＯx吸収剤と、前記ＳＯx吸収剤に吸収されたＳＯxを放出させるときに
ＳＯx吸収剤出口における排気ガスの空燃比がほぼ理論
空燃比となるようにＳＯx吸収剤に流入する排気ガスの
空燃比を制御する空燃比制御手段と、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】前記空燃比制御手段は、初めにＳＯx吸
収剤に流入する排気ガスの空燃比をリッチに制御し、そ
の後、漸次流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比に近
付けるように制御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。