JP2000170528A

JP2000170528A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2000170528A
Application number: JP10351812A
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
Anticipated expiration: 2018-12-10
Also published as: JP3613660B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ＮＯx触媒２１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】第１触媒コンバータ２０に収容されるＮ
Ｏx触媒２１の容量を通常の２０％程度とし、ＮＯx触媒
２１の触媒坦持率を通常の５倍程度とし、ＮＯx触媒２
１のメタル担体を電気発熱体で構成する。第１触媒コン
バータ２０の下流に三元触媒３１を収容した第２触媒コ
ンバータ３０を配置する。ＳＯx放出処理時にはＮＯx触
媒２１のメタル担体に電気を流して発熱させ、ＮＯx触
媒２１を直接的に加熱して、ＳＯx放出可能な温度まで
昇温する。ＳＯx放出処理時に排気ガス中のＨＣ，ＣＯ
が吸蔵還元型ＮＯx触媒を素通りしても、このＨＣ，Ｃ
Ｏは三元触媒３１によって浄化される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の排気通
路に吸蔵還元型ＮＯx触媒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触媒がある。この吸蔵還元型Ｎ
Ｏx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。

【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２７４５９８５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る。

【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】尚、前記特許公報に開示された技術では、
触媒を温度制御するために、触媒よりも上流の排気管の
周りに電気ヒータを設け、ＳＯx放出処理時にこの電気
ヒータに通電して排気管を加熱し、これにより排気ガス
を加熱して触媒を加熱している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の排気浄化装
置では、流入排気ガスの空燃比をストイキまたはリッチ
にしてＳＯx放出処理を実行中に、排気ガス中のＨＣや
ＣＯが触媒を素通りした場合にはそのまま大気に放出さ
れる虞れがあり、フェールセーフという点で不十分であ
った。

【００１０】このように、排気管→排気ガス→触媒とい
う熱伝達ルートで触媒を加熱したのでは、触媒を迅速に
昇温することが困難であり、ＳＯx放出処理初期におけ
るＳＯx放出の効率が悪かった。

【００１１】また、従来の排気浄化装置は触媒の容量が
大きく、そのため触媒の熱容量が大きくなって、短時間
で触媒全体を加熱するのが困難であり、これもＳＯx放
出処理初期のＳＯx放出効率を低くする一因になってい
た。

【００１２】かといって、触媒の熱容量を小さくするた
めに触媒の容量を小さくすると、流入排気ガスの空燃比
をストイキまたはリッチにしてＳＯx放出処理を実行し
た際に、排気ガス中のＨＣやＣＯが触媒を素通りして大
気を汚染する虞れがあるので、ただ単に触媒の容量を少
量化することはできない。

【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、吸蔵還元型ＮＯx触媒からのＳＯx放出を効率的
に実施でき、また、フェールセーフにも優れた内燃機関
の排気浄化装置を提供することにある。

【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ＮＯx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ＮＯxを放出・還元し、一体化
された加熱手段を有する吸蔵還元型ＮＯx触媒と、
（ロ）前記吸蔵還元型ＮＯx触媒よりも下流の前記排気
通路に配置された三元触媒と、を備えることを特徴とす
る。

【００１５】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Ｎ
Ｏx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。吸蔵還元型ＮＯx触媒にＳＯxが吸収さ
れ蓄積されると、ＮＯx吸収容量が減少し、ＮＯx浄化効
率が低下するので、所定の時期にＳＯx放出処理を実行
する必要がある。本発明の排気浄化装置では、ＳＯx放
出処理を実行する際に、吸蔵還元型ＮＯx触媒に設けら
れた加熱手段を作動させることによって吸蔵還元型ＮＯ
x触媒をＳＯx放出に必要な温度まで加熱することができ
る。

【００１６】加熱手段は吸蔵還元型ＮＯx触媒に一体化
されているので、吸蔵還元型ＮＯx触媒を直接的に加熱
することができる。したがって、吸蔵還元型ＮＯx触媒
をＳＯx放出温度に迅速に昇温することができ、ＳＯxの
放出が極めて効率的に行われる。

【００１７】また、ＳＯx放出処理は排気ガスの空燃比
をストイキまたは僅かにリッチ（スライトリッチ）にし
て実行するが、ＳＯx放出処理実行中に排気ガス中のＨ
Ｃ，ＣＯが吸蔵還元型ＮＯx触媒を素通りしてしまった
場合にも、このＨＣ，ＣＯは吸蔵還元型ＮＯx触媒の下
流に配置された三元触媒によって浄化される。

【００１８】排気ガスの空燃比とは、機関吸気通路及び
吸蔵還元型ＮＯx触媒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。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。

【００１９】吸蔵還元型ＮＯx触媒は、例えば、アルミ
ナ（Ａｌ₂Ｏ₃）がコーティングされたメタル担体を備
え、このメタル担体のアルミナに例えばカリウム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】吸蔵還元型ＮＯx触媒に一体化された加熱
手段とは、前記メタル担体の一部あるいは全体を、通電
すると発熱する電気発熱体で構成してもよいし、触媒の
坦持されていないメタル部に電気発熱体を埋め込んで一
体化した構成にしてもよい。

【００２１】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置で
は、前記吸蔵還元型ＮＯx触媒は小容量で且つ触媒が高
坦持されているのが好ましい。吸蔵還元型ＮＯx触媒を
小容量とすることにより熱容量を小さくすることがで
き、吸蔵還元型ＮＯx触媒をより迅速に昇温することが
できるからである。また、触媒を高坦持にするのは、小
容量化してもＮＯx浄化効率を低下させないようにする
ためである。前記吸蔵還元型ＮＯx触媒の容量は内燃機
関の排気量の２０％以下とすることができ、排気量の５
％程度まで小容量化は実現可能と思われる。前記「高坦
持」とは、通常の触媒坦持率の２〜８倍程度をいう。

【００２２】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置で
は、（ハ）前記吸蔵還元型ＮＯx触媒の上流の排気通路
と前記吸蔵還元型ＮＯx触媒から三元触媒の間の排気通
路とを接続して排気ガスを吸蔵還元型ＮＯx触媒を迂回
して流すバイパス通路と、（ニ）前記バイパス通路を流
れる排気ガスの流量を制御するバイパス流量制御手段
と、を備えることができる。

【００２３】このように構成した場合には、ＳＯx放出
処理を実行するときに、バイパス流量制御手段を作動さ
せることによりバイパス通路に所定流量の排気ガスが流
れるようにし、これにより吸蔵還元型ＮＯx触媒に流れ
る排気ガス流量を減少させる。これによって、内燃機関
から排出される排気ガスの流量を減少させずに吸蔵還元
型ＮＯx触媒に流れる排気ガス流量を減少させることが
でき、吸蔵還元型ＮＯx触媒の昇温を促進することがで
きる。前記バイパス流量制御手段は流量制御弁で構成す
ることができる。

【００２４】

【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４の図面に基いて
説明する。

【００２５】〔第１の実施の形態〕図１は、内燃機関と
しての車両駆動用の筒内直接噴射式ディーゼルエンジン
の排気浄化装置の概略構成を示す図である。この図にお
いて、エンジン１は直列４気筒であり、吸気管２及び吸
気マニホルド３を介して各気筒に吸気が供給される。

【００２６】燃料タンク４の燃料（軽油）は吐出圧制御
可能な燃料供給ポンプ５によって吸い上げられてコモン
レール６に供給される。エンジンコントロール用電子制
御ユニット（ＥＣＵ）５０は、コモンレール６内の燃料
圧力がエンジン１の運転状態に応じて所定圧力値となる
ように、燃料供給ポンプ５の運転を制御する。

【００２７】また、エンジン１には、コモンレール６か
ら供給される燃料を各気筒内に噴射する燃料噴射弁７が
設けられており、燃料噴射弁７の開弁時期及び開弁期間
は、エンジン１の運転状態に応じてＥＣＵ５０によって
制御される。

【００２８】各気筒の燃焼室には、各気筒における圧縮
上死点近傍において対応する燃料噴射弁７から燃料が主
噴射され、この燃料の爆発によって生じた排気が排気マ
ニホールド８を介して排気管９に排出される。

【００２９】また、このエンジン１においては、所定の
時期に、所定の気筒の膨張行程あるいは排気行程におい
て対応する気筒の燃料噴射弁７から気筒内に燃料が副噴
射されるようになっている。副噴射された燃料のＨＣ成
分は、爆発行程の熱により軽質なＨＣに改質されて、排
気と共に排気マニホールド８を介して排気管９に排出さ
れ、後述する吸蔵還元型ＮＯx触媒２１に供給される。

【００３０】排気管９の途中には、内部に吸蔵還元型Ｎ
Ｏx触媒（以下、ＮＯx触媒と略す）２１を収容した第１
触媒コンバータ２０と、内部に三元触媒３１を収容した
第２触媒コンバータ３０が設置されている。

【００３１】第１触媒コンバータ２０のＮＯx触媒２１
は、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）がコーティングされたメタル
担体を備え、このメタル担体のアルミナに例えばカリウ
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。

【００３２】この第１触媒コンバータ２０は通常のもの
よりも小型で、通常よりも触媒が高坦持されている。こ
の小型、高坦持について数値を挙げて説明すると以下の
通りである。従来は、例えば総排気量２０００ｃｃのエ
ンジンの場合、ＮＯx触媒（吸蔵還元型ＮＯx触媒）の容
量はエンジンの総排気量とほぼ同じ約２０００ｃｃを必
要とし、触媒の坦持率は、例えばＰｔ／Ｂａ触媒の場合
であれば、Ｐｔは１〜２ｇ／ｌ、Ｂａは０．１〜０．２
モル／ｌ程度である。これに対して、本実施の形態の第
１触媒コンバータ２０では、ＮＯx触媒２１の容量は前
記通常容量の約２０％、即ち４００ｃｃであり、触媒坦
持率は前記通常の坦持率の約５倍、即ちＰｔは５〜１０
ｇ／ｌであり、Ｂａは０．５〜１．０モル／ｌである。
第１触媒コンバータ２０はＮＯx触媒２１の容量を小型
にしたことによって、その熱容量も小さくなる。

【００３３】ＮＯx触媒２１のメタル担体はヒータ機能
を備えており、電流を流すと発熱し、ＮＯx触媒２１を
加熱する。つまり、このＮＯx触媒２１は加熱手段が一
体化されている触媒である。ＮＯx触媒２１のメタル担
体はヒータ駆動回路１０に電気的に接続されており、こ
のヒータ駆動回路１０はＥＣＵ５０からの指令信号によ
ってＯＮ／ＯＦＦ制御され、これによりメタル担体から
なるヒータがＯＮ／ＯＦＦ制御されるようになってい
る。

【００３４】また、第１触媒コンバータ２０にはＮＯx
触媒２１の温度に対応した出力信号をＥＣＵ５０に出力
する触媒温度センサ１１が取り付けられている。尚、Ｎ
Ｏx触媒２１の作用（ＮＯxの吸放出作用およびＳＯxの
吸放出作用）については後で詳述する。

【００３５】ＥＣＵ５０はデジタルコンピュータからな
り、双方向バスによって相互に接続されたＲＯＭ（リー
ドオンメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、
ＣＰＵ（セントラルプロセッサユニット）、入力ポー
ト、出力ポートを具備し、エンジン１の燃料噴射量制御
等の基本制御を行うほか、この実施の形態では、第１触
媒コンバータ２０のＳＯx放出処理制御等を行ってい
る。

【００３６】これら制御のために、ＥＣＵ５０の入力ポ
ートには、アクセル開度センサ１４からの入力信号と、
クランク角センサ１５からの入力信号が入力される。ア
クセル開度センサ１４はアクセル開度に比例した出力電
圧をＥＣＵ５０に出力し、ＥＣＵ５０はアクセル開度セ
ンサ１４の出力信号に基づいてエンジン負荷を演算す
る。クランク角センサ１５はクランクシャフトが一定角
度回転する毎に出力パルスをＥＣＵ５０に出力し、ＥＣ
Ｕ５０はこの出力パルスに基づいてエンジン回転速度を
演算する。これらエンジン負荷とエンジン回転速度によ
ってエンジン運転状態が判別される。

【００３７】第１触媒コンバータ２０に収容されている
ＮＯx触媒２１、即ち吸蔵還元型ＮＯx触媒は、流入排気
の空燃比（以下、排気空燃比と称す）がリーンのときは
ＮＯxを吸収し、流入排気の空燃比がストイキまたはリ
ッチで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。尚、排気空燃比と
は、ここではＮＯx触媒２１の上流側の排気通路やエン
ジン燃焼室、吸気通路等にそれぞれ供給された空気量の
合計と燃料（炭化水素）の合計の比を意味するものとす
る。したがって、ＮＯx触媒２１よりも上流の排気通路
内に燃料、還元剤あるいは空気が供給されない場合に
は、排気空燃比はエンジン燃焼室内に供給される混合気
の空燃比に一致する。

【００３８】ＮＯx触媒２１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が、図２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てい
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。

【００３９】即ち、流入排気ガスの空燃比がかなりリー
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２（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）。

【００４０】次いで、生成されたＮＯ₂は、白金Ｐｔ上
で酸化されつつＮＯx触媒２１内に吸収されて酸化バリ
ウムＢａＯと結合しながら、図２（Ａ）に示されるよう
に硝酸イオンＮＯ₃ ^-の形でＮＯx触媒２１内に拡散す
る。このようにしてＮＯxがＮＯx触媒２１内に吸収され
る。

【００４１】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２１のＮＯx
吸収能力が飽和しない限り、ＮＯ₂がＮＯx触媒２１内に
吸収されて硝酸イオンＮＯ₃ ^-が生成される。

【００４２】これに対して、排気空燃比がリッチまたは
ストイキになると流入排気ガス中の酸素濃度が低下する
ため、ＮＯ₂の生成量が低下し、反応が逆方向（ＮＯ₃ ^-
→ＮＯ₂）に進み、ＮＯx触媒２１内の硝酸イオンＮＯ₃ ^-
がＮＯ₂またはＮＯの形でＮＯx触媒２１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、Ｎ
Ｏx触媒２１からＮＯxが放出されることになる。

【００４３】一方、このとき、排気ガス中の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。また、流入排気ガス中の酸素濃度の低下によ
りＮＯx触媒２１から放出されたＮＯ₂またはＮＯは、図
２（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。

【００４４】即ち、流入排気ガス中のＨＣ，ＣＯは、ま
ず白金Ｐｔ上の酸素Ｏ₂ ^-又はＯ^2-とただちに反応して酸
化せしめられ、次いで白金Ｐｔ上の酸素Ｏ₂ ^-又はＯ^2-が
消費されてもまだＨＣ，ＣＯが残っていれば、このＨ
Ｃ，ＣＯによってＮＯx触媒から放出されたＮＯxおよび
エンジンから排出されたＮＯxがＮ₂に還元される。

【００４５】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２１から次
から次へとＮＯ₂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うちにＮＯx触媒２１から
ＮＯxが放出され、Ｎ₂に還元される。

【００４６】このように、排気空燃比がリーンになると
ＮＯxがＮＯx触媒２１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２１から短
時間のうちに放出され、Ｎ₂に還元される。したがっ
て、大気中へのＮＯxの排出を阻止することができる。

【００４７】ところで、ディーゼルエンジンの場合は、
ストイキ（理論空燃比、Ａ／Ｆ＝１３〜１４）よりもは
るかにリーン域で燃焼が行われるので、通常の機関運転
状態ではＮＯx触媒２１に流入する排気の空燃比は非常
にリーンであり、排気中のＮＯxはＮＯx触媒２１に吸収
され、ＮＯx触媒２１から放出されるＮＯx量は極めて少
ない。

【００４８】また、ガソリン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またはリッチにすること
により排気ガスの空燃比をストイキまたはリッチにし、
排気ガス中の酸素濃度を低下させて、ＮＯx触媒２１に
吸収されているＮＯx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
をストイキまた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。

【００４９】したがって、ディーゼルエンジンでは、Ｎ
Ｏx触媒２１のＮＯx吸収能力が飽和する前に所定のタイ
ミングで、燃焼用の混合気とは別に還元剤としての燃料
を直接、ＮＯx触媒２１に供給してＮＯxの放出を行う必
要がある。そのため、この実施の形態では、ＮＯx触媒
２１からＮＯxの放出を行うときには、エンジン１の膨
張行程あるいは排気行程において気筒内に燃料を副噴射
することにより、ＮＯx触媒２１に流入する排気の空燃
比をストイキまたはリッチにする。

【００５０】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２１は排気ガス中
のこれらＳＯxも吸収する。ＮＯx触媒２１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２１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。

【００５１】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２１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２１内に拡散し硫酸塩ＢａＳＯ₄を形成す
る。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。このた
め、時間の経過とともにＮＯx触媒２１中のＢａＳＯ₄の
生成量が増大するとＮＯxの吸収に関与できるＢａＯの
量が減少してＮＯx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２１のＮ
Ｏx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２１に吸収されたＳＯxを放出させる必要
がある。

【００５２】このＮＯx触媒２１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、Ｎ
Ｏx触媒２１の温度が高いほど放出し易いことが分かっ
ている。

【００５３】そこで、この実施の形態では、ＮＯx触媒
２１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、ＮＯx放出処
理のときと同様に、エンジン１の膨張行程あるいは排気
行程において気筒内に燃料を副噴射することにより、Ｎ
Ｏx触媒２１に流入する排気ガスの空燃比をストイキま
たはリッチに制御し、これと同時に、ＮＯx触媒２１の
メタル担体に電流を流して発熱させることによりＮＯx
触媒２１をＳＯx放出可能な所定温度まで昇温すること
とした。

【００５４】次に、本実施の形態における排気浄化装置
の作用について説明する。＜ＮＯx吸放出処理＞初めに、第１触媒コンバータ２０
のＮＯx触媒２１によるＮＯxの吸放出処理について説明
する。前述したように、エンジン１はディーゼルエンジ
ンのため通常の運転状態では排気ガスの空燃比はリーン
であり酸素濃度が非常に高い。したがって、この排気ガ
スを第１触媒コンバータ２０のＮＯx触媒２１に流す
と、排気ガス中のＮＯxはＮＯx触媒２１に吸収される。

【００５５】尚、排気ガスの空燃比がリーンのときには
第２触媒コンバータ３０の三元触媒３１は殆ど触媒とし
て機能せず、第１触媒コンバータ２０でＮＯxを除去さ
れた排気ガスは第２触媒コンバータ３０をほぼ素通りす
るだけである。

【００５６】ここで、この実施の形態では、排気ガス中
のＮＯxをＮＯx触媒２１で吸収するときには、ＥＣＵ５
０は、燃料噴射弁７を、主噴射のみ実行し副噴射を実行
しないように制御する。

【００５７】空燃比リーンの排気ガスを第１触媒コンバ
ータ２０に流していると、ＮＯx触媒２１に吸収された
ＮＯx量が増大し、そのまま続行しているとＮＯx吸収能
力が飽和してしまう。そこで、ＮＯx触媒２１のＮＯx吸
収能力が飽和する前の所定の時期に、第１触媒コンバー
タ２０に対してＮＯxの放出処理を実行する。ここで、
ＮＯx放出処理を実行する所定の時期としては、例え
ば、ＥＣＵ５０によりエンジン１の運転時間を積算し、
この積算時間が所定時間に達した時としてもよいし、Ｅ
ＣＵ５０によりエンジン１の運転状態の履歴からＮＯx
吸収量を推定し、この推定吸収量が所定量に達した時と
してもよい。

【００５８】ＮＯx放出処理を実行するときには、ＥＣ
Ｕ５０は、燃料噴射弁７を、主噴射と副噴射の両方を実
行するように制御し、副噴射における燃料噴射弁７の開
弁時期及び開弁期間、副噴射の回数等を制御する。膨張
行程あるいは排気行程で燃料を副噴射することによって
排気ガスの空燃比をストイキまたは僅かにリッチ（スラ
イトリッチ）に制御し、このストイキまたはスライトリ
ッチの空燃比の排気ガスを第１触媒コンバータ２０に流
すことによって、ＮＯx触媒２１に吸収されていたＮＯx
を放出し、還元して、Ｎ₂として大気に排出する。

【００５９】第１触媒コンバータ２０のＮＯx触媒２１
の容量が小さいため、ＮＯx放出処理の実行中、ＨＣや
ＣＯなどの還元剤が第１触媒コンバータ２０を通過した
排気ガス中に残存する虞れがあるが、この排気ガス中の
還元剤は第２触媒コンバータ３０を通過する際に三元触
媒３１に吸着されている酸素により酸化せしめられ、Ｈ
₂０やＣＯ₂に浄化される。

【００６０】＜ＳＯx放出処理＞次に、第１触媒コンバ
ータ２０のＮＯx触媒２１に対するＳＯx放出処理につい
て、図３に示すフローチャートを参照して説明する。こ
のフローチャートはＥＣＵ５０のＲＯＭ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Ｅ
ＣＵ５０のＣＰＵによって実行される。

【００６１】＜ステップ１０１＞まず、ＥＣＵ５０は、
ステップ１０１において、前述したＮＯx吸放出処理の
実行中に、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。

【００６２】＜ステップ１０２＞次に、ＥＣＵ５０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２１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２１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。

【００６３】ＥＣＵ５０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。

【００６４】＜ステップ１０３＞ＥＣＵ５０は、ステッ
プ１０３において、ＮＯx触媒２１に対してＳＯx放出処
理を実行する。ＳＯx放出処理は、燃料の副噴射による
排気ガスの空燃比制御と、ＮＯx触媒２１の温度制御に
より実行する。尚、ＳＯx放出処理の実行中は、ＥＣＵ
５０は、主噴射と副噴射の両方を実行するように燃料噴
射弁７を作動制御する。

【００６５】副噴射制御については、第１触媒コンバー
タ２０に流入する排気ガスの空燃比がストイキまたはス
ライトリッチになるように、ＥＣＵ５０は、燃料噴射弁
７の開弁時期及び開弁期間、副噴射の回数等を制御す
る。

【００６６】また、ＮＯx触媒２１の温度制御について
は、ＥＣＵ５０は、触媒温度センサ１１によりＮＯx触
媒２１の温度を検出し、ＮＯx触媒２１の温度が設定温
度以上か否かを判定し、設定温度未満と判定されたとき
にはヒータ駆動回路１０をＯＮして、ＮＯx触媒２１の
メタル担体に通電してメタル担体を発熱させ、ＮＯx触
媒２１を昇温し、設定温度以上と判定されたときにはヒ
ータ駆動回路１０をＯＦＦにする。これによって、ＳＯ
x放出処理の間、ＮＯx触媒２１の温度が設定温度以上に
保持されるように制御する。尚、前記設定温度は、硫酸
塩の分解温度以上とし、好ましくはＮＯx触媒２１が高
温劣化しにくい所定温度とする（例えば６００〜７５０
゜Ｃ）。

【００６７】第１触媒コンバータ２０は小型で熱容量が
小さいので、ＮＯx触媒２１の昇温が迅速に行われ、Ｓ
Ｏx放出処理を開始すると直ぐにＮＯx触媒２１の温度を
前記設定温度にすることができる。

【００６８】また、ＥＣＵ５０は、ＮＯx触媒２１の昇
温を迅速に行わしめるために、吸入空気量の減少制御を
実行する。ＮＯx触媒２１を流れる排気ガス流量が多い
と、ＮＯx触媒２１を昇温させるのに長い時間がかかる
からである。

【００６９】上述のように排気ガスの空燃比制御とＮＯ
x触媒２１の温度制御を実行することにより、酸素濃度
の低いストイキあるいはスライトリッチの排気ガスが、
設定温度以上に制御されたＮＯx触媒２１に流れ、これ
により、ＮＯx触媒２１に吸収されていた硫酸塩が効率
的に分解して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。

【００７０】第１触媒コンバータ２０のＮＯx触媒２１
の容量が小さいため、ＳＯx放出処理の実行中、ＨＣや
ＣＯなどの還元剤が第１触媒コンバータ２０を通過した
排気ガス中に残存する虞れがあるが、この排気ガス中の
還元剤は第２触媒コンバータ３０を通過する際に三元触
媒３１に吸着されている酸素により酸化せしめられ、Ｈ
₂０やＣＯ₂に浄化される。

【００７１】＜ステップ１０４＞ＥＣＵ５０は、ステッ
プ１０３からステップ１０４に進んで、ＮＯx触媒２１
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、ＳＯx放出処理の実行が
所定時間だけ行われたか否かで判定する。

【００７２】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ＮＯx触媒２１の温度制御における設
定温度の大小によって異なり、予め実験によって最適時
間を求め、これをＥＣＵ５０のＲＯＭに記憶しておく。

【００７３】そして、ＳＯx放出処理の実行時間が所定
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ＳＯx放出処理の実行を継続する。Ｓ
Ｏx放出処理の実行時間が所定時間を超えたときには、
ＥＣＵ５０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。

【００７４】＜ステップ１０５＞ＥＣＵ５０は、ステッ
プ１０５において、ＳＯx放出処理の実行を停止する。
即ち、燃料の副噴射を停止して排気ガスの空燃比制御を
停止し、ヒータ駆動回路１０をＯＦＦ、吸入空気量の減
少制御を停止してＮＯx触媒２１の温度制御を停止し、
ＮＯx吸放出処理時における排気ガスの空燃比制御を実
行する。

【００７５】以上説明したように、この実施の形態によ
れば、ＮＯx触媒２１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、第１触媒コンバータ２０
を小型にし熱容量を小さくしたことにより、ＳＯx放出
処理開始して直ぐにＮＯx触媒２１をＳＯx放出に必要な
温度まで昇温することができ、極めて効率的にＳＯxを
放出することができるので、ＮＯx触媒２１のＮＯx浄化
率を常に高い状態に維持することができる。

【００７６】また、第１触媒コンバータ２０を小型にし
たため、ＮＯx放出処理時やＳＯx放出処理時に排気ガス
中のＨＣやＣＯがＮＯx触媒２１で消費されずに第１触
媒コンバータ２０を通過する虞れがあるが、第１触媒コ
ンバータ２０の下流に三元触媒３１を収容した第２触媒
コンバータ３０が配置されているので、第１触媒コンバ
ータ２０を通過したＨＣやＣＯも第２触媒コンバータ３
０の三元触媒３１に吸着されている酸素により酸化し浄
化することができ、ＨＣ，ＣＯによる大気汚染を防止す
ることができる。

【００７７】〔第２の実施の形態〕図４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構
成図である。この第２の実施の形態は、以下の点で第１
の実施の形態と相違する。排気管９には、第１触媒コン
バータ２０の上流と、第１触媒コンバータ２０の下流か
ら第２触媒コンバータ３０の上流の間とを接続して第１
触媒コンバータ２０を迂回するバイパス管（バイパス通
路）１２が連結されており、バイパス管１２の途中にバ
イパス流量制御弁（バイパス流量制御手段）１３が設け
られている。このバイパス流量制御弁１３はその駆動部
１６により弁体（図示せず）を駆動して弁開度を調節す
ることができ、バイパス管１２を流れる排気ガスの流量
を制御する。バイパス流量制御弁１３の駆動部１６はＥ
ＣＵ５０によって作動を制御される。その他の構成につ
いては第１の実施の形態と同じであるので、図中、同一
態様部分に同一符号を付して説明を省略する。

【００７８】次に、第２の実施の形態の作用を説明す
る。第１の実施の形態では、ＳＯx放出処理の実行にあ
たりＮＯx触媒２１の温度制御において温度上昇を迅速
にするために吸入空気量の減少制御を実行しているが、
この第２の実施の形態では、吸入空気量の減少制御を行
う代わりに、排気ガスの一部をバイパス管１２に流すこ
とにより第１触媒コンバータ２０に流れる排気ガスの流
量を減少させ、ＮＯx触媒２１の昇温を促進するように
している。

【００７９】図３におけるフローチャートのステップ１
０３において、ＥＣＵ５０は、燃料の副噴射による排気
ガスの空燃比制御とＮＯx触媒２１の温度制御によりＳ
Ｏx放出処理を実行するが、ＮＯx触媒２１の温度制御
は、ＮＯx触媒２１のメタル担体に通電してメタル担体
を発熱させるとともに、バイパス流量制御弁１３の駆動
部１６を駆動して弁体を所定の開度で開弁し、バイパス
管１２に所定流量の排気ガスを流すことで第１触媒コン
バータ２０に流れる排気ガスの流量を減少させることに
より実行する。バイパス流量制御弁１３の開度をどの程
度にするかは、第１触媒コンバータ２０に流す排気ガス
流量に応じて予め設定される。尚、バイパス管１２を流
れる排気ガス中に含まれるＨＣやＣＯは第２触媒コンバ
ータ３０の三元触媒３１に吸着されている酸素により酸
化せしめられ、Ｈ₂０やＣＯ₂に浄化される。

【００８０】そして、ＥＣＵ５０は、ステップ１０４で
ＳＯx放出が完了したと判定し、ステップ１０５におい
てＳＯx放出処理の実行を停止する場合には、燃料の副
噴射を停止して排気ガスの空燃比制御を停止し、ヒータ
駆動回路１０をＯＦＦ、バイパス流量制御弁１３を全閉
にしてＮＯx触媒２１の温度制御を停止し、ＮＯx吸放出
処理時における排気ガスの空燃比制御を実行する。した
がって、ＮＯx吸放出処理時にはバイパス管１２に排気
ガスは流れない。

【００８１】尚、上述の第２の実施の形態では、吸入空
気量の減少制御を行う代わりに、バイパス流量制御弁１
３によるバイパス流量制御を行うことによって第１触媒
コンバータ２０に流れる排気ガスの流量を減少させるよ
うにしているが、吸入空気量の減少制御とバイパス流量
制御弁１３によるバイパス流量制御を併用して第１触媒
コンバータ２０に流れる排気ガスの流量を減少させＮＯ
x触媒２１の昇温を促進することも可能である。

【００８２】なお、前述した実施の形態では本発明をデ
ィーゼルエンジンに適用した例で説明したが、本発明を
希薄燃焼可能なガソリンエンジンに適用することもでき
る。ガソリン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、ＮＯx触媒２１に吸収されているＮ
ＯxやＳＯxを放出させることができる。

【００８３】また、本発明をガソリンエンジンに適用し
た場合には、ＮＯx触媒２１の温度上昇を促進するため
に、膨張行程において燃料を副噴射したり、あるいは多
気筒エンジンであれば一部の気筒に対して混合気をリッ
チ空燃比にするいわゆるバンク制御を行うなどして、排
気ガス中の還元剤量を増量し、この還元剤をＮＯx触媒
２１において酸化せしめ、その反応熱によってＮＯx触
媒２１の昇温を促進することもできる。

【００８４】

【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、（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Ｎ
Ｏx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ＮＯxを放出・還元し、一体化された加熱手段
を有する吸蔵還元型ＮＯx触媒と、（ロ）前記吸蔵還元
型ＮＯx触媒よりも下流の前記排気通路に配置された三
元触媒と、を備えることにより、ＳＯx放出処理を開始
して直ぐに吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸収されたＳＯxを効
率よく放出させることができ、ＳＯx放出効率が向上す
るという優れた効果が奏される。また、排気ガス中のＨ
Ｃ，ＣＯが吸蔵還元型ＮＯx触媒をそのまま通過した場
合であっても、そのＨＣ，ＣＯは下流の三元触媒で浄化
されるので、大気への放出を阻止することができるとい
う優れた効果が奏される。

【００８５】前記吸蔵還元型ＮＯx触媒を小容量で且つ
高坦持とした場合には、吸蔵還元型ＮＯx触媒をより迅
速に昇温することができて、さらにＳＯx放出効率が向
上する。また、（ハ）前記吸蔵還元型ＮＯx触媒の上流
の排気通路と前記吸蔵還元型ＮＯx触媒から三元触媒の
間の排気通路とを接続して排気ガスを吸蔵還元型ＮＯx
触媒を迂回して流すバイパス通路と、（ニ）前記バイパ
ス通路を流れる排気ガスの流量を制御するバイパス流量
制御手段と、を備えた場合には、ＳＯx放出処理実行中
に、内燃機関から排出される排気ガスの流量を減少させ
ることなく吸蔵還元型ＮＯx触媒に流れる排気ガス流量
を低減することができ、これによって吸蔵還元型ＮＯx
触媒をより迅速に昇温することができ、さらにＳＯx放
出効率が向上する。

【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】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３】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４】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第２
の実施の形態の概略構成図である。

【符号の説明】１ディーゼルエンジン（内燃機関）７燃料噴射弁９排気管（排気通路）１２バイパス通路（バイパス管）１３バイパス流量制御弁（バイパス流量制御手段）２１吸蔵還元型ＮＯx触媒３１三元触媒５０ＥＣＵ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 3G091 AA17 AA18 AA28 AB03 AB06 BA13 BA14 BA15 CA04 CA12 CA13 CA18 CB02 EA01 EA07 FB10 FB12 GA06 GA10 GB02W GB03W GB04W GB06W HA08 HA39 3G301 HA01 HA02 HA04 HA06 HA15 JA25 JA26 LB04 MA19 MA23 NE01 NE13 PA11A PE01A PE03A

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（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酸素濃度が低い
ときに吸収したＮＯxを放出・還元し、一体化された加
熱手段を有する吸蔵還元型ＮＯx触媒と、（ロ）前記吸
蔵還元型ＮＯx触媒よりも下流の前記排気通路に配置さ
れた三元触媒と、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】前記吸蔵還元型ＮＯx触媒は、小容量で
且つ触媒が高坦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。
【請求項３】前記吸蔵還元型ＮＯx触媒の容量が内燃
機関の排気量の２０％以下であることを特徴とする請求
項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】（ハ）前記吸蔵還元型ＮＯx触媒の上流
の排気通路と前記吸蔵還元型ＮＯx触媒から三元触媒の
間の排気通路とを接続して排気ガスを吸蔵還元型ＮＯx
触媒を迂回して流すバイパス通路と、（ニ）前記バイパ
ス通路を流れる排気ガスの流量を制御するバイパス流量
制御手段と、を備え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。