JP2002038925A

JP2002038925A - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP2002038925A
Application number: JP2000223054A
Authority: JP
Inventors: Tomihisa Oda; 富久小田; Soichi Matsushita; 宗一松下; Yukihiro Tsukasaki; 之弘塚崎; Hiroki Matsuoka; 広樹松岡; Kotaro Hayashi; 孝太郎林; Shinobu Ishiyama; 忍石山; Yasuhiko Otsubo; 康彦大坪; Hisafumi Magata; 尚史曲田; Masaaki Kobayashi; 正明小林; Daisuke Shibata; 大介柴田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-07-24
Filing date: 2000-07-24
Publication date: 2002-02-06
Anticipated expiration: 2020-07-24
Also published as: JP3485076B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】システムの各種ばらつき等の発生に影響されな
いで、吸蔵ＮＯx の還元、被毒ＳＯx の回復する最適な
還元剤添加を実施する内燃機関の排気浄化装置を提供す
る。【解決手段】ＮＯx 触媒17と、ＮＯx 触媒17の上流の排
気通路16に設けられた燃料添加手段19と、実際の空燃比
と吸入空気量と触媒入りガス温度とから添加燃料量を算
出する添加量算出手段と、添加燃料量の燃料をＮＯx 触
媒17に添加する際にリッチ深さを算出する深さ算出手段
と、リッチ深さから空燃比がリーン状態へ変化してリッ
チ深さに所定割合を乗じた値のリーン状態となるまでに
要する時間を算出する時間算出手段を有する。また、リ
ッチ深さと時間とから次回の添加燃料量を算出する添加
量補正手段と、次回に燃料を添加するまでの燃料添加間
隔を、リッチ深さに基づいて算出する間隔算出手段と、
に基づいて次回の燃料添加を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、希薄燃焼可能な内
燃機関から排出される排気ガス中の有害成分を浄化する
内燃機関の排気浄化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】希薄燃焼可能な内燃機関から排出される
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触媒などのＮＯx触媒がある。ＮＯx 触媒
は、発生してしまったＮＯx を大気に放出する前に浄化
するものであり、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
放出するものである。また、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ＳＯ ₃ な
どの硫黄酸化物（ＳＯx ）が発生し、ＮＯx 触媒は排気
ガス中のこれらＳＯx も吸収する。このようにＮＯx 触
媒のＳＯx 吸収メカニズムはＮＯx 吸収メカニズムとほ
ぼ同じであると考えられる。

【０００３】例えば、吸蔵還元型ＮＯx触媒は、流入排
気ガスの空燃比がリーンのときはＮＯx（ＳＯx ）を吸
収し、流入排気ガスの酸素濃度が低下すると吸収したＮ
Ｏx（ＳＯx）を放出し、Ｎ₂（Ｓ０₂）に還元する触媒で
ある。

【０００４】この吸蔵還元型ＮＯx 触媒を内燃機関の排
気浄化に用いる場合、内燃機関では通常運転時の排気ガ
スの空燃比がリーンであるため、排気ガス中のＮＯxが
ＮＯx触媒に吸収されることになる。しかしながら、リ
ーン空燃比の排気ガスをＮＯx触媒に供給し続けると、
ＮＯx 触媒のＮＯx 吸収能力が飽和に達し、それ以上、
ＮＯx を吸収できなくなり、ＮＯx をリークすることと
なる。そこで、吸蔵還元型ＮＯx 触媒では、ＮＯx 吸収
能力が飽和する前に所定のタイミングで排気通路に還元
剤として、例えば燃料（ＨＣ成分）を添加して流入排気
ガス空燃比をリッチにすることによって酸素濃度を極度
に低下させ、ＮＯx 触媒に吸収されているＮＯxを放出
してＮ₂に還元し、ＮＯx 触媒のＮＯx 吸収能力を回復
させる必要がある。

【０００５】そこで、従来は予め適合された最適なパタ
ーンとなるように、ＮＯx（ＳＯx）吸収能力が飽和状態
となる時期（燃料添加可のタイミング）や添加燃料量を
運転時間や回転速度等の運転状態に関連付けて設定して
おき、前記パターンに基づき運転状態に応じて排気ガス
中に定められた添加量の燃料を定められた時期に添加し
ていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、予め適合し
た最適なパターンで設定値に基づき燃料添加を実施して
も、システムの各種ばらつきや機器の劣化などが原因で
燃料の添加量や添加時期に誤差が生じ、燃料の添加が必
ずしも最適なパターンではなくなる場合がある。また、
ＮＯx 触媒のＮＯx（ＳＯx）吸収能力は、触媒の活性温
度や触媒の経年劣化により変化する。従って、外気によ
り触媒が冷やされたり、触媒が劣化した場合、触媒の吸
収能力が低下し、触媒の吸収能力に多少のばらつきが生
じる。

【０００７】このように、設定値に基づく添加量や添加
時期を実施しても、実際には最適な添加量及び時期とは
異なって実施される場合があり、この場合にはＮＯx
（ＳＯx）の吸収・放出が精度良く行われない。

【０００８】以上から本発明は、前記問題点に鑑みなさ
れたものであり、ＮＯx 触媒に排気経路から還元剤添加
を実施し吸蔵ＮＯx の還元、被毒ＳＯx の回復を実施す
るシステムにおいて、システムの各種ばらつき等の発生
に影響されないで、最適な還元剤添加を実施する内燃機
関の排気浄化装置を提供することを技術的課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記課題を達成するため
に、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、以下の手段を
採用した。すなわち、本発明の内燃機関の排気浄化装置
は、希薄燃焼可能な多気筒内燃機関の排気通路に設けら
れたＮＯx 触媒と、該ＮＯx 触媒の上流の前記排気通路
に設けられた還元剤添加手段と、車両の運転状態におけ
る実際の空燃比と、前記内燃機関への吸入空気量と、前
記ＮＯx 触媒に流入する排気ガスの温度である触媒入り
ガス温度と、から前記還元剤添加手段が添加する添加還
元剤量を算出する添加量算出手段と、前記還元剤添加手
段から前記添加還元剤量の還元剤を前記ＮＯx 触媒に添
加する際、空燃比が還元剤添加直前のリーン状態から還
元剤添加後に最高にリッチ状態となるまでの変位量であ
るリッチ深さを算出する深さ算出手段と、前記還元剤添
加後に最高にリッチ状態となった値から空燃比がリーン
状態へ変化して前記変位量に所定割合を乗じた値のリー
ン状態となるまでに要する時間を算出する時間算出手段
と、前記深さ算出手段により算出されたリッチ深さと前
記時間算出手段により算出された時間と、から前記添加
還元剤量を補正して次回の添加還元剤量を算出する添加
量補正手段と、前記還元剤添加から次回に還元剤を添加
するまでの還元剤添加間隔を、前記深さ算出手段で求め
たリッチ深さに基づいて算出する間隔算出手段と、前記
添加量補正手段により補正された次回の添加還元剤量と
前記間隔算出手段により算出された次回の還元剤添加間
隔とに基づいて次回の還元剤添加を制御する制御手段
と、を備えたこと特徴とする。

【００１０】この構成によれば、実際の空燃比と吸入空
気量、触媒入りガス温度を考慮して添加量を算出するた
め、システムの各種ばらつき等の発生に影響されない
で、最適な還元剤添加を実施することができる。還元剤
としては、ＨＣ（炭化水素）成分であればよく、例えば
燃料を使用することができる。また、還元剤添加後の空
燃比の値（リッチ深さ）とこの空燃比の値が所定空燃比
の値まで変化する時間（時定数）とから次回に添加する
添加還元剤量を補正すると共に、次回の添加間隔を求め
ることで、２回目以降においても還元剤添加のシステム
や触媒等のばらつき、劣化を補償でき、総じてＮＯx
（ＳＯx）の吸収・放出が精度良く行われる空燃比制御
が可能となる。

【００１１】時間算出手段にて時間を算出する際、前記
変位量に乗じる所定割合は、次回に添加する添加還元剤
量の補正を考慮して実験した結果、６３％程度が好まし
いことが分かっている。

【００１２】また、本発明の内燃機関の排気浄化装置に
おいて、前記還元剤添加の間隔は前記深さ算出手段で求
めたリッチ深さの大きさに比例するように構成すること
で、還元剤添加の間隔が適正に行われ、一層効率の良い
空燃比制御が可能となる。

【００１３】更に、本発明の内燃機関の排気浄化装置
は、前記車両の運転状態に応じて前記還元剤添加の可否
を判断する可否判断手段を有する構成であってもよい。
この可否判断手段は前記還元剤添加が前記還元剤の全量
を一度に噴射する単噴射であるか否かを判断するように
構成することが好ましい。なお、この単噴射（添加パタ
ーン）は、添加量の大小により異なるので、添加量に応
じて制御手段は定期的に適切な添加パターンに学習し直
す必要がある。特に、通常運転の場合は排気中のＨＣ成
分が極めて少ない状態にあるので添加する燃料量は必然
的に多くなる。そこで、通常運転時に、制御手段は添加
量が多い場合の添加パターンに学習し直すことが望まし
い。

【００１４】また、添加量を算出する際、吸入空気量の
代わりに触媒入りガス量を、触媒入りガス温の代わりに
エキマニ温を用いてもよい。

【００１５】本発明において、希薄燃焼可能な内燃機関
としては、筒内直接噴射方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。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態に係る
内燃機関の排気浄化装置を図１〜図８に基づいて詳細に
説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明
を内燃機関としての車両駆動用ディーゼルエンジンに適
用した態様である。

【００１７】初めに、実施の形態における内燃機関の排
気浄化装置を図１に基づいて説明する。エンジン１は、
図１の全体構成に示すように、直列４気筒ディーゼルエ
ンジンであり、各気筒の燃焼室には吸気マニホールド２
および吸気管３を介して吸気が導入される。吸気管３の
始端にはエアクリーナ４が設けられ、吸気管３の途中に
は、エアフロメータ５、ターボチャージャ６のコンプレ
ッサ６ａ、インタークラーク７、スロットル弁８が設け
られている。

【００１８】エアフロメータ５は、エアクリーナ４を介
して吸気管３に流入する新気の空気量に応じた出力信号
をエンジンコントロール用電子制御ユニット（以下、Ｅ
ＣＵと略す）９に出力し、ＥＣＵ９はエアフロメータ５
の出力信号に基づいて吸入空気量Ｇａを演算する。

【００１９】また、エンジン１の各気筒の燃焼室にはそ
れぞれ燃料噴射弁１０から燃料（軽油）が噴射される。
この燃料は図示しない燃料タンクから燃料ポンプ１２に
よってポンプアップされ、コモンレール１１を介して燃
料噴射弁１０に供給されたものである。なお、燃料ポン
プ１２は、エンジン１の図示しないクランクシャフトに
よって駆動される。各燃料噴射弁１０の開弁時期および
開弁期間は、エンジン１の運転状態に応じてＥＣＵ９に
よって制御される。

【００２０】また、エンジン１の各気筒の燃焼室で生じ
た排気ガスは、各気筒の排気ポート１３から排気マニホ
ールド１４に排出される。ここで、説明の都合上、エン
ジン１の気筒番号を、図中右端に配置された気筒を１番
気筒として、左側へ順に、２番気筒、３番気筒とし、図
中左端に配置された気筒を４番気筒とする。排気マニホ
ールド１４において４番気筒に対向する部位には、排気
ガスをターボチャージャ６のタービン６ｂに導く排気集
合管１５が接続されている。タービン６ｂは排気ガスに
よって駆動され、タービン６ｂに連結されたコンプレッ
サ６ａを駆動して吸気を昇圧する。

【００２１】排気ガスはタービン６ｂから排気管１６に
排出され、図示しないマフラーを介して大気に排出され
る。排気管１６の途中には、ＮＯx 触媒である吸蔵還元
型ＮＯx 触媒（以下、ＮＯx 触媒と略す）１７を収容し
たケーシング１８が設けられている。ＮＯx 触媒１７に
ついては後述する。

【００２２】また、エンジン１のシリンダヘッド３０に
は、４番気筒の排気ポート１３に臨ませて還元剤（本実
施の形態では燃料を使用する）を噴射する燃料添加ノズ
ル１９が取り付けられている。燃料添加ノズル１９に
は、燃料ポンプ１２でポンプアップされた燃料が、燃料
パイプ２０及びシリンダヘッド３０に設けられた燃料通
路２１を介して供給可能になっており、燃料パイプ２０
の途中に設けられた制御弁２２によって添加量の制御が
行われる。なお、制御弁２２はＥＣＵ９によって開閉お
よび開度制御が行われる。

【００２３】この燃料添加ノズル１９は、燃料が排気集
合管１５に向けて噴射されるように取り付けられてい
る。また、この実施の形態において、燃料ポンプ１２、
燃料添加ノズル１９、燃料パイプ２０、燃料通路２１、
制御弁２２は、還元剤添加手段を構成する。

【００２４】排気マニホールド１４において、１番気筒
に対向する部位には、排気ガスの一部を吸気系に戻すた
めの排気環流管（以下、ＥＧＲ管と略す）２３の一端が
接続されており、ＥＧＲ管２３の他端は吸気マニホール
ド２に接続されている。ＥＧＲ管２３の途中にはＥＧＲ
クーラ２４とＥＧＲ弁２５が設けられている。ＥＧＲ弁
２５は、エンジン１の運転状態に応じてＥＣＵ９によっ
て開度制御され、排気環流量を制御する。ＥＧＲ管２３
とＥＧＲクーラ２４とＥＧＲ弁２５は排気再循環装置
（ＥＧＲ）を構成する。

【００２５】このＥＧＲは、排気ガスの一部を再度吸気
系に戻し、不活性ガスの導入により燃焼室内ガスの熱容
量を増大させ、最高燃焼温度を下げることによってＮＯ
x の発生を低減するものである。

【００２６】また、排気管１６において、ケーシング１
８の直ぐ上流には、ケーシング１８へ流入する排気ガス
の温度に対応した出力信号（触媒入りガス温Ｔcin ）を
ＥＣＵ９に出力する触媒入りガス温センサ３１が設けら
れている。更に、触媒入りガス温センサ３１に隣接した
ケーシング１８上流には、ケーシング１８へ流入する排
気ガスの空燃比（測定Ａ／Ｆ）を検出して対応した出力
信号をＥＣＵ９に出力する空燃比センサ３２が設けられ
ている。

【００２７】空燃比センサ３２は、排気ガス中の酸素濃
度に応じて出力電圧が変化するものを用いる。この空燃
比センサ３２の出力電圧は、空燃比が理論空燃比である
と基準電圧となり、空燃比がリッチになると基準電圧よ
りも大きな値を取り、空燃比がリーンになると基準電圧
よりも小さな値を取る。

【００２８】ＥＣＵ９（制御手段）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（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアク
セスメモリ）、ＣＰＵ（中央処理装置）、入力ポート、
出力ポートを具備する。ＥＣＵ９の入力ポートは、エア
フロメータ５、アクセル開度センサ２６、クランク角２
７、触媒入りガス温センサ３１、空燃比センサ３２と接
続し、それぞれの出力信号が入力される。また、ＥＣＵ
９の出力ポートは、燃料噴射弁１０、制御弁２２、ＥＧ
Ｒ弁２５と接続し、それぞれへ制御指令が出力される。

【００２９】なお、アクセル開度センサ２６はスロット
ル弁８の開度に比例した出力電圧をＥＣＵ９に出力し、
ＥＣＵ９はアクセル開度センサ２６の入力信号に基づい
てエンジン負荷を演算する。また、クランク角センサ２
７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ＥＣＵ９に出力し、ＥＣＵ９はこの出力パルスに基
づいてエンジン回転数を演算する。そして、これらエン
ジン負荷とエンジン回転数によってエンジン状態が判別
され、ＥＣＵ９はエンジン状態に応じて燃料噴射弁１０
の開弁時期、開弁期間を制御する。

【００３０】例えば、燃料噴射弁制御では、ＥＣＵ９
は、燃料噴射弁１０から噴射される燃料量を決定し、次
いで燃料噴射弁１０から燃料を噴射する時期を決定す
る。燃料噴射量を決定する場合は、ＥＣＵ９はＲＡＭに
記憶されている機関回転数とアクセル開度センサ２６の
出力信号（アクセル開度）とを読み出す。ＥＣＵ９は、
例えば燃料噴射量を制御するマップへアクセスし、前記
機関回転数及び前記アクセル開度に対応した基本燃料噴
射量（基本燃料噴射時間）を算出する。ＥＣＵ９は、エ
アフロメータ５の出力信号値、水温センサの出力信号値
あるいは吸気温度センサの出力信号値等に基づいて前記
基本燃料噴射時間を補正し、最終的な燃料噴射時間を決
定する。

【００３１】燃料噴射時期を決定する場合は、ＥＣＵ９
は、例えば燃料噴射開始時期を制御するマップへアクセ
スし、前記機関回転数及び前記アクセル開度に対応した
基本燃料噴射時期を算出する。ＥＣＵ９は、エアフロメ
ータ５の出力信号値、水温センサの出力信号値あるいは
吸気温度センサの出力信号値をパラメータとして前記基
本燃料噴射時期を補正し、最終的な燃料噴射時期を決定
する。

【００３２】燃料噴射時間と燃料噴射時期とが決定され
ると、ＥＣＵ９は、例えば前記燃料噴射時期とクランク
ポジションセンサの出力信号とを比較し、前記クランク
ポジションセンサの出力信号が前記燃料噴射時期と一致
した時点で燃料噴射弁１０に対する駆動電力のい印加を
開始する。ＥＣＵ９は、燃料噴射弁１０に対する駆動電
力の印加を開始する。ＥＣＵ９は、燃料噴射弁１０に対
する駆動電力の印加を開始した時点からの経過時間が前
記燃料噴射時間に達した時点で燃料噴射弁１０に対する
駆動電力の印加を停止する。

【００３３】燃料噴射制御においてエンジン１の運転状
態がアイドル運転状態にある場合は、ＥＣＵ９は、例え
ば、水温センサの出力信号値や、車室内用空調装置のコ
ンプレッサのようにクランクシャフトの回転力を利用し
て作動する補機類の作動状態等をパラメータとしてエン
ジン１の目標アイドル回転数を算出する。そして、ＥＣ
Ｕ９は、実際のアイドル回転数が目標アイドル回転数と
一致するように燃料噴射量をフィードバック制御する。

【００３４】次に、燃料ポンプの制御では、ＥＣＵ９
は、例えばＲＡＭに記憶されている機関回転数とアクセ
ル開度とを読み出す。ＥＣＵ９は、コモンレール圧を制
御するマップへアクセスし、前記機関回転数及び前記ア
クセル開度に対応した目標圧力を算出する。続いて、Ｅ
ＣＵ９は、燃料吐出圧力を制御するマップへアクセス
し、前記目標圧力に対応した燃料ポンプ１２の吐出圧力
（燃料ポンプ１２の駆動電流）を算出し、算出された駆
動電流を燃料ポンプ１２に印加する。

【００３５】図２は排気マニホールド１４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、排気マニホールド１４か
ら排出される排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯの濃度はシリ
ンダヘッド３０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、排気マニホールド１４から排出され
る排気ガス中の酸素Ｏ₂ の濃度はシリンダヘッド３０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。

【００３６】ケーシング１８に収容されたＮＯx 触媒１
７は、例えばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）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Ｌ
ｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢ
ａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬ
ａ、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。

【００３７】このＮＯx 触媒１７は、流入排気ガスの空
燃比（以下、排気空燃比と称す）が理論空燃比よりもリ
ーンのときはＮＯx を吸収し、排気空燃比が理論空燃比
あるいはそれよりもリッチになって流入排気ガス中の酸
素濃度が低下すると、吸収したＮＯxをＮＯ₂またはＮＯ
として放出するＮＯx の吸放出作用を行う。そして、Ｎ
Ｏx 触媒１７から放出されたＮＯx（ＮＯ₂またはＮＯ）
は直ちに排気ガス中の未燃ＨＣやＣＯと反応してＮ₂ に
還元される。

【００３８】この吸放出作用は図３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。

【００３９】すなわち、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幅に増大し、図
３（Ａ）に示すように酸素Ｏ₂ がＯ₂ ^-または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 ^-またはＯ^2-と反応
し、ＮＯ₂ となる（２ＮＯ＋Ｏ₂→２ＮＯ₂）。

【００４０】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３（Ａ）に示すよ
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。

【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１７のＮＯ
x 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。

【００４２】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 ^-→２ＮＯ₂）に進みＮＯx触媒１７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。すなわち、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に示すように、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１７からＮＯx が放出されることになる。

【００４３】一方、このときシリンダヘッド３０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２に示すよう
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Ｏ^2-と
反応して酸化する。

【００４４】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３（Ｂ）に示すように未燃
ＨＣ，ＣＯと反応して還元せしめられてＮ₂ となる。

【００４５】すなわち、流入排気ガス中のＨＣ，ＣＯ
は、まず白金Ｐｔ上の酸素Ｏ₂ ^-またはＯ^2-と反応して酸
化せしめられ、次いで白金Ｐｔ上の酸素Ｏ₂ ^-または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１７から放出されたＮＯ
x およびエンジンから排出されたＮＯxがＮ₂に還元され
る。

【００４６】このようにして、白金Ｐｔ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内にＮＯx 触媒１７からＮＯ
x が放出されることになる。

【００４７】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
から短時間の内に放出され、Ｎ₂に還元される。したが
って、排気空燃比を適宜に制御すれば排気ガス中のＨ
Ｃ，ＣＯ，ＮＯx を浄化することができ、大気中へのＮ
Ｏx の排出を阻止することができる。

【００４８】なお、排気空燃比とは、ここではＮＯx 触
媒１７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）量の合計の比を意味するものとする。従って、ＮＯ
x 触媒１７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。

【００４９】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＝１４〜１５）よりもは
るかにリーン域で燃焼が行われるので、通常の期間運転
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、排気ガス中のＮＯx はＮＯx 触媒
１７に吸収され、ＮＯx 触媒１７から放出されるＮＯx
量は極めて少ない。

【００５０】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空燃比にす
ることにより、排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリ
ッチ空燃比にし、排気ガス中の酸素濃度を低下させて、
ＮＯx 触媒１７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空燃比にする
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。

【００５１】従って、ディーゼルエンジンでは、ＮＯx
触媒１７のＮＯx 吸収能力が飽和する前に所定のタイミ
ングで、排気ガス中に燃料（ディーゼルエンジンの燃料
である軽油）を供給して排気ガス中の酸素濃度を低下さ
せ、ＮＯx 触媒１７に吸収されたＮＯx を放出し還元す
る必要がある。

【００５２】そのため、この実施の形態では、ＥＣＵ９
によりエンジン１の運転状態の履歴からＮＯx 触媒１７
に吸収されたＮＯx 量を推定し、その推定ＮＯx 量が予
め設定した所定値に達したときに、後述する還元剤添加
制御処理に基づき制御弁２２の開閉を制御して所定量の
燃料を燃料添加ノズル１９から排気ガス中に噴射し、Ｎ
Ｏx 触媒１７に流入する排気ガス中の酸素濃度を低下さ
せ、ＮＯx 触媒１７に吸収されたＮＯx を放出させ、Ｎ
₂ に還元するようにしている。

【００５３】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ＳＯ
x 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 吸収メカニズムを説明した
ときと同様に担体上に酸素Ｏ₂ がＯ₂ ^-またはＯ^2-の形で
白金Ｐｔの表面に付着しており、流入排気ガス中のＳＯ
x （例えば、ＳＯ₂ ）は、白金Ｐｔの表面上でＯ ₂ ^-また
はＯ^2-と反応し、ＳＯ₃ となる。

【００５４】その後、生成されたＳＯ₃ 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、硫酸イオンＳＯ₄ ^2- の形で
ＮＯx 触媒１７内に拡散し、硫酸塩ＢａＳ０₄ を生成す
る。この硫酸塩ＢａＳ０₄ は安定していて分解しずら
く、流入排気ガスの空燃比をリッチにしても分解されず
にＮＯx 触媒１７内に残ってしまう。したがって、時間
の経過に伴いＮＯx 触媒１７内の硫酸塩ＢａＳ０₄ 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。これが所
謂、ＳＯx 被毒である。

【００５５】ところが、ＮＯx 触媒１７内で生成された
硫酸塩ＢａＳ０₄ は、ＮＯx 触媒１７の温度が所定の温
度（以下、この温度をＳＯx 放出温度という）よりも高
いときに流入排気空燃比を理論空燃比またはそれよりリ
ッチにすると分解して硫酸イオンＳＯ₄ ^2- がＳＯ₃ の形
でＮＯx 触媒１７から放出される。そこでこの実施の形
態では、ＮＯx 触媒１７のＳＯx 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はＮＯx 触媒１７を加
熱しつつ流入排気空燃比を一時的に理論空燃比または僅
かばかりリッチ（例えば、１３．５から１４．０程度）
にし、それによってＮＯx 触媒１７からＳＯx を放出さ
せるようにしている。この時放出されたＳＯ₃ は流入す
る排気ガス中のＨＣ，ＣＯによってＳＯ₂ に還元され
る。

【００５６】次に、ＥＣＵ９が行う還元剤添加制御処理
を図４の流れ図に基づいて説明する。なお、この還元剤
添加制御処理は、ＥＣＵ９のＲＯＭに予め記憶されてお
り、ＣＰＵによって繰り返し実行される処理ルーチンで
ある。

【００５７】処理がスタートすると、ＥＣＵ９は燃料添
加ノズル１９より排気ポート１３に添加すべき添加燃料
量Ｑexを算出する（ステップ１０１：添加量算出手
段）。添加燃料量Ｑexの算出は、図５に示すように、目
標空燃比マップ４１、基本添加燃料量マップ４２、及び
添加燃料補正係数マップ４３に基づき行われる。

【００５８】目標空燃比マップ４１は、エンジン回転数
ＮＥ及び噴射量（あるいは燃料噴射時間ＴＡＵ）をパラ
メータとし、このパラメータからＮＯx 触媒１７に吸収
されたＮＯx 量を推定して、その推定ＮＯx 量が予め設
定した所定値に達したときに排気管１６が目標とする排
気空燃比Ａ／Ｆtrg となるように、前記パラメータと目
標気空燃比Ａ／Ｆtrg との関係を予め実験値に基づき設
定したマップであり、ＥＣＵ９のＲＯＭに予め記憶され
ている。ＥＣＵ９は、上述のようにエンジン回転数ＮＥ
と噴射量のデータを演算し、目標空燃比マップ４１を参
照して目標空燃比Ａ／Ｆtrg を求めることができる。

【００５９】基本添加燃料量マップ４２は、エアフロメ
ータ５で測定した吸入空気量Ｇａ、空燃比センサ３２で
実際に測定した排気空燃比（測定空燃比）Ａ／Ｆmes 及
び目標空燃比Ａ／Ｆtrg をパラメータとし、このパラメ
ータと基本添加燃料量Ｑexbとの関係を設定したマップ
であり、ＥＣＵ９のＲＯＭに予め記憶されている。な
お、基本添加燃料量Ｑexb は次式Ｑexb ＝Ｇａ／（Ａ／Ｆtrg ）−Ｇａ／（Ａ／Ｆmes ）で算出される値である。この式は、予め定めた目標空燃
比Ａ／Ｆtrg の数値を実際の吸入空気量Ｇａ及び測定空
燃比Ａ／Ｆmes に基づきリアルタイムで修正することを
意味している。そして、ＥＣＵ９は、吸入空気量Ｇａ、
測定空燃比Ａ／Ｆmes 及び目標空燃比Ａ／Ｆtrg が求め
られれば、基本添加燃料量マップ４２を参照して基本添
加燃料量Ｑexb を求めることができる。

【００６０】添加燃料補正係数マップ４３は、エアフロ
メータ５で測定した吸入空気量Ｇａ及び触媒入りガス温
センサ３１で測定した触媒入りガス温Ｔcin とをパラメ
ータとして、このパラメータと添加燃料補正係数Ｃqex
との関係を実験値に基づき設定したマップであり、ＥＣ
Ｕ９のＲＯＭに予め記憶されている。この添加燃料補正
係数Ｃqex は、温度によるＮＯx 触媒１７の処理能力の
変化を補正する係数である。そして、ＥＣＵ９は、エア
フロメータ５及び触媒入りガス温センサ３１の入力信号
に基づき吸入空気量Ｇａ及び触媒入りガス温Ｔcin が求
められれば、添加燃料補正係数マップ４３を参照して添
加燃料補正係数Ｃqex を求めることができる。

【００６１】次に、ＥＣＵ９は、基本添加燃料量Ｑexb
に添加燃料補正係数Ｃqex を乗算して添加燃料量Ｑexを
求める。

【００６２】また、ＥＣＵ９は、ステップ１０２（可否
判断手段）において、排気燃料添加のパターンが学習条
件であるか否かを判別し、学習条件であれば（ステップ
１０２：ＹＥＳ）、ステップ１０３に進み、学習条件で
なければ（ステップ１０２：ＮＯ）、燃料添加制御処理
を終了する。なお、ここで言う学習条件とは、図７に示
すように、ＥＣＵ９の添加指令により制御弁２２が閉
（ＯＦＦ）から開（ＯＮ）となり、添加燃料量Ｑex相当
分の添加時間が終了した後に再び閉（ＯＦＦ）となる、
添加パターンをいう。すなわち、ＥＣＵ９が指示する添
加燃料量Ｑexを分割して添加するのではなく、全量を一
度に添加する単噴射のパターンである。なお、この単噴
射パターン（添加パターン）は、添加量の大小により異
なるので、添加量に応じてＥＣＵ９は定期的に適切な添
加パターンに学習し直す必要がある。特に、通常運転の
場合は排気中のＨＣ成分が極めて少ない状態にあるので
添加する燃料量は必然的に多くなる。そこで、通常運転
時に、ＥＣＵ９は添加量が多い場合の添加パターンに学
習し直すことが望ましい。

【００６３】次に、ステップ１０３において、ＥＣＵ９
は制御弁２２を制御して燃料添加ノズル１９より学習条
件に基づき添加燃料量Ｑexの全量を排気ポート１３へ添
加する。すると、空燃比センサ３２の測定値は、時間の
経過とともに例えば図８に示すように変化する。すなわ
ち、排気空燃比は添加直前のリーン状態（Ａ）から前記
の添加によりリッチ状態となりリッチ状態のピーク
（Ｂ）まで至ってから一転してリーン状態へと変化す
る。

【００６４】そこで、ＥＣＵ９は、燃料添加後の空燃比
センサ３２の測定値の変化（波形）を監視して、リッチ
深さｈ１と時定数ｔ１を読み取る（ステップ１０４：深
さ算出手段、時間算出手段）。なお、リッチ深さｈ１と
は、添加直前のリーン状態（Ａ）からリッチ状態のピー
ク（Ｂ）まで（Ａ→Ｂ）の変位量である。また、時定数
ｔ１とは、リッチ深さｈ１を記録した時から変位量ｈ１
の所定割合である６３％までリーン状態に変化するまで
の時間ｔ１をいう。この変位量ｈ１に乗じる所定割合の
６３％は、次回に添加する添加燃料量の補正を考慮して
得られた実験値である。なお、目標空燃比Ａ／Ｆtrg と
リッチ深さｈ１（Ｂ地点の空燃比）は、理論的には（マ
ップの上では）一致すべきものであるが、触媒機能のば
らつきや劣化による空燃比の誤差が生じるので、リッチ
深さｈ１（Ｂ地点の空燃比）と目標空燃比Ａ／Ｆtrg が
異なる場合、ＥＣＵ９は、その差分を補正する空燃比フ
ィードバック処理を実施する。

【００６５】ＥＣＵ９は、リッチ深さｈ１と時定数ｔ１
に基づき２回目以降の添加間隔（インターバル）Ｔex及
び添加燃料量Ｑexを算出する（ステップ１０５：添加量
補正手段、間隔算出手段）。添加間隔Ｔex及び添加燃料
量Ｑexは、図６に示すように、添加インターバルマップ
４６及び補正係数マップ４７に基づき求められる。

【００６６】添加インターバルマップ４６は、リッチ深
さｈ１及び時定数ｔ１と添加間隔Ｔexとの関係を実験値
に基づき設定したマップであり、ＥＣＵ９のＲＯＭに予
め記憶されている。なお、添加インターバルマップ４６
において添加間隔Ｔexはリッチ状態のピークＢから時定
数ｔ１までの変位量が大きい程大きい値を示す。ＥＣＵ
９は、リッチ深さｈ１と時定数ｔ１を求めた後、添加イ
ンターバルマップ４６を参照して次に添加する時期まで
の添加間隔Ｔexを求める。

【００６７】また、補正係数マップ４７は、時定数ｔ１
及び添加間隔Ｔexと補正係数Ｃqmとの関係を実験値に基
づき設定したマップであり、ＥＣＵ９のＲＯＭに予め記
憶されている。ＥＣＵ９は、時定数ｔ１と添加間隔Ｔex
が求められれば、補正係数マップ４７を参照して補正係
数Ｃqmを求める。

【００６８】ＥＣＵ９は、補正係数Ｃqmを求めた後、最
初に（あるいは前回）添加した添加燃料量Ｑexに前記補
正係数Ｃqmを乗じて次回に添加する添加燃料量Ｑexを算
出する。そして、ＥＣＵ９は、次回の添加パターン（添
加間隔Ｔex及び添加燃料量Ｑex）が決まれば、燃料添加
制御処理を終了する。

【００６９】なお、ＥＣＵ９は、ステップ１０５で求め
た添加間隔Ｔex及び添加燃料量Ｑexに基づき２回目以降
の燃料添加を実施する。

【００７０】

【発明の効果】本発明によれば、実際の空燃比と吸入空
気量、触媒入りガス温度を考慮して添加量を算出するた
め、システムの各種ばらつき等の発生に影響されない
で、最適な還元剤添加を実施することができる。還元剤
としては、ＨＣ（炭化水素）成分であればよく、例えば
燃料を使用することができる。

【００７１】また、本発明によれば、還元剤添加後の空
燃比の値（リッチ深さ）とこの空燃比の値が所定空燃比
の値まで変化する時間（時定数）とから次回に添加する
添加還元剤量を補正すると共に、次回の添加間隔を求め
ることで、２回目以降においても還元剤添加のシステム
や触媒等のばらつき、劣化を補償でき、総じてＮＯx
（ＳＯx）の吸収・放出が精度良く行われる空燃比制御
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置の概略
構成を示す図である。

【図２】機関から排出される排気ガス中の未燃ＨＣ，Ｃ
Ｏおよび酸素の濃度を概略的に示す線図である。

【図３】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４】燃料添加制御処理の流れ図である。

【図５】添加燃料量の求め方の説明図である。

【図６】添加間隔と補正係数の求め方の説明図である。

【図７】単噴射パターンの説明図である。

【図８】添加実施後の空燃比の変化を示す図である。

【符号の説明】

１…エンジン２…吸気マニホールド３…吸気管４…エアクリーナ５…エアフロメータ６…ターボチャージャ７…インタークラーク８…スロットル弁９…ＥＣＵ１０…燃料噴射弁１１…コモンレール１２…燃料ポンプ１３…排気ポート１４…排気マニホールド１５…排気集合管１６…排気管１７…ＮＯx 触媒１８…ケーシング１９…燃料添加ノズル２０…燃料パイプ２１…燃料通路２２…制御弁２３…ＥＧＲ管２４…ＥＧＲクラーク２５…ＥＧＲ弁２６…アクセル開度センサ２７…クランク角センサ３１…触媒入りガス温センサ３２…空燃比センサ４１…目標空燃比マップ４２…基本添加燃料量マップ４３…添加燃料補正係数マップ４６…添加インターバルマップ４７…補正係数マップ

───────────────────────────────────────────────────── 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 3/36 ＺＡＢＢ０１Ｄ 53/36 １０１Ａ１０１Ｂ (72)発明者塚崎之弘愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者松岡広樹愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者林孝太郎愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者石山忍愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者大坪康彦愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者曲田尚史愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者小林正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 (72)発明者柴田大介愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者根上秋彦愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者原田泰生愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者小野智幸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） 3G091 AA02 AA10 AA11 AA18 AA28 AB06 BA11 BA14 BA33 CA18 CB02 CB03 CB07 CB08 DA01 DA02 DA03 DB06 DB10 DC01 DC02 EA01 EA03 EA04 EA05 EA07 EA15 EA16 EA17 EA30 EA31 EA34 FB10 FB11 FB12 FC02 GB01X GB02W GB03W GB04W GB05W GB06W GB10X GB16X HA36 HB05 HB06 4D048 AA06 AB02 AB07 AC02 BA03X BA14X BA15X BA18X BA30X BA41X BC01 CC38 CC61 DA01 DA02 DA03 DA06 DA08 DA10 DA20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】希薄燃焼可能な多気筒内燃機関の排気通路
に設けられたＮＯx触媒と、該ＮＯx 触媒の上流の前記排気通路に設けられた還元剤
添加手段と、車両の運転状態における実際の空燃比と、前記内燃機関
への吸入空気量と、前記ＮＯx 触媒に流入する排気ガス
の温度である触媒入りガス温度と、から前記還元剤添加
手段が添加する添加還元剤量を算出する添加量算出手段
と、前記還元剤添加手段から前記添加還元剤量の還元剤を前
記ＮＯx 触媒に添加する際、空燃比が還元剤添加直前の
リーン状態から還元剤添加後に最高にリッチ状態となる
までの変位量であるリッチ深さを算出する深さ算出手段
と、前記還元剤添加後に最高にリッチ状態となった値から空
燃比がリーン状態へ変化して前記変位量に所定割合を乗
じた値のリーン状態となるまでに要する時間を算出する
時間算出手段と、前記深さ算出手段により算出されたリッチ深さと前記時
間算出手段により算出された時間と、から前記添加還元
剤量を補正して次回の添加還元剤量を算出する添加量補
正手段と、前記還元剤添加から次回に還元剤を添加するまでの還元
剤添加間隔を、前記深さ算出手段で求めたリッチ深さに
基づいて算出する間隔算出手段と、前記添加量補正手段により補正された次回の添加還元剤
量と前記間隔算出手段により算出された次回の還元剤添
加間隔とに基づいて次回の還元剤添加を制御する制御手
段と、を備えたこと特徴とする内燃機関の排気浄化装
置。
【請求項２】前記還元剤添加の間隔は、前記深さ算出手
段で求めたリッチ深さの大きさに比例する請求項１記載
の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】前記車両の運転状態に応じて前記還元剤添
加の可否を判断する可否判断手段を有する請求項１また
は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】前記可否判断手段は前記還元剤添加が前記
還元剤の全量を一度に噴射する単噴射であるか否かを判
断する請求項１から３のいずかに記載の内燃機関の排気
浄化装置。