JP2002038941A

JP2002038941A - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP2002038941A
Application number: JP2000223050A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Harada; 泰生原田; 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

Abstract

(57)【要約】【課題】運転条件に応じて還元剤の添加圧力を調節し、
リッチスパイクの深さがリーン側にずれることなく、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】希薄燃焼可能な多気筒内燃機関１の排気下
流に接続する排気通路に設けられたＮＯx 触媒17aと、
ＮＯx 触媒17aの上流の前記排気通路に設けられ還元剤
を添加する還元剤添加手段19と、車両の運転状態に応じ
て前記還元剤の添加圧力を補正する圧力補正手段と、を
備え、前記圧力補正手段により補正された添加圧力で還
元剤添加を制御することを特徴とする。

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
排気ガス中の有害成分を浄化する内燃機関の排気浄化装
置がある。この内燃機関の排気浄化装置は、排気ガスか
らＮＯx を浄化する排気浄化手段として、吸蔵還元型Ｎ
Ｏx触媒などのＮＯx触媒を使用している。

【０００３】このＮＯx 触媒は、発生してしまったＮＯ
x 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。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 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ＮＯx を放出し、Ｎ₂ 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）を添加する。そし
て、流入排気ガスの空燃比をリッチにして酸素濃度を極
度に低下させ、ＮＯx 触媒に吸収されているＮＯxを放
出する。このように還元剤（燃料）を添加してＮＯxを
Ｎ₂ に還元し、ＮＯx触媒のＮＯx吸収能力を回復させる
排気浄化装置が実施されている。

【０００５】かかる内燃機関の排気浄化装置は、予め適
合された最適なパターンとなるように、ＮＯx 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）や流
入排気ガスの空燃比（及び吸入空気量）や添加燃料量
（及びその添加圧力値）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圧力で定
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
た最適な空燃比となるように目標とする吸入空気量や添
加圧力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吸入空気量や還元
剤（燃料）の添加圧力に誤差が生じ、燃料の添加が必ず
しも意図したリッチスパイクの深さではなくなる場合が
ある。特に、リッチスパイクの深さがリーン側にずれた
場合、ＮＯx の吸収・放出が精度良く行われずにＮＯx
浄化率が悪化する。一方、この問題を添加量のフィード
バック制御のみで解決しようとすると燃費が悪化する。

【０００７】また、車両の運転状態が低回転、軽負荷の
ときは、排気ガス流量が少なく、排気ガス温度も低いた
め、添加された燃料が排気マニホールドに付着し易く、
燃料の微粒化が十分に行われない虞があり、ＮＯx 触媒
への還元剤供給が遅れてＮＯx 浄化率が悪化する。

【０００８】また、ターボチャージャを備えた内燃機関
の場合、添加された燃料を微粒化することができても、
その後にタービンで冷却されるため、タービンにおける
燃料の微粒化および気化を促進することができず、その
結果、ＮＯx 触媒に吸収されているＮＯx を十分に放出
・還元することができない虞がある。

【０００９】更に、排気再循環装置（ＥＧＲ装置）を備
えた排気浄化装置の場合、排気マニホールドに付着した
燃料は、ＥＧＲ系を介して吸気系に回り込みし易く、ス
モークの悪化を招く虞がある。

【００１０】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、運転条件に応じて還元剤の添加圧力を
調節し、リッチスパイクの深さがリーン側にずれること
なく、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。

【００１１】

【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下流に接続す
る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還元剤を添加する還元剤
添加手段と、車両の運転状態に応じて前記還元剤の添加
圧力を補正する圧力補正手段と、を備え、前記圧力補正
手段により補正された添加圧力で還元剤添加を制御する
ことを特徴とする。

【００１２】この構成によれば、車両の運転状態に応じ
て前記添加圧力を補正するので、リッチスパイクの深さ
がリーン側にずれることなく、最適な還元剤添加を実施
することができる。また、車両の運転状態が低回転、軽
負荷の場合、添加された還元剤が排気マニホールド等に
付着しないように強めの添加圧力に調節することで燃料
を微粒化させる。

【００１３】また、本発明の内燃機関の排気浄化装置に
おいて、前記圧力補正手段は、前記内燃機関に吸入され
る吸入空気量に応じて補正する構成も例示できる。この
例示によれば、吸入空気量の変化によりリッチスパイク
の深さがリーン側にずれないよう添加圧力を調節するこ
とができる。

【００１４】更に、本発明の内燃機関の排気浄化装置に
おいて、前記圧力補正手段は、前記内燃機関に吸入され
る吸入空気量の目標値と測定値との差値に応じて補正す
る構成も例示できる。この例示によれば、目標空気量に
対して実空気量が高めの場合、吸入空気量の変化により
リッチスパイクの深さがリーン側にずれないよう添加圧
力を調節することができる。一方、目標空気量に対して
実空気量が低めの場合、添加された還元剤が排気マニホ
ールド等に付着しないように強めの添加圧力に調節する
ことで燃料を微粒化させる。また、実空気量に基づきフ
ィードバック制御を行うことで、システムの各種ばらつ
き等の発生に影響されずに、最適な還元剤添加を実施す
ることができる。

【００１５】更にまた、本発明の内燃機関の排気浄化装
置において、前記圧力補正手段は、前記実空燃比の変化
に応じて補正する構成も例示できる。この構成によれ
ば、空燃比の変化によりリッチスパイクの深さがリーン
側にずれないよう添加圧力を調節することができる。

【００１６】更にまた、本発明の内燃機関の排気浄化装
置は、前記還元剤の添加圧力を調節する添加圧力調節手
段と、該添加圧力調節手段の添加圧力を測定する圧力測
定手段と、車両の運転状態に応じて前記添加圧力調節手
段が調節する添加圧力の目標値を記録した添加圧力マッ
プと、を有し、前記圧力補正手段は、前記添加圧力マッ
プに基づく添加圧力の目標値と前記圧力測定手段の測定
値との差値に基づき添加圧力値を補正する構成も例示で
きる。この例示によれば、添加圧力の測定値に基づきフ
ィードバック制御を行うことで、システムの各種ばらつ
き等の発生に影響されずに、最適な還元剤添加を実施す
ることができる。

【００１７】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。

【００１８】

【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４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。

【００１９】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。

【００２０】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（実空気量）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、ＥＣＵ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実空気量を演算す
る。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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）１７ａを収容
したケーシング１８ａが設けられている。また、排気管
１６の途中には、ＮＯx 触媒１７ａに隣接して酸化触媒
１７ｂを収容したケーシング１８ｂが設けられている。
ＮＯx 触媒１７ａ及び酸化触媒１７ｂについては後述す
る。

【００２４】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流量調節弁（添加圧力調節手段）２
２によって添加量及び添加圧力の制御が行われる。な
お、流量調節弁２２はＥＣＵ９によって開閉および開度
制御が行われる。すなわち、開度制御により添加圧力が
調整され、開閉時間により添加量が調節される。

【００２５】そして、流量調節弁２２の下流の燃料通路
２１には、添加圧力を測定する圧力センサ（圧力測定手
段）３３が設けられている。この圧力センサ３３は、流
量調節弁２２を介して燃料通路２１に流入する添加圧力
（測定圧力値）に応じた出力信号をＥＣＵ９に出力し、
ＥＣＵ９は圧力センサ３３の出力信号に基づいて測定圧
力値を演算する。

【００２６】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、
流量調節弁２２は、還元剤添加手段を構成する。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】また、排気管１６において、ケーシング１
８ａの直ぐ下流には、ケーシング１８ａから流出する排
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。

【００３０】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。

【００３１】ＥＣＵ９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２７、空燃
比センサ３２、圧力センサ３３と接続し、それぞれの出
力信号が入力される。また、ＥＣＵ９の出力ポートは、
燃料噴射弁１０、流量調節弁２２、ＥＧＲ弁２５と接続
し、それぞれへ制御指令が出力される。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】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。

【００３９】ケーシング１８ａに収容されたＮＯx 触媒
１７ａ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。

【００４０】このＮＯx 触媒１７ａ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Ｎ
Ｏとして放出するＮＯx の吸放出作用を行う。そして、
ＮＯx 触媒１７ａから放出されたＮＯx（ＮＯ₂またはＮ
Ｏ）は直ちに排気ガス中の未燃ＨＣやＣＯと反応してＮ
₂ に還元される。

【００４１】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。

【００４２】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）。

【００４３】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１７ａ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１７ａ内に拡
散する。このようにしてＮＯx がＮＯx 触媒１７ａ内に
吸収される。

【００４４】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１７ａのＮ
Ｏx 吸収能力が飽和しない限り、ＮＯ₂ がＮＯx 触媒１
７ａ内に吸収されて、硝酸イオンＮＯ₃ ^-が生成される。

【００４５】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１７ａの硝酸イオ
ンＮＯ₃ ^-がＮＯ₂またはＮＯの形でＮＯx触媒１７ａ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１７ａからＮＯx が放出されるこ
とになる。図２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、流にゅ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１７ａからＮＯx が放出されること
になる。

【００４６】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。

【００４７】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１７ａ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。

【００４８】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１７ａから放出されたＮ
Ｏx およびエンジンから排出されたＮＯxがＮ₂に還元さ
れる。

【００４９】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１７ａ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１７ａから
ＮＯx が放出されることになる。

【００５０】このように、排気空燃比がリーンになる
と、ＮＯxがＮＯx触媒１７ａ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１
７ａ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
ＨＣ，ＣＯ，ＮＯx を浄化することができ、大気中への
ＮＯx の排出を阻止することができる。

【００５１】なお、排気空燃比とは、ここではＮＯx 触
媒１７ａ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１７ａ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。

【００５２】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１７ａ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１７ａに吸収され、ＮＯx 触媒１７ａから放出される
ＮＯx 量は極めて少ない。

【００５３】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１７ａ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。

【００５４】従って、ディーゼルエンジンでは、ＮＯx
触媒１７ａ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）を添加して排気ガス中の酸素濃度を低下
させ、ＮＯx 触媒１７ａに吸収されたＮＯx を放出し還
元する必要がある。

【００５５】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
ａ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
加圧力制御処理に基づき流量調節弁２２の開閉及び開度
を制御して所定量の燃料を所定圧力で燃料添加ノズル１
９から排気ガス中に噴射し、ＮＯx 触媒１７ａに流入す
る排気ガス中の酸素濃度を低下させ、ＮＯx 触媒１７ａ
に吸収されたＮＯx を放出させ、Ｎ₂ に還元するように
している。

【００５６】また、この実施の形態では、酸化触媒１７
ｂが設けられているので、ＮＯx 触媒１７ａで浄化する
ことができなかったＨＣ，ＣＯを下流の酸化触媒１７ｂ
で酸化し浄化することができる。

【００５７】なお、添加燃料量および添加圧力値の算出
は、目標空燃比マップ、添加燃料量マップ、及び添加圧
力値マップに基づき行われる。

【００５８】目標空燃比マップは、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排気管１６が目標とする排
気空燃比となるように、前記パラメータと目標気空燃比
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、目標空燃比マップを参照して目標空燃比を求める
ことができる。

【００５９】添加燃料量マップは、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）及び目標空燃比をパラ
メータとし、このパラメータと添加燃料量Ｑ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、添加燃料量Ｑは次式Ｑ＝Ｇａ／（目標空燃比）−Ｇａ／（測定空燃比）で算出される値である。この式は、予め定めた目標空燃
比の数値を実際の吸入空気量Ｇａ及び測定空燃比に基づ
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、測定空燃比及び目標
空燃比が求められれば、添加燃料量マップを参照して添
加燃料量を求めることができる。

【００６０】添加圧力マップは、燃料ポンプ１２でポン
プアップされた燃料の圧力Ｐａと流量調節弁２２の開度
θをパラメータとし、このパラメータと目標添加圧力値
Ｐ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。また、添加圧力マップには、運
転状態の変化に応じた補正係数Ｃ１、空燃比の変化に応
じた補正係数Ｃ２、吸入空気量に応じた補正係数Ｃ３、
更に前記目標空燃比に基づく目標空気量が実際測定した
実空気量より高めの場合の補正係数Ｃ４、逆に目標空気
量が実空気量より低めの場合の補正係数Ｃ５も設定され
ており、ＥＣＵ９のＲＯＭに予め記憶されている。ＥＣ
Ｕ９は、それぞれの状態に応じて添加圧力マップで設定
した目標添加圧力値に補正係数Ｃ１〜Ｃ５のいずれかを
乗じて最適な目標添加圧力値Ｐを算出する。

【００６１】次に、ＥＣＵ９が行う還元剤添加圧力制御
処理を説明する。なお、この還元剤添加圧力制御処理
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。

【００６２】ＥＣＵ９は、圧力センサ３３で測定した添
加圧力値と目標添加圧力値Ｐとの差分に基づきフィード
バック制御を行うことで、システムの各種ばらつき等の
発生に影響されずに、最適な燃料添加を実施することが
できる。従って、図４に示すように、燃料添加の際に、
リーン状態のＡ地点からリッチ状態のＢ地点までのリッ
チスパイクの深さが目標空燃比よりリーン側にずれるこ
とはない。

【００６３】また、この還元剤添加圧力補正制御処理
は、流量調節弁２２の添加圧力が運転状態の変化に応じ
て補正することもできる。

【００６４】すなわち、エンジン１の運転状態が低回
転、軽負荷のときは、排気ガス流量が少なく、排気ガス
温度も低いため、燃料添加ノズル１９から添加された燃
料が排気マニホールドに付着し易く、ＮＯx 触媒１７ａ
への還元剤供給が遅れてしまう。また、排気マニホール
ド１４に付着した燃料は、ＥＧＲ系を介して吸気系に回
り込みし易く、スモークの悪化を招く虞がある。

【００６５】そこで、この実施の形態では、ＥＣＵ９の
還元剤添加圧力補正制御処理により、添加圧力マップで
設定した目標添加圧力値に補正係数Ｃ１を乗じて求めた
目標添加圧力値Ｐに基づき、流量調節弁２２の開度を制
御して添加圧力を強めに調節し、燃料を微粒化させるこ
とによりエンジン運転状態が低回転、軽負荷の場合であ
っても、排気マニホールド１４に燃料が付着し難く、添
加燃料の吸気系への回り込みを防止することができ、ス
モークの発生を抑制することができる。また、添加燃料
を少なくすることができ、燃費が向上する。

【００６６】また、排気ガス流量が少なく排気ガス温度
も低いため、燃料添加ノズル１９から添加される燃料の
微粒化が十分に行われない虞がある場合や、燃料添加ノ
ズル１９から添加された燃料を微粒化することができて
も、その後にタービン６ｂで冷却されるため、タービン
６ｂにおける燃料の微粒化および気化を促進することが
できず、その結果、ＮＯx 触媒１７ａに吸収されている
ＮＯx を十分に放出・還元することができない虞がある
場合も、添加圧力マップで設定した目標添加圧力値に補
正係数Ｃ１を乗じて求めた目標添加圧力値Ｐに基づき、
流量調節弁２２の開度を制御して添加圧力を強めに調節
する。そして、添加圧力を増加させた場合には、還元剤
添加手段から添加された還元剤の微粒化を促進すること
ができ、ＮＯx 触媒１７ａのＮＯx 浄化率を向上させる
ことができる。

【００６７】更に、この還元剤添加圧力補正制御処理
は、排気管１６の実際の空燃比を測定する空燃比センサ
３２を用いて、流量調節弁２２の添加圧力が実空燃比の
変化に応じて補正することもできる。この場合は、添加
圧力マップで設定した目標添加圧力値に補正係数Ｃ２を
乗じて求めた目標添加圧力値Ｐに基づき、流量調節弁２
２の開度を制御して、空燃比の変化によりリッチスパイ
クの深さがリーン側にずれないよう添加圧力を調節する
ことができる。

【００６８】更にまた、この還元剤添加圧力補正制御処
理は、エンジン１に吸入される吸入空気量に応じて補正
することもできる。この場合は、添加圧力マップで設定
した目標添加圧力値に補正係数Ｃ３を乗じて求めた目標
添加圧力値Ｐに基づき、流量調節弁２２の開度を制御し
て添加圧力を強めに調節し、吸入空気量の変化によりリ
ッチスパイクの深さがリーン側にずれないよう添加圧力
を調節することができる。

【００６９】更にまた、この還元剤添加圧力補正制御処
理は、エンジン１に実際に吸入される実空気量を測定す
るエアフロメータ５を用いて、流量調節弁２２の添加圧
力が目標空燃比マップに基づく目標空気量と実空気量と
の差に応じて補正することもできる。そして、目標空気
量に対して実空気量が高めの場合、添加圧力マップで設
定した目標添加圧力値に補正係数Ｃ４を乗じて求めた目
標添加圧力値Ｐに基づき、流量調節弁２２の開度を制御
して吸入空気量の変化によりリッチスパイクの深さがリ
ーン側にずれないよう添加圧力を調節することができ
る。一方、目標空気量に対して実空気量が低めの場合、
目標添加圧力値に補正係数Ｃ５を乗じて求めた目標添加
圧力値Ｐに基づき、流量調節弁２２の開度を制御して添
加された燃料が排気マニホールド１４等に付着しないよ
うな強めの添加圧力に調節することができる。

【００７０】

【発明の効果】本発明によれば、車両の運転状態に応じ
て前記添加圧力を補正するので、リッチスパイクの深さ
がリーン側にずれることなく、最適な還元剤添加を実施
することができる。また、添加圧力の測定値に基づきフ
ィードバック制御を行うことで、システムの各種ばらつ
き等の発生に影響されない制御ができる。

【００７１】また、本発明は、前記内燃機関に吸入され
る吸入空気量に応じて、前記吸入空気量の目標値と測定
値との差に応じて、あるいは実空燃比の変化に応じて補
正することで、燃料を微粒化させ還元剤の付着が防止で
きるなど、それぞれ最適な還元剤添加を実施することが
できる。

【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】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…流量調節弁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３２…空燃比センサ３３…圧力センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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)発明者小田富久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 AA10 AA11 AA12 AB06 AB15 BA14 CA18 CA26 CB02 DA01 DA02 DB10 DC01 DC03 EA01 EA03 EA05 EA07 EA22 EA34 FB10 GB02Z GB03Z GB05Z GB06Z HA08 HA36 HA37 HB05 HB06 4D048 AA06 AB02 AB07 AC02 BA03X BA14X BA15X BA18X BA30X BA41X CC47 CC61 DA01 DA02 DA03 DA07 DA10 DA20 EA04

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下流
に接続する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還元剤を
添加する還元剤添加手段と、車両の運転状態に応じて前記還元剤の添加圧力を補正す
る圧力補正手段と、を備え、前記圧力補正手段により補正された添加圧力で還元剤添
加を制御することを特徴とする内燃機関の排気浄化装
置。
【請求項２】前記圧力補正手段は、前記内燃機関に吸入
される吸入空気量に応じて補正する請求項１記載の内燃
機関の排気浄化装置。
【請求項３】前記圧力補正手段は、前記内燃機関に吸入
される吸入空気量の目標値と測定値との差値に応じて補
正する請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】前記圧力補正手段は、実空燃比の変化に応
じて補正する請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】前記還元剤の添加圧力を調節する添加圧力
調節手段と、該添加圧力調節手段の添加圧力を測定する圧力測定手段
と、車両の運転状態に応じて前記添加圧力調節手段が調節す
る添加圧力の目標値を記録した添加圧力マップと、を有
し、前記圧力補正手段は、前記添加圧力マップに基づく添加
圧力の目標値と前記圧力測定手段の測定値との差値に応
じて補正する請求項１から４のいずれかに記載の内燃機
関の排気浄化装置。