JP2002038942A

JP2002038942A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2002038942A
Application number: JP2000223052A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Matsuoka; 広樹松岡; Soichi Matsushita; 宗一松下; Yukihiro Tsukasaki; 之弘塚崎; 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; Akihiko Negami; 秋彦根上
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】内燃機関の運転状態が変化しても常にＮＯx触
媒に適切な量の還元剤を供給する。【解決手段】希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に設け
られ、吸収したＮＯxを還元剤によって放出して還元す
るＮＯx触媒１７と、このＮＯx触媒１７の上流の排気通
路に設けられた還元剤供給手段１９と、内燃機関１の負
荷を検出する負荷検出手段と、内燃機関１の負荷に応じ
て添加還元剤の粒径を制御する粒径制御手段と、を備
え、前記負荷検出手段により検出された負荷に基づいて
粒径が制御された還元剤をＮＯx触媒１７に添加する。
内燃機関１が低負荷のときは排気温度が低く排気の流速
が遅いので粒径を小さくすることで、排気通路内の壁面
付着を低減させることができる。

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を浄化する排気浄化装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジンやリーンバーンガソ
リンエンジンなど希薄燃焼可能な内燃機関から排出され
る排気ガスを浄化する排気浄化装置として、選択還元型
ＮＯx触媒や吸蔵還元型ＮＯx触媒などのＮＯx触媒があ
る。

【０００３】選択還元型ＮＯx触媒は、酸素過剰の雰囲
気において炭化水素（ＨＣ）の存在下でＮＯxを還元ま
たは分解する触媒であり、この選択還元型ＮＯx触媒で
ＮＯxを浄化するためには適量のＨＣ成分（以下、還元
剤という）が必要とされる。この選択還元型ＮＯx触媒
を前記内燃機関の排気浄化に用いる場合、該内燃機関の
通常運転時の排気中のＨＣ成分の量は極めて少ないの
で、通常運転時にＮＯxを浄化するためには、選択還元
型ＮＯx触媒に還元剤として、例えば燃料である軽油を
供給する必要がある。

【０００４】一方、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に還元するする触媒である。

【０００５】この吸蔵還元型ＮＯx触媒を前記内燃機関
の排気浄化に用いる場合、この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吸収能力が飽和して、それ以
上、ＮＯxを吸収できなくなり、ＮＯxをリークさせるこ
ととなる。

【０００６】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流入排気ガ
スの空燃比をリッチにすることによって酸素濃度を低下
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。以下、このように流入排気ガスの空燃比を一時
的にリッチにすることをリッチスパイクと称する。

【０００７】一方、これらＮＯx触媒のＮＯｘ吸収能力
を回復させるには、適正に排気ガスの空燃比をリッチに
する必要がある。そこで従来は、還元剤としての燃料添
加パターン及び目標燃料添加圧を、内燃機関の回転数と
噴射量の関係を実験によって求めたマップに基づいて設
定するようにしていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが内燃機関の排
気ポートにおいて還元剤の供給をする場合、通常、排気
ポートとＮＯx触媒との距離が離れており、内燃機関の
運転条件によっては排気流に還元剤がのりにくく、還元
剤の供給の効率が悪い場合が生じる。具体的には内燃機
関が低回転で低負荷の領域では排気の流速が遅く添加さ
れる還元剤の粒径が大きいと、排気通路内において還元
剤の壁面付着が多くなり、その結果、排気ポートにおけ
るリッチスパイクとＮＯx触媒でのリッチスパイクの度
合いが異なってくる。

【０００９】例えば、排気ポート側でのリッチスパイク
が、目標とするリッチの度合いに達するものであって
も、ＮＯｘ触媒側では、壁面付着によってＮＯx触媒に
到達する還元剤の量が減少してリッチの度合いが低下す
る。したがって目標とする還元剤の添加ができずに、Ｎ
Ｏx触媒でのＮＯx還元が十分に行われないことになる。

【００１０】反対に、内燃機関の高負荷時において還元
剤の粒径が小さいと、高負荷時には排気温度が高く排気
管の温度も比較的高くなるために、ＮＯx触媒に到達す
るまでに排気ポートから供給された還元剤の多くが蒸
発、拡散し、ＮＯx触媒に到達する還元剤の薄くなり、
リッチの度合いが低下する。したがって上述した場合と
同様にＮＯx触媒でのＮＯx還元が十分に行われない。

【００１１】このようにしてＮＯx触媒のＮＯx吸収能力
が飽和して回復できない状態が生じると、排気中のＮＯ
xがリークする虞がある。本発明はこのような問題点に
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、内燃機関の運転状態が変化しても常にＮＯx触
媒に適切な量の還元剤を供給することができる内燃機関
の排気浄化装置を提供することにある。

【００１２】

【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。すなわち、希薄燃
焼可能な内燃機関の排気通路に設けられ、吸収したＮＯ
xを還元剤によって放出して還元するＮＯx触媒と、この
ＮＯx触媒の上流の排気通路に設けられた還元剤供給手
段と、内燃機関の負荷を検出する負荷検出手段と、内燃
機関の負荷に応じて添加還元剤の粒径を制御する粒径制
御手段と、を備え、前記負荷検出手段により検出された
負荷に基づいて粒径が制御された還元剤をＮＯx触媒に
添加することを特徴とする。

【００１３】内燃機関の低回転、低負荷時は排気の流速
が遅く、粒径の大きい還元剤は排気流に乗りにくいが、
添加する還元剤の粒径を小さくしてこれを排気流に乗せ
ることで、排気通路内における還元剤の壁面付着を抑制
することができる。すなわち内燃機関の低負荷のときは
排気温度が低く排気の流速が遅いので、前述のように粒
径を小さくすることで、排気通路内の壁面付着を低減さ
せることができる。この場合、例えば還元剤の添加装置
を電磁弁を利用するものとして、その開き初めと閉じ終
わりはシートチョークにより噴射される還元剤の粒径が
粗いことを利用し、還元剤の粒径を調整する。

【００１４】一方、内燃機関の高回転、高負荷時には排
気の流速が速く、排気が高温である。そこで還元剤の微
粒化及び気化の促進されること、及び還元剤を排気流に
乗せやすいことを考慮し、還元剤の粒径を大きくしてこ
れをＮＯx触媒に到達させる。本発明では以上のような
制御によってＮＯx触媒を確実に行うことができる。

【００１５】また本発明では、車両の運転状態に応じて
還元剤添加の可否を判断する添加可否判断手段を備える
ことが望ましく、ＮＯx触媒が活性温度にあるか否か、
内燃機関の運転領域が還元剤添加可能な範囲にあるか否
かを判断し、ＮＯxを放出、還元させることが可能なと
きに還元剤の供給がされるようにして、還元剤がＮＯx
触媒をすり抜けることを防止する。

【００１６】また高負荷時には噴射時間を短くかつイン
ターバルを短くする。このようにすれば低負荷時には還
元剤の粒径が小さく、反対に高負荷時には粒径が大きく
なる。

【００１７】前記粒径制御手段は、還元剤の噴射圧力を
変化させることで還元剤の粒径を制御するものが採用で
きる。還元剤の噴射時の圧力が高ければその粒径は小さ
くなり、噴射圧力が低ければ粒径は大きくなる。

【００１８】また前記粒径制御手段は、還元剤の粒径の
制御を還元剤の噴射ノズルの噴孔の大きさを調整するこ
とで行うものを採用できる。この噴射ノズルの噴孔が小
さければ噴射される還元剤の粒径は小さくなり、反対に
噴孔が大きければ粒径は大きくなる。

【００１９】さらに前記粒径制御手段は、還元剤の粒径
の制御を還元剤の温度を調整することで行うものを採用
できる。すなわち内燃機関が低負荷で排気が低流量のと
きは還元剤の温度を高くし、反対に高負荷で排気が高流
量のときは還元剤の温度を低くする。前者では温度の上
昇によって還元剤の気化が促進され粒径は小さくなり排
気通路の壁面付着は減少する。後者では気化が少ないの
で粒径は大きく保たれる。

【００２０】さらにまた前記粒径制御手段は、還元剤の
粒径の制御を還元剤の噴射ノズルに供給する空気量を調
整することで行うものを採用できる。この場合は、噴射
ノズルに供給される空気量が増大すれば、還元剤の粒径
は小さくなる。

【００２１】なお、前記に掲げた粒径制御手段は、可能
な限りこれらを組み合わせても実施できる。本発明の排
気浄化装置において、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。

【００２２】また前記負荷検出手段による負荷の検出
は、アクセル開度センサの出力信号、またはエアフロメ
ータによる吸入空気量を示す出力信号に基づいて負荷の
程度を求めることができる。

【００２３】本発明の排気浄化装置における排気浄化装
置におけるＮＯx触媒としては、吸蔵還元型ＮＯx触媒や
選択還元型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。

【００２４】選択還元型ＮＯx触媒は、酸素過剰の雰囲
気で炭化水素の存在下でＮＯxを還元または分解する触
媒をいい、ゼオライトにＣｕ等の遷移金属をイオン交換
して担持した触媒、ゼオライトまたはアルミナに貴金属
を担持した触媒、等が含まれる。

【００２５】本発明の排気浄化装置において、還元剤噴
射手段は、還元剤供給ポンプ、排気通路に設けた還元剤
噴射ノズル等で構成することができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明にかかる内燃機関の
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。なお、以下に説明する実施の形態は、本発
明にかかる内燃機関の排気浄化装置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。

【００２７】図１は、この実施の形態における内燃機関
の排気浄化装置の全体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、
インタークーラ７、スロットルバルブ８が設けられてい
る。

【００２８】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（ＥＣＵ）９
に出力し、ＥＣＵ９はエアフロメータ５の出力信号に基
づいて吸入空気量を演算する。

【００２９】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。
各燃料噴射弁１０はコモンレール１１に接続されてお
り、コモンレール１１には燃料ポンプ１２から燃料が供
給される。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。

【００３０】また、エンジン１の各気筒の燃焼室で生じ
た排気ガスは、排気ポート１３を介して排気マニホール
ド１４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。

【００３１】排気マニホールド１４の途中には、ターボ
チャージャ６のタービン６ｂ、吸蔵還元型ＮＯx触媒
（リーンＮＯx触媒）を収納したケーシング１８が設け
られている。タービン６ｂは排気によって駆動され、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。

【００３２】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に燃料添加ノズル（還元
剤添加装置の添加口）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１２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ＥＣ
Ｕ９によって開閉及び開度制御が行われる。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。なお、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、還元剤添加装置
を構成する。

【００３３】また排気マニホールド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２
５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（Ｅ
ＧＲ)を構成する。

【００３４】また排気管１６においてケーシング１８の
直ぐ下流には、ケーシング１８から流出する排気温度に
対応した出力信号をＥＣＵ９に出力する排気温センサ２
６が設けられている。

【００３５】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（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。

【００３６】これら制御のために、ＥＣＵ９の入力ポー
トには、アクセル開度センサ２６からの入力信号と、ク
ランク角センサ２７からの入力信号が入力される。アク
セル開度センサ２６はアクセル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２
６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２７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。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運転
状態が判別され、ＥＣＵ９はエンジン運転状態に応じた
燃料噴射量を噴射量マップ（図示せず）を参照して算出
し、算出された燃料噴射量に対応する燃料噴射弁１０の
開弁期間を算出して、燃料噴射弁１０の作動を制御す
る。

【００３７】次に、ケーシング１８に収納された吸蔵還
元型ＮＯx触媒（以下、ＮＯx触媒ということもある）に
ついて説明する。吸蔵還元型ＮＯx触媒は、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Ｐ
ｔのような貴金属とが担持されてなる。

【００３８】このＮＯx触媒は、流入排気の空燃比（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、ＮＯx触媒から
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。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ることになる。

【００３９】尚、排気空燃比とは、ここではＮＯx触媒
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。したがって、ＮＯx触
媒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。

【００４０】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、通常の機関運転
状態ではＮＯx触媒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触媒に吸収
され、ＮＯx触媒から放出されるＮＯx量は極めて少な
い。

【００４１】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、Ｎ
Ｏx触媒に吸収されている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。

【００４２】したがって、ディーゼルエンジンでは、Ｎ
Ｏx触媒のＮＯx吸収能力が飽和する前に所定のタイミン
グで、排気ガス中に還元剤を供給して排気ガス中の酸素
濃度を低下せしめ、ＮＯx触媒に吸収されたＮＯxを放出
し還元する必要がある。尚、前記還元剤としては、一般
に、ディーゼルエンジンの燃料である軽油を使用するこ
とができる。

【００４３】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、所定時間だけ制御弁２２を
開弁して所定量の燃料を燃料添加ノズル１９から排気中
に噴射し、ＮＯx触媒に流入する排気中の酸素濃度を低
下させ、ＮＯx触媒に吸収されたＮＯxを放出させてＮ₂
に還元するようにしている。

【００４４】ここで燃料添加ノズル１９は燃料を排気集
合管１５に向かって噴射するので、添加された燃料は排
気集合管１５にスムーズに流れる。そして、燃料添加ノ
ズル１９は４番気筒の排気ポート１３に取り付けられて
おり、一方、排気マニホールド１４におけるＥＧＲ管２
３の接続部位は１番気筒に近接した位置であるので、燃
料添加ノズル１９から添加された燃料がＥＧＲ管２３に
回り込むことはない。

【００４５】上述したように、ＮＯx触媒１７を排気通
路内に配置すれば、これに担持されたＮＯx吸収剤がＮ
Ｏxの吸放出作用を行う。このＮＯx 吸収・還元のメカ
ニズムは、図２に示したようなものと考えられている。
図示のものは、担体上に白金Ｐｔ及びバリウムＢａを担
持させた場合であるが、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のメカニズムとな
る。この概略は次のようなものである。

【００４６】先ず、流入排気ガスのリーンの状態が進行
すると、流入排気ガス中の酸素濃度が増大し、図２
（Ａ）に示されるように、増大した酸素Ｏ₂ はＯ₂ ^- ま
たはＯ^2-として白金Ｐｔの表面に付着する。このＯ₂ ^-
またはＯ^2-と流入排気ガス中のＮＯが反応してＮＯ₂ と
なる（２ＮＯ＋Ｏ₂ →２ＮＯ₂ ）。このようにして生成
されたＮＯ₂ の一部は、白金Ｐｔ上でさらに酸化されな
がら、ＮＯx 吸収剤内に吸収されて酸化バリウムＢａＯ
と結合する。その結果、図２（Ａ）に示すように硝酸イ
オンＮＯ₃ ^- としてＮＯx 吸収剤内に拡散される。以上
のようにしてＮＯxがＮＯx 吸収剤内に吸収される。

【００４７】流入排気ガス中の酸素濃度が高い間は、白
金Ｐｔの表面でＮＯ₂ が生成され、ＮＯx 吸収剤の吸収
能力が飽和するまでは、ＮＯ₂ はＮＯx吸収剤内に吸収
され続けて硝酸イオンＮＯ₃ ^- が生成される。

【００４８】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吸収剤内の硝酸イ
オンＮＯ₃ ^- がＮＯ₂ としてＮＯx吸収剤から放出され
る。すなわち、流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると
ＮＯx吸収剤からＮＯxが放出されることになるが、流入
排気ガスのリーンの度合いが低いときは、流入排気ガス
中の酸素濃度が低下する。

【００４９】他方、流入排気ガスの空燃比をリッチにす
ると、ＨＣ，ＣＯは白金Ｐｔ上の酸素Ｏ₂ ^- またはＯ^2-
と反応して酸化される。また流入排気ガスの空燃比がリ
ッチであると流入排気ガス中の酸素濃度が極度に低下す
るため、ＮＯx吸収剤からＮＯ₂が放出され、このＮＯ₂
は図２（Ｂ）に示されるように未燃のＨＣ，ＣＯと反
応して還元浄化される。このようにして白金Ｐｔの表面
にＮＯ₂ が存在しなくなるとＮＯx吸収剤から次々とＮ
Ｏ₂が放出される。

【００５０】したがって流入排気ガスの空燃比をリッチ
にすると、短時間のうちにＮＯx吸収剤からＮＯxが放出
されて還元浄化される。この実施の形態では、ディーゼ
ルエンジンが使用されているため通常運転時の排気空燃
比はリーンであり、ＮＯx吸収剤は排気中のＮＯxを吸収
する。また、ＮＯx触媒１７の上流側の排気ポートに還
元剤が供給されると、このＮＯx触媒１７を通過する排
気ガスの空燃比はリッチになり、ＮＯx吸収剤からのＮ
Ｏxの放出と還元がされる。

【００５１】なお、ここでいう排気の空燃比とはＮＯx
吸収剤の上流側の排気ポートとエンジン燃焼室または吸
気通路に供給された空気と燃料との比率をいう。したが
って排気ポートに空気や還元剤が供給されないときは、
排気空燃比はエンジンの運転空燃比（エンジン燃焼室内
の燃焼空燃比）に等しくなる。

【００５２】また、本発明で使用する還元剤は、排気中
で炭化水素や一酸化炭素等の還元成分を発生させるもの
であればよく、水素、一酸化炭素等の気体、プロパン、
プロピレン、ブタン等の液体又は気体の炭化水素、ガソ
リン、軽油、灯油等の液体燃料等が使用できる。ここで
は貯蔵、補給等の際の煩雑さを避けるため前述のように
ディーゼルエンジン１５の燃料である軽油を還元剤とし
て使用する。

【００５３】次に、ＮＯx触媒のＳＯx被毒について簡単
に説明する。一般に、内燃機関の燃料には硫黄分が含ま
れており、内燃機関の燃料を燃焼すると、燃料中の硫黄
分が燃焼してＳＯ２やＳＯ３などの硫黄酸化物（ＳＯ
x）が発生する。吸蔵還元型ＮＯx触媒は、上述したＮＯ
x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を吸収する。

【００５４】ところが、ＮＯx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に、ＮＯ
x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。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中のＮＯxの除去を十分に
行うことができなくなり、ＮＯx浄化率が低下する。こ
れが所謂ＳＯx被毒である。

【００５５】このＳＯx被毒から回復させるために行う
処理をＳＯx被毒回復処理と称しているが、ＳＯx被毒回
復処理は、ＮＯx触媒の触媒床温をＳＯx放出温度以上に
するとともに、ＮＯx触媒に流入する排気ガスの空燃比
（排気空燃比）を理論空燃比またはそれよりもリッチに
することにより行っている。

【００５６】したがって、ＮＯx触媒のＳＯx被毒回復処
理の実行時期に、ＮＯx触媒の触媒床温がＳＯx放出温度
に達していないときには、昇温処理を行った上で、排気
空燃比をリッチにするが、この場合はＮＯxの放出、還
元の場合よりも均質なリッチの排気を供給することが好
ましい．なお一般的には、還元剤の供給条件として、還
元剤（この実施の形態では燃料）の供給圧力（ひいては
噴射圧力）、供給期間、供給間隔があり、これは換言す
れば燃料の供給量にほかならない。ここでは燃料の供給
量を変えることなく、その粒径をコントロールすること
で効率的なＮＯxの放出、還元を実行する。

【００５７】以下、排気ポート１３において燃料添加ノ
ズル１９から還元剤を供給するに際し、ディーゼルエン
ジン１の負荷状態を判断し、特に排気の流速に応じて還
元剤としての燃料（軽油）の粒径を制御する場合につい
て説明する。（第１の実施の形態）この実施の形態の排気浄化装置で
は、燃料添加パターンを高吸入空気量の場合と、低吸入
空気量の場合とに分けて、それぞれ異なる燃料添加パタ
ーンによって制御するものとした。

【００５８】この制御は、図３に示す燃料添加ルーチン
に従って実行され、この処理ルーチンは、ＥＣＵ９のＲ
ＯＭに矛め記憶されており、ＣＰＵによって繰り返し実
行されるルーチンである。

【００５９】先ず、図３に示すように、ステップ１００
では、ディーゼルエンジン１の吸入空気量が低いか高い
かを判断する。吸入空気量が低ければステップ１０１に
進み、低吸入空気量マップによる燃料添加を実施し、ま
た吸入空気量が高ければステップ１０２に進み、低吸入
空気量マップによる燃料添加を実施する。

【００６０】燃料の噴射弁の開き初めと閉じ終わりはシ
ートチョークにより燃料粒径が粗くなる。そこで図４に
示すような燃料添加調整を実施する。図４（Ａ）は、低
吸入空気量時における燃料添加を示し、ａは噴射停止、
ｂは噴射を表す。図示のように低吸入空気量時には噴射
時間を長く、また噴射インターバルを長くする。このよ
うにすれば噴射される燃料の粒径は小さくなり、排気の
流速が遅くても排気の流れに乗りやすくなり、排気通路
内に燃料が付着することが低減される。

【００６１】図４（Ｂ）は、高吸入空気量時における燃
料添加を示し、噴射時間を短く、インターバルをきわめ
て短くして複数回にわたり噴射し、比較的長いインター
バルをおいてこれを繰り返す。このようにすれば噴射さ
れる燃料の粒径は大きくなり、添加された燃料が排気の
流れに乗り、排気通路中で蒸発することなく、これをＮ
Ｏx触媒まで到達させることができる。

【００６２】また、図５は電磁弁を使用した燃料噴射ノ
ズル１９から噴射される燃料粒径と、電磁弁のリフト量
との関係を示し、このリフト量が多くなると燃料粒径は
小さくなることを示している。したがって電磁弁のリフ
ト量を変化させて添加される燃料粒径を調整することも
可能である。

【００６３】この実施の形態では、低吸入空気量と高吸
入空気量を判断して切り換えているが、ディーゼルの場
合は噴射量、または噴射量と回転数で領域を定めてもよ
い。 (第２の実施の形態）この実施の形態では、燃料噴射ノ
ズル１９からの燃料噴射の圧力を変化させて低吸入空気
量または高吸入空気量に対応するようにした。

【００６４】この燃料圧力（燃圧）調整は、図６に示す
燃料添加ルーチンに従って実行され、この燃料添加ルー
チンは、ＥＣＵ９のＲＯＭに予め記憶されており、ＣＰ
Ｕによって繰り返し実行されるルーチンである。

【００６５】燃料噴射ノズル１９から燃料噴射の圧力が
高くなると燃料の粒径は小さくなり微粒化するが、通常
の燃料噴射に比べると噴射量が増加する。したがって同
量の燃料を噴射する場合は、噴射期間を短くして添加量
が同一になるように修正しなくてはならない。したがっ
て燃圧の上昇と添加量との関係を予め求め、これをマッ
プとしてＥＣＵ９のＲＯＭに記憶し、ディーゼルエンジ
ン１の運転状況に応じた一定量を供給する際には、圧力
の変化に応じた期間の噴射がされるようにする。

【００６６】図６に示すように、ステップ２００では、
ディーゼルエンジン１が低吸入空気量域の状態である
か、または高吸入空気量域であるか否かを判断する。も
し吸入空気量が高ければステップ２０１に進み、通常燃
圧で燃料添加を実施する。

【００６７】一方、吸入空気量が低ければステップ２０
２に進み、燃圧を上昇させ、燃料の添加量が増大しない
ように添加期間を短くして燃料添加を実施する。 (第３の実施の形態）この実施の形態では、燃料噴射ノ
ズル１９から噴射する燃料の温度を調整して低吸入空気
量または高吸入空気量に対応するようにした。

【００６８】燃料温度は、吸入空気の低流量時には上昇
させて、その高流量時には低下させる。低流量時には燃
料の温度の上昇によってその気化が促進され、粒径は小
さくなり排気通路の壁面付着が減少する。よって添加さ
れた燃料がＮＯx触媒に到達する。

【００６９】一方、高流量時には、排気温度が高くなる
ので添加する燃料の温度を下げて気化を少なくし、その
粒径を大きく保持することで添加された燃料がＮＯx触
媒に到達することができる。

【００７０】この燃料の温度調整は、図7に示す燃料温
度制御ルーチンに従って実行され、この燃料温度制御ル
ーチンは、ＥＣＵ９のＲＯＭに予め記憶されており、Ｃ
ＰＵによって繰り返し実行されるルーチンである。

【００７１】また燃料温度を調整するには、例えば図９
に示すような装置を使用する。ここでは燃料を送る燃料
ポンプ５１と噴射弁１９との間に、混合気５１を介在さ
せ、燃料ポンプ１２から直接、混合気５１に連結された
第１燃料経路５３と、加熱器５２を介して混合気５１に
連結された第２燃料経路５４を備えるようにする。燃料
ポンプ５１から吐出される燃料は、一部が加熱器で加熱
され加熱されていない燃料と混合器５１で混合され、所
定の温度に調整された後、噴射弁１９から排気ポート内
に添加されるようになっている。

【００７２】図７に示すルーチンでは、先ずステップ３
００では吸入空気量が計測される。これはエアフロメー
タ２８からの出力信号によってＥＣＵ９が演算すること
で求められる.。

【００７３】次にステップ３０１において、この吸入空
気量に対して最適となる燃料温度を求める。吸入空気量
と燃料温度との関係は、図８（Ａ）に示すように吸入空
気量が少なければ燃料温度が高く、吸入空気量が増加す
れば燃料温度が低くなるように設定される。これは燃料
の気化の度合いを調整して、最も燃料がＮＯx触媒に到
達しやすい温度を吸入空気量との関係で示すもので、こ
のような関係をマップとしてＥＣＵ９のＲＯＭに予め記
憶しておく。

【００７４】ステップ３０１ではこのマップに基づいて
燃料の温度を求める。次にステップ３０２では、図８
（Ｂ）に示すような燃料温度になるように、混合器５１
内の燃料温度が制御される。すなわち加熱されていない
燃料と加熱された燃料が所定温度になる割合で混合され
る。

【００７５】なお加熱器５２によって燃料を加熱するに
は、高圧に保持した燃料を減圧すると温度が上昇する性
質を利用して、加熱器５２内の燃料に高圧を負荷した
後、これを減圧するか、または加熱器５２内に図示しな
いヒーターを設置して、直接燃料を加熱する等の方法が
採用できる。

【００７６】次に、図１０に温度調節と燃圧調節を組み
合わせた制御ルーチンを示す．ここではステップ４００
でディーゼルエンジン１の吸気量が高いか、または低い
かが判断される。吸入空気量が高ければステップ４０１
に進み、燃圧を通常にして粒径を小さくすることなく燃
料添加が実施されて、このルーチンを終了する。

【００７７】吸入空気量が低ければステップ４０２に進
み、添加燃料の昇温制御を実施するか否かを判断する。
吸入空気量や吸気温度からみて、燃料の昇温制御を実施
すべきであると判断されるときは、燃料温度を所定温度
まで上昇させ、燃料の気化を促進して排気流に燃料が乗
るようにする。次にステップ４０４に進んで燃圧を上昇
させて燃料の微粒化を促進しながら、燃料の添加時間を
修正して所定量の燃料添加を実施して、このルーチンを
終了する。

【００７８】他方、ステップ４０２で添加燃料の昇温制
御を実施すべきでないと判断されるときはステップ４０
３に進む。ステップ４０３では、ＳＯx回復制御を実施
すべきか否かを判断する。ここでＳＯx回復制御を実施
すべきでないと判断するときは、燃圧を通常にして燃料
添加が実施され、このルーチンを終了する。

【００７９】またＳＯx回復制御を実施すべきであると
判断されたときは、燃圧を上昇させて燃料を微粒子化し
均質なリッチの排気を形成するようにし、かつ燃料の添
加時間を修正して所定量の燃料添加を実施して、このル
ーチンを終了する。 (第４の実施の形態）この実施の形態では、燃料噴射ノ
ズル１９から噴射する燃料に高圧の空気を送り込むこと
で、添加燃料の粒径をコントロールする場合を示す。燃
料噴射ノズル１９に高圧の空気を送り、これを燃料と共
に噴射するようにすると、高圧の空気量が多い程、燃料
が微粒化される。これは図１２に示すような装置により
実施することができる。この装置は、燃料ポンプ１２か
ら燃料が送られる噴射弁１９の噴射口に蓄圧器５５が連
結されている。この蓄圧器５５はターボチャージャーま
たは加圧ポンプからの高圧空気を蓄えるものであり、添
加燃料の噴射時には高圧の空気を噴射口に送ることがで
きる。

【００８０】この実施の形態にかかる燃料添加制御は、
図１１に示すルーチンにより実行される。この燃料温度
制御ルーチンは、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ルーチンであ
る。

【００８１】ここではステップ５００でディーゼルエン
ジン１の吸気量が高いか、または低いかが判断される。
低吸入空気量域にある場合、すなわち低吸入空気量域に
ある場合、すなわち吸入空気量が低ければ、ステップ５
０２に進み、エアーアシストを行い、添加燃料を微粒化
する。

【００８２】吸入空気量が高ければステップ５０１に進
み、ＳＯx被毒回復制御を実施するか否かを判断する。
前回のＳＯx被毒回復制御を終了した後から現在までの
走行距離、ＮＯx触媒温度からみて、ＳＯx被毒回復制御
を実施すべきでないときは、このルーチンを一担終了す
る。

【００８３】一方、ＳＯx被毒回復制御を実施すべきで
あると判断されるときは、ステップ５０２に進み、エア
ーアシスト、すなわち蓄圧器からの高圧の空気を燃料噴
射口に送り、添加燃料を微粒化させる。これにより排気
が均一にリッチとなるので、ＳＯx被毒回復に適した状
態を形成できる。〔他の実施の形態〕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。

【００８４】

【発明の効果】本発明の内燃機関の排気浄化装置によれ
ば、還元剤の添加位置とＮＯx触媒が離れている場合で
あっても、種々の手段により添加還元剤の粒径をコント
ロールする。すなわち、内燃機関が高負荷状態のとき
は、添加される還元剤の粒径を大きくして、排気通路の
温度が比較的高く、排気通路内に付着する還元剤が少な
い状態において、粒径の大きい還元剤をＮＯx触媒に到
達させることができる。

【００８５】反対に、低負荷状態のときは添加還元剤の
粒径を小さくすることで、排気通路内の壁面付着を減少
させ、還元剤を排気流に乗せてＮＯx触媒に到達させる
ことができる。

【００８６】よって適切な量の還元剤をＮＯx触媒に到
達させ、効率のよいＮＯx還元をすることができる効果
がある。

【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】燃料添加パターンを示すフローチャート図であ
る。

【図４】吸入空気量に応じた燃料噴射のパターンを示す
図である。

【図５】燃料の粒径と燃料を噴射する噴射弁のリフト量
の関係を示す図である。

【図６】吸入空気量に応じて燃圧を調整するルーチンを
示すフローチャート図である。

【図７】吸入空気量に応じて添加燃料の温度を調整する
ルーチンを示すフローチャート図である。

【図８】（Ａ）吸入空気量とそれに対応する燃料温度と
の関係を示す図である。（Ｂ）燃料温度と混合器の制御
値との関係を示す図である。

【図９】燃料温度を調整するための装置の構成を示す図
である．

【図１０】吸入空気量に応じて昇温制御及び燃圧の調整
を実行するルーチンを示すフローチャート図である。

【図１１】吸入空気量及びＳＯx被毒回復の要否に応じ
て高圧空気による添加燃料の噴射補助を実行するルーチ
ンを示すフローチャート図である。

【図１２】高圧空気による添加燃料の噴射補助を実行す
るための装置の概略図である。

【符号の説明】

１ディーゼルエンジン（内燃機関）２吸気マニホールド（吸気系）３吸気管６ターボチャージャ９ＥＣＵ（エンジンコントロール用電子制御ユニッ
ト）１０燃料噴射弁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吸蔵還元型ＮＯx触媒１９燃料添加ノズル２０燃料パイプ２１燃料通路２２制御弁２３ＥＧＲ管２４ＥＧＲクーラ２５ＥＧＲ弁２６排気温センサ２７クランク角センサ２８アクセル開度センサ

───────────────────────────────────────────────────── 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 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 BA11X BA14X BA15X BA18X BA30X BA35X BA41X CC61 DA01 DA02 DA03 DA10 DA20 EA04

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設け
られ、吸収したＮＯxを還元剤によって放出して還元す
るＮＯx触媒と、このＮＯx触媒の上流の排気通路に設けられた還元剤供
給手段と、内燃機関の負荷を検出する負荷検出手段と、内燃機関の負荷に応じて添加還元剤の粒径を制御する粒
径制御手段と、を備え、前記負荷検出手段により検出された負荷に基づ
いて粒径が制御された還元剤をＮＯx触媒に添加するこ
とを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】車両の運転状態に応じて還元剤添加の可否
を判断する添加可否判断手段をさらに備え、前記添加可
否判断手段により添加可能と判断された時には、前記負
荷検出手段により検出された負荷に基づいて粒径が制御
された還元剤をＮＯx触媒に添加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。
【請求項３】内燃機関の負荷が小さい時には、内燃機関
の負荷が大きいときに比較して添加する還元剤の粒径を
小さくす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】前記粒径制御手段は、還元剤の粒径の制御
を還元剤の噴射圧力を変化させることにより行う請求項
１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】前記粒径制御手段は、還元剤の粒径の制御
を還元剤の噴射ノズルの噴孔の大きさを調整することで
行う請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装
置。
【請求項６】前記粒径制御手段は、還元剤の粒径の制御
を還元剤の温度を調整することで行う請求項１または２
に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】前記粒径制御手段は、還元剤の粒径の制御
を還元剤の噴射ノズルに供給する空気量を調整すること
で行う請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装
置。