JP2002295246A

JP2002295246A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2002295246A
Application number: JP2001098244A
Authority: JP
Inventors: Takashi Fukuda; 隆福田; Hirobumi Tsuchida; 博文土田; Shunichi Shiino; 俊一椎野; Isamu Hotta; 勇堀田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2002-10-09

Abstract

(57)【要約】【課題】エンジン１の排気通路１１に、低温でＮＯｘ
をトラップ可能なゼオライト触媒１４を配置する場合
に、高温でＮＯｘを浄化可能なＮＯｘトラップ触媒１２
が活性するまでの期間におけるゼオライト触媒１４から
のＮＯｘの脱離を抑制する。【解決手段】ゼオライト触媒１４に流入する水分量、
排気温度、排気流量などを基に、ゼオライト触媒１４へ
の熱の収支を求める。又は、ゼオライト触媒１４の温度
あるいは温度上昇率を求める。これらにより、ＮＯｘ脱
離条件と判断された場合に、ゼオライト触媒１４の温度
上昇を抑制する。具体的には、空燃比のリーン化や点火
時期の進角により排気温度を低下させるか、ゼオライト
触媒１４に流入する水分量を抑制するように制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の排気浄
化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、排気クリーン化の要望は日々増加
の一途をたどっている。これに対応するため、内燃機関
では排気通路中に排気浄化触媒を設け、排気を浄化した
後に大気中に排出しているが、機関始動直後等の低温状
態（例えば２００℃以下）においては排気浄化触媒が未
活性の状態であり、浄化が十分に行えない。

【０００３】一方、特開平１−１５５９３４号公報に
は、道路トンネルにおける換気ガスの浄化（ＮＯｘ除
去）のため、比較的低い温度においてＮＯｘを吸着でき
るゼオライトを使用し、トンネル中に排出されたＮＯｘ
をゼオライトに吸着、浄化する技術について記載されて
いる。特にこの技術では、トンネル中のＮＯｘをゼオラ
イトに低温（常温）で吸着し、その後加熱（約１５０
℃）してＮＯｘを脱離し、その際還元してＮＯｘを浄化
している。また、ガス中に含まれる水分によるゼオライ
トのＮＯｘ吸着能の低下を防止するため、シリカゲルを
用いて予め除湿したガスをゼオライトに導いている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
技術を内燃機関の排気浄化装置に適用し、通常の排気浄
化触媒が温度上昇し、活性化するまでの期間について、
ＮＯｘをトラップ、浄化させようとした場合、ゼオライ
トからのＮＯｘの脱離が約１５０℃で起こると記載され
ており、このとき前記通常の排気浄化触媒は約２００℃
以下では未活性状態のため、脱離したＮＯｘが浄化され
ないまま排出されてしまうという問題点があった。

【０００５】その一方、本発明者らの実験結果から、内
燃機関から排出される排気を除湿することなく、排気中
にある程度の水分を含ませた場合には、前述のようにＮ
Ｏｘ吸着能が若干阻害される反面、低温でのＮＯｘの脱
離が抑制され、触媒活性温度以上の高温までＮＯｘの脱
離を抑制できることが明らかになった。しかし、急激に
排気中の水分濃度が上昇した場合には、水の吸着熱によ
りゼオライトの温度が上昇し、ＮＯｘが脱離することが
確認された。

【０００６】本発明は、このような背景の下、内燃機関
の排気浄化装置として低温でのＮＯｘ吸着能に優れるゼ
オライトを用いる場合に、低温でのＮＯｘの脱離をでき
る限り抑制できるようにすることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このため、請求項１の発
明では、排気通路に、触媒温度が所定温度以下のときに
ＮＯｘをトラップ可能なゼオライトを含有する触媒を配
置した内燃機関の排気浄化装置において、前記ゼオライ
ト触媒の昇温状態を判定する触媒状態判定手段と、この
判定結果に基づいて前記ゼオライト触媒の温度上昇を抑
制する触媒温度抑制手段とを設けたことを特徴とする。

【０００８】請求項２の発明では、前記触媒状態判定手
段は、少なくとも前記ゼオライト触媒に流入する水分
量、排気温度、排気流量を基に、前記ゼオライト触媒へ
の熱の収支を求めるものであり、前記触媒温度抑制手段
は、前記熱の収支に基づくトータルの受熱量が所定値よ
り大きいと判断された場合に、前記ゼオライト触媒の温
度上昇を抑制するものであることを特徴とする。

【０００９】また、請求項３の発明では、前記触媒状態
判定手段は、前記ゼオライト触媒の温度上昇率を求める
ものであり、前記触媒温度抑制手段は、前記温度上昇率
が所定値より大きいと判断された場合に、前記ゼオライ
ト触媒の温度上昇を抑制するものであることを特徴とす
る。また、請求項４の発明では、前記触媒状態判定手段
は、前記ゼオライト触媒の温度を求めるものであり、前
記触媒温度抑制手段は、前記温度が所定値より大きいと
判断された場合に、前記ゼオライト触媒の温度上昇を抑
制するものであることを特徴とする。

【００１０】請求項５の発明では、前記触媒状態判定手
段は、前記ゼオライト触媒、排気通路、若しくは機関本
体に設けられた温度センサからの信号を基に、前記ゼオ
ライト触媒の昇温状態を判定することを特徴とする。請
求項６の発明では、前記触媒温度抑制手段は、内燃機関
の空燃比をリーン化することで、前記ゼオライト触媒の
温度上昇を抑制することを特徴とする。

【００１１】また、請求項７の発明では、前記触媒温度
抑制手段は、内燃機関の燃焼時期を進角することで、前
記ゼオライト触媒の温度上昇を抑制することを特徴とす
る。尚、燃焼時期を進角するには、点火時期を進角する
のが一般的である。また、請求項８の発明では、前記触
媒温度抑制手段は、前記ゼオライト触媒に流入する水分
量を抑制することで、前記ゼオライト触媒の温度上昇を
抑制することを特徴とする。この場合に、請求項９の発
明では、前記触媒温度抑制手段として、前記ゼオライト
触媒の上流側にて、排気通路を流量比制御弁により流量
比を制御可能とした並列な２系統にし、そのうち一方
に、排気中の水分をトラップする水分トラップを配置し
たことを特徴とする。

【００１２】請求項１０の発明では、排気通路に、前記
ゼオライト触媒とは別に、所定の活性状態において、Ｎ
Ｏｘを浄化可能な触媒が設けられ、前記触媒温度抑制手
段は、前記別の触媒が活性化するまでの期間において、
動作するようにしたことを特徴とする。

【００１３】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、ゼオライト触
媒の昇温状態を判定し、その判定結果に基づいてＮＯｘ
脱離条件である場合にゼオライト触媒の温度上昇を抑制
することで、ゼオライト触媒の温度上昇によるＮＯｘ脱
離を抑制することができる。請求項２の発明によれば、
ゼオライト触媒の昇温状態として、ゼオライト触媒に流
入する水分量、排気温度、排気流量などを基に、ゼオラ
イト触媒への熱の収支を求め、その結果トータルの受熱
量が所定値より大きいと判断された場合に、ＮＯｘ脱離
条件であるとして、触媒温度抑制手段によりゼオライト
触媒の温度上昇を抑制するので、正確にまた応答遅れな
く、ゼオライト触媒の状態を把握でき、ゼオライト触媒
の温度上昇によるＮＯｘ脱離を確実に抑制可能である。

【００１４】請求項３の発明によれば、ゼオライト触媒
の昇温状態として、ゼオライト触媒の温度上昇率を求
め、この温度上昇率が所定値より大きいと判断された場
合に、ＮＯｘ脱離条件であるとして、触媒温度抑制手段
によりゼオライト触媒の温度上昇を抑制するので、請求
項２に対して簡素化された推定でゼオライト触媒の状態
を把握でき、コントロールユニット内での計算を簡素化
できると共に、ゼオライト触媒の温度上昇によるＮＯｘ
脱離を確実に抑制可能である。

【００１５】請求項４の発明によれば、ゼオライト触媒
の昇温状態として、ゼオライト触媒の温度を求め、この
温度が所定値より大きいと判断された場合に、ＮＯｘ脱
離条件であるとして、触媒温度抑制手段によりゼオライ
ト触媒の温度上昇を抑制するので、請求項３に対して更
に簡素化された推定でゼオライト触媒の状態を把握で
き、コントロールユニット内での計算を更に簡素化でき
ると共に、ゼオライト触媒の温度上昇によるＮＯｘ脱離
を確実に抑制可能である。

【００１６】請求項５の発明によれば、ゼオライト触媒
の昇温状態の判定に、ゼオライト触媒、排気通路、若し
くは機関本体に設けられた温度センサを用いることで、
簡便な方法にてゼオライト触媒の状態を把握することが
できる。請求項６の発明によれば、触媒温度抑制に際
し、内燃機関の空燃比をリーン化することで、吸入空気
量の増加により排気温度を低下させ、ゼオライト触媒の
温度上昇を確実に抑制することができる。

【００１７】請求項７の発明によれば、触媒温度抑制に
際し、内燃機関の燃焼時期を進角することで、筒内での
熱発生を多くして排気温度を低下させ、ゼオライト触媒
の温度上昇を確実に抑制することができる。請求項８の
発明によれば、触媒温度抑制に際し、ゼオライト触媒に
流入する水分量を抑制することで、特に暖機中での低排
気温度時において、水の吸着による温度上昇を抑制でき
るため、ゼオライト触媒の温度を確実に低下させること
ができる。

【００１８】請求項９の発明によれば、ゼオライト触媒
に流入する水分量を抑制するに際し、ゼオライト触媒の
上流側に水分トラップを設けて、これを通過する排気の
割合を制御することで、ゼオライト触媒に流入する水分
量を単に抑制するのみならず、所望の水分量を得ること
ができる。請求項１０の発明によれば、ゼオライト触媒
の温度を制御する期間を、ゼオライト触媒とは別に設け
られたＮＯｘ浄化触媒が活性するまでの期間としている
ので、ＮＯｘ浄化触媒が浄化できないＮＯｘを処理可能
となる。また、ＮＯｘ浄化触媒の活性後は不要な動作を
行わないため、装置の信頼性の向上も図れる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。先ず本発明の第１実施形態につい
て説明する。図１は本発明の第１実施形態を示す内燃機
関（以下エンジンという）のシステム図である。

【００２０】エンジン１の吸気通路２には吸入空気量を
制御する電制スロットル弁３が設けられている。また、
エンジン１の各気筒の燃焼室に臨ませて、燃料噴射弁４
が設けられると共に、点火プラグ５が設けられている。
これらは、コントロールユニット（以下Ｃ／Ｕという）
６により駆動される。Ｃ／Ｕ６には、アクセルペダルセ
ンサ７からのアクセル開度信号（Ａｐｏ）、クランク角
センサ８からのクランク角信号（これによりエンジン回
転数Ｎｅを算出可能）、吸気通路２に設けたエアフロー
メータ９からの吸入空気量信号（Ｑａ）、水温センサ１
０からのエンジン冷却水温信号（Ｔｗ）が入力され、更
に、図示しないが、トランスミッションのギア位置信
号、車速センサからの車速信号、スタータスイッチの信
号なども入力されている。

【００２１】Ｃ／Ｕ６では、これらの入力信号に基づ
き、運転条件に応じて、電制スロットル弁３の開度、燃
料噴射弁４の燃料噴射量及び噴射時期、更に点火プラグ
５の点火時期を制御している。特に本実施形態のエンジ
ン１では、エンジン始動直後から吸気行程噴射による均
質リーン運転を行う。この場合、エンジン始動直後（暖
機中）には、水温センサ１０にて検出されたエンジン冷
却水温Ｔｗに基づき、空燃比（Ａ／Ｆ）を、図２に示す
ようなＡ／Ｆリッチ化補正係数により暖機後の空燃比を
基準に水温Ｔｗが低いほどリッチ方向に補正するが、補
正後の空燃比が理論空燃比よりリッチになることはな
く、始動直後から弱リーン運転を行い、触媒活性の早期
化と燃費向上との両立を図っている。このとき圧縮行程
噴射による成層リーン運転も可能であるが、成層リーン
運転では均質リーン運転と比べ、さらにリーン空燃比で
の運転となり、排気温度の低下により触媒活性が遅れる
ため、通常は均質リーン運転を行っている。

【００２２】暖機後（触媒活性後）は、図３に示すよう
にエンジン回転数（Ｎｅ）と負荷（目標トルク）とに応
じて、低回転低負荷域においては、圧縮行程噴射による
成層リーン運転を行い、中回転中負荷域においては吸気
行程噴射による均質リーン運転を行い、高回転高負荷域
においては吸気行程噴射による均質理論空燃比運転を行
う。

【００２３】エンジン１からの排気は排気通路１１より
排出されるが、この排気通路１１には、各気筒からの排
気を集合するマニホールド部の下流側に、ＮＯｘトラッ
プ触媒１２が設けられ、更にその下流側に、水分トラッ
プ１３が設けられ、更にその下流側に、ゼオライト触媒
１３が設けられており、排気はこれらを通過後に大気中
に排出される。

【００２４】ＮＯｘトラップ触媒１２は、例えば、白金
Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ等の貴金属を少な
くとも１成分担持したアルミナをハニカム担体にコーテ
ィングした三元触媒に、更にバリウムＢａで代表される
アルカリ土類、セシウムＣｓで代表されるアルカリ金属
から選ばれた少なくとも１成分を添加してＮＯｘトラッ
プ機能を持たせたものであり、所定温度（例えば２００
℃）以上の活性状態において、空燃比がリーンの時は排
気中のＮＯｘをトラップし、空燃比が理論空燃比又はリ
ッチの時にトラップされているＮＯｘを脱離浄化（トラ
ップしているＮＯｘを放出すると同時に排気中のＨＣ、
ＣＯ等の還元成分により還元浄化）するものである。

【００２５】水分トラップ１３は、排気中の水分を一時
的にトラップするもので、この水分トラップ１３として
は、シリカゲル、活性炭、ゼオライト、アルミナ等を使
用できるが、排気系での耐久性を考えた場合、ゼオライ
トかアルミナが有効である。ここでは、低温での吸水性
に優れるＡ型ゼオライトを使用し、これをハニカム担体
にコーティングして、水分トラップ１３を構成してい
る。

【００２６】また、この水トラップ１３は排気中の水分
をほぼ全量トラップするものでなく、ハニカム担体の各
セルの大きさを調整するなどして、１割から２割の水分
はそのまま下流側のゼオライト触媒１４まで到達するも
のを選定してある。ゼオライト触媒１４は、主にゼオラ
イトで構成されたものである。ここでゼオライトとして
は、例えばβゼオライト、Ａ型ゼオライト、Ｙ型ゼオラ
イト、Ｘ型ゼオライト、ＺＳＭ−５、ＵＳＹ、モルデナ
イト、フェリエライトを使用でき、これらのゼオライト
をハニカム担体にコーティングして構成されたものであ
る。このようなゼオライト触媒１４では、触媒温度が例
えば１００℃以下というような低温条件でもＮＯｘをト
ラップすることができる。

【００２７】また、このゼオライト触媒１４には、その
表層に更に白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ等
の貴金属を担持したアルミナをコーティングしている。
このため、ゼオライト触媒１４の温度が上昇してＮＯｘ
が脱離する場合に、ＮＯｘの浄化を触媒作用で促進する
ことが可能である。以上の構成における本実施形態の実
際の動作を図４及び図５のフローチャートにより説明す
る。

【００２８】図４はメインルーチンである。Ｓ１では、
各種信号を読込む。Ｓ２では、ＮＯｘトラップ触媒１２
の活性状態を判定し、活性前と判定された場合はＳ３へ
進み、活性後と判定された場合はＳ１０へ進む。ここで
の活性前か否かの判定は、図６に示すように予めエンジ
ン冷却水温ＴｗとＮＯｘトラップ触媒１２の触媒温度と
の関係を実験で求めておき、このテーブルから水温Ｔｗ
に基づいて触媒温度を推定し、これが所定温度以下か否
かを判定しているが、温度センサにより触媒温度を直接
検出するようにしても良く、また公知の他の技術を基に
判定してもよい。

【００２９】Ｓ３では、成層リーン運転を行っている
（すなわち、エンジン暖機中の通常の運転モードである
均質リーン運転ではなく、後述するＳ９において切換え
られた成層リーン運転を行っている）か否かを判定し、
成層リーン運転中の場合はＳ４へ進み、そうでない（す
なわち均質リーン運転）の場合はＳ７へ進む。Ｓ４で
は、成層リーン運転時間のカウンタを積算（カウントア
ップ）する。

【００３０】Ｓ５では、Ｓ４で積算されたカウンタ値と
所定値とを比較し、所定値（例えば１０秒）に達した場
合はＳ６へ進み、そうでない場合はリターンする。Ｓ６
では、次回のために成層運転リーン運転時間のカウンタ
を初期化（クリア）する。このＳ４〜Ｓ６の処理は、後
述するＳ９において成層リーン運転に切換えた場合に、
この成層リーン運転を少なくとも所定時間（例えば１０
秒）継続して行うべくカウンタを処理するために設けて
ある。

【００３１】Ｓ７では、図５のサブルーチンに従って、
ゼオライト触媒１４の触媒状態判定処理を行う。これに
ついて詳細は後述するが、これによりゼオライト触媒１
４の昇温状態に基づいてゼオライト触媒１４の温度抑制
条件（ＮＯｘ脱離条件）か否かが判定される。Ｓ８で
は、Ｓ７でのゼオライト触媒１４の触媒状態判定処理の
結果に基づき、ゼオライト触媒１４の温度抑制条件であ
るか否かの判定を行い、温度抑制条件である場合はＳ９
へ進み、そうでない場合はリターンする。

【００３２】Ｓ９では、ゼオライト触媒１４の温度を抑
制するために、エンジン暖機中の通常の運転モードであ
る均質リーン運転から、成層リーン運転に、所定時間切
換えるように処理して、リターンする。ここでの処理に
は、すでに均質リーン運転に切換えられていて、この均
質リーン運転が更に所定時間継続するように処理する場
合も含まれる。

【００３３】尚、本実施形態では、ゼオライト触媒１４
の温度上昇を抑制するため、均質リーン運転から成層リ
ーン運転に切換えることで、エンジン１の空燃比をリー
ン化し、これによる吸入空気量の増加により排気温度を
低下させているが、運転モードを変更することなく、空
燃比をリーン化するようにしても良い。また、ゼオライ
ト触媒１４の温度上昇を抑制するため、エンジン１の燃
焼時期、具体的には点火プラグ５の点火時期を進角し、
これにより排気温度を低下させるようにしても良い。

【００３４】Ｓ１０では、ゼオライト触媒１４の上流側
に設けられたＮＯｘトラップ触媒１２の活性後であるの
で、その活性までの間にゼオライト触媒１４にトラップ
したＮＯｘの脱離浄化処理をすでに終了したか否かの判
定を行い、ゼオライト触媒１４が脱離浄化処理前の場合
はＳ１１へ進み、脱離浄化処理後の場合はリターンす
る。

【００３５】Ｓ１１では、ゼオライト触媒１４にトラッ
プされているＮＯｘの脱離浄化処理を行う。具体的に
は、所定期間、エンジン１の空燃比をリッチ化し、ゼオ
ライト触媒１４からＮＯｘを脱離させると同時に、ゼオ
ライト触媒１４の表層にある貴金属触媒によって還元浄
化する。この処理を行うことで、その後の触媒温度の上
昇や排気流速の上昇で、トラップしたＮＯｘを未浄化の
まま排出してしまうことを防止できる。

【００３６】次に図５の触媒状態判定処理のサブルーチ
ンについて説明する。Ｓ２１では、各種信号を読込む。
Ｓ２２では、吸入空気量と燃料噴射量とから排気流量
（重量）を計算する。Ｓ２３では、図７に示すように、
エンジン回転数（Ｎｅ）とトルクとから、予め実験で排
気温度を求めておいたマップより、排気温度Ｔｅｘを検
索する。

【００３７】Ｓ２４では、図８に示すように、エンジン
回転数（Ｎｅ）とトルクとから、予め実験でエンジン１
から単位時間あたりに排出される排気中の水分量を求め
ておいたマップより、単位時間あたりの排気中の水分量
Ｍｗを検索する。ここでは水分の濃度でなく単位時間あ
たりの水分量を求めるため、エンジン回転数やトルクに
ほぼ比例している。

【００３８】Ｓ２５では、図９に示すように、排気流量
と熱伝達率（排気とゼオライト触媒との熱伝達率）との
関係を予め実験で求めておいたテーブルを参照し、Ｓ２
２で求めた排気流量より、熱伝達率ｈを検索する。Ｓ２
６では、ゼオライト触媒１４から単位時間あたりに排気
が奪う熱量（単位時間あたりに流出する放熱量）Ｑｅｘ
を求める。

【００３９】本実施形態の場合、ゼオライト触媒１４が
ＮＯｘをトラップする期間においては、上流にＮＯｘト
ラップ触媒１２が配置される等のこともあり、ゼオライ
ト触媒１４に流入する排気は低温であるため、後述する
水の吸着熱による触媒温度の上昇を排気が冷却するとい
う形態と考えられる。このため、ゼオライト触媒１４か
ら単位時間あたりに流出する放熱量Ｑｅｘは、次式で表
わされる。

【００４０】Ｑｅｘ＝ｈ×Ａ×（Ｔｅｘ−Ｔｃａｔ）・・・・・・（１）ここで、ｈ：排気とゼオライト触媒との熱伝達率Ａ：排気とゼオライト触媒との有効表面積Ｔｅｘ：ゼオライト触媒に流入する排気温度（平均
値）Ｔｃａｔ：ゼオライト触媒の表面温度（平均値）である。

【００４１】ゼオライト触媒１４に流入する排気温度Ｔ
ｅｘとしては、Ｓ２３で求めた排気温度を用いる。ゼオ
ライト触媒１４の表面温度Ｔｃａｔとしては、排気温度
に応じて予め実験で求めておいたものを用いる。尚、こ
こでは簡素化のためそれぞれ平均値を予め実験で求めて
いるが、必要に応じて局所的な値を積分して求めておい
てもよい。

【００４２】Ｓ２７では、ゼオライト触媒１４に排気中
の水分が吸着された場合の単位時間あたりの水吸着によ
る発熱量Ｑｗを求める。ここでは、Ｓ２４で求めたエン
ジン１から単位時間あたりに排出される排気中の水分量
Ｍｗのうち、ゼオライト触媒１４の上流に配置されてい
る水分トラップ１３によりトラップされた残りが、ゼオ
ライト触媒１４に流入すると考える。

【００４３】水分トラップ１３のトラップ率は、主に排
気流速と排気温度とに支配されるが、本実施形態での水
分トラップ１３の使用範囲では温度による影響は無視し
てもよく、図１０に示すように排気流速（排気流量と通
過断面積）により求めることができる。また、更に上流
側にはＮＯｘトラップ触媒１４があるが、これは水分ト
ラップ１３と比較すると水分のトラップは少ないため、
本実施形態では無視したが、もちろん考慮しても良い。

【００４４】従って、エンジン１から単位時間あたりに
排出される排気中の水分量をＭｗ、水分トラップ１３の
トラップ率をηｗとすると、ゼオライト触媒１４に流入
する単位時間あたりの水分量Ｍｗｚは、Ｍｗｚ＝Ｍｗ×（１−ηｗ）・・・・・・（２）により表される。

【００４５】以上でゼオライト触媒１４に流入する単位
時間あたりの水分量Ｍｗｚが求まるので、予め実験で求
めておいた、単位水分量あたりの吸着熱量をＫとする
と、ゼオライト触媒１４での単位時間あたりの水吸着に
よる発熱量Ｑｗは、Ｑｗ＝Ｋ×Ｍｗ×（１−ηｗ）＝Ｋ×Ｍｗｚ・・・・・・（３）表わされる。

【００４６】Ｓ２８では、先ず、Ｓ２７で求めたゼオラ
イト触媒１４の単位時間あたりの水吸着による発熱量Ｑ
ｗから、Ｓ２６で求めたゼオライト触媒１４から排気に
よって単位時間あたりに流出する放熱量Ｑｅｘを減算す
ることで、ゼオライト触媒１４での熱の収支（Ｑｗ−Ｑ
ｅｘ）を求める。次に、このゼオライト触媒１４での熱
の収支（Ｑｗ−Ｑｅｘ）、すなわちトータルでの受熱量
（Ｑｗ−Ｑｅｘ）が所定値Ｑｔｈ以上か否かを判定し、
所定値以上の場合はＳ２９へ進み、所定値未満の場合は
リターンする。

【００４７】この判定は、ゼオライト触媒１４での水分
吸着による発熱量と、排気により奪われる熱量とを比較
し、水分吸着による発熱量が所定量以上多い場合には、
その後にゼオライト触媒１４が温度上昇し、それによっ
てトラップされたＮＯｘが未浄化のまま脱離する恐れが
あるため、ゼオライト触媒１４の温度を抑制する必要が
あるからである。

【００４８】Ｓ２９では、ゼオライト触媒１４の温度上
昇を抑制する制御を行わせるため、温度抑制条件と判定
する。すなわち、温度抑制条件であるとしてメモリに記
憶し、メインルーチンで触媒温度抑制制御を行わせる。
以上の動作をさせることで、始動直後のエンジン冷間時
から、ＮＯｘトラップ触媒１２が未活性の期間において
もゼオライト触媒１４にＮＯｘをトラップ可能であり、
また不意のＮＯｘ脱離を抑制可能となるため、始動直後
からＮＯｘ排出を抑制可能な排気浄化システムを実現で
きる。

【００４９】次に本発明の第２実施形態について説明す
る。図１１は本発明の第２実施形態を示すエンジンのシ
ステム図である。第１実施形態（図１）とは排気系の構
成のみが異なるので、排気系の構成について説明する。
エンジン１からの排気は排気通路１１より排出される
が、この排気通路１１には、各気筒からの排気を集合す
るマニホールド部の下流側に、ＮＯｘトラップ触媒１２
が設けられている。

【００５０】そして、排気通路１１は、ＮＯｘトラップ
触媒１２の下流側で、主排気通路１１Ａと分岐排気通路
１１Ｂとの２系統に分岐され、分岐部に設けた流量比制
御弁１５により主排気通路１１Ａ及び分岐排気通路１１
Ｂへの流量比を制御可能としている。この流量比制御弁
１５はＣ／Ｕ６からの指令により動作する。ここにおい
て、分岐排気通路１１Ｂ中に、水分トラップ１３が設け
られている。

【００５１】そして、主排気通路１１Ａと分岐排気通路
１１Ｂとは下流側で再び合流し、この合流部より下流側
に、ゼオライト触媒１４が設けられている。前記ＮＯｘ
トラップ触媒１２、水分トラップ１３及びゼオライト触
媒１４自体の構成は、既に述べた通りである。但し、水
分トラップ１３については、これに流入する排気中の水
分の略全量をトラップするものでかまわない。

【００５２】また、本実施形態の場合、ゼオライト触媒
１４には、その触媒温度Ｔｃａｔの検出のため、温度セ
ンサ１６が装着されており、その信号はＣ／Ｕ６に入力
されている。以上の構成における本実施形態の実際の動
作を図１２及び図１３のフローチャートにより説明す
る。

【００５３】図１２はメインルーチンである。Ｓ３１で
は、各種信号を読込む。Ｓ３２では、スタータスイッチ
がＯＮであるか否かを判定し、スタータスイッチがＯＮ
である場合にはＳ３３へ進み、ＯＦＦである場合にはＳ
３４へ進む。Ｓ３３では、スタータスイッチがＯＮの始
動時であるので、水トラップ１３側（分岐排気通路１１
Ｂ）に所定割合の排気を流すように、流量比制御弁１５
を開度設定する。ここでの処理は、エンジン始動時から
水トラップ１３に排気の所定割合を通過させ、下流側の
ゼオライト触媒１４に流入する排気中の水分を所定量低
下させるために行う。

【００５４】この時制御する値は、ゼオライト触媒１４
へ流入する水分濃度を１〜２％にすると、ゼオライト触
媒１４でのＮＯｘトラップ量と不意のＮＯｘ脱離抑制量
とのバランスが良いため、この値を狙って設定すればよ
い。例えばファーストアイドル条件でＡ／Ｆ＝２０とす
ると、水分濃度は約９％程度のため、ゼオライト触媒１
４への水分量を１〜２％程度にするには、水分トラップ
１３の水分トラップ率はほぼ１００％なので、排気の約
８〜９割を水トラップ１３側に流すように制御すればよ
い。実際にはエンジン１から排出される排気の水分濃度
はＡ／Ｆ等によって変化するが、水分量リーン運転状態
では水分量自体はほぼ一定のため、本実施形態では開度
固定としている。しかし、より正確に制御するために
は、必要に応じて流量比制御弁１５を随時制御するよう
にしてもかまわない。

【００５５】Ｓ３４では、ＮＯｘトラップ触媒１２の活
性状態を判定し、活性前と判定された場合はＳ３５へ進
み、活性後と判定された場合はＳ３９へ進む。Ｓ３５で
は、図１３のサブルーチンに従って、ゼオライト触媒１
４の触媒状態判定処理を行う。これについて詳細は後述
するが、これによりゼオライト触媒１４の昇温状態に基
づいてゼオライト触媒１４の温度抑制条件（ＮＯｘ脱離
条件）か否かが判定される。

【００５６】Ｓ３６では、Ｓ３５でのゼオライト触媒１
４の触媒状態判定処理の結果に基づき、ゼオライト触媒
１４の温度抑制条件であるか否かの判定を行い、温度抑
制条件である場合はＳ３７へ進み、そうでない場合はリ
ターンする。Ｓ３７では、前回後述するＳ３８にて流量
比制御弁１５により排気の流量比を変更してから所定時
間（例えば３０秒）経過したか否かを判定し、所定時間
経過した場合（始動後１度も流量比を変更していない場
合も含む）はＳ３８へ進み、所定期間経過していない場
合はリターンする。

【００５７】Ｓ３８では、ゼオライト触媒１４の状態が
温度上昇傾向にあるため、排気中の水分を抑制するため
に、流量比制御弁１５によって所定値（例えば５％）だ
け水トラップ１３側に流す排気の割合を増加させること
で、排気中の水分量を低下させる。これにより、ゼオラ
イト触媒１４での水の吸着熱を減少させて、温度上昇を
抑制する。ここでの所定値は、使用するゼオライト触媒
１４及び水トラップ１３、またこれらの配置等にもよる
ため、使用する排気系に応じて設定することになる。

【００５８】尚、前記Ｓ３７にて前回の流量比の変更か
ら所定時間経過したか否かを判定しているのは、このＳ
３８にて所定割合だけ水トラップ１３に流入する排気の
割合を増加させてから、所定時間（例えば３０秒）経過
するまで待機し、ゼオライト触媒１４の状態が変化する
まで待つためである。Ｓ３９では、ゼオライト触媒１４
の上流側に設けられたＮＯｘトラップ触媒１２の活性後
であるので、その活性までの間にゼオライト触媒１４に
トラップしたＮＯｘの脱離浄化処理をすでに終了したか
否かの判定を行い、ゼオライト触媒１４が脱離浄化処理
前の場合はＳ４０へ進み、脱離浄化処理後の場合はＳ４
１へ進む。

【００５９】Ｓ４０では、ゼオライト触媒１４にトラッ
プされているＮＯｘの脱離浄化処理を行う。具体的に
は、所定期間、エンジン１の空燃比をリッチ化し、ゼオ
ライト触媒１４からＮＯｘを脱離させると同時に、ゼオ
ライト触媒１４の表層にある貴金属触媒によって還元浄
化する。この後、Ｓ４１へ進む。Ｓ４１では、ゼオライ
ト触媒１４の脱離浄化処理が終了し、且つ排気温度が上
昇している条件のため、排気を水トラップ１３に全量流
し、それまでトラップした水を脱離し、次回のトラップ
に備えている。尚、本実施形態では、水トラップ１３の
再生後も水トラップ１３を排気が通過する制御とした
が、水トラップ１３の再生後は水トラップ１３に排気を
流さないようにしてもよい。

【００６０】次に図１３の触媒状態判定処理のサブルー
チンについて説明する。Ｓ５１では、ゼオライト触媒温
度センサ１６の信号を読込んで、ゼオライト触媒１４の
触媒温度Ｔｃａｔを検出する。Ｓ５２では、Ｓ５１での
検出データに基づいて、ゼオライト触媒１４の温度上昇
率（単位時間あたりの温度上昇量）ΔＴｃａｔを求め
る。

【００６１】Ｓ５３では、ゼオライト触媒１４の温度上
昇率ΔＴｃａｔを所定値ΔＴｔｈと比較し、ΔＴｔｈ以
上の場合はＳ５４へ進み、ΔＴｔｈ未満の場合はリター
ンする。Ｓ５４では、ゼオライト触媒１４の温度上昇を
抑制する制御を行わせるため、温度抑制条件と判定す
る。すなわち、温度抑制条件であるとしてメモリに記憶
し、メインルーチンで触媒温度抑制制御を行わせる。

【００６２】この第２実施形態では、ゼオライト触媒１
４の温度が急激に上昇する場合にＮＯｘの脱離を引起こ
し易いため、この温度上昇率ΔＴｃａｔでモニタするこ
とで、ＮＯｘ脱離を確実に抑制可能となる。但し、判定
用の所定値ΔＴｔｈは、使用するゼオライト触媒、水ト
ラップ、配管、温度センサ等により異なると考えられ、
予め実験で求めた値を設定することになる。

【００６３】また、この第２実施形態では、第１実施形
態に対して、温度センサ１６を使用するため、若干の時
間遅れを伴うが、Ｃ／Ｕ６内の演算等は大幅に簡素化可
能でありながら、第１実施形態と同様の効果を得られ
る。また、この第２実施形態では、処理の簡素化のため
にゼオライト触媒１４の温度上昇率ΔＴｃａｔを所定値
と比較し、所定値を超えたときにゼオライト触媒１４に
流入する水分量をステップ的に減少させているが、可能
であればゼオライト触媒１４の温度上昇率ΔＴｃａｔに
応じて流入する水分量を減少させるように制御してもよ
く、このようにすれば更に触媒温度抑制の制御性が高ま
る。

【００６４】次に本発明の第３実施形態について説明す
る。この第３実施形態は、第２実施形態と、エンジンの
システム構成（図１１）及び制御のメインルーチン（図
１２）は同じであり、触媒状態判定処理のサブルーチン
のみが異なるので、これについてのみ説明する。図１４
は第３実施形態での触媒状態判定処理のサブルーチンで
あり、図１２のＳ３５にて実行される。

【００６５】Ｓ６１では、ゼオライト触媒温度センサ１
６の信号を読込んで、ゼオライト触媒１４の触媒温度Ｔ
ｃａｔを検出する。Ｓ６２では、ゼオライト触媒１４の
触媒温度Ｔｃａｔを所定値Ｔｔｈと比較し、Ｔｔｈ以上
の場合はＳ６３へ進み、Ｔｔｈ未満の場合はリターンす
る。Ｓ６３では、ゼオライト触媒１４の温度上昇を抑制
する制御を行わせるため、温度抑制条件と判定する。す
なわち、温度抑制条件であるとしてメモリに記憶し、メ
インルーチンで温度抑制制御を行わせる。

【００６６】この第３実施形態では、ゼオライト触媒１
４の温度が所定値以上になった場合にＮＯｘの脱離を引
起こすため、この温度を所定値未満に抑制することによ
り、ＮＯｘ脱離を抑制するのである。ここでの判定用の
所定値Ｔｔｈを決めるにあたっては、実車の状態では加
速等により温度が急激に上昇することが考えられるの
で、ゼオライト触媒１４がＮＯｘの脱離を開始する温度
に対して、ある程度の幅を持たせて設定することが望ま
しい。また、この所定値Ｔｔｈは、使用するゼオライト
触媒、水トラップ、配管、温度センサ等により異なると
考えられ、予め実験で求めた値を設定することになる。

【００６７】また、この第３実施形態では、第２実施形
態に対しも更に簡素化されており、容易に実現でき、且
つ効果も第１及び第２実施形態と同様に得られると考え
られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態を示すエンジンのシス
テム図

【図２】暖機中のＡ／Ｆリッチ化補正係数の特性図

【図３】暖機後の運転領域毎の運転モードを示す図

【図４】メインルーチンのフローチャート

【図５】触媒状態判定処理サブルーチンのフローチャ
ート

【図６】水温からＮＯｘトラップ触媒温度を求めるテ
ーブル

【図７】エンジン回転数とトルクから排気温度を求め
るマップ

【図８】エンジン回転数とトルクから水分量を求める
マップ

【図９】排気流量から熱伝達率を求めるテーブル

【図１０】排気流速から水分トラップのトラップ率を
求めるテーブル

【図１１】本発明の第２実施形態を示すエンジンのシ
ステム図

【図１２】第２実施形態でのメインルーチンのフロー
チャート

【図１３】第２実施形態での触媒状態判定処理サブル
ーチンのフローチャート

【図１４】本発明の第３実施形態を示す触媒状態判定
処理サブルーチンのフローチャート

【符号の説明】

１エンジン２吸気通路３電制スロットル弁４燃料噴射弁５点火プラグ６Ｃ／Ｕ７アクセルペダルセンサ８クランク角センサ９エアフローメータ１０水温センサ１１排気通路１１Ａ主排気通路１１Ｂ分岐排気通路１２ＮＯｘトラップ触媒１３水分トラップ１４ゼオライト触媒１５流量比制御弁１６ゼオライト触媒温度センサ

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）Ｆ０２Ｄ 41/02 ３０１Ｆ０２Ｄ 41/02 ３０１Ｆ 41/04 ３０５ 41/04 ３０５Ｚ３１０３１０Ｚ 41/06 ３０５ 41/06 ３０５ 41/14 ３１０ 41/14 ３１０Ｐ 45/00 ３１４ 45/00 ３１４ＺＦ０２Ｐ 5/15 Ｆ０２Ｐ 5/15 Ｅ (72)発明者椎野俊一神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者堀田勇神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内Ｆターム(参考） 3G022 AA06 DA01 FA04 GA01 GA06 GA08 GA09 3G084 AA04 BA05 BA09 BA13 BA15 DA10 EB08 EB12 FA07 FA10 FA20 FA38 3G091 AA12 AA24 AB03 AB06 AB08 AB09 BA05 BA14 CA11 CB02 CB05 DA07 DB05 DB07 DB10 DB13 EA00 EA17 EA18 EA21 EA30 FB02 FC07 GB02Y GB03Y GB05W GB06W GB07W GB09W GB09Y GB10X GB10Y GB16Y GB17X GB17Y HA10 HA19 HA20 3G301 HA01 HA15 JA25 LA01 LB02 LC10 MA01 MA11 MA18 NA08 NC02 ND02 NE06 NE11 NE15 PA01Z PE03Z PE08Z PF03Z

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】排気通路に、触媒温度が所定温度以下のと
きにＮＯｘをトラップ可能なゼオライトを含有する触媒
を配置した内燃機関の排気浄化装置において、前記ゼオライト触媒の昇温状態を判定する触媒状態判定
手段と、この判定結果に基づいて前記ゼオライト触媒の
温度上昇を抑制する触媒温度抑制手段とを設けたことを
特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】前記触媒状態判定手段は、少なくとも前記
ゼオライト触媒に流入する水分量、排気温度、排気流量
を基に、前記ゼオライト触媒への熱の収支を求めるもの
であり、前記触媒温度抑制手段は、前記熱の収支に基づくトータ
ルの受熱量が所定値より大きいと判断された場合に、前
記ゼオライト触媒の温度上昇を抑制するものであること
を特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】前記触媒状態判定手段は、前記ゼオライト
触媒の温度上昇率を求めるものであり、前記触媒温度抑制手段は、前記温度上昇率が所定値より
大きいと判断された場合に、前記ゼオライト触媒の温度
上昇を抑制するものであることを特徴とする請求項１記
載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】前記触媒状態判定手段は、前記ゼオライト
触媒の温度を求めるものであり、前記触媒温度抑制手段は、前記温度が所定値より大きい
と判断された場合に、前記ゼオライト触媒の温度上昇を
抑制するものであることを特徴とする請求項１記載の内
燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】前記触媒状態判定手段は、前記ゼオライト
触媒、排気通路、若しくは機関本体に設けられた温度セ
ンサからの信号を基に、前記ゼオライト触媒の昇温状態
を判定することを特徴とする請求項１〜請求項４のいず
れか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】前記触媒温度抑制手段は、内燃機関の空燃
比をリーン化することで、前記ゼオライト触媒の温度上
昇を抑制することを特徴とする請求項１〜請求項５のい
ずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】前記触媒温度抑制手段は、内燃機関の燃焼
時期を進角することで、前記ゼオライト触媒の温度上昇
を抑制することを特徴とする請求項１〜請求項５のいず
れか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】前記触媒温度抑制手段は、前記ゼオライト
触媒に流入する水分量を抑制することで、前記ゼオライ
ト触媒の温度上昇を抑制することを特徴とする請求項１
〜請求項５のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化
装置。
【請求項９】前記触媒温度抑制手段として、前記ゼオラ
イト触媒の上流側にて、排気通路を流量比制御弁により
流量比を制御可能とした並列な２系統にし、そのうち一
方に、排気中の水分をトラップする水分トラップを配置
したことを特徴とする請求項８記載の内燃機関の排気浄
化装置。
【請求項１０】排気通路に、前記ゼオライト触媒とは別
に、所定の活性状態において、ＮＯｘを浄化可能な触媒
が設けられ、前記触媒温度抑制手段は、前記別の触媒が活性化するま
での期間において、動作するようにしたことを特徴とす
る請求項１〜請求項９のいずれか１つに記載の内燃機関
の排気浄化装置。