JP2003138932A - 低温における排気後処理装置内での窒素酸化物の高効率変換 - Google Patents

低温における排気後処理装置内での窒素酸化物の高効率変換

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 リーン排気を処理するリーンNOx触媒に、以
前に可能であったよりも低い温度範囲において、かなり
高い変換効率で動作させる。 【解決手段】 リーン空燃比で動作する内燃エンジン10
からの排気を受けるリーンNOx触媒30へ還元剤を供給す
るシステム及び方法である。還元剤の供給量は、触媒30
に吸蔵された還元剤の量に基く。更に、還元剤は、触媒
30上流の排気のNOx濃度が25 ppm未満であること又は、
触媒の温度が300℃を越えることを含む予め定められた
状態の下で、供給される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ディーゼル又はリ
ーン・バーン・ガソリン・エンジンにおけるリーンNOx
触媒の変換効率を高める方法及びシステムに関し、より
具体的には、触媒内部の状態を制御することにより、NO
x還元剤の供給量を制御することによりNOx変換効率を高
めさせることに関する。
【０００２】
【従来の技術】内燃エンジンは一般的に、一酸化炭素、
炭化水素及び窒素酸化物である規制対象成分を、二酸化
炭素、水、窒素及び酸素へ変換するために、排気後処理
装置に依存するのが一般的である。排気触媒について
は、化学量論的な排気（理論空燃比の排気）の変換効率
を高めるために、大規模な開発が行なわれてきた。理論
状態（化学量論的状態）は、エンジンに供給される燃料
と酸化剤とが、燃料の反応が完全であるならば、二酸化
炭素、水及び窒素を発生する、割合にあるときに、得ら
れる。しかしながら、理論値よりもリーンの空燃比、つ
まり、空気が過剰な状態で動作しているエンジンから得
られる燃料効率の方が高いことが、当業者には知られて
いる。このようなリーン・バーン・エンジンは、ディー
ゼル・エンジンであっても、燃料と空気とが部分的にの
み混合される成層燃焼ガソリン・エンジンであっても、
燃料と空気の殆どが燃焼前に予め混合される均一燃焼リ
ーン・バーン・ガソリン・エンジンであっても良い。高
い燃料効率に対する要求故に、リーン・バーン・エンジ
ンが生産されており、開発が継続している。NOx触媒を
使用すると共に、リーン作動中にNOxを変換するために
触媒へ還元剤を継続的に供給することが、当業者に知ら
れている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来技術の方法におけ
る問題は、触媒に供給される還元剤のうちいくらかが未
反応のまま、触媒を通り抜けるということと、約250℃
未満の温度でNOx変換効率が低過ぎるということであ
る。
【０００４】本発明は、還元剤の使用量が少なく、触媒
を通り抜ける未反応の還元剤を制限し、そして、140〜2
50℃の温度範囲におけるリーンNOx触媒のNOx変換効率を
大きく高める方法を提供するものである。
【０００５】リーン排気を処理するリーンNOx触媒に、
以前に可能であったよりも低い温度範囲において、かな
り高い変換効率で動作させることが、本発明の主な目的
である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】従来技術の取組の問題点
は、内燃エンジンからの排気を受ける触媒へ還元剤を供
給し、触媒内に吸蔵される還元剤の量が判定される方法
により、解消される。上記量が所定の量未満である間、
還元剤が所定の状態の下で触媒に供給される。上記所定
の状態としては、触媒の温度が300℃を越えることとし
ても、排気中のNOx濃度が25 ppm未満であること、とし
ても良い。
【０００７】本件発明者は、還元剤を連続的に供給する
ことは必要ないと認識した。予め定められた条件の下で
還元剤を吸蔵した後で、還元剤の供給量が低減又は供給
が停止される。本発明によれば、還元剤が触媒に連続的
に供給される従来技術の方法よりも、触媒に供給される
還元剤の量ははるかに少なくなる。
【０００８】また、触媒に供給される還元剤が少ないの
で、触媒から排気管へ通り抜ける還元剤の少なくなる。
【０００９】上述のものなどの本発明の利点、目的及び
構成は、添付の図面を参照すれば、好ましい実施の形態
の以下の詳細な説明から容易に明らかとなろう。
【００１０】
【発明の実施の形態】図１において、内燃エンジン10に
は、その中にスロットル弁14が配置され得る吸気路を介
して空気が供給される。スロットル弁14は、電子制御ユ
ニット（electronic control unit略してECU）40により
制御され得る。質量空気量センサー18を、吸気路内に配
置することができ、エンジン10への吸気量を示す信号を
ECU 40へ供給する。代わりに、吸入空気量を推測するた
めに、スピード・デンシティ・システム（speed densit
y system）を用いることも出来る。スピード・デンシテ
ィ・システムは、他のセンサー42として示される、吸気
マニフォールド内の圧力を表示する吸入システム内のセ
ンサーと、エンジン速度センサーとに依拠するものであ
る。エンジン10には、噴射弁12により燃料が供給される
（噴射弁12への燃料供給は不図示）。燃料噴射時期と期
間とは、機械的手段により制御され得る。しかしなが
ら、燃料噴射システムは、例えば、コモン・レール（co
mmon rail）型の様な形式であるのがより一般的であ
り、それは、噴射時期と期間がECU 40により制御される
のを可能とする。エンジン10には、排気再循環（exhaus
t gas recirculation略してEGR）システムを備えること
が出来、それは、EGRダクト24内の流路面積を制御する
バルブ16を用いて、排気マニフォールド28を吸気マニフ
ォールド26へ接続する。EGRバルブ16の位置は、ECU 40
により制御される。その中にEGRバルブ16が位置するEGR
ダクト24は、スロットル弁14下流の吸気マニフォールド
26に連通する。部分的に閉じられたスロットル弁14によ
り、吸気マニフォールド26内に低い圧力が存在するとき
には、排気流が吸気マニフォールド26へ流れ込み、EGR
バルブ16は部分的又は完全に開く。
【００１１】エンジン10の排気は、より詳細に後述され
るリーンNOx触媒（lean NOx catalyst略してLNC）30へ
と導かれる。リーンNOx触媒30の上流には、還元剤噴射
弁20があり、それには、還元剤タンク34から還元剤が供
給される。還元剤は、リーンNOx触媒30上流の排気に向
けて噴射される。ECU 40が、還元剤噴射弁20を制御す
る。還元剤が燃料である場合には、還元剤は、噴射弁12
により燃焼室へ直接噴射され得る。還元剤として使用さ
れるために噴射弁12により噴射される燃料は、燃焼によ
り消費されるのを回避されるようなサイクル中の時期に
噴射されることになる。リーンNOx触媒30は、スイッチ3
6を含む電気配線38によりバッテリー32へ接続すること
により、電気的に加熱され得る様に、抵抗加熱要素を含
み得る。スイッチ36を開閉することにより、電圧が付加
又は遮断され得る。
【００１２】排気センサー22は、リーンNOx触媒30に入
るNOxの濃度を検出するために、リーンNOx触媒30上流の
排気路に配置される、NOxセンサーとすることが出来
る。排気センサー44は、リーンNOx触媒30の有効性を検
出するために用いられるNOxセンサーとすることが出来
る。排気センサー46は、アンモニアを含有する還元剤の
リーンNOx触媒30からの漏れを検出するためのアンモニ
ア・センサーとすることが出来る。還元剤が炭化水素で
ある場合には代わりに、排気センサー46を炭化水素セン
サーとすることが出来る。
【００１３】エンジン10の燃焼室へ供給される混合気又
はリーンNOx触媒30へ供給される排気に関して用いられ
る「リーン」という用語は、ガスの化学量論性に言及す
るものである。燃料を完全に消費するのに必要とされる
よりも過剰に空気を含有する混合気を、リーンと呼ぶ。
リッチ混合気は、過剰の燃料を含有する。リーン燃焼の
生成物がリーンの排気であり、リッチ燃焼の場合には、
リッチ排気である。
【００１４】ECU 40は、メモリー・マネージメント・ユ
ニット（memory management unit略してMMU）60と通信
する中央処理ユニット（central processing unit略し
てCPU）と呼ばれるマイクロプロセッサー50を持つ。MMU
60は、各種のコンピューター読取可能記憶媒体の間で
のデータの移動を制御すると共に、CPU 50との間でデー
タを通信する。コンピューター読出可能記憶媒体には、
例えば読出専用メモリー（ROM）58、ランダム・アクセ
ス・メモリー（RAM）56及びキープ・アライブ・メモリ
ー（KAM）54内の揮発性及び不揮発性の記憶媒体が含ま
れるのが、好ましい。CPU 50の電源が切れている間、KA
M 54は各種の動作変数を記憶するのに用いられ得る。コ
ンピューター読出可能記憶媒体は、プログラム可能読出
専用メモリー（programmable read-only memory略してP
ROM）、電気的プログラム可能読出専用メモリー（elect
rically programmable read-only memory略してEPRO
M）、電気的消去可能プログラム可能読出専用メモリー
（electrically erasable programmable read-only mem
ory略してEEPROM）又は、フラッシュ・メモリーなど多
数の既知の記憶装置のいずれを用いても、実現すること
ができる。記憶装置は、電気的、磁気的、光学的又はそ
れらの組合せ的なものであってデータを記憶することが
可能なものであれば、いかなるものでも良く、記憶され
るデータのあるものは、エンジン又はエンジンが取り付
けられる車両を制御するに際し、CPU 50により用いられ
るものである。コンピューター読出可能記憶媒体にはま
た、フロッピー（登録商標）・ディスク、CD-ROM、ハー
ド・ディスクなども含まれる。CPU 50は入力／出力（I/
O）インターフェース52を介して各種のセンサー及び作
動装置と通信する。I/Oインターフェース52を介したCPU
50による制御の下で動作するものの例としては、燃料
噴射時期、燃料噴射率、燃料噴射期間、EGR弁位置、ス
ロットル弁位置及び、還元剤の噴射時期と期間、があ
る。I/Oインターフェース52を介して入力を伝達するセ
ンサーは、エンジン速度、車速、冷媒温度、マニフォー
ルド圧力、ペダル位置、スロットル弁位置、EGR弁位
置、気温そして排気温度を、表示することができる。EC
U 40のアーキテクチャーには、MMU 60を含まないものが
ある。MMU 60が用いられない場合には、CPU 50が、デー
タを管理し、ROM 58, RAM 56及びKAM 54に直接結合す
る。勿論、具体的な用途に応じて、本発明は、エンジン
／車両制御を行なうために、二つ以上のCPU 50を用いて
も良く、また、ECU 40が、MMU 60又はCPU 50に接続され
るROM 58, RAM 56及びKAM 54を複数含んでいても良い。
【００１５】リーンNOx触媒30は、リーン燃焼の生成物
を処理する排気後処理装置である。LNC30内のガスは全
体としてリーンであり、酸化傾向の状態にあるが、還元
剤が存在すれば、NOxの還元が触媒表面で起こり得る。
炭化水素又はアンモニアの様な還元剤は、触媒表面に吸
収され、良性生成物であるN2及びH2OへのNOxの反応を推
進する。LNC 30の原材料は、Cu-βゼオライトを持つも
ので、貴金属は持たない。
【００１６】本発明が、より高いNOx変換効率を得なが
ら、従来技術の方法よりも少ない量の還元剤の使用を、
如何にして可能にするかを説明する前に、本件発明者に
より発見された本発明に関連の深い現象について、説明
する。
【００１７】ここで図２を参照すると、リーンNOx触媒
（LNC）の表面における、尿素を含むアンモニアの吸収
特性が示されている。実線70は、典型的な吸収曲線であ
る。つまり、触媒の活性サイト上で吸収される材料の量
は、温度が上昇するにつれて、減少する。本件発明者
は、触媒表面における活性サイトと不活性サイトとの間
に違いが存在することを理論付けた。触媒内の排気にNO
xが存在しない、図２のグラフ70で示される典型的な吸
収現象によれば、アンモニアは、触媒表面の活性サイト
と不活性サイトの両方に吸収される。本件発明者は、NO
xもまた触媒の表面に吸収されると理論付けた。触媒中
のガスのNOx濃度が約25 ppmを越える場合には、NOxが殆
どの活性サイトに吸収され、還元剤がそれらの活性サイ
トに吸収されるのを妨げる。図２の点線72は、約25 ppm
以上の濃度におけるNOxが存在している際のLNC 30内の
活性サイトにおけるアンモニアの吸収現象を示してい
る。閾値温度（実験結果に基き約300℃であると考えら
れる）より低い温度において、活性サイト上での還元剤
の吸収量は、NOxによる阻害故に無視できる程度であ
る。LNCの温度が閾値温度に近付くと、NOxは活性サイト
から脱離して、還元剤が活性サイトを占めるのを許容す
る。図２の曲線72は、閾値温度における還元剤吸収のス
テップ変化を示している。現実には、NOxによる抑止作
用は、小さい温度範囲にわたり消えていくものであり、
図２に示されるようなステップ的なものではない。閾値
温度よりも高い温度においては、もはやNOxが活性サイ
トにおいてアンモニアにより吸収を抑止することはな
い。それで、グラフ70と72とは、閾値温度よりも高い温
度において実質的に同一になる。つまり、NOxの抑止作
用が取除かれると、還元剤が典型的な吸収挙動を奏す
る。
【００１８】図２は、LNC 30の活性サイトに還元剤が吸
収されるのには、二つの態様があることを示している。
実線70は、排気がNOxを含有していないときに、それが
起こることを示している。現実に、グラフ70として示さ
れる様に、LNC 30内の活性サイトに還元剤が吸収される
のをNOxが抑止することなしに、排気は約25 ppm程度のN
Oxを含有し得ることが判っている。図２のグラフ72は、
LNC 30が閾値温度を上回るときにも、活性サイトでの還
元剤の吸収が起こり得ることを示している。要約する
と、還元剤が活性サイトに吸収されるためには、排気の
NOxが25 ppm未満であるか、又はLNC 30の温度が約300℃
よりも高くなければならない。
【００１９】活性サイトにおいて還元剤を吸収すること
の重要性が図３に示されている。上述の様に、LNC 30
は、いかに還元剤が供給されるかに関わらず、約250℃
より上の温度において、かなり高いNOx変換効率で、動
作する。これが、図３に示されており、図３において、
NOx変換効率の上昇は、約220℃において急激に始まって
おり（図３の長方形）、250℃において約70%の効率を得
ている。しかしながら、上述の様に、ディーゼル・エン
ジンから放出される排気は、動作サイクルの殆どに亘
り、低温過ぎて、LNC 30を250℃より上まで加熱するこ
とが出来ない。活性サイトに還元剤が吸収されていない
ときの、LNC 30のNOx変換効率は、250℃未満の温度につ
いて約30%である。これは、還元剤が従来技術の方法に
より供給されるときに、ディーゼル・エンジンの排気に
適用されるLNC 30の所望のものよりも低いNOx変換効率
につながる。しかしながら、還元剤がLNC 30の活性サイ
トに吸収される場合には、変換効率は、140〜250℃の温
度範囲において、約50%〜95%になる（図３の菱形）。デ
ィーゼル用途で重要となる140〜250℃の温度範囲におけ
るNOx変換効率を向上させることにより、一般的な運転
サイクルにわたるLNC 30のNOx変換効率を全体として明
らかに高めることが出来る。
【００２０】上記の議論において、NOx変換効率という
用語がLNC 30と関連付けて用いられた。その現象を説明
するのに用いられ得る別の用語には、反応速度というも
のがある。予め定められた条件の下で供給される還元剤
は、NOxとの間でより速い反応速度を持ち、より高いNOx
変換効率につながる。本件発明者は、還元剤とNOxが関
与する反応のより高い速度が、触媒内の活性サイト上に
還元剤を吸蔵することにより、得られることを理論付け
た。反対に、不活性サイトに吸蔵される還元剤は、より
低い反応速度でNOxと反応し、それで、より低いNOx変換
効率につながる。
【００２１】図２及び３は、LNC 30内のアンモニアの吸
収に重要である。尿素は、アンモニアを含有する水溶液
であり、LNC 30内の還元剤として用いられ得るものであ
る。上述の現象は、将来特定され得る他の還元剤にも適
用可能である。
【００２２】LNC 30におけるNOxの吸収についての上述
の議論は、本明細書の読者に、LNC 30がかなりの量のNO
xを吸収するという誤った推測をさせるかもしれない。L
NC 30に吸収されるNOxの量は、NOxの排出レベルとの関
係で言えば無視できる程度であるが、そうとはいって
も、LNC 30に吸収される少量のNOxは、還元剤がLNC 30
内の活性サイトに吸収されるのを抑止するのに充分な量
である。
【００２３】NOxの吸蔵についての議論はまた、本明細
書の読者にLNCをリーンNOxトラップ（lean NOx trap略
してLNT）と混同させるかもしれない。LNTとLNCとの違
いが図４に示されている。LNTについてのグラフ78にお
いて、λ（空気過剰率）が示されている。λが1より大
きい、つまり空燃比がリーンである状態での作動中、NO
xはLNTに吸収され、NOxの還元についてはあったとして
も、殆ど起こらない。そのようなサイクルが、約60秒で
あり得る、期間t1にわたり記されている。NOx吸収の期
間（t1）、NOxは処理されず、代わりに、後の処理のた
めに吸蔵される。NOxの吸収に引き続き、空燃比が、グ
ラフ78において約0.9のλで示されるような、期間t2の
間リッチにされる。その期間は数秒である。空燃比がリ
ッチにされると、与えられた空気により酸化され得るよ
りも多量の燃料が供給される。結果として、排気の生成
物が過剰な燃料若しくは部分的に酸化した燃料を含むこ
とになり、それがグラフ80において示される様にLNTに
ついての還元剤として機能する。それで、過剰な燃料で
ある還元剤は、期間t2の間にだけ供給される。NOxの反
応率がLNTについてのグラフ82に示されており、期間t2
の間、吸収されたNOxが放出され、還元される。グラフ8
2の形状は単なる例示であり、グラフ82の重要な特徴
は、実質的なNOx還元は期間t2の間でだけ起こるという
ことと、NOx還元の速度は、期間t1の間は無視できると
いうことである。
【００２４】ここで図４のグラフ84, 86及び88を参照す
ると、本発明の観点の一つに従い動作するLNC 30が、示
されている。グラフ84においては、空燃比がリーン、つ
まりλが1.0よりも大きい。本発明によれば、グラフ86
の期間t4の間、還元剤が供給され、t3の間は無視できる
程度である。本件発明者は、一般的な容積のLNCを持つ
場合の一般的な動作においては、期間t3は約3分であ
り、期間t4は約10秒であることを見出した。つまり、還
元剤が約10秒又はそれよりやや短期間供給され、還元剤
は3分間で使い尽くされる。NOxの還元の速度のグラフ88
は、NOxが、ある程度増加減少する還元速度で、そのサ
イクルの間連続的に還元されていることを示している。
しかしながら、顕著な点は、NOxが連続的に還元され、
そのような還元がリーン空燃比での運転の間リーンNOx
触媒を用いて生じる。これは、LNTを用いる場合とは対
照的で、その場合、NOxの還元は、グラフ82の期間t2と
して示される、短期のNOxパージ期間に生じる。これが
また、グラフ78における期間t2として示されるリッチ作
動に対応する。
【００２５】ここで図５を参照すると、LNC 30への還元
剤の供給についての従来技術の方法の例の一つが示され
ている。供給される還元剤についてのグラフ92は、排気
中のNOxの質量流量であるグラフ90に比例している。還
元剤の供給速度を制御するための他の手法が用いられて
きた。しかしながら、従来技術の方法における共通の問
題は、還元剤が実質的に連続的に供給されるということ
である。グラフ86に示される様に、本発明において、t4
と示される短期間にわたり還元剤が供給され得る。本件
発明者は、本発明を実施する際の還元剤の使用量は、一
般的な動作サイクルにおける従来技術の方法におけるも
のの約3分の1である、ことを見出した。更に、上述の様
に、本発明は、従来技術の方法に比較して、より高いNO
x変換効率につながる。これらの要素は両方ともに、排
気管への還元剤の漏れが少ないことにつながる。
【００２６】図４及び５のグラフ86は、LNCへの還元剤
の供給の一つの例である。期間t3の間少量の還元剤を供
給することが有用であることが判るかもしれない。ま
た、t3及びt4は、その期間がサイクルごとに同一ではな
い場合もある。グラフ86は、例であって、限定する意図
は持っていない。
【００２７】触媒における温度を上昇させることの出来
る手段が、本発明には重要である。それで、排気温度を
上昇させる当業者には既知の方法が、表１に示されてい
る。
【００２８】
【表１】
【００２９】温度を上昇させるために、表１の方法のい
ずれを用いることも出来る。
【００３０】LNC 30の活性サイトに還元剤を吸蔵するこ
とは、受動的になされても、積極的に行なわれても良
い。ECU 40は、エンジン10が活性サイトに還元剤を吸蔵
するのを進めるような状態で動作していることを判定
し、還元剤噴射弁20へ、そのような状態の間に還元剤を
供給する様に命令するものとすることが出来る。若しく
は、ECU 40が、活性サイトに還元剤を吸収するのに必要
なLNC 30内の状態を提供する条件で、エンジン10を動作
させることを積極的に行なっても良い。
【００３１】図６は、積極的な制御手法を示すフローチ
ャートである。エンジン10は、通常ブロック100で動作
する。つまり、ECU 40がエンジン10をLNC 30とは関係な
く独立して制御する。周期的に、制御はブロック102へ
進み、そこでは、活性サイトに吸収されて、LNC 30の中
に残っている還元剤の量Qが、判定される。これは、還
元剤の添加からの経過時間、最後の還元剤添加からの動
作状態の履歴、LNC 30の状態、排気センサー信号及び他
のエンジン・パラメーターからの推測値に基き、ECU 40
内でモデル化され得るものである。制御は、ブロック10
4へ進み、そこで、LNC 30内に吸蔵された還元剤のレベ
ルが低過ぎるか否か判定される。現在の量Qは、LNC 30
の容量すなわち全レベルQfに係数empを掛けた値と比較
される。係数は、0〜0.2の範囲とすることが出来る。em
pの値が0である場合に、その影響は、還元剤を再び充填
する前に、LNC 30が完全に空になっているということで
ある。empの値が0.2である場合には、LNC 30がその還元
剤の全容量の約20%をまだ保持しているときに、再充填
を開始させる。判断ブロック104の結果がYESであるとき
は、制御はブロック100の通常エンジン動作へ戻る。Qが
Qfのemp倍より小さい場合（ブロック104の判断結果がN
O）には、制御はブロック106へ進み、LNC 30において、
活性サイトでの還元剤の吸蔵を招く状態が命令される。
制御はブロック108へ進み、そこで、還元剤が排気流中
に噴射される。供給若しくは添加される量Qaは、吸蔵能
力Qfと還元剤の現在のレベルQとの差の関数である。制
御はブロック100の通常動作へ戻る。そしてQの値はQfに
なるはずである。図６は、ブロック106、すなわち、LNC
30の活性サイトでの還元剤の吸蔵に適した動作状態を
得ることが、ブロック108の還元剤の供給より前にある
ことを示している。開発過程においては、ステップ108
の還元剤の供給を、ステップ106の適切な動作条件の取
得に先立ち開始する方が有利であることが判るかもしれ
ない。LNC 30をQfまで完全に充填しない方が好ましいこ
とが判るかもしれない。代わりに、LNC 30をQfの約90%
まで充填し、まだ更に還元剤の漏れを低減する方が好ま
しい場合もある。
【００３２】図６のブロック106において、LNCの活性サ
イトに還元剤が吸収される様にする動作状態が命令され
る。上述の様に、LNC 30の温度が閾値を上回る（状態
B）又は、排気のNOx濃度が閾値を下回る（状態A）こと
が、ブロック106における判断を満たす適切な動作条件
である。図６のブロック106は、図７において、ブロッ
ク1060, 1062, 1064及び1066として、詳細が示される。
ブロック1060において、[NOx]exh<[NOx]thrという条件
と、運転者によるトルク要求との両方を満足することの
できる「状態A」が存在しているか否かが判断される。
[NOx]thrは約25 ppmであり、それは、NOx濃度としては
非常に低く、一般的な運転状態で頻繁に遭遇するもので
はない。そのように低いNOxレベルは、非常に低いトル
ク・レベルで、かつ減速状態で見られる。NOx濃度は、E
GRの量を増大させることにより、又は噴射時期を遅らせ
ることにより、ある程度減少し得るものである。しかし
ながら、燃料噴射パラメーター、EGR弁位置、スロット
ル弁位置などのパラメーターの組合せで、[NOx]thrより
も低いNOxレベルを発生し、かつトルク要求を満足する
ものが見当たらない、トルクレベルが存在する。判断ブ
ロック1060における結果がYESつまり「状態A」が判定さ
れ得る場合には、ブロック1062において状態Aが命令さ
れる。「状態A」が特定され得ない場合、つまり、ブロ
ック1060の判断結果がNOである場合には、制御はブロッ
ク1064へ進む。ブロック1064において、動作状態Bが判
定される。それは、LNC 30の温度を閾値温度を越えて上
昇させるものである。表１に列挙された加熱方法を用
い、トルク要求を満たしながら、閾値を越える温度を得
ることは、殆どいつも可能である。制御がブロック1066
へ進み、そこで、エンジン制御器が動作状態Bが得られ
る様に命令する。制御はそして、図６に関連して前述し
たブロック108へ進む。
【００３３】本発明を実施するのに用いることが出来る
受動的な手法が、図８に示されている。その手法は、ブ
ロック100における通常のエンジン動作で始まる。具体
的には、活性サイトに還元剤を吸蔵することにつながる
状態が現在存在するか否かを判断するために、ブロック
120の判断が実行される。具体的には、リーンNOx触媒の
温度TLNCが、閾値温度Tthrよりも大きいか否か？又は、
排気のNOx濃度[NOx]exhが、その閾値[NOx]thr未満であ
るか否か？である。いずれの状態も満足されない（ブロ
ック120の結果がNOである）場合には、制御はブロック1
00へ戻り、通常のエンジン動作を再開する。ブロック12
0におけるいずれかの状態が満足される（結果YESであ
る）場合には、制御はブロック122へ進む。ブロック122
において、LNC 30内の活性サイトが、満たされている又
は殆ど満たされているか否かが、判断される。つまり、
LNC 30内の活性サイトに保持される還元剤の現在の量
が、LNC 30の活性サイトの容量Qfと比較される。係数fu
lは、0.8〜1.0の範囲になる。係数fulの値が1.0である
場合には、還元剤が加えられることになる。活性サイト
の80%よりも多くが満たされているLNC 30へ還元剤を加
えるのを回避するためには、値が0.8の係数fulを用いる
ことが出来る。還元剤の漏れを回避するために、LNC 30
が満杯に近いときに還元剤の供給が回避されるべきであ
ることが判るはずである。所望のものよりも低いレベル
の還元剤が現在吸蔵されている、つまり、ブロック122
の判断結果がYESである場合には、量Qaの還元剤がブロ
ック124で加えられる。Qaは、LNC 30の全量Qfと、LNC 3
0に含まれる現在のレベルQとの間の差に関連する。制御
はそして、ブロック100の通常エンジン動作へ進む。ブ
ロック122における結果がNOの場合も、制御はブロック1
00へ戻る。
【００３４】従来技術と本発明による方法が表２におい
て比較される。
【００３５】
【表２】
【００３６】従来技術の方法X及びYは、NOx変換効率と
燃料経済性との間の取捨選択を表しており、方法YはNOx
変換効率に問題があり、方法Xは燃料経済性に問題があ
る。排気温度を上昇させる方法は燃料効率の低下につな
がるので、方法Xにおいては、燃料経済性が低下する。
本発明（図３のグラフ76で示される）は、250℃より上
の温度で従来技術の方法X（図３のグラフ74）と同様のN
Ox変換効率を提供する。本発明によれば、LNC 30の温度
が、非常に短い時間、すなわち、継続的により高い温度
を要求する従来技術の方法Xに比較して、その約5%の時
間で、高められるので、燃料効率に関して従来技術の方
法Xよりも、はるかに優れている。従来技術の方法Yは、
NOx変換効率が低いという問題を持ち、図３によれば、
例えば200℃において、従来技術が30%のNOx変換効率を
示すのに対し、本発明の効率は85%である。要約する
と、本発明は、従来技術のうち良い方と同等のNOx変換
効率を示し、燃料経済性は、従来技術の方法Yと比較し
てわずかに低いが、従来技術の方法Xよりもはるかに優
れている。
【００３７】本件発明者は、NOx抑制状態中に触媒に供
給される還元剤が非活性サイトに吸蔵されることを見出
した。更に、NOx抑制作用がその後無くなると、非活性
サイトに吸蔵された還元剤が活性サイトへ拡散すること
も判った。この現象はまた、いかなる動作条件において
も還元剤を供給し、続いてNOx抑制がもはや存在しない
状態を作り出すことにより、所望の作用、つまり還元剤
が活性サイトに吸収されるということを達成するため
に、利用することが出来る。
【００３８】上述の実施形態は、予め定められた状態が
LNC 30の中で生じるときに、還元剤を供給するというこ
とに関する。LNC 30は、還元剤を供給することにより、
高いNOx変換効率を生じるが、燃料経済性の犠牲を最小
にしながら所望のNOx還元を得るには、従来技術の還元
剤供給方法Yと本発明とを両方用いるのが好ましいこと
が判ると思われる。
【００３９】上述の実施形態は、ディーゼル・エンジン
に最も密接に関連する。しかしながら、本発明は、排気
のNOxの還元が望まれるリーン・バーン燃焼システムの
いかなるものにも、適用し得る。
【００４０】本発明を実行するいくつかのモードを詳細
に述べてきたが、本発明が関連する分野の当業者は、本
発明を実施する代替の構成及び実施形態を想到するであ
ろう。上述の実施形態は、本発明の例示を意図したもの
であり、請求項の範囲内で改良され得るものである。
【００４１】
【発明の効果】以上述べた様に本発明によれば、リーン
排気を処理するリーンNOx触媒に、以前に可能であった
よりも低い温度範囲において、かなり高い変換効率で動
作させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の観点の一つによる内燃エンジンの概略
図である。
【図２】リーンNOx触媒におけるアンモニア含有還元剤
の吸収特性のグラフである。
【図３】温度の関数としてのリーンNOx触媒のNOx変換効
率のグラフである。
【図４】リーンNOxトラップと本発明の観点の一つによ
るリーンNOx触媒の、空燃比、還元剤供給量そしてNOx変
換速度のタイムチャートである。
【図５】従来技術及び、本発明の観点の一つによる、リ
ーンNOx触媒の還元剤供給のタイムチャートである。
【図６】本発明の観点の一つによる、エンジンの動作を
示すフローチャートである。
【図７】本発明の観点の一つによる図６の一部のより詳
細なフローチャートである。
【図８】本発明の観点の一つによるエンジンの動作を示
すフローチャートである。
【符号の説明】
10 内燃エンジン 20 噴射弁 30 触媒 40 電子制御ユニット
───────────────────────────────────────────────────── 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 43/00 Ｆ０２Ｄ 43/00 ３０１Ｔ 45/00 ３７６ 45/00 ３７６Ｚ (72)発明者 リーフェン シュ アメリカ合衆国 ミシガン州 48331，フ ァーミントン ヒルズ ゴルフポイント 28602 (72)発明者 ロバート ウォルター マックケイブ アメリカ合衆国 ミシガン州 48076，ラ スラップ ビレッジ サン クエンティン ドライブ 18591 Ｆターム(参考） 3G084 AA01 AA04 BA05 BA09 BA13 BA15 BA20 BA24 DA10 EA07 EA11 EB02 EB12 EC04 FA07 FA10 FA11 FA27 FA28 FA33 3G091 AA02 AA12 AA18 AB05 AB15 BA14 CA03 CA17 CA18 CB01 DA02 DB10 DB13 DC03 EA01 EA05 EA06 EA07 EA16 EA18 EA33 FB10 FC07 GB01W GB09W HA36 HA37 HA45

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 リーン空燃比で動作する内燃エンジンに
    接続される触媒へ還元剤を供給する方法であって、 上記触媒に吸蔵された還元剤の量を検出する工程、及び
    上記量が第１の所定量未満である場合に、還元剤を触媒
    へ供給する工程、 を有する方法。
  2. 【請求項２】 上記触媒に還元剤を供給する工程が、所
    定の状態の下で実行される、請求項１の方法。
  3. 【請求項３】 上記所定の状態を提供するように上記エ
    ンジンの動作状態が選択される、請求項２の方法。
  4. 【請求項４】 上記所定の状態は、上記触媒の温度が所
    定の温度よりも高いことを包含する、請求項２又は３に
    記載の方法。
  5. 【請求項５】 上記所定の温度が約300℃である、請求
    項４の方法。
  6. 【請求項６】 上記所定の状態は、エンジンから放出さ
    れる排気のNOx濃度が所定濃度未満であることを包含す
    る、請求項２乃至５のいずれかに記載の方法。
  7. 【請求項７】 上記所定の状態は、上記還元剤を上記触
    媒内の酸化銅からなる活性サイトに吸収させるようにす
    る、請求項２乃至６のいずれかに記載の方法。
  8. 【請求項８】 上記触媒に吸蔵された還元剤の量が第２
    の所定量よりも大きいときに、上記供給工程を実質的に
    中断する工程、を更に有する、前記請求項１〜７のいず
    れかに記載の方法。
  9. 【請求項９】 上記第２の所定量が、上記触媒の還元剤
    吸蔵能力に基いて設定される、請求項８の方法。
  10. 【請求項１０】 内燃エンジンに接続される触媒のNOx
    変換効率を向上させる方法であって、 上記触媒に吸蔵された還元剤の量を検出する工程、 上記量が第１の所定量未満である場合に、上記触媒の温
    度を所定温度よりも上げる動作状態を生成する工程、 を有する方法。
  11. 【請求項１１】 上記所定の温度が約300℃である、請
    求項１０の方法。
  12. 【請求項１２】 内燃エンジンに接続される触媒のNOx
    変換効率を向上させる方法であって、 上記触媒に吸蔵された還元剤の量を検出する工程、 上記量が第１の所定量未満である場合に、エンジンから
    放出される排気のNOx濃度が所定濃度未満とするエンジ
    ン動作状態を生成する工程、 を有する方法。
  13. 【請求項１３】 上記所定の濃度が約25 ppmである、請
    求項１２の方法。
  14. 【請求項１４】 上記第１の所定量が上記触媒に吸蔵さ
    れる還元剤の微々たる量である、前記請求項のいずれか
    に記載の方法。
  15. 【請求項１５】 理論空燃比よりもリーンで動作する燃
    焼室からの排気を受ける触媒におけるNOxの変換を高め
    るシステムであって、 上記触媒の上流で、上記燃焼室の下流に配置され、排気
    へ還元剤を供給する噴射弁、及び上記噴射弁と上記燃焼
    室に連係されて動作し、周期的に上記燃焼室の第１の動
    作状態を生成し、該第１の動作状態の間上記噴射弁を駆
    動する電子制御ユニット、 を有するシステム。
  16. 【請求項１６】 上記触媒下流に、排気センサーを更に
    有する、請求項15のシステム。
  17. 【請求項１７】 上記排気センサーが上記電子制御ユニ
    ットに接続されて動作し、該電子制御ユニットが上記噴
    射弁の作動を上記排気酸素センサーからの信号に基礎を
    置く、請求項１５又は１６のシステム。
  18. 【請求項１８】 上記第１の動作状態が、上記触媒内の
    温度が300℃を越える様にすることを包含する、請求項
    １５乃至１７のいずれかに記載のシステム。
  19. 【請求項１９】 上記燃焼室が内燃エンジンの燃焼室で
    ある、請求項１５乃至１８のいずれかに記載のシステ
    ム。
  20. 【請求項２０】 内燃エンジンと、該内燃エンジンに接
    続される触媒上流で排気に還元剤を供給する噴射弁とを
    制御するためのコンピューターに組み込まれ、 周期的にリーンである第１のエンジン動作状態を生じさ
    せる手順、及び上記第１のエンジン動作状態の間、還元
    剤を噴射する手順、 をコンピューターに実行させる、コンピューター・プロ
    グラム。
  21. 【請求項２１】 上記触媒の表面に吸収される還元剤の
    量を判定する手順、及び上記触媒内の還元剤の量が所定
    量未満であるときに、上記第１組のエンジン動作状態を
    生成させる手順、 をコンピューターに実行させる、請求項２０のコンピュ
    ーター・プログラム。
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