JP2003314257A

JP2003314257A - 内燃機関の排気浄化装置及びその制御方法

Info

Publication number: JP2003314257A
Application number: JP2002116241A
Authority: JP
Inventors: Kotaro Hayashi; 孝太郎林; Soichi Matsushita; 宗一松下; Hisashi Oki; 久大木; Shinobu Ishiyama; 忍石山; Masaaki Kobayashi; 正明小林; Akihiko Negami; 秋彦根上
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-04-18
Filing date: 2002-04-18
Publication date: 2003-11-06

Abstract

(57)【要約】【課題】内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯx触媒
への還元剤供給時に流出するＮＯxを浄化することがで
きる技術を提供する。【解決手段】還元剤の存在下でＮＯxを還元するＮＯx触
媒１０と、ＮＯx触媒１０の下流に設けられ炭化水素及
び一酸化炭素を酸化させＮＯxを還元させ且つ酸素貯蔵
能力を有する三元触媒１３と、三元触媒１３の下流に設
けられ酸化機能及び酸素貯蔵能力を有する酸化触媒１４
と、ＮＯx触媒１０へ還元剤を供給する還元剤供給手段
２０と、を具備した。そして、下流側の触媒ほど酸素貯
蔵能力が大きくなるように設定されている。

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
化装置及びその制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車等に搭載される内燃機関、
特に酸素過剰状態の混合気（所謂、リーン空燃比の混合
気）を燃焼可能とするディーゼル機関やリーンバーン・
ガソリン機関では、該内燃機関の排気中に含まれる窒素
酸化物（ＮＯx）を浄化する技術が望まれている。

【０００３】このような要求に対し、内燃機関の排気系
にＮＯx吸蔵剤を配置する技術が提案されている。この
ＮＯx吸蔵剤の一つとして、流入する排気の酸素濃度が
高いときは排気中の窒素酸化物（ＮＯx）を吸蔵（吸
収、吸着）し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還
元剤が存在するときは吸蔵していた窒素酸化物（ＮＯ
x）を窒素（Ｎ₂）に還元する吸蔵還元型ＮＯx触媒が知
られている。

【０００４】吸蔵還元型ＮＯx触媒が内燃機関の排気系
に配置されると、内燃機関が希薄燃焼運転されて排気の
空燃比が高くなるときは排気中の窒素酸化物（ＮＯx）
が吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵され、吸蔵還元型ＮＯx触
媒に流入する排気の空燃比が低くなったときは吸蔵還元
型ＮＯx触媒に吸蔵されていた窒素酸化物（ＮＯx）が窒
素（Ｎ₂）に還元される。

【０００５】ここで、吸蔵還元型ＮＯx触媒の下流に酸
素吸蔵能力を有する酸化触媒を設けて、該吸蔵還元型Ｎ
Ｏx触媒の表面にリッチ雰囲気を形成する技術が例えば
特開２００１−２２７３３３に記載されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、吸蔵還元型
ＮＯx触媒へ還元剤を供給すると、少量ではあるがＮＯx
が下流へ流出することがある。このようにして流出した
ＮＯxは、下流の酸化触媒では浄化することができな
い。

【０００７】本発明は、上記したような問題点に鑑みて
なされたものであり、内燃機関の排気浄化装置におい
て、ＮＯx触媒への還元剤供給時に流出するＮＯxを浄化
することができる技術を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上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。即ち、還元剤の存在下でＮＯxを還元するＮＯx
触媒と、前記ＮＯx触媒の下流に設けられ炭化水素及び
一酸化炭素を酸化させＮＯxを還元させ且つ酸素貯蔵能
力を有する三元触媒と、前記三元触媒の下流に設けられ
酸化機能及び酸素貯蔵能力を有する酸化触媒と、前記Ｎ
Ｏx触媒へ還元剤を供給する還元剤供給手段と、を具備
することを特徴とする。

【０００９】本発明の最大の特徴は、内燃機関の排気浄
化装置において、還元剤供給時にＮＯx触媒から流出し
たＮＯxと炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）を下
流の三元触媒で浄化し、更に三元触媒から流出する炭化
水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）を下流の酸化触媒で
浄化することにある。

【００１０】このように構成された内燃機関の排気浄化
装置では、ＮＯx触媒に還元剤が供給されると、ＮＯx触
媒に流入する排気の空燃比がリッチ空燃比となり、ＮＯ
xが窒素（Ｎ₂）に還元される。しかし、このときに一部
のＮＯxが少量ではあるが下流へ流出することがある。
ここで、ＮＯx触媒の下流に設けられた三元触媒は、リ
ーン空燃比のときに酸化作用が活発となり、還元作用が
不活発となる。また、リッチ空燃比のときには還元作用
が活発となり、酸化作用が不活発となる。この酸化作用
と還元作用とのバランスがとれたとき（理論空燃比付近
のとき）に三元触媒は最も有効に働く。一方、三元触媒
が有する酸素貯蔵能力により、リーン空燃比のときに酸
素が貯蔵され、一方リッチ空燃比となると貯蔵していた
酸素を放出する。従って、リッチ空燃比の排気が三元触
媒へ流入すると、該三元触媒が有する酸素貯蔵能力によ
り貯蔵された酸素が放出され、排気の空燃比は弱リッチ
若しくは理論空燃比となり、ＮＯxを浄化可能な雰囲気
となる。この三元触媒でＮＯxは浄化され、炭化水素
（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）の大部分が浄化される
が、弱リッチ雰囲気では炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素
（ＣＯ）の一部が下流へ流出することがある。このよう
に流出した炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）を下
流の酸化触媒により浄化する。即ち、弱リッチ空燃比の
排気が下流の酸化触媒へ流入すると、該酸化触媒が有す
る酸素貯蔵能力により貯蔵された酸素が放出され、排気
の空燃比はリーンとなり、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭
素（ＣＯ）は酸化され浄化される。

【００１１】また、ＮＯx触媒に吸蔵されたＳＯxを除去
するためのＳＯx被毒回復時であっても同様に、ＮＯx触
媒から流出する炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）
を浄化し、更にそのときに発生する硫化水素（Ｈ
₂Ｓ）、アンモニアをも浄化することが可能となる。

【００１２】本発明においては、前記ＮＯx触媒が酸素
貯蔵能力を有している場合には、該ＮＯx触媒の酸素貯
蔵能力が一番小さく、次いで前記三元触媒、前記酸化触
媒の順に大きくなり、前記ＮＯx触媒が酸素貯蔵能力を
有していない場合には、前記三元触媒、前記酸化触媒の
順に酸素貯蔵能力が大きくすることができる。

【００１３】このように、下流の触媒ほど酸素貯蔵能力
を大きくすることにより、還元剤供給時であっても三元
触媒ではＮＯxを浄化するのに好適な還元雰囲気を形成
し、酸化触媒では炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（Ｃ
Ｏ）等を浄化するのに好適な酸化雰囲気を形成すること
が可能となる。

【００１４】本発明においては、前記ＮＯx触媒、前記
三元触媒、前記酸化触媒の少なくとも一の下流の酸素濃
度を検出する酸素濃度検出手段をさらに備え、該酸素濃
度検出手段の出力信号に基づいて還元剤供給手段は還元
剤の供給を行うことができる。

【００１５】このように構成された内燃機関の排気浄化
装置では、少なくとも一の触媒で排気を浄化することが
できる空燃比を得るために必要となる還元剤の量を供給
することが可能となる。

【００１６】本発明においては、前記還元剤供給手段
は、前記酸素濃度検出手段が前記酸化触媒の下流に備え
られた場合には、前記酸化触媒の下流の空燃比がリーン
空燃比となるように、前記酸素濃度検出手段が前記ＮＯ
x触媒の下流に備えられた場合には、前記ＮＯx触媒の下
流の空燃比がリッチ空燃比となるように、前記酸素濃度
検出手段が前記三元触媒の下流に備えられた場合には、
前記三元触媒の下流の空燃比が理論空燃比となるように
還元剤の供給量を制御することができる。

【００１７】このように構成された内燃機関の排気浄化
装置では、還元剤の供給量を制御して、各触媒で排気を
浄化するために必要な空燃比を得ることが可能となる。
また、還元剤供給時の硫化水素（Ｈ₂Ｓ）の放出を抑制
することが可能となる。

【００１８】本発明においては、前記酸素濃度検出手段
は、少なくとも前記酸化触媒の下流に備えられ、前記還
元剤供給手段は、前記酸化触媒の下流の空燃比がリーン
空燃比となるように還元剤の供給量を制御し、この条件
下で更に前記ＮＯx触媒の下流の空燃比がリッチ空燃比
へ、前記三元触媒の下流の空燃比が理論空燃比へ近づく
ように還元剤の供給量を制御することができる。

【００１９】このように構成された内燃機関の排気浄化
装置では、酸化触媒においてリーン空燃比とすることに
より炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）を確実に
浄化し、更にその範囲内でＮＯx触媒及び三元触媒にお
いてＮＯxの浄化を行うことが可能となる。

【００２０】本発明においては、前記ＮＯx触媒は、排
気中の粒子状物質を一時捕集可能なパティキュレートフ
ィルタに担持されていても良い。このようにすると、パ
ティキュレートフィルタで捕集した粒子状物質を還元剤
の供給により酸化除去することが可能となる。

【００２１】上記課題を達成するために本発明の内燃機
関の排気浄化装置の制御方法は、以下の手段を採用し
た。即ち、内燃機関の排気通路の上流から順にＮＯx触
媒、三元触媒、酸化触媒を配置し、ＮＯx触媒に還元剤
を供給してＮＯxを浄化する内燃機関の排気浄化装置の
制御方法において、前記ＮＯx触媒、前記三元触媒、前
記酸化触媒の少なくとも一の下流の酸素濃度を検出し、
該酸素濃度に基づいて還元剤の供給を行うことを特徴と
する。

【００２２】このような内燃機関の排気浄化装置の制御
方法では、少なくとも一の触媒で排気を浄化することが
できる空燃比を得るために必要となる還元剤の量を供給
することが可能となる。

【００２３】本発明においては、少なくとも酸化触媒の
下流の酸素濃度を検出しつつ、酸化触媒の下流の空燃比
がリーン空燃比となるように、更にその条件下でＮＯx
触媒の下流の空燃比がリッチ空燃比、三元触媒の下流の
空燃比が理論空燃比へ近づくように還元剤を供給するこ
とができる。

【００２４】このような内燃機関の排気浄化装置の制御
方法では、酸化触媒においてリーン空燃比とすることに
より炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）を確実に
浄化し、更にその範囲内でＮＯx触媒及び三元触媒にお
いてＮＯxの浄化を行うことが可能となる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る内燃機関の具
体的な実施態様について図面に基づいて説明する。ここ
では、本発明に係る内燃機関を車両駆動用のディーゼル
機関に適用した場合を例に挙げて説明する。

【００２６】図１は、本実施の形態に係るエンジンとそ
の吸排気系の概略構成を示す図である。

【００２７】図１に示すエンジン１は、４つの気筒２を
有する水冷式の４サイクル・ディーゼル機関である。

【００２８】エンジン１は、各気筒２の燃焼室に直接燃
料を噴射する燃料噴射弁３を備えている。各燃料噴射弁
３は、燃料を所定圧まで蓄圧する蓄圧室（コモンレー
ル）４と接続されている。

【００２９】前記コモンレール４は、燃料供給管５を介
して燃料ポンプ６と連通している。この燃料ポンプ６
は、エンジン１の出力軸（クランクシャフト）の回転ト
ルクを駆動源として作動するポンプであり、該燃料ポン
プ６の入力軸に取り付けられたポンププーリ６ａがエン
ジン１の出力軸（クランクシャフト）に取り付けられた
クランクプーリ１ａとベルト７を介して連結されてい
る。

【００３０】このように構成された燃料噴射系では、ク
ランクシャフトの回転トルクが燃料ポンプ６の入力軸へ
伝達されると、燃料ポンプ６は、クランクシャフトから
該燃料ポンプ６の入力軸へ伝達された回転トルクに応じ
た圧力で燃料を吐出する。

【００３１】前記燃料ポンプ６から吐出された燃料は、
燃料供給管５を介してコモンレール４へ供給され、コモ
ンレール４にて所定圧まで蓄圧されて各気筒２の燃料噴
射弁３へ分配される。そして、燃料噴射弁３に駆動電流
が印加されると、燃料噴射弁３が開弁し、その結果、燃
料噴射弁３から気筒２内へ燃料が噴射される。

【００３２】また、エンジン１には、吸気管８が接続さ
れており、吸気管８の各枝管は、各気筒２の燃焼室と吸
気ポート（図示省略）を介して連通している。

【００３３】このように構成された吸気系では、吸気管
８に流入した吸気は、各枝管を介して各気筒２の燃焼室
へ分配され、各気筒２の燃料噴射弁３から噴射された燃
料を着火源として燃焼される。

【００３４】一方、エンジン１には、排気管９が接続さ
れ、排気管９の各枝管が排気ポート１ｂを介して各気筒
２の燃焼室と連通している。

【００３５】前記排気管９は、下流にてマフラー（図示
省略）に接続されている。

【００３６】前記排気管９の途中には、吸蔵還元型ＮＯ
x触媒を担持したパティキュレートフィルタ（以下、単
にフィルタという。）１０が設けられている。フィルタ
１０は吸蔵還元型ＮＯx触媒を担持し、排気中の粒子状
物質（以下、ＰＭという。）を捕集するとともに、流入
する排気の酸素濃度が高いときは排気中のＮＯxを吸蔵
（吸収、吸着）し、流入する排気の酸素濃度が低下し且
つ還元剤が存在するときは吸蔵していたＮＯxを還元す
る機能を有する。このフィルタ１０の上流には、酸化機
能を有する第１酸化触媒１１が設けられている。また、
フィルタ１０と第１酸化触媒１１との間には、流通する
排気の温度に対応した電気信号を出力する第１排気温度
センサ１２が取り付けられている。更に、フィルタ１０
の下流には、三元触媒１３と第２酸化触媒１４が順に設
けられている。フィルタ１０と三元触媒１３との間に
は、流通する排気の温度に対応した電気信号を出力する
第２排気温度センサ１５及び流通する排気の空燃比に対
応した電気信号を出力する第１空燃比センサ１６が取り
付けられている。また、三元触媒１３と第２酸化触媒１
４との間には、流通する排気の空燃比に対応した電気信
号を出力する第２空燃比センサ１７が取り付けられてい
る。第２酸化触媒１４の下流には、流通する排気の空燃
比に対応した電気信号を出力する第３空燃比センサ１８
が取り付けられている。

【００３７】このように構成された排気系では、エンジ
ン１の各気筒２で燃焼された混合気（既燃ガス）が排気
ポート１ｂを介して排気管９へ排出され、次いで排気管
９からフィルタ１０上流の第１酸化触媒１１へ流入す
る。この第１酸化触媒１１では、還元剤の一部が酸化し
て排気の温度を上昇させることができ、吸蔵還元型ＮＯ
x触媒のＳＯx被毒回復時に該吸蔵還元型ＮＯx触媒を昇
温させることができる。また、還元剤によるフィルタ１
０の目詰まりを抑制することができる。第１酸化触媒１
１を通過した排気はフィルタ１０へ流入し、排気中のＰ
Ｍが捕集され、ＮＯxが吸蔵される。

【００３８】フィルタ１０から流出した排気は、三元触
媒１３へ流入する。この三元触媒１３は、ロジウム（Ｒ
ｈ）を含有し、還元雰囲気でＮＯxを還元浄化すること
ができる。一方、三元触媒１３は、リーン空燃比のとき
に酸化作用が活発となり、炭化水素（ＨＣ）及び一酸化
炭素（ＣＯ）等を酸化させ浄化させることができる。そ
して、理論空燃比近傍のときに三元触媒１３は最も有効
に働く。一方、本実施の形態による三元触媒１３は、酸
素貯蔵能力を有する。この酸素貯蔵能力は、例えばセリ
ア（Ｃｅ）等を含有することにより可能となる。この酸
素貯蔵能力により、三元触媒１３は、リーン空燃比のと
きに酸素を貯蔵し、リッチ空燃比となると貯蔵していた
酸素を放出することが可能となる。従って、リッチ空燃
比の排気が三元触媒へ流入すると、該三元触媒が有する
酸素貯蔵能力により貯蔵された酸素が放出され、排気の
空燃比は弱リッチ若しくは理論空燃比となり、ＮＯx、
一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）を浄化可能とな
る。ここで、三元触媒１３では、弱リッチの場合には、
ＮＯxの浄化率は高いが、炭化水素（ＨＣ）及び一酸化
炭素（ＣＯ）の一部は浄化されずに下流へ流出すること
がある。

【００３９】このように三元触媒１３を通過した弱リッ
チ空燃比の排気が下流の第２酸化触媒１４へ流入する。
本実施の形態による第２酸化触媒１４は、三元触媒１３
と同様に、セリア（Ｃｅ）等により酸素貯蔵能力を備え
ている。従って、弱リッチ空燃比又は理論空燃比の排気
が第２酸化触媒１４に流入すると、該第２酸化触媒１４
が有する酸素貯蔵能力により貯蔵された酸素が放出さ
れ、排気の空燃比はリーンとなり、炭化水素（ＨＣ）、
一酸化炭素（ＣＯ）を浄化することができる。

【００４０】ところで、吸蔵還元型ＮＯx触媒には燃料
に含まれる硫黄分が燃焼して生成される硫黄酸化物（Ｓ
Ｏx）もＮＯxと同じメカニズムで吸蔵される。このよう
に吸蔵されたＳＯxはＮＯxよりも放出されにくく、吸蔵
還元型ＮＯx触媒内に蓄積される。これをＳＯx被毒とい
い、ＮＯx浄化率が低下するため、適宜の時期にＳＯx被
毒から回復させる被毒回復処理を施す必要がある。この
被毒回復処理は、吸蔵還元型ＮＯx触媒を高温（例えば
６００乃至６５０℃程度）にしつつ燃料添加により酸素
濃度を低下させた排気を吸蔵還元型ＮＯx触媒に流通さ
せて行われている。吸蔵還元型ＮＯx触媒から放出され
たＳＯxは、リッチ雰囲気では硫化水素（Ｈ₂Ｓ）に還元
され易くなるが、最下流の第２酸化触媒１４に貯蔵され
た酸素によりこれを抑制することができ、におい成分が
大気中へ放出されることを抑制することができる。第１
排気温度センサ１２は、ＳＯx被毒回復時にフィルタ１
０温度が所定温度（例えば６００乃至６５０度）となっ
ているか否か判定するために用いることができる。ま
た、第２排気温度センサ１５は、ＳＯx被毒回復時にフ
ィルタ１０が過度に温度上昇したことを検出するために
用いることができる。

【００４１】以上述べたように構成されたエンジン１に
は、該エンジン１を制御するための電子制御ユニット
（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）１９が併設され
ている。このＥＣＵ１９は、エンジン１の運転条件や運
転者の要求に応じてエンジン１の運転状態を制御するユ
ニットである。

【００４２】ＥＣＵ１９には、各種センサが電気配線を
介して接続され、上記した各種センサの出力信号がＥＣ
Ｕ１９に入力されるようになっている。一方、ＥＣＵ１
９には、燃料噴射弁３、還元剤噴射弁２０等が電気配線
を介して接続され、制御することが可能になっている。
また、前記ＥＣＵ１９は、各種アプリケーションプログ
ラム及び各種制御マップを記憶している。

【００４３】尚、本実施の形態では、フィルタ１０より
上流の排気管９を流通する排気中に還元剤たる燃料（軽
油）を添加する還元剤供給機構を備え、この還元剤供給
機構から排気中へ燃料を添加することにより、フィルタ
１０に流入する排気の酸素濃度を低下させるとともに還
元剤の濃度を高めるようにした。

【００４４】還元剤供給機構は、図１に示されるよう
に、その噴孔が排気管９内に臨むように取り付けられ、
ＥＣＵ１９からの信号により開弁して燃料を噴射する還
元剤噴射弁２０と、前述した燃料ポンプ６から吐出され
た燃料を前記還元剤噴射弁２０へ導く還元剤供給路２１
と、を備えている。

【００４５】このような還元剤供給機構では、燃料ポン
プ６から吐出された高圧の燃料が還元剤供給路２１を介
して還元剤噴射弁２０へ印加される。そして、ＥＣＵ１
９からの信号により該還元剤噴射弁２０が開弁して排気
管９内へ還元剤としての燃料が噴射される。

【００４６】還元剤噴射弁２０から排気管９内へ噴射さ
れた還元剤は、排気管９の上流から流れてきた排気の酸
素濃度を低下させる。

【００４７】その後、ＥＣＵ１９からの信号により還元
剤噴射弁２０が閉弁し、排気管９内への還元剤の添加が
停止される。

【００４８】このようにして、フィルタ１０に還元剤が
供給された結果、フィルタ１０に流入する排気は、比較
的に短い周期で酸素濃度が変化することになる。これに
より、フィルタ１０に吸蔵されていた窒素酸化物（ＮＯ
x）は窒素（Ｎ₂）に還元される。

【００４９】ところで、吸蔵還元型ＮＯx触媒に多量の
ＮＯxが吸蔵されているときに還元剤を供給してＮＯxを
還元させると、少量ではあるが還元されないままＮＯx
が下流へ流出することがある。一方、吸蔵還元型ＮＯx
触媒のＳＯx被毒を回復させるために還元剤を供給する
と、硫化水素（Ｈ₂Ｓ）、アンモニアが発生することが
ある。更に、還元剤の供給により炭化水素（ＨＣ）、一
酸化炭素（ＣＯ）の一部が吸蔵還元型ＮＯx触媒で酸化
されずに下流に流出することがある。

【００５０】従来の内燃機関の排気浄化装置では、吸蔵
還元型ＮＯx触媒の下流に酸化触媒を設けていた。しか
し、酸化触媒ではＮＯxを還元することはできないた
め、吸蔵還元型ＮＯx触媒から流出するＮＯxを浄化する
ためには、三元触媒等の還元作用を有する触媒が必要と
なる。

【００５１】一方、吸蔵還元型ＮＯx触媒では、リッチ
空燃比でＮＯxの還元及びＳＯx被毒の回復を行う必要が
あるため、吸蔵還元型ＮＯx触媒において酸素吸蔵能力
を高めるとリッチ雰囲気を形成するために多量の還元剤
が必要となる。このような理由により、吸蔵還元型ＮＯ
x触媒における酸素貯蔵能力を低くすると、下流にリッ
チ空燃比の排気が流出するので、ＮＯx、一酸化炭素
（ＣＯ）及び炭化水素（ＨＣ）等の浄化が困難となり、
また、硫化水素（Ｈ₂Ｓ）等が発生するおそれがある。

【００５２】そこで、本実施の形態では、吸蔵還元型Ｎ
Ｏx触媒下流の三元触媒１３に酸素貯蔵能力を持たせ、
該三元触媒１３にてＮＯxを還元させ浄化することを可
能とした。即ち、リッチ空燃比の排気が三元触媒１３へ
流入すると三元触媒１３に貯蔵された酸素が放出され、
これにより理論空燃比近傍まで空燃比が上昇する。従っ
て、三元触媒１３がＮＯxを還元可能な雰囲気となり、
ＮＯxの浄化が行われる。また、本実施の形態では、更
に下流に酸素貯蔵能力を有する第２酸化触媒１４を設
け、三元触媒１３から流出する一酸化炭素（ＣＯ）及び
炭化水素（ＨＣ）を浄化する。この第２酸化触媒１４に
貯蔵された酸素が放出されると排気の空燃比がリーン空
燃比となり酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）及び硫
化水素（Ｈ２Ｓ）等を酸化させることが可能となる。こ
こで、還元剤の供給によりリッチとなった雰囲気が第２
酸化触媒１４に到達するまでに前後のリーン雰囲気に拡
散するため、リッチの度合いが低くなる。従って、第２
酸化触媒１４を最下流に配置することにより第２酸化触
媒１４に流入する排気の空燃比は比較的大きくなり、更
に該第２酸化触媒１４が備える酸素貯蔵能力により酸化
雰囲気を容易に形成することが可能となる。

【００５３】ここで、例えば酸化触媒を上流に配置し、
三元触媒を下流に配置すると、燃料添加によりリッチと
なった排気が三元触媒に到達するまでに拡散により空燃
比がリーンとなりＮＯxの浄化が困難となってしまう。

【００５４】図２は、本実施の形態による排気系に還元
剤が供給されたときに各触媒から排出される排気の空燃
比、ＮＯx及び炭化水素（ＨＣ）の量を示した図であ
る。

【００５５】フィルタ１０では、ＮＯxの還元及びＳＯx
被毒の回復のためリッチ空燃比が必要となる。また、こ
のときには、フィルタ１０を通過する還元剤により炭化
水素（ＨＣ）の排出量が多く、更にフィルタ１０から放
出されるＮＯxによりＮＯx量も多い。

【００５６】三元触媒１３では、該三元触媒１３から放
出される酸素により空燃比は弱リッチとなる。また、Ｎ
Ｏxは三元触媒１３により浄化されるが、弱リッチ雰囲
気のため炭化水素（ＨＣ）の一部が酸化されずに排出さ
れる。

【００５７】第２酸化触媒１４では、最小空燃比が上昇
し弱リーンとなる。これは、還元雰囲気の拡散及び第２
酸化触媒１４から放出される酸素によるものである。第
２酸化触媒１４では排気の空燃比は理論空燃比以上とな
るため炭化水素（ＨＣ）を酸化させることが可能とな
る。

【００５８】以上により、上流から吸蔵還元型ＮＯx触
媒、三元触媒、酸化触媒の順に配置することにより、燃
料添加によるＮＯxの還元と、このときに吸蔵還元型Ｎ
Ｏx触媒から流出するＮＯxの浄化、及び一酸化炭素（Ｃ
Ｏ）、炭化水素（ＨＣ）の浄化をすべて行うことが可能
となる。また、ＳＯx被毒回復を行うときに発生するに
おい成分である硫化水素（Ｈ₂Ｓ）を第２酸化触媒１４
にて酸化させることが可能となる。

【００５９】尚、本実施の形態では、各空燃比センサの
出力信号に基づいて還元剤の添加量をフィードバック制
御してもよい。フィードバック制御は、特に最下流の酸
化触媒から流出する排気の空燃比がリーンとなるように
行う。これにより、一酸化炭素（ＣＯ）及び炭化水素
（ＨＣ）の大気への放出を防止することが可能となる。

【００６０】次に、本実施の形態による還元剤添加量
（還元剤添加時間としても良い）のフィードバック制御
方法について説明する。

【００６１】図３は、還元剤添加量を算出するためのフ
ローを示したフローチャート図である。

【００６２】ステップＳ１０１では、還元剤添加量τを
マップより算出してこの算出値に基づいた還元剤添加制
御を行う。

【００６３】ＥＣＵ１９は、機関回転数とアクセル開度
と吸入空気量と燃料噴射量とをパラメータとして還元剤
添加量制御マップへアクセスし、排気の空燃比を予め設
定された目標空燃比とする上で必要となる目標還元剤添
加量τｍａｐを算出し添加する。算出された目標還元剤
添加量τｍａｐはＥＣＵ１９に還元剤添加量τとして記
憶される。ここで、機関回転数は、クランクポジション
センサ（図示省略）の出力信号により求め、アクセル開
度はアクセル開度センサ（図示省略）、吸入空気量はエ
アフローメータ（図示省略）により求められる。また、
燃料噴射量はＥＣＵ１９により制御されているため、こ
の値を用いることができる。

【００６４】尚、吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵されたＮ
Ｏx量をカウントするＮＯxカウンタにより、実際のＮＯ
x吸蔵量を求め、ＮＯx吸蔵量に対応した還元剤を供給す
るようにしても良い。

【００６５】ステップＳ１０２では、還元剤添加後の第
２酸化触媒１４下流の排気の空燃比がリーンであるか否
か判定する。第２酸化触媒１４は空燃比がリーンのとき
に一酸化炭素（ＣＯ）及び炭化水素（ＨＣ）を酸化可能
であるため、本実施の形態では、還元剤添加後の空燃比
がリーンとなるように還元剤の供給量を調整する。第２
酸化触媒１４下流の空燃比は第３空燃比センサ１８の出
力信号により求める。

【００６６】ステップＳ１０２で肯定判定がなされた場
合にはステップＳ１０４へ進み、一方、否定判定がなさ
れた場合にはステップＳ１０３へ進む。

【００６７】ステップＳ１０３では、還元剤の減量補正
が行われる。ＥＣＵ１９は、ＥＣＵ１９に記憶されてい
る現在指令の還元剤添加量τを読み込み、この値から所
定値１を減ずる。ここで、所定値１は還元剤添加量τと
比較すると小さい値である。このようにして、還元剤添
加量τから所定値１を減じた量の還元剤で還元剤添加制
御が行われる。また、現在指令の還元剤添加量τから所
定値１を減算した値を新たに現在指令の還元剤添加量τ
として記憶させる。

【００６８】ステップＳ１０４では、還元剤添加後の吸
蔵還元型ＮＯx触媒下流の排気の空燃比がリッチである
か否か判定する。吸蔵還元型ＮＯx触媒は空燃比がリッ
チのときにＮＯxを放出するため、本実施の形態では、
還元剤添加後の空燃比がリッチとなるように還元剤の供
給量を調整する。吸蔵還元型ＮＯx触媒（フィルタ１
０）下流の空燃比は第１空燃比センサ１６の出力信号に
より求める。

【００６９】ステップＳ１０４で肯定判定がなされた場
合にはステップＳ１０６へ進み、一方、否定判定がなさ
れた場合にはステップＳ１０５へ進む。

【００７０】ステップＳ１０５では、還元剤の増量補正
が行われる。ＥＣＵ１９は、記憶されている現在指令の
還元剤添加量τを読み込み、この値に所定値２を加え
る。ここで、所定値２は所定値１と比較すると小さい値
である。このようにして、還元剤添加量τに所定値１を
加えた量の還元剤で還元剤添加制御が行われる。また、
現在指令の還元剤添加量τに所定値２を加算した値を新
たに現在指令の還元剤添加量τとして記憶させる。

【００７１】ステップＳ１０６では、還元剤添加後の三
元触媒１３下流の排気の空燃比がストイキであるか否か
判定する。三元触媒１３は理論空燃比（ストイキ）近傍
のときに最も効果的にＮＯxを浄化可能なため、本実施
の形態では、還元剤添加後の空燃比がストイキとなるよ
うに還元剤の供給量を調整する。三元触媒１３下流の空
燃比は第２空燃比センサ１７の出力信号により求める。

【００７２】ステップＳ１０６で肯定判定がなされた場
合には本ルーチンを終了し、一方、否定判定がなされた
場合にはステップＳ１０７へ進む。

【００７３】ステップＳ１０７では、還元剤添加後の三
元触媒１３下流の排気の空燃比がリーンであるか否か判
定する。

【００７４】ステップＳ１０７で肯定判定がなされた場
合にはステップＳ１０８へ進み、一方、否定判定がなさ
れた場合にはステップＳ１０９進む。

【００７５】ステップＳ１０８では、還元剤の増量補正
が行われる。ＥＣＵ１９は、記憶されている現在指令の
還元剤添加量τを読み込み、この値に所定値３を加え
る。ここで、所定値３は所定値２と比較すると小さい値
である。このようにして、還元剤添加量τに所定値３を
加えた量の還元剤で還元剤添加制御が行われる。また、
現在指令の還元剤添加量τに所定値３を加算した値を新
たに現在指令の還元剤添加量τとして記憶させる。

【００７６】ステップＳ１０９では、還元剤の減量補正
が行われる。ＥＣＵ１９は、記憶されている現在指令の
還元剤添加量τを読み込み、この値から所定値３を減ず
る。このようにして、還元剤添加量τから所定値３を減
じた量の還元剤で還元剤添加制御が行われる。また、現
在指令の還元剤添加量τから所定値３を減算した値を新
たに現在指令の還元剤添加量τとして記憶させる。

【００７７】このようにして、還元剤添加量τを算出す
ることができ、各空燃比センサの出力信号に基づいて還
元剤添加量を補正することが可能となる。

【００７８】尚、本実施の形態では、ＳＯx被毒回復時
においてもＮＯx還元時と同様にして還元剤添加量を補
正することができる。

【００７９】尚、本実施の形態では、還元剤を供給する
方法として前記したように排気中への燃料添加を採用し
たが、その他に、再循環するＥＧＲガス量を増大させて
煤の発生量が増加して最大となった後に、更にＥＧＲガ
ス量を増大させる低温燃焼（特許第３１１６８７６
号）、機関出力のための燃料を噴射させる主噴射の後の
膨張行程若しくは排気行程中に再度燃料を噴射させる副
噴射等の方法を採用しても良い。

【００８０】本実施の形態では、フィルタ１０、三元触
媒１３、第２酸化触媒１４の下流に夫々空燃比センサを
設けたが、何れか１つ、若しくは２つの空燃比センサに
より空燃比制御を行っても良い。

【００８１】また、本実施の形態においては、吸蔵還元
型ＮＯx触媒には必ずしも酸素貯蔵能力を有しなくても
良い。

【００８２】更に、本実施の形態では、三元触媒におい
て炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、硫化水素
（Ｈ２Ｓ）等を有効に浄化することができる場合には、
最下流の酸化触媒を省略することができる。

【００８３】以上述べたように、本実施の形態による内
燃機関の排気浄化装置によれば、還元剤供給時に流出す
るＮＯxを還元しつつ、一酸化炭素（ＣＯ）及び炭化水
素（ＨＣ）更には硫化水素（Ｈ２Ｓ）等を酸化すること
ができる。

【００８４】

【発明の効果】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置で
は、上流からＮＯx触媒、三元触媒、酸化触媒の順に配
置することができ、還元剤供給時にＮＯx触媒でＮＯxを
還元し、三元触媒でＮＯx、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化
水素（ＨＣ）を浄化し、更に三元触媒で浄化できなかっ
た一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）等を酸化触媒
で浄化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る内燃機関の排気浄
化装置を適用するエンジンとその吸排気系とを併せ示す
概略構成図である。

【図２】排気系に還元剤が供給されたときに各触媒か
ら排出される排気の空燃比、ＮＯx及び炭化水素（Ｈ
Ｃ）の量を示した図である。

【図３】還元剤添加量を算出するためのフローを示し
たフローチャート図である。

【符号の説明】

１・・・・エンジン２・・・・気筒３・・・・燃料噴射弁４・・・・コモンレール５・・・・燃料供給管６・・・・燃料ポンプ７・・・・ベルト８・・・・吸気管９・・・・排気管１０・・・パティキュレートフィルタ１１・・・第１酸化触媒１２・・・第１排気温度センサ１３・・・三元触媒１４・・・第２酸化触媒１５・・・第２排気温度センサ１６・・・第１空燃比センサ１７・・・第２空燃比センサ１８・・・第３空燃比センサ１９・・・ＥＣＵ２０・・・還元剤噴射弁２１・・・還元剤供給路

───────────────────────────────────────────────────── 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 3/20 Ｆ０１Ｎ 3/28 ３０１Ｆ 3/24 3/36 Ｂ 3/28 ３０１Ｆ０２Ｄ 41/04 ３０５Ａ 3/36 Ｂ０１Ｄ 53/36 １０１ＡＦ０２Ｄ 41/04 ３０５１０３Ｂ１０３Ｃ 53/34 １２９Ｂ (72)発明者大木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Ｆターム(参考） 3G090 AA03 BA01 DA09 DA10 EA02 3G091 AA02 AA18 AA28 AB02 AB03 AB06 AB13 BA11 BA14 BA17 CA18 CB03 DA02 DA03 DC03 EA17 EA18 EA34 EA36 FB10 GA06 HA09 HA10 HA12 HA16 HA36 HA37 3G301 HA02 HA06 JA25 LB11 LC01 MA01 ND01 NE02 PD09Z 4D002 AA12 AC10 BA06 CA01 DA56 DA70 GA02 GA03 GB02 GB03 GB06 GB20 4D048 AA06 AA13 AA14 AA18 AB01 AB02 AB05 AB07 AC02 BC01 BD01 CC32 CC41 CC46 CC61 DA01 DA02 DA10 DA20 EA04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】還元剤の存在下でＮＯxを還元するＮＯx触
媒と、前記ＮＯx触媒の下流に設けられ炭化水素及び一酸化炭
素を酸化させＮＯxを還元させ且つ酸素貯蔵能力を有す
る三元触媒と、前記三元触媒の下流に設けられ酸化機能及び酸素貯蔵能
力を有する酸化触媒と、前記ＮＯx触媒へ還元剤を供給する還元剤供給手段と、を具備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ＮＯx触媒が酸素貯蔵能力を有してい
る場合には、該ＮＯx触媒の酸素貯蔵能力が一番小さ
く、次いで前記三元触媒、前記酸化触媒の順に大きくな
り、前記ＮＯx触媒が酸素貯蔵能力を有していない場合
には、前記三元触媒、前記酸化触媒の順に酸素貯蔵能力
が大きくな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】前記ＮＯx触媒、前記三元触媒、前記酸化
触媒の少なくとも一の下流の酸素濃度を検出する酸素濃
度検出手段をさらに備え、該酸素濃度検出手段の出力信
号に基づいて還元剤供給手段は還元剤の供給を行うこと
を特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄
化装置。
【請求項４】前記還元剤供給手段は、前記酸素濃度検出
手段が前記酸化触媒の下流に備えられた場合には、前記
酸化触媒の下流の空燃比がリーン空燃比となるように、
前記酸素濃度検出手段が前記ＮＯx触媒の下流に備えら
れた場合には、前記ＮＯx触媒の下流の空燃比がリッチ
空燃比となるように、前記酸素濃度検出手段が前記三元
触媒の下流に備えられた場合には、前記三元触媒の下流
の空燃比が理論空燃比となるように還元剤の供給量を制
御することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排
気浄化装置。
【請求項５】前記酸素濃度検出手段は、少なくとも前記
酸化触媒の下流に備えられ、前記還元剤供給手段は、前
記酸化触媒の下流の空燃比がリーン空燃比となるように
還元剤の供給量を制御し、この条件下で更に前記ＮＯx
触媒の下流の空燃比がリッチ空燃比へ、前記三元触媒の
下流の空燃比が理論空燃比へ近づくように還元剤の供給
量を制御することを特徴とする請求項３に記載の内燃機
関の排気浄化装置。
【請求項６】前記ＮＯx触媒は、排気中の粒子状物質を
一時捕集可能なフィルタに担持されていることを特徴と
する請求項１乃至５の何れかに記載の内燃機関の排気浄
化装置。
【請求項７】内燃機関の排気通路の上流から順にＮＯx
触媒、三元触媒、酸化触媒を配置し、ＮＯx触媒に還元
剤を供給してＮＯxを浄化する内燃機関の排気浄化装置
の制御方法において、前記ＮＯx触媒、前記三元触媒、
前記酸化触媒の少なくとも一の下流の酸素濃度を検出
し、該酸素濃度に基づいて還元剤の供給を行うことを特
徴とする内燃機関の排気浄化装置の制御方法。
【請求項８】少なくとも酸化触媒の下流の酸素濃度を検
出しつつ、酸化触媒の下流の空燃比がリーン空燃比とな
るように、更にその条件下でＮＯx触媒の下流の空燃比
がリッチ空燃比、三元触媒の下流の空燃比が理論空燃比
へ近づくように還元剤を供給することを特徴とする請求
項７に記載の内燃機関の排気浄化装置の制御方法。