JP2009019515A

JP2009019515A - ＮＯｘ浄化システム及びＮＯｘ浄化システムの制御方法

Info

Publication number: JP2009019515A
Application number: JP2007180694A
Authority: JP
Inventors: Masashi Gabe; 我部　　正志; Taiji Nagaoka; 大治長岡
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2007-07-10
Filing date: 2007-07-10
Publication date: 2009-01-29
Anticipated expiration: 2027-07-10
Also published as: JP5070964B2

Abstract

【課題】内燃機関の運転状態を変更することなく、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力を回復できると共に、低温域からＮＯｘ浄化性能を向上させることができ、また、内燃機関の耐久性向上、燃費向上、更に、ドライバビリティの悪化を防ぐことができ、特に、ＮＯｘ再生初期における酸素放出と大量のＮＯｘ放出に対しても十分に対応できるＮＯｘ浄化システム及びＮＯｘ浄化システムの制御方法を提供する。
【解決手段】ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２０の上流側の排気通路３の一部分を並行する第１分岐排気通路３ａと第２分岐排気通路３ｂに分けて設けると共に、第１分岐排気通路３ａに還元剤を添加する還元剤添加装置３４と、第１分岐排気通路３ａ内でプラズマを発生させるプラズマ発生装置３２と、第１分岐排気通路３ａの下流部分を開閉する制御弁３３とを備えて構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するＮＯｘ吸蔵還元型触媒を備えたＮＯｘ浄化システム及びＮＯｘ浄化システムの制御方法に関する。

ディーゼルエンジンから排出されるＰＭ（微粒子状物質）、ＮＯｘ、ＣＯ（一酸化炭素）やＨＣ（炭化水素）等は、年々排出規制が強化されてきている。この規制の強化に伴い、エンジンの改良のみでは、規制値への対応が困難になってきている。そこで、エンジンの排気通路に排気ガス後処理装置を着装して、エンジンから排出されるこれらの物質を低減する技術が採用されてきている。

このような状況において、ディーゼルエンジンや一部のガソリンエンジン等の内燃機関や様々な燃焼装置の排気ガス中からＮＯｘ（窒素酸化物）を還元除去するためのＮＯｘ触媒について種々の研究や提案がなされている。その一つに、ディーゼルエンジン用のＮＯｘ低減触媒として、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒がある。このＮＯｘ吸蔵還元型触媒の使用により、有効に排気ガス中のＮＯｘを浄化できる。

このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、モノリスハニカム等で形成され、このモノリスハニカムのコージィエライト、炭化珪素（ＳｉＣ）若しくは極薄板ステンレスで形成された構造材の担体に、多数の多角形のセルを形成して構成される。このセルの壁面にはアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ゼオライト、シリカ、各種酸化物等で形成された触媒担持層となる多孔質の触媒コート層が設けられている。この触媒コート層の表面に酸化機能を持つ触媒貴金属（触媒活性金属）と、ＮＯｘ吸蔵機能を持つＮＯｘ吸蔵剤（ＮＯｘ吸蔵物質：ＮＯｘ吸蔵材：ＮＯｘ吸収剤）を担持している。この触媒貴金属は、白金（Ｐｔ）等で形成され、ＮＯｘ吸蔵剤は、カリウム（Ｋ），ナトリウム（Ｎａ），リチウム（Ｌｉ），セシウム（Ｃｓ）等のアルカリ金属、バリウム（Ｂａ），カルシウム（Ｃａ）等のアルカリ土類金属、ランタン（Ｌａ），イットリウム（Ｙ）等の希土類等の中から幾つかから形成される。

これらにより、排気ガス中の酸素濃度によってＮＯｘ吸蔵とＮＯｘ放出とＮＯｘ浄化の三つの機能を発揮する。つまり、このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、通常運転時にＮＯｘをＮＯｘ吸蔵剤に吸蔵し、吸蔵能力が飽和に近づくと、適時、流入してくる排気ガスの空燃比をリッチ空燃比にして、吸蔵したＮＯｘを放出させると共に、放出されたＮＯｘを触媒貴金属の三元機能で還元する。

より詳細には、通常のディーゼルエンジン、希薄燃焼ガソリンエンジン等の排気ガス中に酸素（Ｏ₂）が含まれるような、排気ガスの空燃比がリーン空燃比状態の場合には、排気ガス中に含まれる酸素によって、エンジンから排出される一酸化窒素（ＮＯ）を触媒貴金属の酸化触媒機能によって二酸化窒素（ＮＯ₂）に酸化する。そして、その二酸化窒素をＮＯｘ吸蔵機能を持つバリウム等のＮＯｘ吸蔵剤に硝酸塩等の塩化物のかたちで吸蔵し、ＮＯｘを浄化する。

しかし、このままの状態を継続するとＮＯｘ吸蔵機能を持つＮＯｘ吸蔵剤は、全て硝酸塩に変化してＮＯｘ吸蔵機能を失ってしまう。そこで、エンジンの運転条件を変えたり、排気通路中に燃料等の還元剤を噴射したりして、排気ガス中に酸素が存在しないで、一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）等の還元剤の濃度が高く、排気温度も高い排気ガス、即ち、過濃燃焼排気ガス（リッチスパイクガス）を作り出し触媒に送る。

そして、排気ガス中に酸素が無く、還元剤濃度が高く、排気ガス温度が上昇したリッチ空燃比状態にすると、ＮＯｘを吸蔵した硝酸塩は二酸化窒素を放出し元のバリウム等に戻る。この放出された二酸化窒素を、排気ガス中に酸素が存在しないので、排気ガス中の一酸化炭素，炭化水素，水素（Ｈ₂）を還元剤として、酸化機能を持つ白金等の触媒貴金属上で、水、二酸化炭素（ＣＯ₂）、窒素（Ｎ₂）に変換し浄化する。

そのため、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を備えたＮＯｘ浄化システムでは、ＮＯｘ吸蔵能力が飽和に近くなると、吸蔵されたＮＯｘを放出させて浄化して触媒を再生するために、理論空燃比より燃料を多くして排気ガスの空燃比をリッチにして、流入する排気ガスの酸素濃度を低下させた高温の還元組成排気ガスを触媒に供給する必要がある。このＮＯｘ吸蔵能力回復用のリッチ制御を行うことにより吸収したＮＯｘを放出させて、この放出されたＮＯｘを貴金属触媒により還元させるＮＯｘ再生操作を行っている。

従来技術のＮＯｘ浄化システムでは、低負荷で排気温度が約２５０℃以下のような運転状態では、リッチ燃焼によるＮＯｘ再生制御を行っても、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒が活性化しておらず、吸蔵されたＮＯｘが脱離するのみで、ＮＯｘの浄化が生じない。そのため、低温域でのＮＯｘ浄化ができず、極端にＮＯｘ浄化率が低下する。従って、低負荷域では、ＮＯｘが飽和し、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の下流側への流出（ＮＯｘスリップ）が起きてしまうという問題がある。

また、この低負荷域から負荷が増加して排気ガスの温度が上昇した場合には、この温度上昇により、吸蔵剤や触媒表面から吸蔵及び吸着していたＮＯｘが一気に放出されるので、還元剤不足と排気ガス中のＯ₂濃度が高いことによりＮＯｘの浄化が不十分となり、ＮＯｘ浄化性能の極端な悪化を招くという問題もある。

また、触媒活性が生じている中温域や高温域においても、触媒に吸蔵されたＮＯｘの放出、浄化のために、エンジン運転条件を切り替えて高温で酸素濃度の極端に低いリッチ排気ガスを発生させて、この排気ガスを触媒に供給することにより、触媒におけるＮＯｘの放出と還元浄化を行っている。この場合、リッチ排気ガスを生成するのが不得意なディーゼルエンジンでは、燃費の極端な悪化や、スモーク、ＰＭの悪化の問題や、この高濃度スモーク生成運転による耐久性の悪化を招くという問題や、更に、不適切な燃焼から車のドライバビリティも悪化させるという問題がある。また、ディーゼルエンジンの場合、ＮＯｘ再生時のリッチ排気ガス中に、数パーセント程度の酸素が残存しているため、ＮＯｘ再生時のＮＯｘ浄化率も低下している。

この運転条件の切換えによる還元剤添加による燃費の極端な悪化や、スモーク、ＰＭの悪化の問題を解決するために、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の上流側に、燃料添加手段とプラズマ改質機とを備えたバイパス通路を設け、排気ガス中への放電で発生するプラズマで燃料を水素と一酸化炭素に分解させ、この反応性の高い水素及び一酸化炭素により、低温域での排気ガス中の酸素との反応を高めて排気ガス中の酸素濃度を低下させて、ＮＯｘを放出させると共に、このＮＯｘを反応性の高い水素及び一酸化炭素により効率よく窒素に還元する排気浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、希薄燃焼機関で触媒ＮＯｘ再生用のリッチ排ガスを運転条件変更により生成する場合の上記問題を解決する為に、この排気浄化装置では、リッチ排ガスを生成する為に燃料添加とプラズマ放電によって触媒に有効な還元ガスを生成供給している。この場合は燃料添加とプラズマ放電される排気ガスは流動状態で行われるので、十分なリッチ還元ガスを生成できない。また、十分なＯ₂濃度低下も生じず、リッチ排ガス生成初期は燃料希薄状態で後半になるに従って深いリッチ排ガスとなり、触媒が効率良くＮＯｘ再生できる供給リッチ排ガス条件と反対になってしまう。
特開２００６−３１６６５４号公報

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、内燃機関の運転状態を変更することなく、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力を回復できると共に、プラズマにより分解酸化されたＨＣ，ＣＯ，Ｈ₂が多量に含まれる排気ガスにより低温活性を向上し、低温域からＮＯｘ浄化性能を向上させることができ、また、内燃機関の耐久性向上、燃費向上、更に、ドライバビリティの悪化を防ぐことができ、特に、ＮＯｘ再生初期のＯ₂濃度を極端に低下させた過濃リッチ排気ガスの供給で、ＮＯｘ再生初期における残留酸素放出により触媒が昇温して、大量のＮＯｘが放出されることに対しても十分に対応できるＮＯｘ浄化システム及びＮＯｘ浄化システムの制御方法を提供することにある。

上記のような目的を達成するためのＮＯｘ浄化システムは、内燃機関の排気通路に、排気ガスの空燃比が、リーン状態の場合にＮＯｘを吸蔵し、かつ、リッチ状態の場合に吸蔵していたＮＯｘを放出すると共に還元するＮＯｘ吸蔵還元型触媒を備えると共に、該ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力を回復するためのＮＯｘ再生制御を実施する制御装置を備えたＮＯｘ浄化システムにおいて、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の上流側の排気通路の一部分を並行する第１分岐排気通路と第２分岐排気通路に分けて設けると共に、前記第１分岐排気通路に還元剤を添加する還元剤添加装置と、前記第１分岐排気通路内でプラズマを発生させるプラズマ発生装置と、前記第１分岐排気通路の下流部分を開閉する制御弁とを備えて構成される。

また、上記のＮＯｘ浄化システムにおいて、前記制御装置が、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力の回復が必要であると判定したときに、前記制御弁の閉弁により前記第１分岐排気通路を閉じて、前記還元剤添加量装置により前記第１分岐排気通路に還元剤を添加し、前記プラズマ発生装置により前記第１分岐排気通路内にプラズマを発生させ、所定の時間の経過後に、前記制御弁の開弁により前記第１分岐排気通路を開き、ＮＯｘ吸蔵能力が所定の範囲まで回復したと判定するまで、前記還元剤の添加と前記プラズマの発生を継続するように構成される。

そして、上記のような目的を達成するためのＮＯｘ浄化システムの制御方法は、内燃機関の排気通路に、排気ガスの空燃比が、リーン状態の場合にＮＯｘを吸蔵し、かつ、リッチ状態の場合に吸蔵していたＮＯｘを放出すると共に還元するＮＯｘ吸蔵還元型触媒を備え、該ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の上流側の排気通路の位置部分を並行する第１分岐排気通路と第２分岐排気通路に分けて設けると共に、前記第１分岐排気通路に還元剤を添加する還元剤添加装置と、前記第１分岐排気通路内でプラズマを発生させるプラズマ発生装置と、前記第１分岐排気通路の下流部分を開閉する制御弁と、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力を回復するためのＮＯｘ再生制御を実施する制御装置とを備えたＮＯｘ浄化システムの制御方法において、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力の回復が必要であると判定したときに、前記制御弁の閉弁により前記第１分岐排気通路を閉じて、前記還元剤添加装置により前記第１分岐排気通路に還元剤を添加し、前記プラズマ発生装置により前記第１分岐排気通路内にプラズマを発生させ、所定の時間の経過後に、前記制御弁の開弁により前記第１分岐排気通路を開き、ＮＯｘ吸蔵能力が所定の範囲まで回復したと判定するまで、前記還元剤の添加と前記プラズマの発生を継続することを特徴とする制御方法である。

本発明においては、ＮＯｘ再生制御に際しては、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の上流側の排気通路を第１及び第２分岐排気通路の２つに分け、第１分岐排気通路において、燃料の一部等の還元剤を噴射し、プラズマでその還元剤を低温酸化する。これにより、エンジンの運転条件を変えることなく、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘパージと浄化、即ち、ＮＯｘ再生が行える。特にプラズマで活性化した還元剤を使用できるので、低温域でもＮＯｘ再生ができるようになるとともに、還元剤の反応効率がよくなり、ＮＯｘ再生時に反応せずに流出する還元剤の量を低減でき、ＮＯｘ再生による燃費の悪化を抑制できる。

そして、このＮＯｘ再生の開始時に、第１分岐排気通路の下流部分を所定の時間（例えば、１．０ｓ〜１２００ｓ程度：ＮＯｘ吸蔵還元型触媒（ＬＮＴ触媒）の吸蔵中の時間）の間閉じることにより、第１分岐排気通路内に滞留した排気ガス中の酸素濃度を０％にすると共に、反応活性の高い部分酸化還元剤を大量に共存した排気ガスを作る。そして、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒がＮＯｘで飽和した時に、第１分岐排気通路の下流部分を開いて、この部分酸化還元剤を大量に共存した排気ガスをＮＯｘ吸蔵還元型触媒に供給し、吸蔵されていたＮＯｘの放出と還元浄化を行う。これにより、ＮＯｘ再生の初期に放出される触媒に吸着・吸蔵されていた酸素の処理、また、大量のＮＯｘの処理を効率よく行うことができる。

つまり、ＮＯｘ再生の初期は、触媒表面にＯ₂が吸着する。また、酸化状態にあり、ＨＣ，ＣＯ，Ｈ₂が供給されると、酸化反応により触媒表面が昇温し、ＮＯｘが大量に放出される。従って、過剰の還元剤が必要となる。

また、第１分岐排気通路の下流部分を開いた後は、第１分岐排気通路における還元剤の噴射とプラズマ発生を継続し、プラズマでその還元剤を低温酸化し、この活性化した還元剤を供給し、浅いリッチ状態で、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒からＮＯｘを放出させると共に、放出されたＮＯｘを還元浄化する。また、浅いリッチ状態を後半にすることで、ＨＣ，ＣＯ，Ｈ₂の残留ガスを酸化し、スリップを防ぐ。これにより、大量のＮＯｘ放出後におけるＮＯｘ吸蔵還元型触媒からのＮＯｘ放出量に合わせた還元浄化を効率よく行うことができ、燃費の悪化を防止することができる。

本発明に係るＮＯｘ浄化システム及びＮＯｘ浄化システムの制御方法によれば、内燃機関の運転条件を変えることなく、還元剤を排気通路内に直接噴射し、この還元剤を、プラズマの発生により分解及び改質して、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に供給するので、この改質された還元剤により、低温域においても、酸素濃度を低下させることができると共に、放出されたＮＯｘを効率よく窒素に還元できる。十分な時間を掛けてプラズマにより、軽油を分解するので、確実にＯ₂の消費すると共に（Ｏ₂濃度０ｐｐｍへ）と分解ＨＣ，ＣＯ，Ｈ₂の生成により低温域から触媒活性を生じさせて、浄化率を向上できる。

従って、低温域からＮＯｘ浄化性能を向上させることができ、また、内燃機関の運転条件を変えることなく、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ再生と、ＮＯｘ再生時に放出されたＮＯｘの還元浄化を行うことができるので、内燃機関の耐久性向上、燃費向上、更に、ドライバビリティの悪化を防ぐことができる。

特にＮＯｘ再生の初期において、酸素濃度を極端に低下し、還元剤も豊富な排気ガスを供給し、しかも、その初期ほど酸素濃度の低下度と還元剤濃度とが極端な大きく、それ以後は酸素濃度の低下度と還元剤濃度とを徐々に減少させ、所定の値にすることができるので、リッチ初期のＮＯｘスリップを防止すると共に、リッチ条件後半でＨＣ，ＣＯ，Ｈ₂のスリップも防止でき、浄化率を向上させる。

本発明では制御弁を設けて、第１分岐排気通路の下流部分を絞り、排気ガス流動を静止させて添加燃料の分解共存Ｏ₂の消費を行うため、十分なＯ₂消費から確実で必要十分な還元剤が存在するリッチ排ガスを生成できると共に、供給リッチ排ガスの濃度分布も理想的に発生でき、初期過濃で後半に浅いリッチ排ガスを生成できる。

従って、ＮＯｘ再生初期における酸素放出と大量のＮＯｘ放出に対しても十分に対応でき、その後も効率よくＮＯｘの放出と還元を行えるので、ＮＯｘ浄化率を改善できる。

以下、本発明に係る実施の形態のＮＯｘ浄化システム及びＮＯｘ浄化システムの制御方法について、図面を参照しながら説明する。本発明はディーゼルエンジンに代表される希薄燃焼機関全体に適用されるが、ここではディーゼルエンジンを例にして説明する。なお、ここでいう排気ガスのリッチ状態とは、必ずしもシリンダ内でリッチ燃焼する必要はなく、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に流入する排気ガス中に供給した「空気量」と「燃料量（シリンダ内で燃焼した分も含めて）＋還元剤（通常は燃料の一部を使用）」との比が理論空燃比に近い状態か又は理論空燃比より燃料量が多いリッチの状態であることをいう。

図１に、本発明の実施の形態のＮＯｘ浄化システム１の構成を示す。このＮＯｘ浄化システム１では、エンジン（内燃機関）Ｅの排気通路３にＮＯｘ吸蔵還元型触媒（排気ガス浄化装置：触媒コンバーター）２０が配置される。

ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２０は、コージェライト若しくは炭化珪素（ＳｉＣ）極薄板ステンレスで形成されたモノリス触媒に、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化チタン（ＴｉＯ）等の触媒コート層を設け、この触媒コート層に、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等の触媒金属とバリウム（Ｂａ）等のＮＯｘ吸蔵材（ＮＯｘ吸蔵物質）を担持させて構成される。このモノリス触媒の構造材の担体は、多数のセルを有しており、また、このセルの内壁に設けられる触媒コート層は、大きな表面積を持っており、排気ガスとの接触効率を高めている。

このＮＯｘ吸蔵還元型触媒２０では、酸素濃度が高い排気ガスの状態（リーン空燃比状態）の時に、排気ガス中のＮＯｘをＮＯｘ吸蔵材が吸蔵することにより、排気ガス中のＮＯｘを浄化し、酸素濃度が低いかゼロ（０％）の排気ガス状態（リッチ空燃比状態）の時に、吸蔵したＮＯｘを放出すると共に放出されたＮＯｘを触媒金属の触媒作用により還元することにより、大気中へのＮＯｘの流出を防止する。

そして、エンジンＥの運転の全般的な制御を行うと共に、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２０のＮＯｘ浄化能力の回復制御も行う制御装置（ＥＣＵ：エンジンコントロールユニット）３０が設けられる。このＮＯｘ吸蔵還元型触媒２０の上流側（入口側）に、上流側ＮＯｘ濃度センサー２１、上流側空気過剰率（λ）センサー (酸素濃度センサー）２２、上流側排気ガス温度センサー２３を配置し、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２０の下流側に、下流側排気ガス温度センサー２４、下流側ＮＯｘ濃度センサー２５、バイナリーλセンサー (酸素濃度センサー）２６を配置する。これらの各センサーの出力は、制御装置（ＥＣＵ）３０に入力される。このバイナリーλセンサー２６は、理論空燃比のλ＝１で大きく出力特性が変化するセンサーである。

この制御装置（ＥＣＵ）３０は、その内部に、中央処理装置（ＣＰＵ）、ランダムアクセスメモリー（ＲＡＭ）、リードオンリメモリー（ＲＯＭ）、入力ポート、出力ポートを双方向パスで接続した構成のデジタルコンピューターからなり、エンジンＥの噴射制御、燃料噴射時期制御などの基本制御を行う他、この実施の形態では、エンジン燃焼制御、プラズマ制御、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒制御、排気絞り弁制御、吸気絞り弁制御も行う。

そして、これらの制御を行うため、この制御装置３０に、更に、アクセル開度からの負荷センサー２８、エンジンクランク軸に設けたクランク角センサー２９等からの検出値（出力信号）が入力される。また、この制御装置３０からエンジンＥの吸気絞り弁（吸気スロットル弁）８、ＥＧＲ弁１２、燃料噴射用のコモンレール電子制御燃料噴射装置の燃料噴射弁１３等を制御する信号が出力される。

このＮＯｘ浄化システム１においては、エンジンＥに吸入される吸入空気Ａは、吸気通路２の空気清浄器５、マスエアフローセンサー（ＭＡＦセンサー）６を通過して、ターボチャージャ７のコンプレッサにより圧縮昇圧され、更にインタークーラー（図示しない）で冷却され、吸気絞り弁８によりその量を調整されて吸気マニホールドよりシリンダ内に入る。マスエアフローセンサー６は、吸入空気量を計測し、吸入空気Ａの流量に対応した電圧が制御装置（ＥＣＵ）３０に入力される。また、吸気絞り弁８は制御装置（ＥＣＵ）３０からの制御信号で制御される。このシリンダに吸入された空気Ａに、燃料タンク９から燃料ポンプ１０によって昇圧された燃料をコモンレール及び燃料噴射弁１３を経由して噴射して燃焼させる。

この燃焼によりシリンダ内で発生した排気ガスＧは、排気マニホールドから排気通路３に出て、ターボチャージャ７のタービンを駆動した後、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２０を通過して浄化された排気ガスＧｃとなって、図示しない消音器を通って大気中に排出される。また、排気ガスＧの一部はＥＧＲガスＧｅとして、ＥＧＲ通路４の高効率ＥＧＲクーラー１１を通過し冷却され、ＥＧＲ通路４の出口側に設置したＥＧＲ弁１２でその量を調整されて、吸気絞り弁８の下流側の吸気マニホールドに再循環される。なお、この実施の形態では、大量のＥＧＲガスを還流できるように構成される。

そして、本発明においては、排気通路３をＮＯｘ吸蔵還元型触媒２０の上流側で分岐し、第１分岐排気通路３ａと第２分岐排気通路３ｂに分けると共に、これらの第１分岐排気通路３ａと第２分岐排気通路３ｂとを、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２０の上流側で合流させる。つまり、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２０の上流側の排気通路３の一部分を並行する第１分岐排気通路３ａと第２分岐排気通路３ｂに分けて設ける。

この第１分岐排気通路３ａには、高圧電源３１に接続されたプラズマ発生装置３２と排気絞り弁３３を設ける。この排気絞り弁３３は、第１分岐排気通路３ａの下流部分を開閉する制御弁となる。この排気絞り弁３３の下流で、第１分岐排気通路３ａは第２分岐排気通路３ｂと合流するように構成する。この合流点の下流にＮＯｘ吸蔵還元型触媒２０が配置されることになる。また、この第１分岐排気通路３ａ内の排気ガスに燃料の一部を添加する還元剤添加弁３４を図１に示すような第１分岐排気通路３ａの上流を臨む位置、又は、第１分岐排気通路３ａ内の上流側に配設する。これらの高圧電源３１と排気絞り弁３３と還元剤添加弁３４は、制御装置（ＥＣＵ）３０からの制御信号で制御される。

次に、このＮＯｘ浄化システム１における制御方法について説明する。この制御方法では、ディーゼルエンジンＥの通常の運転では、希薄燃焼状態のリーン運転が行われ、このリーン空燃比状態では排気ガス中のＮＯｘはＮＯｘ吸蔵還元型触媒２０に吸蔵され排気ガスは浄化される。ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２０にＮＯｘが吸蔵され、ＮＯｘ吸蔵能力が飽和状態近くになると、事前試験により定められた触媒のＮＯｘ吸蔵量の閾値に達したか否かを判定し、閾値に達した場合には、ＮＯｘを放出させて還元して浄化するＮＯｘ再生制御を行い、ＮＯｘ浄化性能を維持する。

本発明では、このＮＯｘ再生制御は、図２に例示するような制御フローに従って、次のように行われる。この図２の制御フローは、このエンジンＥの運転全般を制御する上級の制御フローから、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２０のＮＯｘ再生制御の要否の判断の必要がある時に、呼ばれては実行されて戻り、繰り返し実行されるものとして示してある。この図２の制御フローは、エンジンＥの運転が開始されると、上級の制御フローと共にスタートし、エンジンＥの運転が終了と、上級の制御フローと共に終了する。

この図２の制御フローが上級の制御フローから呼ばれてスタートすると、ステップＳ１１で、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２０に吸蔵されたＮＯｘ吸蔵量Ｖａを推定する。次のステップＳ１２で、このＮＯｘ吸蔵量Ｖａをチェックし、所定の開始用判定量（閾値）Ｖａｃより大きいか否かを判定する。この判定は、ＮＯｘ再生制御を開始するか否かの判定であり、周知のＮＯｘ再生制御の開始の判定を使用することができる。

例えば、このＮＯｘ吸蔵量Ｖａの推定は、エンジンＥの運転状態から排出されるＮＯｘ量を算出したり、上流側ＮＯｘ濃度センサー２１の検出値と排気ガス量とから、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２０に流入するＮＯｘ流入量を算定し、下流側ＮＯｘ濃度センサー２５の検出値と排気ガス量とから、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２０から流出するＮＯｘ流出量を算定する。このＮＯｘ流入量とＮＯｘ流出量との差からＮＯｘ吸蔵還元型触媒２０に吸蔵される量を算出し、この量を時間的に積算してＮＯｘ吸蔵量とする。なお、排気ガス量は吸気量と燃料噴射量とから算出できる。

このステップＳ１２の判定で、ＮＯｘ吸蔵量Ｖａが所定の開始用判定量Ｖａｃ以下の場合は、ＮＯｘ再生制御の開始では無いとして、ステップＳ１３に行き、リーン空燃比運転の通常運転を継続する。この通常運転を所定の時間（ＮＯｘ吸蔵量のチェックのインターバルに関係する時間）の間行って、リターンする。

また、ステップＳ１２の判定で、ＮＯｘ吸蔵量Ｖａが所定の開始用判定量Ｖａｃより大きい場合は、ＮＯｘ再生制御の開始であるとして、ステップＳ２０に行き、ＮＯｘ再生制御を行う。このＮＯｘ再生制御は、従来技術のリッチ空燃比制御ではなく、本発明では次のようにして行われる。

最初に、ステップＳ２１で、プラズマ発生装置３２の下流部分に設置した排気絞り弁３３を閉じる。これにより、排気ガスの全量を第２分岐排気通路３ｂに流す。略同時に、次のステップＳ２２で、高圧電源３１及びプラズマ発生装置３２をオンにして作動させ、排気ガスの流れが中断した第１分岐排気通路３ａ内にプラズマを発生させる。それと共に、還元剤添加弁３４をオンにして還元剤添加弁３４を開弁し、排気管還元剤添加を行う。これにより、排気絞り弁３３が閉じた状態で、第１分岐排気通路３ａに排気ガスが滞留し、この排気ガス中に噴射された還元剤（燃料の一部）の炭化水素（ＨＣ）がプラズマによって、分解及び改質される。この分解及び改質により活性化した炭化水素（ＨＣ）により、排気絞り弁３３で閉じられた第１分岐排気通路３ａにおいて、リッチ排気ガス中に残留していた酸素が、プラズマで活性化した炭化水素と反応し消費されるので、酸素濃度ゼロの排気ガスが生成されるので、下流先端側が深いリッチな排気ガスとなり、上流側が比較的浅いリッチの排気ガスとなる。

このステップＳ２２のプラズマ発生と排気管還元剤添加を、予め実験などで設定された所定の時間（例えば、１ｓ〜１２００ｓ）の間行い、次のステップＳ２３に行き、排気絞り弁３３を瞬時に開く。この排気絞り弁３３の開弁により、排気ガスの流路が元の第１分岐排気通路３ａに戻るので、今までに停留していたリッチな排気ガスがＮＯｘ吸蔵還元触媒２０に供給される。この排気絞り弁３３の開弁後もプラズマ放電と排気管還元剤添加は継続する。

このステップＳ２３の排気絞り弁３３の開弁後は、ステップＳ２４で、排気管還元剤添加の調整制御を所定の時間（ＮＯｘ放出量のチェックのインターバルに関係する時間）の間行い、ステップＳ２５のＮＯｘ放出量Ｖｂのチェックに行く。この排気管還元剤添加の調整制御では、上流側空気過剰率（λ）センサー２２の検出値を監視しながら、還元剤添加弁３４の弁開度を制御し、浅いリッチ空燃比である所定の空気過剰率（λ）（例えば、空気過剰率換算で、１．００〜０．９７程度）になるように、排気管還元剤添加の還元剤添加量を調整する。つまり、検出されたλｍ値が目標のλｃ値より大きければ、還元剤添加量を減少し、検出されたλｍ値が目標のλｃ値より小さければ、還元剤添加量を増加する。

ステップＳ２５のＮＯｘ放出量Ｖｂのチェックは、ＮＯｘ再生が完了したか否か、言い換えれば、ＮＯｘ再生制御を終了していいか否かを判定するためのものであり、従来技術の判定方法を使用することができる。

例えば、上記のステップＳ２１〜ステップＳ２３の初期のＮＯｘ再生のための制御と、ステップＳ２４によるＮＯｘ再生のための制御とより、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２０から放出されるＮＯｘ量を、予め実験などにより求めておき、エンジンの運転状態に対応させてマップデータ等で設定し、制御装置３０に入力しておく。再生時のエンジン運転状態からこれらのマップデータを参照して放出されるＮＯｘ量を算出し、この放出されるＮＯｘ量を時間的に積算してＮＯｘ放出量を算出する。

ステップＳ２５のＮＯｘ放出量Ｖｂのチェックで、このＮＯｘ放出量ＶｂがＮＯｘ吸蔵量Ｖａを考慮した所定の終了用判定量（閾値）Ｖｂｃ以下の場合には、まだ、ＮＯｘ再生の継続が必要であるとして、ステップＳ２４に戻り、排気管還元剤添加の調整制御を行う。このステップＳ２４の排気管還元剤添加の調整制御を、ステップＳ２５で、ＮＯｘ放出量Ｖｂが所定の終了用判定量Ｖｂｃよりもも大きくなるまで行う。

ステップＳ２５のＮＯｘ放出量Ｖｂのチェックで、このＮＯｘ放出量Ｖｂが所定の終了用判定量Ｖｂｃより大きい場合には、ＮＯｘの放出が完了し、ＮＯｘ再生を終了してもよいとして、ステップＳ２６のＮＯｘ再生終了作業を行う。このＮＯｘ再生終了作業では、排気管還元剤添加を停止し、プラズマ発生を停止する。これにより、ステップＳ２０のＮＯｘ再生制御が終了する。

このＮＯｘ再生終了の後、上級の制御フローにリターンする。なお、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒にもよるが、一例をあげれば、排気絞り弁３３の閉弁中の所定の時間が、リーン条件の内であるのに対して、還元剤の添加とプラズマの発生の期間となるＮＯｘ再生時間は、１ｓ〜３０ｓ程度であり、ＮＯｘ再生制御の終了から開始までのリーン運手時間は、１ｓ〜１２００ｓ程度である。

この制御方法によれば、ＮＯｘ再生の初期においては、ステップＳ２３の排気絞り弁３３の開弁により、第１分岐排気通路３ａ内において生成された深いリッチ状態の排気ガスを一気にＮＯｘ吸蔵還元型触媒２０に流入させることができるので、ＮＯｘ再生によって大量に放出されるＮＯｘも効率よく還元できる。この深いリッチ状態の排気ガスは、酸素濃度が略ゼロで、かつ、還元剤となる炭化水素の量も多く、ＮＯｘの還元に適したガスとなっている。しかも、この還元剤となる炭化水素はプラズマによって改質されているので、放出されたＮＯｘを効率よく還元できる。従って、このＮＯｘ再生の初期におけるＮＯｘ浄化率を著しく向上できる。

また、その後は、ステップＳ２４の排気管還元剤添加の調整制御により、浅いリッチ状態に排気ガスを、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２０に流入させることができ、しかも、排気ガス中に供給された還元剤となる炭化水素をプラズマにより改質しているので、活性化した炭化水素により、少ない還元剤添加量で、効率よく酸素を消費したり、放出されるＮＯｘを効率よく還元したりすることができる。また、この浅いリッチ排気ガスであるので、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２０を通過中に炭化水素が酸化され、この酸化反応熱によりＮＯｘ吸蔵還元型触媒２０が昇温するので、この面からも、触媒の活性化が促進され、ＮＯｘ浄化性能が向上する。

これらのＮＯｘ再生制御では、通常の軽油還元剤ＨＣでは触媒活性が発生しない低温度域となる３００℃以下の温度域でも、プラズマを通過し活性化した、一酸化炭素（ＣＯ），水素（Ｈ₂），低級炭化水素等の成分が多い排気ガスをＮＯｘ吸蔵還元型触媒２０に流入させているので、低温域から触媒活性が向上し、高いＮＯｘ浄化率となる。

従って、上記のＮＯｘ浄化システムの制御方法及びＮＯｘ浄化システムによれば、エンジンＥの運転条件を変えることなく、還元剤を排気通路３ａ内に直接噴射し、この還元剤を、プラズマの発生により分解及び改質して、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２０に供給するので、この改質された還元剤により、低温域においても、酸素濃度を低下させることができると共に、放出されたＮＯｘを効率よく窒素に還元できる。十分な時間を掛けてプラズマにより、燃料（軽油）を分解するので、確実にＯ₂の消費してＯ₂濃度を０ｐｐｍにすると共に、分解ＨＣ，ＣＯ，Ｈ₂の生成により低温域から触媒活性を生じさせて、浄化率を向上できる。

その結果、低温域からＮＯｘ浄化性能を向上させることができ、また、エンジンＥの運転条件を変えることなく、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２０のＮＯｘ再生と、ＮＯｘ再生時に放出されたＮＯｘの還元浄化を行うことができるので、エンジンＥの耐久性向上、燃費向上、更に、ドライバビリティの悪化を防ぐことができる。特に、低温時のＮＯｘ再生とエンジン運転条件を悪化させないシステムを実現できる。

また、排気絞り弁（制御弁）３３を設けて、第１分岐排気通路３ａの下流部分を絞り、排気ガス流動を静止させて添加燃料の分解と、残存酸素の消費を行うため、十分な酸素消費と確実で必要十分な還元剤が存在するリッチ排ガスを生成できると共に、供給リッチ排ガスの濃度分布も理想的に発生でき、初期過濃で後半に浅いリッチ排ガスを生成できる。

本発明に係る実施の形態のＮＯｘ浄化システムの構成を示す図である。発明に係る実施の形態のＮＯｘ浄化システムの制御方法を実施するための制御フローの一例を示す図である。

符号の説明

Ｅエンジン（内燃機関）
１ＮＯｘ浄化システム
３排気通路
３ａ第１分岐排気通路
３ｂ第２分岐排気通路
２０吸蔵還元型触媒（排気ガス浄化装置：触媒コンバーター）
３０制御装置（ＥＣＵ）
３１高圧電源
３２プラズマ発生装置
３３排気絞り弁
３４還元剤添加弁
Ａ吸入空気
Ｇ排気ガス
Ｇｃ浄化された排気ガス

Claims

内燃機関の排気通路に、排気ガスの空燃比が、リーン状態の場合にＮＯｘを吸蔵し、かつ、リッチ状態の場合に吸蔵していたＮＯｘを放出すると共に還元するＮＯｘ吸蔵還元型触媒を備えると共に、該ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力を回復するためのＮＯｘ再生制御を実施する制御装置を備えたＮＯｘ浄化システムにおいて、
前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の上流側の排気通路の一部分を並行する第１分岐排気通路と第２分岐排気通路に分けて設けると共に、前記第１分岐排気通路に還元剤を添加する還元剤添加装置と、前記第１分岐排気通路内でプラズマを発生させるプラズマ発生装置と、前記第１分岐排気通路の下流部分を開閉する制御弁とを備えたことを特徴とするＮＯｘ浄化システム。
前記制御装置が、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力の回復が必要であると判定したときに、前記制御弁の閉弁により前記第１分岐排気通路を閉じて、前記還元剤添加量装置により前記第１分岐排気通路に還元剤を添加し、前記プラズマ発生装置により前記第１分岐排気通路内にプラズマを発生させ、所定の時間の経過後に、前記制御弁の開弁により前記第１分岐排気通路を開き、ＮＯｘ吸蔵能力が所定の範囲まで回復したと判定するまで、前記還元剤の添加と前記プラズマの発生を継続することを特徴とする請求項１記載のＮＯｘ浄化システム。
内燃機関の排気通路に、排気ガスの空燃比が、リーン状態の場合にＮＯｘを吸蔵し、かつ、リッチ状態の場合に吸蔵していたＮＯｘを放出すると共に還元するＮＯｘ吸蔵還元型触媒を備え、該ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の上流側の排気通路の位置部分を並行する第１分岐排気通路と第２分岐排気通路に分けて設けると共に、前記第１分岐排気通路に還元剤を添加する還元剤添加装置と、前記第１分岐排気通路内でプラズマを発生させるプラズマ発生装置と、前記第１分岐排気通路の下流部分を開閉する制御弁と、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力を回復するためのＮＯｘ再生制御を実施する制御装置とを備えたＮＯｘ浄化システムの制御方法において、
前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力の回復が必要であると判定したときに、前記制御弁の閉弁により前記第１分岐排気通路を閉じて、前記還元剤添加装置により前記第１分岐排気通路に還元剤を添加し、前記プラズマ発生装置により前記第１分岐排気通路内にプラズマを発生させ、所定の時間の経過後に、前記制御弁の開弁により前記第１分岐排気通路を開き、ＮＯｘ吸蔵能力が所定の範囲まで回復したと判定するまで、前記還元剤の添加と前記プラズマの発生を継続することを特徴とするＮＯｘ浄化システムの制御方法。