JP2009024521A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯ_X吸蔵還元型触媒から放出されたＮＯ_Xを良好に還元する。
【解決手段】機関排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯ_Xを放出するＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０を配置する。ＮＯ_X放出制御時においてＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチに制御されているときにＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が一時的にリーンにされ、それによりＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０に担持されている貴金属５１に酸素を供給して貴金属５１を排気ガス中の還元成分による被毒から回復させる。
【選択図】図４

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

機関排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯ_Xを放出するＮＯ_X吸蔵還元型触媒を配置し、ＮＯ_X吸蔵還元型触媒上流の機関排気通路内に酸素貯蔵能力を有する三元触媒を配置した希薄混合気燃焼内燃機関では、通常ＮＯ_X吸蔵還元型触媒に吸蔵されたＮＯ_X量が許容値を越えたときに機関から排出される排気ガスの空燃比が一時的にリッチにされ、排気ガスの空燃比がリッチにされているときにＮＯ_X吸蔵還元型触媒からＮＯ_Xが放出されると共に放出されたＮＯ_Xが還元される。

ところでリーン空燃比のもとで燃焼が行われているときには三元触媒に多量の酸素が貯蔵されており、このような状態で機関から排出される排気ガスの空燃比がリッチにされると排気ガス中に含まれる未燃ＨＣやＣＯ等の還元成分が三元触媒に貯蔵されている酸素を消費するために使用される。その結果ＮＯ_X吸蔵還元型触媒に流入する排気ガスのリッチの度合が低くなってしまい、斯くしてこのときＮＯ_X吸蔵還元型触媒から放出されるＮＯ_Xを十分に還元できなくなる危険性がある。

そこで、ＮＯ_X吸蔵還元型触媒に吸蔵されたＮＯ_X量が許容値を越えたときにはまず初めにＮＯ_X放出のために必要なリッチ度合よりも高いリッチ度合まで機関から排出される排気ガスの空燃比を小さくして三元触媒に貯蔵されている全ての酸素を消費し、その後機関から排出される排気ガスの空燃比のリッチ度合をＮＯ_X放出のために必要なリッチ度合に維持するようにした内燃機関が公知である。

ところがこのように三元触媒に貯蔵されている全ての酸素を消費すると、即ち三元触媒の貯蔵酸素量が零になるとＮＯ_Xの放出作用が行われているときに三元触媒におけるＨＣやＣＯの酸素能力が低下し、斯くしてＨＣやＣＯの浄化率が低下する。そこで機関から排出される排気ガスの空燃比のリッチの度合がＮＯ_X放出のために必要なリッチ度合に維持されているときに排気ガスの空燃比をリッチからリーンに一時的に切換えるリーンスパイクを発生させて三元触媒に酸素を貯蔵させ、それによりＮＯ_Xの放出作用が行われているときに三元触媒によるＨＣやＣＯの浄化率を高めるようにした内燃機関が公知である（特許文献１を参照）。

ところでこの内燃機関においてリーンスパイクを発生させるのは三元触媒に酸素を貯蔵させるためであり、従ってこの内燃機関ではリーンスパイクを発生させたときに余剰の酸素が三元触媒を素通りし、それによりＮＯ_X吸蔵還元型触媒に流入する排気ガスの空燃比のリッチの度合を低下させることがないようにリーンスパイクによる酸素の供給量が三元触媒の酸素貯蔵能力以下に制御されている。即ち、この内燃機関ではリーンスパイクが発生せしめられたときでもＮＯ_X吸蔵還元型触媒に流入する排気ガスの空燃比はリッチ空燃比に維持されている。
特開２００３−４９６８１号公報

ところで本発明者はＮＯ_Xの浄化率向上について研究をしている際に、ＮＯ_X吸蔵還元型触媒に流入する排気ガスの空燃比をリーンからリッチに切換えた後、リッチに維持しておくとリッチになった当初は多量のＮ₂が生成されるが暫らくするとＮ₂が生成されなくなり、排気ガスの空燃比がリッチからリーンに戻されるとリーンに戻された瞬間に多量のＮ₂が生成される現象を見い出したのである。

当初、このような現象が生ずる理由がよくわからなかったのであるが検討と実験を重ねた結果、排気ガスの空燃比をリッチにすると排気ガス中に含まれるＨＣ，ＣＯ等の還元成分がＮＯ_X吸蔵還元型触媒に担持された白金Ｐｔ等の貴金属に強く吸着し、これがＮＯ_X吸蔵還元型触媒から放出されたＮＯ_XがＮ₂まで還元するのを阻害していることが判明したのである。即ち、排気ガス中の還元成分により貴金属が被毒し、この貴金属の被毒によりＮＯ_Xの還元作用が阻害されていることが判明したのである。

この場合、ＮＯ_X吸蔵還元型触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチにされているときに排気ガス中の酸素濃度を一時的に増大させて貴金属に酸素を供給すると貴金属が排気ガス中の還元成分による被毒から回復され、それによって良好なＮＯ_Xの還元作用を確保できることをつきとめたのである。

そこで本発明では、機関排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯ_Xを放出するＮＯ_X吸蔵還元型触媒を配置し、リーン空燃比のもとで燃焼が行われているときにＮＯ_X吸蔵還元型触媒からＮＯ_Xを放出すべくＮＯ_X吸蔵還元型触媒に流入する排気ガスの空燃比が周期的にＮＯ_X放出に必要な期間に亘ってリッチに制御される内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯ_X放出に必要な期間中に亘ってＮＯ_X吸蔵還元型触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチに制御されているときにＮＯ_X吸蔵還元型触媒に流入する排気ガス中の酸素濃度が一時的に増大せしめられ、それによりＮＯ_X吸蔵還元型触媒に担持されている貴金属に酸素を供給してこれら貴金属を排気ガス中の還元成分による被毒から回復させるようにしている。

ＮＯ_X吸蔵還元型触媒から放出されたＮＯ_Xを良好に還元することができる。

第１図は本発明をガソリン機関に適用した場合を示している。
第１図を参照すると、１は機関本体、２はピストン、３は燃焼室、４は点火栓、５は燃焼室３内に燃料を噴射するための燃料噴射弁、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポートを夫々示す。吸気ポート７は対応する枝管１０を介してサージタンク１１に連結され、サージタンク１１は吸気ダクト１２および吸入空気量検出器１３を介してエアクリーナ１４に連結される。吸気ダクト１２内にはアクチュエータ１６によって駆動されるスロットル弁１５が配置される。一方、排気ポート９は排気マニホルド１７を介して酸化触媒或いは三元触媒からなる前段触媒１８の入口に連結され、前段触媒１８の出口は排気管１９を介してＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０の入口に連結される。

電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。排気管１９内には排気ガスの空燃比を検出しうる空燃比センサ２２が配置され、ＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０の出口に連結された排気管２１内には排気ガスの空燃比が理論空燃比になったときに出力が急変するＯ₂センサ２３が配置される。また、ＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０にはＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０の温度を検出するための温度センサ２４が取付けられる。これらの空燃比センサ２２、Ｏ₂センサ２３、温度センサ２４および吸入空気検出器１３の出力信号は夫々対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。

アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して点火栓４、燃料噴射弁５およびスロットル弁１５駆動用のアクチュエータ１６に連結される。

図２にガソリン機関の別の実施例を示す。この実施例では排気管１９内に２次空気供給弁２５が配置され、エアフィルタ２６を介してエアポンプ２７内に取り込まれた空気が２次空気供給弁２５から排気管１９内に供給される。

まず初めに図１および図２に示されるＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０について説明すると、これらＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０の基体上には例えばアルミナからなる触媒担体が担持されており、図３（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はこの触媒担体５０の表面部分の断面を図解的に示している。図３（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示されるように触媒担体５０の表面上には貴金属触媒５１が分散して担持されており、更に触媒担体５０の表面上にはＮＯ_X吸収剤５２の層が形成されている。

本発明による実施例では貴金属触媒５１として白金Ｐｔが用いられており、ＮＯ_X吸収剤５２を構成する成分としては例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、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が用いられている。

機関吸気通路、燃焼室２およびＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０上流の排気通路内に供給された空気および燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比と称すると、ＮＯ_X吸収剤５２は排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯ_Xを吸収し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯ_Xを放出するＮＯ_Xの吸放出作用を行う。

即ち、ＮＯ_X吸収剤５２を構成する成分としてバリウムＢａを用いた場合を例にとって説明すると、排気ガスの空燃比がリーンのとき、即ち排気ガス中の酸素濃度が高いときには排気ガス中に含まれるＮＯは図３（Ａ）に示されるように白金Ｐｔ４６上において酸化されてＮＯ₂となり、次いでＮＯ_X吸収剤５２内に吸収されて炭酸バリウムＢａＣＯ₃と結合しながら硝酸イオンＮＯ₃ ^-の形でＮＯ_X吸収剤５２内に拡散する。このようにしてＮＯ_XがＮＯ_X吸収剤５２内に吸収される。排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔ４６の表面でＮＯ₂が生成され、ＮＯ₂吸収剤５２のＮＯ_X吸収能力が飽和しない限りＮＯ₂がＮＯ_X吸収剤５２内に吸収されて硝酸イオンＮＯ₃ ^-が生成される。

これに対し、燃焼室３内における混合気の空燃比をリッチにすることによって排気ガスの空燃比をリッチにすると排気ガス中の酸素濃度が低下するために図３（Ｂ）に示される如く反応が逆方向（ＮＯ₃ ^-→ＮＯ₂）に進み、斯くしてＮＯ_X吸収剤５２内の硝酸イオンＮＯ₃ ^-がＮＯ₂の形でＮＯ_X吸収剤５２から放出される。次いで放出されたＮＯ_Xは排気ガス中に含まれる未燃ＨＣ，ＣＯ等の還元成分によって還元される。

このように排気ガスの空燃比がリーンであるとき、即ちリーン空燃比のもとで燃焼が行われているときには排気ガス中のＮＯ_XがＮＯ_X吸収剤５２内に吸収される。しかしながらリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われるとその間にＮＯ_X吸収剤５２のＮＯ_X吸収能力が飽和してしまい、斯くしてＮＯ_X吸収剤５２によりＮＯ_Xを吸収できなくなってしまう。そこで本発明による実施例ではＮＯ_X吸収剤５２の吸収能力が飽和する前にＮＯ_X放出に必要な期間に亘って排気ガスの空燃比を一時的にリッチにし、それによってＮＯ_X吸収剤５２からＮＯ_Xを放出させると共に放出されたＮＯ_XをＮ₂まで還元させるようにしている。

ところでＮＯ_X吸収剤５２からＮＯ_Xを放出すべく燃焼室３内における混合気の空燃比がリッチにされ、それにより機関から排出される排気ガスの空燃比がリッチにされると排気ガスの空燃比がリッチになった当初は図３（Ｂ）に示されるようにＮＯ_X吸収剤５２から放出されたＮＯ₂がＮ₂に還元される。

しかしながら排気ガスの空燃比がリッチにされてから暫らくすると図３（Ｃ）に示されるように排気ガス中に含まれるＨＣ，ＣＯ等の還元成分が白金Ｐｔ５１の表面上に強く吸着してしまう。即ち、白金Ｐｔ５１が排気ガス中に含まれる還元成分によって被毒されることになる。このように白金Ｐｔ５１が排気ガス中の還元成分によって被毒されるとＮＯ_X吸収剤５２から放出されたＮＯ₂に対する白金Ｐｔ５１の還元能力が喪失し、斯くして図３（Ｃ）に示されるようにＮＯ_X吸収剤５２から放出されたＮＯ₂がＮ₂に還元されることなくＮＯ₂のままで外部に放出されることになる。

この場合、白金Ｐｔ５１の表面上に酸素を供給すると吸着しているＨＣ，ＣＯは酸化させしめられる。その結果、白金Ｐｔ５１は還元成分による被毒から回復せしめられ、斯くして図３（Ｂ）に示されるようにＮＯ_X吸収剤５２から放出されたＮＯ_Xは再びＮ₂まで還元せしめられるようになる。そこで本発明では、ＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチに制御されているときにＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０に流入する排気ガス中の酸素濃度が一時的に増大せしめられ、それによりＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０に担持されている貴金属５１に酸素を供給してこれら貴金属５１を排気ガス中の還元成分による被毒から回復させるようにしている。

この場合、図１に示される実施例では、燃焼室３内において燃焼せしめられる混合気の空燃比を一時的に大きくすることによってＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０に流入する排気ガス中の酸素濃度が一時的に増大せしめられる。しかしながらこの場合、図２に示される実施例におけるように２次空気供給弁２５とエアポンプ２７とを設け、２次空気供給弁２５からＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０に２次空気を供給することによってＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０に流入する排気ガス中の酸素濃度を一時的に増大せしめることもできる。

次に図４（Ａ）〜（Ｄ）を参照しつつ排気ガス中の酸素濃度を一時的に高めるための代表例について説明する。なお、図４（Ａ）〜（Ｄ）において各実線はＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０に流入する排気ガスの空燃比の変化を示しており、ｔ_sは、ＮＯ_X吸蔵還元型触媒１５からＮＯ_Xを放出すべきときにＮＯ_X吸蔵還元型触媒１５に流入する排気ガスの空燃比がリッチにされるＮＯ_X放出に必要な期間、即ちリッチ制御期間を表わしている。

図４（Ａ）〜（Ｄ）で示されるようにこれらの代表例では、ＮＯ_X放出に必要な期間ｔ_s中においてＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチに制御されているときにＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチからリーンに一時的に切換えられるリーンスパイクＬＳが発生せしめられ、このリーンスパイクＬＳによってＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０に流入する排気ガス中の酸素濃度が一時的に増大せしめられる。

さて、これらの代表例において図４（Ａ），（Ｃ），（Ｄ）に示される場合にはリーンスパイク時の空燃比はリッチ制御期間ｔ_sでないときのリーン運転時におけるリーン空燃比（Ａ／Ｆ）_Lよりも小さくされている。これに対し、図４（Ｂ）に示される場合にはリーンスパイク時の空燃比はリーン運転時におけるリーン空燃比（Ａ／Ｆ）_Lとされている。

また、図４（Ａ）〜（Ｄ）に示される代表例では別の見方をすると、ＮＯ_X放出に必要な期間ｔ_s中にＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーンからリッチに一時的に切換えられるリッチスパイクＲＳが２回発生せしめられ、これらリッチスパイクＲＳの間にＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０に流入する排気ガス中の酸素濃度が一時的に増大せしめられると言うこともできる。

この場合、最初のリッチスパイクによってかなりの部分の吸蔵ＮＯ_XがＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０から放出されるので２度目のリッチスパイクのときには放出させるべき吸蔵ＮＯ_X量が減少する。従って２度目のリッチスパイクのときには最初のリッチスパイクに比べてリッチの度合を低下させても吸蔵されているＮＯ_Xを十分に還元することができる。即ち、図１４（Ｃ）に示す代表例におけるように２度目のリッチスパイクのリッチの度合を最初のリッチスパイクのリッチの度合に比べて小さくさせることができる。

また、リッチ制御期間ｔ_sが完了してリッチ空燃比からリーン空燃比に切換えられるときにＨＣ，ＣＯ等の還元成分が多量に存在しているとリーン空燃比に切換えられた後に多量のＨＣ，ＣＯ等が大気中に排出される危険性がある。そこで図４（Ｄ）に示される代表例ではリッチ空燃比からリーン空燃比に切換える直前には排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもわずかばかり小さなリッチ空燃比に維持してＨＣ，ＣＯ等の還元成分の量を少なくしておき、それによってリーン空燃比に切換えられた後にＨＣ，ＣＯ等が大気中に排出されるのを抑制するようにしている。

次に図５から図８を参照しつつリーンスパイクの種々の制御例について説明する。
リーンスパイクによってＨＣ，ＣＯ等の還元成分を酸化させる場合、酸化すべきＨＣ，ＣＯ等の還元成分の量は時間の経過に伴い次第に減少するのでＨＣ，ＣＯ等の還元成分を酸化するのに必要な酸素量は時間の経過と共に次第に減少する。従って図５（Ａ）および（Ｂ）に示される例ではリーンスパイク時における排気ガスの空燃比のリーンの度合が時間の経過に伴ない徐々に減少せしめられる。

一方、図５（Ｃ）および（Ｄ）に示される例ではＮＯ_X放出に必要な期間中に複数個のリーンスパイクが発生せしめられ、図５（Ｃ）に示される例ではリーンスパイク時における排気ガスの空燃比のリーンの度合をリーンスパイクが発生する毎に高めることによって、又図５（Ｄ）に示される例ではリーンスパイクの発生間隔を徐々に短かくすることによって貴金属の被毒量が一定レベル以上にならないようにしている。

即ち、リーンスパイクを発生させても被毒が完全に回復しない場合にはリーンスパイクの間隔が一定であるとするとリーンスパイク発生前における貴金属へのＨＣ，ＣＯの吸着量はリーンスパイクが発生する毎に次第に増大していく。従って貴金属へのＨＣ，ＣＯの吸着量を一定レベル以下に抑えるにはリーンスパイクが発生する毎に貴金属に供給される酸素量を増やすか、或いはリーンスパイクの発生頻度を次第に高める必要がある。そこで図５（Ｃ）に示される例ではリーンスパイク時における排気ガスの空燃比のリーンの度合はリーンスパイクが発生する毎に高められ、図５（Ｄ）に示される例ではリーンスパイクの発生間隔が徐々に短かくされる。

一方、ＮＯ_X放出制御時におけるリッチの度合を機関の運転状態に応じて変化させる場合がある。この場合、図６（Ａ）に示されるようにＮＯ_X放出制御時におけるリッチの度合（Ａ／Ｆ）_Rが小さいときには貴金属５１に吸着されるＨＣ，ＣＯ等の還元成分の量は少なくなるのでリーンスパイク時のリーンの度合（Ａ／Ｆ）_Lは小さくてよく、図６（Ｂ）に示されるようにＮＯ_X放出制御時におけるリッチの度合（Ａ／Ｆ）_Rが大きい場合には貴金属５１に吸着されるＨＣ，ＣＯ等の還元成分の量は多くなるのでリーンスパイク時のリーンの度合（Ａ／Ｆ）_Lを大きくする必要がある。

即ち、機関の運転状態に応じてＮＯ_X放出制御時におけるリッチの度合を変化させる場合には図６（Ｃ）に示されるように、ＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０への流入排気ガスの空燃比のリッチの度合（Ａ／Ｆ）_Rが高くなるほどリーンスパイク時における排気ガスの空燃比のリーンの度合（Ａ／Ｆ）_Lを高くすることが好ましいと言える。

また、ＮＯ_X放出に必要な期間中に複数個のリーンスパイクを発生せしめるようにした場合において機関の運転状態に応じてＮＯ_X放出制御時におけるリッチの度合を変化させるようにした場合にも同様のことが言える。即ち、図７（Ａ）に示されるようにＮＯ_X放出制御時におけるリッチの度合（Ａ／Ｆ）_Rが小さい場合には貴金属５１に吸着されるＨＣ，ＣＯ等の還元成分の量は少なくなるのでリーンスパイクの発生間隔ｔ_dは大きくてよく、図７（Ｂ）に示されるようにＮＯ_X放出制御時におけるリッチの度合（Ａ／Ｆ）_Rが大きい場合には貴金属５１に吸着されるＨＣ，ＣＯ等の還元成分の量は多くなるのでリーンスパイクの発生間隔ｔ_dを短かくする必要がある。

即ち、ＮＯ_X放出に必要な期間中に複数個のリーンスパイクを発生せしめるようにした場合において機関の運転状態に応じてＮＯ_X放出制御時におけるリッチの度合を変化させるようにした場合には図７（Ｃ）に示されるようにＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０への流入排気ガスの空燃比のリッチの度合（Ａ／Ｆ）_Rが高くなるほどリーンスパイクの発生間隔ｔ_dを徐々に短かくすることが好ましいと言える。

一方、ＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０の温度が高くなるとＨＣ，ＣＯ等の活性が高くなるために貴金属５１へのＨＣ，ＣＯ等の還元成分の吸着量が減少し、斯くして図８（Ａ）に示されるようにＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０の温度ＴＣが高くなるほど貴金属５１の被毒量が減少する。従って貴金属５１の被毒を回復させるためには図８（Ｂ）に示されるようにＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０の温度ＴＣが低くなるほど貴金属５１に供給される酸素量を増大せしめる必要がある。

そこで本発明による実施例ではＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０の温度ＴＣが低いときには図８（Ｃ）に示されるようにリーンスパイク時におけるリーンの度合を大きくし、ＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０の温度ＴＣが高くなると図８（Ｄ）に示されるようにリーンスパイク時におけるリーンの度合を小さくするようにしている。即ち、本発明による実施例ではＮＯ_X放出制御時においてＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０の温度ＴＣが低いほどＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０に流入する排気ガス中の酸素濃度の一時的な増大量を増大せしめるようにしている。

さて、これまでＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０に流入する排気ガスの空燃比の変化のさせ方について説明してきたが、図１および図２に示されるようにＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０の上流に前段触媒１８が配置されている場合には、特にこの前段触媒１８が酸素貯蔵能力を有する場合には、機関から排出される排気ガスの空燃比の変化のさせ方、即ち前段触媒１８に流入する排気ガスの空燃比の変化のさせ方は、ＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０に流入する排気ガスの空燃比の変化のさせ方と異なる変化のさせ方にする必要がある。このことについて図９（Ａ），（Ｂ）を参照しつつ説明する。

図９（Ａ）はＮＯ_X放出制御時においてＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０に流入する排気ガスの空燃比の代表的な変化の例を示しており、図９（Ｂ）における実線はＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０に流入する排気ガスの空燃比を図９（Ａ）に示される如く変化させるようにした場合の、前段触媒１８に流入する排気ガスの空燃比の変化のさせ方を示している。なお、図９（Ｂ）における破線は図９（Ａ）に示す空燃比の変化を示している。

即ち、前段触媒１８が酸素貯蔵能力を有する場合にはリーン空燃比のもとで燃焼が行われているときに前段触媒１８に多量の酸素が貯蔵される。次いでＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０からＮＯ_Xを放出すべく機関から排出される排気ガスの空燃比がリッチにされるとこのとき排気ガス中に含まれるＨＣ，ＣＯ等の還元成分によって前段触媒１８に貯蔵されている全酸素が放出され、消費される。従って図９（Ｂ）において実線で示される最初のリッチスパイクＲＳ１のときに破線で示されるリッチ空燃比を得るためには最初のリッチスパイクＲＳ１のリッチの度合を破線で示されるリッチ空燃比に対して吸蔵酸素の放出によるリッチ度合の減少分だけ高める必要がある。

次いでリーンスパイクＬＳが発生せしめられるとこのときには前段触媒１８に酸素が貯蔵される。従って、図９（Ｂ）において実線で示されるリーンスパイクＬＳのときに破線で示されるリーン空燃比を得るためにはリーンスパイクＬＳのリーンの度合を破線で示されるリーン空燃比に対して酸素の吸蔵によるリーン度合の減少分だけ高める必要がある。

次いで図９（Ｂ）において２番目のリッチスパイクＲＳ２が発生せしめられたときにも最初のリッチスパイクＲＳ１のときと同様に破線で示されるリッチ空燃比を得るためには実線で示されるリッチスパイクＲＳ２のリッチの度合を破線で示されるリッチ空燃比に対して吸蔵酸素の放出によるリッチ度合の減少分だけ高める必要がある。

そこで本発明では、ＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０上流の機関排気通路内に酸素吸蔵能力を有する前段触媒１８が配置されている場合には、ＮＯ_X放出に必要な期間中における前段触媒１８への流入排気ガスの空燃比のリッチの度合は前段触媒１８からの吸蔵酸素の放出によるリッチ度合の減少分だけＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０への流入排気ガスの空燃比のリッチの度合よりも高くされ、前段触媒１８への流入排気ガスの空燃比をリーンにするリーンスパイク時のリーンの度合は前段触媒１８への酸素の吸蔵によるリーン度合の減少分だけＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０への流入排気ガスの空燃比をリーンにするリーンスパイク時のリーンの度合よりも高くされる。

図１０（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に具体例を示す。なお、図１０（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は前段触媒１８における酸素の吸蔵放出作用を考慮に入れて制御される燃焼室３内の混合気の空燃比の変化を示している。また、図１０（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）において（Ａ）はＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０の温度が低いときを示しており、（Ｂ）はＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０の温度が中間のときを示しており、（Ｃ）はＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０の温度が高いときを示している。

ＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０の温度が高くなると貴金属５１はほとんどＨＣ，ＣＯ等の還元剤による被毒を受けなくなる。従ってこの具体例では図１０（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示されるように、ＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０の温度が上昇するとリーンスパイク時のリーンの度合が小さくされ、ＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０の温度が更に上昇するとリーンスパイクの発生が停止される。

即ち、この具体例ではＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０の温度が上昇するとＮＯ_X放出に必要な期間中、吸蔵還元型触媒２０に流入する排気ガス中の酸素濃度が一時的に増大せしめられることなくＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチに維持されることがわかる。

もう少し詳細に説明すると、この具体例では排気ガス中の還元成分による貴金属５１の被毒が許容限度以下となるＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０の上限温度が予め定められており、ＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０の温度がこの上限温度よりも高くなったときにはＮＯ_X放出に必要な期間中、吸蔵還元型触媒２０に流入する排気ガス中の酸素濃度が一時的に増大せしめられることなくＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチに維持され、ＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０の温度がこの上限温度よりも低いときにはＮＯ_X放出に必要な期間中においてＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチに制御されているときにＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０に流入する排気ガス中の酸素濃度が一時的に増大せしめられる。

一方、図１０（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示される具体例について別の見方をすると、この具体例ではＮＯ_X放出に必要な期間中にＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーンからリッチに一時的に切換えられるリッチスパイクが発生せしめられ、ＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０の温度が低下すると発生するリッチスパイクの数が増大せしめられる。

図１１は図１０（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示される具体例を実行するために空燃比制御ルーチンを示している。このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。
図１１を参照するとまず初めにステップ６０において基本噴射量が算出される。この基本噴射量は空燃比を理論空燃比とするのに必要な噴射量であって予めＲＯＭ３２内に記憶されている。次いでステップ６１ではリーン混合気のもとで燃焼を行うリーン運転状態であるか否かが判別される。リーン運転状態でないときにはステップ６９にジャンプして基本噴射量でもって燃料噴射が行われる。

これに対し、リーン運転状態であるときにはステップ６２に進んでＮＯ_X放出制御中であるか否かが判別される。ＮＯ_X放出制御中でないときにはステップ６３に進んでＮＯ_X吸蔵還元型触媒２０からＮＯ_Xを放出すべき要求が発せられているか否かが判別される。ＮＯ_Xの放出要求が発せられていないときにはステップ６７に進んで目標リーン空燃比（Ａ／Ｆ）_Lが算出される。次いでステップ６８に進んで空燃比が目標リーン空燃比（Ａ／Ｆ）_Lとなるように基本噴射量が補正され、次いでステップ６９において燃料噴射が行われる。

一方、ステップ６３においてＮＯ_Xの放出要求が発せられたと判断されたときにはステップ６４に進んで図１０（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示されるリッチスパイクの空燃比（Ａ／Ｆ）_R1、（Ａ／Ｆ）_R2が算出される。次いでステップ６５に進んで図１０（Ａ），（Ｂ）に示されるリーンスパイクの空燃比（Ａ／Ｆ）_L1が算出される。次いでステップ６６では図１０（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示される各タイミングＴ_L1，Ｔ_R1，Ｔ_R2，が算出され、次いでステップ６８に進む。次の処理サイクルではステップ６２からステップ６８にジャンプし、燃焼室３内における混合気の空燃比が図１０（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示されるように変化するように燃料噴射量が制御される。

ガソリン機関の全体図である。 ガソリン機関の別の実施例を示す全体図である。 ＮＯ_Xの吸放出作用と貴金属の被毒を説明するための図である。 ＮＯ_X放出制御時におけるＮＯ_X吸蔵還元型触媒への流入排気ガスの空燃比の変化を示す図である。 ＮＯ_X放出制御時におけるＮＯ_X吸蔵還元型触媒への流入排気ガスの空燃比の変化を示す図である。 ＮＯ_X放出制御時におけるＮＯ_X吸蔵還元型触媒への流入排気ガスの空燃比の変化を示す図である。 ＮＯ_X放出制御時におけるＮＯ_X吸蔵還元型触媒への流入排気ガスの空燃比の変化を示す図である。 ＮＯ_X放出制御時におけるＮＯ_X吸蔵還元型触媒への流入排気ガスの空燃比の変化を示す図である。 ＮＯ_X放出制御時におけるＮＯ_X吸蔵還元型触媒への流入排気ガスの空燃比の変化と、前段触媒への流入排気ガスの空燃比の変化を示す図である。 ＮＯ_X放出制御時における燃焼室内の混合気の空燃比の変化を示す図である。 空燃比を制御するためのフローチャートである。

符号の説明

１７ 排気マニホルド
１８ 前段触媒
２０ ＮＯ_X吸蔵還元型触媒
２５ ２次空気供給弁
５０ 触媒担体
５１ 貴金属
５２ ＮＯ_X吸収剤

Claims (15)

1. 機関排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯ_Xを放出するＮＯ_X吸蔵還元型触媒を配置し、リーン空燃比のもとで燃焼が行われているときにＮＯ_X吸蔵還元型触媒からＮＯ_Xを放出すべくＮＯ_X吸蔵還元型触媒に流入する排気ガスの空燃比が周期的にＮＯ_X放出に必要な期間に亘ってリッチに制御される内燃機関の排気浄化装置において、上記ＮＯ_X放出に必要な期間中においてＮＯ_X吸蔵還元型触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチに制御されているときにＮＯ_X吸蔵還元型触媒に流入する排気ガス中の酸素濃度が一時的に増大せしめられ、それによりＮＯ_X吸蔵還元型触媒に担持されている貴金属に酸素を供給して該貴金属を排気ガス中の還元成分による被毒から回復させるようにした内燃機関の排気浄化装置。
2. 燃焼室内において燃焼せしめられる混合気の空燃比を一時的に大きくすることによってＮＯ_X吸蔵還元型触媒に流入する排気ガス中の酸素濃度が一時的に増大せしめられる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. ＮＯ_X吸蔵還元型触媒に２次空気を供給することによってＮＯ_X吸蔵還元型触媒に流入する排気ガス中の酸素濃度が一時的に増大せしめられる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. ＮＯ_X吸蔵還元型触媒の温度が上昇すると上記ＮＯ_X放出に必要な期間中、吸蔵還元型触媒に流入する排気ガス中の酸素濃度が一時的に増大せしめられることなくＮＯ_X吸蔵還元型触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチに維持される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 排気ガス中の還元成分による上記貴金属の被毒が許容限度以下となるＮＯ_X吸蔵還元型触媒の上限温度が予め定められており、ＮＯ_X吸蔵還元型触媒の温度が該上限温度よりも高くなったときには上記ＮＯ_X放出に必要な期間中、ＮＯ_X吸蔵還元型触媒に流入する排気ガス中の酸素濃度が一時的に増大せしめられることなくＮＯ_X吸蔵還元型触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチに維持され、ＮＯ_X吸蔵還元型触媒の温度が該上限温度よりも低いときには上記ＮＯ_X放出に必要な期間中においてＮＯ_X吸蔵還元型触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチに制御されているときにＮＯ_X吸蔵還元型触媒に流入する排気ガス中の酸素濃度が一時的に増大せしめられる請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. ＮＯ_X吸蔵還元型触媒の温度が低くなるほど上記貴金属に供給される酸素量が増大せしめられる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. ＮＯ_X吸蔵還元型触媒の温度が低くなるほどＮＯ_X吸蔵還元型触媒に流入する排気ガス中の酸素濃度の一時的な増大量が増大せしめられる請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 上記ＮＯ_X放出に必要な期間中にＮＯ_X吸蔵還元型触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンからリッチに一時的に切換えられるリッチスパイクが発生せしめられ、ＮＯ_X吸蔵還元型触媒の温度が低下すると発生するリッチスパイクの数が増大せしめられる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
9. 上記ＮＯ_X放出に必要な期間中においてＮＯ_X吸蔵還元型触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチに制御されているときにＮＯ_X吸蔵還元型触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチからリーンに一時的に切換えられるリーンスパイクを発生させ、該リーンスパイクによってＮＯ_X吸蔵還元型触媒に流入する排気ガス中の酸素濃度が一時的に増大せしめられる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
10. 上記リーンスパイク時における排気ガスの空燃比のリーンの度合が時間の経過に伴ない徐々に減少する請求項９に記載の内燃機関の排気浄化装置。
11. 上記ＮＯ_X放出に必要な期間中に複数個の上記リーンスパイクが発生せしめられ、リーンスパイク時における排気ガスの空燃比のリーンの度合はリーンスパイクが発生する毎に高められる請求項９に記載の内燃機関の排気浄化装置。
12. 上記ＮＯ_X放出に必要な期間中に複数個の上記リーンスパイクが発生せしめられ、リーンスパイクの発生間隔が徐々に短かくされる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
13. 上記ＮＯ_X放出に必要な期間中におけるＮＯ_X吸蔵還元型触媒への流入排気ガスの空燃比のリッチの度合が高くなるほど上記リーンスパイク時における排気ガスの空燃比のリーンの度合が高くされる請求項９に記載の内燃機関の排気浄化装置。
14. 上記ＮＯ_X放出に必要な期間中に複数個の上記リーンスパイクが発生せしめられ、上記ＮＯ_X放出に必要な期間中におけるＮＯ_X吸蔵還元型触媒への流入排気ガスの空燃比のリッチの度合が高くなるほどリーンスパイクの発生間隔が徐々に短かくされる請求項９に記載の内燃機関の排気浄化装置。
15. ＮＯ_X吸蔵還元型触媒上流の機関排気通路内に酸素吸蔵能力を有する前段触媒が配置されており、上記ＮＯ_X放出に必要な期間中における該前段触媒への流入排気ガスの空燃比のリッチの度合は前段触媒からの吸蔵酸素の放出によるリッチ度合の減少分だけＮＯ_X吸蔵還元型触媒への流入排気ガスの空燃比のリッチの度合よりも高くされ、該前段触媒への流入排気ガスの空燃比をリーンにするリーンスパイク時のリーンの度合は前段触媒への酸素の吸蔵によるリーン度合の減少分だけＮＯ_X吸蔵還元型触媒への流入排気ガスの空燃比をリーンにするリーンスパイク時のリーンの度合よりも高くされる請求項９に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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