JP2014227978A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関が理論空燃比以下で運転された後に、速やかに理論空燃比よりも高い空燃比での運転に移行する。
【解決手段】内燃機関の排気通路に設けられて排気の空燃比が理論空燃比よりも低いときにＮＨ_３を生成する触媒であるＮＨ_３生成触媒の下流に、第一ＳＣＲ触媒と、第二ＳＣＲ触媒と、を並列に設け、理論空燃比以下で運転されている場合に、第二ＳＣＲ触媒に所定量のＮＨ_３が吸着される期間だけ第二ＳＣＲ触媒に排気を流通させ、その後に理論空燃比よりも高い空燃比で運転される場合に、第一ＳＣＲ触媒に排気を流通させず且つ第二ＳＣＲ触媒に排気を流通させる。
【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。

内燃機関の排気通路に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＮＳＲ触媒ともいう。）を配置する技術が知られている。このＮＳＲ触媒は、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。

また、三元触媒またはＮＳＲ触媒よりも下流側に、選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＳＣＲ触媒ともいう。）を設けることができる。このＳＣＲ触媒は、還元剤によりＮＯｘを選択還元する触媒である。そして、三元触媒またはＮＳＲ触媒において排気中のＨＣやＨ_２がＮＯｘと反応することでＮＨ_３が生成される。このＮＨ_３は、ＳＣＲ触媒において還元剤となる。

ＮＳＲ触媒及びＳＣＲ触媒には、夫々、ＮＯｘを浄化可能な温度領域（以下、温度ウィンドウとも称する。）が存在する。そして、何れの触媒の温度も温度ウィンドウ外となると、システム全体としてのＮＯｘ浄化率が低下する虞がある。

ここで、ＮＳＲ触媒を並列に備え、夫々のＮＳＲ触媒へ至る排気通路の長さを変えておき、各ＮＳＲ触媒の温度に基づいて、何れか一方のＮＳＲ触媒に排気を流通させて硫黄臭の発生を抑制する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この技術によれば、ＮＳＲ触媒の温度に応じて最適な触媒を使用することができる。しかし、ＮＳＲ触媒の温度のみに基づいた判断を実施しているため、内燃機関の高出力時において燃料増量が行われた場合には、両方のＮＳＲ触媒の温度が高くなって温度ウィンドウ外となる虞がある。また、ＮＳＲ触媒の温度が温度ウィンドウよりも高くなった後で、温度ウィンドウ内に戻るまでの時間を短縮することはできない。これは、ＳＣＲ触媒を並列に備える場合にも同様である。

また、排気通路の上流側から順に三元触媒、ＮＳＲ触媒、ＳＣＲ触媒を設ける排気浄化装置の場合には、ＮＳＲ触媒及びＳＣＲ触媒の温度が温度ウィンドウよりも高い場合には、内燃機関を理論空燃比で運転することで大気中へのＮＯｘの放出を抑制することがある。このような従来の構成では、内燃機関の高出力時において理論空燃比以下で運転された後に、ＮＳＲ触媒またはＳＣＲ触媒の温度が温度ウィンドウ内となるまでは、要求出力が低下しても、内燃機関が理論空燃比で運転される。このため、理論空燃比よりも高い空燃比（リーン空燃比）で運転することが制限されるので、燃費が悪化する虞がある。

特開２００５−２９９４２０号公報 特開２００９−１９１６４７号公報 特開２００９−０９７４６９号公報

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、その目的は、内燃機関
が理論空燃比以下で運転された後に、速やかに理論空燃比よりも高い空燃比での運転に移行することにある。

上記課題を達成するために本発明による内燃機関の排気浄化装置は、
内燃機関の排気通路に設けられて排気の空燃比が理論空燃比よりも低いときにＮＨ_３を生成する触媒であるＮＨ_３生成触媒と、
前記ＮＨ_３生成触媒よりも下流において前記排気通路が第一排気通路と第二排気通路との２つに分岐する分岐部と、
前記第一排気通路若しくは第二排気通路の何れか一方に排気を流通させる、または、前記第一排気通路及び前記第二排気通路の両方に排気を流通させる排気通路切替装置と、
前記第一排気通路に設けられてＮＨ_３を還元剤としてＮＯｘを還元する第一選択還元型ＮＯｘ触媒と、
前記第二排気通路に設けられてＮＨ_３を還元剤としてＮＯｘを還元する第二選択還元型ＮＯｘ触媒と、
前記内燃機関が理論空燃比以下で運転されている場合に、前記第二選択還元型ＮＯｘ触媒に所定量のＮＨ_３が吸着される期間だけ前記切替弁により前記第二排気通路に排気を流通させ、その後に前記内燃機関が理論空燃比よりも高い空燃比で運転される場合に、前記切替弁により前記第一排気通路に排気を流通させず且つ前記第二排気通路に排気を流通させる制御装置と、
を備える。

ＮＨ_３生成触媒は、例えば、Ｈ_２やＨＣとＮＯとを反応させてＮＨ_３を生成する触媒である。このＮＨ_３は、排気の空燃比がリッチ空燃比のときに生成される。ＮＨ_３生成触媒は、ＮＯｘをためておくことが可能な触媒であり、例えば、三元触媒または吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（ＮＳＲ触媒）とすることができる。ＮＨ_３生成触媒にはＮＯｘをためておく機能があればよく、吸蔵、吸着、付着など、どのような状態でためておいてもよい。なお、以下では、ＮＨ_３生成触媒がＮＯｘを吸蔵するものとして説明する。そして、ＮＨ_３生成触媒では、吸蔵していたＮＯｘがリッチ空燃比のときに放出され、該放出されたＮＯｘからＮＨ_３が生成される。そして、第一選択還元型ＮＯｘ触媒及び第二選択還元型ＮＯｘ触媒は、ＮＨ_３生成触媒において生成されたＮＨ_３を吸着し、該ＮＨ_３によりＮＯｘを還元する。

したがって、ＮＨ_３生成触媒にＮＯｘが吸蔵されているときに、排気の空燃比をリッチ空燃比とすることで、該ＮＨ_３生成触媒においてＮＯｘからＮＨ_３が生成される。これにより、ＮＨ_３生成触媒からＮＯｘを除去することができる。また、排気の空燃比をリッチ空燃比とすることにより、ＮＨ_３生成触媒に還元剤であるＨＣ等を供給することができる。この還元剤により、ＮＨ_３生成触媒に吸蔵されていたＮＯｘが還元される。すなわち、リッチ空燃比とすることにより、ＮＨ_３生成触媒においてＮＯｘが浄化されるともいえる。

ところで、ＮＨ_３生成触媒、第一選択還元型ＮＯｘ触媒、第二選択還元型ＮＯｘ触媒は、夫々の温度が温度ウィンドウ内でなければ、ＮＯｘをほとんど浄化することができない。これに対し、制御装置は、第一選択還元型ＮＯｘ触媒及び第二選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が、温度ウィンドウ外まで上昇し得る運転状態の場合には、第一選択還元型ＮＯｘ触媒に排気を流通させ、第二選択還元型ＮＯｘ触媒には排気を流通させていない。

ここで、第一選択還元型ＮＯｘ触媒及び第二選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が、温度ウィンドウ外まで上昇し得る運転状態とは、内燃機関が理論空燃比以下で運転されている状態をいう。これは、内燃機関の高出力時または燃料増量時とすることもできる。このような
運転状態のときに第二選択還元型ＮＯｘ触媒に排気が流通しなければ、該第二選択還元型ＮＯｘ触媒の温度上昇を抑制することができる。しかし、内燃機関が理論空燃比以下で運転されているときに第二選択還元型ＮＯｘ触媒に排気を流通させなければ該第二選択還元型ＮＯｘ触媒にＮＨ_３を吸着させることができなくなる。これに対し、理論空燃比以下で内燃機関が運転されている場合であっても、第二選択還元型ＮＯｘ触媒に所定量のＮＨ_３が吸着される期間だけ第二排気通路に排気を流通させれば、第二選択還元型ＮＯｘ触媒にＮＨ_３を吸着させることができる。しかも、所定量のＮＨ_３を吸着する時間だけ排気を流通させればよいため、第二選択還元型ＮＯｘ触媒の温度上昇も抑制できる。

なお、所定量は、第二選択還元型ＮＯｘ触媒に排気を流通させたときに十分にＮＯｘを浄化することができるＮＨ_３の吸着量である。これは、第二選択還元型ＮＯｘ触媒において最大限吸着可能なＮＨ_３量としてもよい。

そして、第二選択還元型ＮＯｘ触媒にＮＨ_３を吸着させておけば、内燃機関が理論空燃比よりも高い空燃比で運転可能となったときに、理論空燃比よりも高い空燃比での運転に移行すると共に第二選択還元型ＮＯｘ触媒へ排気を流通させれば、排気中のＮＯｘを浄化することができる。このように、リーン空燃比での運転に速やかに移行することができる。また、リーン空燃比での運転によりＮＨ_３生成触媒の温度も低下させることができるので、ＮＨ_３生成触媒によるＮＯｘの浄化率も高めることができる。

本発明においては、前記分岐部から前記第一選択還元型ＮＯｘ触媒までの前記第一排気通路の長さが、前記分岐部から前記第二選択還元型ＮＯｘ触媒までの前記第二排気通路の長さよりも小さくてもよい。

第一排気通路及び第二排気通路を排気が流通するときには、大気への放熱により、排気の温度が徐々に低下する。このため、下流側ほど、排気の温度が低くなる。したがって、第一選択還元型ＮＯｘ触媒よりも第二選択還元型ＮＯｘ触媒のほうが、温度が低くなり得る。これにより、排気の温度が低いときには、第一選択還元型ＮＯｘ触媒へ排気を流通させることにより、ＮＯｘを浄化することができる。また、理論空燃比以下で内燃機関が運転される場合には、第二選択還元型ＮＯｘ触媒に所定量のＮＨ_３が吸着される期間だけ排気を流通させるが、第二選択還元型ＮＯｘ触媒へ流入する排気の温度は比較的低くなっているので、該第二選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が温度ウィンドウ外まで上昇することを抑制できる。なお、夫々の触媒の温度ウィンドウに合わせて夫々の触媒を設置する位置を調整してもよい。

本発明においては、前記第一選択還元型ＮＯｘ触媒よりも前記第二選択還元型ＮＯｘ触媒の酸化力が小さくてもよい。

酸化力が大きい触媒では、高温時に酸素とＮＨ_３とが反応してＮＯｘが発生する虞がある。したがって、高温時に理論空燃比よりも高い空燃比で内燃機関を運転させる場合には、酸化力が小さい触媒へ排気を流通させることにより、触媒でＮＯｘが発生することを抑制できる。また、酸化力が小さい触媒へ排気を流通させることにより、ＮＯｘ浄化率を高いまま維持することができる。なお、温度が高くなるほどＮＯｘ浄化率が低下する温度領域では、温度が高くなるときのＮＯｘ浄化率の低下の度合いが第一選択還元型ＮＯｘ触媒よりも第二選択還元型ＮＯｘ触媒のほうが小さいとしてもよい。

本発明においては、前記制御装置は、前記内燃機関が理論空燃比で運転されている場合であっても、前記第二選択還元型ＮＯｘ触媒に所定量のＮＨ_３が吸着される期間だけ前記切替弁により前記第二排気通路に排気を流通させる場合には、前記内燃機関を理論空燃比よりも低い空燃比で運転させることができる。

理論空燃比で運転されている場合には、ＮＨ_３生成触媒においてＮＨ_３がほとんど生成されない。このため、第二選択還元型ＮＯｘ触媒に排気を流通させても、ＮＨ_３を吸着させることが困難になる。これに対し、第二選択還元型ＮＯｘ触媒に排気を流通させるときに、内燃機関を理論空燃比よりも低い空燃比で運転させることにより、ＮＨ_３生成触媒でＮＨ_３を生成することができるので、第二選択還元型ＮＯｘ触媒にＮＨ_３を吸着させることができる。

本発明によれば、内燃機関が理論空燃比以下で運転された後に、速やかに理論空燃比よりも高い空燃比での運転に移行することができる。

実施例１に係る内燃機関と、その吸気系及び排気系との概略構成を示す図である。 実施例に係る各種値の推移を示したタイムチャートである。 定常運転時における機関回転数とトルクとの関係を示した図である。 実施例に係る切替弁の制御フローを示したフローチャートである。 実施例に係る各種値の推移を示した第二のタイムチャートである。 実施例に係る各種値の推移を示した第三のタイムチャートである。 実施例２に係る内燃機関と、その吸気系及び排気系との概略構成を示す図である。 ＳＣＲ触媒の温度とＮＯｘ浄化率との関係を示した図である。 ＳＣＲ触媒の温度と吸着可能なＮＨ_３量との関係を示した図である。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜実施例１＞
図１は、本実施例に係る内燃機関と、その吸気系及び排気系との概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、ガソリン機関であるが、ディーゼル機関であってもよい。内燃機関１は、たとえば車両に搭載される。

内燃機関１には、排気通路２が接続されている。この排気通路２は、分岐部２Ａにおいて第一排気通路２１と第二排気通路２２とに分岐している。分岐部２Ａには、切替弁３が設けられている。この切替弁３は、第一排気通路２１または第二排気通路２２の何れか一方、又は、両方に排気を流すことができる。なお、切替弁３を備える代わりに、第一排気通路２１及び第二排気通路２２の夫々に開閉弁を備えることで、第一排気通路２１または第二排気通路２２の何れか一方、又は、両方に排気を流すこともできる。なお、本実施例においては切替弁３が、本発明における排気通路切替装置に相当する。

切替弁３よりも上流の排気通路２には、上流側から順に、三元触媒４と、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５（以下、ＮＳＲ触媒５という。）と、が設けられている。また、第一排気通路２１の途中には、第一選択還元型ＮＯｘ触媒６１（以下、第一ＳＣＲ触媒６１という。）が設けられている。また、第二排気通路２２の途中には、第二選択還元型ＮＯｘ触媒６２（以下、第二ＳＣＲ触媒６２という。）が設けられている。そして、分岐部２Ａから第一ＳＣＲ触媒６１までの第一排気通路２１の長さよりも、分岐部２Ａから第二ＳＣＲ触媒６
２までの第二排気通路２２の長さの方が大きくなるように、第一ＳＣＲ触媒６１及び第二ＳＣＲ触媒６２が配置されている。なお、分岐部２Ａから第一ＳＣＲ触媒６１までの第一排気通路２１の長さと、分岐部２Ａから第二ＳＣＲ触媒６２までの第二排気通路２２の長さとが、同じになるように、第一ＳＣＲ触媒６１及び第二ＳＣＲ触媒６２が配置されてもよい。また、分岐部２Ａから第一ＳＣＲ触媒６１までの第一排気通路２１の長さよりも、分岐部２Ａから第二ＳＣＲ触媒６２までの第二排気通路２２の長さの方が小さくなるように、第一ＳＣＲ触媒６１及び第二ＳＣＲ触媒６２が配置されてもよい。

三元触媒４は、触媒雰囲気が理論空燃比のときにＮＯｘ，ＨＣおよびＣＯを最大効率で浄化する。また、三元触媒４は、酸素ストレージ能を有している。すなわち、流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときに過剰分の酸素を吸蔵し、流入する排気の空燃比がリッチ空燃比であるときに不足分の酸素を放出することにより、排気を浄化する。このような酸素ストレージ能の作用により、三元触媒４がＨＣ，ＣＯおよびＮＯｘを理論空燃比以外であっても浄化することができる。

なお、三元触媒４には、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を還元する機能を持たせることもできる。この場合、ＮＳＲ触媒５は無くてもよい。

また、ＮＳＲ触媒５は、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。ＮＳＲ触媒５に供給する還元剤には、内燃機関１から排出される未燃燃料であるＨＣまたはＣＯを利用することができる。

なお、三元触媒４またはＮＳＲ触媒５を排気が通過するときに、排気中のＮＯｘがＨＣまたはＨ_２と反応してアンモニア（ＮＨ_３）が生成されることがある。例えば、水性ガスシフト反応または水蒸気改質反応により排気中のＣＯやＨ_２ＯからＨ_２が発生すれば、該Ｈ_２が三元触媒４またはＮＳＲ触媒５においてＮＯと反応してＮＨ_３が生成される。すなわち、本実施例においては三元触媒４またはＮＳＲ触媒５が、本発明におけるＮＨ_３生成触媒に相当する。なお、本実施例では、ＮＳＲ触媒５をＮＨ_３生成触媒として説明するが、三元触媒４をＮＨ_３生成触媒としても同様に考えることができる。

第一ＳＣＲ触媒６１及び第二ＳＣＲ触媒６２は、還元剤を吸着しておき、ＮＯｘが通過するときに、吸着していた還元剤によりＮＯｘを選択還元する。ＳＣＲ触媒５へ供給する還元剤には、三元触媒４またはＮＳＲ触媒５にて生成されるＮＨ_３を利用することができる。

第一ＳＣＲ触媒６１よりも上流の第一排気通路２１には、排気の温度を検出する第一温度センサ１１が設けられている。また、第二ＳＣＲ触媒６２よりも上流の第二排気通路２２には、排気の温度を検出する第二温度センサ１２が設けられている。さらに、三元触媒４よりも下流で且つＮＳＲ触媒５よりも上流の排気通路２には、排気の温度を検出する第三温度センサ１３が設けられている。なお、第一温度センサ１１により第一ＳＣＲ触媒６１の温度を検出することができる。また、第二温度センサ１２により第二ＳＣＲ触媒６２の温度を検出することができる。さらに、第三温度センサ１３により、ＮＳＲ触媒５の温度を検出することができる。

また、内燃機関１には、内燃機関１へ燃料を供給する燃料噴射弁７が取り付けられている。

一方、内燃機関１には、吸気通路８が接続されている。吸気通路８の途中には、内燃機
関１の吸入空気量を調整するスロットル９が設けられている。また、スロットル９よりも上流の吸気通路８には、内燃機関１の吸入空気量を検出するエアフローメータ１５が取り付けられている。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御装置であるＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１を制御する。なお、本実施例においてはＥＣＵ１０が、本発明における制御装置に相当する。

また、ＥＣＵ１０には、上記センサの他、運転者がアクセルペダル１６を踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し機関負荷を検知するアクセル開度センサ１７、および機関回転数を検知するクランクポジションセンサ１８が電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がＥＣＵ１０に入力される。

一方、ＥＣＵ１０には、切替弁３、燃料噴射弁７及びスロットル９が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ１０はこれらの機器を制御する。

例えばＥＣＵ１０は、アクセル開度センサ１７により検出されるアクセル開度とクランクポジションセンサ１８により検出される機関回転数とから要求吸入空気量を決定する。そして、エアフローメータ１５により検出される吸入空気量が要求吸入空気量となるように、スロットル９の開度が制御される。このときに変化する吸入空気量に応じた燃料噴射量を供給するように燃料噴射弁７を制御する。このときに設定される目標空燃比は、内燃機関１の運転状態に応じて設定される空燃比である。なお、本実施例に係る内燃機関１は、リーンバーン運転がなされている。ただし、高負荷運転時などにおいて、理論空燃比近傍で内燃機関１が運転されることもある。

また、ＥＣＵ１０は、ＮＳＲ触媒５に吸蔵されているＮＯｘの還元処理を実施する。ＮＳＲ触媒５に吸蔵されているＮＯｘの還元時には、燃料噴射弁７から噴射する燃料の量またはスロットル９の開度を調整することにより、ＮＳＲ触媒５に流入する排気の空燃比を所定のリッチ空燃比まで低下させる所謂リッチスパイクを実施する。

このリッチスパイクは、ＮＳＲ触媒５に吸蔵されているＮＯｘ量が所定量となった場合に実施される。ＮＳＲ触媒５に吸蔵されているＮＯｘ量は、たとえば、ＮＳＲ触媒５に流入するＮＯｘ量と、ＮＳＲ触媒５から流出するＮＯｘ量と、の差を積算することにより算出される。ＮＳＲ触媒５に流入するＮＯｘ量と、ＮＳＲ触媒５から流出するＮＯｘ量とは、センサを取り付けることにより検出できる。また、所定の時間または所定の走行距離ごとにリッチスパイクを実施してもよい。

また、ＥＣＵ１０は、第一ＳＣＲ触媒６１または第二ＳＣＲ触媒６２にＮＨ_３を供給するためにもリッチスパイクを実施する。

ところで、三元触媒４、ＮＳＲ触媒５、第一ＳＣＲ触媒６１及び第二ＳＣＲ触媒６２には、夫々、排気を浄化可能な温度領域（温度ウィンドウ）が存在する。そして、車両の走行条件などにより排気の温度や排気の流量が変化するため、全ての走行条件において、全ての触媒の温度を温度ウィンドウ内に維持することは困難である。内燃機関１の高出力運転時（理論空燃比以下での運転時）には、各触媒の温度が温度ウィンドウの上限よりも高くなる虞がある。

これに対して本実施例では、高出力運転時であって内燃機関１が理論空燃比よりも低い空燃比（リッチ空燃比）で運転されている場合には、第一排気通路２１に排気を流通させ
、第二排気通路２２には排気を流通させないように、ＥＣＵ１０は切替弁３を操作する。すなわち、第一排気通路２１のみに排気を流通させる。ただし、第二ＳＣＲ触媒６２が吸着しているＮＨ_３量が所定量未満である場合には、所定量以上となる期間だけ、一時的に第二排気通路２２に排気を流通させる。すなわち、内燃機関１がリッチ空燃比で運転されているときに、第二ＳＣＲ触媒６２へＮＨ_３を吸着させておく。なお、第二ＳＣＲ触媒６２が吸着しているＮＨ_３量は、該第二ＳＣＲ触媒６２に供給されるＮＨ_３量や第二ＳＣＲ触媒６２に流入するＮＯｘ量等に基づいて求めることができる。

ここで、図２は、本実施例に係る各種値の推移を示したタイムチャートである。実線は、本実施例に係る推移を示し、破線は、従来の構成における推移を示している。なお、従来の構成とは、排気通路の上流側から順に三元触媒、ＮＳＲ触媒、ＳＣＲ触媒を１つずつ設ける構成である。

図２において、「要求出力」とは、内燃機関１に要求される出力であり、アクセルペダル１６の踏込量によって決まる。「Ａ／Ｆ」は、内燃機関１における混合気の空燃比であり、排気の空燃比と等しい。「切替弁」は切替弁の状態を示しており、「第一」は第一排気通路２１にのみ排気を流し、「第二」は、第二排気通路２２にのみ排気を流し、「第一＋第二」は、第一排気通路２１及び第二排気通路２２の両方に排気を流している。「ＮＨ_３量」は、夫々の触媒が吸着しているＮＨ_３量を示している。また、「ＮＨ_３量」における「最大」は、各触媒が吸着し得るＮＨ_３量の最大値を示している。また、各触媒の温度における「上限」は、温度ウィンドウの上限値を示している。

ここで、図３は、定常運転時における機関回転数とトルクとの関係を示した図である。Ａは、機関回転数及びトルクが比較的高い場合であり、従来でも本実施例でも理論空燃比よりも低い空燃比（リッチ空燃比）で運転される。Ｂは、機関回転数及びトルクが中程度であり、従来では理論空燃比で運転されていたが、本実施例では理論空燃比よりも高い空燃比（リーン空燃比）で運転される。Ｃは、機関回転数及びトルクが比較的低い場合であり、従来でも本実施例でもリーン空燃比で運転される。なお、図２は、図３のＡ，Ｂ，Ｃの順に内燃機関１の運転状態が変化した場合を示している。

図２におけるＴ０の時点においては、要求出力が比較的高いため、内燃機関１はリッチ空燃比で運転されており、排気の温度が比較的高い。このＴ０の時点での内燃機関１の運転状態は、図３のＡで示される。そして、このときには、第一排気通路２１のみに排気が流されている。すなわち、第一ＳＣＲ触媒６１には排気が流通しているが、第二ＳＣＲ触媒６２には排気が流通していない。温度の高い排気がＮＳＲ触媒５及び第一ＳＣＲ触媒６１を流通することにより、ＮＳＲ触媒５及び第一ＳＣＲ触媒６１の温度は温度ウィンドウの上限値よりも高くなっている。このため、第一ＳＣＲ触媒６１には、ＮＨ_３がほとんど吸着されていない。一方、第二ＳＣＲ触媒６２には、排気が流通していないので、該第二ＳＣＲ触媒６２の温度は、浄化ウィンドウの上限値よりも低くなっている。しかし、第二ＳＣＲ触媒６２に排気が流通していないので、該第二ＳＣＲ触媒６２はＮＨ_３を吸着していない。

そして、Ｔ１の時点において、ＥＣＵ１０が切替弁３を操作して、第二排気通路２２のみに排気が流される。このときには、排気の空燃比がリッチ空燃比であるために、三元触媒４及びＮＳＲ触媒５においてＮＨ_３が生成されており、該ＮＨ_３が第二ＳＣＲ触媒６２に吸着される。第二ＳＣＲ触媒６２は、第一ＳＣＲ触媒６１と比較して分岐部２Ａから離れているので、温度の高い排気が流通しても、該第二ＳＣＲ触媒６２の温度は上昇し難い。したがって、要求出力が比較的高い場合であっても、第二ＳＣＲ触媒６２はＮＨ_３を吸着することができる。なお、従来の構成では切替弁３が存在しないため、切替弁３の状態は常に第一排気通路２１に排気を流通させるものとしている。

Ｔ２の時点において、第二ＳＣＲ触媒６２が吸着しているＮＨ_３量が、最大値に達している。このため、ＥＣＵ１０が切替弁３を操作して、第一排気通路２１のみに排気が流される。これにより、第二ＳＣＲ触媒２２の温度上昇を抑制し、該第二ＳＣＲ触媒６２が最大限のＮＨ_３を吸着した状態を維持することができる。ここで、Ｔ１からＴ２までの期間は、第二ＳＣＲ触媒６２が吸着しているＮＨ_３量が、最大値に達するまでの期間であるが、十分にＮＯｘを浄化することができる所定量に達するまでの期間としてもよい。

Ｔ３の時点において、従来の構成であれば理論空燃比で運転可能なほど要求出力が低下する。このＴ３の時点での内燃機関１の運転状態は、図３のＢで示される。すなわち、リッチ空燃比としなくても要求出力を達成できる運転状態となっている。従来の構成では、ＮＳＲ触媒及びＳＣＲ触媒の温度が温度ウィンドウの上限値を超えているため、内燃機関１を理論空燃比で運転することで、大気中へのＮＯｘの排出を抑制している。一方、本実施例では、理論空燃比よりも高い空燃比（リーン空燃比）で運転する。本実施例では、同時に、ＥＣＵ１０が切替弁３を操作して、第二ＳＣＲ触媒６２のみに排気が流される。ここで、第二ＳＣＲ触媒６２には多くのＮＨ_３が吸着されているため、該第二ＳＣＲ触媒６２に排気を流すことにより、ＮＯｘを浄化することができる。また、要求出力の低下により、排気の温度が低くなるため、第二ＳＣＲ触媒６２の温度が上昇することもない。また、内燃機関１をリーン空燃比で運転することにより、ＮＳＲ触媒５の温度も低下する。

Ｔ４の時点において、第二ＳＣＲ触媒６２が吸着していたＮＨ_３量が０となる。これにより、第二ＳＣＲ触媒６２によるＮＯｘの浄化が困難となる。しかし、理論空燃比で運転するよりもリーン空燃比で運転する方が排気の温度が低くなるので、ＮＳＲ触媒５の温度低下が従来の構成よりも促進される。このため、ＮＳＲ触媒５の温度が、速やかに温度ウィンドウの上限値以下となるため、ＮＳＲ触媒５によりＮＯｘ浄化が可能である。また、Ｔ３からＴ４の期間では、第一ＳＣＲ触媒６１に排気が流通していないため、従来の構成と比較すれば、第一ＳＣＲ触媒６１の温度低下も促進させることができる。そして、Ｔ４の時点において、ＥＣＵ１０が切替弁３を操作して、第一ＳＣＲ触媒６１及び第二ＳＣＲ触媒６２に排気が流される。この後は、第一ＳＣＲ触媒６１及び第二ＳＣＲ触媒６２に排気を流すことにより、背圧を下げることができる。これにより、例えばターボチャージャの仕事を増加させることができ、運転可能なリーンの度合いをより高くすることができる。

Ｔ５の時点において、リーン空燃比で運転可能なほど要求出力が低下する。このＴ５の時点での内燃機関１の運転状態は、図３のＣで示される。ただし、従来の構成では、ＮＳＲ触媒５の温度が温度ウィンドウの上限値よりも高いために、リーン空燃比に移行することができない。

Ｔ６の時点では、従来の構成においてＮＳＲ触媒５の温度が温度ウィンドウの上限値まで低下して、リーン空燃比に移行している。

Ｔ７からＴ８の期間において、リッチスパイクが実施されている。これにより、三元触媒４及びＮＳＲ触媒５においてＮＨ_３が生成されるので、第一ＳＣＲ触媒６１及び第二ＳＣＲ触媒６２のＮＨ_３吸着量が増加する。このＴ７からＴ８までの期間は、第一ＳＣＲ触媒６１及び第二ＳＣＲ触媒６２のＮＨ_３吸着量が最大値に達するまでの期間としてもよい。

このように、従来の構成では、Ｔ６の時点までリーン空燃比に移行することができなかったが、本実施例によれば、Ｔ３の時点でリーン空燃比に移行することができる。これにより、燃費を向上させることができる。また、従来の構成では、Ｔ６の時点までＮＳＲ触
媒５によるＮＯｘの浄化は困難であったが、本実施例によれば、Ｔ４の時点からＮＳＲ触媒５によるＮＯｘの浄化が可能となる。すなわち、ＮＳＲ触媒５によるＮＯｘ浄化も早期に可能となる。

図４は、本実施例に係る切替弁３の制御フローを示したフローチャートである。本ルーチンは、ＥＣＵ１０により、所定の時間毎に実施される。

ステップＳ１０１では、要求出力が高出力であるか否か判定される。本ステップでは、理論空燃比、または、リッチ空燃比で運転される場合に、要求出力が高出力であると判定する。本ステップでは、理論空燃比、または、リッチ空燃比で運転されているか否か判定してもよい。また、燃料の増量が実施されているか否か判定してもよい。ステップＳ１０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０２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。

ステップＳ１０２では、第二ＳＣＲ触媒６２が吸着しているＮＨ_３量が最大値に達しているか否か判定される。なお、本ステップでは、第二ＳＣＲ触媒６２が吸着しているＮＨ_３量が所定量以上であるか否か判定してもよい。ここでいう所定量は、第二ＳＣＲ触媒６２において十分にＮＯｘを浄化することが可能なＮＨ_３量である。ステップＳ１０２で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０３へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０４へ進む。

ステップＳ１０３では、第一ＳＣＲ触媒６１のみに排気が流通するように切替弁３が操作される。すなわち、第二ＳＣＲ触媒６２には十分な量のＮＨ_３が吸着されているので、第一ＳＣＲ触媒６１に排気を流して、第二ＳＣＲ触媒６２の温度上昇を抑制している。

ステップＳ１０４では、第二ＳＣＲ触媒６２のみに排気が流通するように切替弁３が操作される。すなわち、第二ＳＣＲ触媒６２が吸着しているＮＨ_３量が不十分なため、該第二ＳＣＲ触媒６２にＮＨ_３を吸着させるように、該第二ＳＣＲ触媒に排気を流通させる。

一方、ステップＳ１０１において高出力運転時でないと判定された場合には、ステップＳ１０５において、ＮＳＲ触媒５及び第一ＳＣＲ触媒６１の温度が温度ウィンドウ外となっているか否か判定される。すなわち、リーン空燃比で運転する要求はあるが、ＮＳＲ触媒５及び第一ＳＣＲ触媒６１ではＮＯｘを浄化することが困難であるか否か判定される。ステップＳ１０５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Ｓ１０７へ進む。

ステップＳ１０６では、第二ＳＣＲ触媒６２のみに排気が流通するように切替弁３が操作される。ＮＳＲ触媒５及び第一ＳＣＲ触媒６１の温度が温度ウィンドウ外であっても、第二ＳＣＲ触媒６２の温度は温度ウィンドウ内であり、このときには十分な量のＮＨ_３を吸着しているので、第二ＳＣＲ触媒６２によりＮＯｘを浄化することができる。

一方、ステップＳ１０７では、第一ＳＣＲ触媒６１及び第二ＳＣＲ触媒６２に排気が流通するように切替弁３が操作される。すなわち、第一ＳＣＲ触媒６１によってもＮＯｘの浄化が可能であるため、第一ＳＣＲ触媒６１及び第二ＳＣＲ触媒６２に排気を流通させる。これにより、背圧を低下することができる。なお、本ステップでは、第一ＳＣＲ触媒６１のみに排気が流通するように切替弁３を操作してもよい。

図５は、本実施例に係る各種値の推移を示した第二のタイムチャートである。図２と異なる点について説明する。

図２においては、Ｔ０からＴ３までの期間はリッチ空燃比であるが、図５においては、理論空燃比である。すなわち、図５においては、Ｔ０からＴ３までの期間は、内燃機関１が図３のＢで示される運転領域で運転されている。ここで、内燃機関１が理論空燃比で運転されている場合には、三元触媒４及びＮＳＲ触媒５において殆どＮＨ_３が生成されないため、第二ＳＣＲ触媒６２に排気を流通させても、第二ＳＣＲ触媒６２には殆どＮＨ_３が吸着されない。

そこで、理論空燃比で運転されている場合には、第二ＳＣＲ触媒６２に排気を流通させるＴ１からＴ２までの期間において、リッチスパイクを実施する。このリッチスパイクにより、Ｔ１からＴ２までの期間中に三元触媒４及びＮＳＲ触媒５においてＮＨ_３が生成されるため、第二ＳＣＲ触媒６２にＮＨ_３が吸着される。したがって、Ｔ３からＴ４までの期間において第二ＳＣＲ触媒６２に排気を流通させたときに、排気中のＮＯｘを第二ＳＣＲ触媒６２により浄化することができる。

このようにして、内燃機関１が理論空燃比で運転中であっても、リーン空燃比での運転に速やかに移行することができる。

図６は、本実施例に係る各種値の推移を示した第三のタイムチャートである。図２及び図５と異なる点について説明する。

図２及び図５では、Ｔ４以降において、第一排気通路２１及び第二排気通路２２の両方に排気を流通させている。一方、図６においては、Ｔ４以降において、第一排気通路２１のみに排気を流通させている。

ここで、Ｔ４以降では、第一ＳＣＲ触媒６１においてもＮＯｘの浄化が可能となるため、第一ＳＣＲ触媒６１のみに排気を流通させたとしても、排気中のＮＯｘを浄化することができる。なお、Ｔ７からＴ８の期間においてリッチスパイクが実施されても、第二ＳＣＲ触媒６２には排気が流通していないため、第二ＳＣＲ触媒６２に吸着されているＮＨ_３量は増加しない。

また、本実施例においては、第二ＳＣＲ触媒６２の大きさを、第一ＳＣＲ触媒６１の大きさよりも、小さくしてもよい。すなわち、第二ＳＣＲ触媒６２を小型化してもよい。ここで、第二ＳＣＲ触媒６２は、第一ＳＣＲ触媒６１においてＮＯｘを浄化することができない場合に用いるだけでよいので、第一ＳＣＲ触媒６１よりも容量を小さくすることができる。

以上説明したように、従来の構成では、ＮＳＲ触媒の吸蔵能力が低下し且つＳＣＲ触媒のＮＨ_３吸着能力が低下するために理論空燃比で内燃機関１を運転しなければならない場合であっても、本実施例によれば、ＮＯｘ浄化率の低下を抑制しつつ早期にリーン空燃比での運転が可能となるため、燃費を向上させることができる。

＜実施例２＞
図７は、本実施例に係る内燃機関と、その吸気系及び排気系との概略構成を示す図である。実施例１と異なる点について説明する。なお、本実施例においては、実施例１と同様の切替弁３の制御を実施することができる。

本実施例では、分岐部２Ａから第一ＳＣＲ触媒６１までの第一排気通路２１の長さと、分岐部２Ａから第二ＳＣＲ触媒６２までの第二排気通路２２の長さとが略同じである。また、第一ＳＣＲ触媒６１は、第二ＳＣＲ触媒６２と比較して、酸化力が大きいために高温時のＮＯｘ浄化力が低く、また、温度ウィンドウ内において吸着可能なＮＨ_３量が多い。
したがって、高温時には、第一ＳＣＲ触媒６１のＮＯｘ浄化率よりも、第二ＳＣＲ触媒に６２のＮＯｘ浄化率のほうが高くなる。なお、実施例１と同様に、分岐部２Ａから第一ＳＣＲ触媒６１までの第一排気通路２１の長さと、分岐部２Ａから第二ＳＣＲ触媒６２までの第二排気通路２２の長さとに、差を設けてもよい。

第一ＳＣＲ触媒６１は、例えば原料にＣｕを含んだＣｕ系の触媒とすることができる。また、第二ＳＣＲ触媒６２は、例えば原料にＦｅを含んだＦｅ系の触媒とすることができる。Ｆｅ系の触媒は、Ｃｕ系の触媒と比較して、吸着可能なＮＨ_３量は少ないが、ＮＨ_３を吸着している状態では高温時のＮＯｘ浄化率が高い。また、Ｃｕ系の触媒は、Ｆｅ系の触媒よりも酸化力が大きいために、高温時においてＮＨ_３を酸化してＮＯｘを発生させる。これにより、高温時にＣｕ系の触媒にＮＨ_３を供給すると、ＮＯｘを排出する虞がある。一方、Ｆｅ系の触媒は、酸化力が小さいために、高温時であってもＮＯｘ浄化率が高い。

図８は、ＳＣＲ触媒の温度とＮＯｘ浄化率との関係を示した図である。実線はＦｅ系の触媒であり、破線はＣｕ系の触媒である。高温時においては、Ｃｕ系の触媒よりもＦｅ系の触媒の方がＮＯｘ浄化率が高い。そして、ＮＯｘ浄化率の差は高温になるほど大きくなる。Ｆｅ系の触媒及びＣｕ系の触媒は、高温時にはＮＯｘ浄化率が低下するが、Ｃｕ系の触媒のほうがＮＯｘ浄化率の低下の度合いが大きい。

また、図９は、ＳＣＲ触媒の温度と吸着可能なＮＨ_３量との関係を示した図である。実線はＦｅ系の触媒であり、破線はＣｕ系の触媒である。Ｆｅ系の触媒よりもＣｕ系の触媒の方が吸着可能なＮＨ_３量が多いが、ＳＣＲ触媒の温度が高くなるほど、その差は小さくなる。すなわち、Ｆｅ系の触媒及びＣｕ系の触媒は、高温時にはＮＨ_３吸着量が低下するが、Ｃｕ系の触媒のほうがＮＨ_３吸着量の低下の度合いが大きい。

このような構成によっても、高出力時において第二ＳＣＲ触媒６２に予めＮＨ_３を吸着させておけば、リーン空燃比の運転に速やかに移行することができる。すなわち、第一ＳＣＲ触媒６１によるＮＯｘの浄化を期待できない場合であっても、第二ＳＣＲ触媒６２によりＮＯｘを浄化することができるため、リーン空燃比での運転が可能となる。

１ 内燃機関
２ 排気通路
２Ａ 分岐部
３ 切替弁
４ 三元触媒
５ 吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（ＮＳＲ触媒）
７ 燃料噴射弁
８ 吸気通路
９ スロットル
１０ ＥＣＵ
１１ 第一温度センサ
１２ 第二温度センサ
１３ 第三温度センサ
１５ エアフローメータ
１６ アクセルペダル
１７ アクセル開度センサ
１８ クランクポジションセンサ
２１ 第一排気通路
２２ 第二排気通路
６１ 第一選択還元型ＮＯｘ触媒（第一ＳＣＲ触媒）
６２ 第二選択還元型ＮＯｘ触媒（第二ＳＣＲ触媒）

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に設けられて排気の空燃比が理論空燃比よりも低いときにＮＨ_３を生成する触媒であるＮＨ_３生成触媒と、
   前記ＮＨ_３生成触媒よりも下流において前記排気通路が第一排気通路と第二排気通路との２つに分岐する分岐部と、
   前記第一排気通路若しくは第二排気通路の何れか一方に排気を流通させる、または、前記第一排気通路及び前記第二排気通路の両方に排気を流通させる排気通路切替装置と、
   前記第一排気通路に設けられてＮＨ_３を還元剤としてＮＯｘを還元する第一選択還元型ＮＯｘ触媒と、
   前記第二排気通路に設けられてＮＨ_３を還元剤としてＮＯｘを還元する第二選択還元型ＮＯｘ触媒と、
   前記内燃機関が理論空燃比以下で運転されている場合に、前記第二選択還元型ＮＯｘ触媒に所定量のＮＨ_３が吸着される期間だけ前記切替弁により前記第二排気通路に排気を流通させ、その後に前記内燃機関が理論空燃比よりも高い空燃比で運転される場合に、前記切替弁により前記第一排気通路に排気を流通させず且つ前記第二排気通路に排気を流通させる制御装置と、
   を備える内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記分岐部から前記第一選択還元型ＮＯｘ触媒までの前記第一排気通路の長さが、前記分岐部から前記第二選択還元型ＮＯｘ触媒までの前記第二排気通路の長さよりも小さい請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記第一選択還元型ＮＯｘ触媒よりも前記第二選択還元型ＮＯｘ触媒の酸化力が小さい請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記制御装置は、前記内燃機関が理論空燃比で運転されている場合であっても、前記第二選択還元型ＮＯｘ触媒に所定量のＮＨ_３が吸着される期間だけ前記切替弁により前記第二排気通路に排気を流通させる場合には、前記内燃機関を理論空燃比よりも低い空燃比で運転させる請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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