JP2586738B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

内燃機関の排気浄化装置

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JP2586738B2
JP2586738B2 JP5507598A JP50759893A JP2586738B2 JP 2586738 B2 JP2586738 B2 JP 2586738B2 JP 5507598 A JP5507598 A JP 5507598A JP 50759893 A JP50759893 A JP 50759893A JP 2586738 B2 JP2586738 B2 JP 2586738B2
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air
absorbent
fuel ratio
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伸一 竹島
康 荒木
信也 広田
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。
背景技術 ディーゼル機関においてNOxを浄化するために機関排
気通路を一対の排気枝通路に分岐し、これら排気枝通路
の分岐部に切換弁を配置して切換弁の切換作用により排
気ガスをいずれか一方の排気枝通路内に交互に導き、各
排気枝通路内に夫々NOxを酸化吸収しうる触媒を配置し
たディーゼル機関が公知である（特開昭62−106826号公
報参照）。このディーゼル機関では一方の排気枝通路内
に導かれた排気ガス中のNOxがその排気枝通路内に配置
された触媒に酸化吸収せしめられる。この間、他方の排
気枝通路への排気ガスの流入が停止せしめられると共に
この排気枝通路内には気体状の還元剤が供給され、この
還元剤によってこの排気枝通路内に配置された触媒に蓄
積されているNOxが還元せしめられる。次いで暫くする
と切換弁の切換作用によってそれまで排気ガスが導かれ
ていた排気枝通路への排気ガスの導入が停止され、それ
まで排気ガスの導入が停止されていた排気枝通路への排
気ガスの導入が再開される。
しかしながらこの触媒は触媒温度が低くなるとNOxを
酸化吸収しえなくなる。従ってこのディーゼル機関では
排気ガス温が低く、従って触媒温度が低いときにはNOx
が触媒に酸化吸収されないためにNOxが大気に放出され
るという問題を生ずる。
発明の開示 本発明の目的は排気ガス温が低くてもNOxを効率よく
吸収することのできる排気浄化装置を提供することにあ
る。
本発明によれば、流入する排気ガスの空燃比がリーン
であるときにNOxを吸収し、流入する排気ガス中の酸素
濃度を低下させると吸収したNOxを放出するNOx吸収剤を
機関排気通路内に配置すると共に、NOx吸収剤上流の機
関排気通路内にNOxを酸化しうるNOx酸化剤を配置し、NO
x吸収剤に流入する排気ガスがリーンのときにNOx吸収剤
に吸収されたNOxをNOx吸収剤に流入する排気ガス中の酸
素濃度が低下せしめられたときにNOx吸収剤から放出す
るようにした内燃機関の排気浄化装置が提供される。
図面の簡単な説明 第１図は内燃機関の全体図、第２図は基本燃料噴射時
間のマップを示す図、第３図は補正係数Ｋの変化を示す
図、第４図は機関から排出される排気ガス中の未燃HC,C
Oおよび酸素の濃度を概略的に示す線図、第５図はNOxの
吸放出作用を説明するための図、第６図はNOxの吸収率
を示す図、第７図は空燃比の制御を示す図、第８図は割
込みルーチンを示すフローチャート、第９図は燃料噴射
時間TAUを算出するためのフローチャート、第10図は内
燃機関の別の実施例を示す全体図、第11図は内燃機関の
更に別の実施例を示す全体図、第12図はNOx放出処理を
行うためのフローチャートである。
発明を実施するための最良の形態 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は吸気弁、６は吸気ポー
ト、７は排気弁、８は排気ポートを夫々示す。吸気ポー
ト６は対応する枝管９を介してサージタンク10に連結さ
れ、各枝管９には夫々吸気ポート６内に向けて燃料を噴
射する燃料噴射弁11が取付けられる。サージタンク10は
吸気ダクト12およびエアフローメータ13を介してエアク
リーナ14に連結され、吸気ダクト12内にはスロットル弁
15が配置される。一方、排気ポート８は排気マニホルド
16および排気管17を介してNOx酸化剤18およびNOx吸収剤
19を内蔵したケーシング20に接続される。第１図に示さ
れるようにNOx酸化剤18は同一のケーシング20においてN
Ox吸収剤19のすぐ上流に設けられている。
電子制御ユニット30はディジタルコンピュータからな
り、双方向性バス31によって相互に接続されたROM（リ
ードオンメモリ）32、RAM（ランダムアクセスメモリ）3
3、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。エアフローメータ13は吸入空
気量に比例した出力電圧を発生し、この出力電圧がAD変
換器37を介して入力ポート35に入力される。また、入力
ポート35には機関回転数を表わす出力ポート36は対応す
る駆動回路38,39を介して夫々点火栓４および燃料噴射
弁11に接続される。
第１図に示す内燃機関では例えば次式に基づいて燃料
噴射時間・TAUが算出される。
TAU＝TP・Ｋ ここでTPは基本燃料噴射時間を示しており、Ｋは補正
係数を示している。基本燃料噴射時間TPは機関シリンダ
内に供給される混合気の空燃比を理論空燃比とするのに
必要な燃料噴射時間を示している。この基本燃料噴射時
間TPは予め実験により求められ、機関負荷Q/N（吸入空
気量Q/機関回転数Ｎ）および機関回転数Ｎの関数として
第２図に示すようにマップの形で予めROM32内に記憶さ
れている。補正係数Ｋは機関シリンダ内に供給される混
合気の空燃比を制御するための係数であってＫ＝1.0で
あれば機関シリンダ内に供給される混合気は理論空燃比
となる。これに対してＫ＜1.0になれば機関シリンダ内
に供給される混合気の空燃比は理論空燃比よりも大きく
なり、即ちリーンとなり、Ｋ＞1.0になれば機関シリン
ダ内に供給される混合気の空燃比は理論空燃比よりも小
さくなる、即ちリッチとなる。
この補正係数Ｋは機関の運転状態に応じて制御され、
第３図はこの補正係数Ｋの制御の一実施例を示してい
る。第３図に示す実施例では暖機運転中は機関冷却水温
が高くなるにつれて補正係数Ｋが徐々に低下せしめら
れ、暖機が完了する補正係数Ｋは1.0よりも小さい一定
値に、即ち機関シリンダ内に供給される混合気の空燃比
がリーンに維持される。次いで加速運転が行われれば補
正係数Ｋは例えば1.0とされ即ち機関シリンダ内に供給
される混合気の空燃比は理論空燃比とされ、全負荷運転
が行われれば補正係数Ｋは1.0よりも大きくされる、即
ち機関シリンダ内に供給される混合気の空燃比はリッチ
にされる。第３図からわかるように第３図に示される実
施例では暖機運転時に、加速運転時および全負荷運転時
を除けば機関シリンダ内に供給される混合気の空燃比は
一定のリーン空燃比に維持されており、従って大部分の
機関運転領域においてリーン混合気が燃焼せしめられる
ことになる。
第４図は燃焼室３から排出される排気ガスの代表的な
成分の濃度を概略的に示している。第４図からわかるよ
うに燃焼室３から排出される排気ガス中の未燃HC,COの
濃度は燃焼室３内に供給される混合気の空燃比がリッチ
になるほど増大し、燃焼室３から排出される排気ガス中
の酸素O2の濃度は燃焼室３内に供給される混合気の空燃
比がリーンになるほど増大する。
ケーシング20内に収容されているNOx吸収剤19は例え
ばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウム
Ｋ、ナトリウムNa、リチウムLi、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と、白金Ptのような貴金属と
が担持されている。機関吸気通路およびNOx吸収剤19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NOx吸収剤19への流入排気ガスの空燃比と称
するとこのNOx吸収剤19は流入排気ガスの空燃比がリー
ンのときにはNOxを吸収し、流入排気ガス中の酸素濃度
が低下すると吸収したNOxを放出するNOxの吸放出作用を
行う。なお、NOx吸収剤19上流の排気通路内に燃料（炭
化水素）或いは空気が供給されない場合には流入排気ガ
スの空燃比は燃焼室３内に供給される混合気の空燃比に
一致し、従ってこの場合にはNOx吸収剤19は燃焼室３内
に供給される混合気の空燃比がリーンのときにはNOxを
吸収し、燃焼室３内に供給される混合気中の酸素濃度が
低下すると吸収したNOxを放出することになる。
上述のNOx吸収剤19を機関排気通路内に配置すればこ
のNOx吸収剤19は実際にNOxの吸放出作用を行うがこの吸
放出作用の詳細なメカニズムについては明らかでない部
分もある。しかしながらこの吸放出作用は第５図に示す
ようなメカニズムで行われているものと考えられる。次
にこのメカニズムについて担体上に白金Ptおよびバリウ
ムBaを担持させた場合を例にとって説明するが他の貴金
属、アルカリ金属、アルカリ土類、希土類を用いても同
様なメカニズムとなる。
即ち、流入排気ガスがかなりリーンになると流入排気
ガス中の酸素濃度が大巾に増大し、第５図（Ａ）に示さ
れるようにこれら酸素O2がO2 -の形で白金Ptの表面に付
着する。一方、流入排気ガス中のNOは白金Ptの表面上で
O2 -と反応し、NO2となる（2NO＋O2→2NO2）。次いで生
成されたNO2の一部は白金Pt上で酸化されつつ吸収剤内
に吸収されて酸化バリウムBaOと結合しながら第５図
（Ａ）に示されるように硝酸イオンNO3 -の形で吸収剤内
に拡散する。このようにしてNOxがNOx吸収剤19内に吸収
される。
流入排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ptの表面で
NO2が生成され、吸収剤のNOx吸収能力が飽和しない限り
NO2が吸収剤内に吸収されて硝酸イオンNO3 -が生成され
る。これに対して流入排気ガス中の酸素濃度が低下して
NO2の生成量が低下すると反応が逆方向（NO3 -→NO2）に
進み、斯くして吸収剤内の硝酸イオンNO3 -がNO2の形で
吸収剤から放出される。即ち、流入排気ガス中の酸素濃
度が低下するとNOx吸収剤19からNOxが放出されることに
なる。第４図に示されるように流入排気ガスのリーンの
度合が低くなれば流入排気ガス中の酸素濃度が低下し、
従って流入排気ガスのリーンの度合を低くすればたとえ
流入排気ガスの空燃比がリーンであってもNOx吸収剤19
からNOxが放出されることになる。
一方、このとき燃焼室３内に供給される混合気がリッ
チにされて流入排気ガスのリーンの空燃比がリッチにな
ると第４図に示されるように機関からは多量の未燃HC,C
Oが排出され、これら未燃HC,COは白金Pt上の酸素O2 -と
反応して酸化せしめられる。また、流入排気ガスの空燃
比がリッチになると流入排気ガス中の酸素濃度が極度に
低下するために吸収剤からNO2が放出され、このNO2は第
５図（Ｂ）に示されるように未燃HC,COと反応して還元
せしめられる。このようにして白金Ptの表面上にNO2が
存在しなくなると吸収剤から次から次へとNO2が放出さ
れる。従って流入排気ガスの空燃比をリッチにすると短
時間のうちにNOx吸収剤19からNOxが放出されることにな
る。
即ち、流入排気ガスの空燃比をリッチにするとまず初
めに未燃HC,COが白金Pt上のO2 -とただちに反応して酸化
せしめられ、次いで白金Pt上のO2 -が消費されてもまだ
未燃HC,COが残っていればこの未燃HC,COによって吸収剤
から放出されたNOxおよび機関から排出されたNOxが還元
せしめられる。従って流入排気ガスの空燃比をリッチに
すれば短時間のうちにNOx吸収剤19に吸収されているNOx
が放出され、しかもこの放出されたNOxが還元されるた
めに大気中にNOxが排出されるのを阻止することができ
ることになる。また、NOx吸収剤19は還元触媒の機能を
有しているので流入排気ガスの空燃比を理論空燃比にし
てもNOx吸収剤19から放出されたNOxが還元せしめられ
る。しかしながら流入排気ガスの空燃比を理論空燃比に
した場合にはNOx吸収剤19からNOxが徐々にしか放出され
ないためにNOx吸収剤19に吸収されている全NOxを放出さ
せるには若干長い時間を要する。
ところで前述したように流入排気ガスの空燃比のリー
ンの度合を低くすればたとえ流入排気ガスの空燃比がリ
ーンであってもNOx吸収剤19からNOxが放出される。従っ
てNOx吸収剤19からNOxを放出させるには流入排気ガス中
の酸素濃度を低下させればよいことになる。ただし、NO
x吸収剤19からNOxが放出されても流入排気ガスの空燃比
がリーンであるとNOx吸収剤19においてNOxが還元され
ず、従ってこの場合にはNOx吸収剤19の下流にNOxを還元
しうる触媒を設けるか、或いはNOx吸収剤19の下流に還
元剤を供給する必要がある。むろんこのようにNOx吸収
剤19の下流においてNOxを還元することは可能であるが
それよりもむしろNOx吸収剤19においてNOxを還元する方
が好ましい。従って本発明による実施例ではNOx吸収剤1
9からNOxを放出すべきときには流入排気ガスの空燃比が
理論空燃比或いはリッチにされ、それによってNOx吸収
剤19から放出されたNOxをNOx吸収剤19において還元する
ようにしている。
第６図の破線は流入排気ガスの空燃比がリーンである
ときにNOx吸収剤19に吸収されるNOxの吸収率Ｒを示して
いる。なお、横軸ＴはNOx吸収剤19の温度を示してお
り、実際にはこのNOx吸収剤19の温度ＴはNOx吸収剤19に
流入する排気ガス温にほぼ等しくなる。第６図の破線か
らわかるようにNOx吸収剤19の温度がほぼ200℃よりも低
くなるとNOxの酸化作用（2NO＋O2→２NO2）が弱まるた
めにNOx吸収率Ｒが低下する。一方、NOx吸収剤19の温度
Ｔがほぼ500℃よりも高くなるとNOx吸収剤19に吸収され
ているNOxが分解してNOx吸収剤19から自然放出されるた
めにNOx吸収率Ｒは低下する。従ってNOxはNOx吸収剤19
の温度Ｔが一定温度範囲（ほぼ200℃＜Ｔ＜ほぼ500℃）
内にあるときにNOx吸収剤19に良好に吸収されることに
なる。
ところが実際には機関始動直後はもとより暖機完了後
であっても機関負荷が小さくなると排気ガス温がかなり
低くなり、その結果NOx吸収剤19が200℃よりもかなり低
くなる場合がある。このようにNOx吸収剤19の温度が200
℃よりもかなり低くなると第６図において破線で示され
るようにNOx吸収剤19がNOxを吸収しなくなるのでNOxが
放出されることになる。
ところでNOx吸収剤19の温度が200℃よりも低くなった
ときにNOx吸収剤19がNOxを吸収しなくなるのはNO2 -が吸
収剤内に拡散しなくなるのではなくて上述したように白
金Ptによる酸化作用（2NO＋O2→２NO2）が弱まるからで
ある。言い換えるとNOx吸収剤19の温度が200℃より低く
なってもNOxが酸化されればNOxはNO3 -の形で吸収剤内に
拡散され、従ってNOx吸収剤19の温度が200℃よりも低く
なったときにNOxをNOx吸収剤19に吸収させるためにはNO
xの酸化作用（2NO＋O2→２NO2）を促進してやればよい
ことになる。そのために本発明による実施例ではNOx吸
収剤19の上流にNOx酸化剤18が設けられている。
このNOx酸化剤18は例えばアルミナを担体としてこの
担体上に白金Pt、パラジウムPd、セリアCeO2、ランタン
コバルトペロブスカイトLaCoO3又は五酸化バナジウムV2
O5から選ばれた少なくとも一つを担体させた触媒からな
り、このNOx酸化剤18はNOx酸化剤18の温度が100℃から2
50℃の範囲内でNOxを酸化させることができる。従って
このNOx酸化剤18をNOx吸収剤19の上流に配置すると排気
ガス温が低くなってNOx吸収剤19の温度が200℃以下にな
ってもNOx酸化剤18によりNOxの酸化作用2NO＋O2→２N
O2）が行われるためにNOxがNOx吸収剤19に良好に吸収さ
れることになる。従って第６図において破線で示される
ようにNOx吸収剤19によりNOxを吸収しうる温度範囲がほ
ぼ100°＜Ｔ＜ほぼ500℃まで広がり、斯くして機関の始
動直後を除く機関の全運転領域においてNOxをNOx吸収剤
19に吸収できることになる。
なお、NOx酸化剤18により酸化されたNO2をそのまま放
置しておくと比較的短時間のうちに再びNOxに戻ってし
まう。従ってNO2がNOxに戻る前にNO2をNOx吸収剤19に吸
収させるためにNOx酸化剤18はNOx吸収剤19に隣接して配
置されている。
第３図に示されるように本発明による実施例では暖機
運転時および全負荷運転時には燃焼室３内に供給される
混合気がリッチにされ、また加速運転時には混合気が理
論空燃比とされるがそれ以外の大部分の運転領域ではリ
ーン混合気ガ燃焼室３内において燃焼せしめられる。こ
の場合、燃焼室３内において燃焼せしめられる混合気の
空燃比はほぼ18.0以上であって第１図に示される実施例
では空燃比が20から24程度のリーン混合気の燃焼せしめ
られる。空燃比が18.0以上になると三元触媒がたとえリ
ーン空燃比の下で還元性を有していたとしてもNOxを十
分に還元することができず、従ってこのようなリーン空
燃比の下でNOxを還元するために三元触媒を用いること
はできない。また、空燃比が18.0以上であってもNOxを
還元しうる触媒としてはCu−ゼオライト触媒があるがこ
のCu−ゼオライト触媒は耐熱性に欠けるためにこのCu−
ゼオライト触媒を用いることは実際問題として好ましく
ない。従って結局、空燃比が18.0以上のときにNOxを浄
化するには本発明において使用されているNOx吸収剤19
を用いる以外には道はないことになる。
ところで本発明による実施例では上述したように全負
荷運転時には燃焼室３内に供給される混合気がリッチと
され、また加速運転時には混合気が理論空燃比とされる
ので全負荷運転時および加速運転時にNOx吸収剤19からN
Oxが放出されることになる、しかしながらこのような全
負荷運転或いは加速運転が行われる頻度が少なければ全
負荷運転時および加速運転時にのみNOx吸収剤19からNOx
が放出されたとしてもリーン混合気が燃焼せしめられて
いる間にNOx吸収剤19によるNOxの吸収能力が飽和してし
まい、斯くしてNOx吸収剤19によりNOxを吸収できなくな
ってしまう。従って本発明による実施例ではリーン混合
気が継続して燃焼せしめられているときには第７図
（Ａ）に示されるように流入排気ガスの空燃比を周期的
にリッチにするか、或いは第７図（Ｂ）に示されるよう
に流入排気ガスの空燃比が周期的に理論空燃比にされ
る。なお、この場合、第７図（Ｃ）に示されるように周
期的にリーンの度合を低下させるようにしてもよいがこ
の場合にはNOx吸収剤19においてNOxが還元されないため
に前述したようにNOx吸収剤19の下流においてNOxを還元
させなければならない。
第７図（Ａ）に示すように流入排気ガスの空燃比が周
期的にリッチにされる場合についてみるとリーン混合気
の燃焼が行われている時間t1に比べて流入排気ガスの空
燃比がリッチにされる時間t2は極めて短い。具体的に言
うと流入排気ガスの空燃比がリッチにされる時間t2はほ
ぼ10秒以内であるのに対してリーン混合気の燃焼が行わ
れている時間t1は10数分間から１時間以上の時間とな
る。即ち、言い換えるとt2はt1の50倍以上の長さとな
る。これは第７図（Ｂ）および（Ｃ）に示す場合でも同
様である。
ところでNOx吸収剤19からのNOxの放出作用は一定量の
NOxがNOx吸収剤19に吸収されたとき、例えばNOx吸収剤1
9の吸収能力の50％NOxを吸収したときに行われる。NOx
吸収剤19に吸収されるNOxの量は機関から排出される排
気ガスの量と排気ガス中のNOx濃度に比例しており、こ
の場合排気ガス量は吸入空気量に比例し、排気ガス中の
NOx濃度は機関負荷に比例するのでNOx吸収剤19に吸収さ
れるNOx量は正確には吸入空気量と機関負荷に比例する
ことになる。従ってNOx吸収剤19に吸収されているNOxの
量は吸入空気量と機関負荷の積の累積値から推定するこ
とができるが本発明による実施例では単純化して機関回
転数の累積値からNOx吸収剤19に吸収されているNOx量を
推定するようにしている。
次に第８図を参照して本発明によるNOx吸収剤19の吸
放出制御の一実施例について説明する。
第８図は一定時間毎に実行される割込みルーチンを示
している。
第８図を参照するとまず初めにステップ100において
基本燃料噴射時間TPに対する補正係数Ｋが1.0よりも小
さいか否か、即ちリーン混合気が燃焼せしめられている
か否かが判別される。Ｋ＜1.0のとき、即ちリーン混合
気が燃焼せしめられているときにはステップ101に進ん
で現在の機関回転数NEにΣNEを加算した結果がΣNEとれ
る。従ってこのΣNEは機関回転数NEの累積値を示してい
る。次いでステップ102では累積回転数ΣNEが一定値SNE
よりも大きいか否かが判別される。この一定値SNEはNOx
吸収剤19にそのNOx吸収能力の例えば50％のNOx量が吸収
されたと推定される累積回転数を示している。ΣNE≦SN
Eのときには処理サイクルを完了し、ΣNE＞SNEのとき、
即ちNOx吸収剤19にそのNOx吸収能力の50％のNOx量が吸
収されたと推定されたときにはステップ103に進んでNOx
放出フラグがセットされる。NOx放出フラグがセットさ
れると後述するように機関シリンダ内に供給される混合
気がリッチにせしめられる。
次いでステップ104ではカウント値Ｃが１だけインク
リメントされる。次いでステップ105ではカウント値Ｃ
が一定値C0よりも大きくなったか否か、即ち例えば５秒
間経過したか否かが判別される。Ｃ≦C0のときには処理
ルーチンを完了し、Ｃ＞C0になるとステップ106に進ん
でNOx放出フラグがリセットされる。NOx放出フラグがリ
セットされると後述するように機関シリンダ内に供給さ
れる混合気がリッチからリーンに切換えられ、斯くして
機関シリンダ内に供給される混合気は５秒間リッチにさ
れることになる。次いでステップ107において累積回転
数ΣNEおよびカウント値Ｃが零とされる。
一方、ステップ100においてＫ≧1.0と判断されたと
き、即ち機関シリンダ内に供給される混合気の空燃比が
理論空燃比又はリッチのときにはステップ108に進んで
Ｋ≧1.0の状態が一定時間、例えば10秒間継続したか否
かが判別される。Ｋ≧1.0の状態が一定時間継続しなか
ったときには処理サイクルを完了し、Ｋ≧1.0の状態が
一定時間継続したときはステップ109に進んで累積回転
数ΣNEが零とされる。
即ち、機関シリンダ内に供給される混合気が理論空燃
比又はリッチとされている時間が10秒程度継続すればNO
x吸収剤19に吸収されている大部分のNOxは放出したもの
と考えられ、従ってこの場合にはステップ109において
累積回転数ΣNEが零とされる。
第９図は燃料噴射時間TAUの算出ルーチンを示してお
り、このルーチンは繰返し実行される。
第９図は参照するとまず初めにステップ200において
第２図に示すマップから基本燃料噴射時間TPが算出され
る。次いでステップ201ではリーン混合気の燃焼を行う
べき運転状態であるか否かが判別される。リーン混合気
の燃焼を行うべき運転状態でないとき、即ち暖機運転
時、又は加速運転時又は全負荷運転時のときにはステッ
プ202に進んで補正係数Ｋが算出される。機関暖機運転
時にはこの補正係数Ｋは機関冷却水温の関数であり、Ｋ
≧1.0の範囲で機関冷却水温が高くなるほど小さくな
る。また、加速運転時には補正係数Ｋは1.0とされ、全
負荷運転時には補正係数Ｋは1.0よりも大きな値とされ
る。次いでステップ203では補正係数ＫがKtとされ、次
いでステップ204において燃料噴射時間TAU（＝TP・Kt）
が算出される。このときには機関シリンダ内に供給され
る混合気が理論空燃比又はリッチとされる。
一方、ステップ201においてリーン混合気の燃焼を行
うべき運転状態であると判別されたときにはステップ20
5に進んでNOx放出フラグがセットされているか否かが判
別される。NOx放出フラグがセットされていないときに
はステップ206に進んで補正係数Ｋが例えば0.6とされ、
次いでステップ207において補正係数ＫがKtとされた後
にステップ204に進む。従ってこのときには機関シリン
ダ内にリーン混合気が供給される。一方、ステップ205
においてNOx放出フラグがセットされたと判断されたと
きにはステップ208に進んで予め定められた値KKがKtと
され、次いでステップ204に進む。この値KKは機関シリ
ンダ内に供給される混合気の空燃比が12.0から13.5程度
となる1.1から1.2程度の値である。従ってこの時には機
関シリンダ内にリッチ混合気が供給され、それによって
NOx吸収剤19に吸収されているNOxが放出されることにな
る。なお、NOx放出時に混合気を理論空燃比にする場合
にはKKの値は1.0とされる。
第10図に別の実施例を示す。この実施例において第１
図に示す実施例と同一の構成要素は同一の符号で示す。
この実施例ではケーシング20の出口側が排気管22を介
して三元触媒23を内蔵した触媒コンバータ24に連結され
ている。この三元触媒23はよく知られているように空燃
比が理論空燃比付近に維持されているときにCO,HCおよ
びNOxに対して高い浄化効率を発揮するがこの三元触媒2
3は空燃比がある程度リッチになっているときでもNOxに
対して高い浄化効率を有する。第10図に示す実施例では
この特性を利用してNOxを浄化するためにNOx吸収剤19の
下流に三元触媒23を設けている。
即ち、前述したようにNOx吸収剤19からNOxを放出すべ
く機関シリンダ内に供給される混合気をリッチにすると
NOx吸収剤19に吸収されているNOxがNOx吸収剤19から急
激に放出される。このときNOxは放出時に還元されるが
全てのNOxが還元されない可能性がある。しかしながらN
Ox吸収剤19の下流に三元触媒23を配置しておくとNOx放
出時に還元されなかったNOxは三元触媒23により還元さ
れることになる。従ってNOx吸収剤19の下流に三元触媒2
3を配置することによってNOxの浄化性能を一層向上する
ことができることになる。
これまで述べた実施例ではNOx吸収剤としてアルカリ
金属、アルカリ土類、希土類から選ばれた少なくとも一
つの貴金属とをアルミナ上に担持したNOx吸収剤19が用
いられている。しかしながらこのようなNOx吸収剤19を
用いる代わりにアルカリ土類と銅の複合酸化物、即ちBa
−Cu−Ｏ系のNOx吸収剤を用いることもできる。このよ
うなアルカリ土類と銅の複合酸化物としては例えばMnO2
・BaCuO2を用いることができ、この場合、白金Pt或いは
セリウムCeを添加することもできる。
このBa−Cu−Ｏ系のNOx吸収剤では銅Cuがこれまで述
べたNOx吸収剤19の白金Ptと同様な触媒作用をなし、空
燃比がリーンのときには銅CuによりNOxが酸化されて（2
NO＋O2→２NO2）硝酸イオンNO3 -の形で吸収剤内に拡散
される。一方、空燃比をリッチにすれば同様に吸収剤か
らNOxが放出され、このNOxは銅Cuの触媒作用を触媒作用
によって還元せしめられる。しかしながら銅CuのNOx還
元力は白金PtのNOx還元力に比べて弱く、従ってBa−Cu
−Ｏ系の吸収剤を用いた場合にはこれまで述べたNOx吸
収剤19に比べてNOx放出時に還元されないNOx量が若干増
大する。従ってBa−Cu−Ｏ系の吸収剤を用いた場合には
第10図に示されるように吸収剤の下流に三元触媒32を配
置することが好ましい。
第11図は本発明をディーゼル機関に適用した場合を示
している。なお、第11図において第１図と同様な構成要
素は同一符号で示す。
ディーゼル機関では通常あらゆる運転状態において空
気過剰率が1.0以上、即ち燃焼室３内の混合気の平均空
燃比がリーンの状態で燃焼せしめられる。従ってこのと
き排出されるNOxはNOx吸収剤19に吸収される。一方、NO
x吸収剤19からNOxを放出すべきときにはNOx吸収剤19へ
の流入排気ガスの空燃比がリッチにされる。この場合、
第11図に示される実施例では燃焼室３内の混合気の平均
空燃比はリーンにおいてNOx吸収剤19上流の機関排気通
路内に炭化水素を供給することによりNOx吸収剤19への
流入排気ガスの空燃比がリッチにされる。
第11図を参照するとこの実施例ではアクセルペダル40
の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ
41が設けられ、この負荷センサ41の出力電圧はAD変換器
42を介して入力ポート35に入力される。また、この実施
例では排気管17内に還元剤供給弁25が配置され、この還
元剤供給弁25は供給ポンプ６を介して還元剤タンク27に
連結される。電子制御ユニット30の出力ポート36は夫々
駆動回路43,44を介して還元剤供給弁25および供給ポン
プ26に接続される。還元剤タンク27内にはガソリン、イ
ソオクタン、ヘキサン、ヘプタン、軽油、灯油のような
炭化水素、或いは液体の状態で保持しうるブタン。プロ
パンのような炭化水素が充填されている。
この実施例では通常燃焼室３内の混合気は空気過剰の
もとで、即ち平均空燃比ガリーンの状態で燃焼せしめら
れており、このとき機関から排出されたNOxはNOx吸収剤
19に吸収される。NOx吸収剤19からNOxを放出すべきとき
には供給ポンプ26が駆動されると共に還元剤供給弁25が
開弁せしめられ、それによって還元剤タンク27内に充填
されている炭化水素が還元剤供給弁25から排気管17に一
定時間、例えば５秒間から20秒間供給される。このとき
の炭化水素の供給量はNOx吸収剤19に流入する流入排気
ガスの空燃比がリッチとなるように定められており、従
ってこのときにNOx吸収剤19からNOxが放出されることに
なる。
第12図はこのNOx放出処理を実行するためのルーチン
を示しており、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。
第12図を参照するとまず始めにステップ300において
現在の機関回転数NEにΣNEを加算した結果がΣNEとされ
る。従ってこのΣNEは機関回転数NEの累積値を示してい
る。次いでステップ301では累積回転数ΣNEが一定値SNE
よりも大きいか否かが判別される。この一定値SNEはNOx
吸収剤19にそのNOx吸収能力の例えば50％のNOx量が吸収
されたと推定される累積回転数を示している。ΣNE≦SN
Eのときには処理サイクルを完了し、ΣNE＞SNEのとき、
即ちNOx吸収剤19にそのNOx吸収能力の50％のNOx量が吸
収されたと推定されたときにはステップ302に進んで供
給ポンプ26が一定時間、例えば５秒間から20秒間駆動さ
れる。次いでステップ303では還元剤供給弁25が一定時
間、例えば５秒間から20秒間開弁せしめられ、次いでス
テップ304において累積回転数ΣNEが零とされる。
いずれの実施例でもNOx吸収剤19の上流にNOx酸化剤18
が配置されており、従って排気ガス温が低くなる機関低
負荷運転時であってもNOxをNOx吸収剤19に良好に吸収す
ることができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０２Ｄ 41/14 ３１０ Ｆ０２Ｄ 41/14 ３１０Ｌ

Claims (28)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】流入する排気ガスの空燃比がリーンである
    ときにNOxを吸収し、流入する排気ガス中の酸素濃度を
    低下させると吸収したNOxを放出するNOx吸収剤を機関排
    気通路内に配置すると共にNOx吸収剤上流の機関排気通
    路内にNOxを酸化しうるNOx酸化剤を配置し、NOx吸収剤
    に流入する排気ガスがリーンのときにNOx吸収剤に吸収
    されたNOxをNOx吸収剤に流入する排気ガス中の酸素濃度
    が低下せしめられたときにNOx吸収剤から放出するよう
    にした内燃機関の排気浄化装置。
  2. 【請求項２】NOx吸収剤に流入する排気ガスを理論空燃
    比又はリッチにすることによってNOx吸収剤に吸収され
    ているNOxをNOx吸収剤から放出させるようにした請求項
    １に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 【請求項３】NOx吸収剤に流入する排気ガスの空燃比が
    リーンにされてNOx吸収剤にNOxが吸収せしめられている
    時間がNOx吸収剤からNOxを放出するためにNOx吸収剤に
    流入する排気ガス中の酸素濃度が低下せしめられる時間
    の50倍以上である請求項１に記載の内燃機関の排気浄化
    装置。
  4. 【請求項４】NOx吸収剤にNOxが吸収させているときにNO
    x吸収剤に流入する排気ガスの空燃比が18.0以上である
    請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  5. 【請求項５】上記NOx酸化剤はNOx吸収剤が単独でNOxを
    吸収しうるNOx吸収剤温度よりも低いNOx酸化剤温度でも
    ってNOxを酸化する請求項１に記載の内燃機関の排気浄
    化装置。
  6. 【請求項６】上記NOx酸化剤が白金、パラジウム、セリ
    ア、ランタンコバルトペロブスカイト、五酸化バナジウ
    ムから選ばれた少なくとも一つを含む請求項５に記載の
    内燃機関の排気浄化装置。
  7. 【請求項７】上記NOx酸化剤がNOx吸収剤に隣接配置され
    ている請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  8. 【請求項８】上記NOx酸化剤とNOx吸収剤が同一ケーシン
    グ内に配置されている請求項７に記載の内燃機関の排気
    浄化装置。
  9. 【請求項９】NOx吸収剤がカリウム、ナトリウム、リチ
    ウム、セシウムからなるアルカリ金属、バリウム、カリ
    シウムからなるアルカリ土類、ランタン、イットリウム
    からなる希土類から選ばれた少なくとも１つと、、白金
    とを含む請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  10. 【請求項１０】NOx吸収剤がバリウム、銅の複合酸化物
    からなる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  11. 【請求項１１】機関燃焼室内に形成される混合気の空燃
    比を制御する空燃比制御手段を具備し、該空燃比制御手
    段により機関燃焼室内内に形成される混合気の空燃比を
    制御することによってNOx吸収剤へのNOxの吸収およびNO
    x吸収剤からNOxの放出を制御するようにした請求項１に
    記載の内燃機関の排気浄化装置。
  12. 【請求項１２】上記空燃比制御手段はNOx吸収剤にNOxを
    吸収させるべきときには燃焼室内に形成される混合気の
    空燃比をリーンにし、NOx吸収剤からNOxを放出させるべ
    きときには燃焼室内に形成される混合気の空燃比を理論
    空燃比又はリッチにする請求項11に記載の内燃機関の排
    気浄化装置。
  13. 【請求項１３】内燃機関がガソリン機関からなり、上記
    空燃比制御手段は機関に供給される燃料量を制御してNO
    x吸収剤へのNOxの吸収およびNOx吸収剤からNOxの放出を
    制御する請求項12に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  14. 【請求項１４】上記空燃比制御手段はNOx吸収剤にNOxを
    吸収させるべきときには燃焼室内に形成される混合気の
    空燃比を18.0以上のほぼ一定のリーン空燃比に維持する
    請求項13に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  15. 【請求項１５】機関の運転状態に応じて定まる燃料量を
    予め記憶している記憶手段を具備し、上記空燃比制御手
    段は該記憶手段に記憶されている燃料量に基づいて機関
    に供給される燃料量を定める請求項13に記載の内燃機関
    の排気浄化装置。
  16. 【請求項１６】機関燃焼室から排出されてNOx吸収剤に
    流入する排気ガスの空燃比を機関排気通路内で制御する
    空燃比制御手段を具備し、該空燃比制御手段によりNOx
    吸収剤に流入する排気ガスの空燃比を制御することによ
    ってNOx吸収剤へのNOxの吸収およびNOx吸収剤からNOxの
    放出を制御するようにした請求項１に記載の内燃機関の
    排気浄化装置。
  17. 【請求項１７】上記空燃比制御手段はNOx吸収剤にNOxを
    吸収させるべきときにはNOx吸収剤に流入する排気ガス
    の空燃比をリーンにし、NOx吸収剤からNOxを放出させる
    べきときにはNOx吸収剤に流入する排気ガスの空燃比を
    理論空燃比又はリッチにする請求項16に記載の内燃機関
    の排気浄化装置。
  18. 【請求項１８】上記空燃比制御手段はNOx吸収剤からNOx
    を放出させるべきときに機関排気通路内に還元剤を供給
    する請求項17に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  19. 【請求項１９】上記還元剤が炭化水素からなる請求項18
    に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  20. 【請求項２０】上記炭化水素がガソリン、イソオクタ
    ン、ヘキサン、ヘプタン、軽油、灯油、ブタン、プロパ
    ンから選ばれた少なくとも一つからなる請求項19に記載
    の内燃機関の排気浄化装置。
  21. 【請求項２１】NOx吸収剤に流入する排気ガスの空燃比
    がリーンにされてNOx吸収剤にNOxが吸収せしめられてい
    る期間が予め定められた第１の設定期間を越えたときに
    NOx吸収剤からNOxを放出すべく予め定められた第２の設
    定期間だけNOx吸収剤に流入する排気ガス中の酸素濃度
    を低下せしめるNOx放出制御手段を具備した請求項１に
    記載の内燃機関の排気浄化装置。
  22. 【請求項２２】上記NOx放出制御手段はNOx吸収剤からNO
    xを放出すべきときにNOx吸収剤に流入する排気ガスの空
    燃比を理論空燃比又はリッチにする請求項21に記載の内
    燃機関の排気浄化装置。
  23. 【請求項２３】上記NOx放出制御手段がNOx吸収剤に吸収
    されたNOx量を推定するNOx量推定手段を具備し、該NOx
    放出制御手段は該NOx量推定手段により推定されたNOx量
    が予め定められた推定量を越えたときに上記第１の設定
    期間が経過したと判断する請求項21に記載の内燃機関の
    排気浄化装置。
  24. 【請求項２４】上記NOx量推定手段は機関回転数の累積
    値が予め定められた設定値を越えたときにNOx吸収剤に
    吸収されたNOx量が上記設定量を越えたと判断する請求
    項23に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  25. 【請求項２５】上記NOx量推定手段は機関燃焼室内に形
    成される混合気の空燃比が一定時間以上理論空燃比又は
    リッチに維持されたときにはNOx吸収剤に吸収されてい
    るほぼ全部のNOxが放出されたと判断する請求項23に記
    載の内燃機関の排気浄化装置。
  26. 【請求項２６】上記第２の設定期間がほぼ20秒以下であ
    る請求項21に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  27. 【請求項２７】NOx吸収剤下流の機関排気通路内に少な
    くともNOxを還元しうる触媒を配置した請求項１に記載
    の内燃機関の排気浄化装置。
  28. 【請求項２８】上記触媒が三元触媒からなる請求項27に
    記載の内燃機関の排気浄化装置。
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