JP2605559B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は内燃機関の排気浄化装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】リーン混合気を燃焼せしめるようにした
内燃機関において、流入排気ガスの空燃比がリーンのと
きにはＮＯ_x 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ＮＯ_x を放出するＮＯ_x 吸収剤を機関
排気通路内に配置し、リーン混合気を燃焼せしめた際に
発生するＮＯ_x をＮＯ_x 吸収剤により吸収し、ＮＯ_x 吸
収剤のＮＯ_x 吸収能力が飽和する前にＮＯ_x 吸収剤への
流入排気ガスの空燃比を一時的にリッチにしてＮＯ_x 吸
収剤からＮＯ_x を放出させると共に放出されたＮＯ_x を
還元するようにした内燃機関が本出願人により既に提案
されている。

【０００３】ところが燃料および機関の潤滑油内にはイ
オウが含まれているので排気ガス中にはＳＯ_x が含まれ
ており、従ってこの内燃機関ではこのＳＯ_x もＮＯ_x と
共にＮＯ_x 吸収剤に吸収される。しかしながらこのＳＯ
_x はＮＯ_x 吸収剤への流入排気ガスの空燃比をリッチに
してもＮＯ_x 吸収剤から放出されず、従ってＮＯ_x 吸収
剤内のＳＯ_x の量は次第に増大することになる。ところ
がＮＯ_x 吸収剤内のＳＯ_x の量が増大するとＮＯ_x 吸収
剤が吸収しうるＮＯ_x の量が次第に低下し、ついにはＮ
Ｏ_x 吸収剤がＮＯ_x をほとんど吸収できなくなってしま
う。そこでＮＯ _x 吸収剤上流の機関排気通路内にイオウ
捕獲装置を設け、このイオウ捕獲装置によって排気ガス
中に含まれるＳＯ_x を捕獲するようにした内燃機関が本
出願人により既に提案されている（特願平４−２０８０
９０号参照）。この内燃機関では機関から排出されたＳ
Ｏ_x がイオウ捕獲装置により捕獲されるのでＮＯ_x 吸収
剤にはＮＯ_x のみが吸収されることになる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこの内燃
機関ではイオウ捕獲装置により捕獲されたＳＯ_x はイオ
ウ捕獲装置に流入する排気ガスの空燃比をリッチにして
もイオウ捕獲装置から放出されることなくイオウ捕獲装
置内に捕獲され続ける。従ってイオウ捕獲装置によるＳ
Ｏ_x 捕獲量は次第に増大し、イオウ捕獲装置のＳＯ_x 捕
獲能力が飽和するとＳＯ_x がイオウ捕獲装置を素通りし
てしまうためにＳＯ_x がＮＯ_x 吸収剤に吸収されてＮＯ
_x 吸収剤内に次第に蓄積するという問題が生ずる。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明によれば上記問題
点を解決するために、流入する排気ガスの空燃比がリー
ンであるときにＮＯ_x 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ＮＯ_x を放出するＮＯ
_x 吸収剤を機関排気通路内に配置すると共に、流入する
排気ガスの空燃比がリーンであるときにＳＯ_x を吸収
し、流入する排気ガスの空燃比がリッチになると吸収し
たＳＯ_x を放出するＳＯ_x 吸収剤をＮＯ_x吸収剤上流の
機関排気通路内に配置し、ＳＯ _x 吸収剤に流入する排気
ガスの空燃比を制御して通常はＳＯ _x 吸収剤に流入する
排気ガスの空燃比をリーンに維持し、ＳＯ _x 吸収剤から
ＳＯ _x を放出すべきときにはＳＯ _x 吸収剤に流入する排
気ガスの空燃比をリッチにする空燃比制御手段とを具備
している。

【０００６】

【作用】ＳＯ _x 吸収剤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のＳＯ_x がＳＯ_x 吸収剤に吸
収されるのでＳＯ_x 吸収剤の下流に配置されたＮＯ_x 吸
収剤にはＮＯ_x のみが吸収される。一方、ＳＯ_x 吸収剤
に流入する排気ガスの空燃比がリッチになるとＳＯ_x 吸
収剤からＳＯ_x が放出され、ＮＯ_x 吸収剤からＮＯ_x が
放出される。

【０００７】

【実施例】図１は本発明をガソリン機関に適用した場合
を示している。図１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１
０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ＳＯ_x 吸収剤１８およびＮＯ_x 吸収剤１９を内蔵した
ケーシング２０に接続される。ＳＯ_x 吸収剤１８はＮＯ
_x 吸収剤１９の上流に配置されており、図１に示す実施
例ではＳＯ _x 吸収剤１８およびＮＯ_x 吸収剤１９が例え
ばアルミナからなる一つのモノリス型担体を用いて一体
的に形成されている。

【０００８】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。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３
５には機関回転数を表わす出力パルスを発生する回転数
センサ２１が接続される。一方、出力ポート３６は対応
する駆動回路３８を介して夫々点火栓４および燃料噴射
弁１１に接続される。

【０００９】図１に示す内燃機関では例えば次式に基い
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
関数として図２に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３
２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。

【００１０】この補正係数Ｋは機関の運転状態に応じて
制御され、図３はこの補正係数Ｋの制御の一実施例を示
している。図３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、暖機が完了すると補正係数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。図３からわかるように図３に示
される実施例では暖機運転時、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。

【００１１】図４は燃焼室３から排出される排気ガス中
の代表的な成分の濃度を概略的に示している。図４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然
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。

【００１２】ケーシング２０内に収容されているＮＯ_x
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、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。なお、このＮＯ_x 吸収
剤１９にはリチウムＬｉを添加することが好ましい。機
関吸気通路およびＮＯ_x 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ＮＯ_x 吸
収剤１９への流入排気ガスの空燃比と称するとこのＮＯ
_x 吸収剤１９は流入排気ガスの空燃比がリーンのときに
はＮＯ_x 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ＮＯ_x を放出するＮＯ_x の吸放出作用を行
う。なお、ＮＯ_x 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ＮＯ_x 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ＮＯ_x 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ＮＯ_x を放出することに
なる。

【００１３】上述のＮＯ_x 吸収剤１９を機関排気通路内
に配置すればこのＮＯ_x 吸収剤１９は実際にＮＯ_x 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
放出作用は図５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。

【００１４】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、図５
（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Ｎ
Ｏ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と結合しながら図５（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ＮＯ_x がＮＯ_x 吸収剤１９内に吸収
される。

【００１５】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ＮＯ_x 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ＮＯ_x 吸収剤１８からＮＯ_x が放出されることにな
る。図４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ＮＯ_x 吸収剤１９
からＮＯ _x が放出されることになる。

【００１６】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空燃比がリッチに
なると図４に示されるように機関からは多量の未然Ｈ
Ｃ，ＣＯが排出され、これら未然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 は図５（Ｂ）に示されるように未然
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ＮＯ_x 吸
収剤１９からＮＯ_x が放出されることになる。

【００１７】即ち、流入排気ガスの空燃比をリッチにす
るとまず初めに未然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、ついで白金Ｐｔ上の
Ｏ₂ ^- が消費されてもまだ未然ＨＣ，ＣＯが残っていれ
ばこの未然ＨＣ，ＣＯによって吸収剤から放出されたＮ
Ｏ_x および機関から排出されたＮＯ_x 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ＮＯ_x 吸収剤１９に吸収されているＮＯ_x が
放出され、しかもこの放出されたＮＯ_x が還元されるた
めに大気中にＮＯ_x 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、ＮＯ_x 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ＮＯ_x 吸収剤１９から放出されたＮＯ_x 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ＮＯ_x吸収剤１９からＮＯ_x
が徐々にしか放出されないためにＮＯ_x 吸収剤１９に吸
収されている全ＮＯ_x を放出させるには若干長い時間を
要する。

【００１８】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ＮＯ_x 吸収剤１９からＮＯ_x
が放出される。従ってＮＯ_x 吸収剤１９からＮＯ_x 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ＮＯ _x
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
ＮＯ_x 吸収剤１９においてＮＯ_x が還元されず、従って
この場合にはＮＯ_x 吸収剤１９の下流にＮＯ_xを還元し
うる触媒を設けるか、或いはＮＯ_x 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ＮＯ_x
吸収剤１９の下流においてＮＯ_x を還元することは可能
であるがそれよりもむしろＮＯ_x 吸収剤１９においてＮ
Ｏ_x 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ＮＯ_x 吸収剤１９からＮＯ _x 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ＮＯ_x 吸収剤１９から放出されたＮＯ
_x をＮＯ_x 吸収剤１９において還元するようにしてい
る。

【００１９】図３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が燃焼室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以上であって図１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
気が燃焼せしめられる。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ＮＯ _x 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ＮＯ_x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１
８．０以上であってもＮＯ_x を還元しうる触媒としてＣ
ｕ−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ＮＯ_x を浄化するには本
発明において使用されているＮＯ_x 吸収剤１９を用いる
以外には道がないことになる。

【００２０】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ＮＯ_x
吸収剤１９からＮＯ_x 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
ＮＯ_x 吸収剤１９からＮＯ_x 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ＮＯ_x 吸収剤１９
によるＮＯ_x の吸収能力が飽和してしまい、斯くしてＮ
Ｏ_x 吸収剤１９によりＮＯ_x 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図６（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、或いは図６（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、図６（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ＮＯ_x 吸
収剤１９においてＮＯ_x が還元されないために前述した
ようにＮＯ_x 吸収剤１９の下流においてＮＯ_x を還元さ
せなければならない。

【００２１】図６（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 は極めて短か
い。具体的に云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、云い換えるとｔ₂ はｔ
₁ の５０倍以上の長さとなる。これは図６（Ｂ）および
（Ｃ）に示す場合でも同様である。

【００２２】ところで排気ガス中にはＳＯ_x が含まれて
おり、ＮＯ_x 吸収剤１９にはＮＯ_xばかりでなくＳＯ_x
も吸収される。このＮＯ_x 吸収剤１９へのＳＯ_x の吸収
メカニズムはＮＯ_x の吸収メカニズムと同じであると考
えられる。即ち、ＮＯ_x の吸収メカニズムを説明したと
きと同様に担体上に白金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と、前述したように流
入排気ガスの空燃比がリーンのときには酸素Ｏ₂ がＯ₂
^- の形で白金Ｐｔの表面に付着しており、流入排気ガス
中のＳＯ₂ は白金Ｐｔの表面でＯ₂ ^- と反応してＳＯ₃
となる。次いで生成されたＳＯ₃ の一部は白金Ｐｔ上で
更に酸化されつつ吸収剤内に吸収されて酸化バリウムＢ
ａＯと結合しながら、硫酸イオンＳＯ₄ ^2- の形で吸収剤
内に拡散し、安定した硫酸塩ＢａＳＯ₄ を生成する。

【００２３】しかしながらこの硫酸塩ＢａＳＯ₄ は安定
していて分解しずらく、流入排気ガスの空燃比をリッチ
にしても硫酸塩ＢａＳＯ₄ は分解されずにそのまま残
る。従ってＮＯ_x 吸収剤１９内には時間が経過するにつ
れて硫酸塩ＢａＳＯ₄ が増大することになり、斯くして
時間が経過するにつれてＮＯ_x 吸収剤１９が吸収しうる
ＮＯ_x 量が低下することになる。

【００２４】そこで本発明ではＮＯ_x 吸収剤１９にＳＯ
_x が流入しないように流入する排気ガスの空燃比がリー
ンであるときにＳＯ_x 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ＳＯ_x を放出するＳＯ
_x 吸収剤１８をＮＯ_x 吸収剤１９の上流に配置してい
る。このＳＯ_x 吸収剤１８はＳＯ_x 吸収剤１８に流入す
る排気ガスの空燃比がリーンのときにはＳＯ_x と共にＮ
Ｏ_x も吸収するがＳＯ_x吸収剤１８に流入する排気ガス
中の酸素濃度を低下させると吸収したＮＯ_x ばかりでな
く吸収したＳＯ_x も放出する。

【００２５】上述したようにＮＯ_x 吸収剤１９ではＳＯ
_x が吸収されると安定した硫酸塩ＢａＳＯ₄ が形成さ
れ、その結果ＮＯ_x 吸収剤１９に流入する排気ガスの空
燃比をリッチにしてもＳＯ_x がＮＯ_x 吸収剤１９から放
出されなくなる。従ってＳＯ_x吸収剤１８に流入する排
気ガスの空燃比をリッチにしたときにＳＯ_x 吸収剤１８
からＳＯ_x が放出されるようにするためには吸収したＳ
Ｏ_x が硫酸イオンＳＯ₄ ^{2 -} の形で吸収剤内に存在するよ
うにするか、或いは硫酸塩ＢａＳＯ₄ が生成されたとし
ても硫酸塩ＢａＳＯ₄ が安定しない状態で吸収剤内に存
在するようにすることが必要となる。これを可能とする
ＳＯ_x 吸収剤１８としてはアルミナからなる担体上に鉄
Ｆｅ、マンガンＭｎ、ニッケルＮｉ、錫Ｓｎのような遷
移金属およびリチウムＬｉから選ばれた少くとも一つを
担持した吸収剤を用いることができる。この場合、アル
ミナからなる担体上にリチウムＬｉを担持させた吸収剤
が最も好ましいことが判明している。

【００２６】このＳＯ_x 吸収剤１８ではＳＯ_x 吸収剤１
８に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガ
ス中に含まれるＳＯ₂ が吸収剤の表面で酸化されつつ硫
酸イオンＳＯ₄ ^2- の形で吸収剤内に吸収され、次いで吸
収剤内に拡散される。この場合、ＳＯ_x 吸収剤１８の担
体上に白金Ｐｔを担持させておくとＳＯ₂ がＳＯ₃ ^2-の
形で白金Ｐｔ上にくっつきやすくなり、斯くしてＳＯ₂
は硫酸イオンＳＯ₄ ^2-の形で吸収剤内に吸収されやくす
なる。従ってＳＯ₂ の吸収を促進するためにはＳＯ_x 吸
収剤１８の担体上に白金Ｐｔを担持させることが好まし
い。上述したようにＳＯ_x 吸収剤１８に流入する排気ガ
スの空燃比がリーンになるとＳＯ_x がＳＯ_x 吸収剤１８
に吸収され、従ってＳＯ_x 吸収剤１８の下流に設けられ
たＮＯ_x吸収剤１９にはＮＯ_x のみが吸収されることに
なる。

【００２７】一方、前述したようにＳＯ_x 吸収剤１８に
吸収されたＳＯ_x は硫酸イオンＳＯ ₄ ^2- の形で吸収剤内
に拡散しているか、或いは不安定な状態で硫酸塩ＢａＳ
Ｏ₄となっている。従ってＳＯ_x 吸収剤１８に流入する
排気ガスの空燃比がリッチ又は理論空燃比になるとＳＯ
_x 吸収剤１８に吸収されているＳＯ_x がＳＯ_x 吸収剤１
８から放出されることになる。このとき同時にＮＯ_x 吸
収剤１９からＮＯ_x が放出される。なお、ＳＯ_x 吸収剤
１８から放出されたＳＯ_x はＮＯ_x 吸収剤１９内を通過
するがこのときＮＯ_x 吸収剤１９に流入する排気ガスは
リッチ又は理論空燃比となっているのでＳＯ_x がＮＯ_x
吸収剤１９に吸収される危険性はない。

【００２８】ところでＳＯ_x 吸収剤１８からのＳＯ_x の
放出作用およびＮＯ_x 吸収剤１９からのＮＯ_x の放出作
用は一定量のＮＯ_x がＮＯ_x 吸収剤１９に吸収されたと
き、例えばＮＯ_x 吸収剤１９の吸収能力の５０％ＮＯ_x
を吸収したときに行われる。ＮＯ_x 吸収剤１９に吸収さ
れるＮＯ_x 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ＮＯ_x 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ＮＯ_x 濃度は
機関負荷に比例するのでＮＯ_x 吸収剤１９に吸収される
ＮＯ_x 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ＮＯ_x 吸収剤１９に吸収されているＮ
Ｏ_x 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ＮＯ_x 吸収剤１９に吸収されて
いるＮＯ_x 量を推定するようにしている。

【００２９】次に図７および図８を参照して本発明によ
るＮＯ_x 吸収剤１９の吸放出制御の一実施例について説
明する。図７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。図７を参照するとまず初めにステップ１
００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１
０２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ＮＯ_x 吸収剤
１９にそのＮＯ_x吸収能力の例えば５０％のＮＯ_x 量が
吸収されていると推定される累積回転数を示している。
ΣＮＥ≦ＳＮＥのときには処理サイクルを完了し、ΣＮ
Ｅ＞ＳＮＥのとき、即ちＮＯ_x 吸収剤１９にそのＮＯ_x
吸収能力の５０％のＮＯ_x 量が吸収されていると推定さ
れたときにはステップ１０３に進んでＮＯ_x 放出フラグ
がセットされる。ＮＯ_x 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。

【００３０】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ＮＯ_x 放出フラグがリセッ
トされる。ＮＯ_x 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。

【００３１】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てい
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に
はステップ１０９に進んで累積回転数ΣＮＥが零とされ
る。

【００３２】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ＳＯ_x 吸収剤１８に吸収されている大部分の
ＳＯ _x が放出すると共にＮＯ_x 吸収剤１９に吸収されて
いる大部分のＮＯ_x 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。

【００３３】図８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。図８
を参照するとまず初めにステップ２００において図２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２０
２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ＴＡ
Ｕ（＝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。

【００３４】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２０５に進んでＮＯ_x 放出フラグがセットさ
れているか否かが判別される。ＮＯ_x 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ＮＯ_x 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
のとき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ＳＯ_x 吸収剤１８に吸収されているＳＯ_x
が放出されると共にＮＯ_x 吸収剤１９に吸収されている
ＮＯ_x が放出されることになる。なお、ＮＯ_x 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。

【００３５】図９に別の実施例を示す。この実施例にお
いて図１に示す実施例と同一の構成要素は同一の符号で
示す。図９に示されるようにこの実施例では排気マニホ
ルド１６がＳＯ_x 吸収剤４０を内蔵したケーシング４１
入口部に連結され、ケーシング４０出口部は排気管４２
を介してＮＯ_x 吸収剤４３を内蔵したケーシング４４の
入口部に連結される。この実施例においても燃焼室３内
においてリーン混合気が燃焼せしめられているときには
ＳＯ_x 吸収剤４０にＳＯ_x が吸収されると共にＮＯ_x 吸
収剤４３にＮＯ _x が吸収される。一方、燃焼室３内に供
給される混合気がリッチ又は理論空燃比にされるとＳＯ
_x 吸収剤４０からＳＯ_x が放出され、ＮＯ_x 吸収剤４３
からＮＯ _x が放出される。

【００３６】図１０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、図１０において図１と同様
な構成要素は同一の符号で示す。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ＳＯ_x は
ＳＯ_x 吸収剤１８に吸収され、このとき排出されるＮＯ
_x はＮＯ_x 吸収剤１９に吸収される。一方、ＳＯ_x 吸収
剤１８からＳＯ_xを放出すると共にＮＯ_x 吸収剤１９か
らＮＯ_x を放出すべきときにはＳＯ_x 吸収剤１８および
ＮＯ_x 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、図１０に示す実施例では燃焼室３内
の混合気の平均空燃比はリーンにしておいてＳＯ_x 吸収
剤１８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ＳＯ_x 吸収剤１８およびＮＯ_x 吸収剤１９への流
入排気ガスの空燃比がリッチにされる。

【００３７】図１０を参照するとこの実施例ではアクセ
ルペダル５０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５１が設けられ、この負荷センサ５１の出
力電圧はＡＤ変換器５２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６０が配置され、この還元剤供給弁６０は供給ポン
プ６１を介して還元剤タンク６２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３８を
介して還元剤供給弁６０および供給ポンプ６１に接続さ
れる。還元剤タンク６２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存しうるブタン、プロパンの
ような炭化水素が充填されている。

【００３８】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、即ち平均空燃比がリーンの状態で燃
焼せしめられており、このとき機関から排出されたＳＯ
_x がＳＯ_x 吸収剤１８に吸収されると共に機関から排出
されたＮＯ_x がＮＯ_x 吸収剤１９に吸収される。ＳＯ_x
吸収剤１８からＳＯ_x を放出すると共にＮＯ_x 吸収剤１
９からＮＯ_x を放出すべきときには供給ポンプ６１が駆
動されると共に還元剤供給弁６０が開弁せしめられ、そ
れによって還元剤タンク６２内に充填されている炭化水
素が還元剤供給弁６０から排気管１７に一定時間、例え
ば５秒間から２０秒間程度供給される。このときの炭化
水素の供給量はＳＯ_x 吸収剤１８およびＮＯ_x 吸収剤１
９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ＳＯ_x 吸収剤１８
からＳＯ_x が放出され、ＮＯ_x 吸収剤１９からＮＯ_x が
放出されることになる。

【００３９】図１１はこのＮＯ_x 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。図１１を参照するとまず
初めにステップ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Σ
ＮＥ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ＮＯ
_x 吸収剤１９にそのＮＯ_x 吸収能力の例えば５０％のＮ
Ｏ_x 量が吸収されていると推定される累積回転数を示し
ている。ΣＮＥ≦ＳＮＥのときには処理サイクルを完了
し、ΣＮＥ＞ＳＮＥのとき、即ちＮＯ_x 吸収剤１９にそ
のＮＯ_x 吸収能力の５０％のＮＯ _x 量が吸収されている
と推定されたときにはステップ３０２に進んで供給ポン
プ６１が一定時間、例えば５秒間から２０秒間程度駆動
される。次いでステップ３０３では還元剤供給弁６０が
一定時間、例えば５秒間から２０秒間程度開弁せしめら
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。

【００４０】

【発明の効果】ＮＯ_x 吸収剤を長時間使用してもＮＯ_x
吸収剤の高いＮＯ_x 吸収能力を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】内燃機関の全体図である。

【図２】基本燃料噴射時間のマップを示す図である。

【図３】補正係数Ｋの変化を示す図である。

【図４】機関から排出される排気ガス中の未然ＨＣ，Ｃ
Ｏおよび酸素の濃度を概略的に示す線図である。

【図５】ＮＯ_x の吸放出作用を説明するための図であ
る。

【図６】ＮＯ_x 放出タイミングを示す図である。

【図７】割込みルーチンを示すフローチャートである。

【図８】燃料噴射時間ＴＡＵを算出するためのフローチ
ャートである。

【図９】内燃機関の別の実施例を示す全体図である。

【図１０】内燃機関の更に別の実施例を示す全体図であ
る。

【図１１】ＮＯ_x 放出処理を行うためのフローチャート
である。

【符号の説明】

１６…排気マニホルド １８，４０…ＳＯ_x 吸収剤 １９，４３…ＮＯ_x 吸収剤

フロントページの続き (72)発明者 井口 哲 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自 動車株式会社内 (56)参考文献 特開 昭64−30643（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−149715（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−1617（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

(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ＮＯ_x 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ＮＯ_x を放出するＮＯ_x 吸収
   剤を機関排気通路内に配置すると共に、流入する排気ガ
   スの空燃比がリーンであるときにＳＯ_x を吸収し、流入
   する排気ガスの空燃比がリッチになると吸収したＳＯ_x
   を放出するＳＯ_x 吸収剤をＮＯ_x 吸収剤上流の機関排気
   通路内に配置し、該ＳＯ _x 吸収剤に流入する排気ガスの
   空燃比を制御して通常は該ＳＯ _x 吸収剤に流入する排気
   ガスの空燃比をリーンに維持し、該ＳＯ _x 吸収剤からＳ
   Ｏ _x を放出すべきときには該ＳＯ _x 吸収剤に流入する排
   気ガスの空燃比をリッチにする空燃比制御手段とを具備
   した内燃機関の排気浄化装置。