JP2830668B2 - 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
置に関し、詳細には、ディーゼルエンジンや希薄燃焼を
行うガソリンエンジン等、大部分の運転領域においてリ
ーン空燃比の燃焼を行う内燃機関の排気中のＮＯ_X を効
果的に除去可能な排気浄化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の排気浄化装置の例としては、例
えば特開昭６２─１０６８２６号公報に開示されたもの
がある。同公報の装置は、ディーゼル機関の排気通路に
酸素の存在下でＮＯ_X を吸収するＮＯ_X 吸収剤（触媒）
を配置して排気中のＮＯ_X を吸収させ、該吸収剤のＮＯ
_X 吸収効率が低下した場合に吸収剤への排気の流入を遮
断して吸収剤に気体状の還元剤を供給することにより、
吸収剤からＮＯ_X を放出させると共に放出されたＮＯ_X
を還元浄化するものである。

【０００３】ＮＯ_X 吸収剤に吸収されたＮＯ_X の上記放
出、還元操作（以下、ＮＯ_X 吸収剤の「再生操作」とい
う）を行うためには、ＮＯ_X 吸収剤の雰囲気酸素濃度を
下げてＮＯ_X の放出を行わせる必要がある。しかし、デ
ィーゼルエンジン等のように希薄燃焼を行うエンジンで
は排気空燃比は常にリーンであり排気中の酸素濃度が高
いため、ＮＯ_X 吸収剤の雰囲気酸素濃度を下げるために
はＮＯ_X 吸収剤に還元剤を供給して排気中の酸素を消費
する必要がある。通常の運転状態でＮＯ_X 吸収剤に排気
を流したまま上記再生操作を行おうとすると排気の雰囲
気酸素濃度を下げるためには、連続して流入する排気中
の酸素を消費することができるだけの量の還元剤を供給
する必要があり、還元剤の消費量が増大する問題があ
る。上記特開昭６２─１０６８２６号公報の装置では、
ＮＯ_X 吸収剤の再生操作の際にＮＯ_X 吸収剤への排気の
流入を遮断してから還元剤を供給することにより、流入
する排気中の酸素を消費するために使用される還元剤の
量を低減している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記特開昭６２─１０
６８２６号公報の装置のように、エンジン運転中に、再
生操作毎にＮＯ_X 吸収剤への排気の流入を遮断するよう
にするためには、排気通路に複数のＮＯ_X 吸収剤を並列
に配置して順に切り換えて再生操作を行う等の必要があ
り、排気系の構造の複雑化を招き実用的でない。

【０００５】そこで、運転中にＮＯ_X 吸収剤に流入する
排気の流れを遮断することなく、ＮＯ_X 吸収剤の再生操
作を行うようにすることが実用上好ましい。このため
に、運転上問題を生じないような特定の運転条件（例え
ば、エンジンブレーキ等の）が成立したときに、絞り弁
等によりエンジンの排気の流量を低下させてからＮＯ_X
吸収剤の再生操作を行い、還元剤の消費量を低減する等
の方法が考案されている。

【０００６】しかし、この場合ＮＯ_X 吸収剤の再生操作
は特定の運転条件が成立したときにのみ行われることに
なるため、再生操作の間隔、継続時間等は運転状況によ
り決まってしまい、ＮＯ_X 吸収剤の再生操作に必要とさ
れる時間を確保できなくなる等の問題を生じる場合があ
る。すなわち、上記特定の運転条件が成立するまでの運
転時間が長ければ、ＮＯ_X 吸収剤に吸収されたＮＯ_X 量
も多くなるため再生操作に要する時間も長くなり、短時
間では十分な再生を行うことができない。また、上記特
定の運転条件が比較的短い間隔で頻繁に成立するような
場合であってもこの運転条件の継続時間が短い場合には
十分な再生時間をとることができないため、再生が不十
分になる傾向がある。このため、ＮＯ_X 吸収剤は十分に
ＮＯ_X 吸収能力が回復しない状態で使用されることにな
り、排気中のＮＯ_X 成分が十分に浄化されずに放出され
る問題がある。ＮＯ_X 吸収剤の容量を小さくすれば比較
的短時間でも十分な再生を行うことができるが、ＮＯ_X
吸収剤の容量を小さくしたのでは、運転中に短時間でＮ
Ｏ_X 吸収剤が飽和してしまい排気中のＮＯ_X を除去でき
なくなるため同様な問題が生じる。

【０００７】本発明は、上記問題に鑑み、ＮＯ_X 吸収剤
に流入する排気を遮断せずに特定の運転条件が成立した
場合にのみＮＯ_X 吸収剤の再生操作を行うようにした際
に、短い再生時間でＮＯ_X 吸収剤の能力を回復させ、常
にＮＯ_X 吸収能力を高く保つことのできる内燃機関の排
気浄化装置を提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、少なく
とも大部分の機関運転領域においてリーン空燃比の燃焼
を行う内燃機関の排気通路に、流入排気の空燃比がリー
ンのときにＮＯ_X を吸収し、流入排気の酸素濃度が低下
したときに吸収したＮＯ_X を放出するＮＯ_X 吸収剤を配
置し、所定の運転条件下で前記ＮＯ_X 吸収剤に流入する
排気中に還元剤を供給して前記ＮＯ_X 吸収剤から吸収し
たＮＯ_X を放出させると共に放出されたＮＯ_X を還元浄
化する内燃機関の排気浄化装置において、前記ＮＯ_X 吸
収剤を排気通路に直列に２つ配置し、上流側のＮＯ_X 吸
収剤を下流側のＮＯ_X 吸収剤より小容量とするととも
に、前記ＮＯ_X の放出、還元操作時に前記上流側ＮＯ_X
吸収剤に流入する排気の空燃比が、理論空燃比よりリッ
チ側の第１の空燃比になるように還元剤を供給する還元
剤供給手段と、前記ＮＯ_X の放出、還元操作時に前記下
流側ＮＯ_X 吸収剤に流入する排気の空燃比が理論空燃比
またはそれよりリッチ側でかつ前記上流側ＮＯ _X 吸収剤
に流入する排気の空燃比よりリーン側の第２の空燃比に
なるように排気空燃比を調節する調節手段とを備えたこ
とを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供される。

【０００９】

【作用】本発明の排気浄化装置の作用を図５から図７を
用いて説明する。図５は同一のＮＯ_X 吸収剤について再
生時の排気空燃比を変えて同一時間の再生操作を行った
場合の再生後のＮＯ_X 吸収能力を比較した図である。
（ここでＮＯ_X 吸収能力とは、一定時間当たりにＮＯ_X
吸収剤が吸収できるＮＯ_X の量をいうものとする。） 図５において実線ａ、ａ′は排気空燃比を理論空燃比よ
りかなりリッチがわに保持して（ＮＯ_X 吸収剤に過剰に
還元剤を供給して）再生を行った場合の再生後の吸収能
力を示し、点線ｂ、ｂ′は排気空燃比を理論空燃比近傍
に保持して再生を行った場合の再生後の吸収能力を示し
ている。また、図５のカーブａ、ｂは再生時間を十分に
長くとった場合を、カーブａ′、ｂ′は再生時間が短い
場合をそれぞれ示している。図５に示すように、再生後
のＮＯ_X 吸収能力は再生時の排気空燃比と吸収時の温度
により大きく影響を受けることが判る。すなわち、再生
後のＮＯ_X 吸収能力は再生時の排気空燃比がリッチであ
るほど高くなり、特に再生時間が短いほど再生後のＮＯ
_X 吸収能力の差が大きくなる。

【００１０】また、図６は同一のＮＯ_X 吸収剤を再生時
の排気空燃比を変えて再生操作を行った場合の再生後の
ＮＯ_X 吸収能力と再生時間との関係を示す図である。図
６において、実線ａは排気空燃比を理論空燃比よりかな
りリッチ側に保持して再生を行った場合の再生後の吸収
能力を示し、点線ｂ、は排気空燃比を理論空燃比近傍に
保持して再生を行った場合の再生後の吸収能力を示す。
図６から判るように、リッチ雰囲気で再生した場合には
理論空燃比で再生した場合に較べて短時間の再生操作で
再生後のＮＯ_X 吸収能力が回復することが判る。

【００１１】更に、図７は容量（吸収できるＮＯ_X の
量）が異なるＮＯ_X 吸収剤を同一条件で再生した場合の
再生後のＮＯ_X 吸収能力の差を示している。図７におい
てカーブｃは容量の小さいＮＯ_X 吸収剤、カーブｄは容
量の大きいＮＯ_X 吸収剤の場合を示している。図７から
判るように、ＮＯ_X 吸収剤の容量が小さいほど短時間の
再生でＮＯ_X 吸収能力を回復することができる。

【００１２】本発明では、排気通路の上流側には比較的
容量の小さいＮＯ_X 吸収剤を配置し、下流側には比較的
容量の大きいＮＯ_X 吸収剤を配置して両方のＮＯ_X 吸収
剤で排気中のＮＯ_X を除去する。再生時には上流側ＮＯ
_X 吸収剤に過剰な量の還元剤を供給して上流側ＮＯ_X 吸
収剤をリッチ雰囲気に保持して再生を行う。上流側ＮＯ
_X 吸収剤は比較的小容量であり、しかもリッチ雰囲気下
で再生が行われるため極めて短時間で再生が完了し、再
生後のＮＯ_X 吸収能力も増大する（図５〜７）。従って
再生操作後は上流側ＮＯ_X 吸収剤により排気中のＮＯ_X
が効率的に除去される。

【００１３】また、上流側ＮＯ_X 吸収剤に過剰に供給さ
れた還元剤の一部は消費されないまま下流側ＮＯ_X 吸収
剤に流れるが、下流側ＮＯ_X 吸収剤は上流側ＮＯ_X 吸収
剤よりリーン側（理論空燃比側）の雰囲気に保持されて
いるため、還元剤は下流側ＮＯ_X 吸収剤の再生に完全に
消費されるので、消費されない還元剤が大気に放出され
ることはない。

【００１４】また、上流側ＮＯ_X 吸収剤は比較的小容量
であるとともに上流側に位置するためＮＯ_X 吸収量も多
く、前記特定の運転条件が成立しないため再生操作の間
隔が長くなると再生が行われる前に吸収能力が低下して
しまう恐れがあるが、下流側ＮＯ_X 吸収剤は比較的大容
量であり上流側ＮＯ_X 吸収剤に較べてＮＯ_X 吸収量も少
ないため比較的高い吸収能力を長時間維持できる。この
ため上流側ＮＯ_X 吸収剤の吸収能力が低下した場合でも
下流側ＮＯ_X 吸収剤で排気中のＮＯ_X の除去が行われ、
ＮＯ_X が大気に放出されることはない。

【００１５】

【実施例】図１に本発明の排気浄化装置をディーゼルエ
ンジンに適用した実施例を示す。図１において、１０は
ディーゼルエンジン、１１はエンジン１０の吸気管、１
２はエンジンの排気管を示す。本実施例では、エンジン
の吸気管１１にはシャッターバルブ１３が設けられてい
る。

【００１６】シャッターバルブ１３は全開時の吸気抵抗
の少ないバタフライ弁の形式であり、エンジンの通常運
転時には全開に保持されており、後述のＮＯ_X 吸収剤の
再生操作時に所定開度まで閉弁され、吸気管１１を絞っ
てエンジンに吸入される空気量を低下させる。１４は後
述の電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０からの信号を受け
てシャッターバルブ１３を開閉駆動するステップモー
タ、負圧アクチュエータ等の適宜な形式のアクチュエー
タ、１５はシャッターバルブの開度を検出する開度セン
サである。

【００１７】又、エンジン排気管１２には上流側ＮＯ_X
吸収剤１Ａと下流側ＮＯ_X 吸収剤１Ｂとが設けられてお
り、排気管１２の上流側ＮＯ_X 吸収剤１Ａの更に上流側
には還元剤供給装置３が接続されている。また、上流側
ＮＯ_X 吸収剤１Ａと下流側ＮＯ_X 吸収剤１Ｂとの間には
二次空気供給装置４が、下流側ＮＯ_X 吸収剤１Ｂの下流
の排気管には酸素濃度センサ５及び排気温度センサ６が
それぞれ接続されている。

【００１８】還元剤供給装置３は、上流側ＮＯ_X 吸収剤
１Ａの上流側の排気管１２に還元剤を噴射する噴射弁３
ａを備え、ＥＣＵ２０からの入力信号に応じて所定の量
の還元剤を排気管１２内に注入する。還元剤としては、
排気中で水素や炭化水素、一酸化炭素等の還元成分を発
生するものであれば良く、水素、一酸化炭素等の気体、
プロパン、プロピレン、ブタン等の液体又は気体の炭化
水素、ガソリン、軽油、灯油等の液体燃料等が使用でき
る。本実施例ではディーゼルエンジンが用いられている
ため、還元剤としてエンジンの燃料と同じ軽油を使用し
ており、軽油は図示しないエンジンの燃料タンクから供
給ポンプにより加圧されて噴射弁３ａに供給される。

【００１９】また、図に２０で示すのはエンジン１の電
子制御ユニット（ＥＣＵ）である。ＥＣＵ２０はＣＰＵ
２１，ＲＡＭ２２，ＲＯＭ２３及び入力ポート２４、出
力ポート２５を相互に双方向バス２６で接続した構成の
ディジタルコンピュータからなり、エンジンの燃料噴射
量制御等の基本制御を行うほか、本実施例ではシャッタ
ーバルブ１３の開閉制御、還元剤供給装置３からの還元
剤供給量制御を行うとともに、酸素濃度センサ５の出力
に応じて二次空気供給装置４からの空気供給量を調節し
て下流側ＮＯ_X 吸収剤１Ｂに流入する排気の空燃比を理
論空燃比近傍になるように制御している。これらの制御
のためＥＣＵ２０の入力ポート２４には、酸素濃度セン
サ５と排気温度センサ６とから排気中の酸素濃度信号と
排気温度信号とが、またシャッターバルブ開度センサ１
５からシャッターバルブの開度信号が、それぞれ入力さ
れている他、エンジン回転数、アクセル開度等の信号が
それぞれ図示しないセンサから入力されている。

【００２０】二次空気供給装置４は電動ポンプ等の加圧
空気供給源４ａ、ステッパモータ等のアクチュエータ４
ｂを有する流量制御弁４ｃ、及びノズル４ｄを備えてお
り、ＥＣＵ２０からの制御信号により流量制御弁４ｃの
アクチュエータ４ｂを駆動して流量制御弁４ｃの開度を
変え、ノズル４ｄから排気管１２に導入する二次空気の
流量を調節出来るようになっている。

【００２１】ＮＯ_X 吸収剤１Ａ、１Ｂ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。このＮＯ_X 吸収剤１Ａ、１Ｂは流
入する排気の空燃比がリーンの場合にはＮＯ_X を吸収
し、酸素濃度が低下するとＮＯ_X を放出するＮＯ _X の吸
放出作用を行う。

【００２２】なお、上述の排気空燃比とは、ここではＮ
Ｏ_X 吸収剤１Ａ、１Ｂの上流側の排気通路やエンジン燃
焼室、吸気通路等にそれぞれ供給された空気量の合計と
燃料または還元剤の合計の比を意味するものとする。従
って、ＮＯ_X 吸収剤１Ａ、１Ｂの上流側排気通路に燃
料、還元剤または空気が供給されない場合には排気空燃
比はエンジンの運転空燃比（エンジン燃焼室内の燃焼に
おける空燃比）と等しくなる。

【００２３】本実施例では、ディーゼルエンジンが使用
されているため、通常運転時の排気空燃比はリーンであ
り、ＮＯ_X 吸収剤１Ａ、１Ｂは排気中のＮＯ_X の吸収を
行う。また、後述の操作により排気中に還元剤が導入さ
れて酸素濃度が低下すると、ＮＯ_X 吸収剤１Ａ、１Ｂは
吸収したＮＯ_X の放出を行う。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２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。

【００２４】即ち、流入排気がかなりリーンになると流
入排気中の酸素濃度が大巾に増大し、図２(A) に示され
るようにこれら酸素Ｏ₂ がＯ₂ ^- またはＯ^2-の形で白金
Ｐtの表面に付着する。一方、流入排気中のＮＯは白金
Ｐt の表面上でこのＯ₂ ^- またはＯ^2-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２(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 吸収剤内に吸
収される。

【００２５】従って、流入排気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
気中の酸素濃度が低下してＮＯ₂ の生成量が減少すると
反応が逆方向（ＮＯ₃ ^- →ＮＯ₂ ）に進み、こうして吸
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、流入排気中の酸素濃度が低下すると
ＮＯ_X 吸収剤からＮＯ_X が放出されることになる。

【００２６】一方、流入排気中にＨＣ，ＣＯ等の還元成
分が存在すると、これらの成分は白金Ｐt 上の酸素Ｏ₂
^- またはＯ^2-と反応して酸化され、排気中の酸素を消費
して排気中の酸素濃度を低下させる。また、排気中の酸
素濃度低下によりＮＯ_X 吸収剤１Ａ、１Ｂから放出され
たＮＯ₂ は図２(B) に示すようにＨＣ，ＣＯと反応して
還元される。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。従って流入排気中のＨＣ，ＣＯ成分が増加す
る程短時間のうちにＮＯ_X 吸収剤１Ａ、１ＢからＮＯ_X
が放出され、還元されることになる。

【００２７】即ち、流入排気中のＨＣ，ＣＯは、まず白
金Ｐt 上のＯ₂ ^- またはＯ^2-とただちに反応して酸化さ
れ、次いで白金Ｐt 上のＯ₂ ^- またはＯ^2-が消費されて
もまだＨＣ，ＣＯが残っていればこのＨＣ，ＣＯによっ
て吸収剤から放出されたＮＯ_X および機関から排出され
たＮＯ_X が還元される。前述のように、ＮＯ_X の放出、
還元（再生）操作を行ったあとのＮＯ_X 吸収剤のＮＯ_X
吸収能力はリッチ雰囲気で再生操作を行うほど高くなる
（図５参照）。ここで、同一の再生時間ではリッチ雰囲
気で再生操作を行うほど再生後のＮＯ_X吸収能力が高く
なるのは、前述のようにＮＯ_X 吸収剤内に硝酸イオンＮ
Ｏ₃ ^- の形で吸収されたＮＯ_X がＮＯ₂ の形でＮＯ_X 吸
収剤から放出される（ＮＯ₃ ^- →ＮＯ₂ ）の反応が雰囲
気がリッチになる程活発になり、ＮＯ_X の放出速度が高
くなるためと考えられる。また、吸収能力が排気温度の
所定範囲で最大になるのは、排気温度が低いと白金Ｐt
上での（２ＮＯ＋Ｏ₂ →２ＮＯ₂ ) の酸化反応が弱くな
り、排気温度が高くなりすぎるとＮＯ_X 吸収剤に硝酸イ
オンＮＯ₃ ^- の形で吸収されたＮＯ_X が分解、放出され
るようになるためと考えられる。

【００２８】なお、本実施例では、上流側ＮＯ_X 吸収剤
１Ａは排気温度に追随して速やかに温度が上昇して上記
の最適温度範囲に到達するようにメタル担体を使用して
いる。また、温度上昇を早めるとともに、前述のように
再生時間を短縮するために上流側ＮＯ_X 吸収剤１Ａは下
流側ＮＯ_X 吸収剤１Ｂに較べて小容量のものが使用され
ている。

【００２９】また、本実施例では、還元剤供給装置３か
らの還元剤供給量は上流側ＮＯ_X 吸収剤１Ａに流入する
排気空燃比がかなりリッチになるように設定されてお
り、還元剤供給量の精密な制御は行わず、酸素濃度セン
サ５の出力に応じて二次空気の供給量を制御することに
より下流側ＮＯ_X 吸収剤１Ｂに流入する排気の空燃比を
理論空燃比近傍に維持して、上流側ＮＯ_X 吸収剤１Ａの
再生を短時間で行うとともに過剰な還元剤の大気放出を
防止している。

【００３０】次に、図３を用いて本実施例のＮＯ_X 吸収
剤の再生操作について説明する。図３は、ＥＣＵ２０に
より実行されるＮＯ_X 吸収剤の再生操作の制御ルーチン
の例を示している。図３のルーチンはＥＣＵ２０により
一定時間毎に実行される。図３においてルーチンがスタ
ートするとステップ３０１ではエンジン回転数Ｎ、アク
セル開度Ａ_CC、エンジン排気温度Ｔ_EXがそれぞれのセン
サから、また、ＮＯ_X 吸収剤出口での排気中の酸素濃度
Ｒ_OXが酸素濃度センサ５からそれぞれ入力され、ステッ
プ３０３では、これらを基にＮＯ_X 吸収剤の再生実行条
件が成立しているか否かが判定される。

【００３１】ここで、ＮＯ_X 吸収剤の再生実行条件は、
（１）アクセル開度Ａ_CCが所定値以下、かつ、エンジン
回転数Ｎが所定値以上であること（すなわちエンジンブ
レーキ中であること）、（２）エンジン排気温度Ｔ_EXが
所定温度以上であること、（３）ＮＯ_X 吸収剤のＮＯ_X
吸収剤量が所定値以上になっていること、等であり、上
記（１）〜（３）の条件が成立した場合のみにステップ
３０５以下のＮＯ_X 吸収剤再生操作を行う。

【００３２】ここで、ＮＯ_X 吸収剤の再生をエンジンブ
レーキ中にのみ行うのは（上記条件（１））、再生時に
は後述のように吸気シャッターバルブ１３を閉じて吸入
空気量を低減する必要があるため、通常運転中に再生を
行うとトルクショックを生じ運転性が悪化するためであ
る。また、排気温度が所定値以上（上記条件（２））と
するのは、ＮＯ_X 吸収剤がＮＯ_X の放出、還元作用の活
性化する活性化温度に達していることが必要だからであ
る。また、ＮＯ_X 吸収剤のＮＯ_X 吸収量が所定値以上に
なっていること（上記条件（３））を再生実行条件とし
ているのは頻繁な再生操作を避けて真に再生が必要な場
合にのみ再生操作を行うようにするためである。

【００３３】なお、ＮＯ_X 吸収剤のＮＯ_X 吸収量は、別
途ＥＣＵ２０により実行されるルーチンにより、例えば
単位時間当たりのエンジンからのＮＯ_X の排出量を予め
エンジン負荷（アクセル開度）とエンジン回転数等の関
数としてＥＣＵ１０のＲＯＭ２３に記憶しておき、一定
時間毎にアクセル開度と回転数とから上記関数によりＮ
Ｏ_X 排出量を求め、これに一定の係数を乗じたものを上
記一定時間内のＮＯ_X吸収剤のＮＯ_X 吸収量として積算
することにより求められる。ステップ３０３でＮＯ_X 吸
収剤再生条件が成立している場合、ステップ３０５でカ
ウンタＣがプラス１カウントアップされ、ステップ３０
７ではカウンタＣが所定値ＣＲ以上か否かが判定され
る。ここで、カウンタＣは、ステップ３０３で再生条件
が成立してからの経過時間に対応するカウンタであり、
所定値ＣＲは、ＮＯ_X 吸収剤の再生を完了するのに必要
とされる再生時間に相当するルーチン実行回数である。
再生時間はＮＯ_X 吸収剤のタイプ等によって決まる定数
である。ステップ３０７でＣ≧ＣＲであった場合は、即
ち再生が完了しているのでステップ３３１以下を実行し
て再生操作を終了する。

【００３４】ステップ３０７でＣ＜ＣＲであった場合
は、ステップ３１１以下のＮＯ_X 吸収剤再生操作を実行
する。すなわち、ステップ３１１では、エンジン吸気管
１１のシャッターバルブ１３が所定の開度まで閉弁され
る。ディーゼルエンジンでは吸入空気量が多いため再生
時に吸気量を絞らないと排気中の酸素濃度を低下させる
ために必要とされる還元剤の量が過大になるためであ
る。

【００３５】シャッターバルブの開度は急激な減速が生
じるのを防止するため、予めエンジン回転数の関数とし
て設定されており、この関数はＥＣＵ２０のＲＯＭ２３
に数値テーブルの形で格納されている。ステップ３１１
では、エンジン回転数を基に数値テーブルからシャッタ
ーバルブ１３の開度設定値を読み出し、シャッターバル
ブ開度センサ１５で検出した開度が上記設定値に等しく
なるようにシャッターバルブアクチュエータ１４を駆動
してシャッターバルブ１３を所定開度に制御する。次い
で、ステップ３１３では還元剤供給量が決定される。還
元剤供給量は予め、上流側ＮＯ_X 吸収剤１Ａに流入する
排気空燃比がかなりリッチになるように、シャッターバ
ルブの開度とエンジン回転数（エンジン吸入空気量）の
関数として設定され、ＥＣＵ２０のＲＯＭ２３に数値テ
ーブルの形で格納されている。すなわち、還元剤は再生
に必要な量より過剰に供給される。次いで、ステップ３
１５では上記により決定された還元剤供給量を得るよう
に還元剤噴射弁３ａの開度が設定され、還元剤が排気管
１２に導入される。

【００３６】また、ステップ３１７では二次空気供給装
置４の電動ポンプ４ａがＯＮにされ、二次空気が排気管
１２に導入される。次いで、ステップ３１９から３２５
では二次空気供給装置４の流量制御弁４ｃの開度が酸素
濃度センサ５の出力に応じて調整される。すなわち、ス
テップ３１９ではステップ３０１で読み込んだ排気酸素
濃度Ｒ_OXが所定値Ｒ_st以上か否かが判定され、Ｒ_OX≧Ｒ
_stであればステップ３２１で流量制御弁４ｃの開度Ｖ_A
が所定値βだけ低減される。また、Ｒ_OX＜Ｒ_stであれ
ば、ステップ３２３で流量制御弁４ｃの開度Ｖ_A がβだ
け増大される。これにより、流量制御弁４ｃの開度Ｖ_A
は、酸素濃度センサ５の出力Ｒ_OXが所定値Ｒ_stになるよ
うに制御される。本実施例では、上記所定値Ｒ_stは、理
論空燃比を与える酸素濃度に設定されている。ステップ
３２５では、上記により設定した開度Ｖ_A を流量制御弁
４ｃのアクチュエータ４ｂに出力してルーチンを終了す
る。

【００３７】なお、ステップ３０７で所定の再生時間が
経過するか、またはステップ３０３で再生実行条件が成
立しなくなるとステップ３３１からステップ３３９が実
行され、カウンタＣがゼロリセットされ（ステップ３３
１）、シャッターバルブ１３が全開にされ（ステップ３
３３）、還元剤供給と二次空気の導入が停止され（ステ
ップ３３５、３３７、３３９）、再生操作は停止され
る。

【００３８】上述のように、本実施例では、ＮＯ_X 吸収
剤の再生操作をエンジンブレーキ、排気温度等の条件
（ステップ３０３）が成立したときにのみ実行するよう
にしている。しかし、実際の走行中に上記の条件が成立
している時間は必ずしも長くない。例えば、走行中にエ
ンジンブレーキが持続されるのは３秒以下の場合が多
く、それ以上では頻度が減り、１０秒以上持続するのは
稀である。また、上記条件が成立する間隔は運転者や道
路状況により大きく変化する。本実施例では、上流側Ｎ
Ｏ_X 吸収剤１Ａはリッチ雰囲気下で再生が行われるた
め、短時間で高いＮＯ_X 吸収能力を回復する。このた
め、上述のように再生条件の成立時間が短時間しか持続
しない場合でも上流側ＮＯ_X 吸収剤１Ａにより、排気中
のＮＯ_X を効果的に除去することができる。特に、実際
の運転ではエンジンブレーキの後には加速が行われるこ
とが多いが、ディーゼルエンジンでは加速時に排気中の
ＮＯ_X が増大する。本実施例では、短時間のエンジンブ
レーキ後に加速が行われた場合にも、吸収能力が回復し
た上流側ＮＯ_X 吸収剤１Ａにより増大したＮＯ_X を吸収
できるため加速時に一時的にエミッションが悪化するこ
とがない。

【００３９】また、下流側ＮＯ_X 吸収剤１Ｂは理論空燃
比近傍の雰囲気で再生が行われるが、上流側ＮＯ_X 吸収
剤１Ａを通過した後の排気を処理しているため、ＮＯ_X
の吸収量は少なく元々ＮＯ_X 吸収能力の低下は少ない。
このため、運転条件により、再生操作の頻度が減って上
流側ＮＯ_X 吸収剤１Ａが飽和したような場合でも下流側
ＮＯ_X 吸収剤１Ｂには比較的高い吸収能力が残っている
ため全体として高い排気浄化効率を保つことができる。

【００４０】また、上流側ＮＯ_X 吸収剤１Ａをリッチ雰
囲気下で再生することは、上記以外にもＮＯ_X 吸収剤の
硫黄被毒の回復の上で大きな効果がある。ディーゼルエ
ンジンの排気には燃料の軽油に含まれる硫黄成分が酸化
物として排出されるが、この硫黄酸化物は、前述のＮＯ
_X の場合と全く同じメカニズムでＮＯ_X 吸収剤に吸収さ
れてＢａＯと結合してＢａＳＯ₄ を生成する。このＢａ
ＳＯ₄ は比較的安定した化合物であるため一旦生成され
ると分解されにくく、ＮＯ_X 吸収剤中のＢａＳＯ₄ が増
大するとＮＯ_X の吸収能力が低下してしまう問題が生じ
る。この硫黄被毒の回復のためにはＮＯ_X 吸収剤を高温
還元雰囲気に保持して上記のＢａＳＯ₄を分解すること
が有効である事が知られている。本発明のように、排気
通路の上流側と下流側とに直列にＮＯ_X 吸収剤を配置し
た場合には排気中の硫黄酸化物は上流側ＮＯ_X 吸収剤に
吸収され、下流側ＮＯ_X 吸収剤が硫黄被毒を受けること
が防止される。すなわち、上流側ＮＯ_X 吸収剤は硫黄ト
ラップとしても機能し、下流側ＮＯ_X 吸収剤の硫黄被毒
によるＮＯ_X 吸収能力の低下を防止する。一方、硫黄被
毒を受けた上流側ＮＯ_X 吸収剤はリッチ（還元）雰囲気
で再生が行われるため、再生の際に同時に硫黄被毒から
の回復を行うことができるのである。

【００４１】また、軽油等の液体燃料を還元剤として使
用する場合は噴射した液体還元剤が排気管の壁面に付着
するため還元剤の供給量により排気空燃比を正確に制御
することは困難である。このため、従来軽油等の液体還
元剤を使用した場合には供給不足によるＮＯ_X 吸収剤の
再生不足や過剰供給によるアンモニアの発生、未消費Ｈ
Ｃ成分の大気放出等の問題が生じていた。本実施例で
は、還元剤供給量は上流側ＮＯ_X 吸収剤に流入する排気
をかなりリッチにするように過剰な量に設定し、供給量
の精密な制御は実施しない。また、下流側ＮＯ_X 吸収剤
に流入する排気空燃比は制御性の良い二次空気供給量を
調節することによって行っている。このため、軽油など
の液体還元剤を使用した場合にも上述の問題を生じずに
簡易な制御を行うことができる。

【００４２】なお、上述の実施例では、再生操作時に常
に上流側ＮＯ_X 吸収剤に過剰な量の還元剤を供給してい
たが、還元剤の供給量は常に過剰な量を供給する必要は
なく、必要に応じて変えるようにしてもよい。図４は、
還元剤供給量を必要に応じて変化させた場合の再生操作
のタイミング図である。図４は、再生操作時に上流側Ｎ
Ｏ_X 吸収剤（図４（Ａ））と下流側ＮＯ_X 吸収剤（図４
（Ｂ））とに流入する排気の空燃比の変化を示してい
る、図４において、区間Ｉは上流側ＮＯ_X 吸収剤をリッ
チ雰囲気にするように還元剤を過剰に供給して再生を行
う場合を示す。このとき、下流側ＮＯ_X 吸収剤は二次空
気により、理論空燃比近傍に維持され、上流側と下流側
両方のＮＯ_X 吸収剤の再生が行われる。一方、図４区間
IIは上流側ＮＯ_X 吸収剤のみの再生を行う場合をしめ
す。この場合、上流側ＮＯ_X 吸収剤に供給される還元剤
の量は区間Ｉの場合より低減され、上流側ＮＯ_X 吸収剤
に流入する排気の空燃比が理論空燃比近傍になるように
される。また、下流側ＮＯ_X 吸収剤は二次空気の供給に
よりリーン雰囲気に保持され、再生は行わず酸化触媒と
して上流側ＮＯ_X 吸収剤で消費されなかった還元剤を酸
化して大気放出を防止する。

【００４３】このように、上流側ＮＯ_X 吸収剤のみの再
生を行う期間を設けるのは上流側ＮＯ_X 吸収剤は、下流
側ＮＯ_X 吸収剤に較べて容量が小さく、かつＮＯ_X 吸収
量も多いため再生操作の頻度を多くする必要があるのに
対して、下流側ＮＯ_X 吸収剤は大容量であり、ＮＯ_X 吸
収量も比較的少ないので再生操作の頻度は少なくても良
いことから、常に両方のＮＯ_X 吸収剤を同時に再生する
ことは不経済なことがあるからである。この場合、上流
側ＮＯ_X 吸収剤のみの再生を行うか、同時に下流側ＮＯ
_X 吸収剤の再生も行うかは、例えば前回下流側ＮＯ_X 吸
収剤の再生操作を行ってからの経過時間が所定値を越え
たか否かに基づいて判断する。従って、前回の再生操作
からの経過時間が長い場合には両方のＮＯ_X 吸収剤再生
操作が連続して行われる場合もある（区間III)なお、図
４に示すように、両方のＮＯ_X 吸収剤を再生する場合
（区間Ｉ）の方が上流側ＮＯ_X 吸収剤のみを再生する場
合（区間II）に較べて再生時間を長くとっているのは、
ＮＯ_X 吸収剤の再生に必要な期間に加えて前述の硫黄被
毒回復のための時間を確保するためである。

【００４４】なお、上述の実施例では還元剤として軽油
を使用した場合を例にとって説明したが、本発明はこれ
に限定されるものではなく、他の気体状及び液体状還元
剤を使用する場合にも全く同様に適用できる。また、上
述の実施例ではディーゼルエンジンに本発明を適用した
場合について説明しているが、本発明は同様にガソリン
エンジンについても適用可能であることはいうまでもな
い。

【００４５】

【発明の効果】本発明の排気浄化装置は、上述のように
構成したことにより、短時間でＮＯ_X吸収剤の再生を行
い、常にＮＯ_X 吸収能力を高く維持することができるの
で運転条件によらず排気中のＮＯ_X を効果的に除去する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明をディーゼルエンジンに適用した実施例
を示す図である。

【図２】ＮＯ_X 吸収剤のＮＯ_X 吸放出作用を説明するた
めの図である。

【図３】ＮＯ_X 吸収剤の再生操作を示すフローチャート
である。

【図４】上流側と下流側のＮＯ_X 吸収剤の再生操作のタ
イミングの例を説明する図である。

【図５】再生時の空燃比の相違による再生後のＮＯ_X 吸
収能力の差を説明する図である。

【図６】再生時の空燃比の相違による再生後のＮＯ_X 吸
収能力の差を説明する図である。

【図７】ＮＯ_X 吸収剤の容量の相違による再生後のＮＯ
_X 吸収能力の差を説明する図である。

【符号の説明】

１Ａ…上流側ＮＯ_X 吸収剤 １Ｂ…下流側ＮＯ_X 吸収剤 ３…還元剤供給装置 ３ａ…還元剤噴射弁 ４…二次空気供給装置 ４ｃ…流量制御弁 ５…酸素濃度センサ ６…排気温度センサ １０…ディーゼルエンジン １１…エンジン吸気管 １２…エンジン排気管 １３…シャッターバルブ １４…アクチュエータ １５…シャッターバルブ開度センサ ２０…電子制御ユニット（ＥＣＵ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−214919（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−106826（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F01N 3/08 F01N 3/18 - 3/28

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも大部分の機関運転領域におい
   てリーン空燃比の燃焼を行う内燃機関の排気通路に、流
   入排気の空燃比がリーンのときにＮＯ_X を吸収し、流入
   排気の酸素濃度が低下したときに吸収したＮＯ_X を放出
   するＮＯ_X 吸収剤を配置し、所定の運転条件下で前記Ｎ
   Ｏ_X 吸収剤に流入する排気中に還元剤を供給して前記Ｎ
   Ｏ_X 吸収剤から吸収したＮＯ_X を放出させると共に放出
   されたＮＯ_X を還元浄化する内燃機関の排気浄化装置に
   おいて、前記ＮＯ_X 吸収剤を排気通路に直列に２つ配置
   し、上流側のＮＯ_X 吸収剤を下流側のＮＯ_X 吸収剤より
   小容量とするとともに、前記ＮＯ_X の放出、還元操作時
   に前記上流側ＮＯ_X 吸収剤に流入する排気が、理論空燃
   比よりリッチ側の第１の空燃比になるように還元剤を供
   給する還元剤供給手段と、前記ＮＯ_X の放出、還元操作
   時に前記下流側ＮＯ_X 吸収剤に流入する排気が理論空燃
   比またはそれよりリッチ側でかつ前記上流側ＮＯ _X 吸収
   剤に流入する排気の空燃比よりリーン側の第２の空燃比
   になるように排気空燃比を調節する調節手段とを備えた
   ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。