JP2891056B2 - 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】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に還元剤
を供給すると吸収したＮＯ_X を放出する触媒を機関排気
通路内に配置し、触媒上流の機関排気通路内に排気制御
弁を配置すると共に排気制御弁の後流であって触媒上流
の排気通路内に還元剤を供給するための還元剤供給装置
を具備し、通常は排気制御弁を全開にしておいて排気ガ
ス中に含まれるＮＯ_X を触媒に吸収し、触媒からＮＯ_X
を放出すべきときには排気制御弁を全閉にすると共に還
元剤を触媒上流の排気通路内に供給するようにしたディ
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触媒上流の排気通
路内に還元剤が供給されるとこの還元剤が触媒内に徐々
に拡散し、還元剤と接触した触媒部分から徐々にＮＯ_X
が放出される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
に排気制御弁を全閉にして触媒内への排気ガスの流入を
遮断し、触媒上流の排気通路内に還元剤を供給してこの
還元剤を拡散作用により全触媒にゆきわたらせるように
すると還元剤が全触媒にゆきわたるまでにかなりの時間
を要し、斯くして触媒全体からＮＯ_X を放出させるのに
長時間を要するという問題がある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明によれば、流入する排気ガスの空燃比がリー
ンであるときにＮＯ_X を吸収し、流入する排気ガス中の
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、ＮＯ_X 吸収剤上流の
機関排気通路内に排気通路の流路面積を制御する排気制
御弁を配置すると共に排気制御弁の後流においてＮＯ_X
吸収剤に還元剤を供給する還元剤供給装置を具備した内
燃機関において、還元剤供給装置がＮＯ_X 吸収剤内にお
いて排気ガスの流れ方向に分散配置された複数個の還元
剤供給口を具備し、ＮＯ_X 吸収剤からＮＯ_X を放出すべ
きときには排気制御弁を閉弁して排気通路の流路面積を
減少させると共に各還元剤供給口からＮＯ_X 吸収剤内に
還元剤を供給するようにしている。

【０００５】

【作用】還元剤供給口がＮＯ_X 吸収剤内において排気ガ
スの流れ方向に分散配置されているので各還元剤供給口
から供給された還元剤は短時間のうちに全ＮＯ_X 吸収剤
内にゆきわたる。

【０００６】

【実施例】図１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。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は燃料噴射弁、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およびサージタ
ンク１０を介してエアクリーナ１１に連結される。一
方、排気ポート８は排気マニホルド１２および排気管１
３を介して排気管１４に連結される。この排気管１４は
分岐部１５において分岐された第１排気通路１６ａおよ
び第２排気通路１６ｂを具備する。

【０００７】第１排気通路１６ａ内にはアクチュエータ
１７ａによって駆動される第１排気制御弁１８ａが配置
され、第１排気制御弁１８ａ下流の第１排気通路１６ａ
内には第１ＮＯ_X 吸収剤１９ａを内蔵した第１ケーシン
グ２０ａが配置される。一方、第２排気通路１６ｂ内に
はアクチュエータ１７ｂによって駆動される第２排気制
御弁１８ｂが配置され、第２排気制御弁１８ｂ下流の第
２排気通路１６ｂ内には第２ＮＯ_X 吸収剤１９ｂを内蔵
した第２ケーシング２０ｂが配置される。第１排気通路
１６ａおよび第２排気通路１６ｂは第１ＮＯ_X 吸収剤１
９ａおよび第２ＮＯ_X 吸収剤１９ｂの下流において互い
に合流せしめられる。

【０００８】図１に示されるように第１ケーシング２０
ａには多数の枝管２１ａを有する還元剤供給導管２２ａ
が取付けられ、第２ケーシング２０ｂには多数の枝管２
１ｂを有する還元剤供給導管２２ｂが取付けられる。最
も上流側に位置する枝管２１ａの先端部に形成された還
元剤供給口は第１ＮＯ_X 吸収剤１９ａの上流において第
１ケーシング２０ａ内の中央部に開口せしめられる。残
りの枝管２１ａは第１ＮＯ_X 吸収剤１９ａの全長に亘っ
て排気ガスの流れ方向に沿い等間隔で配置され、これら
枝管２１ａの先端部に形成された還元剤供給口は夫々第
１ＮＯ_X 吸収剤１９ａの中央部或いは周辺部に開口せし
められる。

【０００９】同様に最も上流側に位置する枝管２１ｂの
先端部に形成された還元剤供給口は第２ＮＯ_X 吸収剤１
９ｂの上流において第２ケーシング２０ｂ内の中央部に
開口せしめられる。残りの枝管２１ｂは第２ＮＯ_X 吸収
剤１９ｂの全長に亘って排気ガスの流れ方向に沿い等間
隔で配置され、これら枝管２１ｂの先端部に形成された
還元剤供給口は夫々第２ＮＯ_X 吸収剤１９ｂの中央部或
いは周辺部に開口せしめられる。

【００１０】還元剤供給導管２２ａおよび還元剤供給導
管２２ｂは夫々対応する第１制御弁２３ａ、第２制御弁
２３ｂおよび供給ポンプ２４を介して還元剤タンク２５
に連結される。還元剤タンク２５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からなる還元剤が充填されている。

【００１１】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。図１に示されるようにアクセルペダル３７の踏
込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ３８が
設けられ、この負荷センサ３８の出力電圧がＡＤ変換器
３９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４０が接続される。一方、出力ポート３６
は夫々対応する駆動回路４１を介して燃料噴射弁４、ア
クチュエータ１７ａ，１７ｂ、制御弁２３ａ，２３ｂお
よび供給ポンプ２４に接続される。

【００１２】各ケーシング２０ａ，２０ｂ内に収容され
ているＮＯ_X 吸収剤１９ａ，１９ｂ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Ｂ
ａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬ
ａ、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。機関燃焼室３およびＮＯ_X 吸収剤１９ａ，１９ｂ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１９ａ，１９ｂへの流入排気ガ
スの空燃比と称するとこれらＮＯ_X 吸収剤１９ａ，１９
ｂ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１９ａ，１９ｂ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内に形成される混合気の平均
空燃比に一致し、従ってこの場合にはＮＯ_X 吸収剤１９
ａ，１９ｂは燃焼室３内に形成される混合気の平均空燃
比がリーンのときにはＮＯ_X を吸収し、燃焼室３内に形
成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１９ａ，１９ｂを機関
排気通路内に配置すればこのＮＯ_X吸収剤１９ａ，１９
ｂ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。

【００１４】即ち、流入排気ガスがリーンのときには流
入排気ガス中の酸素濃度はかなり高く、このとき図２
（Ａ）に示されるようにこれら酸素Ｏ₂ がＯ₂ ^- 又はＯ
^{2 -} 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 ^- 又は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ＮＯ ₃ ^- 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１９ａ，１９ｂ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１９ａ，１９ｂからＮＯ_X が放出され
ることになる。

【００１６】一方、排気ガス中に還元剤、例えば炭化水
素が供給されて排気ガスの空燃比がリッチになると排気
ガスは多量のＨＣ，ＣＯ等を含むようになり、このとき
排気ガス中に含まれるＨＣ，ＣＯは白金Ｐｔ上の酸素Ｏ
₂ ^- 又はＯ^2-と反応して酸化せしめられる。また、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２（Ｂ）に示されるようにＨＣ，Ｃ
Ｏと反応して還元せしめられる。このようにして白金Ｐ
ｔ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１９ａ，
１９ｂからＮＯ_X が放出されることになる。

【００１７】即ち、排気ガスの空燃比をリッチにすると
まず初めにＨＣ，ＣＯが白金Ｐｔ上のＯ₂ ^- 又はＯ^2-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 ^- 又は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１９ａ，１９ｂに吸収されているＮ
Ｏ_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。

【００１８】ディーゼル機関では通常空気過剰のもとで
燃焼が行われるので燃焼室３内に形成される混合気の平
均空燃比はリーンとなっており、従ってこのとき排気ガ
ス中に含まれるＮＯ_X はＮＯ_X 吸収剤１９ａ，１９ｂに
吸収されることになる。一方、ＮＯ_X 吸収剤１９ａ，１
９ｂのＮＯ_X 吸収能力には限度があり、従ってＮＯ_X吸
収剤１９ａ，１９ｂのＮＯ_X 吸収能力が飽和する前にＮ
Ｏ_X 吸収剤１９ａ，１９ｂからＮＯ_X を放出させる必要
がある。そこで本発明による実施例では第１排気制御弁
１８ａを開弁したときには第２排気制御弁１８ｂを閉弁
し、逆に第１排気制御弁１８ａを閉弁したときには第２
排気制御弁１８ｂを開弁するように第１排気制御弁１８
ａと第２排気制御弁１８ｂとを一定期間毎に周期的に開
閉制御するようにしている。即ち、排気ガスは排気制御
弁１８ａ又は１８ｂが開弁せしめられている方のＮＯ_X
吸収剤１９ａ又は１９ｂ内に送り込まれて排気ガス中の
ＮＯ_X がＮＯ_X 吸収剤１９ａ又は１９ｂに吸収され、排
気制御弁１８ａ又は１８ｂが閉弁せしめられている方の
ＮＯ_X 吸収剤１９ａ又は１９ｂには対応する枝管２１ａ
又は２１ｂから還元剤を供給して排気ガスの空燃比をリ
ッチにし、それによってＮＯ_X 吸収剤１９ａ又は１９ｂ
からＮＯ_X を放出させるようにしている。なお、前述し
たようにこのときＮＯ_X 吸収剤１９ａ又は１９ｂから放
出されたＮＯ _X は還元剤により還元せしめられる。

【００１９】即ち、本発明による実施例では例えば第１
ＮＯ_X 吸収剤１９ａからＮＯ_X を放出すべきときには第
１排気制御弁１８ａが閉弁せしめられ、枝管２１ａから
還元剤が供給される。このとき枝管２１ａから供給され
た還元剤は第１ＮＯ_X 吸収剤１９ａ内に拡散する。とこ
ろが本発明では分枝管２１ａの還元剤供給口は第１ＮＯ
_X 吸収剤１９ａの長手方向および半径方向に分散配置さ
れており、従って各還元剤供給口から供給された還元剤
は短時間のうちに第１ＮＯ_X 吸収剤１９ａの全体に拡散
する。従って第１ＮＯ_X 吸収剤１９ａの全体から短時間
のうちに確実にＮＯ_X が放出され、放出したＮＯ_X が還
元せしめられることになる。

【００２０】なお、各ＮＯ_X 吸収剤１９ａ，１９ｂから
ＮＯ_X を放出する際に対応する排気制御弁１８ａ，１８
ｂを全閉にしてＮＯ_X 吸収剤１９ａ，１９ｂ内の排気ガ
スの流動を完全に停止させると各還元剤供給口から供給
された還元剤が拡散するのに時間を要する。従って本発
明による実施例では各ＮＯ_X 吸収剤１９ａ，１９ｂから
ＮＯ_X を放出すべきときには排気ガスが対応する排気制
御弁１８ａ，１８ｂを介してＮＯ_X 吸収剤１９ａ，１９
ｂにわずかばかり流入するように対応する排気制御弁１
８ａ，１８ｂはわずかばかり開弁した位置に保持され
る。

【００２１】図３はＮＯ_X 放出制御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３を参照するとまず初めにステップ５０におい
て第１ＮＯ_X 吸収剤１９ａからＮＯ_X を放出すべきであ
ることを示すフラグＦがセットされているか否かが判別
される。フラグＦがセットされているときにはステップ
５１に進んで第１排気制御弁１８ａが閉弁せしめられ、
第２排気制御弁１８ｂが開弁せしめられる。次いでステ
ップ５２では第１制御弁２３ａが開弁せしめられ、各枝
管２１ａから第１ＮＯ_X 吸収剤１９ａ内に還元剤が供給
される。次いでステップ５３ではアクセルペダル３７の
踏込み量および機関回転数から還元剤の供給時間Δｔが
算出される。次いでステップ５４では供給時間Δｔが経
過したか否かが判別され、供給時間Δｔが経過したとき
はステップ５５に進んで第１開閉弁２３ａが閉弁せしめ
られる。斯くして還元剤の供給が停止される。次いでス
テップ５６においてフラグＦがリセットされる。

【００２２】次に割込みが行われたときにはステップ５
０においてフラグＦがセットされていないと判断される
のでステップ５７に進む。ステップ５７では第１排気制
御弁１８ａが開弁せしめられ、第２排気制御弁１８ｂが
閉弁せしめられる。次いでステップ５８では第２制御弁
２３ｂが開弁せしめられ、各枝管２１ｂから第２ＮＯ _X
吸収剤１９ｂ内に還元剤が供給される。次いでステップ
５９ではアクセルペダル３７の踏込み量および機関回転
数から還元剤の供給時間Δｔが算出される。次いでステ
ップ６０では供給時間Δｔが経過したか否かが判別さ
れ、供給時間Δｔが経過したときはステップ６１に進ん
で第２開閉弁２３ｂが閉弁せしめられる。斯くして還元
剤の供給が停止される。次いでステップ６２においてフ
ラグＦがセットされる。

【００２３】図４に別の実施例を示す。なお、図４にお
いて図１と同様な構成要素は同一の符号で示す。図４を
参照するとこの実施例では第１ＮＯ_X 吸収剤１９ａおよ
び第２ＮＯ_X 吸収剤１９ｂが排気ガスの流れ方向におい
て互いに間隔を隔てて配置された複数個のＮＯ_X 吸収剤
部分からなり、各枝管２１ａ，２１ｂの還元剤供給口は
各ケーシング２０ａ，２０ｂの入口部と各ＮＯ_X 吸収剤
部分間の間隙内に開口せしめられる。従ってこの実施例
においても各枝管２１ａ，２１ｂから供給された還元剤
は各ＮＯ_X 吸収剤１９ａ，１９ｂの全体に短時間のうち
に拡散せしめられる。なお、図４に示す実施例では還元
剤の拡散を促進するために各ＮＯ_X 吸収剤部分間の間隙
内にグロープラグ等の発熱体を配置することもできる。

【００２４】なお、これまで本発明をディーゼル機関に
適用した場合について説明してきたが本発明をガソリン
機関に適用しうることは云うまでもない。

【００２５】

【発明の効果】ＮＯ_X 吸収剤全体からＮＯ_X を短時間の
うちに放出させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】内燃機関の全体図である。

【図２】ＮＯ_X の吸放出作用を説明するための図であ
る。

【図３】ＮＯ_X 放出制御を行うためのフローチャートで
ある。

【図４】内燃機関の別の実施例の全体図である。

【符号の説明】

１６ａ，１６ｂ…排気通路 １８ａ，１８ｂ…排気制御弁 １９ａ，１９ｂ…ＮＯ_X 吸収剤 ２１ａ，２１ｂ…枝管 ２２ａ，２２ｂ…還元剤供給導管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−106826（ＪＰ，Ａ) 国際公開93／12863（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F01N 3/08 - 3/28

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、ＮＯ_X 吸収剤上流の機関排
   気通路内に排気通路の流路面積を制御する排気制御弁を
   配置すると共に排気制御弁の後流においてＮＯ_X 吸収剤
   に還元剤を供給する還元剤供給装置を具備した内燃機関
   において、上記還元剤供給装置がＮＯ_X 吸収剤内におい
   て排気ガスの流れ方向に分散配置された複数個の還元剤
   供給口を具備し、ＮＯ_X 吸収剤からＮＯ_X を放出すべき
   ときには排気制御弁を閉弁して排気通路の流路面積を減
   少させると共に各還元剤供給口からＮＯ_X 吸収剤内に還
   元剤を供給するようにした内燃機関の排気浄化装置。