JP2985638B2 - 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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JP2985638B2
JP2985638B2 JP6011127A JP1112794A JP2985638B2 JP 2985638 B2 JP2985638 B2 JP 2985638B2 JP 6011127 A JP6011127 A JP 6011127A JP 1112794 A JP1112794 A JP 1112794A JP 2985638 B2 JP2985638 B2 JP 2985638B2
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    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40Engine management systems

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、リーン空燃比の燃焼を行う内
燃機関の排気中のNOX 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NOX を吸収する吸収剤を接続し、一定
時間排気中のNOX を吸収させた後、吸収剤への排気の
流入を遮断して吸収剤に還元剤を供給し、吸収剤からN
X を放出させるとともに放出されたNOX を還元浄化
するようにしたものである。すなわち、同公報の装置で
は、NOX 吸収剤はNOX 吸収と放出、還元浄化とを交
互に一定時間毎に繰り返すようにしている。
【0003】NOX 吸収剤は、NOX 吸収剤中に吸収し
たNOX 量が増大して、NOX 吸収剤の吸収可能な最大
NOX 量(飽和量)に近づくにつれてNOX 吸収能力が
低下して行き、NOX 吸収剤が吸収可能な最大NOX
(飽和量)に到達した後は流入する排気中のNOX をほ
とんど吸収できなくなる。上記特開昭62─10682
6号公報の装置では、NOX 吸収剤が一定時間NOX
収を行った時に、NOX 吸収剤中に吸収されたNOX
が増大してNOX吸収剤の吸収能力が低下したと判断
し、NOX 吸収剤の再生操作を行うようにしている。
(なお、本明細書では、前述のNOX 吸収剤からの吸収
したNOX の放出と還元浄化との操作を「NOX 吸収剤
の再生操作」という。)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところが、NOX 吸収
剤が吸収するNOX 量は常に一定ではなく、機関負荷、
機関回転数(排気流量)、排気中のNOX 濃度、排気温
度等の機関運転条件により大きく変化する。このため、
上記公報の装置のように、再生操作を行う時間間隔を一
定値に固定していると、機関の運転条件によっては再生
操作が実行される前にNOX 吸収剤のNOX 吸収量が飽
和量に到達してしまい、排気中のNOX が吸収されずに
NOX 吸収剤下流側に排出されるようになる問題が生じ
る。
【0005】また、NOX 吸収剤の飽和量は、使用によ
るNOX 吸収剤の劣化(例えば、後述する硫黄被毒等)
により変化(低下)し、更に劣化の程度が同一であって
もNOX 吸収剤の温度(排気温度)により変化する。こ
のため、NOX 吸収剤中に吸収したNOX 量が同一であ
ってもNOX 吸収剤のNOX 吸収能力は劣化の程度や排
気温度に応じて変化する。従って、上記特開昭62─1
06826号公報の装置のように再生操作を行う時間間
隔を一定値に固定したのでは、NOX 吸収剤の劣化に応
じた適切な再生を行うことができない問題がある。
【0006】この問題を解決するために、機関の運転条
件や触媒の劣化程度(使用時間)等に応じてNOX 吸収
剤の再生操作実行間隔を変化させるようにして、例えば
NO X 吸収剤のNOX 吸収量が増大するような運転条件
下では再生操作の間隔を短くしたり、あるいは、NOX
吸収剤の累積使用時間(劣化の程度)に応じてNOX
収剤の再生操作の間隔を短くするようにすることも考え
られる。
【0007】しかし、この場合も、NOX 吸収剤のNO
X 吸収能力を直接検出することはできないため、NOX
吸収剤の吸収能力に応じた適切な再生操作を行うことが
できない問題がある。例えば、上記特開昭62─106
826号公報の装置では、NOX 吸収剤の再生操作時に
は、NOX 吸収剤への排気の流入を遮断して還元剤の供
給を行っているが、遮断弁への異物噛込みなどによりN
X 吸収剤への排気の遮断が充分に行われなくなったよ
うな場合には、NOX 吸収剤の再生が不充分になった
り、再生後のNOX 吸収剤が次にNOX 吸収を開始する
前に排気中のNO X を吸収してしまうために、次にNO
X の吸収を開始したときにある程度の量のNOX が吸収
剤中に残存するようになる。このような場合には、NO
X 吸収剤のNOX 吸収能力は吸収開始時から低下してお
り、運転条件や劣化の程度に応じて再生操作実行間隔を
変化させただけでは、充分な排気浄化を行うことは出来
ない。
【0008】本発明は、上記問題に鑑み、NOX 吸収剤
のNOX 吸収能力に正確に対応した再生操作を行い、排
気浄化能力を向上させることが可能な内燃機関の排気浄
化装置を提供することを目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】請求項1に記載の本発明
によれば、内燃機関の排気通路に配置された、流入する
排気空燃比がリーンのときにNOX を吸収し、流入する
排気の酸素濃度が低下したときに吸収したNOX を放出
するNOX 吸収剤と、前記NOX 吸収剤下流側の排気通
路に配置され、排気中のNOX 濃度を検出するNOX
ンサと、前記NOX センサの検出したNOX 吸収剤下流
側での排気中のNOX 濃度に基づいて、前記NOX 吸収
剤の吸収能力の低下の有無を判定する判定手段と、前記
吸収能力が低下したと判定されたときに、前記NOX
収剤に流入する排気の空燃比をリッチまたは理論空燃比
にして、NOX 吸収剤から吸収したNOX を放出させる
再生手段、とを備えた内燃機関の排気浄化装置が提供さ
れる。
【0010】また、請求項2に記載の本発明によれば、
請求項1の発明において前記判定手段は、前記NOX
ンサの検出したNOX 吸収剤下流側での排気中のNOX
濃度が所定値以上であり、かつ前記NOX 濃度の増加速
度の変化率が負になったときにNOX 吸収剤の吸収能力
が低下したと判定するようにした内燃機関の排気浄化装
置が提供される。
【0011】一方、請求項3に記載の本発明によれば、
内燃機関の排気通路に配置された、流入する排気空燃比
がリーンのときにNOX を吸収し、流入する排気の酸素
濃度が低下したときに吸収したNOX を放出するNOX
吸収剤と、前記NOX 吸収剤上流側の排気中のNOX
度を検出する上流側NOX 濃度検出手段と、前記NO X
吸収剤下流側の排気通路に配置され、排気中のNOX
度を検出する下流側NOX センサと、前記上流側NOX
濃度検出手段により検出された前記NOX 吸収剤上流側
での排気中のNOX 濃度と、前記下流側NOX センサに
より検出された前記NOX 吸収剤下流側での排気中のN
X 濃度とに基づいて前記NOX 吸収剤の吸収能力の低
下の有無を判定する判定手段と、前記吸収能力が低下し
たと判定されたときに、前記NOX 吸収剤に流入する排
気の空燃比をリッチまたは理論空燃比にして、NOX
収剤から吸収したNOX を放出させる再生手段、とを備
えた内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【0012】また、請求項4に記載の本発明では、請求
項3に記載の発明において、前記判定手段は、前記上流
側でのNOX 濃度と前記下流側でのNOX 濃度との差
が、所定値以下になったときにNOX 吸収剤の吸収能力
が低下したと判定するようにした内燃機関の排気浄化装
置が提供される。更に、請求項5に記載の本発明では、
請求項3に記載の発明において、前記判定手段は、前記
下流側でのNOX 濃度と前記上流側NOX 濃度との比
が、所定値以上になったときにNOX 吸収剤の吸収能力
が低下したと判定するようにした内燃機関の排気浄化装
置が提供される。
【0013】また、請求項6に記載の本発明では、請求
項3から5のいずれかに記載の発明において、前記上流
側NOX 濃度検出手段が、前記NOX 吸収剤上流側の排
気通路に配置されたNOX センサからなる内燃機関の排
気浄化装置が提供される。更に、請求項7に記載の本発
明によれば、請求項3から5のいずれかに記載の発明に
おいて、前記上流側NOX 濃度検出手段が、前記機関の
運転状態を検出する手段と、検出された運転状態に基づ
いて、予め定められた関係から前記上流側でのNOX
度を演算する手段とを備えた内燃機関の排気浄化装置が
提供される。
【0014】また、請求項8に記載の本発明によれば、
内燃機関の排気通路に配置した、流入する排気の空燃比
がリーンのときに排気中のNOX を吸収し、排気酸素濃
度が低下したときに吸収したNOX を放出するNOX
収剤と、前記NOX 吸収剤の下流側の排気通路に配置さ
れ、排気中のNOX 濃度を検出するNOX センサと、所
定時間間隔で前記NOX 吸収剤に流入する排気の空燃比
をリッチまたは理論空燃比にして、NOX 吸収剤から吸
収したNOX を放出させるNOX 吸収剤の再生操作を行
う再生手段と、前記NOX センサにより検出された排気
中のNOX 濃度に基づいて、前記再生手段の前記NOX
吸収剤再生操作実行間隔を補正する補正手段、とを備え
た内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【0015】
【作用】以下、図1を用いて、本発明の作用を説明す
る。図1(A) は、NOX 吸収剤のNOX 吸収時間と下流
側に流出する排気中のNO X 濃度との関係の一例を示す
図である。図1(A) において、縦軸はNOX 濃度を、横
軸はNOX 吸収剤のNOX 吸収時間をそれぞれ示し、ま
た図1(A) にINで示すのはNOX 吸収剤に流入する上
流側排気中のNOX 濃度、OUTで示すのはNOX 吸収
剤から流出する下流側排気中のNOX 濃度を示してい
る。図1(A) に示すようにNOX 吸収剤がNOX 吸収開
始した後、NOX 吸収量が少ない間は流入排気中のNO
X のほとんどがNOX 吸収剤に吸収され、NOX 吸収剤
下流側排気中のNOX 濃度(OUT)は上流側排気中の
NOX 濃度(IN)に較べて低いレベルに維持される。
しかし、NOX 吸収剤の吸収時間が増大するにつれてN
X 吸収量の増加によりNOX 吸収剤の吸収能力が低下
するため、下流に流出する排気中のNOX 濃度は増大
し、NOX 吸収剤の吸収量が飽和に近づくと流入する排
気中のNOX はほとんど吸収されなくなり、下流側排気
中のNOX 濃度(OUT)が上流側排気中のNOX 濃度
(IN)とほとんど同じレベルになってしまう。前述の
特開昭62─106826号公報の装置では、これを防
止するために、NOX 吸収剤のNOX 吸収時間(再生操
作実行間隔)を図1(A) にT1 で示す一定の時間に設定
して下流側排気中のNOX 成分濃度が増大する前に再生
操作を行っている。
【0016】図1(B) は何らかの原因でNOX 吸収剤の
飽和量が低下した場合を示す図1(A) と同様な図であ
る。図1(B) では、NOX 吸収剤の飽和量が低下してい
るため、少ないNOX 吸収量でNOX 吸収剤の吸収能力
が低下するようになる。このため、図1(A) に較べて吸
収開始後短時間で下流側の排気中のNOX 濃度(OU
T)が増大するようになり、再生操作実行間隔を図1
(A) と同じT1 に固定していたのでは、再生操作を行う
前にNOX 吸収剤下流側の排気中のNOX 成分濃度が大
幅に増大して、排気性状が悪化してしまう。
【0017】本発明の請求項1に記載の発明では、NO
X 吸収剤の下流側に配置したNOXセンサによりNOX
吸収剤下流側の排気中のNOX 濃度を検出し、判定手段
はこの下流側NOX 濃度に基づいてNOX 吸収剤の吸収
能力が低下したか否かを判定する。また、再生手段は上
記によりNOX 吸収能力が低下したと判断されたとき
に、NOX 吸収剤に流入する排気の空燃比をリッチまた
は理論空燃比にしてNO X 吸収剤の再生を行う。これに
より、NOX 吸収剤の飽和量の変化にかかわらずNOX
吸収剤のNOX 吸収量が飽和量に到達する前にNOX
収剤の再生が行われ、NOX 吸収剤の吸収能力が回復す
るためNOX 吸収剤の状態の変化により排気性状が悪化
することがない。
【0018】また、上記の吸収能力の低下の有無の判定
は、例えば、請求項2に記載した方法で行われる。すな
わち、図1(A) (B) に示したように、吸収開始後の下流
側排気中のNOX濃度は、吸収開始直後は緩やかに上昇
し、その後次第に急に上昇するようになって、NOX
収量が飽和量に近づくと再び次第に緩やかになって上流
側排気中のNOX 濃度(図1(A) (B) IN)に漸近す
る。このため、下流側排気中のNOX濃度の増加速度
(図1(A) (B) のOUTで示したカーブの傾き)は、吸
収開始後次第に増加し、ある時間が経過すると再び減少
するようになる。すなわち、吸収開始後の下流側NOX
濃度の上昇曲線には増加率が正から負に変わる変曲点
(図1(A) のA点、図1(B) のA′点)が存在する。ま
た、この変曲点はNOX 吸収剤の飽和量の変化(図1
(A) (B) )にかかわらずNOX 吸収剤の吸収量が飽和量
に到達する前に現れる。請求項2に記載の発明では、下
流側NOX 濃度が上記の変曲点に到達したときにNOX
吸収剤の吸収能力が低下したと判定して再生を行うこと
により、NOX 吸収剤の飽和量の変化にかかわらず、N
X 吸収剤のNO X 吸収量が飽和量に到達する前にNO
X 吸収剤の吸収能力を回復させるようにしている。
【0019】一方、NOX 吸収剤下流側NOX 濃度は、
NOX 吸収剤の吸収能力が一定であっても、NOX 吸収
剤に流入する排気中のNOX 濃度(NOX 吸収剤上流側
の排気中のNOX 濃度)が変動すると、それに応じて変
動する。このため、下流側NOX 濃度のみに基づいてN
X 吸収剤の吸収能力を判定していると、上流側の排気
中のNOX 濃度が大幅に変動したような場合にはNOX
吸収剤の吸収能力の低下を正確に判定できない場合が生
じる。
【0020】請求項3に記載の発明では、上流側NOX
濃度検出手段によりNOX 吸収剤に流入する排気中のN
X 濃度を検出し、上流側NOX 濃度と下流側NOX
度との両方に基づいてNOX 吸収剤の吸収能力を判定す
ることにより、更に正確にNOX 吸収剤の吸収能力の低
下を判定している。すなわち、NOX 吸収剤の吸収能力
は流入する排気中のNOX のうち、どれだけのNOX
吸収することができるかによって表すことができるた
め、上流側NOX 濃度と下流側NOX 濃度とを用いるこ
とにより正確に吸収能力の判定を行うことができる。
【0021】例えば、上流側NOX 濃度と下流側NOX
濃度との差は、すなわちNOX 吸収剤に吸収されたNO
X 量を表し、NOX 吸収剤の吸収能力が低下すると、そ
れに応じて小さくなる。そこで、請求項4に記載の発明
ではNOX 吸収剤の上流側NOX 濃度と下流側NOX
度との差が所定値以下になったときにNOX 吸収剤の吸
収能力が低下したと判定している。
【0022】また、下流側NOX 濃度と上流側NOX
度との比はNOX 吸収剤に流入するNOX のうちNOX
吸収剤に吸収されずにNOX 吸収剤を通過するNOX
割合を表し、NOX 吸収剤の吸収能力が低下すると、そ
れに応じて増大する。そこで請求項5に記載の発明では
NOX 吸収剤の下流側NOX 濃度と上流側NOX 濃度と
の比が所定値以上になったときにNOX 吸収剤の吸収能
力が低下したと判定している。
【0023】また、請求項6に記載の発明では、上流側
NOX 濃度検出手段としてNOX 吸収剤上流側排気通路
にNOX センサを設け、直接上流側NOX 濃度を検出し
ているが、NOX 吸収剤上流側排気中のNOX 濃度は、
すなわち機関から排出される排気のNOX 濃度であるた
め機関の回転数、負荷等の機関運転条件に依存する。こ
のため、請求項7に記載の発明では、予め実測などによ
り機関の各運転条件における排気中のNOX 濃度を求め
ておき、上流側NOX 濃度検出手段は、機関の運転条件
から間接的に上流側NOX 濃度を検出するようにしてい
る。
【0024】また、上記の各請求項に記載の発明では、
NOX 吸収剤の吸収能力が低下したと判定される毎にN
X 吸収剤の再生を行うようにしているが、劣化等によ
るNOX 吸収剤の飽和量の低下は使用とともに徐々に進
行する場合が多い。そこで、請求項8に記載の発明で
は、再生手段は所定の時間間隔でNOX 吸収剤の再生操
作を行うようにして、補正手段により下流側NOX 濃度
に基づいて上記時間間隔を補正するようにしている。こ
れにより、NOX 吸収剤の再生の時間間隔はNO X 吸収
剤の飽和量の低下に合わせて調整されるようになり、前
述の各請求項に記載の発明と同様にNOX 吸収剤の飽和
により排気性状が悪化することが防止される。
【0025】
【実施例】以下添付図面を用いて本発明の実施例につい
て説明する。図2、図3はそれぞれ本発明の排気浄化装
置の実施例を示す内燃機関の全体図である。ここで、図
2は本発明を、排気通路にNOX 吸収剤を1つ配置して
排気の浄化を行う排気浄化装置に適用した場合を、図3
は本発明を、排気通路にNO X 吸収剤を並列に2つ配置
して交互に再生を行う排気浄化装置に適用した場合の構
成をそれぞれ示している。なお、図2、図3において同
一の機能を有する要素は同一の参照符号で示している。
【0026】以下、それぞれの実施例について説明す
る。図2において1はリーン空燃比の燃焼を行うことの
できるガソリンエンジン等の内燃機関、3は機関1の燃
焼室、6は機関の吸気ポート、8は排気ポートを示す。
各吸気ポート6は吸気枝管9を介してサージタンク10
に接続されるとともに、各枝管9にはそれぞれの吸気ポ
ート6に燃料を噴射する燃料噴射弁11が配置されてい
る。
【0027】また、サージタンク10は吸気通路12を
介してエアクリーナ13に接続され、吸気通路12内に
は運転者のアクセルペダル(図示せず)の操作に応じた
開度をとるスロットル弁14が配置されている。また、
サージタンク10にはサージタンク10内の絶対圧力に
比例した出力電圧を発生する吸気圧センサ15が設けら
れている。
【0028】一方、機関1の排気ポート8は排気マニホ
ルド16を介して排気通路17に接続されており、排気
通路17には後述するNOX 吸収剤18を内蔵したケー
シング19が接続されている。また、図2に20で示す
のは、NOX 吸収剤18の下流側の排気通路に設けられ
た、排気中のNOX 濃度を検出するNOX センサであ
る。
【0029】排気中のNOX 成分濃度を検出するNOX
センサとしては種々のタイプがあるが、本実施例では、
排気中のNOX 成分濃度をリアルタイムで検出しNOX
成分濃度に応じた電気信号を発生することが可能なタイ
プのNOX センサであれば使用することができる。この
種のNOX センサとしては、例えばチタニア(酸化チタ
ン)を主成分とするN型酸化物半導体セラミックスを検
出素子として用いたセンサがある。この半導体型センサ
は、排気中のNOX (NOまたはNO2 )がセンサ表面
に吸着される際に素子セラミックス中の電子を捕捉する
ことにより生じる電気抵抗値の変化から排気中のNOX
濃度を検出するタイプのものである図2に30で示すの
は、機関1の電子制御回路である。電子制御回路30は
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、出力ポート36をそれぞれ双方
向性バス31で接続した、公知の構成のディジタルコン
ピュータからなり、機関1の燃料噴射量制御、点火時期
制御等の機関の基本制御を行うほか、本実施例ではNO
X 吸収剤18の吸収能力の低下を判定する判定手段、N
X 吸収剤の再生を行う再生手段、NOX 吸収剤の再生
操作の時間間隔を補正する補正手段等の請求項に記載し
た各手段としての役割を果たしている。
【0030】上記目的のため、制御回路30の入力ポー
ト35には、吸気圧センサ15からの吸気圧力に応じた
電圧信号と、NOX センサ20からNOX 吸収剤下流側
排気中のNOX 濃度を表す電圧信号がそれぞれAD変換
器37を介して入力されている他、機関のディストリビ
ュータ(図示せず)に設けられた機関回転数センサ21
から機関回転数を表すパルス信号が入力されている。
【0031】また、制御回路30の出力ポート36は、
それぞれ対応する駆動回路38を介して燃料噴射弁11
と点火プラグ4とに接続され、燃料噴射弁11からの燃
料噴射と機関の点火時期とを制御している。次に、図3
の実施例の構成について説明する。図3において1は、
例えばディーゼルエンジン等のリーン空燃比運転を行う
内燃機関である。本実施例では、図2の実施例とは異な
り、内燃機関1の排気通路17には2つの分岐通路17
a、17bが設けられており、通路17a、17bに
は、図2の実施例と同様なNOX 吸収剤、それぞれ18
a、18bを内蔵したケーシング19a、19bが接続
されている。
【0032】また、排気通路17の通路17a、17b
の分岐部には排気切り換え弁22が設けられ、排気通路
17a、17bの任意の一方を所定の開度に閉鎖して排
気通路17a、17bに排気を分配するようになってい
る。例えば排気切換え弁22が図3に実線で示した位置
に切り換えられると、排気の大部分は分岐通路17b側
に流入し、分岐通路17a側に流入する排気流量が低減
される。また、排気切換え弁22が図3に点線で示した
位置に切り換えられると、排気の大部分は分岐通路17
a側に流入し、分岐通路17b側に流入する排気流量が
低減される。図に22aで示すのは、後述するエンジン
制御回路30からの制御信号により、切り換え弁22を
駆動して所定の切り換え位置をとらせるための負圧アク
チュエータ等、適宜な形式のアクチュエータである。
【0033】更に、分岐通路17a、17bのNOX
収剤18a、18b上流側には還元剤供給ノズル、それ
ぞれ42a、42bが接続されている。還元剤供給ノズ
ル42a、42bは、制御回路30からの制御信号に応
じて上記排気流量が低減された側のNOX 吸収剤18a
または18bに還元剤を供給してNOX 吸収剤の再生を
行うものである。
【0034】また、本実施例では分岐通路17a、17
bはNOX 吸収剤18a、18b下流側で再び合流して
おり、この合流部下流の排気通路には、図2と同様に排
気中のNOX 成分の濃度を検出するNOX センサ20が
設けられている。図に30で示すのは図2と同様の構成
の機関1の制御回路である。制御回路30は、本実施例
においても機関の燃料噴射量制御等の基本制御を行って
いる他、NOX 吸収剤18a、18bの吸収能力の低下
を判定する判定手段、排気切り換え弁22の切り換え位
置制御を行うとともに、還元剤供給装置41からのNO
X吸収剤18a、18bへの還元剤供給制御を行う再生
手段及び、NOX センサ20の出力に応じて排気切換え
弁22の切換え時間を制御する補正手段としての機能を
果たしている。
【0035】この制御のため、制御回路30の入力ポー
トには、機関回転数やアクセル開度などの機関制御用の
信号がそれぞれ回転数センサ21、アクセル開度センサ
55から入力されている他、NOX センサ20からの排
気NOX 濃度信号が入力されている。また、本実施例で
は、制御回路30の出力ポートは、各気筒の燃焼室に燃
料を噴射する図示しない燃料噴射弁、燃料噴射ポンプ等
の燃料系に駆動回路を介して接続され、各気筒への燃料
噴射量を制御している他、排気切換え弁22のアクチュ
エータ22aおよび還元剤供給装置41の制御弁44
a、44bに駆動回路38、図示しない負圧制御弁等を
介して接続され、これらの作動を制御している。
【0036】還元剤供給装置41は還元剤容器、加圧ポ
ンプ等から構成される還元剤供給源43と、還元剤供給
源43から還元剤供給ノズル42a、42bに供給され
る還元剤供給量の流量を調節する制御弁44a、44b
及び、ノズル42a、42bと制御弁14a、14bと
の間に配置された排気逆流防止用の逆止弁45a、45
bとを備えている。制御弁44a、44bは、後述する
NOX 吸収剤18a、18bの再生操作時、制御回路3
0の制御信号に応じて所定の開度をとり、開度に応じた
量の還元剤をNOX 吸収剤18a、18bに供給するも
のである。
【0037】NOX 吸収剤18a、18bのNOX
出、還元操作(再生操作)に使用する還元剤としては、
排気中で炭化水素、一酸化炭素等の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。本発明
による実施例では、内燃機関1としてディーゼルエンジ
ンを用いた場合には、機関燃料の軽油を還元剤として使
用でき、還元剤供給源43として機関の燃料タンク、燃
料ポンプ等を使用することができる。
【0038】次に、図2、図3のNOX 吸収剤18(1
8a、18b)について説明する。図2、図3において
ケーシング19(19a、19b)に内蔵されたNOX
吸収剤18(18a、18b)は、例えばアルミナ等の
担体を使用し、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
属とが担持された構成とされる。このNOX 吸収剤18
は流入する排気の空燃比がリーンの場合にはNOX を吸
収し、酸素濃度が低下するとNOX を放出するNOX
吸放出作用を行う。
【0039】なお、上述の排気空燃比とは、ここではN
X 吸収剤の上流側の排気通路や機関燃焼室、吸気通路
等にそれぞれ供給された空気量の合計と燃料、還元剤の
合計との比を意味するものとする。従って、NOX 吸収
剤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、排気空燃比は機関の空燃比(機関燃焼
室内の燃焼における空燃比)と等しくなる。
【0040】本実施例ではリーン空燃比の燃焼を行う機
関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、NOX 吸収剤は排気中のNOX の吸収を行
う。また、機関の空燃比がリーン空燃比からリッチ又は
理論空燃比に切り換えられ(図2の場合)、またはNO
X 吸収剤上流側排気通路に還元剤が供給され(図3の場
合)、排気中の酸素濃度が低下するとNOX 吸収剤は吸
収したNOX の放出を行う。
【0041】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、この吸放出作用
は図4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P
t 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。
【0042】すなわち、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4(A) に示
されるようにこれら酸素O2 がO2 - またはO2-の形で
白金Pt の表面に付着する。一方、機関からはNOX
大部分がNOの形で排出されるが、NOX 吸収剤に流入
する排気中のNOは白金Pt の表面上でこのO2 - また
はO2-と反応し、NO2 となる(2NO+O2 →2NO
2 ) 。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4(A) に示されるように硝酸イオンN
3 - の形で吸収剤内に拡散する。このようにしてNO
X がNOX 吸収剤内に吸収される。
【0043】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NOX
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NOX
吸収剤に流入する排気の空燃比がリッチまたは理論空燃
比になると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。これにより反応は逆方向(NO3 -
NO2 )に進み、吸収剤内の硝酸イオンNO3 - がNO
2 の形で吸収剤から放出される。
【0044】一方、流入排気中に未燃HC、CO等の成
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O2-と反応して酸化され、白金Pt 上の酸素を
消費する。また、NOX 吸収剤から放出されたNO2
図4(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。
【0045】すなわち、流入排気中のHC、COは、ま
ず白金Pt 上のO2 - またはO2-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O2-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NOX 、および排気ととも
に流入するNOX が還元される。図2の実施例では、制
御回路30は、通常は燃料噴射量を制御して通常はリー
ン空燃比の運転を行い、リーン空燃比運転が一定期間継
続してNOX 吸収剤18のNOX 吸収量が増大したとき
に燃料噴射量を増量して、短時間機関空燃比をリッチ空
燃比に切り換えてNOX 吸収剤の再生を行う。すなわ
ち、機関空燃比がリッチまたは理論空燃比に切換えられ
ると、排気中の酸素濃度が大幅に低下し、同時に排気中
の未燃HC、CO成分が増加する。これにより上述した
ようにNOX吸収剤18から吸収したNOX が放出され
るとともに、放出されたNOX 及び機関から排出された
NOX が未燃HC、COにより還元浄化される。
【0046】また、図3の実施例では、制御回路30は
排気切換え弁22の操作により交互にNOX 吸収剤18
aと18bのNOX 吸収と放出とを行う。すなわち、図
3の実施例では、排気切換え弁22の操作により一方の
NOX 吸収剤(例えば18a)に大部分の排気を流して
NOX を吸収させる。また、所定時間NOX 吸収を行っ
てNOX 吸収剤18aのNOX 吸収量が増大してくる
と、排気切換え弁22を切り換えて他方のNOX 吸収剤
18bに排気を流しNOX 吸収剤18aの再生を行う。
すなわち、NOX 吸収剤18aに流入する排気流量を低
減するとともに、還元剤供給ノズル42aからNOX
収剤18aに所定量の還元剤を供給する。還元剤の供給
によりNOX 吸収剤18aに流入する排気の空燃比がリ
ッチまたは理論空燃比になり、NOX 吸収剤18a上で
の還元剤の酸化により排気中の酸素が消費されると、酸
素濃度の低下によりNOX 吸収剤18aから吸収したN
X が放出され、排気中の還元剤により放出されたNO
X が還元浄化される。また、切換え後所定時間が経過し
てNOX 吸収剤18bのNOX 吸収量が増大してくる
と、再度排気切換え弁22の切換えを行い、NOX 吸収
剤18a側に排気を流してNOX 吸収剤18aによるN
X 吸収を再開するとともにNOX 吸収剤18bの再生
を行う。
【0047】上述のように、図2、図3の実施例ではN
X 吸収剤による排気中のNOX の吸収とNOX 吸収剤
の再生とを交互に繰り返すことにより排気の浄化を行っ
ているが、NOX 吸収剤の劣化などによりNOX 吸収剤
の吸収可能な最大NOX 量が低下してくると、再生後N
X 吸収剤の吸収能力が低下するまでの時間が次第に短
くなるため、前述のような問題が生じる。
【0048】NOX 吸収剤の飽和量の低下は、吸収剤B
aOの熱劣化等の他、硫黄被毒などにより生じる。例え
ば、機関の排気中には、燃料や潤滑油中に含まれる微量
の硫黄分の燃焼により生じる微量の硫黄酸化物(S
X )が含まれるが、排気中のSOX は上述のNOX
吸収と同じメカニズムでNOX 吸収剤に吸収されるた
め、NOX 吸収剤に吸収されたSOX によりNOX 吸収
剤の硫黄被毒が生じる場合がある。すなわち、排気空燃
比がリーンのとき排気中のSOX (例えばSO2 )は白
金Pt上で酸化されてSO3 - 、SO4 - となり、酸化
バリウムBaOと結合してBaSO 4 を形成する。とこ
ろが、BaSO4 は比較的安定であり、また、結晶が粗
大化しやすいため一旦生成されると分解放出されにく
い。このため、吸収されたSO X は通常のNOX 吸収剤
の再生操作では放出されずにNOX 吸収剤内に蓄積され
る傾向がある。このようにNOX 吸収剤中のBaSO4
の生成量が増大するとNOX の吸収に関与できるBaO
の量が減少してしまい、吸収可能な最大NOX 量(飽和
量)が低下してしまう、いわゆる硫黄被毒(またはSO
X 被毒)が生じるのである。また、NOX 吸収剤を長時
間使用して高温により吸収剤BaO自体が劣化したよう
な場合にも上記の硫黄被毒と同様に飽和量が低下する場
合がある。
【0049】更に、図3の実施例の構成では、例えば排
気切換え弁22に排気中のカーボン粒子等が堆積したた
め、切換え弁22が所定開度まで閉弁しなくなったよう
な場合にもNOX 吸収剤の飽和量の低下が生じる。すな
わち、切換え弁22が所定開度まで閉弁せず再生中のN
X 吸収剤に流入する排気の流量が増加すると、NO X
吸収剤に供給された還元剤が多量の排気で希釈されてし
まい、NOX 吸収剤中のNOX が充分に放出されず、再
生後のNOX 吸収剤中のNOX 残存量が増大してしまう
からである。
【0050】また、単位時間当たりにNOX 吸収剤に吸
収されるNOX 量は常に一定ではなく、機関負荷、機関
回転数(排気流量)、排気中のNOX 濃度、排気温度等
の機関運転条件により大きく変化する。このため、NO
X 吸収剤の吸収能力はNOX吸収剤の劣化程度ばかりで
なく機関運転条件などにより変化することから、前述の
特開昭62─106826号公報の装置のように再生操
作を行う時間間隔を一定値に固定したのでは、NOX
収剤の劣化に応じた適切な再生を行うことができない問
題がある。
【0051】本発明による実施例では、NOX 吸収剤1
8(18a、18b)の下流側に配置したNOX センサ
20により、NOX 吸収剤を下流側排気中のNOX 濃度
を検出することによりNOX 吸収剤18(18a、18
b)の吸収能力の変化を監視し、吸収能力が低下したと
きに再生操作を実行することにより、適切な再生操作の
時期を設定して上記の事態を防止している。
【0052】以下、上記実施例のNOX 吸収剤再生時期
の設定操作について説明する。なお、以下の設定操作は
図2、図3両方の構成に適用される。図5は制御回路3
0により一定時間毎に実行されるNOX 吸収剤再生時期
設定ルーチンのフローチャートの一例を示す。前述のよ
うに、NOX 吸収剤の吸収能力が低下すると、再生終了
後下流側排気のNOX 濃度が増大するようになる。ま
た、図1に示したようにNOX 吸収剤の劣化等による飽
和量の低下が生じるとNOX 吸収剤の吸収能力の低下は
再生後短時間で生じるようになる。図5の実施例では、
再生終了後のNOX 吸収剤下流側排気のNOX 濃度上昇
カーブを監視して、上昇カーブに変曲点(図1(A) (B)
におけるA、A′点)が検出されたときに、NOX 吸収
剤の吸収能力が低下したと判定してNOX 吸収剤の再生
を行う。これにより、NOX 吸収剤の劣化や機関運転状
態の変化等にかかわらずNOX 吸収剤のNOX 吸収量が
飽和量に到達する前に再生操作を行うことが可能とな
る。
【0053】図5においてルーチンがスタートすると、
ステップ501ではNOX 吸収剤18(18a、18
b)下流側のNOX センサ20からNOX 吸収剤下流側
排気のNOX 濃度NRが読み込まれ、ステップ503で
は前回ルーチン実行時のNOX濃度NRi-1 を用いて、
NOX 濃度の増加速度DNRが、DNR=NR−NRi-
1 として計算される。
【0054】また、ステップ505では、ステップ50
3で算出した増加速度DNRと、前回ルーチン実行時の
増加速度DNRi-1 とを用いて、NOX 濃度増加速度の
変化率D2NRが、D2NR=DNR−DNRi-1 とし
て計算され、ステップ507では、次回のルーチン実行
に備えてNRi-1 とDNRi-1 の値が更新される。次い
で、ステップ511、513では、読み込んだ下流側N
X 濃度NRと、上記により計算した増加速度の変化率
D2NRとの値からNOX 吸収剤18(18a、18
b)の吸収能力が低下したか否かが判定される。すなわ
ち、下流側NOX 濃度NRが所定値N1 以上(ステップ
511)であり、かつNOX の増加速度の変化率D2N
Rがゼロまたは負(ステップ513)であった場合に
は、NO X 吸収剤18(18a、18b)のNOX 吸収
能力が低下しており、再生操作が必要と判定して、ステ
ップ515に進み再生フラグFRをセット(=1)して
ルーチンを終了する。また、ステップ511、513の
条件のいずれかが成立しない場合には再生フラグFRの
値は変更せずにそのままルーチンを終了する。
【0055】ステップ513で再生フラグFRがセット
(=1)されると、別途制御回路30により実行される
図示しないルーチンにより、前述のように、機関燃料噴
射量の増量による機関空燃比のリッチ化(図2の場合)
または、切換弁22の切換と還元剤供給装置41からの
還元剤供給(図3の場合)によるNOX 吸収剤の再生操
作が行われる。また、所定時間再生操作が実行され、N
X 吸収剤の再生が終了すると、燃料噴射量は通常のリ
ーン空燃比相当値に戻され(図2の場合)、または還元
剤の供給が停止され(図3の場合)、さらに再生フラグ
FRはリセット(=0)される。なお、本実施例で下流
側NOX 濃度の増加カーブが変曲点に達したこと(ステ
ップ513)のみならず、下流側NOX 濃度が所定値以
上になったこと(ステップ511)を再生操作実行の要
件としている。これは、例えば機関運転状態の変化など
により、NOX 吸収剤に流入する排気NOX 濃度が急激
に減少したような場合には、下流側NOX 濃度もそれに
応じて減少するため、NO X 吸収剤の吸収能力が低下し
ていなくても下流側NOX 濃度の増加曲線に変曲点を生
じる場合があるため、このような場合にNOX 吸収剤の
再生が実行されてしまうことを防止するためである。
【0056】このように、本実施例では、NOX 吸収剤
下流側排気中のNOX 濃度を検出し、NOX 濃度変化を
監視することによりNOX 吸収剤の劣化(飽和量の変
化)や機関の運転状態の変化があっても、NOX 吸収剤
が吸収したNOX で飽和する前に余裕を持って再生操作
を行うことが可能となり、NOX 吸収剤の吸収能力の低
下による排気性状の悪化を有効に防止することが可能と
なる。
【0057】ところで、上記実施例では、NOX 吸収剤
下流側NOX 濃度変化のみに基づいてNOX 吸収剤の吸
収能力の低下の有無を検出していたが、NOX 吸収剤下
流側のNOX 濃度は、NOX 吸収剤の劣化の状態が同じ
であっても、NOX 吸収剤に流入する排気のNOX 濃度
が変化すれば、それに応じて変動する。すなわち、機関
運転条件の変化などにより、NOX 吸収剤に流入する排
気のNOX 濃度が増減すれば下流側のNOX 濃度もそれ
に応じて増減することになる。このため、下流側のNO
X 濃度のみに基づいてNOX 吸収剤の吸収能力を判定し
ていると、機関運転条件の変化などによってはNOX
収剤の吸収能力を正確に判定できない場合が生じるおそ
れがある。
【0058】そこで、図6、図7に説明する実施例で
は、図2、図3に点線で示したように、NOX 吸収剤1
8(18a、18b)上流側の排気通路に、下流側NO
X センサ20と同様なNOX センサ25を設けて、下流
側NOX 濃度に加えてNOX 吸収剤上流側NOX 濃度を
も検出し、これらのNOX 濃度の相互関係の変化にもと
づいてNOX 吸収剤の吸収能力の低下を判定している。
【0059】図6のルーチンでは、NOX 吸収剤18
(18a、18b)上流側NOX 濃度と下流側NOX
度との差に基づいてNOX 吸収剤吸収能力の低下を判定
する。NOX 吸収剤の上流側NOX 濃度と下流側NOX
濃度との差は、すなわちNOX吸収剤に実際に吸収され
たNOX 量を表すためNOX 吸収剤上流側と下流側のN
X 濃度差を監視することにより、上流側のNOX 濃度
の変動にかかわらずNO X 吸収剤の吸収能力の低下を検
出することができる。
【0060】図6においてルーチンがスタートすると、
ステップ601では、下流側NOXセンサ20から、N
X 吸収剤下流側排気中のNOX 濃度NRDが読み込ま
れ、ステップ603では上流側NOX センサ25からN
X 吸収剤上流側排気中のNOX 濃度NRUが読み込ま
れる。次いで、ステップ605では上記により読み込ん
だNRDとNRUとの差ΔNRが計算される。
【0061】また、ステップ607では上記により計算
した濃度差ΔNRが所定値ΔNR1以下か否かが判定さ
れる。ΔNR≦ΔNR1 である場合、すなわち下流側N
X濃度が上流側NOX 濃度に近づいている場合は、N
X 吸収剤の吸収能力が低下しており、再生操作が必要
と判断されるため、ステップ609に進み再生フラグF
Rをセット(=1)してルーチンを終了する。また、ス
テップ607でΔNR>ΔNR1 である場合には、NO
X 吸収剤が流入する排気中のNOX の大部分を吸収して
おり、NOX 吸収剤の吸収能力が低下していないと判定
されるため、再生フラグFRのセットは行わず、そのま
まルーチンを終了する。
【0062】なお、上記所定値ΔNR1 はNOX 吸収剤
の種類、サイズ等により異なり、実験等により決定する
ことが好ましい。また、図6において、再生フラグFR
がセット(=1)されると、別途制御回路30により実
行される図示しないルーチンにより、NOX 吸収剤18
(18a、18b)の再生操作が実行されるのは、図5
の実施例と同様である。
【0063】ところで、上記実施例では、上流側NOX
濃度と下流側NOX 濃度との差ΔNRを監視することに
より、NOX 吸収剤の吸収能力を判定しているが、濃度
の差ΔNR以外のパラメータを用いてNOX 吸収剤の吸
収能力を判定することも可能である。例えば、下流側N
X 濃度NRDと上流側NOX 濃度NRUとの比RNR
=NRD/NRUによりNOX 吸収剤の吸収能力を判定
することもできる。すなわち、上記濃度比RNRは、流
入する排気中のNOX のうち吸収されずに下流側に流出
するNOX の割合を表すため、濃度比RNRが増大した
場合はNOX 吸収剤の吸収能力が低下したことを意味し
ている。そこで、濃度の差ΔNRが所定値以下になった
ことを検出する代わりに上記濃度比RNRが所定値RN
1 (例えばRNR1 =0.8程度)より大きくなった
ことを検出してNOX 吸収剤の吸収能力の低下を判定す
ることもできる。
【0064】図7は濃度比RNRによるNOX 吸収剤劣
化判定ルーチンのフローチャートを示す。本ルーチン
も、図5、図6のルーチンと同様制御回路30により一
定時間毎に実行される。図7においてルーチンがスター
トすると、ステップ701では、下流側NOXセンサ2
0から下流側NOX 濃度NRDが、ステップ703では
上流側NOX センサ25から上流側排気中のNOX 濃度
NRUがそれぞれ読み込まれる。次いで、ステップ70
5では上記により読み込んだNRDとNRUとの比RN
Rが、RNR=NRD/NRUとして計算される。
【0065】また、ステップ707では上記により計算
した濃度の比RNRが所定値RNR 1 以上(例えば、R
NR1 =0.8程度)か否かが判定される。RNR≧R
NR 1 である場合、すなわち下流側NOX 濃度が上流側
NOX 濃度に近づいている場合は、NOX 吸収剤18
(18a、18b)に吸収されずにNOX 吸収剤下流側
に通過するNOX の量が増大しており、NOX 吸収剤の
吸収能力が低下していると考えられるため、ステップ7
09に進み再生フラグFRをセット(=1)してルーチ
ンを終了する。また、ステップ707でRNR<RNR
1 である場合には、NOX 吸収剤が流入する排気中のN
X の大部分を吸収しており、NOX 吸収剤の吸収能力
が低下していないと判定されるため、再生フラグFRの
セットは行わず、そのままルーチンを終了する。
【0066】再生フラグFRがセット(=1)される
と、別途制御回路30により実行される図示しないルー
チンにより、NOX 吸収剤18(18a、18b)の再
生操作が実行されるのは、図5、図6の実施例と同様で
ある。図6、図7の実施例によれば、下流側NOX 濃度
に加えて、上流側NOX 濃度を検出し、両方のNOX
度の相互関係に基づいてNOX 吸収剤の吸収能力を判定
するようにしたことにより、運転条件の変化等により、
NOX 吸収剤に流入する排気中のNOX 量が大幅に変動
したような場合にも正確にNOX 吸収剤の吸収能力を判
定することが可能となる。
【0067】なお、図6から図7の実施例ではNOX
収剤18(18a、18b)の上流側排気通路に設置し
た上流側NOX センサ25(図2、図3)により、NO
X 吸収剤18(18a、18b)の上流側排気中のNO
X 濃度を直接検出していたが、NOX 吸収剤の上流側N
X 濃度は、すなわち機関から排出される排気ガス中の
NOX 濃度である。また、機関から排出される排気ガス
のNOX 濃度は機関負荷と吸入空気量などの機関運転条
件により決定される。そこで、上記のようにNOX 吸収
剤上流側にNOX センサ25を設ける代わりに機関運転
条件からNOX吸収剤上流側のNOX 濃度を算出するこ
とも可能である。
【0068】この場合、予め機関吸気圧力PM(図2の
場合)またはアクセル開度ACC(図3の場合)と回転
数N(すなわち吸入空気量)とを変えた条件下で機関の
排気中のNOX 濃度RNUを実測して、吸気圧力PM
(またはスロットル開度ACC)と回転数Nとの関数と
して、NOX 濃度RNUを図8(A) (または図8(B) )
に示すような形式の数値テーブルの形で制御回路30の
ROM32に格納しておく。また、図6ステップ603
と図7ステップ703では、NOX センサ25からNO
X 吸収剤18(18a、18b)上流側NOX 濃度を読
み込む代わりに、図2の吸気圧センサ15から読み込ん
だ機関吸気圧力PM(または図3のアクセル開度センサ
55から読み込んだアクセル開度ACC)と回転数セン
サ21から読み込んだ機関回転数Nとを用いて、ROM
32に格納した図8(A) (または図8(B) )の数値テー
ブルから上流側NOX 濃度RNUを読みだすようにすれ
ば良い。
【0069】このように、機関運転条件からNOX 吸収
剤上流側のNOX 濃度を算出するようにすることによ
り、NOX 吸収剤上流側のNOX センサ25を省略して
装置を簡素化し装置コストを低減することができる。次
に、図9から図11を用いて本発明の別の実施例につい
て説明する。上記の各実施例ではNOX 吸収剤下流側N
X 濃度の変化によりNOX 吸収剤の吸収能力を判定
し、吸収能力が所定の値より低くなったときにNOX
収剤の再生操作を実行するようにしていた。これに対し
て、本実施例ではNOX 吸収剤の再生操作は所定間隔毎
に実行することとして、この再生操作の間隔を下流側排
気のNO X 濃度に基づいて補正するようにしている。こ
のように再生操作の実行間隔を補正することによって
も、上記の各実施例と同様にNOX 吸収剤の吸収能力の
変化に応じた再生操作を行うことができる。
【0070】図9は本実施例のNOX 吸収剤の再生実行
間隔の制御を説明する図である。図9(A) (B) は、NO
X 吸収剤のNOX 吸収時間とNOX 吸収剤下流側の排気
中のNOX 成分濃度を示す図1と同様な図である。本実
施例では、制御回路30はNOX 吸収剤がNOX 吸収を
開始してから一定時間TR 経過時の下流側排気NO X
度NARを検出し、このNOX 濃度NARに基づいてNOX
吸収剤のNOX 吸収時間(再生操作実行間隔)を補正す
る。すなわち、このNOX 濃度NARが所定値NACより大
きい場合には、NOX 吸収剤の吸収能力が低下している
と判断してNOX 吸収剤のNOX 吸収時間(再生操作実
行間隔)を所定時間だけ短縮する。また、このNOX
度NARが所定値NACより小さい場合には、NOX 吸収剤
のNO X 吸収能力に充分に余裕があると判断してNOX
吸収剤のNOX 吸収時間(再生操作実行間隔)を所定時
間だけ増大する。
【0071】例えば、図9(A) は図1(B) と同様にNO
X 吸収剤のNOX 吸収能力が低下した場合を示す。この
場合吸収開始後時間TR 経過時のNOX 吸収剤下流側排
気中のNOX 濃度(下流側NOX センサ20出力)NAR
は所定値NACより大きくなるため、制御回路30は前回
までの再生操作実行間隔TINT を所定値ΔTだけ短縮す
る。これにより、図9(A) に実線で示すように、NOX
吸収剤下流側の排気中のNOX 成分濃度が大幅に増大す
る前に再生操作が行われ、排気性状の悪化が防止され
る。
【0072】一方、図9(B) は上記と逆に運転条件の変
化等により機関のNOX 排出量が減少した場合等のよう
に、NOX 吸収剤のNOX 吸収能力に余裕が生じた場合
を示す。この場合、NOX 吸収剤の吸収能力に余裕があ
るため、吸収開始後時間TR経過時のNOX 吸収剤下流
側排気中のNOX 濃度NARは所定値NACに達していな
い。しかし、この場合も前回と同じ再生操作実行間隔で
NOX 吸収剤の再生を行ったのではNOX 吸収剤のNO
X 吸収量が少ない状態で再生を行うことになり、NOX
吸収剤の吸収能力を最大限に活用することができない。
そこで、この場合制御回路30は、前回までの再生操作
実行間隔TINT を所定値(例えば、1/2 ・ΔT)だけ増
大してNOX 吸収剤のNOX 吸収量が充分に増加してか
らNOX 吸収剤の再生を行うようにする。これにより、
NOX 吸収剤のNOX 吸収能力を最大限に活用した効率
的な排気浄化が可能となる。
【0073】なお、本実施例では、NOX 濃度NARの判
定値NACは例えば、NOX 吸収剤に流入する上流側排気
中のNOX 濃度(IN)の50パーセント程度に、ま
た、NOX 濃度の判定を行う時期TR は、標準的な再生
操作実行間隔(例えば3分)の1/2程度の時間に設定
される。図10は上記の再生操作実行間隔の補正動作
を、図3に示した排気浄化装置の構成にてきようした場
合の例を示すフローチャートである。本ルーチンは制御
回路30により一定間隔毎に実行される。
【0074】図10において、ルーチンがスタートする
とステップ1001では、時間tが所定時間TR か否か
が判断される。経過時間tは後述の図11のルーチンで
演算されるNOX 吸収剤18a、18bの切換えが行わ
れてからの経過時間である。ステップ1001でt≠T
R であれば、本ルーチンは以降の動作を行わずステップ
1019で終了する。また、t=TR であれば、ステッ
プ1003で機関運転条件を表すパラメータとしての機
関回転数Nとアクセル開度ACCとがそれぞれセンサ2
1、55(図3)から読み込まれ、ステップ1005で
はこれらのパラメータから図8(B) に基づいて機関の排
気NOX 濃度が計算され、この濃度に一定の係数(例え
ば0.5)を乗じた値がNACとして制御回路30のRA
Mに記憶される。
【0075】次いで、ステップ1007では下流側NO
X センサ20からNOX 吸収剤18a、18b下流側排
気中のNOX 濃度NARが読み込まれ、ステップ1009
では上記NARとNACとが比較される。ステップ1009
でNAR≧NACであった場合には、前述のようにNOX
収剤のNOX 吸収能力が低下しているため、ステップ1
011で再生操作実行間隔T INT が任意の一定値ΔTだ
け短縮されるとともに、ステップ1013では再生操作
時の還元剤供給装置41からの還元剤供給量CHが一定
量ΔCHだけ増大される。また、ステップ1009でN
AR<NACであった場合には、NOX 吸収能力に充分な余
裕があるため、ステップ1015で再生操作実行間隔T
INT が1/2 ・ΔTだけ増大されるとともに、ステップ1
017では還元剤供給装置41からの再生操作時の還元
剤供給量CHが所定量1/2 ・ΔCHだけ減少される。
【0076】ここで、NARの値に応じて還元剤供給量C
Hについても補正しているのは、劣化によりNOX 吸収
剤の飽和量が低下した場合には、よりリッチな排気空燃
比で再生を行うことによりNOX 吸収剤の飽和量がある
程度回復すること、また排気切換え弁2の異物噛み込み
等により再生時の排気流量が増大したためにNOX 吸収
剤の再生が不充分になっているような場合には供給する
還元剤の量を増加して再生時に適切な空燃比が得られる
ようにする必要があるからである。
【0077】なお、上記実行間隔TINT と還元剤供給量
CHとは機関始動時には適宜な所定値(初期値)に設定
されるが、制御回路30に機関停止時にも記憶保持可能
なバックアップRAMを設けて、上記ルーチンにより算
出した実行間隔TINT と還元剤供給量CHとを記憶さ
せ、初期値として用いても良い。また、図10のフロー
チャートには示していないが、上記補正後の再生実行間
隔TINT と還元剤供給量CHとには、それぞれ最大値と
最小値とを設定してこれらの値が過大または過少になる
のを防止するようにしても良い。
【0078】次に、図11は上記により設定された再生
操作実行間隔TINT と還元剤供給量CHとに基づくNO
X 吸収剤の再生操作を示すフローチャートである。本ル
ーチンも図10のルーチンと同様に制御回路30により
一定間隔毎に実行される。図11においてルーチンがス
タートすると、ステップ1101ではNOX 吸収剤18
a、18bの切換えが行われてからの経過時間を表すパ
ラメータtにΔtが加算される。ここで、Δtは本ルー
チンの実行間隔に相当する値である。後述のように、パ
ラメータtはNOX 吸収剤18a、18bの切換え操作
直後にクリアされるため、tの値はNOX 吸収剤18
a、18bの切換え操作後の経過時間を表している。
【0079】ステップ1103では、上記によりΔt加
算されたtの値が図10のルーチンで補正された再生操
作実行間隔TINT 以上か否かが判断され、TINT 以上で
あった場合にはステップ1105で排気切換え弁22が
切り換えられるとともに、今までNOX 吸収を行ってい
たNOX 吸収剤に還元剤供給装置41から図10のルー
チンで補正された後の量CHの還元剤が供給され、NO
X 吸収剤の再生が行われる。また、この排気切換え弁の
切換え後ステップ1107ではパラメータtがクリアさ
れルーチンが終了する。ステップ1103で時間tがT
INT に達していない場合には上記再生操作は行わずステ
ップ1109に進み、本ルーチンは直ちに終了する。
【0080】上述のように、本実施例によれば、NOX
吸収剤の吸収能力の変化に応じて適切な再生操作がおこ
なわれるため、NOX 吸収剤の吸収能力低下による排気
性状の悪化を防止するとともにNOX 吸収剤の吸収能力
を有効に活用することが可能となる。なお、図10、図
11の実施例では、図3の構成について説明したが、図
10、図11は図2のように排気通路に1つのNOX
収剤を配置して機関空燃比をリッチまたは理論空燃比に
切り換える場合についても同様に適用することができ
る。この場合、例えば図10ステップ1013、ステッ
プ1017で還元剤供給量CHを増減する代わりに、再
生操作時の機関への燃料供給量を増減するようにすれば
よい。
【0081】また、上記実施例ではNOX 濃度NARの判
定値NACは、機関運転条件から算出した機関排気NOX
濃度に基づいて算出しているが、NOX 吸収剤上流側の
排気通路にもNOX センサ25(図2、図3)を配置
し、直接NOX 吸収剤上流側の排気NOX 濃度を検出し
て判定値NACを決定しても良い。更に、上記上記実施例
ではNOX 濃度NARとして、NOX 吸収剤の吸収開始後
所定時間経過時点の排気中のNOX 濃度を用いている
が、一回の検出結果を用いるのではなく、一定の期間の
検出値の平均を求めてNARとして使用しても良い。
【0082】また、判定値NACは、上流側排気のNOX
濃度の一定割合とするのではなく、固定値を用いること
もできる。
【0083】
【発明の効果】本発明の排気浄化装置は、NOX 吸収剤
の下流側の排気通路に配置したNOXセンサによりNO
X 吸収剤を通過する排気中のNOX 濃度を検出し、この
NOX濃度に基づいてNOX 吸収剤の吸収能力を直接判
定して、NOX 吸収剤の吸収能力の変化に応じて適切な
再生操作を行うようにしたことにより、NOX 吸収剤の
飽和量の変化や機関運転状況の変動にかかわらず、排気
性状の悪化を防止してNOX 吸収剤の吸収能力を有効に
活用した効率的な排気浄化を行うことが可能となる効果
を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のNOX 吸収剤の吸収能力低下の判定原
理を説明する図である。
【図2】本発明の排気浄化装置を適用する内燃機関の一
実施例の概略図である。
【図3】本発明の排気浄化装置を適用する内燃機関の、
図2とは別の実施例の概略図である。
【図4】本発明のNOX 吸収剤のNOX 吸放出作用を説
明する図である。
【図5】本発明のNOX 吸収剤の再生時期設定動作の一
例を示すフローチャートである。
【図6】本発明のNOX 吸収剤の再生時期設定動作の一
例を示すフローチャートである。
【図7】本発明のNOX 吸収剤の再生時期設定動作の一
例を示すフローチャートである。
【図8】機関排気中のNOX 濃度を表す数値テーブルの
形式を示す図である。
【図9】NOX 吸収剤の再生操作実行間隔の補正動作を
説明する図である。
【図10】NOX 吸収剤の再生操作実行間隔の補正動作
の一例を示すフローチャートである。
【図11】NOX 吸収剤の再生操作の一例を示すフロー
チャートである。
【符号の説明】
1…内燃機関 17…排気通路 18、18a、18b…NOX 吸収剤 22…排気切り換え弁 20、25…NOX センサ 30…制御回路 41…還元剤供給装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI F02D 41/14 310 F02D 41/14 310J (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 (72)発明者 荒木 康 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自 動車株式会社内 (72)発明者 広田 信也 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自 動車株式会社内 (72)発明者 小端 喜代志 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 平7−189660(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) F01N 3/08 - 3/28 F02D 41/04 305 F02D 41/14 310

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 内燃機関の排気通路に配置された、流入
    する排気空燃比がリーンのときにNOX を吸収し、流入
    する排気の酸素濃度が低下したときに吸収したNOX
    放出するNOX 吸収剤と、 前記NOX 吸収剤下流側の排気通路に配置され、排気中
    のNOX 濃度を検出するNOX センサと、 前記NOX センサの検出したNOX 吸収剤下流側での排
    気中のNOX 濃度に基づいて、前記NOX 吸収剤の吸収
    能力の低下の有無を判定する判定手段と、 前記吸収能力が低下したと判定されたときに、前記NO
    X 吸収剤に流入する排気の空燃比をリッチまたは理論空
    燃比にして、NOX 吸収剤から吸収したNOXを放出さ
    せる再生手段、 とを備えた内燃機関の排気浄化装置。
  2. 【請求項2】 前記判定手段は、前記NOX センサの検
    出したNOX 吸収剤下流側での排気中のNOX 濃度が所
    定値以上であり、かつ前記NOX 濃度の増加速度の変化
    率が負になったときにNOX 吸収剤の吸収能力が低下し
    たと判定する請求項1に記載の排気浄化装置。
  3. 【請求項3】 内燃機関の排気通路に配置された、流入
    する排気空燃比がリーンのときにNOX を吸収し、流入
    する排気の酸素濃度が低下したときに吸収したNOX
    放出するNOX 吸収剤と、 前記NOX 吸収剤上流側の排気中のNOX 濃度を検出す
    る上流側NOX 濃度検出手段と、 前記NOX 吸収剤下流側の排気通路に配置され、排気中
    のNOX 濃度を検出する下流側NOX センサと、 前記上流側NOX 濃度検出手段により検出された前記N
    X 吸収剤上流側での排気中のNOX 濃度と、前記下流
    側NOX センサにより検出された前記NOX 吸収剤下流
    側での排気中のNOX 濃度とに基づいて前記NOX 吸収
    剤の吸収能力の低下の有無を判定する判定手段と、 前記吸収能力が低下したと判定されたときに、前記NO
    X 吸収剤に流入する排気の空燃比をリッチまたは理論空
    燃比にして、NOX 吸収剤から吸収したNOXを放出さ
    せる再生手段、 とを備えた内燃機関の排気浄化装置。
  4. 【請求項4】 前記判定手段は、前記上流側でのNOX
    濃度と前記下流側でのNOX 濃度との差が、所定値以下
    になったときにNOX 吸収剤の吸収能力が低下したと判
    定する請求項3に記載の排気浄化装置。
  5. 【請求項5】 前記判定手段は、前記下流側でのNOX
    濃度と前記上流側NOX 濃度との比が、所定値以上にな
    ったときにNOX 吸収剤の吸収能力が低下したと判定す
    る請求項3に記載の排気浄化装置。
  6. 【請求項6】 前記上流側NOX 濃度検出手段は、前記
    NOX 吸収剤上流側の排気通路に配置された、排気中の
    NOX 濃度を検出するNOX センサからなる請求項3か
    ら5のいずれか1項に記載の排気浄化装置。
  7. 【請求項7】 前記上流側NOX 濃度検出手段は、前記
    機関の運転状態を検出する手段と、検出された運転状態
    に基づいて、予め定められた関係から前記上流側でのN
    X 濃度を演算する手段とを備えた請求項3から5のい
    ずれか1項に記載の排気浄化装置。
  8. 【請求項8】 内燃機関の排気通路に配置した、流入す
    る排気の空燃比がリーンのときに排気中のNOX を吸収
    し、排気酸素濃度が低下したときに吸収したNOX を放
    出するNOX 吸収剤と、 前記NOX 吸収剤の下流側の排気通路に配置され、排気
    中のNOX 濃度を検出するNOX センサと、 所定時間間隔で前記NOX 吸収剤に流入する排気の空燃
    比をリッチまたは理論空燃比にして、NOX 吸収剤から
    吸収したNOX を放出させるNOX 吸収剤の再生操作を
    行う再生手段と、 前記NOX センサにより検出された排気中のNOX 濃度
    に基づいて、前記再生手段の前記NOX 吸収剤再生操作
    実行間隔を補正する補正手段、 とを備えた内燃機関の排気浄化装置。
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