JP3414323B2

JP3414323B2 - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP3414323B2
Application number: JP16392299A
Authority: JP
Inventors: 健治加藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-06-10
Filing date: 1999-06-10
Publication date: 2003-06-09
Anticipated expiration: 2019-06-10
Also published as: JP2000352308A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、希薄燃焼可能な内
燃機関より排出される排気ガスから窒素酸化物（ＮＯ
x）を浄化することができる排気浄化装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】希薄燃焼可能な内燃機関より排出される
排気ガスからＮＯxを浄化する排気浄化装置として、吸
蔵還元型ＮＯx触媒に代表されるＮＯx吸収材がある。Ｎ
Ｏx吸収材は、流入排気ガスの空燃比がリーン（即ち、
酸素過剰雰囲気下）のときにＮＯxを吸収し、流入排気
ガスの酸素濃度が低下したときに吸収したＮＯxを放出
するものであり、このＮＯx吸収材の一種である吸蔵還
元型ＮＯx触媒は、流入排気ガスの空燃比がリーン（即
ち、酸素過剰雰囲気下）のときにＮＯxを吸収し、流入
排気ガスの酸素濃度が低下したときに吸収したＮＯxを
放出しＮ₂に還元する触媒である。

【０００３】この吸蔵還元型ＮＯx触媒（以下、単に触
媒あるいはＮＯx触媒ということもある）を希薄燃焼可
能な内燃機関の排気通路に配置すると、リーン空燃比の
排気ガスが流れたときには排気ガス中のＮＯxが触媒に
吸収され、ストイキ（理論空燃比）あるいはリッチ空燃
比の排気ガスが流れたときに触媒に吸収されていたＮＯ
xがＮＯ₂として放出され、さらに排気ガス中のＨＣやＣ
Ｏなどの還元成分によってＮ₂に還元され、即ちＮＯxが
浄化される。

【０００４】しかしながら、吸蔵還元型ＮＯx触媒にリ
ーン空燃比の排気ガスを流し続けるとＮＯx触媒がＮＯx
で飽和し、それ以上ＮＯxを吸収することができなくな
ってしまう。そこで、ＮＯx触媒がＮＯxで飽和する前
に、所定のタイミングで理論空燃比またはリッチ空燃比
の排気ガスを流すことにより、ＮＯx触媒からＮＯxを放
出させるとともに、放出したＮＯxをＮ₂に還元する必要
がある。

【０００５】従来は、ＮＯx触媒に吸収されたＮＯx量を
内燃機関の運転状態から推定し、ＮＯx吸収量が所定量
に達したときに、理論空燃比またはリッチ空燃比の排気
ガスをＮＯx触媒に流してＮＯx放出・還元処理を行い、
ＮＯx吸収能力を回復している。図１２はＮＯx放出・還
元処理のための空燃比制御の一例を示す。

【０００６】ところで、一般に、内燃機関の燃料には硫
黄分が含まれており、内燃機関で燃料を燃焼すると、燃
料中の硫黄分が燃焼してＳＯ₂やＳＯ₃などの硫黄酸化物
（ＳＯx）が発生する。前記吸蔵還元型ＮＯx触媒は、Ｎ
Ｏxの吸収作用を行うのと同じメカニズムで排気ガス中
のＳＯxの吸収を行うので、内燃機関の排気通路にＮＯx
触媒を配置すると、このＮＯx触媒にはＮＯxのみならず
ＳＯxも吸収される。

【０００７】ところが、前記ＮＯx触媒に吸収されたＳ
Ｏxは時間経過とともに安定な硫酸塩を形成するため、
分解、放出されにくく触媒内に蓄積され易い傾向があ
る。ＮＯx触媒内のＳＯx蓄積量が増大すると、触媒のＮ
Ｏx吸収容量が減少するためＮＯx浄化率が低下する。こ
れが所謂ＳＯx被毒である。吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯ
x浄化能を長期に亘って高く維持するためには、ＮＯx触
媒に吸収されているＳＯxを適宜のタイミングで脱離さ
せる必要がある。

【０００８】そこで、従来は、特許番号第２７４５９８
５号の特許公報等に開示されているように、ＮＯx触媒
からＳＯxを脱離すべき時期（ＳＯx脱離処理の実行時
期）を車両の走行距離などから判定し、その実行時期に
理論空燃比の排気ガスをＮＯx触媒に流してＳＯxを放出
している。図１３はＳＯx脱離処理のための空燃比制御
の一例を示す。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】前記公報にも開示され
ているように、従来は、ＮＯx触媒に対するＮＯx放出・
還元処理の実行時期とＳＯx脱離処理の実行時期をそれ
ぞれ独立に制御していた。このように、これら実行時期
を独立に制御すると、図１３に示すように、ＳＯx脱離
処理の実行前までリーン空燃比の排気ガスがＮＯx触媒
に流れていることが多く、ＮＯx触媒にはＳＯxだけでな
くＮＯx及び酸素が吸着されていることになる。

【００１０】そのため、この状態でＳＯx脱離処理を実
行すると、ＳＯx脱離処理の初期においては排気ガス中
のＨＣが酸素との反応やＮＯxの放出・還元に消費され
てしまい、ＳＯxの脱離に有効に利用されないことにな
る。その結果、還元剤の消費量が多くなり、燃費悪化を
招いた。

【００１１】尚、ＮＯx触媒のＮＯx放出・還元処理実行
時期とＳＯx脱離処理実行時期とをそれぞれ独立に制御
していた大きな要因として、吸蔵還元型ＮＯx触媒の温
度特性がある。図５は吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx浄化
の温度特性を示している。この図からも分かるように、
ＮＯx浄化（吸放出・還元）が有効に行われる温度域は
約２５０゜Ｃ〜５００゜Ｃ程度であり、したがって、Ｎ
Ｏx放出・還元処理はこの温度域で行う必要がある。

【００１２】これに対して、従来の吸蔵還元型ＮＯx触
媒のＳＯx脱離の温度特性は、図６において破線で示す
ようになっており、ＳＯx脱離が有効に行われる温度域
は約５００゜Ｃ以上である。したがって、ＳＯx脱離処
理は５００゜Ｃ以上で行う必要がある。このように、そ
れぞれの処理に最適な温度条件が相違するため、同時処
理は有効的でなく、また、連続処理をする必然性もなか
ったのである。

【００１３】本発明はこのような従来の技術の問題点に
鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする
課題は、ＮＯxの放出・還元の実行時期に合わせて、Ｎ
Ｏx放出処理と同時にそして連続してＳＯx脱離処理を実
行することにより、還元剤の有効利用を図り、ひいては
燃費向上を図ることにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するために、以下の手段を採用した。本発明に係る内燃
機関の排気浄化装置は、（イ）希薄燃焼可能な内燃機関
の排気通路に設けられ、流入する排気ガスの空燃比がリ
ーンのときにNOxを吸収し流入する排気ガスの酸素濃度
が低いときに吸収したNOxを放出するNOx吸収材と、
（ロ）前記NOx吸収材に吸収されたNOx量が所定量に達し
たか否かを判定するNOx吸収量判定手段と、（ハ）前記N
Ox吸収量判定手段によりNOx量が所定量に達したと判定
されたときに、前記NOx吸収材からNOxを放出するNOx放
出処理と前記NOx吸収材からSOxを放出するSOx放出処理
を連続して実行すべく排気ガスの空燃比を制御する排気
空燃比制御手段と、を備え、前記排気空燃比制御手段
は、NOx放出処理のための第１の期間における排気ガス
の空燃比を、第１の期間の後に続くSOx脱離処理のため
の第２の期間における排気ガスの空燃比よりも、小さく
設定することを特徴とする。

【００１５】この排気浄化装置では、排気ガスの空燃比
がリーンのときに排気ガス中のＮＯx及びＳＯxがＮＯx
吸収材に吸収される。そして、ＮＯx吸収量判定手段に
よって、ＮＯx吸収材に吸収されたＮＯx量が所定量に達
したと判定されると、排気空燃比制御手段によって排気
ガスの空燃比がＮＯxの放出に最適な空燃比及びＳＯxの
脱離に最適な空燃比に制御され、ＮＯx放出処理とＳＯx
脱離処理が同時にそして連続して実行される。ＮＯx放
出処理とＳＯx脱離処理を同時にそして連続して実行す
ることにより、還元剤を無駄なく効率的に利用すること
ができる。尚、排気ガスの空燃比とは、機関吸気通路及
びＮＯx吸収材よりも上流での排気通路内に供給された
空気及び燃料（炭化水素）の比をいう。

【００１６】本発明における希薄燃焼可能な内燃機関と
しては、筒内直接噴射式のリーンバーンガソリンエンジ
ンやディーゼルエンジンを例示することができる。リー
ンバーンガソリンエンジンの場合には、排気ガスの空燃
比制御は燃焼室に供給される混合気の空燃比制御により
実行可能である。ディーゼルエンジンの場合の排気ガス
の空燃比制御については、吸気行程または膨張行程また
は排気行程で燃料を噴射する所謂副噴射を行うか、ある
いは、ＮＯx吸収材よりも上流の排気通路内に還元剤を
供給することにより実行することができる。

【００１７】ＮＯx吸収材としては、吸蔵還元型ＮＯx触
媒を例示することができる。吸蔵還元型ＮＯx触媒は、
流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯx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ＮＯxを放出し、Ｎ₂に還元する触媒である。この吸
蔵還元型ＮＯx触媒は、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
なる。

【００１８】ＮＯx吸収材に吸収されたＮＯx量は、機関
回転数と機関負荷から推定することができる。あるい
は、ＮＯx吸収材の上流にＮＯxセンサを設け、ＮＯxセ
ンサで検出したＮＯx濃度と排気ガス流量から推定する
ことも可能である。

【００１９】

【００２０】NOx吸収材からNOxを放出するときには排気
ガスの空燃比のリッチ度合を大きくした方が効率的であ
り、NOx吸収材からSOxを脱離するときには排気ガスの空
燃比を理論空燃比よりも若干リッチ（即ち、スライトリ
ッチ）にした方が効率的であり、また、SOxの脱離にはN
Oxの脱離よりも時間がかかる。そこで、第１の期間はNO
xの放出を主目的として排気ガスの空燃比を小さく（即
ち、リッチ度合を大きく）設定し、第２の期間はSOxの
脱離を目的として排気ガスの空燃比を第１の期間のとき
よりも大きく（リッチ度合を小さく）設定すれば、NOx
の放出とSOxの脱離が極めて効果的に行われる。

【００２１】さらに、前記排気空燃比制御手段は、前記
第２の期間のときに、理論空燃比もしくはそれよりもリ
ッチ側で排気ガスの空燃比を周期的に変化させるのが好
ましい。このようにすると、ＮＯx吸収材からＳＯxをよ
り効率的に脱離させることができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る内燃機関の排
気浄化装置の実施の形態を図１から図１１の図面に基い
て説明する。

【００２３】〔第１の実施の形態〕図１は本発明を希薄
燃焼可能な車両用ガソリンエンジンに適用した場合の概
略構成を示す図である。この図において、符号１は機関
本体、符号２はピストン、符号３は燃焼室、符号４は点
火栓、符号５は吸気弁、符号６は吸気ポート、符号７は
排気弁、符号８は排気ポートを夫々示す。

【００２４】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が取り付
けられている。サージタンク１０は吸気ダクト１２およ
びエアフロメータ２１を介してエアクリーナ１３に連結
され、吸気ダクト１２内にはスロットル弁１４が配置さ
れている。

【００２５】一方、排気ポート８は排気マニホルド１５
および排気管１６を介して吸蔵還元型ＮＯx触媒（ＮＯx
吸収材）１７を内蔵したケーシング１８に接続され、ケ
ーシング１８は排気管１９を介して図示しないマフラー
に接続されている。尚、以下の説明では、吸蔵還元型Ｎ
Ｏx触媒１７をＮＯx触媒１７と略す。

【００２６】エンジンコントロール用の電子制御ユニッ
ト（ＥＣＵ）３０はデジタルコンピュータからなり、双
方向バス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（セントラルプロセッサユニット）３
４、入力ポート３５、出力ポート３６を具備する。エア
フロメータ２１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。

【００２７】一方、ケーシング１８の下流の排気管１９
内には排気ガスの温度に比例した出力電圧を発生する温
度センサ２５が取り付けられており、この温度センサ２
５の出力電圧がＡＤ変換器３８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
表す出力パルスを発生する回転数センサ２６が接続され
ている。出力ポート３６は対応する駆動回路３９を介し
て夫々点火栓４および燃料噴射弁１１に接続されてい
る。

【００２８】このガソリンエンジンでは、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り、即ちリッチとなる。

【００２９】そして、この実施の形態のガソリンエンジ
ンでは、機関低中負荷運転領域では補正係数Ｋの値が
１．０よりも小さい値とされてリーン空燃比制御が行わ
れ、機関高負荷運転領域、エンジン始動時の暖機運転
時、加速時、高速の定速運転時では補正係数Ｋの値が
１．０とされてストイキ制御が行われ、機関全負荷運転
領域では補正係数Ｋの値は１．０よりも大きな値とされ
てリッチ空燃比制御が行われるように設定してある。

【００３０】内燃機関では通常、低中負荷運転される頻
度が最も高く、したがって運転期間中の大部分において
補正係数Ｋの値が１．０よりも小さくされて、リーン混
合気が燃料せしめられることになる。

【００３１】図３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。この図か
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。

【００３２】ケーシング１８内に収容されているＮＯx
触媒（吸蔵還元型ＮＯx触媒）１７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
とが担持されてなる。

【００３３】このＮＯx触媒１７を機関の排気通路に配
置すると、ＮＯx触媒１７は、流入する排気ガスの空燃
比（以下、排気空燃比ということもある）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。ここで、排気空燃比とは、機関吸気通路およびＮ
Ｏx触媒１７より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）の比をいう。

【００３４】なお、ＮＯx触媒１７より上流の排気通路
内に燃料（炭化水素）あるいは空気が供給されない場合
には、排気空燃比は燃焼室３内に供給される混合気の空
燃比に一致し、したがってこの場合には、ＮＯx触媒１
７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。

【００３５】ＮＯx触媒１７によるＮＯx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。以下、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。

【００３６】まず、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４
（Ａ）に示されるように酸素Ｏ₂がＯ₂ ^-又はＯ^2-の形で
白金Ｐｔの表面に付着する。一方、流入排気ガスに含ま
れる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）。

【００３７】次いで、生成されたＮＯ₂の一部は、白金
Ｐｔ上で酸化されつつＮＯx触媒１７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ＮＯ₃ ^-の形でＮＯx触媒１７内に拡
散する。このようにしてＮＯxがＮＯx触媒１７内に吸収
される。

【００３８】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、ＮＯx触媒１７のＮＯx
吸収能力が飽和しない限り、ＮＯ₂がＮＯx触媒１７内に
吸収されて硝酸イオンＮＯ₃ ^-が生成される。

【００３９】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、ＮＯx触媒１７内の硝酸イオ
ンＮＯ ₃ ^-がＮＯ₂またはＮＯの形でＮＯx触媒１７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触媒１７からＮＯxが放出されることになる。
図３に示されるように、流入排気ガスのリーンの度合い
が低くなれば流入排気ガス中の酸素濃度が低下し、した
がって流入排気ガスのリーンの度合いを低くすればＮＯ
x触媒１７からＮＯxが放出されることとなる。

【００４０】一方、このとき、燃焼室３内に供給される
混合気がストイキまたはリッチ空燃比になると、図３に
示されるように機関からは多量の未燃ＨＣ，ＣＯが排出
され、これら未燃ＨＣ，ＣＯは、白金Ｐｔ上の酸素Ｏ₂ ^-
又はＯ^2-と反応して酸化せしめられる。

【００４１】また、排気空燃比が理論空燃比またはリッ
チ空燃比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ＮＯx触媒１７からＮＯ₂またはＮＯが放出
され、このＮＯ₂またはＮＯは、図４（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てＮ₂
となる。

【００４２】即ち、流入排気ガス中のＨＣ，ＣＯは、ま
ず白金Ｐｔ上の酸素Ｏ₂ ^-又はＯ^2-とただちに反応して酸
化せしめられ、次いで白金Ｐｔ上の酸素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Ｈ
Ｃ，ＣＯによってＮＯx触媒１７から放出されたＮＯxお
よび流入排気ガス中のＮＯxがＮ₂に還元せしめられる。

【００４３】このようにして白金Ｐｔの表面上にＮＯ₂
またはＮＯが存在しなくなると、ＮＯx触媒１７から次
から次へとＮＯ₂またはＮＯが放出され、さらにＮ₂に還
元せしめられる。したがって、排気空燃比を理論空燃比
またはリッチにすると短時間の内にＮＯx触媒１７から
ＮＯxが放出されることになる。

【００４４】このように、排気空燃比がリーンになると
ＮＯxがＮＯx触媒１７に吸収され、排気空燃比を理論空
燃比あるいはリッチにするとＮＯxがＮＯx触媒１７から
短時間のうちに放出され、Ｎ₂に還元される。したがっ
て、大気中へのＮＯxの排出を阻止することができる。

【００４５】ところで、この実施の形態では前述したよ
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、また高負荷運転時等には混合気が理論
空燃比とされ、低中負荷運転時には混合気がリーンとさ
れるので、低中負荷運転時に排気ガス中のＮＯxがＮＯx
触媒１７に吸収され、全負荷運転時及び高負荷運転時等
にＮＯx触媒１７からＮＯxが放出され還元されることに
なる。しかしながら、全負荷運転あるいは高負荷運転等
の頻度が少なく、低中負荷運転の頻度が多くその運転時
間が長ければ、ＮＯxの放出・還元が間に合わなくな
り、ＮＯx触媒１７のＮＯxの吸収能力が飽和してＮＯx
を吸収できなくなってしまう。したがって、ＮＯx触媒
１７に吸収されているＮＯx量が所定量に達したときに
は、ＮＯx触媒１７からＮＯxを放出しＮ₂に還元するＮ
Ｏx放出・還元処理を実行する必要がある。

【００４６】一方、燃料には硫黄（Ｓ）が含まれてお
り、燃料中の硫黄が燃焼するとＳＯ₂やＳＯ₃などの硫黄
酸化物（ＳＯx）が発生し、ＮＯx触媒１７は排気ガス中
のこれらＳＯxも吸収する。ＮＯx触媒１７のＳＯx吸収
メカニズムはＮＯx吸収メカニズムと同じであると考え
られる。即ち、ＮＯx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を坦持さ
せた場合を例にとって説明すると、前述したように、排
気空燃比がリーンのときには、酸素Ｏ₂がＯ₂ ^-又はＯ^2-
の形でＮＯx触媒１７の白金Ｐｔの表面に付着してお
り、流入排気ガス中のＳＯx（例えばＳＯ₂）は白金Ｐｔ
の表面上で酸化されてＳＯ₃となる。

【００４７】その後、生成されたＳＯ₃は、白金Ｐｔの
表面で更に酸化されながらＮＯx触媒１７内に吸収され
て酸化バリウムＢａＯと結合し、硫酸イオンＳＯ₄ ^2-の
形でＮＯx触媒１７内に拡散し硫酸塩ＢａＳＯ₄を形成す
る。このＢａＳＯ₄は結晶が粗大化し易く、比較的安定
し易いため、一旦生成されると分解・脱離されにくい。
そして、ＮＯx触媒１７中のＢａＳＯ₄の生成量が増大す
るとＮＯx触媒１７の吸収に関与できるＢａＯの量が減
少してＮＯxの吸収能力が低下してしまう。これが即ち
ＳＯx被毒である。したがって、ＮＯx触媒１７のＮＯx
吸収能力を高く維持するためには、適宜のタイミングで
ＮＯx触媒１７に吸収されたＳＯxを脱離させるＳＯx脱
離処理を実行する必要がある。

【００４８】ここで、従来の吸蔵還元型ＮＯx触媒の場
合には、前述したように、ＮＯx浄化が有効に行われる
温度域とＳＯx脱離が有効に行われる温度域が相違して
いたので、ＮＯx放出・還元処理とＳＯx脱離処理を同時
に行うのが難しかった。しかしながら、近年の吸蔵還元
型ＮＯx触媒に関する研究により、従来よりも低い温度
でＳＯx脱離可能な吸蔵還元型ＮＯx触媒が開発されるに
至り、ＮＯx放出・還元処理とＳＯx脱離処理の同時及び
連続処理が可能になった。

【００４９】例えば、図６において実線で示すようなＳ
Ｏx脱離の温度特性を有する吸蔵還元型ＮＯx触媒の場合
には、約３００゜Ｃ以上であればＳＯx脱離が有効に行
われる。したがって、このＮＯx触媒であれば、ＮＯx浄
化に有効な温度域（約２５０〜５００゜Ｃ、図５参照）
とＳＯx脱離に有効な温度域（約３００゜Ｃ以上）が一
部重複するので、ＮＯx放出・還元処理とＳＯx脱離処理
を同時にそして連続して行うことが可能になった。

【００５０】そこで、この実施の形態の排気浄化装置で
は、ＮＯx触媒１７としては図６の実線で示すＳＯx脱離
温度特性を有する吸蔵還元型ＮＯx触媒を採用し、ＮＯx
触媒１７に吸収されているＮＯx量が所定量に達してＮ
Ｏx放出・還元処理の実行時期となった時に、ＮＯx放出
・還元処理とＳＯx脱離処理を同時にそして連続して実
行することとした。そして、ＮＯx触媒１７に吸収され
たＢａＳＯ₄は分解・脱離されにくく、ＮＯxの方が放出
され易いので、初めにＮＯx放出・還元処理を実行し、
その後でＳＯx脱離処理を実行することとした。以下、
ＮＯx放出・還元処理とＳＯx脱離処理を同時にそして連
続して行うことを、ＮＯx還元ＳＯx脱離同時処理と称
す。

【００５１】尚、ＮＯx触媒１７のＮＯx還元量と排気空
燃比（Ａ／Ｆ）の関係は図７に示すようになっており、
排気空燃比が小さいほど（即ち、リッチ度合が大きいほ
ど）ＮＯx還元量が大きくなる。

【００５２】一方、ＮＯx触媒１７のＳＯx脱離量と排気
空燃比（Ａ／Ｆ）の関係は図８に示すようになってお
り、理論空燃比よりややリッチ（Ａ／Ｆ＝１４．０付
近）で最大値を示し、それよりも排気空燃比が大きい場
合（即ち、リーンになると）にはＳＯx脱離量は激減す
るが、小さくなる場合（即ち、リッチ度合が大きくなる
場合）にはＳＯx脱離量が漸次減少していくものの空燃
比の影響はそれほど大きくない。

【００５３】この空燃比特性を考慮して、この実施の形
態では、ＮＯx還元ＳＯx脱離同時処理の処理期間を前後
二つの期間に分け、前半の第１の期間ではＮＯxの放出
・還元に効果的な排気空燃比とするべくエンジンにおけ
る空燃比をＡ／Ｆ＝１０〜１２とし、後半の第２の期間
ではＳＯx脱離に効果的な排気空燃比とするべくエンジ
ンにおける空燃比をＡ／Ｆ＝１４．０〜１４．５とし
た。

【００５４】図９は、ＮＯx還元ＳＯx脱離同時処理にお
ける排気空燃比とＮＯx触媒１７出口のＮＯx排出量（Ｎ
Ｏx濃度）及びＳＯx排出量（ＳＯx濃度）の経時変化を
示した図である。図９を参照して、ＮＯx還元ＳＯx脱離
同時処理における作用を説明する。

【００５５】ＮＯx還元ＳＯx脱離同時処理の実行前はリ
ーン空燃比での運転が行われており、その時点でＮＯx
触媒１７には酸素とＮＯxとＳＯxが吸着あるいは吸収さ
れている。そして、ＮＯx還元ＳＯx脱離同時処理が開始
されると、その第１の期間においてリッチ空燃比（Ａ／
Ｆ＝１０〜１２）の排気ガスがＮＯx触媒１７に流れ
る。

【００５６】この第１の期間では、初めに、ＮＯx触媒
１７に吸着されている酸素が排気ガス中のＣＯやＨＣの
酸化に消費される。そして、ＮＯx触媒１７に吸着され
ている酸素がなくなると、排気ガス中のＣＯやＨＣは、
ＮＯx触媒１７に吸収されているＮＯxの放出・還元に消
費される。一方、ＮＯx触媒１７に吸収されているＳＯx
は分解・脱離しにくいため、ＮＯx放出開始よりもかな
り時間が経過してからＳＯxの脱離が始まる。そして、
第１の期間の後半では、ＮＯx触媒１７においてＮＯxの
放出・還元とＳＯx脱離が同時に進行する。

【００５７】そして、ＮＯxの放出・還元の完了により
第１の期間を終了し、ＮＯx還元ＳＯx脱離同時処理は第
２の期間に入る。第２の期間では、ストイキに近いスラ
イトリッチな空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．０から１４．５）
の排気ガスがＮＯx触媒１７に流れる。これにより、Ｎ
Ｏx触媒１７から効率的にＳＯxが脱離する。

【００５８】このように、ＮＯx放出・還元処理とＳＯx
脱離処理を同時にそして連続して実行しているので、還
元剤を無駄なく効率的に利用することができ、その結
果、排気浄化に起因する燃費悪化を低減することができ
る。

【００５９】次に、図１０を参照して、この実施の形態
におけるＮＯx還元ＳＯx脱離同時処理実行ルーチンを説
明する。このルーチンを構成する各ステップからなるフ
ローチャートはＥＣＵ３０のＲＯＭ３２に記憶してあ
り、フローチャートの各ステップにおける処理は総てＥ
ＣＵ３０のＣＰＵ３４によって実行される。

【００６０】＜ステップ１０１＞まず、ＥＣＵ３０は、
ステップ１０１において、エンジンの運転状態を読み込
む。＜ステップ１０２＞次に、ＥＣＵ３０は、ステップ１０
２に進んで、ステップ１０１で読み込んだエンジン運転
状態に基づいて、エンジンがリーン空燃比による運転条
件か否かを判定する。ステップ１０２で否定判定した場
合にはリターンに進み、通常のエンジンの運転状態に応
じた空燃比制御に戻る。

【００６１】＜ステップ１０３＞ステップ１０２におい
て肯定判定した場合には、ＥＣＵ３０はステップ１０３
に進み、ＮＯx触媒１７に吸収されているＮＯx吸蔵量を
ＮＯxカウンタから読み込み、ＮＯx触媒１７に吸収され
ているＳＯx量をＳＯxカウンタから読み込む。

【００６２】エンジンがリーン空燃比で運転されている
ときに燃焼室３から排出されるＮＯx量は、エンジンの
運転状態（吸入空気量Ｑと機関負荷Ｑ／Ｎ）によって決
まり、その運転状態のときにＮＯx触媒１７に吸収され
るＮＯx量は、吸入空気量Ｑと機関負荷Ｑ／Ｎの関数と
して推定することができる。ちなみに、燃焼室３から排
出されるＮＯx量は、吸入空気量Ｑが多くなるほど増大
し、機関負荷Ｑ／Ｎが高くなるほど増大する。一方、エ
ンジンが理論空燃比またはリッチ空燃比で運転されてい
るときにＮＯx触媒１７から放出されるＮＯx量もエンジ
ンの運転状態に応じて決まり、これは予め実験により求
めることができる。したがって、これらデータをＮＯx
吸収マップ及びＮＯx放出マップとしてＥＣＵ３０のＲ
ＯＭ３２に予め記憶させておき、エンジンの運転状態に
応じてこれらマップを参照してＮＯx吸収量あるいはＮ
Ｏx放出量を求め、ＮＯxカウンタにおいて加算あるいは
減算することにより、現時点においてＮＯx触媒１７に
残存するＮＯx量（即ち、ＮＯx触媒１７に吸収されてい
るＮＯx吸蔵量）を求めることができる。

【００６３】一方、エンジンがリーン空燃比で運転され
ているときにＮＯx触媒１７に吸収されるＳＯx量は、燃
料消費量から推定することができる。そこで、エンジン
の運転状態から燃料消費量を算出し、この燃料消費量に
基づいてＮＯx触媒１７に吸収されるＳＯx量を求め、Ｓ
Ｏxカウンタで加算することにより、現時点においてＮ
Ｏx触媒１７に吸収されているＳＯx量を求めることがで
きる。

【００６４】＜ステップ１０４＞次に、ＥＣＵ３０は、
ステップ１０４に進み、ステップ１０３で読み込んだＮ
Ｏx吸蔵量が所定量に達したか否かを判定する。尚、こ
の実施の形態では、前記所定量は、ＮＯx触媒１７にお
けるＮＯx飽和量とした。ステップ１０４で否定判定し
た場合にはリターンに進み、通常のエンジンの運転状態
に応じた空燃比制御に戻る。

【００６５】＜ステップ１０５＞ステップ１０４で肯定
判定した場合には、ＥＣＵ３０は、ステップ１０５に進
み、エンジンの空燃比制御がリッチ空燃比制御中である
か否かを判定する。ステップ１０５において、リッチ空
燃比制御中でないとする否定判定は、この後、空燃比の
リッチ化を開始することを意味し、リッチ空燃比制御中
であるとする肯定判定は、既に空燃比のリッチ化が開始
されていることを意味する。

【００６６】＜ステップ１０６＞ステップ１０５におい
て否定判定した場合には、ＥＣＵ３０は、ステップ１０
６に進み、ＮＯxの放出・還元に最適な排気空燃比とす
るべく、エンジンの目標空燃比をリッチ空燃比（Ａ／Ｆ
＝１０〜１２）に設定する。

【００６７】＜ステップ１０７＞次に、ＥＣＵ３０は、
ステップ１０７に進んで、エンジンの空燃比がステップ
１０６で設定した目標空燃比となるようにリッチ空燃比
制御を実行する。このリッチ空燃比制御の実行により、
ＮＯx触媒１７にはリッチ空燃比（Ａ／Ｆ＝１０〜１
２）の排気ガスが流れるようになる。そして、この時が
ＮＯx還元ＳＯx脱離同時処理における前記第１の期間の
始期になる。ステップ１０７の後、ＥＣＵ３０はステッ
プ１０５に戻る。

【００６８】＜ステップ１０８＞ステップ１０７からス
テップ１０５に戻ったときは、既にリッチ空燃比制御を
実行中であるので、ステップ１０５において肯定判定が
なされ、ＥＣＵ３０は、ステップ１０８に進み、ＮＯx
放出・還元が完了したか否かを判定する。この判定は前
記ＮＯxカウンタにより行われ、前記ＮＯxカウンタによ
るＮＯx吸蔵量が零となったときに、ＮＯx放出・還元が
完了したものと判定される。

【００６９】ステップ１０８で否定判定した場合には、
ＮＯxの放出・還元がまだ完了していないので、ＥＣＵ
３０は、ステップ１０６、ステップ１０７に進んで、リ
ッチ空燃比制御を続行する。

【００７０】＜ステップ１０９＞そして、ステップ１０
８で肯定判定した場合には、ＥＣＵ３０は、ステップ１
０９に進み、ＳＯx脱離が完了したか否か判定する。そ
して、この時がＮＯx還元ＳＯx脱離同時処理における第
１の期間の終期になるとともに、第２の期間の始期にな
る。

【００７１】＜ステップ１１０＞ステップ１０９で否定
判定した場合には、ＥＣＵ３０は、ステップ１１０に進
み、ＳＯxの脱離に最適な排気空燃比とするべく、エン
ジンの目標空燃比をスライトリッチ（Ａ／Ｆ＝１４．０
〜１４．５）に設定する。

【００７２】＜ステップ１０７＞次に、ＥＣＵ３０は、
ステップ１０７に進んで、エンジンの空燃比がステップ
１１０で設定した目標空燃比となるようにリッチ空燃比
制御を実行する。このリッチ空燃比制御の実行により、
ＮＯx触媒１７にはスライトリッチな空燃比（Ａ／Ｆ＝
１４．０〜１４．５）の排気ガスが流れるようになる。
ステップ１０７の後、ＥＣＵ３０はステップ１０５に戻
り、ステップ１０９で肯定判定されるまでスライトリッ
チのリッチ空燃比制御が続行される。

【００７３】＜ステップ１１１＞ステップ１０９で肯定
判定した場合には、ＥＣＵ３０は、ステップ１１１に進
み、ＮＯx還元ＳＯx脱離同時処理のための空燃比のリッ
チ化を終了し、通常のエンジンの運転状態に応じた空燃
比制御に戻る。この時がＮＯx還元ＳＯx脱離同時処理に
おける第２の期間の終期になる。

【００７４】尚、ＳＯxの脱離完了の判定は、前記第２
の期間開始からの経過時間により行う。即ち、ＳＯxの
脱離に必要な所要時間はＮＯx触媒１７に吸収されてい
るＳＯx量の大きさによって異なり、ＳＯx吸収量が多い
ほど長い時間が必要である。そこで、予め実験により、
ＳＯx吸収量とこれをほぼ完全に脱離させるのに必要な
脱離時間との関係を求め、これを脱離時間マップとして
ＲＯＭ３２に記憶させておき、ステップ１０３で読み込
んだＳＯx吸収量に基づいてＳＯx脱離時間を設定し、ス
テップ１０９において第２の期間開始からの経過時間が
ＳＯx脱離時間に達したか否か判定し、ＳＯx脱離完了か
否かを判定する。

【００７５】ＥＣＵ３０による一連の信号処理のうちス
テップ１０４を実行する部分は、ＮＯx触媒（ＮＯx吸収
材）に吸収されているＮＯx量が所定量に達したか否か
を判定するＮＯx吸収量判定手段ということができ、ま
た、ステップ１０５〜ステップ１１１を実行する部分
は、ＮＯx放出処理とＳＯx脱離処理を連続して実行すべ
く排気ガスの空燃比を制御する排気空燃比制御手段とい
うことができる。

【００７６】尚、上述実施の形態で使用したＮＯx触媒
１７の場合には、図６の実線で示すＳＯx脱離温度特性
を有していて、約３００゜Ｃ〜約６５０゜Ｃの範囲でＳ
Ｏx脱離量にほとんど変化が見られないので、ＳＯx脱離
時間をＳＯx吸収量に基づいて設定した。

【００７７】しかしながら、使用するＮＯx触媒１７に
よっては、図６において一点鎖線で示すように、ＳＯx
脱離量が触媒温度によって大きく相違するＳＯx脱離特
性を有する場合もある。そのような場合には、触媒温度
に応じてＳＯx脱離時間を補正するのが好ましい。即
ち、触媒温度が高いときには触媒温度が低いときよりも
ＳＯx脱離時間が短くなるように補正する。尚、図１に
示す排気浄化システムの場合には、温度センサ２５によ
り検出した排気ガス温度を触媒温度として代用する。

【００７８】〔第２の実施の形態〕次に、図１１を参照
して、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第２の実
施の形態を説明する。第２の実施の形態が第１の実施の
形態と相違する点は、ＮＯx還元ＳＯx脱離同時処理にお
ける第２の期間での排気空燃比の制御方法にあり、それ
以外は第１の実施の形態と同じである。

【００７９】前述したように、第２の期間はＮＯx触媒
１７からＳＯxを脱離するために排気空燃比をスライト
リッチにする期間であり、前記第１の実施の形態では第
２の期間中、空燃比一定で行っていた。

【００８０】しかしながら、近年のＳＯx脱離に関する
実験結果から、空燃比を一定にして行うよりも、ストイ
キあるいはストイキよりもリッチ側において空燃比を周
期的に変化させた方がＳＯxの脱離に効果があるという
ことが判明した。

【００８１】そこで、この第２の実施の形態では、ＮＯ
x還元ＳＯx脱離同時処理における第２の期間では、排気
空燃比をストイキよりもリッチ側において周期的に変化
させるようにした。

【００８２】排気空燃比の周期的変化がＳＯx脱離を促
進する理由は明らかでない。しかしながら、今までのＳ
Ｏx脱離に関する実験結果からは、ＳＯxはＮＯx触媒１
７から脱離する場合、脱離、吸着、脱離、吸着を繰り返
しながら下流側に移動していき、最後にＮＯx触媒１７
から排出されていくものと推定される。そして、排気空
燃比の周期的変化は、この脱離と吸着の繰り返しを促進
する作用があるものと推定される。

【００８３】〔他の実施の形態〕前述した各実施の形態
では本発明をガソリンエンジンに適用した例で説明した
が、本発明をディーゼルエンジンに適用することができ
ることは勿論である。ディーゼルエンジンの場合は、燃
焼室での燃焼がストイキよりもはるかにリーン域で行わ
れるので、通常の機関運転状態ではＮＯx触媒１７に流
入する排気ガスの空燃比は非常にリーンであり、ＮＯx
及びＳＯxの吸収は行われるものの、ＮＯx及びＳＯxの
放出が行われることは殆どない。

【００８４】また、ガソリンエンジンの場合には、前述
したように燃焼室３に供給する混合気をストイキあるい
はリッチにすることにより排気空燃比をストイキあるい
はリッチにし、排気ガス中の酸素濃度を低下させて、Ｎ
Ｏx触媒１７に吸収されているＮＯxやＳＯxを放出させ
ることができるが、ディーゼルエンジンの場合には、燃
焼室に供給する混合気をストイキあるいはリッチにする
と燃焼の際に煤が発生するなどの問題があり採用するこ
とはできない。

【００８５】したがって、本発明をディーゼルエンジン
に適用する場合、排気空燃比をストイキあるいはリッチ
にするためには、機関出力を得るために燃料を燃焼する
のとは別に、還元剤（例えば燃料である軽油）を排気ガ
ス中に供給する必要がある。排気ガスへの還元剤の供給
は、吸気行程や膨張行程や排気行程において気筒内に燃
料を副噴射することによっても可能であるし、あるい
は、ＮＯx触媒１７の上流の排気通路内に還元剤を供給
することによっても可能である。

【００８６】尚、ディーゼルエンジンであっても排気再
循環装置（所謂、ＥＧＲ装置）を備えている場合には、
排気再循環ガスを多量に燃焼室に導入することによっ
て、排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比
にすることが可能である。

【００８７】

【発明の効果】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置に
よれば、（イ）希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に設
けられたＮＯx吸収材と、（ロ）前記ＮＯx吸収材に吸収
されたＮＯx量が所定量に達したか否かを判定するＮＯx
吸収量判定手段と、（ハ）前記ＮＯx吸収量判定手段に
よりＮＯx量が所定量に達したと判定されたときに、前
記ＮＯx吸収材からＮＯxを放出するＮＯx放出処理と前
記ＮＯx吸収材からＳＯxを放出するＳＯx放出処理を連
続して実行すべく排気ガスの空燃比を制御する排気空燃
比制御手段と、を備えることにより、ＮＯx吸収材から
のＮＯxの放出とＳＯxの脱離を同時にそして連続して行
うことができ、還元剤を無駄なく有効に使用することが
でき、その結果、ＮＯx放出、ＳＯx脱離に起因する燃費
悪化を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第１
の実施の形態の概略構成図である。

【図２】基本燃料噴射時間のマップの一例を示す図で
ある。

【図３】機関から排出される排気ガス中の未燃ＨＣ，
ＣＯおよび酸素の濃度を概略的に示す線図である。

【図４】吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx吸放出作用を説
明するための図である。

【図５】吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx浄化率と触媒温
度との関係を示す図である。

【図６】吸蔵還元型ＮＯx触媒のＳＯx脱離量と触媒温
度との関係を示す図である。

【図７】吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx還元量と空燃比
との関係を示す図である。

【図８】吸蔵還元型ＮＯx触媒のＳＯx脱離量と空燃比
との関係を示す図である。

【図９】前記第１の実施の形態において空燃比と触媒
出口のＮＯx／ＳＯx排出量の経時変化を示す図である。

【図１０】前記第１の実施の形態におけるＮＯx還元
ＳＯx脱離同時処理実行ルーチンである。

【図１１】本発明の第２の実施の形態における空燃比
制御を示す図である。

【図１２】従来のＮＯx放出・還元処理における空燃
比制御を示す図である。

【図１３】従来のＳＯx脱離処理における空燃比制御
を示す図である。

【符号の説明】

１エンジン本体（内燃機関）３燃焼室４点火栓１１燃料噴射弁１６排気管（排気通路）１７吸蔵還元型ＮＯx触媒（ＮＯx吸収材）１８ケーシング１９排気管（排気通路）３０ＥＣＵ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＦ０２Ｄ 41/04 ３５５Ｆ０２Ｄ 41/04 ３５５ (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F01N 3/08 - 3/28 F02D 41/04

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】（イ）希薄燃焼可能な内燃機関の排気通
路に設けられ、流入する排気ガスの空燃比がリーンのと
きにNOxを吸収し流入する排気ガスの酸素濃度が低いと
きに吸収したNOxを放出するNOx吸収材と、（ロ）前記NO
x吸収材に吸収されたNOx量が所定量に達したか否かを判
定するNOx吸収量判定手段と、（ハ）前記NOx吸収量判定
手段によりNOx量が所定量に達したと判定されたとき
に、前記NOx吸収材からNOxを放出するNOx放出処理と、
前記NOx吸収材からSOxを脱離するSOx脱離処理を連続し
て実行すべく排気ガスの空燃比を制御する排気空燃比制
御手段と、を備え、前記排気空燃比制御手段は、NOx放出処理のための第１
の期間における排気ガスの空燃比を、第１の期間の後に
続くSOx脱離処理のための第２の期間における排気ガス
の空燃比よりも、小さく設定することを特徴とする内燃
機関の排気浄化装置。
【請求項２】前記排気空燃比制御手段は、前記第２の
期間のときに、理論空燃比もしくはそれよりもリッチ側
で排気ガスの空燃比を周期的に変化させることを特徴と
する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。