JP3496557B2

JP3496557B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP3496557B2
Application number: JP04381799A
Authority: JP
Inventors: 信也広田; 俊明田中; 俊祐利岡
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-02-22
Filing date: 1999-02-22
Publication date: 2004-02-16
Anticipated expiration: 2019-02-22
Also published as: JP2000240433A

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吸収剤がある。Ｎ
Ｏx吸収剤は、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吸収剤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】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この
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。

【０００５】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、
前記ＮＯx触媒からＮＯxの放出・還元を行うのと同じ条
件下では、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ＮＯx吸収容量が減少して排気ガス中のＮＯxの除
去を十分に行うことができなくなりＮＯx浄化効率が低
下する。これが所謂ＳＯx被毒である。

【０００６】そこで、吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx浄化
能を長期に亘って高く維持するために、ＮＯx触媒より
も上流に、排気ガス中のＳＯxを主に吸収するＳＯx吸収
剤を配置し、ＮＯx触媒にＳＯxが流れ込まないようにし
てＳＯx被毒の防止を図った排気浄化装置が開発されて
いる。ＳＯx吸収剤は専らＳＯxを吸収するものであり、
ＮＯx浄化能を持ち併せていない。

【０００７】前記ＳＯx吸収剤は、流入ガスの空燃比が
リーンのときにＳＯxを吸収し、流入ガスの酸素濃度が
低いときに吸収したＳＯxをＳＯ₂として放出するもので
あるが、このＳＯx吸収剤のＳＯx吸収容量にも限りがあ
るため、ＳＯx吸収剤がＳＯxで飽和する前にＳＯx吸収
剤からＳＯxを放出させる処理、即ち再生処理を実行す
る必要がある。

【０００８】ＳＯx吸収剤の再生処理技術については、
例えば特許番号第２６０５５８０号の特許公報に開示さ
れている。この公報によれば、ＳＯx吸収剤に吸収され
たＳＯxを放出させるには、流入排気ガスの空燃比をス
トイキまたはリッチにして酸素濃度を低下させる必要が
あり、また、ＳＯx吸収剤の温度が高い方がＳＯxが放出
され易いとされている。

【０００９】さらに、この公報に開示された再生処理技
術では、ＳＯx吸収剤からＳＯxを放出させたときに、放
出されたＳＯxが下流に配置されているＮＯx触媒に吸収
されるのを防止するために、ＳＯx吸収剤とＮＯx触媒と
を接続する排気管から分岐してＮＯx触媒を迂回するバ
イパス通路を設けるとともに、排気ガスをＮＯx触媒と
バイパス通路のいずれに流すか選択的に切り替える排気
切替弁を設け、ＳＯx吸収剤からＳＯxを放出させる再生
処理実行中は排気切替弁により排気ガスをバイパス通路
に流れるようにしてＮＯx触媒には流れないようにし、
再生処理を実行していない時には排気切替弁により排気
ガスをＮＯx触媒に流れるようにしてバイパス通路には
流れないようにしている。このようにすると、再生処理
実行中においては、ＳＯx吸収剤から放出されたＳＯxが
ＮＯx触媒に流れ込まなくなるので、ＮＯx触媒がＳＯx
被毒するのを阻止することができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】前記公報に開示された
再生処理技術によれば、前述したように、ＳＯx吸収剤
を再生処理していない時、即ち、ＮＯx触媒によってＮ
Ｏxの吸・放出還元処理を行う時には、排気ガスがＮＯx
触媒には流れるが、バイパス通路には流れないように、
排気切替弁を切り替えている。この場合には、排気ガス
中のＳＯxはＳＯx吸収剤で吸収され、ＳＯxを含まない
排気ガスがＮＯx触媒に流れることとなる。

【００１１】しかしながら、ここで使用されている排気
切替弁のシール性は不完全であり、バイパス通路側を閉
鎖するように弁体が位置しても排気ガスがバイパス通路
に若干漏れることがあった。ちなみに、現在使用されて
いる排気切替弁の漏れの程度は１〜１０％程度である。
排気切替弁からバイパス通路に漏洩する排気ガスは、Ｓ
Ｏx吸収剤を通っているのでＳＯxを含むことはないもの
の、ＮＯxは含んでいる。

【００１２】近年の触媒技術の発達により、ＮＯx触媒
によるＮＯx浄化率は９０％を越える状況にあり、ＮＯx
が浄化されていない排気ガスが微量とはいえバイパス通
路を通って排出されると、前記排気切替弁の漏れによる
排気エミッション低下は無視できないものとなる。

【００１３】さらに、ＳＯx吸収剤は熱劣化によってＳ
Ｏx脱離特性が変化し、熱劣化が進行するとＳＯxが脱離
し易くなるため、バイパス制御が難しかった。

【００１４】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、排気流れ切替手段によるバイパス通路閉鎖時に
排気ガスがバイパス通路に漏れても、その漏れに起因し
て排気エミッションが低下しないようにすることにあ
る。

【００１５】

【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
の排気通路に配置され、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を放出する下流側ＮＯｘ
吸収剤と、（ロ）前記ＮＯx吸収剤よりも上流の前記排
気通路に配置され、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吸収剤であっ
て、アルカリ度が前記下流側ＮＯｘ触媒ＮＯｘ吸収剤よ
りも高い上流側ＮＯｘ吸収剤と、（ハ）前記上流側ＮＯ
ｘ吸収剤の下流で分岐し前記下流側ＮＯｘ吸収剤を迂回
して排気ガスを流すバイパス通路と、（ニ）前記上流側
ＮＯｘ吸収剤から流出した排気ガスを前記下流側ＮＯｘ
吸収剤と前記バイパス通路のいずれに導くか選択的に切
り替える排気流れ切替手段と、を備えることを特徴とす
る。

【００１６】排気ガスの空燃比がリーンのときには、上
流側ＮＯx吸収剤から流出した排気ガスを下流側ＮＯx吸
収剤に流れるように排気流れ切替手段を切り替える。こ
のときには、上流側ＮＯx吸収剤は排気ガス中のＳＯxと
ＮＯxを吸収する。したがって、上流側ＮＯx吸収剤から
流出する排気ガスはＳＯxを含まないので、下流側ＮＯx
吸収剤がＳＯx被毒することはない。なお、下流側ＮＯx
吸収剤は、上流側ＮＯx吸収剤が熱劣化やＳＯx被毒の進
行によりＮＯx吸収能力が低下したときなどにおいて、
上流側ＮＯx吸収剤では吸収しきれなかった排気ガス中
のＮＯxを吸収するバックアップ材として機能する。

【００１７】また、このときには本来なら排気ガスはバ
イパス通路に流れないはずであるが、排気流れ切替手段
のシール性が完全ではないことから、若干の排気ガスが
排気流れ切替手段からバイパス通路に漏洩する場合があ
る。しかしながら、排気ガス中のＮＯxは既に上流側Ｎ
Ｏx吸収剤に吸収されているので、上流側ＮＯx吸収剤か
ら流出する排気ガスがバイパス通路に漏洩したとして
も、排気エミッションが悪化することはない。

【００１８】また、排気ガスの空燃比がストイキまたは
リッチであって上流側ＮＯx吸収剤の温度が上流側ＮＯx
吸収剤からＳＯxを放出させる温度（以下、この温度を
ＳＯx放出温度という）に達していないときにも、上流
側ＮＯx吸収剤から流出した排気ガスを下流側ＮＯx吸収
剤に流れるように排気流れ切替手段を切り替える。この
ときにも、排気ガス中のＳＯxは上流側ＮＯx吸収剤に吸
収されるので、下流側ＮＯx吸収剤にはＳＯxを含まない
排気ガスが流れ、下流側ＮＯx吸収剤がＳＯx被毒するこ
とはない。これと同時に上流側ＮＯx吸収剤及び下流側
ＮＯx吸収剤に吸収されているＮＯxが放出され、両吸収
剤のＮＯx吸収能力が回復する。

【００１９】また、上流側ＮＯx吸収剤は、熱劣化やＳ
Ｏx被毒の進行によりＮＯx吸収能力が大幅に低下したと
きにおいてもＳＯx吸収能力は十分にあり、このように
なっても下流側ＮＯx吸収剤がＳＯx被毒することはな
い。

【００２０】そして、上流側ＮＯx吸収剤の温度がＳＯx
放出温度以上であり、しかも、排気ガスの空燃比がスト
イキまたはリッチであるときには、上流側ＮＯx吸収剤
から流出した排気ガスがバイパス通路に流れるように排
気流れ切替手段を切り替える。あるいは、上流側ＮＯx
吸収剤のＳＯx吸収量が所定値に達したことを検出もし
くは推測したときには、上流側ＮＯx吸収剤の温度をＳ
Ｏx放出温度以上に昇温制御し、排気ガスの空燃比をス
トイキ制御またはリッチ制御し、上流側ＮＯx吸収剤か
ら流出した排気ガスがバイパス通路に流れるように排気
流れ切替手段を切り替える。これらのときには、上流側
ＮＯx吸収剤に吸収されていたＳＯxとＮＯxが上流側Ｎ
Ｏx吸収剤から放出されるが、上流側ＮＯx吸収剤から流
出した排気ガスはバイパス通路を流れて排出され、下流
側ＮＯx吸収剤に流入することがないので、下流側ＮＯx
吸収剤がＳＯx被毒することはない。また、上流側ＮＯx
吸収剤から放出されたＳＯxは排気ガス中の未燃ＨＣ、
ＣＯによって還元せしめられ、ＳＯ₂となって排出され
る。さらに、上流側ＮＯx吸収剤は熱劣化してもＳＯx脱
離特性が殆ど変化しないので、バイパス制御が容易にな
る。

【００２１】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置にお
いて、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現可能である。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、上流側ＮＯx吸収剤より
も上流の排気通路内に還元剤を供給することにより実現
可能である。ここで、排気ガスの空燃比とは、機関吸気
通路及び上流側ＮＯx吸収剤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。

【００２２】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置にお
いて、上流側ＮＯx吸収剤及び下流側ＮＯx吸収剤として
は、いずれも吸蔵還元型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。

【００２３】さらに詳述すると、下流側ＮＯx吸収剤と
しての吸蔵還元型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Ｎ
ａ、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
が担持されてなるものを例示することができる。

【００２４】一方、上流側ＮＯｘ吸収剤としての吸蔵還
元型ＮＯｘ触媒は、アルカリ度を下流側ＮＯｘ吸収剤よ
りも高くする必要があるので、例えばアルミナを担体と
し、この担体上に例えばバリウムＢａあるいはカリウム
Ｋの少なくともいずれかと、白金Ｐｔのような貴金属と
が担持されてなるものを例示することができる。

【００２５】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置にお
いて、前記排気流れ切替手段は、バイパス通路の分岐部
に設けた単一の切替弁で構成することもできるし、ある
いは、分岐部よりも下流側ＮＯx吸収剤に近い位置にあ
る排気通路に第１の開閉弁を設けバイパス通路に第２の
開閉弁を設けて一方の開閉弁が開くと他方の開閉弁が閉
じるように制御して構成することもできる。

【００２６】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置にお
いては、排気ガスの空燃比がストイキまたはリッチで且
つ上流側ＮＯx吸収剤の温度が所定温度以上のときに
は、前記上流側ＮＯx吸収剤から流出した排気ガスを前
記バイパス通路に導いて排気ガスが前記下流側ＮＯx吸
収剤に流入するのを阻止するように、前記排気流れ切替
手段の作動を制御するのが好ましい。

【００２７】ここで、所定温度を前記ＳＯx放出温度と
すると、「排気ガスの空燃比がストイキまたはリッチで
且つ上流側ＮＯx吸収剤の温度が所定温度以上のとき」
とは、上流側ＮＯx吸収剤に吸収されているＳＯxを強制
的に放出させるために排気ガスの空燃比をストイキ制御
またはリッチ制御し、且つ上流側ＮＯx吸収剤の温度を
ＳＯx放出温度以上に昇温制御するときは勿論である
が、内燃機関の運転状態からの要求により気筒内での燃
焼のために燃焼用ガスの空燃比をストイキまたはリッチ
に制御する結果、排気ガスの空燃比がストイキまたはリ
ッチになり、しかも上流側ＮＯx吸収剤がＳＯx放出温度
以上になった場合も含むものである。「内燃機関の運転
状態からの要求」とは、例えば、内燃機関の高負荷運転
時、全負荷運転時、始動時の暖機運転時、さらに車両駆
動用の内燃機関の場合の加速時、高速の定速運転時など
が考えられる。

【００２８】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置にお
いては、前記上流側ＮＯx吸収剤よりも上流に三元触媒
を設けることができる。このようにすると、三元触媒が
熱劣化していない状態では、排気空燃比がストイキまた
はリッチのときの排気ガスがこの三元触媒によって主に
浄化される。一方、三元触媒が熱劣化し三元活性能が低
下してくると、排気空燃比がストイキまたはリッチのと
きの排気ガスは上流側ＮＯx吸収剤によって主に浄化さ
れる。これは、上流側ＮＯx吸収剤はもともと三元活性
能を有しており、しかも、ＳＯxの吸収量が多くなると
三元活性能が向上する性質を有しているからである。

【００２９】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置にお
いては、前記上流側ＮＯx吸収剤をウォールフロー構造
とすることができる。ウォールフロー構造とは、多孔質
の薄肉壁によって仕切られた細長い多数のセルを有し、
上流側を開口させ下流側を閉塞させたセルと下流側を開
口させ上流側を閉塞させたセルとが互いに隣接して配置
されてなり、排気ガスが薄肉壁を通って、上流側を開口
させたセルから下流側を開口させたセルに流れるように
した構造をいう。上流側ＮＯx吸収剤をウォールフロー
構造にすると、上流側ＮＯx吸収剤のＳＯx放出効率が向
上するので、ＳＯxを強制的に放出させる時に伴う燃費
悪化が少なくなる。

【００３０】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置にお
いては、前記ウォールフロー構造の上流側ＮＯx吸収剤
に排気ガス中の粒子状物質が捕集されたときに、排気ガ
スの空燃比をリーン制御するとともに、前記上流側ＮＯ
x吸収剤から流出した排気ガスを前記下流側ＮＯx吸収剤
に導いて排気ガスが前記バイパス通路を流通するのを阻
止するように前記排気流れ切替手段の作動を制御するの
が好ましい。上流側ＮＯx吸収剤をウォールフロー構造
にすると、排気ガス中の粒子状物質が薄肉壁に捕集され
るので、排気抵抗が増大するのを防止するために捕集さ
れた粒子状物質を燃焼させて除去する必要があるからで
ある。そしてこの場合、上流側ＮＯx吸収剤からＳＯxを
放出する処理が行われた直後に、排気空燃比をリーンに
して所定時間連続運転することにより粒子状物質を燃焼
させるようにするのが、より好ましい。ＳＯx放出処理
直後は上流側ＮＯx吸収剤が十分に加熱されているの
で、粒子状物質を効率よく燃焼させることができるから
である。尚、粒子状物質は一般にＰＭ（Particulate Ma
tter）と称されており、煤やＳＯＦ（Soluble Organic
Fraction）などが含まれる。本明細書においても以下の
説明では粒子状物質をＰＭと略称する。

【００３１】

【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８の図面に基いて
説明する。

【００３２】〔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。

【００３３】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
れている。

【００３４】一方、排気ポート８は排気マニホルド１６
を介して吸蔵還元型ＮＯx触媒（上流側ＮＯx吸収剤）１
７を内蔵したケーシング１８に連結され、ケーシング１
８の出口部は排気管１９を介して吸蔵還元型ＮＯx触媒
（下流側ＮＯx吸収剤）２０を内蔵したケーシング２１
に連結され、ケーシング２１は排気管２２を介して図示
しないマフラーに接続されている。吸蔵還元型ＮＯx触
媒１７，２０は、流入する排気ガスの空燃比（以下、排
気空燃比という）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
を放出しＮ₂に還元するものである。尚、以下の説明で
は、吸蔵還元型ＮＯx触媒１７を上流側ＮＯx触媒１７と
称し、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０を下流側ＮＯx触媒２０
と称す。上流側ＮＯx触媒１７および下流側ＮＯx触媒２
０については後で詳述する。

【００３５】ケーシング２１の入口部２１ａと排気管２
２は、下流側ＮＯx触媒２０を迂回するバイパス管２６
によって連結されており、バイパス管２６の分岐部であ
るケーシング２１の入口部２１ａには、アクチュエータ
２７によって弁体が作動される排気切替弁（排気流れ切
替手段）２８が設けられている。この排気切替弁２８は
アクチュエータ２７によって、図１の実線で示されるよ
うにバイパス管２６の入口部を閉鎖し且つ下流側ＮＯx
触媒２０への入口部を全開にするバイパス閉位置と、図
１の破線で示されるように下流側ＮＯx触媒２０への入
口部を閉鎖し且つバイパス管２６の入口部を全開にする
バイパス開位置のいずれか一方の位置を選択して作動せ
しめられる。

【００３６】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。

【００３７】一方、上流側ＮＯx触媒１７の下流の排気
管１９には、上流側ＮＯx触媒１７を出た排気ガスの温
度に比例した出力電圧を発生する温度センサ２３が取り
付けられており、温度センサ２３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４１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、アクチュエータ２７に接続されている。

【００３８】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。

【００３９】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、及び１２０ｋｍ／ｈ以上の定速運転時には
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。

【００４０】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
合気が燃焼せしめられることになる。

【００４１】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。

【００４２】ケーシング２１内に収容されている下流側
ＮＯx触媒２０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Ｌ
ｉ、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。

【００４３】ケーシング１８内に収容されている上流側
ＮＯx触媒１７のアルカリ度は、下流側ＮＯx触媒２０の
アルカリ度と同等もしくはそれよりも大きくされてお
り、これによって、上流側ＮＯx触媒１７のＮＯx吸収容
量が下流側ＮＯx触媒２０のＮＯx吸収容量と同等もしく
はそれよりも大きくなっている。これを満足させるため
に、上流側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バリウムＢａあるいはカリウム
Ｋの少なくともいずれかと、白金Ｐｔのような貴金属と
を担持して構成する。

【００４４】これら上流側ＮＯx触媒１７や下流側ＮＯx
触媒２０のような吸蔵還元型ＮＯx触媒を機関の排気通
路に配置すると、吸蔵還元型ＮＯx触媒は、流入排気ガ
スの空燃比（以下、排気空燃比という）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吸蔵
還元型ＮＯx触媒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。

【００４５】なお、吸蔵還元型ＮＯx触媒より上流の排
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、吸蔵還元
型ＮＯx触媒は燃焼室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。

【００４６】吸蔵還元型ＮＯx触媒によるＮＯxの吸放出
作用の詳細なメカニズムについては明かでない部分もあ
る。しかしながら、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。

【００４７】即ち、流入排気ガスの空燃比がかなりリー
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）。

【００４８】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蔵還元型ＮＯx触媒内に吸収さ
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 ^-の形で吸蔵還元型ＮＯ
x触媒内に拡散する。このようにしてＮＯxが吸蔵還元型
ＮＯx触媒内に吸収される。

【００４９】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、吸蔵還元型ＮＯx触媒の
ＮＯx 吸収能力が飽和しない限り、ＮＯ₂が吸蔵還元型
ＮＯx触媒内に吸収されて硝酸イオンＮＯ₃ ^-が生成され
る。

【００５０】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、吸蔵還元型ＮＯx触媒内の硝
酸イオンＮＯ₃ ^-がＮＯ₂またはＮＯの形で吸蔵還元型Ｎ
Ｏx触媒から放出される。即ち、流入排気ガス中の酸素
濃度が低下すると、吸蔵還元型ＮＯx触媒から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
合いを低くすれば吸蔵還元型ＮＯx触媒からＮＯxが放出
されることとなる。

【００５１】一方、このとき、燃焼室内に供給される混
合気がストイキまたはリッチになると、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。

【００５２】また、排気空燃比がストイキまたはリッチ
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
めに吸蔵還元型ＮＯx触媒から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。

【００５３】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によって吸蔵還元型ＮＯx触媒から放出された
ＮＯxおよびエンジンから排出されたＮＯxがＮ₂に還元
せしめられる。

【００５４】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、吸蔵還元型ＮＯx触媒
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、排気空燃比をス
トイキまたはリッチにすると短時間の内に吸蔵還元型Ｎ
Ｏx触媒からＮＯxが放出されることになる。

【００５５】このように、排気空燃比がリーンになると
ＮＯxが吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸収され、排気空燃比を
ストイキあるいはリッチにするとＮＯxが吸蔵還元型Ｎ
Ｏx触媒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。

【００５６】ところで、全負荷運転時には燃焼室内に供
給される混合気をリッチとし、また高負荷運転時、エン
ジン始動時の暖機運転時、加速時、及び１２０ｋｍ／ｈ
以上の定速運転時には混合気を理論空燃比（ストイキ）
とし、低中負荷運転時には混合気をリーンとした場合に
は、低中負荷運転時に排気ガス中のＮＯxが吸蔵還元型
ＮＯx触媒に吸収され、全負荷運転時及び高負荷運転時
に吸蔵還元型ＮＯx触媒から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、吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx吸収能力（ＮＯx吸
収容量）が飽和してＮＯxを吸収できなくなってしま
う。

【００５７】そこで、このような場合には、リーン混合
気の燃焼が行われているとき、即ち中低負荷運転を行っ
ているときには、比較的に短い周期でスパイク的（短時
間）にストイキまたはリッチ混合気の燃焼が行われるよ
うに混合気の空燃比を制御し、短周期的にＮＯxの放出
・還元を行う手法を採用することがある。このようにＮ
Ｏxの吸放出のために、排気空燃比（この実施の形態で
は混合気の空燃比）が比較的に短い周期で「リーン」と
「スパイク的なストイキまたはリッチ（以下、これをリ
ッチスパイクという）」を交互に繰り返されるように制
御することを、リーン・リッチスパイク制御と称してお
り、この実施の形態においてもリーン・リッチスパイク
制御を採用している。尚、この出願においては、リーン
・リッチスパイク制御はリーン空燃比制御に含まれるも
のとする。

【００５８】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、吸蔵還元型ＮＯx触媒は排気
ガス中のこれらＳＯxも吸収する。吸蔵還元型ＮＯx触媒
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Ｂ
ａ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-の形で吸蔵還元型ＮＯx触媒の白金Ｐｔの表面
に付着しており、流入排気ガス中のＳＯx（例えばＳ
Ｏ₂）は白金Ｐｔの表面上で酸化されてＳＯ ₃となる。

【００５９】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吸蔵還元型ＮＯx触媒内に吸
収されて酸化バリウムＢａＯと結合し、硫酸イオンＳＯ
₄ ^2-の形で吸蔵還元型ＮＯx触媒内に拡散し硫酸塩ＢａＳ
Ｏ₄を生成する。この硫酸塩ＢａＳＯ₄は安定していて分
解しずらく、前述したリーン・リッチスパイク制御によ
り流入排気ガスの空燃比を短時間だけストイキまたはリ
ッチにしても分解されずに吸蔵還元型ＮＯx触媒内に残
ってしまう。したがって、時間経過に伴い吸蔵還元型Ｎ
Ｏx触媒内のＢａＳＯ₄の生成量が増大すると吸蔵還元型
ＮＯx触媒の吸収に関与できるＢａＯの量が減少してＮ
Ｏxの吸収能力が低下してしまう。これが即ちＳＯx被毒
である。

【００６０】しかしながら、排気ガスの空燃比をストイ
キまたはリッチに長時間継続し、且つ、吸蔵還元型ＮＯ
x触媒の温度を所定温度以上の高温に保持すれば、吸蔵
還元型ＮＯx触媒に吸収されているＳＯxも放出すること
ができる。ただし、このようにして吸蔵還元型ＮＯx触
媒からＳＯxを放出しても、ＳＯx被毒を１００％取り除
くことができるというわけではなく、また、高温に晒さ
れる吸蔵還元型ＮＯx触媒は経時的に熱劣化することも
あって、ＮＯx吸収能力（ＮＯx吸収容量）は徐々に低下
していく。したがって、排気通路に吸蔵還元型ＮＯx触
媒をただ一つ設けたのでは、吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸
収されているＳＯxを放出することはできても、吸蔵還
元型ＮＯx触媒のＮＯx吸収能力の経時的な低下により、
排気ガス中のＮＯxを浄化することが困難になる虞れが
ある。

【００６１】そこで、この実施の形態では、吸蔵還元型
ＮＯx触媒を上流側ＮＯx触媒１７と下流側ＮＯx触媒２
０の２つに分けてこれらを直列に配置し、上流側ＮＯx
触媒１７にはＳＯx吸収機能とＮＯx吸収機能を併有さ
せ、下流側ＮＯx触媒２０には専らＮＯx吸収機能を発揮
させるようにしたのである。

【００６２】そして、リーン空燃比の排気ガスを上流側
ＮＯx触媒１７から下流側ＮＯx触媒２０に流すことによ
り、排気ガス中のＳＯxおよびＮＯxは上流側ＮＯx触媒
１７で吸収されるので、下流側ＮＯx触媒２０にはＳＯx
およびＮＯxが除去された排気ガスが流入することにな
る。その結果、下流側ＮＯx触媒２０のＳＯx被毒が防止
される。なお、このとき下流側ＮＯx触媒２０は、上流
側ＮＯx触媒１７で浄化しきれなかった排気ガス中のＮ
Ｏxを浄化する。

【００６３】そして、上流側ＮＯx触媒１７に吸収され
ているＳＯxを放出するＳＯx放出時には、上流側ＮＯx
触媒１７から流出した排気ガスをバイパス管２６に流し
て、下流側ＮＯx触媒２０に流れ込ませないようにし
た。これによって、上流側ＮＯx触媒１７から放出され
たＳＯxが下流側ＮＯx触媒２０に吸収されることがなく
なり、下流側ＮＯx触媒２０のＳＯx被毒が防止される。

【００６４】上流側ＮＯx触媒１７はＳＯx放出時に高温
の排気ガスに晒されるため、ＳＯx放出時に高温の排気
ガスが流れ込まない下流側ＮＯx触媒２０に比べると、
熱劣化の進行が早い。また、上流側ＮＯx触媒１７はＳ
Ｏxを吸放出しているとはいえＳＯx被毒も徐々にではあ
るが進行する。そのため、上流側ＮＯx触媒１７は熱劣
化とＳＯx被毒の進行により経時的にＮＯx吸収能力が低
下していく。一方、下流側ＮＯx触媒１７は、熱劣化の
進行も遅く、ＳＯx被毒も殆どないので、ＮＯx吸収能力
が低下することは殆どない。したがって、上流側ＮＯx
触媒１７のＮＯx吸収能力が大きく低下した時点でも下
流側ＮＯx触媒２０のＮＯx吸収能力は十分にあり、上流
側ＮＯx触媒１７で浄化できなかったＮＯxを下流側ＮＯ
x触媒２０で浄化することができる。即ち、排気浄化シ
ステム全体としてのＮＯx浄化能力を長期に亘って高く
維持することができることとなる。

【００６５】以下、これについて詳述する。＜リーン・リッチスパイク制御時＞排気ガスの空燃比を
リーン・リッチスパイク制御しているときには、排気切
替弁２８を図１において実線で示すようにバイパス閉位
置に保持する。このようにすると、排気ガスは上流側Ｎ
Ｏx触媒１７から下流側ＮＯx触媒２０に流れるようにな
り、バイパス管２６には流れない。このとき、排気ガス
中のＳＯxは上流側ＮＯx触媒１７に吸収されるので、下
流側ＮＯx触媒２０にはＳＯxを含まない排気ガスが流れ
ることとなり、下流側ＮＯx触媒２０のＳＯx被毒を防止
することができる。また、排気ガス中のＮＯxも上流側
ＮＯx触媒１７において浄化（吸放出・還元浄化）され
Ｎ₂となって上流側ＮＯx触媒１７から流出する。したが
って、下流側ＮＯx触媒２０にはＳＯx及びＮＯxを含ま
ない排気ガスが流通することになる。

【００６６】また、このときには排気切替弁２８がバイ
パス閉位置に保持されているので、本来なら排気ガスは
バイパス管２６に流れないはずであるが、排気切替弁２
８のシール性が完全ではないことから、若干の排気ガス
が排気切替弁２８からバイパス管２６に漏洩する場合が
ある。しかしながら、排気ガス中のＮＯxは既に上流側
ＮＯx触媒１７によって浄化されているので、上流側Ｎ
Ｏx触媒１７から流出する排気ガスがバイパス管２６に
漏洩したとしても、排気エミッションが悪化することは
ない。これにより、排気浄化の信頼性が向上する。

【００６７】なお、下流側ＮＯx触媒２０は、上流側Ｎ
Ｏx触媒１７が熱劣化やＳＯx被毒の進行によりＮＯx吸
収能力が低下したときなどにおいて、上流側ＮＯx触媒
１７では浄化しきれなかった排気ガス中のＮＯxや上流
側ＮＯx触媒１７から漏洩したＮＯxを浄化するバックア
ップ材として機能する。

【００６８】また、前述したように、上流側ＮＯx触媒
１７は熱劣化やＳＯx被毒の進行によりＮＯx吸収能力が
低下していくが、ＮＯx吸収能力が大幅に低下したとき
においてもＳＯx吸収能力は十分にあるので、このよう
になっても下流側ＮＯx触媒２０がＳＯx被毒することは
ない。

【００６９】また、前述したように、下流側ＮＯx触媒
２０は、熱劣化の進行が遅く、ＳＯx被毒も殆どないの
で、ＮＯx吸収能力が低下することは殆どない。したが
って、上流側ＮＯx触媒１７のＮＯx吸収能力が大きく低
下し、上流側ＮＯx触媒１７で排気ガス中のＮＯxを浄化
できなくなったとしても、その時には下流側ＮＯx触媒
２０でＮＯxを浄化することができるので、排気浄化シ
ステム全体としてのＮＯx浄化能力を長期に亘って高く
維持することができることとなる。

【００７０】＜ストイキまたはリッチ制御、ＳＯx放出
温度以下の時＞次に、排気ガスの空燃比をストイキ制御
またはリッチ制御しているときであって、上流側ＮＯx
触媒１７の温度がＳＯx放出温度（例えば、約５５０゜
Ｃ）に達していないときには、前述したリーン・リッチ
スパイク制御のときと同様に、排気切替弁２８をバイパ
ス閉位置に保持し、排気ガスを上流側ＮＯx触媒１７か
ら下流側ＮＯx触媒２０に流し、バイパス管２６には流
れないようにする。

【００７１】この場合、上流側ＮＯx触媒１７の温度が
ＳＯx放出温度に達していないので、排気ガス中のＳＯx
は上流側ＮＯx触媒１７に吸収され、下流側ＮＯx触媒２
０にはＳＯxを含まない排気ガスが流れることとなり、
下流側ＮＯx触媒２０がＳＯx被毒することはない。

【００７２】さらに、この場合、ストイキまたはリッチ
空燃比の排気ガスが上流側ＮＯx触媒１７及び下流側Ｎ
Ｏx触媒２０に流れることにより、これらＮＯx触媒１
７，２０に吸収されているＮＯxが放出され、Ｎ₂に還元
浄化される。また、これと同時に、両ＮＯx触媒１７，
２０は三元活性を有しているので、内燃機関から排出さ
れた排気ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯxは、両ＮＯx触媒１
７，２０の三元活性によって浄化される。

【００７３】＜ストイキまたはリッチ制御、ＳＯx放出
温度以上の時＞次に、内燃機関の運転状態からの要求に
より排気ガスの空燃比をストイキ制御またはリッチ制御
しているときであって、上流側ＮＯx触媒１７の温度が
ＳＯx放出温度以上であるときには、排気切替弁２８を
図１において破線で示すようにバイパス開位置に保持す
る。このようにすると、排気ガスは上流側ＮＯx触媒１
７からバイパス管２６に流れるようになり、下流側ＮＯ
x触媒２０には流れない。

【００７４】このとき、上流側ＮＯx触媒１７に吸収さ
れているＳＯxが放出され、放出されたＳＯxは排気ガス
中の未燃ＨＣやＣＯによって還元せしめられ、ＳＯ₂と
なって排出される。このＳＯ₂を含む排気ガスはバイパ
ス管２６を通って大気に放出され、下流側ＮＯx触媒２
０を流通しないので、下流側ＮＯx触媒２０がＳＯx被毒
することはない。また、同時に、上流側ＮＯx触媒１７
に吸収されているＮＯxも放出され、Ｎ₂に還元浄化され
る。また、これと同時に、上流側ＮＯx触媒１７は三元
活性を有しているので、内燃機関から排出された排気ガ
ス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯxは、上流側ＮＯx触媒１７の三
元活性によって浄化される。したがって、排気ガスをバ
イパス管２６に流したときにも、排気エミッションが悪
化することはない。

【００７５】また、上流側ＮＯx触媒１７は熱劣化して
もＳＯx脱離特性が殆ど変化しないので、排気切替弁２
８の切替制御が容易にできる。従来のＳＯx吸収剤の場
合には熱劣化によってＳＯx脱離特性が変わり、熱劣化
の進行によってＳＯxを脱離し易くなるため、排気切替
弁の切替制御が難しかった。

【００７６】＜強制ＳＯx放出処理＞また、内燃機関の
運転状態からの要求により排気ガスの空燃比をストイキ
制御またはリッチ制御していて、上流側ＮＯx触媒１７
の温度がＳＯx放出温度以上となったときだけ上流側Ｎ
Ｏx触媒１７からＳＯxを放出していたのでは、ＳＯxの
放出が間に合わず、徐々に上流側ＮＯx触媒１７に吸収
されたＳＯx吸収量が増大し、やがて上流側ＮＯx触媒１
７のＳＯx吸収容量に達してしまう虞れがある。そこ
で、この実施の形態では、所定の時期がきたら上流側Ｎ
Ｏx触媒１７に対して強制的にＳＯx放出処理を実行する
ようにしている。

【００７７】この実施の形態においては、上流側ＮＯx
触媒１７に対する強制的なＳＯx放出処理（以下、強制
ＳＯx放出処理という）は次に掲げるいずれかの時期に
達したときに実行する。

【００７８】（ａ）走行距離が設定距離に達した時エンジンの運転状態に拘わらず、一定の走行距離（例え
ば、２０００ｋｍ）毎に強制ＳＯx放出処理を実行す
る。これは、走行距離から上流側ＮＯx触媒１７に吸収
されたＳＯ吸収x量を推定し、その推定ＳＯx吸収量がＳ
Ｏx吸収容量に達した時に強制ＳＯx放出処理を実行する
というものである。これには、予め実験を行って、上流
側ＮＯx触媒１７に吸収されたＳＯx吸収量がＳＯx吸収
容量に達し上流側ＮＯx触媒１７からＳＯxが離脱しだす
走行距離を求めておき、これを設定距離としてＥＣＵ３
０のＲＯＭ３２に予め記憶させておく。

【００７９】（ｂ）ＳＯx吸収量が所定量に達した時エンジンの運転状態の履歴から上流側ＮＯx触媒１７に
吸収されたＳＯx量を推定し、その推定ＳＯx吸収量が所
定量に達した時に強制ＳＯx放出処理を実行する。これ
は、上流側ＮＯx触媒１７のＳＯx吸収量とＮＯx吸収能
力との間には関連があり、ＳＯx吸収量が増大するにし
たがってＮＯx吸収能力が低下するという傾向があるこ
とに着目し、上流側ＮＯx触媒１７に吸収されたＳＯx吸
収量からＮＯx吸収能力のレベルを推定し、ＮＯx吸収能
力が所定のレベル以下になったと判定されたときに強制
ＳＯx放出処理を実行するというものである。これに
は、予め実験を行って、上記所定レベルのＮＯx吸収能
力に対応するＳＯx吸収量を求めておき、これを判定値
としてＥＣＵ３０のＲＯＭ３２に予め記憶させておく。

【００８０】（ｃ）連続低中負荷運転が所定時間続いた
時低中負荷運転が連続している場合に、その連続運転時間
が所定時間続いたときに強制ＳＯx放出処理を実行す
る。この理由は次による。上流側ＮＯx触媒１７に吸収
されているＳＯxの吸収量が少ない場合には、リーン・
リッチスパイク制御時のリッチスパイクでは上流側ＮＯ
x触媒１７からＳＯxが脱離することはないが、上流側Ｎ
Ｏx触媒１７のＳＯx吸収量がＳＯx吸収容量に達して飽
和すると、リッチスパイクでも上流側ＮＯx触媒１７か
らＳＯxが脱離することがわかっている。そこで、低中
負荷運転の連続運転時間が所定時間続いたときには、上
流側ＮＯx触媒１７がＳＯxで飽和しリッチスパイクでも
ＳＯxが脱離し始めると推定して、強制ＳＯx放出処理を
実行するのである。これには、予め実験を行って、リッ
チスパイクによって上流側ＮＯx触媒１７から吸収され
ているＳＯxが離脱し始めるまでの連続低中負荷運転時
間を求めておき、これを判定値としてＥＣＵ３０のＲＯ
Ｍ３２に予め記憶させておく。

【００８１】次に、強制ＳＯx放出処理について説明す
る。強制ＳＯx放出処理時には、排気切替弁２８をバイ
パス開位置に保持し、排気ガスを上流側ＮＯx触媒１７
からバイパス管２６に流すようにし、下流側ＮＯx触媒
２０に流さないようにする。

【００８２】また、強制ＳＯx放出処理時には、排気ガ
スの空燃比をストイキとなるように空燃比制御を実行す
るとともに、上流側ＮＯx触媒１７の温度がＳＯx放出温
度以上になるように排気ガスの温度制御を実行する。こ
の場合、エンジンの全気筒における空燃比を総てストイ
キとなるように空燃比制御するとともに、全気筒の燃焼
を制御することにより温度制御してもよいし、あるい
は、気筒別空燃比制御を利用して排気ガスの空燃比をス
トイキに制御するとともに温度制御するようにしてもよ
い。

【００８３】前記気筒別空燃比制御とは、例えば４気筒
エンジンのときの一例で説明すると、１番気筒と４番気
筒の空燃比をリーン制御し、２番気筒と３番気筒の空燃
比をリッチ制御し、これら４つの気筒から排出された排
気ガスが上流側ＮＯx触媒１７よりも上流において混じ
り合うと、排気ガス全体としての空燃比がストイキにな
る。また、２番及び３番気筒から排出された排気ガス中
の多量のＨＣ，ＣＯと、１番及び４番気筒から排出され
た排気ガス中の多量の酸素が、上流側ＮＯx触媒１７に
おいて反応し、上流側ＮＯx触媒１７の温度を昇温す
る。

【００８４】この強制ＳＯx放出処理により、上流側Ｎ
Ｏx触媒１７からＳＯxを放出させ、ＳＯ₂にして排出す
ることができる。また、このとき、ＳＯ₂を含む排気ガ
スはバイパス管２６を通って大気に放出され、下流側Ｎ
Ｏx触媒２０を流通しないので、下流側ＮＯx触媒２０が
ＳＯx被毒することはない。また、同時に、上流側ＮＯx
触媒１７に吸収されているＮＯxも放出され、Ｎ₂に還元
浄化される。さらに、これと同時に、上流側ＮＯx触媒
１７は三元活性を有しているので、内燃機関から排出さ
れた排気ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯxは、上流側ＮＯx触
媒１７の三元活性によって浄化される。したがって、強
制ＳＯx放出処理時にも排気エミッションが悪化するこ
とはない。

【００８５】図５は、この実施の形態における空燃比制
御の一実施例を示したものである。この実施例では、リ
ーン・リッチスパイク制御においては、例えば６０ｋｍ
／ｈでの定速走行でリーン運転継続時間を４０秒、スト
イキ運転継続時間を２秒程度としてこれを交互に繰り返
す。一方、上流側ＮＯx触媒１７の強制ＳＯx放出処理時
は空燃比をストイキ制御とし、その継続時間はリーン・
リッチスパイク制御の時の１回のリッチスパイク時間よ
りも十分に長い時間、例えば約１時間とした。

【００８６】次に、図６を参照して、この実施の形態に
おけるＳＯx放出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ＥＣＵ３０のＣＰＵ
３４によって実行される。

【００８７】＜ステップ１０１＞まず、ＥＣＵ３０は、
ステップ１０１において、上流側ＮＯx触媒１７の温度
がＳＯx放出温度以上で且つ排気ガスの空燃比をストイ
キまたはリッチ制御しているか否かを判定する。尚、こ
の実施の形態では、温度センサ２３で検出した排気ガス
温度を上流側ＮＯx触媒１７の温度として代用する。

【００８８】＜ステップ１０２＞ステップ１０１で肯定
判定した場合には、ＥＣＵ３０はステップ１０２に進
み、排気切替弁２８をバイパス開位置に保持して、上流
側ＮＯx触媒１７から流出する排気ガスをバイパス管２
６内に導き、下流側ＮＯx触媒２０に流入しないように
する。このときの排気ガスが上流側ＮＯx触媒１７に流
れると、上流側ＮＯx触媒１７からＳＯxが放出される
が、このＳＯxは下流側ＮＯx触媒２０には流入せず、バ
イパス管２６を流れるので、下流側ＮＯx触媒２０のＳ
Ｏx被毒が防止される。ステップ１０１で否定判定した
場合には、ＥＣＵ３０は、上流側ＮＯx触媒１７が強制
ＳＯx放出処理をすべき時期に達しているか否かの判定
処理を行う。

【００８９】＜ステップ１０３＞即ち、まず、ＥＣＵ３
０は、ステップ１０１で否定判定した場合にステップ１
０３に進み、走行距離が設定距離に達したか否かを判定
する。この場合の走行距離はエンジンの運転状態にかか
わらず積算した走行距離とする。

【００９０】＜ステップ１０４＞ステップ１０３で肯定
判定した場合には、上流側ＮＯx触媒１７が強制ＳＯx放
出処理をすべき時期であるから、ＥＣＵ３０はステップ
１０４に進み、強制ＳＯx放出処理を実行する。即ち、
上流側ＮＯx触媒１７の温度をＳＯx放出温度以上にすべ
く排気ガスの昇温制御を実行するとともに、排気ガスの
空燃比がストイキとなるように空燃比制御を実行し、ス
テップ１０２に進んで排気切替弁２８をバイパス開位置
に保持して、上流側ＮＯx触媒１７から流出する排気ガ
スをバイパス管２６に流し、下流側ＮＯx触媒２０に流
さないようにする。このときの排気ガスが上流側ＮＯx
触媒１７に流れると、上流側ＮＯx触媒１７からＳＯxが
放出されるが、このＳＯxは下流側ＮＯx触媒２０には流
入せず、バイパス管２６を流れるので、下流側ＮＯx触
媒２０のＳＯx被毒が防止される。強制ＳＯx放出処理が
所定時間実行された後、リターンとなる。

【００９１】＜ステップ１０５＞一方、ステップ１０３
で否定判定した場合には、ＥＣＵ３０はステップ１０５
に進み、上流側ＮＯx触媒１７に吸収されたＳＯx吸収量
が所定量に達したか否か判定する。ステップ１０５で肯
定判定した場合には、上流側ＮＯx触媒１７を強制ＳＯx
放出処理すべき時期であるから、ＥＣＵ３０はステップ
１０４に進んで、排気ガスの昇温制御と空燃比のストイ
キ制御を実行し、さらにステップ１０２に進んで、上流
側ＮＯx触媒１７から流出する排気ガスをバイパス管２
６に流し、強制ＳＯx放出処理を実行する。

【００９２】＜ステップ１０６＞一方、ステップ１０５
で否定判定した場合には、ＥＣＵ３０はステップ１０６
に進み、連続低中負荷運転が所定時間続いているか否か
を判定する。ステップ１０６で肯定判定した場合には、
上流側ＮＯx触媒１７を強制ＳＯx放出処理すべき時期で
あるから、ＥＣＵ３０はステップ１０４に進んで、排気
ガスの昇温制御と空燃比のストイキ制御を実行し、さら
にステップ１０２に進んで、上流側ＮＯx触媒１７から
流出する排気ガスをバイパス管２６に流し、強制ＳＯx
放出処理を実行する。

【００９３】＜ステップ１０７＞一方、ステップ１０６
で否定判定した場合には、上流側ＮＯx触媒１７を強制
ＳＯx放出処理すべき時期ではないので、ＥＣＵ３０は
ステップ１０７に進み、排気切替弁２８をバイパス閉位
置に保持して、上流側ＮＯx触媒１７から流出する排気
ガスを下流側ＮＯx触媒２０内に導き、バイパス管２６
に流入しないようする。その後、リターンとなる。

【００９４】＜第２の実施の形態＞次に、本発明に係る
内燃機関の排気浄化装置の第２の実施の形態を図７を参
照して説明する。この第２の実施の形態が第１の実施の
形態と相違する点は次の通りである。第２の実施の形態
では、図７に示すように、上流側ＮＯx触媒１７の下流
に配置された排気管１９に、上流側ＮＯx触媒１７を出
た排気ガスのＳＯx濃度に比例した出力電圧を発生する
ＳＯxセンサ（ＳＯx濃度検出手段）２４が取り付けられ
ており、ＳＯxセンサ２４の出力電圧が図示しないＡＤ
変換器を介してＥＣＵ３０の入力ポート３５に入力され
る。

【００９５】そして、第２の実施の形態では、上流側Ｎ
Ｏx触媒１７に対して強制ＳＯx放出処理を実行する時期
か否かを、ＳＯxセンサ２４で検出したＳＯx濃度に基づ
いて判定するようにしている。即ち、ＥＣＵ３０は、図
６におけるステップ１０１で否定判定した場合であっ
て、ＳＯxセンサ２４により検出した排気ガスのＳＯx濃
度が所定濃度以上である場合に、上流側ＮＯx触媒１７
に対して強制ＳＯx放出処理を実行する時期であると判
定する。強制ＳＯx放出処理の実行については第１の実
施の形態の場合と同じであるので説明は省略する。

【００９６】＜第３の実施の形態＞次に、本発明に係る
内燃機関の排気浄化装置の第３の実施の形態を図８を参
照して説明する。この第３の実施の形態が第１の実施の
形態と相違する点は次の通りである。第３の実施の形態
では、図８に示すように、上流側ＮＯx触媒１７を内蔵
したケーシング１８と排気マニホールド１６との間に、
三元触媒５０を内蔵したケーシング５１が設けられてい
る。

【００９７】このようにすると、三元触媒５０が熱劣化
していない状態では、排気空燃比がストイキまたはリッ
チのときの排気ガスがこの三元触媒によって主に浄化さ
れる。一方、三元触媒５０が熱劣化し三元活性能が低下
してくると、排気空燃比がストイキまたはリッチのとき
の排気ガスは上流側ＮＯx触媒１７によって主に浄化さ
れる。これは、上流側ＮＯx触媒１７はもともと三元活
性能を有しており、しかも、ＳＯx吸収量が多くなると
三元活性能が向上する性質を有しているからである。そ
の結果、排気浄化システム全体の三元活性能を長期に亘
って高く維持することができる。

【００９８】＜第４の実施の形態＞前記上流側ＮＯx触
媒１７を所謂ウォールフロー構造にすると、強制ＳＯx
放出処理時の燃費悪化を低く抑えることができる。ウォ
ールフロー構造とは、多孔質の薄肉壁によって仕切られ
た細長い多数のセルを有し、上流側を開口させ下流側を
閉塞させたセルと下流側を開口させ上流側を閉塞させた
セルとが互いに隣接して配置されてなり、排気ガスが薄
肉壁を通って、上流側を開口させたセルから下流側を開
口させたセルに流れようにした構造をいう。このウォー
ルフロー構造の吸蔵還元型ＮＯx触媒は他の構造のもの
よりもＳＯx放出効率が高い。したがって、強制ＳＯx放
出処理時の燃費悪化が少ない。

【００９９】このように上流側ＮＯx触媒１７をウォー
ルフロー構造にすると、排気ガス中の煤やＳＯＦ等のＰ
Ｍが薄肉壁に捕集されるので、排気抵抗が増大するのを
防止するために捕集されたＰＭを燃焼させて除去する必
要がある。

【０１００】そこで、上流側ＮＯx触媒１７を強制ＳＯx
放出処理を終了した直後に、排気ガスの空燃比がリーン
になるように空燃比制御するとともに、排気切替弁２８
をバイパス閉位置に保持して上流側ＮＯx触媒１７から
流出した排気ガスを下流側ＮＯx触媒２０に流し、排気
ガスがバイパス管２６に流れないようにし、この条件に
よる運転を所定時間連続することにより、捕集されたＰ
Ｍを燃焼する。強制ＳＯx放出処理直後は上流側ＮＯx触
媒１７が十分に加熱されているので、ＰＭを効率よく燃
焼させることができる。

【０１０１】〔他の実施の形態〕前述した実施の形態で
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上流側ＮＯx触媒１
７および下流側ＮＯx触媒２０に流入する排気ガスの空
燃比は非常にリーンであり、ＳＯxおよびＮＯxの吸収は
行われるものの、ＳＯxおよびＮＯxの放出が行われるこ
とは殆どない。

【０１０２】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上流側ＮＯx触媒１７および
下流側ＮＯx触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をス
トイキあるいはリッチにし、上流側ＮＯx触媒１７や下
流側ＮＯx触媒２０に吸収されているＳＯxやＮＯx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。

【０１０３】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、流入する排気ガスの空燃比をストイキ
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、ＳＯx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。

【０１０４】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ストイキまたはリッチにするこ
とが可能である。

【０１０５】

【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配
置され、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＮ
Ｏx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を放出する下流側ＮＯx吸収剤と、（ロ）
前記下流側ＮＯx吸収剤よりも上流の前記排気通路に配
置され、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＮ
Ｏx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吸収剤であって、アルカ
リ度が前記下流側ＮＯ x 吸収剤よりも高い上流側ＮＯ x 吸
収剤と、（ハ）前記上流側ＮＯx吸収剤の下流で分岐し
前記下流側ＮＯx吸収剤を迂回して排気ガスを流すバイ
パス通路と、（ニ）前記上流側ＮＯx吸収剤から流出し
た排気ガスを前記下流側ＮＯx吸収剤と前記バイパス通
路のいずれに導くか選択的に切り替える排気流れ切替手
段と、を備えることにより、下流側ＮＯx吸収剤のＳＯx
被毒を防止することができ、排気浄化システム全体のＮ
Ｏx浄化率を長期に亘って高く維持することができると
いう優れた効果が奏される。

【０１０６】また、排気流れ切替手段からの漏洩により
バイパス通路に排気ガスを流すべきでないときにバイパ
ス通路に排気ガスが流れた場合にも、排気エミッション
を悪化させることが殆どなく、排気浄化の信頼性を高め
ることができるという優れた効果が奏される。また、上
流側ＮＯx吸収剤は熱劣化してもＳＯx脱離特性が殆ど変
化しないので、排気流れ切替手段の切替制御が容易にで
きる。

【０１０７】また、前記上流側ＮＯx吸収剤よりも上流
に三元触媒を設けた場合には、排気浄化システム全体の
三元活性能を長期に亘って高く維持することができる。

【０１０８】また、前記上流側ＮＯx吸収剤をウォール
フロー構造とした場合には、上流側ＮＯx触媒に吸収さ
れているＳＯxを強制的に放出させる時に伴う燃費悪化
を抑制することができる。

【０１０９】さらに、前記上流側ＮＯx吸収剤をウォー
ルフロー構造とした場合であって、上流側ＮＯx吸収剤
に排気ガス中の粒子状物質が捕集されたときに、排気ガ
スの空燃比をリーン制御するとともに、前記上流側ＮＯ
x吸収剤から流出した排気ガスを下流側ＮＯx吸収剤に導
いて排気ガスが前記バイパス通路を流通するのを阻止す
るように前記排気流れ切替手段の作動を制御した場合に
は、粒子状物質を効率よく燃焼させて除去することがで
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】前記第１の実施の形態における空燃比制御の
一例を示す図である。

【図６】前記第１の実施の形態のＳＯx放出処理実行
ルーチンである。

【図７】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第２
の実施の形態における要部構成図である。

【図８】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第３
の実施の形態における要部構成図である。

【符号の説明】

１機関本体（内燃機関）３燃焼室４点火栓１１燃料噴射弁１６，１９，２２排気管（排気通路）１７上流側ＮＯx触媒（上流側ＮＯx吸収剤）２０下流側ＮＯx触媒（下流側ＮＯx吸収剤）２３温度センサ２４ＳＯxセンサ２６バイパス管（バイパス通路）２８排気切替弁（排気流れ切替手段）３０ＥＣＵ５０三元触媒

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＦ０１Ｎ 3/28 Ｆ０１Ｎ 3/28 ３０１ＦＦ０２Ｄ 41/04 ３０５Ｆ０２Ｄ 41/04 ３０５Ａ (56)参考文献特開平10−54222（ＪＰ，Ａ) 特開平６−346768（ＪＰ，Ａ) 特開平11−2114（ＪＰ，Ａ) 特開平６−159037（ＪＰ，Ａ) 特開平６−81630（ＪＰ，Ａ) (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
路に配置され、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を放出する下流側ＮＯｘ吸収剤
と、（ロ）前記ＮＯx吸収剤よりも上流の前記排気通路
に配置され、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吸収剤であって、ア
ルカリ度が前記下流側ＮＯｘ触媒ＮＯｘ吸収剤よりも高
い上流側ＮＯｘ吸収剤と、（ハ）前記上流側ＮＯｘ吸収
剤の下流で分岐し前記下流側ＮＯｘ吸収剤を迂回して排
気ガスを流すバイパス通路と、（ニ）前記上流側ＮＯｘ
吸収剤から流出した排気ガスを前記下流側ＮＯｘ吸収剤
と前記バイパス通路のいずれに導くか選択的に切り替え
る排気流れ切替手段と、を備えた内燃機関の排気浄化装
置。
【請求項２】排気ガスの空燃比がストイキまたはリッ
チで且つ上流側ＮＯx吸収剤の温度が所定温度以上のと
きには前記上流側ＮＯx吸収剤から流出した排気ガスを
前記バイパス通路に導いて排気ガスが前記下流側ＮＯx
吸収剤に流入するのを阻止するように、前記排気流れ切
替手段の作動を制御す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。
【請求項３】前記上流側ＮＯx吸収剤よりも上流に三
元触媒が設けられた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。
【請求項４】前記上流側ＮＯx吸収剤はウォールフロ
ー構造であ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。
【請求項５】前記ウォールフロー構造の上流側ＮＯx
吸収剤に排気ガス中の粒子状物質が捕集されたときに、
排気ガスの空燃比をリーン制御するとともに、前記上流
側ＮＯx吸収剤から流出した排気ガスを前記下流側ＮＯx
吸収剤に導いて排気ガスが前記バイパス通路を流通する
のを阻止するように前記排気流れ切替手段の作動を制御
することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気
浄化装置。