JP3642159B2

JP3642159B2 - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP3642159B2
Application number: JP19161197A
Authority: JP
Inventors: 信也広田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1997-07-16
Filing date: 1997-07-16
Publication date: 2005-04-27
Anticipated expiration: 2017-07-16
Also published as: JPH1136846A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空燃比リーンの状態で燃焼させる内燃機関の排気浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
空燃比リーンの状態で燃焼させる内燃機関から排出される排気ガスの浄化には、流入排気ガスの空燃比がリーンの時にＮＯxを吸収し流入排気ガスの酸素濃度が低下した時に吸収したＮＯxを放出する吸蔵還元型触媒が非常に有効であり、この種の内燃機関では、吸蔵還元型触媒を収容した触媒コンバータを排気管の途中に設けたものがある。
【０００３】
吸蔵還元型触媒は、ＮＯｘ吸収能が飽和した場合、流入排気ガスの空燃比をリッチにして排気ガス中の酸素濃度を低下させ、これにより触媒からＮＯx を放出させ、還元することによって再生する必要がある。
【０００４】
特開平６−２５７４２６号公報には、吸蔵還元型触媒が収容されている触媒部の一部を遮断して排気ガスの流通を阻止できるようにし、且つ、この遮断部の位置を可変にし、遮断部の触媒にのみ還元剤を供給してこの触媒からＮＯx を放出・還元させて再生を行い、同時に遮断部以外の触媒には排気ガスを供給して該排気ガス中のＮＯx を吸収するようにし、遮断部を周方向に順次変えていきながら部分的に触媒の再生を行っていって、結果的に触媒部全体を再生できるようにした排気浄化装置が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、内燃機関の排気浄化装置では一般に、触媒が収容されている触媒部の断面積が触媒部より上流の排気管の断面積よりも大きいため、排気管から触媒部に流入した排気ガスの大半が触媒部の中央部に流れ、触媒部の周辺部を流れる排気ガスの量が少ないという傾向がある。また、触媒部における周辺部は放熱のため中央部よりも触媒温度が低くなり、ＮＯx を吸収し放出・還元するＮＯx 浄化率が中央部よりも周辺部の方が低くなる。
【０００６】
したがって、触媒部には均一にＮＯx が吸収されるわけではなく、触媒部の中央部でＮＯx が多く吸収され、周辺部ではＮＯx 吸収量が少なくなる。
前記公報に記載の排気浄化装置においては、触媒部の中央部に吸収されたＮＯx を放出・還元するのに必要な量の還元剤を添加すると、触媒部の周辺部に対しては還元剤の供給過剰となり、その結果、還元剤が大気に放出されるという欠点があり、燃料を還元剤として用いた場合には燃費が悪化するという不具合があった。
【０００７】
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、触媒部の中央部のみに還元剤を添加できるようにすることにより、触媒を効率的に再生可能にすることにある。
【０００８】
【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。
本発明は、空燃比リーン状態で燃焼させる内燃機関から排出される排気ガスを、排気通路に設けられた触媒ゾーンに通し、触媒ゾーンに収容された酸化能を有する触媒により浄化する内燃機関の排気浄化装置において、前記触媒ゾーンが中央部の第１触媒部とその周囲に設けられた第２触媒部に区画され、第１触媒部の触媒は、流入排気ガスの空燃比がリーンの時にＮＯxを吸収し流入排気ガスの酸素濃度が低下した時に吸収したＮＯxを放出する吸蔵還元型触媒であり、第１触媒部への排気ガスの流入を許容あるいは阻止する開閉手段と、第１触媒部にのみ還元剤を添加する還元剤添加手段と、第１触媒部の吸蔵還元型触媒に吸収されたＮＯxを放出・還元するために前記開閉手段を閉ざし前記還元剤添加手段で還元剤を添加せしめる再生制御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である。
【０００９】
排気ガスは触媒ゾーンの中央部に多く流れ、中央部に収容された第１触媒部の吸蔵還元型触媒が排気ガスに含まれるＮＯx を吸収する。第１触媒部の吸蔵還元型触媒のＮＯx 吸収能が飽和した時には、開閉手段を閉ざして第１触媒部への排気ガスの流入を阻止し、還元剤添加手段により第１触媒部にだけ還元剤を添加して、第１触媒部の吸蔵還元型触媒に吸収されているＮＯx を放出させ還元する。
【００１０】
第２触媒部は第１触媒部の触媒温度が低下するのを抑制し、第１触媒部のＮＯx 浄化率を向上させる。
本発明の内燃機関の排気浄化装置においては、第２触媒部の触媒として、吸蔵還元型触媒を採用することも、選択還元型触媒を採用することも可能である。ここで選択還元型触媒とは、酸素過剰の雰囲気で炭化水素の存在下でＮＯxを還元または分解する触媒をいい、選択還元型触媒は比較的に低い触媒温度でＮＯx 浄化率が高い。
【００１１】
触媒ゾーンにおいて周辺部に配置された第２触媒部は放熱のため触媒温度が比較的に低くなる。したがって、第２触媒部の触媒に選択還元型触媒を採用すると、触媒ゾーンの温度分布に応じた効率的なＮＯx の浄化を行うことができる。
【００１２】
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の運転状態が加速状態であるか否かを判定する加速判定手段を備え、前記加速判定手段により内燃機関が加速状態であると判定された時に前記開閉手段が開くように制御するようにしてもよい。加速状態では多量のＮＯx が発生するが、この時に開閉手段を開状態にすれば第１触媒部の吸蔵還元型触媒によって排気ガス中のＮＯx の多くを吸収することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の内燃機関の排気浄化装置の実施の形態を図１から図７の図面に基いて説明する。
【００１４】
〔第１の実施の形態〕
初めに、第１の実施の形態における内燃機関の排気浄化装置について、図１から図５を参照して説明する。
【００１５】
図２はディーゼルエンジンの排気浄化装置を示しており、過給機２から供給された空気は吸気マニホールド３を介してディーゼル機関本体１の各気筒の燃焼室に導入される。燃料リザーバタンク４の燃料は吐出圧制御可能な燃料供給ポンプ５によって吸い上げられ、燃料供給管６を介して燃料蓄圧管７に供給される。燃料蓄圧管７はその内部に容積一定の蓄圧室８を有し、燃料供給ポンプ５から吐出された高圧の燃料はこの蓄圧室８内に蓄積される。この蓄圧室８内の燃料は燃料供給管１９を介して各気筒の燃料噴射弁９に供給され、所定のタイミングで各気筒の燃焼室に噴射される。また、各燃料噴射弁９は燃料戻し導管１０を介して燃料リザーバタンク４に連結されている。
【００１６】
機関本体１の各気筒から排出される排気ガスは排気マニホールド１１、排気管（排気通路）１２を順に通って排出される。排気管１２の途中には触媒コンバータ２０が設置されている。図１に示すように、触媒コンバータ２０は、排気管１２よりも大径の内径を有するケーシング２１と、このケーシング２１の中央にケーシング２１と同心上に配置された内筒２２とを備えている。触媒コンバータ２０は触媒ゾーン２３を有し、触媒ゾーン２３は内筒２２によって、内筒２２の内側の第１触媒部２４と、ケーシング２１と内筒２２の間の第２触媒部２５に区画されている。この実施の形態では、第１触媒部２４と第２触媒部２５にはいずれも吸蔵還元型触媒が収容されている。吸蔵還元型触媒については後で詳述する。
【００１７】
内筒２２の内部であって第１触媒部２４よりも上流側には、第１触媒部２４への排気の流入を許容しあるいは阻止する開閉バルブ（開閉手段）２６が設けられている。開閉バルブ２６はバルブ駆動装置２７によって開閉動作せしめられる。
【００１８】
さらに、内筒２２の内部であって第１触媒部２４と開閉バルブ２６との間には、第１触媒部２４に向かって還元剤としての燃料を噴射する噴射ノズル２８が設置されている。この噴射ノズル２８は還元剤配管２９を介して蓄圧管７に接続されており、還元剤配管２９の途中には、バルブ駆動装置３０によって開閉動作せしめられる還元剤バルブ３１が設けられている。噴射ノズル２８と還元剤バルブ３１はこの実施の形態において還元剤添加手段を構成する。
【００１９】
また、この排気浄化装置は電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと略す）５０を備えている。ＥＣＵ５０はデジタルコンピュータからなり、双方向バスによって相互に接続されたＲＯＭ（リードオンメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＣＰＵ（セントラルプロセッサユニット）、入力ポート、出力ポートを具備し、エンジンの燃料噴射量制御等の基本制御を行うほか、この実施の形態では触媒の再生処理の制御を行っている。
【００２０】
燃料蓄圧管７の端部には、蓄圧室８内の燃料圧を検出しこの燃料圧に比例した出力電圧を発生する燃料圧センサ１３が取り付けられ、吸気マニホールド３内には、吸気マニホールド３内の過給圧を検出しこの過給圧に比例した出力電圧を発生する過給圧センサ１４が取り付けられ、機関本体１には、機関冷却水温を検出しこの水温に比例した出力電圧を発生する水温センサ１５が取り付けられ、アクセルペダル１６には、アクセル開度を検出しこのアクセル開度に比例した出力電圧を発生するアクセル開度センサ１７が取り付けられ、触媒コンバータ２０には、第１触媒部２４よりも下流の排気ガス温度を検出しその温度に比例した出力電圧を発生する触媒出口温度センサ１８が取り付けられている。これら燃料圧センサ１３、過給圧センサ１４、水温センサ１５、アクセル開度センサ１７、触媒出口温度センサ１８はそれぞれの出力信号をＥＣＵ５０に出力する。そして、ＥＣＵ５０はアクセル開度センサ１７の出力信号に基づいて機関負荷を演算する。
【００２１】
また、機関クランクシャフトには一対のディスク３２，３３が取り付けられ、これらディスク３２，３３の歯付外周面に対向して一対のクランク角センサ３４，３５が配置されている。一方のクランク角センサ３４は例えば１番気筒が吸気上死点にあることを示す出力パルスを発生し、したがってこのクランク角センサ３４の出力パルスからいずれの気筒の燃料噴射弁９を作動せしめるかを決定することができる。他方のクランク角センサ３５はクランクシャフトが一定角度回転する毎に出力パルスを発生し、したがってクランク角センサ３５の出力パルスから機関回転速度を計算することができる。これらクランク角センサ３４，３５の出力信号はＥＣＵ５０に入力される。
【００２２】
また、バルブ駆動装置２７，３０はＥＣＵ５０からの指令信号によって駆動され、したがって開閉バルブ２６及び還元剤バルブ３１はＥＣＵ５０によって開閉制御される。
【００２３】
次に、第１触媒部２４及び第２触媒部２５に収容されている吸蔵還元型触媒について説明する。吸蔵還元型触媒は、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いる。機関吸気通路及び吸蔵還元型触媒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）の比を吸蔵還元型触媒への流入排気ガスの空燃比と称すると、この吸蔵還元型触媒は、流入排気ガスの空燃比がリーンのときは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。
【００２４】
なお、吸蔵還元型触媒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、流入排気ガスの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・還元する。
【００２５】
吸蔵還元型触媒でのＮＯx 吸収・還元は、図３に示したようなメカニズムで行われると考えられている。このメカニズムは、担体上に白金Ｐｔ及びバリウムＢａを担持させた場合であるが、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のメカニズムとなる。
【００２６】
まず、排気ガスがかなりリーンになると排気ガス中の酸素濃度が大巾に増大するため、図３（Ａ）に示すように酸素Ｏ₂ がＯ₂ ^-又はＯ^2-の形で白金Ｐｔの表面に付着する。次に、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 ）。
【００２７】
その後、生成されたＮＯ₂ は、吸蔵還元型触媒のＮＯx 吸収能力が飽和しない限り、白金Ｐｔ上で酸化されながら触媒内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合し、図３（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ₃ ^- の形で吸蔵還元型触媒１９内に拡散する。このようにしてＮＯx が触媒内に吸収される。
【００２８】
これに対し、排気ガス中の酸素濃度が低下した場合は、ＮＯ₂の生成量が低下し、前記反応とは逆の反応によって、触媒内の硝酸イオンＮＯ₃ ^-は、ＮＯ₂ またはＮＯの形で吸蔵還元型触媒から放出される。
【００２９】
つまり、ＮＯx は、排気ガス中の酸素濃度が低下すると、吸蔵還元型触媒から放出されることになる。流入排気ガスのリーン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度合いを低くすれば、たとえ流入排気ガスの空燃比がリーンであっても吸蔵還元型触媒からＮＯx が放出されることとなる。
【００３０】
一方、このとき、燃焼室内に供給する混合気がリッチにされて、排気ガスの空燃比がリッチになると、多量の未燃ＨＣ，ＣＯがエンジンから排出される。これら未燃ＨＣ，ＣＯは、白金Ｐｔ上の酸素Ｏ₂ ^-又はＯ^2-とすぐに反応して酸化される。
【００３１】
また、流入排気ガスの空燃比がリッチになると、排気ガス中の酸素濃度は極度に低下するため、吸蔵還元型触媒は、ＮＯ₂ またはＮＯを放出する。このＮＯ₂またはＮＯは、図３（Ｂ）に示すように、未燃ＨＣ、ＣＯと反応して還元される。このようにして白金Ｐｔ上のＮＯ₂またはＮＯが存在しなくなると、吸蔵還元型触媒から次から次へとＮＯ₂ またはＮＯが放出される。したがって、流入排気ガスの空燃比をリッチにすると短時間の内に吸蔵還元型触媒からＮＯx が放出される。白金Ｐｔ上のＯ₂ ^-又はＯ^2-を消費しても未燃ＨＣ，ＣＯが残っていれば、吸蔵還元型触媒から放出されたＮＯx も、エンジンから排出されたＮＯx も、この未燃ＨＣ，ＣＯによって還元される。
【００３２】
したがって、流入排気ガスの空燃比をリッチにすれば短時間の内に吸蔵還元型触媒に吸収されているＮＯx が放出され、しかも、この放出されたＮＯx が還元されるために大気中にＮＯx が排出されるのを阻止することができる。
【００３３】
ところで、ディーゼルエンジンの場合は、ストイキ（理論空燃比、Ａ／Ｆ＝１３〜１４）よりもはるかにリーン域で燃焼が行われるので、通常の機関運転状態では触媒コンバータ２０に流入する排気ガスの空燃比は非常にリーンであり、排気ガス中のＮＯx は吸蔵還元型触媒に吸収され、触媒から放出されるＮＯx 量は極めて少ない。
【００３４】
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に供給する混合気をリッチにすることにより排気ガスの空燃比をリッチにし、排気ガス中の酸素濃度を低下させて、吸蔵還元型触媒に吸収されているＮＯx を放出させ再生することができるが、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。したがって、ディーゼルエンジンでは燃焼用の混合気とは別に還元剤としての燃料を直接、吸蔵還元型触媒に供給する必要がある。
【００３５】
ところで、一般に触媒コンバータの外径は排気管の外径よりも大きいことから、排気管から触媒コンバータに流入した排気ガスは、その大半が触媒コンバータの中央部を流れ、周辺部の流量が少なくなる傾向がある。この実施の形態の触媒コンバータ２０においても同様であり、排気ガスはその大半が内筒２２を流れ、ケーシング２１と内筒２２との間を流れる流量は少なくなる。
【００３６】
そこで、この実施の形態では、通常は開閉バルブ２６を開状態に保持し、触媒コンバータ２０内での排気ガスの流れを自然に任せるようにして、第１触媒部２４の吸蔵還元型触媒のＮＯx 吸収能が飽和した時点で開閉バルブ２６を閉じて第１触媒部２４への排気ガスの流入を阻止し排気ガスのほぼ全量を強制的に第２触媒部２５に流すようにするとともに、噴射ノズル２８から燃料を噴射させることによって第１触媒部２４の吸蔵還元型触媒からＮＯx を放出して再生するようにした。
【００３７】
尚、第２触媒部２５の吸蔵還元型触媒については再生を行わないこととした。これにより、第２触媒部２５の吸蔵還元型触媒はＮＯx 吸収能が飽和した後はＮＯx の吸収を行わなくなり、ＮＯx はもっぱら第１触媒部２４の吸蔵還元型触媒によって吸収・還元されることになる。そして、第２触媒部２５の吸蔵還元型触媒は酸化触媒として機能することとなる。
【００３８】
このようにＮＯx 吸収・還元を第１触媒部２４においてだけで行うようにしても、ＮＯx 浄化という点で問題となることはない。例えば、内筒２２の断面積をケーシング２１の断面積の約５０パーセントに設定した場合には、流入排気ガスの７０〜８０％が内筒２２に流れ、この第１触媒部２４でのＮＯx 浄化率が７０〜８０％程度であっても、トータルで５０〜６５％のＮＯx 浄化能が得られる。
【００３９】
次に、図４を参照して第１触媒部２４の吸蔵還元型触媒に対する再生処理を説明する。
図４の制御ルーチンは、ＥＣＵ５０のＲＯＭに格納されＣＰＵに呼び出されて演算が実行され、一定時間毎に割り込まれる。
【００４０】
この再生処理を行うには、まず第１触媒部２４の吸蔵還元型触媒のＮＯx 吸収能が飽和したか否かを判断する必要があるが、吸蔵還元型触媒に吸収されている総ＮＯx 量を直接検出することは困難である。そこで、ここでは機関から排出された排気ガス中のＮＯx 排出量を推定し、その排出ＮＯx 量から吸蔵還元型触媒に吸収されたＮＯx 吸収量を推定するようにしている。
【００４１】
すなわち、機関回転速度Ｎが高くなるほど機関から単位時間あたりに排出される排気ガス量が増大するので、機関回転速度Ｎが高くなるにしたがって機関から排出されるＮＯx 量は増大する。また、機関負荷が高くなるほど燃焼温度が高くなるので、機関負荷が高くなるほど機関から単位時間あたりに排出されるＮＯx 量が増大する。
【００４２】
図５（Ａ）は実験により求められた単位時間あたりに機関から排出されるＮＯx 量と、機関負荷Ｌと、機関回転速度Ｎとの関係を示しており、各曲線は同一ＮＯx 量を示している。この図に示されるように、単位時間あたりに機関から排出されるＮＯx 量は、機関負荷が大きくなるほど多くなり、また、機関回転速度Ｎが高くなるほど多くなる。機関負荷Ｌはアクセル開度センサ１７の出力信号に基づいて演算されるので、図５（Ａ）に基いて、機関回転速度Ｎとアクセル開度αとＮＯx 量との関係を図５（Ｂ）に示すようにマップ化して、予めＥＣＵ５０のＲＯＭに記憶しておく。このようにすれば、図５（Ｂ）のマップからＮＯx 排出量を推定できる。
【００４３】
そこで、クランク角センサ３５の出力パルスを基に求めた機関回転速度Ｎと、アクセル開度センサ１７により検出されたアクセル開度αに基いて図５（Ｂ）に示すマップから単位時間あたりの機関排出ＮＯx 量Ｎij を読みとる（ステップ１００）。
【００４４】
ステップ１００で求めた機関排出ＮＯx 量Ｎij は、第１触媒部２４と第２触媒部２５の両方に流れる総量であり、第１触媒部２４に総てが流れ込むわけではない。第１触媒部２４と第２触媒部２５を流れる排気ガスの比率は触媒コンバータ２０に固有の定数であり予め実験によって求められるので、その定数をステップ１００で求めた機関排出ＮＯx 量Ｎijに乗じて第１触媒部２４に流入する単位時間当たりのＮＯx 量を求め、これに基いて、第１触媒部２４の吸蔵還元型触媒に吸収されたＮＯx 量を積算する（ステップ１１０）。
【００４５】
このＮＯx 量の積算値Ｓが飽和判定値Ｓ₀ を越えたか否かを判定する（ステップ１２０）。飽和判定値Ｓ₀ は第１触媒部２４の吸蔵還元型触媒のＮＯx 吸収能が飽和するまでに吸収可能なＮＯx 量であり、予め実験により求めておいたものがＥＣＵ５０のＲＯＭに記憶されている。
【００４６】
ステップ１２０でＹＥＳと判定された場合にはステップ１３０に進み、再生可能な運転領域か否かを判定する。ここで、再生可能な運転領域とは、触媒出ガス温度が所定温度以上（例えば、２５０゜Ｃ以上）で、かつ機関回転速度Ｎが所定回転速度以下（例えば、３０００ｒｐｍ以下）の条件を満たすことである。尚、触媒出ガス温度は触媒出口温度センサ１８により検出される。
【００４７】
ステップ１３０でＹＥＳと判定されると、ＥＣＵ５０がバルブ駆動装置２７を駆動して開閉バルブ２６を閉じ、バルブ駆動装置３０を駆動して還元剤バルブ３１を開いて（ステップ１４０）、蓄圧室８内の燃料を第１触媒部２４に噴射し、タイマを始動する（ステップ１５０）。
【００４８】
すると、第１触媒部２４だけが還元雰囲気になり、第１触媒部２４の吸蔵還元型触媒に吸収されていたＮＯx が放出され、Ｎ₂ に還元される。即ち、第１触媒部２４内の吸蔵還元型触媒のみが再生されることになる。このようにＮＯx の吸収量の多い第１触媒部２４内の吸蔵還元型触媒のみを再生するようにしているので、還元剤の必要量も少なくて済むとともに、再生を非常に効率的に行うことができる。
【００４９】
そして、時間△ｔ₁経過後にタイマ値Ｔに△ｔ₁を加算し（ステップ１６０）、加算後のタイマ値（Ｔ＋△ｔ₁）が所定の判定値Ｔ₀ を越えたか否かを判定する（ステップ１７０）。ステップ１７０でＮＯと判定された場合にはステップ１６０に戻り、ステップ１７０でＹＥＳと判定されるまで繰り返す。判定値Ｔ₀ は、第１触媒部２４内の吸蔵還元型触媒に吸収されたＮＯx を総て放出・還元するのに必要な時間であり、予め実験により求めておいたものがＥＣＵ５０のＲＯＭに記憶されている。
【００５０】
開閉バルブ２６が閉じられている間は、触媒コンバータ２０に流入した排気ガスはケーシング２１と内筒２２との間を通って第２触媒部２５を流れることとなる。第２触媒部２５の吸蔵還元型触媒は排気ガスに含まれる未燃ＨＣ、ＣＯを酸化する際に発熱するので、第１触媒部２４の吸蔵還元型触媒を再生している間、第１触媒部２４は比較的に高温に保持される。したがって、第１触媒部２４の吸蔵還元型触媒のＮＯx の放出・還元が比較的に容易に行われるようになる。
【００５１】
また、開閉バルブ２６が閉じられている間は、第２触媒部２５を流れる排気ガスの流速が大きくなるので、第２触媒部２５内に堆積していた煤やＳＯＦ（Soluble Organic Fraction）などの堆積物が除去される。
【００５２】
尚、第２触媒部２５の断面積を第１触媒部２４の断面積と略同じ（即ち、全体の５０％程度）にしておけば、開閉バルブ２６が閉じられても排気管１２の背圧が大きく上昇することはない。
【００５３】
ステップ１７０でＹＥＳと判定されると、バルブ駆動装置２７が駆動して開閉バルブ２６を開き第１触媒部２４への排気ガスの流通を可能にするとともに、バルブ駆動装置３０が駆動して還元剤バルブ３１を閉じ（ステップ１８０）、第１触媒部２４への燃料噴射が停止されて、再生処理を終了する。尚、ステップ１２０及びステップ１３０でＮＯと判定された場合にはリターンに進む。
【００５４】
尚、この実施の形態においては、バルブ駆動装置２７，３１と、ＥＣＵ５０による一連の信号処理のうちステップ１４０を実行する部分により再生制御手段が構成されている。
【００５５】
〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態における内燃機関の排気浄化装置について、図６及び図７の図面を参照して説明する。
【００５６】
第２の実施の形態もディーゼルエンジンの排気浄化装置の態様であり、装置の構成については第１の実施の形態のものとほぼ同様であり、図１及び図２を援用して説明する。
【００５７】
第１の実施の形態では、触媒コンバータ２０の第１触媒部２４と第２触媒部２５にはいずれも吸蔵還元型触媒が収容されていたが、この第２の実施の形態では、第１触媒部２４には吸蔵還元型触媒が収容されているが、第２触媒部２５には選択還元型触媒が収容されている。装置構成上の相違点はこの点だけである。
【００５８】
選択還元型触媒とは、空燃比リーンの排気（ストイキの排気が中性でそれより酸素過剰の雰囲気）中で、炭化水素（ＨＣ）の存在下でＮＯx を還元または分解する触媒として定義される。このような選択還元型触媒には、ゼオライトにＣｕ等の遷移金属をイオン交換して担持した触媒、ゼオライトまたはアルミナに貴金属を担持した触媒、等が含まれる。
【００５９】
また、第１の実施の形態と第２の実施の形態では排気浄化装置の運転方法が異なり、そのため制御方法が異なる。以下、第２の実施の形態の排気浄化装置の運転方法、及び制御方法について説明する。
【００６０】
第２の実施の形態の排気浄化装置では、車両が加速状態のときには開閉バルブ２６を開いて触媒コンバータ２０内での排気ガスの流れを自然に任せるようにし、非加速状態のときには開閉バルブ２６を閉ざして排気ガスを第１触媒部２４に流さないようにして第２触媒部２５にのみ流すようにしている。このようにする理由は次のとおりである。
【００６１】
車両用内燃機関においては、車両の加速走行時に多量のＮＯx が発生し、非加速時のＮＯx 発生量は加速時よりも少ない。また、第１の実施の形態において説明したように、開閉バルブ２６が開いている場合には、排気管１２から触媒コンバータ２０に流入した排気ガスはその大半が内筒２２内を流れ、ケーシング２１と内筒２２との間を流れる流量は少ない。
【００６２】
そこで、ＮＯx 排出量の多い加速時には開閉バルブ２６を開いて排気ガスの多くを第１触媒部２４を通るようにし、吸蔵還元型触媒によってＮＯx を吸収するようにする。そして、ＮＯx 排出量の少ない非加速時には開閉バルブ２６を閉じて排気ガスの全量を第２触媒部２５に通し、選択還元型触媒によってＮＯx を還元するようにする。
【００６３】
尚、選択還元型触媒がＮＯx を還元するためには還元剤としてのＨＣが必要であるので、開閉バルブ２６を閉ざした時には排気ガスに還元剤としての燃料を噴射する。一方、開閉バルブ２６を開いてもっぱら吸蔵還元型触媒によってＮＯx を吸収する時には、排気ガスの空燃比をリーンにする必要があるので排気ガスに燃料を噴射しない。
【００６４】
そして、第１触媒部２４の吸蔵還元型触媒のＮＯx 吸収能が飽和したときには、開閉バルブ２６を閉じ、還元剤バルブ３１を開いて第１触媒部２４に燃料を噴射し、吸蔵還元型触媒の再生を行う。
【００６５】
次に、図６を参照して具体的な制御方法について説明する。
図６の制御ルーチンは、ＥＣＵ５０のＲＯＭに格納されＣＰＵに呼び出されて演算が実行され、一定時間毎に割り込まれる。
【００６６】
まず、現在の車両の走行状態が加速状態か非加速状態かの判定を行う。そのために、アクセル開度センサ１７により現在のアクセル開度αi-₁ を検出し、ＥＣＵ５０のＲＯＭに書き込み（ステップ２１０）、所定時間△ｔ₂が経過したか否かを判定して（ステップ２２０）、ＹＥＳであれば△ｔ₂時間経過後のアクセル開度αi を検出してＲＯＭに書き込み（ステップ２３０）、アクセル開度の変化量（αi−αi-₁）を演算して判定値α₀ より大きいか否かを判定する（ステップ２４０）。判定値α₀ は予めＥＣＵ５０のＲＯＭに記憶されている。
【００６７】
ステップ２４０でＹＥＳと判定された場合には車両が加速状態であるのでステップ２５０に進み、ＥＣＵ５０がバルブ駆動装置２７を駆動して開閉バルブ２６を開く。これにより触媒コンバータ２０に流入した排気ガスは、その大半が内筒２２内を通って第１触媒部２４に流れ、残りがケーシング２１と内筒２２との間を通って第２触媒部２５に流れる。第１触媒部２４を通過する排気ガスに含まれるＮＯx は吸蔵還元型触媒に吸収され、第２触媒部２５を通過する排気ガスに含まれるＮＯx はこの排気に含まれるＨＣを還元剤として還元される。
【００６８】
例えば、内筒２２の断面積をケーシング２１の断面積の約５０パーセントに設定した場合には、流入排気ガスの７０〜８０％が内筒２２に流れ、３０〜２０％がケーシング２１と内筒２２の間を流れ、第１触媒部２４でのＮＯx 浄化率が７０〜８０％程度であっても第１触媒部２４では５０〜６５％のＮＯx 浄化能が得られ、第２触媒部２５でのＮＯx 浄化率が２０％程度であっても第２触媒部では６〜４％のＮＯx 浄化能が得られる。
【００６９】
そして、ステップ２６０で機関排出ＮＯx 量Ｎij を読み取り、ステップ２７０で第１触媒部２４の吸蔵還元型触媒に吸収された吸収ＮＯx 量を積算し、リターンに進む。尚、ステップ２６０とステップ２７０はそれぞれ第１の実施の形態におけるステップ１００、ステップ１１０と同じであるので、その内容説明は省略する。
【００７０】
一方、ステップ２４０でＮＯと判定された場合には車両が非加速状態であるのでステップ２８０に進み、ＥＣＵ５０がバルブ駆動装置２７を駆動して開閉バルブ２６を閉じる。これにより触媒コンバータ２０に流入した排気ガスは内筒２２内を通過できなくなり、排気ガスはその全量がケーシング２１と内筒２２との間を通って第２触媒部２５に流れる。
【００７１】
前述したように第２触媒部２５の選択還元型触媒によりＮＯx を還元するには排気ガス中に還元剤としてのＨＣを添加する必要があるが、ここで添加するＨＣの分子サイズは比較的に小さい（Ｃの数が８以下）方がＮＯx 浄化率が高い。ディーゼル燃料はそれよりＣの多い大きい分子サイズのＨＣを多量に含むので、そのままの形で選択還元型触媒のすぐ上流に供給するよりも、膨張、排気行程にある気筒の筒内に噴射し（以下、これを副噴射と称す）、高温排気ガスによって熱分解して小さな分子のＨＣとして選択還元型触媒に供給する方が浄化率が高くなる。そこで、この実施の形態ではステップ２８０の後、ステップ２９０で副噴射を行って排気ガスにＨＣを添加することとした。副噴射によって選択還元型触媒に供給されたＨＣは、一部が部分酸化して活性種を生成し、この活性種がＮＯx と反応してＮＯx を還元し、Ｎ₂ 、Ｈ₂Ｏ、Ｏ、ＣＯ₂ を生成する。尚、副噴射制御については後で詳述する。
【００７２】
第２触媒部２５はケーシング２１近傍に位置しているため外部への放熱により比較的に低い温度に保たれる。選択還元型触媒は比較的に低い触媒温度でＮＯx 浄化率が高いので、第２触媒部２５を比較的に低温に保持することは、第２触媒部２５におけるＮＯx 浄化率を向上させる効果がある。
【００７３】
また、非加速時には、排気ガスの排出量が少なくなるため第２触媒部２５の空間速度ＳＶが減少し、空間速度ＳＶの減少はＨＣの自己酸化（ＨＣ＋Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ₂）を促進しようとする。しかしながら、前記触媒温度の低温保持による効果がＨＣの自己酸化を抑制するので、第２触媒部２５におけるＮＯx の還元（ＮＯx ＋ＨＣ → Ｈ₂＋ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｏ）を促進する。
【００７４】
ステップ２９０で副噴射を実行すると同時に、ステップ２７０で積算した吸収ＮＯx 量の積算値が飽和判定値Ｓ₀ を越えたか否かを判定し（ステップ３００）、ステップ３００でＹＥＳと判定された場合には再生可能な運転領域か否かを判定し（ステップ３１０）、ステップ３１０でＹＥＳと判定された場合には、ＥＣＵ５０がバルブ駆動装置３０を駆動して還元剤バルブ３１を開いて（ステップ３２０）、蓄圧室８内の燃料を第１触媒部２４に噴射し、タイマを始動する（ステップ３３０）。
【００７５】
すると、第１触媒部２４だけが還元雰囲気になり、第１触媒部２４の吸蔵還元型触媒に吸収されていたＮＯx が放出され、Ｎ₂ に還元される。即ち、第１触媒部２４の吸蔵還元型触媒が再生されることになる。
【００７６】
そして、時間△ｔ₁経過後にタイマ値Ｔに△ｔ₁を加算し（ステップ３４０）、加算後のタイマ値（Ｔ＋△ｔ₁）が所定の判定値Ｔ₀ を越えたか否かを判定し（ステップ３５０）、ステップ３５０でＹＥＳと判定されると、バルブ駆動装置３０が駆動して還元剤バルブ３１を閉じ（ステップ３６０）、第１触媒部２４への燃料噴射が停止されて、再生処理を終了する。
【００７７】
尚、ステップ３００、ステップ３１０、ステップ３３０、ステップ３４０、ステップ３５０はそれぞれ、第１の実施の形態におけるステップ１２０、ステップ１３０、ステップ１５０、ステップ１６０、ステップ１７０と同じであるので、その内容説明は省略する。また、ステップ３００及びステップ３１０でＮＯと判定された場合にはリターンに進む。
【００７８】
吸蔵還元型触媒の再生は温度が高い方が有利であるが、この実施の形態では吸蔵還元型触媒の再生は、吸蔵還元型触媒の温度が比較的に高く保持されている加速直後に行われるようになるので、ＮＯx の放出・還元が早く行われるようになる。また、第２触媒部２５が第１触媒部２４に対する保温材として機能するので、第１触媒部２４の温度低下を抑制し、これも吸蔵還元型触媒の再生を有利にする。
【００７９】
また、開閉バルブ２６が閉じられている間は、第２触媒部２５を流れる排気ガスの流速が大きくなるので、第２触媒部２５内に堆積していた煤やＳＯＦ（Soluble Organic Fraction）などの堆積物が除去される。
【００８０】
尚、第２触媒部２５の断面積を第１触媒部２４の断面積と略同じ（即ち、全体の５０％程度）にしておけば、開閉バルブ２６が閉じられても排気管１２の背圧が大きく上昇することはない。
【００８１】
尚、この実施の形態においては、バルブ駆動装置２７，３１と、ＥＣＵ５０による一連の信号処理のうちステップ２８０及びステップ３２０を実行する部分により再生制御手段が構成されており、アクセル開度センサ２１０とステップ２４０を実行する部分により加速判定手段が構成されている。
【００８２】
次に、前述した副噴射制御について簡単に説明する。
副噴射において、膨張、排気行程にある気筒の筒内に燃料を噴射する場合、噴射量が少な過ぎれば排気ガス中のＨＣ量が不足し、選択還元型触媒でのＮＯx の還元が十分でなくなり、噴射量が多過ぎればＨＣがＮＯx の還元に消費されるよりも多くなって余分のＨＣは排出され、ＨＣエミッションの悪化、燃費の低下を生じる。また、機関運転状態（機関回転速度Ｎ、機関負荷Ｌ）に応じて生成ＮＯx 量が変化し、そのＮＯx を還元するための要求ＨＣ量も変化するので、機関運転状態に応じて最適量の副噴射を実行しなければならない。これを制御するのが図７の制御ルーチンである。
【００８３】
図７の制御ルーチンは、ＥＣＵ５０のＲＯＭに格納されＣＰＵに呼び出されて演算が実行され、一定時間毎に割り込まれる。
ます、ステップ２９１で、クランク角センサ３５の出力信号から演算される機関回転速度Ｎ、アクセル開度センサ１７の出力信号から演算される機関負荷Ｌを読み込む。
【００８４】
次に、ステップ２９２に進み、副噴射を行う気筒番号を決定する。即ち、クランク角センサ３４の出力パルスから、例えば１番気筒が上死点にきたときを知り、クランク角センサ３５の出力信号から、例えば１番気筒が上死点位置から何度回転した位置にあるかを知ることにより、現在のクランク角を演算することができ、１番気筒の行程がわかれば他の気筒の行程もわかり、どの気筒が膨張、排気行程にあるか、したがって副噴射を実行すべき気筒番号（膨張、排気のいずれかの行程にある気筒の番号）を決定することができる。
【００８５】
次に、ステップ２９３に進み、必要副噴射量Ｑを決定する。即ち、現在の機関回転速度Ｎと機関負荷Ｌから機関運転状態がほぼ定まり、その状態でのＮＯx 生成量が決まるとともにそれを浄化するためのＨＣ量またはＨＣ濃度も決まる。これが目標ＨＣ濃度ＨＣ1 であり、目標ＨＣ濃度ＨＣ1 が決まればその目標ＨＣ濃度ＨＣ1 を得るための必要副噴射量Ｑも決まる。そこで、機関回転速度Ｎと機関負荷Ｌと必要副噴射量Ｑとの関係を実験により求めておき、これをマップにして予めＥＣＵ５０のＲＯＭに格納しておく。ステップ２９３では、現在の機関回転速度Ｎと機関負荷Ｌから前記マップを参照して必要副噴射量Ｑを決定するのである。尚、機関回転速度Ｎが大なるほど、そして機関負荷Ｌが大なるほど、必要副噴射量Ｑも大きくなる。
次に、ステップ２９４に進み、副噴射の燃料圧力Ｐと噴射期間Ｔm を決定する。即ち、副噴射量Ｑは燃料噴射弁９の噴射期間Ｔm と燃料圧力Ｐによって決まるので、まず、期間回転速度Ｎと期間負荷Ｌからその機関運転状態に応じた燃料圧力Ｐを決定し、次に、この燃料圧力Ｐと必要副噴射量Ｑから噴射期間Ｔm を決定する。尚、期間回転速度Ｎと期間負荷Ｌと燃料圧力Ｐとの関係は予めマップにしてＥＣＵ５０のＲＯＭに格納されており、燃料圧力Ｐと必要副噴射量Ｑと噴射期間Ｔm との関係は予めマップにしてＥＣＵ５０のＲＯＭに格納されていて、燃料圧力Ｐと噴射期間Ｔm を決定する際にこれらマップが参照される。
【００８６】
次に、ステップ２９５に進み、ステップ２９４で演算した噴射期間Ｔ_m に基づいて、副噴射開始時期τ_s を決定する。即ち、副噴射で噴射される燃料は、その全量が機関の膨張、排気行程で筒内に噴射されなければならず、しかも、排気行程の終了近傍の吸気弁と排気弁の両方が開くオーバラップ開時期よりも前に副噴射が終了しなければならない。副噴射の終了時期が吸排気弁開弁オーバラップ時期にかからないようにするという条件で決まると、それよりＴ_m だけ早めた時期が副噴射開始時期τ_s となる。
【００８７】
このようにして求めた副噴射量Ｑ、噴射期間Ｔ_m 、噴射開始時期τ_s にしたがって副噴射が実行される。
【００８８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、触媒ゾーンが中央部の第１触媒部とその周囲に設けられた第２触媒部に区画され、第１触媒部の触媒は、流入排気ガスの空燃比がリーンの時にＮＯxを吸収し流入排気ガスの酸素濃度が低下した時に吸収したＮＯxを放出する吸蔵還元型触媒であり、第１触媒部への排気ガスの流入を許容あるいは阻止する開閉手段と、第１触媒部にのみ還元剤を添加する還元剤添加手段と、第１触媒部の吸蔵還元型触媒に吸収されたＮＯxを放出・還元するために前記開閉手段を閉ざし前記還元剤添加手段で還元剤を添加せしめる再生制御手段とを備えたことにより、触媒ゾーンの中央部に位置しＮＯx を多く吸収している第１触媒部の触媒だけを再生することができ、少量の還元剤で効率的にＮＯx の放出・還元を行うことができるという優れた効果が奏される。
【００８９】
また、第２触媒部が第１触媒部の触媒温度の低下を抑制するので、第１触媒部の触媒のＮＯx 浄化率を向上させるという効果もある。
また、第２触媒部の触媒を、酸素過剰の雰囲気で炭化水素の存在下でＮＯxを還元または分解する選択還元型触媒とした場合には、触媒ゾーンの温度分布に応じた効率的なＮＯx の浄化を行うことができるという優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の内燃機関の排気浄化装置の実施の形態における触媒コンバータの断面図である。
【図２】本発明の内燃機関の排気浄化装置の実施の形態における全体構成図である。
【図３】吸蔵還元型触媒のＮＯx 吸収とＮＯx 放出・還元の原理説明図である。
【図４】本発明の内燃機関の排気浄化装置の第１の実施の形態における再生処理制御手順を示すフローダイヤグラムである。
【図５】内燃機関から排出されるＮＯx 量と機関回転速度と機関負荷（アクセル開度）との関係を示す図である。
【図６】本発明の内燃機関の排気浄化装置の第２の実施の形態における排気浄化制御手順を示すフローダイヤグラムである。
【図７】本発明の内燃機関の排気浄化装置の第２の実施の形態における副噴射制御手順を示すフローダイヤグラムである。
【符号の説明】
１ディーゼル機関本体（内燃機関）
１２排気管（排気通路）
１７アクセル開度センサ（加速判定手段）
２３触媒ゾーン
２４第１触媒部
２５第２触媒部
２６開閉バルブ（開閉手段）
２７バルブ駆動装置（再生制御手段）
２８噴射ノズル（還元剤添加手段）
３１バルブ駆動装置（再生制御手段）

Claims

空燃比リーン状態で燃焼させる内燃機関から排出される排気ガスを、排気通路に設けられた触媒ゾーンに通し、触媒ゾーンに収容された酸化能を有する触媒により浄化する内燃機関の排気浄化装置において、
前記触媒ゾーンが中央部の第１触媒部とその周囲に設けられた第２触媒部に区画され、第１触媒部の触媒は、流入排気ガスの空燃比がリーンの時にＮＯxを吸収し流入排気ガスの酸素濃度が低下した時に吸収したＮＯxを放出する吸蔵還元型触媒であり、第１触媒部への排気ガスの流入を許容あるいは阻止する開閉手段と、第１触媒部にのみ還元剤を添加する還元剤添加手段と、第１触媒部の吸蔵還元型触媒に吸収されたＮＯxを放出・還元するために前記開閉手段を閉ざし前記還元剤添加手段で還元剤を添加せしめる再生制御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。
前記第２触媒部の触媒は、酸素過剰の雰囲気で炭化水素の存在下でＮＯxを還元または分解する選択還元型触媒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。
内燃機関の運転状態が加速状態であるか否かを判定する加速判定手段を備え、前記加速判定手段により内燃機関が加速状態であると判定された時に前記開閉手段が開くように制御され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。