JP4311079B2

JP4311079B2 - 内燃機関の排気浄化システム

Info

Publication number: JP4311079B2
Application number: JP2003143365A
Authority: JP
Inventors: 光壱木村; 孝充浅沼
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-05-21
Filing date: 2003-05-21
Publication date: 2009-08-12
Anticipated expiration: 2023-05-21
Also published as: JP2004346798A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
吸蔵還元型ＮＯx触媒を内燃機関の排気系に配置し、還元雰囲気のときに排気中の窒素酸化物（ＮＯx）を該ＮＯx触媒に吸蔵（吸着、吸収、付着でも良い。）し、酸化雰囲気となったときは該ＮＯx触媒に吸蔵されていたＮＯxを還元して排気中のＮＯxを浄化する技術が知られている。
【０００３】
そして、例えば、吸蔵還元型ＮＯx触媒、燃料添加ノズル、三元触媒を備え、ＮＯx還元時に燃料添加ノズルから燃料を添加して三元触媒を通過する排気をリッチ空燃比とし、吸蔵還元型ＮＯx触媒から放出されたＮＯxを還元する技術（例えば、特許文献１参照）、吸蔵還元型ＮＯx触媒、三元触媒を備え、ＮＯx還元時に吸蔵還元型ＮＯx触媒から排出されるＣＯ，ＨＣを三元触媒で浄化する技術（例えば、特許文献２参照）、還元能力が弱いＮＯx触媒、三元触媒を備え、ＮＯx触媒から放出されたＮＯxを三元触媒で還元する技術（例えば、特許文献３参照）が知られている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２６５８３３号公報
【特許文献２】
特開平６−６６１８５号公報
【特許文献３】
特開平１１−２２９８６４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、リーン空燃比の排気中へ液状の還元剤を供給すると、ＮＯx触媒で局所的にリッチ空燃比が形成されたり、反対にリッチ空燃比とならずにリーン空燃比となる箇所があったりする。そして、リッチ空燃比の箇所からはＮＯxが放出されるものの、ＮＯxが放出された後に酸素濃度が高いところを該ＮＯxが流通すると、ＮＯxが還元されないままＮＯx触媒下流へ流出することがある。
【０００６】
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の排気浄化システムにおいて、液状の還元剤を供給したときにＮＯx触媒から放出されるＮＯxを浄化することができる技術を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために本発明の内燃機関の排気浄化システムは、以下の手段を採用した。即ち、
内燃機関の排気通路に設けられ酸化雰囲気のときにＮＯxを吸蔵し還元雰囲気で吸蔵していたＮＯxを還元するＮＯx触媒と、
前記ＮＯx触媒よりも下流に備えられ還元機能を有する触媒と、
前記ＮＯx触媒よりも下流に備えられ前記還元機能を有する触媒に流入する排気若しくは流出する排気の空燃比を検出する空燃比検出手段と、
前記内燃機関の下流且つ前記ＮＯx触媒上流の排気通路へ液状の還元剤を供給する還元剤供給手段と、
を備え、
前記ＮＯx触媒に吸蔵されているＮＯxを還元するときに、前記空燃比検出手段により検出される空燃比が理論空燃比近傍となるように、前記還元剤供給手段により還元剤が供給されることを特徴とする。
【０００８】
本発明の最大の特徴は、還元剤の供給によりＮＯx触媒下流に流出したＮＯxを下流の還元機能を有する触媒で還元することができるように還元剤供給量を調整することにある。
【０００９】
このように構成された内燃機関の排気浄化システムでは、内燃機関から排出されたＮＯxがＮＯx触媒に吸蔵される。そして還元剤供給手段は、吸蔵されたＮＯxを還元するために、排気中へ液状の還元剤を供給する。この還元剤は、排気と共にＮＯx触媒に流入するが、液状で排気中に供給されるため、完全に蒸発する前にＮＯx触媒に到達することがある。また、蒸発したとしても排気との混合が進まないままＮＯx触媒に到達することがある。そして、ＮＯx触媒に到達した還元剤は排気中の酸素と反応しつつＮＯx触媒を流通する。これらの場合には、ＮＯx触媒内部の空燃比分布が均一とならないことがある。そして、ＮＯx触媒では、還元剤の供給によりＮＯxが放出されるが、還元剤濃度が低い箇所においてはＮＯxが還元されずにＮＯx触媒から放出されることがある。そのような場合であっても、下流の還元機能を有する触媒によりＮＯxの還元を行うことができる。ここで、還元機能を有する触媒においては、理論空燃比若しくはリッチ空燃比でＮＯxの浄化率が高くなるが、リッチ空燃比では排気中のＨＣ、ＣＯの浄化率が低くなる。そこで、本発明では、空燃比検出手段により排気の空燃比を検出し、この空燃比が理論空燃比近傍となるように、還元剤の供給を行う。これにより、ＮＯx触媒から流出するＮＯxを下流の還元機能を有する触媒にて還元しつつＨＣ、ＣＯの放出を抑制することが可能となり、ＮＯx、ＨＣ、ＣＯの大気中への放出を抑制することが可能となる。
【００１０】
本発明においては、前記ＮＯx触媒に還元剤を供給したときに、ＮＯx触媒下流に放出されるＮＯxの放出量を推定するＮＯx放出量推定手段を更に備え、前記ＮＯx放出量推定手段に推定されるＮＯx放出量が規定量以上の場合に限り、前記空燃比検出手段により検出される空燃比が理論空燃比近傍となるように、前記還元剤供給手段により還元剤が供給されても良い。
【００１１】
ここでいう「規定値」とは、許容されるＮＯxの放出量である。リーン空燃比の場合には、還元機能を有する触媒ではＮＯxの浄化率が低いものの、少量のＮＯxならば浄化することができる。従って、「規定値」は、還元機能を有する触媒において浄化可能なＮＯx量としても良い。
【００１２】
このように構成された内燃機関の排気浄化システムでは、リーン空燃比の排気が還元機能を有する触媒に流入することになっても、ＮＯxの浄化が可能であれば、該還元機能を有する触媒に流入する排気の空燃比を理論空燃比近傍とするために還元剤を供給する必要がなくなる。このようにして、還元剤の消費を抑制することができ、還元剤に燃料を用いている場合には燃費の悪化を抑制することが可能となる。
【００１３】
本発明においては、前記還元機能を有する触媒は更に酸素貯蔵能を有し、前記空燃比検出手段は前記ＮＯｘ触媒よりも下流且つ前記還元機能を有する触媒よりも上流に設けられ、前記還元機能を有する触媒に貯蔵された酸素の量を推定する貯蔵酸素量推定手段を更に備え、前記貯蔵酸素量推定手段により推定された酸素量及び前記空燃比検出手段により検出される空燃比に基づいて、前記還元機能を有する触媒の内部雰囲気が理論空燃比近傍となるように前記還元剤供給手段により還元剤が供給される。
【００１４】
前記空燃比検出手段を前記ＮＯx触媒よりも下流且つ前記還元機能を有する触媒よりも上流に設けることにより、ＮＯx触媒から流出する排気の空燃比及び還元機能を有する触媒に流入する排気の空燃比を精度良く検出することができる。
【００１５】
ここで、リッチ空燃比の排気が酸素吸蔵能及び還元機能を有する触媒へ到達すると、該還元機能を有する触媒から酸素が放出される。この酸素により排気の空燃比が変化し、空燃比検出手段により検出された空燃比よりも、還元機能を有する触媒内雰囲気の空燃比は高くなる。従って、酸素が放出されている間は、所望の空燃比を得ることができなくなってしまう。そこで、前記貯蔵酸素量推定手段により貯蔵酸素量を推定し、この貯蔵された酸素を消費するために必要となる還元剤の供給量を考慮して還元剤を供給する。即ち、貯蔵されている酸素の量が多いほど還元剤の供給量を多くする。これにより、還元機能を有する触媒内雰囲気を所望の空燃比とすることが可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施の形態＞
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化システムの具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。ここでは、本発明に係る内燃機関の排気浄化システムを車両駆動用のディーゼルエンジンに適用した場合を例に挙げて説明する。
【００１７】
図１は、本実施の形態に係る排気浄化システムを適用するエンジン１とその排気系の概略構成を示す図である。
【００１８】
図１に示すエンジン１は、水冷式の４サイクル・ディーゼルエンジンである。
【００１９】
エンジン１には、燃焼室と連通する排気管２が接続されている。この排気管２は、下流にて大気へと通じている。
【００２０】
前記排気管２の途中には、吸蔵還元型ＮＯx触媒３（以下、単にＮＯx触媒３とする。）が備えられている。本実施の形態によるＮＯx触媒３では、アルミナからなる担体上にバリウム（Ｂａ）と白金（Ｐｔ）とを担持し、更に酸素貯蔵（Ｏ₂ストレージ）能のある例えばセリア（ＣｅＯ₂）等の遷移金属酸化物が添加されている。
【００２１】
ＮＯx触媒は、該ＮＯx触媒３に流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のＮＯxを吸蔵（吸収、吸着、付着でも良い。）し、一方、該ＮＯx触媒３に流入する排気の酸素濃度が低下したときは吸蔵していたＮＯxを放出する。その際、排気中に炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等の還元成分が存在していれば、放出されたＮＯxが還元される。また、セリア（ＣｅＯ₂）等の遷移金属酸化物は、排気の特性に応じて酸素を一時的に保持し、活性化酸素として放出する能力を有する。
【００２２】
ＮＯx触媒３より下流の排気管２には、還元機能を有する周知の三元触媒４が備えられている。この三元触媒４では、リーン空燃比のときに酸化作用が活発となりＨＣ、ＣＯが酸化されるが、還元作用は不活発となる。また、リッチ空燃比のときには還元作用が活発となりＮＯxが還元されるが、酸化作用が不活発となる。この酸化作用と還元作用とのバランスがとれたとき（理論空燃比近傍のとき）に三元触媒４は最も有効に働く。
【００２３】
また、三元触媒４より下流の排気管２には、該排気管２内を流通する排気の空燃比に対応した電気信号を出力する空燃比センサ８が取り付けられている。
【００２４】
ところで、エンジン１が希薄燃焼運転されている場合は、エンジン１から排出される排気の空燃比がリーンとなり排気中の酸素濃度が高くなるため、排気中に含まれるＮＯxがＮＯx触媒３に吸蔵されることになるが、エンジン１の希薄燃焼運転が長期間継続されると、ＮＯx触媒３のＮＯx吸蔵能力が飽和し、排気中のＮＯxがＮＯx触媒３にて吸蔵されずに大気中へ放出されてしまう。
【００２５】
ここで、「排気の空燃比がリーン」である状態とは、例えば理論空燃比の混合気を燃焼して得られる排気中の成分比（酸化成分と還元成分の比）よりも、酸化成分が多い（濃い）状態に相当する。換言すると、吸気系へ排気が還流されたり、還元成分が直接排気系に供給されたりといった外乱がない場合、機関燃焼に供される混合気の空燃比が、概ね「１４．６」（理論空燃比）よりも大きい（リーン寄りである）ときの排気の状態を意味する。一方、「排気の空燃比がリッチ」である状態とは、同じく吸気系へ排気が還流されたり、還元成分が直接排気系に供給されたりといった外乱がない場合、機関燃焼に供される混合気の空燃比が、概ね「１４．６」（理論空燃比）よりも小さい（リッチ寄りである）ときの排気の状態を意味する。
【００２６】
特に、エンジン１のようなディーゼルエンジンでは、大部分の運転領域においてリーン空燃比の混合気が燃焼され、それに応じて大部分の運転領域において排気の空燃比がリーン空燃比となるため、ＮＯx触媒３のＮＯx吸蔵能力が飽和し易い。従って、エンジン１が希薄燃焼運転されている場合は、ＮＯx触媒３のＮＯx吸蔵能力が飽和する前にＮＯx触媒３に流入する排気中の酸素濃度を低下させるとともに還元剤の濃度を高め、ＮＯx触媒３に吸蔵されたＮＯxを還元させる必要がある。
【００２７】
例えば、ＮＯx触媒３より上流の排気管２を流通する排気中に還元剤たる燃料（軽油）を添加する還元剤供給機構を備え、この還元剤供給機構から排気中へ燃料を添加することにより、ＮＯx触媒３に流入する排気の酸素濃度を低下させるとともに還元剤の濃度を高めることができる。
【００２８】
還元剤供給機構は、図１に示されるように、その噴孔が排気管２内に臨むように取り付けられ、後述するＥＣＵ１０からの信号により開弁して燃料を噴射する燃料添加弁５と、燃料ポンプ６と、該燃料ポンプ６から吐出された燃料を燃料添加弁５へ導く燃料供給路７と、を備えている。
【００２９】
このような還元剤供給機構では、燃料ポンプ６から吐出された高圧の燃料が燃料供給路７を介して燃料添加弁５へ印加される。そして、ＥＣＵ１０からの信号により該燃料添加弁５が開弁して排気管２内へ還元剤としての燃料が噴射される。燃料添加弁５から排気管２内へ噴射された燃料は、排気管２の上流から流れてきた排気の酸素濃度を低下させると共に、ＮＯx触媒３に到達し、ＮＯx触媒３に吸蔵されていたＮＯxを還元することになる。
【００３０】
また、エンジン１には、クランクシャフトの回転位置に対応した電気信号を出力するクランクポジションセンサ１１が設けられている。
【００３１】
以上述べたように構成されたエンジン１には、該エンジン１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、エンジン１の運転条件や運転者の要求に応じてエンジン１の運転状態を制御するユニットである。
【００３２】
ＥＣＵ１０には、各種センサが電気配線を介して接続され、上記した各種センサの出力信号の他、運転者がアクセルを踏み込んだ量に応じた電気信号を出力するアクセル開度センサ１２の出力信号が入力されるようになっている。
【００３３】
一方、ＥＣＵ１０には、燃料添加弁５等が電気配線を介して接続され、上記した各部をＥＣＵ１０により制御することが可能になっている。
【００３４】
例えば、ＮＯx浄化制御では、ＥＣＵ１０は、燃料添加弁５から還元剤を添加して、ＮＯx触媒３に流入する排気中の酸素濃度を比較的に短い周期で低くする。
【００３５】
ところで、燃料添加弁５により燃料が供給されると、ＮＯx触媒３に流入する排気の空燃比がリッチ空燃比となり、ＮＯxが還元される。しかし、このときに一部のＮＯxが少量ではあるが下流へ流出することがある。即ち、本実施の形態では、液状の燃料を排気中へ添加しているが、この燃料が蒸発する前にＮＯx触媒３に到達すると、該ＮＯx触媒３に燃料が付着する。このようにして付着した燃料の近辺の雰囲気はリッチ空燃比となるが、そこから離れるに従って空燃比が高くなりリーン空燃比となる箇所も存在する。また、例え蒸発したとしても燃料と排気との混合が進む前にＮＯx触媒３に流入することもあり、ＮＯx触媒３内の雰囲気の空燃比は不均一となる。そして、リッチ空燃比となった箇所から放出されたＮＯxの一部は、燃料の不足により還元されないままＮＯxの状態でＮＯx触媒３から流出することになる。
【００３６】
このようにＮＯx触媒３から流出したＮＯxは、下流の三元触媒４により還元・浄化することが可能である。そして、前記したように、三元触媒４は、リッチ空燃比若しくは理論空燃比のときに還元作用が活発となりＮＯxの浄化率が高くなる。
【００３７】
その点、本実施の形態では、空燃比センサ８の出力信号に基づいて、三元触媒４内の雰囲気の空燃比が理論空燃比となるように、燃料添加弁５から添加する燃料量をフィードバック制御する。尚、本実施の形態では、空燃比センサ８の出力信号から得られる排気の空燃比と三元触媒４内雰囲気の空燃比とは等しいものとして扱う。
【００３８】
ここで、還元剤の供給手段として、内燃機関からリッチ空燃比の燃焼ガスを排出させることも考えられる。このように内燃機関から排出されるリッチ空燃比の燃焼ガス中には、反応性が高いＨＣが多く含まれ、ＮＯx触媒から放出されたＮＯxを高い効率で還元させることができる。しかし、少量ではあるがＮＯxの一部が還元されずに下流へ流出することがある。そして、燃焼ガス中に含まれるＨＣは、反応性が高いためＮＯx触媒で殆どが反応してしまい、下流の三元触媒には還元剤が供給されなくなってしまう。これにより、ＮＯx触媒から流出したＮＯxを下流の三元触媒で還元させることが困難となる。
【００３９】
また、ＮＯx触媒３から流出したＮＯxを、下流の三元触媒４にて還元させるために、ＮＯx触媒３と三元触媒４との間に燃料を添加することも考えられる。しかし、このようにして添加された燃料は三元触媒４で反応しづらく、三元触媒４の容量を大きくする等の処置が必要となる。また、前記したＮＯx触媒の場合と同様に、三元触媒４内の雰囲気の空燃比が不均一となる虞もある。
【００４０】
その点、本実施の形態では、ＮＯx触媒３の上流から、排気中に直接燃料を噴射して還元剤を供給している。ここで、液状の燃料を供給することにより、燃料の一部が上流のＮＯx触媒３を通過し、三元触媒４へ到達する。そして、ＮＯx触媒３を通過した燃料は、該ＮＯx触媒３において改質され、反応性が高くなる。さらに、ＮＯx触媒３から三元触媒４に至る排気管２内で、ＮＯxと燃料とが反応しＮＯxの一部が還元される。これらの理由により、三元触媒４を小型化することができる。
【００４１】
そして、本実施の形態では燃料添加制御を行い、三元触媒４内の雰囲気が理論空燃比となるように燃料添加弁５からの燃料添加量を制御する。
【００４２】
本実施の形態による燃料添加制御では、ＥＣＵ１０は、エンジン回転数、アクセル開度、燃焼室内への燃料噴射量等を読み出す。そして、ＥＣＵ１０は、前記したエンジン回転数とアクセル開度と燃料噴射量とをパラメータとして燃料添加量制御マップへアクセスし、排気の空燃比を予め設定された目標空燃比（ここでは、理論空燃比）とする上で必要となる燃料の添加量（目標添加量）を算出する。
【００４３】
続いて、ＥＣＵ１０は、前記目標添加量をパラメータとして燃料添加弁制御マップへアクセスし、燃料添加弁５から目標添加量の燃料を噴射させる上で必要となる燃料添加弁５の開弁時間（目標開弁時間）を算出する。
【００４４】
燃料添加弁５の目標開弁時間が算出されると、ＥＣＵ１０は、燃料添加弁５を目標還元時間だけ開弁させる。
【００４５】
そして、この添加による燃料が空燃比センサ８に到達したときに、該空燃比センサ８により検出される空燃比が、リーンの場合には燃料添加量が増量される。ＥＣＵ１０は、エンジン回転数とアクセル開度と燃料噴射量と空燃比センサ８の出力信号とをパラメータとしたマップへアクセスし、空燃比センサ８により得られる排気の空燃比を理論空燃比とする上で必要となる燃料の増加量を算出する。
【００４６】
続いて、ＥＣＵ１０は、前記燃料の増加量をパラメータとして燃料添加弁制御マップへアクセスし、前記燃料の増加量分の燃料を噴射させる上で必要となる燃料添加弁５の開弁時間の延長時間を算出する。
【００４７】
燃料添加弁５の開弁時間の延長時間が算出されると、ＥＣＵ１０は、燃料添加弁５を目標還元時間に延長時間を加えた時間だけ開弁させる。
【００４８】
このようにして、三元触媒４内の雰囲気を理論空燃比とすることができる。
【００４９】
尚、本実施の形態においては、ＮＯxを還元するために、三元触媒４内の雰囲気がリッチ空燃比となるように目標空燃比を定め、燃料添加弁５から添加される燃料量をフィードバック制御しても良い。また、空燃比センサ８により検出された排気の空燃比がリッチ空燃比の場合には、燃料添加弁５から添加する燃料の量を減少させて理論空燃比となるようにしても良い。
【００５０】
以上説明したように、本実施の形態によれば、三元触媒４の下流に取り付けた空燃比センサ８の出力信号に基づいて、燃料添加弁５からの燃料添加量をフィードバック制御することができる。そして、液状で供給される燃料を還元剤として用いるので、ＮＯx触媒３上流から燃料を供給しても、燃料が三元触媒４に到達し、該三元触媒４に還元剤を供給することができる。これにより、ＮＯx触媒３から流出するＮＯxを下流の三元触媒４にて還元することができ、大気中へのＮＯxの放出を抑制することが可能となる。
＜第２の実施の形態＞
本実施の形態では、第１の実施の形態と比較して、ＮＯx触媒３と三元触媒４との間の排気管２に空燃比センサ８を取り付け、該空燃比センサ８の出力信号に基づいて燃料添加量をフィードバック制御する点で相違する。また、下流の三元触媒４は、酸素貯蔵能を有している点で相違する。尚、本実施の形態においては、適用対象となるエンジンやその他ハードウェアの基本構成については、第１の実施の形態と共通なので説明を割愛する。
【００５１】
図２は、本実施の形態に係る排気浄化システムを適用するエンジン１とその排気系の概略構成を示す図である。
【００５２】
ここで、本実施の形態では、燃料添加弁５からの燃料添加時に空燃比センサ８の出力信号が原則として理論空燃比となるように、該燃料添加弁５からの燃料添加量をフィードバック制御する。
【００５３】
空燃比センサ８をＮＯx触媒３よりも下流且つ三元触媒４よりも上流に取り付けることにより、ＮＯx触媒３から流出する排気の空燃比、即ち三元触媒４に流入する排気の空燃比を直接検出することができる。即ち、三元触媒４の下流に空燃比センサ８を備えている第１の実施の形態では、三元触媒４内雰囲気の空燃比を検出することはできるが、ＮＯx触媒３から流出する空燃比を直接検出することはできない。ＮＯx触媒３によるＮＯxの浄化率を高くするという点では、ＮＯx触媒３内雰囲気の空燃比を検出することができる本実施の形態のほうが有利である。
【００５４】
ここで、本実施の形態では、下流の三元触媒４に酸素貯蔵能を持たせている。これにより、リッチ空燃比の排気が三元触媒４に流入すると、該三元触媒４に貯蔵されていた酸素が放出され、ＨＣ及びＣＯを酸化させることができる。即ち、排気の空燃比がリッチであったとしても、ＨＣ及びＣＯを浄化することが可能である。尚、本実施の形態では、三元触媒に酸素貯蔵能を持たせているが、これに代えて、吸蔵還元型ＮＯx触媒（ＮＯx触媒）を用いてもよい。この場合、下流のＮＯx触媒は、ＮＯx吸蔵能を低下させたものを用いるのが好適である。
【００５５】
ところで、三元触媒４に燃料が供給されると、この供給された燃料により該三元触媒４に貯蔵された酸素が消費されるまで目標となる空燃比よりもリーン側への空燃比のずれが発生する。本実施の形態では、空燃比センサ８は三元触媒４よりも上流に取り付けられているため、この空燃比のずれを直接検出することができない。
【００５６】
そこで、本実施の形態においては、三元触媒４に貯蔵されている酸素量を考慮して、燃料の添加量を増加させる。即ち、貯蔵されている酸素が消費されている間は燃料の添加量を多くして、空燃比のずれを抑制する。ここで、三元触媒４に貯蔵されている酸素量を推定することができれば、その酸素を消費するために必要となる燃料量、即ち燃料添加の増量分を求めることができる。この貯蔵されている酸素量と燃料添加の増量分との関係は、予め実験等により求めておいても良い。また、三元触媒４に貯蔵されている酸素の量は、該三元触媒４に流入する排気の空燃比、即ち空燃比センサ８により検出される排気の空燃比がリーンである期間の累計と、該三元触媒４が貯蔵することのできる最大酸素量（以下、限界酸素貯蔵量という。）と、から推定することができる。ここで、リーン空燃比である期間が長いほど、三元触媒４に貯蔵される酸素の量が多くなる。そして、限界酸素貯蔵量を上限として酸素が貯蔵される。三元触媒４の酸素貯蔵量とリーン空燃比である期間の累計との関係は、予め実験等により求めることができる。尚、限界酸素貯蔵量も、予め実験等により求めることができる。
【００５７】
ところで、本実施の形態で採用したディーゼルエンジンでは、排気の空燃比が非常に高いため、三元触媒４に貯蔵される酸素量は、すぐに限界酸素貯蔵量に達してしまう。従って、三元触媒４に貯蔵されている酸素量は、限界酸素貯蔵量で一定として扱い、該限界酸素貯蔵量の酸素を消費するために必要となる燃料量を燃料添加毎に増量するようにしても良い。
【００５８】
このようにして、三元触媒４に貯蔵されている酸素量が多いほど燃料添加量を多くして、該三元触媒４内の雰囲気を理論空燃比近傍とすることができる。
【００５９】
以上説明したように、本実施の形態によれば、ＮＯx触媒３の下流で且つ三元触媒４の上流に空燃比センサ８を取り付けて空燃比のフィードバック制御を行い、ＮＯx触媒３から流出するＮＯxを下流の三元触媒４にて還元・浄化することができる。
【００６０】
そして、三元触媒４に貯蔵されている酸素が放出されている間は、燃料添加量を増量して、該三元触媒４内の雰囲気を理論空燃比近傍とすることができる。これにより、三元触媒４から酸素が放出されていたとしても該三元触媒４にてＮＯxを浄化することが可能となる。
【００６１】
尚、本実施の形態では、ＮＯxを浄化するという点においては、三元触媒４が貯蔵することができる酸素の量は少ないほど良い。貯蔵されている酸素の量が少ないほど、空燃比のずれが少なくなるため、空燃比制御が容易になるからである。
＜第３の実施の形態＞
本実施の形態では、第１の実施の形態と比較して、ＮＯx触媒から流出するＮＯx量が規定量以上の場合に限り、三元触媒４内の雰囲気が理論空燃比となるように燃料添加量のフィードバック制御を行う点で相違する。尚、本実施の形態においては、適用対象となるエンジンやその他ハードウェアの基本構成については、第１の実施の形態と共通なので説明を割愛する。
【００６２】
ここで、ＮＯx触媒３から流出するＮＯx量が許容される量（規定量）よりも少ない場合には、例え酸化雰囲気でも三元触媒４にてＮＯxを還元させることができ、大気中へＮＯxは殆ど放出されない。従って、この場合には、燃料添加量を増量して三元触媒４内の雰囲気を理論空燃比とする必要はない。
【００６３】
ここで、本実施の形態では、ＮＯx触媒３から流出するＮＯx量は、例えば、ＮＯx触媒３と三元触媒４との間にＮＯxセンサを取り付け、該ＮＯxセンサの出力信号と、吸入空気量とから得ることができる。また、第２の実施の形態と同様の位置に取り付けた空燃比センサ８の出力信号によりＮＯxの流出量を推定しても良い。ここで、燃料添加時であって空燃比が低下するときに、空燃比センサ８の出力の変化速度が遅くなるほどＮＯxの流出量が多いことが知られているため、この変化速度が予め実験等により求めて定めた規定速度よりも遅くなった場合に、ＮＯxの流出量が多いと推定しても良い。さらに、ＮＯxの流出量は排気の温度やＮＯx触媒３の温度により異なるため、ＮＯxの流出量と、排気の温度若しくはＮＯx触媒３の温度との関係を予め実験等により求めてマップ化しておき、該マップからＮＯx流出量を得るようにしても良い。
【００６４】
そして、ＮＯx量が規定量以上の場合に限り三元触媒４内の雰囲気が理論空燃比となるように燃料添加量のフィードバック制御を行う。これにより、ＮＯxが殆ど流出していないときに燃料添加量が増量され、燃費が悪化することを抑制できる。
【００６５】
以上説明したように、本実施の形態によれば、ＮＯx触媒からのＮＯxの流出量が規定量以上の場合に限り燃料添加量のフィードバック制御を行い、燃費の悪化を抑制することができる。
＜その他の実施の形態＞
第１から第３の実施の形態においては、燃料添加量をフィードバック制御することにより、三元触媒４内の雰囲気を理論空燃比としていたが、これに代えて、ＮＯx触媒３と三元触媒４との間に二次空気を供給して、三元触媒４内の雰囲気が理論空燃比となるように二次空気量をフィードバック制御しても良い。
【００６６】
即ち、第１及び第２の実施の形態においては、添加される燃料の減量によって空燃比を高めていたが、本実施の形態では、二次空気の導入によって空燃比を高めることができる。空燃比センサ８により検出された空燃比がリッチの場合には二次空気を供給し、空燃比センサ８により検出される空燃比が理論空燃比となるように、二次空気の供給量を変更する。このようにしても、三元触媒４内の雰囲気を理論空燃比とすることができる。
【００６７】
ところで、ＮＯx触媒３に供給される燃料（ＨＣ）の一部がＮＯx触媒３をすり抜けることがある。三元触媒４が酸素貯蔵能を有している場合、このすり抜けたＨＣを該三元触媒４に貯蔵された酸素により酸化させることができる。そこで、ＮＯx触媒３をすり抜けるＨＣをこの酸素により酸化させることができるように燃料添加量を決定しても良い。即ち、燃料量を多く添加して、三元触媒４に流入する排気の空燃比がリッチ空燃比となっても、該三元触媒４に貯蔵されている酸素により、排気中のＨＣを酸化させ浄化させることができる。しかし、三元触媒４に貯蔵されている酸素の量には限りがあるため、多量のＨＣが該三元触媒４に流入すると、貯蔵されていた酸素を全て消費してしまう。その後、三元触媒４に更にＨＣが流入すると、三元触媒４では、リッチ雰囲気のため殆どＨＣが酸化されなくなる。したがって、三元触媒４に貯蔵されている酸素を全て消費しないような燃料添加量として、ＨＣの放出を抑制する。この燃料添加量は、排気の温度若しくはＮＯx触媒３の温度と負荷（アクセル開度センサ１２の出力信号）と燃料噴射量との関係を予め実験等により求めてマップ化し、該マップに排気の温度若しくはＮＯx触媒３の温度と負荷（アクセル開度センサ１２の出力信号）とを代入して得ることができる。尚、この場合には、空燃比センサ８によるフィードバック制御を行わずに燃料の添加量を決定しても良く、空燃比センサ８を備えなくても良い。このようにして、三元触媒４の下流へＨＣが流出することを抑制できる。
【００６８】
第１から第３の実施の形態においては、ＮＯx触媒３と三元触媒４との間には排気管２が介在し両触媒の間には距離があったが、これに代えて、ＮＯx触媒３と三元触媒４とが接触するように設けられていても良い。
【００６９】
図３は、ＮＯx触媒と三元触媒とが接触するように設けられている排気系の概略構成を示す図である。尚、同じ担体上の上流側にＮＯx触媒を担持させ下流側に三元触媒を担持させても良い。
【００７０】
このように構成されたＮＯx触媒３及び三元触媒４では、ＮＯx触媒３で発生した反応熱により三元触媒４を昇温させることができる。
【００７１】
第１から第３の実施の形態においては、ＮＯx触媒３の下流に備えられている触媒は三元触媒であったが、これに代えて、理論空燃比でＮＯxを浄化することができる他の触媒であっても良い。例えば、吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx吸蔵能力を低下させたものであっても良い。これらは、ロジウムＲｈの含有量を通常よりも多くして、還元機能を相対的に増大させたものでも良い。
【００７２】
また、三元触媒にＨＣを一時吸着可能なＨＣ吸着剤を加えたものを備えていても良い。ここで、ＮＯx触媒３で反応せずに下流に流出したＨＣは、三元触媒４に酸素が貯蔵されている間はこの酸素により酸化させることができる。一方、三元触媒４に貯蔵されていた酸素が全て消費されてしまった場合には、ＨＣ吸着剤によりＨＣが吸着される。そして、排気の空燃比がリーン空燃比となったときに吸着されていたＨＣが放出され、排気中の酸素と反応して浄化される。このようにして、三元触媒４の下流へＨＣが流出することを抑制できる。
【００７３】
一方、三元触媒の下流にＨＣ吸着剤を備えるようにしても良い。
【００７４】
図４は、三元触媒の下流にＨＣ吸着剤を備えた排気系の概略構成を示す図である。
【００７５】
ここで、三元触媒４の下流にＨＣ吸着剤９を備えるのは、三元触媒４は還元雰囲気で使用され、ＨＣ吸着剤９は酸化雰囲気で使用されるためである。即ち、三元触媒４とＨＣ吸着剤９とでは、作用が異なり同一の担体上に混在するよりも異なる担体上に担持させたほうが夫々の性能が向上する。ここで、ＨＣ吸着剤９は、三元触媒４で酸化されなかったＨＣを吸着させることができる。そして、排気の空燃比がリーン空燃比となったときに吸着されていたＨＣが放出され、排気中の酸素と反応して浄化される。このようにして、大気中へＨＣが放出されることを抑制できる。
【００７６】
ところで、燃料添加弁５からの燃料添加は、短い期間燃料を噴射して行われる。また、燃料添加弁５から噴射した燃料により空燃比が変化し、下流の空燃比センサ８に検出されるまでにはある程度の時間を要する。そのため、燃料添加弁５から噴射された燃料により空燃比が変化して、その排気の空燃比が空燃比センサ８により検出されたときには、既に燃料の噴射が終了している。そこで、空燃比センサ８により検出された空燃比がリッチ空燃比若しくはリーン空燃比の場合には、次の燃料添加時の燃料噴射量を検出された空燃比に基づいて調整しても良い。即ち、検出された空燃比がリーンの場合には、燃料添加量を増量し、一方、リッチの場合には、燃料添加量を減量するようにしても良い。このようにして、次回燃料添加時に添加される燃料量を変更し、三元触媒４内の雰囲気を理論空燃比近傍とすることができる。
【００７７】
尚、第１から第３の実施の形態で説明した空燃比センサ８は、排気の空燃比に応じて信号を出力するものでも良く、また、理論空燃比を境にして出力信号が大きく変化するものであっても良い。
【００７８】
【発明の効果】
本発明に係る内燃機関の排気浄化システムでは、液状の還元剤をＮＯx触媒上流から添加したときに、該ＮＯx触媒から流出するＮＯxを下流の還元機能を有する触媒により還元することができる。これにより、大気中へのＮＯxの放出を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る排気浄化システムを適用するエンジンとその排気系の概略構成を示す図である。
【図２】第２の実施の形態に係る排気浄化システムを適用するエンジンとその排気系の概略構成を示す図である。
【図３】ＮＯx触媒と三元触媒とが接触するように設けられている排気系の概略構成を示す図である。
【図４】三元触媒の下流にＨＣ吸着剤を備えた排気系の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１エンジン
２排気管
３ＮＯx触媒
４三元触媒
５燃料添加弁
６燃料ポンプ
７燃料供給路
８空燃比センサ
９吸着剤
１０ＥＣＵ
１１クランクポジションセンサ
１２アクセル開度センサ

Claims

内燃機関の排気通路に設けられ酸化雰囲気のときにＮＯｘを吸蔵し還元雰囲気で吸蔵していたＮＯｘを還元するＮＯｘ触媒と、
前記ＮＯｘ触媒よりも下流に備えられ還元機能及び酸素貯蔵能を有する触媒と、
前記ＮＯｘ触媒よりも下流且つ前記還元機能及び酸素貯蔵能を有する触媒よりも上流に備えられ前記還元機能及び酸素貯蔵能を有する触媒に流入する排気の空燃比を検出する空燃比検出手段と、
前記内燃機関の下流且つ前記ＮＯｘ触媒上流の排気通路へ液状の還元剤を供給する還元剤供給手段と、
前記還元機能及び酸素貯蔵能を有する触媒に貯蔵された酸素の量を推定する貯蔵酸素量推定手段と、
を備え、
前記ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＮＯｘを還元するときに、前記貯蔵酸素量推定手段により推定された酸素量及び前記空燃比検出手段により検出される空燃比に基づいて、前記還元機能及び酸素貯蔵能を有する触媒の内部雰囲気が理論空燃比近傍となるように、前記還元剤供給手段により還元剤が供給されることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
前記ＮＯｘ触媒に還元剤を供給したときに、ＮＯｘ触媒下流に放出されるＮＯｘの放出量を推定するＮＯｘ放出量推定手段を更に備え、
前記ＮＯｘ放出量推定手段に推定されるＮＯｘ放出量が規定量以上の場合に限り、前記空燃比検出手段により検出される空燃比が理論空燃比近傍となるように、前記還元剤供給手段により還元剤が供給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システム。