JPH05302508A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ＮＯ_x 吸収剤に吸収されるＮＯ_x 量を低減す
る。 【構成】 流入する排気ガスの空燃比がリーンであると
きにＮＯ_x を吸収し、流入する排気ガス中の酸素濃度を
低下させると吸収したＮＯ_x を放出するＮＯ_x 吸収剤２
１を機関排気通路内に配置すると共に、流入する排気ガ
スがリーンのときにＮＯ_x を還元しうる、ゼオライトに
遷移金属を担持せしめたゼオライト系ＮＯ _x 触媒１８を
ＮＯ_x 吸収剤２１上流の機関排気通路内に配置する。リ
ーン混合気が燃焼せしめられているときに発生するＮＯ
_x の一部がまずＮＯ_x 触媒１８により還元され、残りの
ＮＯ_x がＮＯ_x 吸収剤１８に吸収される。

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
に関する。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼル機関においてＮＯ_x を浄化す
るために機関排気通路を一対の排気枝通路に分岐し、こ
れら排気枝通路の分岐部に切換弁を配置して切換弁の切
換作用により排気ガスをいずれか一方の排気枝通路内に
交互に導びき、各排気枝通路内に夫々ＮＯ_x を酸化吸収
しうる触媒を配置したディーゼル機関が公知である（特
開昭６２−１０６８２６号公報参照）。このディーゼル
機関では一方の排気枝通路内に導びかれた排気ガス中の
ＮＯ_x がその排気枝通路内に配置された触媒に酸化吸収
せしめられる。この間、他方の排気枝通路への排気ガス
の流入が停止せしめられると共にこの排気枝通路内には
気体状の還元剤が供給され、この還元剤によってこの排
気枝通路内に配置された触媒に蓄積されているＮＯ_x が
還元せしめられる。次いで暫らくすると切換弁の切換作
用によってそれまで排気ガスが導びかれていた排気枝通
路への排気ガスの導入が停止され、それまで排気ガスの
導入が停止されていた排気枝通路への排気ガスの導入が
再開される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
に機関から排出された全ＮＯ_x を触媒に酸化吸収せしめ
ると短時間のうちに多量のＮＯ_x が触媒に蓄積されるた
めに還元剤の供給頻度を高くしなければならないという
問題を生ずる。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明によれば、流入する排気ガスの空燃比がリー
ンであるときにＮＯ_x を吸収し、流入する排気ガス中の
酸素濃度を低下させると吸収したＮＯ_x を放出するＮＯ
_x 吸収剤を機関排気通路内に配置すると共に、流入する
排気ガスがリーンのときにＮＯ_x を還元しうる、ゼオラ
イトに遷移金属を担持せしめたゼオライト系ＮＯ_x 触媒
をＮＯ_x 吸収剤上流の機関排気通路内に配置し、ＮＯ_x
触媒およびＮＯ_x 吸収剤に流入する排気ガスの空燃比が
リーンのときにはＮＯ_x 触媒においてＮＯ_x を還元させ
ると共にＮＯ_x 吸収剤にＮＯ_x を吸収させ、ＮＯ_x 吸収
剤に吸収されたＮＯ_x をＮＯ_x 吸収剤に流入する排気ガ
ス中の酸素濃度が低下せしめられたときにＮＯ_x 吸収剤
から放出するようにしている。

【０００５】

【作用】ＮＯ_x 触媒およびＮＯ_x 吸収剤に流入する排気
ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯ_x 触媒においてＮ
Ｏ_x が還元され、次いでＮＯ_x 触媒により還元されなか
ったＮＯ_x のみがＮＯ_x 吸収剤に吸収される。従ってＮ
Ｏ_x 吸収剤に多量のＮＯ _x が吸収されるまでに長時間を
要する。

【０００６】

【実施例】図１は本発明をガソリン機関に適用した場合
を示している。図１を参照すると、１は機関本体、２は
ピストン、３は燃焼室、４は点火栓、５は吸気弁、６は
吸気ポート、７は排気弁、８は排気ポートを夫々示す。
吸気ポート６は対応する枝管９を介してサージタンク１
０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が取付けられる。サー
ジタンク１０は吸気ダクト１２およびエアフローメータ
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が配置される。一方、排気
ポート８は排気マニホルド１６および排気管１７を介し
てＮＯ_x 触媒１８を内蔵した触媒コンバータ１９に連結
され、この触媒コンバータ１９は排気管２０を介してＮ
Ｏ_x 吸収剤２１を内蔵したケーシング２２に連結され
る。

【０００７】電子制御ユニット３０はディジタルコンピ
ュータからなり、双方向性バス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（マイクロプロセ
ッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具
備する。エアフローメータ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。また、入力ポート３
５には機関回転数を表わす出力パルスを発生する回転数
センサ２３が接続される。一方、出力ポート３６は対応
する駆動回路３８を介して夫々点火栓４および燃料噴射
弁１１に接続される。

【０００８】図１に示す内燃機関では例えば次式に基い
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る、即ちリッチとなる。

【０００９】この補正係数Ｋは機関の運転状態に応じて
制御され、図３はこの補正係数Ｋの制御の一実施例を示
している。図３に示す実施例では暖機運転中は機関冷却
水温が高くなるにつれて補正係数Ｋが徐々に低下せしめ
られ、暖機が完了すると補正係数Ｋは１．０よりも小さ
い一定値に、即ち機関シリンダ内に供給される混合気の
空燃比がリーンに維持される。次いで加速運転が行われ
れば補正係数Ｋは例えば１．０とされ、即ち機関シリン
ダ内に供給される混合気の空燃比は理論空燃比とされ、
全負荷運転が行われれば補正係数Ｋは１．０よりも大き
くされる、即ち機関シリンダ内に供給される混合気の空
燃比はリッチにされる。図３からわかるように図３に示
される実施例では暖機運転時、加速運転時および全負荷
運転時を除けば機関シリンダ内に供給される混合気の空
燃比は一定のリーン空燃比に維持されており、従って大
部分の機関運転領域においてリーン混合気が燃焼せしめ
られることになる。

【００１０】図４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。図４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。

【００１１】ケーシング２２内に収容されているＮＯ_x
吸収剤２１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
吸気通路およびＮＯ_x 吸収剤２１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ＮＯ _x 吸収
剤２１への流入排気ガスの空燃比と称するとこのＮＯ_x
吸収剤２１は流入排気ガスの空燃比がリーンのときには
ＮＯ_x 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ＮＯ_x を放出するＮＯ_x の吸放出作用を行
う。なお、ＮＯ_x 吸収剤２１上流の排気通路内に燃料
（炭化水素）或いは空気が供給されない場合には流入排
気ガスの空燃比は燃焼室３内に供給される混合気の空燃
比に一致し、従ってこの場合にはＮＯ_x 吸収剤２１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ＮＯ_x 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ＮＯ_x を放出することに
なる。

【００１２】上述のＮＯ_x 吸収剤２１を機関排気通路内
に配置すればこのＮＯ_x 吸収剤２１は実際にＮＯ_x の吸
放出作用を行うが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。しかしながらこの吸
放出作用は図５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。

【００１３】即ち、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５
（Ａ）に示されるようにこれら酸素Ｏ₂ がＯ₂ ^- の形で
白金Ｐｔの表面に付着する。一方、流入排気ガス中のＮ
Ｏは白金Ｐｔの表面上でＯ₂ ^- と反応し、ＮＯ₂ となる
（２ＮＯ＋Ｏ₂ →２ＮＯ₂ ）。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５（Ａ）に示さ
れるように硝酸イオンＮＯ₃ ^- の形で吸収剤内に拡散す
る。このようにしてＮＯ_x がＮＯ_x 吸収剤２１内に吸収
される。

【００１４】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、吸収剤のＮＯ_x 吸収能
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、斯くして吸
収剤内の硝酸イオンＮＯ₃ ^- がＮＯ₂ の形で吸収剤から
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ＮＯ_x 吸収剤２１からＮＯ_x が放出されることにな
る。図４に示されるように流入排気ガスのリーンの度合
が低くなれば流入排気ガス中の酸素濃度が低下し、従っ
て流入排気ガスのリーンの度合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ＮＯ_x 吸収剤２１
からＮＯ _x が放出されることになる。

【００１５】一方、このとき燃焼室３内に供給される混
合気がリッチにされて流入排気ガスの空燃比がリッチに
なると図４に示されるように機関からは多量の未燃Ｈ
Ｃ，ＣＯが排出され、これら未燃ＨＣ，ＣＯは白金Ｐｔ
上の酸素Ｏ₂ ^- と反応して酸化せしめられる。また、流
入排気ガスの空燃比が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収剤からＮＯ₂ が放
出され、このＮＯ₂ は図５（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。従って流入排気
ガスの空燃比をリッチにすると短時間のうちにＮＯ_x 吸
収剤２１からＮＯ_x が放出されることになる。

【００１６】即ち、流入排気ガスの空燃比をリッチにす
るとまず初めに未燃ＨＣ，ＣＯが白金Ｐｔ上のＯ₂ ^- と
ただちに反応して酸化せしめられ、次いで白金Ｐｔ上の
Ｏ₂ ^- が消費されてもまだ未燃ＨＣ，ＣＯが残っていれ
ばこの未燃ＨＣ，ＣＯによって吸収剤から放出されたＮ
Ｏ_x および機関から排出されたＮＯ_x が還元せしめられ
る。従って流入排気ガスの空燃比をリッチにすれば短時
間のうちにＮＯ_x 吸収剤２１に吸収されているＮＯ_x が
放出され、しかもこの放出されたＮＯ_x が還元されるた
めに大気中にＮＯ_x が排出されるのを阻止することがで
きることになる。また、ＮＯ_x 吸収剤２１は還元触媒の
機能を有しているので流入排気ガスの空燃比を理論空燃
比にしてもＮＯ_x 吸収剤２１から放出されたＮＯ_x が還
元せしめられる。しかしながら流入排気ガスの空燃比を
理論空燃比にした場合にはＮＯ_x吸収剤２１からＮＯ_x
が徐々にしか放出されないためにＮＯ_x 吸収剤２１に吸
収されている全ＮＯ_x を放出させるには若干長い時間を
要する。

【００１７】ところで前述したように流入排気ガスの空
燃比のリーンの度合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ＮＯ_x 吸収剤２１からＮＯ_x
が放出される。従ってＮＯ_x 吸収剤２１からＮＯ_x を放
出させるには流入排気ガス中の酸素濃度を低下させれば
よいことになる。ただし、ＮＯ_x 吸収剤２１からＮＯ _x
が放出されても流入排気ガスの空燃比がリーンであると
ＮＯ_x 吸収剤２１においてＮＯ_x が還元されず、従って
この場合にはＮＯ_x 吸収剤２１の下流にＮＯ_xを還元し
うる触媒を設けるか、或いはＮＯ_x 吸収剤２１の下流に
還元剤を供給する必要がある。むろんこのようにＮＯ_x
吸収剤２１の下流においてＮＯ_x を還元することは可能
であるがそれよりもむしろＮＯ_x 吸収剤２１においてＮ
Ｏ_x を還元する方が好ましい。従って本発明による実施
例ではＮＯ_x 吸収剤２１からＮＯ _x を放出すべきときに
は流入排気ガスの空燃比が理論空燃比或いはリッチさ
れ、それによってＮＯ_x 吸収剤２１から放出されたＮＯ
_x をＮＯ_x 吸収剤２１において還元するようにしてい
る。

【００１８】ところで図３に示されるように本発明によ
る実施例では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、また加速運転時には混合気が理
論空燃比とされるので全負荷運転時および加速運転時に
ＮＯ_x 吸収剤２１からＮＯ_xが放出されることになる。
しかしながらこのような全負荷運転或いは加速運転が行
われる頻度が少なければ全負荷運転時および加速運転時
にのみＮＯ_x 吸収剤２１からＮＯ_x が放出されたとして
もリーン混合気が燃焼せしめられている間にＮＯ_x 吸収
剤２１によるＮＯ_x の吸収能力が飽和してしまい、斯く
してＮＯ_x 吸収剤２１によりＮＯ_x を吸収できなくなっ
てしまう。従って本発明による実施例ではリーン混合気
が継続して燃焼せしめられているときには図６（Ａ）に
示されるように流入排気ガスの空燃比を周期的にリッチ
にするか、或いは図６（Ｂ）に示されるように流入排気
ガスの空燃比が周期的に理論空燃比にされる。なお、こ
の場合、図６（Ｃ）に示されるように周期的にリーンの
度合を低下させるようにしてもよいがこの場合にはＮＯ
_x 吸収剤２１においてＮＯ_x が還元されないために前述
したようにＮＯ_x 吸収剤２１の下流においてＮＯ_x を還
元させなければならない。

【００１９】このように本発明による実施例ではＮＯ_x
をＮＯ_x 吸収剤２１から放出させるために燃焼室３内に
供給される混合気を周期的に理論空燃比又はリッチにす
るようにしている。この場合、ＮＯ_x 吸収剤２１への単
位時間当りのＮＯ_x 吸収量が多くなればなるほどＮＯ_x
吸収剤２１のＮＯ_x 吸収能力が飽和するまでの時間が短
かくなり、斯くしてＮＯ_x 吸収剤２１からＮＯ_x を放出
させるために混合気を理論空燃比又はリッチにする周期
を短かくしなければならないことになる。しかしながら
混合気を理論空燃比又はリッチにする周期を短かくすれ
ばするほど燃料消費率が悪化する。そこで本発明では図
１に示されるように流入する排気ガスの空燃比がリーン
のときにＮＯ_x を還元しうるＮＯ_x 触媒１８をＮＯ_x 吸
収剤２１上流の排気通路内に配置するようにしている。

【００２０】図１に示される実施例ではこのＮＯ_x 触媒
１８は例えば銅Ｃｕのような遷移金属をイオン交換して
ゼオライトに担持せしめたゼオライト系ＮＯ_x 触媒から
なり、このＮＯ_x 触媒１８は排気ガスの空燃比がリーン
のときに炭化水素ＨＣの存在下でＮＯ_x を選択的に還元
する機能を有する。即ち、燃焼室３内に供給される混合
気をリーンにすると燃焼室３の周辺部まで十分に火炎が
伝播しなくなるために図４に示される如く混合気がリー
ンになるにつれて機関から排出されるＨＣの量が増大す
る。このＨＣはＮＯ_x 触媒１８上において酸素Ｏ₂ と反
応して活性種を生成し（ＨＣ＋Ｏ₂ →活性種）、この活
性種がＮＯ_x と反応してＮＯ_x が還元せしめられる（Ｎ
Ｏ_x ＋活性種→Ｎ₂ ＋ＣＯ＋ＣＯ₂ ）。

【００２１】このＮＯ_x 触媒１８によるＮＯ_x 浄化率は
最大でほぼ６０％程度まで達し、従って機関から排出さ
れるＮＯ_x のうちのほぼ半分はＮＯ_x 触媒１８によって
浄化できることになる。従ってＮＯ_x 吸収剤２１により
吸収されるＮＯ_x 量はＮＯ_x触媒１８により浄化しえな
かったＮＯ_x 量、即ち機関から排出されるＮＯ_x のうち
のほぼ半分であり、斯くしてＮＯ_x 吸収剤２１に単位時
間当りに吸収されるＮＯ_x 量は大巾に低下することにな
る。その結果、ＮＯ_x 吸収剤２１からＮＯ_x を放出させ
るために燃焼室３内に供給される混合気を理論空燃比又
はリッチにする周期を長くすることができ、斯くして燃
料消費率を向上できることになる。

【００２２】ところでＮＯ_x 吸収剤２１からのＮＯ_x の
放出作用は一定量のＮＯ_x がＮＯ_x吸収剤２１に吸収さ
れたとき、例えばＮＯ_x 吸収剤２１の吸収能力の５０％
ＮＯ _x を吸収したときに行われる。ＮＯ_x 吸収剤２１に
吸収されるＮＯ_x の量は機関から排出される排気ガスの
量と排気ガス中のＮＯ_x 濃度に比例しており、この場合
排気ガス量は吸入空気量に比例し、排気ガス中のＮＯ_x
濃度は機関負荷に比例するのでＮＯ_x 吸収剤２１に吸収
されるＮＯ_x 量は正確には吸入空気量と機関負荷に比例
することになる。従ってＮＯ_x 吸収剤２１に吸収されて
いるＮＯ_x の量は吸入空気量と機関負荷の積の累積値か
ら推定することができるが本発明による実施例では単純
化して機関回転数の累積値からＮＯ_x 吸収剤２１に吸収
されているＮＯ_x 量を推定するようにしている。

【００２３】次に図７および図８を参照して本発明によ
るＮＯ_x 吸収剤２１の吸放出制御の一実施例について説
明する。図８は一定時間毎に実行される割込みルーチン
を示している。図８を参照するとまず初めにステップ１
００において基本燃料噴射時間ＴＰに対する補正係数Ｋ
が１．０よりも小さいか否か、即ちリーン混合気が燃焼
せしめられているか否かが判別される。Ｋ＜１．０のと
き、即ちリーン混合気が燃焼せしめられているときには
ステップ１０１に進んで現在の機関回転数ＮＥにΣＮＥ
を加算した結果がΣＮＥとされる。従ってこのΣＮＥは
機関回転数ＮＥの累積値を示している。次いでステップ
１０２では累積回転数ΣＮＥが一定値ＳＮＥよりも大き
いか否かが判別される。この一定値ＳＮＥはＮＯ_x 吸収
剤２１にそのＮＯ _x 吸収能力の例えば５０％のＮＯ_x 量
が吸収されていると推定される累積回転数を示してい
る。ΣＮＥ≦ＳＮＥのときには処理サイクルを完了し、
ΣＮＥ＞ＳＮＥのとき、即ちＮＯ_x 吸収剤２１にそのＮ
Ｏ_x 吸収能力の５０％のＮＯ_x 量が吸収されていると推
定されたときにはステップ１０３に進んでＮＯ_x 放出フ
ラグがセットされる。ＮＯ_x 放出フラグをセットされる
と後述するように機関シリンダ内に供給される混合気が
リッチにせしめられる。

【００２４】次いでステップ１０４ではカウント値Ｃが
１だけインクリメントされる。次いでステップ１０５で
はカウント値Ｃが一定値Ｃ₀ よりも大きくなったか否
か、即ち例えば５秒間経過したか否かが判別される。Ｃ
≦Ｃ₀ のときには処理ルーチンを完了し、Ｃ＞Ｃ₀ にな
るとステップ１０６に進んでＮＯ_x 放出フラグがリセッ
トされる。ＮＯ_x 放出フラグがリセットされると後述す
るように機関シリンダ内に供給される混合気がリッチか
らリーンに切換えられ、斯くして機関シリンダ内に供給
される混合気は５秒間リッチにされることになる。次い
でステップ１０７において累積回転数ΣＮＥおよびカウ
ント値Ｃが零とされる。

【００２５】一方、ステップ１００においてＫ≧１．０
と判断されたとき、即ち機関シリンダ内に供給されてい
る混合気の空燃比が理論空燃比又はリッチのときにはス
テップ１０８に進んでＫ≧１．０の状態が一定時間、例
えば１０秒間継続したか否かが判別される。Ｋ≧１．０
の状態が一定時間継続しなかったときには処理サイクル
を完了し、Ｋ≧１．０の状態が一定時間継続したときに
はステップ１０９に進んで累積回転数ΣＮＥが零とされ
る。即ち、機関シリンダ内に供給される混合気が理論空
燃比又はリッチとされている時間が１０秒程度継続すれ
ばＮＯ_x 吸収剤２１に吸収されている大部分のＮＯ_x は
放出したものと考えられ、従ってこの場合にはステップ
１０９において累積回転数ΣＮＥが零とされる。

【００２６】図８は燃料噴射時間ＴＡＵの算出ルーチン
を示しており、このルーチンは繰返し実行される。図８
を参照するとまず初めにステップ２００において図２に
示すマップから基本燃料噴射時間ＴＰが算出される。次
いでステップ２０１ではリーン混合気の燃焼を行うべき
運転状態であるか否かが判別される。リーン混合気の燃
焼を行うべき運転状態でないとき、即ち暖機運転時、又
は加速運転時又は全負荷運転のときにはステップ２０２
に進んで補正係数Ｋが算出される。機関暖機運転時には
この補正係数Ｋは機関冷却水温の関数であり、Ｋ≧１．
０の範囲で機関冷却水温が高くなるほど小さくなる。ま
た、加速運転時には補正係数Ｋは１．０とされ、全負荷
運転時には補正係数Ｋは１．０よりも大きな値とされ
る。次いでステップ２０３では補正係数ＫがＫｔとさ
れ、次いでステップ２０４において燃料噴射時間ＴＡＵ
（＝ＴＰ・Ｋｔ）が算出される。このときには機関シリ
ンダ内に供給される混合気が理論空燃比又はリッチとさ
れる。

【００２７】一方、ステップ２０１においてリーン混合
気の燃焼を行うべき運転状態であると判別されたときに
はステップ２０５に進んでＮＯ_x 放出フラグがセットさ
れているか否かが判別される。ＮＯ_x 放出フラグがセッ
トされていないときにはステップ２０６に進んで補正係
数Ｋが例えば０．６とされ、次いでステップ２０７にお
いて補正係数ＫがＫｔとされた後にステップ２０４に進
む。従ってこのときには機関シリンダ内にリーン混合気
が供給される。一方、ステップ２０５においてＮＯ_x 放
出フラグがセットされたと判断されたときにはステップ
２０８に進んで予め定められた値ＫＫがＫｔとされ、次
いでステップ２０４に進む。この値ＫＫは機関シリンダ
内に供給される混合気の空燃比が１２．０から１３．５
程度となる１．１から１．２程度の値である。従ってこ
のときには機関シリンダ内にリッチ混合気が供給され、
それによってＮＯ_x 吸収剤２１に吸収されているＮＯ_x
が放出されることになる。なお、ＮＯ_x 放出時に混合気
を理論空燃比にする場合にはＫＫの値は１．０とされ
る。

【００２８】図９に別の実施例を示す。この実施例にお
いて図１に示す実施例と同一の構成要素は同一の符号で
示す。図９に示されるようにこの実施例では排気通路が
排気マニホルド１６の出口部において第１の排気通路２
４と第２の排気通路２５とに分岐され、第１排気通路２
４内にゼオライト系ＮＯ_x 触媒１８を内蔵した触媒コン
バータ１９が配置される。これらの排気通路２４，２５
はＮＯ_x 触媒１８の下流において再び合流してＮＯ_x 吸
収剤２１を内蔵したケーシング２２に連結される。第１
排気通路２４および第２排気通路２５の入口部には夫々
第１排気制御弁２６および第２排気制御弁２７が配置さ
れ、これら排気制御弁２６，２７はアクチュエータ２８
によって同時に開閉制御される。このアクチュエータ２
８は電子制御ユニット３０の出力信号により制御され
る。

【００２９】この実施例では燃焼室３内に供給される混
合気がリーンのときには図９に示されるように第１排気
制御弁２６が開弁せしめられ、第２排気制御弁２７が閉
弁せしめられる。従ってこのときには排気ガスが第１排
気通路２４内に送り込まれる。このとき排気ガス中のＮ
Ｏ_x はＮＯ_x 触媒１８により還元せしめられ、ＮＯ_x触
媒１８により還元されなかったＮＯ_x がＮＯ_x 吸収剤２
１に吸収される。一方、ＮＯ_x 吸収剤２１からＮＯ_x を
放出するために燃焼室３内に供給される混合気が理論空
燃比又はリッチにされたときには第１排気制御弁２６が
閉弁せしめられ、第２排気制御弁２７が開弁せしめられ
る。従ってこのとき排気ガスは第２排気通路２５を介し
てＮＯ_x 吸収剤２１に送り込まれる。

【００３０】前述したようにＮＯ_x 触媒１９ではＮＯ_x
を還元するためにＨＣが消費される。同様にＮＯ_x 吸収
剤１９においても吸収剤からすみやかにＮＯ_x を放出す
るためにＨＣが消費され、また吸収剤から放出されたＮ
Ｏ_x を還元するためにＨＣが消費される。従ってＮＯ_x
吸収剤２１からＮＯ_x を放出すべきときに排気ガスをＮ
Ｏ_x 触媒１８に送り込んだ後にＮＯ_x 吸収剤２１に送り
込むとＨＣがＮＯ_x 触媒１８において消費されるために
ＮＯ_x 吸収剤２１に送り込まれるＨＣの量が低下し、斯
くしてこのときＮＯ_x 吸収剤２１からＮＯ_x をすみやか
に放出して還元するためには燃焼室３内に供給される混
合気をリッチ側にしてＨＣの発生量を多くしなければな
らなくなる。しかしながら混合気をリッチ側にすれば燃
料消費率が悪化する。そこでこの実施例ではＮＯ_x 吸収
剤２１からＮＯ_x を放出すべきときには第２排気通路２
５を介して排気ガスをＮＯ_x 吸収剤２１に送り込むよう
にしている。

【００３１】図１０は図９に示す実施例の燃料噴射時間
ＴＡＵの算出ルーチンを示している。このルーチンは繰
返し実行され、このルーチン内において第１排気制御弁
２６と第２排気制御弁２７の開閉制御が行われる。な
お、この実施例においてもＮＯ _x 放出フラグを制御する
ために図７に示される割込みルーチンが用いられる。図
１０を参照するとまず初めにステップ３００において図
２に示すマップから基本燃料噴射時間ＴＰが算出され
る。次いでステップ３０１ではリーン混合気の燃焼を行
うべき運転状態であるか否かが判別される。リーン混合
気の燃焼を行うべき運転状態でないとき、即ち暖機運転
時、又は加速運転時又は全負荷運転時のときにはステッ
プ３０２に進んで補正係数Ｋが算出される。機関暖機運
転時にはこの補正係数Ｋは機関冷却水温の関数であり、
Ｋ≧１．０の範囲で機関冷却水温が高くなるほど小さく
なる。また、加速運転時には補正係数Ｋは１．０とさ
れ、全負荷運転時には補正係数Ｋは１．０よりも大きな
値とされる。次いでステップ３０３では補正係数ＫがＫ
ｔとされる。次いでステップ３０４では第１排気制御弁
２６が開弁せしめられ、第２排気制御弁２７が閉弁せし
められる。次いでステップ３０５では燃料噴射時間ＴＡ
Ｕ（＝ＴＰ・Ｋｔ）が算出される。このときには機関シ
リンダ内に供給される混合気が理論空燃比又はリッチと
される。

【００３２】一方、ステップ３０１においてリーン混合
気の燃焼を行うべき運転状態であると判別されたときに
はステップ３０６に進んでＮＯ_x 放出フラグがセットさ
れているか否かが判別される。ＮＯ_x 放出フラグがセッ
トされていないときにはステップ３０７に進んで補正係
数Ｋが例えば０．６とされ、次いでステップ３０８にお
いて補正係数ＫがＫｔとされた後にステップ３０９に進
む。ステップ３０９では第１排気制御弁２６が開弁せし
められ、第２排気制御弁２７が閉弁せしめられる。次い
でステップ３０５に進む。このときには機関シリンダ内
にリーン混合気が供給される。

【００３３】一方、ステップ３０６においてＮＯ_x 放出
フラグがセットされたと判断されたときにはステップ３
１０に進んで予め定められた値ＫＫがＫｔとされる。次
いでステップ３１１では第１排気制御弁２６が閉弁せし
められ、第２排気制御弁２７が開弁せしめられる。次い
でステップ３０５に進む。ステップ３１０における値Ｋ
Ｋは機関シリンダ内に供給される混合気の空燃比が１
２．０から１３．５程度となる１．１から１．２程度の
値である。従ってこのときには機関シリンダ内にリッチ
混合気が供給され、それによってＮＯ_x 吸収剤２１に吸
収されているＮＯ _x が放出されることになる。なお、Ｎ
Ｏ_x 放出時に混合気を理論空燃比にする場合にはＫＫの
値は１．０とされる。

【００３４】図１１は本発明をディーゼル機関に適用し
た場合を示している。なお、図１１において図１と同様
な構成要素は同一の符号で示す。ディーゼル機関では通
常あらゆる運転状態において空気過剰率が１．０以上、
即ち燃焼室３内の混合気の平均空燃比がリーンの状態で
燃焼せしめられる。従ってこのとき排出されるＮＯ_x の
一部はゼオライト系ＮＯ_x 触媒１８により還元され、残
りのＮＯ_x はＮＯ_x 吸収剤２１に吸収される。一方、Ｎ
Ｏ_x 吸収剤２１からＮＯ_x を放出すべきときには、ＮＯ
_x 吸収剤２１への流入排気ガスの空燃比がリッチにされ
る。この場合、図１１に示される実施例では燃焼室３内
の混合気の平均空燃比はリーンにしておいてＮＯ_x 吸収
剤２１上流の機関排気通路内に炭化水素を供給すること
によりＮＯ_x 吸収剤２１への流入排気ガスの空燃比がリ
ッチにされる。

【００３５】図１１を参照するとこの実施例ではアクセ
ルペダル４０の踏み込み量に比例した出力電圧を発生す
る負荷センサ４１が設けられ、この負荷センサ４１の出
力電圧はＡＤ変換器４２を介して入力ポート３５に入力
される。また、この実施例では触媒コンバータ１９とケ
ーシング２２とを接続する排気管２０内に還元剤供給弁
４３が配置され、この還元剤供給弁４３は供給ポンプ４
４を介して還元剤タンク４５に連結される。電子制御ユ
ニット３０の出力ポート３６は夫々駆動回路３８を介し
て還元剤供給弁４３および供給ポンプ４４に接続され
る。還元剤タンク４５内にはガソリン、イソオクタン、
ヘキサン、ヘプタン、軽油、灯油のような炭化水素、或
いは液体の状態で保存しうるプタン、プロパンのような
炭化水素が充填されている。

【００３６】この実施例では通常燃焼室３内の混合気は
空気過剰のもとで、即ち平均空燃比がリーンの状態で燃
焼せしめられており、このとき機関から排出されたＮＯ
_x は上述したようにその一部がＮＯ_x 触媒１８により還
元され、残りのＮＯ_x がＮＯ _x 吸収剤２１に吸収され
る。ＮＯ_x 吸収剤２１からＮＯ_x を放出すべきときには
供給ポンプ４４が駆動されると共に還元剤供給弁４３が
開弁せしめられ、それによって還元剤タンク４５内に充
填されている炭化水素が還元剤供給弁４３から排気管２
０に一定時間、例えば５秒間から２０秒間程度供給され
る。このときの炭化水素の供給量はＮＯ_x 吸収剤２１に
流入する流入排気ガスの空燃比がリッチとなるように定
められており、従ってこのときにＮＯ_x 吸収剤２１から
ＮＯ_x が放出されることになる。

【００３７】図１２はこのＮＯ_x 放出処理を実行するた
めのルーチンを示しており、このルーチンは一定時間毎
の割込みによって実行される。図１２を参照するとまず
初めにステップ４００において現在の機関回転数ＮＥに
ΣＮＥを加算した結果がΣＮＥとされる。従ってこのΣ
ＮＥは機関回転数ＮＥの累積値を示している。次いでス
テップ４０１では累積回転数ΣＮＥが一定値ＳＮＥより
も大きいか否かが判別される。この一定値ＳＮＥはＮＯ
_x 吸収剤２１にそのＮＯ_x 吸収能力の例えば５０％のＮ
Ｏ_x 量が吸収されていると推定される累積回転数を示し
ている。ΣＮＥ≦ＳＮＥのときには処理サイクルを完了
し、ΣＮＥ＞ＳＮＥのとき、即ちＮＯ_x 吸収剤２１にそ
のＮＯ_x 吸収能力の５０％のＮＯ _x 量が吸収されている
と推定されたときにはステップ４０２に進む。ステップ
４０２では供給ポンプ４４が一定時間、例えば５秒間か
ら２０秒間程度駆動される。次いでステップ４０３では
還元剤供給弁４３が一定時間、例えば５秒間から２０秒
間程度開弁せしめられ、次いでステップ４０４において
累積回転数ΣＮＥが零とされる。

【００３８】

【発明の効果】リーン混合気が燃焼せしめられていると
きに発生するＮＯ_x の一部がＮＯ_x 触媒によって還元さ
れるのでＮＯ_x 吸収剤に単位時間当りに吸収されるＮＯ
_x 量が少なくなる。その結果、ＮＯ_x 吸収剤からＮＯ_x
を放出するために還元剤を供給する周期又は混合気を理
論空燃比或いはリッチにする周期を長くすることができ
るので、又はこれら周期を長くしない場合には還元剤の
供給量又は混合気を理論空燃比或いはリッチにする時間
を短かくすることができるので還元剤消費量或いは燃料
消費量を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】内燃機関の全体図である。

【図２】基本燃料噴射時間のマップを示す図である。

【図３】補正係数Ｋの変化を示す図である。

【図４】機関から排出される排気ガス中の未燃ＨＣ，Ｃ
Ｏおよび酸素の濃度を概略的に示す線図である。

【図５】ＮＯ_x の吸放出作用を説明するための図であ
る。

【図６】ＮＯ_x 吸収剤からＮＯ_x を放出させるタイミン
グを示す図である。

【図７】割込みルーチンを示す図である。

【図８】燃料噴射時間ＴＡＵを算出するためのフローチ
ャートである。

【図９】内燃機関の別の実施例を示す全体図である。

【図１０】燃料噴射時間ＴＡＵを算出するためのフロー
チャートである。

【図１１】内燃機関の更に別の実施例を示す全体図であ
る。

【図１２】ＮＯ_x 放出処理を行うためのフローチャート
である。

【符号の説明】

１６…排気マニホルド １８…ＮＯ_x 触媒 ２１…ＮＯ_x 吸収剤

フロントページの続き (72)発明者 加藤 健治 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 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 中西 清 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 村木 秀昭 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流入する排気ガスの空燃比がリーンであ
   るときにＮＯ_x を吸収し、流入する排気ガス中の酸素濃
   度を低下させると吸収したＮＯ_x を放出するＮＯ_x 吸収
   剤を機関排気通路内に配置すると共に、流入する排気ガ
   スがリーンのときにＮＯ_x を還元しうる、ゼオライトに
   遷移金属を担持せしめたゼオライト系ＮＯ_x 触媒を該Ｎ
   Ｏ_x 吸収剤上流の機関排気通路内に配置し、ＮＯ_x 触媒
   およびＮＯ_x 吸収剤に流入する排気ガスの空燃比がリー
   ンのときにはＮＯ_x 触媒においてＮＯ_x を還元させると
   共にＮＯ_x 吸収剤にＮＯ_x を吸収させ、ＮＯ_x 吸収剤に
   吸収されたＮＯ_x をＮＯ_x 吸収剤に流入する排気ガス中
   の酸素濃度が低下せしめられたときにＮＯ_x 吸収剤から
   放出するようにした内燃機関の排気浄化装置。