JPH1136846A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内燃機関の排気浄化装置の触媒の再生を効率
的に行う。 【解決手段】 触媒コンバータ２０のケーシング２１の
内部に内筒２２を設置し、触媒ゾーン２３における内筒
２２の内部を第１触媒部２４とし、内筒２２とケーシン
グ２１との間を第２触媒部２５とし、両触媒部２４，２
５に吸蔵還元型触媒を収容する。第１触媒部２４の上流
に設けた開閉バルブ２６は通常は開いており、第１触媒
部２４の触媒を再生するときだけ閉ざす。第１触媒部２
４の触媒を再生するときには、還元剤バルブ３１を開い
て噴射ノズル２８から還元剤としての燃料を第１触媒部
２４に向けて噴射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【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ＮＯ
x 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１
９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２
９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。ＥＣＵ５
０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）、ＲＡ
Ｍ（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、Ｅ
ＣＵ５０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３
２，３３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３
５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Ｅ
ＣＵ５０に入力される。

【００２２】また、バルブ駆動装置２７，３０はＥＣＵ
５０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ＮＯ
₃ ^- 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Ｎ
Ｏ₂またはＮＯは、図３（Ｂ）に示すように、未燃Ｈ
Ｃ、ＣＯと反応して還元される。このようにして白金Ｐ
ｔ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Ｎ
Ｏx も、エンジンから排出されたＮＯx も、この未燃Ｈ
Ｃ，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ＮＯ
x 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Ｎ
Ｏx 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ＮＯ
x 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１７
０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１２
０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２
０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２
２０）、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２３
０）、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２４
０）。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Ｎ
Ｏx 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２
１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、３０〜２
０％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Ｎ
Ｏx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３０
０）、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、ＥＣＵ
５０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３３
０）。

【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Ｎ
Ｏx 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ＲＯ
Ｍ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ＮＯ
x 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ＥＣ
Ｕ５０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２９
４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ＥＣＵ５
０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ＥＣＵ
５０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２
９４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 (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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。
2. 【請求項２】 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。
3. 【請求項３】 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。