WO1993008383A1 - Dispositif d'echappement et d'epuration pour moteurs a combustion interne - Google Patents

Dispositif d'echappement et d'epuration pour moteurs a combustion interne Download PDF

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Shinichi Takeshima
Yasushi Araki
Shinya Hirota
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Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
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Description

明 翩 書 内燃機関の排気浄化装置 技術分野
本発明は内燃機閬の排気浄 装置に関する。 背景技術
ディ ーゼル機関において N O x を浄化するために機関排気通路を 一対の排気技通路に分歧し、 こ ¾ら排気技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 排気ガスをいずれか一方の排気枝 通路内に交互に導き、 各排気梭邏路内に夫々 N O 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 6 2 - 1 0 6 8 2 6号公報参照） 。 この'デ ーゼル機関では一方の排気技通路 内に導かれた排気ガス中の N 0 X がその排気技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、 他方の排気技通路への排気 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、 この還元粼によってこの排気技通路内に配 された触媒に蓄積されている N 0 X が還元せしめられる。 次いで暫 く する と切換弁の切換作用に J つてそれまで排気ガスが導かれてい た排気枝通路への排気ガスの導.入が停止され、 それまで排気力ス 導入が停止されていた排気技通躇への排気ガスの導入が再開される、 しかしながら この触媒は触媒湿度が低く なる と N O x を酸化吸 ¾ しえな く なる。 従ってこのデ ーゼル機関では排気ガス温が低 ：； , 従って触媒温度が低いときには O x が触媒に酸化吸収されない めに -X CH' が大気に放岀されるという問題を生ずる。 発明の開示
本発明の目的は排気ガス温が低く ても N Ox を効率よ く吸収する ことのできる排気浄化装置を提供することにある。
本発明によれば、 流入する排気ガスの空燃比がリ一ンであるとき に N Ox 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 N OX を放出する N Ox 吸収剤を機関排気通路内に配置す ると共に、 N Ox 吸収剤上流の機関排気通路内に N Ox を酸化しう る N Ox 酸化剤を配置し、 N Ox 吸収剤に流入する排気ガスがリ一 ンのときに N Ox 吸収剤に吸収された N Ox を N Ox 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 N Ox 吸収剤 から放出するようにした内燉機関の排気浄化装置が提供される。 図面の簡単な説明
第 1図ば内燃機闋の全体図、 第 2図は基本燃料噴射時間のマップ を示す図、 第 3図ば補正係数 Kの変化を示す図、 第 4図ば機関から 排出される排気ガス中の未燃 'H C, C 0および酸素の濃度を概略的 に示す線図、 第 5図ば N Ox の吸放出作用を説明するための図、 第 6図は Ox の吸収率を示す図、 第 7図ば空燃比の制御を示す E!、 第 8図は割込みルーチンを示すフ D—チャー ト、 第 9図ば燃料噴躬 時簡 T A ϋを算出するためのフローチャー ト、 第 1 0'図は内燃機閲 の別の実施例を示す全体図、 第 1 1図は内燃 '機関の更に別の実施例 を示す全体図、 第 1 2図は N Ox 放岀処理を行うためのフ Q—チヤ ー トである。 発明を実施するための最良の形態
第 1 IIは本発明をガソ リ ン機関に適用した場合を示している。
第 1図を参照すると、 1 は機関本体、 2はピス ト ン、 3 は懲焼室-.. 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 は対応する技管 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 1 1 が取付けられる。 サージタ ンク 1 0 は吸気ダク ト 1 2およびエアフローメ ータ 1 3 を介してエアク リ 一 ナ 1 4 に連結され、 吸気ダク ト 1 2 内にはス ロ ッ トル弁 1 5が配置 される。 一方、 排気ポー ト 8 は排気マ二ホル ド 1 6 および排気管 1 7 を介して N O x 酸化剤 1 8 および N O x 吸収剤 1 9 を内蔵した ケーシ ング 2 0 に接続される。 第 1 図に示されるよう に O x 酸化 剤 1 8 は同一のケーシ ング 2 0 において N 〇 X 吸収剤 1 9 のす ぐ上 流に設けられている。
電子制御ュニ ッ ト 3 0 はディ ジタルコ ン ピュータからなり、 双方 向性バス 3 1 によって相互に接続された R 0 M (リ ー ドォン リ メ モ リ ） 3 2、 R A M ( ラ ンダムアク セスメ モ リ ） 3 3、 C P U (マ イ ク ロプロセ ッサ） 3 4、 入力ポー ト 3 5 および出力ポー ト 3 6 を具 備する。 ェア フ ロ一メ ータ 1 3 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 A D変換器 3 7 を介して入力ポー ト 3 5 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カバ ルスを発生する回転数セ ンサ 2 1 が接続される。 一方、 出力 ー ト 3 6 は対応する駆動回路 3 8 , 3 9 を介して夫々点火栓 4 および燃 料噴射弁 1 1 に接続される。
第 1 図に示す内燃機関では例えば次式に基づいて燃料噴射時間 < Τ Α ϋが算出される。
Τ Α 'ϋ = Τ Ρ · Κ
こ こで Τ Ρ は基本襟'料噴射時間を示しており、 Κは補正係数を示 している。 基本燃料噴射時間 Τ Ρ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燧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 T Pば予め実験により求められ、 機関 食荷 Q Z N (吸入空気量 Q Z機関回転数 N ) および機関回転数 Nの 関数として第 2図に示すようなマップの形で予め R O M 3 2内に記 憶されている。 捕正係数 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ば理論空燃比となる。 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 空隳比より 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 比は理論空燧比より も小 さ く なる、 即ちリ ッチとなる。
この捕正係数 Kは機閬の運転状態に応じて制御され、 第 3図はこ の捕正係数 Kの制御の一実施例を示している。 第 3図に示す実施例 では暧機運転中は機関冷却水温が高く なるにつれて捕正係数 Kが徐 々 に低下せしめられ、 暖機が完了する補正係数 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墩比が リ一ンに維持される。 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、 即ち機閡シリ ンダ内に供耠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〗 . 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。 第 3図からわかるように第 3図に示される 実施例では暧機運転時、 加速運転時および全負荷運転時を除けば檨 闋シリ ンダ内に供給される混合気の空燃比は一定のリ一ン空燃比に 維持されており、 徒って大部分の機関運転領域においてリーン混合 気が懲焼せしめられることになる。
第 4 11ば燃焼室 3から徘 ffiされる排気ガスの代表的な成分の濃度 を概略的に示している。 第 4図からわかるように懲焼室 3から排出 される排気ガス中の未燃 H C , C Oの濃度は懲焼室 3内に供給さ る混合気の空燃比がリ ツ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 02 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。
ケーシング 2 0内に収容されている N 0 X 吸収剤 1 9 は例えばァ ルミ ナを担体と し、 この担体上に例えば力 リ ウ厶 K、 ナ ト リ ウム N a 、 リ チウム L i 、 セ シウ ム C s のよ う なアルカ リ 金属、 ノ 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 、 ィ 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 P t 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 N 0X 吸収剤 1 9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 N Ox 吸収剤 1 9への流入排気ガスの空燃比と称する と こ の N Ox 吸収剤 1 9 は流入排気ガスの空燃比がリ ー ンのときには N Ox 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 N Ox を放出する N Ox の吸放出作用を行う。 なお、 N Ox 吸収剤 1 9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 N Ox 吸収剤 1 9 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 N Ox 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 N 0 X を放出する こ とになる。
上述の N Ox 吸収剤 1 9を機閬排気通路内に配置すればこの N Ox 吸収剤 1 9 は実際に N Ox の吸放出作用を行うがこの吸放出作用の 詳細なメ 力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 この吸放出作用は第 5図に示すよう 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 P 1 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 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 力二ズムとなる。
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、 第 5図 ( A ) に示されるようにこれら酸素
0 z が 02 一 の形で白金 P t の表面に付着する。 一方、 流入徘気ガ ス中の NOは白金 Pt の表面上で 02 - と反応し、 N 02 となる
( 2 N 0 + 02 → 2 N 0 z ) 。 次いで生成された N 02 の一部は白 金 Pt 上で酸化されつつ吸収荊内に吸収されて酸化バリ ゥム Ba 0 と結合しながら第 5図 （A) に示されるように硝酸イオン N 03 - の形で吸収剤内に拡散する。 このようにして NOx が NOx 吸収剤
1 9内に吸収される
流入排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金 Pt の表面で NO z が 生成され、 吸収剤の NO X 吸収能力が鉋和しない限り NO 2 が吸収 剤内に吸収されて硝酸イオン N 03 - 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 N O 2 の生成量が低下すると 反応が逆方向 （Ντ03 - → N 0 Z ) に進み、 斯く して吸収剤内の硝 酸イオン N03 - が N02 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 NOx 吸収剤 1 9から N Ox が放岀されることになる。 第 4図に示されるように流入排気ガス 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 つ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 の空燧比が ーンであっても N Ox吸収剤 1 9から N Ox が放岀さ れることになる c
一方、 このとき嫘焼室 3内に供給される混合気がリ ツチにされて 流入排気ガスのリ一ンの空燃比がリ ツチになると第 4図に示される ように機閬からは多量の未燧 H C, C Oが排出され、 これら未燃 H C, C 0ば白金 Pt 上の酸素 02 — と反応して酸化せしめられる:. また、 流入排気ガスの空燧比がリ ッチになると流入排気ガス中の 素濃度が極度に低下するために吸収剤から N 02 が放出され、 この N 02 は第 5図 （ B ) に示されるように未燃 H C , C Oと反応して 還元せしめられる。 このようにして白金 P t の表面上に N 02 が存 在しな く なると吸収剤から次から次へと N 02 が放出される。 従つ て流入排気ガスの空燧比をリ ツチにすると短時間のう ちに N Ox 吸 収剤 1 9から N 0 X が放出されることになる。
即ち、 流入排気ガスの空燃比をリ ツチにするとまず初めに未燃 H C , C Oが白金 P t 上の 02 - とただちに反応して酸化せしめら れ、 次いで白金 P t 上の 02 — が消費されてもまだ未燃 H C , C O が残つていればこの未燃 H C , C 0によって吸収剤から放出された N Ox および機関から排出された N Ox が還元せしめられる。 従つ 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 N Ox 吸 収剤 1 9 に吸収されている N Ox が放出され、 しかもこの放出され た N Ox が還元されるために大気中に N Ox 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、 N Ox 吸収剤 1 9 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燧比にして も N Ox 吸収剤 1 9から放出された N Ox 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 N 0 -- 吸収剤 1 9から N 0 X が徐々にしか放出されないために 0 X 吸収 剤 1 9 に吸収されている全 N 0 X を放出させるには若干長い時間を 要する。
ところで前述したように流入排気ガスの空燧比のリ一ンの度合を 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 N 0 X 吸収剤 1 9から N 0 X が放出される。 従つて N Ox 吸収剤 1 9から N Ox 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、 N Ox 吸収剤 1 9から N Ox が放 ώさ ても流入排気ガスの空燃比がリ ーンであると N Ox 吸収剤 1 £ι に いて NOx' が還元されず、 従ってこの場合には N Ox 吸収剤 1 9の 下流に N Ox を還元しうる触媒を設けるか、 或いは NOx 吸収剤 1 9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 NOx 吸収荊 1 9の下流において N Ox を還元することば可能であるがそ れよりもむしろ NOx 吸収剤 1 9において NOx 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 NOx 吸収剤 1 9から NOx を放岀すべきときにば流入排気ガスの空燧比が理論空镲比或いはリ ッチにされ、 それによつて N Ox 吸収剤 1 9から放出された N Ox を N 0 X 吸収剤 1 9において還元するようにしている。
第 6図の破線ば流入排気ガスの空燃比がリーンであるときに N Ox 吸収剤 1 9に吸収される NOx の吸収率 Rを示している。 なお、 撗 軸 Tは N 0 X 吸収剤 1 9の温度を示しており、 実際にはこの N 0 X 吸収剤 1 9の温度 Tば NOx 吸収剤 1 9に流入する排気ガス温にほ ぼ等しくなる。 第 6図の破線からわかるように N 0 X 吸収剤 1 9の 温度がぽぽ 2 0 0 'Cより も低く なると N Ox の酸化作用 （ 2 Is'〇十 0 z → 2 N 02 ) が弱まるために NOx 吸収率 Rが低下する。 一方. 0 X 吸収剤 1 9の温度 Tがほぼ 5 0 0でより も高く なると N 0 X 吸収剤 1 9に吸収されている N 0 X が分解して] \τ 0 X 吸収剤 1 9か ら自然放出されるために N Ox 吸収率 Rは低下する。 従って Ox は NOx 吸収剤 1 9の温度 Tが一定温度範囲 （ほぼ 2 0 0てく Tく ほぼ 5 0 0 ΐ》 内にあるときに NOx 吸収剤 I 9に良好に吸収され ることになる 0
ところが実際には機面始動直後はもとより暧機完了後であっても 機関食荷が小さ く なると排気ガス温がかなり低く なり、 その結果 N 0 X 吸収剤 1 9が 2 0 0でより もかなり低くなる場合がある。 こ のように N Ox 吸収荊 1 9の温度が 2 0 0てより もかなり低く なる と第 6図において破線で示されるように NOx 吸収剤 1 9が NOx を吸収しなく なるので N 0 x が放出される こ とになる。
とこ ろで N Ox 吸収剤 1 9 の温度が 2 0 0 °Cより も低 なつたと きに N Ox 吸収剤 1 9が N Ox を吸収しな く なるのは N 03 - が吸 収剤内に拡散しな く なるのではな く て上述したよう に白金 P t によ る酸化作用 （ 2 N O + 02 → 2 N 0 z ) が弱まるからである。 言い 換えると N 0 X 吸収剤 1 9 の温度が 2 0 0てより低く なつても N 0 X が酸化されれば N Ox は N 03 - の形で吸収剤內に拡散され、 従つ て N 0 X 吸収剤 1 9 の温度が 2 0 0 てより も低く なつたときに N 0 X を N Ox 吸収剤 1 9 に吸収させるためには N Ox の酸化作用 （ 2 -N 0 + 02 → 2 N 02 ) を促進してやればよいこ とになる。 そのため に本発明による実施例では N Ox 吸収剤 1 9 の上流に N Ox 酸化剤 1 8が設けられている。
この N 0 X 酸化剤 1 8 は例えばアルミ ナを担体と してこの担体上 に白金 P t 、 ノ、'ラ ジウム P d 、 セ リ ア C e 02 、 ラ ンタ ンコバル ト ベロブスカ イ ト L a Co 03 又は五酸化バナジウム V 2 05 から選 ばれた少な く と も一つを担持させた触媒からなり、 この N Ox 酸化 剤 1 8 は N 0 X 酸化剤 1 8 の温度が 1 0 0 てから 2 5 0 ての範囲内 で N 0 x を酸化させる こ とができる。 従ってこ © N 0 X 酸化剤 i S を N Ox 吸収剤 1 9 の上流に配置する と排気ガス温が低 ぐなつて N O x 吸収剤 1 9 の温度が 2 0 ϋ て以下になっても Ν 0 X 酸化剤 1 8によ り Ν 0 X の酸化作用 （ 2 Ν 0 + 02 → 2 Ν 02 ) が行わお . るために N Ox が N Ox 吸収剤 1 9 に良好に吸収されるこ とになる、 -. 従って第 6図において破線で示されるように N 0 X 吸収剤 1 9 によ り N 0 X を吸収しう る温度範囲がほぼ 1 0 0 c く Tぐほぼ 5 0 0 X. まで広がり、 斯 く して機関の始動直後を除 く 機関の全運転領域に I- "て N◦ X を N 0 X 吸収剤 1 9 に吸収できる こ とになる。
なお、 K Ox 酸化剤 1 8 により酸化された Ν 02 をそのまま放 Si しておく と比較的短時間のうちに再び N Ox に戻ってしまう。 従つ て N Oz が NOx に苠る前に N02 を NOx 吸収剤 1 9に吸収させ るために N 0 X 酸化剤 1 &ば Nひ X 吸収剤 1 9に隣接して配置され ている。
第 3図に示されるように本発明による実施例では暖機運転時およ び全負荷運転時には燃焼室 3內に供給される混合気がリ ッチにされ、 また加速運転時には混合気が理論空燃比とされるがそれ以外の大部 分の運転領域でばリ一ン混合気が燃焼室 3内において燃焼せしめら れる。 この場合、 燃焼室 3内 1において燃焼せしめられる混合気の空 燃比はぼぼ 1 8， ひ 议上であって第 1図に示される実施例では空燃 比が 2 0から 2 4程度のリーン混合気が燃焼せしめられる 空燃'比 が 1 8. 0 以上になると三元触媒がたとえリーン空燃比の下で還元 性を有していたとしても N Ox を十分に還元することができず、 従 つてこのようなリ一ン空燃比の下で N Ox を還元するために三元触 媒を用いることはできない。 また、 空燉比が 1 8 0 以上であって も N Ox を還元しうる触媒としては Cu-ゼォライ ト触媒があるがこ © Cu-ゼォライ ト触媒ば耐熱性に欠けるためにこの Cu-ゼォライ ト 触媒を用いることば実際問題として好ましくない。 従って結局、 空 燧比が 1 8. 0 以上のときに N Ox を浄化するには本発明 おいて 使用されている Ox 吸収剤 1 9を用いる以外には道はないことに なる。
ところで本発明による実施例では上述したように全食荷運転時 ば燃焼室 3内に供給される混合気がリ ツチとされ、 また加速運転時 には混合気が理論空懲比とされるので全負荷運転時および加速運転 時に N 0 X 吸収剤 1 9から Ox が放岀ざれることになる、 しかし ながらこのような全食荷運転或いは加速運転が行われる頻度が少 ければ全炱荷運転時および加速運転時にのみ N Ox 吸収荊 1 9から N O 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 N O x 吸収剤 1 9 による N O x の吸収能力が飽和してしまい、 新く して N O x 吸収剤 1 9 により N O 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第 7図 （ 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 ツチにするか、 或いは第 7図 （ 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、 第 7図 （ 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 N O x 吸収剤 1 9 において N 0 X が還元されないために前述したよう に N 0 X 吸 i
収剤 1 9 の下流において N 0 X -を ί 還元させなければならない。
第 7図 （ A ) に示すよう に流入排気ガスの空燃比が周期的に リ ッ チにされる場合についてみる と リ ー ン混合気の燃焼が行われている 時間 t , に比べて流入排気ガスの空燃比がリ ツチにされる時間 t 2 は極めて短い。 具体的に言う と流入排気ガスの空燃比がリ ツチにさ れる時間 t z はほぼ 1 0秒以内であるのに対してリ ー ン混合気の燉 焼が行われている時間 t , は 1 0数分間から 1 時間以上の時間とな る。 即ち、 言い換える と t 2 は t i の 5 0倍以上の長さ となる。 二 れは第 7 図 （ B ) および （ C ) に示す場合でも同様である。
とこ ろで N O x 吸収剤 1 9 からの N O x の放出作用は一定量の N 0 X が N 0 X 吸収剤 〗 9 に吸収されたとき、 例えば N 0 吸収剤 1 9 の吸収能力の 5 0 % N 0 X を吸収したときに行われる。 N 0 X 吸収剤 1 9 に吸収される N O 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 N Ο χ· 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 N O x 濃度は機閬負荷に比 例するので N 0 X 吸収剤 1 9 に吸収される N 0 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 N O x 吸収剂 1 9 に吸収されている N O 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 N O x 吸収剤 1 9に吸収されている N O x 量 を推定するようにしている。
次に第 &図を参照して本発明による N O x 吸収剤 1 9 の吸放出制 御の一実施例について說明する。
第 8図は一定時藺毎に実行される割込みルーチンを示している- 第 8図を参照するとまず初めにステップ 1 0 0 において基本燃料 噴射時間 T Pに対する捕正係数 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く 1 . 0 のとき、 即ちリーン混合気が撚焼せしめられている ときには ステップ 1 0 Iに進んで現在の機関西転数 N Eに∑ N Eを加箕した 結果が Σ Ν Εとれる。 従ってこの∑ ΝΈは機閬回転数 N Eの累積値 を示している。 次いでステップ 1 0 2でば累積西転数∑ N Eが一定 値 S N Eより も大きいか否かが判別される。 この一定値 S N Eは N O x 吸収剤 1 9にその N 0 X 吸収能力の例えば 5 0 %の N 0 X 量 が吸収されたと推定される累積西転数を示している。 ∑ N E≤ S？、 - E ©ときには処理サイ クルを完了し、 ∑ N E > S M Eのとき、 即ち N 0 X 吸収剤 I 9にその N 0 X 吸収能力の 5 ΰ ?4の N O x 量が吸収 されたと推定されときにばステップ 1 0 3に進んで N 0 X 放 ¾フラ グがセッ トされる。 N O x 放岀フラグがセッ 卜されると後述するよ うに機関シリ ンダ ί¾に供給される混合気がリ ツチにせしめられる e 次いでステップ 1 ひ 4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 1 0 5ではカウ ン ト値 Cが一定値（：。 よ ; 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 C。 のときには処理ルーチンを完了し、 C > C。 にな とステップ 1 ひ 6に進んで N 0 X 放岀フラグがリ セッ トされる c
1 Z N O 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 ツチから 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 ツチにされる こ とに なる。 次いでステ ップ 1 0 7 において累積回転数∑ N Eおよびカウ ン ト値 Cが零とされる。
一方、 ステップ 1 0 0 において K≥ 1 . 0 と判断されたとき、 即 ち機関シリ ンダ内に供給される混合気の空燃比が理論空燃比又はリ ツチのときにはステ ップ 1 0 8 に進んで K≥ 1 . 0 の状態が一定時 間、 例えば 1 0秒間継続したか否かが判別される。 K≥ l . 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、 Κ≥ 1 . 0 の状態が一定時間継続したときはステップ 1 0 9 に進んで累 積回転数∑ Ν Ε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 1 0秒程度継続すれば N O x 吸収剤 1 9 に吸 収されている大部分の N O 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 1 0 9 において累積回転数∑ N Eが零とされる -、 第 9図は燃料噴射時間 T A Uの算出ル一チンを示しており、 この ル一チ ンは繰返し実行される。
第 9図を参照する とまず初めにステップ 2 0 0において第 2 図に 示すマ ップから基本燃料噴射時間 T Pが算出される。' 次いでステ ッ プ 2 0 1 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 2 0 2 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は機関冷却水温の閔数であり、 K≥ l . 0 0範囲 機閬冷却水温が高 く なるほど小さ く なる。 また、 加速運転時には補 正係数 Κは 1 . 0 とされ、 全負荷運転時には補正係数 Κは 1 0 よ
1 り も大きな値とされる。 次いでステップ 2 ひ 3では補正係数 が K t とされ、 次いでステップ 2 0 4において燃料噴射時間 T A U
( = T P · K t ) が算出される。 このときにば機関シリ ンダ内に供 給される混合気が理論空燃比又はリ ツチとされる。
一方、 ステツブ 2 0 1 においてリ一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ばステップ 2 0 5に進んで N O x 放出フラグがセッ 卜されているか否かが判別される。 N O x 放出フ ラグがセツ トされていないときにはステップ 2 0 6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 2 ひ 7 において捕正係 数 Kが K t とされた後にステップ 2 0 4に進む。 従ってこのときに ば機閬シリ ンダ内にリーン混合気が供給される。 一方、 ステツフ 2 0 5において N 0 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 2 0 &に進んで予め定められた値 K Kが K t とされ、 次いでステッブ 2 ひ 4に進む。 この値 K Kば機閬シリ ンダ内に供給 される混合気の空燃比が 1 2 . ひ から 1 3 . 5 程度となる ： 1 か ら 1 . 2 程度の値である。 従ってこの時にば機関シリ ンダ内にリ チ混合気が供給され、 それによつて N O x 吸収剤 1 9に吸収されて いる N O x が放 ¾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ば K Kの値ば I . 0 とされる £
第 1 0図に別の実施例を示す。 この実施例において第 1図に示す 実施例と同一の構成要素は同一の符号で示す。
この実施例ではケ一シング 2 0の出口側が排気管 2 2を介して三 元蝕媒 2 3を内蔵した触媒コンバータ 2 4に連結されている。 こ 三元触媒 2 3はよ く知られているように空燃'比が理論空燃比付近に 維持されているときに Cひ， H Cおよび N 0 X に対して高い浄化 j 率を発揮するがこの三元触媒 2 3 は空燧比がある程度リ ツチになつ ているときでも O x に対して高い浄化効率を有する。 第 1 0図に 示す実施例ではこの特性を利用して N Ox を浄化するために Ν Οχ' 吸収剤 1 9 の下流に三元触媒 2 3 を設けている。
即ち、 前述したよう に Ν Οχ 吸収剤 1 9から Ν Οχ を放出すべ く 機関シリ ンダ内に供給される混合気を リ ツチにする と N Ox 吸収剤 1 9 に吸収されている N Ox が N Ox 吸収剤 1 9 から急激に放出さ れる。 このとき N Ox は放出時に還元されるが全ての N Ox が還元 されない可能性がある。 しかしながら N Ox 吸収剤 1 9 の下流に三 元触媒 2 3 を配置してお く と N 0 X 放出時に還元されなかった N 0 x は三元触媒 2 3 により還元される こ とになる。 従って N Ox 吸収剤 1 9 の下流に三元触媒 2 3 を配置する こ とによつて N Ox の浄化'!" 能を一層向上する こ とができ る こ とになる。
これまで述べた実施例では N Ox 吸収剤と してアルカ リ 金属、 ァ ルカ リ土類、 希土類から遠ばれた少な く とも一つと貴金属とをアル ミナ上に担持した N 0 X 吸収剤 1 9 が用いられている。 しかしなが らこのような N 0 X 吸収剤 1 9 を用いる代わり にアルカ リ土類と銅 の複合酸化物、 即ち B a - Cu 一 0系の N Ox' 吸収剤を用いる こ と もできる。 このよう なァル力 リ 土類と銅の複合酸化物と しては例え ば Mn 02 - B a C u 0 , を用いる こ とができ、 この場合、 白金 或いはセ リ ウム C e を添加する こ と もできる„
この B a - Cu 一 0系の N 0 X 吸収剤では銅 C u がこれまで述へ た N Ox 吸収剤 1 9 の白金 P t と同様な触媒作用をな し、 空燃比か . リ ーンのときには銅 C u により N 0 X が酸化されて （ 2 N 0 + 0 , - 2 K 02 ) 硝酸イ オ ン N 03 - の形で吸収剤内に拡散される。 一 方、 空燃比を リ ツ チにすれば同様に吸収剤から N Ox が放出され.. この N Ox は銅 Cu の触媒作用を触媒作用によって還元せしめら . : る c しかしながら銅 Cu © K Ox 還元力は白金 P t O N Ox 還元力 . に比ベて弱 く 、 ½つて B a - C u - 0系の吸収剤を用いた場合：こ
I ■つ これまで逮ベた N O x 吸収剤 1 9 に比べて N O x 放出時に還元され ない N O x 量が若干増大する。 従って B a - C u 一 0系の吸収剤を 用いた場合にば第 1 0図に示されるように吸収荊の下流に三元触媒 2 3を配置することが好ましい。
第 1 1図ば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、 第 1 1図において第 1図と同様な構成要素は同一符号で示す- ディーゼル機関では通常あらゆる運転扰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嫘比がリーンの犾態 で燃焼せしめられる。 従ってこのとき排出される N 0 X は N 0 X 吸 収剤】 9 に吸収される。 一方、 N O x 吸収剤 1 9から N O X を放岀 すべきときには N O x 吸収荊 1 9への流入排気ガスの空燧比がリ ツ チにされる。 この場合、 第 1 1図に示される実施例では燃焼室 3内 の混合気の平均空燧比はリーンにおいて N O x 吸収剤 1 9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 N O x 吸収剤 1 9へ の流入排気ガスの空懲'比がリ ツチにされる。
第 1 1図を参照するとこの実施例でばァクセルペダル 4 0 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 4 I が設けられ、 この負荷センサ 4 1 の出力電圧は A D変換器 4 2を介して入力ホー ト 3 5に入力される。 また、 この実施例でば排気管 1 7内に還元斉;； 供給弁 2 5が配置され、 この還元剤供給弁 2 5 は供耠ポンプ 2 6を 介して還元剤タンク 2 7に連結される。 電子制御ュニ ッ ト 3 0 カポ一 ト 3 6は夫々駆動回路 4 3 , 4 4を介して還元剤供給弁 2 5 および供辁ボンプ 2 6に接続される。 還元剤タ ンク 2 7内にはう Sソ リ ン、 ィ ソオクタ ン、 へキサン、 へプタン、 軽油、 油 ような炭 化水素、 或い'は液体の状態で保存しう るブタ ン -. プロパン Θよう： 炭化水素が充壞-されている。
この実施例では通常嫘焼室 3 混合気 空気過剰のもとて、 Η[- 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 N Ox は N Ox 吸収剤 1 9 に吸収される。 N〇x- 吸収剤 1 9から N Ox を放出すべき ときには供給ポンプ 2 6が駆動 されると共に還元剤供給弁 2 5が開弁せしめられ、 それによつて還 元剤タ ンク 2 7内に充塡されている炭化水素が還元剤供給弁 2 5か ら排気管 1 7に一定時間、 例えば 5秒間から 2 0秒間供給される。 このときの炭化水素の供給量は N Ox 吸収剤 1 9に流入する流入排 気ガスの空燃比がリ ツチとなるよう に定められており、 従ってこの ときに N 0 X 吸収剤 】 9から N 0 X が放出される こ とになる。
第 ！ 2図はこの N Ox 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 c 第 1 2図を参照する とまず初めにステ ップ 3 0 0 において現在の 機閬回転数 N Eに∑ N Eを加算した結果が∑ N Eとされる。 従って この∑ N Eは機関回転数 N Eの累積値を示している。 次いでステ ツ プ 3 0 1 では累積回転数 Σ Ν Εが一定値 S N Eより も大きいか否か が判別される。 この一定値 S N Eは N 0 X 吸収剤 1 9 にその N 0 >' 吸収能力の例えば 5 0 %の N Ox 量が吸収されたと推定される累積 回転数を示している。 ∑ N E≤ S N Eのときには処理サィ ク ルを 了し、 ∑ N E〉 S N Eのとき、 即ち N Ox 吸収剤 I S にそ O 0:、 吸収能力の 5 0 %の N 0 X 量が吸収されたと推定されたときにはス テツプ 3 0 2に進んで供給ポンプ 2 6が一定時間、 例えば 5秒間；:'' ら 2 0秒間駆動される。 次いでステ ップ 3 0 3では還元剤供給弁 2 5がー定時間、 例えば 5秒間から 2 0秒間開弁せしめら 、 次 でステ つプ 3 0 4 において累積回転数∑ N Eが零とされる
いずれの実施例でも X Ox 吸収剤 1 9 の上流に N Ox 酸化剤 】 が配置されており、 従つて排気ガス温が低く なる機関低負荷運転時 であつても N Ox を Ν' 0 x 吸収剤 1 9 に良好に吸収する こ とがで .
i 7 る

Claims

'eg 求 の 範 囲
1 . 流入する排気 の空燃比がリ ーンであるときに N Ox を吸 収し、 流入する鏃氦ガス中の酸素濃度を低下させると吸収した N Ox を放出する N Ox 蹶驭邂を機関排気通路内に配置すると共に N O x 吸収剤上流の機闢雛氦逦路内に N Ox を酸化しうる N Ox 酸化剤を 配置し、 N Ox 吸覷劃 琉入する排気ガスがリーンのときに N O x 吸収剤に吸収さ ^ X を N O x 吸収剤に流入する排気ガス中の 酸素濃度が低下せ め ¾れたときに N Ox 吸収剤から放出するよう にした内燃機関' 鎩気狰化装置。
2 . N Ox 吸収 .劍£：漪入する排気ガスを理論空燃比又はリ ツ チに することによって ¾J 吸収剤に吸収されている N 0 X を N 0 X 吸' 収剤から放出させるよ ·¾ した請求項 1 に記載の内燃機関の排気浄 化装置。
3 . N O x 吸収剤に::流入する排気ガスの空燃比がリーンにされて o x 吸収剤に o ¾ -.mm.収せしめられている時間が N 0 X 吸収剤 から N Ox を放出する:,た に N O x 吸収剤に流入する排気ガス中 O 酸素濃度が低下 :しめら る時間の 5 0倍以上である請求項 〗 に記 載の内燃機関の排気浄 匕装置。
4 . N Ox 吸' 'に Ή Οχ が吸収させている ときに Ν 0 X 吸収剤 に流入する排気ガ の空懲比が 1 8. 0 以上である請求項 1 に記載. の内燃機関の排気、铮化:装置。
5 . 上記 N O x it&ia¾ N O x 吸収剤が単独で N Ox を吸収しう ¾ N 0 X 吸収剤 '濫度よりも低い N O x 酸化剤.温度でもって N 0 X を 酸化する請求項 1 に記載©内燃機関の排気浄化装置。
6. 上記 N G* 離 ϊ匕剤が白金、 パラ ジウム、 セ リ ア、 ラ ンタ ンコ バル トべ ブス力' . ήί ト、 酸化バナ ジウムから選ばれた少な く と ^ 一つを含む請求項 5に記載の内燃 '機関の排気浄化装置。
7. 上記 N Ox 酸化剤が： ΝΓ Οχ 吸収剤に隣接配置されている請求 項 1に記載の内燃機閬の排気浄化装置。
8. 上記 Ν Οχ 酸化剤と Ν Οχ 吸収剤が同一ケーシング内に配置 されている請求項 7に記載の內燃機蘭の排気浄化装置。
9. Ν 0 X 吸収剤がカリ ウム、 ナ ト リ ウム、 リ チウム、 セシウム からなるアル力リ金属、 ノ リ ウム、 カルシウムからなるアルカ リ土 類、 ラ ンタン、 イ ッ トリ ウムからなる希土類から選ばれた少なく と も 1つと、 白金とを舍む請求項 1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
10. N Qx 吸収剤がバリ ウム、 銅の複合酸化物からなる請求項 I に記載の内墩機関の徘気浄化装置。
11. 機閬燧焼室内に形成される混合気の空燧比を制御する空燃比 制御手段を具備し、 該空燧比制御手段により機関燃焼室内内に形成 される混合気の空燃比を制御することによつて N Ox 吸収剤への
N Ox の吸収および N Ox 吸収荊から N Ox の放出を制御するよう にした請求項 1 に記載の内燃機関の排気浄化装置。
12. 上記空燎比制御手段ば N O X 吸収剤に N Ox を吸収させるベ きときには燃焼室内に形成される混合気の空燧 ϋをリ一ンにし -.
N Ox 吸収剤から N Ox を放出させるべきときには燧焼室内に形成 される混合気の空燧比を理論空燃'比又ばリ ツチにする請求項 I 1 に 記載の内燧機関の徘気浄化装置。
13. 内燧機関がガソ リ ン機関からなり、 上記空燃比制御手段は欉 閬に供給される燃料量を制櫛して N Ox 吸収荊への N Ox の吸収お よび N Qx 吸収剤から N Ox の放出を制御する請求項 1 2 に記載 O 内燧機関の排気浄化装置。
14. 上記空懲比薊御手段ば N Ox 吸収剤に N Ox を吸収させるベ きときにば嫘焼室内に形成される混合気の空懲比を 1 8 . 0 以上 C ほぼ一定のリ一ン空燃比に維持する請求項 1 3 に記載の内燃機関の 排気浄化装置。
15. 機関の運転状態に応じて定まる燃料量を予め記憶している記 憶手段を具備し、 上記空燃比制御手段は該記憶手段に記憶されてい る燃料量に基づいて機関に供給される燃料量を定める請求項 1 3 に 記載の内燃機関の排気浄化装置。
16. 機関燃焼室から排出されて N Ox 吸収剤に流入する排気ガス の空燃比を機関排気通路内で制御する空燃比制御手段を具備し、 該 空燃比制御手段により N Ox 吸収剤に流入する排気ガスの空燃比を 制御する ことによって N Ox 吸収剤への N Ox の吸収および N Ox
2
吸収剤から N Ox の放出を制御するようにした請求項 1 に記載の内 燃機関の排気浄化装置。
17. 上記空燃比制御手段は N Ox 吸収剤に N Ox を吸収させるベ きときには N Ox 吸収剤に流入する排気ガスの空燃比をリーンにし、 N Ox 吸収剤から N Ox を放出させるべきときには N Ox 吸収剤に 流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリ ツチにする請求項
1 6に記載の内燃機関の排気浄化装置。
18. 上記空 比制御手段は N Ox 吸収剤から N Ox を放出させる べきときに機閔排気通路内に還元剤を供給する請求項 1 7 に記載 β) 内燃機関の排気浄化装置。
19. 上記還元剤が炭化水素からなる請求項 1 8 に記載の内燃機関 の排気浄化装置。
20. 上記炭化水素がガソ リ ン、 イ ソオクタ ン、 へキサン、 ヘプタ ン、 軽油、 灯油、 ブタ ン、 プロパンから選ばれた少なく とも一つか らなる請求項 1 9 に記載の内燃機関の排気浄化装置。
21. N Ox 吸収剤に流入する排気ガスの空燃比がリ ーンにされて N 0 X 吸収剤に N 0：く が吸収せしめられている期間が予め定められ た第 i の設定期間を越えたときに N Ox 吸収剤から N Ox を放出す ベく予め定められた第 2の設定期間だけ N 0 X 吸収剤に流入する排 気ガス中の酸素濃度を低下せしめる N C 放出制御手段を具備した 請求項 1に記載の 1¾燧鏺闋の徘気淨化装置。
22. 上記 N Ox 放出制櫛手段は N Ox 吸収剤から N Ox を放出す べきときに NOx 吸収荊に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比 又はリ ツチにする請求項 2 1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
23. 上記 NOx 放出制御手段が N Ox 吸収剤に吸収された N Ox 量を推定する N Ox 量推定手段を具傭し、 該 N Ox 放出制御手段は 該 N Ox 量推定手段により推定された N Ox 量が予め定められた推 定量を越えたときに上記第 1の設定期間が経過したと判断する請求 項 2 1 に記載の内懲機関の排気浄化装置。
24. 上記 NOx 量推定手段ば機閬回転数の累積値が予め定められ た設定値を越えたときに N Ox 吸収剤に吸収された N Ox 量が上記 設定量を越えたと判断する請求項 2 3に記載の内燃機蘭の排気浄化
25. 上記 N Ox 量推定手段は機関燃焼室内に形成される混合気の 空燧比が一定時間 、上理論空墩比又はリ ツチに維持されたときには H Ox 吸収剤に吸収されているほぼ全部の N 0 X が放出されたと判 断する請求項 2 3に記載の内燃機閬の排気浄化装置。
26. 上記第 2の設定斯簡がほぼ 2 0秒以下である請求項 2 1 に記 載の内燃機閬の排気浄化装置。
27. N Ox 吸収箚下流の機関排気通路内に少なく とも N Ox を還 元しうる触媒を配置した請求項 1 に記載の内燃機関の排気浄化装 Sc
28. 上記触媒が三元触媒からなる請求項 2 7に記載の内燃機関の 排気浄化装置。
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