WO2008114887A1 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Kenichi Tsujimoto
Shinya Hirota
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Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
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Definitions

  • the present invention relates to an exhaust emission control device for an internal combustion engine.
  • the NO x storage air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas when the lean to release the N_ ⁇ x air-fuel ratio of the exhaust gas which is occluded becomes the stoichiometric air-fuel ratio or Li Tutsi for occluding N_ ⁇ x contained in the exhaust gas inflow
  • An internal combustion engine in which a catalyst is disposed in an engine exhaust passage is known (see, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-010 1776).
  • N_ ⁇ x occluding capacity of the NO x storage catalyst in this internal combustion engine is in the air-fuel ratio is temporarily re Tutsi the exhaust gas approaches saturation, it'll connexion N_ ⁇ x N_ ⁇ x from storage catalyst is released and reduced Is done.
  • An object of the present invention is to provide an exhaust purification system of N_ ⁇ x storage or is optionally reduced the released N_ ⁇ x from the catalyst, the internal combustion engine or not is reduced.
  • the oxygen concentration in the inflowing exhaust gas is occluded by storing NO x contained in the exhaust gas. Degrees is arranged in series to the occluded least the engine exhaust passage a pair of the NO x storage catalyst release the NO x reduction, it released the N_ ⁇ x storage catalyst or et N_ ⁇ x on the upstream side to release temporarily reducing the oxygen concentration of exhaust gas while maintaining the air-fuel ratio of the exhaust gas lean when the occluding NO x in the NO x storage catalyst downstream, upstream the NO x storage catalytic contact and downstream
  • an exhaust purification system for an internal combustion engine in which the air-fuel ratio of exhaust gas is temporarily switched from lean to rich when NO x is released and reduced from the NO x storage catalyst.
  • the upstream side by moving the NO x catalyst temperature is occluded in relatively high N_ ⁇ x storage capacity high upstream N_ ⁇ x storing catalyst downstream N_ ⁇ x occlusion catalyst it can be recovered N_ ⁇ x storage capacity of the NO x storage catalyst.
  • FIG. 1 is an overall view of a compression ignition type internal combustion engine
  • FIG. 2 is a sectional view of a surface portion of the catalytic carrier N_ ⁇ x storage catalyst
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the front surface portion of the catalyst carrier of the NO x storage catalyst
  • FIG. 4 Taimuchiya one Bok showing a N_ ⁇ x release processing
  • FIG. 5 showing the Matsupu like occlusion N_ ⁇ x amount NO XA is a flow chart for executing the purification treatment of NO x.
  • Figure 1 shows an overall view of a compression ignition type internal combustion engine.
  • 1 is an engine body
  • 2 is a combustion chamber of each cylinder
  • 3 is an electronically controlled fuel injection valve for injecting fuel into each combustion chamber
  • 4 is an intake manifold
  • 5 is an exhaust manifold.
  • the intake manifold 4 is connected to the outlet of the compressor 7 a of the exhaust turbocharger 7 via the intake duct 6, and the inlet of the compressor 7 a controls the amount of intake air. It is connected to the air cleaner 9 via the intake air amount detector 8 to be detected.
  • a throttle valve 10 driven by a step motor is arranged in the intake duct 6, and a cooling device 1 1 for cooling the intake air flowing in the intake duct 6 around the intake duct ⁇ 6. Is placed.
  • the engine cooling water is guided into the cooling device 11 and the intake air is cooled by the engine cooling water.
  • the exhaust manifold 5 is connected to the inlet of the exhaust turbine 7 b of the exhaust turbocharger 7. Outlet of the exhaust turbine 7 b is connected to the inlet of the upstream the NO x storage catalyst 1 2, upstream the NO x storage catalyst 1 2 outlet downstream. Side N_ ⁇ x storing catalyst 1 4 through the exhaust pipe 1 3 Connected to the entrance. Further, another N0 x storage catalyst may be arranged downstream of the downstream side NO x storage catalyst 14.
  • the exhaust manifold 5 is provided with a reducing agent supply valve 15 for supplying a reducing agent made of hydrocarbons into the exhaust gas flowing in the exhaust manifold 5.
  • the exhaust manifold 5 and the intake manifold 4 are connected to each other via an exhaust gas recirculation (hereinafter referred to as EGR) passage 16, and an electronically controlled EGR control valve 17 is disposed in the EGR passage 16.
  • EGR exhaust gas recirculation
  • a cooling device 18 for cooling the EGR gas flowing in the EGR passage 16 is disposed around the EGR passage 16.
  • the engine cooling water is guided into the cooling device 18 and the EGR gas is cooled by the engine cooling water.
  • each fuel injection valve 3 is connected to a common rail 20 through a fuel supply pipe 19. Fuel is supplied into the common rail 2.0 from an electronically controlled fuel pump 21 with variable discharge amount, and the fuel supplied into the common rail 20 is injected into the fuel via each fuel supply pipe 19. Supplied to valve 3.
  • the electronic control unit 30 consists of a digital computer and is connected to each other by a bidirectional bus 31. ) 3 2, RAM (random access memory) 3 3, CPU (microphone processor) 3 4, input port 3 5 and output port 3 6
  • a temperature sensor 2 2 for detecting the temperature of the exhaust gas flowing in the exhaust pipe 13 is installed in the exhaust pipe 13. As the temperature of the exhaust gas flowing in the exhaust pipe 1 3 changes, the temperature of the upstream N0 x storage catalyst 1 2 and downstream NO x storage catalyst 14 also changes. The temperature of the flowing exhaust gas is representative of the temperature of a pair of N0 x storage catalysts 1 2 and 14 arranged in series. As shown in FIG. 1, the output signals of the temperature sensor 22 and the intake air amount detector 8 are input to the input port 35 via the corresponding AD converter 37.
  • a load sensor 41 that generates an output voltage proportional to the depression amount L of the accelerator pedal 40 is connected to the accelerator pedal 40, and the output voltage of the load sensor 41 is input to an input port via a corresponding AD converter 37. 3 is input to 5. Further, a crank angle sensor 42 that generates an output pulse every time the crankshaft rotates, for example, 15 ° is connected to the input port 35.
  • the output port 3 6 is connected to the fuel injection valve 3 and the throttle valve 10 via the corresponding drive circuit 3 8, step motor for driving, reducing agent supply valve 15, EGR control valve 17 and fuel pump 2.
  • FIG. 2 schematically shows a cross-section of the surface portion of the catalyst carrier 45.
  • noble metal catalyst 4 6 are dispersed, further layers of the NO x absorbent 4 7 on the surface of the catalyst carrier 4 5 formed It has been.
  • platinum Pt is used as the noble metal catalyst 4 6, and the constituents of the NO x absorbent 4 7 include, for example, power lithium K :, sodium Na, cesium C.
  • At least one selected from alkali metals such as s, alkaline earth such as norm Ba, calcium ca, lanthanum La, and y is used. ing.
  • N0 x absorbent 4 7 do absorbing and releasing action of N_ ⁇ x air-fuel ratio of the exhaust gas is absorbed sometimes NO x lean, the oxygen concentration in the exhaust gas to release N_ ⁇ x absorbed to decrease.
  • N_ ⁇ x absorbent 4 when described as an example a case in which had use of barium B a as the ingredient forming the N_ ⁇ x absorbent 4 7, when the air-fuel ratio of the exhaust gas-out lean bet, that is, high oxygen concentration in the exhaust gas exhaust NO is N_ ⁇ 2 next is oxidized on the platinum P t 4 6 as shown in FIG. 2, then a N_ ⁇ x absorbent 4 is absorbed in the 7 oxidation barium B A_ ⁇ that is part of the gas binding while nitrate ions N_ ⁇ 3 - diffuses in the form of a N_ ⁇ x absorbent 4 in 7. In this way, NO x is absorbed in the N0 x absorbent 47.
  • N_ ⁇ 2 in oxygen concentration as high as platinum P t 4 6 surface in the exhaust gas is generated, as long as the absorption of NO x capacity of the NO x absorbent 4 7 is not saturated N 0 2 the NO x absorbent 4 in 7 Nitrate ions NO 3 are generated.
  • the oxygen of the air-fuel ratio exhaust gas is to re pitch of the exhaust gas oxygen 0 2 almost remaining in the exhaust gas as shown in FIG. 3 (B) to become almost consumed
  • the reducing agent HC or C ⁇ exists in the exhaust gas.
  • oxygen ⁇ 2 N 0 2 or NO released from the NO x absorbent 4 7 When the reducing agent HC or CO when no residual is present is reduced to N 2. Therefore N_ ⁇ x from N_ ⁇ x storage catalyst when this is not to be discharged.
  • N0 x in the exhaust gas is absorbed into the NO x absorbent 4 7.
  • the upstream NO x storage catalyst 1 2 has a higher temperature than the downstream N 0 x storage catalyst 14, so the upstream N 0 x storage catalyst 1 2 has a higher storage capacity of N 0 x. Therefore, N0 x is easily absorbed by the N0 x absorbent 4 7 of the upstream NO x storage catalyst 12.
  • the reducing agent from the reducing agent feed valve 1 5 temporarily re pitch the air-fuel ratio of the exhaust gas by supplying, so as to release the N_ ⁇ x it by the connexion N_ ⁇ x absorbent 4 7 before ing. .
  • TC indicates the temperature detected by the temperature sensor 2 2, that is, the temperature representative of the temperature of the pair of N 0 x storage catalysts 1 2 and 14.
  • ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 1 indicates the amount of occluded N o x stored in the upstream NO x storage catalyst 12, and ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 2 is stored in the downstream NO x storage catalyst 14. It shows the occluded amount of NO x that, AZ F shows the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the upstream-side NO x storing catalyst 1 2 which changes the supply of the reducing agent HC from the reducing agent feed valve 1 5.
  • the storage NO x amounts ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 1 and ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 2 are N0 x amount NO XA discharged from the combustion chamber 2 per unit time, and N0 of the upstream NO x storage catalyst 12 x Calculated based on the occlusion speed and the like.
  • the NO x amount NO XA discharged from the combustion chamber 2 per unit time is shown in Fig. 5 (A) as a function of the required torque TQ and the engine speed N.
  • a map is stored in advance in ROM 32.
  • the exhaust NO x amount NOXA is upstream the NO x storage catalyst 1 2 NO x storage rate, i.e. the maximum N_ ⁇ x storage amount MAX that the upstream the NO x storage catalyst 1 2 may occlusion per unit time If there is more, this maximum NO x storage amount MAX becomes the N 0 x amount NO X 1 stored per unit time in the upstream NO x storage catalyst 12.
  • the upstream side N_ ⁇ x N_ ⁇ x amount of occlusion catalyst 1 2 excess that has not been occluded in the (NO XA- MAX) is downstream N_ ⁇ x occlusion catalyst 1 4 N_ ⁇ be stored per unit time x
  • the amount is NO X 2. By accumulating this NO x amount NO X 2, the occluded N ⁇ x amount ⁇ ⁇ 2 is obtained.
  • the upstream NO x storage catalyst 1 2 can store the maximum NO x storage amount M AX is the bed temperature of the upstream NO x storage catalyst 1 2, storage N 0 x ⁇ NOX 1 and exhaust It is a function of the gas amount, that is, the intake air amount, etc., and the maximum N0 x storage amount MAX is stored in advance in ROM 3 2 as these functions.
  • FIG. 5 (B) shows the relationship between the maximum NO x storage amount MAX and the bed temperature T of the upstream NO x storage catalyst 12.
  • the air-fuel ratio AZ F continues to be lean until time t, and during this time, each of the N0 x storage amounts ⁇ ⁇ ⁇ , and ⁇ ⁇ ⁇ 2 gradually increases.
  • the N o x occlusion amount ⁇ ⁇ ⁇ 1 of the upstream side N o x storage catalyst 12 reaches the allowable value X 1 at time t.
  • a representative temperature TC representing NO x storage catalysts 1 2 and 1 4 was determined in advance. Assuming that the temperature is lower than the set temperature TX, as shown in Fig. 4, the air-fuel ratio AZF of the exhaust gas is lowered under lean conditions.
  • N_ ⁇ x occlusion amount ⁇ N_ ⁇ X 2 of N_ ⁇ x occlusion amount ⁇ N_ ⁇ X 1 and downstream N_ ⁇ x storage catalytic 1 4 upstream N_ ⁇ x storing catalyst 1 2 at this time is reduced together.
  • N_ ⁇ x storage amount ⁇ N_ ⁇ XI upstream the NO x storage catalyst 1 2 reaches the allowable value XI.
  • the representative temperature TC of the N0 x storage catalysts 1 2 and 1 4 is higher than the preset set temperature TX, the air-fuel ratio AZ F of the exhaust gas changes from lean to rich as shown in FIG. Switched.
  • NO x is released from the upstream NO x storage catalyst 12 and the downstream N 0 x storage catalyst 14, and the released N 0 x is reduced. Therefore N_ ⁇ x occlusion amount sigma NOX 2 of N_ ⁇ x storage amount sigma NOX 1 and downstream the NO x storage catalyst 1 4 in this case upstream N_ ⁇ x storage catalytic 1 2 is reduced together.
  • the NO x storage amount ⁇ N 0 X 1 of the upstream side NO x storage catalyst 12 reaches the allowable value X 1 again at time t 4 .
  • the representative temperature TC of the NO x storage catalyst 1 2 and 1 4 is determined from the preset temperature TX.
  • the air-fuel ratio AZF of the exhaust gas is lowered under the lean condition.
  • N0 x is released from the upstream NO x storage catalyst 12, and this released N 0 x is stored in the downstream NO x storage catalyst 14.
  • the NO x occlusion amount ⁇ NO X 1 of the upstream NO x occlusion catalyst 12 decreases, and the N o x occlusion amount ⁇ 2 of the downstream N o x occlusion catalyst 14 increases.
  • Figure 6 shows the purification processing routine of N_ ⁇ x. This routine is executed by interruption at regular intervals.
  • step 50 the amount of N0 x N0 XA discharged per unit time is calculated from the map shown in Fig. 5 (A).
  • step 51 it is judged if this exhausted NO x amount NO XA is smaller than the maximum NQ x occlusion amount MAX.
  • NOXA ⁇ M N_ ⁇ x amount NOX 1 which is upstream N_ ⁇ x storing catalyst 1 per 2 per unit time storage proceeds to Step 5 2 when the AX is the discharge amount of NO x NO XA. Then go to step 55.
  • step 51 the process proceeds to step 53, and the NO x amount NO X 1 stored per unit time in the upstream side N ⁇ x storage catalyst 12 is the maximum. NO x storage amount MA X.
  • step 54 proceed to step 54, and downstream NO x storage catalyst 14 NO x amount NO X 2 stored per unit time is discharged N ⁇ x amount NOX A value obtained by subtracting the maximum NO x storage amount MAX (NO XA — MAX). Then go to step 55.
  • NO X 1 is added to the upstream N ⁇ x storage catalyst 1 2 N ⁇ x amount ⁇ ⁇ ⁇ 1 and then in Step 56, N ⁇ X 2 is added to the downstream N ⁇ x storage. It is added to the N ⁇ x amount ⁇ ⁇ ⁇ 2 stored in the catalyst 1 4.
  • Step 5 7 In upstream the NO x storage catalyst 1 2 is determined whether or not exceeds the allowable value X 1 is, sigma N_ ⁇ X 1>
  • the routine proceeds to step 58, where it is determined whether or not the representative temperature TC of the N0 x storage catalysts 12 and 14 is higher than a preset temperature TX.
  • TC ⁇ TX the routine proceeds to step 59, where a lean spike generation process is performed in which the exhaust gas air-fuel ratio is lowered under lean conditions.
  • step 60 ⁇ NOX 1-(0 ⁇ 1) is added to ⁇ NOX2, and then at step 61, . ⁇ ⁇ XI is made ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 1 ⁇ (1-—).
  • step 64 a process of generating a spike spike is performed in which the air-fuel ratio of the exhaust gas is temporarily switched from lean to rich.
  • step 65 ⁇ ⁇ ⁇ X 1 and ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 2 are cleared.
  • step 5 7 if it is determined in step 5 7 that ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 1 ⁇ X 1, the process proceeds to step 6 2 and the downstream side ⁇ ⁇ ⁇ storage catalyst 14 stores o ⁇ ⁇ ⁇ amount ⁇ ⁇ X 2 is an allowable value. It is determined whether or not X 2 has been exceeded, and if ⁇ ⁇ ⁇ X 2> ⁇ 2, proceed to step 6 3 ⁇ ⁇ Occlusion catalyst 1 2, 1 4 Typical temperature TC is set in advance It is determined whether the temperature is higher than ⁇ ⁇ . When TC ⁇ ⁇ X, complete the processing cycle. On the other hand, when TC> TX, the routine proceeds to step 64 where a rich spike generation process is performed in which the air-fuel ratio of the exhaust gas is temporarily switched from lean to rich.

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Abstract

内燃機関において、一対のＮＯx吸蔵触媒（１２，１４）が機関排気通路内に直列に配置される。上流側のＮＯx吸蔵触媒（１２）からＮＯxを放出させて放出されたＮＯxを下流側のＮＯx吸蔵触媒（１４）に吸蔵させるときには排気ガスの空燃比をリーンに維持した状態で排気ガス中の酸素濃度が一時的に低下せしめられる。これに対し、上流側ＮＯx吸蔵触媒（１２）および下流側ＮＯx吸蔵触媒（１４）からＮＯxを放出させかつ還元させるときには排気ガスの空燃比がリーンからリッチに一時的に切換えられる。

Description

明 細 書 内燃機関の排気浄化装置 技術分野 '
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。 背景技術
流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含ま れる N〇xを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリ ツチになると吸蔵した N〇xを放出する N O x吸蔵触媒を機関排気通 路内に配置した内燃機関が公知である （例えば特開 2 0 0 4— 1 0 8 1 7 6号公報を参照） 。 この内燃機関では N O x吸蔵触媒の N〇x 吸蔵能力が飽和に近づく と排気ガスの空燃比が一時的にリ ツチにさ れ、 それによつて N〇x吸蔵触媒から N〇xが放出され還元される。
このように従来では N O x吸蔵触媒から N O xを放出すべきときに は排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリ ッチにして放出された N O xを N〇 x吸蔵触媒内において還元するようにしている。 しかしなが ら場合によっては N〇x吸蔵触媒から放出された N O xを還元させる ことなく N.〇x吸蔵触媒から排出させた方が好ましい場合もある。 発明の開示
本発明の目的は N〇x吸蔵触媒から放出された N〇xを必要に応じ て還元させたり、 還元させなかったりする内燃機関の排気浄化装置 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ーンのときには 排気ガス中に含まれる N O xを吸蔵し流入する排気ガス中の酸素濃 度が低下すると吸蔵した N Oxを放出する少く とも一対の NOx吸蔵 触媒を機関排気通路内に直列に配置し、 上流側の N〇x吸蔵触媒か ら N〇xを放出させて放出された NOxを下流側の NOx吸蔵触媒に 吸蔵させるときには排気ガスの空燃比をリーンに維持した状態で排 気ガス中の酸素濃度を一時的に低下させ、 上流側 NOx吸蔵触媒お よび下流側 N〇x吸蔵触媒から NOxを放出させかつ還元させるとき には排気ガスの空燃比をリーンから リ ッチに一時的に切換えるよう にした内燃機関の排気浄化装置が提供される。
本発明では必要に応じ、 触媒温度が比較的高く N〇x吸蔵能力の 高い上流側 N〇 x吸蔵触媒に吸蔵されている N O xを下流側 N〇 x吸 蔵触媒に移動させることによって上流側 NOx吸蔵触媒の N〇x吸蔵 能力を回復することができる。 図面の簡単な説明
図 1 は圧縮着火式内燃機関の全体図、 図 2は N〇x吸蔵触媒の触 媒担体の表面部分の断面図、 図 3は NOx吸蔵触媒の触媒担体の表 面部分の断面図、 図 4は N〇x放出処理を示すタイムチヤ一 卜、 図 5は吸蔵 N〇x量 NO X Aのマツプ等を示す図、 図 6は NOxの浄化 処理を実行するためのフローチャー トである。 発明を実施するための最良の形態
図 1 に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。
図 1 を参照すると、 1 は機関本体、 2は各気筒の燃焼室、 3は各 燃焼室 2内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、 4 は吸気マニホルド、 5は排気マニホルドを夫々示す。 吸気マ二ホル ド 4は吸気ダク ト 6 を介して排気ターボチャージャ 7のコンプレツ サ 7 aの出口に連結され、 コンプレッサ 7 aの入口は吸入空気量を 検出する吸入空気量検出器 8 を介してエアク リーナ 9 に連結される 。 吸気ダク ト 6内にはステップモ一夕により駆動されるスロッ トル 弁 1 0が配置され、 更に吸気ダク 卜 6周りには吸気ダク ト 6内を流 れる吸入空気を冷却するための冷却装置 1 1 が配置される。 図 1 に 示される実施例では機関冷却水が冷却装置 1 1 内に導かれ、 機関冷 却水によって吸入空気が冷却される。
一方、 排気マニホルド 5は排気ターボチャージャ 7の排気夕ービ ン 7 bの入口に連結される。 排気タービン 7 bの出口は上流側 N O x吸蔵触媒 1 2の入口に連結され、 上流側 N O x吸蔵触媒 1 2の出口 は排気管 1 3 を介して下流.側 N〇x吸蔵触媒 1 4の入口に連結され る。 なお、 下流側 N O x吸蔵触媒 1 4の下流に更に別の N〇 x吸蔵触 媒を配置することもできる。 一方、 排気マニホルド 5 には排気マ二 ホルド 5内を流れる排気ガス中に炭化水素からなる還元剤を供給す るための還元剤供給弁 1 5が取付けられる。
排気マニホルド 5 と吸気マニホルド 4 とは排気ガス再循環 （以下 、 E G Rと称す） 通路 1 6 を介して互いに連結され、 E G R通路 1 6内には電子制御式 E G R制御弁 1 7が配置される。 また、 E G R 通路 1 6周りには E G R通路 1 6内を流れる E G Rガスを冷却する ための冷却装置 1 8が配置される。 図 1 に示される実施例では機関 冷却水が冷却装置 1 8内に導かれ、 機関冷却水によって E G Rガス が冷却される。 一方、 各燃料噴射弁 3 は燃料供給管 1 9 を介してコ モンレール 2 0 に連結される。 このコモンレール 2. 0内へは電子制 御式の吐出量可変な燃料ポンプ 2 1 から燃料が供給され、 コモンレ ール 2 0内に供給された燃料は各燃料供給管 1 9 を介して燃料噴射 弁 3 に供給される。
電子制御ユニッ ト 3 0 はデジタルコンピュータからなり、 双方向 性バス 3 1 によって互いに接続された R〇 M (リードオンリ メモリ ) 3 2、 RAM (ランダムアクセスメモリ） 3 3、 C P U (マイク 口プロセッサ） 3 4、 入力ポー ト 3 5および出力ポー ト 3 6 を具備 する。 排気管 1 3内には排気管 1 3内を流れる排気ガスの温度を検 出するための温度センサ 2 2が取付けられる。 排気管 1 3内を流れ る排気ガスの温度が変化するとそれに伴なつて上流側 N〇x吸蔵触 媒 1 2および下流側 NO x吸蔵触媒 1 4の温度も変化するので排気 管 1 3内を流れる排気ガスの温度は直列配置された一対の N〇 x吸 蔵触媒 1 2， 1 4の温度を代表していることになる。 図 1 に示され るようにこの温度センサ 2 2および吸入空気量検出器 8の出力信号 は夫々対応する AD変換器 3 7を介して入力ポー ト 3 5に入力され る。
アクセルペダル 4 0にはアクセルペダル 4 0の踏込み量 Lに比例 した出力電圧を発生する負荷センサ 4 1が接続され、 負荷センサ 4 1の出力電圧は対応する AD変換器 3 7 を介して入力ポー ト 3 5に 入力される。 更に入力ポー ト 3 5にはクランクシャフ トが例えば 1 5 ° 回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ 4 2が接 続される。 一方、 出力ポー ト 3 6は対応する駆動回路 3 8を介して 燃料噴射弁 3、 スロッ トル弁 1 0の駆動用ステップモー夕、 還元剤 供給弁 1 5、 E G R制御弁 1 7および燃料ポンプ 2 1 に接続される まず初めに図 1 に示される N O x吸蔵触媒 1 2 , 1 4について説 明すると、 これら N Ox吸蔵触媒 1 2， 1 4の基体上には例えばァ ルミナからなる触媒担体が担持されており、 図 2はこの触媒担体 4 5の表面部分の断面を図解的に示している。 図 2 に示されるように 触媒担体 4 5の表面上には貴金属触媒 4 6が分散して担持されてお り、 更に触媒担体 4 5の表面上には NOx吸収剤 4 7の層が形成さ れている。 本発明による実施例では貴金属触媒 4 6 として白金 P tが用いら れており、 NOx吸収剤 4 7 を構成する成分としては例えば力 リ ウ ム K：、 ナ ト リ ウム N a、 セシウム C s のようなアルカ リ金属、 ノ リ ゥム B a、 カルシウム C aのようなアルカリ土類、 ランタン L a、 イ ツ ト リ ゥム Yのような希土類から選ばれた少なく とも一つが用い られている。
機関吸気通路、 燃焼室 2および NOx吸蔵触媒 1 2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） の比を排気ガスの空 燃比と称すると、 N〇x吸収剤 4 7は排気ガスの空燃比がリーンの ときには NOxを吸収し、 排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収 した N〇xを放出する N〇xの吸放出作用を行う。
即ち、 N〇x吸収剤 4 7 を構成する成分としてバリ ウム B aを用 いた場合を例にとって説明すると、 排気ガスの空燃比がリーンのと き、 即ち排気ガス中の酸素濃度が高いときには排気ガス中に含まれ る NOは図 2に示されるように白金 P t 4 6上において酸化されて N〇 2となり、 次いで N〇 x吸収剤 4 7内に吸収されて酸化バリ ウム B a〇と結合しながら硝酸イオン N〇3 -の形で N〇x吸収剤 4 7内 に拡散する。 このようにして NOxが N〇x吸収剤 4 7内に吸収され る。 排気ガス中の酸素濃度が高い限り 白金 P t 4 6の表面で N〇2 が生成され、 N O x吸収剤 4 7の N O x吸収能力が飽和しない限り N 02が NOx吸収剤 4 7内に吸収されて硝酸イオン NO 3 が生成され る。
これに対し、 還元剤供給弁 1 5から還元剤が供給されると排気ガ スの空燃比は小さ くなり、 このとき還元剤を酸化するために排気ガ ス中に含まれている酸素が消費されるので排気ガス中の酸素濃度が 低下する。.排気ガス中の酸素濃度が低下すると図 3 ( A) ， (B) に示されるように反応が逆方向 （N03-→N〇2又は NO) に進み 、 斯く して N〇x吸収剤 4 7内の硝酸イオン N 0 3 -が N 0 2又は N O の形で N〇x吸収剤 4 7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 N〇x吸収剤 4 7から N〇xが放出されること になる。
ところで排気ガスの空燃比をリーンに維持した状態で排気ガスの 空燃比が小さく され、 排気ガス中の酸素濃度が低下せしめられたと きには図 3 ( A ) に示されるように排気ガス中には.還元剤 H Cに加 えて多量の酸素〇2が含まれている。 このように排気ガス中に多量 の酸素〇2が含まれていると N〇x吸収剤 4 7から放出されたN〇2 又は N Oはそれ以上還元されることはない。
一方、 排気ガスの空燃比がリ ッチにされると排気ガス中の酸素は ほとんど消費されてしまうために図 3 ( B ) に示される如く排気ガ ス中には酸素 0 2はほとんど残存しておらず、 排気ガス内には還元 剤 H C或いは C〇が存在している。 このように酸素〇2が残存して いない状態で還元剤 H C或いは C Oが存在していると N O x吸収剤 4 7から放出された N 0 2又は N Oは N 2まで還元される。 従ってこ のときには N〇x吸蔵触媒から N〇xが排出されることはない。
上述したように排気ガスの空燃比がリーンであるとき、 即ちリー ン空燃比のもとで燃焼が行われているときには排気ガス中の N〇x が N O x吸収剤 4 7 内に吸収される。 この場合、 上流側 N O x吸蔵触 媒 1 2 は下流側 N〇x吸蔵触媒 1 4に比べて温度が高いために上流 側 N〇x吸蔵触媒 1 2の方が N〇xの吸蔵能力が高く、 従って上流側 N O x吸蔵触媒 1 2の N〇x吸収剤 4 7 の方に N〇xが吸収されやす い。 しかしながら リーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われる とその間に N〇 x吸収剤 4 7 の N〇 x吸収能力が飽和してしまい、 斯 く して N〇x吸収剤 4 7 により N O xを吸収できなくなってしまう。 そこで本発明による実施例では N O x吸収剤 4 7の吸収能力が飽和 する前に還元剤供給弁 1 5から還元剤を供給することによって排気 ガスの空燃比を一時的にリ ッチにし、 それによつて N〇 x吸収剤 4 7から N〇xを放出させるようにしている。 .
ところが N Ox吸蔵触媒の温度が低く、 触媒 4 6が十分に活性化 していないときに排気ガスの空燃比をリ ッチにすべく還元剤供給弁 1 5から多量の還元剤 H Cが供給されると還元剤 H Cが十分に還元 されないためにかなりの量の還元剤 H Cが大気中に排出されるとい う問題を生ずる。 そこで本発明では N Ox吸蔵触媒 1 2， 1 4の温 度が低く、 触媒 4 6が十分に活性化していないときには酸化可能な 量だけ還元剤を供給するようにしている。 このときには排気ガスの 空燃比がリーンに維持された状態で排気ガス中の酸素濃度が低下す るので図 3 ( A) からわかるように上流側 N Ox吸蔵触媒 1 2から N O 2又は N Oが排出され、 この N O 2又は N〇が下流側 N〇 x吸蔵 触媒 1 4に吸蔵される。
次にこのことについて図 4を参照しつつ説明する。 なお、 図 4に おいて T Cは温度センサ 2 2 により検出された温度、 即ち一対の N 〇x吸蔵触媒 1 2 , 1 4の温度を代表する温度を示している。 また 、 Σ Ν Ο Χ 1 は上流側 N Ox吸蔵触媒 1 2 に吸蔵されている吸蔵 N 〇x量を示しており、 Σ Ν Ο Χ 2 は下流側 N Ox吸蔵触媒 1 4に吸蔵 されてい.る吸蔵 NOx量を示しており、 AZ Fは還元剤供給弁 1 5 からの還元剤 H Cの供給により変化する上流側 N Ox吸蔵触媒 1 2 への流入排気ガスの空燃比を示している。
本発明による実施例では吸蔵 N Ox量 Σ Ν Ο Χ 1 および Σ Ν Ο Χ 2 は燃焼室 2から単位時間当り排出される N〇x量 N O XA、 上流 側 N Ox吸蔵触媒 1 2の N〇x吸蔵速度等に基づいて算出される。 こ こで、 燃焼室 2から単位時間当り排出される N Ox量 N O XAは要 求トルク T Qおよび機関回転数 Nの関数として図 5 ( A) 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。 この排出 N 〇x量 NO X Aが上流側 NOx吸蔵触媒 1 2の NOx吸蔵速度、 即ち 上流側 N〇x吸蔵触媒 1 2が単位時間当り に吸蔵しうる最大 NO 蔵量 M A Xより も少なければ排出 N〇 x量 N O X Aが上流側 N O x吸 蔵触媒 1 2 に単位時間当り吸蔵される NOx量 NO X 1 となる。 こ の NOx量 NOX 1 を積算することによって吸蔵 NOx量∑ N〇X 1 が得られる。
これに対し、 排出 N O x量 N O X Aが上流側 N O x吸蔵触媒 1 2の NOx吸蔵速度、 即ち上流側 NO x吸蔵触媒 1 2が単位時間当り に吸 蔵しうる最大 N〇x吸蔵量 MAXより も多ければこの最大 NOx吸蔵 量 MAXが上流側 NOx吸蔵触媒 1 2に単位時間当り吸蔵される N 〇x量 NO X 1 となる。 このとき、 上流側 N〇x吸蔵触媒 1 2に吸蔵 されなかった余剰の N〇x量 （NO XA— MAX) が下流側 N〇x吸 蔵触媒 1 4に単位時間当り吸蔵される N〇x量 NO X 2 となる。 こ の NOx量 NO X 2を積算することによって吸蔵 N〇x量 Σ ΝΟΧ 2 が得られる。
なお、 上流側 N〇x吸蔵触媒 1 2が単位時間当り に吸蔵しうる最 大 NOx吸蔵量 M AXは上流側 NOx吸蔵触媒 1 2の床温、 吸蔵 N〇 x量∑ N O X 1および排気ガス量、 即ち吸入空気量等の関数であり 、 最大 N〇x吸蔵量 MAXはこれらの関数として予め R OM 3 2内 に記憶されている。 なお、 一例として図 5 ( B ) に最大 N〇x吸蔵 量 MAXと上流側 NOx吸蔵触媒 1 2の床温 Tとの関係を示す。
図 4に示されるように時刻 t ,までは空燃比 AZ Fがリーンの状 態が継続し、 この間に各 N〇x吸蔵量 Σ ΝΌ Χ Ι , Σ ΝΟ Χ 2は徐 々に増大する。 次いで時刻 t ,において上流側 N〇x吸蔵触媒 1 2の N〇x吸蔵量 Σ ΝΟ Χ 1が許容値 X 1 に達したとする。 このとき N Ox吸蔵触媒 1 2， 1 4を代表する代表温度 T Cが予め定められた 設定温度 T Xより も低いとすると図 4に示されるように排気ガスの 空燃比 AZFはリーンのもとで低下せしめられる。 このとき上流側 ΝΟχ吸蔵触媒 1 2から ΝΟχが放出され、 この放出された Ν〇χは 下流側 Ν Ο χ吸蔵触媒 1 4に吸蔵される。 従ってこのとき上流側 Ν 〇χ吸蔵触媒 1 2の ΝΟχ吸蔵量 Σ ΝΟΧ 1 は低下し、 下流側 ΝΟχ 吸蔵触媒 1 4の Ν〇χ吸蔵量 Σ ΝΟΧ 2は増大する。
次いで時刻 t 2において下流側 ΝΟχ吸蔵触媒 1 4の Ν〇χ吸蔵量 Σ ΝΟ Χ 2が許容値 Χ 2に達したとする。 このとき Ν〇χ吸蔵触媒 1 2 , 1 4の代表温度 T Cが予め定められた設定温度 Τ Χより も高 いとすると図 4に示されるように排気ガスの空燃比 Α Fはリーン から リ ッチに切換えられる。 このときには上流側 N O x吸蔵触媒 1 2および下流側 N〇x吸蔵触媒 1 4から N Oxが放出され、 放出され た N〇xが還元される。 従ってこのとき上流側 N〇x吸蔵触媒 1 2の N〇x吸蔵量∑ N〇 X 1および下流側 N〇x吸蔵触媒 1 4の N〇x吸 蔵量∑ N〇 X 2は共に減少する。
次いで時刻 t 3において上流側 NOx吸蔵触媒 1 2の N〇x吸蔵量 ∑ N〇 X Iが許容値 X I に達したとする。 このとき N〇x吸蔵触媒 1 2， 1 4の代表温度 T Cが予め定められた設定温度 T Xより も高 いとすると図 4に示されるように排気ガスの空燃比 AZ Fはリーン からリ ッチに切換えられる。 このときには上流側 N O x吸蔵触媒 1 2および下流側 N〇x吸蔵触媒 1 4から NOxが放出され、 放出され た N〇xが還元される。 従ってこのとき上流側 N〇x吸蔵触媒 1 2の N〇x吸蔵量∑ N O X 1および下流側 NOx吸蔵触媒 1 4の N〇x吸 蔵量∑ N O X 2は共に減少する。
次いで時刻 t 4において上流側 NOx吸蔵触媒 1 2の NOx吸蔵量 ∑ N 0 X 1が再び許容値 X 1 に達したとする。 このとき NOx吸蔵 触媒 1 2， 1 4の代表温度 T Cが予め定められた設定温度 T Xより も低いとすると図 4に示されるように排気ガスの空燃比 AZFはリ ーンのもとで低下せしめられる。 このとき上流側 NOx吸蔵触媒 1 2から N〇xが放出され、 この放出された N〇xは下流側 NOx吸蔵 触媒 1 4に吸蔵される。 従ってこのとき上流側 NOx吸蔵触媒 1 2 の NOx吸蔵量∑ NO X 1 は低下し、 下流側 N〇x吸蔵触媒 1 4の N 〇x吸蔵量 Σ ΝΟΧ 2は増大する。
図 6は N〇xの浄化処理ルーチンを示している。 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 6 を参照するとまず初めにステップ 5 0において図 5 ( A) に 示すマップから単位時間当り排出される排出 N〇 x量 N〇 X Aが算 出される。 次いでステップ 5 1ではこの排出 NOx量 NO XAが最 大 N Q x吸蔵量 M A Xより も小さいか否かが判別される。 N O X A ≤M AXのときにはステップ 5 2に進んで上流側 N〇x吸蔵触媒 1 2に単位時間当り吸蔵される N〇x量 NOX 1が排出 NOx量 NO X Aとされる。 次いでステップ 5 5に進む。
これに対し、 ステップ 5 1 において NO XA〉MAXであると判 別されたときにはステップ 5 3に進んで上流側 N〇x吸蔵触媒 1 2 に単位時間当り吸蔵される NOx量 NO X 1が最大 NOx吸蔵量 MA Xとされる。 次いでステップ 5 4に進んで下流側 N O x吸蔵触媒 1 4に単位時間当り吸蔵される NOx量 NO X 2が排出 N〇x量 NOX Aから最大 NOx吸蔵量 MAXを減算した値 （NO XA— MAX) とされる。 次いでステップ 5 5に進む。 ステップ 5 5では NO X 1 が上流側 N〇x吸蔵触媒 1 2 に吸蔵されている N〇x量 Σ ΝΟ Χ 1 に 加算され、 次いでステップ 5 6では N〇 X 2が下流側 N〇 x吸蔵触 媒 1 4に吸蔵されている N〇x量 Σ ΝΟ Χ 2に加算される。
次いでステップ 5 7では上流側 N O x吸蔵触媒 1 2の吸蔵 N O x量 ∑ N O X 1が許容値 X 1 を越えたか否かが判別され、 ∑ N〇 X 1 > X I となったときにはステップ 5 8 に進んで N〇 x吸蔵触媒 1 2， 1 4の代表温度 T Cが予め定められた設定温度 T Xより も高いか否 かが判別される。 T C≤ T Xのときにはステップ 5 9 に進んで排気 ガスの空燃比がリーンのもとで低下せしめられるリーンスパイク発 生処理が行われる。 次いでステップ 6 0では∑ N O X 2 に∑ N O X 1 - ( 0 < α≤ 1 ) が加算され、 次いでステップ 6 1 では.∑ 〇 X I が Σ Ν Ο Χ 1 · ( 1 — ひ） とされる。 これに対し、 ステップ 5 8 において T C > Τ Xであると判別されたときにはステップ 6 4に 進んで排気ガスの空燃比がリーンから リ ッチに一時的に切換えられ るリ ッチスパイク発生処理が行われる。 次いでステップ 6 5では∑ Ν Ο X 1 , Σ Ν Ο Χ 2がク リアされる。
一方、 ステップ 5 7 において Σ Ν Ο Χ 1 ≤ X 1 であると判別され たときにはステップ 6 2 に進んで下流側 Ν Ο χ吸蔵触媒 1 4の吸蔵 Ν〇 χ量∑ Ν〇 X 2が許容値 X 2 を越えたか否かが判別され、 ∑ Ν Ο X 2 >Χ 2 となったときにはステップ 6 3 に進んで Ν〇χ吸蔵触 媒 1 2， 1 4の代表温度 T Cが予め定められた設置温度 Τ Χより も 高いか否かが判別される。 T C≤ Τ Xのときには処理サイクルを完 了する。 これに対し、 T C〉T Xのときにはステップ 6 4に進んで 排気ガスの空燃比がリーンから リ ッチに一時的に切換えられるリ ツ チスパイク発生処理が行われる。

Claims

請 求 の 範 囲
1. 流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に 含まれる NOxを吸蔵し流入する排気ガス中の酸素濃度が低下する と吸蔵した N Oxを放出する少く とも一対の N〇x吸蔵触媒を機関排 気通路内に直列に配置し、 上流側の N O x吸蔵触媒から N O xを放出 させて放出された NOxを下流側の NOx吸蔵触媒に吸蔵させるとき には排気ガスの空燃比をリーンに維持した状態で排気ガス中の酸素 濃度を一時的に低下させ、 上流側 N〇x吸蔵触媒および下流側 NOx 吸蔵触媒から NOxを放出させかつ還元させるときには排気ガスの 空燃比をリーンから リ ッチに一時的に切換えるようにした内燃機関 の排気浄化装置。
2. 上流側 NOx吸蔵触媒に吸蔵された N〇x量が許容量を越えた ときに上記一対の N〇x吸蔵触媒の温度を代表する温度が予め定め られた設定温度より も低いときには排気ガスの空燃比をリーンに維 持した状態で排気ガス中の酸素濃度を一時的に低下させることによ り上流側の N〇x吸蔵触媒から NOxを放出させて放出された NOx を下流側の NOx吸蔵触媒に吸蔵させ、 上流側 N〇x吸蔵触媒に吸蔵 された N〇x量が許容量を越えたときに上記一対の NOx吸蔵触媒の 温度を代表する温度が予め定められた設定温度より も高いときには 排気ガスの空燃比をリーンから リ ッチに一時的に切換えることによ り上流側 N〇x吸蔵触媒および下流側 N〇x吸蔵触媒から NOxを放 出させかつ還元させ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。
3. 下流側 N〇x吸蔵触媒に吸蔵された N〇x量が許容量を越えた ときに上記一対の N〇x吸蔵触媒の温度を代表する温度が予め定め られた設定温度より も高いときには排気ガスの空燃比をリーンから リ ッチに一時的に切換えることにより上流側 N〇x吸蔵触媒および 下流側 N〇x吸蔵触媒から N O xを放出させかつ還元させるようにし た請求項 1 に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4 . 上流側 N O x吸蔵触媒上流の機関排気通路内に炭化水素から なる還元剤を供給するための還元剤供給弁を配置し、 該還元剤供給 弁から炭化水素を供給することによって排気ガス中の酸素濃度が低 下せしめられる請求項 1 に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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