JP3613660B2

JP3613660B2 - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP3613660B2
Application number: JP35181298A
Authority: JP
Inventors: 信也広田; 俊明田中
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-12-10
Filing date: 1998-12-10
Publication date: 2005-01-26
Anticipated expiration: 2018-12-10
Also published as: JP2000170528A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気通路に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を備えた排気浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
希薄燃焼可能な車両用の内燃機関より排出される排気ガスからＮＯｘを浄化する排気浄化装置として、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒がある。この吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、流入排気ガスの空燃比がリーン（即ち、酸素過剰雰囲気下）のときにＮＯｘを吸収し、流入排気ガスの酸素濃度が低下したときに吸収したＮＯｘを放出しＮ_２に還元する触媒である。
【０００３】
この吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、単に触媒あるいはＮＯｘ触媒ということもある）を希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に配置すると、リーン空燃比の排気ガスが流れたときには排気ガス中のＮＯｘが触媒に吸収され、ストイキ（理論空燃比）あるいはリッチ空燃比の排気ガスが流れたときに触媒に吸収されていたＮＯｘがＮＯ_２として放出され、さらに排気ガス中のＨＣやＣＯなどの還元成分によってＮ_２に還元され、即ちＮＯｘが浄化される。
【０００４】
ところで、一般に、内燃機関の燃料には硫黄分が含まれており、内燃機関で燃料を燃焼すると、燃料中の硫黄分が燃焼してＳＯ_２やＳＯ_３などの硫黄酸化物（ＳＯｘ）が発生する。前記ＮＯｘ触媒は、ＮＯｘの吸収作用を行うのと同じメカニズムで排気ガス中のＳＯｘの吸収を行うので、内燃機関の排気通路にＮＯｘ触媒を配置すると、この触媒にはＮＯｘのみならずＳＯｘも吸収される。
【０００５】
ところが、前記ＮＯｘ触媒に吸収されたＳＯｘは時間経過とともに安定な硫酸塩を形成するため、ＮＯｘ触媒からＮＯｘの放出・還元を行うのと同じ条件下では、分解、放出されにくくＮＯｘ触媒内に蓄積され易い傾向がある。吸蔵還元型ＮＯｘ触媒内のＳＯｘ蓄積量が増大すると、触媒のＮＯｘ吸収容量が減少して排気ガス中のＮＯｘの除去を十分に行うことができなくなりＮＯｘ浄化効率が低下する。これが所謂ＳＯｘ被毒である。そこで、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化能を長期に亘って高く維持するためには、触媒に吸収されているＳＯｘを適宜のタイミングで放出させる必要がある。
【０００６】
吸蔵還元型ＮＯｘ触媒からのＳＯｘ放出処理技術に関しては、特許番号第２７４５９８５号の特許公報等に開示されている。吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸収されたＳＯｘを放出させるには、流入排気ガスの空燃比をストイキまたはリッチにし、且つ、触媒温度をＮＯｘの放出・還元時よりも高い所定の高温にするのが効果的であると考えられている。
【０００７】
そこで、ＮＯｘ触媒に所定量のＳＯｘが吸収された時をＳＯｘ放出時期と判断して、その時に、触媒温度をＳＯｘ放出可能な温度に温度制御するとともに、流入排気ガスの空燃比をストイキまたはリッチに保持されるように流入排気ガスの空燃比制御を行って、ＳＯｘの放出処理を実行している。このＳＯｘ放出処理により、ＮＯｘ触媒に吸収されていた硫酸塩は分解してＳＯ_３になり、さらにこのＳＯ_３が排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯによって還元せしめられ、ＳＯ_２となって放出される。
【０００８】
尚、前記特許公報に開示された技術では、触媒を温度制御するために、触媒よりも上流の排気管の周りに電気ヒータを設け、ＳＯｘ放出処理時にこの電気ヒータに通電して排気管を加熱し、これにより排気ガスを加熱して触媒を加熱している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の排気浄化装置では、流入排気ガスの空燃比をストイキまたはリッチにしてＳＯｘ放出処理を実行中に、排気ガス中のＨＣやＣＯが触媒を素通りした場合にはそのまま大気に放出される虞れがあり、フェールセーフという点で不十分であった。
【００１０】
このように、排気管→排気ガス→触媒という熱伝達ルートで触媒を加熱したのでは、触媒を迅速に昇温することが困難であり、ＳＯｘ放出処理初期におけるＳＯｘ放出の効率が悪かった。
【００１１】
また、従来の排気浄化装置は触媒の容量が大きく、そのため触媒の熱容量が大きくなって、短時間で触媒全体を加熱するのが困難であり、これもＳＯｘ放出処理初期のＳＯｘ放出効率を低くする一因になっていた。
【００１２】
かといって、触媒の熱容量を小さくするために触媒の容量を小さくすると、流入排気ガスの空燃比をストイキまたはリッチにしてＳＯｘ放出処理を実行した際に、排気ガス中のＨＣやＣＯが触媒を素通りして大気を汚染する虞れがあるので、ただ単に触媒の容量を少量化することはできない。
【００１３】
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、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒からのＳＯｘ放出を効率的に実施でき、また、フェールセーフにも優れた内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【００１４】
【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。本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、（イ）希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に配置され、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯxを吸収し流入する排気ガスの酸素濃度が低いときに吸収したＮＯxを放出・還元し、一体化された加熱手段を有する吸蔵還元型ＮＯx触媒と、（ロ）前記吸蔵還元型ＮＯx触媒よりも下流の前記排気通路に配置された三元触媒と、を備え、前記吸蔵還元型ＮＯ x 触媒の容量は、前記内燃機関の排気量の２０％以下であるとともに、前記吸蔵還元型ＮＯ x 触媒の触媒担持率は、通常の触媒担持率の２倍から８倍の担持率であることを特徴とする。
【００１５】
吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸収し、流入する排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯｘを放出し、Ｎ_２に還元する触媒であるが、この吸蔵還元型ＮＯｘ触媒はＮＯｘを吸放出するのと同じようにＳＯｘの吸放出作用がある。吸蔵還元型ＮＯｘ触媒にＳＯｘが吸収され蓄積されると、ＮＯｘ吸収容量が減少し、ＮＯｘ浄化効率が低下するので、所定の時期にＳＯｘ放出処理を実行する必要がある。本発明の排気浄化装置では、ＳＯｘ放出処理を実行する際に、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に設けられた加熱手段を作動させることによって吸蔵還元型ＮＯｘ触媒をＳＯｘ放出に必要な温度まで加熱することができる。
【００１６】
加熱手段は吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に一体化されているので、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を直接的に加熱することができる。したがって、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒をＳＯｘ放出温度に迅速に昇温することができ、ＳＯｘの放出が極めて効率的に行われる。
【００１７】
また、ＳＯｘ放出処理は排気ガスの空燃比をストイキまたは僅かにリッチ（スライトリッチ）にして実行するが、ＳＯｘ放出処理実行中に排気ガス中のＨＣ，ＣＯが吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を素通りしてしまった場合にも、このＨＣ，ＣＯは吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の下流に配置された三元触媒によって浄化される。
【００１８】
排気ガスの空燃比とは、機関吸気通路及び吸蔵還元型ＮＯｘ触媒よりも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）の比をいう。
本発明における希薄燃焼可能な内燃機関としては、筒内直接噴射式のリーンバーンガソリンエンジンやディーゼルエンジンを例示することができる。
【００１９】
吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）がコーティングされたメタル担体を備え、このメタル担体のアルミナに例えばカリウム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なくとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されてなる。
【００２０】
吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に一体化された加熱手段とは、前記メタル担体の一部あるいは全体を、通電すると発熱する電気発熱体で構成してもよいし、触媒の坦持されていないメタル部に電気発熱体を埋め込んで一体化した構成にしてもよい。
【００２１】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、前記吸蔵還元型ＮＯx触媒は小容量で且つ触媒が高坦持されている。これは、吸蔵還元型ＮＯx触媒を小容量とすることにより熱容量を小さくすることができ、吸蔵還元型ＮＯx触媒をより迅速に昇温することができるからである。また、触媒を高坦持にするのは、小容量化してもＮＯx浄化効率を低下させないようにするためである。前記吸蔵還元型ＮＯx触媒の容量は内燃機関の排気量の２０％以下とすることができ、排気量の５％程度まで小容量化は実現可能と思われる。前記「高坦持」とは、通常の触媒坦持率の２〜８倍程度をいう。
【００２２】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、（ハ）前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の上流の排気通路と前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒から三元触媒の間の排気通路とを接続して排気ガスを吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を迂回して流すバイパス通路と、（ニ）前記バイパス通路を流れる排気ガスの流量を制御するバイパス流量制御手段と、を備えることができる。
【００２３】
このように構成した場合には、ＳＯｘ放出処理を実行するときに、バイパス流量制御手段を作動させることによりバイパス通路に所定流量の排気ガスが流れるようにし、これにより吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流れる排気ガス流量を減少させる。これによって、内燃機関から排出される排気ガスの流量を減少させずに吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流れる排気ガス流量を減少させることができ、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の昇温を促進することができる。前記バイパス流量制御手段は流量制御弁で構成することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の実施の形態を図１から図４の図面に基いて説明する。
【００２５】
〔第１の実施の形態〕
図１は、内燃機関としての車両駆動用の筒内直接噴射式ディーゼルエンジンの排気浄化装置の概略構成を示す図である。この図において、エンジン１は直列４気筒であり、吸気管２及び吸気マニホルド３を介して各気筒に吸気が供給される。
【００２６】
燃料タンク４の燃料（軽油）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てコモンレール６に供給される。エンジンコントロール用電子制御ユニット（ＥＣＵ）５０は、コモンレール６内の燃料圧力がエンジン１の運転状態に応じて所定圧力値となるように、燃料供給ポンプ５の運転を制御する。
【００２７】
また、エンジン１には、コモンレール６から供給される燃料を各気筒内に噴射する燃料噴射弁７が設けられており、燃料噴射弁７の開弁時期及び開弁期間は、エンジン１の運転状態に応じてＥＣＵ５０によって制御される。
【００２８】
各気筒の燃焼室には、各気筒における圧縮上死点近傍において対応する燃料噴射弁７から燃料が主噴射され、この燃料の爆発によって生じた排気が排気マニホールド８を介して排気管９に排出される。
【００２９】
また、このエンジン１においては、所定の時期に、所定の気筒の膨張行程あるいは排気行程において対応する気筒の燃料噴射弁７から気筒内に燃料が副噴射されるようになっている。副噴射された燃料のＨＣ成分は、爆発行程の熱により軽質なＨＣに改質されて、排気と共に排気マニホールド８を介して排気管９に排出され、後述する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒２１に供給される。
【００３０】
排気管９の途中には、内部に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＮＯｘ触媒と略す）２１を収容した第１触媒コンバータ２０と、内部に三元触媒３１を収容した第２触媒コンバータ３０が設置されている。
【００３１】
第１触媒コンバータ２０のＮＯｘ触媒２１は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）がコーティングされたメタル担体を備え、このメタル担体のアルミナに例えばカリウム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なくとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されてなる。
【００３２】
この第１触媒コンバータ２０は通常のものよりも小型で、通常よりも触媒が高坦持されている。この小型、高坦持について数値を挙げて説明すると以下の通りである。従来は、例えば総排気量２０００ｃｃのエンジンの場合、ＮＯｘ触媒（吸蔵還元型ＮＯｘ触媒）の容量はエンジンの総排気量とほぼ同じ約２０００ｃｃを必要とし、触媒の坦持率は、例えばＰｔ／Ｂａ触媒の場合であれば、Ｐｔは１〜２ｇ／ｌ、Ｂａは０．１〜０．２モル／ｌ程度である。これに対して、本実施の形態の第１触媒コンバータ２０では、ＮＯｘ触媒２１の容量は前記通常容量の約２０％、即ち４００ｃｃであり、触媒坦持率は前記通常の坦持率の約５倍、即ちＰｔは５〜１０ｇ／ｌであり、Ｂａは０．５〜１．０モル／ｌである。第１触媒コンバータ２０はＮＯｘ触媒２１の容量を小型にしたことによって、その熱容量も小さくなる。
【００３３】
ＮＯｘ触媒２１のメタル担体はヒータ機能を備えており、電流を流すと発熱し、ＮＯｘ触媒２１を加熱する。つまり、このＮＯｘ触媒２１は加熱手段が一体化されている触媒である。ＮＯｘ触媒２１のメタル担体はヒータ駆動回路１０に電気的に接続されており、このヒータ駆動回路１０はＥＣＵ５０からの指令信号によってＯＮ／ＯＦＦ制御され、これによりメタル担体からなるヒータがＯＮ／ＯＦＦ制御されるようになっている。
【００３４】
また、第１触媒コンバータ２０にはＮＯｘ触媒２１の温度に対応した出力信号をＥＣＵ５０に出力する触媒温度センサ１１が取り付けられている。
尚、ＮＯｘ触媒２１の作用（ＮＯｘの吸放出作用およびＳＯｘの吸放出作用）については後で詳述する。
【００３５】
ＥＣＵ５０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）、ＲＡＭ（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１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、第１触媒コンバータ２０のＳＯｘ放出処理制御等を行っている。
【００３６】
これら制御のために、ＥＣＵ５０の入力ポートには、アクセル開度センサ１４からの入力信号と、クランク角センサ１５からの入力信号が入力される。アクセル開度センサ１４はアクセル開度に比例した出力電圧をＥＣＵ５０に出力し、ＥＣＵ５０はアクセル開度センサ１４の出力信号に基づいてエンジン負荷を演算する。クランク角センサ１５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ＥＣＵ５０に出力し、ＥＣＵ５０はこの出力パルスに基づいてエンジン回転速度を演算する。これらエンジン負荷とエンジン回転速度によってエンジン運転状態が判別される。
【００３７】
第１触媒コンバータ２０に収容されているＮＯｘ触媒２１、即ち吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、流入排気の空燃比（以下、排気空燃比と称す）がリーンのときはＮＯｘを吸収し、流入排気の空燃比がストイキまたはリッチで排気中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘの吸放出作用を行う。尚、排気空燃比とは、ここではＮＯｘ触媒２１の上流側の排気通路やエンジン燃焼室、吸気通路等にそれぞれ供給された空気量の合計と燃料（炭化水素）の合計の比を意味するものとする。したがって、ＮＯｘ触媒２１よりも上流の排気通路内に燃料、還元剤あるいは空気が供給されない場合には、排気空燃比はエンジン燃焼室内に供給される混合気の空燃比に一致する。
【００３８】
ＮＯｘ触媒２１の吸放出作用の詳細なメカニズムについては明かでない部分もあるが、図２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ている。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。
【００３９】
即ち、流入排気ガスの空燃比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２（Ａ）に示されるように酸素Ｏ_２がＯ_２ ⁻又はＯ^２−の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、流入排気ガスに含まれるＮＯは、白金Ｐｔの表面上でＯ_２ ⁻又はＯ^２−と反応し、ＮＯ_２となる（２ＮＯ＋Ｏ_２→２ＮＯ_２）。
【００４０】
次いで、生成されたＮＯ_２は、白金Ｐｔ上で酸化されつつＮＯｘ触媒２１内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら、図２（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ_３ ⁻の形でＮＯｘ触媒２１内に拡散する。このようにしてＮＯｘがＮＯｘ触媒２１内に吸収される。
【００４１】
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_２が生成され、ＮＯｘ触媒２１のＮＯｘ吸収能力が飽和しない限り、ＮＯ_２がＮＯｘ触媒２１内に吸収されて硝酸イオンＮＯ_３ ⁻が生成される。
【００４２】
これに対して、排気空燃比がリッチまたはストイキになると流入排気ガス中の酸素濃度が低下するため、ＮＯ_２の生成量が低下し、反応が逆方向（ＮＯ_３ ⁻→ＮＯ_２）に進み、ＮＯｘ触媒２１内の硝酸イオンＮＯ_３ ⁻がＮＯ_２またはＮＯの形でＮＯｘ触媒２１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触媒２１からＮＯｘが放出されることになる。
【００４３】
一方、このとき、排気ガス中のＨＣ，ＣＯは、白金Ｐｔ上の酸素Ｏ_２ ⁻又はＯ^２−と反応して酸化せしめられる。また、流入排気ガス中の酸素濃度の低下によりＮＯｘ触媒２１から放出されたＮＯ_２またはＮＯは、図２（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てＮ_２となる。
【００４４】
即ち、流入排気ガス中のＨＣ，ＣＯは、まず白金Ｐｔ上の酸素Ｏ_２ ⁻又はＯ^２−とただちに反応して酸化せしめられ、次いで白金Ｐｔ上の酸素Ｏ_２ ⁻又はＯ^２−が消費されてもまだＨＣ，ＣＯが残っていれば、このＨＣ，ＣＯによってＮＯｘ触媒から放出されたＮＯｘおよびエンジンから排出されたＮＯｘがＮ_２に還元される。
【００４５】
このようにして白金Ｐｔの表面上にＮＯ_２またはＮＯが存在しなくなると、ＮＯｘ触媒２１から次から次へとＮＯ_２またはＮＯが放出され、さらにＮ_２に還元せしめられる。したがって、排気空燃比をストイキまたはリッチにすると短時間のうちにＮＯｘ触媒２１からＮＯｘが放出され、Ｎ_２に還元される。
【００４６】
このように、排気空燃比がリーンになるとＮＯｘがＮＯｘ触媒２１に吸収され、排気空燃比をストイキあるいはリッチにするとＮＯｘがＮＯｘ触媒２１から短時間のうちに放出され、Ｎ_２に還元される。したがって、大気中へのＮＯｘの排出を阻止することができる。
【００４７】
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ＮＯｘ触媒２１に流入する排気の空燃比は非常にリーンであり、排気中のＮＯｘはＮＯｘ触媒２１に吸収され、ＮＯｘ触媒２１から放出されるＮＯｘ量は極めて少ない。
【００４８】
また、ガソリンエンジンの場合には、燃焼室に供給する混合気をストイキまたはリッチにすることにより排気ガスの空燃比をストイキまたはリッチにし、排気ガス中の酸素濃度を低下させて、ＮＯｘ触媒２１に吸収されているＮＯｘを放出させることができるが、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ストイキまたは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。
【００４９】
したがって、ディーゼルエンジンでは、ＮＯｘ触媒２１のＮＯｘ吸収能力が飽和する前に所定のタイミングで、燃焼用の混合気とは別に還元剤としての燃料を直接、ＮＯｘ触媒２１に供給してＮＯｘの放出を行う必要がある。そのため、この実施の形態では、ＮＯｘ触媒２１からＮＯｘの放出を行うときには、エンジン１の膨張行程あるいは排気行程において気筒内に燃料を副噴射することにより、ＮＯｘ触媒２１に流入する排気の空燃比をストイキまたはリッチにする。
【００５０】
一方、燃料には硫黄（Ｓ）が含まれており、燃料中の硫黄が燃焼するとＳＯ_２やＳＯ_３などの硫黄酸化物（ＳＯｘ）が発生し、ＮＯｘ触媒２１は排気ガス中のこれらＳＯｘも吸収する。ＮＯｘ触媒２１のＳＯｘ吸収メカニズムはＮＯｘ吸収メカニズムと同じであると考えられる。即ち、ＮＯｘの吸収メカニズムを説明したときと同様に担体上に白金ＰｔおよびバリウムＢａを坦持させた場合を例にとって説明すると、前述したように、排気空燃比がリーンのときには、酸素Ｏ_２がＯ_２ ⁻又はＯ^２−の形でＮＯｘ触媒２１の白金Ｐｔの表面に付着しており、流入排気ガス中のＳＯｘ（例えばＳＯ_２）は白金Ｐｔの表面上で酸化されてＳＯ_３となる。
【００５１】
その後、生成されたＳＯ_３は、白金Ｐｔの表面で更に酸化されながらＮＯｘ触媒２１内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合し、硫酸イオンＳＯ_４ ^２−の形でＮＯｘ触媒２１内に拡散し硫酸塩ＢａＳＯ_４を形成する。ＢａＳＯ_４は結晶が粗大化し易く、比較的安定し易いため、一旦生成されると分解放出されにくい。このため、時間の経過とともにＮＯｘ触媒２１中のＢａＳＯ_４の生成量が増大するとＮＯｘの吸収に関与できるＢａＯの量が減少してＮＯｘ吸収能力が低下してしまう。これが即ちＳＯｘ被毒である。したがって、ＮＯｘ触媒２１のＮＯｘ吸収能力を高く維持するためには、適宜のタイミングでＮＯｘ触媒２１に吸収されたＳＯｘを放出させる必要がある。
【００５２】
このＮＯｘ触媒２１からＳＯｘを放出させるには、ＮＯｘを放出させる場合と同様に排気ガスの酸素濃度を低下させればよいことが分かっており、また、ＮＯｘ触媒２１の温度が高いほど放出し易いことが分かっている。
【００５３】
そこで、この実施の形態では、ＮＯｘ触媒２１に所定量のＳＯｘが吸収された時にＳＯｘ放出処理を実行することとし、そのＳＯｘ放出処理は、ＮＯｘ放出処理のときと同様に、エンジン１の膨張行程あるいは排気行程において気筒内に燃料を副噴射することにより、ＮＯｘ触媒２１に流入する排気ガスの空燃比をストイキまたはリッチに制御し、これと同時に、ＮＯｘ触媒２１のメタル担体に電流を流して発熱させることによりＮＯｘ触媒２１をＳＯｘ放出可能な所定温度まで昇温することとした。
【００５４】
次に、本実施の形態における排気浄化装置の作用について説明する。
＜ＮＯｘ吸放出処理＞
初めに、第１触媒コンバータ２０のＮＯｘ触媒２１によるＮＯｘの吸放出処理について説明する。
前述したように、エンジン１はディーゼルエンジンのため通常の運転状態では排気ガスの空燃比はリーンであり酸素濃度が非常に高い。したがって、この排気ガスを第１触媒コンバータ２０のＮＯｘ触媒２１に流すと、排気ガス中のＮＯｘはＮＯｘ触媒２１に吸収される。
【００５５】
尚、排気ガスの空燃比がリーンのときには第２触媒コンバータ３０の三元触媒３１は殆ど触媒として機能せず、第１触媒コンバータ２０でＮＯｘを除去された排気ガスは第２触媒コンバータ３０をほぼ素通りするだけである。
【００５６】
ここで、この実施の形態では、排気ガス中のＮＯｘをＮＯｘ触媒２１で吸収するときには、ＥＣＵ５０は、燃料噴射弁７を、主噴射のみ実行し副噴射を実行しないように制御する。
【００５７】
空燃比リーンの排気ガスを第１触媒コンバータ２０に流していると、ＮＯｘ触媒２１に吸収されたＮＯｘ量が増大し、そのまま続行しているとＮＯｘ吸収能力が飽和してしまう。そこで、ＮＯｘ触媒２１のＮＯｘ吸収能力が飽和する前の所定の時期に、第１触媒コンバータ２０に対してＮＯｘの放出処理を実行する。ここで、ＮＯｘ放出処理を実行する所定の時期としては、例えば、ＥＣＵ５０によりエンジン１の運転時間を積算し、この積算時間が所定時間に達した時としてもよいし、ＥＣＵ５０によりエンジン１の運転状態の履歴からＮＯｘ吸収量を推定し、この推定吸収量が所定量に達した時としてもよい。
【００５８】
ＮＯｘ放出処理を実行するときには、ＥＣＵ５０は、燃料噴射弁７を、主噴射と副噴射の両方を実行するように制御し、副噴射における燃料噴射弁７の開弁時期及び開弁期間、副噴射の回数等を制御する。
膨張行程あるいは排気行程で燃料を副噴射することによって排気ガスの空燃比をストイキまたは僅かにリッチ（スライトリッチ）に制御し、このストイキまたはスライトリッチの空燃比の排気ガスを第１触媒コンバータ２０に流すことによって、ＮＯｘ触媒２１に吸収されていたＮＯｘを放出し、還元して、Ｎ_２として大気に排出する。
【００５９】
第１触媒コンバータ２０のＮＯｘ触媒２１の容量が小さいため、ＮＯｘ放出処理の実行中、ＨＣやＣＯなどの還元剤が第１触媒コンバータ２０を通過した排気ガス中に残存する虞れがあるが、この排気ガス中の還元剤は第２触媒コンバータ３０を通過する際に三元触媒３１に吸着されている酸素により酸化せしめられ、Ｈ_２０やＣＯ_２に浄化される。
【００６０】
＜ＳＯｘ放出処理＞
次に、第１触媒コンバータ２０のＮＯｘ触媒２１に対するＳＯｘ放出処理について、図３に示すフローチャートを参照して説明する。このフローチャートはＥＣＵ５０のＲＯＭに記憶してあり、フローチャートの各ステップにおける処理は総てＥＣＵ５０のＣＰＵによって実行される。
【００６１】
＜ステップ１０１＞
まず、ＥＣＵ５０は、ステップ１０１において、前述したＮＯｘ吸放出処理の実行中に、前回のＳＯｘ放出処理完了後から現時点までの当該車両の走行距離を積算する。
【００６２】
＜ステップ１０２＞
次に、ＥＣＵ５０は、ステップ１０２に進んで、ステップ１０１で求めた走行距離積算値Ｄが判定値（判定基準）Ｄ_０を越えたか否かを判定する。
機関本体１から排出される排気ガス中に含まれるＳＯｘは、燃料中の硫黄（Ｓ）分が燃焼して生じたものであり、また、ＮＯｘ触媒２１に吸収されているＳＯｘ量は、機関本体１での燃焼で消費された燃料量と相関がある。したがって、燃料消費量の積算値に基づいてＮＯｘ触媒２１に吸収されているＳＯｘ量を算出することができ、燃料消費量積算値が所定量のＳＯｘ吸収量に相当する値に達したときをＳＯｘ放出時期であるとすることも可能であるが、燃料消費量と走行距離との間にも相関があることから、この実施の形態では燃料消費量の積算に代えて走行距離を積算することとし、その走行距離の積算値が所定量のＳＯｘ吸収量に相当する値（判定値Ｄ_０）を越えたときにＳＯｘを放出すべき時期であると判定し、越えていないときにはＳＯｘを放出すべき時期ではないと判定することとした。
【００６３】
ＥＣＵ５０による一連の信号処理のうちステップ１０２を実行する部分は、ＮＯｘ触媒（ＮＯｘ吸収剤）からＳＯｘを放出すべき時期か否かを判定するＳＯｘ放出時期判定手段ということができる。
ステップ１０２で肯定判定した場合にはステップ１０３に進み、否定判定した場合にはステップ１０５に進む。
【００６４】
＜ステップ１０３＞
ＥＣＵ５０は、ステップ１０３において、ＮＯｘ触媒２１に対してＳＯｘ放出処理を実行する。ＳＯｘ放出処理は、燃料の副噴射による排気ガスの空燃比制御と、ＮＯｘ触媒２１の温度制御により実行する。尚、ＳＯｘ放出処理の実行中は、ＥＣＵ５０は、主噴射と副噴射の両方を実行するように燃料噴射弁７を作動制御する。
【００６５】
副噴射制御については、第１触媒コンバータ２０に流入する排気ガスの空燃比がストイキまたはスライトリッチになるように、ＥＣＵ５０は、燃料噴射弁７の開弁時期及び開弁期間、副噴射の回数等を制御する。
【００６６】
また、ＮＯｘ触媒２１の温度制御については、ＥＣＵ５０は、触媒温度センサ１１によりＮＯｘ触媒２１の温度を検出し、ＮＯｘ触媒２１の温度が設定温度以上か否かを判定し、設定温度未満と判定されたときにはヒータ駆動回路１０をＯＮして、ＮＯｘ触媒２１のメタル担体に通電してメタル担体を発熱させ、ＮＯｘ触媒２１を昇温し、設定温度以上と判定されたときにはヒータ駆動回路１０をＯＦＦにする。これによって、ＳＯｘ放出処理の間、ＮＯｘ触媒２１の温度が設定温度以上に保持されるように制御する。尚、前記設定温度は、硫酸塩の分解温度以上とし、好ましくはＮＯｘ触媒２１が高温劣化しにくい所定温度とする（例えば６００〜７５０゜Ｃ）。
【００６７】
第１触媒コンバータ２０は小型で熱容量が小さいので、ＮＯｘ触媒２１の昇温が迅速に行われ、ＳＯｘ放出処理を開始すると直ぐにＮＯｘ触媒２１の温度を前記設定温度にすることができる。
【００６８】
また、ＥＣＵ５０は、ＮＯｘ触媒２１の昇温を迅速に行わしめるために、吸入空気量の減少制御を実行する。ＮＯｘ触媒２１を流れる排気ガス流量が多いと、ＮＯｘ触媒２１を昇温させるのに長い時間がかかるからである。
【００６９】
上述のように排気ガスの空燃比制御とＮＯｘ触媒２１の温度制御を実行することにより、酸素濃度の低いストイキあるいはスライトリッチの排気ガスが、設定温度以上に制御されたＮＯｘ触媒２１に流れ、これにより、ＮＯｘ触媒２１に吸収されていた硫酸塩が効率的に分解してＳＯ_３となり、さらにこのＳＯ_３が排気ガス中の未燃ＨＣ、ＣＯによって還元せしめられ、ＳＯ_２となって放出される。
【００７０】
第１触媒コンバータ２０のＮＯｘ触媒２１の容量が小さいため、ＳＯｘ放出処理の実行中、ＨＣやＣＯなどの還元剤が第１触媒コンバータ２０を通過した排気ガス中に残存する虞れがあるが、この排気ガス中の還元剤は第２触媒コンバータ３０を通過する際に三元触媒３１に吸着されている酸素により酸化せしめられ、Ｈ_２０やＣＯ_２に浄化される。
【００７１】
＜ステップ１０４＞
ＥＣＵ５０は、ステップ１０３からステップ１０４に進んで、ＮＯｘ触媒２１からのＳＯｘ放出が完了したか否かを判定する。ＳＯｘ放出が完了したか否かの判定は、ＳＯｘ放出処理の実行が所定時間だけ行われたか否かで判定する。
【００７２】
判定値である前記「所定の時間」は、ステップ１０２におけるＳＯｘ放出時期の判定値Ｄ_０の大小によって、あるいはＮＯｘ触媒２１の温度制御における設定温度の大小によって異なり、予め実験によって最適時間を求め、これをＥＣＵ５０のＲＯＭに記憶しておく。
【００７３】
そして、ＳＯｘ放出処理の実行時間が所定時間に達するまでは、ステップ１０４で否定判定され、ステップ１０３のＳＯｘ放出処理の実行を継続する。ＳＯｘ放出処理の実行時間が所定時間を超えたときには、ＥＣＵ５０は、ステップ１０４で肯定判定（ＳＯｘ放出完了の判定）し、ステップ１０５に進む。
【００７４】
＜ステップ１０５＞
ＥＣＵ５０は、ステップ１０５において、ＳＯｘ放出処理の実行を停止する。即ち、燃料の副噴射を停止して排気ガスの空燃比制御を停止し、ヒータ駆動回路１０をＯＦＦ、吸入空気量の減少制御を停止してＮＯｘ触媒２１の温度制御を停止し、ＮＯｘ吸放出処理時における排気ガスの空燃比制御を実行する。
【００７５】
以上説明したように、この実施の形態によれば、ＮＯｘ触媒２１に対するＳＯｘ放出処理が最適なタイミングで実行され、しかも、第１触媒コンバータ２０を小型にし熱容量を小さくしたことにより、ＳＯｘ放出処理開始して直ぐにＮＯｘ触媒２１をＳＯｘ放出に必要な温度まで昇温することができ、極めて効率的にＳＯｘを放出することができるので、ＮＯｘ触媒２１のＮＯｘ浄化率を常に高い状態に維持することができる。
【００７６】
また、第１触媒コンバータ２０を小型にしたため、ＮＯｘ放出処理時やＳＯｘ放出処理時に排気ガス中のＨＣやＣＯがＮＯｘ触媒２１で消費されずに第１触媒コンバータ２０を通過する虞れがあるが、第１触媒コンバータ２０の下流に三元触媒３１を収容した第２触媒コンバータ３０が配置されているので、第１触媒コンバータ２０を通過したＨＣやＣＯも第２触媒コンバータ３０の三元触媒３１に吸着されている酸素により酸化し浄化することができ、ＨＣ，ＣＯによる大気汚染を防止することができる。
【００７７】
〔第２の実施の形態〕
図４は本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第２の実施の形態における構成図である。
この第２の実施の形態は、以下の点で第１の実施の形態と相違する。排気管９には、第１触媒コンバータ２０の上流と、第１触媒コンバータ２０の下流から第２触媒コンバータ３０の上流の間とを接続して第１触媒コンバータ２０を迂回するバイパス管（バイパス通路）１２が連結されており、バイパス管１２の途中にバイパス流量制御弁（バイパス流量制御手段）１３が設けられている。このバイパス流量制御弁１３はその駆動部１６により弁体（図示せず）を駆動して弁開度を調節することができ、バイパス管１２を流れる排気ガスの流量を制御する。バイパス流量制御弁１３の駆動部１６はＥＣＵ５０によって作動を制御される。その他の構成については第１の実施の形態と同じであるので、図中、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００７８】
次に、第２の実施の形態の作用を説明する。第１の実施の形態では、ＳＯｘ放出処理の実行にあたりＮＯｘ触媒２１の温度制御において温度上昇を迅速にするために吸入空気量の減少制御を実行しているが、この第２の実施の形態では、吸入空気量の減少制御を行う代わりに、排気ガスの一部をバイパス管１２に流すことにより第１触媒コンバータ２０に流れる排気ガスの流量を減少させ、ＮＯｘ触媒２１の昇温を促進するようにしている。
【００７９】
図３におけるフローチャートのステップ１０３において、ＥＣＵ５０は、燃料の副噴射による排気ガスの空燃比制御とＮＯｘ触媒２１の温度制御によりＳＯｘ放出処理を実行するが、ＮＯｘ触媒２１の温度制御は、ＮＯｘ触媒２１のメタル担体に通電してメタル担体を発熱させるとともに、バイパス流量制御弁１３の駆動部１６を駆動して弁体を所定の開度で開弁し、バイパス管１２に所定流量の排気ガスを流すことで第１触媒コンバータ２０に流れる排気ガスの流量を減少させることにより実行する。バイパス流量制御弁１３の開度をどの程度にするかは、第１触媒コンバータ２０に流す排気ガス流量に応じて予め設定される。
尚、バイパス管１２を流れる排気ガス中に含まれるＨＣやＣＯは第２触媒コンバータ３０の三元触媒３１に吸着されている酸素により酸化せしめられ、Ｈ_２０やＣＯ_２に浄化される。
【００８０】
そして、ＥＣＵ５０は、ステップ１０４でＳＯｘ放出が完了したと判定し、ステップ１０５においてＳＯｘ放出処理の実行を停止する場合には、燃料の副噴射を停止して排気ガスの空燃比制御を停止し、ヒータ駆動回路１０をＯＦＦ、バイパス流量制御弁１３を全閉にしてＮＯｘ触媒２１の温度制御を停止し、ＮＯｘ吸放出処理時における排気ガスの空燃比制御を実行する。したがって、ＮＯｘ吸放出処理時にはバイパス管１２に排気ガスは流れない。
【００８１】
尚、上述の第２の実施の形態では、吸入空気量の減少制御を行う代わりに、バイパス流量制御弁１３によるバイパス流量制御を行うことによって第１触媒コンバータ２０に流れる排気ガスの流量を減少させるようにしているが、吸入空気量の減少制御とバイパス流量制御弁１３によるバイパス流量制御を併用して第１触媒コンバータ２０に流れる排気ガスの流量を減少させＮＯｘ触媒２１の昇温を促進することも可能である。
【００８２】
なお、前述した実施の形態では本発明をディーゼルエンジンに適用した例で説明したが、本発明を希薄燃焼可能なガソリンエンジンに適用することもできる。ガソリンエンジンの場合には、燃焼室に供給する混合気をストイキあるいはリッチにすることにより排気空燃比をストイキあるいはリッチにし、排気ガス中の酸素濃度を低下させて、ＮＯｘ触媒２１に吸収されているＮＯｘやＳＯｘを放出させることができる。
【００８３】
また、本発明をガソリンエンジンに適用した場合には、ＮＯｘ触媒２１の温度上昇を促進するために、膨張行程において燃料を副噴射したり、あるいは多気筒エンジンであれば一部の気筒に対して混合気をリッチ空燃比にするいわゆるバンク制御を行うなどして、排気ガス中の還元剤量を増量し、この還元剤をＮＯｘ触媒２１において酸化せしめ、その反応熱によってＮＯｘ触媒２１の昇温を促進することもできる。
【００８４】
【発明の効果】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、（イ）希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に配置され、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸収し流入する排気ガスの酸素濃度が低いときに吸収したＮＯｘを放出・還元し、一体化された加熱手段を有する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、（ロ）前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒よりも下流の前記排気通路に配置された三元触媒と、を備えることにより、ＳＯｘ放出処理を開始して直ぐに吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸収されたＳＯｘを効率よく放出させることができ、ＳＯｘ放出効率が向上するという優れた効果が奏される。また、排気ガス中のＨＣ，ＣＯが吸蔵還元型ＮＯｘ触媒をそのまま通過した場合であっても、そのＨＣ，ＣＯは下流の三元触媒で浄化されるので、大気への放出を阻止することができるという優れた効果が奏される。
【００８５】
前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を小容量で且つ高坦持とした場合には、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒をより迅速に昇温することができて、さらにＳＯｘ放出効率が向上する。
また、（ハ）前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の上流の排気通路と前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒から三元触媒の間の排気通路とを接続して排気ガスを吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を迂回して流すバイパス通路と、（ニ）前記バイパス通路を流れる排気ガスの流量を制御するバイパス流量制御手段と、を備えた場合には、ＳＯｘ放出処理実行中に、内燃機関から排出される排気ガスの流量を減少させることなく吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流れる排気ガス流量を低減することができ、これによって吸蔵還元型ＮＯｘ触媒をより迅速に昇温することができ、さらにＳＯｘ放出効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第１の実施の形態の概略構成図である。
【図２】吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸放出作用を説明するための図である。
【図３】前記第１の実施の形態のＳＯｘ放出処理実行ルーチンである。
【図４】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第２の実施の形態の概略構成図である。
【符号の説明】
１ディーゼルエンジン（内燃機関）
７燃料噴射弁
９排気管（排気通路）
１２バイパス通路（バイパス管）
１３バイパス流量制御弁（バイパス流量制御手段）
２１吸蔵還元型ＮＯｘ触媒
３１三元触媒
５０ＥＣＵ

Claims

（イ）希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に配置され、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯxを吸収し流入する排気ガスの酸素濃度が低いときに吸収したＮＯxを放出・還元し、一体化された加熱手段を有する吸蔵還元型ＮＯx触媒と、（ロ）前記吸蔵還元型ＮＯx触媒よりも下流の前記排気通路に配置された三元触媒と、を備え、
前記吸蔵還元型ＮＯ x 触媒の容量は、前記内燃機関の排気量の２０％以下であるとともに、前記吸蔵還元型ＮＯ x 触媒の触媒担持率は、通常の触媒担持率の２倍から８倍の担持率であることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記吸蔵還元型ＮＯ x 触媒は、メタル担体を有し、
前記一体化された加熱手段は、電気を流すと発熱するヒータ機能を備えた該メタル担体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。
（ハ）前記吸蔵還元型ＮＯx触媒の上流の排気通路と前記吸蔵還元型ＮＯx触媒から三元触媒の間の排気通路とを接続して排気ガスを吸蔵還元型ＮＯx触媒を迂回して流すバイパス通路と、（ニ）前記バイパス通路を流れる排気ガスの流量を制御するバイパス流量制御手段と、を備え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。