JP4417878B2

JP4417878B2 - 排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システム

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Publication number: JP4417878B2
Application number: JP2005142389A
Authority: JP
Inventors: 大治長岡; 我部　　正志
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2005-05-16
Filing date: 2005-05-16
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2025-05-16
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Description

本発明は、内燃機関の排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を還元して浄化するＮＯｘ浄化触媒を備えた排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システムに関する。

ディーゼルエンジンや一部のガソリンエンジン等の内燃機関や様々な燃焼装置の排気ガス中からＮＯｘを還元除去するためのＮＯｘ触媒について種々の研究や提案がなされている。その中に、ディーゼルエンジン用のＮＯｘ低減触媒としてＮＯｘ吸蔵還元型触媒やＮＯｘ直接還元型触媒等があり、有効に排気ガス中のＮＯｘを浄化できる。

このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ゼオライト等の酸化物担持層に、酸化・還元反応を促進する触媒貴金属と、ＮＯｘ吸蔵機能を有するＮＯｘ吸蔵材（ＮＯｘ吸蔵物質）を担持した触媒である。この触媒貴金属としては、白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）等が用いられ、ＮＯｘ吸蔵材には、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃｅ）等のアルカリ金属、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）等のアルカリ土類金属、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）等の希土類等の中の幾つかが用いられる。

このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、流入する排気ガスの空燃比がリーン（酸素過多）状態であって雰囲気中にＯ₂（酸素）が存在する場合には、排気ガス中の一酸化窒素（ＮＯ）が貴金属類により酸化されて二酸化窒素（ＮＯ₂）となり、この二酸化窒素はＮＯｘ吸蔵材に硝酸塩（Ｂａ₂ＮＯ₄等）として蓄積される。

また、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比やリッチ（低酸素濃度）状態になって雰囲気中に酸素が存在しなくなると、バリウム等のＮＯｘ吸蔵材は一酸化炭素（ＣＯ）と結合し、硝酸塩から二酸化窒素が分解放出され、この放出された二酸化窒素は貴金属類の三元機能により排気ガス中に含まれている未燃炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等で還元され窒素（Ｎ₂）となり、排気ガス中の諸成分は、二酸化炭素（ＣＯ₂），水（Ｈ₂Ｏ），窒素（Ｎ₂）等の無害な物質として大気中に放出される。

このＮＯｘ吸蔵還元型触媒を備えた排気ガス浄化システムでは、ＮＯｘ吸蔵物質が殆ど硝酸塩に変化するとＮＯｘ吸蔵能力が飽和してしまうので、ＮＯｘ吸蔵能力が飽和に近くなると、吸蔵されたＮＯｘを放出させて触媒を再生するために、理論空燃比より、燃料を多くして排気ガスの空燃比をリッチにして、流入する排気ガスの酸素濃度を低下させて還元組成排気ガスを触媒に供給する必要がある。このＮＯｘ吸蔵能力回復用のリッチ制御を行うことにより吸収したＮＯｘを放出させて、この放出されたＮＯｘを貴金属触媒により還元させる再生操作を行っている。

そして、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を効果的に機能させるためには、リーン状態で吸蔵したＮＯｘを還元するのに必要十分な量の還元剤をリッチ状態時に供給する必要がある。しかし、ディーゼル機関では、リッチの状態を燃料系のみで実現しようとすると、燃費が悪化するので、還元排気ガスを発生させるために、吸気を絞り弁で絞ると共に、ＥＧＲ弁を開いて、ＥＧＲガスを大量に供給し、吸気量を減少すると共に、リッチ深さを深くするため燃料を追加し、シリンダ内燃焼をリッチ燃焼に切り替えている（例えば、特許文献１参照。）。

一方、ＮＯｘ直接還元型触媒は、β型ゼオライト等の担体に触媒成分であるロジウム（Ｒｈ）やパラジウム（Ｐｄ）等の金属を担持させたものである。更に、金属の酸化作用を軽減し、ＮＯｘ還元能力の保持に寄与するセリウム（Ｃｅ）を配合したり、下層に三元触媒を設けて酸化還元反応、特にリッチ状態におけるＮＯｘの還元反応を促進するようにしたり、ＮＯｘの浄化率を向上させるために担体に鉄（Ｆｅ）を加える等しているものもある。

このＮＯｘ直接還元型触媒は、ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気ガスの空燃比が、リーン状態の排気ガスのような酸素濃度が高い雰囲気では、ＮＯｘを窒素（Ｎ₂）に直接還元するが、この還元の際に、触媒の活性物質である金属に酸素（Ｏ₂）が吸着して還元性能が悪化する。そのため、排気ガスの空燃比が理論空燃比やリッチ状態になるように、排気ガス中の酸素濃度を略ゼロに近い状態にして、触媒の活性物質を再生して活性化する必要がある。

そして、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒と同様に、通常のエンジン運転状態である排気ガスの空燃比が、リーン状態の場合にＮＯｘを浄化し、この浄化に際して酸化した触媒をリッチ状態の場合に還元して、ＮＯｘ浄化能力を回復する。

なお、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒やＮＯｘ直接還元型触媒等の排気ガス中の硫黄によってＮＯｘ浄化能力が低下する硫黄被毒からの回復に際しても、空燃比や触媒温度は多少異なるが、同様に、排気ガスをリッチ空燃比状態にする脱硫制御と呼ばれる再生制御が行われる。

このＮＯｘ吸蔵還元型触媒やＮＯｘ直接還元型触媒等のＮＯｘ浄化触媒のＮＯｘ浄化能力を回復するためのリッチ空燃比による再生制御においては、触媒に流入してくる排気ガスの空燃比を理論空燃比以下にする必要があるが、通常のディーゼル燃焼では酸素過多のリーン空燃比状態であるので、再生制御のために酸素が殆ど無いリッチ空燃比にするためには、吸気系リッチ制御と燃料系リッチ制御の両方が行われる。

この吸気系リッチ制御は、ＥＧＲ弁を開いてＥＧＲガスを吸入したり、吸気弁を絞ったりすることにより、新規空気量を減少する制御であり、燃料系リッチ制御は、シリンダ内噴射におけるポスト噴射や、排気管へ直接燃料を供給する排気管内噴射等による排気ガス中の燃料量を添加または増加する制御である。

このＮＯｘ浄化触媒の再生制御は、エンジンの運転状態がアイドリングや低速運転等の低回転・低負荷運転状態であるような排気ガス温度が低い低温域の場合には、ＮＯｘ浄化触媒の反応の速度が低下するため、再生に必要な時間が長くなる。その上、低温域での長時間のリッチ運転では、未燃炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、ＮＯｘ等がＮＯｘ浄化触媒の下流側に流出するスリップや、乗り心地性（ドライバビィリテー）や燃費の悪化等の弊害がある。

一方、本発明者らは、車両の減速時においては、内燃機関はトルクを発生する必要がなく、吸気系リッチ制御による吸気絞りや排気絞りを最大限に行って吸気量を最小にしても、乗り心地性の悪化につながらず、しかも、吸気量を著しく少なくできるので、排気ガスをリッチ空燃比状態にするために燃料系リッチ制御で必要な燃料量も著しく少なくなり、再生制御による燃費の悪化を抑制できるとの知見を得た。
特開平１０−３０４３０号公報特開平２０００−３２０３８６号公報（第１１頁コラム２０）

本発明は、上記の知見を得て、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、車両に搭載した内燃機関の排気ガスの空燃比をリッチ状態にして、ＮＯｘ浄化触媒のＮＯｘ浄化能力を回復する再生制御を、乗り心地性を悪化させることなく、しかも、再生制御に伴う燃費の悪化を抑制しながら行うことができる排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システムを提供することにある。

上記のような目的を達成するための排気ガス浄化方法は、車両搭載の内燃機関の排気ガスの空燃比が、リーン状態の場合にＮＯｘを浄化し、かつ、リッチ状態の場合にＮＯｘ浄化能力を回復するＮＯｘ吸蔵還元型触媒と、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の上流側に設けた酸化触媒と、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ浄化能力を回復するために排気ガスをリッチ空燃比状態にする再生制御を行う触媒再生制御手段とを備え、シリンダ内噴射におけるポスト噴射又は排気管へ直接燃料を噴射する排気管内噴射による排気ガス中の燃料を添加または増加する燃料系リッチ制御と、ＥＧＲ弁を開弁してＥＧＲ量を増加させると共に、吸気絞り弁と排気絞り弁を絞って排気ガスの空燃比を低下させる吸気系リッチ制御を併用する前記再生制御を行う排気ガス浄化システムにおいて、前記車両の減速時の前記再生制御の開始時に、前記吸気系リッチ制御を行い、前記酸化触媒の温度に対応する酸化触媒温度指標温度が前記酸化触媒が活性化する酸化触媒活性化温度未満である時は、前記再生制御を行う前に、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に流入する排気ガスの空燃比を空気過剰率換算で１．０２〜１．１にする、多段噴射を行う第１排気ガス昇温制御を行って、前記酸化触媒に流入する排気ガスを昇温させ、前記酸化触媒温度指標温度が前記酸化触媒活性化温度以上であり、かつ前記ＮＯｘ浄化触媒の温度に対応するＮＯｘ触媒温度指標温度が前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の回復が可能となる再生可能温度未満である場合に、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に流入する排気ガスの空燃比を空気過剰率換算で１．０１〜１．０２にする、ポスト噴射又は排気管内直接噴射を行う第２排気ガス昇温制御を行って、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に流入する排気ガスを昇温させ、前記第２の排気ガス昇温制御により前記ＮＯｘ触媒温度指標温度が前記再生可能温度以上になった後に、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に流入する排気ガスの空燃比を空気過剰率換算で０．９〜１．０１のリッチ空燃比にする前記再生制御を行い、前記再生制御が終了と判定されると、前記燃料系リッチ制御と前記吸気系リッチ制御を終了し、前記吸気絞り弁と前記排気絞り弁の絞りを終了することを特徴とする。

ここでいうＮＯｘ浄化触媒にはＮＯｘ吸蔵還元型触媒やＮＯｘ直接還元型触媒等があり、ＮＯｘ浄化能力の回復には、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力の回復や硫黄被毒からの回復、また、ＮＯｘ直接還元型触媒のＮＯｘ還元能力の回復や硫黄被毒からの回復等を含む。

また、ここでいう排気ガスの空燃比とは、必ずしもシリンダ内における空燃比を意味するものではなく、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気ガス中に供給した空気量と燃料量（シリンダ内で燃焼した分も含めて）との比のことをいう。なお、空燃比（＝空気量／燃料量）と空気過剰率との関係は、空気過剰率＝（空燃比／理論空燃比）となっている。

そして、この燃料系リッチ制御とは、多段噴射やポスト噴射等のシリンダ内燃料噴射や、酸化触媒と排気管内への燃料の直接噴射との組み合わせ等によって、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気ガスをリッチ空燃比にする制御であり、吸気系リッチ制御とは吸気絞りや排気絞りやＥＧＲ弁操作やこれらの組み合わせなどにより、新規吸気量を減少させて、少ない燃料量で排気ガスをリッチ空燃比にできるようにする制御である。

この排気ガス浄化方法によれば、車両の減速時には内燃機関はトルク発生を必要としないので、再生制御で多段噴射やポスト噴射等によるシリンダ内燃料噴射による燃料系リッチ制御を行っても、乗り心地性の悪化が生じないので、車両の減速時に再生制御を行うことにより再生制御時の乗り心地性の悪化を防止できる。

この車両減速時は、トルクの発生を必要としないので、トルク発生のための燃料が不要になり、燃料を燃焼させるための空気（新規吸気）も不要になるので、吸気系リッチ制御で吸気絞りや排気絞りを最大限に行って新規吸気量吸気量を最小にすることで、燃料系リッチ制御で排気ガスをリッチ空燃比状態にするために必要となる燃料量が著しく少なくなり、再生制御による燃費の悪化が抑制される。

このＮＯｘ触媒温度指標温度とは、ＮＯｘ浄化触媒の測定温度や、この触媒温度に密接に関係する温度のことをいう。この触媒温度に密接に関係する温度としては、触媒温度と略１対１対応するような、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気ガスの測定温度や、エンジンの運転状態から予め入力されたマップデータなどによって推定または算出される排気ガス推定温度などがある。要は、ＮＯｘ浄化触媒の温度を推定または特定できるものであればよい。

また、この再生可能温度とは、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の場合には、ＮＯｘ吸蔵材からＮＯｘが放出され、しかも、放出されたＮＯｘを貴金属触媒で還元できる最低限の温度や硫黄被毒からの回復できる最低限の温度のことをいい、また、ＮＯｘ直接還元型触媒の場合には、触媒の活性物質である金属を還元して活性化できる最低限の温度や硫黄被毒からの回復できる最低限の温度のことをいう。この再生可能温度は、ＮＯｘ触媒温度指標温度に対応して決まるものであり、ＮＯｘ触媒温度指標温度がこの再生可能温度に到達したら再生が可能となるような温度である。

この排気ガス浄化方法により、排気ガスの昇温等によりＮＯｘ触媒温度指標温度を再生可能温度以上にしてから再生制御に入るので、再生制御中の排気ガス中のＨＣ，ＣＯ等の還元剤が確実に消費されるようになり、未使用のＨＣ，ＣＯ等の還元剤がＮＯｘ浄化触媒の下流側に流出することが無くなる。

また、上記の排気ガス浄化方法で、前記ＮＯｘ浄化触媒の上流側に酸化触媒を備えた排気ガス浄化システムにおいて、前記車両の減速時の前記再生制御の開始時に、前記酸化触媒の温度に対応する酸化触媒温度指標温度が前記酸化触媒が活性化する酸化触媒活性化温度未満である時は、前記再生制御を行う前に多段噴射を行う第１排気ガス昇温制御を行うことを特徴とする。
更に、上記の排気ガス浄化方法で、前記ＮＯｘ浄化触媒の上流側に酸化触媒を備えた排気ガス浄化システムにおいて、前記車両の減速時の前記再生制御の開始時に、前記酸化触媒の温度に対応する酸化触媒温度指標温度が前記酸化触媒が活性化する酸化触媒活性化温度以上である時は、前記再生制御を行う前にポスト噴射又は排気管内直接噴射を行う第２排気ガス昇温制御を行うことを特徴とする。

この酸化触媒温度指標温度とは、酸化触媒の測定温度や、この触媒温度に密接に関係する温度のことをいう。この触媒温度に密接に関係する温度としては、触媒温度と略１対１対応するような、酸化触媒に流入する排気ガスの測定温度や、エンジンの運転状態から予め入力されたマップデータなどによって推定または算出される排気ガス推定温度などがある。要は、酸化触媒の温度を推定または特定できるものであればよい。

また、この触媒活性化温度とは、酸化触媒が活性化し、酸化反応を発生できる最低限の温度のことをいい、この触媒活性化温度は、酸化触媒温度指標温度に対応して決まるものであり、酸化触媒温度指標温度がこの触媒活性化温度に到達したら酸化触媒が活性化し、酸化反応の促進生が可能となるような温度である。

この酸化触媒を設けた排気ガス浄化方法により、より低い排気ガスの温度でもＮＯｘ浄化触媒の再生処理ができるようになり、より広いエンジン運転領域で再生可能となる。また、排気ガス中に供給したＨＣ，ＣＯ等をこの酸化触媒で酸化してリッチ空燃比状態を作ることができるので、排気管内直接噴射方式も採用できるようになり、トルク変動に関係せずに排気ガスをリッチ空燃比状態にすることができる。

そして、上記の目的を達成するための、排気ガス浄化システムは、車両搭載の内燃機関の排気ガスの空燃比が、リーン状態の場合にＮＯｘを浄化し、かつ、リッチ状態の場合にＮＯｘ浄化能力を回復するＮＯｘ吸蔵還元型触媒と、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の上流側に設けた酸化触媒と、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ浄化能力を回復するために排気ガスをリッチ空燃比状態にする再生制御を行う触媒再生制御手段とを備え、シリンダ内噴射におけるポスト噴射又は排気管へ直接燃料を噴射する排気管内噴射による排気ガス中の燃料を添加または増加する燃料系リッチ制御と、ＥＧＲ弁を開弁してＥＧＲ量を増加させると共に、吸気絞り弁と排気絞り弁を絞って排気ガスの空燃比を低下させる吸気系リッチ制御を併用する前記再生制御を行う排気ガス浄化システムにおいて、前記触媒再生手段が、前記車両の減速時の前記再生制御の開始時に、前記吸気系リッチ制御を行い、前記酸化触媒の温度に対応する酸化触媒温度指標温度が前記酸化触媒が活性化する酸化触媒活性化温度未満である時は、前記再生制御を行う前に、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に流入する排気ガスの空燃比を空気過剰率換算で１．０２〜１．１にする、多段噴射を行う第１排気ガス昇温制御を行って、前記酸化触媒に流入する排気ガスを昇温させ、前記酸化触媒温度指標温度が前記酸化触媒活性化温度以上であり、かつ前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の温度に対応するＮＯｘ触媒温度指標温度が前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の回復が可能となる再生可能温度未満である場合に、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に流入する排気ガスの空燃比を空気過剰率換算で１．０１〜１．０２にする、ポスト噴射又は排気管内直接噴射を行う第２排気ガス昇温制御を行って、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に流入する排気ガスを昇温させ、前記第２の排気ガス昇温制御により前記ＮＯｘ触媒温度指標温度が前記再生可能温度以上になった後に、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に流入する排気ガスの空燃比を空気過剰率換算で０．９〜１．０１のリッチ空燃比にする前記再生制御を行い、前記再生制御が終了と判定されると、前記燃料系リッチ制御と前記吸気系リッチ制御を終了し、前記吸気絞り弁と前記排気絞り弁の絞りを終了するように構成される。

そして、この排気ガス浄化システムは、前記ＮＯｘ浄化触媒が、排気ガスの空燃比が、リーン状態の場合にＮＯｘを吸蔵し、かつ、リッチ状態の場合に吸蔵していたＮＯｘを放出すると共に還元するＮＯｘ吸蔵還元型触媒、又は、排気ガスの空燃比が、リーン状態の場合にＮＯｘを還元浄化し、かつ、リッチ状態の場合にＮＯｘ浄化能力を回復するＮＯｘ直接還元型触媒である場合に適用でき、大きな効果を奏することができる。

車両の減速時では、内燃機関はトルクの発生を必要としないため、新規吸気量を極端に少なくできる。そのため、吸気絞りと排気絞りを併用して、排気ガス量を著しく減少して、排気ガスをリッチ空燃比状態にするためのシリンダ内燃料噴射または排気管内直接噴射で使用する燃料の量を減少することができる。従って、燃費の悪化を抑制しつつ効率よく再生処理できる。

また、排気ガス量が減少すると共に高温の排気ガスがシリンダ内に残留することから、排気ガスを効果的に昇温できる。また、排気ガス温度が低い場合でも、排気ガス量が減少しているので少ない燃料量で排気ガスを昇温できる。従って、再生制御に際して、触媒温度を上昇させるための排気ガスの昇温で使用する燃料の量も少なくすることができる。

以下、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システムについて、図面を参照しながら説明する。

なお、ここでは、ＮＯｘ浄化触媒としてＮＯｘ吸蔵還元型触媒を例示して説明するが、本発明はＮＯｘ直接還元型触媒等でも適用可能であり、また、リッチ空燃比状態によるＮＯｘ浄化能力の回復として主に、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力の回復について説明しているが、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の硫黄被毒からの回復や、また、ＮＯｘ直接還元型触媒のＮＯｘ還元能力の回復や硫黄被毒からの回復等が含まれ、これらにも本発明は適用可能である。

また、ここでいう排気ガスのリッチ状態とは、必ずしもシリンダ内でリッチ燃焼する必要はなく、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に流入する排気ガス中に供給した空気量と燃料量（シリンダ内で燃焼した分も含めて）との比が理論空燃比に近い状態（ストイキ状態）か又は理論空燃比より燃料量が多いリッチの状態であることをいう。

図１に、本発明の実施の形態の排気ガス浄化システム１の構成を示す。この排気ガス浄化システム１では、エンジン（内燃機関）Ｅの排気通路３に、酸化触媒２１、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２２、ディーゼルパティキュレートフィルタ装置（以下ＤＰＦという）２３を有する排気ガス浄化装置２０が配置される。

この酸化触媒２１は、ハニカム状のコーディエライトあるいは耐熱鋼からなる担体の表面に、活性酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）等の触媒コート層に、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の貴金属からなる触媒活性成分を担持させて形成する。この酸化触媒２１は流入してくる排気ガス中のＨＣ，ＣＯ等を酸化して、排気ガスＧを低酸素状態にすると共に燃焼熱により排気温度を上げる。

このＮＯｘ吸蔵還元型触媒２２は、モノリス触媒で形成され、酸化アルミニウム、酸化チタン等の担持体に触媒コート層を設け、この触媒コート層に、白金（Ｐｔ）（Ｐｄ）等の触媒金属とバリウム（Ｂａ）等のＮＯｘ吸蔵材（ＮＯｘ吸蔵物質）を担持させて構成される。

このＮＯｘ吸蔵還元型触媒２２では、酸素濃度が高い排気ガスの状態（リーン空燃比状態）の時に、排気ガス中のＮＯｘをＮＯｘ吸蔵材が吸蔵することにより、排気ガス中のＮＯｘを浄化し、酸素濃度が低いかゼロの排気ガスリッチ空燃比状態の時に、吸蔵したＮＯｘを放出すると共に、この放出されたＮＯｘを触媒金属の触媒作用により還元することにより、大気中へのＮＯｘの流出を防止する。

ＤＰＦ２３は、多孔質のセラミックのハニカムのチャンネルの入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型ウォールフロータイプのフィルタ等で形成でき、排気ガス中のＰＭ（粒子状物質）を捕集する。このＤＰＦ２３はＰＭの燃焼除去を促進するために酸化触媒やＰＭ酸化触媒を担持する場合もある。

そして、吸気通路２に、吸気量を測定するマスエアフローセンサ（ＭＡＦセンサ）５と吸気量を調整するための吸気絞り弁７が配設され、排気ガス浄化装置２０の下流側の排気通路３に、排気ブレーキ用の排気絞り弁（排気スロットル）８が配設される。また、ＥＧＲ通路４にＥＧＲクーラー９とＥＧＲ量を調整するＥＧＲ弁１０が配設される。

そして、酸化触媒２１の上流側に第１排気成分濃度センサ２５を配置し、ＤＰＦ２３の下流側に第２排気成分濃度センサ２６を配置する。この排気成分濃度センサ２５、２６は、λセンサ（空気過剰率センサ）とＮＯｘ濃度センサと酸素濃度センサとが一体化したものである。なお、第１及び第２排気成分濃度センサ２５、２６の代りに、酸素濃度センサ又は空気過剰率センサを用いることもできるが、この場合には、ＮＯｘ濃度センサを別に設けるか、ＮＯｘ濃度の測定値を使用しない制御とする。また、排気ガス温度を検出するために酸化触媒２１の上流側に第１温度センサー２７を、酸化触媒２１とＮＯｘ吸蔵還元型触媒２２の間に第２温度センサー２８を、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２２とＤＰＦ２３の間に第３温度センサー２９を、それぞれ配置する。この第１〜第３の温度センサから酸化触媒２１とＮＯｘ吸蔵還元型触媒２２の触媒温度を推定する。

また、燃料系リッチ制御において排気管内直接噴射を行う場合には、排気ガス浄化装置２０の上流側の排気通路３に、ＮＯｘの還元剤となる炭化水素（ＨＣ）Ｆを供給するＨＣ供給弁（燃料噴射弁）２４を設ける。このＨＣ供給弁２４は、図示しない燃料タンクからエンジンＥの燃料である軽油等の燃料Ｆを排気通路３内に直接噴射して、排気ガスＧの空燃比をリーン状態、リッチ状態やストイキ状態（理論空燃比状態）にするためのもので、排気管内噴射リッチ制御の手段となるものである。なお、燃料系リッチ制御を筒内（シリンダ内）燃料噴射におけるポスト噴射で行う場合には、このＨＣ供給弁２４は不要となる。

そして、エンジンＥの運転の全般的な制御を行うと共に、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２２のＮＯｘ浄化能力の回復制御も行う制御装置（ＥＣＵ：エンジンコントロールユニット）３０が設けられる。この制御装置３０に第１及び第２排気成分濃度センサ２５、２６や第１〜第３温度センサ２７、２８、２９等からの検出値が入力され、この制御装置３０からエンジンＥの吸気絞り弁７、排気絞り弁８、ＥＧＲ弁１０、燃料噴射用のコモンレール電子制御燃料噴射装置の燃料噴射弁１１、ＨＣ供給弁２４等を制御する信号が出力される。

この排気ガス浄化システム１においては、空気Ａは、吸気通路２のマスエアフローセンサ（ＭＡＦセンサ）５とターボチャジャー６のコンプレッサーを通過して、吸気絞り弁７によりその量を調整されて吸気マニホールドよりシリンダ内に入る。そして、シリンダ内で発生した排気ガスＧは、排気マニホールドから排気通路３に出てターボチャジャー６のタービンを駆動し、排気ガス浄化装置２０を通過して浄化された排気ガスＧｃとなる。この浄化された排気ガスＧｃは、排気絞り弁８を図示しない消音器を通って大気中に排出される。また、排気ガスＧの一部はＥＧＲガスＧｅとして、ＥＧＲ通路４のＥＧＲクーラー９を通過し、ＥＧＲ弁１０でその量を調整されて吸気マニホールドに再循環される。

そして、排気ガス浄化システム１の制御装置が、エンジンＥの制御装置３０に組み込まれ、エンジンＥの運転制御と並行して、排気ガス浄化システム１の制御を行う。この排気ガス浄化システム１の制御装置は、触媒再生制御手段を備え、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒１２のＮＯｘ再生制御等を含む排気ガス浄化システム１の制御を行う。

この触媒再生制御手段が行う再生制御では、吸気系リッチ制御と燃料系リッチ制御により排気ガスの空燃比をリッチ状態（ストイキ空燃比（理論空燃比）を含む）に制御する。この吸気系リッチ制御では、ＥＧＲ弁１０を開弁してＥＧＲ量を増加させると共に、吸気絞り弁７と排気絞り弁８を絞って排気ガスの空燃比を低下させる。また、燃料系リッチ制御では、ポスト噴射等のシリンダ内燃料噴射によって、排気ガスＧの空燃比を低下させる。あるいは、ＨＣ供給弁２４を使用する場合には、ＨＣ供給弁２４によりＨＣ等の燃料Ｆを排気通路３内に直接供給して酸化触媒２１で酸化させることによって、排気ガスＧの空燃比を低下させる。

これらのリッチ制御により、排気ガスの状態を所定の空燃比状態にすると共に、排気ガスを所定の温度範囲にして、ＮＯｘ吸蔵能力、即ちＮＯｘ浄化能力を回復し、ＮＯｘ触媒の再生を行う。この所定の空燃比は、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力の回復の場合には、浄化触媒の種類にもよるが、空気過剰率（λ）換算で、概ね０．８〜１．０程度であり、所定の温度範囲は、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力の回復の場合には、浄化触媒の種類にもよるが、概ね３００℃〜６００℃程度である。

そして、この排気ガス浄化システム１では、エンジンＥの制御装置３０に組み込まれた排気ガス浄化システム１の制御装置により、図２に例示するような減速時再生制御フローに従って、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２２の再生制御が行われる。なお、この図２の再生制御フローは、それぞれ、エンジンＥの運転に際して、エンジンＥの他の制御フローと並行して、繰り返し呼ばれては戻りながら繰り返し実行されるものとして示してある。

そして、本発明の実施の形態では、図２の減速時再生制御フロー及び図３の制御の時系列で例示されるような再生制御を行う。この図２の減速時再生制御フローでは、この制御フローが呼ばれてスタートすると、ステップＳ１１で、この排気ガス浄化システム１を搭載した車両が減速開始の状態にあるか否かを判定し、減速開始の状態でないと判定されば、リターンする。

この減速判定、即ち、排気ガス浄化システムを搭載した車両が減速を開始したか否かの判定は、アクセル開度、エンジン回転数の下降、単位時間当たりの燃料流量の減少量等より行い、例えば、アクセルセンサが開度ゼロの時、減速状態と判定する。

このステップＳ１１で減速開始の状態であると判定された場合には、次のステップＳ１２でＮＯｘ吸蔵還元型触媒２２の再生が不要であるか否かを判定する。通常は、減速時にこまめにＮＯｘ浄化能力の再生を行うのが好ましいが、再生制御を行った直後であったり、排気ガス温度があまりにも低く（例えば１００℃以下）再生制御を行うのが好ましくない場合には、再生不要と判定してリターンする。

この再生不要か否かの判定は、例えば、前回の再生制御からの経過時間が所定の判定時間を超えていない場合は再生は不要と判定する。あるいは、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２２の上流側と下流側のＮＯｘ濃度からＮＯｘ浄化率を算出し、このＮＯｘ浄化率が所定の判定値より低くなっていない場合に再生は不要と判定する。

そして、ステップＳ１２で再生不要でない、即ち、再生処理してもよいと判定された場合は、ステップＳ１３に行き、再生制御を開始する。このステップＳ１３では、吸気系制御を開始し、吸気絞り弁７を絞ると共に排気絞り弁８を絞る。また、同時に、ＥＧＲ弁１０を開弁してＥＧＲ量を増加させる。これにより、新規吸気量を減少させる。

次のステップＳ１４では第１の排気ガス温度のチェックを行う。ここでは、第１温度センサ２７で検出した排気ガス温度（酸化触媒温度指標温度）Ｔｇ１が酸化触媒２１が触媒活性化温度（例えば、１５０℃程度）Ｔｃ１以上であるか否かを判定する。以上である場合には、ステップＳ１６に行き、以上でない場合には、ステップＳ１５に行き、第１の排気ガス昇温制御を行う。

このステップＳ１５の第１排気ガス昇温制御では、図３の第１段階Ｒ１に示すように，第１吸気絞り、排気絞り、多段噴射の燃料噴射モード、及び、第１燃料噴射量で多段噴射制御が行われる。この多段噴射制御は図４に示すように、３〜５段で膨張行程までに噴射を行い、燃焼火炎を継続し、エンジン排気温度を上昇させる。最終噴射時期はＡＴＤＣ４５°程度である。このステップＳ１５の第１排気ガス昇温制御を所定の時間（排気ガス温度のチェックのインターバルに関係する時間）Δｔ１の間行った後、ステップＳ１４に戻り、排気ガス温度Ｔｇ１が活性化して排気ガス中のＨＣ、ＣＯ等を酸化できる温度である触媒活性化温度Ｔｃ１以上になるまでステップＳ１５を繰り返し、以上になったら、ステップＳ１６に行く。この第１段階Ｒ１では、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２２に流入する排気ガスの空燃比は、空気過剰率換算でλ＝１．０２〜１．１程度に制御される。

なお、ここでは、排気ガス温度Ｔｇ１を酸化触媒温度指標温度として使用するが、酸化触媒２１の触媒温度を直接測定できる場合にはこれを用いてもよく、また、エンジンＥの運転状態を示すエンジン回転数や負荷から推定した排気ガス温度等を用いてもよい。

そして、ステップＳ１６では第２の排気ガス温度のチェックを行う。ここでは、第２温度センサ２８で測定した排気ガス温度（ＮＯｘ触媒温度指標温度）Ｔｇ２が再生可能温度（例えば、２５０℃〜３００℃程度）Ｔｃ２以上であるか否かを判定する。以上である場合には、ステップＳ１８に行き、以上でない場合には、ステップＳ１７に行き、第２の排気ガス昇温制御を行う。

このステップＳ１７の排気ガス昇温制御では、図５に例示するような噴射時期がＡＴＤＣ９０°程度のポスト噴射でまたは排気管内直接噴射で排気ガス中に燃料Ｆを供給して、この燃料ＦのＨＣ（炭化水素）やＣＯ（一酸化炭素）を酸化触媒２１で酸化させて、この酸化熱により排気ガス温度を上昇させる。この第２排気ガス昇温制御では、図３の第２段階Ｒ２に示すように、第１吸気絞り、排気絞り、ポスト噴射の燃料噴射モード、第２燃料噴射量でポスト噴射制御（または、排気管内直接噴射制御）が行われる。このステップＳ１７の第２排気ガス昇温制御を所定の時間（排気ガス温度のチェックのインターバルに関係する時間）Δｔ２の間行った後、ステップＳ１６に戻り、排気ガス温度Ｔｇ２が、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２２がＮＯｘ吸蔵能力を回復し、しかも放出されたＮＯｘを還元浄化できる温度である再生可能温度Ｔｃ２以上になるまでステップＳ１７を繰り返し、以上になったら、ステップＳ１８に行く。この第２段階Ｒ２では、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２２に流入する排気ガスの空燃比は、空気過剰率換算でλ＝１．０２〜１．０１程度に制御される。

なお、硫黄被毒からの回復のための再生制御では、排気ガス温度Ｔｇ２が、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２２が硫黄被毒から回復できる温度である再生可能温度Ｔｃ２以上になるまでステップＳ１７を繰り返すことになる。

なお、ここでは、排気ガス温度Ｔｇ２をＮＯｘ触媒温度指標温度として使用したが、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２２の触媒温度を直接測定できる場合にはこれを用いてもよく、エンジンＥの運転状態を示すエンジン回転数や負荷から推定した排気ガス温度等を用いてもよい。

そして、排気ガス温度Ｔｇ２が、再生可能温度Ｔｃ２以上になったら、ステップＳ１８で吸気絞り弁７を更に絞って絞り量を増加して、リッチ空燃比制御を行う。このリッチ空燃比制御では、図３の第３段階Ｒ３に示すように、第２吸気絞り、排気絞り、リッチの燃料噴射モード、第２燃料噴射量で制御が行われ、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２２に流入する排気ガスの空燃比をリッチ空燃比にする。このステップＳ１８のリッチ空燃比制御を所定の時間（ステップＳ１９の再生終了のチェックのインターバルに関係する時間）Δｔ３の間行った後、ステップＳ１９に行く。この第３段階Ｒ３では、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２２に流入する排気ガスの空燃比は、空気過剰率換算でλ＝０．９〜１．０１程度に制御される。そして、ステップＳ１９では、再生制御が終了か否かを判定し、再生制御が終了であれば、ステップＳ２０で再生制御を終了してリターンし、再生制御が終了でなければ、ステップＳ１８に戻り、リッチ空燃比制御を繰り返す。

この再生制御の終了は、触媒出口側の第２排気成分濃度センサ２６で検出されたＮＯｘ濃度値で決まる所定の再生時間を経過したか否かや、ＮＯｘ浄化率が所定の再生制御終了用の浄化率まで上昇したか否かなどで判定する。また、再生制御が終了と判定された場合には、吸気絞り弁７と排気絞り弁８の絞りを終了し、通常運転の絞り量に戻し、また、ＥＧＲ弁１０も通常運転の弁開度に戻して吸気系リッチ制御を終了し、また、ポスト噴射（または排気管内直接噴射）を終了して燃料系リッチ制御を終了する。

なお、この再生制御の各段階Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の期間は、酸化触媒２１、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２２の種類や再生制御時のエンジンＥの状態にもより、特に第１段階Ｒ１の期間は減速開始時の排気ガス温度によって大きく異なるが、例えば、第２段階Ｒ２の期間は１０ｓ〜６０ｓ、第３段階Ｒ３の期間は２ｓ〜６０ｓ程度である。

そして、上記の排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システム１によれば、車両の減速時に燃料系リッチ制御と吸気系リッチ制御を併用する再生制御を行うが、内燃機関の減速時にはトルク発生を必要としないので、再生制御で多段噴射やポスト噴射等によるシリンダ内燃料噴射による燃料系リッチ制御を行っても、乗り心地性の悪化を防止できる。

また、この車両減速時は、トルクの発生を必要としないので、トルク発生のための燃料が必要無くなり、この燃料を燃焼させるための新規吸気も不要になるので、吸気系リッチ制御で吸気絞りや排気絞りを最大限に行って吸気量を最小にすることで、新規吸気量を著しく少なくできる。これにより、燃料系リッチ制御で排気ガスをリッチ空燃比状態にするために必要となる燃料量が著しく少なくなり、再生制御による燃費の悪化を抑制できる。

その上、第１、第２の排気ガス昇温制御によりＮＯｘ吸蔵還元型触媒２２を再生可能温度Ｔｃ２以上にしてから再生用のリッチ空燃比制御に入るので、再生制御中の排気ガス中のＨＣ，ＣＯ等の還元剤が確実に消費されるようになり、未使用のＨＣ，ＣＯ等の還元剤がＮＯｘ浄化触媒の下流側に流出することを防止できる。

また、減速時に、吸気絞りと排気絞り（排気ブレーキ）とを同時に使用して排気ガス量を著しく減少することで、排気ガス温度の低下を防止でき、触媒ベッド温度の維持が可能になる。そのため、ポスト噴射の筒内燃料噴射の燃料射量、または排気管直接噴射の燃料量を減らすことができ、更に、燃費の悪化を改善することができる。

本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システムの構成を示す図である。本発明に係る実施の形態のＮＯｘ吸蔵還元型触媒の減速時再生制御フローの一例を示す図である。ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の減速時再生制御における制御量と諸量の一例を模式的な時系列で示す図である。筒内燃料噴射における多段噴射の一例を示す図である。筒内燃料噴射におけるポスト噴射の一例を示す図である。

符号の説明

Ｅエンジン
１排気ガス浄化システム
２吸気通路
３排気通路
４ＥＧＲ通路
７吸気絞り弁
８排気絞り弁（排気ブレーキ）
１０ＥＧＲ弁
２０排気ガス浄化装置
２１酸化触媒
２２ＮＯｘ吸蔵還元型触媒
２３ＤＰＦ
２４ＨＣ供給弁
２７第１温度センサ
２８第２温度センサ
３０制御装置

Claims

車両搭載の内燃機関の排気ガスの空燃比が、リーン状態の場合にＮＯｘを浄化し、かつ、リッチ状態の場合にＮＯｘ浄化能力を回復するＮＯｘ吸蔵還元型触媒と、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の上流側に設けた酸化触媒と、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ浄化能力を回復するために排気ガスをリッチ空燃比状態にする再生制御を行う触媒再生制御手段とを備え、シリンダ内噴射におけるポスト噴射又は排気管へ直接燃料を噴射する排気管内噴射による排気ガス中の燃料を添加または増加する燃料系リッチ制御と、ＥＧＲ弁を開弁してＥＧＲ量を増加させると共に、吸気絞り弁と排気絞り弁を絞って排気ガスの空燃比を低下させる吸気系リッチ制御を併用する前記再生制御を行う排気ガス浄化システムにおいて、
前記車両の減速時の前記再生制御の開始時に、前記吸気系リッチ制御を行い、
前記酸化触媒の温度に対応する酸化触媒温度指標温度が前記酸化触媒が活性化する酸化触媒活性化温度未満である時は、前記再生制御を行う前に、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に流入する排気ガスの空燃比を空気過剰率換算で１．０２〜１．１にする、多段噴射を行う第１排気ガス昇温制御を行って、前記酸化触媒に流入する排気ガスを昇温させ、
前記酸化触媒温度指標温度が前記酸化触媒活性化温度以上であり、かつ前記ＮＯｘ浄化触媒の温度に対応するＮＯｘ触媒温度指標温度が前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の回復が可能となる再生可能温度未満である場合に、
前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に流入する排気ガスの空燃比を空気過剰率換算で１．０１〜１．０２にする、ポスト噴射又は排気管内直接噴射を行う第２排気ガス昇温制御を行って、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に流入する排気ガスを昇温させ、
前記第２の排気ガス昇温制御により前記ＮＯｘ触媒温度指標温度が前記再生可能温度以上になった後に、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に流入する排気ガスの空燃比を空気過剰率換算で０．９〜１．０１のリッチ空燃比にする前記再生制御を行い、
前記再生制御が終了と判定されると、前記燃料系リッチ制御と前記吸気系リッチ制御を終了し、前記吸気絞り弁と前記排気絞り弁の絞りを終了することを特徴とする排気ガス浄化方法。
車両搭載の内燃機関の排気ガスの空燃比が、リーン状態の場合にＮＯｘを浄化し、かつ、リッチ状態の場合にＮＯｘ浄化能力を回復するＮＯｘ吸蔵還元型触媒と、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の上流側に設けた酸化触媒と、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ浄化能力を回復するために排気ガスをリッチ空燃比状態にする再生制御を行う触媒再生制御手段とを備え、シリンダ内噴射におけるポスト噴射又は排気管へ直接燃料を噴射する排気管内噴射による排気ガス中の燃料を添加または増加する燃料系リッチ制御と、ＥＧＲ弁を開弁してＥＧＲ量を増加させると共に、吸気絞り弁と排気絞り弁を絞って排気ガスの空燃比を低下させる吸気系リッチ制御を併用する前記再生制御を行う排気ガス浄化システムにおいて、
前記触媒再生手段が、
前記車両の減速時の前記再生制御の開始時に、前記吸気系リッチ制御を行い、
前記酸化触媒の温度に対応する酸化触媒温度指標温度が前記酸化触媒が活性化する酸化触媒活性化温度未満である時は、前記再生制御を行う前に、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に流入する排気ガスの空燃比を空気過剰率換算で１．０２〜１．１にする、多段噴射を行う第１排気ガス昇温制御を行って、前記酸化触媒に流入する排気ガスを昇温させ、
前記酸化触媒温度指標温度が前記酸化触媒活性化温度以上であり、かつ前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の温度に対応するＮＯｘ触媒温度指標温度が前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の回復が可能となる再生可能温度未満である場合に、
前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に流入する排気ガスの空燃比を空気過剰率換算で１．０１〜１．０２にする、ポスト噴射又は排気管内直接噴射を行う第２排気ガス昇温制御を行って、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に流入する排気ガスを昇温させ、
前記第２の排気ガス昇温制御により前記ＮＯｘ触媒温度指標温度が前記再生可能温度以上になった後に、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に流入する排気ガスの空燃比を空気過剰率換算で０．９〜１．０１のリッチ空燃比にする前記再生制御を行い、
前記再生制御が終了と判定されると、前記燃料系リッチ制御と前記吸気系リッチ制御を終了し、前記吸気絞り弁と前記排気絞り弁の絞りを終了することを特徴とする排気ガス浄化システム。