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JP2887933B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

内燃機関の排気浄化装置

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JP2887933B2
JP2887933B2 JP3072057A JP7205791A JP2887933B2 JP 2887933 B2 JP2887933 B2 JP 2887933B2 JP 3072057 A JP3072057 A JP 3072057A JP 7205791 A JP7205791 A JP 7205791A JP 2887933 B2 JP2887933 B2 JP 2887933B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、排気系にリーンＮＯｘ
触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】特開平１−１３０７３５号公報、特開平
１−１３５５４１号公報は、空燃比リーンの排気中にお
いても、ＨＣ（炭化水素）の存在下で、ＮＯｘを還元で
きる、遷移金属あるいは貴金属を担持せしめた触媒、い
わゆるリーンＮＯｘ触媒を開示している。リーンＮＯｘ
触媒がＮＯｘを還元するにはＨＣが必要であり、特開昭
６３−２８３７２７号公報は、ＨＣ供給装置を設けて、
ＨＣが不足する場合、たとえばＨＣのＣＯ2 への直接酸
化によって相対的にＨＣが不足する排気高温時に、ＨＣ
を連続的に供給することを開示している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、排気高温時に
ＨＣを供給しても、大半のＨＣが直接酸化されてＣＯ2
とＨ2 Ｏになり、ＮＯｘの還元に有効に働らかず、ＨＣ
の供給量のわりにはリーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率が
向上しない。また、ＨＣの供給量を連続的に増やすと、
リーンバーンとしてのメリット、低燃費が失われる。さ
らに、ＨＣの供給量の連続的増加によって、リーンＮＯ
ｘ触媒でのＨＣ酸化による発熱が大きくなり、触媒床温
が上昇し、触媒劣化がはげしくなるという問題もあっ
た。
【０００４】本発明は、ＨＣを供給することによってリ
ーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率を向上させる場合に、供
給されたＨＣをリーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率の向上
に有効に働らかしめることができる、しかも触媒の熱劣
化等の不具合をほとんど伴わない、内燃機関の排気浄化
装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的は、本発明に係
る内燃機関の排気浄化装置が次の手段を備えることによ
って達成される。排気系にリーンＮＯｘ触媒を備えた内
燃機関、前記リーンＮＯｘ触媒に流入する排気ガス中の
ＨＣ量を増加させることの可能なＨＣ増量手段、前記リ
ーンＮＯｘ触媒の触媒床温を判断する触媒床温判断手
段、および前記触媒床温判断手段が触媒床温が低温状態
にあると判断したとき前記ＨＣ増量手段を、一定時間Ｏ
Ｎとしついで一定時間ＯＦＦとすることを繰返して、間
欠的に作動させるＨＣ増量手段作動手段。
【０００６】
【作用】上記本発明の内燃機関の排気浄化装置において
は、排気低温時に、ＨＣ増量手段作動手段がＨＣ増量手
段を作動させて、リーンＮＯｘ触媒に流入するＨＣ量を
増加する。比較的低温のためＨＣの直接酸化が抑えられ
て部分酸化が促進され、活性種が多量生成される。この
活性種はリーンＮＯｘ触媒の細孔中に数分間保持され
る。ＨＣ増量手段は間欠的に、すなわち繰返し作動され
るので、リーンＮＯｘ触媒の多数の細孔には連続的に多
量の活性種がホールドされることとなる。そして、次に
リーンＮＯｘ触媒の触媒床温が上昇してＨＣが不足する
運転領域になったときに、ホールドされていた活性種を
使いきるまで、高いＮＯｘ浄化率が得られる。また、リ
ーンＮＯｘ触媒は昇温時の方が定常時や降温時よりも高
いＮＯｘ浄化率を示すことができる。上記の細孔にホー
ルドされた活性種が触媒床温上昇時に用いられるとき高
いＮＯｘ浄化率を示せる条件下で用いられることになる
ので、リーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率はさらに向上す
る。また、ＨＣ増量手段作動手段はＨＣ増量手段を間欠
的に作動せしめるので、ＨＣエミッションの増加や触媒
の熱劣化を、従来のＨＣの連続供給の場合に比べて、大
幅に抑制できる。
【０００７】
【実施例】以下に、本発明に係る内燃機関の排気浄化装
置の望ましい実施例を、図面を参照して説明する。図２
において、希薄燃焼可能な内燃機関２（ディーゼル機関
であってもよいが図示例はガソリン機関の場合を示す）
の排気系４には、リーンＮＯｘ触媒６が配設されてい
る。ここで、リーンＮＯｘ触媒は、遷移金属あるいは貴
金属を担持せしめたゼオライトからなり、酸化雰囲気
（ストイキよりリーン側の酸素過剰雰囲気）中、ＨＣ存
在下で、ＮＯｘを還元する触媒として定義される。
【０００８】さらに、リーンＮＯｘ触媒６に流入する排
気ガス中のＨＣ量を増加させることが可能なＨＣ増量手
段が設けられる。ＨＣ増量手段はたとえばＨＣ源２６と
ＨＣの供給をＯＮ、ＯＦＦするＨＣ制御弁３２とからな
る。ＨＣ源２６はＨＣボンベであってもよいし、燃料の
一部であってもよい。ＨＣ増量手段は、内燃機関２の燃
焼室に設けられる点火栓８とその点火タイミング制御手
段であってもよい。点火時期を進角側に制御すると排気
中のＨＣは増大される。ＨＣ増量手段は、吸気系１０に
設けられた燃料噴射弁とその噴射タイミング制御手段で
あってもよい。ＨＣ増量手段は、排気ガス再循環（ＥＧ
Ｒ）装置であってもよい。ＥＧＲ弁２８を開にして排気
の一部を吸気系１０に再循環させると、燃焼性が若干犠
牲になって排気中のＨＣ量が増える。
【０００９】上記ＨＣ増量手段を制御するための各種運
転条件を検出するために、種々のセンサが設けられる。
吸気系１０には吸気圧センサ１４、吸入空気量センサ
（フローメータ）１６が設けられ、排気系１８には排気
温センサ１８が設けられる。またクランクシャフトに連
動するディストリビュータには、クランク角度センサ２
２、基準クランク角度センサ２４が内蔵されている。各
種センサ１４、１６、１８、２２、２４の出力は制御装
置２０に入力され、制御装置２０の出力に従って、燃料
噴射弁１２、点火栓８、ＥＧＲ弁２８、ＨＣ制御弁３２
等の作動が制御される。
【００１０】制御装置２０はマイクロコンピュータから
成り、アナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ
コンバータ２０ｆ、２０ｇ、２０ｈ、入力インターフェ
イス２０ｄ、演算を実行するセントラルプロセッサユニ
ット（ＣＰＵ）２０ａ、読出し専用メモリであるリード
オンリメモリ（ＲＯＭ）２０ｂ、一時記憶用メモリであ
るランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）２０ｃ、制御すべ
き機器に指令を出力するアウトプットインターフェイス
２０ｅ、指令信号を駆動信号にする駆動回路２０ｉ、２
０ｊ、２０ｋ、２０ｌ、これらを相互に連絡する双方向
性バス２０ｍを有する。
【００１１】ＨＣ増量手段の作動を制御するための演算
ルーチン、たとえば図１に示すような演算ルーチンが、
ＲＯＭ２０ｂに記憶されており、ＣＰＵ２０ａに呼出さ
れて演算が実行される。図１のルーチンは、一定時間毎
に、あるいは一定クランク角度毎に、割込まれる。一定
クランク毎割込みとする場合は、基準クランク角度セン
サ２４の出力を基準とすることができる。
【００１２】図１のルーチンにおいて、まず、ステップ
１０２で、リーンＮＯｘ触媒６の触媒床温が所定温度、
たとえば４００℃、以下か否かが判定される。所定温度
以下とする理由は、所定温度以上であるとＨＣの直接酸
化が促進されるので、ＨＣの部分酸化とそれによって生
成された活性種の触媒細孔内へのホールドが円滑に進ま
なくなるからである。ここで、ステップ１０２は触媒床
温判断手段を構成する。触媒床温の判断は、吸入空気量
センサ１６の出力である吸入空気量Ｑとクランク角度セ
ンサ２２の出力である機関回転数Ｎとから求まる機関負
荷Ｑ／Ｎと、Ｎと時間とから演算される機関回転速度Ｎ
Ｅとから、予め定めたマップを用いて触媒床温を求めて
もよいし、あるいは排気温センサ１８の出力を用いても
よい。また、減速時の燃料カット時、アイドル時も触媒
床温は低下するので、燃料噴射タイミング演算における
噴射時間＝０の信号、或いはスロットル弁３０の開度が
所定値以下の信号により、触媒床温が所定温度以下とみ
なしてもよい。
【００１３】ステップ１０２において、触媒床温が所定
温度以上のときは、そのままリターンし、所定温度より
低いときにのみステップ１０４−１２６へと進む。ステ
ップ１０４−１２６はＨＣ増量手段を間欠的に作動せし
めるＨＣ増量手段作動手段を構成する。ステップ１０４
−１２６は、ＨＣ増量手段を一定時間ＯＮとするステッ
プ１０４−１１４と、ＨＣ増量手段を一定時間ＯＦＦと
するステップ１１６−１２６とにわかれる。
【００１４】ステップ１０４において、まずＨＣ増量が
ＯＮされていることを示すフラグであるＨＣＯＮＦＬＡ
Ｇが１（１のときがＨＣ増量ＯＮ）か否かを判定する。
ＨＣＯＮＦＬＡＧが０のとき、すなわち今までＨＣ増量
手段がＯＮになっていないときは、ステップ１０６に進
んで、ＨＣ増量手段をＯＮにしてＨＣの増量を始める。
次いで、ステップ１０８に進んでＨＣＯＮＦＬＡＧを１
とし、かつＨＣ増量手段がＯＦＦされていることを示す
フラグであるＨＣＯＦＦＦＬＡＧを０（１のときがＨＣ
増量停止ＯＮ）とおく。ステップ１０４にてＨＣＯＮＦ
ＬＡＧが１と判定されたときは、そのままＨＣ増量をホ
ールドすればよいから、ステップ１０６、１０８をスキ
ップしてステップ１１０に進む。
【００１５】ステップ１１０ではＨＣ増量がＯＮされて
いる時間をカウントするＨＣＯＮＴＩＭＥを１回の割込
み毎に１づつ増やしていく。これは１種のタイマであ
る。次いでステップ１１２で、カウントアップされた時
間ＨＣＯＮＴＩＭＥが、予め定めた、ＨＣ増量をＯＮ、
ＯＦＦさせるときの１回のＯＮの時間ＴＯＮ（図３参
照）を越えていないか否かを判定する。ステップ１１２
でＨＣＯＮＴＩＭＥがＴＯＮより小だと、ＯＮの状態を
ホールドしてよいからそのままリターンし、ＨＣＯＮＴ
ＩＭＥがＴＯＮ以上になると、ＨＣ増量手段をＯＦＦに
切替えてＴＯＦＦ時間だけＯＦＦにホールドすべく、ス
テップ１１６へと進む。ただし、ステップ１１６に至る
前にステップ１１４にて、ＨＣＯＮＴＩＭＥを０にクリ
アしておく。
【００１６】ステップ１１６において、まずＨＣ増量が
ＯＦＦされていることを示すフラグＨＣＯＦＦＦＡＬＡ
Ｇが１（１のときがＨＣ増量ＯＦＦ）か否かを判定す
る。ＨＣＯＦＦＦＬＡＧが０のとき、すなわち今までＨ
Ｃ増量手段がＯＮになっていたときはステップ１１８に
進んで、ＨＣ増量手段をＯＦＦに切替えてＨＣの増量を
停止する。次いで、ステップ１２０に進んでＨＣＯＦＦ
ＦＬＡＧを１とし、かつＨＣＯＮＦＬＡＧは０とする。
ステップ１１６にて、ＨＣＯＦＦＦＬＡＧが１と判定さ
れたときは、そのままＨＣ増量停止をホールドすればよ
いから、ステップ１１８、１２０をスキップして、ステ
ップ１２２に進む。
【００１７】ステップ１２２では、ＨＣ増量停止の時間
をカウントするＨＣＯＦＦＴＩＭＥを１回の割込み毎に
１づつ増やしていく。これは１種のタイマである。次い
で、ステップ１２４で、カウントアップされた時間ＨＣ
ＯＦＦＴＩＭＥが、予め定めた、ＨＣ増量をＯＮ、ＯＦ
Ｆさせるときの１回のＯＦＦの時間ＴＯＦＦ（図３参
照）を越えていないか否かを判定する。ステップ１２４
でＨＣＯＦＦＴＩＭＥがＴＯＦＦより小だと、ＯＦＦの
状態をホールドしてよいからそのままリターンし、ＨＣ
ＯＦＦＴＩＭＥがＴＯＦＦ以上になると、ＨＣ増量手段
をＯＮに切替えて、再び増量ＯＮを始めるべきだから、
ステップ１０４に戻る。ただし、ステップ１０４に至る
前にステップ１２６にて、ＨＣＯＦＦＴＩＭＥを０とお
いてクリアしておく。
【００１８】図１のルーチンの制御により、ＨＣ増量手
段作動手段（ステップ１０２−１２６）は、ＨＣ増量手
段を、触媒床温低温時に、図３に示す如く、ＴＯＮ時間
だけＯＮさせ、次にＴＯＦＦ時間だけＯＦＦさせること
を、触媒床温が所定温度以上になるまで、繰返す。これ
によって、ＨＣ増量手段は、間欠的にＯＮされる。
【００１９】次に、作用を説明する。リーンＮＯｘ触媒
６は、図４に示すようなＮＯｘ浄化率特性Ａを有する。
高温側（たとえば、５５０℃以上）では、排気中のＨＣ
が直接酸化されて、ＨＣの部分酸化による活性種の生成
量が抑制されるので、ＮＯｘ浄化率が低下し（図４の曲
線Ｃ）、低温側（たとえば、３５０℃以下）では、触媒
自体の活性化が小になるので、ＮＯｘ浄化率が低下する
（図４の曲線Ｄ）。すなわち、リーンＮＯｘ触媒６は或
る一定の温度領域（たとえば、３５０℃−５５０℃）で
のみ、高いＮＯｘ浄化率を示す。従来のリーンＮＯｘ触
媒のＮＯｘ浄化率制御は、高温側でのＮＯｘ浄化率低下
を少しでも軽減するために、高温側でのＨＣ供給量を増
やすか、触媒床温を浄化率がピークを示す温度領域に制
御するか、等の方法によっていた。したがって、本発明
のように、低温時にＨＣを増量させて活性種を生成し、
それを触媒細孔中にホールドして、昇温時にそれを使用
しようとするものはなかった。
【００２０】本発明では、触媒床温判断手段１０２によ
って触媒床温が判断され、触媒床温低温時にはＨＣ増量
手段作動手段１０４−１２６が間欠的にＨＣ増量手段
（たとえば、２６、３２）を作動せしめて排気中のＨＣ
を増量する。この増量されたＨＣはリーンＮＯｘ触媒６
で部分酸化されて活性種となり、触媒中の多数の細孔
（５オングストローム程度の径の細孔）に保持され、そ
こに約数分間停滞する。ＨＣ増量手段作動手段１０４−
１２６により、たとえばＴＯＮ＝３秒間ＨＣ増量手段
（たとえば２６、３２）が作動され、続いてＴＯＦＦ＝
１分間ＨＣ増量が停止されるということを繰り返す。し
たがって、リーンＮＯｘ触媒６の細孔中には、低温時に
ほぼ連続的に、多量の活性種がホールドされている。
【００２１】次に、触媒床温が昇温して、浄化率がピー
クの領域に入ると、それ迄細孔中にホールドされていた
活性種がＮＯｘと効果的に反応してＮＯｘを浄化するの
で、リーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率が、活性種が使い
切られるまで数分間過渡的に高められる。しかも、リー
ンＮＯｘ触媒６の、昇温時のＮＯｘ浄化率Ｄ（図４参
照）が定常時や降温時のＮＯｘ浄化率Ａ（図４参照）に
比べて高い。前記の細孔にホールドされていた活性種
は、昇温状態において使用されていくので、リーンＮＯ
ｘ触媒６のＮＯｘ浄化率はさらに高められることにな
る。さらに、触媒低温時は、実際の車両の運転におい
て、減速時、アイドル時等に生じ、繰返しあらわれ、そ
れからの昇温の度毎に、上記のＮＯｘ浄化率の向上が得
られるので、全体的にみて、リーンＮＯｘ触媒６のＮＯ
ｘ浄化率が向上されることになる。
【００２２】
【発明の効果】本発明によれば次の効果を得る。 イ．ＨＣ増量手段とＨＣ増量手段作動手段とを設けて、
ＨＣ増量作動手段により低温時にＨＣ増量手段を間欠的
に働らかせるようにしたので、ＨＣ増量で多量生成させ
た活性種を触媒細孔にホールドでき、触媒昇温時にＮＯ
ｘ浄化率を過渡的に著しく高めることができる。触媒床
温低温時は車両運転中に繰返しあらわれるので、全体的
にならしてみて、リーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率が大
幅に向上する。 ロ．ＨＣ増量手段作動手段はＨＣ増量手段を、一定時間
ＯＮとしついで一定時間ＯＦＦとすることを繰返して、
間欠的に作動するので、すなわち連続的にＨＣを増量さ
せ続けるものではないので、ＨＣエミッションの悪化や
ＨＣ酸化の発熱による触媒劣化等の問題を本質的に伴う
ことなく、リーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率を高めるこ
とができる。また、リーンバーンとしてのメリット、た
とえば低燃費等もそこなわれない。 ハ．低温域でＨＣ増量手段を働せるので、増量されたＨ
Ｃを有効にＮＯｘ浄化に利用できる。従来のように高温
域でＨＣを補充しても、大部分が直接酸化されてＮＯｘ
浄化に有効に結びつかないという問題が解決される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る内燃機関の排気浄化装
置のＨＣ増量制御ルーチンのフローチャートである。
【図２】本発明の一実施例に係る内燃機関の排気浄化装
置の機器系統図である。
【図３】本発明の一実施例に係る内燃機関の排気浄化装
置におけるＨＣ増量のＯＮ、ＯＦＦ作動図である。
【図４】リーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率対触媒床温特
性図である。
【符号の説明】
２ 内燃機関 ４ 排気系 ６ リーンＮＯｘ触媒 ８ 点火栓 １０ 吸気系 １２ 燃料噴射弁 １４ 吸気圧センサ １６ 吸入空気量センサ １８ 排気温センサ ２０ 制御装置 ２２ クランク角度センサ ２４ 基準クランク角度センサ ２６ ＨＣ源 ２８ ＥＧＲ弁 ３０ スロットル弁 ３２ ＨＣ制御弁

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 排気系にリーンＮＯｘ触媒を備えた内燃
    機関と、 前記リーンＮＯｘ触媒に流入する排気ガス中のＨＣ量を
    増加させることの可能なＨＣ増量手段と、 前記リーンＮＯｘ触媒の触媒床温を判断する触媒床温判
    断手段と、 前記触媒床温判断手段が触媒床温が低温状態にあると判
    断したとき前記ＨＣ増量手段を、一定時間ＯＮとしつい
    で一定時間ＯＦＦとすることを繰返して、間欠的に作動
    させるＨＣ増量手段作動手段と、 から成る内燃機関の排気浄化装置。
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