(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気系に設けられたリーンＮＯx 触媒に還元剤を含んだ排気ガスを通過させることによって排気ガス中のＮＯx を浄化する内燃機関の排気浄化装置において、
該リーンＮＯx 触媒に流入する排気ガスの温度を検出する温度検出手段と、
燃焼によって発生したＮＯx 中のＮＯ量とＮＯ2 量との比であるＮＯx 成分比を変化させることを可能とするＮＯx 成分比可変手段と、
前記温度検出手段によって検出された排気ガス温度が触媒活性温度より低いときにはＮＯ2 量を多くし触媒活性温度より高いときにはＮＯ量を多くするようにＮＯx 成分比を調整すべく前記ＮＯx 成分比可変手段を制御する制御手段と、
を具備し、排気ガス中への還元剤の添加は、第１の軽油添加手段によってなされるとともに、前記ＮＯx 成分比可変手段は、該リーンＮＯx 触媒の上流側に設けられた酸化触媒と、該酸化触媒の上流側に設けられた第２の軽油添加手段と、で構成され、前記制御手段は、排気ガス温度が高いほど該第２の軽油添加手段による軽油添加量を増大させるものであることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
排気系に設けられたリーンＮＯx 触媒に還元剤を含んだ排気ガスを通過させることによって排気ガス中のＮＯx を浄化する内燃機関の排気浄化装置において、
該リーンＮＯx 触媒に流入する排気ガスの温度を検出する温度検出手段と、
燃焼によって発生したＮＯx 中のＮＯ量とＮＯ2 量との比であるＮＯx 成分比を変化させることを可能とするＮＯx 成分比可変手段と、
前記温度検出手段によって検出された排気ガス温度が触媒活性温度より低いときにはＮＯ2 量を多くし触媒活性温度より高いときにはＮＯ量を多くするようにＮＯx 成分比を調整すべく前記ＮＯx 成分比可変手段を制御する制御手段と、
を具備し、該内燃機関はディーゼルエンジンであり、前記ＮＯx 成分比可変手段は該ディーゼルエンジンへの燃料噴射時期を変化させることによって実現されることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気系に設けられたリーンＮＯx 触媒に還元剤を含んだ排気ガスを通過させることによって排気中のＮＯx を浄化する内燃機関（エンジン）の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車の排気ガス浄化技術の進歩が著しい。排気ガス中の有害成分としては、ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）及びＮＯx （窒素酸化物）が挙げられる。多くのエンジンでは、Ｏ2 センサによるフィードバック制御にて理論空燃比での燃焼を達成するとともに三元触媒を使用することにより、排気ガスの浄化率の向上を図っている。三元触媒は、排気ガス中のＨＣ，ＣＯの酸化とＮＯx の還元とを同時に促進するものであり、燃焼せしめられる混合気の空燃比が理論空燃比近傍にあるときに高い浄化率を示す。
【０００３】
しかし、理論空燃比の混合気を燃焼せしめることは、燃料の経済性という観点からみると必ずしも最良であるとは言えない。そのため、ガソリンエンジンにおいてリーンバーン（希薄燃焼）エンジンが開発されるとともに、ディーゼルエンジンの適用範囲が拡大されつつある。ディーゼルエンジンやリーンバーンエンジンでは、リーン混合気が燃焼せしめられるため、排気ガスにおける未反応Ｏ2 の量が多く、通常の三元触媒の作用ではＮＯx の還元が不充分となる。
【０００４】
そこで、リーン状態すなわちＯ2 が過剰に存在する状態にある排気ガス中のＮＯx を還元・浄化することが可能なリーンＮＯx 触媒が使用されている。リーンＮＯx 触媒としては、遷移金属又は貴金属を担持せしめたゼオライト系の触媒が使われることが多い。リーンＮＯx 触媒によるＮＯx 浄化においてはＨＣ等の還元剤の存在が必要であるが、排気ガス中に存在する還元剤の量では不充分であるため、リーンＮＯx 触媒の上流側に還元剤を添加する装置が設けられることが多い。特開平８−４２３２９号公報は、排気系に設けられたリーンＮＯx 触媒に還元剤を含んだ排気ガスを通過させることによって排気中のＮＯx を浄化するそのような排気浄化装置において、さらに上流側に酸化触媒を設けて、ＮＯx の大部分を占めるＮＯを予めＮＯ2 に酸化しておくことでＮＯx の浄化率を向上させようとするものを開示している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
リーンＮＯx 触媒がＮＯx を還元・浄化することができる温度範囲すなわちリーンＮＯx 触媒の温度ウィンドウは、図１に示されるように狭い範囲である。従って、車両走行時のように、触媒に流入する排気ガスの温度（以下、触媒入りガス温度という）が、図２（Ａ）に示されるように急激に変化する状況下では、リーンＮＯx 触媒の温度ウィンドウ内に入っている時間が短く、その結果、図２（Ｂ）に示されるように、ＮＯx 浄化率は低くなる。
【０００６】
図１に示されるＮＯx 浄化率曲線は、ＮＯx の成分中の大部分を占めるＮＯに依存するものである。前記した特開平８−４２３２９号公報に開示される技術は、ＮＯを予めＮＯ2 に酸化しておくことでリーンＮＯx 触媒におけるＮＯx 浄化率を向上させるべく、排気ガスを予め無条件に酸化触媒に導いているが、これは、ＮＯ及びＮＯ2 の浄化温度特性を必ずしも深く考究したものではない。すなわち、リーンＮＯx 触媒が活性化しておりかつＮＯが相対的に少ない状態では、ＮＯがＮＯ2 に酸化せしめられるのに消費されるＯ2 （酸素）が余分に触媒内に存在することになるが、その状態では、この余分なＯ2 と還元剤であるＨＣとの反応が促進され、その結果、ＨＣとＮＯx との反応が抑制されてしまい、ＮＯx 浄化性能が低下するという事態が発生する。従って、そのような状態では、ＮＯをＮＯ2 に酸化することが逆にＮＯx 浄化率を低下させてしまうのである。
【０００７】
かかる実情に鑑み、本発明の目的は、排気系に設けられたリーンＮＯx 触媒に還元剤を含んだ排気ガスを通過させることによって排気ガス中のＮＯx を浄化する内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯ及びＮＯ2 の浄化温度特性を考慮し、温度に応じてＮＯx 成分比を調整してからリーンＮＯx 触媒に導くことにより、ＮＯx 浄化率の向上を図ることにある。ひいては、本発明は、大気汚染防止に寄与することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく案出された、本発明の第１の態様に係る、内燃機関の排気浄化装置は、排気系に設けられたリーンＮＯx 触媒に還元剤を含んだ排気ガスを通過させることによって排気ガス中のＮＯx を浄化する内燃機関の排気浄化装置において、該リーンＮＯx 触媒に流入する排気ガスの温度を検出する温度検出手段と、燃焼によって発生したＮＯx 中のＮＯ量とＮＯ2 量との比であるＮＯx 成分比を変化させることを可能とするＮＯx 成分比可変手段と、前記温度検出手段によって検出された排気ガス温度が触媒活性温度より低いときにはＮＯ2 量を多くし触媒活性温度より高いときにはＮＯ量を多くするようにＮＯx 成分比を調整すべく前記ＮＯx 成分比可変手段を制御する制御手段と、を具備することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の第２の態様に係る、内燃機関の排気浄化装置は、前記第１の態様に係る、内燃機関の排気浄化装置において、排気ガス中への還元剤の添加は、第１の軽油添加手段によってなされるとともに、前記ＮＯx 成分比可変手段は、該リーンＮＯx 触媒の上流側に設けられた酸化触媒と、該酸化触媒の上流側に設けられた第２の軽油添加手段と、で構成され、前記制御手段は、排気ガス温度が高いほど該第２の軽油添加手段による軽油添加量を増大させるものであることを特徴とする。
【００１０】
上述の如く構成された、本発明の第１の態様に係る、内燃機関の排気浄化装置においては、リーンＮＯx 触媒に流入する排気ガスの温度すなわち触媒の温度が活性温度以下のときにはＮＯ2 が触媒に流入し、一方、活性温度以上のときにはＮＯが触媒に流入するため、触媒の温度にかかわらず常に最適なＮＯx 浄化率が得られることとなる。また、本発明の第２の態様に係る排気浄化装置では、酸化触媒においてはＮＯの酸化反応よりもＨＣの酸化反応の方が促進されることが利用されており、ＮＯx 成分比の制御が容易に達成される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
最初に、本発明を案出する上での基となった知見について説明する。図３は、リーンＮＯx 触媒におけるＮＯx 浄化温度特性を、ＮＯx 成分がＮＯの場合及びＮＯ2 の場合について示す図である。この温度特性図に示されるように、低温領域においては、ＮＯ2 を流した場合の方が浄化率が高く、一方、高温領域においては、ＮＯを流した場合の方が浄化率が高くなる。その理由は、以下のように説明される。
【００１３】
まず、リーンＮＯx 触媒におけるＮＯx の還元・浄化メカニズムについては、「ＮＯが触媒上でＮＯ2 に酸化せしめられ、ＮＯ2 とＨＣとが反応中間体を形成し、その反応中間体とＮＯ2 とが反応してＮ2 になる」と考える。低温領域では、触媒が活性状態に入る前であるため、ＮＯのＮＯ2 への酸化反応が進みにくく、それが、ＮＯx 浄化反応を抑制する原因となる。従って、触媒に流入するＮＯx の成分がＮＯ2 であれば、かかる抑制原因が除去されることとなり、ＮＯx 浄化反応が促進されるのである。
【００１４】
一方、高温領域では、触媒が活性状態に入った後であるため、触媒に流入するＮＯx の成分がＮＯであっても、迅速にＮＯ2 へと酸化せしめられるため、低温領域での抑制原因は存在しない。高温領域で問題となるのは、還元剤であるＨＣが何と反応するかである。還元剤ＨＣがＮＯ2 と反応して酸化すれば、ＮＯx が還元・浄化されることとなるが、一方、還元剤ＨＣが触媒上のＯ2 と反応して酸化すれば、ＨＣはＮＯx 浄化に寄与することなく単に燃焼することとなる。従って、ＮＯx の成分がＮＯである場合には、ＮＯが触媒上のＯ2 と反応してＮＯ2 となるため、ＨＣが単に燃焼してしまう確率が低くなる。ところが、ＮＯx の成分がＮＯ2 である場合には、触媒上のＯ2 を奪うことがないため、ＨＣが単に燃焼してしまう確率が高くなる。従って、高温領域では、ＮＯを流した場合の方がＮＯx 浄化率が高くなるのである。
【００１５】
以上の理由から、本発明においては、触媒が完全に活性化する以前はＮＯ2 を触媒に流し、一方、触媒活性化以後はＮＯを触媒に流すようにして、ＮＯx 浄化性能の向上を図るようにしている。以下、具体的に３つの実施形態について説明する。
【００１６】
図４は、本発明の第１実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成図である。符号１はディーゼルエンジン、符号２は分配型燃料噴射ポンプ、符号３は排気通路をそれぞれ示す。排気通路３は、途中で２つの通路３ａ及び３ｂに別れ、再び合流している。そして、排気ガスが通路３ａ又は３ｂのいずれかに導かれるように制御するために排気切替え弁４が設けられている。そして、通路３ａには、ＮＯをＮＯ2 へと酸化せしめるための酸化触媒を収容した触媒コンバータ５が設けられている。
【００１７】
また、排気通路３ａ及び３ｂの合流後の排気通路には、リーンＮＯx 触媒を収容した触媒コンバータ６が設けられている。さらに、排気ガスに還元剤として燃料すなわち軽油（ＨＣ）を添加するために、リーンＮＯx 触媒６の上流側の排気通路と燃料噴射ポンプ２とがＨＣ供給通路７によって連通されるとともに、そのＨＣ供給通路７の途中にはＨＣ添加制御弁８が設けられている。また、リーンＮＯx 触媒６に流入する排気ガスの温度を検出するために、排気温センサ９が設けられている。
【００１８】
排気浄化装置のコントロールユニット１０は、従来の装置と同様にＨＣ添加制御弁８を制御するとともに、排気温センサ９の出力信号（触媒入りガス温度）に応じて排気切替え弁４を制御する。すなわち、触媒入りガス温度が触媒活性温度Ｔac（図３参照）より低いときには、酸化触媒を備えた排気通路３ａ側に排気ガスが導かれるように排気切替え弁４を制御し、一方、触媒入りガス温度が触媒活性温度Ｔacより高いときには、酸化触媒を備えていない排気通路３ｂ側に排気ガスが導かれるように排気切替え弁４を制御する。
【００１９】
このような制御により、触媒が完全に活性化する以前は、排気ガス中のＮＯが酸化せしめられてＮＯ2 となり、リーンＮＯx 触媒に流入する一方、触媒活性化以後は、ＮＯx 成分のうちのほとんどを占めるＮＯがそのままリーンＮＯx 触媒に流入する。そのため、図３に示されるＮＯx 浄化温度特性の観点から、触媒の温度にかかわらず常に最適なＮＯx 浄化率が得られることとなる。
【００２０】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図５は、第２実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成図である。図４の構成要素と同一の構成要素に関しては、同一の符号を付すことにより、その説明を省略する。図５に示されるように、第２実施形態では、排気ガスが必ず酸化触媒５に導かれるとともに、酸化触媒５の上流側の排気通路３に還元剤として燃料すなわち軽油（ＨＣ）を添加することができるように、第２のＨＣ供給通路１１が設けられている。そして、このＨＣ供給通路１１の途中には、コントロールユニット１０がＨＣ添加量を制御するための第２のＨＣ添加制御弁１２が設けられている。
【００２１】
図５の構成では、酸化触媒上流側に添加されるＨＣの量を制御することにより、酸化触媒から流出する排気ガス中のＮＯx 成分比を制御することが可能となる。すなわち、酸化触媒出ガスのＮＯx 成分比は、ＨＣ添加量に応じて図６に示されるよう変化する。これは、ＨＣ添加量を大きくした場合、酸化触媒における酸化反応は、主としてＨＣを対象としたものとなり、ＮＯの酸化反応が抑制されるためである。すなわち、ＨＣの方がＮＯよりも酸化されやすいことによる。こうして、第２実施形態においても、触媒が完全に活性化する以前は、排気ガス中のＮＯを酸化させてＮＯ2 とし、それをリーンＮＯx 触媒に流入させる一方、触媒活性化以後は、ＮＯをそのままリーンＮＯx 触媒に流入させることにより、触媒の温度にかかわらず常に最適なＮＯx 浄化率を得ることができる。しかも、第２実施形態によれば、ＮＯx 成分比の制御が容易に達成される。
【００２２】
最後に、本発明の第３実施形態について説明する。図７は、第３実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成図である。図４の構成要素と同一の構成要素に関しては、同一の符号を付すことにより、その説明を省略する。図７に示されるように、第３実施形態では、第１及び第２実施形態と異なり、酸化触媒の作用に基づくことなく、ＮＯx 成分比の調整が行われる。すなわち、第３実施形態では、ディーゼルエンジン１への燃料噴射時期を変化させることにより、ＮＯx 成分比を調整する。そのため、コントロールユニット１０は、分配型燃料噴射ポンプ２内のタイミングコントロールバルブ（図示せず）を制御することができるようになっている。燃料噴射時期を変えることにより燃焼によって発生するＮＯx の成分比が変わることの理由は、必ずしも明らかになっていないが、定性的に、燃料噴射時期を遅角させるとＮＯ2 の割合が増大することが知られている。そこで、第３実施形態では、触媒入りガス温度に応じて燃料噴射時期を変化させることで、第１及び第２実施形態と同様のＮＯx 成分比の制御が可能となる。
【００２３】
図８は、上述の第１実施形態（曲線Ｃ1 ）、第２実施形態（曲線Ｃ2 ）及び第３実施形態（曲線Ｃ3 ）による制御を行った場合のＮＯx 浄化温度特性を、ＮＯx 成分比を特に制御しない従来制御の場合のＮＯx 浄化温度特性（曲線Ｃ0 ）と比較して示す図である。この図に示されるように、本発明によれば、触媒が活性化していない低温領域においてＮＯx 浄化率がかなり向上するとともに、触媒が活性化している高温領域においても第１及び第３実施形態ではＮＯx 浄化率の向上が図られる。
【００２４】
以上、本発明の実施形態について述べてきたが、もちろん本発明はこれに限定されるものではなく、様々な実施形態を案出することは当業者にとって容易なことであろう。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、排気系に設けられたリーンＮＯx 触媒に還元剤を含んだ排気ガスを通過させることによって排気ガス中のＮＯx を浄化する内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯ及びＮＯ2 の浄化温度特性を考慮し、温度に応じてＮＯx 成分比を調整してからリーンＮＯx 触媒に導くことにより、ＮＯx 浄化率の向上が図られる。ひいては、本発明は、大気汚染防止に寄与するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】リーンＮＯx 触媒によるＮＯx 浄化率の温度特性を示す図である。
【図２】車両走行時において時間の変化に応じて触媒入りガス温度（Ａ）及びＮＯx 浄化率（Ｂ）がどのように変化するかを例示する図である。
【図３】リーンＮＯx 触媒におけるＮＯx 浄化温度特性を、ＮＯx 成分がＮＯの場合及びＮＯ2 の場合について示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成図である。
【図６】ＨＣ添加量と酸化触媒出ガスＮＯx 成分比との関係を示す特性図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成図である。
【図８】第１実施形態（曲線Ｃ1 ）、第２実施形態（曲線Ｃ2 ）及び第３実施形態（曲線Ｃ3 ）による制御を行った場合のＮＯx 浄化温度特性を、ＮＯx 成分比を特に制御しない従来制御の場合のＮＯx 浄化温度特性（曲線Ｃ0 ）と比較して示す図である。
【符号の説明】
１…ディーゼルエンジン
２…分配型燃料噴射ポンプ
３，３ａ，３ｂ…排気通路
４…排気切替え弁
５…酸化触媒を収容した触媒コンバータ
６…リーンＮＯx 触媒を収容した触媒コンバータ
７…ＨＣ供給通路
８…ＨＣ添加制御弁
９…排気温センサ
１０…コントロールユニット
１１…第２のＨＣ供給通路
１２…第２のＨＣ添加制御弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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