(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられ、空燃比がリーンのとき排気ガス中のＮＯx を吸着するとともに、空燃比が理論空燃比若しくはリッチのとき吸着したＮＯx を放出するＮＯx 吸着材と、
前記排気通路から分岐して前記ＮＯx 吸着材を迂回し、再び前記排気通路に合流するバイパス通路と、
前記排気通路と前記バイパス通路との合流部に設けられ、前記内燃機関の運転状態に応じて、排気ガスの流れを前記排気通路若しくは前記バイパス通路に切り替える切替弁と、
前記排気通路の前記ＮＯx 吸着材の下流側であって前記切替弁の上流側から排気ガスを取り出し、当該排気ガスを前記内燃機関の吸気通路へ還流させる排気還流手段と、を備え、
空燃比がリーンのとき前記ＮＯx 吸着材に排気ガスを導くとともに、空燃比が理論空燃比若しくはリッチのとき、前記バイパス通路を通過する排気ガスの流れ以外に、前記排気通路に入り前記ＮＯx 吸着材を通過して前記排気還流手段によって前記内燃機関の吸気通路に戻る排気ガスの別の流れができるように、前記切替弁を制御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、リーンバーン内燃機関の排気系に、リーン空燃比時に排気ガス中のＮＯx を吸着する一方、理論空燃比（以下、ストイキともいう）又はリッチ空燃比時に吸着したＮＯx を放出するＮＯx 吸着材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】
燃費を向上させるために、リーン空燃比領域で燃焼させる、いわゆるリーンバーン内燃機関の実用化が進んでいる。空燃比がストイキよりも大きいリーン空燃比領域においては、従来の三元触媒では排気ガス中のＮＯx を浄化できないことから、リーン空燃比領域であってもＮＯx を浄化できる触媒が、例えば特開平３−２２５，０１３号公報にて提案されている。この種のリーンＮＯx 触媒は、遷移金属あるいは貴金属を担持したゼオライトからなり、内燃機関の排気通路に設けられて、酸化雰囲気中、ＨＣの存在下で、排気ガス中のＮＯx を還元する。
【０００３】
リーンＮＯx 触媒は、還元雰囲気、すなわちリッチ空燃比領域に置かれると、劣化が進行するので、上記公報に開示されたものでは、排気通路から分岐してリーンＮＯx 触媒を迂回させるバイパス通路を設け、リッチ空燃比時には、排気ガスをバイパス通路に流し、これによりリーンＮＯx 触媒の劣化防止が図られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、排気ガス中のＮＯx を浄化する手段として、上述した還元触媒タイプのリーンＮＯx 触媒に代えて、ＮＯx を吸着するタイプのＮＯx 吸着材を用いる試みがなされている。すなわち、この種のＮＯx 吸着材は、排気ガスの酸素濃度が高い時、すなわちリーン空燃比時には、排気ガス中のＮＯx を吸着する一方で、排気ガスの酸素濃度が低い時、すなわちストイキ又はリッチ空燃比時には、既に吸着したＮＯx を最終的にＮ2 に変化させて放出するものである。
【０００５】
このようなＮＯx 吸着材にあっては、ストイキ又はリッチ空燃比時には、リーン空燃比時に比べて排気ガスの温度が高いため、ＮＯx 吸着材が高温の排気ガスに触れると、熱劣化するといった問題がある。このため、上記公報に開示された排気通路のバイパス構造を利用し、排気通路からＮＯx 吸着材を迂回するバイパス通路を設け、リーン空燃比時には、排気通路内のＮＯx 吸着材に排気ガスを導く一方で、ストイキ又はリッチ空燃比時には、バイパス通路に排気ガスを導くようにしている。これにより、ストイキ又はリッチ空燃比時におけるＮＯx 吸着材の熱劣化が防止される。
【０００６】
しかしながら、ストイキ又はリッチ空燃比時に、排気ガスがバイパス通路を流れた場合、酸素濃度が低い排気ガスはＮＯx 吸着材に触れないため、ＮＯx 吸着材の熱劣化は防止されるものの、既に吸着したＮＯx を放出することはできない。したがって、この状態からリーン空燃比に切り替わり、ＮＯx 吸着量が吸着能力の限界に達してしまうと、その後のＮＯx は吸着できずに大気に放出されることになる。
【０００７】
本発明は、ストイキ又はリッチ空燃比時にはＮＯx 吸着材を熱劣化させることなくＮＯx 吸着材からＮＯx を効率的に放出でき、リーン空燃比時における排気性能を良好に維持できる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、
内燃機関の排気通路に設けられ、空燃比がリーンのとき排気ガス中のＮＯx を吸着するとともに、空燃比が理論空燃比若しくはリッチのとき吸着したＮＯx を放出するＮＯx 吸着材と、
前記排気通路から分岐して前記ＮＯx 吸着材を迂回し、再び前記排気通路に合流するバイパス通路と、
前記排気通路と前記バイパス通路との合流部に設けられ、前記内燃機関の運転状態に応じて、排気ガスの流れを前記排気通路若しくは前記バイパス通路に切り替える切替弁と、
前記排気通路の前記ＮＯx 吸着材の下流側であって前記切替弁の上流側から排気ガスを取り出し、当該排気ガスを前記内燃機関の吸気通路へ還流させる排気還流手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、空燃比がリーンのときＮＯx 吸着材に排気ガスを導くとともに、空燃比がストイキ若しくはリッチのときＮＯx 吸着材を迂回するように、前記切替弁を制御することを特徴とする。
【００１０】
本発明の内燃機関の排気浄化装置では、排気通路のＮＯx 吸着材の下流側であって切替弁の上流側から、排気ガスを取り出し、当該排気ガスを内燃機関の吸気通路へ還流させる排気還流手段が設けられているので、理論空燃比又はリッチ空燃比時には、バイパス通路を流れて大気に出ていく排気ガスの流れ以外に、排気通路に入りＮＯx 吸着材を通過して吸気通路に戻る排気ガスの別の流れ（排気還流）ができる。
【００１１】
この排気還流は、空燃比が理論空燃比又はリッチのものであり、酸素濃度が低いため、この排気還流により、既にＮＯx 吸着材に吸着されているＮＯx を放出することができる。このとき、排気還流は、空燃比が理論空燃比又はリッチであり、温度が比較的高かったとしても、排気還流の流量が比較的少量であるため、ＮＯx 吸着材が熱劣化することは殆どない。したがって、理論空燃比又はリッチ空燃比時にＮＯx 吸着材を熱劣化させることなく、ＮＯx 吸着材からＮＯx を効率的に放出させることができ、リーン空燃比おける排気性能を良好に維持することができる。
【００１２】
【発明の効果】
本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、ストイキ又はリッチ空燃比時にＮＯx 吸着材を熱劣化することなくＮＯx 吸着材からＮＯx を放出させているため、ＮＯx 吸着材の吸着及び放出作用を効率的に行うことができ、リーン空燃比時における排気性能を良好に維持できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の内燃機関の排気浄化装置の実施形態を示す機器系統図であり、同図に示されるように、ガソリン機関又はディーゼル機関のリーンバーン内燃機関１は、燃料噴射量や点火時期等に関してＥＣＵ２が電子制御するようになっている。内燃機関１の吸気通路３には、上流にエアフローメータ４が配置してあり、このエアフローメータ４により検出した吸気ガス流量値は、ＥＣＵ２に入力するようにしてある。エアフローメータ４の下流に、スロットル弁５が設けてあり、このスロットル弁５の開度はスロットル開度センサ６により検出してＥＣＵ２に入力するようにしてある。スロットル弁５の下流には、排気還流弁（ＥＧＲ弁）７が設けてあり、後述する排気還流通路１５から弁開度に応じた流量の排気ガスを吸気通路３に還流するようにしてある。このＥＧＲ弁７は、内燃機関１の運転状態に応じてＥＣＵ２が算出した弁開度の指令に基づいてアクチュエータ８（たとえばステップモータ）により駆動するようにしてある。
【００１４】
内燃機関１の排気系には、排気直後の排気ガスの酸素濃度を検出する０2 センサ９が設けてあり、検出した酸素濃度値はＥＣＵ２に入力するようにしてある。このＯ2 センサ９の下流には、排気通路１０と、この排気通路１０をバイパスするバイパス通路１１とが設けてある。排気通路１０内には、リーン空燃比時排気ガス中のＮＯx を吸着しストイキ又はリッチ空燃比時既に吸着したＮＯx を放出するＮＯx 吸着材１４が配置してある。このＮＯx 吸着材１４の吸放出作用については後述する。さらに、両通路１０，１１下流の合流部には、これらを切替える切替弁１２が配置してある。この切替弁１２は、ＥＣＵ２の指令に基づいてアクチュエータ１３により駆動するようにしてあり、リーン空燃比時、排気通路１０内のＮＯx 吸着材１４に排気ガスを導き、ストイキ又はリッチ空燃比時、バイパス通路１１に排気ガスを導き、ＮＯx 吸着材１４を迂回するように切り替わるようになっている。
【００１５】
排気通路１０のＮＯx 吸着材１４の下流には、排気ガスを取り出して吸気通路３のＥＧＲ弁７に還流する排気還流通路１５が設けてある。この排気還流通路１５の入口１６は、排気通路１０のＮＯx 吸着材１４の下流側であって且つ切替弁１２の上流側に位置させてある。これにより、ストイキ又はリッチ空燃比時、バイパス通路１１を流れて大気に出ていく排気ガスの流れ以外に、排気通路１０に入りＮＯx 吸着材１４を通過して排気還流通路１５に浸入して吸気通路３に戻る排気ガスの別途の流れ（排気還流）ができる。
【００１６】
さらに、ＮＯx 吸着材１４の下流には、排気ガスを浄化する三元触媒１７が配置してある。この三元触媒１７がＮＯx 吸着材１４の下流側に位置させてあるのは、リーン空燃比の排気ガスはストイキ空燃比の排気ガスより温度が低く、ＮＯx 吸着材１４の温度要求を満足させるためである。さらに、内燃機関１には、クランク角度を検出してＥＣＵ２に入力するためのクランク角度検出センサ１８が設けてある。
【００１７】
上記ＮＯx 吸着材１４の吸放出作用を説明する。ＮＯx 吸着材１４を排気通路１０内に配置すれば、ＮＯx 吸着材１４は、実際にＮＯx 吸放出作用を行うが、この吸放出作用の詳細なメカニズムについては明らかでない部分もある。しかし、この吸放出作用は図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る。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。
【００１８】
流入排気ガスが、かなりリーンになると流入排気ガス中の酸素濃度が大幅に増大し、図２（Ａ）に示すように、これら酸素Ｏ2 がＯ2-の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、流入排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面上でＯ2-と反応し、ＮＯ2 となる（２ＮＯ＋Ｏ2 →２ＮＯ2 ）。次いで生成されたＮＯ2 の一部は白金Ｐｔ上で更に酸化されつつ吸着材内に吸着されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら、図２（Ａ）に示すように硝酸イオンＮＯ3-の形で吸着材内に拡散する。このようにしてＮＯx がＮＯx 吸着材１４内に吸着される。
【００１９】
流入排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔの表面でＮＯ2 が生成され、吸着材のＮＯx 吸着能力が飽和しない限りＮＯ2 が吸着材内に吸着されて硝酸イオンＮＯ3-が生成される。これに対して流入排気ガス中の酸素濃度が低下してＮＯ2 の生成量が低下すると反応が逆方向（ＮＯ3-→ＮＯ2 ）に進み、斯くして吸着材内の硝酸イオンＮＯ3-がＮＯ2 の形で吸着材から放出される。即ち、流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると、ＮＯx 吸着材１４からＮＯx が放出されることになる。
【００２０】
次に、図３乃至図７に示すフローチャートを参照して、本実施の形態の作用を説明する。
図３に示すように、ステップＳ１では、エアフローメータ４、スロットル開度センサ６、０2 センサ９、及びクランク角度検出センサ１８の各検出値をＥＣＵ２に読込む。
【００２１】
ステップＳ２では、図４に示すサブルーチンの処理を行う。ステップＳ２１で、エアフローメータ４の検出値に基づいて吸入空気量Ｑを算出し、ステップＳ２２で、クランク角度検出センサ１８の検出値に基づいてエンジン回転数Ｎを算出する。次いで、ステップＳ２３では、これらの情報に基づいて、基本燃料噴射量Ｔp（＝ｋ×Ｑ／Ｎ  但し、ｋは定数）を算出し、ステップＳ２４で、基本点火時期ＢＡＤＶをルックアップする。
【００２２】
ステップＳ３では、定常運転か否かを判定する。スロットル開度変化率△ＴＶＯが、△ＴＶＯ＞βならば、急加減速であり、非定常運転であるため、ＹＥＳに進み、ステップＳ６へジャンプする。但し、βは、例えば２０°／ｓである。△ＴＶＯ＜βならば、ほぼ定常運転であり、ＮＯとしてステップＳ４に進む。
【００２３】
ステップＳ４では、リーン運転状態か否かを判定する。基本燃料噴射量Ｔp＞αならば、高負荷運転であるため、ＹＥＳとしてステップＳ６に進む。但し、αは、例えば５．０ｍｓである。Ｔp＜αならば、軽負荷運転（リーン運転）であるため、ＮＯとしてステップ５に進む。
【００２４】
ステップＳ５及びＳ６では、ＦＬＥＡＮは、排気通路１０とバイパス通路１１とを切替える切替弁１２の切替動作に対応しており、ＦＬＥＡＮ＝１では、リーン運転時であり、排気通路１０が開成し、ＦＬＥＡＮ＝０では、ストイキ又はリッチ運転時であり、バイパス通路１１が開成する。
【００２５】
ステップＳ７では、図５に示すサブルーチンの処理を行う。ステップＳ７１では、リーン時燃料噴射量ＬＴp をルックアップし、ステップＳ７２では、リーン時点火時期ＬＡＤＶをルックアップする。なお、図８に、リーン時燃料噴射量ＬＴp マップの概略図を示し、図９に、リーン時点火時期ＬＡＤＶマップの概略図を示す。
【００２６】
ステップＳ８では、図６に示すサブルーチンの処理を行う。ステップＳ８１では、ステップＳ５及びＳ６におけるＦＬＥＡＮを読込み、ステップＳ８２で、ＦＬＥＡＮが１か０かを判定する。ＦＬＥＡＮ＝１の場合には、リーン運転状態であり、ステップＳ８３に進み、排気通路１０を開成するように切替弁１２を制御する。ＦＬＥＡＮ＝０の場合には、ストイキ又はリッチ運転状態であり、ステップＳ８４に進み、バイパス通路１１を開成するように切替弁１２を制御する。
【００２７】
ステップＳ９では、図７に示すサブルーチンの処理を行い、排気還流率（ＥＧＲ率）に応じたＥＧＲ弁７の開度を算出する。すなわち、ステップＳ９１では、ステップＳ５及びＳ６におけるＦＬＥＡＮを読込み、ステップＳ９２で、ＦＬＥＡＮが１か０かを判定する。ＦＬＥＡＮ＝１の場合には、リーン運転状態であり、ステップＳ９３に進み、ＥＧＲ弁７を全閉するように制御する。ＦＬＥＡＮ＝０の場合には、ストイキ又はリッチ運転状態であり、ステップ９４に進み、ＥＧＲ弁７の開度をルックアップする。なお、図１０に、各運転条件におけるＥＧＲ流量マップを示す。
【００２８】
ステップＳ１０では、インジェクタに燃料噴射量の信号を、点火プラグに点火時期を、ＥＧＲ弁にＥＧＲ弁開度信号をＥＣＵ２からそれぞれ出力する。
【００２９】
このように、本実施の形態では、リーン運転時には、切替弁１２が排気通路１０を開成するように切替え、排気ガスが排気通路１０内のＮＯx 吸着材１４を通過するようになっているため、排気ガス中のＮＯx はこのＮＯx 吸着材１４が吸着し、排気ガス中のＮＯx 以外のＨＣ，ＣＯ等の成分は、下流側の三元触媒１７が浄化する。
【００３０】
次いで、ストイキ又はリッチ運転に切替わった時には、切替弁１２がバイパス通路１１を開成するように切替え、排気ガスはバイパス通路１１を通過してＮＯx 吸着材１４を迂回する。この時、ＥＧＲ弁７がＥＧＲ率に応じた開度で開成し、バイパス通路１１を通過する排気ガスの流れ以外に、排気通路１０に入りＮＯx 吸着材１４を通過して排気還流通路１５に浸入して吸気通路３に戻る排気ガスの別の流れ（排気還流）ができる。この排気還流は、空燃比がストイキ又はリッチのものであり、酸素濃度が低いため、この排気還流により、既にＮＯx 吸着材に吸着したＮＯx を放出することができる。この際、排気還流は空燃比がストイキ又はリッチであり、温度が比較的高かったとしても、排気還流の流量は比較的少量であるため、ＮＯx 吸着材が劣化することは殆どない。従って、ＮＯx 吸着材１４を熱劣化することなくＮＯx を効果的に放出することができる。
【００３１】
なお、ストイキ又はリッチ運転時には、排気ガス中のＮＯx 、ＣＯ、及びＨＣは、三元触媒１７が浄化する。
【００３２】
また、ストイキ又はリッチ運転時であっても、高負荷高回転の運転時には、ＥＧＲ弁７を閉成して排気還流が流れないようにし、高負荷高回転時における非常に高温の排気ガスをＮＯx 吸着材１４に全く導かないようにし、ＮＯx 吸着材１４の熱劣化を防止している。
【００３３】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置の機器系統図である。
【図２】ＮＯx 吸着材の吸着及び放出作用を示す模式図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置のメインルーチンのフローチャートである。
【図４】基本燃料噴射量等を算出するステップＳ２サブルーチンのフローチャートである。
【図５】リーン時における燃料噴射量等を算出するステップＳ７サブルーチンのフローチャートである。
【図６】排気通路を切替えるステップＳ８サブルーチンのフローチャートである。
【図７】ＥＧＲ弁開度を算出するステップＳ９のサブルーチンのフローチャートである。
【図８】リーン時燃料噴射量ＬＴp マップの概略図である。
【図９】リーン時点火時期ＬＡＤＶマップの概略図である。
【図１０】各運転条件におけるＥＧＲ流量マップである。
【符号の説明】
１…内燃機関
３…吸気通路
７…ＥＧＲ弁
１０…排気通路
１１…バイパス通路
１２…切替弁
１４…ＮＯx吸着材
１５…排気還流通路
１６…排気還流通路の入口
【図１】
0003684730.tif 000002
【図２】
0003684730.tif 000003
【図３】
0003684730.tif 000004
【図４】
0003684730.tif 000005
【図５】
0003684730.tif 000006
【図６】
0003684730.tif 000007
【図７】
0003684730.tif 000008
【図８】
0003684730.tif 000009
【図９】
0003684730.tif 000010
【図１０】
0003684730.tif 000011