(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮天然ガスを燃料とし、理論空燃比よりリーン側の空燃比を含む空燃比領域で運転される内燃機関の排気浄化装置であって、排気通路のマニホールド部直下位置に介装され、排気中に含まれる少なくともメタンを酸化する第１の触媒と、排気通路の前記第１の触媒の下流側に介装され、流入した排気の空燃比に応じて該流入した排気中に含まれるＮＯｘをトラップするか又は放出する第２の触媒と、を含んで構成され、
前記第１の触媒は、この内燃機関のリーン空燃比運転時におけるメタン排出量に対する目標浄化率がこの触媒により単独で得られる容量を有することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記第１の触媒の容量が機関排気量の０．５〜１．０倍に設定されていることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記第２の触媒の容量が機関排気量の０．５〜１．２倍に設定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記第２の触媒にトラップされているＮＯｘを放出すべきか否かを判定するＮＯｘ放出判定手段と、該ＮＯｘ放出判定手段によって前記トラップされているＮＯｘを放出すべきと判定されたときに空燃比を理論空燃比よりリッチ側に制御する空燃比制御手段と、を含んで構成されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の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、内燃機関の排気浄化装置に関する。より詳細には、圧縮天然ガスを燃料とする内燃機関（ＣＮＧ機関）において、排気通路に触媒を介装して排気を浄化する排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）を燃料とし、理論空燃比よりリーンな空燃比で運転するリーン燃焼ＣＮＧ機関が開発されている（特開平８−２９６４３３号公報参照）。この内燃機関では、排気の浄化のため、排気中に含まれるＨＣ（炭化水素）を酸化浄化する触媒を用いるとともに、ＮＯｘ（窒素酸化物）の生成量自体が少ない空燃比領域（空気過剰率で１．５〜１．７の範囲）で運転することによってＮＯｘの放出量を低減している。しかし、このものでは、生成されたＮＯｘを後処理で浄化するための手段が設けられていないため、少量とはいえ、生成されたＮＯｘが大気中に放出されてしまう。上記のリーンな空燃比領域にあっては、一般的な三元触媒を用いてＮＯｘを満足に還元浄化することはできない。
【０００３】
このようなリーンな空燃比領域においても排気中に含まれるＮＯｘを後処理で除去しうる技術として、排気通路にＮＯｘ吸収剤を介装する方法がある（特許第２６００４９２号公報参照）。このＮＯｘ吸収剤は、排気の空燃比が理論空燃比よりリーン側にあるときに排気中に含まれるＮＯｘを吸収し、さらに、排気中の酸素濃度が必要に応じて低下せしめられると、吸収されているＮＯｘを放出するものである。そして、放出されたＮＯｘは、排気中に含まれる未燃焼成分（ＨＣ，ＣＯ）によって還元浄化される。
【０００４】
このＮＯｘ吸収剤を上記のようなリーン燃焼ＣＮＧ機関に適用すれば、生成されたＮＯｘを除去することができる。また、ＮＯｘ吸収剤は一般に白金系貴金属を担持しているので、リーン燃焼時には、ＨＣを酸化浄化しつつＮＯｘを除去することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この方法では、次のような問題がある。
ＣＮＧ機関において生成されるＨＣの殆どはメタン（ＣＨ４）であることが知られているが、メタンは非常に安定した分子であるため、触媒を用いてこれを酸化するには、排気と触媒とを高温で接触させる必要がある。これに反し、上記のＮＯｘ吸収剤は、高温になるとＮＯｘ吸収能力が低下するという性質があることから比較的低温に保つ必要がある。
【０００６】
このように、白金系貴金属を担持しているとはいえ、ＮＯｘ吸収剤を単に排気通路に介装しただけでは、ＮＯｘの除去とメタンの酸化とを両立させることが困難である。
【０００７】
かかる実情に鑑み、本発明は、圧縮天然ガスを燃料とし、理論空燃比よりリーン側の空燃比を含む空燃比領域で運転されるリーン燃焼機関において、メタンを含むＨＣの浄化とＮＯｘの浄化とを両立させて排気を浄化することが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】
このため、請求項１に係る発明は、圧縮天然ガスを燃料とし、理論空燃比よりリーン側の空燃比を含む空燃比領域で運転される内燃機関の排気浄化装置であって、排気通路のマニホールド部直下位置に介装され、排気中に含まれる少なくともメタンを酸化する第１の触媒と、排気通路の前記第１の触媒の下流側に介装され、流入した排気の空燃比に応じて該流入した排気中に含まれるＮＯｘをトラップするか又は放出する第２の触媒と、を含んで構成され、前記第１の触媒は、この内燃機関のリーン空燃比運転時におけるメタン排出量に対する目標浄化率がこの触媒により単独で得られる容量を有することを特徴とする。
【０００９】
かかる構成によれば、第１の触媒は、マニホールド部直下位置にあって高温の排気と接触するため、高温に保たれて酸化作用が促進される。一方、第２の触媒は、比較的低温に保たれてＮＯｘトラップ作用が良好に維持される。ここで、第１の触媒は、リーン燃焼時におけるメタン排出量に対する目標浄化率がこの触媒により単独で得られる容量を有し、リーン燃焼時では、第１の触媒において排気中の少なくともメタンが効率よく酸化浄化されるとともに、第２の触媒において排気中のＮＯｘがトラップされて除去される。さらに、第２の触媒にトラップされているＮＯｘは空燃比に応じて放出されることとなるが、この放出されたＮＯｘは、第１の触媒において少なくともメタンが酸化されて該第１の触媒を通過した排気中に含まれる還元剤成分と反応して、還元浄化される。
【００１０】
請求項２に係る発明は、前記第１の触媒の容量が機関排気量の０．５〜１．０倍に設定されていることを特徴とする。
すなわち、リーン燃焼時におけるメタンの最大放出量に対して要求される第１の触媒のメタン浄化能力と、ＮＯｘが放出されるときに第１の触媒を通過して放出されたＮＯｘの還元に寄与すべき還元剤成分の通過量を確保しつつメタンを酸化するために要求されるメタン浄化能力と、を共に満たすべく、第１の触媒の容量を機関排気量の０．５〜１．０倍に設定するのである。
【００１１】
請求項３に係る発明によれば、前記第２の触媒の容量が機関排気量の０．５〜１．２倍に設定されていることを特徴とする。
すなわち、機関運転領域全体に対して要求される第２の触媒によるＮＯｘ浄化効率を確保するために必要な容量のみを用いるべく、第２の触媒の容量を機関排気量の０．５〜１．２倍に設定するのである。
【００１２】
請求項４に係る発明は、前記第２の触媒にトラップされているＮＯｘを放出すべきか否かを判定するＮＯｘ放出判定手段と、前記ＮＯｘ放出判定手段によって前記トラップされているＮＯｘを放出すべきと判定されたときに空燃比を理論空燃比よりリッチ側に制御する空燃比制御手段と、を含んで構成されることを特徴とする。
【００１３】
かかる構成によれば、前記第２の触媒は、少なくとも前記空燃比制御手段によって空燃比が理論空燃比よりリッチ側に制御されたときに、トラップされているＮＯｘを放出することとなる。
【００１４】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、圧縮天然ガスを燃料とし、理論空燃比よりリーン側の空燃比を含む空燃比領域で運転されるリーン燃焼機関において、メタンの酸化とＮＯｘの除去（トラップ）とを両立させて排気を浄化できる。
【００１５】
請求項２に係る発明によれば、メタンの浄化率を良好に維持しつつＮＯｘを確実に還元できる。
請求項３に係る発明によれば、むだな第２の触媒の使用を回避できる。
【００１６】
請求項４に係る発明によれば、第２の触媒のＮＯｘトラップ量を制御してそのＮＯｘトラップ能力を良好に維持することができるため、ＮＯｘを確実に除去（トラップ）して排気を浄化できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関であるＣＮＧ機関Ｅの構成を概略示したものである。機関Ｅの吸気通路１には、空気中に含まれるダストを除去するエアクリーナ１１を介した空気の流量（吸入空気量）を検出するエアフロメータ１２、及びアクセルペダル６１と連動して吸入空気量を制御するスロットル弁１３が設けられ、さらに、マニホールド部の各分岐通路内には、機関Ｅの負荷に応じて開度が調節されるようにしたスワール制御弁１４及び燃料供給装置としての電磁駆動式インジェクタ１５が設けられている。
【００１８】
各インジェクタ１５は、後述する電子制御ユニット４１からの電気信号に応じて駆動され、燃料タンク５１からの燃料（ＣＮＧ）を各気筒毎に噴射供給する。燃料タンク５１からの燃料は、圧力調節器５２において所定の圧力に減圧された後、燃料供給通路５３を介して各インジェクタ１５に供給される。なお、２つの遮断弁５４は、機関Ｅの運転が停止されたときに燃料タンク５１と燃料供給通路５３との間を遮断する。
【００１９】
また、吸気通路１のマニホールド部の各分岐通路は、各気筒の一側において燃焼室２１に通じており、各燃焼室２１の略中央には、導入された混合気に点火する点火プラグ２２が設けられている。
【００２０】
一方、排気通路３には、本発明に係る第１の触媒３１を内蔵する第１の触媒コンバータ３２、及び本発明に係る第２の触媒３３を内蔵する第２の触媒コンバータ３４が設けられている。
【００２１】
第１の触媒３１は、白金系貴金属（Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ）を少なくとも１種担持しており、排気の温度が高温に保たれるマニホールド部直下位置に配置されている。そして、機関運転時には、第１の触媒３１は高温の排気と接触して高温に維持され、メタンを含むＨＣが効率よく酸化される。
【００２２】
一方、第２の触媒３３はＮＯｘトラップ触媒であり、排気が高温となる運転状態が継続した場合にあってもＮＯｘトラップ能力が良好に維持されるような下流側位置（例えば、第２の触媒３３の温度が５００℃以下に維持される位置）に配置される。そして、機関運転時には、第２の触媒３３は常に比較的低温に保たれ、リーン燃焼時において排気中のＮＯｘがトラップされる。
【００２３】
トラップされたＮＯｘは、空燃比に応じて第２の触媒３３から放出される。この第２の触媒３３からのＮＯｘ放出作用は、リッチ燃焼時において効率よく行われる。一方、リッチ燃焼時では、排気中にＨＣの他相当量のＣＯ（一酸化炭素）も含まれており、これらの未燃焼成分は、第１の触媒３１で完全には酸化されずに第１の触媒３１を通過することとなる。そして、通過した成分は、排気中のＮＯｘ及び第２の触媒３３から放出されたＮＯｘと反応し、これらを還元する。
【００２４】
従って、第１の触媒３１は、運転中最もメタンの排出量が多くなる条件下においても十分なメタン酸化能力を有する必要があるためその容量は可能な限り大きくすべきであるが、第１の触媒３１が過大な容量に設定されていると、リッチ燃焼時に排出される未燃焼成分が殆ど第１の触媒３１で酸化されてしまい、第２の触媒３３に到達して放出されたＮＯｘの還元に寄与すべき還元剤成分が不足することとなる。その結果、ＮＯｘの浄化効率が低下する。
【００２５】
これらの知見に基づき、第１の触媒３１の最適容量を実験によって求めた結果を図２に示す。この図では、第１の触媒３１の容量（機関排気量（Ｌ）に対する割合）を、ＨＣ浄化率と還元成分到達率とによって評価している。ＨＣ浄化率は、下式（１）によって算出されるものであり、ＨＣ量はメタンを含む全ての炭化水素の量を示し、リーン空燃比運転時における平均値をとっている。また、還元成分到達率は、下式（２）によって算出されるものであり、リッチ空燃比運転時における平均値をとっている。
【００２６】
0003622612.tif 000002
図２から明らかなように、第１の触媒３１の容量は、ＨＣ浄化率からは機関排気量の５０％以上とするのが好ましく、還元成分到達率からは機関排気量の１００％以下とするのがよい。そこで、本実施形態では、第１の触媒３１の容量は、機関排気量の７０％（例えば、機関排気量１．８Ｌに対して第１の触媒容量１．３Ｌ）に設定されている。
【００２７】
また、第２の触媒３３については、ある値まではその容量を大きくするほどＮＯｘの浄化効率が高くなるものの、その値を超えると、容量の増大による効果が頭打ちとなる。図３は、第２の触媒３３の容量とＮＯｘの浄化効率との関係を表しており、同図から、第２の触媒３３の容量は、機関排気量（Ｌ）の５０％から１２０％の範囲内であるのが好ましい。そこで、本実施形態では、第２の触媒３３の容量は、機関排気量の９０％に設定されている。
【００２８】
図１の説明に戻ると、電子制御ユニット（ＥＣＵ）４１は、吸入空気量の他クランク角センサ７１からの信号に基づいて算出される機関回転数を用いて、以下に示すように機関Ｅの燃焼空燃比を制御する。
【００２９】
図４は、電子制御ユニット４１による制御の流れを概略示している。
電子制御ユニット４１は、この制御を１０ｍｓ毎に実行する。Ｓ１において各種検出値を読み込んだ後、Ｓ２において基本燃料噴射量Ｔｐを算出する。基本燃料噴射量Ｔｐは、理論空燃比に相当する燃料量であり、吸入空気量Ｑａ及び機関回転数Ｎｅに基づいて下式（３）によって算出される。Κは、定数である。
【００３０】
Ｔｐ＝Ｋ×Ｑａ／Ｎｅ  ・・・（３）
続くＳ３では、後述するＮＯｘ放出制御ルーチンの結果に基づいて、ＮＯｘ放出条件が成立しているか否かを判定する。ＮＯｘ放出条件が成立していれば（Ｆｎｏｘ  ＝１）、第２の触媒３３にトラップされているＮＯｘを放出し及び還元すべく、Ｓ４に進んで目標当量比Ｔｆｂｙａを、機関Ｅの燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチ側にするために予め定められた定数Ｔｒｉｃｈ（Ｔｒｉｃｈ＞１．０）に設定する。一方、ＮＯｘ放出条件が成立していなければ（Ｆｎｏｘ  ≠１）、機関Ｅの燃焼空燃比を機関運転状態に応じた空燃比とすべく、Ｓ５に進んで目標当量比Ｔｆｂｙａを、機関負荷Ｔｐ及び機関回転数Ｎｅに応じた値Ｔ（Ｔ＜１．０）に設定する。なお、Ｓ３が本発明に係るＮＯｘ放出判定手段を構成し、Ｓ４が本発明に係る空燃比制御手段を構成する。
【００３１】
さらに、Ｓ６では、Ｓ４又はＳ５で設定された目標当量比Ｔｆｂｙａを用いて、下式（４）によって出力燃料噴射量Ｔｉ（燃料噴射パルス幅）を算出する。Ｔｓは、インジェクタ１５の無効噴射量を示す。
【００３２】
Ｔｉ＝Ｔｐ×Ｔｆｂｙａ＋Ｔｓ  ・・・（４）
そして、算出された出力燃料噴射量Ｔｉはメモリに記憶され、機関Ｅの回転に同期して実行される図示しない燃料噴射ルーチンにおいて読み出される。同ルーチンでは、インジェクタ１５に駆動信号（パルス信号）が出力され、相当量の燃料が噴射される。
【００３３】
次に、ＮＯｘ放出制御ルーチンについて、図５を参照して説明する。
このルーチンでは、第２の触媒３３のＮＯｘトラップ量を推定し、トラップされているＮＯｘを放出させるべきか否かを判定する。そして、トラップされているＮＯｘを放出させるべきである場合には判定用フラグＦｎｏｘ  を１に設定し、それ以外の場合にはＦｎｏｘ  を０に設定する。電子制御ユニット４１は、この制御を１０ｍｓ毎に実行する。
【００３４】
Ｓ１１では、判定用フラグＦｎｏｘ  が０であるか否かを判定する。Ｆｎｏｘ  が０である場合は、Ｓ１２へ進んで、所定時間（本ルーチンの実行時間間隔、即ち１０ｍｓ）当たりに機関Ｅから排出されるＮＯｘ量の推定値であるＮＯｘ排出推定量ΔＮＯｘを算出する。ΔＮＯｘは、機関運転状態（機関負荷Ｔｐ及び機関回転数Ｎｅ）に応じて算出される。
【００３５】
Ｓ１３では、第２の触媒３３にトラップされているＮＯｘ量の推定値であるＮＯｘトラップ推定量ΣＮＯｘを算出する。ΣＮＯｘは、Ｓ１２で算出されたＮＯｘ排出推定量ΔＮＯｘの累積値として算出される（即ち、ΣＮＯｘ＝ΣＮＯｘ＋ΔＮＯｘ）。
【００３６】
Ｓ１４では、ＮＯｘトラップ推定量ΣＮＯｘが、予め定められた許容量ＮＯｘｔｈを超えたか否かを判定する。超えていない場合は判定用フラグＦｎｏｘ  を０のままとし、超えた場合はＦｎｏｘ  を１に設定する。そして、Ｆｎｏｘ  が１に設定されているときは、図４のＳ３においてＮＯｘ放出条件が成立し、燃焼空燃比が理論空燃比よりリッチ側に制御されることとなる。
【００３７】
一方、Ｓ１１において判定用フラグＦｎｏｘ  が０でない場合は、Ｓ１６に進んで前回（即ち、１０ｍｓ前）にＦｎｏｘ  が０であったか否かを判定する。Ｆｎｏｘ  の前回値が０であった場合は、Ｓ１７へ進んでカウント値Ｃを０にリセットする。このカウンタは、燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチ側に制御することによる第２の触媒３３からのＮＯｘの放出処理の実行時間をカウントするためのものであり、Ｆｎｏｘ  の今回値が１であり且つＦｎｏｘ  の前回値が０である場合、即ち、Ｆｎｏｘ  が０から１になった直後においてのみリセットされる。
【００３８】
Ｓ１６において判定用フラグＦｎｏｘ  の前回値が０でない場合は、Ｓ１８に進んでカウント値Ｃを１だけ加算し、続くＳ１９においてカウント値Ｃが予め定めた所定値Ｃｔｈを超えたか否かを判定する。ＣがＣｔｈを超えた場合は、ＮＯｘ放出処理の実行時間が所定の時間（＝１０ｍｓ×Ｃｔｈ）を超え、ＮＯｘの放出及び還元浄化が完了したものと判断してＳ２０でＦｎｏｘ  を０にリセットし、さらにＳ２１でＮＯｘトラップ推定量ΣＮＯｘを初期値（０）にリセットする。
【００３９】
このように、ＮＯｘ放出条件は、ＮＯｘトラップ推定量ΣＮＯｘを既定の許容量と比較して判定することができるが、その他の方法として、次のようにすることもできる。ＮＯｘ放出条件を、ＮＯｘ放出処理が終了した後吸入空気量Ｑａと機関負荷Ｔｐとの積の累積値Σ（Ｑａ×Ｔｐ）が予め定められた所定値を超えたときに成立したものとして判定するか、または、車速に応じた加算値を設定してこの加算値の累積値に基づいて同様に判定するのである。
【００４０】
次に、図６を参照して、ＮＯｘ放出制御ルーチンの別の例を示す。
このルーチンでは、前回のＮＯｘ放出処理が終了した時（即ち、空燃比を理論空燃比よりリッチ側の空燃比からリーン側の空燃比に制御した時）を起点とした経過時間から次のＮＯｘ放出条件の成立を判定する。このため、ＮＯｘ放出処理の実行時間をカウントするためのカウンタの他、第２のカウンタを備える。電子制御ユニット４１は、この制御を１０ｍｓ毎に実行する。
【００４１】
Ｓ３１では、判定用フラグＦｎｏｘ  が０であるか否かを判定する。Ｆｎｏｘ  が０である場合は、Ｓ３２へ進んで、第２のカウント値Ｃ２が、予め定められた所定値Ｃ２ｔｈを超えているか否かを判定する。超えている場合は、Ｓ３３へ進んでＦｎｏｘ  が１に設定され、図４のＳ３においてＮＯｘ放出条件が成立する。Ｃ２がＣ２ｔｈを超えていない場合は、Ｓ３４に進んでＣ２が１だけ加算される。
【００４２】
一方、Ｓ３１において判定用フラグＦｎｏｘ  が０でない場合は、Ｓ３５に進んで前回（即ち、１０ｍｓ前）にＦｎｏｘ  が０であったか否かを判定する。Ｆｎｏｘ  の前回値が０であった場合は、Ｓ３６へ進んでカウント値Ｃを０にリセットする。このカウンタは、ＮＯｘ放出処理の実行時間をカウントするためのものである。
【００４３】
Ｓ３５において判定用フラグＦｎｏｘ  の前回値が０でない場合は、Ｓ３７に進んでカウント値Ｃを１だけ加算し、続くＳ３８においてカウント値Ｃが予め定めた所定値Ｃｔｈを超えたか否かを判定する。ＣがＣｔｈを超えた場合は、ＮＯｘの放出及び還元浄化が完了したものと判断してＳ３９でＦｎｏｘ  を０に設定し、さらにＳ４０で第２のカウント値を０にリセットする。
【００４４】
ここでは、経過時間の起算点（Ｃ２＝０を与える点）を前回のＮＯｘ放出処理が終了した時としたが、代わりに、この起算点を前回スパイクをかけた時、即ち、前回判定用フラグＦｎｏｘ  が０から１になった時としてもよい。
【００４５】
なお、図１には示されていないが、ＥＧＲ（排気還流）を実施することによってＮＯｘの生成量自体を低減させたうえで、第２の触媒３３によるＮＯｘの後処理を行うようにしてもよい。この場合、ＥＧＲガスを流通するＥＧＲ通路は、第１の触媒３１の上流側の排気通路から分岐して吸気通路に連結されるのが好ましい。
【００４６】
以上説明したように、本発明によれば、排気中に含まれるＮＯｘを後処理によって除去しつつ、これと両立させてメタンを効率よく酸化することができるため、リーンな空燃比で運転されるＣＮＧ機関において排気をより良好に浄化することができる。また、第２の触媒３３のＮＯｘトラップ量を制御してそのＮＯｘトラップ能力を良好に維持することができるため、ＮＯｘを確実に除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の構成を概略示す図
【図２】第１の触媒容量とＨＣ浄化率及び還元成分到達率との関係を示す図
【図３】第２の触媒容量とＮＯｘの浄化効率との関係を示す図
【図４】本発明の一実施形態に係る空燃比制御の流れを示す図
【図５】同上空燃比制御におけるＮＯｘ放出制御ルーチンの一例を示す図
【図６】同上ＮＯｘ放出制御ルーチンの別の例を示す図
【符号の説明】
Ｅ  内燃機関
１  吸気通路
１１  エアクリーナ
１２  エアフロメータ
１３  スロットル弁
１４  スワール制御弁
１５  インジェクタ
２１  燃焼室
２２  点火プラグ
３  排気通路
３１  第１の触媒
３２  第１の触媒コンバータ
３３  第２の触媒
３４  第２の触媒コンバータ
４１  電子制御ユニット
５１  燃料タンク
５２  圧力調節器
５３  燃料供給通路
５４  遮断弁
６１  アクセルペダル
７１  クランク角センサ
【図１】
0003622612.tif 000003
【図２】
0003622612.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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