(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸収し、流入する排気ガスの空燃比がリッチになると吸収したＮＯｘ放出するＮＯｘ吸収剤を機関排気通路内に配置すると共に該ＮＯｘ吸収剤上流の機関排気通路内に還元剤供給弁を配置し、ＮＯｘ吸収剤からＮＯｘを放出すべきときには還元剤供給弁から機関排気通路内に還元剤を供給してＮＯｘ吸収剤に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするようにした内燃機関の排気浄化装置において、温度センサにより検出される触媒の温度、又は機関負荷又は機関回転数から定まる定常運転時の触媒の温度に還元剤供給時の還元剤供給量に応じた触媒温度上昇量を加算することにより還元剤供給停止後の担体上の触媒温度を予測する予測手段と、該予測手段により予測された還元剤供給停止後の担体上の触媒温度が予め定められた設定値を越えたときにＮＯｘ吸収剤に冷却用空気を供給する空気供給手段とを具備した内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
上記予測手段により予測された還元剤供給停止後の担体上の触媒温度が予め定められた設定値を越えたときには還元剤供給停止後ただちにＮＯｘ吸収剤に冷却用空気が供給される請求項１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。
【０００２】
【従来の技術】
流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯＸ  を吸収し、流入する排気ガスの空燃比がリッチになると吸収したＮＯＸ  を放出するＮＯＸ  吸収剤を機関排気通路内に配置した内燃機関が公知である（特開平６−１２９２３５号公報参照）。このＮＯＸ  吸収剤はＮＯＸ  吸収剤の担体上に担持された触媒の温度が例えば２００℃から３５０℃程度の一定範囲のときに高いＮＯＸ  吸収能力を有し、従ってこのＮＯＸ  吸収剤を使用する場合には触媒の温度を一定の範囲内に維持する必要がある。
【０００３】
そこでこの内燃機関ではＮＯＸ  吸収剤から流出する排気ガスの温度を検出し、この排気ガスの温度が予め定められた設定温度を越えたときにはＮＯＸ  吸収剤に冷却用空気を供給してＮＯＸ  吸収剤の温度を低下させるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで上述の内燃機関ではＮＯＸ  吸収剤の担体上に担持された触媒の温度とＮＯＸ  吸収剤から流出する排気ガスの温度との間には一定の関係があることを前提として、即ちＮＯＸ  吸収剤から流出する排気ガスの温度が高くなればＮＯＸ  吸収剤の担体上に担持された触媒の温度も同様に高くなっているということを前提としてＮＯＸ  吸収剤の温度を制御するようにしている。しかしながら実際にはＮＯＸ  吸収剤の担体上に担持された触媒の温度とＮＯＸ  吸収剤から流出する排気ガスの温度との間には必ずしも一定の関係が存在するとは限らないのである。
【０００５】
例えばＮＯＸ  吸収剤において酸化反応が行われた場合、この酸化反応はＮＯＸ  吸収剤の担体上に担持された触媒上において行われるために触媒の温度は急速に上昇する。ところが担体上に分散されている微小粒径の触媒の温度が急速に上昇したとしても担体の温度はただちに上昇せず、従って担体内を通過する排気ガスの温度もただちに上昇しない。即ち、この場合には触媒の温度がかなり高くなっているにもかかわらずに排気ガス温はさほど上昇していないことになる。従って上述の内燃機関におけるように排気ガス温に基いて冷却用空気の供給制御を行うと触媒温度がかなり高くなっても冷却用空気は供給されず、斯くしてＮＯＸ  を良好に吸収しえないという問題を生ずる。
【０００６】
また、上述したように触媒の温度が急速に上昇しても担体の温度はただちに上昇せず、従ってＮＯＸ  吸収剤の担体温度を検出してこれに基づき冷却用空気の供給制御を行っても上述の問題と同じ問題を生ずる。即ち、ＮＯＸ  浄化能力は担体により担持された触媒の温度により左右されるがこの触媒の温度を検出することはほとんど不可能であるので検出された温度のみに基づいて触媒の温度を一定の範囲内に制御することは困難である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために本発明によれば、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸収し、流入する排気ガスの空燃比がリッチになると吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収剤を機関排気通路内に配置すると共に該ＮＯｘ吸収剤上流の機関排気通路内に還元剤供給弁を配置し、ＮＯｘ吸収剤からＮＯｘを放出すべきときには還元剤供給弁から機関排気通路内に還元剤を供給してＮＯｘ吸収剤に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするようにした内燃機関の排気浄化装置において、温度センサにより検出される触媒の温度、又は機関負荷又は機関回転数から定まる定常運転時の触媒の温度に還元剤供給時の還元剤供給量に応じた触媒温度上昇量を加算することにより還元剤供給停止後の担体上の触媒温度を予測する予測手段と、該予測手段により予測された還元剤供給停止後の担体上の触媒温度が予め定められた設定値を越えたときにＮＯｘ吸収剤に冷却用空気を供給する空気供給手段とを具備している。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明をディーゼル機関に適用した場合を示している。
図１を参照すると、１は機関本体、２はピストン、３は燃焼室、４は燃料噴射弁、５は吸気弁、６は吸気ポート、７は排気弁、８は排気ポートを夫々示す。吸気ポート６は対応する枝管９を介してサージタンク１０に連結され、サージタンク１０は吸気ダクト１１を介してエアクリーナ１２に連結される。一方、排気ポート８は排気マニホルド１３および排気管１４を介してＮＯＸ  吸収剤１５を内蔵したケーシング１６に接続される。
【００１０】
図１に示されるようにＮＯＸ  吸収剤１５上流の排気管１４内には還元剤供給弁１７が配置され、この還元剤供給弁１７は供給ポンプ１８を介して還元剤タンク１９に連結される。還元剤タンク１９内にはガソリン、イソオクタン、ヘキサン、ヘプタン、軽油、灯油のような炭化水素、或いは液体の状態で保存しうるブタン、プロパンのような炭化水素が充填されている。更に、ＮＯＸ  吸収剤１５上流の排気管１４内には空気供給弁２０が配置され、この空気供給弁２０は例えば電気的に駆動されるエアポンプ２１に連結される。
【００１１】
電子制御ユニット３０はディジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって相互に接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。ケーシング１６内にはＮＯＸ  吸収剤１５の担体の温度に比例した出力電圧を発生する温度センサ２２が取付けられ、この温度センサ２２の出力電圧が対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、入力ポート３５には機関回転数を表わす出力パルスを発生する回転数センサ２３が接続され、更に入力ポート３５にはアクセルペダル２４の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ２５が対応するＡＤ変換器３７を介して接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁４、還元剤供給弁１７、供給ポンプ１８、空気供給弁２０およびエアポンプ２１に接続される。
【００１２】
ケーシング１６内に収容されているＮＯＸ  吸収剤１５は例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少くとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されている。機関吸気通路およびＮＯＸ  吸収剤１５上流の排気通路内に供給された空気および燃料（炭化水素）の比をＮＯＸ  吸収剤１５への流入排気ガスの空燃比と称するとこのＮＯＸ  吸収剤１５は流入排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯＸ  を吸収し、流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯＸ  を放出するＮＯＸ  の吸放出作用を行う。
【００１３】
このＮＯＸ  吸収剤１５を機関排気通路内に配置すればこのＮＯＸ  吸収剤１５は実際にＮＯＸ  の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。しかしながらこの吸放出作用は第２図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。次に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。
【００１４】
即ち、流入排気ガスがリーンのときには流入排気ガス中の酸素濃度が高く、従ってこのとき第２図（Ａ）に示されるようにこれら酸素Ｏ２  がＯ２  −  又はＯ２２−  の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、このとき流入排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面上でＯ２  −  又はＯ２２−  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上で酸化されつつ吸収剤内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら第２図（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ３  −  の形で吸収剤内に拡散する。このようにしてＮＯＸ  がＮＯＸ  吸収剤１５内に吸収される。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、吸収剤のＮＯＸ  吸収能力が飽和しない限りＮＯ２  が吸収剤内に吸収されて硝酸イオンＮＯ３  −  が生成される。
【００１５】
これに対し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、斯くして吸収剤内の硝酸イオンＮＯ３  −  がＮＯ２  の形で吸収剤から放出される。即ち、流入排気ガス中の酸素濃度が低下するとＮＯＸ  吸収剤１５からＮＯＸ  が放出されることになる。
一方、このとき流入排気ガスの空燃比がリッチとされ、流入排気ガスが多量の未燃ＨＣ，ＣＯを含むようになるとこれら未燃ＨＣ，ＣＯは白金Ｐｔ上の酸素Ｏ２  −  又はＯ２２−  と反応して酸化せしめられる。また、流入排気ガスの空燃比がリッチになると流入排気ガス中の酸素濃度が極度に低下するために吸収剤からＮＯ２  が放出され、このＮＯ２  は第２図（Ｂ）に示されるように未燃ＨＣ，ＣＯと反応して還元せしめられる。このようにして白金Ｐｔの表面上にＮＯ２  が存在しなくなると吸収剤から次から次へとＮＯ２  が放出される。従って流入排気ガスの空燃比をリッチにすると短時間のうちにＮＯＸ  吸収剤１５からＮＯＸ  が放出されることになる。
【００１６】
即ち、流入排気ガスの空燃比をリッチにするとまず初めに未燃ＨＣ，ＣＯが白金Ｐｔ上のＯ２  −  又はＯ２２−  とただちに反応して酸化せしめられ、次いで白金Ｐｔ上のＯ２  −  又はＯ２２−  が消費されてもまだ未燃ＨＣ，ＣＯが残っていればこの未燃ＨＣ，ＣＯによって吸収剤から放出されたＮＯＸ  および機関から排出されたＮＯＸ  が還元せしめられる。従って流入排気ガスの空燃比をリッチにすれば短時間のうちにＮＯＸ  吸収剤１５に吸収されているＮＯＸ  が放出され、しかもこの放出されたＮＯＸ  が還元されるために大気中にＮＯＸ  が排出されるのを阻止することができることになる。
【００１７】
図３は流入排気ガスの空燃比がリーンであるときにＮＯＸ  吸収剤１５に吸収されるＮＯＸ  の吸収率Ｒを示している。なお、横軸ＴはＮＯＸ  吸収剤１５に担持されている触媒の温度を示している。図３からわかるようにＮＯＸ  吸収剤１５の触媒温度がＴ１  で示される２００℃程度よりも低くなるとＮＯＸ  の酸化作用（２ＮＯ＋Ｏ２  →２ＮＯ２  ）が弱まるためにＮＯＸ  吸収率Ｒが低下する。一方、ＮＯＸ  吸収剤１５の温度ＴがＴ２  で示される３５０℃程度よりも高くなるとＮＯＸ  吸収剤１５に吸収されているＮＯＸ  が分解してＮＯＸ  がＮＯＸ  吸収剤１５から自然放出されるためにＮＯＸ  吸収率Ｒは低下する。従ってＮＯＸ  はＮＯＸ  吸収剤１５の温度Ｔが一定温度範囲（Ｔ１  ＜Ｔ＜Ｔ２  ）内にあるときにＮＯＸ  吸収剤１５に良好に吸収されることになる。なお、図１に示されるようなディーゼル機関ではＮＯＸ  吸収剤１５の触媒温度Ｔは通常この一定温度範囲（Ｔ１  ＜Ｔ＜Ｔ２  ）内となっている。
【００１８】
図１に示されるディーゼル機関では通常燃焼室３内の混合気は空気過剰のもとで、即ち平均空燃比がリーンの状態で燃焼せしめられており、従ってこのとき機関から排出されたＮＯＸ  はＮＯＸ  吸収剤１５に吸収される。一方、平均空燃比がリーンの状態での燃焼が継続するとＮＯＸ  がＮＯＸ  吸収剤１５に次第に蓄積し、従ってＮＯＸ  吸収剤１５の吸収能力が飽和する前にＮＯＸ  吸収剤１５からＮＯＸ  を放出する必要がある。
【００１９】
そこで本発明による実施例ではＮＯＸ  吸収剤１５からＮＯＸ  を放出するために周期的に、例えば一定時間毎に還元剤供給弁１７から還元剤、即ち炭化水素が供給される。このときの還元剤の供給量はＮＯＸ  吸収剤１５に流入する流入排気ガスの空燃比が例えば１２．０程度のリッチ空燃比となるように制御される。本発明による実施例では還元剤の供給量は還元剤供給弁１７の開弁時間を変えることによって制御される。流入排気ガスの空燃比を１２．０程度とするのに必要な還元剤供給弁１７の開弁時間ＴＲはアクセルペダル２４の踏込み量Ｌおよび機関回転数Ｎの関数として図４に示すマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００２０】
ＮＯＸ  吸収剤１５からＮＯＸ  を放出すべく還元剤、即ち炭化水素が供給されるとその一部は排気ガス中の酸素によって酸化され、残りの炭化水素はＮＯＸ  吸収剤１５の担体上に担持された触媒、即ち白金Ｐｔ上で酸化せしめられる。このとき酸化反応熱によって触媒の温度は急速に上昇する。しかしながらこのときＮＯＸ  吸収剤１５の担体の温度およびＮＯＸ  吸収剤１５から排出される排気ガスの温度はただちに上昇しない。
【００２１】
次いで還元剤の供給が停止されるとＮＯＸ  吸収剤１５に流入する排気ガスの空燃比は再びリーンとなり、ＮＯＸ  吸収剤１５によるＮＯＸ  の吸収作用が開始される。ところが還元剤の供給時に酸化反応熱によって触媒の温度Ｔが図３のＴ２  を越えてしまうと還元剤の供給が停止せしめられたときにＮＯＸ  吸収剤１５のＮＯＸ  吸収率Ｒ（図３）が低くなってしまい、斯くしてＮＯＸ  がＮＯＸ  吸収剤１５に十分に吸収されないために多量のＮＯＸ  が大気中に放出されるという問題を生ずる。そこで本発明では還元剤の供給時に酸化反応熱によって触媒の温度が図３のＴ２  を越えてしまうと予測されるときには還元剤の供給停止後ただちに空気供給弁２０から冷却用空気を供給するようにしている。
【００２２】
即ち、本発明による実施例では前述したように図５に示される如く周期的に還元剤供給弁１７が開弁せしめられ、その後還元剤供給弁１７が閉弁せしめられるとただちに空気制御弁２０が開弁せしめられて排気管１４内に冷却用空気が供給される。なお、図５にはＮＯＸ  吸収剤１５に流入する流入排気ガスの空燃比Ａ／Ｆの変化も同時に示されている。
【００２３】
ところで冒頭で述べたようにＮＯＸ  吸収剤１５の担体上に担持された触媒の温度を検出することは困難であり、従って触媒の温度変化は推定しなければならないことになる。次にこの触媒の温度の推定方法について説明する。
通常の運転時にはＮＯＸ  吸収剤１５の触媒の温度Ｔは担体の温度或いはＮＯＸ  吸収剤１５から流出する排気ガスの温度にほぼ追従して変化し、従ってこのときには触媒の温度Ｔを担体の温度或いはＮＯＸ  吸収剤１５からの流出排気ガスの温度で代表することができる。図１に示される実施例ではＮＯＸ  吸収剤１５の担体の温度ＴＯを温度センサ２２により検出しており、従って通常の運転時には温度センサ２２により検出された温度ＴＯを触媒の温度Ｔを示す代表値として用いることができる。
【００２４】
一方、通常の運転時には触媒の温度Ｔは機関負荷および機関回転数が定まるとおおよそ定まる。従って定常運転時における触媒の温度ＴＯとアクセルペダル２４の踏込み量、機関回転数との関係を予め実験により求め、この触媒の温度ＴＯをアクセルペダル２４の踏込み量Ｌおよび機関回転数Ｎの関数として図６（Ａ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶し、この記憶された値から触媒の温度ＴＯを求めることもできる。
【００２５】
次に還元剤を供給したときの触媒の温度Ｔの推定方法について説明する。還元剤を供給したときには還元剤の供給量、図１に示す実施例では還元剤の供給時間ＴＲが増大するほど触媒温度の上昇量ΔＴは大きくなる。即ち、図６（Ｂ）に示されるように還元剤の供給時間ＴＲから触媒の温度上昇量ΔＴを予測できることになり、従って還元剤供給停止後の触媒温度ＴはＴＯ＋ΔＴになるものと予測できることになる。
【００２６】
次に触媒温度Ｔが図３のＴ２  を越えると予測されるときに触媒温度Ｔを図３のＴ１  とＴ２  との間まで低下させるのに必要な冷却用空気量について説明する。この冷却用空気量は触媒温度Ｔの予測上昇温度が高いほど増大せしめられる。図１に示される実施例では冷却用空気量は空気供給弁２０の開弁時間を変えることによって制御しており、従ってこの実施例では図６（Ｃ）に示されるように触媒温度Ｔ（＝ＴＯ＋ΔＴ）が高くなるほど空気供給時間ＴＡが増大せしめられる。
【００２７】
次に図７を参照しつつＮＯＸ  放出および空気供給制御を行うためのルーチンについて説明する。
図７を参照するとまず初めにステップ５０においてＮＯＸ  放出実行開始命令が出されているか否かが判別される。この実行開始命令は一定時間毎に出される。実行開始命令が出されるとステップ５１に進んで図４に示すマップから還元剤供給時間ＴＲが算出され、次いでステップ５２では供給ポンプ１８を駆動し、還元剤供給弁１７を開弁することによって還元剤の供給処理が行われる。次いでステップ５３では還元剤の供給作用が完了したか否かが判別され、還元剤の供給作用が完了したときにはステップ５４に進む。
【００２８】
ステップ５４では図６（Ｂ）に基づき算出されるΔＴにＴＯを加算することによって上昇したときの触媒温度Ｔが算出される。なお、この場合、ＴＯとしては温度センサ２２により検出された温度、又は図６（Ａ）のマップから算出された温度が使用される。次いでステップ５５では上昇したときの触媒温度Ｔが図３のＴ２  よりも低いか否かが判別される。Ｔ≦Ｔ２  のときには処理サイクルを完了し、従ってこのときには冷却用空気は供給されない。これに対してＴ＞Ｔ２  のときにはステップ５６に進んで図５（Ｃ）に示す関係から空気供給時間ＴＡが算出される。次いでステップ５７ではエアポンプ２１を駆動し、空気供給弁２０を開弁させる空気供給処理が行われる。
【００２９】
【発明の効果】
ＮＯＸ  吸収剤により常時良好にＮＯＸ  を吸収することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ディーゼル機関の全体図である。
【図２】ＮＯＸ  の吸放出作用を説明するための図である。
【図３】ＮＯＸ  吸収率Ｒを示す図である。
【図４】還元剤供給時間ＴＲのマップを示す図である。
【図５】還元剤供給弁および空気供給弁の開閉タイミングを示すタイムチャートである。
【図６】空気供給時間ＴＡ等を示す図である。
【図７】ＮＯＸ  放出および空気供給制御を行うためのフローチャートである。
【符号の説明】
４…燃料噴射弁
１４…排気管
１５…ＮＯＸ  吸収剤
１７…還元剤供給弁
２０…空気供給弁
【図１】
0003632274.tif 000002
【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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