(57)【要約】【課題】テールパイプから放出される未反応のNOx量を低減する。【解決手段】リーン運転中に酸化剤を吸蔵し、理論空燃比又はリッチ運転中に吸蔵された酸化剤と反応する排出制御装置に連結されたリーンバーンエンジンの制御方法が、排出制御装置の複数の軸方向位置に沿って、装置内に吸蔵されたNOx量を推定する工程及び、上記推定に基づいてエンジン運転パラメータを調節する工程を有する。【選択図】図１３
2006138322.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リーン運転中に酸化剤を吸蔵し、理論空燃比又はリッチ運転中に吸蔵された酸化剤と反応する排出制御装置に連結されたリーンバーンエンジンの制御方法であって、
排出制御装置の複数の軸方向位置に沿って、装置内に吸蔵されたNOx量を推定する工程及び、
上記推定に基づいてエンジン運転パラメータを調節する工程、
を有する方法。
【請求項２】
上記エンジン運転パラメータが、理論空燃比又はリッチの排気空燃比である、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
上記推定工程がリーン運転中に実施され、
上記エンジン運転パラメータが、上記リーンエンジン運転に続く運転の間に用いられる理論空燃比又はリッチの空燃比である、請求項1に記載の方法。
【請求項４】
上記推定がリーン運転中に更新される、請求項1乃至3のいずれか一つに記載の方法。
【請求項５】
上記推定がリッチ運転中に更新される、請求項1乃至3のいずれか一つに記載の方法。
【請求項６】
上記エンジン運転パラメータがエンジン空燃比である、請求項1に記載の方法。
【請求項７】
上記エンジン運転パラメータが、上記トラップに供給される還元剤の量である、請求項1に記載の方法。
【請求項８】
上記排出制御装置の貴金属担持量が、少なくともその長手方向に沿って変化している、請求項1乃至7のいずれか一つに記載の方法。
【請求項９】
上記排出制御装置が、リーンNOxトラップである、請求項1乃至8のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１０】
排気流の方向に貴金属担持量が不均一であり、リーン運転中に酸化剤を吸蔵し、理論空燃比又はリッチ運転の間に吸蔵した酸化剤と反応する排出制御装置を備えた、エンジンのためのシステムであって、
上記装置を通る排気流の軸方向の異なる位置における複数の状態に基づいて、上記エンジンの動作パラメータを調節するように構成されている、
システム。
【請求項１１】
上記排出制御装置がリーンNOxトラップであり、
上記動作パラメータが、空燃比を含み、そして、上記複数の状態が、上記装置を通る排気ガス流の上記軸方向に沿った異なる軸位置における、NOx吸蔵量を含む、
請求項10に記載の、システム。
【請求項１２】
上記排出制御装置がリーンNOxトラップであり、
上記制御パラメータが、上記排気流内の還元剤の量を含み、
上記複数の状態が、上記装置を通る排気流の上記軸方向に沿った異なる軸位置における、NOx吸蔵量を含む、
請求項10に記載の、システム。
【請求項１３】
上記排出制御装置がリーンNOxトラップであり、
上記制御パラメータが、上記排気流の空燃比を含み、
上記複数の状態が、上記装置を通る排気流の上記軸方向に沿った異なる軸位置における、吸蔵NOx量を含む、
請求項10に記載の、システム。
【請求項１４】
リーン運転中に酸化剤を吸蔵し、理論空燃比又はリッチ運転中に吸蔵された酸素と反応する排出制御装置に連結されたリーンバーンエンジンを制御するための、コンピューター読み取り可能な記憶媒体であって、
上記装置の複数の軸方向位置に沿って該装置に吸蔵されているNOxの量を推定するためのコード、及び、
上記推定に基づいて、エンジン動作パラメータを調節するためのコード、
を有する、媒体。
【請求項１５】
上記制御パラメータが、理論空燃比又はリッチの排気空燃比である、請求項14に記載の媒体。
【請求項１６】
上記推定のためのコードがリーン運転中に実行され、
上記エンジン動作パラメータが、上記リーンエンジン運転に続く運転の間に実施される、理論空燃比又はリッチの空燃比である、請求項14に記載の媒体。
【請求項１７】
上記制御パラメータがエンジン空燃比である、請求項14に記載の媒体。
【請求項１８】
上記排出制御装置の貴金属担持量が、少なくとも該装置の長手方向に異なる請求項14乃至17のいずれかに記載の媒体。
【請求項１９】
上記排出制御装置が、リーンNOxトラップである、請求項14乃至18のいずれかに記載の媒体。
【請求項２０】
コンピューターに格納され、請求項1乃至9のいずれかに記載の制御方法を上記コンピューターに実行させるエンジン制御用コンピューター・プログラム
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンシステム、エンジンの制御方法に関連し、特に、車両の排出量を制御するエンジンシステム及び、車両の排出量を制御するリーンバーンエンジンの制御方法に関連する。
【背景技術】
【０００２】
リーンバーンエンジンの制御システムにおいて、リーンNOxトラップは、排気空燃比がリーンの運転状態の間にNOxを吸蔵し、それによってテールパイプから放出されるNOxを低減するために使用され得る。それから、例えば、NOxトラップが十分に一杯になったとき、吸蔵されているNOxそして、酸素のような他のいかなる吸蔵された酸化剤をパージするため、排気空燃比が理論空燃比（stoichiometric）又はリッチ空燃比に変えられ得る。
【０００３】
パージ運転中の排気ガスの空燃比（パージ空燃比と呼ばれる）は、テールパイプから放出される未反応のNOx量を減らすべく、種々のパラメータに基づいて選択され得る。一つの例において、パージ空燃比は温度及び/又はトラップ内に吸蔵されたNOx又は酸化剤の総量に基づいて選択され得る。そのような取り組みは、NOx及び酸素のような他の酸化剤が、トラップの軸方向長さのような、トラップの種々の軸に沿って、略均一に分配されていると仮定する総和パラメーターモデル（lumped parameter model）に基づく。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような取り組みは、幾つかの不利益につながる可能性がある。具体的には、NOxのような酸化剤の一部は、酸素のような他の酸化剤に比べ、トラップの種々の軸に沿って、より不均一に吸蔵され得る。例えば、NOxは酸素に比べて、トラップの下流位置よりトラップの上流位置により多く吸蔵され得る。さらに、トラップの軸方向長さに沿ったNOx吸蔵特性は、条件の違いによっても変わり得る。もし排出制御装置が触媒金属を不均一に担持しているトラップを使用しているならば、これらによる悪影響はより顕著になる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
リーン運転中に酸化剤を吸蔵し、理論空燃比又はリッチ運転中に吸蔵された酸化剤と反応する排出制御装置に連結されたリーンバーンエンジンの制御方法であって、排出制御装置の複数の軸方向位置に沿って、装置内に吸蔵されたNOx量を推定する工程及び、上記推定に基づいてエンジン運転パラメータを調節する工程を有する方法によって、上記の問題の少なくとも幾つかは対処される。このようにして、NOxがどこに吸蔵されているか、そして、例えばどれだけの量のNOxが吸蔵されているかを考慮することにより、排出制御を改善することが出来る。一つの例において、供給される還元剤量または還元剤の割合を、エミッション制御装置の軸方向位置に沿ったNOxの分布により一致するように調節することにより、NOxパージ運転を改善することが出来る。より詳細には後述するように、これは、種々の他の取り組みにも使用することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図1は、内燃機関（エンジン）10の概略図を示す。エンジン10は、一般的に、図1にその一つが示される複数のシリンダーを含み、電子エンジン制御器12によってコントロールされる。エンジン10は、燃焼室14及び、クランクシャフト20に結合されるピストン18をその中に備えたシリンダ壁16を含む。燃焼室14は、それぞれの吸気弁26および排気弁28を介し、吸気マニフォールド22および排気マニフォールド24と連通する。排気ガス酸素センサー30は、エンジン10の排気マニフォールド24に結合され、エミッション処理部40は排気ガス酸素センサーの下流で排気マニフォールドに連結される。図示されているエンジンは、自動車、例えば乗用車や多用途車で使用するために構成され得る。
【０００７】
吸気マニフォールド22が、スロットル弁44を介してスロットル・ボディー42と連通する。吸気マニフォールド22はまた、制御器12からの信号(fpw)のパルス幅に比例して燃料を供給するためにそこに結合された燃料噴射弁46を持つのが示されている。燃料が、燃料タンク、燃料ポンプ及び燃料レール(不図示)を含む、通常の燃料システム(不図示)により、燃料噴射弁46へ供給される。エンジン10は更に、制御器12に応答して火花点火を行うために通常のディストリビューターレス（distributor-less）の点火システム48を含む。ここに記載の実施形態において、制御器12は、マイクロプロセッサー・ユニット52、入出力ポート54、この特定の例において電子プログラム可能メモリーである電子メモリー・チップ56、ランダム・アクセス・メモリー58及び、通常のデータ・バスを含む、通常のマイクロコンピュータである。
【０００８】
制御器12は、エンジン10に結合されたセンサーからの各種信号を受ける。そのような信号には、前述の信号に加えて、スロットル・ボディー42に結合された質量空気量センサー60からの吸入質量空気量の計測値（MAF）、冷却水ジャケット64に結合された温度センサーからのエンジン冷却水温度(ECT)、吸気マニフォールド22に結合されたマニフォールド絶対圧センサー66からのマニフォールド圧の計測値(MAP)、スロットル弁44に結合されたスロットル位置センサー68からのスロットル位置の計測値(TP)、及び、エンジン速度(N)を表すクランクシャフト20に結合されたホール効果センサー70からの特性点火ピックアップ信号(PIP)が含まれる。
【０００９】
排気ガスは、排気マニフォールド24、EGRバルブ・アセンブリー74及びEGRオリフィス76と連通する、従来のEGR管72によって、吸気マニフォールド22に供給される。あるいは、管72は、排気マニフォールド24と吸気マニフォールド22の間を連通する、エンジン内部に経路を持つ通路であってもよい。
【００１０】
マニフォールド絶対圧センサー66は、バルブ・アセンブリー74とオリフィス76の間のEGR管72に連通する。マニフォールド絶対圧センサー66はまた、吸気マニフォールド22とも連通する。言い方を変えると、排気ガスは、排気マニフォールド24から、最初にEGRバルブ・アセンブリー74を通り、その後、EGRオリフィス76を通って吸気マニフォールド22に進む。したがって、EGRバルブ・アセンブリー74はオリフィス76の上流に位置していると言うことが出来る。
【００１１】
マニフォールド絶対圧センサー66は、マニフォールド圧(MAP)及び、オリフィス76を越えた側の圧力低下(DP)の計測値を制御器12に供給する。その後、信号MAPおよびDPはEGR流量を算出するために使用される。EGRバルブ・アセンブリー74は、EGR管72中の可変面積絞りを制御するためのバルブ位置（不図示）を持ち、それによってEGR流量を制御する。EGRバルブ・アセンブリー74は、管72を流れるEGR流に対する制限を最小にすること、あるいは、管72を流れるEGR流を完全に制限することが可能である。真空レギュレーター78はEGRバルブ・アセンブリー74に連結される。真空レギュレーター78は、EGRバルブ・アセンブリー74のバルブ位置を制御するため、制御器12からライン80によって駆動信号を受ける。好ましい実施形態において、EGRバルブ・アセンブリー74は真空駆動式のバルブである。しかしながら、本技術の当業者にとって明らかなように、例えば電気ソレノイド駆動式バルブ又はステップモーター駆動式バルブのような、いかなる形式の流量調節弁でも使用され得る。EGR制御バルブの上流にオリフィスをもつような、代替のEGRシステムも使用可能であることを記しておく。更に、オリフィスの無いステップモーターバルブを利用するシステムも使用可能である。
【００１２】
図2は、エミッション処理部40の典型的な構成の概略図を示す。エミッション処理部40は、三元触媒コンバータ100及び、三元触媒コンバーター100に下流に配置されるNOxトラップ110を含む。排出物が、最初に触媒コンバーター100を貫流し、その後NOxトラップ110を貫流する。リッチ又は理論空燃比でのエンジン運転の間、炭化水素、COおよびNOxの化合物が三元触媒100によってCO2、H2OおよびN2に転化され、それによって、NOxトラップ110での発熱反応が抑制され、NOxトラップ110内の触媒金属の熱時効を縮小する助けとなる。しかしながら、エンジン10がリーン混合気で作動しているとき、三元触媒コンバータ100内でNOxのN2への還元を引き起こすために排出流中に生成され得る還元剤が、不十分になる可能性がある。
【００１３】
したがって、NOxトラップ110は、NOxをN02に転化するように構成された触媒金属と、N02を硝酸塩として吸着するように構成されたNOx吸着剤を含む。NOx吸着剤は、一般的にはアルカリまたはアルカリ土類金属の酸化物であるが、他のいかなる適切な化合物でもよい。NOx吸着剤は、リーン状態の間に過剰なNOxを吸蔵し、リッチ状態の間に吸蔵されたNOxのN2への転化に触媒作用を及ぼし、それによって、NOxトラップ110を再生する。
【００１４】
エンジンが理論空燃比の(あるいはリッチの)混合気で動作している高いエンジン負荷期間に、炭化水素、CO、及びNOxの一部が、NOxトラップ110に達することがある。NOxトラップ110中の貴金属サイトによる、これらの化合物の、CO2、H2OおよびN2への転化は、NOxトラップ110の熱時効を引き起こし得る。上述したように、これらのプロセスによる発熱は、NOxトラップの前面において最も大きく、NOxトラップの長手方向に沿って排出流の中のHC、COおよびNOxの濃度が減少するにつれて小さくなる傾向がある。これは、NOxトラップの背面より前面の方をより時効する結果となる。
【００１５】
熱時効による能力の低下に対する従来の解決策には、より大きなNOxトラップを使用すること及び/又は、より高い触媒金属濃度のNOxトラップを使用することが含まれる。しかしながら、そのような解決策は、トラップのコストを増加させ得る。熱時効を防ぐ一助となる従来の解決策にはまた、NOxコンバーターから離れた上流の位置に、リッチ又は理論空燃比運転の間に炭化水素、COおよびNOxの転化を行うための近接連結触媒コンバータ（close-coupled catalytic converter）を配置することが含まれる。しかしながら、リーン空燃比で動作するように構成されたエンジンでNOxトラップと共に使用される近接連結触媒コンバータは、多くの場合、体積が小さい。したがって、高負荷状態の間に、依然としてかなりの炭化水素、COおよびNOxがNOxトラップに到達し、それゆえ、依然としてNOxトラップを熱時効させ得る。
【００１６】
これらの課題を解決するため、本発明のNOxトラップ110は、金属触媒濃度が異なる、複数のNOx吸蔵転化領域を含む。具体的な実施形態において、NOxトラップ110に沿って上流の位置に配置されたNOx吸蔵転化領域は、NOxトラップ110中の下流の位置に配置されたNOx吸蔵転化領域より触媒金属濃度が低くなっている。例えば、図2の実施形態においては、NOxトラップ110は、低い第一の触媒金属濃度を持つ第一のNOx吸蔵転化領域112（第一領域）と、高い第二の触媒金属濃度を持つ第二のNOx吸蔵転化領域114（第二領域）を含み、第二領域114は、第一領域112の下流に配置されている。
【００１７】
ここに使用される「上流」及び「下流」という用語は、NOxトラップ110を通る排出流の流れ方向を指し、排出流は、NOxトラップ110の「下流」領域を流れる前に、NOxトラップ110の「上流」領域を流れる。ここに使用される「金属触媒」又は「触媒金属」という用語は、NOxを硝酸塩として吸蔵するために使用される金属酸化物ではなく、むしろNOxをNO2に転化するために使用される金属を表す。適切な金属触媒の例として、白金、パラジウム、ロジウムおよびそれらの組み合わせがあるが、これらに限定されない。
【００１８】
より詳細には後述するように、触媒金属濃度が異なる領域を持つNOxトラップは、同じ体積で触媒金属の総量が同じであるトラップ内に本質的に均一な濃度で触媒金属が分散しているNOxトラップより、概して高いNOx吸蔵及び転化能力を持つ。更に、下流の領域に対して上流の領域の触媒金属濃度が低いNOxトラップは、該して、より高いNOx吸蔵及び転化能力及び、熱時効による能力低下に対するより高い耐性との両方を持つことが判った。この配置によって、いくらかの時効が生じた後の低い温度において優れたNOx吸蔵性能を提供する助けとなる高担持領域が、NOxトラップ内の触媒金属サイトにおける炭化水素、CO及びNOxの転化によって引き起こされる熱時効過程の間の発熱反応の殆どから保護されることになる。
【００１９】
NOxトラップと対比されるものとして、既知の三元触媒装置の中には、互い違いの、又は、帯状の貴金属分布を持つものがあることに、触れておかなければならない。しかしながら、これらのシステムにおいては、高担持領域が、触媒装置システムの上流側にあるのが一般的であり、その装置のライトオフ性能を改善するために用いられている。したがって、高担持領域が後ろにあるNOxトラップ110の貴金属の配置は、予期されない、独特のものである。
【００２０】
第一領域112及び、第二領域114は各々、適切なものであればいかなる触媒金属濃度をも持つことが出来る。例えば、いくつかの実施形態において、第一領域112は、約0.35〜2.11グラム/リットル（g/L）（約10〜60グラム/立方フィート(gpcf)）の範囲の触媒金属濃度を持ち得、第二領域114は、約1.76〜5.29 g/L（約50〜150 gpcf）の範囲の濃度を持ち得る。他の実施形態において、第一領域112は、約1.0〜2.2グラム/リットルの範囲の触媒金属濃度を持ち得、第二領域114は、約1.8〜5.2グラム/リットルの範囲の触媒金属濃度を持ち得る。一つの特定の実施形態において、第一領域112は、約1.8g/Lの触媒金属濃度を持ち、第二領域114は、約4.8 g/Lの触媒金属濃度を持つ。これらの範囲が単なる例示であり、第一領域112及び第二領域114が、これらの範囲外の触媒金属濃度を持ち得ることが認識されるだろう。
【００２１】
第一領域112及び第二領域114は、互いに又は、エンジンの他の構成要素に対して、適切なものであればいかなる位置関係を持つことが出来る。例えば、第一領域112及び第二領域114は、単一のハウジング116に内に含まれても良いし、あるいは、排出物質の流れを通すための管（不図示）を介して流体的に接続された二つの別個のハウジング内に含まれても良い。実施形態に応じて、第一領域112と第二領域114とは、物理的に分離した支持構造体上に形成することも、部位によって異なる濃度の触媒金属を担持することにより、単一の支持構造体上に形成することも出来る。同様に、三元触媒100をNOxトラップ110と同じハウジングに収めることも、図2に示されるように、別のハウジング118に収めて、導管120を介してNOxトラップ110に接続することも出来る。
【００２２】
第一領域112及び、第二領域114は、互いに、適切なものであれば、いかなる大きさ又は体積でも持ち得る。例えば、第一領域112と第二領域114とが、単一の支持構造体上に形成され、それぞれの領域がNOxトラップ体積、表面積、又は、大きさ及び/又は容量に関する他の寸法の約1/2を占め得る。第一と第二領域の一方が、NOxトラップ体積、表面積、又は、大きさ及び/又は容量に関する他の寸法の1/2未満又は1/2より大きな値を占める場合も有る。例えば、第一と第二領域の一方が、NOxトラップ体積や表面積等の、1/2、1/3、1/4、1/5、1/6等を占めることも、あるいは、これらの分数より大きな値、これらの分数より小さな値、及び、これらの分数の間の値を占めることもあり得る。第一領域112及び第二領域114が別個の支持構造体（不図示）上に形成される場合、それら支持構造体は同様の大きさ、体積、表面積等を持つ場合も有れば、異なるものを持つ場合もある。
【００２３】
＜実験結果＞
図3は、Pt/Rh を2.472g/L（70gpcf）で均一に担持した長さ2.54cm（1インチ）のNOxトラップのコア（図3において"All 70 gpcf"）のNOx吸蔵及び転化の効率を、前半にPt/Rh を1.4126 g/L（40gpcf）で担持し、後半にPt/Rh を3.5315 g/L（100gpcf）で担持した、同じ構成の長さ1.27cm（1/2インチ）の二つのコア（「40/100システム」（図3において"40+100 gpcf"））と比較する実験の結果を示すグラフである。測定は、60秒間リーンで5秒間リッチのサイクルで行われた。これらの試験は、25000 hr-1の一定空間速度で行なわれた。試験に先立って、各NOxトラップ試料は、1000℃の最高温度で所定のルーチンに従って時効処理された1.27cm（1/2インチ）の三元触媒の後ろの、パルス炎燃焼反応器（pulse-flame combustion reactor） 上で、800℃の供給ガス温度で50時間、時効処理された。「40/100システム」に関しては、1.4126g/L（40gpcf）担持および3.5315 g/L（100gpcf）担持の2.54cm（1インチ）のコアが別々に時効処理され、1.4126g/L（40gpcf）担持の前半部分が、3.5315 g/L（100gpcf）担持の後半部分の前で試験された。
【００２４】
図3の中で示されるように、「40/100システム」は、そこにおいて貴金属濃度がNOx吸蔵の性能に大きく影響する400℃以下において、2.472g/L（70gpcf）均一担持の触媒より性能が優れている。しかしながら、そこにおいて貴金属濃度の影響が少ない約450〜500℃の範囲において、二つのシステム間の性能は類似している。
【００２５】
上述したように、図3の試験は、25000 hr-1の一定の空間速度で行なわれた。しかしながら、車両において、NOxトラップ110を通る排出流の流量は、通常、温度の増加にしたがって大きくなる。したがって、NOxトラップ110の性能を判定するために、温度に応じて変わる流量を用いた試験を実施した。1.8g/LのPt/Rh、4.8 g/LのPt/Rhおよび3.3 g/LのPt/Rhをもつ試料は、前方に三元触媒を置かない状態で50時間、時効された。これらの試料のNOx転化効率の測定の間、温度が200℃から600℃まで増加すると、空間速度が10,000 hr-1から50,000 hr-1に線形的に増加するように、温度上昇にしたがって流量が増加させられた。1.8g/L担持の1.27cm （1/2インチ）の長さの前側試料は、4.8g/L担持の1.27cm （1/2インチ）の長さの後ろ側試料の前方にて試験され、トータルで同じ量の貴金属を含む、3.3g/L担持の2.54cm（1インチ）の長さの試料の性能と比較された。図4は、1.8g/L担持と4.8g/L担持の組み合わせ「1.8+4.8 g/L （図4において"1.8g/L front, 4.8g/L  rear"）」が、全ての温度において、3.3g/L均一担持（図4において、"All 3.3 g/L"）よりも性能が優れていることを示す。
【００２６】
触媒金属濃度のより高い第二領域が、触媒金属濃度のより低い第一領域の後方に配置されるとき、触媒金属の耐久性、即ち熱時効に対する耐性が改善されることが見出された。この配置によると、時効後の低い温度でNOx吸蔵の性能向上の一助となる、高い触媒金属濃度を持つ領域114が、理論空燃比又はリッチ運転の間の触媒金属上の炭化水素、COおよびNOxの反応によって生じる熱時効の大部分から保護される。
【００２７】
図5は、図3の「40/100システム」の性能を、下流のNOx吸蔵転化領域（1.4126g/L（40gpcf））より上流のNOx吸蔵転化領域が高濃度（3.5315 g/L（100gpcf））である、「100/40システム」と比較するグラフである。  その測定は一定の空間速度で行なわれた。図を見て判るように、「40/100システム（図5において"40+100 gpcf"」は300 ℃および350℃において、「100/40システム（図5において"100+40 gpcf"）」より性能が優れている。低温におけるこの改善は、それが後方位置で時効されたときの、3.5315 g/L（100gpcf）担持部の良好な低温性能の維持に帰すると考えられる。「100/40システム」は、これらの温度で、2.472g/L（70gpcf）均一担持のシステム（図5において"All 70 gpcf"）と略同等の性能を示し、このことは、3.5315 g/L（100gpcf）担持領域が前部において時効されたという事実に帰すると考えられる。
【００２８】
図6は、図4の1.8+4.8g/L担持のシステム（1.8/4.8 ）の試験結果を、対応する4.8+1.8g/L（4.8/1.8）担持のシステム、即ち、上流のNOx吸蔵転化領域が4.8g/Lの触媒金属濃度をもち、下流のNOx吸蔵転化領域が、1.8g/Lの触媒金属濃度をもっているシステムと比較する。図6の測定は、線形的に増加する空間速度で行われた。再び、トラップの下流部に高濃度の触媒金属を持つNOxトラップが、トラップの上流部に高濃度の触媒金属を持つシステムより、性能が優れていることが示された。1.8/4.8（図6において"1.8g/L front, 4.8g/L rear"）と4.8/1.8（図6において"4.8g/L front, 1.8g/L rear"）の両方のNOxトラップが、一様に担持されたNOxトラップ（図6において"All 3.3g/L）より、性能が優れていることを記しておくべきである。
【００２９】
図2に示されるNOxトラップの実施形態は、二つのNOx吸蔵転化領域を含んでいるが、ここに示される技術思想が、異なる触媒金属濃度を備えた二つより多いNOx吸蔵転化領域を持つNOxトラップまで広げられ得ることは、認識されるであろう。例えば、図7は、210において、三つのNOx吸蔵転化領域212、214および216を持つ、NOxトラップ210の概略図を示す。NOx吸蔵転化領域212は、NOx吸蔵転化領域214より低い触媒金属濃度をもち、領域214は領域216より低い触媒金属濃度をもつ。同様に図8は、310において、四つのNOx吸蔵転化領域312、314、316および318を持つ、NOxトラップ310の概略図を示す。NOx吸蔵転化領域312は領域314より低い触媒金属濃度を持ち、領域314は領域316より低い触媒金属濃度を持ち、同様に、領域316は領域318より低い触媒金属濃度を持つ。更に、必要であれば、NOxトラップは5つ、6つ、あるいは7以上異なる触媒金属領域を持ち得る。更に、個別の領域を持つよりむしろ、図9に410でグラフ的に示されるように、金属触媒濃度を、NOxトラップの長手方向に沿って連続的に増加しても良い。更に、図2および図7-9に示されない触媒金属濃度変化も使用され得る。例えば、金属触媒の濃度が、NOxトラップを通るエミッション流の流れ方向に沿って、指数関数的又は対数的に増加しても良いし、あるいは他の非線形特性で増加してもよい。
【００３０】
図2および図7-9の実施形態は、トラップの上流領域が低い触媒金属濃度を持ち、下流領域が高い触媒金属濃度をもつNOxトラップを示すが、上流領域が下流領域よりも高い濃度を持ち得ることが認識されるであろう。そのような配置は、上流領域が低い触媒金属濃度の配置と同様の熱時効に対する耐性は無いかもしれないが、図5及び図6に要約された実験結果は、そのような配置が、触媒金属を均一に担持されたNOxトラップより、依然として良いNOx吸蔵転化性能を提供し得ることを示す。
【００３１】
＜制御システムおよび方法＞
更に、ここに開示される反応状態が、本来典型的なものであり、多数のバリエーションが可能であるため、これら特定の実施形態が本発明を限定する意味で考慮されるべきでないことは認識されるだろう。本明細書の主題は、種々の触媒金属濃度、領域設定、NOxトラップ設計、及びここに開示されるNOxトラップに関連する他の観点の、新規で非自明な組み合わせ及び一部組み合わせ（sub-combination）の全てを含む。特許請求の範囲は、特に新規で非自明と見なされる組み合わせ及び一部組み合わせを示す。これらの特許請求の範囲は、「一つの」構成要素、又は「一つの第一の」構成要素、又は、それらの同義語に言及し得る。そのような特許請求の範囲は、その構成要素が一つ以上あるものを含み、その構成要素が二つ以上あるものを要求もしなければ、除外もしないと理解されるべきである。触媒金属濃度、領域設定、NOxトラップ設計及び/又は、他の特徴、機能、要素及び/又は属性の組み合わせ及び一部組み合わせが、本件請求の範囲の補正又は本出願又は関連出願の新しい請求の範囲の提供によって、請求され得る。最初の特許請求の範囲の権利範囲より広い特許請求の範囲、狭い特許請求の範囲、同じ特許請求の範囲、又は異なる特許請求の範囲であろうと、そのような特許請求の範囲もまた、本明細書の主題に含まれると見なされる。
【００３２】
ところで図10乃至14を参照すると、NOxのような酸化剤の、軸方向の吸蔵を考慮に入れた、改良された制御システム及び方法が記述されている。具体例の一つにおいて、リーン運転中にトラップ内の軸方向のNOx吸蔵量が推定され、それから、リッチ・パージ運転中にトラップに供給される過剰な還元剤の量が調整され得る。
【００３３】
上述したように、パージ運転中の排気ガスの空燃比(パージ空燃比と呼ばれる)は、テールパイプから放出される未反応のNOx量を減らすべく、種々のパラメータに基づいて調節され得る。これらのパラメーターには温度、パージ開始からの経過時間、排気質量流量、及びトラップに吸蔵されているNOx又は酸化剤の総量が含まれ得る。しかしながら、ここに記述されたように、NOxのような吸蔵成分の総量に簡単に頼ると、還元剤の供給が不適切なものになる可能性がある。このことは、図10に関して、より詳しく記述される。
【００３４】
図10は、NOxが触媒ブリック（brick）に沿って軸方向にどのように分布され得るかを、二つの例で示す。例Aは均一分布と仮定されたときに高い総吸蔵NOx量を持ち、一方で例Bは低い総吸蔵NOx量を持つ (両方とも、利用可能なNOxサイトの総数が共通なものとして示される)。
【００３５】
NOxパージの間、還元剤の流れの先端は、図11に関してより詳細に後述されるように、排出制御装置の軸方向の長さに沿って移動すると見なされ得る。例えば、還元剤がトラップに供給されるとき、還元剤は最初に、前面近くに吸蔵されたNOxに遭遇する。それから、より多くの還元剤が供給されるにつれて、還元剤は、通り抜けが起こるまで（その時点でパージを終了することが出来る）、吸蔵された酸化剤と反応しながら、触媒の軸方向長さに沿って徐々に移動する。このようにして、触媒の上流領域で生じる反応は、触媒の前から後ろへ向かって順々に、触媒下流領域の反応（及び、利用可能な還元剤量）に影響を及ぼしていく。
【００３６】
したがって、図10に戻ると、任意の位置、例えばXにおいて、もし均一であると仮定される分布に基づく量の還元剤が供給されるならば、還元剤は多すぎる（もしくは過剰な流量、又は過剰な質量流量）（X2）か、少なすぎる（X1）可能性がある。還元剤の流れの先端が、均一分布仮定値と吸蔵量とが一致するポイント（X3）にあるときに限り、利用可能な還元剤の量が適切である。
【００３７】
したがって、吸蔵された酸化剤の総量も総量に対する割合も、適切な還元剤の量を判定するうえで有用な値になり得る一方で、一つの取り組みにおいて、軸方向の酸化剤の分布もまた、特性の向上が得られるように空燃比（又は還元剤の流量）を調節するために、使用することが出来る。言いかえれば、触媒における位置(例えば、軸方向長さ)に沿ったNOx吸蔵分布の判定によって測定され得る、又は推定され得る、又はまたはそれらの組み合わせによるNOx吸蔵分布情報に少なくとも部分的に基づく、エンジン空燃比(または、空気量、燃料量その他)の調節が可能である。
【００３８】
そこで図11を参照すると、複数の領域に分割された（例えば、評価目的のために、望ましくは物理的に分割された）触媒ブリック1110の例を示す。この例において、ブリックの前面から開始するいくつかのサンプル領域A−Eが示される。この例は単一のブリックを示しているが、いかなる数のブリック又は排出制御装置にも、または、ブリック又は排出制御装置の一部にも同様に適用し得る。
【００３９】
領域は、水平線(及びハッチング)を用いて、異なる位置/領域に吸蔵された酸化剤（例えば、NOx＋酸素）の量を概念的に示す。さらに、この図は、例示の位置における還元剤の流れの先端の位置の一例を示す。これは、還元剤流れ先端の与えられた位置において、吸蔵された酸化剤との反応に利用できる還元剤の量を、どのようにして、還元剤がまさに遭遇しようとしている領域（例えば、この例における領域C）に吸蔵された量に一致させ得るかを示す。言いかえれば、流れの先端が前の領域(領域B)を通過しているとき、排気空燃比(及び/又は質量流量、あるいは排気成分)を、流れの先端が領域Bを通過しているとき、その後領域Cを通り抜けるとき、より多くの還元剤を持つように調節することが出来る。さらに、流れの先端が領域Dに達するとき、利用可能な還元剤はさらに少なくなる。さらに、流れの先端が領域Eに達するとき、利用可能な還元剤は理論上、存在しないことがある。
【００４０】
したがって、流れ先端が例えば領域Eに達するときに、空燃比が理論空燃比又はリーンに戻り、流れ先端の空燃比が理論空燃比又はリーンになるよう、排気空燃比を上流（例えば、エンジン排気、またはブリック810上流の排気）で調整することが出来る。更に、輸送遅れそして特定の領域の上流で生じ得るいかなる反応のために、目標先端還元剤量が設定されるのに先立ち、排気空燃比を調整しても良いことを記しておく。装置に供給される還元剤の量及び/又は割合を調節するため、空燃比を変更すること、排気質量流量を変更すること、排気中に噴射する還元剤の量を変更することを含む、種々の取り組みがあることを記しておく。
【００４１】
そのような取り組み、あるいはここに記載された他のいかなる取り組みも、並列式又は直列式の装置を含む、種々の配置及び大きさの排出制御装置あるいは触媒ブリックに適用することが出来る。例えばバンク毎に複数のNOxトラップがある場合は、軸方向の吸蔵量の推定と、対応するパージ制御を、バンク毎に実施することが出来る。
【００４２】
ここで図12を参照すると、軸方向のNOx及び/又は酸素分布を判定するためのフローチャートが示されている。この点において、酸素が均一分布していると仮定して、軸方向のNOxの吸蔵量をするルーチンが記載されている。しかしながらそれは、酸素そして必要ならば他の酸化剤の軸方向分布を含むように拡張することも出来る。そして、推定されたパラメーターはオンラインで利用可能とされて、パージ中のエンジンまたは排気空燃比のような動作の制御、そしてエンジン又は触媒の劣化のような装置劣化の判定に、利用することが出来る。
【００４３】
最初に、ステップ1210においてルーチンは、触媒を推定のために複数の領域に分割する。各領域の大きさは一定である場合もあれば、例えば、より多くの吸蔵あるいは反応活動が生じるところの解像度が高くなるように、長さ方向に変化することもあり得る。さらに、使用される領域の数と大きさを、全ての条件において一定として、ステップ1210を省略することも出来る。また、領域の数および大きさは、装置温度、エンジン始動からの経過時間、触媒劣化等の他の動作状態に基づいて、変化するものであっても良い。
【００４４】
そして、ステップ1212において、ルーチンは各領域について、入って来る還元剤、入って来る酸化剤、吸蔵される酸化剤、放出される酸化剤、出て行く還元剤、及び/又は出て行く酸化剤の量を推定する。最も上流の領域に関しては、各成分推定を、排気成分又はエンジンから出力される成分に基づくものとすることが出来ることを記すべきである。この推定のための入力には、各領域における温度、領域の大きさ、及び領域の（排気ガス流の長手方向に沿った）軸方向の位置、（時効劣化及び/又は硫黄の蓄積と除去のような）各領域の劣化、各領域の貴金属担持量、そしてそれらの組み合わせ等が含まれる。さらに、この推定に際して、NOxのような酸化剤の、吸蔵／パージに影響する空間速度を考慮することも出来る。
【００４５】
最後に、ステップ1214において、ルーチンは、上記各領域の推定値を用いて、種々のエンジン及び／又は排気のパラメーターを調節する。例えば、ルーチンは、各領域の推定値を、いつの時点でリーン運転を終了し、吸蔵された酸化剤をパージするかを決定するため、パージ中の空燃比のような、NOxパージ中の空燃比特性を選択するため、及び/又は、リッチ・パージ運転をいつ終了するかを評価するために使用し得る。
【００４６】
一つの例において、この推定は、各領域について、還元剤が現実にその領域に到達したとき、その位置に吸蔵されているNOxと酸素の量に対して適切な量の還元剤が利用可能となるように（そして下流の領域若しくはテールパイプ排出量に対するいかなる作用も考慮しながら）、そこに入って来る還元剤の所望量を決定することを含むものとすることが出来る。そして、この入って来る還元剤の所望量を用いて、排気中の時間的な目標空燃比特性そして、目標排気温度、目標排気質量流量他のような他のパラメーターを決定することが出来る。
【００４７】
今、図13を参照すると、排出制御装置の軸方向の情報に基づいてエンジンを制御するためのルーチンが示される。具体的には、ステップ1310において、ルーチンは、装置内に吸蔵されたNOxの量及び、触媒の長手方向に沿ったNOx吸蔵分布を監視する。例えば、上述の推定を使用することが出来る。さらに、上流及び/又は下流の排気センサーからの情報も、NOx吸蔵量とその触媒長手方向の位置を監視するために用いることが出来る。例えば、排出制御装置の上流、下流又はその中のNOx及び/又は酸素センサーを用いて、酸化剤吸蔵量及び/又はその位置の判定性を改良することも出来る。
【００４８】
その後、ステップ1312において、ルーチンは、吸蔵量/位置が、吸蔵された酸化剤例えばNOxをパージするためにリーンから理論空燃比又はリッチへの一時的な空燃比の変更のための要件を満たすかどうかを判定する。たとえば、異なる軸方向位置で吸蔵されているNOxの加重平均を、そのような運転の開始条件として使用することが出来る。代替実施形態において、下流NOxセンサーを用いて、そのような運転の開始条件として距離あたりの排出量を判定することも出来る。
【００４９】
次に、ステップ1312の判断結果YES（Y）のとき、ルーチンはステップ1314へ進む。そうでなければ、ルーチンは、リーン又は理論空燃比運転を維持する又は戻るべく継続する。ステップ1314において、ルーチンは、NOx吸蔵量、吸蔵位置及び/又は還元剤の流れ先端の軸方向の位置、装置温度（又は軸方向長さに沿った温度プロファイル）、又はそれらの組み合わせに基づき、目標排気空燃比の値を選択する。それから、目標排気空燃比を用いて、空燃比を目標値とするために、エンジン運転（例えば、燃料噴射量、空気量など）を調整することが出来る。
【００５０】
そしてルーチンはステップ1314からステップ1316へと進み、還元剤の流れ先端の位置及び、流れ先端における還元剤の量を監視することにより、NOxパージが完了したか否かを判定する。これは、上記推定値そして、排出制御装置の上流、下流又は装置内の排気センサーからの情報を用いて行なうことが出来る。例えば、酸素センサーが所定の軸方向位置に置かれているとき、センサーは、測定された酸素濃度に基づき還元剤の流れ先端の移動を検知することができる。一つの例において、酸素の不足が検知されたとき（例えば、しきい値を越えたとき)、還元剤の流れ先端の位置を判定することが出来る。
【００５１】
パージが完了していないとき、ルーチンはステップ1314に戻る。もしパージが完了している（例えば、流れ先端が一定の強さをもって、選択された軸方向位置に到達している）とき、ルーチンはステップ1318へ進み、リーン（又は理論空燃比）運転に戻る。
【００５２】
このようにして、ルーチンは、NOx吸蔵量とそれが吸蔵されている位置を用いて、エンジン及び/又は車両の運転の種々の観点を制御することが出来る。例えば、この情報を用いて、いつ触媒をパージするか、触媒をどのくらいの期間パージすべきか、及び、期間が異なる場合における触媒パージのために使用される排気のリッチ度合い若しくは、還元剤質量流量を判定することが出来る。さらに、この情報を用いて、触媒劣化の推定の向上そして脱硫制御、温度制御その他を改良することが可能である。
【００５３】
動作の方法とシステム構成との間の相互作用のいくつかを、更に詳細に述べる。例えば、本明細書の制御ストラテジーが扱う問題として、排出制御装置（例えば、リーンNOxトラップ）内の貴金属の配分（zoning）を利用する能力と、高担持領域と低担持領域の間の潜在的に異なる温度ウインドウを利用する能力の二つがある。
【００５４】
上述したように、担持量（例えば、Ptの担持量）は、ブリックの全長の中の少なくとも一部において不均一であり得るので、ブリックの長手方向のNOx吸蔵能力もまた、均一でない可能性がある（ここで、吸蔵能力は貴金属の元素により変わり得るので、サイトの数は一様である場合もあれば、一様でない場合もある）。したがって、一つの例において、NOxトラップ挙動の推定は、ブリックを、単位体積あたり低いサイト密度をもつ領域と、単位体積当たり高いサイト密度をもつ領域との、少なくとも二つの領域に明確に分割する可能性がある。あるいは、モデルは、ブリックの長手方向に沿って起こる時効効果の差異を考慮して、二つより多い領域に分けられ得る。例えば、触媒の前面は、触媒の後部より早く劣化し得る。
【００５５】
したがって、白金族金属（platinum group metal：PGM）の配分の利点の一つは、最初により多くのサイトがブリックの後部に置かれるので、時効された部分の能力の増加を可能とすることである。下記の形式の方程式を使用して、位置の関数としてのトラップの容量を調整することが出来る：
Cap(z) = Cap0(z)*exp(-k*t)
【００５６】
ここで、Capは、軸方向位置zの関数としての容量であり、Cap0は、軸方向位置zの関数としての初期容量であり、tは時間、そして、kは、晒される温度及び/又は空燃比の関数としての劣化の相対速度を表す。モデルは、位置の関数としての容量の和が、センサー又は他の方法によって測定されたブリックの総容量に等しくなることを確かなものとするように調整することが出来る。これは、時間と位置の関数としてブリック上に吸蔵されたNOxの量の正確な予測を可能とし、それは、その後、性能を改善するための制御ストラテジー（例えば、目標空燃比、目標空気量、目標触媒温度などの判定）の中で使用され得る。
【００５７】
しかしながら、たとえNOxトラップの担持量が軸方向で変わり得るとしても、酸素吸蔵量は依然として個々の触媒全体で均一に分布している可能性がある(あるいは、そのように想定され得る)ことを記すべきである。言いかえれば、（特定の酸素吸蔵用の貴金属の担持量と持つ）個々のブリックについて、たとえNOx吸蔵量が軸方向で変わったとしても、酸素吸蔵量はブリック全体で均一に分布していると想定することも出来る。しかしながら、異なるブリックは、所定のブリック内の総担持量に依存して、異なる酸素吸蔵能力を持つ場合もある。あるいは、異なる触媒領域中における酸素吸蔵能力の変化も含まれ得る。
【００５８】
本明細書の中に使用され得る制御の別の特徴は、高担持量と低担持量との間の潜在的に異なる温度領域を有効に利用できることである。図14は、時効後の標準的な実験室試験における四つの異なるPGM担持量をもつ四つの装置の効率を示す。図14中の各温度における最左枠（"15gpcf"）が5.297 g/L（15gpcf）担持のNOxトラップ試料の転化能力を示し、左から二番目の枠（"30gpcf"）が、10.594 g/L（30gpcf）担持のNOxトラップ試料の転化能力を示し、右から二番目の枠（"60gpcf"）が21.189 g/L（60gpcf）担持のNOxトラップ試料の転化能力を示し、最右枠（"90gpcf"）が、31.783 g/L（90gpcf）担持のNOxトラップ試料の転化能力を示す。図14は、高PGM担持量の装置が、低温においてより優れた性能をもち、低PGM担持量のトラップが、高温において優れた性能を持つことを示している。繰り返しになるが、これらの作用と相互作用は、そこにおいて、エミッション制御装置が軸方向に沿って個別の領域に分割され得る、上述された制御及び推定の取り組みに含めることが出来、それによって、領域温度、空燃比（A/F）、PGM担持量、及びNOx吸蔵量に依存し得る、NOxが触媒から脱離（desorb）し得る温度のような、性能の違いを説明可能とする。これらの要素の1つ以上が位置の関数として変わり得るので、NOxトラップについての軸方向の離散モデルを、有利に使用することが出来る。
【００５９】
本発明を実施するためのいくつかの方法について詳細に述べてきたが、本発明が関連する分野の当業者であれば、本発明を実施するための種々の代替構成及び実施形態を想到するであろう。上述した実施形態は、本発明の具体例を示すためのものであり、特許請求の範囲の技術思想の範囲内で修正され得る。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明が用いられているエンジンの概略図である。
【図２】本発明にかかる、第一領域と第二領域をもつNOxトラップの概略図である。
【図３】本発明にかかる、変化する貴金属濃度をもつNOxトラップと、均一の貴金属濃度をもつNOxトラップの、一定の空間速度におけるNOx吸蔵及び転化の効率を示すグラフである。
【図４】本発明にかかる、変化する貴金属濃度をもつNOxトラップと、均一の貴金属濃度をもつNOxトラップの、変化する空間速度におけるNOx吸蔵及び転化の効率を示すグラフである。
【図５】本発明にかかる、前側の貴金属濃度が後ろ側より高いNOxトラップと、前側の貴金属濃度が後ろ側より低いNOxトラップと、均一の貴金属濃度をもつNOxトラップの、一定の空間速度におけるNOx吸蔵及び転化の効率を示すグラフである。
【図６】本発明にかかる、前側の貴金属濃度が後ろ側より高いNOxトラップと、前側の貴金属濃度が後ろ側より低いNOxトラップと、均一の貴金属濃度をもつNOxトラップの、変化する空間速度におけるNOx吸蔵及び転化の効率を示すグラフである。
【図７】本発明にかかる、第一領域、第二領域及び第三領域をもつNOxトラップの概略図である。
【図８】本発明にかかる、第一領域、第二領域、第三領域及び第四領域をもつNOxトラップの概略図である。
【図９】本発明にかかる、長さ方向に沿って触媒金属濃度が連続的に増加するNOxトラップをグラフ的に表した概略図である。
【図１０】装置上に吸蔵されるNOx量の変化を示すグラフである。
【図１１】本発明にかかる触媒ブリックの断面の例である。
【図１２】本発明にかかる実施形態の動作の一部を実行するルーチンのフローチャートの例である。
【図１３】本発明にかかる実施形態の動作の一部を実行するルーチンのフローチャートの例である。
【図１４】本発明にかかる、担持量の異なる触媒のNOx吸蔵及び転化の効率を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６１】
10  エンジン
40  エミッション処理部
100  三元触媒コンバータ
110   NOxトラップ
112  第一のNOx吸蔵転化領域112（第一領域）
114  第二のNOx吸蔵転化領域112（第二領域）
116  ハウジング
118  ハウジング
210  NOxトラップ
310  NOxトラップ
410  NOxトラップ
【図１】
2006138322.tif 000003
【図２】
2006138322.tif 000004
【図３】
2006138322.tif 000005
【図４】
2006138322.tif 000006
【図５】
2006138322.tif 000007
【図６】
2006138322.tif 000008
【図７】
2006138322.tif 000009
【図８】
2006138322.tif 000010
【図９】
2006138322.tif 000011
【図１０】
2006138322.tif 000012
【図１１】
2006138322.tif 000013
【図１２】
2006138322.tif 000014
【図１３】
2006138322.tif 000015
【図１４】
2006138322.tif 000016