(57)【要約】希薄燃焼エンジンやディーゼルエンジンにおいて、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を再生する際に、ＥＧＲを伴うリッチ燃焼でも、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒から放出されるＮＯｘを十分に還元浄化でき、高いＮＯｘ浄化率を発揮できる排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法を提供するためのもので、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒（３０）を備えた排気ガス浄化システム（１）において、通常制御運転手段（Ｃ１０）と、再生制御開始判定手段（Ｃ２０）と、触媒活性化制御運転手段（Ｃ３０）と、排気ガス中の酸素濃度を低下させるリッチ燃焼制御運転手段（Ｃ４０）とを有する制御装置（Ｃ１）を備えて、ＥＧＲを伴うリッチ燃焼を行う直前に、触媒を活性化させる触媒活性化制御運転を行うように構成する。
2003069137.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒金属と窒素酸化物吸蔵物質を有する窒素酸化物吸蔵還元型触媒をエンジンの排気通路に設けると共に、通常制御運転手段と、前記窒素酸化物吸蔵還元型触媒の再生制御開始時期を検知する再生制御開始判定手段と、排気ガス中の酸素濃度を低下させるリッチ燃焼制御運転手段を有する制御装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、
前記リッチ燃焼制御運転手段が、ＥＧＲガスを再循環させて、排気ガス中の空燃比状態がリッチな排気ガスを発生させるリッチ燃焼制御運転を行うと共に、
前記制御装置が、前記リッチ燃焼制御運転を行う直前に前記触媒金属を活性化させる制御運転を行う触媒活性化制御運転手段を備えたことを特徴とする排気ガス浄化システム。
【請求項２】
前記触媒活性化制御運転手段が、理論空燃比近辺の燃焼制御運転を行うと共に、シリンダ内への燃料噴射において、多段かつ早期噴射を行うことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項３】
前記窒素酸化物吸蔵還元型触媒が還元剤吸蔵物質を備えたことを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項４】
前記触媒活性化制御運転手段が理論空燃比近辺の燃焼制御運転を行うと共に、エンジンの吸気制御を行ってエンジンの発生トルクを制御することを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項５】
前記リッチ燃焼制御運転手段が、ＥＧＲガスを再循環させて、排気ガス中の空燃比状態がリッチな排気ガスを発生させると共に、エンジンの吸気制御を行ってエンジンの発生トルクを制御することを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項６】
触媒金属と窒素酸化物吸蔵物質を有する窒素酸化物吸蔵還元型触媒をエンジンの排気通路に設けると共に、通常制御運転手段と、再生制御開始判定手段と、触媒活性化制御運転手段と、排気ガス中の酸素濃度を低下させるリッチ燃焼制御運転手段を有する制御装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、
前記再生制御開始判定手段が、窒素酸化物吸蔵還元型触媒の再生のための再生制御を開始すると判定した時に、触媒活性化制御運転手段が、触媒活性化制御運転を行い、該触媒活性化制御運転の後に、前記リッチ燃焼制御運転手段が、ＥＧＲガスの再循環を伴うリッチ燃焼制御運転を行って、前記窒素酸化物吸蔵還元型触媒を再生することを特徴とする排気ガス浄化方法。
【請求項７】
前記触媒活性化制御運転を、理論空燃比近辺の燃焼制御運転で行うと共に、多段かつ早期噴射でシリンダ内への燃料噴射を行うことを特徴とする請求の範囲第６項に記載の排気ガス浄化方法。
【請求項８】
前記窒素酸化物吸蔵還元型触媒が還元剤吸蔵物質を備えたことを特徴とする請求の範囲第６項又は第７項に記載の排気ガス浄化方法。
【請求項９】
前記触媒活性化制御運転において、理論空燃比近辺の燃焼制御運転を行っている時にエンジンの吸気制御を行ってエンジンの発生トルクを制御することを特徴とする請求の範囲第６項又は第７項に記載の排気ガス浄化方法。
【請求項１０】
前記リッチ燃焼制御運転において、ＥＧＲガスを再循環させて排気ガス中の空燃比状態がリッチな排気ガスを発生させると共に、エンジンの吸気制御を行ってエンジンの発生トルクを制御することを特徴とする請求の範囲第６項又は第７項に記載の排気ガス浄化方法。
【発明の詳細な説明】
技  術  分  野
本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関において、窒素酸化物吸蔵還元型触媒を備えて、排気ガス中の窒素酸化物を浄化する排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法に関する。
背  景  技  術
ディーゼルエンジンや一部のガソリンエンジン等の内燃機関や様々な燃焼装置の排気ガス中から窒素酸化物（以下ＮＯｘという）を還元除去するためのＮＯｘ触媒について種々の研究や提案がなされている。
これらのＮＯｘ触媒の中に、希薄燃焼（リーン燃焼）ガソリンエンジンやディーゼルエンジンの排気ガスの浄化に使用あるいは使用の検討がなされている、ＮＯｘ吸蔵物質を有するＮＯｘ吸蔵還元型触媒がある。
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は三元触媒と異なり排気ガス中に酸素（以下Ｏ２という）が存在していてもＮＯｘの浄化を行うことができるものである。第９図に、このＮＯｘ吸蔵還元型触媒７０の構造を、第１０図及び第１１図に、担持層表面における活性金属の配置とＮＯｘの吸蔵、放出及び還元浄化のメカニズムを示す。
第９図に示すＮＯｘ吸蔵還元型触媒７０は、コーディエライト、ステンレス等で形成された構造材の担体７１に、多数の多角形（第９図では四角形）のセル７０Ｓを設けたモノリスハニカム７０Ｍとして形成されている。
そして、第９図（ｂ）及び第９図（ｃ）に示すように、この全体として大きな表面積を有するセル７０Ｓの内壁に、表面積を稼ぐためにゼオライトやアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリカ等の多孔質コート材で形成される触媒コート層（担持層）７４がコーティングされ、第１０図及び第１１図に示すように、この触媒コート層７４に、触媒金属７２とＮＯｘ吸蔵物質（Ｒ）７３とが担持されている。
この触媒金属７２は、酸化機能を持つ白金（Ｐｔ）等の貴金属で形成され、ＮＯｘ吸蔵物質（Ｒ）３３は、ＮＯｘ吸蔵及び放出機能を持つカリウム（Ｋ）等のアルカリ金属、バリウム（以下Ｂａという）等のアルカリ土類金属、ランタン（Ｌａ）等の希土類の内の一つ乃至幾つかで形成される。
第１０図は、ディーゼルエンジンや希薄燃焼ガソリンエンジン等の通常運転の、排気ガス中にＯ２が含まれている排気ガス条件における、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒７０のＮＯｘ吸蔵による浄化のメカニズムを示す。
この排気ガス条件下では、排気ガス中に排出された一酸化窒素（以下ＮＯという）は、触媒金属７２の触媒作用によって、排気ガス中のＯ２と反応して酸化し、二酸化窒素（以下ＮＯ２という）になる。そして、このＮＯ２を、ＮＯｘ吸蔵物質（Ｒ）７３であるＢａ等が硝酸塩（例えばＢａ（ＮＯ３）２）等の形で吸蔵するので、排気ガス中のＮＯｘは浄化される。
しかし、この状態が継続すると、ＮＯｘ吸蔵機能を持つＮＯｘ吸蔵物質（Ｒ）７３が全て硝酸塩に変化して、ＮＯｘ吸蔵機能を失ってしまうので、エンジンの運転条件を変えて、排気ガス中にＯ２が存在せず、一酸化炭素（以下ＣＯという）濃度が高く、排気温度が高い過濃燃焼排気ガス（リッチ空燃比状態の排気ガス）を発生させて、この排気ガスをＮＯｘ吸蔵還元型触媒７０に送る。
そして、第１１図に示すように、排気ガス中のＯ２が無くなり、ＣＯ濃度と排気温度が上昇すると、ＮＯｘを吸蔵したＮＯｘ吸蔵物質（Ｒ）７３は硝酸塩が元のＢａ等に戻ってＮＯ２を放出する。そして、この放出されたＮＯ２は、排気ガス中にＯ２が存在しないので、触媒金属７２の触媒作用により、排気ガス中のＣＯ，炭化水素（以下ＨＣという），水素（以下Ｈ２という）等を還元剤として、水（以下Ｈ２Ｏという），二酸化炭素（以下ＣＯ２という），窒素（以下Ｎ２という）に還元され、浄化される。
これらのＮＯｘ吸蔵還元型触媒７０を備えた従来技術の排気ガス浄化システムの一部においては、過濃燃焼排気ガスを発生する際の燃費の悪化を回避するために、特開平２０００−３５６１２７号公報の排ガス浄化装置のように、ＥＧＲ（排気再循環）を大量に行って吸気量を減少することによって、少量の燃料噴射で排気ガス中のＯ２濃度を低減し、ＣＯ濃度を増加させることが提案されている。この排ガス浄化装置では、ＥＧＲすることで、少量の燃料噴射でリッチ燃焼を実現し、燃費の悪化を回避することができる。
しかしながら、この特開２０００−３５６１２７号公報の排ガス浄化装置においては、大量のＥＧＲによって、排気ガス中のＯ２濃度を低下させると、エンジンシリンダ内の燃焼温度が高温にならず、排出される排気ガス温度も高くならないという問題と、触媒表面においてＣＯ２等の不活性ガスが増加するという問題が生じる。
そのため、ＮＯｘ吸蔵物質から放出されたＮＯ２を触媒作用によりＮ２に還元するには大きなエネルギーが必要で、触媒表面を高温にする必要があるにもかかわらず、このＥＧＲを伴うリッチ燃焼時に触媒表面温度が上がらないため、触媒が活性化せず、放出されたＮＯ２が還元浄化されないまま放出されてしまうので、ＮＯｘの浄化性能が低下するという問題が生じる。
第１２図に、従来のＥＧＲを利用してリッチ燃焼時の排気ガスを発生する排気ガス浄化システムにおける、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ浄化性能を示す。この第１２図によれば、ＥＧＲを伴うリッチ（過濃）燃焼により、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を再生するためのリッチ燃焼運転が始まる再生初期に、ＮＯｘ濃度の高いピークが現れており、ＮＯｘの浄化率が非常に大きく低下していることが分かる。
本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を再生する際に、ＥＧＲを伴うリッチ燃焼を行う直前に、触媒表面を昇温させる触媒活性化制御運転を行うことにより、ＥＧＲを伴うリッチ燃焼でも、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒から放出されるＮＯｘを十分に還元浄化でき、高いＮＯｘ浄化率を発揮できる排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法を提供することにある。
発  明  の  開  示
以上のような目的を達成するための排気ガス浄化システムは、次のように構成される。
１）  触媒金属とＮＯｘ吸蔵物質を有するＮＯｘ吸蔵還元型触媒をエンジンの排気通路に設けると共に、通常制御運転手段と、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の再生制御開始時期を検知する再生制御開始判定手段と、排気ガス中の酸素濃度を低下させるリッチ燃焼制御運転手段を有する制御装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、前記リッチ燃焼制御運転手段が、ＥＧＲガスを再循環させて、排気ガス中の空燃比状態がリッチな排気ガスを発生させるリッチ燃焼制御運転を行うと共に、前記制御装置が、前記リッチ燃焼制御運転を行う直前に前記触媒金属を活性化させる制御運転を行う触媒活性化制御運転手段を備えて構成される。
この触媒金属は、白金等の酸化還元の触媒作用を有するもので形成することができ、ＮＯｘ吸蔵物質は、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃｓ）等のアルカリ金属、バリウム（Ｂａ），カルシウム（Ｃａ）等のアルカリ土類金属、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）等の希土類等のいずれか一つまたは組合せで形成することができる。
また、この排気ガス中の空燃比状態がリッチとなる運転とは、必ずしもシリンダボア内でリッチ燃焼する必要はなく、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に流入する排気ガス中における空気量と燃料量との比が理論空燃比に近いか理論空燃比より燃料量が多いリッチの状態の運転になればよい。
この構成によれば、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の再生のためのリッチ燃焼を行う際にＥＧＲガスを再循環させるので、リッチ燃焼時の燃費を節約でき、また、このＥＧＲを伴うリッチ燃焼の直前に触媒金属を活性化させる制御を行うので、触媒の活性を高めてからリッチ燃焼となるため、ＮＯｘ吸蔵物質から放出されるＮＯｘの還元浄化が十分に行われる。
２）そして、上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記触媒活性化制御運転手段が、理論空燃比近辺の燃焼制御運転を行うと共に、シリンダ内への燃料噴射において、多段かつ早期噴射を行うように構成される。
この理論空燃比近辺での燃焼では、空気過剰率λが０．８〜１．１の範囲、好ましくはλ＝１．０１とする。これにより、少ない燃料量で排気ガス温度を高くすることができるので、触媒表面温度を効率良く上昇することができる。なお、この理論空燃比近辺での燃焼では、排気ガス温度をできるだけ高くするためにＥＧＲ弁を全閉しＥＧＲは行わない。また、多段かつ早期噴射により、燃料とシリンダ内ガスとの混合が促進されるので、スモークレス燃焼を実現できる。
３）上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒が還元剤吸蔵物質を備えて構成される。
この還元剤吸蔵物質は、ゼオライト等のＨＣやＣＯを低温で吸蔵し、高温で放出する物質で形成することでき、この還元剤吸蔵物質を備えることにより、通常運転時には、排気ガス中のＨＣやＣＯを吸蔵するので、排気ガスが浄化され、また、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の再生制御運転時には、吸蔵したＨＣやＣＯを放出するので、同時に放出されるＮＯｘの還元剤となり、ＮＯｘを還元できる。
４）上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記触媒活性化制御運転手段が、理論空燃比近辺の燃焼制御運転を行うと共に、エンジンの吸気制御を行ってエンジンの発生トルクを制御するように構成される。このスロットル弁の弁開度を調整する吸気制御により、発生トルクを調整制御して、通常制御運転から触媒活性化制御運転へ移行する際のトルク変動を少なくすることができる。
５）上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記リッチ燃焼制御運転手段が、ＥＧＲガスを再循環させて、排気ガス中の空燃比状態がリッチな排気ガスを発生させると共に、エンジンの吸気制御を行ってエンジンの発生トルクを制御するように構成される。このスロットル弁の弁開度を調整する吸気制御により、発生トルクを調整制御して、触媒活性化制御運転からリッチ燃焼制御運転へ、また、リッチ燃焼制御運転から通常制御運転へ移行する際のトルク変動を少なくすることができる。
そして、上記の排気ガス浄化システムにおける排気ガス浄化方法は、次のように構成され、上記と同様の作用効果を奏することができる。
１）触媒金属とＮＯｘ吸蔵物質を有するＮＯｘ吸蔵還元型触媒をエンジンの排気通路に設けると共に、通常制御運転手段と、再生制御開始判定手段と、触媒活性化制御運転手段と、排気ガス中のＯ２濃度を低下させるリッチ燃焼制御運転手段を有する制御装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、前記再生制御開始判定手段が、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の再生のための再生制御を開始すると判定した時に、触媒活性化制御運転手段が、触媒活性化制御運転を行い、該触媒活性化制御運転の後に、前記リッチ燃焼制御運転手段が、ＥＧＲガスの再循環を伴うリッチ燃焼制御運転を行って、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を再生するように構成される。
２）上記の排気ガス浄化方法において、前記触媒活性化制御運転を、理論空燃比近辺の燃焼制御運転で行うと共に、多段かつ早期噴射でシリンダ内への燃料噴射を行うように構成される。
３）上記の排気ガス浄化方法において、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒が還元剤吸蔵物質を備えて構成される。
４）上記の排気ガス浄化方法で、前記触媒活性化制御運転において、理論空燃比近辺の燃焼制御運転を行っている時に、エンジンの吸気制御を行ってエンジンの発生トルクを制御するように構成される。
５）上記の排気ガス浄化方法で、前記リッチ燃焼制御運転において、ＥＧＲガスを再循環させて、排気ガス中の空燃比状態がリッチな排気ガスを発生させると共に、エンジンの吸気制御を行ってエンジンの発生トルクを制御するように構成される。
そして、本発明に係るＮＯｘ吸蔵還元型触媒を備えた排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法によれば、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の再生を行う前に、理論空燃比近辺の燃焼等の触媒活性化制御運転によって、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を事前に高温にして活性化してから、ＥＧＲを伴うリッチ燃焼を行うので、このＥＧＲを伴うリッチ燃焼によるＮＯｘ吸蔵還元型触媒の表面温度の低下と、この表面温度低下による触媒活性の低下を防ぐことができる。
従って、再生制御運転時において、ＥＧＲを伴うリッチ燃焼制御運転を行っても、ＮＯｘを十分に還元でき、再生制御による燃費の悪化を抑えながら、ＮＯｘ浄化性能を向上させることができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明に係るＮＯｘ吸蔵還元型触媒を備えた排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法について、図面を参照しながら説明する。
最初に、本発明に係るＮＯｘ吸蔵還元型触媒３０を備えた排気ガス浄化システム１について、第１図と第２図を参照しながら説明する。
第１図は、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３０を備えた排気ガス浄化システム１のエンジン２及びエンジン排気系の構成図をディーゼルエンジンの例で示したものであり、第２図は、第１図のエンジンシステム部分の詳細を示す図である。
この排気ガス浄化システム１では、第１図及び第２図に示すように、エンジン１０の吸気通路２に上流側から空気清浄器２１、ターボチャージャ５のコンプレッサー５ａ、インタークーラ２２、スロットル弁（吸気絞り弁）２３が配設され、排気通路３の上流側から排ガス温度センサ５１、ターボチャージャ５のタービン５ｂ、空気過剰率（λ）センサ５２、入口側ＮＯｘセンサ５３、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３０、出口側ＮＯｘセンサ５４、消音器３１（第１図）が配設される。更に、ＥＧＲクーラ４１とＥＧＲバルブ４２を備えたＥＧＲ通路４が、排気マニホールド１２からスロットル弁２３の下流側の吸気通路２に接続されている。
そして、エンジン１０の燃料噴射を行うコモンレール噴射システム６及びエンジン全体を制御するＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）と呼ばれる電子制御装置（電子制御ボックス）７が設けられる。
また、ターボチャージャ５には、可変容量型ターボ（ＶＧＳ）、ウエストゲート付きターボ、通常のターボのいずれを使用してもよく、可変容量型ターボ（ＶＧＳ）又はウエストゲート付きターボを使用する場合は、可変容量ノズルとウエストゲートも電子制御装置７により制御される。
この排気ガス浄化システム１においては、空気Ａは空気清浄器２１を通過してターボチャージャ５のコンプレッサー５ａで過給され、インタークーラ２２で冷却された後、スロットル弁２３を通過し、エンジン１０の吸気マニホールド１１からシリンダ内に供給される。この吸気の流量は電子制御装置７で制御されるスロットル弁２３により調整される。
また、排気ガスＧは、排気マニホールド１２を出てターボチャージャ５のタービン５ｂを駆動した後、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３０を通過して浄化された排気ガスＧｃとなり、消音器３１（第１図）を通過した後にテールパイプ３２（第１図）より排出される。
そして、排気ガスＧの一部であるＥＧＲガスＧｅは、ＥＧＲクーラ４１で冷却された後、ＥＧＲバルブ４２を通過して、吸気通路２に入り、再循環する。このＥＧＲガスＧｅはＥＧＲバルブ４２により、ＯＮ／ＯＦＦとガス流量の調整が行われる。
次に、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３０について説明する。
第３図に、このＮＯｘ吸蔵還元型触媒３０の壁面構造を示す。このＮＯｘ吸蔵還元型触媒３０は、γアルミナ等の担持体３１で形成されたモノリスハニカム３０Ｍで形成され、このモノリスハニカム３０Ｍのセル３０Ｓ内の表面にゼオライト等で形成される還元剤吸蔵物質３４をコーティングし、その表面に触媒金属３２、ＮＯｘ吸蔵物質３３を担持させている。
この触媒金属３２は、活性開始温度より高い温度域で酸化活性を持つ白金（Ｐｔ）等で形成される。この活性開始温度は白金では、約１５０℃〜２００℃となる。
また、ＮＯｘ吸蔵物質３３は、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃｓ）等のアルカリ金属、バリウム（Ｂａ），カルシウム（Ｃａ）等のアルカリ土類金属、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）等の希土類等で形成され、ガス中のＯ２濃度が高い時にはＮＯｘを吸蔵し、ガス中のＯ２濃度が低い時にはＮＯｘを放出する。
そして、還元剤吸蔵物質３４はゼオライト等で形成され、ＨＣ、ＣＯ等の還元剤を低温時に吸着又は吸蔵し、高温時に放出する。第４図に、この還元剤吸蔵物質３４の触媒温度に対するＨＣ，ＣＯの吸着、吸蔵及び放出の関係（温度特性）を示す。
次に、この排気ガス浄化システム１における排気ガス浄化方法と排気ガス中のＮＯｘの浄化メカニズムについて、第５図〜第８図を参照しながら説明する。
この排気ガス浄化方法は、排気ガス浄化システム１の制御手段が第５図に示すような各手段を有する排気ガス浄化システム１によって行われる。
この制御手段は、通常制御運転手段Ｃ１０、再生制御開始判定手段Ｃ２０、触媒活性化制御運転手段Ｃ３０、リッチ燃焼制御運転手段Ｃ４０を有して構成される。
この通常制御運転手段Ｃ１０は、通常の希薄燃焼運転を行うための制御手段であり、再生制御開始判定手段Ｃ２０は、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３０のＮＯｘ吸蔵能力が飽和に達したか否かを判定する手段である。
触媒活性化制御運転手段Ｃ３０は、触媒の活性を上げるために触媒表面温度を上昇させる手段であり、この実施の形態では、空気過剰率λが０．８〜１．１、好ましくはλ＝１．０１の理論空燃比近辺の燃焼制御運転を行う排気温度上昇制御運転手段Ｃ３１で構成される。
また、リッチ燃焼制御運転手段Ｃ４０は、大量ＥＧＲ再生制御手段Ｃ４１で構成され、この大量ＥＧＲ制御手段Ｃ４１では、Ｏ２濃度がゼロに近い排気ガスを発生させて、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３０からＮＯｘを放出させると共に、放出されたＮＯｘを還元浄化する手段である。
そして、この排気ガス浄化方法は、第６図〜第８図に示すようなＮＯｘ吸蔵還元型触媒の再生制御フローに従って行われ、ステップＳ１０で、通常制御運転手段Ｃ１０により、通常の希薄燃焼運転を行い、ステップＳ２０で、再生制御開始判定手段Ｃ２０によりＮＯｘ吸蔵還元型触媒３０を再生する再生制御運転が必要になったと判定した時に、ステップＳ３０で、触媒活性化制御運転手段Ｃ３０により触媒活性化制御運転を行って、触媒表面温度を上昇させる。その後に、ステップＳ４０で、リッチ燃焼制御運転手段Ｃ４０により、大量のＥＧＲを循環させながら、排気ガス中の酸素を減少して排気ガス中の空燃比状態をリッチ状態とする再生制御運転を行い、この再生運転を所定の時間継続した後に終了する。
その後、ステップＳ１０に戻り、通常制御運転を行って、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３０のＮＯｘ吸蔵能力が飽和に近づいたら、再生運転を繰り返す。
この図６の再生制御フローは、エンジン１０の運転中にエンジンの他の制御フローと並行して実行されるものとして模式的に示すものであり、エンジンのキーがＯＦＦされエンジンの運転が停止されると、実行途中で割り込みが生じ、この再生制御フローの実行が中断され終了される。このエンジンのキーＯＦＦによる再生制御フローの中断及び再生制御の終了の部分を点線で図示している。
以下、第６図〜第７図に示す制御フローについてより詳細に説明する。
この制御フローがスタートすると、ステップＳ１０で、通常制御運転手段Ｃ１０により、制御の時間間隔（インターバル）に関係する所定の時間の間、通常制御運転を行い、ステップＳ２０に行き再生制御が必要か否かを判定する。このステップＳ２０で再生制御が必要でないと判定された場合は、ステップＳ１０に戻り、再生制御が必要と判定されるまで、ステップＳ１０の通常制御運転を繰り返す。
このステップＳ１０の通常制御運転においては、通常制御運転手段Ｃ１０の希薄燃焼制御運転手段Ｃ１１により、希薄燃焼運転が行われるが、同時に、ＮＯｘ吸蔵量算出手段Ｃ１２により、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３０に吸蔵されたＮＯｘ吸蔵量の算出が行われる。
この希薄燃焼運転においては、吸気制御は行わず、スロットル弁２３は全開とされ、また、ＥＧＲも通常の制御が行われ、燃料噴射制御も通常の噴射制御で運転される。出力制御は燃料流量の調整により行われ、排ガス制御や燃費制御も行われる。
そして、この通常制御運転は、通常の希薄空燃比の排気ガスを出す希薄燃焼運転（ガソリンエンジンは希薄燃焼運転、ディーゼルエンジンは通常の燃焼運転）であり、排出される排気ガス成分や排気温度は通常のディーゼルエンジンの排気ガスとなる。
そのため、排気ガス中のＯ２濃度が高いので、排気ガス中のＮＯｘはＮＯｘ吸蔵物質３３に吸着及び吸蔵される。また、ＨＣ，ＣＯも排気ガス温度も低く触媒温度も低いので、還元剤吸蔵物質３４に吸着及び吸蔵されるか、金属触媒３２の触媒作用により排気ガス中のＯ２で酸化されるかし、排気ガスは浄化される。
また、ＮＯｘ吸蔵量の算出は、事前の計測結果等からエンジンの運転状態とＮＯｘ排出量の関係をマップデータとし、予め制御装置に記憶されたＮＯｘ排出マップによって行われる。または、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３０の前後に設けた入口ＮＯｘセンサ５３と出口ＮＯｘセンサ５４の計測値からＮＯｘ吸蔵量を算出したり、ＮＯｘ吸蔵能力が飽和に近付いているかを評価したりしてもよい。
ステップＳ２０で、ＮＯｘ吸蔵量が予め設定した飽和状態となるＮＯｘ吸蔵限界値に達して、再生制御運転開始の時期になっていると判断された場合には、ステップＳ３０の再生前段運転を行った後、ステップＳ４０の再生制御運転を行う。
このステップＳ３０の再生前段運転は、第７図に示すように、ステップＳ３１でＥＧＲ弁４２を全閉してＥＧＲを停止し、シリンダ内の燃焼温度を上昇させると共に、ステップＳ３２で、空気過剰率λが０．８〜１．１、好ましくは１．０１の目標値になるようにマップデータを参照しながら、また、λセンサ５２の出力値をフィードバックしながら、スロットル開度、燃料噴射量、燃料噴射時期、燃料噴射パターン等の排気昇温制御値の設定を行い、ステップＳ３３で及びこの設定に基づいた運転を行い、空気過剰率λが目標値になったら、ステップＳ３５に行き、この理論空燃比近辺の燃焼制御を行う。このステップＳ３５の理論空燃比近辺の燃焼制御を、ステップＳ３６で理論空燃比近辺の燃焼終了の判定が出るまで繰り返す。この理論空燃比近辺の燃焼終了は、第７図のフローでは、ステップＳ３５で運転時間をカウントし、所定の時間を経過したら終了としているが、これに限定されず、排気温度を見て、所定の温度以上になったら終了にする等の制御でもよい。
また、一方で、スロットル弁２３や燃料噴射を調整するための制御運転を行う。つまり、スロットル弁２３を絞り、その絞り角度をλが目標値（１．０１）になるように制御される。そして、この理論空燃比近辺の燃焼制御により、触媒表面温度を上昇させて、触媒を活性化させる。
この運転では、空気量と燃料噴射量は予め試験結果等から設定しておいた「アクセル＆トルクマップ」により希薄燃焼時と同じトルクが発生するように制御される。また、この燃焼で生成されるスモークを低減するため、燃料噴射を多段噴射でしかも早期噴射（予混合燃焼まで進角させる）で行う。この噴射パターンにより燃料とシリンダ内ガスとの混合が促進されるので、スモークレス燃焼が実現される。しかし、ＨＣ、ＣＯは増加する。
この酸素濃度で出力制御される運転では、トルクがスロットル弁２３によって制御され、ガソリンエンジンと同等に燃焼制御されるので排気ガス温度は高温となる。
そして、このλ＝１．０１付近のリッチ空燃比の高温の排ガスが、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３０に流入すると、触媒表面が加熱され温度上昇すると共に、排ガス中の増加したＣＯ、ＨＣがＮＯｘ吸蔵還元型触媒３０の触媒作用により、排気ガス中に残存するＯ２で酸化されるので、熱が発生する。この発生した熱により触媒表面温度が更に上昇し、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３０の表面の還元剤吸蔵物質３４からＣＯ、ＨＣが放出されるので、更に酸化反応が生じて反応熱が発生する。これにより触媒温度は急上昇し、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３０は高温となる。
〔リッチ燃焼制御運転〕
ステップＳ３６で、「エンジン回転数と理論空燃比近辺の燃焼時間マップ」を参照しながら、理論空燃比近辺の燃焼終了か否かを判定し、終了の判定が出たら、第８図に示すようなステップＳ４０の再生制御運転を行う。
この再生制御運転では、ＥＧＲ弁を調整すると共に、λ＝１近傍の過濃燃焼になるようにマップデータを参照しながら、燃料噴射量、燃料噴射時期、燃料噴射パターンを制御する運転を行う。
ステップＳ４１とステップＳ４２で、マップデータを参照しながら、ＥＧＲ量の設定、及び、空気過剰率λが１近傍の過濃燃焼になるスロットル開度、燃料噴射量、燃料噴射時期、燃料噴射パターン等のリッチ燃焼制御値の設定を行い、この設定に基づいて、ステップＳ４３で、大量ＥＧＲ再生制御（所定の時間の間）を行う。
つまり、ＥＧＲクーラ４１により冷却された大量のＥＧＲガスを再循環する大量クールＥＧＲ制御を行うと共に、スロットル弁２３を更に絞り、その絞り角度を、予め試験結果から設定したマップデータに従って、希薄燃焼運転時と同じトルクが発生する空気量となるようにλセンサ５２の出力値をフィードバックしながら調整する。
そのため、スロットル弁２３によって吸入空気が絞られた量だけ、クールＥＧＲが還流され、エンジンでは大量のＥＧＲガスと少量の吸入空気によって空気過剰率λが１．０以下で燃焼する。この空気過剰率λが１．０以下の燃焼においては、燃料の噴射量によって発生トルクを制御することができないので、吸気量制御でトルク制御する。
また、この燃焼で生成されるスモークを低減するため、燃料噴射を多段噴射でしかも早期噴射（予混合燃焼まで進角させる）で行う。この噴射パターンにより燃料とシリンダ内ガスとの混合が促進される。また、冷却された大量の不活性ガス（ＥＧＲガス）が存在する雰囲気では、煤が生成されるほど燃焼温度が上がらないので、スモークレス燃焼が実現される。しかし、ＨＣ、ＣＯは空気過剰率λの低減と共に極端に増加する。
この制御で排出される排気ガスは、Ｏ２濃度は０％になり、ＨＣ、ＣＯは空気過剰率λの制御により再生に必要な量となる。
そして、このＯ２濃度が０％で、ＨＣ濃度とＣＯ濃度が高い排気ガスが流入すると、高温のＮＯｘ吸蔵還元型触媒３０から吸蔵されていたＮＯ２が放出されて、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３０が再生される同時に、この放出されたＮＯ２が排気ガス中のＨＣ，ＣＯによって還元され、Ｎ２、Ｈ２ＯとＣＯ２となり浄化される。排気ガス中のＨＣ，ＣＯもＮＯ２の還元剤として消費されるので外に排出されない。
そして、この再生制御運転は、予め試験結果等によって設定されたマップデータ（エンジン回転＆リッチ燃焼時間マップ）により設定される運転時間を超えるとステップＳ４４の触媒再生終了の判定により終了する。この終了により、再生制御の必要か否かを判定するために使用するＮＯｘ吸蔵量の数値をステップＳ４５でリセットしてゼロとする。
このステップＳ４１〜ステップＳ４５の一連の操作で、再生制御運転を完了し、第６図に示すステップＳ１０に戻る。そして、エンジンキーがＯＦＦされるまでこの制御フローのステップＳ１０〜Ｓ４０が繰り返し実行され、エンジンキーＯＦＦ等の終了指令の割り込みにより、この制御フローが停止（ストップ）され終了（エンド）する。
従って、このＮＯｘ吸蔵還元型触媒３０を備えた排気ガス浄化システム１と排気ガス浄化方法によれば、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３０を再生させるために、ＥＧＲを行うリッチ燃焼制御運転を行う直前に、再生前段運転として排気昇温制御による触媒活性化制御運転を行うので、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を事前に高温にして活性化することができる。
そのため、クールＥＧＲガスを大量にシリンダ内に供給して、ＥＧＲによるリッチ燃焼制御運転を行っても、ＮＯｘ吸蔵物質から放出されるＮＯ２を触媒作用により十分にＮ２に還元して浄化することができ、高いＮＯｘ浄化率を発揮できる。
特に、ＥＧＲによるリッチ燃焼により、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を再生するためのリッチ（過濃）燃焼運転が始まった再生初期に、ＮＯｘ濃度の高いピークが現れるのを防止でき、ＮＯｘの浄化率の低下を防止できる。
産業上の利用可能性
本発明は、再生制御運転時において、ＥＧＲを伴うリッチ燃焼制御運転を行っても、ＮＯｘを十分に還元でき、再生制御による燃費の悪化を抑えながら、ＮＯｘ浄化性能を向上させることができるＮＯｘ吸蔵還元型触媒を備えた排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法を提供できる。
そして、この排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法は、ディーゼルエンジンや一部のガソリンエンジン等の内燃機関や様々な燃焼装置の排気ガス中からＮＯｘを浄化することに利用できる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システムの構成を示す図である。
第２図は、第１図の排気ガス浄化システムのエンジンシステム部分の構成を示す図である。
第３図は、本発明に係る実施の形態のＮＯｘ吸蔵還元型触媒の構造を示す図で、（ａ）はモノリスハニカム構造を示し、（ｂ）はセル構造を示し、（ｃ）は触媒担持構造を示す。
第４図は、本発明に係るＨＣ，ＣＯの吸着、吸蔵物質（還元剤吸蔵物質）の温度特性を示す図である。
第５図は、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システムの制御手段の構成を示す図である。
第６図は、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化方法を示す再生制御フローのフローチャート図である。
第７図は、第６図の再生前段運転のより詳細なフローチャート図である。
第８図は、第６図の再生制御運転のより詳細なフローチャート図である。
第９図は、従来技術におけるＮＯｘ吸蔵還元型触媒の構造を示す図であり、（ａ）はモノリスハニカム構造を示し、（ｂ）はセル構造を示し、（ｃ）は触媒担持構造を示す。
第１０図は、従来技術におけるＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘを浄化するためのメカニズムを示す模式図であり、希薄燃焼ガスの場合を示す。
第１１図は、従来技術におけるＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘを浄化するためのメカニズムを示す模式図であり、リッチ空燃比の排気ガスの場合を示す。
第１２図は、従来技術の排気ガス浄化システムと排気ガス浄化方法を使用した場合の排気ガスの状態を示す時系列図である。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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