(57)【要約】【課題】NOx貯蔵触媒における低温運転時のNOxパージ及びその後のNOx貯蔵の性能を高める。【解決手段】排気通路にリーンNOxトラップ40を備えるエンジン10の制御方法として、第一モードの間、リーン条件でトラップ40にNOxを貯蔵し、その後、貯蔵されたNOxをリッチ条件でパージするとともに、このパージの間、第一の温度状態にあるトラップ40へ酸素の供給が行われないようにする工程と、第二モードの間、リーン条件でトラップ40にNOxを貯蔵し、その後、貯蔵されたNOxをリッチ条件でパージするとともに、このパージの間、上記第一の温度状態よりも低温側の第二の温度状態にあるトラップ40へ全体としてはリッチな混合気を供給しながら、酸素及び還元剤を供給することによって、当該トラップ40の温度を一時的に上昇させるための発熱反応を生じさせる工程と、を有する。【選択図】    図２
2008286202.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路にリーンNOxトラップを備えたエンジンの制御方法であって、
第一モードで、リーン条件で上記リーンNOxトラップにNOxを貯蔵し、その後、貯蔵されたNOxをリッチ条件で上記リーンNOxトラップからパージするとともに、このパージの間、第一の温度状態にある上記リーンNOxトラップへ酸素の供給が行われないようにする工程と、
第二モードで、リーン条件で上記リーンNOxトラップにNOxを貯蔵し、その後、貯蔵されたNOxをリッチ条件で上記リーンNOxトラップからパージするとともに、このパージの間、上記第一の温度状態よりも低温側の第二の温度状態にある上記リーンNOxトラップへ全体としてはリッチな混合気を供給しながら、酸素及び還元剤を供給することによって当該リーンNOxトラップの温度を一時的に上昇させるための発熱反応を生じさせる工程と、を有する、
ことを特徴とするエンジンの制御方法。
【請求項２】
上記第二の温度状態が摂氏200度から300度の間である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
上記発熱反応は、第一の気筒群をリーン運転し、第二の気筒群をリッチ運転することによって生じさせる、請求項１又は２のいずれかに記載の方法。
【請求項４】
上記発熱反応は、上記第一気筒群のリーン運転期間を調節することによって制御する、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
上記発熱反応は、上記第一気筒群のリーン運転時の空燃比を調節することによって制御する、請求項３又は４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
上記第一モードにおいて、上記第一気筒群と上記第二気筒群の両方をリッチ運転する、請求項３乃至５のいずれか一つに記載の方法。
【請求項７】
上記第一モードにおいて、上記パージの少なくとも一部の期間、上記第一気筒群と上記第二気筒群の少なくとも一方をストイキ運転する、請求項３乃至５のいずれか一つに記載の方法。
【請求項８】
排気通路にNOx貯蔵可能な排出物制御装置が連結されたエンジンの制御方法であって、
上気排出物制御装置の温度が所定の閾値よりも高い第一モードの間、上記排出物制御装置に貯蔵されたNOxをパージする工程を備え、そのパージの際に少なくとも一部の期間、第一の気筒群と第二の気筒群とをリッチ運転するか、或いは上記第一の気筒群と上記第二の気筒群とをストイキ運転し、
さらに、
上記排出物制御装置の温度が上記閾値よりも低い第二モードの間、上記排出物制御装置に貯蔵されたNOxパージする工程を備え、そのパージの際に少なくとも一部の期間、少なくとも一つの気筒群をリーン運転し、別の気筒群をリッチ運転して、これら両気筒群からの排気の混合したものがストイキよりリッチになるようにする、
ことを特徴とするエンジンの制御方法。
【請求項９】
上記上気排出物制御装置がリーンNOxトラップである、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
上記リーン運転する気筒群では酸素の過剰度合いを3%よりも小さくし、そこにおいて上記閾値を上記排出物制御装置の劣化状態に応じて変更する、請求項８又は９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
上記排出物制御装置の温度として、NOx貯蔵運転とNOxパージ運転に亘る１サイクルの平均温度を用いる、請求項８乃至１０のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１２】
上記第二モードの間、上記排出物制御装置の温度に基づいて過剰酸素の供給される期間と酸素の過剰度合いを変更すべく、上記リーン運転の状態を調節する、請求項８乃至１１のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１３】
上記過剰酸素が供給される期間の後に上記リーン運転を終了する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
エンジンの第一気筒バンクに連結された第一触媒と、第二気筒バンクに連結された第二触媒と、これら第一及び第二触媒の下流に配置されたNOxトラップと、制御器と、を有するエンジンシステムであって、
上記制御器は、
上記NOxトラップが第一の温度状態にある第一モードの間は、貯蔵されたNOxをパージする為に、上記第一気筒バンク及び上記第二気筒バンクの運転を、ストイキよりもリーンの運転からリッチ運転に移行させる一方、
上記NOxトラップが上記第一の温度状態よりも低温側の第二の温度状態にある第二モードの間は、貯蔵されたNOxをパージする為に、上記第一気筒バンク及び上記第二気筒バンクの両方を、ストイキよりリーンで運転する状態から第一の期間、全体としては空燃比がリッチになるように上記第一気筒バンクをストイキよりもリッチで、また上記第二気筒バンクをストイキよりリーンで運転し、その後の第二の期間、上記第二バンク気筒をストイキ或いはリッチ運転し、そこにおいて、上記第一の期間を上記NOxトラップの温度を用いて調節する、
ことを特徴とするエンジンの制御システム。
【請求項１５】
上記第一及び第二触媒が、上記排気通路における上記エンジンの近傍に配置された三元触媒である、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
上記第一及び第二触媒が、リーン運転の間にNOをNO2に予酸化するための酸化触媒を含む、請求項１４又は１５のいずれかに記載のシステム。
【請求項１７】
上記第一温度が摂氏300度を上回る、請求項１４乃至１６のいずれか一つに記載のシステム。
【請求項１８】
上記第二温度が摂氏300度を下回る、請求項１４乃至１７のいずれか一つに記載のシステム。
【請求項１９】
上記第二モードの間の空燃比のリッチ度合いが 7%リッチから30%リッチの間である、請求項１４乃至１８のいずれか一つに記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はエンジンの制御方法及びエンジンシステムに関し、より具体的には、排気通路にNOx貯蔵可能な排出物処理装置を備えたエンジンの制御方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ストイキよりもリーンで運転し得る内燃機関（エンジン）等からのNOx排出物を低減するのには、リーンNOxトラップ（lean NOx trap: LNT）のような触媒コンバータが使用されている。NOxを貯蔵し、放出し、そして還元するためのLNTの能力は、温度を含む種々の運転条件に影響され得る。具体的には、低い温度領域において、LNTは貯蔵、放出、及び/又は、還元の能力の低下を示す場合があるので、例えば、冷間始動からの早期ライトオフ要求と、高負荷における過熱の防止とのバランスをとるべく、排気通路に沿った最適な位置にLNTを配置することが行われている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、条件によっては、LNTの位置がエンジンから過度に離れる（ライトオフの遅延をもたらす）場合や、LNTの位置がエンジンに近すぎる（劣化の促進をもたらす）場合がある。更に、これらの極端な状態の中間において（例えば、温度が約300℃と500℃の間）も、LNTが使用使用可能であるが放出及び還元中の反応効率が低下する、比較的低温の運転領域が依然として存在し得る。よって、この低温運転の課題に取り組みながら、効率が良い位置にLNTの配置を維持する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この課題を解決する為、本発明は、定常状態運転温度の低い温度領域内にあるとき、全体としてリッチな空燃比によるパージ運転中に、（LNT上などで）局所的に生成される発熱反応を利用する。このパージ運転の間の一時的な温度上昇が、貯蔵されたNOxのより効率的な放出を可能とする（したがって、実質的なリーン運転の間にLNTがより多くのNOxを貯蔵出来るようにする）とともに、放出されたNOxのより効率的な還元を可能とする。加えて、LNTの温度は次のリーン期間のために上昇した状態に留まり、それはその期間のNOx貯蔵効率を改善することが出来る。このようにして、温度が部分的に異なるときに、NOx排出物制御能力の改善を実現するためのNOx貯蔵、及び、放出/反応を実行することが出来る。
【０００５】
例の一つにおいて、発熱反応は、そこにおいて気筒の一部がリッチ運転され且つ他の気筒がリーン運転され、全体の空燃比は依然としてリッチである、気筒別エンジン制御（split engine cylinder operation）を使用して生成され得る。このような方法で、低温状態の間に発熱反応が生じることが可能となるのみならず、エンジンは、気筒の一部がリーン運転によって増大された効率で運転することが可能なときに、より燃料を節約した運転を行うことが出来る。
【０００６】
別の例として、低温パージ運転の間に生成される発熱量が、触媒の能力を改善すべく、触媒時効（触媒の劣化状態）に基づいて調整される場合がある。更に別の例として、気筒別運転中の発熱量が、パージの間のリーン運転の期間及び/又はリーン程度（酸素の過剰度合い）を調節することにより制御される場合がある。
【０００７】
限定しない一つの例として、低温範囲とは200℃から300℃（或いは、200℃から350℃）の間であり、そこにおいて、この範囲より高い温度、若しくは、この範囲より低い温度の間は、気筒別運転による発熱反応を生成することなくパージが実行される（例えば、全ての気筒がリッチ運転されてパージが実行される）。
【０００８】
リーンNOxトラップは、約300℃を上回る温度において、リーンバーン・ガソリン・エンジン又はディーゼル・エンジンからのNOx排出物を処理するのに有効であり得る。しかしながら、300℃より低い温度においては、不完全なパージ、リッチパージ中のNOx転化効率の低減、及び、リーン貯蔵フェーズ中のNOからNO2への転化度合いの低下に因って、その有効性が低減する場合がある。
【０００９】
例の一つにおいて、リッチパージの間にLNT上に局所的に発生している熱によって、300℃を下回る温度においてもLNTをより完全に近くパージすることが企図される。これは、パージの間に、還元剤の混合物（例えば、CO、H2、或いは、HC）及び適量の酸素（O2）を供給するなど、様々な方法で実現することが出来る。
【００１０】
例の一つにおいて、供給される酸素の量は、還元剤の全てを酸化するのに必要とされる量より少なく、したがって、混合気全体としては正味リッチ（例えば、7%リッチから30%リッチの間）となる。しかしながら、LNT上の酸素と一部の還元剤との反応は、LNT温度を一時的且つ局所的に上昇させてパージの有効性を改善するための熱を生成する。
【００１１】
温度の上昇はまた、LNTのNOx還元活性を改善することによって、低温におけるパージの際のNOx放出量を低減する。低温におけるNOx処理能力は、例えばLNTの上流に配置されたライトオフ触媒上のNOの一部をNO2に予酸化することによって、更に改善され得る。パージの改善、NOx還元活性の改善、及び、NO2の利用を用いた貯蔵効率の改善の組み合わせが、低温におけるLNTのNOx処理能力を改善し得る。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、エンジンの温度状態が低いときに全体としてリッチな空燃比によるパージを行う際に、LNT上などで局所的に生成される発熱反応を利用することで、低温運転時のNOxパージ及びその後のNOx貯蔵の性能を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図1は、吸気マニフォールド11に連結された複数の気筒を有する内燃機関（エンジン）10を示す。エンジン気筒は、リーン限界からリッチ限界に亘る範囲の空燃比で運転可能である。図1は、（この例において、リーン空燃比で運転する）気筒群50内の2本の気筒と、（この例において、リッチ空燃比で運転する）気筒群52内の2本の気筒を示す。エンジン10に気筒は、スロットル弁14の制御の下で、吸気マニフォールド11からの空気を受ける。気筒群52は噴射弁20及び22からの燃料を受け、そして、気筒群50は噴射弁24及び26からの燃料を受ける。互いに近接して配置された二つの触媒32及び36が示されている。例の一つにおいて、触媒32、36は三元触媒であり得る。
【００１４】
トラップ40が、リーン状態においてNOx貯蔵能力を増大する為にウォッシュコート内に比較的高い濃度のアルカリ土類金属（例えば、バリウム）、及び/又は、アルカリ金属（例えば、カリウム）を含む種々の成分を有するリーンNOxトラップを持つ場合がある。リーン運転の間、排気中のNOがトラップ内の貴金属（例えば、白金）上で酸化されて、NO2を生成する。その後NO2は、NOx貯蔵物質及び余分の酸素と反応して、亜硝酸塩や硝酸塩のような吸収された状態のNOxを形成する。リーン期間は、流量及びフィードガスのNOx濃度に応じて20秒から60秒の範囲で継続するのが一般的であるが、それより短い場合もあれば長い場合もある。
【００１５】
ここに記述された実施形態はリッチ運転する2本の気筒と、同数のリーン運転する気筒を使用しているが、種々の代替実施形態が可能である。例えば、気筒の総数は4本より多くても、或いは、4本より少なくても良く、さらに、リーン運転する気筒の数やリッチ運転する気筒の数も2本でなくて良い。例えば、8気筒エンジンが、5本のリーン運転気筒と3本のリッチ運転気筒を持つ場合もある。リーン気筒の数とリッチ気筒の数が同じ場合でも異なる場合でも、リーン及びリッチの空燃比は、具体的に図2乃至4を参照してここに記述されるように、調節/調整され、そして/又は、制御され得る。
【００１６】
制御器12が、マイクロプロセッサ・ユニット102、入力/出力ポート104、読み取り専用メモリ106、ランダム・アクセスメモリ108、及び、通常のデータ・バスを含むマイクロコンピュータとして図1に示される。制御器12は、エンジン10に連結されたセンサ120から種々の信号を受けるのが示される。加えて、制御器12は、温度センサ42からトラップ40の温度（T）の指標を受ける。或いは、温度（T）は、種々の方法を使用して推定され得る。制御器12はまた、（リッチ空燃比用の）燃料パルス幅信号fpwrを燃料噴射弁20及び22へ送り、そして、（リーン空燃比用の）別の燃料パルス幅信号fpwlを燃料噴射弁24及び26へ送る。
【００１７】
ここに記述されるように、エンジンはリーン空燃比で運転することが出来、そして、リーン運転の間に貯蔵されたNOxをパージすべくリッチの空燃比を提供するために、周期的に状態を（リッチ運転やストイキ運転に）移行することが出来る。或いは、排気空燃比を制御するために、排気に対して還元剤が追加される場合もある。リーン運転の間、トラップがNOxで満杯になり始めたとき、使用可能な貯蔵サイトの減少に伴ってNOx貯蔵効率が低下する傾向がある。パージの間、貯蔵されたNOxはN2に還元され、NOx貯蔵能力を再生する。ここに記述するように、パージはLNTを例えば2秒から5秒の期間、リッチ状態に晒すことによって行われるが、その期間はそれより短くなる場合も有れば、長くなる場合もある。排気中の水素が、吸収された状態のNOxの分解と貯蔵されたNOxの放出を促進し、NOxはその後、リッチ排気の中で貴金属上で余分な還元剤と反応して窒素（N2）を形成する。これはトラップ中のN0xをパージし、そして、後で次のリーン期間の間にNOxを再び貯蔵することの出来る貯蔵サイトを解放する（”フリー”にする）。
【００１８】
リーンNOxトラップの動作能力は、動作温度によって変化し、そして、300℃から500℃の間の範囲で能力の増加が実現する。しかし、この温度範囲はトラップの構成などに応じて変化し得る。従前の取り組みからの教示に基づけば、低温ウインドウ内で動作するとき、有効な貯蔵/放出とNOxの還元の両方が生じるように全体の能力を増大させえる為には、定常温度（例えば、貯蔵時の温度とパージ時の温度の両方）を上昇させることが必要とされる。しかしながら、定常温度を効果的に且つ/又は効率的に上昇させることが常に可能とは限らない。そこで本実施形態によれば、低温における運転のときに、低温においてパージの程度を改善し、且つ、それに続く貯蔵の改善をもたらすべく、パージの間の温度を一時的に上昇させるために発熱を利用することがあり得る。例えば、手段の一つとして排気の定常状態温度を上昇させることがあり、一方、別の手段として、パージの間の発熱を利用することにより、全体の定常状態温度の上昇を用いることなく、トラップ周辺の温度を一時的に上昇させる場合もある。
【００１９】
ここに記述するように、低温においてLNTパージの間に発熱を発生させるための取り組みの一つが、気筒別制御（split cylinder）或いはバンク別制御（split bank）の取り組みを使用する場合がある。例の一つにおいて、気筒の第一バンク或いは第一群がリッチ運転され、そして、気筒の第二バンク或いは第二群が過剰酸素（例えばリーン）で運転される。
【００２０】
個々の気筒群若しくは気筒バンクからの排気ガスが、LNT内あるいはLNTの上流で合流して混ざり、熱を発生する。そこにおいて、流量、リーン度合い、リッチ度合いなどが、所定の温度、温度上昇、及び/又は、温度プロファイル（profile）を実現する為に選択あるいは調節され得る。十分な熱が供給されたとき、リーン気筒群或いは気筒バンクは、パージ熱を低減すべく、ストイキ及び/又はリッチ運転に調節され得る。
【００２１】
具体的には、リッチ気筒（例えば、気筒群52）が、未燃炭化水素と一酸化炭素を持つ排気ガスを生成する為に使用され得る一方で、リーン気筒が過剰な（余分な）酸素を持つ排気流を生成する。リッチ排気ガスはマニフォールド30を通ってリッチ気筒を出て、そして、第一の三元触媒32を通過する。リーン排気ガスはマニフォールド34を通ってリーン気筒を出て、そして、第二の三元触媒36を通過する。その後、リッチ排気ガスとリーン排気ガスは一緒になって、リーンNOxトラップ40に入る前に、全体としてリッチな排気ガス空燃比を備えた排気混合気を形成する。トラップ40の触媒活性は、低温NOxパージの少なくとも一部において、リーン気体とリッチ気体との両方から形成される排気混合物からの発熱化学反応を推進し、触媒燃焼、熱の発生、そして、トラップ40の一時的な温度上昇をもたらす。その後のパージ運転は、例えば、両気筒群をリッチ運転すること、あるいは、一つの気筒バンクをリッチ運転し別の気筒バンクをストイキ運転することを含み得る。
【００２２】
熱を発生させる別の取り組みは、全ての気筒をリーン及び/又はわずかにリーンで運転し、そして、LNTの上流などで排気中に還元剤を直接供給することである。更に、エンジン排気に対して過剰な空気を提供しながらリッチ気筒運転することも、別の代替実施形態である。
【００２３】
図2及び3は、低温NOxトラップパージの間に発熱の有効利用を可能とし得る種々の運転のフローチャートである。このフローチャート内に記述された特定のルーチンは、イベント駆動、割り込み駆動、マルチ・タスキング、マルチ・スレッディング、及び、それらに類する処理方法の一つ或いはそれ以上の適切な数によって表すことが出来る。示された種々の処理及び機能はそれ自体、記述された順番で実行される場合もあれば、並行して実行される場合もあり、一部が省略される場合もある。同様に、ここに記述された処理の順序は、ここに記述された実施形態例の特徴及びメリットを実現するために必ずしも必要とされるものではなく、図示と記述の容易化のために提供されるものである。明確には図示されていないが、図示された処理又は機能の一つ以上が、使用される具体的なストラテジーに依存して繰り返して実行される場合がある。更に、記述された処理が、制御ユニット内のコンピューター読み取り可能な記憶媒体の中にプログラムされる図式化コードであり得る。
【００２４】
ここで図2を参照すると、エンジンの運転を制御するためのルーチンが記述される。最初にルーチンはステップ210において、エンジン速度、エンジン負荷、エンジン冷却水温度等に基づいて、リーン運転が可能かどうかを判定する。もしリーン運転が可能でないならば、ルーチンはステップ212に進み、ストイキ運転（例えば、ストイキを中心に空燃比を周期的に増減させる）、あるいは、リッチ運転する（略リッチで運転）。そうでなければ（リーン運転が可能ならば）、ルーチンはステップ214に進み、エンジンをリーン・モードで運転する。
【００２５】
図2の説明を続けると、ルーチンはステップ216において、テールパイプ（排気管）のNOx量、貯蔵されたNOx量、NOx貯蔵効率などに基づいて、NOxパージ要求が存在するかどうかを判定する。もし、NOxパージ要求が存在するならば、ルーチンはステップ218に進み、エンジン速度、エンジン負荷、NOx貯蔵状態、エンジンから出力されるNOx量などの運転状態に基づいて、低温度パージを実行するための温度上限値（L1）及び温度下限値（L2）を決定する。例の一つにおいて、温度の上限値と下限値は夫々、200℃と300℃である。しかしながら、それらの値は、運転状態、触媒構成、及び/又は、触媒劣化状態に応じて変わり得る。例えば、低温度パージの温度ウインドウが、NOxトラップの劣化及び/又は時効につれて、拡大される場合がある。換言すれば、NOxトラップが劣化、及び/又は、時効するにつれて、低温度パージが実行される温度範囲が広くなる。
【００２６】
図2の説明を続けると、定常状態排気温度、あるいは、触媒温度が上記L1〜L2の温度範囲内にあることがステップ220で判定されたとき、ルーチンはステップ222に進み、図3や図4その他の図面を参照して本明細書に記述されるように、低温パージ制御を実行する。触媒温度が上記範囲内にない場合、ルーチンはステップ224に進み、そこにおいて排気空燃比が所定時間の間、リーンからリッチに変わるリッチパージを実行する。所望のNOxパージ性能を提供する為に、リッチ化の度合い、及び/又は、リッチ期間が、運転状態に基づいて調節され得ることを記しておく。実施形態の一つにおいて、全ての気筒が共通のリッチ空燃比で運転する場合もあれば、一部の気筒が他の気筒に比べて高い空燃比、及び/又は、低い空燃比を供給する場合もある。例えば、幾つかの気筒がリッチで運転し、残りの気筒がストイキで運転して、例えば触媒32、36の一方の中に貯蔵される酸素を還元する為に使用される燃料の量が減少する場合がある。
【００２７】
ここで図3を参照すると、ステップ222からの低温NOxパージの詳細が記述される。ここに記すように、取り組みの一つにおいて、気筒の一部を過剰な酸素で運転し、そして、他の気筒を過剰な還元剤で運転することにより、熱が供給され得る。図3に示された実施形態において、NOxパージの少なくとも一部の期間、全体としてリッチの排気をLNT40に供給するように、2本の気筒がリーン運転され、そして、2本の気筒がリッチ運転され得る。具体的には、ステップ310において、ルーチンは触媒温度に基づいて目標発熱量を決定する。例えば、ルーチンは触媒温度が250℃において、触媒温度が300℃のときよりも大きな発熱量が必要とされていると判定し得る。更に、発熱量は、貯蔵されたNOxの量、及び/又は、種々の他の因子に基づいて調節され得る。
【００２８】
次に、ステップ312においてルーチンは、目標発熱量に基づいて、（例えば、空燃比、及び/又は、空気流量を調節することにより）リーン気筒群の中の過剰酸素量（リーン度合い）、及び、リーン運転期間を調節する。それからルーチンは、目標の発熱を提供したあと、ステップ314において、リーン気筒群をストイキ運転、及び/又は、リッチ運転に移行し、必要に応じて、全体としてリッチのパージ運転を継続する。
【００２９】
この運転は、NOxサイクルの間の二つの気筒群の空燃比の時間変化例を表わす図4に示される。具体的には、図4(A)の上側のグラフは図1の気筒群52を示し、同図(B)の下側のグラフは図1の気筒群50を示す。低温NOxパージが時刻t1において開始され、そして、両気筒がリーン空燃比からリッチ側に移行する。具体的には、気筒群52の気筒がリーンからリッチへ移行し（そこにおいてリッチ空燃比はここに記述するような運転状態を用いて調節され得る）、そして、気筒群50の気筒は、リーンから、例えば1%ほど酸素が過剰な弱リーンへ移行する。1%は、供給され得る酸素の過剰量の一例であり、過剰な酸素量は、2%、3%、4%或いは他の割合やそれら以下でも良く、そして、酸素の過剰量は触媒温度のような運転状態によって変わり得ることを記しておく。
【００３０】
更に、この例は両方の気筒群の空燃比が異なる時点の間で比較的一定に保たれているが、それは単なる例であって、空燃比は様々な運転状態によって調節され、そして、目的の値に徐々に近づいたり、目的の値を中心に周期的に増減する場合もある。
【００３１】
図中の矢印410で示す期間の間、過剰な還元剤と過剰な酸素とによって、LNT内に熱が発生される。この期間410の長さは、パージが開始される前の温度のような運転状態に応じて、より多くの熱が発生するように、若しくは、発生する熱を少なくするように、調整される場合がある。代替手段として、若しくは、追加として、過剰酸素の量もまた、発生される熱の量、又は、いつ・どこで熱が発生するか、及び/又は、熱のプロファイルを調整するために、調節される場合がある。例えば、時刻t1からt3までの期間の間、全体の空燃比がリッチに維持され得るので、発熱反応において過剰酸素が制限因子になり、過剰酸素のプロファイルが熱発生プロファイルを制御することが出来る。
【００３２】
時刻t2において、十分な熱が生成されてNOx放出を増加させ、そして、その後に続くNOx還元を増進する。そして、空燃比が再びストイキ（或いは、点線で示したようにリッチ）に変化する。その後、時刻t3においてパージは終了し、そして、別のリーン・サイクルが開始される（或いは、両方の気筒群/バンクの空燃比がストイキに戻る場合もある）。
【００３３】
後述する図面が、ここに記述された所定の特徴の利点を示すためのテスト・データを示す。データは、5.7%のカリウム（ウォッシュコートの重量に対する百分率）と、100グラム毎立方フィート（0.0035グラム毎立方センチメートル）のプラチナを含む0.25インチ（6.35ミリメートル）の長さのアルミナをベースとするLNTを、異なる温度条件において、10分のリーン期間と3分のリッチ期間とに交互に晒したテスト結果を示す。このテストに使用されたフィードガスは、500ppmのNO或いはNO2と10%の水蒸気（H2O）を含み、そして、リーン期間においては10%の二酸化炭素（CO2）と5%の酸素（O2）を、リッチ期間においては1.2%の一酸化炭素（CO）と0.4%の水素（H2）を含む。なお、リーン及びリッチ期間は、実験室でのテストを目的に選択されたものであって、エンジン内の実際の運転時間を表すものでは無いことを記しておく。
【００３４】
図5は、床温度の関数として10分間のリーン期間の間に貯蔵されたNOxの量を示す。四角（□）印を持つ実線が、低温（貯蔵温度と同じ）においてパージした後に500ppmのNOを含むフィードガスを供給したときの温度に関するNOx貯蔵量の変化を示し、三角（△）印を持つ破線が、450℃においてパージした後に500ppmのNOを含むフィードガスを供給したときの温度に関するNOx貯蔵量の変化を示し、そして、黒丸（●）印を持つ破線が、450℃においてパージした後に、500ppmのNO2を含むフィードガスを供給したときの温度に関するNOx貯蔵量の変化を示す。
【００３５】
実線が、400℃を上回る温度において、貯蔵されるNOxの量が、温度の上昇に伴い、硝酸塩の安定性の低下に因って、低減することを示している。350℃を下回る温度において、LNTのNOをNO2に酸化する能力が、NOxの貯蔵量を制限する因子の一つである。しかしながら、低温におけるNOx貯蔵能力を制限する別の因子が、パージの有効性に関連する。トラップは低温では完全にはパージされず、従って、幾つかのサイトは貯蔵されたNOxを保持し、それにより、次のリーン期間の間のNOx貯蔵能力に貢献することが出来ない。
【００３６】
図5の三角（△）印を持つ破線が、NOx貯蔵とパージ運転に亘るサイクル平均温度が閾値を下回るときのような低い平均温度におけるパージ運転中の一時的な加熱が、どれくらいNOx貯蔵能力を改善することが出来るかを示す。具体的には、テスト用LNTが450℃まで加熱され、その後、3分間、リッチ排気によってパージされ、そして、トラップが低い温度まで冷却されてからNOx貯蔵能力が評価された。この工程は、数個の（低い）温度に関して繰り返された。実線と、△印を持つ破線との比較が、低温度パージ後に得られるNOx貯蔵能力に対する、450℃におけるパージ後に得られるNOx貯蔵能力の改善を示す。
【００３７】
この図に示される様に、LNTのより徹底したパージが、低温における貯蔵能力との改善とNOx貯蔵効率の改善を可能にする。更に、黒丸（●）印を持つ破線によって示されるように、NOが供給されるときに対してNO2が供給されるときの方が、より高い改善を示す。フィードガスが500ppmのNOを含むときに比べ、フィードガスが500ppmのNO2を含むときの方が、より高いNOx貯蔵能力を実現することが出来る。更に図6が、200℃でパージした後にNOを含むフィードガスを供給したときの200℃におけるNOx貯蔵効率（図中、"200 C WITH NO"で示す）、450℃でパージした後にNOを含むフィードガスを供給したときの200℃におけるNOx貯蔵効率（図中、"200 C_p450_NO"で示す）、及び、450℃でパージした後にNO2を含むフィードガスを供給したときの200℃におけるNOx貯蔵効率（図中、"200 C_p450_NO2"で示す）を、貯蔵されている累積NOx量を関数として示す。フィードガスの成分及びリーン/リッチ期間については、図5を参照に記述したものと同じである。図から理解出来るように、所定量の貯蔵NOxに関し、NOが使用されたときに比較してNO2が使用されたときの方が、高い貯蔵効率を示した。したがって、LNTの上流のライトオフ触媒上で排気中のNOの一部をNO2に予酸化することが、低温における貯蔵能力に対して有益であり得る。
【００３８】
ここに記述するように、低温におけるトラップのパージを改善すべく、LNT上、若しくは、LNT上流に熱を発生させるため、種々の取り組みが使用され得る。取り組みの一つが、適量の酸素を還元剤（水素（H2）や一酸化炭素（CO））とともに供給することを含む。例の一つにおいて、パージの間の全体としての空燃比がリッチに維持されるように、供給される酸素（O2）の量は、還元剤を完全に酸化するのに必要な量に比べて少ない。しかし、還元剤の一部と反応する酸素からの発熱は、LNTの表面を迅速に加熱することが出来る。
【００３９】
上述のように、パージの徹底度合い（完全度合い）は温度とともに上昇するので、次のリーン期間の間のLNTのNOx貯蔵能力が増大する。このことを更に明らかにするために、バリウム/白金/アルミナを有する未使用のLNTを、5%のCOと1.7%のH2を持つフィードガスでパージされた後の、約250℃におけるNOx貯蔵能力を評価した。テストの一つにおいて、パージの間、排気ガスは1%のO2を含み、別のテストにおいては、O2を含まなかった。
【００４０】
図7が、パージの間に1%のO2を含んだ場合と含まなかった場合の、250℃における貯蔵期間の、テールパイプのNOx、テールパイプのCO、及び、測定された床温度を比較したものである。白丸（○）印の付いた太い破線が、1%のO2を含んだフィードガスでパージしたときの、パージ後のテールパイプのNOx濃度の時間変化を示し、○印の無い太い破線が、1%のO2を含んだフィードガスでパージしたときの、パージ後の床温度の時間変化を示し、細い破線が1%のO2を含んだフィードガスでパージしたときの、パージ後のテールパイプのCO濃度の時間変化を示し、黒丸（●）印の付いた太い実線が、1%のO2を含まないフィードガスでパージしたときの、パージ後のテールパイプのNOx濃度の時間変化を示し、●印の無い太い実線が、1%のO2を含まないフィードガスでパージしたときの床温度の時間変化を示し、そして、細い実線が1%のO2を含まないフィードガスでパージしたときのテールパイプのCO濃度の時間変化を示す。1%のO2を用いたパージの間は、熱電温度計を用いて測定された床温度が65℃上昇したが、一方、1%のO2を用いないパージの間の床温度の上昇は15℃であった。COの一部がO2によって酸化されたので、1%のO2を用いたパージの間の最大COは、高くならなかった。
【００４１】
パージの徹底度合いにおける1%のO2の影響を分離する為、貯蔵期間の間の触媒温度が比較的近い温度に調節された。したがって、パージの間にLNT内で発生する熱が、排気ガス内に消散されるのを可能とするため、図6におけるNO有りの30秒のパージに続き、60秒のパージがNO無しで実施された。図8が、これら二つのケース（パージのためのフィードがガスに1%のO2を含むケースと含まないケース）に関する、250℃におけるリーン期間中のNOx貯蔵効率と、貯蔵されているNOx量との関係を示す。破線が、1%のO2を用いたパージを行ったあと60秒待機後に500ppmのNOの供給したときのNOx貯蔵効率（%）とNOx貯蔵量（mg: ミリグラム）を示し、実線が1%のO2を用いないパージを行ったあと60秒待機後に500ppmのNOを供給したときのNOx貯蔵効率（%）とNOx貯蔵量（ミリグラム）を示す。パージの間に1%のO2を含むフィードガスを使用したほうが、貯蔵効率（グラフの縦軸）と貯蔵能力（同横軸）を改善する。60秒が発生した熱の消散を可能とするので、改善された貯蔵能力は、1%のO2によるパージの徹底度合いの改善を示す。リーン運転の最初の60秒の間のNOx貯蔵効率の平均は、1%のO2を含まないパージの場合は約70%であり、1%のO2を含むパージの場合は約79%なので、NOx貯蔵効率は9%改善した。
【００４２】
リーン期間の間のNOx貯蔵効率の改善に加えて、図7は、パージの間に1%のO2を使用することにより、パージの間にトラップから放出されるNOxの量が低減することを示す。これは、パージの間に生成される高温に起因し、貴金属の転化活性を増加させる。このテストはパージの間に1%のO2を使用したが、これは単なる一例であって、上述したように、温度、エンジン速度、エンジン負荷等のような運転状態に基づいて様々な量の過剰酸素が使用され得る。
【００４３】
パージの間の発熱を増やすべく、7%のCO、2.3%のH2、及び、2%のO2を含むフィードガスと、7%のCO、2.3%の H2を含み、2%のO2を含まないフィードガスとで、追加のテストが行われた。同じように、パージの後、NOが180秒間加えられる前に、60秒間の待機期間がもたれ、発熱を伴うパージの後のLNTの冷却時間を確保した。ここで、2%のO2を含むフィードガスを用いたときの最大発熱と、2%のO2を含まないフィードガスを用いたときの最大発熱の結果は、夫々、93℃と15℃であった。
【００４４】
図9が、これらのテストにおけるNOx貯蔵効率とNOx貯蔵量の関係、図7のテストから得られたNOx貯蔵効率とNOx貯蔵量の関係とを比較している。図中、一番上の細い実線カーブが、7%のCO、2.3%のH2、及び、2%のO2を含むフィードガスでパージしたLNTの、パージ60秒後のテスト結果を示し、上から2番目の破線カーブが、5%のCO、1.7%のH2、及び、1%のO2を含むフィードガスでパージしたLNTの、パージ60秒後のテスト結果を示し、上から三番目の太い実線カーブが、7%のCO、2.3%の H2を含み、O2を含まないフィードガスでパージしたLNTの、パージ60秒後のテスト結果を示し、そして、一番下の中太の実線カーブが、5%のCO、1.2%の H2を含み、O2を含まないフィードガスでパージしたLNTの、パージ60秒後のテスト結果を示す。このように、生成される熱量を、パージの少なくとも一部の期間に供給される過剰酸素のレベル及び/又は期間を変えることにより変更することが望ましい場合が有る。
【００４５】
最後に、7%のCO、2.3%のH2、及び、2%のO2を含むフィードガスと、7%のCO、2.3%の H2を含み、2%のO2を含まないフィードガスとをパージに使用し、且つ、上述の図9に関するテストの500ppmのNOを500ppmのNO2に置き換えたテストが行われた。図10が、それらのフィードガスでパージしたLNTに対しパージ60秒後にNO2を加えながらNOx貯蔵効率及びNOx貯蔵量を測定したテストと、パージ終了60秒後にNOを加えながらNOx貯蔵効率及びNOx貯蔵量を測定したテストの、夫々の結果を示す。図中、一番上の破線が、7%のCO、2.3%のH2、及び、2%のO2を含むフィードガスでパージした60秒後に500ppmのNO2を加えたときのNOx貯蔵効率及びNOx貯蔵量の測定結果であり、上から2番目の細い実線カーブが、7%のCO、2.3%のH2、及び、2%のO2を含むフィードガスでパージした60秒後に500ppmのNOを加えたときのNOx貯蔵効率及びNOx貯蔵量の測定結果であり、上から3番目の太い実線カーブが、7%のCO及び2.3%のH2を含み、O2を含まないフィードガスでパージした60秒後に500ppmのNO2を加えたときのNOx貯蔵効率及びNOx貯蔵量の測定結果であり、そして、一番下の中太の実線カーブが、7%のCO及び2.3%のH2を含み、O2を含まないフィードガスでパージした60秒後に500ppmのNOを加えたときのNOx貯蔵効率及びNOx貯蔵量の測定結果である。最高のNOx貯蔵能力は、発熱を伴うパージの後で、貯蔵期間にNO2を使用するときに得られた。
【００４６】
したがって、NO2を貯蔵する効率がNOを貯蔵する効率より高くなり得るので、LNTの低温活性（能力）をより高めるためには、LNTの上流の触媒を用いて排気中のNOの一部をNO2に予酸化する。図5は、450℃における完全なパージの後、トラップを低い温度まで冷却したとき、200℃から350℃の間のNOx貯蔵効率は、NO2を用いたときの方がNOを用いたときに比べて高いことを示す。上述したように、これは、NOx貯蔵工程の最初のステップがNOのNO2への酸化だからである。その後NO2は、NOx貯蔵物質（例えば、バリウム）、及び、余分の酸素と反応して、硝酸塩のような吸収される状態のNOxを形成する。低温において、LNTのNO酸化能力は、特に熱時効の後に一層制限され得、従って、NOx貯蔵能力も同様に制限され得る。したがって、LNTより高い温度において動作し、それによりNOからNO2への酸化能力が大きな上流触媒においてNOをNO2に酸化することにより、トラップ上のNOx貯蔵効率が改善され得る。
【００４７】
しかしながら、低温においては、トラップが充分にパージされているときのみ、NOからNO2への予酸化が全体としてのNOx貯蔵能力を改善する。図11は、、低温におけるパージの後にNO2を含むフィードガスによって貯蔵されるNOx量が、NOを含むフィードガスによって貯蔵されるNOx量に比べて、低温における不完全なパージに起因して、僅かしか大きくないことを示す。具体的には、図11は温度に対するNOx貯蔵量を示し、白抜きの四角（□）印で示されるデータが、450℃でパージをした後にNO2を含むフィードガスでNOxを貯蔵したときのテスト結果であり、黒丸（●）印で示されるデータが、450℃でパージをした後にNOを含むフィードガスでNOxを貯蔵したときのテスト結果であり、菱形（◆）印で示されるデータが、低温（貯蔵時と同じ温度）でパージをした後にNO2を含むフィードガスでNOxを貯蔵したときのテスト結果であり、そして、黒塗りの四角（■）印で示されるデータが、低温（貯蔵時と同じ温度）でパージをした後にNOを含むフィードガスでNOxを貯蔵したときのテスト結果である。
【００４８】
したがって、LNT温度が低いとき、パージの間にトラップ上に発生させられる熱に起因するパージの改善が、トラップが、上流触媒でのNOからNO2に予酸化に由来するNO2をより有効に活用するのを可能とするシナジー効果が発生する。
【００４９】
このように、図1の構成に関して記述されるような、排気マニフォールドの近くに設けられた直結三元触媒（所謂、直下キャタ）を使用する例の一つにおいて、ある程度の予酸化を可能とすることによって、低温でのLNTの能力が向上し得る。例えば、上流の直結三元触媒が、リーン運転の間のHC酸化能力とCO酸化能力を与える場合がある。NOをNO2に酸化する作用は、直結三元触媒に少なくとも幾らかの白金を含むことによって高められることが出来る。直結三元触媒はまた、ストイキにおけるHC活性及びNOx転化を強化するために、パラジウムとロジウムを含むことも出来る。NO酸化は白金の濃度の増加に伴って増進する傾向があり、したがって、白金担持が立方フィート（0.0283立方メートル）あたり、少なくとも10グラムになるように選択される。直結三元触媒はまた、マンガンのような卑金属を含むことも可能であり、そのような物質はNOの酸化の一助となる場合がある。
【００５０】
図12は、NO2を使用することと、低温NOxパージの間に発熱反応を用いることで得られるシナジーを利用する為に使用可能なエンジンシステムの代替実施形態を示す。具体的には、図に示されているように、LNT40とは別個の三元触媒1200、1202とNO酸化触媒1210、1212とがNOをNO2に酸化するために使用され得る。これは、NO酸化触媒をそのNO酸化活性を最大化すべく最適化しながら、三元触媒のライトオフとストイキでの能力を最適化を可能とするであろう。このNO酸化触媒1210、1212は10グラム毎立方フィート（0.00035グラム毎立方センチメートル）以上の白金と、NO酸化に関して効力のある幾つかの卑金属を含み得る。さらに、酸化触媒1210、1212を三元触媒の近くに配置することが、高温環境の有効な利用を可能とし、NO酸化能力を改善することが出来る。パージの間にNO酸化触媒での熱の生成を低減しながらLNTで熱を発生させるため、独立したNO酸化触媒が、図12に示されるように、排気システムの各バンク、或いは、各脚部において使用され得る。
【００５１】
ここに記述された構成及びルーチンが本質的に例示であって、たくさんの変形例が可能であるため、これらの具体的な実施形態が限定する意味で考慮されないことは理解出来るであろう。本明細書の主題は、ここに記述された種々のシステム及び構成、そして他の特徴、機能、及び/又は、特性の新規で非自明な全ての組み合わせ及び一部組み合わせを含む。
【００５２】
特許請求の範囲は、新規で非自明と見なされる特定の組み合わせ及び一部組み合わせを具体的に示す。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。ここに開示されている種々の特徴、機能、構成要素及び/又は特性の他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。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明を適用可能なエンジン及び排気システム構成の一例を示す概略図である。
【図２】本発明の動作を示すフローチャートである。
【図３】本発明の動作を示すフローチャートである。
【図４】低温におけるNOx貯蔵及びパージの間の第一気筒群及び第二気筒群の空燃比の時間変化を示すタイムチャートである。
【図５】パージ温度と、パージ後のフィードガスの成分を変えたときの、LNTの床温度に対するNOx貯蔵量の実験データである。
【図６】パージ温度と、パージ後のフィードガスの成分を変えたときの、累積NOx貯蔵量と瞬時NOx貯蔵効率との関係を示す実験データである。
【図７】パージ中の酸素濃度を変えたときの、テールパイプのNOx濃度、CO濃度、及び、触媒床温度の時間変化を示す実験データである。
【図８】パージ中の酸素濃度を変えたときの、累積NOx貯蔵量と瞬時NOx貯蔵効率との関係を示す実験データである。
【図９】パージ中の酸素濃度とCO濃度を変えたときの、累積NOx貯蔵量と瞬時NOx貯蔵効率との関係を示す実験データである。
【図１０】パージ中の酸素濃度とCO濃度、及び、パージ後の貯蔵時に加えるフィードガスの成分（NO 又はNO2）を変えたときの、累積NOx貯蔵量と瞬時NOx貯蔵効率との関係を示す実験データである。
【図１１】パージ温度と、パージ後の貯蔵時に加えるフィードガスの成分（NO 又はNO2）を変えたときの、NOx貯蔵量の時間変化を示す実験データである。
【図１２】本発明を適用可能なエンジン及び排気システム構成の代替実施形態を示す概略図である。
【符号の説明】
【００５４】
10.  エンジン
12.  制御器
30.  排気マニフォールド
32.  第一の三元触媒
34.  排気マニフォールド
36.  第二の三元触媒
40.  リーンNOxトラップ
50.  気筒群
52.  気筒群
120.  センサ
【図１】
2008286202.tif 000003
【図２】
2008286202.tif 000004
【図３】
2008286202.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2008286202.tif 000009
【図８】
2008286202.tif 000010
【図９】
2008286202.tif 000011
【図１０】
2008286202.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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