(57)【要約】【課題】幅広い温度域において排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を高効率で浄化できる排気ガス浄化処理システムを提供すること。【解決手段】燃料噴射制御手段がディーゼルエンジンの気筒内に燃料を直接噴射する噴射手段の、燃料噴射時期、噴射回数及び噴射量を制御する機能を有し、触媒温度検出手段がＮＯｘトラップ触媒温度を検出及び／又は推定する機能を有し、ＮＯｘトラップ触媒が排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中のＮＯｘをトラップし、空燃比がリッチのときにトラップしたＮＯｘを放出するとともに該ＮＯｘを浄化する機能を有し、ＮＯｘトラップ触媒温度が２００℃以下において、排気ガス空燃比をリッチにするとき、燃料噴射制御手段が燃料の副噴射時期を主噴射時期に近づけるとともに空気量制御手段によりエンジンに流入する酸素量を減少させ、排気ガス中に含まれるＨ２量を増大させる排気ガス浄化処理システムである。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料噴射制御手段、及び空気量制御手段を具備したエンジンの排気ガス通路に、排気ガス空燃比検出手段、触媒温度検出手段、及びＮＯｘトラップ触媒を設置して成り、ＮＯｘトラップ触媒温度変化に応じて、排気ガス空燃比をリッチにするときの燃料噴射条件と酸素減少量を調整しうる排気ガス浄化処理システムであって、
上記燃料噴射制御手段は、ディーゼルエンジンの気筒内に燃料を直接噴射する噴射手段の、燃料噴射時期、噴射回数及び噴射量を制御する機能を有し、上記触媒温度検出手段は、ＮＯｘトラップ触媒温度を検出及び／又は推定する機能を有し、上記ＮＯｘトラップ触媒は、排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中のＮＯｘをトラップし、空燃比がリッチのときにトラップしたＮＯｘを放出するとともに該ＮＯｘを浄化する機能を有し、
ＮＯｘトラップ触媒温度が２００℃以下において、排気ガス空燃比をリッチにするとき、上記燃料噴射制御手段は、燃料の副噴射時期を主噴射時期に近づけるとともに、上記空気量制御手段によりエンジンに流入する酸素量を減少させ、排気ガス中に含まれるＨ２量を増大させることを特徴とする排気ガス浄化処理システム。
【請求項２】
ＮＯｘトラップ触媒温度が２００℃超〜２５０℃において、排気ガス空燃比をリッチにするとき、上記燃料噴射制御手段が燃料の副噴射の時期を主噴射の時期から遠ざけ、排気ガス中の未燃のＨＣ及びＣＯ成分を増大させ、且つ空気量制御手段によりエンジンに流入する酸素量を２００℃以下での設定よりも増大させうることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化処理システム。
【請求項３】
上記ＮＯｘトラップ触媒温度が２５０℃超において、排気ガス空燃比をリッチにするとき、上記燃料噴射制御手段が燃料の副噴射の時期を主噴射の時期から遠ざけ、排気ガス中の未燃のＨＣ及びＣＯ成分を増大させ、且つエンジンに流入する酸素量を、２００℃超〜２５０℃のときエンジンに流入する酸素量より大きく減少させうることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気ガス浄化処理システム。
【請求項４】
上記空気量制御手段が、排気ガス中の酸素量を調整しうる装置を有し、この装置はエンジンのインテークマニホールドより上流側の吸気通路内に配置された絞り弁と絞り角度調節器から構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の排気ガス浄化処理システム。
【請求項５】
上記空気量制御手段が、排気ガス中の酸素量を調整しうる装置を有し、この装置はエンジンの排気通路内に配置された還流通路と還流量調節器から構成され、排気ガスの一部をエンジンの吸気通路内に還流させうることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の排気ガス浄化処理システム。
【請求項６】
上記ＮＯｘトラップ触媒が、ＮＯｘトラップ成分及び貴金属を多孔質担体上に担持して成り、該ＮＯｘトラップ成分がアルカリ金属、アルカリ土類金属及び希土類から成る群より選ばれた少なくとも１種のものであり、該貴金属が白金、パラジウム及びロジウムから成る群より選ばれた少なくとも１種のものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の排気ガス浄化処理システム。
【請求項７】
上記触媒温度検出手段として、ＮＯｘトラップ触媒のいずれかの部位に温度センサーを配設して成ることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の排気ガス浄化処理システム。
【請求項８】
上記触媒温度検出手段として、エンジンの運転状態から触媒温度を推測しうる装置を配設して成ることを特長とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の排気ガス浄化処理システム。
【請求項９】
上記触媒温度推測装置が、エンジン水温、エンジン回転数、燃料噴射量、燃料噴射時期及び吸入空気量から成る群より選ばれた少なくとも１種の要素を用いて触媒温度を推測しうることを特長とする請求項８に記載の排気ガス浄化処理システム。
【請求項１０】
上記触媒温度推測装置により推測された触媒温度を、エンジンの運転状態の変化に応じて補正しうる演算装置を配設して成ることを特徴とする請求項８又は９に記載の排気ガス浄化処理システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジンから排出される排気ガスを浄化する装置に係り、触媒温度が従来より開示されている活性温度に至らないときでも、排気ガス中のＮＯｘを高い効率で浄化する排気ガス浄化処理システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平６−１０８８２８号公報では、吸気絞り装置、燃料供給装置及びＮＯｘ吸収放出触媒を具備した内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯｘを放出しようとするときには吸気絞り弁の開度を小さくしていき、燃料噴射量を増大させる手段を有した排気浄化装置が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、燃焼効率が非常に良いディーゼルエンジンでは、排気ガス温度が、例えば２００℃と低温であるときは、還元剤として増量したＨＣやＣＯなどの還元剤がＮＯｘ吸収放出触媒に吸着されることより当該触媒が被毒され、ＮＯｘの放出が阻害され、吸収したＮＯｘが酸素量の減少によって未浄化のまま大気中へ放出されるという問題点があった。
【０００４】
また、排気ガス温度が、例えば３５０℃と高温であるときは、還元剤が足りているのに酸素量を増やすと、還元剤と酸素が触媒上で燃焼反応して触媒温度が大きく上昇する。その結果、リッチ後のリーンに切り替ったときに触媒温度が高くなりＮＯｘの吸収効率が低下するという問題点があった。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、幅広い温度域において排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を高効率で浄化できる排気ガス浄化処理システムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、ＮＯｘトラップ触媒温度により、該触媒に流入させる還元剤を選択的に使用し且つ酸素濃度を調整することにより、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の排気ガス浄化処理システムについて詳細に説明する。なお、本明細書において「％」は、特記しない限り質量百分率を示す。
【０００８】
上述の如く、本発明の浄化処理システムは、燃料噴射制御手段、及び空気量制御手段を具備したエンジンの排気ガス通路に、触媒温度検出手段、及びＮＯｘトラップ触媒を設置して成り、ＮＯｘトラップ触媒温度変化に応じて、燃料噴射時期、噴射回数及び噴射量と酸素減少量を調整しうる。このように、触媒温度により、還元剤を選択的に使用し且つ酸素濃度を調整することで、幅広い温度域において排気ガス中のＮＯｘが高効率で浄化される。
【０００９】
具体的には、ＮＯｘトラップ触媒温度が２００℃以下において、排気ガス空燃比をリッチにするのときは、上記燃料噴射制御手段が燃料の副噴射時期を主噴射時期に近づけるとともに、上記空気量制御手段によってエンジンに流入する酸素量を減少させ、排気ガス中に含まれるＨ２量を増大させる。
これより、触媒温度が活性温度に至らない２００℃以下の低温時に、空燃比制御により排気ガス空燃比がリッチになっても、排気ガスに含まれるＨ２が還元剤としてＮＯｘトラップ触媒に供給され、且つ排気ガス中に含まれる酸素量が大きく減少されるので、当該Ｈ２がＮＯｘトラップ触媒にトラップされたＮＯｘを効率良く浄化処理する。なお、「ＮＯｘトラップ触媒温度」とは、ＮＯｘトラップ触媒温度若しくは該触媒近傍の温度又は該触媒に流入する排気ガスの温度をいう。
【００１０】
また、ＮＯｘトラップ触媒温度が２００℃超〜２５０℃において、排気ガス空燃比をリッチにするときは、上記燃料噴射制御手段が燃料の副噴射の時期を主噴射の時期から遠ざけ、排気ガス中の未燃のＨＣ及びＣＯ成分を増大させ、且つ上記空気量制御手段がエンジンに流入する酸素量を２００℃以下での設定よりも増大させうることが好適である。
これより、排気ガス空燃比がリッチになっても、排気ガス中に含まれるＣＯとＯ２をＮＯｘトラップ触媒上で燃焼させ、ＮＯｘトラップ触媒温度を更に上昇させることができるので、所望とするＮＯｘ浄化処理を達成できる。
【００１１】
更に、ＮＯｘトラップ触媒温度が２５０℃超において、排気ガス空燃比をリッチにするときは、上記燃料噴射制御手段が燃料の副噴射の時期を主噴射の時期から遠ざけ、排気ガス中の未燃のＨＣ及びＣＯ成分を増大させ、且つ上記空気量制御手段がエンジンに流入する酸素量を２００℃超〜２５０℃のときエンジンに流入する酸素量より大きく減少させうることが好適である。
これより、触媒温度の上昇によって生じるＮＯｘトラップ機能の低下を抑制し、所望とするＮＯｘトラップ性能を確保できる。
【００１２】
ここで、上記燃料噴射制御手段は、エンジンの気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射機能と、燃料噴射時期、噴射回数及び噴射量を制御する機能とを有する。例えば、図１に示すように、噴射機能を有する燃料噴射弁３と制御機能を有する燃料ポンプ４を制御装置７に具備した制御回路によって駆動することができる。
【００１３】
また、上記空気量制御手段は、ＮＯｘトラップ触媒がＮＯｘを放出・浄化すべきときに、排気ガス空燃比をリッチにするべくエンジンに流入酸素量を調節する機能を有する。
代表的には、エンジンのインテークマニホールドより上流側の吸気通路内に配置された絞り弁と絞り角度調節器から構成され、排気ガス中の酸素量を調整しうる装置を挙げることができる。
また、例えば、図２に示すように、エンジンの排気通路内に配置された還流通路と還流量調節器から構成され、排気ガスの一部をエンジンの吸気通路内に還流させることで、排気ガス中の酸素量を調整しうる装置を挙げることができる。
【００１４】
更に、上記触媒温度検出手段は、ＮＯｘトラップ触媒温度を検出及び／又は推定する機能を有する。例えば、ＮＯｘトラップ触媒のいずれかの部位に温度センサーを配設することができる。また、エンジンの運転状態から触媒温度を推測しうる装置を配設することもできる。この触媒温度推測装置は、エンジン水温、エンジン回転数、燃料噴射量、燃料噴射時期又は吸入空気量、及びこれらの任意の組合せに係る要素を用いて触媒温度を推測することができる。更に、触媒温度推測装置により推測された触媒温度を、エンジンの運転状態の変化（コールド状態かホット状態かなど）に応じて補正しうる演算装置を配設することもできる。
【００１５】
更にまた、上記ＮＯｘトラップ触媒は、排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中のＮＯｘをトラップ（吸収）し、空燃比がリッチのときにトラップしたＮＯｘを放出するとともに該ＮＯｘを浄化する機能を有する。
代表的には、ＮＯｘトラップ成分及び貴金属を多孔質担体上に担持して成る触媒を例示できる。このとき、ＮＯｘトラップ成分としては、例えばアルカリ金属、アルカリ土類金属又は希土類、及びこれらの任意の組合せに係るものを好適に使用でき、貴金属としては、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）又はロジウム（Ｒｈ）、及びこれらの任意の組合せに係るものを好適に使用できる。また、アルカリ金属としてはカリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）及びセシウム（Ｃｓ）など、アルカリ土類金属としてはバリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）など、希土類としてはランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）などが挙げられる。更に、多孔質担体としてはアルミナなどを例示でき、耐熱性の高いもの、具体的には比表面積が５０〜３００ｍ２／ｇ程度の活性アルミナが望ましい。アルミナの耐熱性を向上させる目的で、セリウム及びランタン等の希土類化合物やジルコニウムなどの添加物を更に加えてもよい。
【００１６】
次に、上述した本発明の排気ガス浄化処理システムを、自動車用ディーゼルエンジンに適用した代表的な構成例により、詳細に説明する。
【００１７】
（実施形態１）
図１に示す排気ガス浄化処理システムは、４気筒ディーゼルエンジン１の気筒内に直接燃料噴射する燃料噴射弁３と燃料ポンプ４を備え、燃料タンク５内から燃料が圧送される。エンジン１に接続されている吸気通路には、エンジン１に流入する空気量を制御する吸気絞り弁６が配設され、図示はしないがエンジン１に流入する吸入空気量を検出するエアフローメーター、エンジン回転を検出する回転数センサー、運転者のアクセルペダルの踏み込み量を検出する手段等のエンジンの燃焼に関連する信号を検出する手段を備えている。これらより検出された信号は制御装置７に入力される。
【００１８】
また、エンジン１に接続されている排気通路には、ＮＯｘトラップ触媒２が配設され、ＮＯｘトラップ触媒２の上流には、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサー８とＮＯｘ触媒に流入する排気ガス温度を計測する温度センサー９が配設されている。更に、ＮＯｘトラップ触媒２には触媒内を通過する排気ガス温度を検出する温度センサー１０が設置されている。酸素センサー８及び温度センサー９及び１０で検出された信号は制御装置７に入力される。
制御装置７は、入力された信号を基に吸気絞り弁６のアクチュエータ及び燃料ポンプ４を制御し、エンジンに流入する酸素量及び燃料噴射時期や回数を制御して排気ガス空燃比をリーン又はリッチに適宜制御する。
【００１９】
ＮＯｘトラップ触媒２は、Ｐｔ、Ｐｄ及びＲｈ等から任意に選択した貴金属を活性アルミナ等の担体に担持した粉末を混合粉砕して、コージェライト質のモノリス担体に塗布した触媒担体に、例えばカリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）及びセシウム（Ｃｓ）などのアルカリ金属、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）及びストロンチウム（Ｓｒ）などのアルカリ土類金属、並びにランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）及びイットリウム（Ｙ）などの希土類を任意に組合せたものを担持して得られる。
【００２０】
かかるＮＯｘトラップ触媒２は、排気ガス空燃比がリーンのとき、排気通路に流入するＮＯｘが触媒貴金属上で硝酸イオン（ＮＯ３−）を形成し、その硝酸イオンは、例えばＮＯｘトラップ成分として担持されているＢａの酸化物及び／又はＢａの炭酸塩と結合してＮＯｘトラップ触媒内にトラップされる。そして、排気ガス空燃比がリッチのとき、ＮＯｘトラップ触媒２の貴金属上でのＮＯ３−が減少し、触媒内にトラップされているＮＯ３−はＮＯ２の形で放出され、触媒貴金属上で排気ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯ及びＨ２等の還元剤と反応しＮＯ２が還元浄化される。
【００２１】
ところで、排気ガス空燃比をリッチ化する際の燃料噴射条件及びエンジンに流入する酸素量を触媒温度に応じて制御しないときは、以下のような問題が生じる。
まず、触媒温度が、例えば２００℃以下の低温の場合は、Ｈ２以外の還元剤、例えばＣＯは該温度ではＮＯｘトラップ触媒に吸着被毒し、ＮＯｘ処理を阻害する。このため、ＮＯｘトラップ触媒にトラップされたＮＯｘを処理するには、空燃比をリッチとしたときに排気ガス中に存在するＨ２を還元剤として用いることが有効である。
よって、排気ガス空燃比をリッチとために行う燃料の副噴射を主噴射に限りなく近づけることによりＨ２を増加させ、また、吸気絞り弁を制御してエンジンに流入する酸素量をできるだけ減少させてＨ２が消費されるのを抑制して、低温でのＮＯｘ処理が可能となる。
【００２２】
また、触媒温度が例えば２００℃超〜２５０℃といった、活性状態がまだ低い温度条件の場合は、排気ガス空燃比をリッチにしてＮＯｘトラップ触媒がトラップしたＮＯｘを処理しようとしても、該触媒から脱離したＮＯｘはその活性状態より浄化されずに大気中に放出されてしまう。このため、空燃比をリッチ化する際には、エンジンに流入する酸素量がある程度多い状態に吸気絞り弁を制御し、燃料噴射時期は副燃料噴射時期を主噴射よりも大きく遅らせることで排気ガス中の未燃ＨＣやＣＯを多くし、触媒上での燃焼反応により触媒内部温度を上昇させＮＯｘトラップ触媒の活性状態を向上せしめ、ＮＯｘ処理を可能としている。
【００２３】
更に、触媒温度が例えば２５０℃超といった、触媒の活性状態が十分活性に至っている温度条件の場合は、排気ガス中の酸素を十分減少せしめないと、還元剤と酸素の燃焼反応が優先され、該燃焼反応によりＮＯｘトラップ触媒の内部温度が大きく上昇し、ＮＯｘトラップ触媒のトラップ機能が最も発揮される温度範囲を超えてしまい、ＮＯｘトラップが不足する。このため、空燃比をリッチ化するには、吸気絞り弁を制御してエンジンに流入する酸素量を十分に減少せしめ、燃料噴射時期は副燃料噴射時期を主噴射よりも大きく遅らせることで排気ガス中の未燃ＨＣやＣＯを多くしてＮＯｘ処理を可能としている。
【００２４】
（実施形態２）
また、図２に示す排気ガス浄化処理システムは、実施形態１とほぼ同様の構成を有するが、吸気絞り弁６の代わりに吸気通路に、エンジンに流入する空気量と排気ガスを還流する還流量との割合を制御する排気還流量制御弁６’及びこの弁と排気通路を接続する還流通路を配設した点で異なる。
このシステムでは、排気ガス空燃比をリッチにせしめるとき、排気還流量制御弁６’のアクチュエータは制御回路７により制御され、所望とする酸素量を得るように還流量と空気量との比率を調整される。実施形態１のシステムで採用する吸気絞り弁による酸素量調整手段に比べて、本システムでは、運転状態に応じた排気ガス流量を確保しつつ酸素量を調整できるためエンジントルクの落ち込みを小さくでき、リッチ化による自動車の運転性への跳ね返りを小さくできる。
【００２５】
次に、上述の実施形態１のシステムにおいて、ＮＯｘトラップ触媒にトラップされたＮＯｘを脱離浄化する際に排気ガス空燃比をリッチ化するときの燃料噴射時期制御及び酸素量減少制御を、図３に示すフローチャートにより詳細に説明する。
【００２６】
まず、ステップ１（以下「Ｓ１」のように省略する）では、エンジン１の運転条件から排気通路内に流入する排気ガス空燃比がリーンであるか否かが判定される。その結果、排気ガス空燃比がリーンであるならば（ＹＥＳのとき）処理フローを継続し、リーン以外の空燃比であるならば（ＮＯのとき）処理を終了する。
【００２７】
次いで、Ｓ２では、ＮＯｘトラップ触媒２に流入するＮＯｘ量（ΣＮＯｘ）を積算する。排気ガス空燃比がリーンのときにＮＯｘトラップ触媒に流入するＮＯｘ量は、エンジン１の運転条件により予め制御装置７の中にマップ形式で記憶されており、ＮＯｘトラップ触媒に流入したＮＯｘ量は、エンジン１の運転条件時に排気通路に流入するＮＯｘ量を常に積算し、次の運転条件では積算した値に対してその運転条件におけるＮＯｘ量を増大させる。
【００２８】
また、Ｓ３では、ＮＯｘトラップ触媒に流入したＮＯｘ量の積算値（ΣＮＯｘ）があるしきい値（ＳＮＯｘ）を超えているか否かが判別される。このしきい値（ＳＮＯｘ）は、ＮＯｘトラップ触媒５にトラップできるＮＯｘの限界量を表している。
この結果、ΣＮＯｘがＳＮＯｘを超えていないときは（ＮＯのとき）、ＮＯｘトラップ触媒５がＮＯｘトラップできる限界に達していないと判断してＳ２に戻り、再度ＮＯｘをトラップする。一方、ΣＮＯｘがＳＮＯｘを超えているとき（ＹＥＳのとき）はＳ４に移行し、ＮＯｘ処理フラグをセットする。
【００２９】
更に、Ｓ５では、ＮＯｘトラップ触媒２に備えた温度センサーによって触媒温度が検出され、その後Ｓ６ａ及びＳ６ｂに移行し、主噴射時期と副噴射時期の間隔と酸素減少量がそれぞれ設定される。主噴射時期と副噴射時期の間隔（ｄＩＴ）及び酸素減少量（ＱａＨ）はＳ５で検出された触媒温度によってそれぞれマップ形式となっており、触媒温度によって適宜マップが変更される。また、Ｓ６ｃではＮＯｘ触媒上流に備えた酸素センサー８によって酸素量減少手段により酸素量が予め定められた酸素量よりも少ないかどうかが検出される。酸素量が少ないときにはＳ７に移行し、多いときにはＳ６ｂに戻る。
【００３０】
また、Ｓ７では、空燃比リッチ化手段が、一定期間行われたか否かが判別される。一定期間行われた場合（ＹＥＳのとき）はＳ８に移行し、ＮＯｘ処理フラグをリセットし、ＮＯｘ吸着量の積算値であるΣＮＯｘを０としてエンジン１でのリッチ化手段を終了する。一方、一定期間を経過していない場合（ＮＯのとき）には、ＮＯｘ処理が終了していないと判断し、Ｓ６ａ及びＳ６ｂに戻り処理を継続する。
【００３１】
以上の制御フローを図１に示す排気ガス浄化処理システムで行うことにより、ＮＯｘトラップ触媒温度が広い温度範囲でＮＯｘ浄化能力を発揮することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ＮＯｘトラップ触媒温度により、該触媒に流入させる還元剤を選択的に使用し且つ酸素濃度を調整することとしたため、幅広い温度域において排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を高効率で浄化できる排気ガス浄化処理システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の排気ガス浄化処理システムの一例を示す構成図である。
【図２】本発明の排気ガス浄化処理システムの他の例を示す構成図である。
【図３】排気ガス浄化処理システムによる浄化方法の一例を示す制御フロー図である。
【符号の説明】
１　ディーゼルエンジン
２　ＮＯｘトラップ触媒
３　燃料噴射弁
４　燃料ポンプ
５　燃料タンク
６　吸気絞り弁
６’排気還流量制御弁
７　制御装置
８　酸素センサー
９　温度センサー（触媒入口）
１０　温度センサー（触媒内部）
【図１】
2004076680.tif 000003
【図２】
2004076680.tif 000004
【図３】
2004076680.tif 000005