(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも第１気筒群及び第２気筒群で構成される複数個の気筒群を有する希薄燃焼運転可能な内燃機関の排気浄化装置であって、
各気筒群に接続された第１及び第２排気通路と、これら排気通路が合流する共通排気通路とを備え、
上記第１及び第２排気通路には、各気筒群に流入する排気の空燃比がリーンである場合にＮＯｘを吸収し、流入する排気の空燃比がリッチである場合に吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収材が配置され、
上記ＮＯｘ吸収材より上流側には、排気空燃比切り替え手段が配置され、且つ上記共通排気通路には、排気ガス浄化触媒と、その上流にＡ／Ｆ検出センサが配置され、
上記排気空燃比切り替え手段は、上記ＮＯｘ吸収材から吸収したＮＯｘを放出させるときに空燃比をリッチとするリッチスパイクを行うが、この際、各ＮＯｘ吸収材におけるスパイク開始時間を少なくともスパイク所要時間以上の長さだけずらすに際し、
上記第１気筒群の排気空燃比をリッチ化し、次いで、上記Ａ／Ｆ検出センサのＡ／Ｆ信号がストイキに戻った時点で、上記第２気筒群の排気空燃比をリッチ化することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
上記排気ガス浄化触媒がＣｅを含み、そのＣｅ含有量が、触媒コート層中１５ｇ／Ｌ以上であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
上記ＮＯｘ吸収材の上流に、三元触媒が配置されたことを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
上記ＮＯｘ吸収材の下流に、ＨＣ吸着材が配置されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の排気浄化装置を用いた排気浄化システムであって、
上記排気空燃比切り替え手段が、上記気筒群の排気空燃比をリッチとする際に、この気筒群の出力抑制制御が行われることを特徴とする排気浄化システム。
【請求項６】
上記排気空燃比切り替え手段が、上記気筒群の点火時期を遅角させることを特徴とする請求項５記載の排気浄化システム。
【請求項７】
気筒内に直接燃料を噴射する気筒内直噴式内燃機関に適用され、上記排気空燃費切り替え手段が、膨張行程から排気行程で燃料を噴射するものであって、気筒群の排気空燃比をリッチとする際、それぞれスパイク所要時間以上ずらすことを特徴とする請求項５又は６記載の排気浄化システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置及び排気浄化システムに係り、更に詳細には、自動車等から排出される排ガスを浄化する装置であって、特にリーンＮＯｘ触媒の排気浄化効率向上に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、内燃機関から排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）は、三元触媒を排気管内に配置することで浄化されている。三元触媒は、流入する排気の空燃比が理論空燃比のときに炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）成分の酸化とＮＯｘの還元を同時に行い、浄化するものである。
しかし、三元触媒はリーン空燃比でのＮＯｘの還元効率が悪く、リーン空燃比で運転し燃費を向上させる、いわゆるリーンバーンエンジンの排気中のＮＯｘの浄化が不十分となる。
これを解決するため、流入する排気の空燃比がリーンである場合にＮＯｘを吸収し、流入する排気の空燃比がリッチである場合に吸収したＮＯｘを放出して浄化処理するＮＯｘ吸収材を排気管内に配置し、リーン運転中の排出ＮＯｘを上記ＮＯｘ吸収材に吸収させ、ＮＯｘ吸収量が所定値以上になった場合、一時的に空燃比をリッチにして吸収したＮＯｘを離脱して浄化することにより、リーンバーン排ガス中のＮＯｘを高効率で浄化する技術が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のようなＮＯｘ吸蔵還元型三元触媒を備える排気浄化装置では、燃焼混合気の空燃比がリーンから理論空燃比又はリッチに切り替えられてＮＯｘ吸収材からＮＯｘが放出される際に、放出されたＮＯｘを還元処理すべく未燃のＨＣ及びＣＯを十分に供給しなければならない。
そこで、上記ＮＯｘ吸蔵還元型三元触媒から放出されるＮＯｘを還元処理するのに必要なＨＣ及びＣＯを供給するために、リッチ度合いを高める手段がとられるが、逆にＨＣ及びＣＯの浄化性能が悪化するという課題があった。
【０００４】
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、ＮＯｘ浄化効率に優れ、しかもＨＣ及びＣＯの浄化性能の低下を抑制した排気浄化装置及びそのシステムを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく、鋭意検討を行った結果、複数のＮＯｘ吸収材と排気ガス浄化通路とを備え、該ＮＯｘ吸収材が配置された複数の排気通路の排気空燃比をリッチとする際に、各ＮＯｘ吸収材におけるリッチスパイク開始時間を同時としないことにより、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。
【０００６】
即ち、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、少なくとも第１気筒群及び第２気筒群で構成される複数個の気筒群を有する希薄燃焼運転可能な内燃機関の排気浄化装置であって、
各気筒群に接続された第１及び第２排気通路と、これら排気通路が合流する共通排気通路とを備え、
上記第１及び第２排気通路には、各気筒群に流入する排気の空燃比がリーンである場合にＮＯｘを吸収し、流入する排気の空燃比がリッチである場合に吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収材が配置され、
上記ＮＯｘ吸収材より上流側には、排気空燃比切り替え手段が配置され、且つ上記共通排気通路には、排気ガス浄化触媒と、その上流にＡ／Ｆ検出センサが配置され、
上記排気空燃比切り替え手段は、上記ＮＯｘ吸収材から吸収したＮＯｘを放出させるときに空燃比をリッチとするリッチスパイクを行うが、この際、各ＮＯｘ吸収材におけるスパイク開始時間を少なくともスパイク所要時間以上の長さだけずらすに際し、
上記第１気筒群の排気空燃比をリッチ化し、次いで、上記Ａ／Ｆ検出センサのＡ／Ｆ信号がストイキに戻った時点で、上記第２気筒群の排気空燃比をリッチ化することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置の好適形態は、上記排気ガス浄化触媒がＣｅを含み、そのＣｅ含有量が、触媒コート層中１５ｇ／Ｌ以上であることを特徴とする。
【０００８】
更に、本発明の排気浄化システムは、上記排気浄化装置を用いた排気浄化システムであって、上記排気空燃比切り替え手段が、上記気筒群の排気空燃比をリッチとする際に、この気筒群の出力抑制制御が行われることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の内燃機関の排気浄化装置を、図面を参照して実施形態により詳細に説明するが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではない。
【００１０】
（実施形態１）
図１は、本発明の内燃機関の排気浄化装置の一実施形態を示す断面図であり、本発明に係る内燃機関の全体構成を示している。
同図において、この内燃機関は気筒内直噴式内燃機関本体１１と、エアフロメーター１４と、クランク角センサ１５と、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１９とを備える。
上記気筒内直噴式内燃機関本体１１は、ピストン１２と、クランク軸１３と、燃料噴射弁１６と、点火栓１７と、燃焼室１８とを備える。
【００１１】
上記クランク角センサ１５は、クランク角を検出して機関回転数を算出し、上記エアフロメータ１４は、吸入空気量を検出するが、これらの検出結果の信号をＥＣＵに送り、ＥＣＵは最適な燃料量を算出する。この最適な燃料量が燃焼室１８に最適なタイミングで供給され、最適なタイミングで混合気に点火される。
【００１２】
（実施形態２）
図２は、本発明の内燃機関の排気浄化装置の一実施形態を示す平面図であり、
本発明に係る排気浄化装置である。
同図において、上記排気浄化装置は、内燃機関の一例である４気筒の気筒内直噴式内燃機関３０の第１気筒３１及び第４気筒３４が合流する第１排気通路３５と、第２気筒３２及び第３気筒３３が合流する第２排気通路３６と、これら排気通路が合流する共通排気通路３７とを備える。
上記第１排気通路３５及び上記第２排気通路３６には、ＮＯｘ吸収材３８及び３９がそれぞれ配置され、上記共通排気通路３７には、排気ガス浄化装置４０が配置される。
上記ＮＯｘ吸収材３８及び３９は、各気筒群に流入する排気の空燃比がリーンである場合にＮＯｘを吸収し、流入する排気の空燃比がリッチである場合に吸収したＮＯｘを放出する。
【００１３】
また、上記ＮＯｘ吸収材は、例えば、アルミナを担体とし、この担体上にＮＯｘ吸着成分と白金等の貴金属を担持したものである。
かかるＮＯｘ吸着成分としては、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃｓ）、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、ランタン（Ｌａ）又はイットリウム（Ｙ）及びこれらの任意の混合物が例示できる。
上記ＮＯｘ吸収材は、ＮＯｘ吸着成分としてバリウムをアルミナに担持した場合、流入する排気がリーンのときに、上記ＮＯｘ吸収材３８及び３９は、排気中のＮＯｘを酸化バリウム（ＢａＯ）と結合させて硝酸イオン（ＮＯ３−）の形で吸収し、流入する排気がリッチのときに、上記ＮＯｘ吸収材内の硝酸イオンをＮＯ２として放出する性質を有する。
このため、上記内燃機関をリーン空燃比で運転していると、上記ＮＯｘ吸収材３８及び３９は、排気中のＮＯｘを吸収するが、酸化バリウムが硝酸イオンで飽和されると、ＮＯｘ吸収材３８及び３９の排気中のＮＯｘを吸収する能力がなくなる。そこで、必要に応じてＮＯｘ吸収材３８及び３９に流入する排気をリッチにして、吸収したＮＯｘを放出及び浄化する必要がある。
【００１４】
ここで、上記ＮＯｘ吸収材が吸収したＮＯｘを放出して還元させるために必要なＨＣ又はＣＯ等の還元剤を、十分に補給するためには、リッチ度合いを高めなければならない。
しかし、第１又は第２排気通路の気筒群から排出される排気空燃比を同時にリッチとした場合、過剰に供給された還元剤を、第１又は第２排気通路が合流する共通通路に配置された排気浄化触媒では、十分に浄化することができない。
そこで、第１又は第２排気通路の気筒群の排気空燃比をリッチとするタイミングをずらせば、共通排気通路に配置された排気浄化触媒へ流入する排気のリッチ度合を低くすることができる。
【００１５】
即ち、本発明の内燃機関の排気浄化装置の排気空燃比切り替え手段は、リッチスパイクを行う際、各ＮＯｘ吸収材におけるスパイク開始時間を少なくともスパイク所要時間以上の長さだけずらせばよい。
なお、ＮＯｘ吸収材に吸収されたＮＯｘを脱離及び浄化するための排気空燃比のリッチ化をリッチスパイクという。
この結果、リッチスパイクにより過剰に供給された還元剤を、排気ガス浄化触媒で良好に浄化することができるとともに、リーン空燃比運転時のＮＯｘも効率よく浄化でき、その結果、燃費を良好に保つことが可能となる。
【００１６】
また、上記共通通路内３７に配置された上記排気ガス浄化触媒４０がＣｅを含み、そのＣｅ含有量が、触媒コート層中１５ｇ／Ｌ以上とすれば、更にリッチな排気ガスを効率よく浄化することができる。
上記Ｃｅ含有量が、触媒コート層中１５ｇ／Ｌより少ないと、酸素ストレージ効果を十分に発揮できないため、リッチな排気ガスを十分に浄化することができない。
【００１７】
更に、上記ＮＯｘ吸収材の上流に、三元触媒を配置すれば、内燃機関始動直後の排気ガスの浄化を効率よく行うことができる。
又は、上記ＮＯｘ吸収材の下流に、ＨＣ吸着材を配置することにより、同様の効果を得ることができる。
【００１８】
（実施形態３）
図３は、本発明の内燃機関の排気浄化装置の一実施形態を示す平面図である。本実施形態は、本発明に係る排気浄化装置であって、上記実施形態の変形例である。
同図において、この排気浄化装置は、内燃機関の一例であるＶ型筒内直噴式内燃機関本体の第１気筒群５１の第１排気通路５３と、第２気筒群５２の第２排気通路５４と、これら排気通路が合流する共通排気通路５５とを備える。
上記第１排気通路５３及び上記第２排気通路５４には、ＮＯｘ吸収材５６及び５７がそれぞれ配置され、上記共通排気通路５５には、排気ガス浄化装置５８が配置される。
【００１９】
以上、本発明を好適実施形態により詳細に説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、本発明の開示の範囲内において種々の変形が可能である。
例えば、一個の気筒群に備えられる排気通路が分流され、その分流された排気通路のそれぞれにＮＯｘ吸収材を配置しても、適用可能である。
更に、気筒群がｎ個ある場合、そのうち少なくとも２つの排気通路が合流してその排気通路にＮＯｘ吸収材を備えても、同様の効果が得られる。
更にまた、上記共通排気通路を複数にして、その各共通排気通路にそれぞれ排気ガス浄化触媒を配置してもよい。
【００２０】
次に、本発明の内燃機関の排気浄化システムを、図面を参照して実施形態により詳細に説明するが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではない。
【００２１】
（実施形態４）
図４は、本発明の排気浄化システムの一実施形態を示すブロック図であり、上記ＥＣＵ９で実行される演算内容を示したものである。
同図に沿って説明すると、リッチスパイク許可手段Ｓ１で、上記ＮＯｘ吸収材に吸収されたＮＯｘ量が、ＮＯｘ吸収材の吸収能力に応じて定めた所定値よりも多くなったと判断された場合、リッチスパイク制御を行うよう、制御を切り替える。リッチスパイク制御を行うと判断された場合、排気空燃比のリッチ化手段Ｓ２によって、上記第１排気通路３５及び第２排気通路３６の気筒の噴射弁で所定量の燃料を膨張行程から排気行程に噴射することにより、ＮＯｘ吸収材に流入する排気空燃比をリッチにする。ただし、第１排気通路３５及び第２排気通路３６を同時にリッチ化せず、リッチ化するタイミングをずらす。
【００２２】
このタイミングのずらし方は、リッチスパイク許可により、上記第１排気通路３５の気筒がリッチ化されてから、一定時間経過後、上記第２排気通路３６の気筒をリッチ化する方法、又は、上記第１排気通路３５の気筒がリッチ化されてから、上記共通排気通路３７の排気ガス浄化触媒前に設置されたＡ／Ｆ検出センサのＡ／Ｆ信号がストイキに戻った時点で、上記第２排気通路３６の気筒をリッチ化する方法等がある。
【００２３】
（実施形態５）
図５は、本発明の排気浄化システムの一実施形態を示す流れ図であり、上記ＥＣＵ９で実行される演算内容を示したものである。
同図は、図３のリッチスパイク許可手段に相当し、本実施形態では、０．１秒毎に実行される制御とする。
【００２４】
同図に沿って説明すると、Ｓ１１でＦＬＧＳＮＯが１か０かを判断する。ＦＬＧＳＮＯが１である場合はリッチスパイク許可状態を表し、０である場合はリッチスパイク禁止状態を表す。
ＦＬＧＳＮＯが０である場合、Ｓ１２で０．１秒に排出されるＮＯｘの量を表すＮＯを、Ｔｐと機関回転数Ｎｅのマップからルックアップする。Ｔｐとは、理論空燃比時の基本燃料噴射量を表すものであり、次式▲１▼
Ｔｐ＝ｋ×Ｑ／Ｎｅ・・・▲１▼
（式中のｋは、定数、Ｑは吸入空気量を示す）
により算出される。
上記ＮＯｘ排出量予測値ＮＯは実験的に求められるものであり、エンジン違いにより若干の誤差はあるものの、ＮＯｘ吸収材の吸収量を予測するのに充分使用できる。
Ｓ１３でＦＬＧＳＮＯが０となってから現在までのＮＯを積算することでＦＬＳＧＮＯが０となってから現在までの総ＮＯｘ排出量を予測計算する。
この予測値が所定値ＳＬＳＮＯを超えているか否かをＳ１４で判断し、超えている場合は、Ｓ１５でＦＬＧＳＮＯ＝１とし、ＮＯｘ吸収材のＮＯｘ吸収能力が低下しつつあることから、リッチスパイク制御に移行すべくＦＬＧＳＮＯ＝１とするとともに、リッチスパイク経過時間用タイマーをゼロにリセットする。
予測値が所定値ＳＬＳＮＯを超えていない場合は、ＦＬＧＳＮＯ＝０のままとし、まだＮＯｘ吸収材の吸収能力は充分あるとして、リッチスパイク制御に移行せずにリーン運転を継続する。
【００２５】
また、Ｓ１１でリッチスパイク制御許可中を表すＦＬＧＳＮＯ＝１と判断した場合は、Ｓ１６でリッチスパイク経過時間が所定値ＳＬＴＭ以上か否かを判断し、所定時間に達していない場合は、Ｓ１７でリッチスパイク経過時間タイマーをカウントアップし、本フローを終了する。即ち、本フローは０．１秒毎としているため、０．１を加算する。Ｓ１６でリッチスパイクを所定時間実行したと判断した場合は、Ｓ１８でＦＬＧＳＮＯ＝０として、これ以上のリッチスパイク制御の継続を禁止するとともに、積算ＮＯｘ排出量ＳＮＯをゼロにリセットする。
【００２６】
上記気筒群の出力抑制制御によれば、上記第１排気通路３５の気筒群をリッチ運転することにより、第１排気通路３５の気筒群と第２排気通路３６の気筒群が発生するトルクに段差がある場合、第１排気通路３５の気筒群で発生するトルクを抑制することで、全気筒のトルクを均一化することができ、運転性を良好に確保できる。
【００２７】
（実施形態６）
図６は、本発明の排気浄化システムの一実施形態を示す流れ図であり、上記ＥＣＵ９で実行される演算内容を示したものである。
同図は、図３の排気空燃比リッチ化手段に相当する。
同図に沿って説明すると、Ｓ２１はリッチスパイク許可条件であるか否かを判断し、リッチスパイク許可条件でない場合は、本フローを終了する。
リッチスパイク許可条件である場合は、Ｓ２２で上記第１排気通路３５及び上記第２排気通路３６の気筒の膨張行程から排気行程の噴射でＮＯｘ吸収材に流入する排気空燃比を十分リッチとできる燃料噴射量ＲＳＴｉを次式▲２▼
0004103022.tif 000002
によって算出する。
この算出されたＲＳＴｉに相当する分の燃料量を、一部気筒群の噴射弁で膨張行程から排気行程の所定タイミングで噴射する。
【００２８】
なお、上記ＲＳＴｉの算出式▲２▼は、全気筒が理論空燃比に制御されている場合の式であり、全気筒をリーンで制御した場合は、算出式が異なる。
リッチスパイク制御が要求されたときに全気筒の燃焼空燃比を理論空燃比状態に保持する場合、リッチスパイク制御要求前のリーン運転状態からのトルク段差が生じるため、そのトルク段差を吸収するための様々な制御が考案されている。例えば、燃焼空燃比をリーン空燃比のままにして一部気筒群により膨張行程から排気行程に追加燃料を噴射することで、排気空燃比をリッチ化すれば、そのトルク段差は解消される。
その場合の追加燃料算出式を示すために上記ＲＳＴｉ算出式▲２▼を一般化すると、次式▲３▼
0004103022.tif 000003
となる。
上記燃焼空燃比がどのような状態であろうと上記式▲３▼により算出された燃料量を噴射することで、ＮＯｘ吸収材へ流入する排気をリッチ化することができる。
【００２９】
上記排気空燃比リッチ化手段によれば、上記第１排気通路３５の気筒群の排気空燃比をリッチとする場合、第１排気通路３５の気筒群の点火時期を遅角させることにより、第１排気通路３５の気筒群で発生するトルクと第２排気通路３６の気筒群で発生するトルク段差を減少させ同等とすることができるため、運転性の悪化を防止することが可能となる。
【００３０】
更に、上記気筒内直噴式の内燃機関の上記第１排気通路３５の気筒群のみの排気空燃比をリッチとする場合、燃焼空燃比は上記第２排気通路３６の気筒群と同一とし、膨張行程から排気行程で燃料を噴射することにより、排気空燃比をリッチとすることで、第１排気通路３５の気筒群と第２排気通路３６の気筒群で発生するトルクを同等とすることができるとともに、燃焼不可能なほど濃い排気空燃比を得ることができ、各気筒でＮＯｘ吸収材に吸収されているＮＯｘを脱離し、浄化するのに十分なリッチ排気を容易に得ることが可能である。
【００３１】
即ち、第１排気通路の気筒群と第２排気通路の気筒群の燃焼空燃比を同一に保ったまま、ＮＯｘ吸収材へ流入する排気空燃比をリッチとすることが可能であるため、気筒群間のトルク段差を発生させることと、オーバーリッチによる一部気筒群の失火等の問題を回避でき、更に燃費及び排気性能を向上することができる
。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、複数のＮＯｘ吸収材と排気ガス浄化装置とを備え、該ＮＯｘ吸収材が配置された複数の排気通路の排気空燃比をリッチとする際に、各ＮＯｘ吸収材におけるスパイク開始時間を少なくともスパイク所要時間以上ずらすこととしたため、ＮＯｘの還元処理のためにＨＣ及びＣＯを供給しつつ、ＨＣ及びＣＯの浄化性能が低下するのを防ぐ排気浄化装置及びその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】本発明の内燃機関の排気浄化装置の一実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明の内燃機関の排気浄化装置の他の実施形態を示す平面図である。
【図３】本発明の内燃機関の排気浄化装置の更に他の実施形態を示す平面図である。
【図４】本発明の排気浄化システムの一実施形態を示すブロック図である。
【図５】本発明の排気浄化システムの他の実施形態を示す流れ図である。
【図６】本発明の排気浄化システムの更に他の実施形態を示す流れ図である。
【符号の説明】
１１    気筒内直噴式内燃機関本体
１２    ピストン
１３    クランク軸１３
１４    エアフロメーター
１５    クランク角センサ
１６    燃料噴射弁
１７    点火栓
１８    燃焼室
１９    エンジンコントロールユニット
３０    ４気筒の気筒内直噴式内燃機関
３１    第１気筒
３２    第２気筒
３３    第３気筒
３４    第４気筒
３５    第１排気通路
３６    第２排気通路
３７    共通排気通路
３８    ＮＯｘ吸収材
３９    ＮＯｘ吸収材
４０    排気ガス浄化装置
５１    第１気筒群
５２    第２気筒群
５３    第１排気通路
５４    第２排気通路
５５    共通排気通路
５６    ＮＯｘ吸収材
５７    ＮＯｘ吸収材
５８    排気ガス浄化装置
【図１】
0004103022.tif 000004
【図２】
0004103022.tif 000005
【図３】
0004103022.tif 000006
【図４】
0004103022.tif 000007
【図５】
0004103022.tif 000008
【図６】
0004103022.tif 000009