JPH0886213A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

内燃機関の排気浄化装置

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 排気中のＮＯX を高い効率で浄化可能であ
り、簡易な構成の排気浄化装置を提供する。 【構成】 リーン空燃比運転を行う内燃機関１の排気通
路３に２つの分岐通路３ａ、３ｂとＮＯX 吸収剤それぞ
れ７ａ、７ｂを設けるとともに、ＮＯX 吸収剤７ａ、７
ｂ下流側で連通路４により分岐通路を相互に接続し、連
通路に還元剤を噴射する還元剤供給装置１２を設ける。
排気通路の分岐通路の分岐部に排気切換弁５と、各分岐
通路のＮＯX 吸収剤上流側を排気出口通路９に連通させ
るポート６ａ、６ｂを排気切換弁と連動して開閉する遮
断弁８ａ、８ｂとを設ける。排気切換弁と２つの遮断弁
とを連動して切り換えることにより排気がＮＯX 吸収剤
７ａ、７ｂを通過する順序を定期的に逆転し、同時に還
元剤供給装置１２から還元剤を連通路に供給する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関の排気浄化装
置に関し、詳細には排気中のＮＯX 成分を高い効率で浄
化することが可能な内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】内燃機関の排気中の窒素酸化物（Ｎ
ＯX ）を除去することを目的とした排気浄化装置の例と
しては、例えば特開昭６２−１１７６２０号公報に記載
されたものがある。同公報の装置は、リーン空燃比運転
を行う内燃機関の排気通路を２つに分岐させ、それぞれ
の分岐通路に酸素存在下でＮＯX を酸化吸収する触媒を
配置し、機関からの排気を上記触媒を通過させることに
より排気中のＮＯX を触媒に吸収させるものである。
【０００３】同公報の装置では触媒のＮＯX 吸収量が増
大して触媒のＮＯX 吸収効率が低下することを防止する
ために一定時間毎に排気を通過させる分岐通路を交互に
切り換えて、一方の触媒で排気中のＮＯX を吸収しなが
ら他方の触媒では吸収したＮＯX を還元除去する操作を
行う。すなわち、一方の触媒が配置された側の分岐通路
への排気の流入を遮断して、他方の分岐通路に排気の全
量を流すとともに、排気の流入を遮断した分岐通路の側
の触媒には水素等の還元剤を供給し、触媒に吸収された
ＮＯX を窒素に還元浄化する。
【０００４】上記公報の装置によれば、排気通路に並列
に２つの触媒を設け、排気の流れを切り換えて一方の触
媒で排気中のＮＯX を吸収し、同時に他方の触媒には還
元剤を供給して吸収したＮＯX を還元除去するという操
作を２つの触媒で交互に行うことにより、排気中のＮＯ
X の吸収を停止することなく触媒のＮＯX 吸収効率の低
下を防止することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
に排気通路に２つの触媒を並列に配置して交互にＮＯX
の吸収と還元除去とを行う場合には、それぞれの触媒に
個別に還元剤を供給する必要がある。例えば、上記特開
昭６２−１１７６２０号公報の装置では、それぞれの分
岐通路の触媒に個別に還元剤を供給するために、それぞ
れの分岐通路の触媒上流側に還元剤を供給する２つのノ
ズルと、還元剤供給源から各ノズルへの還元剤供給を切
り換える切換弁とが必要となる。このため、装置が複雑
になり配置上の問題を生じたり、切換弁の切換制御のた
めに煩雑な制御が必要となる問題が生じる。
【０００６】本発明は上記問題に鑑み、装置や制御の複
雑化を生じることなく簡易な構成でＮＯX の高い浄化効
率を達成可能な内燃機関の排気浄化装置を提供すること
を目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
よれば、少なくとも通常運転領域でリーン空燃比運転を
行う内燃機関の排気浄化装置であって、前記内燃機関の
排気通路に直列に配置された、それぞれ流入する排気の
空燃比がリーンのときに排気中のＮＯX を吸収し排気酸
素濃度が低下したときに吸収したＮＯX を放出する第１
と第２のＮＯX吸収剤と、前記第１と第２のＮＯX 吸収
剤との間の排気通路に還元剤を供給する還元剤供給装置
と、前記排気通路を通る排気の流れ方向を、排気が前記
第１のＮＯX 吸収剤を通過後に前記第２のＮＯX 吸収剤
を通過する第１の方向と、排気が前記第２のＮＯX 吸収
剤を通過した後に前記第１のＮＯX 吸収剤を通過する第
２の方向とに切り換える切換手段と、所定の条件が成立
する毎に前記切換手段を作動させて、排気流れ方向を前
記第１の方向と第２の方向とに交互に切り換える制御手
段と、を備えた内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【０００８】また、請求項２に記載の発明によれば、少
なくとも通常運転領域において理論空燃比以下の空燃比
で運転を行う内燃機関の排気浄化装置であって、前記内
燃機関の排気通路に直列に配置された、それぞれ流入す
る排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯX を吸収
し排気酸素濃度が低下したときに吸収したＮＯX を放出
する第１と第２のＮＯX 吸収剤と、前記第１と第２のＮ
ＯX 吸収剤との間の排気通路に二次空気を供給する二次
空気供給装置と、前記排気通路を通る排気の流れ方向
を、排気が前記第１のＮＯX 吸収剤を通過後に前記第２
のＮＯX 吸収剤を通過する第１の方向と、排気が前記第
２のＮＯX 吸収剤を通過した後に前記第１のＮＯX 吸収
剤を通過する第２の方向とに切り換える切換手段と、所
定の条件が成立する毎に前記切換手段を作動させて、排
気流れ方向を前記第１の方向と第２の方向とに交互に切
り換える制御手段と、を備えた内燃機関の排気浄化装置
が提供される。
【０００９】
【作用】請求項１に記載の発明では、切換手段により排
気の流れが第１の流れ方向に切り換えられると、機関か
らのリーン空燃比の排気は先ず第１のＮＯX 吸収剤に流
入し、排気中のＮＯX は第１のＮＯX 吸収剤に吸収され
る。また、第１のＮＯX吸収剤を通過した排気には第１
のＮＯX 吸収剤と第２のＮＯX 吸収剤との間で還元剤供
給装置から還元剤が添加される。このため第２のＮＯX
吸収剤に流入する排気の酸素濃度が低下し、第２のＮＯ
X 吸収剤からは吸収したＮＯX が放出され、還元剤によ
り還元除去される。すなわち、排気の流れが第１の流れ
方向に切り換えられると、第１のＮＯX 吸収剤では排気
中のＮＯX の吸収が、第２のＮＯX吸収剤では吸収した
ＮＯX の還元除去が同時に行われる。
【００１０】一方、切換手段により排気の流れが第２の
流れ方向に切り換えられると、機関からの排気は先ず第
２のＮＯX 吸収剤を通過し、第２のＮＯX 吸収剤通過後
に還元剤を添加されてから第１のＮＯX 吸収剤に流入す
る。このため、排気の流れが第２の流れ方向に切り換え
られると、第２のＮＯX 吸収剤では排気中のＮＯX の吸
収が、第１のＮＯX 吸収剤では吸収したＮＯX の還元除
去が同時に行われる。
【００１１】従って、所定の条件成立毎に（例えば一定
時間毎に）排気の流れを交互に第１と第２の流れ方向に
切り換えることにより、全体として排気中のＮＯX の吸
収を停止することなく、それぞれのＮＯX 吸収剤では、
ＮＯX 吸収と吸収したＮＯXの還元浄化とが交互に実行
される。請求項２に記載の発明では、機関からの排気の
空燃比は理論空燃比以下であり、排気中の酸素濃度は低
く排気中には未燃ＨＣ、ＣＯ成分が比較的多く含まれ
る。このため、排気の流れが第１の流れ方向に切り換え
られると、第１のＮＯX 吸収剤には、酸素濃度が低い排
気が流入し、第１のＮＯX 吸収剤からは吸収したＮＯX
が放出され排気中の未燃ＨＣ、ＣＯ成分と反応して還元
浄化される。第１のＮＯX 吸収剤を通過した排気には、
第１のＮＯX 吸収剤と第２のＮＯX 吸収剤との間で二次
空気が供給されるため、第２のＮＯX 吸収剤に流入する
排気の空燃比はリーンになる。このため、第２のＮＯX
吸収剤では、第１のＮＯX 吸収剤を通過した比較的少量
のＮＯX が吸収される。すなわち、請求項２の発明では
排気の流れが第１の流れ方向に切り換えられると、第１
のＮＯX 吸収剤では吸収したＮＯX の還元除去が、第２
のＮＯX 吸収剤では排気中のＮＯX の吸収が同時に行わ
れる。また、排気の流れが第２の流れ方向に切り換えら
れると、上記とは逆に第２のＮＯX 吸収剤では吸収した
ＮＯX の還元除去が、第１のＮＯX 吸収剤では排気中の
ＮＯX の吸収が同時に行われる。
【００１２】従って、所定の条件成立毎に（例えば一定
時間毎に）排気の流れを交互に第１と第２の流れ方向に
切り換えることにより、全体として排気中のＮＯX の吸
収を停止することなく、それぞれのＮＯX 吸収剤では、
ＮＯX 吸収と吸収したＮＯXの還元浄化とが交互に実行
される。
【００１３】
【実施例】以下添付図面を用いて本発明の実施例につい
て説明する。図１は本発明の排気浄化装置を車両用内燃
機関に適用した場合の概略構成の一例を示す図である。
図１において、１はディーゼルエンジン、希薄燃焼を行
うリーンバーンガソリンエンジン等、少なくとも通常運
転領域で理論空燃比より大きな空燃比の混合気で運転さ
れる内燃機関、３は機関１の排気通路を示す。本実施例
では、排気通路３は２つの分岐通路３ａ、３ｂに分岐し
ており、それぞれの分岐通路３ａ、３ｂはＮＯX 吸収剤
７ａ、７ｂに接続されている。また、ＮＯX 吸収剤７
ａ、７ｂは分岐通路３ａ、３ｂとは反対の側で連通路４
により相互に接続されている。
【００１４】分岐通路３ａ、３ｂの排気通路３からの分
岐部には排気切換弁５が設けられている。排気切換弁５
は後述する機関制御回路（ＥＣＵ）２０からの制御信号
に応じて作動し、選択的に分岐通路３ａ、３ｂの一方の
入口を閉塞して機関１からの排気を分岐通路３ａ、３ｂ
のいずれか一方に導く作用を行う。また、分岐通路３
ａ、３ｂ上の、排気切換弁５とＮＯX 吸収剤７ａ、７ｂ
との間の位置には、それぞれポート６ａ、６ｂと、この
ポート６ａ、６ｂを開閉する遮断弁８ａ、８ｂが設けら
れている。図２は、図１のII−II線に沿った断面を示し
ている。図２に示すように、本実施例では、分岐通路３
ａ、３ｂに隣接して共通の排気出口通路９が設けられて
おり、ポート６ａ、６ｂは分岐通路３ａ、３ｂと排気出
口通路９とを連通している。すなわち、遮断弁８ａが開
弁すると分岐通路３ａはポート６ａを介して排気出口通
路９に連通し、遮断弁８ｂが開弁すると分岐通路３ｂは
ポート６ｂを介して排気出口通路９に連通する。排気出
口通路９はその下流側で図示しないマフラーを介して大
気に開放されている。
【００１５】排気切換弁５と遮断弁８ａ、８ｂは相互に
リンク１０で接続されており、共通のアクチュエータ１
１により駆動される。アクチュエータ１１はソレノイ
ド、負圧アクチュエータ等の適宜な形式のものが使用さ
れ、制御回路２０からの駆動信号に応じて作動し、リン
ク１０を介して排気切換弁５と遮断弁８ａ、８ｂを同時
に動作させる。本実施例では、遮断弁８ａ、８ｂはリン
ク１０を介して排気切換弁５に連動して動作し、排気切
換弁５が分岐通路３ｂを閉塞する位置（図１に示す位
置）では遮断弁８ｂがポート６ｂを開放するとともに遮
断弁８ａがポート６ａを閉塞し、逆に、排気切換弁５が
分岐通路３ａを閉塞する位置では遮断弁８ｂがポート６
ｂを閉塞するとともに遮断弁８ａがポート６ａを開放す
るようにリンク１０を構成している。
【００１６】このため、排気切換弁５が分岐通路３ｂを
閉塞する位置では、機関からの排気は分岐通路３ａ→Ｎ
ＯX 吸収剤７ａ→連通路４→ＮＯX 吸収剤７ｂ→ポート
６ｂ→排気出口通路９の順に流れることになる（以下、
この排気流れ方向を第１の方向という）。また、同様
に、排気切換弁５が分岐通路３ａを閉塞する位置では、
機関からの排気は分岐通路３ｂ→ＮＯX 吸収剤７ｂ→連
通路４→ＮＯX 吸収剤７ａ→ポート６ａ→排気出口通路
９の順に流れる（以下、この排気流れ方向を第２の方向
という）。すなわち、排気切換弁５を切り換えることに
より、分岐通路３ａ、３ｂ、ＮＯX 吸収剤７ａ、７ｂ及
び連通路４内の排気の流れ方向を逆転させることが可能
である。
【００１７】図１に１２で示したのは、連絡通路４内に
還元剤を供給する還元剤供給装置である。還元剤供給装
置１２は、加圧容器、ポンプ等の還元剤供給源１２ｃ
と、この供給源１２ｃからの還元剤を連通路４内に噴射
する還元剤供給ノズル１２ａ、及び制御回路２０からの
制御信号に応じてノズル１２ａからの還元剤噴射量を調
節する流量制御弁１２ｂとを備えている。
【００１８】還元剤供給装置１２から供給する還元剤と
しては排気中でＨ2 、ＣＯ等の還元成分やＨＣ成分を発
生するものが使用され、本実施例では、例えば水素、一
酸化炭素等の還元性気体、プロパン、プロピレン、ブタ
ン等の気体または液体の炭化水素、ガソリン、軽油、灯
油等の液体燃料等が還元剤として使用できる。また、図
１に２０で示すのは機関１の電子制御回路（ＥＣＵ）で
ある。ＥＣＵ２０はＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ及び入力ポ
ート、出力ポートを相互に双方向性バスで接続した公知
の構成のディジタルコンピュータからなる。ＥＣＵ２０
は機関の燃料噴射量制御等の基本制御を行うほか、本実
施例ではＮＯX 吸収剤７ａ、７ｂのＮＯX 吸収と放出還
元との制御を行っている。これらの制御のため、ＥＣＵ
２０の入力ポートには、機関回転数、アクセル開度、吸
入空気量、排気温度等の機関の運転状態を表すパラメー
タ信号がそれぞれ図示しないセンサから入力されてお
り、また、出力ポートは還元剤供給装置１２の制御弁１
２ｂに接続され、ノズル１２ａからの還元剤供給量を制
御している。
【００１９】ＮＯX 吸収剤７ａ、７ｂは例えばアルミナ
を担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ，ナトリウ
ムＮa ，リチウムＬi ，セシウムＣs のようなアルカリ
金属、バリウムＢa , カルシウムＣa のようなアルカリ
土類、ランタンＬa ，イットリウムＹのような希土類か
ら選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐt のような貴金属
とが担持されている。このＮＯX 吸収剤は流入する排気
の空燃比がリーンの場合にはＮＯX を吸収し、酸素濃度
が低下するとＮＯX を放出するＮＯX の吸放出作用を行
う。
【００２０】なお、本明細書中では、排気系のある場所
における排気空燃比とは機関燃焼室、吸気通路および、
上記の場所の上流側の排気系に供給された空気量の合計
と燃料及び還元剤の量との合計の比を意味するものとす
る。従って、排気通路に燃料や還元剤または空気が供給
されない場合には排気空燃比は機関の運転空燃比（機関
燃焼室内の燃焼における空燃比）と等しくなる。
【００２１】ＮＯX 吸収剤におけるＮＯX の吸放出作用
の詳細なメカニズムについては明らかでない部分もあ
る。しかし、この吸放出作用は図３に示すようなメカニ
ズムで行われているものと考えられる。次にこのメカニ
ズムについて担体上に白金ＰtおよびバリウムＢa を担
持させた場合を例にとって説明するが、他の貴金属、ア
ルカリ金属、アルカリ土類、希土類を用いても同様なメ
カニズムとなる。
【００２２】すなわち、ＮＯX 吸収剤に流入する排気が
リーン空燃比になると流入排気中の酸素濃度が大巾に増
大し、図３(A) に示されるようにこれら酸素Ｏ2 がＯ2
- またはＯ2-の形で白金Ｐt の表面に付着する。一方、
流入排気中のＮＯは白金Ｐtの表面上でこのＯ2 - また
はＯ2-と反応し、ＮＯ2 となる（２ＮＯ＋Ｏ2 →２ＮＯ
2 ) 。次いで生成されたＮＯ2 の一部は白金Ｐｔ上で酸
化されつつ吸収剤内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと
結合しながら図３(A) に示されるように硝酸イオンＮＯ
3 - の形で吸収剤内に拡散する。このようにしてＮＯX
がＮＯX 吸収剤７ａ、７ｂ内に吸収される。
【００２３】従って、流入排気の空燃比がリーンであ
り、排気中の酸素濃度が高い限り白金Ｐt の表面でＮＯ
2 が生成され、吸収剤のＮＯX 吸収能力が飽和しない限
りＮＯ 2 が吸収剤内に吸収されて硝酸イオンＮＯ3 - が
生成される。これに対して流入排気中の酸素濃度が低下
してＮＯ2 の生成量が減少すると反応が逆方向（ＮＯ3
- →ＮＯ2 ）に進み、吸収剤内の硝酸イオンＮＯ3 - が
ＮＯ2 の形で吸収剤から放出される。すなわち、流入排
気中の酸素濃度が低下するとＮＯX 吸収剤７ａ、７ｂか
らＮＯX が放出されることになる。
【００２４】一方、流入排気中にＣＯ等の還元成分やＨ
Ｃ成分が存在すると、これらの成分は白金Ｐt 上の酸素
Ｏ2 - またはＯ2-と反応して酸化され、排気中の酸素を
消費して排気中の酸素濃度を低下させる。また、排気中
の酸素濃度低下によりＮＯX吸収剤７ａ、７ｂから放出
されたＮＯ2 は図３(B) に示すようにＨＣ，ＣＯと反応
して還元される。このようにして白金Ｐt の表面上にＮ
Ｏ2 が存在しなくなると吸収剤から次から次へとＮＯ2
が放出される。従って流入排気中のＨＣ，ＣＯ成分が存
在すると短時間のうちにＮＯX 吸収剤からＮＯX が放出
され、還元されることになる。
【００２５】すなわち、流入排気中のＨＣ，ＣＯは、ま
ず白金Ｐt 上のＯ2 - またはＯ2-と直ちに反応して酸化
され、次いで白金Ｐt 上のＯ2 - またはＯ2-が消費され
てもまだＨＣ，ＣＯが残っていればこのＨＣ，ＣＯによ
って吸収剤から放出されたＮＯX および機関から排出さ
れたＮＯX が還元される。図１の実施例では、排気切換
弁５により排気の流れを前述の第１と第２の方向に交互
に切り換えることによりＮＯX 吸収剤７ａ、７ｂに上記
ＮＯX の吸放出作用を生じさせる。
【００２６】以下、本実施例の作用について説明する。
まず、排気切換弁５が分岐通路３ｂを閉塞する位置（図
１に示した位置）にある場合について説明する。この場
合には、排気は前述の第１の流れ方向に沿って、先ずＮ
ＯX 吸収剤７ａを通過し、次いでＮＯX 吸収剤７ｂを通
過する。また、還元剤供給装置１２から供給された還元
剤は排気とともにＮＯX 吸収剤７ｂに流入する。
【００２７】本実施例ではリーン空燃比運転を行う機関
が使用されているため、機関から分岐通路３ａに流入す
る排気の空燃比はかなりリーンになっている。このた
め、ＮＯX 吸収剤７ａに流入する排気中の酸素濃度は高
くなっており、ＮＯX 吸収剤７ａは図３(A) で説明した
排気中のＮＯX の吸収作用を行う。従って、機関１から
の排気中のＮＯX はＮＯX 吸収剤７ａに吸収され、ＮＯ
X 吸収剤７ａを通過して連通路４に流入する排気は殆ど
ＮＯX を含まない。
【００２８】次いで、この排気には連通路４に配置され
た還元剤供給ノズル１２ａから還元剤が供給され、排気
と還元剤との混合気体がＮＯX 吸収剤７ｂに流入する。
後述するように、還元剤供給ノズル１２ａから供給され
る還元剤の量は、ＮＯX 吸収剤７ｂに流入する排気の空
燃比を少なくとも理論空燃比以下とする量とされる。こ
のため、ＮＯX 吸収剤７ｂでは還元剤の消費により酸素
濃度が低下し、ＮＯ X 吸収剤７ｂでは、吸収されていた
ＮＯX が放出され、図３(B) で説明したように排気中の
還元剤により放出されたＮＯX が還元浄化される。ま
た、ＮＯX 吸収剤７ａで吸収されずに通過してきたＮＯ
X も同様にＮＯX 吸収剤７ｂで還元浄化されるため、Ｎ
ＯX 吸収剤７ｂからポート６ｂを経て排気出口通路９に
流入する排気は略完全にＮＯX を除去されたクリーンな
状態になる。
【００２９】次に、排気切換弁５が分岐通路３ａを閉塞
する位置に切り換えられると、排気は前述の第２の方向
に沿って流れることになる。このため、排気は先ずＮＯ
X 吸収剤７ｂに流入し、その後還元剤を添加されてから
ＮＯX 吸収剤７ａに流入するようになる。この場合に
は、上記とは逆にＮＯX 吸収剤７ｂでは排気中のＮＯX
の吸収が、ＮＯX 吸収剤７ａでは吸収したＮＯX の放出
と還元浄化とが行われることになる。
【００３０】従って、適宜なタイミングで排気切換弁５
を切り換えて、上記第１と第２の流れ方向に排気を交互
に流すことにより、ＮＯX 吸収剤７ａ、７ｂでは交互に
ＮＯ X の吸収と放出とが行われるため、ＮＯX 吸収剤の
飽和を防止しながら常時排気の浄化を行うことができ
る。本実施例では、ＥＣＵ２０は吸入空気量と機関燃料
噴射量とから機関出口における排気空燃比を求め、排気
空燃比を理論空燃比以下の所定の値とするために必要と
される還元剤の量を算出するとともに、制御弁１２ｂの
開度を制御して算出した量の還元剤を連通路４に供給す
る操作を行う。必要とされる還元剤の量は、ＮＯX 吸収
剤の種類、ＮＯX 吸収量や放出速度（吸収剤温度）等に
より定まるため、詳細には使用するＮＯX 吸収剤の種類
に応じて運転条件毎に実験等により決定することが好ま
しい。
【００３１】また、排気切換弁５は一定時間毎に切り換
えることとしてもよいが、詳細にはＮＯX 吸収剤のＮＯ
X 吸収量が一定値（例えば飽和量の６０％程度の値）に
達する毎に切換を行い、ＮＯX 吸収剤が飽和する前に吸
収したＮＯX を放出させることが好ましい。この場合に
は、例えば、予め各機関負荷条件毎に機関の単位時間当
たりのＮＯ X 発生量を計測して、その結果を機関負荷条
件を表すパラメータ（例えば、吸入空気量と回転数、ア
クセル開度と回転数等）を用いたマップとしてＥＣＵ２
０のＲＯＭに格納しておき、機関運転中に一定時間毎に
上記パラメータから機関のＮＯX 発生量を算出して積算
を行い、この積算値が所定値を越えた場合に排気切換弁
５の切換を行うようにすれば良い。
【００３２】また、本実施例ではＮＯX の放出、還元を
行うためにＮＯX 吸収剤に還元剤を供給する必要がある
が、ＮＯX 吸収剤のＮＯX 放出、還元に要する時間は、
ＮＯ X 吸収剤に吸収されたＮＯX 量が所定値に達する時
間に較べて極めて短い（例えば、ＮＯX を吸収可能な時
間は数分から数十分であるのに対してＮＯX の放出、還
元に要する時間は数秒から数十秒である）、このため、
実際には還元剤の供給は排気切換弁５の切換直後の短時
間のみ行われることになり、機関の燃費が大幅に悪化す
ることはない。また、ＮＯX の放出還元が終了し、還元
剤の供給が停止されると下流側のＮＯX 吸収剤に流入す
る排気はリーン空燃比に復帰するため、上流側のＮＯX
吸収剤を通過した微量のＮＯX は下流側のＮＯX 吸収剤
で吸収されるようになり、還元剤供給停止後も排気中の
ＮＯX の除去が完全に行われる。
【００３３】また、本実施例では還元剤供給装置１２は
連通路４のみに還元剤を供給すれば足り、分岐通路３
ａ、３ｂのそれぞれに個別に還元剤を供給する必要がな
いため、それぞれの分岐通路にノズルや制御弁を配置し
たり還元剤供給源１２ｃと各ノズルとの間に切換弁を設
ける必要がなくなり、装置が簡略化されるとともに還元
剤供給装置の制御が簡易なものになる利点がある。
【００３４】次に、図４を用いて本発明の上記とは別の
実施例を説明する。なお、図４において、図１と同じ参
照符号は図１と同じ要素を示しているので詳細な説明は
省略する。以下、図１の実施例と相違する点について説
明する。図４において４０は内燃機関を示している。本
実施例では、図１の機関１とは異なり、機関４０は少な
くとも通常運転領域では理論空燃比以下の空燃比（機関
燃費の低減をはかるため、好ましくは、例えば空気過剰
率で０．９８〜０．９９程度の、理論空燃比より僅かに
リッチな空燃比）で運転される。また、分岐通路３ａ、
３ｂ分岐部の上流側の排気通路３には、理論空燃比近傍
で排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯX の３成分を高い効率で浄
化可能な三元触媒４１が配置されており、機関４０から
の排気は三元触媒４１を通過してから分岐通路３ａまた
は３ｂに流入するようになっている。なお、三元触媒４
１は従来公知のものが使用されるため、ここでは詳細な
説明は省略する。
【００３５】また、本実施例では連通路４には図１の還
元剤供給装置１２に代えて二次空気供給装置４２が配置
されている。二次空気供給装置４２は、連通路４内に空
気を供給するノズル４２ａ、流量制御弁４２ｂ、エアポ
ンプ等の加圧空気源４２ｃを備え、ＥＣＵ２０からの制
御信号により流量制御弁４２ｂの開度を調節することに
よりノズル４２ａから噴射する空気量を制御可能となっ
ている。
【００３６】次に、本実施例の作用について説明する。
前述のように、本実施例では機関４０は理論空燃比より
僅かにリッチな空燃比で運転される。内燃機関の運転空
燃比が理論空燃比以下になると排気中の酸素濃度は急激
に低下し、逆に排気中のＣＯと未燃ＨＣ濃度は急激に増
大する。このため、通常運転領域での機関４０の排気中
には比較的多量のＣＯ、未燃ＨＣが含まれており、酸素
濃度は低くなっている。
【００３７】また、機関運転空燃比が理論空燃比近傍の
領域ではＮＯX の発生量も増大するため機関排気中には
図１の実施例に較べて多量のＮＯX が含まれている。こ
のため、本実施例では排気通路３に三元触媒を配置して
排気中のＮＯX の大部分を除去している。三元触媒４１
は理論空燃比近傍、特に理論空燃比以下の空燃比ではＮ
ＯX 浄化効率はが良好であるため、三元触媒４１を通過
する排気中のＮＯX の大部分は三元触媒４１により除去
される。従って、排気通路３から分岐通路３ａ、３ｂに
流入する排気は、ＨＣ、ＣＯ成分と比較的少量のＮＯX
とを含み酸素濃度が低い排気となっている。
【００３８】例えば、排気切換弁５が分岐通路３ｂを閉
塞する位置にあるとすると、上記三元触媒４１を通過し
た排気は分岐通路３ａに導かれ、ＮＯX 吸収剤７ａに流
入する。上述したように、この排気は酸素濃度が低く、
ＨＣ、ＣＯ成分と比較的少量のＮＯX とを含んでいる。
このため、ＮＯX 吸収剤７ａでは図３(B) で説明したＮ
ＯX の放出作用が生じ、放出されたＮＯX と流入する排
気中のＮＯX との殆どがＮＯX 吸収剤７ａで還元浄化さ
れる。また、理論空燃比以下の空燃比では三元触媒４１
で排気中のＮＯX の一部がＮＨ3 に転換されるため、Ｎ
ＯX 吸収剤７ａに流入する排気は少量のＮＨ3 をも含ん
でいるが、このＮＨ3 成分もＮＯX 吸収剤７ａから放出
されたＮＯX の還元に消費される。
【００３９】次いで、連通路４ではＮＯX 吸収剤７ａを
通過した排気に二次空気が供給される。本実施例では、
連通路４に供給される二次空気の量はＮＯX 吸収剤７ｂ
入口での排気空燃比を理論空燃比よりリーンとするのに
十分な量とされる。このため、ＥＣＵ２０は機関の吸入
空気量と燃料噴射量とから機関運転空燃比を計算し、Ｎ
ＯX 吸収剤７ｂで排気空燃比をリーンとするのに必要な
二次空気量を算出するとともに、この二次空気量が得ら
れるように二次空気供給装置４２の制御弁４２ｃ開度を
調節する。
【００４０】従って、ＮＯX 吸収剤７ｂに流入する排気
はリーン空燃比となり、ＮＯX 吸収剤７ｂでは前述の図
３(A) で説明したＮＯX の吸収作用が生じ、ＮＯX 吸収
剤７ａで完全に還元浄化されずに通過してきた微量のＮ
ＯX 成分が吸収、除去される。また、ＮＯX 吸収剤７ａ
でＮＯX の還元に消費されずに下流側に流出した未燃Ｈ
Ｃ、ＣＯ成分はリーン空燃比化でＮＯX 吸収剤７ｂによ
り酸化される。このため、分岐通路３ｂのポート６ｂか
ら排気出口通路９に流入する排気は略完全にＨＣ、ＣＯ
及びＮＯX が除去されたクリーンな排気となる。
【００４１】次に、排気切換弁５が分岐通路３ａを閉塞
する位置に切り換えられると、排気の流れは逆方向にな
り、ＮＯX 吸収剤７ｂでは吸収したＮＯX の放出と還元
浄化が行われ、ＮＯX 吸収剤７ａではＮＯX の吸収が行
われる。このため、本実施例においても排気切換弁５を
適宜な時間間隔で切り換えることにより、ＮＯX 吸収剤
７ａと７ｂとでは、交互にＮＯX の吸収と放出、還元と
が行われ、ＮＯX 吸収剤の飽和を防止しながら排気の浄
化を常時行うことが可能となる。
【００４２】また、本実施例においても、排気切換弁５
の切換操作の間隔は一定時間としても良いし、図１の実
施例と同様ＮＯX 吸収剤のＮＯX 吸収量が所定値に達す
る毎に切換操作を行うようにしても良い。本実施例にお
いても、二次空気供給装置４２は連通路４のみに二次空
気を供給すれば足りるため、図１の実施例と同様、装置
の構成と制御を簡略化することが可能となる効果が得ら
れる。なお、本実施例においては、下流側のＮＯX 吸収
剤に流入する排気の空燃比は常にリーンに維持する必要
があるため、二次空気供給装置４２からは常時連通路４
二次空気を供給する必要がある点が図１の実施例と相違
している。
【００４３】また、本実施例では、機関４０から排出さ
れるＮＯX 量が比較的多量であるため、予め三元触媒４
１を用いて排気中のＮＯX の大部分を除去してＮＯX 吸
収剤７ａ、７ｂで処理するＮＯX 量を低減しているが、
ＮＯX 吸収剤７ａ、７ｂの容量を機関で発生するＮＯX
を処理するのに十分な大きさに設定すれば三元触媒４１
は必ずしも設ける必要はない。
【００４４】次に、図５を用いて本発明の上記とは別の
実施例を説明する。上述の実施例ではいずれも排気通路
３を２つの分岐通路３ａ、３ｂに分岐して、それぞれの
分岐通路に個別にＮＯX 吸収剤７ａ、７ｂを設けてい
る。このため、排気系の構成が複雑になり設置スペース
が増大することから、特に車両用機関などでは搭載上不
利になる場合が考えられる。本実施例では、この問題を
解決するため、２つの分岐通路と２つのＮＯX 吸収剤を
１つのハウジング内に収納して上記実施例の排気浄化装
置の主要部分を一体構造とすることにより排気系の構成
を簡易なものとしている。
【００４５】図５(A) は上記一体構造の装置を示す断面
図である。図５(A) において、５０はハウジング、５９
はハウジングを貫通する排気管、５７ａ、５７ｂは、ハ
ウジング５０内壁と排気管５９との間の空間に配置され
たＮＯX 吸収剤を示している。ＮＯX 吸収剤５７ａ、５
７ｂは容器中央部近傍に配置され容器軸線方向端部とＮ
ＯX 吸収剤との間には空間５１、５２が形成されてい
る。また、図５(B) （図５ａのＢ−Ｂ線に沿った断面
図）に示すように、ハウジング５０内壁と排気管５９の
外壁との間には軸線方向に仕切板５３が延設されてお
り、ＮＯX 吸収剤５７ａと５７ｂとを互いに隔離してい
る。仕切板５３は、更に上記空間５１を互いに隔離され
た２つの部分５１ａと５１ｂとに分割している。なお、
仕切板５３は空間５２側ではＮＯX 吸収剤５７ａ、５７
ｂの端部で終了しているため、空間５２は仕切板５３に
より分割されていない。
【００４６】排気管５９の空間５１内に位置する部分に
は、排気管５９を空間５１ａに連通する２つのポート５
５ａ、５６ａ及び排気管５９を空間５１ｂに連通する２
つのポート５５ｂ、５６ｂがそれぞれ設けられている。
図５(A) に５８で示したのは排気管５９内のポート５５
ａ、５５ｂ位置とポート５６ａ、５６ｂ位置との中間の
位置に設けられた排気切換弁である。排気切換弁５８
は、適宜なアクチュエータにより回動される回転軸５８
ａに取り付けられており、回転軸５８ａの回転とともに
回動し、図５(A) に実線で示した第１の切換位置と点線
で示した第２の切換位置とをとる。
【００４７】排気切換弁５８が上記第１の切換位置をと
ると、空間５１ａ側のポート５５ａは開放され、ポート
５６ａは閉鎖される。また、上記第１の位置では空間５
１ｂ側のポート５５ｂは閉鎖され、ポート５６ｂは開放
される。また、排気切換弁５８が図５(A) に点線で示し
た第２の切換位置をとると、上記とは逆にポート５５ａ
が閉鎖されポート５６ａが開放されるとともに、ポート
５５ｂは開放されポート５６ｂは閉鎖される。図に５９
ｂで示したのは、排気管５９を排気切換弁５８位置で遮
断する隔壁である。
【００４８】また、ハウジング５０の空間５２部分には
ノズル５４が設けられており、図示しない還元剤供給装
置または二次空気供給装置から還元剤または二次空気を
空間５２内に供給できるようになっている。次に、本実
施例の作用について説明する。本実施例では排気は図５
(A) に矢印Ａで示した方向に排気管５９に流入する。
【００４９】排気切換弁５８が第１の切換位置（図５
(A) 実線）に切り換えられると、排気管５９に流入した
排気はポート５５ａから空間５１ａに流入する。ポート
５６ａは排気切換弁５８の第１の切換位置では閉鎖され
ているため、空間５１ａに流入した排気はＮＯX 吸収剤
５７ａに流入し、その後空間５２からＮＯX 吸収剤５７
ｂに流入する。また、ＮＯX 吸収剤５７ｂから空間５１
ｂに流出した排気はポート５６ｂを通って排気管５９の
排気切換弁５８下流側に流出する。
【００５０】逆に、排気切換弁５８が第２の切換位置
（図５(A) に点線で示す位置）に切り換えられると、排
気はポート５５ｂ→ＮＯX 吸収剤５７ｂ→空間５２→Ｎ
ＯX 吸収剤５７ａ→ポート５６ａ→排気管５９の順に流
れる。このため、排気切換弁５８を第１と第２の位置に
切り換えることによりＮＯX 吸収剤５７ａ、空間５２、
及びＮＯX 吸収剤５７ｂを排気が通過する順序を逆転さ
せることができる。
【００５１】従って、本実施例ではノズル５４から還元
剤または二次空気を空間５２に供給することにより、図
１または図４に示した実施例と同等の作用を得ることが
できる。上述のように、本実施例によれば２つのＮＯX
吸収剤と分岐通路とを１つのハウジング内に一体に構成
しているため、独立した分岐通路やＮＯX 吸収剤を設け
る必要がなくなり、図１、図４の効果に加えてさらに装
置の構成を簡易とすることができる。
【００５２】なお、上記実施例では図５(A) の矢印Ａの
方向に排気を流す場合について説明したが排気管５９内
の排気の流れ方向を上記矢印Ａとは逆方向として、ポー
ト５６ａまたは５６ｂから空間５１ａ、ｂに排気が流入
し、５５ａ、５５ｂから排気管に流出するようにするこ
とも可能である。以上、本発明の代表的実施例について
説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものでは
なく、種々の改変が可能である。特にＮＯX 吸収剤の配
置や排気系の構成は、上記実施例のように２つのＮＯX
吸収剤の間の排気の流れ方向を切り換えることができる
ものであれば他の構成を採用することも可能である。
【００５３】例えば図６は、図１、図４の実施例の分岐
通路３ａ、３ｂ上にＮＯX 吸収剤７ａ、７ｂを配置する
代わりに、分岐通路３ａ、３ｂを接続する連通路６０を
設け、この連通路６０上にＮＯX 吸収剤７ａ、７ｂを直
列に設けた例を示している。図６の実施例では、連通路
６０の分岐通路３ａ、３ｂとの接続部分には排気切換弁
６５ａ、６５ｂを設け、この２つの排気切換弁を連動し
て動作させることによりＮＯX 吸収剤７ａ、７ｂの間の
排気の流れ方向を切り換える。
【００５４】すなわち、排気切換弁６５ａ、６５ｂが図
６に実線で示す位置に切り換えられると排気は分岐通路
３ａから連通路６０に流入し、ＮＯX 吸収剤７ａ、７ｂ
を通過した後分岐通路３ｂから排気切換弁６５ｂ下流側
に流出する。また、排気切換弁６５ａ、６５ｂが図６に
点線で示す位置に切り換えられると、排気は分岐通路３
ｂから連通路６０に流入し、ＮＯX 吸収剤７ｂ、７ａの
順に通過した後分岐通路３ａから排気切換弁６５ａ下流
側に流出する。従って、本実施例においてもＮＯX 吸収
剤７ａと７ｂとの中間の位置の連通路にノズル６２を配
置して還元剤または二次空気を供給することにより図１
または図４と同等の効果を得ることができる。なお、図
１、図４の構成では、排気切換弁５と遮断弁８ａ、８ｂ
との計３つの弁が必要となるが、図６の実施例によれ
ば、弁の数は２つに低減されるので装置をさらに簡素化
することが可能となる。
【００５５】
【発明の効果】各請求項に記載の発明によれば、排気通
路に２つのＮＯX 吸収剤を配置し、交互にＮＯX の吸収
と放出、還元とを行う場合に、還元剤または二次空気の
供給装置を大幅に簡略化できるため、装置全体の構成と
制御を簡易なものとすることができるという共通の効果
を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用する内燃機関の一実施例の概略構
成を説明する図である。
【図２】図１のII−II線に沿った断面図である。
【図３】ＮＯX 吸収剤のＮＯX の吸放出作用を説明する
図である。
【図４】本発明の図１とは別の実施例を説明する図であ
る。
【図５】本発明の更に別の実施例を説明する図である。
【図６】本発明の更に別の実施例を説明する図である。
【符号の説明】
１…内燃機関 ３…排気通路 ３ａ、３ｂ…分岐通路 ５…排気切換弁 ７ａ、７ｂ…ＮＯX 吸収剤 １２…還元剤供給装置 ２０…制御回路 ４２…二次空気供給装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 隆晟 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも通常運転領域でリーン空燃比
    運転を行う内燃機関の排気浄化装置であって、 前記内燃機関の排気通路に直列に配置された、それぞれ
    流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯX
    を吸収し排気酸素濃度が低下したときに吸収したＮＯX
    を放出する第１と第２のＮＯX 吸収剤と、 前記第１と第２のＮＯX 吸収剤との間の排気通路に還元
    剤を供給する還元剤供給装置と、 前記排気通路を通る排気の流れ方向を、排気が前記第１
    のＮＯX 吸収剤を通過した後に前記第２のＮＯX 吸収剤
    を通過する第１の方向と、排気が前記第２のＮＯX 吸収
    剤を通過した後に前記第１のＮＯX 吸収剤を通過する第
    ２の方向とに切り換える切換手段と、 所定の条件が成立する毎に前記切換手段を作動させて、
    排気流れ方向を前記第１の方向と第２の方向とに交互に
    切り換える制御手段と、を備えた内燃機関の排気浄化装
    置。
  2. 【請求項２】 少なくとも通常運転領域において理論空
    燃比以下の空燃比で運転を行う内燃機関の排気浄化装置
    であって、 前記内燃機関の排気通路に直列に配置された、それぞれ
    流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯX
    を吸収し排気酸素濃度が低下したときに吸収したＮＯX
    を放出する第１と第２のＮＯX 吸収剤と、 前記第１と第２のＮＯX 吸収剤との間の排気通路に二次
    空気を供給する二次空気供給装置と、 前記排気通路を通る排気の流れ方向を、排気が前記第１
    のＮＯX 吸収剤を通過した後に前記第２のＮＯX 吸収剤
    を通過する第１の方向と、排気が前記第２のＮＯX 吸収
    剤を通過した後に前記第１のＮＯX 吸収剤を通過する第
    ２の方向とに切り換える切換手段と、 所定の条件が成立する毎に前記切換手段を作動させて、
    排気流れ方向を前記第１の方向と第２の方向とに交互に
    切り換える制御手段と、を備えた内燃機関の排気浄化装
    置。
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