JP2008075457A

JP2008075457A - 圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP2008075457A
Application number: JP2006252419A
Authority: JP
Inventors: Yasuaki Nakano; 泰彰仲野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-09-19
Filing date: 2006-09-19
Publication date: 2008-04-03

Abstract

【課題】ＳＯ_xトラップ触媒の昇温制御時にＳＯ_xトラップ触媒からのＳＯ_xの放出を抑制する。
【解決手段】ＮＯ_x吸蔵触媒１４上流の機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＳＯ_xを捕獲しうるＳＯ_xトラップ触媒１２を配置し、これらＳＯ_xトラップ触媒１２とＮＯ_x吸蔵触媒１４間に排気制御弁１６を配置する。ＳＯ_xトラップ触媒１２によるＳＯ_xトラップ率が低下してきたときはＳＯ_xトラップ触媒１２に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつ排気制御弁１６を閉弁してＳＯ_xトラップ触媒１２を昇温させる。このとき捕獲されているＳＯ_xはＳＯ_xトラップ触媒１２の内部に拡散し、それによってＳＯ_xトラップ率が回復する。
【選択図】図１

Description

本発明は圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置に関する。

流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯ_xを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯ_xを放出するＮＯ_x吸蔵触媒を機関排気通路内に配置した内燃機関が公知である。この内燃機関ではリーン空燃比のもとで燃焼が行われているときに発生するＮＯ_xがＮＯ_x吸蔵触媒に吸蔵される。一方、ＮＯ_x吸蔵触媒のＮＯ_x吸蔵能力が飽和に近づくと排気ガスの空燃比が一時的にリッチにされ、それによってＮＯ_x吸蔵触媒からＮＯ_xが放出され還元される。

ところで燃料および潤滑油内にはイオウが含まれており、従って排気ガス中にはＳＯ_xが含まれている。このＳＯ_xはＮＯ_xと共にＮＯ_x吸蔵触媒に吸蔵される。ところがこのＳＯ_xは排気ガスの空燃比を単にリッチにしただけではＮＯ_x吸蔵触媒から放出されず、従ってＮＯ_x吸蔵触媒に吸蔵されているＳＯ_xの量が次第に増大していく。その結果吸蔵しうるＮＯ_x量が次第に減少してしまう。

そこでＮＯ_x吸蔵触媒にＳＯ_xが送り込まれるのを阻止するためにＮＯ_x吸蔵触媒上流の機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＳＯ_xを捕獲しうるＳＯ_xトラップ触媒を配置した内燃機関が公知である（特許文献１参照）。この内燃機関では排気ガス中に含まれるＳＯ_xがＳＯ_xトラップ触媒に捕獲され、斯くしてＮＯ_x吸蔵触媒にＳＯ_xが流入するのが阻止される。その結果、ＳＯ_xの吸蔵によりＮＯ_xの吸蔵能力が低下するのを阻止することができる。

ところでこのＳＯ_xトラップ触媒は長期間に亘って使用するとＳＯ_xトラップ触媒の排気ガス流通表面付近における吸蔵ＮＯ_x濃度が高くなり、その結果ＳＯ_xトラップ能力が次第に低下してくる。ところがこのＳＯ_xトラップ触媒は、ＳＯ_xトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持した状態でＳＯ_xトラップ触媒の温度を上昇させると捕獲したＳＯ_xが次第にＮＯ_xトラップ触媒の内部に拡散し、それによってＳＯ_xトラップ能力が回復するという性質を有する。そこで上述の内燃機関では、ＳＯ_xトラップ触媒のＳＯ_xトラップ能力が低下したときには排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_xトラップ触媒の温度を上昇させ、それによってＳＯ_xトラップ能力を回復させるようにしている。
特開２００５−１３３６１０号公報

しかしながらＳＯ_xトラップ触媒の排気ガス流通表面付近における吸蔵ＳＯ_x濃度が高くなっているときにＳＯ_xトラップ触媒の温度を上昇させると大部分の吸蔵ＳＯ_xはＳＯ_xトラップ触媒の内部に拡散しはじめるが一部の吸蔵ＳＯ_xがＳＯ_xトラップ触媒から放出され、この放出されるＳＯ_x量はＳＯ_xトラップ触媒を流通する排気ガスの流速が増大するほど多くなる。即ち、ＳＯ_xトラップ触媒を流通する排気ガスの流速が増大するほどＮＯ_x吸蔵触媒に流入して吸蔵されるＳＯ_xの量が増大するという問題がある。

上記問題を解決するために本発明によれば、機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＳＯ_xを捕獲しうるＳＯ_xトラップ触媒を配置し、ＳＯ_xトラップ触媒下流の排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯ_xを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯ_xを放出するＮＯ_x吸蔵触媒を配置し、ＳＯ_xトラップ触媒は、ＳＯ_xトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＳＯ_xを捕獲し、排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_xトラップ触媒の温度が上昇すると捕獲したＳＯ_xが次第にＮＯ_xトラップ触媒の内部に拡散していく性質を有し、ＳＯ_xトラップ触媒のＳＯ_xトラップ能力が低下したときには排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_xトラップ触媒の温度を上昇させ、それによってＳＯ_xトラップ能力を回復させるようにした圧縮着火式内燃機関において、ＳＯ_xトラップ触媒下流の機関排気通路内に排気制御弁を配置し、ＳＯ_xトラップ能力を回復するためのＳＯ_xトラップ触媒の昇温制御時においてＳＯ_xトラップ触媒を流通する排気ガスの流速を抑制すべきときには排気制御弁を閉弁するようにしている。

ＳＯ_xがＮＯ_x吸蔵触媒に流入して吸蔵されるのを抑制することができる。

図１に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。
図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドを夫々示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結され、コンプレッサ７ａの入口はエアクリーナ８に連結される。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁９が配置され、更に吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１０が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１０内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。

一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結され、排気タービン７ｂの出口は酸化触媒１１の入口に連結される。酸化触媒１１の出口はＳＯ_xトラップ触媒１２の入口に連結され、ＳＯ_xトラップ触媒１２の出口は排気管１３を介してＮＯ_x吸蔵触媒１４に連結される。排気管１３内にはアクチュエータ１５によって開閉制御される排気制御弁１６が配置される。また、排気マニホルド５内には排気ガス中に燃料を添加するための燃料添加弁１７が配置されている。

排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路１８を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１８内には電子制御式ＥＧＲ制御弁１９が配置される。また、ＥＧＲ通路１８周りにはＥＧＲ通路１８内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２０が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２０内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管２１を介してコモンレール２２に連結される。このコモンレール２２内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２３から燃料が供給され、コモンレール２２内に供給された燃料は各燃料供給管２１を介して燃料噴射弁３に供給される。

電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。図１に示されるようにＮＯ_x吸蔵触媒１４にはＮＯ_x吸蔵触媒１４の前後差圧を検出するための差圧センサ２４が取付けられており、この差圧センサ２４の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁９駆動用ステップモータ、排気制御弁１６を駆動するアクチュエータ１５、燃料添加弁１７、ＥＧＲ制御弁１９および燃料ポンプ２３に接続される。

まず初めに図１に示されるＮＯ_x吸蔵触媒１４について説明すると、このＮＯ_x吸蔵触媒１４は三次元網目構造のモノリス担体或いはペレット状担体上に担持されているか、又はハニカム構造をなすパティキュレートフィルタ上に担持されている。このようにＮＯ_x吸蔵触媒１４は種々の担体上に担持させることができるが、以下ＮＯ_x吸蔵触媒１４をパティキュレートフィルタ上に担持した場合について説明する。

図２（Ａ）および（Ｂ）はＮＯ_x吸蔵触媒１４を担持したパティキュレートフィルタ１４ａの構造を示している。なお、図２（Ａ）はパティキュレートフィルタ１４ａの正面図を示しており、図２（Ｂ）はパティキュレートフィルタ１４ａの側面断面図を示している。図２（Ａ）および（Ｂ）に示されるようにパティキュレートフィルタ１４ａはハニカム構造をなしており、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路６０，６１を具備する。これら排気流通路は下流端が栓６２により閉塞された排気ガス流入通路６０と、上流端が栓６３により閉塞された排気ガス流出通路６１とにより構成される。なお、図２（Ａ）においてハッチングを付した部分は栓６３を示している。従って排気ガス流入通路６０および排気ガス流出通路６１は薄肉の隔壁６４を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス流入通路６０および排気ガス流出通路６１は各排気ガス流入通路６０が４つの排気ガス流出通路６１によって包囲され、各排気ガス流出通路６１が４つの排気ガス流入通路６０によって包囲されるように配置される。

パティキュレートフィルタ１４ａは例えばコージライトのような多孔質材料から形成されており、従って排気ガス流入通路６０内に流入した排気ガスは図２（Ｂ）において矢印で示されるように周囲の隔壁６４内を通って隣接する排気ガス流出通路６１内に流出する。
このようにＮＯ_x吸蔵触媒１４をパティキュレートフィルタ１４ａ上に担持させた場合には、各排気ガス流入通路６０および各排気ガス流出通路６１の周壁面、即ち各隔壁６４の両側表面上および隔壁６４内の細孔内壁面上には例えばアルミナからなる触媒担体が担持されており、図３はこの触媒担体４５の表面部分の断面を図解的に示している。図３に示されるように触媒担体４５の表面上には貴金属触媒４６が分散して担持されており、更に触媒担体４５の表面上にはＮＯ_x吸収剤４７の層が形成されている。

本発明による実施例では貴金属触媒４６として白金Ｐｔが用いられており、ＮＯ_x吸収剤４７を構成する成分としては例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、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が用いられている。

機関吸気通路、燃焼室２およびＮＯ_x吸蔵触媒１４上流の排気通路内に供給された空気および燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比と称すると、ＮＯ_x吸収剤４７は排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯ_xを吸収し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯ_xを放出するＮＯ_xの吸放出作用を行う。

即ち、ＮＯ_x吸収剤４７を構成する成分としてバリウムＢａを用いた場合を例にとって説明すると、排気ガスの空燃比がリーンのとき、即ち排気ガス中の酸素濃度が高いときには排気ガス中に含まれるＮＯは図３に示されるように白金Ｐｔ４６上において酸化されてＮＯ₂となり、次いでＮＯ_x吸収剤４７内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら硝酸イオンＮＯ₃ ^-の形でＮＯ_x吸収剤４７内に拡散する。このようにしてＮＯ_xがＮＯ_x吸収剤４７内に吸収される。排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔ４６の表面でＮＯ₂が生成され、ＮＯ_x吸収剤４７のＮＯ_x吸収能力が飽和しない限りＮＯ₂がＮＯ_x吸収剤４７内に吸収されて硝酸イオンＮＯ₃ ^-が生成される。

これに対し、燃料添加弁１７から燃料を供給することによって排気ガスの空燃比をリッチ或いは理論空燃比にすると排気ガス中の酸素濃度が低下するために反応が逆方向（ＮＯ₃ ^-→ＮＯ₂）に進み、斯くしてＮＯ_x吸収剤４７内の硝酸イオンＮＯ₃ ^-がＮＯ₂の形でＮＯ_x吸収剤４７から放出される。次いで放出されたＮＯ_xは排気ガス中に含まれる未燃ＨＣ，ＣＯによって還元される。

このように排気ガスの空燃比がリーンであるとき、即ちリーン空燃比のもとで燃焼が行われているときには排気ガス中のＮＯ_xがＮＯ_x吸収剤４７内に吸収される。しかしながらリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われるとその間にＮＯ_x吸収剤４７のＮＯ_x吸収能力が飽和してしまい、斯くしてＮＯ_x吸収剤４７によりＮＯ_xを吸収できなくなってしまう。そこで本発明による実施例ではＮＯ_x吸収剤４７の吸収能力が飽和する前に燃料添加弁１７から燃料を添加することによって排気ガスの空燃比を一時的にリッチにし、それによってＮＯ_x吸収剤４７からＮＯ_xを放出させるようにしている。

ところで排気ガス中にはＳＯ_x、即ちＳＯ₂が含まれており、このＳＯ₂がＮＯ_x吸蔵触媒１４に流入するとこのＳＯ₂は白金Ｐｔ４６において酸化されてＳＯ₃となる。次いでこのＳＯ₃はＮＯ_x吸収剤４７内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら、硫酸イオンＳＯ₄ ^2-の形でＮＯ_x吸収剤４７内に拡散し、安定した硫酸塩ＢａＳＯ₄を生成する。しかしながらＮＯ_x吸収剤４７が強い塩基性を有するためにこの硫酸塩ＢａＳＯ₄は安定していて分解しづらく、排気ガスの空燃比を単にリッチにしただけでは硫酸塩ＢａＳＯ₄は分解されずにそのまま残る。従ってＮＯ_x吸収剤４７内には時間が経過するにつれて硫酸塩ＢａＳＯ₄が増大することになり、斯くして時間が経過するにつれてＮＯ_x吸収剤４７が吸収しうるＮＯ_x量が低下することになる。

ところでこの場合、ＮＯ_x吸蔵触媒１４の温度を６００℃以上のＳＯ_x放出温度まで上昇させた状態でＮＯ_x吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするとＮＯ_x吸収剤４７からＳＯ_xが放出される。ただし、この場合ＮＯ_x吸収剤４７からは少しずつしかＳＯ_xが放出されない。従ってＮＯ_x吸収剤４７から全ての吸収ＳＯ_xを放出させるには長時間に亘って空燃比をリッチにしなければならず、斯くして多量の燃料が必要になるという問題がある。また、ＮＯ_x吸収剤４７から放出されたＳＯ_xは大気中に排出されることになり、このことも好ましいことではない。

そこで本発明ではＮＯ_x吸蔵触媒１４の上流にＳＯ_xトラップ触媒１２を配置してこのＳＯ_xトラップ触媒１２により排気ガス中に含まれるＳＯ_xを捕獲し、それによってＮＯ_x吸蔵触媒１４にＳＯ_xが流入しないようにしている。次にこのＳＯ_xトラップ触媒１２について説明する。

このＳＯ_xトラップ触媒１２は例えばハニカム構造のモノリス触媒からなり、ＳＯ_xトラップ触媒１２の軸線方向にまっすぐに延びる多数の排気ガス流通孔を有する。図４はこのようにＳＯ_xトラップ触媒１２をハニカム構造のモノリス触媒から形成した場合の各排気ガス流通孔の内周壁面、即ち基体５０の表面部分の断面を図解的に示している。図４に示されるように基体５０の表面上にはコート層５１が形成されており、このコート層５１の表面上には貴金属触媒５２が分散して担持されている。

本発明による実施例では貴金属触媒５２として白金が用いられており、コート層５１を構成する成分としては例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、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が用いられている。即ち、ＳＯ_xトラップ触媒１２のコート層５１は強塩基性を呈している。

さて、排気ガス中に含まれるＳＯ_x、即ちＳＯ₂は図４に示されるように白金Ｐｔ５２において酸化され、次いでコート層５１内に捕獲される。即ち、ＳＯ₂は硫酸イオンＳＯ₄ ^2-の形でコート層５１内に拡散し、硫酸塩を形成する。なお、上述したようにコート層５１は強塩基性を呈しており、従って図４に示されるように排気ガス中に含まれるＳＯ₂の一部は直接コート層５１内に捕獲される。

図４においてコート層５１内における濃淡は捕獲されたＳＯ_xの濃度を示している。図４からわかるようにコート層５１内におけるＳＯ_x濃度はコート層５１の表面近傍が最も高く、奥部に行くに従って次第に低くなっていく。コート層５１の表面近傍におけるＳＯ_x濃度が高くなるとコート層５１の表面の塩基性が弱まり、ＳＯ_xの捕獲能力が弱まる。ここで排気ガス中に含まれるＳＯ_xのうちでＳＯ_xトラップ触媒１２に捕獲されるＳＯ_xの割合をＳＯ_xトラップ率と称すると、コート層５１の表面の塩基性が弱まればそれに伴なってＳＯ_xトラップ率が低下することになる。

図５にＳＯ_xトラップ率の時間的変化を示す。図５に示されるようにＳＯ_xトラップ率は初めは１００パーセントに近いが時間が経過するとＳＯ_xトラップ率は急速に低下する。そこで本発明では図６に示されるようにＳＯ_xトラップ率が予め定められた率よりも低下したときには排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_xトラップ触媒１２の温度を上昇させる昇温制御を行い、それによってＳＯ_xトラップ率を回復させるようにしている。

即ち、排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_xトラップ触媒１２の温度を上昇させるとコート層５１内の表面近傍に集中的に存在するＳＯ_xはコート層５１内におけるＳＯ_x濃度が均一となるようにコート層５１の奥部に向けて拡散していく。即ち、コート層５１内に生成されている硝酸塩はコート層５１の表面近傍に集中している不安定な状態からコート層５１内の全体に亘って均一に分散した安定した状態に変化する。コート層５１内の表面近傍に存在するＳＯ_xがコート層５１の奥部に向けて拡散するとコート層５１の表面近傍のＳＯ_x濃度が低下し、斯くしてＳＯ_xトラップ触媒１２の昇温制御が完了すると図６に示されるようにＳＯ_xトラップ率が回復する。

ＳＯ_xトラップ触媒１２の昇温制御を行ったときにＳＯ_xトラップ触媒１２の温度をほぼ４５０℃程度にすればコート層５１の表面近傍に存在するＳＯ_xをコート層５１内に拡散させることができ、ＳＯ_xトラップ触媒１２の温度を６００℃程度まで上昇させるとコート層５１内のＳＯ_x濃度をかなり均一化することができる。従ってＳＯ_xトラップ触媒１２の昇温制御時には排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_xトラップ触媒１２の温度を６００℃程度まで昇温させることが好ましい。

なお、このようにＳＯ_xトラップ触媒１２を昇温したときに排気ガスの空燃比をリッチにするとＳＯ_xトラップ触媒１２からＳＯ_xが放出されてしまう。従って本発明ではＳＯ_xトラップ触媒１２の温度がＳＯ_x放出温度以上であるときにはＳＯ_xトラップ触媒１２に流入する排気ガスの空燃比をリッチにしないようにしている。

ＳＯ_xトラップ触媒１２の温度は、例えば主燃料に加え、膨張行程中又は排気行程中に補助燃料を噴射することによって上昇させることができる。即ち、このように補助燃料を噴射すると大部分の補助燃料はＳＯ_xトラップ触媒１２上において過剰酸素により酸化され、このとき発生する酸化反応熱によってＳＯ_xトラップ触媒１２の温度が上昇せしめられる。また、燃料添加弁１７から燃料を添加し、この添加燃料の酸化反応熱によってＳＯ_xトラップ触媒１２の温度を上昇させることもできる。なお、いずれの方法により昇温する場合でもＳＯ_xトラップ触媒１２に流入する排気ガスの空燃比はリッチにされることなくリーンに維持される。

次に図７から図１１を参照しつつＳＯ_xトラップ触媒１２におけるＳＯ_x安定化処理の一実施例について説明する。
この実施例では、ＳＯ_xトラップ触媒１２に捕獲されたＳＯ_x量を推定し、ＳＯ_xトラップ触媒１２に捕獲されたＳＯ_x量が予め定められた量を越えたときにＳＯ_xトラップ率が予め定められた率よりも低下したと判断され、このときＳＯ_xトラップ率を回復するために排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_xトラップ触媒１２の温度を上昇させる昇温制御を行うようにしている。

即ち、燃料中には或る割合でイオウが含まれており、従って排気ガス中に含まれるＳＯ_x量、即ちＳＯ_xトラップ触媒１２に捕獲されるＳＯ_x量は燃料噴射量に比例する。燃料噴射量は要求トルクおよび機関回転数の関数であり、従ってＳＯ_xトラップ触媒１２に捕獲されるＳＯ_x量も要求トルクおよび機関回転数の関数となる。本発明による実施例ではＳＯ_xトラップ触媒１２に単位時間当り捕獲されるＳＯ_x量ＳＯＸＡが要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図７（Ａ）に示されるようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

また、潤滑油内にも或る割合でイオウが含まれており、燃焼室２内で燃焼せしめられる潤滑油量、即ち排気ガス中に含まれていてＳＯ_xトラップ触媒１２に捕獲されるＳＯ_x量も要求トルクおよび機関回転数の関数となる。本発明による実施例では潤滑油に含まれていてＳＯ_xトラップ触媒１２に単位時間当り捕獲されるＳＯ_x量ＳＯＸＢが要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図７（Ｂ）に示されるようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、ＳＯ_x量ＳＯＸＡおよびＳＯ_x量ＳＯＸＢの和を積算することによってＳＯ_xトラップ触媒１２に捕獲されているＳＯ_x量ΣＳＯＸが算出される。

また、本発明による実施例では図７（Ｃ）に示されるようにＳＯ_x量ΣＳＯＸと、ＳＯ_xトラップ触媒１２を昇温処理すべきときの予め定められたＳＯ_x量ＳＯ（ｎ）との関係が予め記憶されており、ＳＯ_x量ΣＳＯＸが予め定められたＳＯ（ｎ）（ｎ＝１，２，３，…）を越えたときにＳＯ_xトラップ触媒１２の昇温処理が行われる。なお、図７（Ｃ）においてはｎは何回目の昇温処理であるかを示している。図７（Ｃ）からわかるようにＳＯ_xトラップ率を回復するための昇温処理回数ｎが増大するにつれて予め定められた量ＳＯ（ｎ）が増大せしめられ、この予め定められた量ＳＯ（ｎ）の増大割合は処理回数ｎが増大するほど減少する。即ち、ＳＯ（２）に対するＳＯ（３）の増大割合はＳＯ（１）に対するＳＯ（２）の増大割合よりも減少する。

即ち、図８のタイムチャートに示されるようにＳＯ_xトラップ触媒１２に捕獲されたＳＯ_x量ΣＳＯＸは許容値ＭＡＸまで時間の経過と共に増大し続ける。また、図８においてＳＯ_x濃度はＳＯ_xトラップ触媒１２の表面近傍におけるＳＯ_x濃度を示している。図８からわかるようにＳＯ_xトラップ触媒１２の表面近傍におけるＳＯ_x濃度が許容値ＳＯＺを越えると排気ガスの空燃比Ａ／ＦがリーンのもとでＳＯ_xトラップ触媒１２の温度Ｔを上昇させる昇温制御が行われる。昇温制御が行われるとＳＯ_xトラップ触媒１２の表面近傍におけるＳＯ_x濃度は減少するがこのＳＯ_x濃度の減少量は昇温制御が行われる毎に小さくなり、従って昇温制御が行われてから次に昇温制御が行われるまでの期間は昇温制御が行われる毎に短かくなる。

なお、図８に示されるように捕獲されたＳＯ_x量ΣＳＯＸがＳＯ（１），ＳＯ（２），…に達するということはＳＯ_xトラップ触媒１２の表面近傍におけるＳＯ_x濃度が許容値ＳＯＺに達したことを意味している。

さて前述したようにＳＯ_xトラップ触媒１２の昇温制御を行うとコート層５１の表面近傍に存在するＳＯ_xをコート層５１内に拡散させることができる。しかしながらコート層５１の表面近傍のＳＯ_x濃度が高い状態のときにＳＯ_xトラップ触媒１２の昇温制御を行うとコート層５１の表面近傍に存在する大部分のＳＯ_xは上述した如くコート層５１内に拡散するが一部のＳＯ_xはコート層５１から放出してしまう。この場合、コート層５１の表面上を流れる排気ガスの流速が早いほどコート層５１から放出されるＳＯ_x量は増大する。

従ってコート層５１から放出されるＳＯ_x量を減少させるにはコート層５１の表面上を流れる排気ガスの流速、即ちＳＯ_xトラップ触媒１２を流通する排気ガスの流速を抑制する必要がある。そこで本発明では、ＳＯ_xトラップ率を回復するためのＳＯ_xトラップ触媒１２の昇温制御時においてＳＯ_xトラップ触媒１２を流通する排気ガスの流速を抑制すべきときには排気制御弁１６を閉弁するようにしている。即ち、排気制御弁１６を閉弁するとＳＯ_xトラップ触媒１２内を流れる排気ガスの体積流量が減少し、斯くしてＳＯ_xトラップ触媒１２内を流れる排気ガスの流速が低下する。その結果、コート層５１からのＳＯ_xの放出作用が抑制されることになる。

図９はＳＯ_xトラップ触媒１２の昇温制御時における排気制御弁１６の目標開度θを示している。なお、図９において縦軸ＴＱは機関の要求トルクを示しており、横軸Ｎは機関回転数を示している。図９においてθ₀は全開状態を示しており、θ₁からθ₄に向けて目標開度は次第に小さくなっていく。一方、θ₀よりも低回転、低トルク側は目標開度が全開とされている。

即ち、本発明による実施例では機関低速低負荷運転時には排気制御弁１６が全開せしめられ、機関低速低負荷運転時以外では、即ち機関負荷が予め定められた負荷よりも高いとき又は機関回転数が予め定められた回転数よりも高いときには排気制御弁１６が閉弁せしめられる。更に図９からわかるように本発明による実施例では機関負荷が高くなるほど排気制御弁１６の開度θは小さくされ、機関回転数が高くなるほど排気制御弁１６の開度θが小さくされる。即ち、機関負荷が高くなるほど排気ガス量が増大し、機関回転数が高くなるほど排気ガス量が増大するので排気ガスの流速を一定速度以下に抑制するために上述した如く、機関負荷が高くなるほど排気制御弁１６の開度θは小さくされ、機関回転数が高くなるほど排気制御弁１６の開度θが小さくされる。

図１０はＳＯ_xトラップ触媒１２の昇温制御のタイムチャートを示している。図１０に示されるように昇温制御が行われる前、即ち通常運転時には排気制御弁１６は全開状態に保持されている。一方、昇温制御が開始されると燃料添加弁１７から連続パルス状に燃料が添加され、排気制御弁１６の開度が制御される。それによってＳＯ_xトラップ触媒１２の温度Ｔは６００℃以上に保持される。この間、ＳＯ_xトラップ触媒１２に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）_Sはリーンに保持される。

図１１はＳＯ_x安定化処理を実行するためのルーチンを示している。
図１１を参照するとまず初めにステップ１００において図７（Ａ），（Ｂ）から夫々単位時間当り捕獲されるＳＯ_x量ＳＯＸＡおよびＳＯＸＢが読み込まれる。次いでステップ１０１ではこれらＳＯＸＡおよびＳＯＸＢの和がＳＯ_x量ΣＳＯＸに加算される。次いでステップ１０２ではＳＯ_x量ΣＳＯＸが図７（Ｃ）に示される予め定められた量ＳＯ（ｎ）（ｎ＝１，２，３，…）に達したか否かが判別される。ＳＯ_x量ΣＳＯＸが予め定められた量ＳＯ（ｎ）に達したときにはステップ１０３に進んで昇温制御が行われる。

即ち、まず初めにステップ１０３では燃料添加弁１７からの燃料添加が開始される。次いでステップ１０４では図９に示す排気制御弁１６の目標開度θが算出される。次いでステップ１０５では排気制御弁１６の開度がこの目標開度θに制御される。次いでステップ１０６では安定化処理が完了したか否かが判別され、安定化処理が完了していないときにはステップ１０３に戻る。

次に図１２から図１４を参照しつつＮＯ_x吸蔵触媒１４に対する処理について説明する。
本発明による実施例ではＮＯ_x吸蔵触媒１４に単位時間当り吸蔵されるＮＯ_x量ＮＯＸＡが要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図１３に示すマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、このＮＯ_x量ＮＯＸＡを積算することによってＮＯ_x吸蔵触媒１４に吸蔵されたＮＯ_x量ΣＮＯＸが算出される。本発明による実施例では図１２に示されるようにこのＮＯ_x量ΣＮＯＸが許容値ＮＸに達する毎に燃料添加弁１７から燃料が添加されてＮＯ_x吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比Ａ／Ｆが一時的にリッチにされ、それによってＮＯ_x吸蔵触媒１４からＮＯ_xが放出される。

一方、排気ガス中に含まれる粒子状物質はＮＯ_x吸蔵触媒１４を担持しているパティキュレートフィルタ１４ａ上に捕集され、順次酸化される。しかしながら捕集される粒子状物質の量が酸化される粒子状物質の量よりも多くなると粒子状物質がパティキュレートフィルタ１４ａ上に次第に堆積し、この場合粒子状物質の堆積量が増大すると機関出力の低下を招いてしまう。従って粒子状物質の堆積量が増大したときには堆積した粒子状物質を除去しなければならない。この場合、空気過剰のもとでパティキュレートフィルタ１４ａの温度を６００℃程度まで上昇させると堆積した粒子状物質が酸化され、除去される。

そこで本発明による実施例ではパティキュレートフィルタ１４ａ上に堆積した粒子状物質の量が許容量を越えたときには燃料添加弁１７から燃料を添加することにより排気ガスの空燃比がリーンのもとでパティキュレートフィルタ１４ａの温度を上昇させ、それによって堆積した粒子状物質を酸化除去するようにしている。具体的に言うと本発明による実施例では差圧センサ２４により検出されたパティキュレートフィルタ１４ａの前後差圧ΔＰが図１２に示されるように許容値ＰＸを越えたときに堆積粒子状物質の量が許容量を越えたと判断され、このときパティキュレートフィルタ１４ａに流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつパティキュレートフィルタ１４ａの温度Ｔを上昇させる昇温制御が行われる。なお、パティキュレートフィルタ１４ａの温度Ｔが高くなるとＮＯ_x吸蔵触媒１４からＮＯ_xが放出されるために捕獲されているＮＯ_x量ΣＮＯＸは減少する。

図１４はＮＯ_x吸蔵触媒１４に対する処理ルーチンを示している。
図１４を参照するとまず初めにステップ２００において図１３に示すマップから単位時間当り吸蔵されるＮＯ_x量ＮＯＸＡが算出される。次いでステップ２０１ではこのＮＯＸＡがＮＯ_x吸蔵触媒１４に吸蔵されているＮＯ_x量ΣＮＯＸに加算される。次いでステップ２０２では吸蔵ＮＯ_x量ΣＮＯＸが許容値ＮＸを越えたか否かが判別され、ΣＮＯＸ＞ＮＸとなったときにはステップ２０４に進んで燃料添加弁１７から添加された燃料によってＮＯ_x吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリーンからリッチに切換えるリッチ処理が行われ、ΣＮＯＸがクリアされる。

次いでステップ２０４では差圧センサ２４によりパティキュレートフィルタ１４ａの前後差圧ΔＰが検出される。次いでステップ２０５では差圧ΔＰが許容値ＰＸを越えたか否かが判別され、ΔＰ＞ＰＸとなったときにはステップ２０６に進んでパティキュレートフィルタ１４ａの昇温制御が行われる。

図１５に圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す。この実施例では燃料添加弁１７に加えてＳＯ_xトラップ触媒１２とＮＯ_x吸蔵触媒１４との間の排気管１３内に第２の燃料添加弁２５が配置されている。

図１６はＳＯ_xトラップ触媒１２の昇温制御を示している。なお、図１６において燃料添加Ｉは燃料添加弁１７からの燃料添加を示しており、空燃比（Ａ／Ｆ）_SはＳＯ_xトラップ触媒１２に流入する排気ガスの空燃比を示しており、燃料添加IIは第２の燃料添加弁２５からの燃料添加を示しており、空燃比（Ａ／Ｆ）_NはＮＯ_x吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比を示している。この実施例でも昇温制御が開始されると燃料添加弁１７から燃料が添加され、ＳＯ_xトラップ触媒１２に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）_Sがリーンに維持された状態で排気制御弁１６の開度が制御される。

一方、この実施例ではＳＯ_xトラップ触媒１２の昇温作用が完了して排気制御弁１６が閉弁状態から全開せしめられるときに第２の燃料添加弁２５から燃料が添加され、添加された燃料によってＮＯ_x吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）_Nが一時的にリッチにされる。即ち、ＳＯ_xトラップ触媒１２の温度が高いときに排気制御弁１６が閉弁状態から全開せしめられるとＳＯ_xトラップ触媒１２から放出されるＳＯ_x量が増大せしめられる。このとき上述したようにＮＯ_x吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）_NがリッチにされるとＮＯ_x吸蔵触媒１４内に流入したＳＯ_xの酸化作用が行われず、斯くしてＳＯ_xがＮＯ_x吸蔵触媒１４内に吸蔵されるのを阻止することができる。

図１７は図１６に示される昇温制御を行うＳＯ_x安定化処理を実行するためのルーチンを示している。このルーチンのステップ１００からステップ１０６は図１１に示されるＳＯ_x安定化処理ルーチンのステップ１００からステップ１０６と全く同一である。従ってこれらステップ１００からステップ１０６の説明は省略し、ステップ１０７から説明する。

図１７を参照するとステップ１０６において安定化処理が完了したと判別されたときにステップ１０７に進んで排気制御弁１６が閉弁状態から全開せしめられたか否かが判別される。排気制御弁１６が閉弁状態から全開せしめられていないとき、即ち排気制御弁１６が全開状態に保持されていたときには処理サイクルを完了する。これに対し、排気制御弁１６が閉弁状態から全開せしめられたと判別されたときにはステップ１０８に進んで第２の燃料添加弁２５から燃料が添加され、ＮＯ_x吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）_Nがリッチとされる。

なお、この実施例ではＮＯ_x吸蔵触媒１４からＮＯ_xを放出すべきときにも第２の燃料添加弁２５から燃料が添加され、ＮＯ_x吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比がリッチとされる。

圧縮着火式内燃機関の全体図である。パティキュレートフィルタの構造を示す図である。ＮＯ_x吸蔵触媒の触媒担体の表面部分の断面図である。ＳＯ_xトラップ触媒の基体の表面部分の断面図である。ＳＯ_xトラップ率を示す図である。昇温制御を説明するための図である。吸蔵ＳＯ_x量ΣＳＯＸと、昇温制御を行うべき吸蔵ＳＯ_x量ＳＯ（ｎ）との関係等を示す図である。吸蔵ＳＯ_x量ΣＳＯＸ等の変化を示すタイムチャートである。排気制御弁の目標開度を示す図である。ＳＯ_xトラップ触媒の昇温制御を示すタイムチャートである。ＳＯ_x安定化処理を実行するためのフローチャートである。パティキュレートフィルタの昇温制御を示すタイムチャートである。吸蔵ＮＯ_x量ＮＯＸＡのマップを示す図である。ＮＯ_x吸蔵触媒に対する処理を実行するためのフローチャートである。圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す全体図である。ＳＯ_xトラップ触媒の昇温制御を示すタイムチャートである。ＳＯ_x安定化処理を実行するためのフローチャートである。

符号の説明

４吸気マニホルド
５排気マニホルド
７排気ターボチャージャ
１２ＳＯ_xトラップ触媒
１４ＮＯ_x吸蔵触媒
１６排気制御弁
１７，２５燃料添加弁

Claims

機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＳＯ_xを捕獲しうるＳＯ_xトラップ触媒を配置し、ＳＯ_xトラップ触媒下流の排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯ_xを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯ_xを放出するＮＯ_x吸蔵触媒を配置し、該ＳＯ_xトラップ触媒は、ＳＯ_xトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＳＯ_xを捕獲し、排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_xトラップ触媒の温度が上昇すると捕獲したＳＯ_xが次第にＮＯ_xトラップ触媒の内部に拡散していく性質を有し、ＳＯ_xトラップ触媒のＳＯ_xトラップ能力が低下したときには排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_xトラップ触媒の温度を上昇させ、それによってＳＯ_xトラップ能力を回復させるようにした圧縮着火式内燃機関において、上記ＳＯ_xトラップ触媒下流の機関排気通路内に排気制御弁を配置し、ＳＯ_xトラップ能力を回復するためのＳＯ_xトラップ触媒の昇温制御時においてＳＯ_xトラップ触媒を流通する排気ガスの流速を抑制すべきときには該排気制御弁を閉弁するようにした圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
該排気制御弁を上記ＮＯ_x吸蔵触媒の上流に配置した請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
ＳＯ_xトラップ率を回復するためのＳＯ_xトラップ触媒の昇温制御時において機関負荷が予め定められた負荷よりも高いとき又は機関回転数が予め定められた回転数よりも高いときにＳＯ_xトラップ触媒を流通する排気ガスの流速を抑制すべきであると判断され、このとき排気制御弁が閉弁せしめられる請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
機関負荷が高くなるほど排気制御弁の開度は小さくされ、機関回転数が高くなるほど排気制御弁の開度が小さくされる請求項３に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
ＳＯ_xトラップ触媒上流の機関排気通路内に燃料添加弁が配置され、該燃料添加弁から燃料を添加することにより排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_xトラップ触媒の温度が上昇せしめられる請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
ＳＯ_xトラップ触媒とＮＯ_x吸蔵触媒との間に燃料添加弁が配置され、ＳＯ_xトラップ触媒の昇温作用が完了して排気制御弁が閉弁状態から全開せしめられるときに該燃料添加弁から添加された燃料によってＮＯ_x吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比が一時的にリッチにされる請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。